автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.05, диссертация на тему:Разработка технологии новых видов крахмалопродуктов экструзионным способом

На правах рукописи УДК: 664.059.9:678.057.3

РГ6 ол

О Г!

С О 0

КАРПОВ ВЛАДИМИР ГЕОРГИЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НОВЫХ ВИДОВ КРАХМАЛОПРОДУКТОВ ЭКСТРУЗИОННЫМ СПОСОБОМ

Специальность 05.18.05 - Технология сахара и сахаристых продуктов

Авто реферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте

крахмалопродуктов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор И.Ф.Бугаенко, доктор технических наук, профессор Ю.В.Космодемьянский, доктор технических наук О.Г.Комяков.

Ведущая организация: ОАО "Климовский крахмало-паточный комбинат" (243040, Брянская обл.,п.г.т. Климово, ул. Заводская, 1)

Защита состоится « 2.4 » декабря 2000г. в часов в ауд.302 на заседании

Диссертационного совета Д. 063.51.02 при Московском государственном университете пищевых производств по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11, корпусА.

Просим Вас принять участие в заседании Диссертационного совета или прислать в МГУПП отзыв в двух экземплярах с печатью учреждения по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПП.

Автореферат разослан« 13 » ноября 2000г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Д.063.51.02, профессор

М.С. Жигалов

А 851 90

АЯЯЪ О

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Поиск новых методов обработки сельскохозяйственного сырья, обеспечивающих расширение. ассортимента и повышение качества пищевых продуктов, интенсификацию традиционных технологических процессов, - одно из основных направлений технического прогресса в пищевой и других отраслях промышленности.

Перспективной технологией, . обеспечивающей существенную интенсификацию производственных процессов, является влаготермо-механическая обработка крахмалсодержащего сырья, проводимая с использованием экструзионной техники.

Экструзия характеризуется одновременным воздействием на обрабатываемый материал влаги, тепла, механических напряжений различного вида, что обеспечивает получение готовых продуктов определенной формы, структуры и физико-химических свойств. Экструзия является высокоэффективным, безотходным, кратковременным технологическим процессом, а экструдер многими исследователями рассматривается как универсальный биохимический реактор. Основным компонентом сырья, используемого в различных экструзионных технологиях, является ежегодно воспроизводимый высокомолекулярный полимер - крахмал. Уникальность экструзионного способа заключается в возможности использования не только многообразия видов и свойств перерабатываемого сырья, но и разнообразие форм, структуры и свойств получаемых, продуктов (продукты готовые к употреблению, продукты детского лечебного и профилактического питания, полуфабрикаты, модифицированные крахмалы и др.). В настоящее время выбор необходимого режима экструзионной обработки крахмала и крахмалсодержащего сырья чаще всего основывается на его эмпирическом подборе, связанном с неоправданно большими объемами экспериментальных работ.

О постоянно растущем интересе к экструзионному способу переработки растительного сельскохозяйственного сырья свидетельствуют многочисленные публикации и патенты. Однако они. не содержат выработанных единых подходов к анализу закономерностей изменений свойств крахмала при различных методах обработки. Выявлены, как правило, закономерности изменения его свойств от воздействия только отдельных параметров обработки модельных систем. Все это определяет актуальность проведения более глубоких исследований для прогнозирования изменений свойств крахмала в условиях реальных процессов. Как традиционные, так и новые технологии пищевых продуктов требуют создания специальных видов модифицированных крахмалов, которые проявляли бы загущающие и стабилизирующие свойства, не требуя при этом нагрева пищевых масс. .

Указанные обстоятельства определяют необходимость изучения закономерностей изменения свойств разных крахмалов и крахмалсодержащего сырья при различных методах экструзии с целью разработки научных основ получения крахмалопродуктов с заданными свойствами с использованием отечественного оборудования, сырья и практической реализации завершенных разработок.

Актуальность работы подтверждается включением тематики проводимых исследований в научно-технические программы Миннауки РФ и Россельхозакадемии: «Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК», «Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности» и в российско-белорусскую программу «Повышение эффективности агропромышленного производства и последовательное сохранение сельскохозяйственной продукции»

Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы - научное обоснование, разработка и реализация технологии новых видов продуктов на основе экструзионного способа обработки крахмала и крахмалсодержащего сырья для удовлетворения постоянно растущей потребности населения в продуктах питания , быстрого приготовления, продуктах лечебно-профилактического питания, в новых видах модифицированных крахмалов и крахмалопродуктов для различных отраслей народного хозяйства.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- исследование изменений структуры и физико-химических свойств крахмалов из различных видов и сортов сырья при гидротермической и механической обработке модельных систем для определения граничных условий экструзионной обработки;

- исследование изменений структуры и физико-химических свойств крахмалов при различных методах экструзионной обработки и функциональных свойств новых видов крахмалопродуктов;

- разработка основных принципов и технологических режимов производства крахмалов и крахмалопродуктов различного назначения;

- реализация разработанных технологий в промышленности на базе отечественных экструзионных установок.

Схема исследований приведена на рис. 1.

Рис.1.Схема исследований

Научная новизна. На основе углубленного изучения состава, структуры и свойств крахмала разработаны научно обоснованные принципы получения новых видов крахмалопродуктов экструзионным способом.

Получены новые данные о структуре и физико-химических свойствах крахмалов из разных видов и сортов крахмалсодержащего сырья, исследованы изменения этих свойств при гидротермической и механической обработке модельных систем крахмал - вода, позволившие определить граничные условия режима экструзионной обработки.

Дано обоснование теоретических основ технологии новых видов крахмалов и крахмалопродуктов быстрого приготовления. Установлена взаимосвязь фазовых переходов высококонцентрированных клейстеров и качества экструзионных продуктов макропористой структуры. Предложены аналитические зависимости для оценки физических состояний крахмальных клейстеров от условий обработки.

На основе выявленного влияния каталитического действия некоторых неорганических веществ (соляная кислота, алюминиево-калиевые квасцы, монофосфат натрия) на процесс деструкции крахмала при экструзионной обработке научно обоснованы технологические режимы производства клеев быстрого приготовления и пищевых добавок.

Научно обоснованы режимы получения гетерогенных систем : при влаготермомеханической обработке крахмала, позволившие разработать технологию новых видов безбелковых продуктов детского лечебного питания.

Выявлены закономерности процессов сорбции и десорбции влаги новыми видами модифицированных крахмалов и крахмалопродуктов, полученными различными методами экструзионной обработки, что позволило обосновать виды и способы их упаковки и хранения.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе результатов исследований изменений физико-химических свойств, крахмалов и крахмалсодержащего сырья при различных методах экструзии разработаны эффективные способы получения: продуктов быстрого приготовления (а.с. СССР №1142090, №1338834, .№1344308, №1439765, №1449096, №1552412, №2060688); кондитерских полуфабрикатов (а.с. СССР №1588354, №1666026); безбелковой крупы для детского лечебного питания (а.с. СССР'№1537674); стабилизатора для глинистых буровых растворов и формовочных смесей, (а.с. СССР №867350, №906796, №1482929); декстрина и клея быстрого приготовления (а.с. СССР №1367412, пат.РФ №2120953, №2130956). .- .

Разработана и утверждена нормативно-техническая документация на 12 видов экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов: «Реагент экструзионный крахмалсодержащий» - ОСТ 18-003-94; .«Реагент модифицированный крахмалсодержащий» - ТУ 10-04-08-24-87; «Крахмал экструзионный» - ТУ 9187-013-05747146-95; «Декстрин экструзионный» - ТУ 10-04-08-33-40-87; «Мука набухающая. Сухая заварка» - ТУ 9293-04000334735-98; «Полуфабрикат на основе гороха» - ТУ 9732-075-00008064-96; Продукт высокобелковый для завтрака «Воздушный горошек» - ТУ 9146-032-

00334735-97; Саго - ТУ 9187-046-003347-35-99; «Полуфабрикат чипсов» - ТУ 10-1173-94; Безбелковый закусочный продукт «Снежок»-ТУ- 10-04-08-47-91

Разработаны технологические регламенты на проектирование предприятий по производству экструзионного крахмалсодержащего реагента, экструзионного крахмала и крупы саго из крахмала.

Технология экструзионного крахмалсодержащего реагента внедрена на 16 предприятиях, в т.ч. Алексеевской, Городищенском, Дмитровском, Лужковском и Упоройском спиртовых заводах; Борисоглебском, Бучанском, Жуковском, Кадомском, Корсаковском, Плещеевском, Порецком, Свердловском, Тхоровском, Шемышейском, Яльчикском крахмальных заводах.

Технология продуктов лечебного детского и диетического питания - саго и безбелковой вермишели - реализована на 5 предприятиях Украины, Белоруссии и России (Бучанском, Сновском, Лаишевском, Лучковском крахмальных заводах и Климовском крахмалопаточном комбинате).

Технология экструзионного крахмала внедрена на Бучанском, Борисоглебском, Гольшанском, Климовском, Шаблыкинском крахмальных заводах, Петровском спиртовом заводе.

В опытном цехе ВНИИК освоены технологии продуктов быстрого приготовления, набухающей муки, клея для бумаги.

Апробация работы. Результаты исследований, выполненных автором в 1975-2000гг., доложены и обсуждены на 25 отечественных и международных симпозиумах, конференциях, в том числе на \TI-IX Всесоюзных симпозиумах "Физико-химия крахмала и крахмалопродуктов" (Москва, 1976, 1981, 1984), на конференциях: «Интенсификация технологий и совершенствование оборудования перерабатывающих отраслей АПК» (Киев, 1989), «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья» (Москва, 1989), «Качество сырья мясной промышленности, методы оценки и пути рационального и эффективного его использования» (Москва, 1990), «Итоги и перспективы использования природных и синтетических высокомолекулярных соединений в производстве пищи» (Суздаль, 1991), «Научное обеспечение, хранение и переработка растительного сырья в пищевой промышленности» (Москва, 1991), «Прогрессивные, экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности» (Углич, 1994,1996,1998), «Системы технологических процессов и системы машин для пищевой и перерабатывающей промышленности АПК» (Москва, 1997), «Проблема создания нового поколения отечественных продуктов питания» (Москва, 1998), Российской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка, 1998), «Проблема фундаментальных исследований в области обеспечения населения России здоровым питанием» (Москва, 1999); на международных конференциях: «Химия, энзимология и технология крахмала» (Венгрия, 1988), «Проблемы переработки и химии зерна» (Германия, 1993), «Экструзия крахмалсодержащего сырья» (Германия, 1995), «Научные и практические аспекты совершенствования качества продуктов детского и геродиетического

питания» (Москва, 1997), «Пищевые добавки - 98» (Москва, 1998), «Пища. Экология. Человек.» (Москва, 1999), «Индустрия продуктов здорового питания -третье тысячелетие» (Москва, 1999). ' ■''• '

Результаты научных разработок в виде образцов продуктов и макетов технологических линий экспонировались на отечественных выставках: ВДНХ СССР 1984г. - медаль «Участник выставки» за экспонат «Технология экструзионного крахмалсодержащего реагента», 1986г. - бронзовая медаль за экспонат «Установка для производства экструзионных продуктов»; ВВЦ 1998г. - медаль «Лауреат ВВЦ» за экспонат «Продукты детского питания»; а также на международных выставках: «Детское питание - 91», «Кукуруза - 93».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 108 работ, в том числе 17 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация включает: введение, обзор литературы, экспериментальную часть, важнейшие результаты работы и рекомендации промышленности, список использованной литературы (247 наименований на русском и иностранном языках). Основной текст диссертации изложен на 255 с. и иллюстрирован 44 табл. и 63 рис.

Содержание диссертационной работы Введение. Обоснована актуальность диссертации, сформулированы цель и определены направления исследований, рассмотрены новизна и практическая значимость полученных результатов.

Х.Обзор литературы. Рассмотрены последние достижения отечественных и зарубежных ученых в исследованиях структуры и физико-химических свойств крахмала как природного биополимера. Дан анализ результатов исследований изменений структуры и свойств крахмала при гидротермомеханической обработке и работ по получению модифицированных крахмалов. Большой вклад в исследования по химии и технологии крахмала и крахмалопродуктов и их модификаций сделан отечественными учеными: В.И. Назаровым, H.H. Трегубовым, A.B. Лукьяновым, В.А. Смирновым, А.И. Жушманом, Н.Г. Гулкжом, В.П. Юрьевым и др., а также иностранными: Ф.Ширбаумом, К.Мерсье, Ф.Мойзером, П.Колонной, Я.Холло, П.Томасиком и др.

Постоянно растущий интерес к экструзионному способу обработки крахмала и крахмалсодержащего. сырья определяется большими технологическими возможностями получения как новых пищевых продуктов, так и новых видов модифицированных крахмалов. Однако имеющаяся информация 'по исследованиям в этом направлении не отвечает на все возникающие вопросы при разработке новых технологий, как правило, характеризует лишь отдельные технологические операции и содержит анализ физико-химических свойств уже готовых продуктов, изготовленных на разном, зачастую не характерном для России сырье. Недостаточно выявлены изменения структуры и физико-химических свойств крахмальных клейстеров после экструзионной обработки.

2. Методы анализа и экспериментальные установки. Оценку структуры и физико-химических свойств крахмала проводили как традиционными методами, применяемыми при исследовании модифицированы* крахмалов, Ч'ак

и специальными (ДСК, РСА, электронная микроскопия, дериватография, ТМА). Использованы созданные экспериментальные экструзионые установки ВНИИК и фирмы Брабендер. Проверка разработанных технологий проведена на отечественных одно- и двухшнековых экструдерах. Были созданы специальные экспериментальные установки для исследования уплотняемости крахмала [13], сушки экструдатов, термической обработки сухих крахмальных гелей [49]. В качестве сырья использованы крахмалы разного полисахаридного состава и типа полиморфной структуры (КК, ВАК, АПК, ПшМ, КарК), а также КукЗ, кукурузная и пшеничная крупы.

Использованы методы рационального планирования экспериментов. Обработка экспериментальных данных проведена с применением компьютерных программ.

3. Исследование процесса гидротермической и механической обработки модельных систем крахмал-вода

Основной технологической операцией получения экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов является влаготермомеханическая обработка сырья, приводящая к изменениям его структуры и физико-химических свойств.

В зависимости от технологических режимов различают несколько методов экструзионной обработки крахмала и крахмалсодержащего сырья: ВТКЭ О=140-200°С, \У-15-30%), ВЭ (1,=140-190°С, tф=85-9O0C, \У=25-40%) и холодную экструзию (1=60-80°С, '\У=30-45%). Схема этих процессов приведена на рис.2. Цель обработки крахмала в большинстве экструзионных технологий заключается в разрушении частично упорядоченной структуры биополимера и создании продуктов с новыми структурой и свойствами. Такая обработка приводит к появлению у экструдатов повышенной доступности компонентов сырья к действию ферментов, способности загущать и стабилизировать различные композиции без их тепловой обработки. При этом возможно получение продуктов или полностью готовых к употреблению, или продуктов быстрого приготовления, или добавок и улучшителей различного назначения.

3.1. Определение граничных условий гидротермической обработки

систем крахмал-вода Пищевая ценность и органолептические свойства углеводных биополимеров значительно снижаются при сохранении в них после обработки частично кристаллических структур. Поэтому при выборе режимов экструзионной обработки крахмалсодержащего сырья следует проводить полное разрушение природной упорядоченности структуры зерен крахмала, т.е. их клейстеризацию. Известно, что режим клейстеризации 0К,„ энтальпия) различен для крахмалов разных видов и зависит от почвенно-климатических условий роста растений. Крахмалы даже одного вида, выделенные из разных сортов крахмалоносов и выращенных в одинаковых условиях, имеют разную температуру клейстеризации. Из этого следует, что при переходе от одного вида крахмала к другому требуется применять иные параметры экструзионной обработки. Поиск причин этого явления представляет научный и практический

интерес. В настоящее время наибольшее распространение получил метод эмпирического подбора режимов клейстеризации крахмала, связанный с большим объемом экспериментальных работ. В то же время наиболее рациональным является установление взаимосвязи особенностей структуры разных видов крахмала с условиями их клейстеризации, обеспечивающими направленное разрушение природной упорядоченности зерен.

Сырье

Вода

Экструдат

клейстеризации рыпрессовыв ание

40 30 20 10 ■■

3 х

УУ,% 40 30 20

10

1"С '80 60 40

I С I. 160

120 80

>---

/

"Л

л

н а

40 -30 20 -10 -

ГС 160

120

80

/

. -V

Рис.2. Схема устройства экструдера и характеристика процессов экструзии

При исследовании крахмалов, выделенных из 10 сортов картофеля, выращенного в одинаковых условиях, крахмалов, выделенных из 2 сортов картофеля в различные сроки его созревания (от 40 до 73 суток), и крахмалов го 11 сортов пшеницы нами были использованы методы ДСК и РСА, позволяющие не только определить термодинамические свойства крахмала при клейстеризации, но и выявил, особенности его структуры. На примере исследования низкоконцентрированных систем крахмал -вода 2 сортов картофеля, выделенных в различные сроки их созревания, устаноален рост ^ крахмала по мере созревания картофеля (рис.3) и определены некоторые термодинамические свойства. С применением уравнения Томсона-Гиббса,

68.

используемого при исследовании структуры и кристаллических синтетических полимеров, сделаны опытных данных для КарК. Установлено, что снижение ^ исследуемых крахмалов с увеличением срока вегетации картофеля обусловлено

увеличением количества дефектов в упорядоченных областях структуры зерен крахмала.

