автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка технологии продуктов питания на основе нативных мясных и растительных компонентов методом термопластической экструзии

На правах рукописи

ОЛЕЙНИКОВ ВЛАДИСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ НАТИВНЫХ МЯСНЫХ И РАСТИТЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ МЕТОДОМ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОЙ

ЭКСТРУЗИИ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных, рыбных

продуктов и холодильных производств

Специальность 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых

производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности , им. В.М.Горбатова Российской академии сельскохозяйственных наук (ПТУ ВНИИ мясной промышленности им. В.М.Горбатова РАСХН)

Научный руководители:

доктор технических наук, академик РАСХН Лисицын А.Б.

кандидат технических наук, доцент Крылова В.Б.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тарасов К.И.

кандидат технических наук Алексахина В. А.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

крахмалопродуктов

Защита диссертации состоится " "сеитвсЬй 2004 г. в Пос>ч на заседании диссертационного совета Д 006.021.01 при ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова РАСХН по адресу: 109316, Москва, ул. Талалихина, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИМП.

Автореферат разослан " абр^стд 2004 г.

Ученый секретарь (///

диссертационного совета, /у/

кандидат технических наук, с.н.с/¡//Л А.Н. Захаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

Процесс экструзии широко применяется в пищевой промышленности. По экструзионной * технологии производят различные виды продуктов: сухие завтраки, закусочные продукты "снекс", различные виды чипсов и т.д. В этих продуктах отмечается дефицит белков, пищевых волокон, жиров, минеральных и пектиновых веществ, органических кислот.

Одним из способов решения этих проблем является включение в состав экструдированных продуктов мясного сырья.

В теорию и практику производства экструдатов с использованием продуктов животного происхождения значительный вклад внесли Винникова Л.Г., Касьянов Г.И., Остриков А.Н., Токаев Э.С., Файвишевский М.Л., Cho S.H., Lawrie R., Mittal P., Pradahn A.M, Rhee K.S., Smit О.В.и др.

В то же время ряд вопросов, связанных с теорией, расчетом и практикой экструзии нативных мясных белков в сочетании с продуктами животного и растительного происхождения остаются нерешенными.

В связи с этим актуальной становится задача создания новых подходов к изучению процесса экструзии нативных мясных компонентов, конечной целью которых является разработка технологии новых видов экструдированных продуктов, которые будут обладать высокой пищевой ценностью и широкой вкусовой гаммой.

Цель и задачи исследования: Целью диссертационной работы является изучение процессов и создание технологии продуктов питания, на основе рационального сочетания мясного и растительного сырья, методом термопластической экструзии.

Для достижения поставленной цели предполагалось решение следующих задач:

- провести анализ и выбор потенциальных источников мясного и растительного сырья для разработки экструдатов;

- изучить закономерности изменения реологических характеристик смесей нативного мясного и растительного сырья при нагреве и разных скоростях деформации;

- обосновать профиль конфигурации шнековых элементов с целью глубокой переработки компонентов исходных смесей на

основе смесей нативного мясного и растительного сырья и получения экструдатов заданного качества;

- разработать состав смесей и установить технологические параметры процесса экструзии;

- изучить физико-химические, биохимические, микробиологические, гистологические и органолептические характеристики полученных экструдатов;

- разработать технологию и техническую документацию на производство экструдированных продуктов.

Научная новизна состоит в том, что:

- установлена динамика изменения реологических характеристик экструдируемых смесей на основе нативного мясного сырья и растительных компонентов при различных температурах и скоростях деформации позволившая обосновать диапазон частот вращения шнеков вала;

- методами математического планирования получены регрессионные уравнения позволяющие прогнозировать изменение величины напряжения среза готовых продуктов в зависимости от переменных параметров экструзионного процесса (частоты вращения шнеков, температуры) и доли вносимого белкового компонента;

- обоснован состав исходных смесей нативного мясного сырья с сухими животными и растительными компонентами, обеспечивающий высокое содержание белка готовых экструдированных продуктах и заданные значения структурно-механических характеристик;

- установлены закономерности изменения структурно -механических, физико-химических, биохимических и гистологических свойств в процессе экструдирования смесей нативного мясного сырья с сухими животными и растительными компонентами.

Практическая ценность работы.

На основании проведенных исследований, показана эффективность применения нативного мясного сырья в создании новых видов экструдированных продуктов.

Предложен профиль конфигурации шнековых элементов валов обеспечивающий малое время распределения

многокомпонентных смесей в камере экструдера и их глубокую переработку.

Разработана техническая документация на

экструдированные продукты с использованием говядины 2 сорта и ингридиентов животного и растительного происхождения ТУ 9214-839-00419779-04 «Изделия кулинарные готовые растительно-мясные «Фаворит»».

На основе результатов проведенных научных исследований подана заявка на изобретение № 2003134164 "Способ производства сухого продукта" приоритет от24.11.2003 г.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на конференциях: Международный симпозиум «Федеральный и Региональный аспекты государственной политики в области здорового питания», Кемерово, 2002; 7-я Международная научная конференция памяти В.М. Горбатова, ВНИИМП, Москва, 2004; 50-й Международный конгресс по вопросам науки и технологии мяса, Хельсинки, 2004.

По результатам работ за 2003 г. работа удостоена премии имени В.М. Горбатова.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 6

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методов экспериментальных исследований, результатов и их обсуждений, выводов, списка использованных источников и приложений.

Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит таблиц, О О рисунков, библиография включает наименований работ отечественных и зарубежных

авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе приведен аналитический обзор научно-технической и патентной литературы, раскрывающий теоретические аспекты экструзионной технологии, производство экструдированных продуктов с использованием различных видов мышечной ткани и субпродуктов. Приведен анализ факторов, влияющих на процесс проведения экструзии, формирование структуры экструдатов, их влияние на структурно-механические, химические и органолептические характеристики конечных

продуктов. Рассмотрен вопрос о реологическом поведении экструдированных смесей под действием технологических параметров процесса экструзии. На основании анализа литературы сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе «Методика экспериментальных исследований» дана характеристика объектов исследовании, описаны условия постановки эксперимента и методы определения изучаемых показателей.

