автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обеспечение процесса концентрирования растительно-молочных продуктов функционального назначения

00ьиэ«~

На правах рукописи СКУГОРОВ Сергей Викторович

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНО-МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 АПР 2013

Воронеж-2013

005051540

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»).

Научный руководитель - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Остриков Александр Николаевич

Официальные оппоненты — Магомедов Газибег Омарович

доктор технических наук, профессор, «Воронежский государственный

университет инженерных технологий», заведующий кафедрой ТХМКП

Гнездилова Анна Ивановна

доктор технических наук, профессор, ГОУВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина», профессор кафедры технологического оборудования

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский

институт консервной и овощесушиль-ной промышленности («ВНИИКОП», г. Видное Московской области)

Защита диссертации состоится «07» марта 2013 г. в 14 30 ч на заседании диссертационного совета Д 212.035.01 при Воронежском государственном университете инженерных технологий по адресу: 394036, Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» (http://vsuet.ru).

Автореферат разослан «06» февраля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.035.01 | / Г.В.Калашников

'Г

тт

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На российском рынке молочно-фруктовые десерты находится на третьем месте по объемам потребления. По итогам 2011 г. объем российского рынка молочно-фруктовых десертов в натуральном выражении составил 1,5 млн. тонн, что на 11 % процентов превышает уровень предыдущего года. Валовой сбор сырья для молочно-фруктовых десертов в 2011 году составил: для плодов и ягод в хозяйствах всех категорий РФ 2,5 млн. т, что на 16,9 % опережает уровень предыдущего года; для зернобобовых культур 4,5 млн. т; в качестве молочного компонента на сегодняшний момент выгодно использовать вторичное молочное сырье, производство которого в 2011 г. составило 18 млн. т. Установлено, что значительная часть молочно-фруктовых десертов производиться вакуум-выпариванием, и отличается невысоким качеством из-за использования жестких температурных режимов обработки. За последние годы в этой области работали и внесли значительный вклад в развитие технологии концентрирования: Вертяков Ф. Н., Веретенников А. Н., Синюков Д. А., Ишматов А. Н. и др.

Для производства молочно-фруктовых десертов высокого качества необходимо проведение процесса концентрирования в соответствии с основными закономерностями, выявление которых является актуальной задачей, имеющей важное теоретическое и прикладное значение.

Работа проводилась в соответствии с планом госбюджетной НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ВГТА (№ гос. регистрации 01.130.2.12440) «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» на 2011-2015 гг.; государственного контракта № П459 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в целях развития общероссийской мобильности» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» (№ 14.740.11.0980).

Цель работы - научное обеспечение процессов экстракции зернобобовых культур вторичным молочным сырьем и вакуум-

выпаривания растительно-молочных смесей на основе комплексного анализа основных закономерностей процесса совместно с их физико-химическими и структурно-механическими характеристиками, разработка рекомендаций по совершенствованию высокоэффективных технологий производства растительно-молочных десертов; создание перспективных конструкций вакуум-выпарных аппаратов.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Оптимизация рецептурных смесей по микро- и макро-элементному составу, содержанию витаминов и биологической ценности.

2. Исследование реологических и теплофизических характеристик исходных и концентрированных молочно-растительных смесей.

3. Исследование процесса экстракции зернобобовых культур вторичным молочным сырьем.

4. Создание математической модели процесса концентрирования.

5. Изучение основных кинетических закономерностей при вакуум-выпаривании молочно-растительных смесей.

6. Определение рациональных технологических режимов двухстадийного выпаривания.

7. Исследование показателей качества и безопасности, исходных и концентрированных молочно-растительных смесей.

8. Проведение энергетической оценки термодинамической эффективности разработанного вакуум-выпарного аппарата посредством эксергетического анализа.

9. Разработка новых конструкций вакуум-выпарных аппаратов и способов производства молочно-растительных десертов для реализации разработанного процесса вакуум-выпаривания.

Научная новизна. Оптимизированы рецептуры растительно-молочных смесей для различных групп населения. Определены реологические и теплофизические характеристики молочно-растительных смесей.

Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности процесса экстракции зернобобовых культур вторичным молочным сырьем, предложена рациональная технология получения экстракта чечевицы пахтой.

Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности тепло- и массообмена в процессе вакуум-выпаривания растительно-молочных смесей; обоснована необходимость использования выпаривания мелкодисперсно-распыленного десерта для сохранения термолабильных питательных веществ.

Разработана математическая модель процесса испарения влаги из диспергированных капель растительно-молочных смесей при вакуум-выпаривании, позволяющая определить характер изменения температуры и влагосодержания в исследуемом десерте.

Определен химический состав, показатели качества, биологическая ценность и антиоксидантная активность исходных и концентрированных образцов смесей.

Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 5 патентами РФ.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработаны способ производства растительно-молочного десерта, вакуум-выпарные аппараты для реализации разработанных технологий получения растительно-молочных десертов (пат. РФ № 2359462, 2412599, 2409960, 2428064, 2446705).

Определены и обоснованы рациональные технологические режимы процессов экстракции зернобобовых культур вторичным молочным сырьем и вакуум-выпаривания растительно-молочных десертов. Получены новые растительно-молочные десерты, обладающие хорошими потребительскими свойствами и высокой пищевой ценностью.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Воронеж, 2010 -2012 гг.), (Красноярск 2010 г.); (Ставрополь, 2010 г.); (Махачкала, 2011 г.); (Москва, 2011 г.); отчетных научных конференциях ВГУИТ за 2010-2011 гг.