В результате гидротермической обработки крахмалов из 10 сортов картофеля выявлены не только различия

свойств частично расчеты на основе

бб

64'

35 45 55 65 т.сут

Рис.З.Измснение температуры клейстершации крахмала при созревании картофеля

этих крахмалов, но и их теплоемкостей, энтальпий клейстеризации. Для изученных крахмалов при гидротермической обработке характерен один эндотермический эффект, соответствующий процессу разрушения упорядоченной структуры зерен крахмалов (рис.4). Определена взаимосвязь структуры и физико-химических свойств крахмалов. С увеличением доли упорядоченности структур крахмальных зерен наблюдается рост их молярной теплоемкости и уменьшение водоудерживающей способности [51]. На термограммах пшеничных крахмалов отмечены два пика теплопоглощения. Первый пик, при 57°С, соответствует процессу разрушения

упорядоченной структуры зерен крахмалов, второй, для зерновых крахмалов при 88 С, - диссоциации их АЛК [52].

Исследования низкоконцентрированных водных дисперсий КарК и ПшК показали, - что если для КарК процесс клейстеризации определяется только разрушением

кристаллических участков крахмальных зерен, то для

картофельный

1 крахмал

\ 1% св

пшеничный

крахмал*

1] ¡1 1 57% 44% 36%св 1/ / /

р г / 1.1.1 1 пшеничный крахмал 1 1%св 1.1.1.1

27 47

67

87 107

ь'с

Рис.4.Термограммы ДСК картофельного и пшеничного крахмалов * СагЬоМте РоЬшкп. 1995. \'.2б. п. 172

зернового крахмала при клейстеризации помимо разрушения кристаллических участков структуры необходима более высокая (на25...30°С) температура для диссоциации АЛК этих крахмалов. Как показали исследования Е.Буепззопа, с уменьшением содержания воды в системах крахмал - вода закономерности изменения температур клейстеризации упорядоченных структур и диссоциации АЛК сохраняются, но температурный интервал

клейстеризации увеличивается на 40-60°С.С)сновываясь на

известных положениях о том, что закономерности изменения структуры и физико-химических свойств крахмала в низкоконцентрированных системах крахмал - вода при нагреве аналогичны характеру изменений свойств крахмала в высококонцентрированных системах крахмал - вода, можно определить граничные условия режимов экструзионной обработки.

Нижняя граница параметров процесса обработки должна обеспечивать полную

клейстеризацшо крахмала, кроме случаев получения продуктов специального назначения

(например, безбелковые изделия, крупа саго). Она представляет собой: для картофельного крахмала, содержащего более

60%СВ >110°С, ДЛЯ крахмала из Рис. 5. Влияние продолжительности обработки зернового сырья концентрацией на кристалличность (1), степень полимеризации более 57% СВ >130°С. Верхняя (2) и растворимость крахмала в воде (3)

граница температуры

экструзионной обработки определяется термической лабильностью крахмалопродуктов. Она составляет для сухих крахмалов 220°С.

3.2. Исследование изменений структуры и свойств крахмала в результате механической обработки

В процессе экструзионной обработки на крахмальные зерна помимо влаги и тепла действуют механические напряжения1 различных видов. В зоне смешивания и в начале зоны пластификации экструдера, когда крахмальные зерна еще сохраняют свою форму, процесс действия на них механических

напряжений можно, с определенной условностью, моделировать обработкой сухого крахмала в шаровой мельнице.

Установлено, что процесс механической деструкции крахмала связан с особенностями строения его зерен. Переход высокомолекулярного природного полимера в олигомеры сопровождается изменением его термодинамических свойств, что ускоряет процесс клейстеризации крахмала. Изменения структуры и физико-химических свойств крахмала в зоне смешивания экструдера и в начале зоны клейстеризации (рис.5) способствуют ускорению перехода крахмала в вязкотекучее состояние, что является необходимым условием получения крахмалопродуктов высокого качества.

3.3. Исследование процесса клейстеризации систем крахмал - вода с использованием вискографа Процессы изменения структуры и свойств крахмала при экструзионной обработке в определенной степени сходны с процессами клейстеризации крахмала в водных суспензиях при концентрациях 4...11°/о. Изучение процесса клейстеризации с помощью вискографа Брабендера ( Германия ) позволяет выявить особенности состава и структуры разных видов крахмалов, которые проявляются в набухании, клейстеризации зерен крахмалов при перемешивании, нагревании (20...95°С) и изменении вязкости клейстеров в ходе охлаждения. Эти процессы моделируют обработку сырья в экструдере. Полученные при этом данные могут быть использованы для определения режимов обработки и разработки рекомендации по выбору крахмалов для получения продуктов целевого назначения. Крахмал является смесью гомополисахаридов, различающихся строением и свойствами. В крахмалах различного происхождения соотношение амилозы и амилопектина колеблется в широком диапазоне. Каждый из этих полисахаридов при нагреве в воде образует дисперсии различной вязкости и структуры. Ввиду особенностей выбранного метода исследований не представляется возможность проведения сравнительной оценки свойств клейстеров при равных их концентрациях. Поэтому был введен показатель приведенной вязкости клейстеров, равный числу условных единиц вязкости вискографа, приходящихся на один процент содержания СВ крахмала в дисперсии. Результаты исследования консистенции клейстеров АПК, ВАК и их смесей при нагреве до 95°С, выдержке 20 мин при этой температуре и охлаждении до 30°С приведены в табл.1. При выдержке горячего клейстера с непрерывным перемешиванием происходит снижение вязкости дисперсии АПК почти в 2 раза. При охлаждении вязкость её незначительно увеличивается, клейстер имеет длиннокапельную консистенцию. Для него характерна низкая скорость ретроградации и сохранение стабильной консистенции в течение длительного времени (3...5 суток). Высокая молекулярная масса АП и его разветвленное строение обусловливает образование стабильных вязких клейстеров при низкой концентрации СВ.

Наличие в ВАК значительного количества АЖ существенно влияет на свойства его клейстеров. Они имеют более высокую температуру клейстеризации. Повышение вязкости их клейстеров происходит только после

выдержки при температуре 95°С. При нагреве, варке и охлаждении вязкость клейстеров с высоким содержанием амилозы монотонно возрастает. При охлаждении дисперсии происходило образование студня. Невысокая, по сравнению с АП, молекулярная масса амилозы и ее линейное строение, вероятно, обусловливают высокую скорость межмолекулярной ассоциации полисахаридов в клейстерах.

При изучении процесса клейстеризации смесей АПК и ВАК выявлены существенные различия реологических свойств дисперсий, которые определяются соотношением в смесях полисахаридов с разным строением и размером молекул. Органолептическая оценка консистенции клейстеров из смесей крахмалов показала, что увеличение содержания амилозы в составе смеси приводит к повышению её студнеобразующей способности и ускорению процесса ретроградации клейстера.

Таблица 1

№ п\ п Вид крахмала Массовая доля компонентов, % Концентрация, % Содержание амилозы, % Приведенная вязкость, Консистенция дисперсии после охлаждения

Ин Цв ^ОХЛ йн- Щ Цохл " Цв

1 АПК 100 4,1 0,5 122 51 68 70 17 Желеобразная

2 ВАК 100 9,9 40 27 32 48 5 16 Студнеобразная

3 АПК ВАК 81 19 4,8 9 34 33 79 1 47 Желеобразная

4 АПК ВАК 61 39 5,4 19 74 46 59 28 13 Желеобразная

5 АПК ВАК 37 63 6,6 29 55 36 45 18 9 Желеобразная

6 АПК ВАК 21 79 7,7 34 44 29 45 16 4 Студнеобразная

Из условия аналогичности закономерностей изменения свойств крахмальных клейстеров различной концентрации следует, что после экструзионной варки ВАК его клейстеры будут иметь высокую скорость ретроградации, что определяет способность экструдатов сохранять форму и структуру. Поэтому ВАК и сырье с высоким содержанием амилозы следует рекомендовать для получения продуктов макропористой структуры (завтраков, закусочных продуктов и т.п). Для производства продуктов, связанных с изменением физического состояния сухих крахмальных клейстеров (производство крахмалопродуктов макропористой структуры методом непрямого экспандирования), следует

использовать сырьс, содержащее как можно меньше амилозы и АЛК.Этим требованиям соответствуют КарК и АПК.

Различия формы, размера, структуры и свойств зерен крахмала из картофеля и зернового сырья определяют особенности условий процесса их экструзионной обработки и физико-химических свойств готовых продуктов. С целью оценки клейсгеризационных свойств клубневых и зерновых крахмалов были исследованы на вискографе водные дисперсии КарК, КК и их смеси. Изучение физико-химических свойств типичных представителей большого числа крахмалов различной полиморфной структуры и их смесей при ГТО позволило установить, что изменением соотношения этих крахмалов в исходной смеси можно влиять на физико-химические свойства их клейстеров и процесс их ретроградации.

3.4. Исследование уплотняемости крахмала

Крахмал является мелкодисперсным материалом, который при сжатии в рабочем канале экструдера подвергается уплотнению. В связи с этим необходимо исследовать уплотняемость сырья, т.к. этот показатель необходим при расчете геометрических размеров и выборе форм рабочих органов, обеспечивающих необходимую непрерывность материального потока в экструдере. Исследование уплотняемости КК и измельченного КукЗ проводили методом всестороннего сжатия на специально созданной установке с применением метода рационального планирования эксперимента [13]. Давление изменяли в пределах ОД...4,1 МПа. Массовая доля влаги в образцах КК варьировалась от 12,3 до 42,3%, в образцах измельченного КукЗ-от 12,8 до 32,8%., Материал после предварительного уплотнения при давлении 0,1 МПа термостатировали при температуре от 20 до 80 с интервалом 15° С. В результате исследований установлено, что температура в исследуемом диапазоне ее значений не оказывает существенного влияния на уплотняемость КК и измельченного КукЗ. Влияние величины давления (Р, МПа) и влажности сырья (\У,%) на плотность массы (р, кг/м3) описывается следующими уравнениями:

для крахмала рк = 738-ехр (0,013-\У ) -Р0,092 (1)

для зерна р3= ( 560 +7,5 -\У + 0,19Л\' 2,6 • 103-\У2'85) -Р0№ (2) . Предложена методика выбора форм и расчета геометрических размеров рабочих органов, обеспечивающих сплошное течение изученных материалов в рабочей камере экструдера.

3.5. Исследование изменений структуры и свойств крахмалсодержащего сырья и крахмала при ВТКЭ

Крахмал, являясь основным компонентом большинства зерновых культур, во многом определяет свойства получаемых продуктов при экструзионной

обработке. Поэтому весьма перспективной является разработка технологий набухающих крахмалопродуктов экструзионным методом на основе переработки крахмалсодержащего сырья. Технологический процесс получения крахмалопродуктов экструзионным методом можно разделить на три основные стадии: подготовка сырья, экструзионная обработка, обработка экструдата.

3.5.1. Технология подготовки сырья Как за рубежом, так и в России основным сырьем, используемым для производства крахмала, является кукурузное зерно, отличающееся высоким содержанием этого углеводного компонента. Поэтому оно выбрано нами в качестве объекта исследования. Для повышения эффективности экструзионной обработки предварительно очищенное зерно необходимо измельчить. При этом, как показано в разделе 3.3, значительно ускоряются процессы гидратации и клейстеризации сырья в рабочей камере экструдера. Исследована взаимосвязь гранулометрического состава сырья и свойств экструдатов. Зерно измельчали на молотковой дробилке, оснащенной различной ситовой поверхностью, и анализировали дисперсный состав измельченного зерна. Семь фракций различного гранулометрического состава обрабатывали на экспериментальной экструзионной установке при одних и тех же режимах. Экструдаты оценивали по коэффициенту измельчения, равному отношению количества измельченного экструдата, просеянного через сито с отверстиями диаметром 1мм, к общему количеству просеиваемого экструдата. Кроме того, была определена способность получаемых экструдатов растворяться в холодной воде. Зависимость

р,%

80

60

40

20

1 А 2

о ,2

71

Б '

ки,%

70

60

50

40

растворимости и коэффициента измельчения экструдатов от гранулометрического состава приведена на рис.6. С учетом роста энергозатрат на процесс измельчения зерна при более тонком его диспергировании и снижении сыпучести продуктов помола рекомендован

гранулометрический состав сырья [12]. Измельченное зерно, используемое для ВТКЭ, должно полностью проходить через сито с отверстиями диаметром Змм и содержать 40.. .50% фракции, проходящей через сито с отверстиями диаметром 1мм. Производственной проверкой установлено, что такой дисперсный состав измельченного сырья может быть получен при оснащении промышленных молотковых дробилок ситами с отверстиями диаметром от 3 до 4мм.

Для ускорения процесса клейстеризации крахмала при экструзионной обработке в крахмалсодержащее сырье необходимо введение дополнительного количества влаги. С целью выбора способа увлажнения сырья изучали влияние

о 1 2 3 4 5 а, мм

Рис. б.Зависимость растворимости (1) и коэффициента измельчения экструдатов КукЗ (2) от гранулометрического состава

сырья: А (\\'=18о/<а=180°С), Б{>У=21% 1=140°С) - режимы обработки.

длительности предварительного отволаживания сырья при 0...24 ч на физико-химические свойства экструдатов. Образцы измельченного и увлажненного сырья перед экструзией помещали в герметичную тару и выдерживали при комнатной температуре. Проведено три серии опытов, различных по режимам экструзионной обработки.

Анализ полученных данных позволил сделать вывод о несущественном влиянии длительности отволаживания сырья на физико-химические свойства экструдатов [15]. На основе этих результатов нами предложено оригинальное устройство для внесения необходимого количества влаги непосредственно в рабочую камеру экструдера ( а.с.СССР №867350). Промышленная проверка подтвердила надежность и эффективность предложенного способа увлажнения.

3,5.2. Исследование влияний условий обработки на физико-химические

свойства экструдатов крахмалсодержащего сырья Большое практическое значение имеет установление зависимости физико-химических свойств экструдатов от технологических режимов обработки и конструктивных параметров экструдеров. Определение этой зависимости

Рис.7. Частные эмпирические зависимости растворимости экструдатов КукЗ от параметров обработки

позволит прогнозировать свойства экструзионных крахмалопродуктов и оптимизировать режимы их получения. Исследовано влияние влажности сырья

(№,%), температуры обработки (I, °С), площади живого сечения матрицы (И, мм2) и частоты вращения шнека (п, с ) на растворимость экструдатов измельченного кукурузного зерна (Р,%) и удельный расход электроэнергии (Н кВт. ч/кг)

По результатам серии предварительных опытов были уточнены и выбраны следующие пределы изменения исследуемых параметров обработки:

= 15.. .25%; I = 120...200°С; Р = 3,8... 17,0 мм2; п = 0,69... 1,81с'1 Обработка данных опытов, проведенная с применением метода рационального планирования эксперимента, позволила получить частные эмпирические зависимости растворимости экструдатов (рис.8) и удельного расхода электроэнергии от режимов обработки. В результате дальнейшей математической обработки получены обобщенные уравнения:

Р = 4,51-10'5'(35\У - XV2 + 353)^ - 43)-(47,9 - Г) (5,3 - п), (3)

Л, = 1,13-10''-(35 - \У>02 - 3604 + 5,7-104)-(П - 0,46) х

х(32,6-Р), (4) .

Совместное решение этих уравнений позволяет определить оптимальные режимы

экструзионной обработки измельченного КукЗ. Полученные результаты использованы для разработки методики выбора режимов обработки крахмалсодержащего сырья на отечественных промышленных экструдерах с целью производства набухающих

крахмалопродуктов с заданной

растворимостью. Промышленная проверка подтвердила правильность предложенной методики.

3.5.3. Исследование влияния режима ВТКЭ на растворимость экструдатов кукурузного крахмала

Для получения модифицированных крахмалов с заданными свойствами необходимо выявить закономерности ВЛИЯНИЯ РнС.8. Частные эмпирические параметров ВТКЭ на физико-химические зависимости растворимости свойства экструдатов. Исследовано влияние экструдатов КК от параметров основных технологических параметров обработки

(влажности сырья и температуры обработки)

и частоты вращения шнека экспериментальной экструзионной установки на растворимость экструдатов КК. Параметры обработки КК изменяли .в следующих пределах: г=135... 195°С; \\г=22...30%; п=40...120мин"'.

При исследовании использован метод рационального планирования эксперимента, получены частные эмпирические зависимости растворимости в воде экструдатов КК от I, п (рис.8).

Математическая обработка результатов исследований позволила выразить зависимость растворимости экструдатов от условий обработки следующим уравнением:

, = 1;74._-- (5)

1 <-1301 1 +

•(156-«)

Анализ полученной зависимости позволяет сделать вывод об одинаковом влиянии параметров обработки крахмалсодержащего сырья и крахмала на растворимость экструдатов. Этот вид модифицированного крахмала хорошо набухает и частично растворяется в холодной воде, что позволяет использовать его в качестве стабилизатора и загустителя различных смесей. При этом не требуется проведение тепловой обработки продуктов.

3.5.4 Исследование влияния технологических параметров ВТКЭ и концентрации лимонной кислоты на вязкость водных дисперсий экструдатов картофельного крахмала

Способность экструдатов крахмалов растворяться в холодной воде может быть использована при разработке рецептур пищевых концентратов, не требующих варки (кисели, пудинги, напитки). В качестве компонентов в эти смеси, как правило, вводят пищевые вкусовые добавки. Одной из таких добавок является лимонная кислота. Введение лимонной кислоты в крахмал и проведение затем обработки его методом ВТКЭ позволяет получать крахмалопродукты, которые помимо загущающей способности будут выполнять роль вкусовой добавки. Можно ожидать, что кислота в этом случае будет выполнять роль катализатора гидролитической деструкции крахмала и этерификатора полисахаридов.