Объектами исследований являлись: говядина 2 сорта, сухой животный бульон, светлый, пищевой альбумин, кукурузный крахмал, пшеничная мука, экструдированные продукты, выработанные на основе выше перечисленного сырья. Экспериментальные выработки проводили на лабораторном двухшнековом экструдере производительность 80 кг/ч, в условиях стендового аппарата ВНИИ мясной промышленности им. В.М. Горбатова.

Исследования проводили в соответствии со следующей схемой (рис. 1).

Массовую долю влаги, белка, золы, жира, пестицидов, нитрозоаминов, антибиотиков, радионуклидов определяли по стандартным методикам. Аминокислотный состав - методом ионообменной хромотографии на аминокислотном анализаторе "Eppendorf Biotronik LC - 3000" (Германия), содержание солей тяжелых металлов - полярографическим методом..

Для определения физических характеристик экструдатов (насыпной массы, плотности, „коэффициентов взрыва и растяжения, коэффициента и индекса расширения) использовали общепринятые методы, напряжение среза - на аппарате ИНСТРОН - 1140. Реологические характеристики экструзионных смесей - на ротационном вискозиметре РБСЛБСГ-2

Микроструктуру образцов изучали по срезам, полученным на замораживающем микротоме-криостате под световым микроскопом. Переваримость продуктов - методом «in vitro». Микробиологические показатели по СанПин 2.3.2. 1078-01.

Органолептическую оценку экструдированных продуктов проводили по стандартным методикам. Технико-экономическую оценку - по методикам определения экономической эффективности в мясной промышленности. Обработку экспериментальных данных проводили методами математической статистики.

Анализ состояния вопроса

3"

Обоснование выбора сырьевых ресурсов

Говядина Кукурузный Сухой Пшеничная Светлый

2 сорта крахмал животный мука пищевой

(14,8) (14,8) бульон (1-4,8) альбумин

(148) (1-4,8)

Изучение реологических характеристик исходных смесей (9-10)

Моделирование конфигураций • сборки шнековых элементов

Выбор оптимальной конфигурации сборки шнековых элементов (11-14)

Математическое моделирование состава продуктов и технологических параметров экструзии (13,14,16,17)

Изготовление образцов экструдатов и оценка их качеств (1-8.11-16. 18.19.20.21.22.23.24.25.26)

Разработка нормативной документации (ТУ, ТИ)

1 - массовая доля влаги; 2 - массовая доля белка; 3 - массовая. доля жира; 4 - массовая доля золы; 5 • соли тяжелых металлов; 6 - микроструктура; 7 - переваримость; 8 - аминокислотный состав; 9 - касательное напряжение; 10 - вязкость; 11 - плотность; 12 - насыпная масса; 13 - коэффициент взрыва; 14 - коэффициент расширения; 15 - коэффициент растяжения; 16 - индекс расширения; 17 - напряжение среза; 18 - методы математической статистики; 19 - микробиологические показатели; 20 токсичные элементы; 21 - радионуклиды; 22 - пестициды и нитрозоамины; 23 - антибиотики; 24 - биологическая ценность; 25 - органолептические показатели, 26 - экономическая эффективность

Рис. 1. Схема проведения исследований

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Разработка состава и технологических режимов производства экструдатов

Выбор в качестве мясного сырья говядины 2 сорта для выполнения работ обусловлен следующими факторами: небольшим содержанием жира (7,6 %) в сравнении со свининой, более низкой себестоимостью в сравнении с 1-м и высшими сортами сырья.

В качестве крахмалсодержащего компонента был выбран кукурузный крахмал, так как он является традиционным сырьем в получении экструдированных продуктов питания.

Экспериментальными исследованиями установлено, что экструдирование пищевых систем с содержанием влаги в исходной смеси сырья более 28 % не позволяет достигать давлений необходимых для эффективного взрыва и получения продукта требуемой структуры и качества. Поэтому, была выбрана композиция экструдируемой смеси при соотношении говядины 2 сорта к кукурузному крахмалу 20:80, с массовой доли влаги соответственно 24-25 %.

Для достижения однородного профиля потока пищевой смеси, равномерного распределения компонентов, обеспечивающих заданное качество продукта, проводили исследования влияния различных конфигураций профилей шнеков на продолжительность процесса экструзии и структурно-механические свойства экструдатов (табл. I). Схемы конфигураций профилей шнеков представлены на рис. 2.

При сборке шнековых элементов (рис. 2 А) была отмечена утечка пищевой смеси в направлении, противоположном вращению валов. Необходимое давление для прохождения пищевой смеси через рабочие сечения фильеры, достигалось только при заполнении всех свободных С - образных сегментов , образованных камерой и шнековыми элементами, следствием чего являлось наибольшее время нахождения смеси в экструдере (58 с). Полученный продукт обладал низким коэффициентом расширения (1,52 доли ед.).

Рис.2 Конфигурация профилей сборки шнековых элементов

Таблица 1

Структурно-механические характеристики экструдатов из смеси кукурузного крахмала и говядины 2 сорта в зависимости от сборки профиля шнеков экструдера

В процессе работы экструдера отмечена неоднократная блокировка прессформы.

Использование эллипсоидных кулачков (рис. 2 В) привело к снижению продолжительности нахождения смеси в камере экструдера до 37 с. Необходимое давление экструдирования достигалось за счет образования пробки смеси в зоне эллипсоидных кулачков, однако их применение не позволило полностью исключить утечку смеси в направлении противоположном движению валов.

