автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса производства полуфабрикатов чипсов

л 11 од _ с / 91 с с ~ ^

I. I ч... л # г зс а I

*

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

На правах рукописи УДК 664.2.002.22.02.5:678.027.3(043.3)

ВИТЮК ЛАДА АЛЕКСАНДРОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУФАБРИКАТОВ ЧИПСОВ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор В.Д. ЛАЗАРЕВ

Москва 1999

Содержание

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

Глава 1. Литературный обзор ............................................................................................................................9

1.1. Сущность процесса экструзии: основные режимы и способы экструзии пищевых масс ....................................................................................................................................9

1.2. Тенденции развития экструзионной обработки крахмал содержащего сырья: продукты пористой макроструктуры ....................................................................19

1.3. Основные технологии и процессы производства

полуфабрикатов чипсов ........................^ ..............................................25

1.4. Выводы ..................................................^ ...............................................29

1.5. Выбор направления исследования и постановка задачи ..................................30

Глава 2. Экспериментальные установки, объекты и методы

исследования ............................................................................................................................................................32

2.1. Объекты исследования ............................................................................................................................................32

2.2. Экспериментальные установки ....................................................................................................................33

2.2.1. Получение полуфабрикатов чипсов экструзионным методом ............33

2.2.2. Экспериментальная установка для исследования реологических свойств крахмального теста ........................................................................................................................36

2.2.3. Экспериментальная установка для получения гелей крахмалов ... 38

2.2.4. Экспериментальная установка для конвективной сушки ............................40

2.2.5. Экспериментальная установка для СВЧ-сушки ..........................................................42

2.2.6. Экспериментальная установка для тепловой обработки полуфабрикатов чипсов ....................................................................................................................................43

2.3. Методы исследования ................................................................................................................................................44

2.3.1. Определение плотности текстуры чипсов ............................................44

2.3.2. Определение жироудерживающей способности ..........................................................44

2.3.3. Определение сорбционной влаги ..........................................................................................................44

2.3.4. Рентгеноструктурный анализ ......................................................................................................................45

2.3.5. Электронномикроскопические исследования ....................................................................45

2.3.6. Математическая обработка экспериментальных данных ................................46

Глава 3. Исследование процесса формования при производстве

полуфабрикатов чипсов ................................................................ 47

3.1. Влияние состава экструдируемого сырья и метода экструзионной обработки на структуру, функциональные и органолептические свойства чипсов ..........................................................................................................................................................................47

3.2. Влияние температуры и влажности крахмального теста на его реологические свойства ..................................................................................................................................................54

3.3. Исследование процесса варочной экструзии ..............................................................................65

3.4. Выводы ......................................................................................................................................................................................................68

Глава 4. Анализ процесса сушки полуфабрикатов чипсов....................................69

4.1. Исследование физико-химических и структурных свойств высококонцентрированных гелей крахмалов при нагревании ......................69

4.2. Конвективная сушка полуфабрикатов чипсов ......................................................................80

4.3. Исследование процесса СВЧ- сушки полуфабрикатов чипсов ....................88

4.4. Выводы ..................................................................................................................................................................................................99

Глава 5. Исследование процесса термической обработки

полуфабрикатов чипсов ............................................................................................................................100

5.1. Влияние температуры масляной среды на процесс обжаривания полуфабрикатов чипсов ..................................................................................................................................................100

5.2. Влияние температуры обработки на физическое состояние полуфабрикатов, структуру и функциональные свойства чипсов ............109

5.3. Выводы

118

Глава 6. Исследование процесса сорбции ............................................................................................120

6.1. Гигроскопические свойства полуфабрикатов чипсов ....................................................120

6.2. Энергия связи влаги в полуфабрикатах чипсов ......................................................................128

6.3. Сорбционные свойства чипсов, условия хранения ............................................................130

6.4. Выводы ......................................................................................................................................................................................................135

Глава 7. Технологическая и машинно-аппаратурная схемы

производства полуфабрикатов чипсов ..........................................................................136

7.1. Технологическая и машинно-аппаратурная схемы производства полуфабрикатов чипсов ..............................................................................................................................................................136

7.2. Экономическая эффективность организации производства пеллет .... 140

Общие выводы ........................................................................................................................................................................................144

Библиографический список использованной литературы ......................................146

Приложения ..................................................................................................................................................................................................156

Введение

Создание процессов получения полноценных продуктов питания из традиционных видов сельскохозяйственного сырья является приоритетным направлением развития агропромышленного комплекса России. Одной из главных сельскохозяйственных культур, составляющей значительную часть рациона питания людей во многих странах мира, является картофель. Широкому распространению картофеля способствовали его высокие вкусовые и питательные свойства [3, 54].