С целью исследования возможности получения новых видов модифицированных крахмалов было изучено влияние концентрации лимонной кислоты (ГОСТ 908-90) и технологических параметров обработки на растворимость экструдатов КарК, их водоудерживающую способность и характеристическую вязкость водных дисперсий 4%-ной концентрации при 20 С. Нами подробно проанализировано влияние влажности крахмала ^=21...29%), температуры обработки (4=140... 180°С) и концентрации лимонной кислоты (С=0,1...0,9%) на растворимость и водоудерживающую способность экструдатов КарК [26].. Установлено, что увеличение концентрации кислоты в сырье приводит к снижению растворимости и увеличению водоудерживающей способности экструдатов КарК. Высокая стабильность - клейстеров цитратных крахмалов и выявленное анализом связывание радикалов лимонной кислоты крахмалом является результатом образования сложных эфиров полисахаридов крахмала и использованной

многоосновной кислоты [34]. С применением метода рационального планирования эксперимента получены данные, на основе которых определена зависимость вязкости водных дисперсий экструдатов КарК от параметров обработки:

Изменяя технологические параметры обработки и концентрацию кислоты, можно получать экструдаты различной растворимости, водоудерживающей способности и вязкости водных дисперсий. Новый вид модифицированного крахмала обладает кислым вкусом, хорошо диспергируется в холодной воде и рекомендован для получения концентратов киселей и пудингов, не требующих варки.

3.5.5. Исследование влияния химических веществ на изменение физико-химических свойств крахмалов при ВТКЭ

Экструдер, несмотря на его малый рабочий объём и кратковременность обработки, является высокоэффективным химическим реактором ввиду одновременного действия на обрабатываемый материал различных параметров процесса. С целью изучения возможности получения новых видов модифицированных крахмалов исследовано каталитическое действие химических веществ на структуру и свойства КК при ВТКЭ; соляной кислоты, алюминиево-калиевых квасцов, монофосфата натрия. Эти вещества широко применяются в качестве реагентов при получении модифицированных крахмалов традиционными способами. Концентрацию соляной кислоты в КК изменяли от 0,02 до 0,12%; квасцов от - 0,5 до 3,0%, однозамещённого фосфата натрия - от 2 до 10% к СВ крахмала. КК увлажняли растворами реагентов до 25%, обработку производили на лабораторной установке ВНИИК в одинаковом режиме.

Проведена оценка физико-химических свойств экструдатов по растворимости в воде, вязкости водно-щелочных дисперсий при 20 и 70 °С, содержанию РВ, кислотности, щелочной лабильности, «синему числу». Выявлены существенные различия в характере деструкции КК в зависимости от вида применяемых реагентов. В результате математической обработки экспериментальных данных по влиянию концентрации реагентов в сырье, (с, %) на вязкость 5%-ных водно-щелочных дисперсий при 20 °С (ц, мПа-,с) и содержание в экструдатах РВ (%) получены следующие математические зависимости:

ц=2,96-10-4(16+\У)(207-ЭД1+0,87-ехр(-3-с)] (6)

ц = а1 + В! • ехр с! 1 • с) РВ = а2 + в2 • с112

(V) (8)

Численные значения величин коэффициентов уравнений (7) и (8), а также коэффициенты корреляции экспериментальных и расчётных данных (г2) приведены в табл.2.

Установлено, что каталитическое действие соляной кислоты почти в 12 раз превышает аналогичное действие квасцов. В свою очередь, действие квасцов на вязкость водных дисперсий экструдатов более чем в 10 раз активнее по сравнению с действием монофосфата натрия. Аналогичный характер имеют действия реагентов на содержание РВ в экструдатах.

Таблица 2

Наименование реагента Вязкость дисперсий Редуцирующие вещества

а, ь, с1, г2 а? ь, ¿7 г2

Соляная кислота 2.13 31 51 0.99 0.031 218 1,5 0.98

Алюминиево-калиевые квасцы

2,95 30 3,9 0,99 0,393 3,41 1 0,99

Монофосфат натрия 4,17 28 0,3 0.99 0.25 0.913 0.5 0.98

Результаты исследований влияния различных химических веществ на физико-химические свойства крахмала при ВТКЭ использованы для разработки технологий новых видов модифицированных крахмалов. Разработаны способы производства методом ВТКЭ сухих крахмальных клеев, декстринов, крахмалсодержащих реагентов для стабилизации буровых растворов, которые защищены авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ (а.с. СССР № 1367412, 1482929, пат. РФ №2120953, №2130956.

3.5.6 Исследование динамики снижения температуры и подсушивания экструдатов после ВТКЭ

В процессе обработки сырья при ВТКЭ частично упорядоченная структура

крахмала разрушается.

Находящаяся в вязкотекучем состоянии масса выдавливается через отверстия матрицы. При этом в результате резкого снижения давления (Др>ЗМПа) и температуры (Д*>150°С) происходит мгновенное

самоиспарение большей части влаги, приводящее к резкому увеличению удельной

\ I -Г..... I -Г г Т

-н - =т

их

Рис.9. Зависимость 1п 1 от продолжительности охлаждения экструдата: I, II - режимы охлаждения.

поверхности крахмального клейстера, находящегося в вязкогекучем состоянии. Интенсивное испарение влаги вызывает ускоренный переход аморфного крахмального геля в стеклообразное состояние. Стенки образовавшихся пор затвердевают и приобретают хрупкость, что необходимо для качественного измельчения экструдата. Продолжительность процесса стеклования крахмального клейстера и нарастания хрупкости экструдата имеет большое практическое значение, т.к. она определяет время, необходимое для выдержки экструдата перед измельчением. Известно, что снижение температуры материала, находящегося в аморфном состоянии, влияет на процесс его стеклования. Поэтому изучение динамики охлаждения экструдата позволяет определить время его готовности к измельчению. Результаты проведенных, нами исследований динамики охлаждения экструдатов КукЗ, получаемых на опытно-промышленной установке, приведены на рис.9. Выявлена возможность применения к этому процессу теории нестационарного теплообмена в условиях регулярного режима в среде с постоянной температурой,, для тела цилиндрической формы. Это позволило разработать метод расчета продолжительности охлаждения экструдата макропористой структуры других форм и размеров [11].

Равнонаправленость градиентов температур и концентраций влаги внутри и на поверхности экструдата определяет их самопроизвольное подсушивание после выхода из экструдера. Исследование этого процесса имеет большое практическое значение, так как его результаты позволяют правильно выбрать методы и режимы обработки экструдата после экструзии.

Изучен процесс

самопроизвольного подсушивания экструдатов, приготовленных ■ из различных видов сырья (КК, кукурузная и пшеничная крупы) при . разных режимах работы лабораторной и промышленной установок (V/ = 16,5 - 25%; г = 130-180°С) [36].

На рис.10 приведена динамика десорбции влаги экструдатами КК. В экструдатах, полученных из КК влажностью 18% при температуре 130 °С, изменение содержания влаги (\У, %) в зависимости от длительности их выдержки после выхода из экструдера (т, с) описывается уравнением (9) (г2 = 0,99):

\¥ = \У„-АГтв\ (9) где \Уо - начальная влажность экструдатов, равная 18%;

А] и В] - экспериментальные коэффициенты, которые равны, соответственно, 4,42 и 0,05.

\У,%

2000 3000

т.с

Рис.10 Процесс десорбции влаги экструдатами кукурузного крахмала при ВТКЭ

Образцы, полученные из КК влажностью 18,0% при температуре 180 °С, после непродолжительной десорбции влаги при охлаждении сорбировали влагу из окружающей среды (рис.10). В результате обработки экспериментальных данных получено уравнение (10) (г2=0,93):

\¥ = \\'0 - А2/1п т + В2/(1п т)2 + Б2/(1п т)3 (10) где А2, В2 и 02 - коэффициенты, которые соответственно равны: 102; 207; 172.

Установлено, что при ВТКЭ в крахмалопродукте после выхода из рабочей камеры . экструдера активно протекают тепломассообменные процессы, обусловливающие изменение физического состояния крахмальных клейстеров. В зависимости от вида сырья и режимов обработки наблюдаются различия в структуре и свойствах крахмалопродуктов. Высокая скорость десорбции влаги из крахмалопродуктов при выходе из экструдера приводит к резкому снижению их температуры, ускоряя переход аморфного биополимера из вязкотекучего в стеклообразное состояние. Экструдаты макропористой структуры приобретают хрупкость, что важно для их качественного измельчения в производстве модифицированных крахмалов и крахмалопродуктов. Результаты имеют большое значение в производстве закусочных продуктов, так как определяют продолжительность сохранения экструдатами хрустящих свойств.

3.5.7. Исследование физико-механических свойств экструдатов крахмалсодержащего сырья, полученных методом ВТКЭ Физико-механические свойства экструдатов необходимы при выборе и расстановке технологического оборудования для производства новых видов экструзионных крахмалопродуктов. Расчет материальных потоков и выбор оборудования не возможен без знания таких свойств продуктов, как плотность экструдатов, их насыпная масса после измельчения, сыпучесть, характеризуемая углом естественного откоса. Проведены опыты по определению физико-механических свойств экструдатов, полученных из КукЗ методом ВТКЭ. Исследована зависимость этих свойств от технологических параметров обработки на экспериментальной установке. Результаты экспериментальных данных приведены в табл.3.

Таблица 3

№ п/п Режим обработки До измельчения После измельчения

W,% Л с Плотность, кг/м3 Коэффициент расшнре Ш1Я Насыпная масса, кг/м3 Угол естественного откоса, град

без уплотн. с уплотн.

1 15 150 215 7,9 356 460 41,5

2 18 150 360 5,3 447, 570 40,2

3 21 150 410 4,9 472 . 593 39,2

4 15 180 186 5,9 240 325 42,6

5 18 180 200 5Д 269 376 41,5

6 21 180 221 4,7 279 392 40,4

Установлена взаимосвязь технологических параметров обработки и физико-механических свойств экструдатов, основанная на изменении макропористой структуры экструдатов. Увеличение влажности сырья и снижение температуры обработки приводит к получению экструдатов с порами разного размера и различной толщиной стенок пор. После измельчения экструдаты образуют частипы призматической формы или в виде пленок. Форма частиц определяет плотность их укладки, что проявляется в различных величинах их насыпной массы, особенно после уплотнения.

3.6. Исследование структуры и физико-химических свойств набухающих крахмалопродуктов, полученных ВТКЭ

Изучение структуры и физико-химических свойств новых видов модифицированных крахмалов проведено для уточнения режимов экструзии, охлаждения экструдатов, условий транспортирования, хранения, а также выработки рекомендаций по применению указанных продуктов у потребителя.

3.6.1. Микроскопические исследования

С помощью сканирующего электронного микроскопа, при увеличении в 400 раз, проведен анализ КК, измельченного КукЗ и экструдатов, полученных из этих видов сырья при различных условиях обработки. Определено, что набухающие крахмалопродукты существенно отличаются по внешнему виду в зависимости от режимов экструзии. Исследуемые образцы представляют собой полидисперсную систему, состоящую из частиц сухого клейстера различной формы с размерами от 6 до 300 мкм. Сопоставление размера и форм частиц экструдатов с их растворимостью в воде показало, что с увеличением содержания в образцах частиц в виде пластинок наблюдается возрастание растворимости экструдатов. Экструдаты, состоящие преимущественно из частиц призматической формы, характеризуются невысокой растворимостью.

Сравнительный анализ измельченных экструдатов КК и КукЗ равной растворимости позволяет сделать вывод о том, что крахмал, являясь основным компонентом сырья, определяет форму, размеры и свойства экструдатов.

3.6.2 Рентгеноструктурный анализ

Для изучения изменений структуры крахмала и крахмалсодержащего сырья при различных режимах ВТКЭ был применен метод РСА как наиболее объективный и точный. Анализу были подвергнуты образцы экструдатов КК и КукЗ, полученных из сырья различной влажности (15, 17, 23, 25%), при разной температуре обработки (145, 170, 180, 190°С) и частоте вращения шнека экструдера (0,68; 1,25; 1,83с"'). Рентгенограммы всех экструдатов имеют дифракционные линии, характерные для материалов с неупорядоченными аморфными структурами.Установлено, что ггри ВТКЭ в экструдатаХ происходит образование новых структур. Вероятно, при разных режимах обработки сырья изменяются условия перехода частично-кристаллического биополимера в вязкотекучее состояние и скорости релаксации деформаций й

напряжений в экструдатах при ретроградации. Характер этих процессов влияет на формирование структуры и физико-химических свойств экструдатов и определяет различие этих свойств.

3.6.3 Исследование процесса сорбции влаги

ВТКЭ приводит к изменению структуры полисахаридов крахмала, что влияет на способность экструдатов поглощать влагу из окружающей среды. По результатам исследований экструдатов крахмала и крахмалсодержащего сырья, полученных при различных режимах обработки , построены изотермы сорбции, некоторые из которых приведены на рис.11, и рассчитана их удельная поверхность. Зависимость относительной влажности среды (ф) и равновесной влажности экструдатов (\\-'р) выражается уравнением: Ф=а/[1+ехр(-(\Ур-Ь)/с)] (11)

где а,Ь,с - коэффициенты, зависящие от вида, состава сырья и условий его обработки. Величина этих коэффициентов приведена в табл. 4.Установлено, что сорбционная способность экструдатов зависит от вида сырья и режимов его обработки. Наибольшую равновесную влажность имеют экструдаты из крахмала, наименьшую - образцы, приготовленные из КукЗ. Для определения локальных экстремумов, характеризующих изменение форм связи влаги ' с продуктами, уравнение сорбции (11) было подвергнуто математическому анализу методом двойного

дифференцирования. При этом ордината первого экстремума определяет количественно содержание влаги мономолекулярного слоя \Ум,

сорбированного крахмалопродуктом. Она составляет от 4,5 до 6,3% в зависимости

от вида сырья и условий его обработки. , Завершение формирования мономолекулярного слоя влаги на поверхности экструдатов происходит при 9 < 0,2. При этом у экструдатов наблюдается снижение хрустящих свойств. Второй локальный экстремум, характеризующий завершение процесса

<?

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

■ •

--------- ------------

г /

2_ / /7 ' / '

V У 7 /а

! \

■ чу л 7 / 1

МКГ) 1

л'' « / / / к/У 1

0

10

15 20 25 \Ур,% Рпс.П.Изотермы сорбции влаги крахмалопродуктами 1- гель КарК 2- гельПшМ 3- ЭК 4-саго

полимолекулярной адсорбции паров влаги, наблюдается при влажности продуктов от 9 до 14%.

Таблица 4

№ п/п Продукт Величина коэффициентов Удельная поверхность, мг/,чоль Режим об] )аботки

а ь с \\',%

1 САГО 0.994 10.47 2.74 261 - 32 75-

2 ПФЧ ПшМ 0.817 9.359 0.92 314 29 1в=160 1ф=92

3 ПФЧ КарК 0.87 10.89 1.59 342 34 то же

4 Экструдат КК 0.927 11.167 2.54 253 25 145 '

5 Экструдат КК 0.921 11.96 2.31 262 25 . 175

6 Экструдат фосфатного КК 0.962 7.74 2.47 166 25 175

7 Экструдат КукЗ 0.882 9.09 2.13 216 17 180

8 Экструдат КукЗ 0.875 8.37 1.99 237 21 ' 180

При относительной влажности среды <р<0,75 экструдаты длительно сохраняют свои свойства. Энергия связи полимолекулярной адсорбции изменяется от 1,2 до 4,0 кДж/моль. Определены способы упаковки и условия хранения экструдатов, обеспечивающие сохранение ими органолептических свойств. 3.6.4. Исследование растворимости и водоудерживающей способности

экструдатов разных видов крахмалов Как показали проведенные исследования, на свойства экструдатов существенное влияние оказывает вид крахмала и его полисахаридный состав. Проведены исследования физико-химических свойств экструдатов из различных видов крахмалов, полученных ВТКЭ. АПК, КК, ПшК были увлажнены до 21%, КарК - до 23% и обработаны при одном и том же режиме. Результаты опытов приведены в табл.5. Сравнительная оценка экструдатов проведена по их растворимости в воде (1,%) и водоудерживающей способности (2,г/г) методом Шоха при различных температурах водных дисперсий от 20 до 70°С.

Полученные результаты хорошо согласуются с данными вышеизложенных экспериментов (раздел 3.3). На растворимость и водоудерживающую способность экструдатов существенное влияние оказывают вид крахмала и состав его полисахаридов. Экструдаты, полученные из крахмалов с низким содержанием амилозы и АЛК, предпочтительнее использовать в качестве загустителя пищевых систем, не требующих тепловой обработки. Экструдаты зерновых крахмалов, содержащие АЛК, сохраняют свойства водных дисперсий

при нагреве до 70 °С, их рекомендуется использовать в качестве стабилизаторов -в смесях, подвергающихся последующей тепловой обработке.

Таблица 5

Температура, Си

Вид крахмала 20 °С 30°С 40°С 50°С 60°С 70°С

1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

КарК 76,6 3,7 89,1 2,3 96,0 1,4 98,3 0,8 99,5 0,9 100 0,9

АПК 35,4 11,6 54,7 9,8 67,2 7,8 72,0 6,5 77,5 5,6 80,1 5,4

ПшК 48,3 4,9 49,1 5,5 51,4 5,6 57,5 5,9 61,7 6,0 69,2 5,9

КК 32,0 7,8 37,4 8,9 43,8 9,4 48,1 9,4 52,6 9,8 54,9 10,4

Выявлены различия растворимости и водоудерживающей способности экструдатов, зависящие в большей степени от состава полисахаридов крахмала. Установлено существенное влияние АЛК крахмалов на физико-химические свойства их экструдатов. Показана возможность прогнозирования свойств новых видов крахмалопродуктов и области их применения.