Результаты работы демонстрировались на VII Межрегиональном экономическом форуме « Воронежский Агропромышленный форум» (Воронеж 2010 г.), Конкурсе инновационных проектов Воронежской области (Воронеж 2010 г.), IV областном

конкурсе на лучшую научную работу (Воронеж 2010 г.), Молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К. 2010» (Воронеж 2010 г.), Областном конкурсе на лучшую инновационную идею (Воронеж 2012 г.) и награждены 5 дипломами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в т. ч. 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 8 тезисов докладов, получено 5 патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и результатов, литературы из 168 наименований, в том числе 27 - на иностранных языках, объемом 181 страницу машинописного текста, приведены 57 таблиц и 70 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства молочно-фруктовых десертов, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе дана оценка зернобобовых культур, плодов, фруктов, ягод и вторичного молочного сырья, как объекта исследования, систематизированы данные о современном состоянии и основных направлениях совершенствования техники и технологии производства пюреобразных концентратов.

Приведена классификация и обзор оборудования для уваривания и концентрирования фруктового и молочного сырья.

Рассмотрены современные технологические линии производства фруктово-молочных концентратов. На основании проведенного анализа обоснован выбор объектов исследования.

Во второй главе приведены экспериментальные исследования растительно-молочных смесей как объекта изучения и на основе полученных данных разработаны растительно-молочные смеси, которые по своему составу удовлетворяют требованиям различных возрастных групп.

В качестве критериев оптимизации в программном комплексе ВНИИКП версии 5.0 были выбраны: сбалансированность по химическому составу растительно-молочной смеси; максимизация содержания витаминов, микро- и макроэлементов, согласно

потребностям возрастных групп населения; максимальная биологическая ценность растительно-молочной меси. Были рассчитаны смеси, адаптированные под следующие возрастные категории:

1 группа (пожилой возраст от 60 лет и выше) - смесь № 1:45 % экстракта чечевицы пахтой, 33 % груши, 12 % облепихи, 10 % айвы;

2 группа (средний возраст от 40 до 60 лет) - смесь № 2: 47,5 % экстракта чечевицы пахтой, 21 % яблоко, 16,5 % груши, 15 % абрикоса; и смесь № 3: 46 % экстракта чечевицы пахтой, 20 % яблоко, 20 % персика, 14 % крыжовника;

3 группа (подростковый возраст до 18 лет) - смесь № 4: 48 % экстракта чечевицы пахтой, 15 % груши, 13 % абрикоса. 12 % персика, 12 % сливы.

Выявлен характер изменения динамической вязкости растительно-молочных десертов на структурном ротационном вискозиметре «ЯЬе^ез! ЯУ2» (Германия) при следующих режимах выпаривания исследуемых растительно-молочных десертов: температура от 293 до 313 К, влажность от 71,6 до 91,4 %.

Анализ зависимостей изменения динамической вязкости растительно-молочных десертов (на примере смеси № 1) показал, что с повышением температуры при малых скоростях сдвига у = КЗ с"') силы взаимодействия между дисперсными частицами ослабевают и вязкость заметно уменьшается (рис. 1 и 2). С повышением скорости сдвига (у = 3-46 с"1) влияние температуры на градиент изменения вязкости десерта ослабевает. При больших скоростях сдвига (у = 16+-49 с"1) температура почти не оказывает влияние на изменение эффективной вязкости.

Рис. 1. Кривые течения смеси № 1 при различных температурах и влажности, IV,

%: а -91,2, б-72,3

Пас

3 2 1

О

Рис. 2. Зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига для смеси № 1 при различных температурах и влажности, IV, %: а - 91,2, б - 72,3

Определены зависимости теплофизических характеристик исследуемых растительно-молочных смесей, проводимых на измерительной установке Coessfield RT-1394H (National Instruments). Для исследуемых смесей зависимость от температуры коэффициентов удельной теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности незначительна. Также для коэффициента температуропроводности зависимость от влажности продукта почти не изменяется. Коэффициенты теплопроводности и температуропроводности уменьшаются при уменьшении влажности продукта. Так, уменьшение влажности в среднем на 10 % приводит к изменению коэффициентов теплопроводности и температуропроводности почти в 1,5 раза.

Были определены значения плотности исследуемых видов растительно-молочных продуктов.

В третьей главе дано описание исследований основных кинетических закономерностей процесса производства растительно-молочных десертов. Проведены исследования процесса экстрагирование зернобобовых культур вторичным молочным сырьем с использованием метода трехстадийной бисмацерации.

В качестве вторичного молочного сырья использовали творожную сыворотку, пахту и обезжиренное молоко, а зернобобовых культур: сою, чечевицу, фасоль и нут.

—

Анализ построенных зависимостей массовой доли 9 сухих веществ в экстрактах О от продолжительности экс-

2 0 2 3 4

Продолжительность экстрагирования, ч

трагирования (на примере экстрагирования пахтой зернобобовых культур) показал, что оптимальным временем экстракции является 4-4,5 часа (рис. 3).

соя

чечевица

—И— фасоль —»О—— ^

В результате исследований была установлена высокая степень перехода сухих

Рис. 3. Зависимость массовой доли сухих ВвЩеСТВ При ЭКСТрЭГИрОВаНИИ веществ в экстрактах от продолжитель- сывороткой, НО при ЭТОМ мас-

из чечевицы на основе пахты и обезжиренного молока была выше.

В результате исследования физико-химических и органо-лептических показателей в качестве наиболее перспективного был выбран экстракт чечевицы на основе пахты.

