автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обоснование способа производства растительно-мясных экструдатов в двухшнековом экструдере

На правах рукописи

НАПОЛЬСКИХ Максим Сергеевич

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА РАСТИТЕЛЬНО-МЯСНЫХ ЭКСТРУДАТОВ В ДВУХШНЕКОВОМ ЭКСТРУДЕРЕ

Специальности 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств» и 05.18.01 - «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 АПР 2013

Воронеж-2013

005052100

005052100

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

Научные руководители - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Остриков Александр Николаевич, кандидат технических наук Рудомёткин Александр Сергеевич Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Абрамов Олег Васильевич (Воронежский государственный университет инженерных технологий, декан факультета пищевых машин и автоматов) кандидат технических наук, Бойко Лидия Яковлевна (Всероссийский научно-исследовательский институт комбикормовой промышленности, заведующая

отделом технологии комбикормов и добавок)

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени Императора Петра I»

Защита состоится «18» апреля 2013 г. в II00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.035.01 при ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета академии.

Автореферат размещен на сайтах Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации https://vak2.ed.gov.ru и ВГУИТ http://www.vsuet.ru «18» марта 2013 г. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУВПО «ВГУИТ». Автореферат разослан «18» марта 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.035.01 доктор технических наук, профессор л Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На данный момент в мире существует недостаток пищевого белка и его дефицит в ближайшее пятилетие, вероятно, сохранится. В среднем на одного человека планеты приходится около 55 г белка при норме 100 г в сутки. Общий недостаток белка составляет 10-25 млн. т в год. Около половины людей, живущих на планете Земля, страдает дефицитом животного белка. Данная ситуация обусловлена низким благосостоянием жителей планеты и проблемами, связанными с социальной ситуацией в современном мире.

Проблему белковой недостаточности можно решить путем создания продуктов питания с заранее спроектированным составом, сбалансированным по питательным компонентам. Использование различных белков животного происхождения в технологии экстру-датов, позволяет получить продукты с высоким содержанием белка, с более сбалансированным аминокислотным и жирнокислотным составом, а также позволяет расширить ассортимент данных видов продуктов на рынке. В полной мере это направление можно реализовать при производстве готовых к употреблению снековых закусок, изготавливаемых при помощи экструзии.

При производстве экструдатов с высокой биологической ценностью целесообразно использование предварительно обезвоженного мясного сырья. Работы по изучению процесса получения растительно- мясных, готовых к употреблению снеков, методом термопла стической экструзией не получили необходимого развития, а базовые результаты носят неполный характер. Рациональное сочетание растительных и мясных компонентов позволит получить готовые, к употреблению снеки с высоким содержанием белка для профилактики белковой недостаточности и в качестве основы для функционального питания.

Применение рационального подхода к изучению процесса получения экструдированных растительно-мясных снеков, позволит установить основы для создания инновационных технологий с мясным сырьем и совершенствовать их качественные показатели.

Работа проводилась в соответствии с планом госбюджетной НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых

производств ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» (№ гос. регистрации 01.130.2.12440) «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» на 2011-2015 гг.

Цель диссертационной работы: научное обоснование способа производства растительно-мясных экструдатов в двухшнековом экструдере; создание на основе разработанного способа оригинальных конструкций двухшнековых экструдеров, линии и способа получения растительно-мясных экструдатов.

В соответствии с целью решались следующие задачи:

- научное обоснование выбора рецептурного состава смеси для производства сбалансированных пищевых растительно-мясных экструдатов;

- определение форм связи влаги и условий терморазложения экструдируемой растительно-мясной смеси на основе люпина, чечевицы и сублимированного мяса говядины и свинины;

- изучение реологических и теплофизических характеристик растительно-мясной смеси на основе люпина, чечевицы и сублимированного мяса говядины и свинины;

- математическое моделирование течения расплава растительно-мясной смеси на участке экстракции декомпрессионно-экстракционной зоны и второй зоны компрессии в двухшнековом экструдере;

- исследование основных закономерностей процесса экструзии растительно-мясной смеси с раздельной загрузкой растительных и мясных компонентов; выбор рациональных параметров экструзионного процесса получения растительно-мясных экструдатов в двухшнековом экструдере;

- определение пищевой, биологической и энергетической ценности растительно-мясных экструдатов;

- проведение комплексной оценки качества растительно-мясных экструдатов и обоснование технологии производства;

- проведение энергетической оценки термодинамической эффективности разработанной линии посредством эксергетиче-ского анализа;

- разработка новых конструкций двушнековых эктрудеров, способа и линии производства растительно-мясного экструдата;

- проведение промышленных испытаний и производственных внедрений предлагаемых разработок.

Научная новизна. Оптимизирован рецептурный состав растительно-мясной смеси на основе люпина, чечевицы и сублимированного мяса говядины и свинины для производства сбалансированных пищевых растительно-мясных экструдатов. Методом дифференциально-термического анализа были определены формы связи влаги в обрабатываемой растительно-мясной смеси и условия ее терморазложения, что позволило определить допустимый диапазон температур и обосновать выбор оптимальных режимов для обработки продукта.

Определены реологические и теплофизические характеристики растительно-мясной смеси на основе люпина, чечевицы и сублимированного мяса говядины и свинины.

Выявлены закономерности изменения основных технологических параметров в зависимости от влажности исходной смеси, диаметра фильеры матрицы, частоты вращения шнека, величины зазора между греющей шайбой и рабочей камерой.

Изучено влияние условий экструдирования растительно-мясной смеси на закономерности протекания процесса, что позволило научно обосновать режимы процесса экструзии.

