автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и оптимизация системы процессов производства инстант продукта на основе гречневой муки

На правах рукописи

САРАФАНОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

«РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ИНСТАНТ ПРОДУКТА НА ОСНОВЕ ГРЕЧНЕВОЙ

МУКИ»

Специальность: 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 АПР 2013 005051382

Кемерово 2013

005051382

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки» Россельхозакадемии, Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего , профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» Министерства образования и науки РФ

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Попов Анатолий Михайлович

Сорокопуд Александр Филиппович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский

технологический институт пищевой промышленности», профессор кафедры «Машины и аппараты пищевых производств»

Федореяко Борис Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский

государственный университет пищевых производств», профессор кафедры «Технологическое оборудование пищевых предприятий»

ГНУ Научно-исследовательский институт пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии Россельхозакадемии, Московская область, п. Измайлово

Защита состоится «26» апреля 2013г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности по адресу: 650056, г. Кемерово, Бульвар Строителей, 47.тел./факс 8(3842)39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности».

С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www.kemtipp.ru)

Ведущая организация:

Автореферат разослан

марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Голуб О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

В последние десятилетия ввиду роста числа хронических заболеваний и установления их причинной связи с несбалансированным питанием к пищевым продуктам стали относиться как к эффективному средству поддержания физического и психического здоровья, и снижения риска возникновения многих заболеваний.

Организм человека не синтезирует витамины и минеральные вещества и поэтому должен получать их в готовом виде с пищей регулярно, так как способность запасать микронутриенты впрок на сколько-нибудь долгий период у организма человека отсутствует.

Богатейшим источником практически всех необходимых организму микронутриентов является сырье растительного происхождения. Создание пищевых продуктов, в частности напитков, на основе растительного сырья является одним из путей решения проблемы сбалансированности питания.

Ввиду высокой практичности во многих странах разрабатывают и внедряют способы получения инстант продуктов в гранулах.

Цель процесса инстантирования заключается в том, чтобы сухие продукты легко увлажнялись и растворялись.

Производство сухих инстант продуктов на основе растительного сырья дает возможность получать новые пищевые продукты, обладающие повышенной питательной ценностью.

Цель работы: развитие технологической системы производства инстант продукта на основе гречневой муки.

Задачи исследований:

• выполнить диагностику существующего производства инстант продукта на основе картофельного крахмала и оценить количественно качество ее организации как системы процессов;

• дать сравнительную характеристику реологических свойств картофельного, гречневого крахмала и гречневой муки с точки зрения их использования в производстве инстант продукта;

• оптимизировать процесс гранулирования;

• составить операторную модель производства инстант продукта на основе гречневой муки и оценить уровень его организации (целостности).

Научная новизна.

• Установлены закономерности организации системы процессов для производства инстант продукта на основе картофельного крахмала.

• Изучены реологические свойства гречневого крахмала для производства инстант продукта.

• Изучен и рационализирован процесс гранулирования на основе гречневой муки.

• Исследовано строение зерен гречневого крахмала.

• Установлены закономерности организации процессов для системы производства инстант напитка на основе гречневой муки.

Практическая значимость работы.

• Предложена система процессов производства инстант напитка на основе гречневой муки.

• Составлены и внедрены в производство на ООО НПО «Здоровое питание» рецептуры инстант напитка на основе гречневой муки.

• Предложена компоновка механизированной поточной линии производства инстант напитка на основе гречневой муки;

• Подана заявка на способ получения гранулированного пищевого продукта входящий №065986, регистрационный №2012140917.

• Составлены технологическая инструкция и технические условия сухого гречневого напитка.

Научные положения, выносимые на защиту:

• диагностика и оценка качества системы процессов для производства инстант продукта;

• реологические свойства нативного и экструдированного гречневого крахмала, нативной и экструдированной гречневой муки как основы для производства инстант продукта;

• оптимизированный ведущий технологический процесс (гранулирование);

• система процессов для производства инстант продукта на основе гречневой муки;

• машинно-аппаратурное оформление технологии производства инстант продукта на основе гречневой муки.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на IV конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии «Научно-инновационные технологии как основа продовольственной безопасности РФ» (Москва, 2010); на V конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии «Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов здорового питания» (Москва, 2011); на ежегодной Всероссийской научно-практической конференции Россельхозакадемии «Научно-инновационные аспекты при создании продуктов здорового питания» (Углич, 2012), работа заслушана на Ученом Совете Государственного научного учреждения Всероссийский научно — исследовательский институт зерна и продуктов его переработки (Москва, 2013)

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы, приведена ее общая характеристика.

В первой главе проанализированы проблемы и достижения в области производства быстрорастворимых напитков. Рассмотрены свойства и характеристика используемого сырья, методы системного исследования технологического потока. Проведен анализ состояния и перспективы развития процесса гранулирования сыпучих сред. В результате проведенного анализа сформулированы задачи исследований.

Во второй главе представлена проведенная диагностика существующей технологической системы производства инстант продуктов на основе картофельного крахмала.

На основании анализа известной машинно-аппаратурной схемы была составлена операторная модель, представленная на рисунке 1.

Контролируемые параметры подсистем производства инстант продукта на основе картофельного крахмала и уровень целостности подсистем за 1 смену представлены в таблице 1.

Уровень целостности технологической системы, имеющей семь выходов подсистем А, В, С\ С2, Сэ С4' С4", определяется формулой:

вс''с'с3сгс1ВА = Лс? + Лс' + Пс, + ПС1/с1 + 1с2/с1' + У в/сг с2 Сз с1 с11 + +11а/вс1с2с3с1с1' ~ 6> (!)