Исследования процесса выпаривания растительно-молочного десерта в условиях пузырькового кипения при свободном движении пленки десерта по вертикальной стенке вакуум-камеры проводились на экспериментальной вакуум-выпарной установке при изменении параметров в следующих диапазонах: начальная температура пюре 333...345 К; давление подачи продукта 0,05...0,15 МПа, величина разряжения в вакуум-камере 4...6,9 кПа; температура стенки вакуум-камеры 290...318 К. В качестве объектов исследования использовались растительно-молочные смеси № 1, № 2, № 3 и № 4.

Исследования, проведенные при различных режимах процесса концентрирования десертов (давление подачи продукта, давление в вакуум-камере, температура стенки вакуум-камеры), показали существенное влияние этих параметров (рис. 4-6). Распыление продукта осуществлялось с помощью сопловой форсунки диаметром 1,2 мм.

ности экстрагирования пахтой

совая доля белка в экстрактах

На первой стадии процесса выпаривания, продолжительность которой составляла 50... 100 с, в результате резкого перепада температуры Гот 333...345 К до 308...323 К в подогревателе и вакуум-камере соответственно, а также перепада давления Р от 0,05...0,15 МПа при выходе из форсунки до 4...6,9 кПа в вакуум-камере происходит мелкодиспергированное распыление продукта, сопровождающееся мгновенным испарением влаги, содержащейся в десерте.

Затем наступала вторая стадия процесса выпаривания, на которой происходило выпаривание влаги из стекающей вниз по вертикальной стенке вакуум-камеры пленки продукта.

Рис. 4. Зависимость количества испаряемой из вакуум-камеры влаги от времени при выпаривании растительно-молочной смеси № 1

Рис. 5. Зависимость изменения температуры испаряемой из вакуум-камеры влаги от времени при выпаривании растительно-молочной смеси № 1

О 60 120 180 240 300 360 4с 420 Рис. 6. Зависимость изменения величины разряжения в вакуум-камере от времени при выпаривании растительно-молочной смеси № 1

Были построены зависимости изменения массы испаряемой влаги от давления продукта в вакуум-камеру и температуры стенки вакуум-камеры для исследуемых смесей (рис. 7).

г

№. | 0

а б

Рис. 7. Зависимость изменения массы испаряемых паров от давления нагнетания продукта в вакуум-камере и температуры стенки вакуум-камеры: а - смесь № 1;

6 - смесь № 2

Анализируя данные графические зависимости, можно заключить: чем выше температура стенки вакуум-камеры, тем интенсивнее идет испарение.

Установлено, что зависимости количества испаряемой влаги из десерта от температуры стенки вакуум камеры имеют почти линейных характер на участке от 306-308 К до 316-320 К. При температуре стенки вакуум-камеры 306-312 К образующееся пленка продукта стекает быстро вниз, в результате чего вторая стадия выпаривания почти отсутствует.

Зависимость изменения массы испаряемой влаги от давления нагнетания десерта в аппарат имеет прямо пропорциональную зависимость: повышение давления способствует более интенсивному протеканию процесса обезвоживания на стадии рас-пыливания продукта.

При давлении подачи продукта в аппарат менее 0,05 МПа диспергирование смеси отсутствует и наблюдается струйный режим течения продукта.

Таким образом, изменяя температуру стенки вакуум-камеры, можно интенсифицировать процесс концентрирования растительно-молочных десертов. Варьируя расходом, изменяя давление подачи продукта в аппарат, можно отдавать предпочтение той или иной стадии процесса концентрирования в зависимости от вида перерабатываемого продукта.

Полученные кинетические зависимости легли в основу выбора рационального технологического режима.

В четвертой главе приведена математическая модель процесса испарения влаги из диспергированных капель растительно-молочных смесей при вакуум-выпаривании.

Температура капли, попадающей в камеру с очень малым давлением, заметно превышает температуру кипения при данном давлении. Поэтому капля отдает теплоту одновременно за счет кипения и понижения температуры:

dQ = Ьс1т + стсП", Перепишем уравнение (1) в виде

(1)

(2)

Левая часть уравнения (2) может быть выражена в виде

Уравнение (2) с учетом (3) приводится к виду

1,828рг [а + Ъе~кх )3 [ 2(а + Ъекх)г^- - кЬе~ктг2 ] = 12яЬр,г

СІТ

-кЬ

с0+\5,5[а + Ье~кт) +19570

-0,8

х- (4)

х[4тг/?,г3 +3/77,

І-^-ІІе-*

Уравнение (4) определяет зависимость радиуса капли от времени.

На втором этапе капли выпариваемого пюре падают на подогреваемую поверхность, где продолжается их испарение. Масса испарившейся за время г влаги рассчитывается по формуле:

Ат(т) = Г'б(г) = 0,145;гЛ2(7'-Г4с)1О'У/2£-,г. (5)

Было выполнено численное решение выведенных уравнений при конкретных значениях параметров: для капли десерта радиусом г = 2-10"5 м при влагосодержании 0,866 кг/кг масса сухого вещества в этой капле равна т.< = 5-10"12 кг; константа с0 = 2,234-103.