Разработана математическая модель, описывающая течение расплава растительно-мясной смеси на участке экстракции де-компрессионно-экстракционной зоны и второй зоны компрессии.

Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2450924. По заявке № 2011151053 было получено положительное решение от 09.01.13 г. на выдачу патента.

Практическая ценность. Разработан способ производства растительно-мясных экструдатов. Определены рациональные параметры процесса переработки исследуемой растительно-мясной смеси в экструдере с двумя зонами загрузки. Получен экструдат, обладающий высокой пищевой ценностью и сбалансированным аминокислотным составом.

Разработана новая технология производства экструдирован-ных зернобобовых сэндвичей. Разработана техническая документация: ТУ 9196-008-59045630-12 «Сухие продукты экструзионной технологии» (Тшиех ВР (бобово-белковый)).

Разработаны оригинальные конструкции экструдеров: экс-трудер с дорном, двухшнековый экструдер с двумя зонами загрузками сырья для получения растительно-мясных экструдатов, а также линия получения экструдированных продуктов.

Апробацпя работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (ВГУИТ, 2012-2013 гг.), Одессе (2012 г.).

Результаты работы демонстрировались на 3-х выставках: 16 межрегиональной специализированной выставке с международным участием (25-27.05.2011, Воронеж); 5 Воронежском промышленном форуме: (21-22.03.2012, г. Воронеж); 29 межрегиональной специализированной выставке (5-7.12.2012, г. Воронеж) и награждены 5 дипломами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 5 статей в ведущих научных рецензируемых журналах, получен 1 патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 89 рисунок и 21 таблицу. Список литературы включает 153 наименования, в том числе 37 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 86 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства белковых экструдатов на растительной основе с использованием функциональных добавок; обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные о современном состоянии теории, техники и технологии белковых экструдатов на растительной основе, об основных направлениях совершенствования оборудования и технологии экструдатов. Приведены конструкции экструдеров, выпускаемых в России и за рубежом, рассмотрены их отличительные особенности.

-1д а 4,5

3,6

2,7

1.8

0,9

0,0

. г -П

На основании проведенного анализа обоснован выбор объекта исследования, сформулированы задачи диссертационной работы и определены методы их решения.

Во второй главе, основываясь на требовании максимальной биологической ценности, обоснован состав исходной смеси для получения растительно-мясных экструдатов, состоящих из 66 % люпина (ГОСТ 11321-89 «Люпин кормовой»), 24 % чечевицы (ГОСТ 10417-74 «Чечевица мелкосеменная») и 5 % сублимированного мяса говядины и 5 % сублимированного мяса свинины [Изделия мясные сублимационной сушки в ассортименте ТУ 9216-274 -04801346-08].

Для получения

данных о механизме влагоудаления проводились исследования бобовой смеси методами

термического анализа. Для этого строили зависимость -^ а от 1000/Т (рис. 1). Зависимость —а = 7(1000/7) выполнена для интервала от 313 до 673 К, т. к. именно в этом интервале наиболее интенсивно происходят процессы дегидратации, при дальнейшем увеличении температуры происходят лишь процессы термического разложения. На рис. 1 видны три линейных участка для исследуемой растительно-мясной смеси на основе люпина, чечевицы и сублимированного мяса говядины и свинины, что свидетельствует о ступенчатом выделении влаги.

Проведен анализ реологических исследований растительно-мясной смеси с помощью метода двух капилляров, в результате которого были определены коэффициенты /( и /1, и выявлена их зависимость от влажности исходного сырья (IV, %) и температуры расплава (Г, К) (рис. 2):

// = 2848,259+0,02Г2 -15,2174 - 0,07Г • IV+32,847Ж - 0,06 Ш/2, (1)

п = 44,812 + 0,0003Г2 - 0,205Г + 0,000\Т ■ IV- 0,135Ж + 0,0012И'2, (2) Полученные уравнения (1) и (2) позволяют с достаточной

3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,Е

1,6 1,4 1000

>г

Рис. 1. Зависимость а от величины 10 /Т

степенью точности прогнозировать изменение этих величин в исследуемом диапазоне значений факторов.

Г. = 44.8144-0,205*Т-0.138* УУ+0.0003"7*+0,0001"ЛТ+О.ОО} 2* УУ2 и = 2848.259-15,21"Т+Зг.847мЛ;+0,02"Г2!-0.07'Т-':Л-0,03 г'Л2

Был исследован характер изменения теплофизических характеристик растительно-мясной смеси. Полученные опытные данные были обработаны на ЭВМ в среде «Microsoft Excel», в результате были получены уравнения (3-8), описывающие теплофизические свойства растительно-мясной смеси. Значения теплофизических характеристик растительно-мясной смеси для интервала температур (293.. .353 К): при W= 6,72 %:

С = 2463 + 1,664-/; (3)

Я = 0,184 + 0,0002-? ; (4)

а = 5,965 + 0,002-/; (5)

С = 2866+ 1,571-/; (6)

Л = 0,219 + 0,00025 ■/ ; (7)

а = 6,345 + 0,003-/ ; (8)

Как видно зависимости коэффициентов теплопроводности Я, температуропроводности а и теплоемкости с от температуры носят линейный характер. Влажность оказывает большее влияние на исследуемые коэффициенты, чем температура. Из анализа зависимостей (3-8) видно, что с повышением температуры удельная теплоемкость, теплопроводность и коэффициент температуропроводности

растительно-мясной смеси увеличивается.

