автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.01, диссертация на тему:Разработка технологии обогащения круп микроэлементами

На правах рукописи

ГУСЕВ АРТЕМ ИГОРЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБОГАЩЕНИЯ КРУП МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ

05.18.01 — «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, 1фупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З ОКТ 2013

Красноярск - 2013

005534194

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: Янова Марина Анатольевна, кандидат

сельскохозяйственных наук, доцент

Официальные оппоненты: Манасян Сергей Керопович, доктор технических

наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой «Механизации сельского хозяйства»

Семенов Александр Викторович, кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра «Товароведение и экспертизы товаров»

Ведущая организация: ГНУ «Сибирский научно-исследовательский

институт переработки сельскохозяйственной продукции» сибирского отделения Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита состоится «24» октября 2013 г. в «9—» часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.03 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», по адресу: 660049, г. Красноярск, проспект Мира, 90.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «23» сентября 2013 г.

Ученый секретарь ¿^¿^-¿-¿э

диссертационного совета с.—Янова М. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многочисленные исследования показали, что у большинства населения земли присутствует дефицит микроэлементов (WHO 2006).

Не вызывает сомнений, что неотъемлемым атрибутом полноценного рациона питания являются злаковые культуры и продукты их переработки. Крупяные продукты являются относительно дешевыми и распространенными, следовательно, они являются подходящими продуктами для обогащения.

В настоящее время основными способами обогащения круп являются фортификация (Поландова, 2002; Птичкина, 2010; Спиричев, 2012; Симоненко, 2012), применение прогрессивных агротехнологий (Epstein, 2004; Удинцев, 2012) и проращивание (Kim, 2006; Lin, 2008; Данильчук, 2011). Хорошей альтернативой классическим методам обогащения может стать ультразвуковая кавитационная обработка, открывающая широкие возможности для расширения ассортимента зерновых и хлебобулочных изделий с заданными свойствами.

Над проблемой внедрения ультразвуковых технологий в пгацевую промышленность работали - (Wangl, 1981; Волхова, 2001; Шестаков, 2003; Хмелев, 2007, Красуля, 2010 и другие). На сегодняшний день наибольших практических результатов достиг д.т.н. Д.С. Шестаков. В настоящее время им предложено несколько вариантов использования кавитационной обработки в пищевой промышленности, в том числе: кавитационная обработка воды при отволаживании зерна перед помолом или закладки на хранение, введения консервантов в продукты при помощи кавитации и другие. Несмотря на большую проделанную работу, вопрос обогащения крупяных продуктов микроэлементами под воздействием ультразвука не изучался.

Разработка технологии получения новых обогащенных крупяных продуктов полностью соответствует целям и задачам, изложенным в «Основах государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения до 2020 года» (№1873-р от 25.10.2010).

Цель диссертационной работы заключается в разработке технологии обогащения круп микроэлементами с использованием ультразвуковых технологий и технических решений для ее осуществления.

Для успешной реализации поставленной цели были намечены следующие задачи:

• Обосновать возможность использования ультразвуковых технологий для обогащения крупяных продуктов, разработать методику исследований.

• Изучить влияние основных технологических параметров (температуры, продолжительности обработки и частоты ультразвука) на процесс обогащения, а также физико-химические, органолептические, микробиологические показатели обогащенных продуктов.

• Дать математическое описание технологического процесса обогащения круп в зависимости от основных технологических параметров.

• Определить рациональные режимы обогащения, получить обогащенные крупяные продукты с использованием естественной минеральной воды Кожановского месторождения, определить их характеристики.

• Разработать технологическую схему производства обогащенных круп и нормативно-техническую документацию на них.

• Оценить экономическую эффективность представленной технологии.

Научная новизна. На основе комплексного исследования технологических, биохимических, органолептических свойств, химического состава обогащенных круп обоснована, экспериментально подтверждена новая технология и предложена технологическая линия получения обогащенных крупяных продуктов в ультразвуковом поле с использованием естественной минеральной и искусственно минерализованной воды. Разработаны математические модели, адекватно описывающие процесс обогащения позволяющие прогнозировать параметры технологии производства.

Практическая значимость.

• Разработан способ получения обогащенных крупяных продуктов.

• Разработана аппаратурно-процессовая схема малотоннажного производства обогащенных крупяных продуктов.

• Оценка экономической эффективности показала, что капитальные вложения окупаются в течение первого года.

• Разработан проект технических условий на обогащенные крупяные продукты.

• Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров ФГБОУ ВПО КрасГАУ на кафедре технология хранения и переработки зерна.

Достоверность и обоснованность полученных результатов. Основные положения, выводы, теоретические и практические разработки, рекомендации, полученные в работе, научно обоснованы, подтверждены экспериментальными данными и апробированы в лабораторных условиях. Достоверность результатов работы подтверждается достаточным количеством экспериментального материала, адекватным объёмом выполненных исследований, использованием современных методик и оборудования для получения и обработки экспериментальных данных, применением метода математического моделирования.

Личный вклад автора. Автором самостоятельно поставлены цели и задачи, выбраны объекты и методы исследований, разработана программа

теоретических и экспериментальных изысканий, лично выполнены, обработаны и проанализированы основные результаты.

Автор защищает: новый способ получения обогащенных крупяных продуктов, математическое описание процесса обогащения, принципиально новую установку и технологическую схему для получения обогащенных круп.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на международных и всеросийских научных конференциях: Студенческая наука - взгляд в будущее (Красноярск, 2011 г.), «Инновационные тенденции развития Российской науки» (Красноярск, 2011 г.), Аграрная наука -сельскому хозяйству: XII международная научно-практическая конференция (Барнаул, 2012), «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы» (Москва 2013), Актуальные проблемы развития науки и образования (Москва 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ (в том числе 3 в рецензируемом научном издании). Поданы 2 заявки на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения; включает 23 рисунка, 36 таблиц. Основной текст изложен на 130 листах машинописного текста. Список литературы включает 219 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, указана научная новизна и практическая значимость.