Подставляя все числовые данные в уравнение (5), получаем

следующее соотношение:

7 ,

466,14(-54 + 29<Г39-5гЫ 2(-54 + 29е-39-5г)г— -1145,5е"39-5>2 1 =

= 2,2-10"/-2 — -1145,5х с/г

2,234 • 103 +15,5 (-54 + 29<Г39'5г) +19570

СІТ

0,568-Ю7г3 -4,9-10^

(6)

2,84-Ю7 г3 +1,89-10~: х[2,84• 10V -1,89■ 10-"] е-39-5'

Для полетного времени г = 0,04 с расчет с помощью пакета математических программ Мар1е дает решение в виде

г (г) = 2 • Ю-5 • е_,'627г. (7)

Если радиус каждой отдельной капли меняется по указанному закону, то для полетного времени г = 0,04 с масса капли изменяется от 3,65-10" кг до 3,1710'п кг. Таким образом,

масса десерта уменьшается на 13 %, что дает уменьшение влагосодержания с 0,866 до 0,845 кг/кг и возрастание плотности с 1088,9 кг/м3 до 1094,6 кг/м3. Температура капли десерта в конце полетной фазы составляет 41,97 °С, что практически совпадает с экспериментальными данными (42,3 °С).

В пятой главе проведены исследования показателей качества растительно-молочных смесей.

На анализаторе «Цвет Яуза-01-АА» определена суммарная антиоксидантная активность свежих и концентрированных растительно-молочных смесей. Выявлено, что суммарная антиоксидантная активность концентрированных десертов больше антиок-сидантной активности соответствующих исходных смесей.

Проведены исследования биологической ценности исследуемых растительно-молочных смесей. В результате биологическая ценность готового продукта составила для смеси № 1 - 82,4 %; смеси № 2 - 84,5 %; смеси № 3 - 81,9 %; смеси № 4 - 81,5 %.

Проведенные исследования химического состава исходных и концентрированных десертов, определение содержания микро-и макроэлементов, незаменимых аминокислот и витаминов показывает более высокое содержание ценных термолабильных веществ в концентрированных десертах.

Определены сроки хранения готового продукта. Длительное хранение приводит к ощутимому изменению вкуса, запаха, и консистенции продукта, что позволяет сделать вывод о нецелесообразности хранения продукта более 8-9 сут.

Для выявления соответствия исходных и концентрированных десертов гигиеническим требованиям к качеству и безопасности были проведены анализы по определению микробиологических показателей десертов и содержанию в них пестицидов и тяжелых металлов. Содержание тяжелых металлов, радионуклидов, пестицидов, а также содержание микроорганизмов и бактерий в исследуемых образцах десертов не превышает допустимые нормы, установленные санитарно-эпидемиологическими правилами и нормативами «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов СанПиН 2.3.2.1078-01».

В шестой главе приведено описание способов производства растительно-молочных продуктов, линии производства рас-

тительно-молочных десертов и конструкций вакуум-выпарных аппаратов (рис. 8).

Рис. 8. Секционный вакуум-выпарной аппарат: 1 - секции; 2, 9, 14, 15 - патрубки; 3, 10 - коллекторы; 4 - питающие трубы; 5 - форсунки; 6 - вал; 7 - ленточная спираль; 8 - днище; 11,17- насосы; 12 - подшипниковые опоры; 13 - корпус; 16 - сборник; 18 - подогреватель; 19 - перегородки; 20 - сепаратор

Использование предложенного вакуум-выпарного аппарата позволяет повысить качество растительно-молочных десертов за счет исключения многоэтапной и продолжительной обработки продукта и использования пониженных температур кипения вследствие применения вакуума.

В седьмой главе приведена энергетическая и экономическая оценка эффективности процесса концентрирования растительно-молочного сырья.

Выполнен эксергетический анализ процесса концентрирования растительно-молочного сырья. Полученный эксергетический КПД равен 4,2 %, что выше, чем при использовании двух-корпусной вакуум-выпарной установки «Виганд-2000» на 14,3 %.

Проведены технико-экономические расчеты производства растительно-молочного десерта и сделаны выводы о целесообразности внедрения в производство растительно-молочных десертов, получаемых методом двухстадийного выпаривания.

Условные обозначения

у - скорость сдвига, с'1; Ми „ - масса испаряемой влаги, кг; 7),„ - температура рабочей поверхности, К; IV- влажность продукта, %; Р - давление подачи продукта, Па; Т„р - температура продукта, К; Т„ас - температура насыщения, К; dc — диаметр сопла, м; Ар - перепад давлений, Па; d — средний диаметр капель, м; т = т(т) — масса капли, кг; Т = Т(т) — температура капли, К; L - удельная (массовая) теплота парообразования, Дж/кг; с - удельная (массовая) теплоемкость вещества, Дж/(кг К); ТЫ: — температура кипения вещества при давлении, установившемся в камере, К; q> — влажность, %; с„ - удельная теплоемкость, Дж/(кг К); р0 - атмосферное давление, Па; Тьа - температура кипения пюре при атмосферном давлении, К; рс — давление в камере, Па; R - универсальная газовая постоянная, Дж^кг-К); Тс - температура воздуха в камере, К; 5(т) - площадь поверхности капли, м2; г = г(т) - радиус капли, м; коэффициенты: к, и к2 ; Tc — Thc= а", Г(0) -Тс=Ь; Т(т) -Ты,=а + Ье~к' ;

— = -kbe~k'-, с, — коэффициент аэродинамического сопротивления, dr

определяемый геометрией летящей капли продукта; рс — плотность окружающей среды, кг/м3, g - ускорение свободного падения, м/с2.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Выявлены кинетические закономерности и определены рациональные технологические режимы процесса экстракции зернобобовых культур вторичным молочным сырьем. Разработана 3-х стадийная экстракция чечевицы пахтой.

2. Разработаны рецептурные смеси с оптимизированным составом микро- и макроэлементов, витаминов.

3. Установлены кинетические закономерности процесса двухстадийного концентрирования растительно-молочных смесей и выявлены особенности интенсивности выпаривания влаги из растительно-молочных смесей.