В третьей главе описываются экспериментальные исследования процесса получения экструдированных продуктов в двухшнековом экструдере APV Baker (Великобритания).

Было изучено влияние основных технологических параметров на давление, температуру, коэффициент вспучивания и скорость выхода экструдата из кольцевого канала между греющей шайбой и рабочей камерой. Установлено, что уменьшение расстояния между греющей шайбой и рабочей камерой приводит к повышению давления расплава экструдата (рис. 3) и повышению температуры (рис. 4), что обусловлено большим сопротивлением.

* 420 с—

|-400.

Н

273

Рис. 3. Зависимость температуры в рабочей камере от расстояния между греющей шайбой и рабочей камерой при влажности, %: - 18; - 20; - 22

7

о

= 6

5 5

я

ч

2,5

0,5 1,0 1,5 2,0

Расстояние между греющей шайбой и рабочей камерой , м, 10~3

Рис. 4. Зависимость давления в рабочей камере от расстояния между греющей шайбой и рабочей камерой при влажности, %: - 18; К - 20; - 22

С повышением влажности системы вязкость смеси уменьшается, что приводит к снижению давления и понижению температуры. При увеличении скорости вращения шнеков сопротивление течению расплава уменьшается, что ведет к понижению давления и понижению температуры.

0,5 1,0 1,5 2,0

Расстояние между греющей шайбой и диаметром рабочей камеры , м, I0"J

0,5 1,5 2,5 3,5

Диаметр отверстия, м, 10 ''

Рис. 5. Зависимость давления в матрице и ширины жгута экструдата от диаметра отверстия фильеры при влажности. %: - 18; X - 20; - 22

При движении смеси до греющей шайбы наблюдается повышение давления и температуры, в результате чего происходит термическое разложение микроструктуры крахмальных зерен расплава продукта. После греющей шайбы дав-

ление и температура снижаются, что позволяет оез препятствия ввести мясные компоненты в расплав растительной смеси. При дальнейшем движении расплава растительно-мясной смеси происходит смешивание растительных и мясных компонентов, происходит повышение давления и температуры, термическое разложение микроструктуры крахмальных зерен.

При больших значениях живого сечения между греющей шайбой и рабочей камерой на первом участке декомпрессионно-экстракционной зоны и диаметра отверстия фильеры в предматричной зоне не образуется достаточного давления (рис. 5), и,

как следствие, влагой не аккумулируется требуемая энергия для хорошего вспучивания экструдата, а при малых значениях - давление повышается, что приводит к пригоранию продукта и низкой производительности экструдера.

0,5 1,5 2,5 3,5

Диаметр отверстия, м, 10 Рис. 6. Зависимость коэффициента вспучивания и скорости выхода экструдата от диаметра отверстия фильеры при влажности, %: - 18; X - 20: П - 22

350

375

400 425 450 475 Скорость шнеков об/мпн

500

Скорость выхода экструдата повышается с уменьшением диаметра отверстия фильеры (рис. 6), что объясняется увеличением давления (рис. 3, 4) из-за большего сопротивления расплава экструдата при прохождении фильеры.

С увеличением диаметра отверстия коэффициент вспучивания сначала повышается, а затем уменьшается (рис. 6). Подобное поведение кривой вспучивания можно объяснить тем, что при малых значениях величины диаметра отверстия фильеры расплав экструдата большее время находится в предмат-ричной зоне при максимальных значениях температуры и давления.

Повышение крутящего момента приводит к повышению давления и увеличению индекса ЯМЕ, который характеризует количество удельной механической энергии, отдаваемой сырью в процессе переработки. Кроме того, с увеличением ЯМЕ происходит повышение температуры (рис. 8), что объясняется эффектом диссипации.

При повышении температуры происхо-

Рис. 7. Зависимости изменения удельной

механической энергии 5МЕ, момента ппитюпя : давления X и скопости

500

475

450 425 400 375 ; Скорость шнеков об/лшн

350

Рис. В. Зависимости изменения удельной механической энергии БМЕ от скорости вращения шнека ; влажности в экструдере и общей подачи смеси X

дит уменьшение давления, крутящего момента и БМЕ. Это происходит из-за уменьшения вязкости и, следовательно, уменьшения сдвиговых напряжений при постоянной скорости вращения шнека. БМЕ прямо пропорционально зависит от скорости вращения шнеков и какому количеству смеси и при какой влажности передается энергия (рис. 8).

В четвертой главе осуществлено математическое моделирование течения расплава растительно-мясной смеси на участке экстракции декомпрессионно-экстракционной зоны и второй зоны компрессии экструдера.

Уравнения движения в прямоугольных координатах:

,дЗг

дЗг

Я 9

ді х дх у ду

дЗу 83,, 89..

ді дх у ду

V

д&х &

д&) ~ді дз2

81 ~ ~л дх ду ~£ ді ,

и уравнения сохранения энергии

= я

дР дт1Г дт

дЗ,

+ &г

дх+~

ду = -—■+

ух

дт.

дх

дт.

ху

ду дт

>У

дг дт.

,(9)

дх Эгг,

ду

дг

Рёу

дт

дг дх

ду

уг дт„

+2 П

д.I

(Ё2*. I дх

дх

1

ду

ду (дЗ.

&

зт і + —

дх'

дЭг

ду- д.ґ

дЗк

+ —-ду дх

дЗ,

^ & дх

&

& + ду ,

(10)

уравнение неразрывности:

др д — + —

д( дх

замыкается граничными условиями:

5г(0) = 0, = 9о'

дТ(0,г) дТ(к,г)

Т(х,0) = То

= 0.

