автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка способа производства хрустящих хлебных палочек с применением одношнекового экструдера

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА

I

ХРУСТЯЩИХ ХЛЕБНЫХ ПАЛОЧЕК С ПРИМЕНЕНИЕМ ОДНОШНЕКОВОГО ЭКСТРУДЕРА

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор А.Н. Остриков

>

Воронеж-1999

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ......................... 5

ВВЕДЕНИЕ ............................... 8

Глава 1. Современное состояние техники и технологии экстру-зионного процесса получения продуктов питания /Литературный обзор/................................... 15

1.1. Основы теории и краткий обзор техники и технологии процесса экструзии................................... 15

1.2. Основные компоненты экструдируемого сырья и их свойства............................................ 31

1.3. Реологические уравнения и характеристики пластических материалов..................................... 40

1.4. Анализ существующих математических моделей дозирующих зон одношнековых экструдеров; основные уравнения движения и теплообмена неньютоновских жидкостей ... 48

1.5. Получение новых видов экструдированных продуктов питания............................................. 59

1.6. Известные способы переработки черствого и деформированного хлеба методом экструзии..................... 65

1.7. Анализ литературного обзора и задачи исследования ... 71 Глава 2. Экспериментальное исследование процесса экструзии крошки из черствого и деформированного хлеба с добавкой свекольно-паточного порошкообразного полуфабриката....... 74

2.1. Материалы и методы исследований.................. 74

2.1.1. Сырье и методы его исследования................. 74

2.1.2. Методы анализа экструдата...................... 76

2.2. Обоснование выбора рецептурных компонентов; их состав и свойства...................................... 78

2.3. Исследование реологических характеристик смеси крошки из черствого и деформированного хлеба с добавкой свекольно-паточного порошкообразного полуфабриката .... 84

2.4. Экспериментальная лабораторная установка и методика проведения опытов .................................. 92

2.5. Обоснование содержания овощной добавки в рецептурной смеси........................................ 97

2.6. Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация экструзионного процесса производства хрустящих хлебных палочек.................... 99

2.7. Кинетика экструзионного процесса получения хрустящих хлебных папочек ................................. 110

Глава 3. Математическая модель процесса экструзии при неизотермическом течении вязкой среды в одношнековых экс-трудерах............................................... 120

3.1. Постановка задачи................................ 120

3.2. Математическая модель движения и теплообмена вязкой пищевой среды в дозирующей зоне экструдера........ 124

3.3. Численная схема решения задачи.................... 131

Глава 4. Комплексная оценка хрустящих хлебных палочек .... 143

4.1. Электронно-микроскопические исследования изменения структуры компонентов рецептурной смеси при экструзии ................................................. 143

4.2. Исследование качественных показателей экструдиро-ванных хрустящих хлебных палочек .................... 146

4.3. Анализ пищевой ценности разработанного экструдиро-ванного продукта..................................... 151

Глава 5. Разработка конструкций одношнекового экструдера и

способа его автоматического управления ......................................156

5.1. Разработка конструкции шнекового рабочего органа экструдера...................................................156

5.2. Разработка конструкции корпуса экструдера....................163

5.3. Способ автоматического управления экструдером............169

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ................................177

ЛИТЕРАТУРА........................................................................181

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................196

>

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - константа, зависящая от природы жидкости;

В2 - безразмерный градиент давлений в поступательном течении;

D - наружный диаметр шнека, м;

Е - энергия активации вязкого течения, Дж/кмоль;

Ее - число Эккерта;

Ей - число Эйлера;

F - критерий Фишера;

Fa, Fp - безразмерные коэффициенты формы, учитывающие влияние на

распределение потоков соотношения h/W; Н - высота канала шнека, м;

/2 - второй (квадратичный) инвариант тензора скоростей деформаций; К - мера (индекс) консистенции жидкости;

К] = deldH - отношение внутреннего диаметра вала шнека к наружному

диаметру шнека в зоне загрузки; К2 = DJDH - отношение внутреннего диаметра вала шнека к наружному

диаметру шнека в зоне дозирования; L - длина канала шнека, м;