В первой главе на основе анализа литературных данных установлена необходимость разработки технологий производства обогащенных круп. Обосновано, что сырьем для производства обогащенных круп могут являться естественные минеральные воды.

Во второй главе описаны объекты и методы исследований, представлена общая схема проведения исследования (рисунок 1).

Объектами исследования на различных этапах работы являлись: технологические параметры процессов обогащения - частота ультразвука, начальная температура процесса, продолжительность процесса обогащения; сырье для изготовления обогащенных круп - крупа овсяная и перловая, вода бидистилированная и вода минеральная Кожановского месторождения; обогащенные овсяная и перловая крупы.

При выполнении работы использовались общепринятые, стандартные и оригинальные методы исследования. Исследования проводились в трехкратной повторности и обрабатывались с использованием современных программ для математической обработки данных.

Рисунок 1 - Общая схема проведения исследования

Основной объем исследований выполнен в Центральной аналитической лаборатории и кафедре технологии хранения и переработки зерна ФГБОУ ВПО «Красноярский Государственный Аграрный Университет» и в лаборатории ФГБУ «Красноярский референтный центр Россельхознадзора».

Для проведения исследований была создана лабораторная установка, представляющая собой устройство, построенное по принципу ультразвуковой ванны. Основная часть устройства - емкость из инертного материала (нержавеющей стали) с установленными снизу ультразвуковыми пьезокерамическими преобразователями.

Для эксперимента были выбраны следующие режимные характеристики:

6

• Температурный режим был выбран в интервале от 25 °С до 60 °С, где 25 С - естественная температура, верхний предел в 60 °С был выбран в связи с тем, что при 67,5 °С происходит полная клейстеризация крахмальных цепей.

• Продолжительность обработки от 10 до 30 минут с шагом в 5 минут. Анализ основополагающих экспериментов показал, что при продолжительности обработки меньше 10 минут, концентрация микроэлементов не достигает желаемого значения, а продолжительность обработки более 30 минут разрушает структуру круп.

• Частота ультразвука была взята 35 и 42 кГц.

При математической обработке данных были использованы возможности программ: SPSS, Microsoft Excel, Mathcad Prime 1.0.

В третьей главе представлены результаты исследования технологического процесса обогащения овсяной и перловой крупы микроэлементами, позволившие установить основные тенденции изменения физико-химических и технологических свойств крупяных продуктов. Варьируя технологическими параметрами, с использованием планирования серии (для фиксированных значений частоты, концентрации железа и цинка в растворе Ср, исходной концентрации этих элементов в крупе СО, начальной температуры Г0) активных экспериментов по схеме ПФЭ 25 (в качестве примера результаты одной из серий опытов для перловой крупы при частоте обработки ультразвуком 35 кГц по концентрации железа приведены в таблице 1 и на рисунке 2), экспериментально доказано значительное влияние данных параметров на процесс обогащения. При этом указанные параметры выделены в три группы: начальные (отмеченные выше концентрации элементов), управляющие (частота ультразвука) и режимные (начальная температура и время обработки).

Таблица 1 - Результаты опытов одной серии экспериментальных исследований

Температура, кодированное значение (°С) В ремя, кодированное значение (мин.)

-2 (10) -1 (15) 0 (20) +1 (25) +2 (30)

-2 (25) 35,725 ± 0,993 36,971 ± 1,028 41,038 ± 1,141 42,168 ± 1,172 43,070 ± 1,197

-1 (30) 40,594 ± 1,129 41,934 ± 1,166 46,221 ± 1,285 47,334 ± 1,316 48,286 ± 1,342

0 (35) 45,386 ± 1,262 46,868 ± 1,303 51,463 ± 1,431 52,642 ± 1,463 53,637 ± 1,491

1 (40) 50,172 ± 1,395 51,701 ± 1,437 55,664 ± 1,547 57,08 ± 1,587 58,103 ± 1,615

2 (45) 54,759 ± 1,522 57,211 ± 1,590 59,769 ± 1,662 62,355 ± 1,733 64,273 ± 1,787

-Практическая -Теоретическая

О О1" О О1"

Продолжительность, мин

Рисунок 2 - Кривая динамики изменения концентрации железа, полученная при обогащении перловой крупы (частота ультразвука 35 кГц, начальная концентрации железа в крупе 18 мг/кг, концентрация железа в растворе 65 мг/кг.

Выявлены максимально допустимые концентрации железа и цинка в крупах, не ухудшающие органолептические свойства (55 мг/кг, 60 мг/кг соответственно).

Установлено, что в процессе ультразвуковой обработки идет активная гидратация белка, при которой микроэлементы, попадая с водою в структуру белка, плотно связываются с ним, становятся его частью, и после удаления воды остаются в продукте.

Исследовано изменение липидного комплекса в процессе обогащения. Жиры под воздействием ультразвуковых колебаний, кавитации, температуры во времени начинают распадаться. Разложение жиров несет за собой повышение кислотности продуктов. В связи с этим исследовалось изменение кислотности круп в процессе обработки. Установлено, что в начале обработки кислотность резко возрастает, затем уменьшается. Первоначальное увеличение кислотности с последующим падением можно объяснить тем, что в начале процесса образуются свободные радикалы, главным образом ОН-, окисляющие систему, затем же в процессе обработки водород улетучивается, растет число гидроксильных групп, что ведет за собой уменьшение кислотности. Но при обработке на режимах с высокими характеристиками идет активное расщепление жиров, и высвободившиеся кислоты опять подкисляют среду.

Выявлено, что в процессе обогащения идет распад крахмала до более простых углеводов, а содержание декстринов и общего сахара возрастает, содержание клетчатки изменяется не существенно. Отмеченные изменения очень важны, так как простые углеводы являются более биодоступными.

Установлено, что ультразвуковая обработка во всех рассматриваемых случаях подавляет жизнедеятельность микроорганизмов (таблица 2).