Конфигурация шнековых элементов с использованием серпообразных кулачков с правой и левой геометрией пера (рис. 2 С, D) позволила снизить время нахождения смеси в камере экструдера в 2,4 - 2,6 раза (табл. 1).Необходимое давление достигалось ранее, чем при применении других конфигураций шнековых элементов (рис. 2 А, В); явление утечки смеси сырья отсутствовало.

Для эффекта лучшего распределения компонентов исходного сырья серповидные кулачки устанавливали в следующей последовательности: с правой геометрией пера, далее с левой геометрией пера. Увеличение с 1 до 3 пар кулачков с различной геометрией пера (рис. 2 С), привело к получению экструдированного продукта лучшего качества. Продукты характеризовались хорошей пористостью, небольшой плотностью (0,065 г/см3) и находящимся в предпочтительном интервале коэффициентом взрыва (2,5 доли ед.).

С целью прогнозирования поведения материала в канале экструдера, особенно в дозирующей его части, были изучены реологические свойства исходной мясорастительной смеси.

Анализ кривых (рис. 3-4) показал, что с повышением температуры от 413 до 453 К вязкость расплавленной пищевой смеси экспоненциально понижается, так как вязкостные силы преодолеваются кинетической энергией молекул, а с повышением скорости сдвига до 50 влияние температуры ослабевает, вследствие ориентации частиц в направлении течения.

Кроме того, повышение температуры вызывает снижение напряжение сдвига расплава пищевой смеси (рис. 3).

Рис. 3. Кривые течения смеси Рис. 4. Зависимость вязкости смеси кукурузного крахмала и говядины 2 кукурузного крахмала и говядины 2 сорта при различных температурах сорта от скорости деформации при

различных температурах

Таким образом, пищевая смесь говядины 2 сорта и кукурузного крахмала показывает поведение жидкостей, классифицируемых в реологии как неньютоновские (аномальные), а именно псевдопластические жидкости.

Максимальные скорости деформации, при которых можно получить экструдат требуемого качества, соответствуют участку плавного перехода кривых течения от 12 до 22 с*1.

С целью получения экструдатов с высоким содержанием белка, взамен- крахмала, вносили сухой животный бульон, пшеничную муку и светлый пищевой альбумин в различных соотношениях.

Для моделирования состава смесей и технологических параметров процесса экструзии использовали метод полного факторного эксперимента ПФЭ: п = 23. В качестве факторов планирования эксперимента выбраны: Х\ - частота вращения шнеков, с"1; Хг - температура в зоне обработки, К\ Хз - массовая доля вносимого компонента в рецептурной смеси, % (табл. 2).

Критерием * оценки качества конечного продукта выбрано напряжение среза экструдата Па), которое должно

соответствовать экспериментально полученному интервалу (250 - 290 Па) различных видов экструдированных продуктов представленных на отечественном рынке.

Таблица 2

_Уровни факторов планирования экспериментов

Уровни планирования <

X, N. с"1

Х2

т,к

Факторы планирования >

Х3 (массовая доля ингредиентов), %

Сухой животный бульон

Пшеничная мука

Светлый пищевой альбумин

Основной уровень

15,7

453

15

15

8

Интервал варьирования

20

10

10

Верхний уровень

17,7

473

25

25

10

Нижний уровень

13,7

433

Исследуя влияния. факторов планирования Хь Х2, Хэ на напряжение среза экструдатов (У) получили, следующие уравнения регрессии:

- для смеси № 1 с сухим животным бульоном: У=202.99+38.39ХГ52.19Х2+94.88Х3-29.76Х1Х2+20.89Х,Х2Х1 (1)

- для смеси № 2 с пшеничной мукой: ¥=^260^3-7^X1-13,01X2+39,42Хз48,79Х1Хг<-18,79Х1Ху+49,79X1X2X3 (2)

-для смеси № 3 с светлым пищевым альбумином: ¥=19738+11,12Хг30,46Хг18,51Хз-17Д2Х,Х2+73,81X2X^18,68X^2X3 (3) где, Хи Х2, Хз - нормированные значения факторов. ХНОрМ (Хр„л - Хсред) / (Хт>х — Хсред) '

Полученные уравнения, описывающие зависимость напряжения среза готовых экструдатов от переменных параметров экструзионного процесса (в нормированных значениях) позволяют прогнозировать его изменение в исследуемом диапазоне значений факторов.

Для более точного определения технологических параметров процесса экструзии смесей использовали принцип

наибольшего приближения к желаемому состоянию объекта исследования. В качестве факторов планирования применяли те же, что и в трехфакторном эксперименте.

Реализация плана эксперимента и последующая математическая обработка полученных данных позволили получить следующие рекомендуемые технологические параметры экструдирования (табл. 3).

Таблица 3

Технологические параметры и доля вносимых белковых

компонентов в исходные смеси

Рецеп- т, белковый (?,Па

тура- К компонент, % 1 2 3 сред.

1 15,7 453 15 271,6 273,6 271,9 272,4

2 15,7 453 15 263,7 269,2 269,5 267,5

3 15,7 453 8 253,8 254,1 251,3 253,1

Анализ табл. 3. показал, что при выбранных технологических параметрах экструдирования, величины напряжения среза экструдатов находятся в пределах предпочтительных значений экструдированных продуктов

Экспериментальными исследованиями- было установлено (рис. 5), что при температуре матрицы 453 К экструдаты обладают хорошей пористой структурой, коэффициенты взрыва соответственно составляют 2,2-3,3 доли ед..

Экструдирование с температурой матрицы менее 453 К приводит к снижению коэффициента взрыва (при 423 К Кв = 1,1-1,3 доли ед.), так как процесс экструзии не достигает завершения.

С повышением температуры более 453 К экструдаты приобретают выраженный темный цвет и пригорелый привкус, вследствие интенсивного протекания реакцией Майяра, коэффициент взрыва продукта снижается до 1,4—1,6 доли ед.