Из рисовой (ГОСТ 6292) и перловой (ГОСТ 5784) круп различной влажности методом ВТКЭ получены продукты быстрого приготовления. Изменение структуры и свойств сырья при обработке оценивали методами РСА и ДТА при скорости нагрева 5°С/мин от 20 до 500°С. Определяли степень кристалличности образцов и период их интенсивного разложения от начала деструкции до начала горения [21]. Особенности структуры биополимеров и продуктов, получаемых из них, оценивали также по динамике их гидратации, так как процесс взаимодействия крахмалопродутов с водой является основой практически всех способов их применения. Свойства полученных образцов сравнивали со свойствами варено-сушеных круп, приготовленных традиционным методом. Проведенные опыты показали, что для исследованных крахмалопродуктов, являющихся коллоидными капиллярно-пористыми телами, влагоперенос можно описать законом диффузии Фика[21 ].

Высокие значения коэффициентов диффузии влаги экструдатами от 1,9 ТО'5 до 1,9Т0~б м2/с позволяют использовать их в качестве продуктов быстрого приготовления, не требующих варки. Скорость их гидратации значительно выше, чем у варено-сушеных круп, приготовленных по традиционным технологиям. Результаты исследований влияния параметров обработки на свойства готовых продуктов позволили разработать способы получения круп быстрого приготовления и полуфабрикатов для различных отраслей пищевой промышленности, которые защищены а.с. СССР №1142090, 1449096, 1588354, 1666026, пат. РФ №2060688

3.6.5. Исследование влияний условий обработки на состав водорастворимой фракции полисахаридов экструдатов

Качественный анализ водорастворимой фракции экструдатов КК и КукЗ, полученных при различных режимах ВТКЭ, был проведен методом нисходящей хроматографии на бумаге (ленинградская марки «медленная»).

Установлено, что в КК и экструдатах КК отсутствуют моно- и дисахариды. Наличие этих сахаридов выявлено в КукЗ. В экструдатах КукЗ отмечено уменьшение содержания сахаридов, вероятно, вследствие их взаимодействия с другими компонентами сырья в процессе обработки. Сделан вывод о том, что при ВТКЭ происходит, в основном, изменение надмолекулярной структуры крахмала и в определенной мере деструкция полисахаридных цепей.

Исследование влияний условий обработки на процесс расщепления глюкозидных связей полисахаридов крахмала было проведено путем определения содержания РВ в экструдатах. Установлено, что в зависимости от условий обработки изменяется содержание РВ в экструдатах КК с 0,19 до 0,27%, экструдатах КукЗ с 0,25 до 1,12% [22].

Практическое значение имеет исследование состава водорастворимой фракции экструдатов, полученных в присутствии химических реагентов. Для оценки степени деструкции крахмала и распределения продуктов деструкции по молекулярной массе был применен метод турбидиметрического титрования водорастворимой фракции этанолом. Установлено, что увеличение концентрации кислоты в сырье повышает содержание низкомолекулярных продуктов деструкции полисахаридов крахмалов в экструдатах. Так, например, если при содержании 0,06% газа НС1 в КК в водорастворимой фракции его экструдатов содержание полисахаридов с СП>24 составляло более 75%, то при концентрации 0,1% газа НС1 этот показатель был менее 80%.

Сравнительная оценка кукурузных кислотных декстринов, полученных традиционным способом, показала, что состав их водорастворимой фракции близок к составу водорастворимых веществ экструдатов КК. Результаты исследований были использованы для разработки технологии модифицированных крахмалов, применяемых в производстве клеев (пат. РФ

№ 96113633, N298102429, а.с. СССР №1367412).

3.6.6 Исследование ферментативной атакуемостн экструдатов

С целью определения влияния режимов обработки КК и КукЗ на их свойства было проведено исследование ферментативной атакуемости экструдатов глюкоамилазой Г20х [14]. Установлено, что в водорастворимой фракции анализируемых образцов содержание глюкозы увеличивается с 0,4 у сырья до 7% у экструдатов. Это свидетельствует о повышении питательной ценности продуктов, получаемых ВТКЭ. Изменение режимов обработки, приводящих к усилению деструкции полисахаридов крахмала, проявляется в росте ферментативной атакуемости. Небольшие по величине показатели ферментативной атакуемости подтверждают сделанный ранее вывод о незначительной деструкции полисахаридов крахмала при ВТКЭ.

Определение изменений пищевой ценности крахмалсодержащего сырья при ВТКЭ было проведено также методом исследования содержания белка и анализом аминокислотного состава экструдатов [30]. Установлено, что в процессе ВТКЭ происходит денатурация белков и уменьшение содержания аминокислот в среднем на 6,6%. Наиболее существенное снижение количества

аминокислот наблюдается при высокой влажности сырья и температуре обработки. Однако отмеченные изменения в белковом комплексе зкструдатов не считаются существенно влияющими на общую пищевую ценность продукта, они сопоставимы с изменениями, протекающими при обычной кулинарной обработке продуктов питания [30].

3,7. Производственные испытания экструзионных крахмалопродуктов и реализация результатов исследований

На основании данных об изменении физико-химических свойств крахмала, полученных в результате проведенных экспериментальных исследований,были разработаны технологические схемы производства набухающих крахмалопродуктов и крахмалов методом ВТКЭ (рис.12 и 13). Для проведения промышленных испытаний набухающих крахмалопродуктов как стабилизаторов глинистых растворов в бурении и стабилизатора влажности формовочных смесей в литейном производстве в технологическом цехе ВНИИК была проведена выработка опытных партий нового вида модифицированного крахмалопродукта экструзионным способом [10].

Рис.12 Аппаратурно-технологическая схема производства ЭКР;

1,5,11-нория; 2-бункер; 3,12-дробилка; 4,6,13-шнек; 7-магиитная колонка; 8-экструдер; 9-сборник; 10- насос-дозатор; 14-бурат-иросеиватель.

Новый вид крахмалопродукта испытан в промысловых условиях производственных объединений «Беларусьнефть» и

«Калининградморнефтепром» для стабилизации буровых растворов. В результате испытаний межведомственной комиссией установлено, что ■ крахмалсодержащий реагент по своему стабилизирующему действию на соленасыщенные растворы не уступает модифицированному кукурузному

крахмалу, приготовленному на вальцовой сушилке. Реагент удобен в практической работе, удельный расход его на метр проходки находится на одном уровне с модифицированным крахмалом. Учитывая эффективность и экономичность нового технологического процесса, комиссия рекомендовала

крахмал

Рис.13.Аипаратурно-технологнческая схема производства модифицированных

крахмалов;

9-бункср :

10-весы

11-зашивочпая Машина

12-вентйлптор'

внедрению в бурении

1-подъемник

2-буикер

3-шнек

4-экструдср

ЭКР

5-пневмотранспортер

6-циклон

7-дробилка

8-просеиватель

к серийному производству и

скважин.

Производственные испытания набухающего крахмалопродукта в качестве стабилизатора влажности формовочных смесей на Одесском чугунолитейном заводе «Центролит» в цехе стального литья дали положительные результаты. Введение ЭКР в формовочные смеси позволяет получать формы без ужимин, с четким отпечатком, равномерно уплотненные, что значительно снижает брак форм и отливок. При этом существенно улучшается процесс приготовления смеси и на 30% снижается расход бентонита.

Ведомственные производственные испытания показали, что ЭКР является полноценным заменителем крахмалита, набухающего крахмала, получаемого на импортных вальцовых сушилках. Учитывая значительные упрощения технологического процесса получения ЭКР по сравнению с производством набухающего крахмала, снижение расхода сырья на производство стабилизаторов для технических целей, рабочими комиссиями, проводившими испытания ЭКР, рекомендована организация серийного производства этого крахмалопродукта. , ....

При внедрении производства нового вида крахмалопродукта были созданы оригинальные установки и новые рецептуры, которые защищены а.с. СССР № 906796; 1482929.

Замена набухающего крахмала ЭКР приносит значительную экономию в промышленности вследствие сокращения длительности технологического процесса производства, резкого сокращения удельного расхода зерна и энергоресурсов, ликвидации потерь сухих веществ, безотходности производства, ликвидации сезонности в работе крахмальных заводов. К настоящему времени по разработанной технологии выработано более 120 тыс. тонн ЭКР.

Изменение физико-химических свойств крахмала и крахмалопродуктов с добавками монофосфата натрия при ВТКЭ позволяет использовать их в качестве улучшителя макаронных изделий. Технологическая оценка новых видов модифицированных крахмалопродуктов проведена во ГосНИИХП при изготовлении макаронных изделий. Добавка этих улучшителей в количестве 5 -10% повышает сохранность формы готовых изделий. Применение этих добавок улучшает товарный вид изделий - цвет, стекловидность и дает возможность получать изделия подвесной и кассетной сушки из муки мягких сортов пшеницы на действующем оборудовании без изменения режимов их производства. Эти результаты подтверждены опытно-производственной проверкой в ПО «Ашхабадхлеб» [29]. Разработаны рекомендации по применению этих добавок при выработке длинных макаронных изделий. Утверждена нормативно-техническая документация на производство экструзионных крахмалопродуктов. Способы применения экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов в производстве макаронных изделий защищены а.с. СССР №1338834, 11344308.

Особенности физико-химических свойств экструзионных крахмалопродуктов заинтересовали многих производителей пищевых продуктов. Они нашли применение в различных отраслях пищевой промышленности. В производстве сухих полуфабрикатов соусов (а.с. СССР №1142090), круп быстрого приготовления (а.с. СССР №1449096, пат. РФ 2060688), улучшителей хлебобулочных (а.с. СССР №1552412) и кондитерских изделий (а.с. СССР № 1588354,1666026).

4. Исследование структуры и свойств крахмалопродуктов, полученных методом варочной экструзии

Варочная экструзия (ВЭ) является методом получения крахмалопродуктов макропористой структуры непрямым экспандированием. В отличие от ВТКЭ, процесс получения крахмалопродуктов макропористой структуры методом ВЭ состоит из двух этапов, которые могут быть разделены по времени их выполнения: получение из крахмалсодержащего сырья и крахмала сухих пластинок клейстеров (полуфабрикатов чипсов); превращение полуфабрикатов в крахмалопродукты макропористой структуры при термической обработке. Существенным преимуществом ВЭ является получение после первого этапа

пластинок сухих клейстеров, которые длительное время (более года) сохраняют свои свойства, что дает возможность проведения второго этапа процесса термической обработки полуфабрикатов чипсов (ПФЧ) в местах потребления крахмалопродуктов макропористой структуры. Эта технология известна давно, однако до сих пор не выяснены причины образования дефектов структуры ПФЧ при их обезвоживании и нестабильности качества готовых продуктов.

Исследованы изменения структуры и свойств экструдатов при ВЭ с целью выбора оптимальных режимов обработки экструдата, обеспечивающих получение готовых макропористых продуктов стабильного качества.

4.1. Исследование структуры высококонцентрированных крахмальных гелей при их обезвоживании

В течение кратковременного процесса ВЭ на высококонцентрированную систему одновременно воздействуют довольно большие величины физических факторов (температуры, механических напряжений). Такие условия обработки определяют высокую неравновесносгь состояния макромолекул полисахаридов в клейстере, выходящем из экструдера. Последующие технологические операции с экструдатом (нагрев, сушка, охлаждение) могут сопровождаться упорядочением его структуры, что отрицательно скажется на потребительских свойствах готовых изделий.

Рис,14.Термограммы гелей картофельного (1) и горохового (2) крахмалов различной влажности

При нагреве высококонцентрированных гелей, вследствие увеличения подвижности макромолекулярных цепей, образуются более равновесные структуры. Протекание этого процесса может сопровождаться изменением линейных размеров высококонцентрированных клейстеров, что позволяет зарегистрировать их методом ТМА. Для оценки упорядоченности структуры

был использован метод РСА. Объектами исследований являлись специально приготовленные пластинки гелей КарК,ПшК и ГК с влажностью от 15 до 40%. Результаты оценки изменений гелей картофельного и горохового крахмалов приведены на рис Л 4.Установлено, что природа крахмала не влияет на характер изменения линейных размеров образцов. При нагреве вначале наблюдается их

увеличение размеров, сменяется «усадкой».

линеиных которое затем их некоторой - Температура,

Сс

«о

35

Рис.15. Зависимость температуры усадки гелей ПшК(1), ГК(2), КарК(З) от их влажности

соответствующая этому переходу, названа нами температурой усадки. Вероятно, характер изменения линейных размеров образцов связан с некоторым упорядочением их структуры. Исследование образцов из клейстеров горохового крахмала методом отжига (кратковременная выдержка при температуре, превышающей температуру

усадки на 5-7°С) показало, что после отжига наблюдается образование упорядоченных структур[56]. Величина упорядоченности возрастает с увеличением влажности образцов. Зависимость температуры усадки от влажности высококонцентрированных гелей крахмалов разных видов приведена на рис.15. Установлено, что при нагреве высококонцентрированных клейстеров, независимо от вида крахмала, возможно упорядочение структуры. Для предотвращения этого явления при сушке высококонцентрированных гелей их температура не должна превышать 60°С.

4.2. Исследование процесса сушки высококонцентрированных крахмальных гелей При ВЭ крахмала получают высококонцентрированные гели, которые необходимо подвергнуть консервированию обезвоживанием до равновесной влажности (не более 13%). На специально созданной экспериментальной установке проведено исследование процесса сушки конвективным способом пластинок клейстеров из КарК и ПшМ воздухом с температурой 22, 45, 60, 75°С. Максимальная продолжительность сушки составляла 90 мин. В результате математической обработки экспериментальных данных получена аналитическая зависимость влажности образцов (№,%) от температуры сушильного агента 0,°С) и продолжительности сушки (т, мин): Щ) - а ■ ехрф ■ а) 1 + е-тт-(" +а'ехР^'/>. (12)

Значения экспериментальных коэффициентов этого уравнения и коэффициент корреляции опытных и расчетных данных приведены в табл. 6.

,_Таблица б

Наименование образца а Ь'104 еЮ3 ш п 'г2

Гель КарК 8,25_ -5,8 95,1 0,84 1,44 0,98

Гель ПшМ 8,90 -94 44 0,69 0,20 0,99

Установлено, что увеличение температуры сушильного агента с 22 до 75°С приводит к значительному сокращению продолжительности сушки, но при этом через 5-8 мин сушки при 60 и 75°С у образцов наблюдалось появление дефектов формы. При 45 °С гели из муки достигают равновесной -влажности через 60 мин, а из КарК - через 90 мин сушки. Проведенная оценка микроструктуры гелей из муки до и после сушки при 45°С показала, что сухие образцы не имеют кристалличности. По сравнению со структурой влажных клейстеров она становится лишь более упорядоченной. Сушка гелей в таких условиях обеспечивает высокое качество крахмалопродуктоа . макропористой структуры, получаемых методом варочной экструзии, что установлено данными микроскопического анализа. Подтверждена, ■ правильность рекомендаций по выбору режима сушки, сделанных в предыдущем разделе.

4.3. Исследование механизма образования ксерогелей крахмала

макропористой структуры при термической обработке Основной технологической операцией получения крахмалопродуктов макропористой структуры методом ВЭ является термическая обработка ПФЧ.

100 125 150 175 200 ^"С

Рис.16. Влияние температуры на плотность п структуру сухих гелей картофельного крахмала

Увеличение: 1-х 100 2-х 500

Как было показано ранее, задачей всех предыдущих операций является получение и сохранение крахмального клейстера аморфной структуры. По аналогии с синтетическими полимерами биополимеры аморфной структуры могут находиться в стеклообразном, высокоэластическом или вязкотекучем состояниях. Переход из одного состояния в другое определяется критическими значениями температур стеклования (расстекловывания) и приводит к изменению их физического состояния, характера испарения влаги и, соответственно, макропористости готового продукта. Пластинки клейстеров подвергались термической обработке на специально созданной экспериментальной установке в пределах от 120 до 200°С, с интервалом 10°С. Крахмалопродукты оценивали по плотности структуры, жироудерживающей способности, органолептическим свойствам. С помощью сканирующего микроскопа исследовали их макроструктуру, а методом РСА - степень кристалличности! 56 ].

Установлено, что при температурах обработки выше 135° С происходит значительное изменение формы и структуры гелей (рис.16). Повышение температуры обработки сухих гелей не приводило к снижению плотности макроструктуры крахмалопродукта, а влияло лишь на изменение форм и размера пор. Так, если при t = 140-170°С в структуре преобладали поры большого размера с толщиной стенок 50-120 мкм, то при t>175°C наблюдалось образование значительного количества мелких пор с тонкими стенками (5-50 мкм).

Зависимость плотности макроструктуры гелей (р, кг/м3) от температур обработки (t,°C) описывается уравнением (г2 = 0,99):

p = A + B/tl + (í/c)"] (13)

Коэффициенты этого уравнения А, В, с, d, зависящие от состава сырья и условий обработки,

соответственно, равны: 0,227; 1,12; 142, 23; 167,2- для клейстера КарК и 0,158; 1,23; 141,2; 58,3- для клейстера ПшМ.

Результаты РСА

показали отсутствие

кристаллических структур у крахмальных гелей га КарК и ПшМ как до, так и после обработки.

Температура обработки выше 190°С приводит к потемнению крахмальных гелей вследствие начала их

t с

230

180

130

80

30

1 2

вяз со <отекучее стояние

высо / / L/.И / ичес ние ■

стеклообразное состояние

5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0

Рис.17. Влияние массовой доли влаги на температуру стеклования и текучести гелей картофельного крахмала

1- экспериментальные данные [Вцо1 Н.,1

2- расчетная зависимость

термической деструкции и образования меланоидинов.

Основываясь на ранее полученных данных о сходности свойств частично кристаллических синтетических полимеров и биополимера-крахмала, можно предположить, что и в аморфном состоянии гели крахмала подобны аморфным синтетическим полимерам. Температура стеклования Тп крахмальных гелей подробно изучена Н.В1201. Результаты этих исследований приведены на рис.17 (кривая 1). Используя известную в физике полимеров зависимость, связывающую Тст и Ттек, нами проведены расчеты Ттск для клейстеров Кар К [48]. Расчетные данные Ттек представлены кривой 2 на рис. 17.