(П)

(12) (13)

дх дх

В результате были определены реологический закон движения расплава растительно-мясной смеси, средняя скорость течения и температура экструдата по сечению канала:

т = 7°/'62, (И)

и = Кп

-X

,2я+і ^ і

п + (1 - X*) - кп

2п+]

(1-Х )

(15)

2п +1 4 ' 2п +1

в{2) = 1 + 9,034-¡0~4г. (16)

В результате решения (9-13) имеем 2 - ЫИ = 0,315/2,1-Ю"3, тогда конечная расчетная температура экструдата равна Тк= 136,2 °С, а ее экспериментальное значение Тк = 135 °С, что свидетельствует о хорошей адекватности.

Г

Получение растительного I сырья

Растаривание сырья

Получение мясного сырья

Измельчение сырья, до 0,7мм

_______сш

] 1 т-

Измепьччение сырья до 0,7 мм

Перемешивание растительных компонентов

Перемешивание мясных ингредиентов

Экструдирование растительной смеси Т= 39В ;Р=6. /МПа

Ввод мясных компонентов Т=40ЭК; Р=6,5МПа

Формование

Подсушивание Т=373-383К

Охпождение до Т- 313К

Измельчение

В пятой главе представлена технология производства растительно-мясных снеков. Технологический процесс производства состоит из нескольких этапов, включающих в себя под-

готовку исходного сырья, измельчение, смешивание рецептурных компонентов, экструди-рование растительных компонентов, отдельный ввод мясных компонентов в предматричную зону, подсушивание и охлаждение экструдата,

упаковку готовой продукции (рис. 9).

Экструдированный продукт, полученный при рациональных параметрах процесса, анализировали по показателям, характеризующих его качественные свойства, пищевую, биологическую и энергетическую ценность. Проведена комплексная оценка качества растительно-мясных экструдатов по показателям, а также исследования по составу аминокислот, минеральных веществ и физико-химических показателей (таблица).

Биологическая ценность белка разработанной растительно-мясной смеси составляет 89 %, а в готовом к употреблению экс-трудированном продукте - 92 % (рис. 10).

Рис. 9. Технология производства растительно-мясных снеков

Таблица

Сравнительный аминокислотный состав зерновой смеси и

растительно-мясного экструдата

Вещества Продукт Исходная растительно-мясная смесь Экструдат

люпин чечевица свинина говядина

Белок. % 26,3 24,8 58,87 73,97 29,81 31,2

Вода, % 14 14 4,17 4,97 11,6 3

Валин, г 34,9 52,9 56,8 50,1 42,7 42,9

Изолейцин, г 46,3 42,5 50,7 28,3 43,8 44,2

Лейцин, г 85,5 78,7 84,1 74,5 82,9 83,3

Лизин, г 39,9 7!,6 83,7 78,2 55,2 55,3

Метионин + Цистин, г 19,3 21,2 39,1 34,7 23,6 23,7

Треонин, г 44,8 40 40,5 51,7 44,3 44,9

Триптофан, г 7,9 9,1 30,1 31,2 13,5 13,9

Фенилаланин + Тирозин, г 44,4 84,5 71,5 72,1 58,6 59,5

По цвету, вкусу и аромату экструдат имеет удовлетворительные потребительские характеристики. По микробиологическим показателям и показателям безопасности продукт соответствует требованиям СанПиН 2.3.2.1078-01.

Анализ изменения содержания белков, крахмала и клетчатки свидетельствует о линейном их уменьшении с возрастанием интенсивности обработки. Для оценки характера физико-химических изменений, происходящих при экструзии, была изучена структура экструдата с помощью электронного сканирующего микроскопа марки .)8М-6380 ЬУ фирмы 1ео1. Анализ структуры исходной смеси, растительного и растительно-мясного экструдата свидетельствует о полной гомогенизации растительных компонентов исходной смеси и со-

133 131

І 79

иіі Чечевица 80 Рас.тиіс'.'іьно мясная смесь 89 • МЯСНОЙ аКОрУДЗї 92

Рис. 10. Биологическая ценность: а - люпина; б - чечевица; в - растительно-мясная смесь; г - растительно-мясной экструдат

Вторая зона компрессии

Дскомпрессионно-экстракционная

хранении своих тугоплавких свойств мясными компонентами и их равномерном перемешивании в экструдере (рис. 11).

Первая зона компрессии

Зоны:

323 К

Температура:

Структура поверхност расплава при увеличении 1:1500

Рис. 11. Исследование динамики изменения микроструктуры в процессе производства растительно-мясных экструдатов

При протекании процесса под действием повышающейся температуры и сдвиговых усилий, создаваемых вращающимися шнеками, и образовавшимся давлением из-за сопротивления, создаваемого греющей шайбой на участке декомпрессии в деком-прессионно-экстракционной зоны, происходит растяжение и перестройка биополимеров, зерновая смесь переходит в текучее расплавленное состояние и последующее экзотермическое расширение массы приводит к формированию пористости продукта.

В шестой главе приводится описание разработанных конструкций двухшнекового экструдера (рис. 12) и экструдера с дорном, а также линии производства снеков на основе мясорасти-тельных компонентов, способа производства растительно-мясного экструдата и линии производства экструдированных зернобобовых сэндвичей с проведенным эксергетическим анализом, позволяющим определить оценку термодинамического совершенства теплотехнологической линии.

Использование двухшнекового экструдера позволит: расширить технологические возможности экструдера по производству экструдированных продуктов различного поликомпонентно-

го состава; обеспечить необходимую глубину физико-химических превращений компонентов обрабатываемого продукта за счет регулирования теплоподвода и механического воздействия установленных кулачков и греющих шайб.