где т]сп, г/с1, 7]Сз- стабильность функционирования подсистем С4 И Сз , соответственно Лс^/с^ ~ условная стабильность подсистемы С) относительно подсистемы С4, г1с2/с11 ~ условная стабильность подсистемы С2 относительно подсистемы С4, Лв/с^СгС-ьС&Ц ~ условная стабильность подсистемы В относительно подсистемы с1с2с3с1с11, г1а/вс1с2с3с1с1' ~ условная стабильность подсистемы А относительно подсистемы ВСХС2С3С[С{1.

Уровень целостности за смену: 6с[,с1с3сгс1ВА = °'81 + °'53 + °'63 + °'63 + 1 + 1 + 1- 6= -0,40 (2)

При проведении измерений в производственных условиях было установлено, что стабильность подсистемы С4 равна единице, поскольку показатели качества всех взятых проб сока и жома находились в нормативном диапазоне. В подсистемах Сз , Сг , С( происходят отклонения по крупности сахарной пудры, содержанию сухих веществ в концентрированном соке, содержанию влаги в жоме после хранения, соответственно. Установленная невысокая стабильность функционирования линии как системы значительно снижается из-за нестабильности функционирования подсистемы В, что обусловлено нестабильностью процесса гранулирования и, как следствие, невысоким качеством получаемых гранул.

Премикс..............

сухой

Сахар-

песок

гранулы 3<иО,5 не йопее 3%

Картофельный крахмал ВоЗа

питьейая ПлоЗойо-ягаЭное сырь?

ВоЗа питьеВая

си Сыборотка молочная

сухая ВоЗа

питьеЬая

Упаковочный материал

...I...........ІІІ

' V

»я 2ю«ы~ЯГ«05

Рисунок 1 - Операторная модель линии производства инстант продукта на основе картофельного крахмала А- подсистема образования готового инстант, содержащая операторы: I- упаковки гранулированного продукта; И- сушки гранул. В-подсистема образования гранул с заданными физико-механическими свойствам, содержащая операторы: I- гранулирования рецептурной смеси; 1!- образования рецептурной смеси. С/ - подсистема образования полуфабриката, содержащая операторы: (-хранение жмыха; II- помола жома; III- сушка жома. С г подсистема образования промежуточного полуфабриката жидкого, содержащая операторы: I- смешивание жидких компонентов; II- хранение сока; III- упаривание сока Сз - подсистема образования смеси сухого премикса и сахарной пудры, содержащая операторы: I- просеивания смеси, II- смешивания, III- измельчения сахарного песка в пудру.

- подсистема образования жома и сока из плодово- ягодного сырья, содержащая операторы: I- отжим; И- протирки; III-измельчения; IV- мойки исходного сырья

Таблица 1 - Контролируемые параметры подсистем производства инстант

продукта на основе картофельного крахмала и уровень целостности _подсистем_

Под- Выход Контролируемый Нор- Поле Р1, Л'.

сис- подсите- параметр матив- до- вероят- энтро- ста-

тема мы ное пуска, ность пия биль-

значе- % попада- сос- ность

ние, % ния величины в интервал допуска тояния ¡-ой подсистем ы, бит і подсистемы

А готовая продукция массовая доля влаги 6 ±2 0,97 0,19 0,81

В влажный гранулят количество гранул в диапазоне от 0.5 до 3 мм 98 ±2 0,90 0,47 0,53

С1 жом после хранения массовая доля влаги 13 ±1 0,93 0,37 0,63

С2 концентри рованный сок сухие вещества 57 ±2 0,93 0,37 0,63

СЗ сахарная пудра количество пудры в диапазоне до 100 мкм 96 ±4 0 0 1

С41І сок выход сока 56 ±2 0 0 1

С4І жом влажность жома 60 ±2 0 0 1

Диагностика существующей технологии производства быстрорастворимых напитков на основе картофельного крахмала показала необходимость доработки технологических режимов и конструкции оборудования в подсистеме В, в частности гранулятора.

В третей главе рассмотрены реологические свойства и микроисследование гречневого крахмала.

С целью изучения строения, размеров, наличия примесей и технологической возможности использования гречневого крахмала и муки в производстве инстант продуктов было проведено микроисследование зерен гречневого и картофельного крахмалов.

Микроисследования гречневого крахмала показали, что в крупнозернистой фракции размеры зерен достигают 17 мкм и имеют неправильную форму, в то время как мелкозернистая фракция - округлой, овальной формы в соответствии с рисунком 2.

Неправильная многогранная форма зерен гречневого крахмала, представленная на рисунке 3, является его особенностью и связана с условиями развития образования и развития зерен: они формируются в белковой матрице и сдавливаются во время созревания зерна, в отличие от картофельного крахмала, имеющего округлую форму зерен.

Подобные неправильной формы зерна имеют большее гидравлическое сопротивление и осаждаются медленнее, чем зерна округлой формы как у картофельного крахмала.