Таблица 2 - Микробиологическая характеристика круп

Показатель Начальная температура, °С Время, мин Овсяная крупа, частота 35 кГц Овсяная крупа, частота 42 кГц Перловая крупа, частота 35 кГц Перловая крупа, частота 42 кГц

КМАФАнМ, КОЕ/г Без обработки - 1 3,4* 103 3,4*103 2,7*103 2,7*103

25 "С 10 2,8*103 2,1*103 2,0*103 1,6*103

20 1,2*103 0,4* 10і 0,8*103 0,2*103

30 9,4*102 7,3*10' 9,2*10' 6,4* 103

40 °С 10 1,9*103 1,0*103 1,1*103 0,7*103

20 9,3*102 7,4*10' 8,5*10' 6,1*10'

30 3,2* 10і 1,1*10' 2,1*102 0,7*10'

60 °С 10 9,7*102 8,5*102 9,2*102 7,8*10'

20 4,1*20' 2,4*10' 1,1*10' 0,8*10'

30 1,0*102 0,4*10' 0,9*10' 0,1*10'

Доказана возможность обогащения крупяных продуктов природными минеральными водами на примере воды Кожановского месторождения с содержанием железа - 18,61 мг/л.

С целью определения наиболее рациональных режимов произведено математическое моделирование процесса обогащения круп.

Уравнения, описывающие процесс обогащения круп железом и цинком, были представлены в следующем виде:

- уравнения динамики в пространстве состояний процесса получены в виде нелинейной системы двух обыкновенных дифференциальных уравнений относительно двух переменных: индекса i концентрации элемента С и температуры Тс учетом начальных условий, задаваемых значениями СО и ГО:

ft=rcmm-m о)

S = (1 - к)Т0 + kT(t) - rsi(t)C(t), (2)

C(t) — СО + ¿(t)Cp, С(0) = СО, T(0) = ТО; (3)

- уравнения типа «вход-выход», полученные в виде регрессионных соотношений:

С = а2 Ср + а± СО + а0,а0 = 0,аг = 1 ,а2 = а2 (t,Г)

= (jn.it + тПоХщТ + п0) Ср + СО =

=к0 Ср + кг C„t + к2 СрТ + к1Л CvtT + СО. (4)

Для перловой крупы при частоте ультразвука 35 кГц решение системы уравнений (1)-(3) представлено в виде следующей логистической функции:

¿(t) =-=-- (S)

l+exp (Ъо+bjt) l+exp (-0.6S5-0.09t) ' ( J

а для коэффициентов регрессии уравнения (4) получены следующие оценочные значения

к0 = -0.28, кг = 0.10 * 10"3, к2 = -0.34 * 10"4, к%2 = 0.94 * Ю-5, значимость которых проверена с использованием критерия Фишера

(^расч = = ^ > ^ = ^ = ^табл(0.95;гг-т-1),Д2 = 0.94

где К2 - коэффициент детерминации, подтверждающий адекватность модели с доверительной вероятностью на уровне не менее /? = 0.95.

Погрешность расчетных значений содержания микроэлементов от экспериментальных не превышает 5 %, следовательно, все полученные модели адекватно описывают процесс обогащения.

С помощью полученных математических моделей подобранны режимы получения обогащенных круп с использованием воды Кожановского месторождения. Выбраны режимы для обогащения круп под действием ультразвука с частотой 35 и 42 кГц с учетом того, что порция крупы в 50 граммов обогащалась на 5% и 10 % от суточной потребности (рисунки 3 и 4):

• Для частоты 35 кГц и обогащению на 5% от суточной потребности -обработка с начальной температурой 35 °С в течение 10 минут.

• Для частоты 35 кГц и обогащению на 10% от суточной потребности -обработка с начальной температурой 55 °С в течение 15 минут.

44,5

--( «>42,0-44,5

—1 » 39,5-42,0

"Л г 37,0-39,5

О 1Л ■ 34,5-37,0

■ 32,0-34,5

В 29,5-32,0

■ 27,0-29,5

Продолжительность, мин

Температура, °С

Рисунок 3 - Изменение концентрации железа при обогащении порции овсяной крупы применением ультразвука с частотой 35 кГц и минеральной воды Кожановского месторождения в зависимости от продолжительности и температуры

• Для частоты 42 кГц и обогащению на 5% от суточной потребности -обработка с начальной температурой 25 °С в течение 10 минут.

• Для частоты 42 кГц и обогащению на 10% от суточной потребности -обработка с начальной температурой 45 °С в течение 20 минут.

10

В 36,0-38,5 ■ 33,5-36,0

Я 46,0-48,5 Я 43,5-46,0

■ 41,0-43,5

■ 38,5-41,0

Продолжительность, мин

Температура, °С

Рисунок 4 - Изменение концентрации железа при обогащении порции овсяной крупы применением ультразвука с частотой 42 кГц и минеральной воды Кожановского месторождения в зависимости от продолжительности и температуры

Искомыми режимами для перловой крупы были признаны:

• Для частоты 35 кГц и обогащению на 5% от суточной потребности -обработка с начальной температурой 35 °С в течение 15 минут.

• Для частоты 35 кГц и обогащению на 10% от суточной потребности -обработка с начальной температурой 60 °С в течение 20 минут.

• Для частоты 42 кГц и обогащению на 5% от суточной потребности -обработка с начальной температурой 10 °С в течение 10 минут.

• Для частоты 42 кГц и обогащению на 10% от суточной потребности -обработка с начальной температурой 50 °С в течение 20 минут. Графическое изображение модели обогащения перловой крупы железом,

с использованием минеральной воды Кожановского месторождения находится на рисунках 5 и 6 для частот 35 кГц и 42 кГц соответственно.