Рис. 12. Двухшнековый экструдер: 1 - загрузочный патрубок; 2 — шнек; 3 - корпус; 4 - каналы; 5 — кулачок; 6 - греющая шайба; 7 - нагнетающий шнек;

8 - питатель; 9 - матрица; 10 - вариатор; 11 - звездочка; 12 - цепь;

13 - электродвигатель; 14-патрубок

Важнейшим инструментом оценки термодинамической эффективности технологической системы является эксергетиче-ский анализ, который учитывает степень использования различных видов энергии, затрачиваемых в технологических процессах, исходя из свойств сырья, осуществленной над системой работы и суммарного количества всех видов энергии, привлеченных извне (рис. 11). Полученный эксергетический КПД равен 38,7 %, что выше на 6,4 %, чем у прототипа. Это говорит о повышении степени термодинамического совершенства системы при использовании предлагаемой технологии экструдирования при производстве пищевых продуктов.

Р) ^.Е,Х-в.4К

Рис. 13. Эксергетическая диаграмма схемы производства экструдированных зернобобовых сэндвичей

Тот факт, что наибольший подвод эксергии осуществляется в контрольных поверхностях V и VI, говорит о целесообразности в дальнейших исследования рассматривать более детально именно эту часть теплотехнологической системы производства сэндвичей.

Основные выводы и результаты

1. Обоснован выбор и содержание компонентов растительно-мясной смеси, состоящей на 66 % из люпина, на 24 % из чечевицы, на 5 % - из сублимированного мяса говядины и на 5 % из сублимированного мяса свинины.

2. Выявлены рациональные конструктивные и технологические параметры процесса экструзии растительно-мясной смеси, описывающие зависимость производительности, коэффициента вспучивания, скорости выхода продукта из формующего канала, давления от влажности исходной смеси, частоты вращения шнека, зазора между рабочей камерой и греющей шайбой и диаметра отверстия фильеры.

3. Установлено, что полученные растительно-мясные экстру-даты, исследованные по содержанию аминокислот, физико-химическим, органолептическим, микробиологическим и показателям безопасности, соответствуют требованиям, предъявляемым к данным типам продукции.

4. Разработана математическая модель описывающая течение расплава растительно-мясной смеси на участке экстракции деком-прессионно-экстракционной зоны и второй зоны компрессии. В результате ее решения были определены реологический закон движения расплава растительно-мясной смеси, средняя скорость течения и температура экструдата по сечению канала.

6. Разработана конструкция экструдера с дорном (пат. РФ № 2450924), позволяющая расширить ассортимент выпускаемых изделий.

7. Посредством эксергетического анализа проведена оценка термодинамического совершенства теплотехнологической линии производства экструдированных зернобобовых сэндвичей по эк-сергетическому КПД. Полученный эксергетический КПД (38,7 %) предлагаемой линии выше, чем у заводской линии (32,3 %).

8. Разработана новая технология производства снеков на основе растительно-мясных компонентов. Разработана техническая документация: ТУ 9196-008-59045630-12 «Сухие продукты экстру-зионной технологии» (Funtex BP (бобово-белковый)).

9. Проведены производственные испытания способа производства растительно-мясного экструдата в ООО «Юнайтед Бей-керс - Псков» на промышленном экструдере APV Baker, которые подтвердили рациональные технологические параметры.

Условные обозначения

х, у, г- декартовы координаты; t - время, с; и Xt, и и , - компоненты

вектора скорости; р - давление, Па; Т - температура, К; р - плотность, кг/м3; Си - теплоемкость при постоянном объеме, кДж/(кг-К); Я - теплопроводность, Вт/(м-К); т„, zw г,. - нормальные напряжения; тху = ryXi, *yz= Ьу, *xz= Txz - касательные напряжения, gx, gy, gz - компоненты вектора тяжести; п - индекс течения; ц - вязкость среды, Па-с; Т0 - температура экструдата на входе канал, К; 3„ - скорость движения верхней степени канала, м/с; h - высота канала, м; а = Х!(рСр) - коэффициент температуропроводности, м2/с; b = tfl(pCp) - коэффициент диссипации

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Остриков, А.Н. Оптимизация биологической ценности экструдированного продукта на основе растительно-мясной смеси [Текст] / А.Н. Остриков, A.C. Рудометкин., М.С. Напольских // Вестник ВГУИТ. - 2012. - № 1. - С. 90-92.

2. Остриков, А.Н. Исследование реологических свойств пищевых экструдированных текстуратов на растительно-мясной основе [Текст] / А.Н. Остриков, М.С. Напольских // Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина. - 2012. - № 2(53). - С. 75-77.

3. Напольских, М.С. Теплофизические характеристики растительно-мясной смеси для производства экструдированных продуктов [Текст] / М.С. Напольских // Аграрная наука. - 2012. - № 10. - С. 27-28.

4. Остриков, А.Н. Исследование форм связи влаги в растительно-мясной смеси на основе люпина, чечевицы и сублимированного мяса методом дифференциально-термического анализа [Текст] / А.Н. Остриков, М.С. Напольских // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2012. - № 4. - С. 335-339.

5. Напольских, М.С. Эксергетический анализ процесса производства экструдированных зернобобовых сэндвичей [Текст] / М.С. Напольских // Вестник СГТУ. - 2012. - № 3 (67). - С. 102-109.