N - полная мощность потребляемая установкой, кВт;

NaK, NpeaK - активная (кВт) и реактивная (кВар) составляющие мощности

потребляемой электродвигателем; Р - давление в предматричной зоне экструдера, Па; Ре - число Пекле;

Ртах - максимальное давление, создаваемое всеми витками червяка при закрытой головке, Па; АР - перепад давления, Па; Q - производительность экструдера, кг/ч;

Я - функция стоимости удельных энергетических и материальных затрат, р./кг;

Яе - число Рейнольдса; 5 - ширина канала шнека, м; Г - температура, К;

Тто, Тсо - соответственно начальная температура продукта и верхней подвижной стенки, К; Т0 - константа;

Т2 - температура шнека и стенки корпуса, К;

иг - компонента скорости движения корпуса относительно шнека в направлении г, м/с; Уа - угловая скорость, м/с; Ж- влажность продукта, %;

1¥х, Жу, Ш2 - составляющие по осям скорости движения корпуса шнека, м/с; X] - массовая доля добавки свекольно-паточного порошкообразного полуфабриката, %; Х2 - температура пищевой смеси перед матрицей, К; Х3 - скорость вращения шнека, с"1; Х4 - влажность экструдируемой смеси, %; Ужстр - степень вспучивания экструдата, %; Э - удельные расходы электроэнергии, кВт-ч/кг; Эг - годовой экономический эффект, р./год;

Ф - диссипативная функция, определяющая потери энергии на трение; Ъи Ье - коэффициенты регрессии /-го и €-го фактора; ст - теплоемкость продукта, Дж/кгтрад; е - осевая ширина витков шнека, м; I - длина рабочей зоны экстру дера, м;

т - реологический параметр, характеризующий степень неньютоновского поведения материала;

п - скорость вращения шнека, с"1;

t - шаг нарезки шнека, м;

х, у, г- координатные оси;

дР/дг - градиент давления по оси канала 7, Па/м;

X /' 21 " интервалы варьирования /-го и ^-го фактора;

Р - температурный коэффициент вязкости, 1/град;

у - плотность расплава, зависящая от температуры и давления, кг/м3;

8 - радиальный зазор между наружным диаметром червяка и цилиндром, м;

8у - символ Крокнера;

Ае, А; - шаг движения для /-го и-£-го фактора; ¿у - тензор скоростей деформаций, с"1;

X - отношение градиентов давлений, действующих в циркуляционном течении;

Хт - коэффициент теплопроводности продукта, Вт/м-град; /Лн ~ вязкость ньютоновской жидкости, Па-с; г/ - эффективная вязкость, Па-с;

Г)о - наибольшая ньютоновская вязкость, отнесенная к О °С, Па-с; Т]т - пластическая вязкость, Па-с; со - функция вихря; У* - функция тока;

о

рт - плотность продукта, кг/м ; х - время, с;

Хц - тензор напряжений, Па;

х0 - предельное напряжение сдвига (предел текучести), Па;

- компоненты скорости движения расплава продукта в канале

экструдера; (р - угол подъема винтовой линии шнека, град.

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития пищевой промышленности все большее внимание уделяется углубленной переработке сельскохозяйственных материалов в целях повышения переваримости и усвояемости питательных веществ, что способствует получению готовых к употреблению продуктов с программируемыми свойствами, высокой пищевой ценности и энергонасыщенности.

В настоящее время при производстве продуктов питания находит широкое применение такой перспективный способ углубленной обработки крахмалсодержащего сырья как экструзия [71]. Уже сейчас на экструдерах перерабатывается до 12 % сырья и наблюдается тенденция к дальнейшему увеличению объема вырабатываемой продукции [89]. Так, в информации фирмы Werner & Pfleiderer (ФРГ) сообщается, что при сопоставлении традиционного и нового способов производства пищевых изделий отмечены преимущества последнего, в том числе экономические - сокращение энергии, производственных площадей, времени, общих затрат на производство. В среднем экономия при использовании экструзионной технологии составляет по сравнению с традиционными способами производства 7 % [68].

Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие зарубежные и отечественные ученые как: G. Schenkel, В.Н. Maddock, Е.С. Bernhardt, Z. Tadmor, J.M. McKelvey, J.F. Carley, R.A. Strub, R.S. Mallouk, C.H. Jepson, Ch.I. Chung, I.P. Melcion, P.B. Торнер, B.A. Силин, Н.Э. Груздев, Г.М. Медведев, В.И. Янков, А.Н. Богатырев, В.П. Юрьев, А.И. Жуш-ман, В.Г. Карпов, Л.П. Ковальская, В.П. Первадчук и многие другие.

Отличительными особенностями экструдерной техники являются совмещение нескольких технологических операций в одной машине: транспортирования, перемешивания, измельчения, варки, сдавливания и формования; возможность создания новых видов готовой продукции; увеличение

скорости протекания химических реакций; высокая степень автоматизации и сокращение обслуживающего персонала. Применение данной технологии при производстве пищевых продуктов обеспечивает глубокие биохимические превращения питательных веществ - углеводов, клетчатки, белков, что способствует повышению их усвояемости и получению экструда-тов хорошего качества.

Экструдирование широко применяется в макаронной, кондитерской, хлебопекарной, крахмалопаточнои, пищеконцентратнои, мясной, рыбной и комбикормовой отраслях промышленности. Ведущими зарубежными фирмами США (Wenger, Anderson, Sprout-Bauer и др.), ЕС (Werner & Pfleiderer, Weber, Walter (ФРГ), Clextral, Crezaux-Loire (Франция), Grondona Nimet, Pagani (Италия), Bühler, Buss (Швейцария), Cincinnati (Австрия) и т.д.) и Японии (Toshibe и др.) на мировом рынке представлены более 1000 моделей экструдеров различных типов [68].

Ассортиментный состав пищевой продукции, вырабатываемой экс-трузионной технологией, включает более 400 наименований. Только в США производится и продается продуктов типа готовых завтраков на сумму 2 млрд. долларов, причем их выпуск увеличивается ежегодно на 3 %. Потребление зерновых завтраков в США в 1990 г составляло около 4,5 кг на душу населения [30, 89].

В настоящее время в Японии экструзия используется, в основном, в кормопроизводстве, где ежегодно производят корма на сумму 700 млн. долларов США и 80 % из них - с помощью экструдеров. Остаются популярными в Японии гранулированные и текстурированные пищевые продукты из растительных белков - их годовое производство составляет 17 тыс.т, большинство из них мясозаменители и наполнители [14].

Душевое потребление пищеконцентратной продукции в развитых странах Европы (Германия, Великобритания, Швейцария) составляет примерно от 3 до 7 кг в год, в РФ - в среднем 1,4 кг. Объем производства про-

дуктов из кукурузы и других видов сырья (сухих завтраков) составил по России в 1989 г около 74,0 тыс.т; 1990 г - 60,8 тыс.т; 1991 - 58,1 тыс.т; 1992 - 80,8 тыс.т; 1993 - 81,4 тыс.т; 1994 - 64,4 тыс.т. В общем потреблении зерновых завтраков доля экструдированных - около 15 % [28].

Из приведенных данных следует, что экструзия достаточно прогрессивный способ получения качественных продуктов питания, основные преимущества которой заключаются в гибкости ее технологических схем, высокой производительности и малых габаритах экструдеров, непрерывности процесса, низкой себестоимости продукции. Однако в России эта технология не нашла еще широкого развития и требует целого ряда комплексных мер для успешного освоения потребительского рынка пищевых продуктов. В первую очередь это связано с тем, что в перерабатывающих отраслях промышленности экструдирование является новым и недостаточно изученным процессом; выполненные исследования были направлены в основном на разработку технологии и оценку качества готовой продукции без реального внедрения их в производство; научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию экструдеров проведены в ограниченном количестве. Причиной этого является недостаточная технологическая база для разработки и создания универсальных экспериментальных установок, остро ощущается дефицит в квалифицированных научных кадрах, способных обеспечить реализацию требуемых технологических параметров экструзионного процесса.