Рисунок 2 - Зерна картофельного Рисунок 3 - Зерна гречневого крахмала, увеличение 40х крахмала, увеличение 40х

Наиболее полную характеристику структурно-механических свойств продукта позволяют получить реологические кривые течения. Графики реологических кривых течения нативного гречневого крахмала представлены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 - Зависимости напряжений сдвига от скорости сдвига 3,5 % суспензий гречневого и картофельного крахмалов через 30 секунд

Рисунок 5 - Зависимости напряжений сдвига от скорости сдвига 3,5 % суспензий гречневого и картофельного крахмалов через 30 минут

При приготовлении известных быстрорастворимых гранулированных напитков концентрация картофельного крахмала составляет 3,5 %, это придает напитку структуру, равномерное распределение плодово-ягодной составляющей, а также улучшает органолептические свойства. Рациональный размер гречневого крахмала и муки (180 мкм) определяли экспериментально с оценкой по стабильности структурообразования.

На рисунке 4 изображены графики зависимости напряжений сдвига от

скорости сдвига 3,5 % суспензий крахмалов гречневого и картофельного через 30 секунд после приготовления при температуре 100 С°. Суспензия гречневого крахмала имеет более низкие показания напряжений сдвига, чем у картофельного крахмала. Изменение напряжения сдвига у гречневого крахмала по скорости сдвига происходит от 1,1 до 301,84 Па. У картофельного же крахмала при такой же концентрации через 30 секунд напряжение сдвига выше при соответствующих скоростях сдвига и изменяется от 1,2 до 363,4 Па.

На рисунке 5 представлены графики зависимости напряжений сдвига от скорости сдвига 3,5% суспензий гречневого и картофельного крахмалов через 30 минут после приготовления при температуре 100С°. Вязкость суспензий увеличилась, вместе с тем и разница между напряжениями сдвига суспензий гречневого и картофельного крахмалов увеличилась. Изменение напряжения сдвига у гречневого крахмала по скорости сдвига происходит от 13,49 до 339,4 Па, а у картофельного же крахмала напряжение сдвига изменяется от 26,48 до 468,16 Па. Структура суспензии гречневого крахмала неустойчивая.

Поэтому было решено увеличить концентрацию гречневого крахмала до 5,5% для достижения вязкости и органолептических параметров сопоставимых с параметрами суспензии картофельного крахмала.

Напряжение сдвига 5,5 % суспензии гречневого крахмала через ЗОсекунд после приготовления изменяется от 12,32 до 320,24 Па, что близко по значениям напряжения сдвига 3,5 % суспензии картофельного крахмала. Также близки значения изменения напряжения сдвига 3,5 % суспензий картофельного крахмала и 5,5 % гречневого крахмала через ЗОминут после приготовления (гречневый крахмал от 40,9 до 443,52 Па, картофельный крахмал от 21,44 до 468,16 Па). Необходимо отметить, что 5,5 % суспензия гречневого крахмала имеет более однородную структуру в отличие от 3,5 % суспензии.

Одним из наиболее эффективных методов преобразования свойств растительного сырья с целью приготовления на его основе легко усвояемых инстант продуктов, является экструзионная обработка.

Результатом проведенной экструзионной обработки в одношнековом экструдере стало увеличение набухаемости крахмала, незначительное снижение вязкости, что способствует образованию структурированной, однородной суспензии с экструдированным крахмалом.

Таким образом, более целесообразно использовать в производстве инстант продуктов прошедший экструзионную обработку гречневый крахмал, так как он образует однородную суспензию, что благоприятно влияет на органолептические показатели готового к употреблению напитка.

В четвертой главе рассмотрены теоретические вопросы гранулирования и факторы влияющие на процесс, представлены результаты полного факторного эксперимента.

Как известно, наличие активатора в грануляторе вносит

дополнительные ударно-динамические нагрузки.

Использование активатора, схематично изображенного на рисунке 6, приводит к излишнему воздействию на зоны сосредоточения среднего размера гранул. Из этого следует:

- их измельчение, что приводит к необходимости повторного роста гранул;

- отбрасывание активатором гранул в зону окомковывания и рост гранул.

Рисунок 6 - Активатор в известном грануляторе Рисунок 7 - Активатор новой формы

Поэтому был предложен активатор новой формы, представленный на рисунке 7.

Такая форма активатора позволяет максимально эффективно использовать ударно-динамические нагрузки, развиваемые лопастями активатора в тех зонах, где это наиболее целесообразно в соответствии с рисунком 8:

- в зоне сосредоточения мелкого материала для интенсификации процесса роста гранул;

- в зоне с крупными гранулами и комками для их разрушения.

Рисунок 8 - Схема гранулятора с активатором с указанием условных траекторий движения гранул и зоной захвата активатора: 1 — тарель, 2 — отбойный нож, 3 - донный нож, 4 - зона захвата активатора, 5 - направление вращения тарели, б -направление вращения активатора, 7 - зона распыления жидкости; а - линия тока исходного материала, б, в, г, д — линии тока гранул по мере их роста, е- линия тока самых крупных гранул Исследование процесса гранулирования напитка на основе гречневой муки проводилось на экспериментальном тарельчатом грануляторе, представленном на рисунке 9.

В качестве факторов были выбраны частота вращения вала активатора (х1), частота вращения тарели (х2) и количество впрыскиваемой воды (хЗ). Для каждого из факторов были выбраны нулевой уровень и интервал варьирования, значения которых сведены в таблице 2. В качестве критерия оптимизации был выбран процентный выход гранул в диапазоне 0.5 - 3 мм.