Экструдаты хорошего качества, с напряжением среза от 244,85 до 298,36 Па, находящимся в предпочтительном интервале, были получены при экструдирование смеси с частотой вращения валов 15,7 с'1 (рис. 6).

5 3,5 § 3

о

2,5

а ' « 2

1,5

1

0,5 О

А * *

-у £ ■ \ £

4Ё —*

423 433 443 453 463 4

Ь

■ Рецептура 1 -Рецептура 2 - Рецептура 3

.Л .Л .Л .Л Л лЛ .Л Ч1"" О' V* V'

■ Рецептура 1 □ Рецептура 2 □ Рецептура 3

Рис. 5. Зависимость коэффициента взрыва (Кв) от температуры при частоте вращения главного привода 15,7 с".

Рис. 6 Зависимость напряжения среза

Q (Па) от числа оборотов главного привода экструдера при температуре 453 К.

§4,5

п

К» £ ^ 1

.Ж ? г 1 1. ж ш

10

15 20 25 С, (СЖБ, ПМ),%

В Сухой животный бульон □ Пшеничная мука_

Рис. 7. Зависимость коэффициента взрыва (Кв) от доли вносимого сухого пищевого бульона (СЖБ), пшеничной муки (ПМ)

3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

п

'/г* -»Л

•р-

8 10 С (СПА), %

Рис. 8. Зависимость коэффициента

взрыва (Кв) от доли вносимого светлого пищевого альбумина (СПА)

Снижение частоты вращения валов до 13,7 с'1 приводит к возрастанию напряжения среза продуктов до 312,25-340,51 Па, а готовые продукты, полученные при экструдирование с частотой вращения валов 12 с"1, характеризуются более низким напряжением среза (185,23-214,12 Па), что является следствием

длительного нахождения исходных смесей в камере экструдера; конечные продукты подгоревшие.

Экструдирование с частотой вращения валов свыше 15,7 с"1 приводит к глубокому разрушению компонентов исходных смесей, что подтверждено реологическими исследованиями. В результате кратковременного воздействия температуры экструдаты характеризуются высоким напряжением среза (до 485,56 Па).

Анализ исследований рис. 7 показал, что экструдаты с требуемыми структурно-механическими характеристиками получены с массовой долей вносимых в исходные смеси сухого животного бульона и пшеничной муки 5 - 15 % (Кв=3,9-2,7доли ед). Однако продукты характеризуются низким содержанием белка (6,5-7,6%).

Экструдирование пищевых систем с массовой долей сухого животного бульона 20-25 % приводило к получению продуктов с низким коэффициентом взрыва (2,5-2,1 доли ед.). Кроме того, экструдаты приобретали пригорелый привкус из-за высокой массовой доли жира в исходной смеси (6,7 - 7,8 %). Увеличение в смеси доли пшеничной муки до 20 - 25 % приводило к снижению коэффициента взрыва (2,3 - 1,9 доли ед.), вследствие большего содержания белка.

Результаты исследований (рис. 8) показали, что с ростом массовой доли светлого пищевого альбумина в смеси происходит снижение коэффициента взрыва, что также является следствием повышения массовой доли белка в готовом продукте (Кв = 2,02 доли ед., при концентрации (СПА) -10 %).

Однако при внесение светлого пищевого альбумина в исходную смесь свыше 8 % готовый продукт приобретает неприятный привкус.

Нами проведены исследования влияния конструктивных особенностей экструдера (диаметр рабочего сечения фильеры матрицы) на характеристики экструдатов (табл. 4).

Анализ табл. 4 показал, что экструдирование пищевых систем с диаметром рабочего сечения фильеры матрицы 5 10"3 м, обеспечило желаемую величину индекса расширения экструдатов (1р = 0,66-0,68 доли ед.).

Таблица 4

Влияние диаметра рабочего сечения матрицы на, индекс расширения экструдатов_ _

Индекс расширения экструдатов при диаметре рабочего сечения матрицы 3*10"3 и 7*10"3 м в среднем больше на 25 -29 %, чем при диаметре 5*10"3 м

При диаметре фильеры 3*10'3 м возрастало давление в предматричной зоне экструдера, вследствие чего температура продукта интенсивно повышалась до 473 К, что приводило к меланоидинообразованию. Процесс экструзии не стабилен, так как происходила блокировка прессформы.

Экструдирование с диаметром рабочего сечения фильеры 7*10"3 м приводило к снижению разности давлений в предматричной зоне экструдера и на выходе продукта из фильеры, вследствие этого не происходило эффективного взрыва экструдатов (1р = 0,93-0,98 доли ед.).

На основании проведенных исследований были определены оптимальные технологические параметры процесса экструдирования (табл. 5) и разработаны рецептуры мясорастительных смесей (табл. 6), которые позволяют получить продукты требуемого качества:

Таблица 5

Технологические параметры процесса экструзии

Таблица 6

Рецептура исходных смесей"

Наименование сырья Рецептура исходных смесей >

1 2 3

Говядина 2 сорта■ 20 20 20

Сухой животный

бульон 15 - -

Пшеничная мука - 15 -

Светлый пищевой

альбумин - - 8

Кукурузный крахмал 65 65 72'

На рис. 9 представлена технологическая схема получения экструдатов.

Измельчение мясного сырья (с!= 2 — 3 мм)

Подготовка белковых компонентов

Смешивание компонентов (4-7 мин.)

Выдержка смесей: I = 2-4 °С т = 12 ч.

Экструдирование исходных смесей: 1=443 -453К, N=15,70', <1Ф=5М03 м

Нанесение вкусоароматических добавок .

Упаковка продукции

Рис. 9. Технологическая схема производства экструдатов

Изучение макро - и микроструктуры экструдатов

Гистологические исследования структуры экструдатов показали, что на участке валов до зоны расположения греющих элементов исходные смеси не претерпевали сильных физико-химических изменений. Частицы плотные, крупные фрагменты характеризовались неровной формой края; более мелкие частицы имеют округлые очертания. Отсутствовали признаки глубокой деструкции клеточно-тканевых образований, выявлялись сохранившие структуру крахмальные зерна (рис.10 А). Также не происходило равномерного смешивания животных и растительных компонентов смеси (рис.10 В).