Результаты расчетов Ттек показали, что разница ее величин и величин Тст составляет 64 С, что хорошо согласуется с экспериментальными данными микроскопических исследований и результатами органолептической оценки крахмалопродуктов макропористой структуры.

Анализ микрофотографий внешнего вида поверхности и сколов макроструктуры крахмалопродуктов позволил выявить закономерность изменения их пористости при различных условиях термической обработки ПФЧ.

Установлено, что сухие пластинки клейстеров, содержащие 10... 12% воды, при температуре до 120°С находятся в стеклообразном состоянии, в диапазоне температур от 120 до 180°С - в высокоэластическом, а при температурах выше 180°С - в вязкотекучем состоянии. Полученные результаты положены в основу разработки режимов термической обработки ПФЧ. Для ПФЧ влажностью 10... 12% установлены оптимальные условия обработки -180...190°С.

Проведены исследования влияния вида крахмала на качество крахмалопродуктов макропористой структуры при ВЭ [56]. Установлено, что крахмалы, не содержащие АЛК (КарК и АПК), наиболее пригодны для производства крахмалопродуктов макропористой структуры этим методом. Крахмалы с высоким содержанием амилозы (ВАК, ГК) не рекомендуется использовать в производстве продуктов макропористой структуры методом ВЭ.

4.4. Исследование сорбционных свойств крахмалсодержащнх ксерогелей макропористой структуры, полученных методом ВЭ

При термической

обработке происходит увеличение поверхности

ПФЧ

значительное удельной гелей с

одновременным их

обезвоживанием до

влажности ниже

равновесной. Вследствие этого возможна сорбция продуктом влаги из окружающей среды. При этом вероятен переход крахмального клейстера из стеклообразного состояния

I_

Б ,

Г

- п

<1\У/<1т

1,5

1,0

0,5

О

10

15

т,ч

Рис.18. Динамика (I) и кинематика (II) сорбции влаги гелями макропористой структуры, полученных из КарК (Б) и ПшМ

в высокоэластическое, что приведет к ухудшению органолептических свойств крахмалопроду ктов.

Исследован процесс сорбции влаги сухими пористыми гелями КарК и ПшМ из воздуха окружающей среды = 20°С, ср = 55%) сразу после окончания термической обработки ПФЧ (рис.18). Процесс сорбции влаги крахмальными ксерогелями в зависимости от времени их хранения (т, ч) описывается

следующим уравнением (г2 = 0,99) :

А + В • г

. * = ЦГ ° + ~Б~ТТ~'

где - массовая доля влаги в гелях сразу после термической обработки; А, В,

Б - экспериментальные коэффициенты, для ксерогеля КарК они равны

4,8; 9; 28; для геля ПшМ, соответственно: 3,6; 7,3; 19 .

Результаты проведенных исследований использованы для определения предела продолжительности обработки пористого ксерогеля, которая не должна превышать 3 ч. Упаковка готовой продукции должна производиться в герметичную тару. Эти крахмалопродукты необходимо хранить в помещениях с относительной влажностью воздуха <р<0,4.

Результаты проведенных исследований положены в основу разработки технологии производства крахмалопродуктов макропористой структуры методом ВЭ.

В соответствии с российско-белорусской программой разработана аппаратурно-технологаческая схема и нормативная документация на производство крахмалопродуктов макропористой структуры методом ВЭ - чипсов (рис.18).

Рис.19. Аппаратурно-технологическая схема производства чипсов

1 - бункер 4 - экструдер 7 - обжариватель

2-дозатор 5-сушилка 8-дражерователь

3 - смеситель 6 - бункер 9 - дозатор

Технологические режимы производства ПФЧ проверены с положительным результатом в условиях опытного производства АОЗТ «ТехНорд» (С.-Петербург).

5, Разработка технологии получения крахмальной крупы методом холодной экструзии

5.1. Исследование влияния параметров обработки крахмала на степень его

клейстеризации

В предыдущих разделах работы показано, что в процессе ВТКЭ и ВЭ частично упорядоченная структура крахмала преобразуется в крахмальный клейстер аморфной структуры стеклообразного состояния. При этом крахмалопродукты приобретают важные для потребителей свойства частичного диспергирования и набухания в холодной воде, полностью изменяя свою форму и структуру. Сухие пластинки крахмальных клейстеров, полученые методом ВЭ, практически не диспергируются и не набухают даже в горячей воде, их переход из стеклообразного в высокоэластическое состояние возможен только при температурах более 130°С. Используя возможность экструзии направленно изменять структуру и свойства крахмала, можно выбрать такие режимы обработки природного полимера, которые будут обусловливать частичную клейстеризацию крахмала и получение композиционного материала гетерогенной структуры, обладающего при гидротермической обработке свойствами, аналогичными свойствам традиционных

макаронных изделий.

Этот крахмалопродукт будет состоять из нативных или частично клейстеризованных зерен крахмала и крахмального клейстера, который выполняет роль пластификатора при формировании безбелковых круп. Гетерогенность этих крахмалопродуктов позволит сохранить, во-первых,

способность к гидратации в горячей воде и, во-вторых, -форму, образуя при этом структуру и консистенцию, свойственную вареным

макаронным изделиям.

В результате исследований процесса обработки КК, увлажненного от 30 до 40% на экспериментальном экструдере при 70°С, установлено существенное влияние влажности сырья на

Рис.20. Термограммы саго ш КК различной влажности: 1- контроль; 2- 40%; 3 - 35% ; 4- 30%

степень клейстеризации крахмала (рис.20). Определены граничные условия технологических параметров экструзионной обработки КК с целью получения безбелковых крупяных изделий. При этом влажность крахмала изменяется от 30 до 42%, а температура обработки от 60 до 80°С. Степень деструкции крахмала оценивали по степени клейстеризации, определяемой по изменению его йод-связующей способности. Изменение структуры исследовали с применением электронной микроскопии, ДСК, РСА. Оценивали варочные свойства образцов крахмалопродуктов, определяя содержание сухих веществ в варочной воде и органолептические свойства крупы до и после варки. Качество безбелковой крупы оценивали также по кинетике

ее набухания

Установлено,

определенных

технологических

происходит

в воде, что в границах параметров частичная

Рис.21.3ависимость степени клейстеризации от температуры обработки и влажности КК

клейстеризация крахмала. Увеличение влажности крахмального теста снижает степень клейстеризации крахмала. Получаемые при этом гранулы крупы при варке полностью теряют свою форму, снижение температуры обработки также ухудшает качество крахмальной крупы. Установлена взаимосвязь степени клейстеризации крахмала и варочных свойств крупы. Удовлетворительные варочные свойства имеет крупа, полученная из крахмала со степенью клейстеризации от 45 до 55%. При этом содержание сухих веществ в варочной воде снижается с 9,1 до 6,9%.

Степень клейстеризации крахмала была выбрана в качестве критерия оптимизации при проведении метода рационального планирования эксперимента. Получена зависимость степени клейстеризации крахмала (Ккл,%) от влажности сырья (VI,%) и температуры обработки (г,°С) в виде уравнения:

Ккл = 0,123 -(1-1,13 • 105

Г3)-^2-76,1\У + 2064)

(15)

Зависимость степени клейстеризации от технологических параметров обработки представлена в виде контурных графиков на рис.21, по которым можно определить режимы формования крахмалопродуктов с необходимой степенью клейстеризации крахмала.

5.2. Исследование процесса сушки безбелковых изделий

Получаемые после формования полуфабрикаты имеют влажность 29-36%. Для придания этим изделиям способности длительное время храниться в

нормальных условиях их необходимо сушить до равновесной влажности II-13%. Исследовали процесс конвективной сушки образцов при температуре сушильного агента 20, 35, 50, 75°С на специально созданной экспериментальной установке. Продолжительность сушки составляла 90 мин. Сушке подвергали образцы безбелковой вермишели диаметром 2,2 мм, длиной 40-60 мм и крупы из крахмала - саго - диаметром 3,7 мм, длиной 3,9 мм. В процессе опытов установлено, что сушка саго протекает гораздо интенсивнее, чем вермишели из крахмала, вследствие большой удельной поверхности крупы. У образцов саго и вермишели, высушенных при 75°С, отмечено большое количество микротрещин, приводящих к их ломке. Вероятно, при высоких температурах сушки создаются внутренние напряжения, приводящие к образованию дефектов структуры безбелковых изделий. Рекомендуется применять невысокие температуры сушки 40...50°С. Процесс сушки крахмалопродуктов описывается следующими уравнениями (г2=0,97): для саго

\У=(\У„-25,4 ехр(-0,027 1)) / (1+0,0019 т 0 + 25,4 ехр(-0,027 О

для вермишели

\У = (\¥„-19,2 ехр(-0,017 0) / (1+0,0057 т ^'и) + 25,4 ехр(-0,027 0

Установлено, что продолжительность сушки полуфабриката саго и вермишели при 1=50°С равна 50.. .65 мин.

5.3. Исследование структуры крахмальной крупы

Анализ результатов микроскопических исследований- -показал, что в образцах крупы, полученной из крахмала с низкой (30%) и высокой (45%) влажностью, обнаружены частично деформированные и отдельные,нативные зерна, связанные крахмальным клейстером. Крупа, полученная из крахмала влажностью 35% , не содержит нативных зерен крахмала. Она состоит из деформированных зерен, связанных крахмальным клейстером. Исследование структуры крупы методом РСА показало, что крупа, полученная из крахмала влажностью 30 и 45%, сохраняет большую долю упорядоченной структуры. Значительно меньше таких структур у крупы, приготовленной из крахмала влажностью 35%. Результаты этих анализов подтверждают гетерогенность структуры крахмальной крупы.

5.4. Исследование сорбционных свойств безбелковых изделий

С целью определения условий хранения и выбора вида упаковки безбелковых круп была исследована их сорбционная способность тензиметрическим методом. Опытные данные зависимости равновесной, влажности крахмалопродукта и относительной влажности среды с высокой степенью достоверности описываются уравнением (11). Значения экспериментальных коэффициентов этого уравнения приведены в табл.4. Анализ опытных данных позволяет определить равновесную влажность саго (13,2%) при хранении в складских помещениях с влажностью воздуха, не

превышающей 75%. Длительное хранение крахмалопродукта в этих условиях не ухудшает его потребительских свойств. К упаковочным материалам особых требований не предъявляется.

Результаты этих исследований положены в основу разработки технологического регламента и промышленной линии производства крупы из крахмала - саго на Бучанском крахмальном заводе. На новый вид продукта разработан ОСТ 10-23-86. Способ производства саго защищен а.с.СССР №1537674. Аппаратурно-технологическая схема производства саго приведена на рис.22.

Рис. 22. Аипаратурно-технологическая схема производства саго: 1, 8-бункер; 2-дозатор; 3-смеситель; 4-шнековый пресс; 5- сборник; 6- насос-дозатор; 7- сушилка; 9- просеиватель.

Усовершенствование традиционной технологии саго на Бучанском заводе позволило высвободить 30% производственной площади, 9 единиц технологического оборудования, на 50% уменьшить потребление пара, существенно улучшить условия труда [34] .Дегустационная комиссия положительно оценила качество саго, выработанного по новой технологии. Усовершенствованная технология саго на Бучанском крахмальном заводе принята ведомственной комиссией Госагропрома УССР и рекомендована для внедрения на предприятиях крахмало-паточой промышленности [42]. По указанной технологии выработано более 12 тыс.т саго. Результаты исследований использованы при разработке нормативно-технической документации на производство безбелковых продуктов для детского лечебного питания.

крахмал

7

саго

Выводы

Выполнены комплексные исследования по созданию научных основ технологий и организации производства новых видов экструзионных. крахмалов и крахмалопродуктов для различных отраслей пищевой промышленности и технического применения.

К наиболее значимым результатам исследований относятся следующие.

1. Дано теоретическое обоснование предложенной классификации методов экструзионной обработки крахмала и крахмалсодержащего сырья (ВТКЭ, ВЭ, ХЭ), основанное на особенностях процесса клейстеризации крахмала при ограниченном содержании влаги (16...40%). Научно обоснованы и разработаны технологии новых видов крахмалопродуктов с заданными сруктурой и функциональными свойствами (модифицированные крахмалы; крахмалопродукты, готовые к употреблению; продукты быстрого приготовления и лечебного назначения).

2. Изучено влияние соляной и лимонной кислот, алюминиево-калиевых квасцов, натрия фосфорнокислого однозамещёлного на физико-химические свойства кукурузного крахмала при экструзионной обработке, испытанные реагенты образуют ряд каталитической активности: соляная кислота > квасцы > монофосфат. Научно обоснованы технологические режимы производства новых видов пищевых добавок с заданными свойствами и клеев быстрого приготовления.

3. Выявлены закономерности изменения структуры и свойств высококонцентрированных крахмальных гелей при нагреве, предложены аналитические зависимости фазовых состояний гелей от температуры. Обоснованы режимы основных технологических операций: температуры сушки (^=40...50 °С) и термической обработки 0=180...190 °С) при получении крахмалопродуктов макропористой структуры методом варочной экструзии.

4. Установлены технологические режимы получения гетерогенных систем, содержащих как частично клейстеризованньш, так и нативный крахмал (1=60.. .80 "С, № = 30.. .40%). Результаты использованы для научного обоснования производства новых видов безбелковых продуктов диетического и лечебного питания. ;

5. На основании результатов исследования структуры и функциональных свойств новых видов крахмалопродуктов, полученных, различными методами экструзии, определены условия, сроки хранения и способы их применения.

6. Разработана и утверждена нормативно-техническая, документация на производство новых видов крахмалопродуктов: экструзионный ■ крахмал, безбелковые лечебные продукты (саго, вермишель, "Снежок"), декстрин, клей быстрого приготовления, экструзионный крахмалсодержащий реагент для бурения и литейного производства, полуфабрикат чипсов. -

7. Разработанные технологии внедрены на 20 заводах. Выработано более 130 тыс.т экструзионного крахмалсодержащего реагента для бурения и литейного производства и более 20 тыс. т крахмалопродуктов пищевого назначения. Экономический эффект от производства и применения новых видов модифицированных крахмалов и крахмалопродуктов составил более 20 млн.руб.

Новизна технических решений подтверждена 17 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ на изобретения.

Сокращения и обозначения

АП - амилопектин АЛК - амилозолипидный комплекс АПК - амилозопектиновьш крахмал ВАК - высокоамилозный крахмал ГК - гороховый крахмал КарК - картофельный крахмал КК - кукурузный крахмал ПшК - пшеничный крахмал КукЗ - кукурузное зерно ПшМ - пшеничная мука ПФЧ - полуфабрикат чипсов ДСК - дифференци&чьно-сканирующая калориметрия

- дифференциально-термический анализ

• рентгеноструктурный анализ

- термомеханичсский анализ

- гидротермическая обработка ВТКЭ - высокотемпературная

кратковременная экструзия варочная экструзия холодная экструзия редуцирующие вещества, % степень полимеризации

Р - растворимость, %

Ву - водоудерживающая способность, г/г

СВ - сухие вещества, %

р - плотность, кг/м3

(1 - вязкость, мПа-с

I - температура, °С

Т - температура, К

Р - давление, Па

N - мощность, кВт

N3 - удельный расход электроэнергии, кВт-ч/т

ДТА

РСА ТМА ГТО

ВЭ ХЭ РВ СП

Ф

По

Ккл Ск Ккр Ки Q т

W

Wp F

А, В, С, D - экспериментальные коэффициенты

- относительная влажность воздуха

- число оборотов, мин"1

- степень клейстеризации, %

- концентрация реагента, %

- степень кристалличности, %

- коэффициент измельчения, %

- производительность, кг/'ч

- время,с

- массовая доля влаги, %

- влажность равновесная, % - площадь, м2

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1. Жушман А.И., Коптелова Е.К., Карпов В.Г. Экструзионная обработка крахмала и крахмалсодержащего сырья. - М.:ЦНИИТЭИПищепром, 1980,-Сер.5.-Вып,3.-35с.

2. Жушман А.И., Карпов В.Г., Костенко В.Г. Опыт промышленного освоения технологии набухающих крахмалопродуктов.- М.:ЦНИИТЭИПищепром. -1982.-Сер.5.-Вып.5.-32с.

3. Жушман А.И., Коптелова Е.К., Карпов В.Г. Новое в технике и технологии набухающих крахмалопродуктов.- М. :ЦНИИТЭИПищепром,-1986.-Сер.5.-Вып.2.-28с.

4. Жушман А.И., Карпов В.Г,, Коптелова Е.К. Современные достижения в технологии экструзионных крахмалопродуктов.-М.: АгроНИИТЭИПП.-1989.-Сер. 19.-Вып.4.-24с.

5. Жушман А.И., Карпов В.Г., Коптелова Е.К. Новое в технике и технолгии производства пищевых продуктов экструзионным методом.-М.: Информагротех.сер. Машины и оборудование для перерабатывающих отраслей АПК.-1991.-56с.

6. Карпов В.Г. Технология и физико-химические свойства экструзионных крахмалопродуктов.-М. : АгроНИИТЭИПП,-1991 .-Сер. 19.-Вып.2 .-25 с.

7. Жушман А.И.,Карпов В.Г., Коптелова Е.К., Краус C.B. Опыт организации производства новых видов модифицированных крахмалов..-М. :АгроНИИТЭИПП.-1992 .-Сер. 19.-Вып,3.-32с.

8. Жушман А.И., Карпов В.Г., Краус C.B., Ордокова А.И. Новое в технологии экструзионных закусочных продуктов.-М.: Arpo НИИТЭИ1111.-1993 .-Сер. 19.-Вып.2.-28с.