Таблица 2 - Значения уровней факторов и их интервалы варьирования

Факторы (х'О Уровни факторов Интервал варьирования

- 0 +

х1- частота вращения вала активатора, об/мин. 600 800 1000 200

х2- частота вращения тарели, об/мин. 30 37,5 45 7,5

хЗ- количество впрыскиваемой воды, % от общего веса смеси 1 3 5 ■ 2

Результаты обработки многофакторного эксперимента представлены в форме регрессионного уравнения:

у=85,225+3,775x1+3,625x2+6,225x3-1,125x2x3. (3)

Анализ уравнения показывает, что на количество гранулята размером от 0,5 до 3,0 мм, наибольшее влияние оказывает количество впрыскиваемой воды, в процентах от общего веса смеси. Меньшее влияние оказывают такие факторы, как скорость вращения активатора и тарели.

По результатам этих экспериментов была проведена оптимизация конструктивных параметров с целью повышения уровня целостности подсистемы гранулообразования

В пятой главе обоснована возможность использования гречневой муки в качестве структурообразователя в инстант продуктах.

Для инстант продуктов назначение стабилизаторов заключается в обеспечении равномерного распределения плодово-ягодной мякоти. Поэтому необходимо отметить, что мука имеет не только ряд отличительных полезных свойств для питания человека, но и должна играть роль структурообразователя, обеспечивать фиксацию консистенции продукта.

По аналогии с модификацией крахмала были проведены поисковые эксперименты по экструзионной обработке гречневой муки. Обработка проводилась с различными начальными показателями влажности

Рисунок 9 - Экспериментальный гранулятор

экструдированного материала - 18%, 24% и 30 %. При 18% и 30% влажности процесс шел нестабильно: из-за недостаточной влажности и из-за избытка влаги соответственно. При влажности 24% процесс экструзионной обработки был стабилен. Напряжения сдвига гречневой экстудированной муки ниже, чем у экструдированного гречневого крахмала при соответствующих скоростях сдвига, однако при этом экструдированная гречневая мука образует однородную суспензию без выпадения осадка, что свидетельствует о возможности ее использования в производстве инстант продуктов.

С целью проверки полученных результатов была составлена операторная модель линии промышленного производства инстант продукта на основе гречневой муки, изображенная на рисунке 10. Проведена диагностика разработанной и оптимизированной системы процессов производства инстант продукта на основе гречневой муки, результаты которой представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Уровень целостности разработанной технологической

системы производства инстант продукта на основе гречневой муки

Под- Выход Контролируемый Нор- Поле ве- T]i, ста-

сис- подстистем параметр матив- до- роят- энтро- биль-

тема ное пу- ность пия сос- ность i

значе- ска, попа- тояния 1- под-

ние, % % дания ои под- сис-

вели- системы темы

чины в , бит

интер-

вал

до-

пуска

А готовая массовая доля 6 ±2 1 0 1

продукция влаги

В влажный количество гранул 98 ±2 0,97 0,19 0,81

гранулят в диапазоне от 0.5

до 3 мм

С1 жом после массовая доля 13 ±1 0,93 0,37 0,63

хранения влаги

С2 концентриро сухие вещества 57 ±2 0,93 0,37 0,63

ванный сок

СЗ сахарная количество пудры 96 ±4 1 0 1

пудра в диапазоне до

100 мкм

С4 экструдиров количество 90 ±4 1 0 1

анная экструдированной

гречневая муки от 150 до

мука 180 мкм

С5" сок выход сока 56 ±2 1 0 1

С5' жом влажность жома 60 ±2 1 0 1

Рисунок 10 - Операторная модель линии промышленного производства инстант продукта на основе гречневой муки А - подсистема образования инстант продукта, содержащая операторы: I- упаковка гранулированного продукта; II- сушка гранул. В -подсистема образования гранул, содержащая операторы: Т- гранулирование рецептурной смеси; II- образование рецептурной смеси. Су-подсистема образования промежуточного полуфабриката, содержащая операторы: I- хранение жома; II- помол жома; III- сушка жома. С2 - подсистема образования промежуточного жидкого полуфабриката, содержащая операторы: I- смешивание жидких компонентов; II- хранение сока; III- упаривание сока С3 - подсистема образования смеси сухого премикса и сахарной пудры, содержащая операторы: I- просеивание смеси, II- смешивание, III- измельчение сахарного песка в пудру. С4 - подсистема образования экструдированной гречневой муки, содержащая операторы: I- просеивание измельченного экструдата; II- измельчение экструдата; III- термостатирование экструдата; IV- экструзия.С> - подсистема образования жома и сока из плодово-ягодного сырья, содержащая операторы: I- отжим; II-протирка; III- измельчение; IV- мойка исходного сырья

Уровень целостности разработанной технологической системы производства инстант продукта на основе гречневой муки за смену:

6,с5"с5'с4с3с2с1вл = V с" + Л с< + Лс, + Лс, + ??сг/с5' + V с2/с» + +77В/С1С2С3С4С5'С5" + 7?Л/вс1С2С3С4С5'С5" ~ 7' (4)

вс^с1с,с3с2с1ВА = 1 + °-81 + О-63 + 0,63 + 1 + 1 + 1 + 1 - 7 = 0,07 (5)

На рисунке 11 представлена диаграмма процесса развития технологической системы. В координатах г|| (средняя стабильность подсистем) и Ь (количество выходов подсистем) показаны эквидистантные кривые, которые представляют собой уровни целостности © той или иной технологической системы. Заштрихованная область - область высокоорганизованных, целостных систем, остальное поле графика - область плохо организованных, суммативных систем. На диаграмме: т. А - зона уровней целостности существующей технологической системы; т. В - зона уровней целостности оптимизированной технологической системы.