Исследования проб экструзионных смесей, взятых с зоны греющих элементов, выявили, что под действием сил сдвига и растяжения происходило более глубокое разрушение биополимеров и клеточных структур компонентов, а также более равномерное их смешивание. Сохранившиеся крахмальные зерна отсутствовали (рис.10 С).

Белковые компоненты представляли собой комплексы менее крупные (рис.10 D) по сравнению белковыми включениями в пробах экструдата, взятых с предыдущего участка вала (рис.10 В)

Микроструктурные исследования готовых

экструдированных продуктов (рис.10 Е) показали, что в результате экструзии происходило разрушение подавляющей части биологических полимеров при одновременной деструкции тканевых и клеточных структур мясной части исходного сырья. Выявлялись отдельные фрагменты мышечных волокон с признаками выраженной деструкции: отсутствовала оболочка волокон, не обнаруживались клеточные ядра (рис.10 F).

Рис. 10. Микроструктура экструдатов

Изучение физических и химических характеристик разработанных продуктов

Полученные по трем вариантам рецептур экструдаты (табл. 7) представляли собой продукты с достаточно высоким содержанием белка (8,6 - 15,9 %) и низким содержанием жира (0,35- 0,58 %).

Таблица 7

Химический состав полученных экструдатов

Таблица 8

Структурно-механические характеристики

экструдатов

Показатель Экструдат полученный по рецептурам:

1 2 3

Насыпная масса, кг/м3 Напряжение среза, Па Коэффициент взрыва, доли ед. Коэффициент расширения, доли сд. Коэффициент растяжения, долиед 174,2 ±3,48 244,85 ±734 2,80 ±0,08 2,41 ±0,07 4,61 ±0,12 148,4 ± 2,96 285,67 ±8,57 3,00 ±0,09 2,75 ± 0,08 5,32 ±0,15 211,3 ±4,23 299,36 ± 8,98 2,02 ± 0,06 2,16 ±0,06 4,33 ±0,13

С увеличением доли белка в продукте происходит возрастание их насыпной массы и напряжения среза. Коэффициенты взрыва, расширения и растяжения соответственно понижались (табл. 8), но находились в предпочтительном интервале значений для экструдированной продукции.

Исследования степени атакуемости белков экструдатов "in vitro" показало (рис. 11), что наиболее интенсивный процесс гидролиза под действием пепсина происходит к 2 ч

ферментативной обработки, он сопровождается увеличением в 2,3 -4,7 раза содержания тирозина в буфере.

В результате гидролиза под действием трипсина (рис. 12) содержание тирозина в буфере раствора равномерно возрастало. Переваримость экструдатов составила 77,1 — 78,76 %, что косвенно свидетельствовало о положительных структурных изменениях рецептурных ингредиентов исходных смесей в результате термопластической экструзии.

Рис. 11. Изменение накопления продуктов гидролиза (мг тирозина) от времени гидролиза пепсином.

Рис. 12. Изменение накопления продуктов гидролиза (мг тирозина) от времени гидролиза трипсином.

Изучение аминокислотного состава разработанных мясорастительных экструдатов и смесей исходного сырья выявило (табл. 9), что под действием высоких температур (453 К) и больших давлений (15 МПа) аминокислоты подвергаются декструктивным изменениям. Деградация аминокислот составила 3,38-12,38%.

Коэффициент утилитарности аминокислотного состава белка продуктов составил 56,99-62,68%. Содержание токсических металлов, радионуклидов в экструдированных продуктах и их микробиологические показатели удовлетворяют требованиям, предъявляемым нормам СанПиН 2.3.2.1078-01 (табл. 10, 11).

Пестициды и хлорорганические соединения не обнаружены

(»1 f J jj| § v>

1 1 u J шттэшш -H-H-H-H-H4J-H-H Ü 1 F5 I

Sil.« § BS 1 1 S 'S «ö -н-н-н-н-н-н-н-н assassma I i

Ï4 « <§ s §

1 1 2 Я 2 S SS ö- d- er er cf er 3- cf -н-н-н-н-н-н-н-н Ъ 4. si ЪЪ cî сtf v> сГ г- сч a Tj- I sa Sf i 1

fill cr cí cr cf cf cf cí -H-H-H-H-H-rt-H-H rfoíitfrtK^ cf? в -H £ I 1

s J 1" os

1 1 -H-H-H-H-Haî-H-H 3 CÖ s § $ 1

1 18 I g 5 'S <8 ■н-и-н-н-н-н-и-н SS ¡я c¡ SS fS ^ 3 ci ЧУ t-" cf vi m" сГ -Ч-" I S1 I 1

! S 1|. ff lilllliltl u i Ii

Таблица 10

Содержание токсичных элементов и радионуклидов-

Таблица 11

Микробиологические показатели экструдатов

Экономические расчеты показали низкую себестоимость разработанных продуктов. Себестоимость 100 г порционной упаковки экструдатов 5,29 - 6,27 руб.

На основании проведенных исследований разработан проект НД на производство экструдатов с использованием нативного мясного сырья: ТУ 9214-839-00419779-04 «Изделия кулинарные готовые растительно-мясные «Фаворит»».

выводы

1. Обоснован компонентный состав исходных рецептур с применением нативного мясного сырья для выработки экструдатов. Установлено, что для получения продуктов требуемого качества доля вносимой нативной говядины 2 сорта в исходной смеси не должна превышать 20 %.

