автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса приготовления маргариновой эмульсии и совершенствование аппаратурного оформления

Московский государственный заочный институт пищевой промышленности

На правах рукописи

Андреев Владимир Николаевич

УДК 664.315.6 664.3.032

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ МАРГАРИНОВОЙ ЭМУЛЬСИИ И ¡СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научньдй руководитель: кандидат технических наук, профессор, действительный чден Международной академии энергоцнформационных наук КАЛОШИН Ю.А.

Москва, 1-909-

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................................4

Глава 1. Состояние исследуемого вопроса, цели и задачи

исследований............................................................................6

1.1. Изучение влияния технологических операций на качество маргариновой продукции..........................................................6

1.1.1. Влияние рецептурного набора...............................................7

1.1.2. Влияние процесса приготовления маргариновой эмульсии..................................................................................12

1.1.3. Влияние процессов переохлаждения и кристаллизации маргариновой эмульсии........................................................18

1.2. Перспективные направления повышения эффективности технологических систем маргаринового производства......23

1.3. Способы получения водно-жировых эмульсий....................24

1.4. Цели и задачи исследований................................................38

Глава 2. Методы исследований, используемые приборы

и экспериментальные установки...........................................40

2.1. Характеристика и методы оценки качества фасованного маргарина.........................................................40

2.2. Методика проведения исследований по оценке целостности технологической системы производства фасованного маргарина.........................................................40

2.3. Методика проведения исследований по оценке стохастичности связей технологической системы..............46

2.4. Методика проведения полного факторного эксперимента

и обработка его результатов.................................................47

2.5. Методика проведения исследований стойкости маргариновых эмульсий.........................................................49

2.6. Методика определения вязкости маргариновой эмульсии 57

2.7. Методика определения мощности на привод мешалки......58

2.8. Методика проведения исследований и описание экспериментальной установки для приготовления тонкодисперсных маргариновых эмульсий .........................59

Гпава 3. Системные исследования производства маргариновой

продукции.................................................................................70

3.1. Системный анализ процессов производства маргариновой продукции........................................................70

3.2. Классификация технологических систем маргаринового производства.................................................76

3.3. Оценка целостности, стохастичности связей и чувствительности элементов технологических систем производства фасованного маргарина................................. 77

3.3.1. Оценка стабильности работы поточных линий по производству фасованного маргарина в пачках.................. 78

3.3.2. Исследование процессов эмульгирования, переохлаждения и кристаллизации маргариновой эмульсии методом априорного ранжирования факторов... 82

3.3.3. Анализ чувствительности процессов производства фасованного маргарина.........................................................87

Глава 4. Исследования перемешивающих и гомогенизирующих

устройств при приготовлении маргариновой эмульсии......92

4.1. Экспериментальные исследования процесса образования маргариновой эмульсии с помощью перемешивающих устройств.................................................92

4.1.1. Исследование влияния частоты вращения и типов перемешивающих устройств на стойкость маргариновой эмульсии.........................................................93

4.1.2. Исследование влияния частоты вращения и конфигурации мешалок на мощность перемешивания .....100

4.1.3. Исследование влияния типа перемешивающих устройств на реологические характеристики маргариновой эмульсии

.................................................................................................104

4.2. Экспериментальные исследования процесса приготовления маргариновой эмульсии с применением гомогенизирующих устройств....................111

4.2.1. Исследование влияния рабочего давления в гомогенизаторе на средний размер частиц дисперсной фазы и стойкость маргариновой эмульсии ....112

4.2.2. Исследование влияния режимов приготовления грубой маргариновой смеси на размер частиц дисперсной фазы

и стойкость тонкодисперсной эмульсии..............................117

4.2.3. Исследование влияния количества рециклов на средний размер частиц дисперсной фазы

и стойкость маргариновой эмульсии....................................125

4.2.4. Исследование реологических свойств тонкодисперсных маргариновых эмульсий повышенной стойкости...............134

Гпава 5. Практическое применение результатов исследований.....139

5.1. Новый способ производства фасованного маргарина......139

5.2. Промышленное гомогенизирующее устройство для получения тонкодисперсных маргариновых эмульсий......141