Рисунок 11 - Диаграмма процесса развития технологической системы производства инстант продукта

Проведенное системное исследование новой, машинной технологии инстант продукта показало, что уровень ее организации повысился по сравнению с известной технологией за счет появления новой подсистемы получения экструзионной муки и оптимизации процесса гранулообразования. Стабильность функционирования подсистемы В образования гранул возросла с 0,53 до 0,81 за одну смену. Уровень

целостности технологической системы возрос с - 0,40 до 0,07 за одну смену. Технологическая система была оптимизирована под гречневую муку. Система процессов после оптимизации покинула область суммативных систем и вошла в область высокоорганизованных, вследствие чего стала возможной ее эффективная автоматизация.

В шестой главе в целях расширения ассортимента инстант продуктов, внедрения безотходных технологий переработки плодово-ягодного и молочного сырья, улучшения пищевой ценности и придания им профилактической направленности в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности были разработаны рецептуры и технология производства инстант продукта на основе гречневой муки.

Инстант продукты разработаны в следующем ассортименте:

- арониевый напиток на основе гречневой муки;

- арониевый напиток на основе гречневой муки и молочной сыворотки;

- арониевый напиток на основе гречневой муки и молочной сыворотки, обогащенный витаминным премиксом.

Разработана базовая технология производства инстант продуктов на основе гречневой муки. Для выбора оптимальной дозировки ингредиентов рецептуры созданы модельные напитки с различным процентным соотношением этих компонентов.

Количественное соотношение компонентов с наиболее приемлемыми органолептическими показателями сведены в таблицу 4. Таблица 4 - Соотношение компонентов разработанных инстант продуктов на

основе гречневой муки

Наименование компонентов Состав, %

Не обогащенный На основе молочной сыворотки На основе сыворотки, обогащенный витаминным премиксом

сахарная пудра 60,0 50,0 49,54

гречневая мука 30,0 30,0 30,0

концентрированный арониевый сок 10,0 10,0 10,0

сухая молочная сыворотка - 10,0 10,0

премикс витаминный - - 0,46

Получено заключение от ГНУ «Научно-исследовательский институт пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии» Россельхозакадемии о том, что институт одобряет технологию и рецептуру быстрорастворимого гранулированного напитка на основе гречневой муки считает целесообразным их реализацию при создании продукта для людей, находящихся в автономных условиях (экипажи космических станций).

Опытно-промышленные партии инстант продукта вырабатывались на предприятии ООО НПО «Здоровое питание» ( г. Кемерово). Подана заявка на способ получения гранулированного пищевого продукта входящий №065986, регистрационный №2012140917.Разработано машинно-аппаратурное оформление созданной технологической системы производства инстант продукта на основе гречневой муки, которое представлено на рисунке 12.

Основные выводы

1. По результатам оценки стабильности технологических подсистем, входящих в систему производства инстант продуктов на основе картофельного крахмала была выявлена подсистема, вносящую наибольшую нестабильность в функционирование технологической линии - подсистема гранулообразования..

2. Исследование реологических свойств нативного и экструдированного гречневого крахмала, экструдированной гречневой муки показало целесообразность их использования в качестве структурообразователя в производстве инстант продукта. В ходе микроисследований гречневого крахмала была выявлена неправильная, многогранная форма зерен, в отличие от округлой формы зерен картофельного крахмала. Подобные неправильной формы зерна имеют большее гидравлическое сопротивление и площадь гидратации; они осаждаются медленнее, что благотворно влияет на структурообразование инстант напитка на основе гречневого крахмала и гречневой муки.

3. Теоретические и экспериментальные исследования процесса гранулирования позволили оптимизировать процесс гранулообразования. Предложена новая форма активатора в грануляторе для направленного воздействия на образующийся мелкий или излишне крупный гранулят.

4. Проведенное системное исследование новой, оптимизированной машинной технологии гранулированного напитка показало, что уровень организации повысился по сравнению с известной технологией за счет увеличения количества подсистем и оптимизации режимов работы гранулятора.

5. В целях расширения ассортимента, внедрения безотходных технологий переработки плодово-ягодного и молочного сырья, улучшения пищевой ценности и придания им профилактической направленности были разработаны рецептуры и технологии производства инстант продуктов на основе гречневой муки, которые были внедрены в производство на ООО НПО «Здоровое питание», г. Кемерово. Подана заявка на способ получения гранулированного пищевого продукта входящий №065986, регистрационный №2012140917. Предложена компоновка поточной линии производства инстант продукта на основе гречневой муки. Инстант продукт на основе гречневой муки может быть применен при создании продуктов для людей, находящихся в автономных условиях, в том числе для экипажей космических станци

Рисунок 12 - Машинно-аппаратурная схема линии производства инстант продукта на основе гречневой муки и молочной

сыворотки

1 - силос для хранения гречневой муки; 2 - объемный дозатор; 3 - экструдер; 4 - тара для экструдата; 5 - молотковая дробилка; б - классификатор; 7 - силос для хранения сахара; 8 - силос для хранения экструдированной гречневой муки; 9 - молотковая дробилка; 10 - шнек; 11 - центробежно-лопастной смеситель; 12 - ленточный конвейер; 13 - тарельчатый гранулятор; 14 -транспортер; 15 - нория; 16-сушильный шкаф; 17 - фасовочный агрегат; 18-сборник концентрированного сока

Результаты работы отражены в следующих публикациях:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Сарафанов A.A. Линия производства киселей на основе гречневого и ячменного крахмалов./ A.A. Сарафанов, Л.И.Мачихина, А.М.Попов, Я.Ю.Ермолаев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - №1. - С 5153.