[.„________1

^ШгГ |

о 1Л ю

а 35,0-36,0 М 33,5-35,0 В 32,0-33,5 В 30,5-32,0 В 29,0-30,5 В 27,5-29,0 В 26,0-27,5 я 24,5-26,0 В 23,0-24,5

Продолжительность, мин

Температура, °С

Рисунок 5 - Изменение концентрации железа при обогащении порции перловой крупы применением ультразвука с частотой 35 кГц и минеральной воды Кожановского месторождения в зависимости от продолжительности и температуры

» 37,0-38,5 ® 35,5-37,0 а 34,0-35,5 я 32,5-34,0 в 31,0-32,5 В 29,5-31,0 а 28,0-29,5 В 26,5-28,0

Продолжительность, мин

Температура, °С

Рисунок 6 - Изменение концентрации железа при обогащении порции перловой крупы применением ультразвука с частотой 42 кГц и минеральной воды Кожановского месторождения в зависимости от продолжительности и температуры

При обогащении порции овсяной и перловой круп железом с использованием минеральной воды Кожановского месторождения на 5% от МСНЧ оптимально использовать ультразвук с частотой 35 кГц, на 10% от МСНЧ - 42 кГц.

В ходе проверки теоретических разработок выбранные режимы воспроизведены и определены свойства полученных продуктов (таблицы 3-4).

Показатель Исходная овсяная крупа Овсяная крупа обогащенная на 5 % ОТ мснч Овсяная крупа обогащенная на 10 % ОТ МСНЧ

Частота ультразвука, кГц - 35 42 35 42

Содержание железа, мг/кг 25,19±0,70 33,82±0,94 33,83±0,94 42,07±1,25 41,41±1,15

Жир, % 4,93 ± 0,14 4,70 ±0,12 4,73 ± 0,12 4,41 ±0,11 4,11 ± 0,09

Крахмал, % 59,02±0,38 54,36±0,35 52,17±0,34 49,40±0,32 43,38±0,28

Декстрины, % 1,84 ±0,06 2,23 ± 0,07 2,31 ±0,08 2,59 ±0,08 3,72 ±0,12

Клетчатка, % 3,21 ±0,11 3,12 ± 0,10 3,11 ±0,10 3,04 ±0,10 2,92 ±0,09

Общий сахар, % 3,14 ±0,11 3,41 ±0,12 3,33 ±0,11 3,58 ±0,13 3,92± 0,14

Кислотность, град. 4,2 ± 0,4 5,3 ± 0,5 5,1 ± 0,5 5,4 ±0,5 5,2 ±0,5

Микробиология, КОЕ/г 3,4*10"' 2,1*10' 3,2*10і 2,0*10' 4,4*10'

Таблица 4 - Характеристики полученных перловых круп

Показатель Исходная перловая крупа Перловая крупа, обогащенная на 5 % ОТ МСНЧ Перловая крупа, обогащенная на 10 % От МСНЧ

Частота ультразвука, кГц - 35 42 35 42

Содержание железа, мг/кг 18,62±0,52 26,99±0,75 27,68±0,77 35,01±0,97 34,94±0,97

Жир, % 1,29 ±0,06 1,04 ±0,04 1,15 ±0,05 0,73 ± 0,03 0,69 ± 0,02

Крахмал, % 74,48±0,47 69,27±0,44 70,10±0,44 57,24±0,37 58,02±0,37

Декстрины, % 0,97 ±0,03 1,10 ±0,04 1,04 ±0,04 1,92 ±0,06 1,71 ±0,06

Клетчатка, % 1,24 ±0,06 1,13 ±0,05 1,20± 0,05 1,07± 0,05 1,03± 0,05

Общий сахар, % 2,12 ±0,08 2,63 ± 0,09 2,49 ±0,09 3,60 ±0,13 3,57 ±0,13

Кислотность, град. 3,1 ±0,2 3,7 ±0,2 4,0 ± 0,2 4,5 ±0,3 4,0 ±0,2

Микробиология, КОЕ/г 2,7*10' 1,4*103 1,7*10' 2,2* 10"

Из представленных данных видно, что все полученные продукты имеют требуемое содержание микроэлемента, все остальные характеристики также являются удовлетворительными.

Выявлено, что запах и вкус обогащенных продуктов соответствует нормальной крупе. Цвет перловых круп стал серовато-желтым, овсяных темно-желтым.

Стойкость крупы при хранении определяли по изменению кислотности продуктов (таблица 5), а также по общему содержанию мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (таблица 6).

Таблица 5 - Изменение кислотности круп в процессе хранения

Наименование Изменение кислотности П] родуктов в градусах/сут

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 105

Исходная овсяная крупа 4,2±0, 4 4,2±0, 4 4,2±0, 4 4,3±0, 4 4,6±0, 4 4,8±0, 4 5,1±0, 5 - - - -

Овсяная крупа, 35 кГц, 5% 5,3±0, 5 5,3±0, 5 5,3±0, 5 5,4±0, 5 5,5±0, 5 5,7±0, 5 5,9±0, 5 - - - - -

Продолжение таблицы 5

Наименов аннс Изменение кислотности продуктов в градусах/с П

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 105

Овсяная крупа, 35 кГц, 10% 5,4± 0,5 5,4± 0,5 5,5± 0,5 5,6± 0,5 5,7± 0,5 5,8± 0,5 б,0± 0,5 - - - - -

Овсяная крупа, 42 кГц, 5% 5,1± 0,5 5,1± 0,5 5,1± 0,5 5Д± 0,5 5,2± 0,5 5,5± 0,5 5,7± 0,5 - - - -

Овсяная крупа, 42 кГц, 10% 5,2± 0,5 5,2± 0,5 5,2± 0,5 5,3± 0,5 5,5± 0,5 5,7± 0,5 5,9± 0,5 - - - -

Исходная перловая крупа 3,1± 0,2 3,1± 0,2 3,1± 0,2 3,1± 0,2 3,2± 0,2 3,2± 0,2 3,3± 0,2 3,4± 0,2 3,6± 0,2 3,8± 0,2 4,0± 0,2 4,1± 0,2