5.3. Методика расчета гомогенизирующего оборудования для приготовления тонкодисперсных маргариновых эмульсий повышенной стойкости.........................................................145

Общие выводы по результатам работы...............................................150

Список использованной литературы....................................................153

Приложения............................................................................................171

ВВЕДЕНИЕ

Маргариновая промышленность - одна из отраслей пищевой промышленности в нашей стране. Изделия маргаринового производства являются ценным пищевым продуктом. По калорийности они не уступают сливочному маслу, а по усвояемости организмом человека значительно превосходят его за счет большего содержания полиненасыщенных кислот. Таким образом, производство и использование маргариновой продукции позволяет решить проблему направленного и сбалансированного жирового питания людей различного возраста, а также диетического питания, за счет применения низкожирных маргаринов (с содержанием жира 60%), в первую очередь, с целью нормализации проблемы широко распространенных нарушений липидного обмена (атеросклероз, ишемическая болезнь, ожирение, гепатит и др.), особенно остро вставшей в последнее время.

Маргариновая продукция по составу и назначению разделяется на две основные группы и несколько подгрупп (см. схему) [158]:

Ассортимент вырабатываемой продукции маргаринового производства весьма разнообразен. В зависимости от назначения, маргариновые изделия производят твердыми в пачках или крупной таре (короба), наливными в полимерной таре и жидкими для промышленной переработки.

В связи с ростом потребления маргариновой продукции важной задачей становится улучшение ассортимента и качества продукции.

Большой вклад в изучение различных технологических процессов маргаринового производства внесли ученые нашей страны: Азнаурян A.M., Аскинази А.И., Варибрус В.И., Восканян О.С., Гринь Т.В., Дорож-кина Т.П., Козин Н.И., Паронян В.Х., Ребиндер П.А., Рогов Б.А., Сте-ценко A.B., Тер-Миносян ДИ., Товбин И.М., Урум Г.В., Фаниев Г.Г., Ха-гуров A.A., Чекмарева И.Б., Шмидт A.A. и многие другие.

В пищевой промышленности за основной критерий оценки функционирования поточных линий принимается качество готового продукта. Качество маргариновой продукции, согласно действующему в нашей стране стандарту (ГОСТ 976-81), рассматривается как комплекс различных характеристик, определяемых органолептически (цвет, запах, вкус, консистенция) и физико-химическими методами (твердость, кислотность, массовая доля жира, содержание соли, содержание влаги и летучих веществ и др.).

Качество готового продукта формируется на различных стадиях технологического процесса маргаринового производства и зависит как от физико-химических свойств рецептурных компонентов, так и от применяемого оборудования и технологических режимов обработки полуфабрикатов.

В связи с этим необходимо тщательное изучение каждого участка производства маргариновой продукции с целью выяснения степени их влияния на качество готового продукта с применением методов системного анализа поточных линий.

Гпава 1. Состояние исследуемого вопроса, цели и задачи исследований

1.1. Изучение влияния технологических операций на качество маргариновой продукции

Основу технологии производства маргариновой продукции составляют следующие операции [19, 98, 140, 158, 160]:

- подготовка рецептурных компонентов водно-молочной и жировой фаз;

- дозирование компонентов рецептурной смеси;

- приготовление маргариновой эмульсии;

- переохлаждение и механическая обработка эмульсии, кристаллизация, а при необходимости, и ее декристаллизация, с учетом условий, обеспечивающих получение продукта, обладающего заданными реологическими характеристиками;

- фасовка и упаковка маргариновой продукции.

В ходе производственного процесса сырье и полуфабрикаты транспортируются по трубопроводам, подвергаются тепловой обработке и механическим воздействиям, что в значительной мере оказывает влияние на консистенцию готовой продукции и ее качество. Консистенция различных видов продукции маргаринового производства определяется целым рядом физико-механических характеристик: плавлением; твердостью, пластичностью и текучестью, прочностью, дисперсностью и типом эмульсии.

Изучение этих свойств и технологических параметров процессов производства маргариновой продукции позволяет глубже понять физику явлений, происходящих в маргариновом производстве и выяс-

нить влияние каждой технологической операции на качество выпускаемой продукции.