2. Сарафанов A.A. Исследование растворов модифицированных гречневого и ячменного крахмалов./ A.A. Сарафанов, Н.В.Родичева, Я.Ю.Ермолаев, А.М.Попов, И.С.Усачев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - №3. . с. 33-35.

3. Сарафанов A.A. О технологии производства быстрорастворимых гранулированных напитков на основе гречихи и ячменя./ A.A. Сарафанов , Я.Ю.Ермолаев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - №12. - С.30 -33.

4. Сарафанов A.A. Линия производства киселей на основе гречневого и ячменного крахмалов./ A.A. Сарафанов, Я.Ю.Ермолаев // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. -2012.-№1,-С. 39 -43.

Статьи и материалы конференций

5. Сарафанов A.A. Инновационная технология киселей на основе гречишного и ячменного крахмала./ A.A. Сарафанов, Я.Ю. Ермолаев // Сборник материалов 4-й конференции молодых ученых и специалистов институтов Россельхозакадемии «Научно-инновационные технологии как основа продовольственной безопасности РФ» -2010, Москва. - С. 94 - 97.

6. Сарафанов A.A. Исследование реологических и органолептических показателей модифицированных гречневого и ячменного крахмалов./ A.A. Сарафанов, Н.В.Родичева, Я.Ю.Ермолаев, И.С.Усачев // Сборник материалов 5-й конференции молодых ученых и специалистов институтов «Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов здорового питания»-2011. Москва.-С. 110- 115.

7. Сарафанов А.А- Изучение свойств модифицированных гречневого и ячменного крахмалов./ A.A. Сарафанов, Я.Ю. Ермолаев // Сборник материалов ежегодной Всероссийской научно-практической конференции Россельхозакадемии «Научно-инновационные аспекты при создании продуктов здорового питания» - 2012, - Углич. - С. 91 - 92.

Подписано в печать:

20.03.2013

Заказ № 8271 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТЗЕРНА И ПРОДУКТОВ ЕГО

ПЕРЕРАБОТКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ» МИНИСТЕРСТВА ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

04201355429

На правах рукописи

САРАФАНОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ИНСТАНТ ПРОДУКТА НА ОСНОВЕ ГРЕЧНЕВОЙ МУКИ

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук,

профессор

Попов Анатолий Михайлович

Москва 2013

Содержание

Введение......................................................................................5

Глава 1. Обзор научно-технической литературы................................7

1.1 Основы производства инстант продуктов.........................................7

1.2 Характеристика и свойства используемого сырья.............................10

1.3 Методы системного исследования технологического потока. Методы оценки расчета уровня целостности технологического потока.........................13

1.4 Теоретические основы процесса гранулирования сыпучих сред..........18

1.5 Теоретические основы процесса гранулирования с активатором..........22

1.6 Задачи исследования.................................................................25

Глава 2. Диагностика существующей технологической системы

производства инстант продукта на основе картофельного крахмала...........26

2.1 Методическое обеспечение диагностики.......................................26

2.2 Построение операторной модели.................................................28

2.3Экспериментальное исследование и результаты диагностики линии

производства инстант продукта на основе картофельного крахмала.................33

2.4 Выводы.................................................................................38

Глава 3. Сравнительное исследование свойств картофельного и

гречневого крахмала...........................................................................39

3.1 Организация и методическое обеспечение исследования...................39

3.2 Микроисследование строения зерен картофельного и гречневого крахмалов..........................................................................................42

3.3 Исследование реологических свойств картофельного и нативного гречневого крахмалов...........................................................................46

3.4 Экструзионная обработка гречневого крахмала. Реологические исследования экструдированного гречневого крахмала.................................50

3.5 Краткие выводы......................................................................54

Глава 4. Оптимизация процесса гранулирования.............................55

4.1 Теоретические основы процесса гранулирования с активатором компонентов инстант напитка на основе гречневого крахмала........................55

4.2 Экспериментальное исследование и оптимизация процесса гранулирования...................................................................................61

4.3 Краткие выводы......................................................................72

Глава 5. Технология инстант продукта на основе гречневой муки как система процессов..............................................................................73

5.1 Использование гречневой муки в производстве инстант продукта.......73

5.2 Операторная модель разработанной технологии инстант продукта на основе гречневой муки..........................................................................77

5.3 Оценка уровня организации (целостности) технологии напитка на основе гречневой муки как системы процессов............................................80

5.4 Краткие выводы.......................................................................82

Глава 6 Практические результаты исследования..............................84

6.1 Рецептура инстант продукта на основе гречневой муки.....................84

6.2 Машинно-аппаратурное оформление индустриального технологического потока производства инстант продукта на основе гречневой муки...................86

6.3 Краткие выводы.......................................................................92

Общие выводы...........................................................................93

Список использованной литературы..............................................95

Приложение А Результаты диагностики существующей системы процессов

производства инстант продукта на основе картофельного крахмала...... ...........103

Приложение Б Фотографии суспензий................... ...........................107

Приложение В Удостоверение о качетсве и безопасности муки..............108

Приложение Г Содержание витаминов группы В в пробах....................109

Приложение Д Заключение от ГНУ «Научно-исследовательский институт пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии»....! 10

Приложение Е Уведомление о поступлении заявки.............................111

Приложение Ж Техническая документация.......................................112

Приложение И Акт внедрения........................................................114

Приложение К Использование материалов диссертации в учебном процессе...........................................................................................115

Введение

Ввиду установления причинной связи роста числа хронических заболеваний в последние десятилетия с несбалансированным рационом питания, стали относиться к пищевым продуктам и как к средству поддержания здоровья.