2. Отработаны принципы сборки профиля конфигурации шнековых элементов валов экструдера при переработке смесей нативного мясного сырья с сухими животными и растительными компонентами. Для достижения требуемых давлений в процессе экструзии при малом распределении времени обработки смесей, а также равномерного смешения исходных компонентов сырья в экструдере рекомендовано применение серпообразных кулачков с правой и левой геометрией пера.

3. Установлено, что максимальные скорости деформации, необходимые для получения экструдируемых продуктов требуемого качества, на основе нативного мясного и сухого растительного сырья, соответствуют началу участка плавного перехода в область разрушенной структуры и составляют 12-22 с*1.

4. Методами математического планирования установлен состав исходных смесей нативного мясного сырья с сухими животными и растительными компонентами и технологические параметры их экструдирования. Рекомендованы следующие режимы экструзионного процесса: температура матрицы экструдера 453 К, частота вращения шнеков 15,7с"1, диаметр рабочего сечения фильеры 5 10 "3 м.

5. Установлено, что в результате воздействия сил сдвига и растяжения в условиях высокой температурной обработки, а также воздействия резкого перепада давления, происходит образование белок-углеводных комплексов, разрушение подавляющей части биологических полимеров при одновременной декструкции тканевых и клеточных структур нативной мясной части исходного сырья.

6. Изучены химические, структурно-механические, биохимические и микробиологические характеристики разработанных продуктов. Полученные результаты показали, что разработанные экструдаты представляют собой продукты с

достаточно высоким содержанием белка (до 16%) и малым содержанием жира (до 0,58 %), с высокой пищевой и биологической ценностью.

7. Обоснована и разработана технология экструдатов с широкой вкусовой гаммой. Разработана техническая документация на новые виды экструдатов ТУ 9214-839-00419779-04 «Изделия кулинарные готовые растительно-мясные «Фаворит»», при этом себестоимость продуктов составила 39,6-47,93 тыс. руб. за 1 т. продукции.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Крылова В.Б., Олейников В.В. Перспективность использования процесса термопластической экструзии в производстве продуктов общего и специального назначения/ Тез. Доклада «Федеральный и региональный аспекты государственной политики в области здорового питания», Кемерово, 2002, С.135-136.

2. Лисицын А.Б., Крылова В.Б., Витренко О.Н. Олейников В.В. Получение экструдированных продуктов с использованием мясного сырья// Все о мясе. - 2003. - № 4. — С. 30-31.

3. Лисицын А.Б., Крылова В.Б., Олейников В.В. Применение продуктов животного происхождения в создании новых видов экструдатов // Все о мясе. - 2004. - № 2. — С. 22-26.

4. Лисицын А.Б., Крылова В.Б., Олейников В.В. Математическое моделирование процесса экструзии с различными видами мясных компонентов// Сборник докладов 7-й Международной научной конференции памяти В.М. Горбатова, М.: ВНИИМП, 2004, С. 207-211.

5. Лисицын А.Б., Крылова В.Б., Олейников В.В. Разработка технологии мясорастительных экструдатов//50-й Международный конгресс по вопросам науки и технологии мяса. Хельсинки. -2004.-С. 270-272.

6. Лисицын А.Б., Крылова В.Б., Олейников В.В. Эффективная технология производства мясорастительных экструдатов. //Мясная индустрия. - 2004. -№ 6. - С. 19-23.

Формат 60x90/1 б Печать офсетная

ч Бум. тип Тираж 100 экз. Зак. 171

ООО «Полиграфсервис» 109316 Москва, ул. Талалихина, 26

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Теоретические аспекты экструзии пищевого сырья.

1.2. Использование различных видов мышечной ткани и субпродуктов в производств экструдатов.

1.3. Влияние технологических параметров на реологические характеристики пластических материалов.^

В настоящее время наука и производство ориентируется на создание продуктов высокого качества, повышенной пищевой и биологической ценности, на рациональное и более полное использование продовольственных ресурсов. Одним из направлений решений данной проблемы является разработка новых видов продуктов с помощью технологии термопластической экструзии.

Экструзионная технология широко используется в пищевой промышленности. С ее помощью производят такие виды продуктов как сухие завтраки, закусочные продукты "снекс", аналоги мясо- и рыбопродуктов, макароны и каши быстрого приготовления, продукты для детского питания, а также заменители традиционных пищевых изделий - хрустящие хлебцы, картофельные чипсы, кукурузные и пшеничные хлопья [16, 21, 22, 26, 40].

Современный ассортимент отечественных экструдированных продуктов отличается высоким содержанием в своем составе углеводов (до 75%) и по своему химическому составу относится скорее к кондитерским изделиям. В них отмечается дефицит белков, пищевых волокон, жиров, минеральных и пектиновых веществ, органических кислот.

Одним из способов решения этой проблемы является включение в состав экструдированных продуктов животных белков (мясного сырья).

В теорию и практику производства экструдатов с использованием продуктов животного происхождения значительный вклад внесли Винникова Л.Г., Касьянов Г.И., Остриков А.Н., Токаев Э.Г., Файвишевский M.JL, Cho S.H., Lawrie R., Mittal P., Pradahn A.M, Rhee K.S., Smit О.В.и др.

В то же время ряд вопросов, связанных с теорией, расчетом и практикой экструзии нативных мясных белков в сочетании с продуктами животного и растительного происхождения остаются нерешенными.

Преимущества использования термически не обработанного мясного сырья, в первую очередь, заключаются в сокращении энергозатрат, а также в отсутствии какой-либо предварительной термической обработки мясного сырья, что приводит к значительному снижению длительности и трудоемкости технологического процесса.

Реализации этого направления предприятиями мясной промышленности препятствует, с одной стороны, ограниченное количество рекомендаций, обосновывающих рациональный компонентный состав пищевых смесей, а с другой стороны - недостаток научных обоснований для достоверного прогнозирования эффективных технологических режимов экструзии применительно к условиям частных производств.