Научные статьи в журналах, сборниках трудов, тезисы докладов

9. Карпов В.Г., Жушман А.И. Векслер Р.И. и др. Изменение свойств крахмала и крахмалсодержащего сырья в результате экструзионной обработки.-//Сахарная пром-сть,- 1978.-№3.-С.6

10. Жушман А.И., Коптелова Е.К., Карпов В.Г. Проверка технологии получения экструзионного крахматопродукта на Кореневском опытном заводе.//Сахарная промышленность,- 1979.-№12.-C.33-35.

П.Жушман А.И., Карпов В.Г., Коватенок В.А. Длительность охлаждения крахмалопродуктов после обработки в экструдере.//НТРС«Крахмалопаточная промышленность». М.:ЦНИИТЭИПищепром.-1980.-Вып.2.-С.1-4.

12.Жушман А.И., Карпов В.Г., Посадков A.B., Кисляков А.Д. Особенности транспортирования измельченного и увлажненного крахмалсодержащего сырья. //НТРС «Крахмалопаточная промышленность».-М.:ЦНИИТЭИ Пищепром.-1980.-Вып.4.- С.12-15.

13.Азаров Б.М., Жушман А.И., Карпов В.Г. Изменение плотности крахмалсодержащего сырья при экструзионной обработке. //НТРС «Крахмалопаточная промышленность». -М.:ЦНИИТЭИПищепром,-1980.-Вып.6.-С.1-8.

14.Жушман А.И., Пихало Д.М., Карпов В.Г. Структурные изменения крахмала в процессе экструзионной обработки. //НТРС «Крахмалопаточная промышленность».-М. :ЦНИИ ТЭИ Пищепром.-1981 .-Вьга.З .-С.9-11.

15. Жушман А.И., Карпов В.Г. Влияние длительности увлажнения на свойства экструзионных крахмалопродуктов. //НТРС «Крахмалопаточная промышленность».-М.:ЦНИИТЭИПищепром.-1981.-Вып.4.-С.12-15.

16. Коптелова Е.К., Жушман А.И., Карпов В.Г., Карпова Т.А. Экономическая эффективность производства экструзионных крахмалопродуктов. //«Сахарная промышленность».-М.-1981.-№11.-С.45-47. - . /

17. Жушман А.И., Карпов В.Г., Векслер Р.И. , Гришина В.Г. Механическая модификация .крахмалов. //НТРС «Крахмалопаточная промышленность»-М.: ЦНИИТЭИ Пищепром.-1981.- Вып.2.-С.5-8.

18. Жушман А.И., Карпов В.Г., Костенко В.Г. и др. Об использовании пресс-экструдера ПЭК-125х8 в производстве набухающих крахмалопродууктов. //«Сахарная промышленность».-М.-1983.-№6.-С.44-46.

19. Костенко В.Г., Карпов В.Г. Производство набухающих крахмалопродууктов. //«Сахарная промышленность».-М.-1983.-№9.-С.42.

20. Жушман А.И., Карпов В.Г., Иващенко П.А. Изменение свойств и структуры кукурузного крахмала и муки при экструзионной обработке. //«Сахарная промышленность».-М,-1985.-№3.-С.39-40.

21. Хейфец И.Б., Карпов В.Г. Об изменении структуры крахмалсодержащего сырья при получении продуктов быстрого приготовления. //«Сахарная промышленность» ,-М.-198б.-№7.-С.50-52.

22. Жушман А.И., Карпов В.Г., Коптелова Е.К. Влияние экструзии на свойства кукурузного крахмала.// «Сахарная промышленность».-М.-1986.-№ 12.-С.38-41.

23. Хейфец И.Б., Ковалевская Л.П., Карпов В.Г. Выбор способа производства продуктов быстрого приготовления из крупяного сырья. //Экспресс-информация «Консервная, овощесушильная и пищеконцентратная промышленность».-М.:ЦНИИТЭИПП.-1986.-Вып.5.-С.4-9.

24. Шипулина Е., Линниченко В., Козлова И., Карпов В. Оптимальные режимы экструдирования. //«Мукомольно-элеваторная и комбикормовая промышленность».-М.-1987.-№7.-С. 19-20.

25. Ковалевская Л.П., Хейфец И.Б., Карпов В.Г. Производство концентратов способом экструзии. //Экспресс-информация оборудования для продовольственных отраслей промышленности.-М.:ЦНИИТЭИПищепром.-1986.-Вып.5.-С.4-6.

26. Ковалевская М.Ф., Жушман А.И,, Карпов В.Г. Влияние условий экструзионной обработки на деструкцию картофельного крахмала. //М.: АгроНИИТЭПП.-1989.-Вып.7.-С.11-13.

27. Карпов В.Г., Коптелова Е.К. Экономическая эффективность внедрения технологии производства саго с применением экструзионной техники. //М.: АгроНИИТЭПП.-1989.- Вып.17.-С.17-20.

28. Коптелова Е.К., Карпов В.Г., Попова Н.М., Абросимова H.H. Влияние фосфата натрия на свойства экструзионного крахмала. //М.: АгроНИИТЭПП,-1989.-Вып.9.- С.15-18.

29. Калинина М.А., Парфенова С.А., Жушман. А.И., Коптелова Е.К., Карпов

B.Г. и др. Модифицированные крахмалопродукты - улучшители макаронных изделий. //«Хлебопродукты». -М.-1990.-№1ю-С.41-43.

30. Краус С.В..Карпов В.Г., Влияние экструзионной обработки крупяного сырья на белковый комплекс продуктов. //М,АгроНИИТЭПП.-1990.-Вып.1,-

C.25-28.

31. Ковалевская М.Ф., Жушман. А.И., Карпов В.Г. Влияние условий экструзионной обработки на физико-химические свойства экструдатов картофельного крахмала.//М,АгроНИИТЭПП.-1990.-Вып.2.-С;24-25.

32. Карпов В.Г., Хейфец И.Б.. Леонотьева И.М. Выбор режима сушки крахмалопродуктов. //«Пищевая промышленность».-М.-1990,- №1,- С.47-48.

33. Карпов В.Г., ., Коптелова Е.К., Мохорт Н.Г. Усовершенствование технологии саго.-// «Пищевая промышленность».-М.-1990,- №2.-С.47-48.

34. Давыдова Н.И., Карпов В.Г.,Жушман А.И. Сорбционная способность крахмалопродуктов на основе гороха. -//«Пищевая промышленность».-М.-1991.-№1.-С.61-бЗ.

35. Карпов В.Г., Бакулина Л.Ф., Очинникова A.C. Технология крахмалопродууктов с повышенным содержанием белка для кондитерской промышленности.//ВНИИТЭИАгропром.-М.-1991.-Вып.3. С.20-24.

36. Карпов В.Г.,Давыдова Н.И. Динамика изменения влажности экструдатов круп. .//ВНИИТЭИ Агропром.-М,-1991 .-Вып.3. С.27-29.

37. Карпов В.Г., Краус С.В. Безбелковые лечебно-диетические крахмалопродукты. //Тезисы докладов Всес. научной конференции «Итоги и перспективы использования природных и синтетических высокомолекулярных соединений в производстве пищи» г. Суздаль.-М.-1991.-С.85. -

38. Краус С.В., Карпов В.Г. Технология экструдированных крахмалопродуктов на базе зерна. // Тезисы докладов 9-ого Международного съезда по проблемам переработки зерна и химии херна.-Берхольц-Реебрюке.-1993.- С.204-209.

39. Жушман А.И., Карпов В.Г. Применение экструзии для получения модифицированных крахмалоподуктов. //Термопластическая экструзия: научные основы, технология, оборудование.-М.-Ступень.-1994.-С.75-95.

40. Guschmann A.I., Karpov V.G., Kraus C.V. Stand der Nutzung von Lebensmittelextrudern und aktuellen Entwcklungen zur Extrusionn in den GUSSTAATEN. // Internationale Tagung zu Problemen der Getreideverarbeitung.- IGV INSTITUT FÜR GETREIDEVERARBEITUNG GmbH.-1995.- C.129-140.

41. Guschmann A.I., Karpov V.G., Kraus C.V. Hestellung- von Starkeprodukten für Nonfuttbereich durch Heissextusion.. // Internationale Tagung zu Problemen der Getreideverarbeitung.- IGV INSTITUT FÜR GETREIDEVERARBEITUNG GmbH.-1995.- C.369-376.

42. Жушман А.И., Карпов В.Г., Лукин Н.Д. Модифицированные крахмалы как эффективные пищевые добавки. //«Пищевая промышленность»,- М,- ,1996.-№6,- С.18-19.

43. Жушман А.И., Карпов В.Г., Лукин Н.Д., Бакулина Л.Ф. Безбелковые продукты для детского лечебного питания. //«Пищевая промышленность».- М,-1996,- №9,- С.24.

44. Жушман А.И., Карпов В.Г., Бакулина Л.Ф. и др. Новые виды безбелковых продуктов питания для детей, больных фенилкетонурией. //Труды участников I Международной конф. «Научные и практические аспекты совершенствования качества продуктов детского и геродиетического питания».-М,-«Пшцепромиздат».-1997.- С.316.

45. Карпов В.Г., Витюк Л.А. Влияние состава сырья на физико-химические свойства экструзионных крахмалопродуктов. //«Хранение и переработка сельхозсырья».-М.-1997.- №4.-С.14-15.

46. Витюк Л.А., Лазарев В.Д., Коваленок В.А., Карпов В.Г. Гигроскопические свойства полуфабрикатов чипсов. //«Хранение и переработка сельхозсырья»,-М.-1998.-№1.-С.18.

47. Витюк Л.А., Карпов В.Г., Лазарев В.Д. Исследование процесса конвективной сушки экструзионых полуфабрикатов чипсов. //«Хранение и переработка сельхозсырья»,- М.-1998.- №2.-С.51-52.

48. Карпов В.Г., Витюк Л.А., Юрьев В.П. Некоторые представления о механизме образования экструзионных продуктов пористой макроструктуры, полученных термической обработкой пелдет.// «Хранение и переработка сельхозсырья».- М-1998.- №9.-С.21-23.

49. Карпов В.Г., Юрьев В.П. Трансформация кристаллической решетки крахмала в смеси его с картофельным пюре при холодной экструзии..// «Хранение и переработка сельхозсырья».- М.-1998.- №10.-С.27-28.

50. Карпов В.Г., Витюк Л.А., Калистратова E.H., Юрьев В.П. Исследование физико-химических и структурных свойств высококонцентрированных гелей крахмалов при нагревании...// «Хранение и переработка сельхозсырья».- М.-1998.- №12.-С.18-21.

51. Юрьев В.П., Даниленко А.Н., Немировская И.Е., Лукин Н.Д., Жушман А.И., Карпов В.Г. Молярная теплоемкость крахмалов картофеля (Solanum tuberosum) различных сортов, их растворимость и водоудерживающая способность. //«Прикладная биохимия и микробиология».-М.-1998.-том 34.-№1,- С.105-108.

52. Юрьев В.П., Немировская И.Е., Калистратова E.H. Даниленко А.Н., Лукин Н.Д., Жушман А.И., Карпов В.Г. и др.Структура и термодинамические параметры плавления нативных зерен крахмалов пшеницы различных сортов. //«Прикладная биохимия и микробиология».-М,-1998.-том 34.-№6,- С.670-677.

53. Карпов В.Г., Маненков С.А., Белавцева Е.М., Клячко Ю.А. Структура и свойства полуфабрикатов чипсов из картофелепродуктов. //Тезисы докладов XYI Российской конф. по электронной микроскопии .-Черноголовка.-1998,-С.243.

54. Краус C.B., Линниченко В.Т., Карпов В.Г., Краус Н.В. Влияние параметров экструдирования крупяного сырья на качество продукта. // «Хлебопродукты».-М.-1998.-№9.-С.47-49.

55. Лукин Н.Д., Карпов В.Г., Жушман А.И., Юрьев В.П. Оценка содержания энзим-резистентных крахмалов в экструдатах, полученных с помощью высокотемпературной экструзии. //«Хранение и переработка сельхозсырья»,-М.-1999.-№5.-С.46-48.

56. Карпов В.Г., Витюк Л.А., Юрьев В.П. Высокотемпературная и холодная экструзия крахмалсодержащего сырья. Структура, функциональные и органолептические свойства чипсов, полученных термической обработкой пеллет.// «Хранение и переработка сельхозсырья».-М.-1999.-№6.-С.10-14.

57. Жушман А.И., Векслер Р.И., Карпов В.Г., Завада E.H. и др. Применение крахмалов в производстве кетчупов. //«Пищевая промышленность».-М.-1999.-№5.-С.60.

58. Юрьев В.П., Карпов В.Г. Продукты пористой макроструктуры, полученные непрямым экспандированием крахмалсодержащего сырья, - следующий шаг в экструзионной технологии. Часть I. //«Хранение и переработка сельхозсырья».-М.-2000.-№ 1 .-С. 18-23,

59. Юрьев В.П., Карпов В.Г. Продукты пористой макроструктуры, получаемые непрямым экспандированием крахмалсодержащего сырья, - следующий шаг в экструзионной технологии. Часть II. //«Хранение и переработка сельхозсырья»,-М.-2000.-№2.-С.34-37.

Авторские свидетельства и патенты на изобретения

60. Жушман А.И., Карпов В.Г., Карпенко P.M., Посадков A.B. Установка для термрмеханической обработки крахмалсодержащего сырья: а.с. СССР 867350, МПК2А21С11/20, C16L 1/04.-№2889867/28-13; Заявл.26.02.80; опубл.30.09.81, Бюл.№36.

61. Жушман А.И., Карпов В.Г., Посадков A.B. Шнековое устройство для обработки дисперсных материалов: а.с. СССР 906796, МПК3В65В 1/12.-№2919513/28-13; Заявл.28.04.80; опубл. 23.02.82, Бюл. №7.

62. Лукин Н.Д., Сидорова Е.К., Жушман А.И., Карпов В.Г. и др. Способ получения углеводного порошкообразного продукта, используемого для приготовления безбелковых хлебобулочных изделий: а.с. СССР 1120952, МПК3А2Ш 2/36. -.№3477373/28-13; Заявл. 28.07.82; опубл. 30Л0.8'4, Бюл.'№40.

63. Павловская O.E., Хованская С.С., Дремина Н.В., Грегубов H.H., Жушман А.И., Карпов В.Г. и др. Способ получения сухого полуфабриката кулинарного соуса : а.с. СССР 1142090, МПК4А23Ь 1/24,- №3599258/28-13; Заявл. 03.06.83; опубл. 28.02.85, Бюл. №8.

64. Васин М.И., Негруб В.П., Калинина М.А., Щербатенко В.В., Аржанова И.В., Манкеева H.A., Малышева A.B., Жушман А.И., Карпов В.Г. Способ производства макаронных изделий быстрой варки: . а.с. СССР 1338834, МПК4А23Ь 1/16. -№3966759/30-13; Заявл. 21.10.85; опубл. 23.09.87, Бюл. №35.

65. Васин М.И., Негруб В.П., Пенченко Т.Г., Курамшин Ю.Н., Красникова A.B.,Жушман А.И., Карпов В.Г. Способ приготовления теста; а.с. СССР 1344308, МПК4А2Ю 8/02. -№4037801/30-13; Заявл. 31.01.86, опубл. 15.10.87, Бюл. №38.

66. Жушман А.И., Коптелова Е.К., Найденов А.Н., Карпов В.Г. и др. Способ получения декстрина: а.с. СССР 1367412, МПК4С08В 30/18. - № 3989123/30,13; Заявл. 12.12.85, опубл. 15.09.87.

67. Пучкова Л.И., Талантов В.Н., Незнамова H.A., Трандина М.В., Кривова Т.Г.,Жушман А.И., Карпов В.Г. Способ производства дрожжевого сыпучего полуфабриката: а.с. 1439765 СССР, ДСП,- №4205987/13;;Заявл. 06.03.87.

68. Ковальская Л.П., Хейфец И.Б., Доронин А.Ф., Сыроедов- В.И.,Жушман А.И., Карпов В.Г. Способ производства рисовой и перловой круп быстрого пригот овления: а.с. СССР 1449096, МПК4А23Ь 1/10. - № 3980378/30-13; Заявл. 03.10.85; опубл. 07.01.89, Бюл. №1.

69. Жушман А.И., -Гулкж Н.Г.,Карпов В.Г. и др. ; Композиция для приготовления крахмалсодержащего реагента для буровых растворов: а.с. СССР 1482929^ МПК5С08В 30/12. - №4261865/30-1.3; Заявл. 15.06.87; опубл. 23.01.90, Бюл. №.3. •. ■

70. Карпов В.Г., Жушман А.И., Коптелова Е.К. и др1 Способ производства саго из.крахмала: а.с. СССР 1537674.

71. Пучкова Л.И., Коноплева А.А.,Карпов В.Г. и др. Способ производства хлеба из ржаной муки или смеси ее с пшеничной мукой: а.с. СССР 1552412, МПК5А2ГО8/02. -№4370530/31-13; Заявл .29.01.88; опубл. 22.11.89.

72. Эйнгор М.Б., Овчинникова А.С., Селезнева В.И., Парцуф M.JI, Жушман А.И., Карпов В.Г. и др. Способ получения кондитерского полуфабриката типа марципановых масс: а.с. СССР 1588354, MITK5A23G 3/00. - №4276292/30-13; Заявл.06.07.87; опубл. 30.08.90, Бюл. №32.

Овчинникова А.С., Агеева Е.В., Селезнева В.И., Бакулина Л.Ф., Карпов В.Г. и др. Кондитерский полуфабрикат: а.с. СССР 1666026, MTIK5A23G 3/00. - №4628711/13; Заявл. 29.12.88; опубл. 30.07.91, Бюл. №28.

73. Мельников Е.М., Карпов В.Г., Краус С.В. и др. Способ производства толокна: Пат. РФ 2060688, МПК4А23Ь 1\10. - №93055184/13; Заявл. 1012.93; опубл. 27.05.96, Бюл. №15.