Неблагоприятные геофизические, климатические и экономические условия, в которых пребывает значительная часть населения России, несбалансированность и недостаток питания выдвинули специфические требования к расширению ассортимента пищевых продуктов, среди которых одним из основных является присутствие в их составе биологически активных веществ и витаминов. Так как способность запасать микронутриенты впрок на сколько-нибудь долгий период у организма человека отсутствует, человек должен их получать регулярно с пищей.

Богатейшим источником практически всех необходимых организму микронутриентов является сырье растительного происхождения. При этом такое сырье имеет ряд существенных преимуществ перед синтетическими стимуляторами.

Одним из путей решения проблемы несбалансированности рациона питания является создание напитков на основе растительного сырья.

Анализ современного уровня технологии изготовления сухих продуктов и основных тенденций ее развития показывает, что вместо изготовления сухих продуктов в виде порошков и гомогенных смесей во многих странах разрабатывают и внедряют способы получения инстант продуктов в гранулах.

Быстрое увлажнение и растворение в воде сухих продуктов является целью инстантирования.

Целью настоящей работы является создание системы процессов для производства инстант продукта на основе гречневой муки.

Задачи работы изложены в заключительном разделе первой главы.

Научные положения, выносимые на защиту;

• диагностика и оценка качества системы процессов для производства

инстант продукта;

• реологические свойства нативного и экструдированного гречневого крахмала, нативной и экструдированной гречневой муки как основы для производства инстант продукта;

• оптимизированный ведущий технологический процесс (гранулирование);

• система процессов для производства инстант продукта на основе гречневой муки;

• машинно-аппаратурное оформление технологии производства инстант продукта на основе гречневой муки.

Научная новизна.

• Установлены закономерности организации системы процессов для производства инстант напитков на основе картофельного крахмала;

• Изучены реологические свойства гречневого крахмала для производства инстант напитка;

• Изучен и оптимизирован процесс гранулирования на основе гречневой муки;

• Исследованы строение зерен гречневого крахмала;

• Разработана и оптимизирована система производства инстант напитка на основе гречневой муки.

Практическая значимость работы и реализация.

• Предложена система процессов производства инстант напитка на основе гречневой муки;

• Составлены и внедрены в производство на ООО НПО «Здоровое питание» рецептуры инстант напитка на основе гречневой муки;

• Предложена компоновка поточной линии производства инстант напитка на основе гречневой муки;

• Подана заявка на способ получения гранулированного пищевого продукта входящий №065986, регистрационный №2012140917.

Глава 1. Обзор научно-технической литературы

Обеспечение биологически ценным питанием для всего населения страны является важнейшей национальной задачей России. Особую актуальность в связи с нестабильной экономической обстановкой и экологической ситуации приобретает проблема оздоровления нации.

Создание технологической базы для производства инстант продуктов на основе различного растительного сырья, в том числе из продуктов переработки гречихи, обладающая уникальным и полезным химическим составом, является одним из путей решения этой проблемы.

1.1 Основы производства инстант продуктов

Физико-химическая механика дисперсных систем составляет научную основу инстант продуктов. Исследованиям в этой области посвящены работы Г.В.Виноградова, М.П.Воларовича [7], Б.В.Дерягина [11, 12, 13, 14, 15, 16, 17], А.В.Думанского [18], А.Д.Зимона [19, 20, 21, 22, 23], В.Н.Измайловой, И.В.Крагельского, Н.Н.Круглицкого [29], Ю.С.Липатова, А.В.Лыкова [39, 40], Ф.Д.Овчаренко [44], А.Ф.Полака [48, 49], A.M. Попов [50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59], П.А. Ребиндер [60, 61, 62 ,63], Е.Е.Сегаловой [66], А.А.Трапезникова, Н.Б.Урьева [69, 70, 71, 72], Е.Д.Щукина [77], а применительно к пищевым средам А.В.Горбатова [8, 9], Н.Н.Липатова [30, 31, 32, 33], И.А.Рогова [64, 65], М.А.Талейсника [67], В.Д.Харитонова [73, 74, 75, 76], A.M. Попова [50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59].

Управление дисперсными системами процесса структурообразования является важнейшим условием получения продуктов с заданными структурно-механическими свойствами. Общее свойство порошков, полученных измельчением и смешиванием (смеси какао и сахара, сливок, сыворотки, фруктовые порошки), - трудное и медленное растворение в воде при приготовлении из них жидкого продукта. Это обусловлено особенностью их

структурой, так как под действием молекулярных сил частицы порошка увлажняются, увеличивается их удельный вес, и они, медленно погружаясь, растворяются в воде. Процессы увлажнения и особенно процессы растворения от свойств полидисперсного порошка зависят процессы увлажнения и особенно процессы растворения. В результате интенсивного массообмена между частичками с большой удельной поверхностью и водой на границе фаз вода-порошок возникает пленочный слой концентрированного раствора. Это приводит к комкованию при перемешивании из-за пленочного слоя, который препятствует проникновению остальной жидкости в порошковый слой. С одной стороны капиллярное давление является движущей силой проникновения внутрь слоя порошка увлажняющей жидкости; поверхностные свойства определяют характер капиллярно-пористых каналов в порошковом слое.