1.1.1. Влияние рецептурного набора

Рецептуры являются основополагающим директивным документов, определяющим состав каждого вида маргариновой продукции [136].

В маргариновой продукции по действующему стандарту [37] содержание жиров (включая жиры молока, эмульгаторов, красителя и др.) должно быть не менее 82%; в низкожирных маргаринах - не менее 60%. В таблице 1.1, в качестве примера, приведены рецептуры фасованных маргаринов: столовый «Молочный», «Сливочный», «Идеал сливочный» низкожирный и наливного маргарина «Столичный» [136,159].

Таблица 1.1

Рецептуры маргаринов: столовый «Молочный», «Сливочный», «Столичный» и «Идеал сливочный» низкожирный

№ п/п Наименование компонентов Массовая доля компонентов по марке маргарина, %

столовый «Молочный» «Сливочный» «Столичный» «Идеал сливочный» низкожирный

1 Саломас, марка 1 (Т.пп.31-34°С, тв. 160-320 г/см) 69,00-54,00 48,0063,00 16,0018,00 —

2 Саломас, марка 1 (Т.пп.34-36°С, тв.350-450 г/см) - — 12,00-7,00 -

3 Масло растительное жидкое, в т.ч. для растворения эмульгатора 13,01-27,66 25,7610,41 29,9524,05 -

4 Растительные жиры и масла 55,80-68,80

№ п/п Наименование компонентов Массовая доля компонентов по марке маргарина, %

столовый «Молочный» «Сливочный» «Столичный» «Идеал сливочный» низкожирный

5 Масло сливочное, в/с - 10,0 - -

6 Масло кокосовое - - 7,00-10,00 -

7 Красители пищевые; каротин 0,05-0,20 0,05-0,20 0,30-0,40 0,10-0,20

8 Эмульгаторы: МГД 0,05-0,10 0,05-0,10 0,80-0,60 0,2-1,00

фосфатидный конц. пищевой - - 0,20 -

9 Сахар-песок 0,30-0,50 0,30-0,50 - 0-0,30

10 Соль 0,30-0,70 0,30-0,50 0,30-0,70 0,10-0,50

11 Молоко коровье цельное 4,50-9,00 4,50-9,00 - -

12 Сливки жирностью 20% 20,0-5,00

13 Вода 12,79-7,84 11,046,29 39,4439,03 Остальное

14 Лимонная кислота - — 0,01-0,02 —

15 Ароматизаторы Согласно технологической инструкции .....

16 Витамин А 20000 МЕ на 1 кг маргарина

17 Консервант С0.С1

ИТОГО: 100 100 100 100

В том числе жиров, включая жир молока 82,25 82,25 60,25 60,00

Правильное составление рецептуры, учитывающее физико-химические характеристики жировой основы, соотношение и состав отдельных компонентов в значительной степени влияет на качество маргариновой продукции.

Жировая основа является преобладающей по процентному соотношению в составе маргариновых продуктов, поэтому ее свойства и определяют, в основном, качественные показатели готовой продукции.

Основными качественными показателями жировой основы, наряду с химическими, являются физико-механические характеристики:

твердость, содержание твердой фазы и температуры плавления, прочность, вязкость [35, 36, 38, 39, 40, 41, 42, 43].

Температуру плавления и твердость жировой основы маргарина регулируют, главным образом, добавляя жидкое растительное масло. Каждые 10% добавляемого растительного масла способствуют снижению температуры плавления жировой смеси на 0,8+1° С [158].

Компоненты жировой смеси с учетом температуры плавления и твердости исходных компонентов подбирают дилатометрическим методом [31; 32; 167].

На Московском маргариновом заводе (ММЗ) проводились исследования влияния состава жировых основ на качество готового маргарина по консистенции схожего со сливочным маслом, полученного на линии с вытеснительным переохладителем [74, 75]. В ходе работы были проведены дилатометрические определения по общепринятой методике [43] и измерялись структурно-механические характеристики готового маргарина сразу после выработки с помощью прибора с плоскопараллельным зазором и пенетрометра «Labor».