4. Определены рациональные технологические режимы

процесса вакуум-выпаривания растительно-молочных смесей: температура исходного десерта - 333...345 К, давление исходного десерта - 0,9...0,125 МПа, величина разряжения в вакуум-камере - 4...7 кПа; температура термостатирования стенки -318.. .320 К.

5. Разработана математическая модель процесса испарения влаги из диспергированных капель растительно-молочных смесей при вакуум-выпаривании, позволяющая определить характер изменения температуры и влагосодержания в исследуемом пюре при диспергировании продукта в аппарате.

6. Исследованы теплофизические и реологические характеристики растительно-молочных десертов. Установлено, что растительно-молочной смесь представляют собой вязкую псевдопластичную жидкость, а реологическая модель течения пленки может быть охарактеризована обобщенным степенным уравнением.

7. Установлено, что концентрированные растительно-молочные десерты обладают высокой биологической, пищевой и энергетической ценностью, хорошими потребительскими свойствами. Их отличительной особенностью является наличие в составе большего содержания термолабильных веществ (моносахаров, витаминов и др.). Полученные десерты соответствуют требованиям СаНПиН 2.3.2.1078-01.

8. Разработан способ производства растительно-молочных десертов, новые конструкции вакуум-выпарных аппаратов и установок (Пат. №№ 2359462, 2412599,2409960,2428064,2446705).

9. Посредством эксергетического анализа проведена оценка термодинамического совершенства разработанного вакуум-выпарного аппарата. Полученный эксергетический КПД равен 4,2 %, что выше, чем при использовании двухкорпусной вакуум-выпарной установки «Виганд-2000» на 14,3 %.

10. Проведена промышленная апробация полученных результатов на ОАО Молочный комбинат «Воронежский» с технико-экономической оценкой. Объем экономического эффекта от внедрения в производство составит 3870 тыс. р. в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Дорохин, С.В. Исследование термовлажностных режимов концентрирования молочно-растительного сырья при пониженном давлении [Текст] / С. В. Дорохин // Аграрный вестник Урала. - 2011. -№ 12-1 (91). - С. 21-24.

2,Остриков, А. Н. Перспективная установка для производства концентрированных фруктовых и овощных пюре [Текст] / А. Н. Остриков, Ф.Н. Вертяков, А. Н. Веретенников, С. В. Дорохин // Вестник Машиностроения. - 2009. - № 2. - С. 82-84.

Статья

1. Остриков, А. Н. Технология антимутагенных и геропротекторных молочно-растительных концентратов [Текст] / А. Н. Остриков, Л. И. Василенко, С. В. Дорохин, А. В. Горбатова // В мире научных открытий. - 2010. - № 6.3 (12). - С. 323-324.

Патенты

1. Пат. 2359462 РФ, МПК А 23 В 7/00, А 23 В 4/044. Установка для концентрирования фруктовых и овощных пюре [Текст] / А. Н. Остриков, Ф.Н. Вертяков, А. Н. Веретенников, С. В. Дорохин; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Воронежская государственная технологическая академия» (1Ш). - № 2008111758/13; заявл. 27.03.2008; опубл. 27.06.2009, Бюл. № 18.

2. Пат. 2412599 РФ, МПК А 23 В 7/00, А 23 Ь 1/212, А 23 Ь 3/00. Коаксиальный выпарной аппарат [Текст] / А.Н. Остриков, А.Н. Веретенников, Д.А. Синюков, С.В. Дорохин, А.В. Трушечкин; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Воронежская государственная технологическая академия» (1Ш). - №2008135385/13; заявл. 03.09.2008; опубл. 10.02.2009. Бюл. № 6.

3.Пат. 2409960 РФ, МПК А 23 В 7/00. Аппарат для концентрирования фруктовых и овощных пюре [Текст] / А. Н. Остриков, С. В. Дорохин, А. В. Трушечкин; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Воронежская государственная технологическая академия» (1Ш). - № 2009139590/13; заявл. 26.10.2009; опубл. 27.01.2011, Бюл. № 3.

4. Пат. 2428064 РФ, МПК А 23 Ь 3/3418. Секционный вакуум-выпарной аппарат [Текст] / В. А. Панфилов, А.Н. Остриков, С. В. Дорохин; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Воронежская государственная технологическая академия» (1Ш). - № 2010112540/13; заявл. 31.03.2010; опубл. 10.09.2011. Бюл. № 25.

5. Пат. 2446705 РФ, МПК А 23 L 1/01, А 23 L 1/212. Комбинированный вакуум-выпарной аппарат [Текст] / Ф.Н. Вертяков, А.Н. Остри-ков, В. Н. Трубникова, С. В, Дорохин ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Воронежская государственная технологическая академия» (RU). - № 2009119792/13, заявл. 26.10.2010; опубл. 10.04.2012. Бюл. № 10.

Тезисы

1. Остриков, А. Н. Разработка рецептуры натуропатического мо-лочно-растительного концентрата [Текст] / А. Н. Остриков, Л. И. Василенко, С. В. Дорохин // Материалы международной научно-практической конференции "Современная наука: теория и практика». Ставрополь: СевКавГТУ. - 2010. - С. 477-479.

2. Остриков, А. Н. Энергосберегающая установка для производства функциональных молочно-растительных концентратов [Текст] / А. Н. Остриков, Л. И. Василенко, С. В. Дорохин // Материалы всероссийской научной конференции «Повышение качества и безопасности пищевых продуктов». - Махачкала: ДГТУ, 2010. — С. 141-144.