Однако картофель, как и большинство овощных культур, для длительного хранения требует специально оборудованных помещений с регулируемым влажностно-температурным режимом. Эти обстоятельства определяют необходимость переработки картофеля на продукты или полуфабрикаты, которые могут храниться в обычных условиях, длительное время сохраняя свои потребительские свойства.

Одним из наиболее эффективных методов преобразования свойств растительного сырья с целью приготовления на его основе разнообразных пищевых продуктов высокого качества является экструзионная обработка, которая позволяет получать хорошо усвояемые, с улучшенными вкусовыми свойствами пищевые продукты, требующие незначительной кулинарной обработки, либо полностью готовые к употреблению.

При экструзионной обработке перерабатываемый материал подвергается интенсивному влаго-термо-механическому воздействию, которое приводит к различным по глубине изменениям его компонентов и образованию пористой [65, 78,95, 112] или волокнистой [15, 68, 118, 120] макроструктуры.

Продукты пористой макроструктуры были впервые получены с помощью экструзионной переработки крахмалсодержащего сырья в начале 60-х годов. Это были готовые к потреблению зерновые завтраки [73, 88]. Пористая макроструктура таких продуктов образуется в результате мгновенного

испарения влаги из экструдатов, их резкому расширению и образованию трёхмерной сетки геля [14, 65]. Однако такие продукты имеют некоторые недостатки, а именно, они характеризуются низкой плотностью, малой насыпной массой и ограниченным сроком хранения. Эти недостатки устраняются при использовании принципа непрямого экспандирования (от английского слова «expansion» - расширение), то есть в два этапа. На первом этапе процесс экструзии проводят, не допуская мгновенного испарения воды. Таким образом получают экструдаты высокой плотности, получившие название в англоязычной научной литературе - pellets (пеллеты). Термическая обработка пеллет в растительном масле или тоннельных печах сопровождается мгновенным испарением воды и образованием продуктов пористой макроструктуры. Такие продукты получили название - чипсы. Вполне естественно, что использование этого принципа потребовало разработки новых технологических приёмов, совершенствование экструзионного оборудования и оптимизации процесса.

Перспектива развития производства и потребление продуктов пористой макроструктуры обусловлено: во-первых, увеличением числа людей, потребляющих в целях экономии времени на приготовление пшци продукты быстрого приготовления; во-вторых, увеличением числа потребителей, для которых определяющим при выборе продуктов питания является не только их вкусовые качества, но и пищевая ценность и в-третьих, растущей популярностью среди молодёжи продуктов с добавлением или нанесением сладких или пряных компонентов, что обеспечивает их потребление не только на завтрак, но и в течение всего дня.

В процессе получения пеллет, помимо экструзионной обработки, можно выделить следующие основные технологические операции, определяющие качество готовой продукции: сушка пеллет, их термическая обработка ( обжарка), а также условия хранения, так как:

■ неправильно выбранные условия сушки пеллет приводят к их растрескиванию и получению чипсов с недостаточно развитой пористой макроструктурой;

■ неточности в выборе условий термической обработки пеллет приводят к ухудшению органолептических свойств готового продукта;

■ несоблюдение условий хранения как пеллет, так и чипсов может привести к порче продукта.

В связи с вышеизложенным, на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» МГУ 1111, во Всероссийском научно-исследовательском институте крахмалопродуктов РАСХН были проведены исследования по созданию технологии получения пеллет и чипсов, исходя из физико-химических представлений о важнейших технологических операциях их производства. Большую помощь в проведении экспериментов оказал сотрудник ВНИИ крахмалопродуктов Карпов В.Г. и заведующий лабораторией Института пищевых веществ РАН Юрьев В.П.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые изучены закономерности влияния на функциональные и органолептические свойства чипсов:

■ вида исходного сырья (картофельное пюре, пшеничная мука, различные виды крахмалов) и режимов его предварительной обработки (тепловая и варочная экструзия);

■ процессов структурообразования полуфабрикатов чипсов при формовании, сушке и тепловой обработке;

■ микроструктуры полуфабрикатов.

Исследованы физико-химические закономерности сушки и тепловой обработки пеллет.

Получены математические модели процессов сушки, тепловой обработки и сорбции при производстве полуфабрикатов чипсов.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основании анализа изученных закономерностей дано научное обоснование режимов формования, сушки и тепловой обработки пеллет для получения готового продукта высокого качества.

Результаты настоящей работы использовались АОЗТ «ТехНорд» (С.Петербург) при расчёте и проектировании формующей насадки к двухшнековому экструдеру РЗ-КЭД-88 для производства полуфабрикатов чипсов (приложение 1). Данные о гигроскопических свойствах полуфабрикатов использованы при разработке нормативно-технической документации на данный вид продукта (приложение 2).