С помощью изменения физических свойств различных порошков можно их превратить в быстрорастворимые (инстант продукты), принимая во внимание специфические свойства исходного сырья, как объекта инстантирования (исследования И.Дернея [12], Н.Н.Липатова [33, 34, 35, 36], В.А.Ломачинского, Л.А.Маюрниковой [31, 32], В.Д.Харитонова [74, 75, 76].

Путем изменения физических свойств (агломерирование) плохо растворимых продуктов (например, мука) могут быть превращены в быстрорастворимые [10, 13].

Быстрое увлажнение и растворение в воде сухих продуктов является целью инстантирования. Однако эти продукты после увлажнения быстро распадаются на отдельные частицы, которые распределяются в жидкости; при этом растворение может продолжаться некоторое время или вообще не иметь место быть. Гидратация поверхности твердых частиц порошков лежит в основе явления поверхностного диспергирования и растворения [23]. Частичное нарушение связи между отдельными элементами решетки неорганических является сущностью набухания, первого этапа диспергирования и растворения; молекулы воды проникают в макромолекулы, разрушая водородные связи в органических соединениях. [51]

Не все свойства продукта можно учитывать в одинаковой мере при оценке качества быстрой растворимости. Физико-химические свойства инстант продуктов можно охарактеризовать двумя основными показателями [13]:

- относительной скоростью растворения (определяется как количество переходящего в раствор инстант продукта);

- скоростью увлажнения (соответствует линейной скорости проникновения жидкости в слой порошка).

Проанализировав свойства инстантированных продуктов можно выделить 3 основных группы способов получения инстант продуктов:

1. путем направленного изменения физико-химических свойств [23, 34, 42] исходных или высушенных сырьевых материалов и применение различных пищевых добавок;

2. получение изолированных зерен (имеющих требуемую плотность или структуру оболочки);

3. направленное изменение структуры и размеров частиц полидисперсных порошкообразных материалов.

Получить продукт оптимального размера с развитой пористостью можно при связывании частиц в агломераты или гранулы [45]. Из-за отсутствия возникновения пленки высокой концентрации на границе фаз, которая препятствует проникновению жидкости в материал, такой продукт быстро пропитывается жидкой фазой. Вместе с этим под действием внутреннего капиллярного давления гранулы интенсивно диспергируются и растворяются в жидкости. Направленное изменение структуры и размера частиц порошкообразных материалов является основным способом получения инстант продуктов, основанном на агломерации.

Процесс образования скомковавшихся зерен порошка из большого количества мелких частиц, в результате которого возникает рыхлая структура, является агломерацией. Гранулирование - процесс превращения в одинаковые по размеру, прочности и плотности шарообразные гранулы из сухой или влажной полидисперсной массы.

Таким образом, такие продукты в итоге хорошо увлажняются жидкостью и становятся быстрорастворимыми.

Технологические схемы гранулирования полидисперсных материалов типичны и различаются степенью увлажненности исходного материала [50].

Таким образом, можно создавать гранулы со сложной пористой структурой, пользуясь методом окатывания. Такие гранулы, имеют новые свойства, нехарактерные для составляющего их сырья, обладающие макро- и микрокапиллярами.

Сообразуясь с изложенным технологический поток производства инстант продуктов должен включать в себя четыре стадии:

1) приготовление рецептурной смеси полидисперсных порошков;

2) увлажнение смеси распылением концентрированнго сока или воды;

3) доувлажнение смеси и формирование гранул;

4) сушка гранул.

1.2 Характеристика и свойства используемого сырья

Многие растения и их плоды рассматриваются современной наукой как жизненно необходимые продукты питания. Они важны своей пищевой ценностью и являются источником биологически активных веществ, которые необходимы человеческому организму для нормального функционирования. Продукты, обладающие хорошими органолептическими показателями, со сбалансированным витаминным составом могут создаваться путем использования нетрадиционного сырья с направленным составом и свойствами.

Известно, что богатый источник витаминов, минеральных веществ, ферментов, многие из которых являются антиоксидантами - это плоды и ягоды. По данным Всемирной организации здравоохранения в ежедневном рационе человека содержание фруктов и овощей должно составлять не менее 700-800 г для надежной защиты организма от старения и развития многих заболеваний [33].

Вместе с традиционными лимонадами, и различными видами газированных

напитков, для современного европейского рынка характерна тенденция повышения спроса на сокосодержащие напитки, Необходимо отметить увеличение роста производства напитков функционального назначения [15].

Под «функциональными» напитками в международной практике принято понимать продукты, потребление которых улучшает или сохраняет здоровье человека, благодаря обеспечению организма необходимыми пищевыми веществами (витамины, минеральные вещества, пищевые волокна, ненасыщенные жирные кислоты и т.д.).

В зависимости от своего происхождения такие напитки делятся на 2 группы: природные и комплексносоставленные. Природные напитки, полученные из натурального сырья являются для России традиционными.

Одной из традиционных культур для России является гречиха. Крахмал, небольшие количества особых Сахаров и фенольные соединения, содержащиеся в гречихе, делают её уникальной сельскохозяйственной культурой. Антиоксидантные свойства фенольных соединений гречихи защищают продукт от прокисания в большей степени, чем все другие виды зерновых.

Белок гречневой крупы содержит восемнадцать аминокислот. Гречиха содержит комплекс необходимых для здоровья минералов - железо, кальций, марганец, медь, фосфор, цинк. Гречневая крупа содержит комплекс органических кислот, которые содействуют пищеварению. Гречневая каша рекомендуется при атеросклерозе, гипертонии, диабете, заболеваниях пищеварительного тракта, ожирении, сердечно - сосудистых заб