Перловая крупа, 35 кГц, 5% 3,7± 0,2 3,7± 0,2 3,7± 0,2 3,8± 0,2 3,8± 0,2 3,9± 0,2 4,0± 0,2 4,1± 0,2 4,3± 0,3 4,5± 0,3 4,7± 0,3 5,0± 0,3

Перловая крупа, 35 кГц, 10% 4,5± 0,3 4,5± 0,3 4,6± 0,3 4,7± 0,3 4,8± 0,3 5,0± 0,3 5,1± 0,3 5,3± 0,3 5,5± 0,3 5,6± 0,3 5,8± 0,3 6,0± 0,4

Перловая крупа, 42 кГц, 5% 4,0± 0,2 4,0± 0,2 4,1± 0,2 4,1± 0,2 4,2± 0,3 4,3± 0,3 4,5± 0,3 4,7± 0,3 4,9± 0,3 5,0± 0,3 5,2± 0,3 5,4± 0,3

Перловая крупа, 42 кГц, 10% 4,0± 0,2 4,0± 0,2 4,1± 0,2 4,2± 0,3 4,3± 0,3 4,5± 0,3 4,6± 0,3 4,8± 0,3 5,1± 0,3 5,3± 0,3 5,5± 0,3 5,7± 0,3

Установлено, что испытываемые крупяные продукты на протяжении всего срока годности соответствуют предъявляемым требованиям технических условий и СанПиН 2.3.2.1078-01, которые ограничивают максимальную кислотность на уровне 6 градусов кислотности и содержание КМАФАнМ не более 1*104 КОЕ/г.

Таблица 6 - Изменение микрофлоры в процессе хранения

Наименование КМАФАнМ, КОЕ/г

0 30 60 90 105

Исходная овсяная крупа 3,4*10' 4,1*10' 4,6*10' - -

Овсяная крупа, 35 кГц, 5% 2,1*10' 2,6*10' 3,1*10' - -

Овсяная крупа, 35 кГц, 10% 3,2*10' 3,5*10' 4,3*10' - -

Овсяная крупа, 42 кГц, 5% 2,0* 10і 2,4*10' 3,0*10' - -

Овсяная крупа, 42 кГц, 10% 4,4*10' 5,6*10" 8,1 *102 - -

Исходная перловая крупа 2,7*10' 3,4*10' 4,2*10' 4,5*10' 4,9*10'

Перловая крупа, 35 кГц, 5% 1,4*10' 1,6*10' 2,1*10' 2,5*10' 2,7*10'

Перловая крупа, 35 кГц, 10% М'ІО2 2,2* 10і 3,1*10' 3,7*10' 4,5*10'

Перловая крупа, 42 кГц, 5% 1,7* 10і 2,1*10' 2,5*10' 2,8*10' 3,2*10'

Перловая крупа, 42 кГц, 10% 2,2* 10і 2,7* 10і 3,4*10' 4,8*10' 5,4*10'

Органолептические показатели круп после хранения остались неизменными, следовательно, все изменения, произошедшие на протяжении всего срока хранения, не отразились на качестве продуктов.

Исследована скорость приготовления круп, зафиксировано снижение времени приготовления после обогащения от 19% до 42% (таблица 7).

Таблица 7 - Время приготовления полученных обогащенных круп

Крупа Частота ультразвука, используемая для обогащения, кГц Скорость приготовления каш из полученных круп, МИН

Исходная Обогащенная на 5 % Обогащенная на 10%

Овсяная 35 52 42 37

42 41 33

Перловая 35 45 36 29

42 33 26

Установка для переработки обычных круп в обогащенные дает возможность обогащения круп различных культур.

Установка содержит: 1 резервуар - термос с нагревательным элементом для хранения запаса рабочей жидкости, а также для поддержания ее в нужных температурных интервалах, патрубок 3 и насос - дозатор 2 для подачи рабочего раствора, основной рабочий резервуар 5, с установленным источником

Рисунок 7- Схема установки для производства обогащенных круп

Установка работает следующим образом - сырье помещается в сетчатые емкости штатива и опускается в рабочий резервуар, одновременно с этим из бака для рабочего раствора посредством насоса-дозатора через патрубок поступает раствор, при завершении этих процессов включается источник ультразвуковых колебаний, под действием ультразвуковых колебаний происходит интенсификация процесса насыщения продукта раствором. После завершения обработки штатив удаляется, а остатки рабочего раствора сливаются с помощью патрубка для слива посредством насоса. Кроме того, стоит отметить, что для автоматизации процесса обогащения можно использовать модернизированный ленточный конвейер с закрепленными на

нем сетчатыми емкостями для крупы и дозатор. Принципиальная схема технологической линии представлена на рисунке 7. Процесс производства, состоит из 7 этапов:

1. Подготовка воды.

2. Транспортировка сырья в реактор (вода, крупа).

3. Этап облучения ультразвуком.

4. Транспортировка обогащенного продукта к сушилке.

5. Сушка.

6. Упаковка и маркировка продукта.

7. Продукт поступает на склад готовой продукции.

1 - Резервуар для хранения воды; 2 - фильтр грубой отчистки; 3 - резервуар термос с нагревательным элементом; 4 - бункер для хранения крупы; 5 дозатор; 6 - транспортёр с установленными сетчатыми чашами для крупы; 7 - реактор; 8 - аэродинамическая сушилка.

Рисунок 8 - Принципиальная технологическая схема производства обогащенных крупяных продуктов

В четвертой главе произведена оценка экономической эффективности, установлено, что капитальные вложения окупятся в течение 1 года при чистом дисконтированном доходе 2937185 рублей.

Заключение

1. Выполненный комплекс теоретических исследований позволил предложить, обосновать и доказать возможность обогащения круп при помощи ультразвуковых технологий. Предложен способ получения обогащенных 1фупяных продуктов.