Патент

6. Пат. 2450924 РФ, МПК7 В 29 С 47/12, А 23 Р1/12. Эксгрудер с дорном [Текст] / Остриков А.Н., Напольских М.С., Копылов М.В.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная технологическая академия. -№ 2010143922/05; заявл. 26.10.2010; опубл. 20.05.2012, Бюл. № 14.

Статьи и тезисы

7. Остриков, А.Н. Исследова ние активности воды в экструдированных продуктах на растительно-мясной основе [Текст] / А.Н. Остриков, М.С. Напольских, A.C. Рудометкин // Материалы L от-

четной научной конференции за 2011 год: В 3 ч. - Ч. 2. / Воронеж, гос. ун-т инж. технол. - Воронеж: ВГУИТ, 2012. - С. 21-22.

8. Остриков, А.Н. Экструдированные продукты на растительно-мясной основе для профилактики белковой недостаточности [Текст] / А.Н. Остриков, М.С. Напольских, A.C. Рудометкин // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2012». - Выпуск 1. Том 9. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. -С. 23-25.

9. Остриков, А.Н. Адаптация двухшнекового экструдера для производства растительно-мясных экструдатов [Текст] / А.Н. Остриков, М.С. Напольских, A.C. Рудометкин // Материалы Международной научно-технической конференции «Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям: В 3 ч. Ч. 2. / Воронеж, гос. ун-т инж. технол. - Воронеж, 2012. - С. 38-41.

10. Остриков, А.Н. Инновационная технология производства экс-трудированных продуктов на растительно-мясной основе [Текст] / А.Н. Остриков, М.С. Напольских, A.C. Рудометкин // Материалы Международной научно-технической конференции «Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям: В 3 ч. Ч. 1. / Воронеж. гос. ун-т инж. технол. - Воронеж, 2012. - С. 114-117.

Подписано в печать 16.03.2013 г. Формат 60x84 '/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

(ВГУИТ)

Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»

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

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА РАСТИТЕЛЬНО-МЯСНЫХ ЭКСТРУДАТОВ В ДВУХШНЕКОВОМ

ЭКСТРУДЕРЕ

Специальность 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств» Специальность 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

На правах рукописи

НАПОЛЬСКИХ Максим Сергеевич

СО

а

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор А.Н. Остриков кандидат технических наук

Научные руководители -

А.С. Рудометкин

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. Анализ современного состояния теории, техники и

технологии производства экструдатов 10

1.1. Общая характеристика процесса экструзии 10

1.2. Обзор экструзионной техники 14

1.3. Краткий обзор экструзионной технологии 22

1.4. Выбор компонентов растительно-мясной смеси 29

1.5. Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в формующем канале экструдера 34

1.6. Анализ литературного обзора и задачи исследования 39 Глава 2. Анализ объекта исследования - растительно-мясной

смеси люпина, чечевицы и сублимированного мяса говядины и свинины 42

2.1. Оптимизация рецептурного состава растительно-мясной 42 смеси

2.2. Исследование растительно-мясной смеси люпина, чечевицы и сублимированного мяса говядины и свинины методами термического анализа 44

2.3. Исследования реологических характеристик расплава экструдируемой смеси 47

2.4. Определение теплофизических характеристик растительно-мясной смеси 51

Глава 3. Экспериментальные исследования процесса

получения растительно-мясных экструдатов в двухшнековом экструдере 54

3.1. Экспериментальная установка и методика проведения

эксперимента 54

3.2. Исследование конструктивных и технологических параметров процесса экструзии с двумя зонами загрузки сырья 60 Глава 4. Математическое моделирование течения расплава

продукта в формующем канале экструдера с подачей мясной начинки 69

4.1. Теоретические основы моделирования движения расплава продукта 69

4.2. Принятые допущения 70

4.3. Аналитическое решение математической модели 72 Глава 5. Технология и комплексная оценка качества растительно-мясного экструдата на основе люпина чечевицы и сублимированного мяса 84

5.1. Технология производства растительно-мясных снеков на двухшнековом экструдере с двух стадийной загрузкой сырья 84

5.2. Исследование качественных показателей растительно-мясного экструдата 85

5.2.1. Методы исследования физико-химических свойств образцов 8 5

5.2.2. Водопоглотительная способность 87

5.3. Анализ физико-химических показателей качества, химического и аминокислотного состава растительно-мясного экструдата 92

5.4. Определение микробиологических показателей растительно-мясного экструдата 95

5.5. Активность воды экструдированных продуктов на растительно-мясной основе 97

5.6. Исследование изменений структуры растительно-мясной смеси, происходящих в процессе экструдирования 98

Глава 6. Разработка конструкций экструдеров и линий для

производства экструдированных продуктов на основе 103 растительно-мясной смеси

6.1. Экструдер с дорном 103

6.2. Двухшнековый экструдер 106

6.3. Линия производства экструдированных зернобобовых сэндвичей 1 1 1

6.4. Способ производства растительно мясного экструдата 114

6.5. Линия производства снеков на основе мясорастительных компонентов 117

6.6. Эксергетический анализ процесса производства экструдированных зернобобовых сэндвичей 122

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 127

ЛИТЕРАТУРА 129

ПРИЛОЖЕНИЕ 144

ВВЕДЕНИЕ

Во многих странах мира количественное и качественное потребление белка признано одним из критичных определяющих цивилизованное общество. По данным института питания, начиная с 90-ых г. в России потребление белков животного происхождения снизилось на 30 % и соответственно увеличилось потребление углеводо- жиросодержащей пищи.