Для перерабатывающих отраслей пищевой промышленности актуальной задачей продолжает оставаться создание безотходной технологии производства. Как один из путей ее решения - использование горячей экструзии при переработке хлебного брака, составляющего в среднем 100 тыс.т в год [34]. Разработанные способы утилизации этого вида сырья (панировка, переработка в мочку) не решают проблему его эффективного использования. Поэтому создание новых рецептур исходных смесей на ос-

нове крошки из черствого и деформированного хлеба (ЧДХ) с применением различных ценных пищевых добавок (например, овощных порошкообразных полуфабрикатов) и разработка новых более экономичных режимов экструзионного процесса является важным направлением в области совершенствования экструзионной технологии, расширения ассортимента и снижения себестоимости выпускаемой продукции. Целесообразным является изучение параметров горячей экструзии некондиционного хлеба при небольших скоростях вращения шнека, что позволяет сохранить питательные вещества из-за уменьшения механического воздействия на продукт.

Актуальность темы. На основании анализа литературных данных были сделаны следующие выводы:

-в качестве эффективного процесса производства продуктов питания возможно использовать экструзию;

-разработка способа переработки черствого и деформированного хлеба, не утратившего свою питательную ценность, является важной научно-технической проблемой;

-вполне обоснованно использование в качестве полифункциональной пищевой добавки - свекольно-паточного порошкообразного полуфабриката, позволяющего улучшить потребительские свойства, повысить энергетическую и биологическую ценности готового продукта.

Таким образом, применение режимов горячей экструзии для переработки хлебного брака с целью получения качественных готовых к употреблению пищевых продуктов сбалансированного состава является актуальной задачей и имеет важное теоретическое и прикладное значение.

В связи с вышеизложенным формулируется цель диссертационной работы: развитие научных основ экструзионного процесса переработки крошки из черствого и деформированного хлеба с добавкой свекольно-паточного порошкообразного полуфабриката, разработка способа производства готовых продуктов питания на основе этой рецептурной смеси и создание конструкций одношнекового экструдера для его осуществления.

Теоретические и экспериментальные исследования процесса производства хрустящих хлебных палочек экструзионным методом проводились согласно общей схемы, представленной на рисунке.

Научная новизна. Исследованы реологические характеристики (вязкостные свойства) смеси крошки из ЧДХ с добавкой свекольно-паточного порошкообразного полуфабриката с учетом особенностей близких режиму горячей экструзии, результаты которых были использованы при разработке математической модели процесса. Построена двумерная неизотермическая математическая модель процесса экструзии вязкой пищевой среды, представляющей собой расплав смеси крошки из ЧДХ с добавкой свекольно-паточного полуфабриката, которая учитывает изменение температуры и скорости в винтовом канале дозирующей зоны экструдера. Изучено влияние условий экструдирования этой пищевой среды (начальной влажности продукта, его температуры, давления, скорости вращения шнека (менее 6,28 с"1)) на физику исследуемого процесса, что позволило разработать научно-обоснованные режимы горячей экструзии и создавать качественные продукты питания сбалансированного состава.

Практическая ценность. Разработан способ экструдирования крошки из ЧДХ с добавкой свекольно-паточного порошкообразного полуфабриката и определены рациональные параметры процесса переработки исследуемой пищевой смеси. Получен экструдированный продукт - хрустящие хлебные палочки, обладающий хорошими потребительскими свойствами и высокой пищевой ценностью, который может быть рекомендован для детей школьного возраста.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили разработать оригинальные конструкции одношнекового экструдера и способ его автоматического управления с целью интенсификации процесса и получения экструдатов высокого качества, защищенные двумя патентами и одним положительным решением Российского Агентства по

I

I—'

о.»

Рисунок. Схема теоретических и экспериментальных исследований процесса получения хрустящих хлебных палочек (ХХП) методом экструзии

патентам и товарным знакам (патенты РФ № 2118257, 2118258 и положительное решение по заявке № 97120769/25 от 27 января 1999 г).

Достоверность научных разработок подтверждена результатами экспериментальных исследований в промышленных условиях.

Апробация работы. Основные резуль