2. При изучении влияния основных технологических параметров на процесс обогащения и свойства обогащенных продуктов установлено:

• процесс обогащения идет интенсивнее, при увеличении значений частоты ультразвука, температуры, продолжительности обработки;

• подавляющее влияние ультразвуковой кавитационной обработки на микрофлору обогащаемых крупяных продуктов.

• предельная концентрация цинка и железа в крупах, не влияющая отрицательно на органолептические свойства, для железа - 55 мг/кг, для цинка - 60 мг/кг;

3. Получено математическое описание процесса обогащения в виде систем уравнений (1-3) и (4-5).

4. Подобраны режимы обогащения круп (порция крупы в 50 грамм обогащалась на 5% и на 10% от суточной потребности) с использованием минеральной воды Кожановского месторождения:

• Для овсяной крупы - 5 %:35 кГц:35 °С: Юминут; 10 %: 42 кГц:45 °С:20 минут;

• Для перловой крупы - 5 %:35 кГц:35 °С:15 минут; 10 %:42 кГц: 50 °С:20 минут.

5. Анализ обогащенных крупяных продуктов с использованием минеральной воды Кожановского месторождения показал, что срок хранения круп, в вакуумных пакетах составляет: для овсяной крупы 6 месяцев, для перловой 12 месяцев; время приготовления круп снизилось от 19% до 42%.

6. Разработана установка промышленного обогащения крупяных продуктов под действием ультразвука. По результатам исследовательской работы разработан проект технических условий для обогащенных круп.

7. Результаты оценки экономической эффективности показали, что капитальные вложения окупятся в течение 1 года при чистом дисконтированном доходе 2937185 рублей.

Перечень публикаций

1. Гусев, А.И. Методика повышения микроэлементного состава перловой и овсяной круп в ультразвуковом поле, на примере обогащения цинком / А. И. Гусев, М. А. Янова // Вестник КрасГАУ. - 2012. -№б. - С. 18-23.

2. Гусев, А.И. Изучение изменения углеводного комплекса круп, полученных с помощью ультразвуковых технологий, а также оценка востребованности рынком новых обогащенных круп быстрого приготовления / А. И. Гусев, М. А. Янова // Вестник КрасГАУ. - 2013. - №8. - С. 209-213.

3. Янова, М.А. Изменение липидного комплекса и кислотности овсяной и перловой круп, обогащенных в ультразвуковом поле / М. А. Янова, А. И. Гусев // Вестник КрасГАУ. - 2013. - №8. - С. 233-237.

4. Гусев, А.И. Ультразвук в пищевой и перерабатывающей промышленности / А. И. Гусев, М. А. Янова // Студенческая наука - взгляд в будущее: материалы всероссийской студенческой научной конференции. 4.1. -Красноярск, 2011. - С. 28-29.

5. Гусев, А.И. Современные способы обогащения крупяных продуктов / А. И. Гусев, М. А. Янова // Студенческая наука - взгляд в будущее: материалы всероссийской студенческой научной конференции. 4.1. - Красноярск, 2011. -С. 31-32.

6. Гусев, А.И. Обогащение крупяных продуктов микроэлементами в ультразвуковом поле / А. И. Гусев, М. А. Янова // Инновационные тенденции развития российской науки: материалы XII международной научно-практической конференции. - Красноярск, 2011. - С. 64-66.

7. Гусев, А.И. Сравнительная характеристика скорости насыщения микроэлементами круп из овса и ячменя в ультразвуковом поле / А. И. Гусев, М. А. Янова // Аграрная наука - сельскому хозяйству: материалы международной научно-практической конференции молодых ученых. -Барнаул,2012. -С. 18-20.

8. Гусев, А.И. Изменение микрофлоры овсяной и перловой круп при обработке ультразвуком разной частоты в водной среде с различными начальными температурами среды / А. И. Гусев, М. А. Янова // Актуальные проблемы развития науки и образования: материалы международной научно-практической конференции. 4.5.-М., 2013. — С. 126-127.

9. Гусев, А.И. Использование естественных минеральных вод для производства функциональных круп / А. И. Гусев, М. А. Янова // Наука. Образование. Общество: тенденции и перспективы: материалы международной научно-практической конференции. 4.2. - М., 2013. - С. 34-35.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г. Подписано в печать 23.09.2013. Формат 60x84/16. Бумага тип. № і. Печать -ризограф. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 715 Издательство Красноярского государственного аграрного университета 660017, Красноярск, ул. Ленина, 117

ФГБОУ ВПО «КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ГУСЕВ АРТЕМ ИГОРЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБОГАЩЕНИЯ КРУП МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ

Специальность 05.18.01 - «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции

и виноградарства»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -к.с-х.н., доцент М.А. Янова

Красноярск -2013

Оглавление

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

Глава 1. Обзор литературы...........................................................................................11

1.1 Характеристика сырья, применяемого для производства крупы.................11

1.1.1 Ячмень и технология его переработки......................................................11

1.1.2 Овес и технология его переработки..........................................................13

1.2 Применение ультразвука в современной пищевой промышленности........16

1.3 Теоретические основы явления кавитации.....................................................21

1.4 Обогащение и функциональные продукты.....................................................25

1.5 Роль микроэлементов в жизни человека, физиологическая потребность в железе и цинке...................................................................................................29

1.5.1 Микроэлементы и человек.........................................................................29

1.5.2 Микроэлемент цинк....................................................................................30

1.5.3 Микроэлемент железо.................................................................................32

1.6 Минеральные воды как средство повышения биологической ценности крупяных продуктов..........................................................................................33

1.6.1 Понятие и критерии оценки минеральных вод........................................33

1.6.2 Использование минеральных вод и их действие на организм человека35

1.6.3 Минеральные воды Красноярского края..................................................37

1.7 Заключение по обзору литературы..................................................................38

Глава 2. Объекты и методы исследования..................................................................40

2.1 Объекты исследования......................................................................................40

2.2 Методы исследования.......................................................................................40

Глава 3. Результаты исследований...............................................................................47

3.1 Анализ влияния технологических характеристик на свойства обогащенных

крупяных продуктов..........................................................................................47