3. Остриков, А. Н. Реализация процесса концентрирования плодоовощных пюре в пластинчатом вакуум-выпарном аппарате [Текст] / А. Н. Остриков, Д. А. Синюков, С. В. Дорохин // Материалы III всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий». — М.: НИИРРР, 2011. - С. 70-74.

4. Остриков, А. Н. Исследование кинетики процесса концентрирования молочно-растительной смесей при двухстадийном выпаривании [Текст] / А. Н. Остриков, С. В. Дорохин // Материалы IV Международной научно — практической конференции «СЭТТ - 2011». - М.: МГАУ, 2011. - С. 461-465.

5. Остриков, А. Н. Исследование двухстадийного процесса вакуум-выпаривания молочно-растительного сырья [Текст] / А. Н. Остриков, С. В. Дорохин, А. В. Трушечкин // Материалы международной научно-технической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы аппараты в пищевых и химических производствах». - Воронеж: ВГТА, 2011.-С. 237-241.

6. Остриков, А. Н. Технология производства поликомпонентных фруктовых и овощных пюреобразных концентратов нового поколения [Текст] / А.Н. Остриков, Ф.Н. Вертяков, ДА. Синюков, C.B. Дорохин, A.B. Трушечкин // Наука и Технологии. Том 2. - Краткие сообщения XXX Российской школы, посвященной 65-летию Победы. - Екатеринбург: УроРАН, 2010. - С. 168-170.

7. Остриков, А. H. Разработка рецептуры молочно-растительного продукта с программированными свойствами [Текст] / А.Н. Остриков, C.B. Дорохин // Материалы международной научно-технической конференции «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития». - Воронеж: ВГУИТ, 2011. - С. 57-59.

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

Подписано в печать 06.02. 2013. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 27

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

04201360118

На правах рукописи

СКУГОРОВ Сергей Викторович

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНО-МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор А. Н. Остриков

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 6

Г л а в а 1. Современное состояние производства концентрированных продуктов......................................................... 13

1.1. Оценка исходного сырья как объекта исследования............13

1.2. Обзор оборудования для концентрирования фруктового сырья 33

1.3. Анализ технологических линий производства пюреобразных концентратов................................................................ 43

1.4. Анализ основных закономерностей тепло- и массообмена в процессе выпаривания пищевого сырья........................... 46

1.5 Анализ литературного обзора, формулировка цели и основных

задач исследования....................................................... 52

Г л а в а 2. Экспериментальные исследования растительно-молочных

смесей как объекта изучения........................................ 56

2.1. Оптимизация рецептуры растительно-молочных смесей....... 56

2.2. Исследование характера изменения динамической вязкости растительно-молочных продуктов..................................... 63

2.3. Определение теплофизических характеристик растительно-молочных смесей...................................... 70

Г л а в а 3. Исследование основных кинетических закономерностей

процесса производства растительно-молочных продуктов 73

3.1. Исследование основных кинетических закономерностей

процесса экстрагирования зернобобовых культур вторичным молочным сырьем........................................................ 73

3.1.1. Методика исследование процесса экстрагирования зернобобовых культур вторичным молочным сырьем методом мацерации.................................................................. 73

3.1.2. Исследование статической вязкости экстрактов чечевицы на

основе вторичного молочного сырья................................... 79

3.1.3. Исследование биологической ценности экстракта чечевицы на

основе пахты............................................................... 80

3.1.4 Исследование основных показателей качества экстракта

чечевицы на основе пахты............................................. 83

3.2. Экспериментальные исследования кинетики процесса концентрирования растительно-молочных смесей в условиях вакуума 85

3.2.1 Экспериментальная установка и методика проведения исследований............................................................... 85

3.2.2 Исследование кинетики процесса концентрирования растительно-молочных десертов...................................... 87

3.2.3 Анализ особенностей стекания пленки растительно-молочного пюре, стекающего по вертикальной стенке вакуум-камеры при исследуемых режимных параметрах............................... 92

Г л а в а 4. Математическая модель процесса испарения пара из диспергированных капель молочно-растительных смесей при вакуум-выпаривании................................................. 98

4.1. Оценка степени дисперсности распыла капель растительно-молочной смеси на первой стадии выпаривания.................. 98

4.2. Расчет единичной капли................................................ 99

4.3. Расчет полетного времени............................................. 103

4.4. Вторая стадия выпаривания: испарение пюре с плоской поверхности............................................................. 104

4.5. Численный эксперимент, проверка адекватности математической модели.................................................. 105

Г л а в а 5. Исследование показателей качества растительно-

молочных смесей.................................................................. 108

5.1. Исследование антиоксидантной активности растительно-

молочных смесей.......................................................... 108

5.2. Исследование биологической ценности растительно-молочных смесей.......................................................... 109

5.3. Исследование безопасности исходных и концентрированных растительно-молочных смесей............................................. 113

5.4. Исследование хранимоспособности продукта........................... 115

Г л а в а 6. Разработка способов производства растительно-

молочных продуктов, линии производства растительно-молочных десертов и конструкций вакуум-выпарных аппаратов............................................................... 118

6.1. Способ производства растительно-молочного концентрата ... 118

6.2. Линия производства растительно-молочных десертов функционального назначения........................................ 123

6.3. Аппарат для концентрирования фруктовых и овощных пюре... 128

6.4. Секционный вакуум-выпарной аппарат............................. 134

Г л а в а 7. Энергетическая и экономическая оценка эффективности

процесса концентрирования растительно-молочного

сырья...................................................................... 138

7.1. Эксергетический анализ процесса концентрирования растительно-молочного сырья........................................ 138