74. Соломина Л.С.,Жушман А.И., Карпов В.Г. и др. Клей быстрого приготовления: Пат. РФ 2120953, МПК C09J 103/04. -№96113633/04; опубл. 27.10.98, бюл. №30.

75. Соломина Л.С.,Жушман А.И., Карпов В.Г. и др. Клей дам обоев и способ его получения: Пат. РФ 2130956, МПК C09J 103/02. - №98102429; опубл. 27.05.99, Бюл. №15.

Автор искренне благодарен всем соавторам и коллегам Summary

Karpov V.G. Development of technology of new kinds of starch products by extrusion

• method

Autoreferat of dissertation to seek scientific grade of doctor of technical sciences Specialty 05.18.05 Technology of sugar and sugary products All-Russia Research Institute for Starch Products

There has been researched an effect of hydrothennal and mechanical treatment on thermodynamical and physics-chemical properties of starch of different polysaccharide content and polymorphous system, which let to determine border conditions of extrusion process.

The effect of high-temperature short-time extrusion (HTST) parameters on physics-chemical properties of extrudates from starch of com grain, corn and potato has been established and used to optimize HTST modes for extruders.

There has been researched catalytic effect of some chemicals (acids, phosphates) on process of starch destruction at HTST. Functional properties of new kinds of starch products have been studied. The influence of changing of phase mode of high-concentrate has been determined at their thermal treatment.

There have been determined the modes of starch products processing of heterogeneous structure.

Processes of sorption by new kinds of starch products have been studied.

The technologies of new kinds of starch products by different methods: HTST, cooking

Сокращения и обозначения.

Введение.

Глава 1. Изменение структуры и свойств крахмала в процессе влаготермомеханической обработки (Обзор литературы).

1.1 Строение и свойства крахмала.

1.1.1. Химический состав крахмала.

1.1.2. Структура зёрен крахмала.

1.1.3. Клейстеризация и ретроградация крахмала в низкоконцентрированных системах.

1.2 . Роль воды в процессе клейстеризации крахмала при гидротермомеханической обработке.

1.3 Исследования в области технологии набухающих крахмалов.

1.4 . Экструзионная обработка крахмала и крахмалсодержащего сырья.

Глава 2. Методы получения и исследования экструзионных крахмалопродуктов.

2.2 Методы исследований модифицированных крахмалопродуктов 2.2.1 Определение содержания сухих веществ.

2.2.2 Определение содержания редуцирующих веществ.

2.2.3 Определение молекулярной массы и степени полимеризации.

2.2.4 Определение набухаемости.

2.2.5 Определение растворимости и водоудерживающей способности.

2.2.6 Определение динамической вязкости клейстеров.

2.2.7 Определение характеристической вязкости.

2.2.8 Изучение изменений вязкости клейстеров крахмала при нагревании и охлаждении.

2.2.9 Определение щелочного числа.

2.2.10 Определение стабилизирующей способности.

2.2.11 Определение плотности структуры ксерогелей.

2.2.12 Определение жироудерживающей способности.

2.2.13 Определение сорбционной влаги.

2.2.14 Рентгеноструктурный анализ.

2.2.15 Качественная хроматография.

2.2.16 Определение ферментативной атакуемости.

2.2.17 Турбидиметрическое титрование.

2.2.18 Определение коэффициента расширения экструдатов.

2.2.19 Определение насыпной массы и угла естественного откоса измельченных экструдатов.

2.2.20 Определение степени клейстеризации крахмала.

2.2.21 Определение варочных свойств крупы из крахмала.

2.2.22 Определение органолептических свойств.

2.2.23 Методика определения термодинамических параметров процесса тепловой обработки водных дисперсий крахмала.

2.2.24 Дериватография крахмалопродуктов.

2.3. Уточнение метода определения окраски полисахаридов с йодом.,.

2.4. Характеристика сырья. .¿

2.5. Математическая оценка результатов наблюдения.

Глава 3. Исследование структуры и свойств крахмалов при гидротермической и механической обработке.

3.1. Исследование структуры и свойств крахмалов разных видов при гидротермической обработке низкоконцентрированных систем крахмал-вода. Определение граничных условий обработки.

3.2. Исследование процесса клейстеризации систем крахмал-вода с использованием вискографа.

3.3 Исследование изменений структуры и свойств крахмала в результате механической обработки.

3.4 Исследование уплотняемости крахмала и крахмал содержащего сырья.

Глава 4. Исследование изменений структуры и свойств крахмал и крахмал-содержащего сырья в процессе высокотемпературной кратковременной экструзии (ВТКЭ). Разработка технологий новых видов крахмалопродуктов.

4.1 Технология подготовки сырья.

4.1.1 Исследование влияния дисперсности крахмалсодержащего сырья на свойства экструдатов.

4.1.2 Исследование влияния длительности отволаживания на физико-химические свойства экструдатов.

4.2 Исследование влияния условий обработки на физико-химические свойства экструдатов в процессе ВТКЭ.

4.2.1 Определение граничных условий обработки.

4.2.2 Математическое моделирование и оптимизация процесса экструзии крахмалсодержащего сырья.

4.2.3 Методика расчета отдельных параметров для выбора промышленных экструдеров.

4.3 Исследование влияния режимов обработки на растворимость экструдатов кукурузного крахмала.

4.4 Исследование влияния условий обработки на физико-химические свойства экструдатов картофельного крахмала.

4.5 Исследование влияния некоторых химических веществ на физикохимические свойстваэкструдатов крахмала.

4.6 Исследование процесса охлаждения экструдатов.

4.7 Исследование процесса десорбции и сорбции влаги экструдатами после ВТКЭ.

4.8 Исследование физико-химических свойств экструдатов.

4.8.1 Исследование растворимости и водоудерживающей способности экструдатов различных крахмалов при ВТКЭ.

4.8.2 Исследование изменений структуры и гидратационной способности экструдатов из крахмалсодержащего сырья.

4.8.3 Исследование термических свойства экструдатов крахмала.

4.8.4 Физико-механические свойства экструдатов.

4.8.5 Гигроскопические свойства экструдатов крахмала.

4.8.6 Изучение структурных изменений полисахаридов крахмала при ВТКЭ.

4.8.7 Исследование состава водорастворимой фракции экструдатов.

4.8.8 Ферментативная атакуемость экструдатов.

4.8.9 Исследование макро- и микроструктуры набухающих крахмалопродуктов.

4.8.9.1 Микроскопические исследования.

4.8.9.2 Рентгенофазовый анализ крахмалопродуктов, полученных

ВТКЭ.

4.9 Технологическая оценка экструзионных крахмалопродуктов. Практическая реализация результатов работы.

4.9.1 Технологические схемы производства набухающих крахмалопродуктов и крахмалов.

4.9.2 Технологическая оценка набухающих крахмалопродуктов в литейном производстве и в качестве стабилизатора глинистых буровых растворов.

4.9.3 Технологическая оценка набухающих крахмалов в хлебопекарной, макаронной, кондитерской и др. отраслях.

4.9.4 Экономическая эффективность организации производства модифицированных крахмалопродуктов.

Глава 5. Исследование физико-химических свойств крахмалопродуктов, полученных методом варочной экструзии.

5.1 Изменение структуры высококонцентрированных крахмальных клейстеров при обезвоживании.

5.2 Исследование процесса сушки высококонцентрированных крахмальных гелей.

5.3 Исследование процесса образования ксерогелей крахмалов макропористой структуры.

5.3.1 Исследование влияния термической обработки на свойства крахмалопродуктов макропористой структуры.

5.3.2 Исследование зависимости структуры и свойств крахмалопродуктов от фазовых переходов высококонцентрированных клейстеров.

5.4 Исследование процесса сорбции влаги крахмальными ксерогелями макропористой структуры после термической обработки.

5.5 Реализация результатов исследований.

5.5.1 Аппаратурно-технологическая схема производства полуфабрикатов чипсов (ПФЧ).

5.5.2 Экономическая эффективность производства ПФЧ.

Глава 6. Исследование изменений структуры и свойств крахмала в процессе холодной экструзии.

6.1. Влияние режимов обработки на степень клейстеризации и коэффициент набухаемости экструдатов крахмала.

6.2. Исследование влияние режима обработки на свойства крупы.

6.3. Исследование процесса сушки безбелковых крахмальных крупяных изделий.

6.4. Исследование структуры крахмалопродуктов, полученных холодной экструзией.

6.5. Исследование сорбционных свойств безбелковых крупяных изделий.

6.6 Практическая реализация результатов исследований.

6.7. Экономическая эффективность усовершенствованной технологии саго.

Выводы.

Концепция государственной политики в области здорового питания Российской Федерации на период до 2005 года, утвержденная постановлением Правительства РФ № 917 от 10.08.98 г., предполагает выполнение комплекса мероприятий, направленных на создание условий, обеспечивающих удовлетворение потребности различных групп населения в рациональном, здоровом питании с учетом их традиций, привычек и экономического положения, в соответствии с требованиями медицинской науки [85]. Для решения проблем обеспечения населения продуктами рационального питания необходимо наряду с ссовершенствованием традиционных разрабатывать новые методы обработки пищевого сырья, позволяющие производить продукты с заданным составом и свойствами, не требующие больших затрат труда и энергии на их приготовление. Одним из направлений создания новых и совершенствования существующих технологий является разработка способов, в которых сырье подвергается одновременному физическому и химическому воздействию. Использование экструзионной техники является общепризнанным направлением технического прогресса в пищевой промышленности. Экструзионная обработка - это комбинированное воздействие на обрабатываемый материал механических напряжений, влаги, тепла и, при необходимости, различных химических реагентов с целью получения экструдатов необходимой формы, структуры и физико-химических свойств. Этот способ обеспечивает существенную интенсификацию процессов влаготермомеханической обработки крахмала и крахмалсодержащего сырья. Эктрузионную технику используют для создания безотходных, гибких, высокоэффективных производств продуктов пищевого и технического назначения. В качестве сырья в этих процессах чаще всего применяют природные биополимеры, важнейшим из которых является крахмал. При этом следует иметь ввиду, что сырьевые источники для производства природных биополимеров, в т.ч. крахмала, по существу неисчерпаемы, так как сельскохозяйственное сырье ежегодно восстанавливается в возрастающем количестве. В связи с этим в ряде случаев замена крахмалопродуктов, используемых на технические цели, другими химическими материалами, особенно производимыми из постепенно исчезающего нефтяного или газового сырья, экономически невыгодна и неперспективна.

Одним из путей, который позволяет сократить удельный расход крахмала на технические нужды и получить новые продукты и эффективные пищевые добавки на основе крахмала, является придание ему новых или усиление имеющихся свойств, необходимых потребителю, путем физической, химической, биохимической или комбинированной обработки крахмала, т.е. его модификацией.

Большим спросом пользуются модифицированные крахмалы, прошедшие полную или частичную клейстеризацию, так называемые набухающие крахмалы. На основе этих крахмалопродуктов можно производить безбелковые продукты лечебного и профилактического питания для детей и взрослых. Особенно актуальными являются работы по созданию продуктов лечебного питания для детей, больных фенилкетонурией.

Крахмал, как природный высокомолекулярный полимер, имея в своей структуре реакционноспособные группы, является также резервным материалом для получения новых, разнообразных по структуре и свойствам крахмалопродуктов для пищевых и технических целей. Получение их может быть осуществлено экструзионной обработкой крахмала с применением разных пищевых добавок и химических реагентов (белков, жиров, витаминов, кислот, солей и т.п.). Применение предварительно клейстеризованных крахмалов при бурении скважин позволяет снизить удельный расход нативного крахмала на 25-28 % [ 91 ]. Введение в состав формовочных смесей литейной промышленности набухающего крахмала значительно улучшает их физико-механические свойства [46 ].

Работы, проведенные во ВНИИкрахмалопродуктов, показали, что путем ю , экструзионной обработки крахмалсодержащего сырья (кукурузы или кукурузного зернового отхода) можно получить набухающие крахмалопродукты по качеству приближающиеся к набухающим крахмалам, применяемым в народном хозяйстве [97]. При этом существенно повышается эффективность производственного процесса получения крахмалсодержащего реагента для технических целей. Экструзионная обработка крахмала и крахмалсодержащего сырья позволяет получать также продукты питания, полностью готовые к употреблению (закусочные продукты, сухие завтраки, хлопья и т.д.), продукты быстрого приготовления (полуфабрикаты чипсов - "пеллеты", пудинги, напитки и кисели, не требующие варки). Модифицированные набухающие крахмалы широко применяют в пищевой промышленности в качестве стабилизаторов и загустителей систем в различных пищевых производствах (майонезы, йогурты, начинки, кетчупы), в качестве улучшителей в кондитерской, хлебопекарной и макаронной промышленностях.

Изучению свойств крахмалов и научным обоснованиям методов получения новых видов их модификаций уделяется все возрастающее внимание, как в нашей стране, так и за рубежом [89 ].

Экструзия является высокоэффективным, безотходным, кратковременным технологическим процессом, а экструдер многими исследователями рассматривается как универсальный биохимический реактор. Уникальность экструзионного способа заключается в возможности использования не только многообразия видов и свойств перерабатываемого сырья, но и разнообразие форм, структуры и свойств получаемых продуктов (продукты готовые к употреблению, продукты детского лечебного и профилактического питания, полуфабрикаты, модифицированные крахмалы и др.). Согласно данным приведенным в обзоре [89], только в континентальной части США ежегодно производится и продается экструзионных продуктов типа готовых завтраков на сумму 2 млрд. долларов, причем выпуск таких продуктов каждый год увеличивается на 3%.Таким образом в промышленно развитых странах обозначилась устойчивая тенденция роста объемов производства экструзионных продуктов.

Актуальность работы. Ситуация, сложившаяся в экономике РФ, привела к росту пищевых производств, не требующих больших капитальных затрат для их реализации и имеющих небольшую продолжительность производственного цикла (хлебобулочные изделия, майонезы, кетчупы, продукты быстрого приготовления). В связи с развитием этих технологий возросла потребность в предварительно клейстеризованных (набухающих) крахмалах, которые проявляют свои стабилизирующие, загущающие и водоудерживающие свойства в различных системах, не требует дополнительного нагрева. Однако существующий способ получения набухающих крахмалов на вальцовых сушилках имеет существенные недостатки: низкую производительность, связанную с малым коэффициентом теплопередачи, что ограничивает скорость вращения вальцев; необходимость испарения большого количества влаги; низкий коэффициент полезного использования тепла; высокую удельную металлоёмкость оборудования. Для обогрева сушильных барабанов обязательно наличие источника тепловой энергии (обычно пара), что требует дополнительных капитальных вложений [57].

Поэтому актуальным является разработка технологии набухающих крахмалов с применением экструзионного способа. Набухающие крахмалы в больших количествах используются в качестве реагентов для технического назначения (стабилизатор глинистых буровых растворов, стабилизатор влажности формовочных смесей в литейном производстве). Они заменяют химические реагенты, получаемые из постепенно исчезающего нефтяного и газового сырья. Понятна актуальность разработки технологии набухающих крахмалопродуктов для технических целей, вследствие того, что сырьевые источники для производства крахмала ежегодно восстанавливаются в возрастающем количестве. Хорошо известно различие структуры и свойств крахмалов разных видов полиморфных структур и разного полисахаридного состава, вероятно, что особенности структуры и свойств сырья необходимо учитывать при выборе режимов их обработки.

Экструзионный способ обработки крахмала позволяет получать безбелковые продукты лечебного и профилактического питания. Особенно актуальным является работа по созданию лечебного питания для детей, больных фенилкетонурией. Разработка технологии таких крахмалопродуктов является частью Президентской программы "Дети России" и основных направлений государственной социальной политики по улучшению положения детей в Российской Федерации до 2000 г., утвержденных Указом Президента РФ от 14.09.1995 г. №942.

В последние годы на российском рынке постоянно увеличивается количество экструзионных крахмалопродуктов макропористой структуры, получаемых путём кратковременной термообработки сухих крахмальных гелей. Зачастую они имеют низкое качество. Однако причины нестабильного качества этих крахмалопродуктов до сих пор неясны.

О постоянно растущем интересе к экструзионному способу переработки крахмала и крахмалсодержащего сырья свидетельствуют многочисленные публикации. Однако на их основе невозможно выработать единые подходы к анализу закономерностей изменения свойств крахмала при различных методах обработки. Выявлены, как правило, закономерности изменения его свойств от воздействия только отдельных параметров обработки модельных систем. Имеющаяся информация по исследованиям в этом направлении не отвечает на все возникающие вопросы при разработке новых технологий. Как правило, исследуются лишь отдельные технологические операции или физико-химические свойства уже готовых продуктов, изготовленных на разном, зачастую, не характерном для России сырье и оборудовании. Недостаточно исследованы изменение структуры и физико-химических свойств крахмальных гелей после экструзионной обработки. Выбор необходимых режимов экструзионной обработки чаще всего основывается на его эмпирическом подборе, основанным на результатах неоправданно большого объёма экспериментальных работ.

Экструзионное оборудование, выпускаемое отечественными предприятиями, предназначено для производства зерновых завтраков и комбикормов. С учётом существенного различия свойств сырья и целей обработки, нельзя сделать однозначных выводов о возможностях их использования для производства модифицированных крахмалов.

Весьма скудна информация об изменении структуры и свойств в крахмалопродуктах после их выхода из рабочей камеры экструдера, хотя эти процессы существенно влияют на формирование их функциональных свойств.

Актуальным является исследование структуры и свойств новых видов крахмалопродуктов, т.к. эти сведения позволят определить возможные области и способы их применения в различных отраслях народного хозяйства.

Указанные обстоятельства определяют необходимость изучения закономерностей изменения свойств разных крахмалов и крахмалсодержащего сырья при различных методах экструзии с целью разработки научных основ получения крахмалопродуктов с заданными свойствами с использованием отечественного оборудования, сырья и практической реализации завершенных разработок.