Среднедушевое суточное потребление белка уменьшилось на 20 % с 47 до 39 грамм белка животного происхождения (49 % против 55 % рекомендуемых); в семьях с низким достатком потребление белка в сутки не превышает 35 грамм, остальной рацион состоит из углеводов. Это обусловлено, в основном, снижением доходов жителей России, так как пищевые изделия с содержанием качественных мясных белков обладают высокой стоимостью.

Большое разделение продуктов питания по базовым компонентам приводит к преобладанию жиров в массе человека и раннему старению организма. Поэтому важность данной проблемы носит всеохватывающий характер и не ограничивается задачей устранения нехватки хорошо усвояемых белков в пищевой промышленности.

Наиболее легким путем увеличения получения качественных белков является переход на смеси из бобовых культур, которые отличаются большим содержанием этого компонента, с животными белками. Производство качественных пищевых белков из растительно-мясных смесей - это одно из более эффективных направлений решения проблемы дефицита белка в питании граждан, так как полученные белки позволяют обогатить многие виды пищевых продуктов и восполнить нехватку белоксодержащей пищи. В полной мере это перспективное направление реализуются при производстве готовых к употреблению снековых продуктов, изготавливаемых при помощи термопластической экструзии.

Процесс экструзии изучали и изучают по настоящее время, в основ-

ном, в трех направлениях:

1) оценка пищевой, энергетической и биологической ценности готового продукта,

2) изучение основных свойств процесса,

3) прогнозирование и изменение тех или иных свойств о механизме процесса.

Все основные составляющих достаточно проработаны в отношении смесей из растительного сырья.

При производстве экструдированных продуктов редко использовали обезвоженное и сублимированное мясо. Работы по изучению процесса экструзии растительно-мясного сырья еще не получили необходимого развития, а полученные результаты носят фрагментарный характер.

В развитие теории и практики пищевой экструзии поликомпонентных растительных смесей и получения продуктов с высокими качественными показателями весомый вклад внесли российские специалисты: Вин-никова Л.Г., Богатырев А.Н., Засыпкин Д.В., Жушман А.И., Карпов В.Г., Касьянов Г.И., Лисицын А.Б., Остриков А.Н.; зарубежные специалисты: Cho S.H., Lawrie R.A., Pradahn A.M., Rhee K.S., Smit O.B. Van Zuilichem DJ и др.

Рациональное сочетание растительно-мясных смесей позволит получить готовый экструдированный продукт с высокой концентрацией белка для использования в основе производства продукции для повседневного питания и питания целевого назначения. Применение комплексного подхода к изучению технологических процессов экструзии позволит установить методические аспекты создания инновационных технологий экстру-датов на основе растительно-мясных компонентов, совершенствовать их качественные показатели.

Актуальность работы. На данный момент в мире существует недостаток пищевого белка и его дефицит в ближайшее время, вероятно, сохранится. В среднем на одного человека планеты приходится около 55 г

белка в сутки при норме 100 г. Общий недостаток белка на планете составляет 10...25 млн. т в год. Около половины людей живущих на планете Земля страдают дефицитом животного белка. Данная ситуация обусловлена низким благосостоянием жителей планеты и проблемы связанные социальной ситуацией в современном мире.

Проблему белковой недостаточности можно решить путем создания продуктов питания с заранее спроектированным составом, сбалансированным по питательным компонентам. Использование различных белков животного происхождения в технологии экструдатов, позволяет получить продукты с высоким содержанием белка, с более сбалансированным аминокислотным и жирнокислотным составом, а также позволяет расширить ассортимент данных видов продуктов.

Работа проводилась в соответствии с планом госбюджетной НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ФБГОУ ВПО «ВГУИТ» (№ гос. регистрации 01.130.2.12440) «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» на 20112015 гг.

Научная новизна. На основании исследований и анализа разработан способ производства растительно-мясных экструдатов. Изучены влияния условий экструдирования растительно-мясной смеси на закономерность протекания процесса, что позволило обосновать режимы протекания процесса экструзии.

Методом дифференциально-термического анализа была определена форма связи влаги с обрабатываемым материалом и условия терморазложения растительно-мясной смеси, что позволило определить допустимый диапазон температур и обосновать выбор оптимальных температур для обработки продукта.

Выявлены основные закономерности изменения технологических параметров в зависимости от скорости шнеков, влажности исходной смеси,

диаметра фильеры матрицы, частоты вращения шнека, величины зазора между греющей шайбой и рабочей камерой.

Разработана математическая модель, описывающая течение расплава растительно-мясной смеси на участке экстракции декомпрессионно-экстракционной зоны и второй зоны компрессии. В результате были определены средняя скорость движения расплава и температура по длине рабочей камеры.

Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2450924.

Практическая ценность. Разработан способ получения растительно-мясных экструдатов. Определены рациональные параметры процесса переработки исследуемой растительно-мясной смеси в экструдере с двумя зонами загрузки. Получен экструдат, обладающий высокой биологической и энергетической ценностью и сбалансированным аминокислотным составом.

Разработана новая технология производства экструдированных зерно-бобовых сэндвичей. Техническая документация была разработана на основе экспериментальных исследований: ТУ 9196-008-59045630-12 «Сухие продукты экструзионной технологии» (Рип1ех ВР (бобово-белковый)).

Разработаны оригинальные конструкции экструдеров: экструдер с дорном, двухшнековый экструдер с двумя зонами загрузками сырья; для получения растительно-мясных экструдатов, а также линия получения экструдированных продуктов.

Полученный расчет экономической эффективности промышленных внедрений предлагаемой конструкции экструдера с двумя зонами загрузки сырья составляет 770, 8 тыс. р./год. (Приложение 5).

Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждены и доложены на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (ВГУИТ, 2012-2013 гг.), Одессе (2012 г.).

Результаты работы демонстрировались на 3-х выставках: 5 Воронежском промышленном форуме: (21-22.03.2012, г. Воронеж); 16 межрегиональной специализированной выставке с международным участием (2527.05.2011, Воронеж); 29 межрегиональной специализированной выставке (5-7.12.2012, г. Воронеж) и награждены 5 дипломами.

Работа выполнялась на кафедре процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ФГОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» и на предприятии ООО «ЮНАЙТЕД БЕЙКЕРС-Псков». Хотелось выразить благодарность научным руководителям заслуженному деятелю науки РФ, профессору, доктору технических наук Александру Николаевичу Острикову и кандидату технических наук, менеджеру по внедрению инновационных разработок ООО «Келлогг Рус» Рудомёткину Александру Сергеевичу за оказанную консультации при выполнении работы.

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ, ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭКСТРУДАТОВ

1.1. Общая характеристика процесса экструзии

В Российской Федерации, как и в других развитых странах, зерновые, зернобобовые и их переработанные продукты составляют основные запасы агропромышленного комплекса страны.

Уровень и качественное питание среднего класса населения нашей страны в последние десятилетия снижался. Ежегодный дефицит животного белка в Российской Федерации превышает 2 млн. тонн. Проблема дефицита пищевого белка и создание сбалансированных продуктов питания с заранее оптимизированными свойствами является актуальной задачей. Современные разработки в области питания, развитие сельского хозяйства и мирового рынка привели к интересу получения экструдированных продуктов с заранее спрогнозированными свойствами. В пищевой промышленности востребованы ингредиенты, обладающие определенными свойствами и характеристиками, в виде добавок для пищевых продуктов, заменителей традиционных видов сырья. Примерами могут служить продукты обогащенные белком, модифицированные крахмалы, текстураты и др. [2, 5, 30, 113, 114, 140].

Натуральные, необработанные крахмалы не растворяются в воде, и человеческий организм не может их усваивать. Однако, мгновенная обработка термопластической экструзией может превратить их в ценнейший, полностью готовый к употреблению продукт и пищевую добавку, без которой уже невозможно представить современное российское и зарубежное производство майонезов, соусов, кетчупов, супов моментального приготовления и различных других пищевых ингредиентов. При интенсивной экструзионной термаобработке богатого растительным белком природного зернобобового сырья (в основном, кукурузы, пшеницы, риса, чечевица, нута,

сои, люпина и т.п.) конечный продукт помимо ценных биологических и пищевых свойств приобретает характерную пористую структуру, аналогичную структуре натурального мяса. Растительные экструдаты с каждым днем находят все большее применение в пищевой промышленности, как в качестве пищевых добавок, так и в виде готовых к употреблению продуктов функционального питания, по своей биологической и пищевой ценности и органолеп-тическим характеристикам не уступающим традиционным мясным и рыбным блюдам. Однако, существующий ассортимент экструзионных продуктов богат углеводами и не сбалансирован по аминокислотному составу.

В связи с этим, одним из преимущественных направлений в российской и зарубежной пищевой промышленности является изготовление функциональных продуктов с повышенной энергетической и биологической ценностью, обогащенных определенными компонентами.

Экструзия - процесс переработки компонентов в экструдере, совмещающий три вида обработки: термо-, гидро- и механическую обработку с приобретением продуктом новых свойств.

Brad Strahm и др. процесс экструдирования определяют, как процесс, в результате которого увлажненные, растяжимые, крахмалистые и/или белковые материалы переводятся в пластичное состояние в камере за счет комбинации давления, скорости вращения шнеков, определенной влажности, температуры и механического сдвига. Это способствует желатинизации крахмалистых компонентов, денатурации белка, реструктурированию и растяжению тягучих компонентов и экзотермическому расширению экструдата [10, 20, 31,41,42,53,62, 65,66, 68, 142].

Сущность процесса экструзии заключается в придании пористой или волокнистой структуре растительных компонентов, не имеющих желаемой естественной структуры. Исследуемый процесс состоит из последовательных операций:

- денатурация белка, которая заключается в разрушении энергетически слабых связей без изменения пептидных связей белка;

- организация или ориентация белковых микромолекул, которая может происходить на уровне молекул;

- фиксация организованной структуры, благодаря перераспределению совокупности внутримолекулярных связей, которые были разорваны на первом и втором этапе [2, 4, 5, 6, 32, 33, 35, 36, 117, 119, 120].

Экструдеры квалифицируются по термодинамическим свойствам и делятся на политропные, автогенные и изотермические. При автогенном режиме работы экструдированные компоненты уплотняются и нагреваются за счет силы трения частиц о поверхности вращающихся шнековых элементов и сдвиговых усилий деформации, при этом затрачивается энергия только для нагрева матрицы и корпуса до заданной температуры. При политропном режиме экструдирования присутствует контролируемый нагрев или охлаждение рабочей камеры экструдера от внешнего источника.

Существуют несколько методов нагрева экструдера: паром, электричеством и горячей жидкостью. Большинство экструдеров производится с использованием для нагрева электрических ТЭНов, обеспечивающих нагрев матрицы экструдера и рабочей камеры до 200 °С [123, 124, 129, 131, 135, 145, 149].

Изотермические экструзионные машины предназначены для контролируемой экструзии, для формования макарон из муки высшего сорта и хлебного теста. В таких экструдерах теплота, выделяемая в результате воздействия рабочих органов на перерабатываемый мат