7.2. Бизнес-план реализации проекта и технико-экономические расчеты..................................................................... 144

7.2.1 Оценка конкурентоспособности товара.............................. 144

7.2.2 Стратегия маркетинга................................................... 146

7.2.3 Производственный план................................................ 147

7.2.4 Калькулирование себестоимости товарной продукции......... 148

7.2.5 Расчет стоимости товарной продукции.............................. 158

7.2.6 Расчет безубыточного объема производства...................... 159

7.2.7. Результаты работы предприятия..................................... 159

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ............................................................................161

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................................................................182

ВВЕДЕНИЕ

Питание является одним из важнейших факторов окружающей среды, который обеспечивает организм пластическим материалом и энергией, создает необходимые условия для физиологической и умственной работоспособности, определяет здоровье, активность и продолжительность жизни человека, его способность к воспроизводству. Состояние питания - один из важнейших факторов, обуславливающих здоровье нации [110].

В настоящее время в нашей стране получила широкое распространение концепция раздельного питания, настаивающая на необходимости для человека употреблять пищевые продукты, принадлежащие к различным группам, не одновременно, а в разных приемах пищи [129].

Минсельхоз России провело совещание по вопросу выработки предложений по выполнению плана мероприятий по реализации основ государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 года, утвержденного Распоряжением Правительства Российской Федерации от 30 июня 2012 г. № 1134-р.Пункт 6 указанного плана предусматривает разработку проекта федерального закона «О здоровом, в том числе горячем, питании для детей в образовательных учреждениях, лиц, находящихся в лечебно-профилактических учреждениях, оздоровительных учреждениях и учреждениях социальной защиты, военнослужащих и приравненных к ним лиц, а также лиц, находящихся в местах содержания под стражей или отбывающих наказание в исправительных учреждениях». Законопроект охватывает все социально-демографические группы населения, которые принято относить к социальному питанию, насчитывающему 32,5 млн. человек при объеме годового потребления порядка 8 млн. тонн сельскохозяйственного сырья и продовольствия на сумму более 400 млрд. [132].

Минсельхоз России рассматривает развитие производства и товаропроводящей инфраструктуры системы социального питания, как важнейшее

направление обеспечения устойчивости сбыта продукции сельского хозяйства, а также предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности. Государственная поддержка данного направления предусмотрена Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы.

Одной из перспективных групп продуктов для обогащения функциональными ингредиентами признано считать молочно-, фруктово-ягодные десерты.

По данным «Анализа рынка молочных и фруктово-ягодных десертов в России», подготовленного Busines Stat [115], спрос на молочные и фруктово-ягодные десерты в России в 2007-2011 гг. вырос и составил 1515 тыс. т в 2011 г. Снижение показателя отмечено в 2009 г. и 2011 г. (рис. 1).

1600 1-——-

1400 ----——:-■

1200 -----1

1000 -------1

800 --:----:-I-^Н-

600 ---------1

400 -----:-i-1

200 ------

о -I— —i— —i— —г—■ -—т— —т—ИИШ-

2006 2007 2008 2009 2010 2011

Р

ис. 1. Динамика производства молочно-фруктовых десертов за 2006-2011 гг, тыс. тонн

Валовой сбор сырья для молочно-фруктовых десертов в 2011 году составил:

- плодов и ягод в хозяйствах всех категорий РФ составил 2 511 тыс. тонн, что на 16,9% опережает уровень предыдущего года. Урожайность на 20,9% опережает уровень 2010 года и составляет 59,5 центнеров с 1 га площади в плодоносящем возрасте (рис. 2) [114].

- для зернобобовых культур (для сои, нута, чечевицы и фасоли) 4500 тыс. тонн (рис. 3) [81].

2006 2007 2008 2009 2010 2011

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Рис. 2. Динамика валового сбора плодов и ягод за 2006-2011гг, тыс. тон.

5000

4000

3000

2000

1000

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Рис. 3. Динамика валового сбора сои, чечевицы, нута и фасоли 2006-2011гг, тыс. тон.

- в качестве молочного компонента на сегодняшний момент выгодно использовать вторичное молочное сырье, производство которого в 2011 году составило 18 мил. тонн (рис. 4) [124].

18000

17500 17000 16500 16000

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Рис. 4. Динамика производства вторичного молочного сырья за 2006-2011гг, тыс. тон.

По данным исследования Российского союза производителей соков, при выборе молочно-фруктовых десертов респонденты ориентируются, в первую

очередь, на личные вкусовые предпочтения. По результатам опроса, 87 % респондентов отметили, что отечественные продукты, представленные на прилавках магазинов, полностью соответствуют их ожиданиям в отношении качества и безопасности продукции, выбираемой для всех членов семьи, в том числе и детей. Все респонденты говорят о своей преданности любимому вкусу, но, несмотря на это, более половины участников исследования с радостью готовы пробовать новые необычные вкусы, представленные на рынке.

Обогащенность витаминами,минеральными веществами

Известность марки Полезность для здоровья Отсутствие консервантов Приемлемая цена

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% Рис. 5. Факторы выбора мол очно-фруктовых десертов потребителями, %

Что касается мотивации потребителей при выборе молочно-фруктовых десертов, то по данным исследования «Российский индекс целевых групп» компании «КОМКОН», в последние несколько лет растет доля тех потребителей, которые руководствуются такими факторами как приемлемая цена (40 %) и известность бренда (28 %). Одновременно с этим, по данным исследования, значительно меньше потребителей обращает внимание на отсутствие консервантов (снижение с 40 % в 1 пол. 2007 до 37 % в 1 пол. 2011 г.), думает об их полезности для здоровья (снижение с 39 % в 1 пол. 2007 до 33 % в 1 пол. 2011 г.) и обогащенности витаминами (снижение с 27 % в 1 пол. 2007 до 20 % в 1 пол. 2011 г.) (рис. 3> [101].