3.1.1 Результаты изменения содержания железа и цинка в крупяных продуктах в зависимости от времени обработки при фиксированной начальной температуре 25 °С.....................................................................48

3.1.2 Результаты изменения содержания железа и цинка в крупяных продуктах в зависимости от различной начальной температуры процесса при фиксированной продолжительности обработки..............51

3.1.3 Анализ влияния частоты ультразвука на процесс обогащения..............53

3.2 Определение характеристик полученных экспериментальных крупяных продуктов...........................................................................................................54

3.2.1 Определение органолептических показателей полученных экспериментальных крупяных продуктов................................................54

3.2.2 Определение изменения содержания сырого белка................................55

3.2.3 Исследование содержание жиров..............................................................60

3.2.4 Изменение микробиологического состояния...........................................63

3.2.5 Исследование изменения углеводов при обогащении............................65

3.2.6 Определение кислотности продуктов, полученных на различных режимах........................................................................................................69

3.3 Исследование изменения температуры в процессе обогащения..................71

3.4 Математическая обработка результатов и поиск режимов обогащения.....72

3.4.1 Общая постановка задачи. Алгоритм математического моделирования процесса обогащения круп.........................................................................72

3.4.2 Результаты математического моделирования процесса обогащения круп железом................................................................................................74

3.5 Обоснование возможности использования минеральной воды Кожановского месторождения при производстве обогащенных круп........79

3.6 Общие требования для обогащения овсяной и перловой круп...................82

3.7 Режимы обогащения крупяных продуктов для обогащения искусственно минерализованной водой с концентрацией элемента 65 мг/л......................83

3.8 Обогащение крупы железом с использованием природной минеральной воды Кожановского месторождения......................... ......................................84

3.8.1 Обогащение овсяной крупы железом, оценка характеристик полученных продуктов...............................................................................84

3.8.2 Обогащение перловой крупы железом, оценка характеристик

полученных продуктов...............................................................................88

3.8.3 Оценка безопасности полученных продуктов..........................................92

3.8.4 Исследование стойкости крупяных продуктов при хранении................95

3.8.5 Исследование развариваемости полученных крупяных продуктов......98

3.9 Установка и принципиальная технологическая схема для обогащения

круп...................................................................................................................100

Глава 4. Экономическая эффективность..................................................................105

4.1 Описание предприятия....................................................................................105

4.2 Маркетинговый анализ...................................................................................106

4.2.1 Анализ спроса............................................................................................106

4.2.2 Анализ конкурентов..................................................................................112

4.3 Маркетинговый план.......................................................................................113

4.4 Инвестиционный план....................................................................................116

4.5 Организационный план...................................................................................118

4.6 План производства..........................................................................................120

4.7 Финансовый план............................................................................................120

4.8 Анализ финансовых показателей и показателей эффективности инвестиций.......................................................................................................125

Заключение...................................................................................................................129

Список литературы......................................................................................................131

Приложения..................................................................................................................153

Приложение А..............................................................................................................154

Приложение Б...............................................................................................................158

Приложение В..............................................................................................................161

Приложение Г...............................................................................................................171

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Крупы, изготовленные из различных злаков, с незапамятных времен использовались людьми в пищу в большом количестве. Прошли тысячи лет, но объем потребления крупяных продуктов не только не уменьшается, но и уверенно растет. Этому способствует их доступность, большая распространенность и высокая питательная ценность. В настоящий момент каждый человек в мире ежедневно употребляет некоторое количество какой-либо крупы.

Сложно переоценить полезность каш для людей любого возраста. Первую порцию каши человек получает еще в первый год жизни с началом прикорма, и с этого момента крупяные продукты плотно входят в рацион. Так, людям преклонного возраста для нормальной работы перистальтики кишечника рекомендуют употреблять крупы, богатые клетчаткой, например, овсяную.

С середины 90-х годов практически во всех странах мира остро встает проблема полноценного (рационального) питания населения. Для России данная проблема приобрела особую актуальность в связи с тяжелой политической обстановкой, сложившейся в конце XX века, и как результат - дефицитом всех продуктов питания. В итоге Россия оказалась в числе стран, где наблюдается очень большая нехватка основных питательных веществ, будь то полноценные белки, жиры, углеводы, витамины или минеральные вещества.

Неоднократно проводимые различные исследования показали, что у большинства населения России выявлены нарушения полноценного питания, обусловленные как недостаточным потреблением пищевых веществ, так и нерациональным их соотношением [217]. Не вызывает сомнений, что неотъемлемым атрибутом полноценного рациона питания являются злаковые культуры и продукты их переработки [69, 81, 150]. Именно поэтому в зерноперерабатывающей области значительное внимание уделяется внедрению прогрессивных методов и самого передового оборудования с целью повышения эффективности использования зерна при его переработке.

В настоящее время основными способами обогащения круп являются фортификация, применение прогрессивных агротехнологий и проращивание. Хорошей альтернативой классическим методам обогащения может стать ультразвуковая кавитационная обработка, открывающая широкие возможности для расширения ассортимента зерновых и хлебобулочных изделий с заданными свойствами [24].

В основе предложенной технологии лежит физическое явление — кавитация, которая порождается либо ультразвуком (акустическая), либо гидроимпульсами (ротационная). Акустические кавитационные установки уже находят применение в различных отраслях пищевой промышленности.

Над проблемой внедрения ультразвуковых технологий в пищевую промышленность работали Р.Д. Поландова, С.Д. Шестаков, Т.П. Волохова, В.Н. Хмелев, Т.В. Шленская, О.Н. Красуля, Б.А. Красуля, В.И. Богуш, Я.А. Артемова, L. Wangl [157, 158, 160, 161, 164, 165, 177, 178, 187-191,216]. На сегодняшний день наибольших практических результатов в этом направлении достиг д.т.н. С.Д. Шестаков. В настоящее время им предложено несколько вариантов использования кавитационной обработки в пищевой промышленности, в том числе: кавитационная обработка воды при отволаживании зерна перед помолом или закладкой на хранение, введение консервантов в продукты при помощи кавитации и другие. Несмотря на большую проделанную работу, вопрос обогащения крупяных продуктов микроэлементами под воздействием ультразвука остался не изучен.