Глава 1. Литературный обзор

1,1. Сущность процесса экструзии: основные режимы и способы экструзии пищевых масс

В пищевых производствах экструзию можно охарактеризовать как технологический процесс приготовления пищевых продуктов, применяемый для переработки различных сырьевых материалов в полуфабрикаты или готовые изделия при комплексном воздействии влажности, температуры, давления и напряжения сдвига.

Экономические преимущества новой технологии состоят в совмещении в одном аппарате процессов диспергирования, перемешивания, гомогенизации, нагнетания, сжатия, термической обработки (охлаждения), формования и сушки пищевых материалов, а также сокращении их продолжительности. Экструзия заменяет многие периодические процессы и оборудование.

В зависимости от температуры экструдируемой массы различают три вида экструзии: холодную, тепловую и варочную (высокотемпературную) [6, 94].

При холодной экструзии происходит только структурно-механическое изменение (формование) вязкопластичного сырья высокой влажности (30-60%) в результате его медленного продавливания через матрицу экструдера. При этом перерабатываемый материал подвергается относительно небольшим изменениям, наблюдается лишь частичная денатурация белков и желатинизация крахмалов; материал обладает повышенной пластичностью и низкой вязкостью. Температура процесса 303-333 К, давление не более 6 МПа, расход энергии менее 0,05 кВт ч/кг, напряжение сдвига и диссипация энергии в теплоту малы. Холодная экструзия применяется при производстве мучных, макаронных

изделий, плавленых сыров, кондитерских масс, жевательной резинки, колбасных фаршей и др. [96, 99].

При тепловой экструзии, применяемой в основном для производства полуфабрикатов различных закусочных и диетических изделий с частичным сохранением натуральных свойств сырья, массовая доля влаги в экструдируемом материале составляют 20-30%. При экструзионной обработке такого материала наблюдается довольно значительный рост температуры за счет работы сил внутреннего трения внутри шнековой части экструдера. Температура процесса 343-403 К. Давление при этом методе экструдирования 8-10 МПа, расход энергии 0,05-0,1 кВт-ч/кг. Высокие значения давления и температуры приводят не только к структурно-механическому, но и к химическому преобразованию компонентов сырья [53,63].

При варочной экструзии, применяемой для производства сухих завтраков, массовая доля влаги в экструдируемом материале составляет 10-20%. Процесс происходит при температурах более 403°К, давление 12-25 МПа. При таких высоких температурах и давлениях перерабатываемый материал подвергается глубочайшим физико-химическим изменениям, преобразуясь из сыпучей массы в упруго-вязко-пластичную, которая на выходе из фильеры вспучивается со значительным увеличением объема за счет резкого сброса внутреннего давления, что ведет к взрывному испарению влаги из выпрессовываемого экструдата и образованию пористой структуры [9, 53].

При экструзии перерабатываемая масса подвергается интенсивному гидротермомехано-химическому воздействию, в результате чего связи молекул воды с другими компонентами сырья разрушаются. Молекулы воды свободно перемещаются внутри экструдируемой массы, разрушая твёрдые частицы, и превращают её в упруго-вязко-пластичную массу. Такое воздействие на сырьё осуществляется в рабочих камерах экструдеров. В экструдерах происходит дозирование и смешивание исходных компонентов, пластификация полученной

массы и ее формование, а при необходимости - и интенсивная гомогенизация массы и вспучивание экструдата.

Основными узлами экструдера являются: корпус, рабочий орган (шнек), размещенный в корпусе, узел загрузки, силовой привод и формующий узел. При необходимости корпус может быть оснащен нагревающими или охлаждающими элементами, а также системами задания и поддержания температурного режима и другими контрольно-измерительными и регулирующими устройствами [75, 107].

При перемещении продукта в рабочей зоне экструдера увеличивается степень сжатия перерабатываемого материала, который уплотняясь нагревается за счет когезионно-адгезионных взаимодействий между ним и рабочими органами экструдера. В результате перерабатываемый материал подвергается фазовым превращениям: из сыпучего состояния - в высоко-эластичное, а затем -в вязко-текучее [103].

Основным рабочим органом экструдера является шнек (шнеки) специальной конструкции. Существуют одиночные, сдвоенные и планетарные шнеки. В пищевой промышленности наибольшее распространение получили одиночные и сдвоенные шнеки.

Диаметр одиночного шнека (Ds) изменяется от 50 до 250 мм, длина (L) -от 1 до 20 Ds (диаметров). В зависимости от соотношения длины и диаметра различают короткие (L/Ds < 5:1), средние (5:1< L/ Ds < 10:1) и длинные (L/Ds >15:1) шнеки. Форма профиля витка прямоугольная и трапецеидальная. Последние уменьшают возвратные потоки сжимаемого в процессе экструзии материала [58].

Существуют одно-, двух- и трёхзаходные шнеки. С увеличением числа заходов повышается транспортирующий эффект, но в свя