Актуальность работы подтверждается включением тематики проводимых исследований в научно-технические программы Миннауки РФ и Россельхозакадемии: «Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК», «Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности» и в российско-белорусскую программу «Повышение эффективности агропромышленного производства и последовательное сохранение сельскохозяйственной продукции»

Цель работы состоит в удовлетворении постоянно растущей потребности населения в продуктах питания быстрого приготовления, продуктах лечебно-профилактического питания, в новых видах модифицированных крахмалов и крахмалопродуктов для различных отраслей народного хозяйства путем научного обоснования, разработки и реализации технологии новых видов продуктов на основе экструзионного способа обработки крахмала и крахмалсодержащего сырья. Конкретные задачи работы сводятся к установлению закономерностей изменения структуры и физико-химических свойств крахмалов с различным полисахаридным составом и типом полиморфной структуры при разных методах экструзионной обработки, позволяющих прогнозировать получение крахмалопродуктов с необходимыми функциональными свойствами.

Для этого необходимо:

1. Исследовать закономерности изменения структуры термодинамических и физико-химических свойств крахмалов разного вида полиморфных структур и различного полисахаридного состава при гидротермической обработке модельных систем

2. Выяснить причины различий температур клейстеризации крахмалов.

3. Выявить особенности изменения реологических свойств клейстеров крахмалов разных видов и полисахаридного состава при регулируемом нагреве и охлаждении с постоянным перемешиванием.

4. Исследовать закономерности изменения структуры и свойств крахмалов в процессе механической обработки.

5. Обосновать режимы и способы подготовки крахмалсодержащего сырья к экструзионной обработке

6. Исследовать влияние технологических и конструктивных параметров ВТКЭ на физико-химические свойства модифицированных крахмалов, крахмалопродуктов и удельный расход электроэнергии: разработать оптимальные режимы экструзионной обработки с целью получения крахмалопродуктов необходимой растворимости при минимальных расходах электроэнергии.

7. Исследовать действие реагентов, применяемых в традиционных технологиях модифицированных крахмалов (соляной и лимонной кислот, алюминиевокалиевых квасцов, фосфатов) на физико-химические и функциональные свойства новых видов модифицированных крахмалов.

8. Исследовать процессы охлаждения и десорбции влаги экструдатами после выхода их из рабочей камеры экструдера.

9. Изучить структуру, физико-химические и функциональные свойства экструзионных крахмалов, полученных методом ВТКЭ из разного вида сырья (растворимость, водоудерживающая способность, степень деструкции, термическая устойчивость, ферментативная атакуемость, физико-механические и сорбционные свойства).

10. Провести технологическую оценку новых видов модифицированных крахмалов в различных отраслях промышленности.

11. Организовать промышленное производство новых видов модифицированных крахмалов методом ВТКЭ на отечественном оборудовании.

12. Исследовать изменения структуры и свойств высококонцентрированных гелей разных крахмалов, полученных методом варочной экструзии при их сушке, выявить оптимальные режимы сушки.

13. Исследовать процесс изменения физических состояний сухих крахмальных гелей при термической обработке, определить оптимальный режим этой обработки.

14. Исследовать процессы сорбции влаги крахмальными гелями макропористой структуры после термической обработки.

15. Проверить режимы основных технологических операций процесса ВЭ в производственных условиях.

16. Исследовать влияние технологических параметров холодной экструзии крахмала на процесс образования гетерогенной системы, включающей крахмальный клейстер и нативные зёрна крахмала.

17. Установить закономерность влияния на степень клейстеризации крахмала технологических параметров ХЭ.

18. Определить взаимосвязь степени клейстеризации крахмала и варочных свойств крупы из крахмала.

19. Исследовать процесс сушки безбелковой крупы и вермишели и их сорбционные свойства.

20. Испытать разработанный способ получения крупы из крахмала в производственных условиях с использованием отечественного оборудования. Дать оценку технологической целесообразности и экономической эффективности нового способа производства крупы из крахмала.

21. Организовать промышленные производства новых видов экструзионных крахмалопродуктов с применением отечественного сырья и оборудования.

В соответствии с задачами исследования была выбрана следующая схема проведения работ (рис. 1-1)

Научная новизна работы состоит в том, что на основе комплексного исследования состава, структуры, термодинамических и физико-химических свойств крахмалов разных видов разработаны научно обоснованные принципы получения новых видов крахмалопродуктов различными методами экструзионной обработки.

Получены новые данные о структуре и физико-химических свойствах крахмалов из разных видов и сортов крахмалсодержащего сырья, исследованы изменения этих свойств при гидротермической и механической обработке модельных систем крахмал - вода, позволившие определить граничные условия режимов экструзионной обработки.

Впервые установлены зависимости физико-химических свойств новых видов крахмалопродуктов, полученных ВТКЭ, от параметров обработки, что позволило определить режимы получения крахмалопродуктов с заданными свойствами.

Впервые исследовано каталитическое действие химических реагентов (лимонная и соляная кислота, алюминиево-калиевые квасцы, монофосфат натрия) на процесс деструкции крахмала при ВТКЭ, что позволило научно обосновать технологические режимы получения новых видов пищевых добавок и клеев для бумаги быстрого приготовления.

Изучены структура, физико-химические и функциональные свойства новых видов модифицированных крахмалов, полученных методом ВТКЭ.

Дано теоретическое обоснование технологии новых видов крахмалопродуктов быстрого приготовления. Установлена взаимосвязь фазовых переходов высококонцентрированных крахмальных гелей и качества экструзионных продуктов макропористой структуры при различных температурных режимах обработки. Предложены аналитические зависимости для оценки физических состояний крахмальных гелей от условий обработки.

Научно обоснованы режимы получения гетерогенных систем при влаготермомеханической обработке крахмала, позволившие разработать технологию новых видов безбелковых продуктов детского лечебного питания.

Выявлены закономерности процессов сорбции и десорбции влаги новыми видами модифицированных крахмалов и крахмалопродуктов, полученными различными методами экструзионной обработки, что позволило обосновать виды и способы их упаковки и хранения.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе результатов исследований изменений физико-химических свойств крахмалов и крахмалсодержащего сырья при различных методах экструзии разработаны эффективные способы получения: продуктов быстрого приготовления (а.с. СССР №1142090, №1338834, №1344308, №1439765, №1449096, №1552412, №2060688); кондитерских полуфабрикатов (а.с. СССР №1588354, №1666026); безбелковой крупы для детского лечебного питания (а.с. СССР №1537674); стабилизатора для глинистых буровых растворов и формовочных смесей (а.с. СССР №867350, №906796, №1482929); декстрина и клея быстрого приготовления (а.с. СССР №1367412, пат.РФ №2120953, №2130956).

Разработана и утверждена нормативно-техническая документация на 12 видов экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов: «Реагент экструзионный крахмалсодержащий» - ОСТ 18-003-94; «Реагент модифицированный крахмалсодержащий» - ТУ 10-04-08-24-87; «Крахмал экструзионный» - ТУ 9187-013-05747146-95; «Декстрин экструзионный» - ТУ 10-04-08-33-40-87; «Мука набухающая. Сухая заварка» - ТУ 9293-04000334735-98; «Полуфабрикат на основе гороха» - ТУ 9732-075-00008064-96; Продукт высокобелковый для завтрака «Воздушный горошек» - ТУ 9146-03200334735-97; Саго - ТУ 9187-046-003347-35-99; «Полуфабрикат чипсов» - ТУ 10-1173-94; Безбелковый закусочный продукт «Снежок»-ТУ- 10-04-08-47-91

Разработаны технологические регламенты на проектирование предприятий по производству экструзионного крахмалсодержащего реагента, экструзионного крахмала и крупы саго из крахмала.

Технология экструзионного крахмалсодержащего реагента внедрена на 16 предприятиях, в т.ч. Алексеевском, Городищенском, Дмитровском, Лужковском и Упоройском спиртовых заводах; Борисоглебском, Бучанском, Жуковском, Кадомском, Корсаковском, Плещеевском, Порецком, Свердловском, Тхоровском, Шемышейском, Яльчикском крахмальных заводах.

Технология продуктов лечебного детского и диетического питания - саго и безбелковой вермишели - реализована на 5 предприятиях Украины, Белоруссии и России (Бучанском, Сновском, Лаишевском, Лучковском крахмальных заводах и Климовском крахмалопаточном комбинате).

Технология экструзионного крахмала внедрена на Бучанском, Борисоглебском, Гольшанском, Климовском, Шаблыкинском крахмальных заводах, Петровском спиртовом заводе.

В опытном цехе ВНИИК освоены технологии продуктов быстрого приготовления, набухающей муки, клея для бумаги.

По разработанным технологиям выработано более 20 тыс. т новых видов крахмалопродуктов пищевого назначения и более 130 тыс.т экструзионного крахмалсодержащего реагента для бурения и литейного производства. Экономический эффект от производства и применения новых видов модифицированных крахмалов и крахмалопродуктов составил более 20 млн.руб.

Апробация работы. Результаты исследований, выполненных автором в 1975-2000гг., доложены и обсуждены на 25 отечественных и международных симпозиумах, конференциях, в том числе на УП-1Х Всесоюзных симпозиумах "Физико-химия крахмала и крахмалопродуктов" (Москва, 1976, 1981, 1984), на конференциях: «Интенсификация технологий и совершенствование оборудования перерабатывающих отраслей АПК» (Киев, 1989), «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья» (Москва, 1989), «Качество сырья мясной промышленности, методы оценки и пути рационального и эффективного его использования» (Москва, 1990), «Итоги и перспективы использования природных и синтетических высокомолекулярных соединений в производстве пищи» (Суздаль, 1991), «Научное обеспечение, хранение и переработка растительного сырья в пищевой промышленности» (Москва, 1991), «Прогрессивные, экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности» (Углич, 1994,1996,1998), «Системы технологических процессов и системы машин для пищевой и перерабатывающей промышленности АПК» (Москва, 1997), «Проблема создания нового поколения отечественных продуктов питания» (Москва, 1998), Российской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка, 1998), «Проблема фундаментальных исследований в области обеспечения населения России здоровым питанием» (Москва, 1999); на международных конференциях: «Химия, энзимология и технология крахмала» (Венгрия, 1988), «Проблемы • переработки и химии зерна» (Германия, 1993), «Экструзия крахмалсодержащего сырья» (Германия, 1995), «Научные и практические аспекты совершенствования качества продуктов детского и геродиетического питания» (Москва, 1997), «Пищевые добавки - 98» (Москва, 1998), «Пища. Экология. Человек.» (Москва, 1999), «Индустрия продуктов здорового питания

- третье тысячелетие» (Москва, 1999).

Результаты научных разработок в виде образцов продуктов и макетов технологических линий экспонировались на отечественных выставках: ВДНХ СССР 1984г. - медаль «Участник выставки» за экспонат «Технология экструзионного крахмалсодержащего реагента», 1986г. - бронзовая медаль за экспонат «Установка для производства экструзионных продуктов»; ВВЦ 1998г.

- медаль «Лауреат ВВЦ» за экспонат «Продукты детского питания»; а также на международных выставках: «Детское питание - 91», «Кукуруза - 93».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 108 работ, в том числе 17 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация включает: введение, обзор литературы, экспериментальную часть, важнейшие результаты работы и рекомендации промышленности, список использованной литературы (247 наименований на русском и иностранном языках). Основной текст диссертации изложен на 255 с. и иллюстрирован 44 табл. и 63 рис.

Выводы

Выполнены комплексные исследования по созданию научных основ технологий и организации производства новых видов экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов для различных отраслей пищевой промышленности и технического применения.

Наиболее значимыми результатами исследований являются:

1 .Определение зависимости изменения структуры, термодинамических и физико-химических свойств крахмалов разного полисахаридного состава (содержание АП - 60-100%) и полиморфной структуры от режимов гидротермомеханической обработки. Полученные результаты позволили обосновать выбор режима и методов экструзионной обработки с целью получения крахмалопродуктов с заданными свойствами (модифицированные крахмалы, крахмалопродукты готовые к употреблению, продукты быстрого приготовления и лечебного питания).

Разработана нормативная документация на новые виды крахмалопродуктов, освоено их промышленное производство (а.с. СССР №867350, 906796 , 1482929, пат. РФ №2060688).

2. Изучено влияние соляной и лимонной кислот, алюминиево-калиевых квасцов, натрия фосфорнокислого однозамещённого на физико-химические свойства кукурузного крахмала, подвергнутого экструзионной обработке. Установлено, что по способности гидролизовать глюкозидные связи испытанные реагенты образуют ряд каталитической активности: соляная кислота > квасцы > монофосфат. Результаты исследований использованы для научного обоснования технологических режимов производства новых видов пищевых добавок с заданными свойствами и клеев быстрого приготовления.

Разработана нормативная документация и освоено промышленное производство новых видов крахмалопродуктов (а.с. СССР №1367412, пат. РФ №2120953,2130956).

3. В результате исследования структуры и свойств высококонцентрированных крахмальных гелей при нагреве и обезвоживании предложены аналитические зависимости для оценки фазовых переходов гелей. Полученные данные позволили научно обосновать режимы основных технологических операций (условия сушки, термической обработки, упаковки) при получении крахмалопродуктов макропористой структуры методом варочной экструзии.

Разработана нормативная документация на полуфабрикат чипсов. Режимы основных технологических операций проверены с положительными результатами в производственных условиях АОЗТ «Технорд» (С.-Петербург).

4. Исследовано влияние технологических параметров экструзионной обработки на высококонцентрированные системы, содержащие как частично клейстеризованные, так и нативный крахмал. Полученные результаты позволили научно обосновать режимы производства новых видов безбелковых продуктов диетического и лечебного питания (саго, безбелковая вермишель).

Разработана нормативная документация и освоено промышленное производство этих крахмалопродуктов на ,5 крахмальных заводах (а.с. СССР №1439765, 1537674).

5. Исследована структура и физико-химические свойства новых видов экструзионных крахмалопродуктов, позволившие определить области и способы их применения, условия и сроки хранения.

Созданы новые виды пищевых продуктов: десерты холодного приготовления, улучшители кондитерских, хлебопекарных и макаронных изделий (A.C. СССР №1142090, 1338834, 1344308, 1449096, 1552412, 1588354, 1666026, пат.РФ №2060688). Разработана нормативная документация и освоено промышленное производство новых видов крахмалопродуктов.

252

6. Новизна технических решений подтверждена 17 авторскими свидетельствами и патентами РФ на изобретения.

Разработана и утверждена нормативная документация (ТУ, ТИ, регламенты) на производство новых видов крахмалопродуктов: экструзионный крахмал, безбелковые лечебные продукты (саго, вермишель, снежок), экструзионный декстрин и клей, экструзионный крахмалсодержащий реагент для бурения и литейного производства, полуфабрикаты чипсов.

Разработанные технологии внедрены на 20 заводах. Выработано более 130 тыс.т экструзионного крахмалсодержащего реагента для бурения и литейного производства и более 20 тыс. т крахмалопродуктов пищевого назначения. Экономический эффект от производства и применения новых видов модифицированных крахмалов и крахмалопродуктов составил более 20 млн.руб.

1. Андреев Н.Р., Карпов В.Г. Структура, химический состав и технологические свойства основных видов крахмалсодержащего сырья. Хранение и переработка сельхозсырья.- М.: 1999, №7, с. 30-33.

2. Антонов В.К.- Химия протеолиза.- М.: Наука, 1983, 398с.

3. Арсеньева Л.Ю., Дробот В.Н., Жушман А.И. Об использовании модифицированных крахмалов в хлебопечении. Хлебопекарная и кондитерская пр-сть, 1987, № 8, с. 20-22.

4. Бабиченко JI.B., Сорочинская E.H. Изменения микроструктуры крахмала взорванных зерен кукурузы Изв. вузов СССР. Пищевая технология, 1972, №5, с. 63-66.

5. Барамбойм Н.К. Механохимия высокомолекулярных соединений.- М.: Химия, 1978.- 348с.

6. Белозерский А.Н. Практическое руководство по биохимии растений.-М.: Советская наука, 19513 88с.

7. Берштейн В.А., Егоров В.М.- Дифференциальная сканирующая калориметрия в физикохимии полимеров.- Ленинград: Химия, 1990,250с.

8. Блинов Ю.М., Ведерников В.М. Исследоввание физико-механических свойств сыпучих материалов пищеконцентратной промышленности. -Консервная и овощесушильная промышленность, 1986, №2, с. 40-42.

9. Васин М.И. Применение экструзионной техники в хлебопекарной и макаронной промышленности.- ЦНИИТЭИ Минхлебопродуктов СССР.-МД987, вып.1, 21с.

10. Васин М.И., Негруб В.П., Красникова A.B., Курамшин Ю.И., Жушман А.И. белково-крахмальные улучшители хлебопекарных, кондитерских и макаронных изделий.- Хлебопекарная и кондитерская промышленность, 1986, № 11, с. 24-26.

11. Васин М.И., Негруб В.П., Красникова A.B., Леонова О.Я., Петракова Т.М. Сохранность макаронных изделий с добавкой белково-крахмального обогатителя. Хлебопродукты, 1988, №8, с. 49-51.

12. Васин М.И., Негруб В.П., Манкеева H.A. Производство макаронных изделий с различными добавками путем кратковременной высокотемпературной экструзии. Хлебопекарная и кондитерская пр-сть, 1986, №8, с. 36-38.

13. Вайнштейн Б.К. Дифрация рентгеновских лучей на ценных молекулах. -М.: АН СССР, 1963,-372 с.

14. Васин М.И., Негруб В.П., Красникова A.B. Белково-крахмальные улучшители-обогатители хлебопекарных, кондитерских и макаронных изделий . Хлебопекарная и кондитерская промышленность, 1986, №11, с. 24-26.15