В связи с глобальной проблемой острого недостатка минеральных элементов несомненна актуальность получения новых обогащенных крупяных продуктов. Новая технология позволит создавать крупы с заданными характеристиками минерального состава. Инженеры смогут прогнозировать характеристики будущих круп и создавать определенный продукт под определенные задачи.

Из вышеизложенного следует, что разработка новой технологии получения

обогащенных крупяных продуктов с использованием ультразвука, а также разработка технологической линии для осуществления данного процесса является актуальной задачей. Решение данной задачи позволит вывести на рынок новые функциональные крупы, которые, несомненно, обогатят рацион потребителей. Кроме того, широкое распространение данных круп позволит руководству страны вести профилактические мероприятия по борьбе с хроническими заболеваниями, вызванными нехваткой микроэлементов в рационе питания. Следовательно, разработка технологии получения новых обогащенных крупяных продуктов полностью соответствует целям и задачам, изложенным в «Основах государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения до 2020 года» (№1873-р от 25.10.2010).

Цель и задачи исследования Цель диссертационной работы заключается в разработке технологии обогащения круп с использованием ультразвуковых технологий и технических решений для ее осуществления.

Для успешной реализации поставленной цели были намечены следующие задачи:

• Обосновать возможность использования ультразвуковых технологий для обогащения крупяных продуктов, разработать методику исследований.

• Изучить влияние основных технологических параметров (температуры, продолжительности обработки и частоты ультразвука) на процесс обогащения, а также физико-химические, органолептические, микробиологические показатели обогащенных продуктов.

• Дать математическое описание технологического процесса обогащения круп в зависимости от основных технологических параметров.

• Определить рациональные режимы обогащения, получить обогащенные крупяные продукты с использованием естественной минеральной воды Кожановского месторождения, определить их характеристики.

• Разработать технологическую схему производства обогащенных круп и нормативно-техническую документацию на них.

• Оценить экономическую эффективность представленной технологии. Научная новизна

На основе комплексного исследования технологических, биохимических, органолептических свойств, химического состава обогащенных круп обоснована, экспериментально подтверждена новая технология и предложена технологическая линия получения обогащенных крупяных продуктов в ультразвуковом поле с использованием естественной минеральной и искусственно минерализованной воды. Разработаны математические модели, адекватно описывающие процесс обогащения, позволяющие прогнозировать параметры технологии производства. Практическая значимость

• Разработан способ получения обогащенных крупяных продуктов.

• Разработана аппаратурно-процессовая схема малотоннажного производства обогащенных крупяных продуктов.

• Оценка экономической эффективности показала, что капитальные вложения окупаются в течение первого года.

• Разработан проект технических условий на обогащенные крупяные продукты.

• Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» на кафедре технологии хранения и переработки зерна.

Достоверность и обоснованность полученных результатов Основные положения, выводы, теоретические и практические разработки, рекомендации, полученные в работе, научно обоснованы, подтверждены экспериментальными данными и апробированы в лабораторных условиях. Достоверность результатов работы подтверждается достаточным количеством экспериментального материала, адекватным объёмом выполненных

исследований, использованием современных методик и оборудования для получения и обработки экспериментальных данных, применением метода математического моделирования.

Личный вклад автора

Автором самостоятельно поставлены цели и задачи, выбраны объекты и методы исследований, разработана программа теоретических и экспериментальных изысканий, лично выполнены, обработаны и проанализированы основные результаты.

Апробация работы

Основные результаты исследований были представлены на международных и всеросийских научных конференциях:

• Студенческая наука - взгляд в будущее (Красноярск, 2011),

• Инновационные тенденции развития Российской науки (Красноярск,

2011),

• Аграрная наука - сельскому хозяйству: XII международная научно-

практическая конференция (Барнаул, 2012),

• Наука, образование, общество: тенденции и перспективы (Москва, 2013),

• Актуальные проблемы развития науки и образования (Москва, 2013).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ (в том числе 3 в рецензируемом научном издании). Поданы 2 заявки на изобретение (способ и полезную модель).

Положения, выносимые на защиту:

• Новый способ получения обогащенных крупяных продуктов.

• Математическое описание процесса обогащения.

• Принципиально новая установка и технологическая схема для получения обогащенных круп.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка

литературы и приложений. Основной текст изложен на 130 листах машинописного текста, включает 23 рисунка и 36 таблиц. Список литературы включает 219 наименований.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Характеристика сырья применяемого для производства крупы

1.1.1 Ячмень и технология его переработки

Ячмень - растение семейства злаковых. Ячмень представлен однолетними и многолетними растениями [8]. Ячмень отличается малой требовательностью к теплу, способностью прорастать при низких температурах (1-2° С) и имеет короткий вегетационный период. Он хорошо вызревает на севере за короткое лето и на юге до наступления засухи. Посевы ячменя распространены повсеместно - от крайнего севера до южных границ.

Зерновка ячменя продолговатая, заостренная с обеих сторон, бороздка -продольная. Поверхность зерна ребристая, часто складчатая. Зерновка обычно пленчатая (срастающаяся с пленками), но встречается и голозерный ячмень. Цветочные пленки состоят из толстостенных одревесневших клеток. Они настолько плотно срастаются с поверхностью зерна, что отделяются с трудом. Цветочные пленки соломенно-желтого и черного, иногда серого цвета.

Плёнчатость зерна связана с сортом и условиями произрастания. Она колеблется в пределах от 7 до 17%, причем высокой считается плёнчатость свыше 12%, низкой-до 10% [85].

Зерно пленчатого ячменя по химическому составу отличается от пшеницы более высоким содержанием клетчатки и минеральных