В связи с этим актуальной становится задача создания новых подходов к изучению процесса экструзии нативных мясных компонентов в сочетании с растительным сырьем конечной целью которых является разработка технологии новых видов экструдированных продуктов, которые будут обладать высокой пищевой ценностью и широкой вкусовой гаммой.

выводы

1. Обоснован компонентный состав исходных рецептур с применением нативного мясного сырья для выработки экструдатов. Установлено, что для получения продуктов требуемого качества доля вносимой нативной говядины 2 сорта в исходной смеси не должна превышать 20 %.

2. Отработаны принципы сборки профиля конфигурации шнековых элементов валов экструдера при переработке смесей нативного мясного сырья с сухими животными и растительными компонентами. Для достижения требуемых давлений в процессе экструзии при малом распределении времени обработки смесей, а также равномерного смешения исходных компонентов сырья в экструдере рекомендовано применение серпообразных кулачков с правой и левой геометрией пера.

3. Установлено, что максимальные скорости деформации, необходимые для получения экструдируемых продуктов требуемого качества, на основе нативного мясного и сухого растительного сырья, соответствуют началу участка плавного перехода в область разрушенной структуры и составляют 12-22 с'1.

4. Методами математического планирования установлен состав исходных смесей нативного мясного сырья с сухими животными и растительными компонентами и технологические параметры их экструдирования. Рекомендованы следующие режимы экструзионного процесса: температура матрицы экструдера 453 К, частота вращения шнеков

1 1 15,7с", диаметр рабочего сечения фильеры 5-10" м.

5. Установлено, что в результате воздействия сил сдвига и растяжения в условиях высокой температурной обработки, а также воздействия резкого перепада давления, происходит образование белок-углеводных комплексов, разрушение подавляющей части биологических полимеров при одновременной декструкции тканевых и клеточных структур нативной мясной части исходного сырья.

6. Изучены химические, структурно-механические, биохимические и микробиологические характеристики разработанных продуктов. Полученные результаты показали, что разработанные экструдаты представляют собой продукты с достаточно высоким содержанием белка (до 16%) и малым содержанием жира (до 0,58 %), с высокой пищевой и биологической ценностью.

7. Обоснована и разработана технология экструдатов с широкой вкусовой гаммой. Разработана техническая документация на новые виды экструдатов ТУ 9214-839-00419779-04 «Изделия кулинарные готовые растительно-мясные «Фаворит»», при этом себестоимость продуктов составила 39,6-47,93 тыс. руб. за 1 т. продукции.

1. А.с. 2086163, МКИ С 1 А 23 Р 1/12/ / 21 D 2/18, А 23 L 1/22. способ производства экструзионных продуктов. Опубл. 10.08.97. Бюл. №22.4 с.

2. Антипова J1.B., Кузнецов А.Н., Глотова И.А. Влияние условий экструзионной обработки в процессе получения биопродуктов. //Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. 2002. - № 3. -С. 16-19.

3. Антипова JI.B., Кузнецов А.Н., Глотова И.А., Васильев Ф.В. Новые комбинированные пищевые продукты мясорастительные экструдаты. //Пищевая технология. - 2002. - № 1. - С. 47-51

4. Аналоги мяса и мясных продуктов. //Все о мясе. 2001. - № 1. - С. 6-11.

5. Бурцев А.В. Совершенствование технологии экструдирования продуктов на основе растительного и животного сырья: Автореф. дис. канд. техн. наук. Краснодар., 2003. - 23 с.

6. Бобренёва И.В., Токаев Э.С., Николаева С.В. Создание экструзионных лечебно-профилактических продуктов //Мясная индустрия. 2002. - № 2. С. 49-51.

7. Бузиашвили И. Ш., Устинников Б. А. и др. Экструдированные продукты. //Техника и технология. 1990. - № 12. - С. 41-42.

8. Винникова Л.Г., Паловская О.Е., и др. Биохимические и физико-химические изменения сырья под влиянием термопластической экструзии . Обзорная информация. М.: АгроНИИТЭИПП, 1992. 36 с.

9. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, -1989.- 320 с.

10. Горошко Г.П., Васильев В.Г. Принципы построения комплексных критериев оценки и оптимизации технологических процессов. /Сб. научных трудов ВНИИМПа "Оптимизация технологических процессов производства мясопродуктов". М.: ВНИИМП. - 1982.160 с.

11. Груздев И.Э., Мирзьев Р.Г., Янков В.И. Теория шнековых устройств. JL: Изд-во Лен-го ун-та. 1978, - 144 с.

12. Гуськов К.П., Мачихин Ю.А., Лукин Л.Н. Реология пищевых масс. М.: Пищевая промышленность. 1970, - 208 с.

13. Гуль В.Е., Акутин М.С. Основы переработки пластмасс. М.: Химия, 1985. - 399 с.

14. Грачев Ю.П. Математические методы планирования экспериментов. М.: МТИПП, -1971. 117 с.

15. Дианова В.Т., Зареченская С.Г. Основные направления использования белковых текстуратов при производстве комбинированных мясных продуктов: Обзорная информация. М.: АгроНИИТЭИММП. - 1987. - 36 с.

16. Жушман А.И., Карпов В.Г., Коптелова Е.К. Новое в технике и технологии производства пищевых продуктов экструзионным методом. Обзор. Информ. 1991. вып. 1 - 56 с.

17. Жушман А.И., Карпов В.Г., Лукин Н.Д. Актуальные вопросы развития производства экструзионных продуктов питания. //Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. — 1997. № 2.-С. 26-27.

18. Жаринов А.И. и др. Перспективы использования экструзионной технологии в мясной промышленности. М.: АгроНИГОЭИММП-1991.-40с.

19. Ильичев Г., Мелешкина Л., Войчишина Н.//Хлебопродукты. 2000. - № 11.-С. 10-11.

20. Кутузова Г.С. Численное моделирование течения упруго-вязких жидкостей во входном канале формующей головки экструдера: Дис. канд. техн. наук. Казань., 2001. - 123 с.