Установлено, что значительная часть молочно-фруктовых десертов производится вакуум-выпариванием, и отличается невысоким качеством из-за ис-

пользования жестких температурных режимов обработки.

За последние 5 лет в этой области работали и внесли значительный вклад в развитие технологии концентрирования: J. Н. Jang и W. М. Yan [151] Вертяков Ф. Н. [11], Веретенников А. Н. [10], Синюков Д. А. [127].

Для производства молочно-фруктовых десертов высокого качества необходимо проведение процесса концентрирования в соответствии с основными закономерностями, выявление которых является актуальной задачей, имеющей важное теоретическое и прикладное значение.

Цель работы - научное обеспечение процессов экстракции зернобобовых культур вторичным молочным сырьем и вакуум-выпаривания растительно-молочных смесей на основе комплексного анализа основных закономерностей процесса совместно с их физико-химическими и структурно-механическими характеристиками, разработка рекомендаций по совершенствованию высокоэффективных технологий производства растительно-молочных десертов; создание перспективных конструкций вакуум-выпарных аппаратов.

Научная новизна. Оптимизированы рецептуры растительно-молочных смесей для различных групп населения. Определены реологические и тепло-физические характеристики молочно-растительных смесей.

Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности процесса экстракции зернобобовых культур вторичным молочным сырьем, предложена рациональная технология получения экстракта чечевицы пахтой.

Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности тепло-и массообмена в процессе вакуум-выпаривания растительно-молочных смесей; обоснована необходимость использования выпаривания мелкодисперсно-распыленного десерта для сохранения термолабильных питательных веществ.

Разработана математическая модель процесса испарения влаги из диспергированных капель растительно-молочных смесей при вакуум-выпаривании, позволяющая определить характер изменения температуры и влагосодержа-ния в исследуемом десерте.

Определен химический состав, показатели качества, биологическая ценность и антиоксидантная активность исходных и концентрированных образцов смесей.

Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 5 патентами РФ.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработаны способ производства растительно-молочного десерта, вакуум-выпарные аппараты для реализации разработанных технологий получения растительно-молочных десертов (пат. РФ № 2359462, 2412599, 2409960, 2428064, 2446705).

Определены и обоснованы рациональные технологические режимы процессов экстракции зернобобовых культур вторичным молочным сырьем и вакуум-выпаривания растительно-молочных десертов, обеспечивающие сокращение продолжительности процесса, снижение удельных энергозатрат и повышение качества готовой продукции.

Получены новые растительно-молочные десерты, обладающие хорошими потребительскими свойствами и высокой пищевой ценностью.

Апробация работы .Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Воронеж, 2010-2012 гг.), (Красноярск 2010 г.); (Ставрополь, 2010 г.); (Махачкала, 2011 г.); (Москва, 2011 г.); отчетных научных конференциях ВГУИТ за 2010-2011 гг.

Результаты работы демонстрировались на VII Межрегиональном экономическом форуме « Воронежский Агропромышленный форум» (Воронеж 2010 г.), Конкурсе инновационных проектов Воронежской области (Воронеж 2010 г.), IV областном конкурсе на лучшую научную работу (Воронеж 2010 г.), Молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К. 2010» (Воронеж 2010 г.), Областном конкурсе на лучшую инновационную идею (Воронеж 2012 г.) и

награждены 5 дипломами.

Работа выполнялась на кафедре процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) Воронежского государственного университета инженерных технологий. Хотелось бы выразить искреннюю благодарность научному руководителю заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Острикову Александру Николаевичу за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы, а также признательность коллективу кафедры «Процессы и аппараты химических и пищевых производств» ВГУИТ за помощь и содействие при работе над диссертацией.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ

1.1. Оценка исходного сырья как объекта исследования

Зернобобовые культуры- группа некоторых растений семейства бобовых, возделываемых ради плодов, являющихся продуктами питания (рис. 1.1).

Ценность бобов — в высоком содержании белка, углеводов, витаминов, незаменимых аминокислот и минеральных солей [80, 73, 75]. Химический состав основных представителей зернобобовых культур представлен в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Химический состав зернобобовых культур

Показатели Содержание на 100 г сырья

Фасоль Чечевица Нут Соя

Вода, г 14,0 14,0 14,0 14,0

Белки, г 22,3 24,8 20,1 34,9

Жиры, г 1,7 1,1 5,0 17,3

Углеводы, г 54,5 53,7 54,2 26,5

Моно- и дисахариды, г 4,5 2,9 6,2 9,0

Крахмал, г 43,4 39,8 43,2 2,5

Пищевые волокна, г 3,9 3,7 3,7 4,3

Зола, г 3,6 2,7 3,0 5,0

Белок - существенный компонент питания человека. В бобовых его содержится до 23-30 % (табл. 1.2). Биологическая ценность белков определяется сбалансированностью аминокислотного состава. В организме человека белки расщепляются до аминокислот, часть из них (заменимые) являются строительным материалом для создания новых аминокислот, однако имеются 8 незаменимых аминокислот, которые не образуются в организме взрослого человека, они должны поступать с пищей (табл. 1.3).

Рис. 1.1 Зернобобовые культуры

Таблица 1.2

Содержание белка в зернобоб