На основании исследований установлено, что наиболее низкие значения структурно-механических показателей имеет маргарин с коа-гуляционно-кристиллизационной структурой и хорошей пластичной консистенцией.

Исследователи приходят к выводу, что для получения фасованного маргарина с пластичной структурой жировые основы необходимо подбирать с учетом того, чтобы при 20° С содержание твердых три-глицеридов не превышало 20%. Снижение вязкости, предельного напряжения сдвига и увеличение пластичности маргарина достигается за счет введения в жировую основу до 25% кокосового масла.

В Московском филиале ВНИИЖа исследовались различные композиционные составы специальных видов маргариновой продукции для хлебопекарной и кондитерской промышленности [50, 143, 144,

168, 170]. Образцы составов сохраняли пластические свойства в определенном интервале температур.

В ходе исследований наблюдали изменение вязкости готового маргарина в зависимости от состава жирового набора.

Отмечено, что вязкость маргарина уменьшается с повышением температуры и скорости сдвига.

На рис. 1.1 приведены зависимости вязкостных свойств жировых композиций от содержания подсолнечного и кокосового масел в интервале температур от 10 до 25° С [168]. В данном случае, как и в работе [74] наблюдается увеличение пластичности (снижение вязкости) с ростом процентного содержания подсолнечного и кокосового масел, что предполагает содержание меньшего количества твердых тригли-церидов.

Г), пз 800 -

700 -

600 -

500 -

400

300

200

100 -

0

1

—

10

20

30

40

Содержание масла, %

Рис.1.1. Зависимость вязкости жировых композиций от содержания подсолнечного (а) и кокосового (б) масел при разной температуре: 1 - 10°С; 2 - 15°С; 3 - 20°С; 4 - 25°С.

При исследовании жировых композиций маргарина [50] определяли вязкость, твердость (по Каминскому) и жирокислотный состав.

Отмечено, что значения реологических характеристик возрастают с увеличением твердой фазы жира. Также установлено, что жировые композиции остаются жидкими в интервале температур 10+25° С, и их вязкость в зависимости от применяемого эмульгатора (Т-2 и МГД) меняется незначительно [143]. Вязкостные характеристики определялись на вискозиметре Воларовича типа РВ-8.

На Московском маргариновом заводе были выработаны опытные партии наливного маргарина на поточной линии для изготовления кулинарных жиров с расфасовкой в коробочки из полимерных материалов [171]. Структурно-вязкостные свойства различных рецептур наливного маргарина измерялись с помощью капиллярного вискозиметра АКВ-2 в температурном интервале 5+20°С, прочностные характеристики - на пластометре Ребиндера-Семененко.

Из приведенных исследований видно, что наиболее пластичен маргарин с температурой плавления 27°С и твердостью - 55 г/см.

Для определения оптимальных физико-химических показателей жировых основ маргариновой продукции различного назначения учеными нашей страны были исследованы образцы отечественных и зарубежных бутербродных маргаринов и кулинарных жиров, которые обладали высокими органолептическими показателями [47].

Обобщая полученные данные анализов, сделан вывод, что жировые основы брусковых бутербродных маргаринов должны иметь температуру плавления 27+31 °С, твердость при 15°С - 80+120 г/см. Жировые основы мягких бутербродных маргаринов должны иметь температуру плавления 26+33°С; твердость - 20-80 г/см и содержание твердой фазы: при 5°С - 11+12%; при 15°С-8+15%; при 30°С - 3+5%; при 35°С-1+3%.

Учеными Чехословакии проведены исследования для 11-ти марок блочного, 11-ти марок наливного маргарина, содержащих подсолнечное масло и подсолнечный саломас [240]. В ходе работы определяли твердость маргаринов при разрезании ножом, твердость при намазывании на хлеб и намазываемость в интервале 0-26°С; а также динамический, статический предел текучести и кажущуюся вязкость в интервале 5+25°С. Как показали исследования, органолептические показатели неплохо коррелируются с вискозиметрическими данными (г=0,7ч-0,9). Поэтому результаты анализа могут быть использованы для определения органолептических свой