21. Кузнецов А.Н. Разработка экструдированных комбинированных белковых продуктов на основе коллагенсодержащего и растительного сырья: Автореф. дис. канд. техн. наук. Воронеж., 2001. -23 с.

22. Карпов В.Г., Коваленок В.А. Гигроскопическин свойства экструдатов из крахмалов и крахмалсодержащего сырья. //Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. 2002. - № 7. - С. 39-41.

23. Карпов В.Г., Витюк JI.A. Влияние состава сырья на физико-химические свойства экструзионных крахмалопродуктов.//Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. — 1997. № 4. - С. 14-15.

24. Касьянов Г.И., Бурцев А.В., Грицих В.А. Технология производства сухих завтраков. Учебно-практическое пособие. Серия "Технология производства пищевых производств". Ростов н/Д: "Издательский центр МарТ", 2002. - 96 с.

25. Касьянов Г.И., Самсонова А.Н., Тамкович С.К., Степаншева Н.М. Производство экструдированных продуктов с использованием мясного сырья //НИИ информ. ИТЭИ пищепром. 1992 - № 2. - С. 13-16.

26. Ковбаса В.Н., Миронова Н.Г. Разработка оптимальных рецептур сухих завтраков повышенной биологической ценности с использованием математического моделирования. //Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. 1998. - № 1. - С. 7-9.

27. Колодежнов В.Н., Брехов А.Ф., Магометов Г.О. Математическая модель роста паровых пузырьков при получении пористой микроструктуры полуфабрикатов экструзионных круп. //Пищевая технология. 2003. - № 2-3. - С. 69-70.

28. Корячкина С.Я., Дегрятенко Г.Н., Вертянов Ф.И., Вострикова P.M. Производство экструдированных крекеров повышенной пищевой и биологической ценности. //Пищевая технология. 2003. - № 1. -С. 25-26.

29. Липатов Н.Н. (мл), Юдина С.Б., Лисицын А.Б. Усовершенствованные прибор и методика для определения переваримости белков "in vitro'V/Bonpocbi питания. 1994. - № 4. - С. 43-44.

30. Jlycac Э., Ки Чун Ри . Производство и использование соевых белков. /Руководство по переработке и использованию сои /Под. ред. В.В. Ключкина и М.Л. Доморощенковой. М.: Колос. - 1998. - 56 с.

31. Магометов Г.О., Брехов А.Ф., Колодежнов В.Н. Моделирование процесса формирования пористой микроструктуры полуфабрикатов экструзионных круп. //Пищевая технология. 2003. - № 2-3. - С. 90-92.

32. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров. /Пер. с анг. Под. ред. С.И. Гдалина. М.: Химия., 1965. - 444 с.

33. Мачихин Ю.А. Инженерная реология пищевых материалов. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1981.-216 с.

34. Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Инженерная реалогия пищевых материалов. М.: пищевая промышленность. - 1981.-216 с.

35. Медведев Г.М., Зоминова Н.С. Экструзионная технология производства зерновых полуфабрикатов быстрого приготовления. //Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. 2002. - № 5. -С. 44-46.

36. Медведев Г.М., Рахимов С.Б., Медведев А.Г. Температурные режимы экструзии пищевых масс. //Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. -2001. №1.-С. 34-35.

37. Миронова Н.Г., Корзун В.Н., Ковбаса В.Н. Использование спирулины в производстве сухих завтраков. //Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. -1998. № 7. - С. 43-45.

38. Мынский Л.В., Лифанов А.П., Степанов В.И. Практическое решение вопроса получения самоочищающей поверхности двухшнекового экструдера. //Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. — 1998-№5.-С. 35-37.

39. Егоров Г., Моксякова А., Петренко Т. и др. Новое в технологии муки и крупы. М.: ЦНИИТЭИхлебопродуктов. - 1991. - 45 с.

40. Орлов А.И., Подгорнова Н.М. Производство комбикормов с применением экструзионной технологии. /М.: ЦНИИТЭНВИПО

41. Зернопродукт", 1990. С. 1-56. - (Сер. Комбикормовая промышленность. Обзор, инфор.)

42. Остриков А.Н., Абрамов О.В. Определение качественных показателей хлебных палочек, полученных методом экструзии. //Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. — 1999. № 5. -С. 48-50.

43. Остриков А.Н., Василенко В.Н. Многофакторный статистический анализ процесса экструзии гороха.//Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. 2002. - № 11. - С. 27-29.

44. Остриков А.Н., Василенко В.Н. Определение белково-углеводного состава экструдированного гороха с белковой добавкой. //Пищевая технология. 2003. - № 4. - С. 78-80.

45. Остриков А.Н., Ненахов Р.В., Василенко В.Н. Многофакторный статистический анализ процесса экструзии комбинированных картофелепродуктов обогащенных белковыми добавками. //Вестник РАСХН. 2001. - № 4. - С. 5-13.

46. Остриков А.Н., Павлов И.О., Ненахов Ф.В., Василенко В.Н. Математическая модель неизотермического течения реологической жидкости в предматричной зоне экструдера. //Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. — 2001. № 12.- С. 7-9.

47. Остриков А.Н., Рудометкин А.С., Абрамов О.В. Кинетика экструзионного процесса получения хрустящих хлебных палочек. //Пищевая технология. 2001. - № 2-3. - С. 50-53.

48. Прищепов В.Б. Влияние зоны питания на работу одношнекового экструдера: Автореф. дис. канд. техн. наук. Москва., 2002. - 22 с.

49. Портчхидзе Г.Д. Влияние геометрии шнека и параметров переработки на процесс диспергирования при экструзии полимеров: Автореф. дис. канд. техн. наук. Москва., 2002. - 21 с.

50. Патент 134232 ПНРю МКИ А 23 J 3/00. Способ получения белковых препаратов из молока экструдированием. Опубл. 12.09.83.50.