автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий

На правах рукописи ГАЛАГАН ТАМАРА ВАСИЛЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВАКУ УМНО-ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени кандидата технических паук

Орел 2003

Работа выполнена в Орловском государственном техническом университете.

Научный руководитель -

Научный консультант -

старший научный сотрудник Н.Б. ГОРБАЧЕВ Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Г.О. МАГОМЕДОВ кандидат технических наук доцент C.B. ШАХОВ

Ведущее предприятие - ООО «СНАБНЕФТЕХИМ»

Защита диссертации состоится «13 »ноября 2003 г. в 11 часов

на заседании диссертационного совета К 212.035.01 при Воронежской государственной технологической академии по адресу: 394000, г.Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печагью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета академии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГТА.

Автореферат разослан 9 октября 2003 г.

доктор технических наук, профессор

Н. Н. МАЛАХОВ_

кандидат технических наук,

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессо'

ÎA. Шевцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание технологий и оборудования, обеспечивающих увеличение сроков хранения пищевых продуктов и их своевременную доставку потребителю в свежем виде было и остается одной из важнейших задач различных отраслей пищевой промышленности. В хлебопекарной промышленности это приводит к необходимости организации ранней выпечки изделий, ускоренной их доставке потребителю, точному прогнозированию спроса. Для повышения конкурентоспособности продукции, реализации ее в свежевыпеченном виде и гибкого реагирования на запросы потребителей в мировой практике в настоящее время используются три типа технологий - традиционная с ночной расстойкой и выпечкой; с продленной расстой-кой и ранней выпечкой; с разделением непрерывного процесса на два дискретных этапа - предварительной и окончательной выпечки. Ключевыми моментами поэтапной выпечки является возможность охлаждения и достаточно длительного хранения полуфабрикатов хлебобулочных изделий и небольшая продолжительность окончательной выпечки, которая производится непосредственно на месте реализации продукции в нужное время и в необходимом количестве. Длительное хранение полуфабрикатов связано с их охлаждением до температур 0...+2°С. Конвективное охлаждение в холодильных камерах до таких температур длится несколько часов. Это является существенным недостатком конвективного охлаждения, так как при длительном процессе показатели качества готовых изделий в итоге ухудшаются. Поэтому проблема быстрого охлаждения тестовых заготовок до низких положительных температур остается нерешенной.

До самого последнего времени альтернативой этому способу являлось замораживание изделий до температуры минус 18°С с применением мощной холодильной техники или жидкого азота. Однако образующиеся при низких температурах кристаллы льда разрушают структуру теста, в частности его кпейковинный каркас, что снижает качество хлебобулочных изделий.

В настоящее время появились исследования возможностей использования при поэтапной выпечки хлебобулочных изделий вакуумно-испарительного охлаждения, которое уже достаточно широко используется в мировой практике при охлаждении овощей и зеленных культур. Этот способ охлаждения требует размещения изделий в вакуумной камере с остаточным давлением незначительного превышающего тройной точки воды порядка 705 Па, соответствующим температуре насыщенных паров воды, близкой к +2 °С.

Исторически сложилось так, что объектом научных исследований при создании вакуумного оборудования для пищевой промышленности вначале были процессы обезвоживания (сушки) пищевых продуктов. Основоположниками этого направления исследований в нашей стране являются A.C. Гинзбург, А. А. Гухман, A.B. Лыков, И.А. Рогов, С.Т. Антипов и др. Характерной особенностью процессов обезвоживания

является непрерывный подвод тепла к обрабатывав сутст-

вии и испарении влаги с поверхности и объема полуфабриката изделие охлаждается до температуры, соответствующей установившемуся разрежению. Поэтому исследования вакуумного обезвоживания пищевых материалов в недостаточной мере объясняет механизмы тепло- и массопереноса при вакуумно-испарительном охлаждении влажных пищевых продуктов. Как следствие этого отсутствуют аналитические зависимости позволяющие проводить количественные расчеты режимных и конструктивных параметров оборудования для реализации этого метода охлаждения для хлебобулочных и других изделий.

В связи с этим, целью диссертационной работы явилось вьивление кинетических закономерностей и разработка физической модели тепло- и массообмена во взаимосвязанных процессах обезвоживания, охлаждения, переноса влаги при вакуумно-испарительном охлаждении и разработка на этой основе инженерных методов расчета соответствующего оборудования для производства хлебобулочных изделий с разделением непрерывного процесса на два дискретных этапа выпечки.

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

- уточнение физических представлений о вакуумном охлаждении капиллярно-пористых тел применительно к хлебобулочным изделиям;

- разработка математической модели вакуумно-испарительного охлаждения полуфабрикатов хлебобулочных изделий и проведение расчетно-теоретических исследований кинетики процесса охлаждения;

- разработка и создание лабораторной установки для экспериментального исследования процесса охлаждения полуфабрикатов хлебобулочных изделий;

- анализ адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- уточнение теоретической модели и параметров процесса охлаждения; разработка инженерного метода расчета параметров и выбору оборудования для вакуумно-испарительного охлаждении хлебобулочных изделий.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- в рамках общей теории внутреннего тепло- и массопереноса в пористо-капиллярных влажных материалах разработано аналитическое описание процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий от температуры +90°С до +2°С. Предложенная физическая модель процесса включает в рассмотрении начальную неоднородность полей температур и влажности в объеме охлаждаемого изделия, внутреннее испарение влаги, её перенос к поверхности изделия, изменение плотности и температуры насыщенных водяных паров от давления в вакуумной камере и др;

- разработана и апробирована математическая модель расчета вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий, которая позволяет проанализировать влияние скорости вакуумирования, начальных температур и влажности охла-

ждаемого изделия, его массы, формы, а также объема вакуумной камеры на длительность процесса;

- теоретически и экспериментально установлено, что испарение влаги в хлебобулочных изделиях происходит равномерно во всем об~ еме. В результате этого исследуемый процесс охлаждения значительно ускоряется по сравнению с конвективным. Свежевыпеченное изделие с начальной температурой 80°С охлаждается до 2°С за 6... 10 минут при объемной удельной производительности вакуумного насоса 0,0033 м3/кг-с, при этом необходимо испарить количество влага, равное 10... 12% начальной массы изделия.

Практическую значимость работы составляют следующие результаты:

- алгоритм и программное обеспечение расчетов кинетики процесса вакуумно-испарительного и конвективного охлаждения хлебобулочных изделий;

- автоматизированная лабораторная установка дчя воспроизведения и исследования процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий;

- рекомендации по выбору режимных параметров оборудования для вакуумно-испарительного охлаждения;

- предложения по реализации в производстве процесса охлаждения хлебобулочных изделий.

На защиту выносятся:

- физическая и математическая модели вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий;

- результаты теоретического и экспериментального исследований вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий. В том числе, по влиянию на скорость охлаждения свободной влаги в объекте охлаждения, массы и формы охлаждаемого продукта, производительности вакуумной системы и температуры стенок камеры охлаждения;

- способ дискретного производства хлебобулочных изделий с вакуумно-испарительным охлаждением после предварительной выпечки;

- комплекс технических решений по составу и основным характеристикам производственного оборудования вакуумно-испарительного охлаждения;

- компьютерная система сбора и обработки экспериментальных данных, совмещенная с установкой для исследования процессов вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий, впервые реализованная в отечественной пищевой промышленности. Система базируется на использовании программной среды Labview фирмы National Instruments (США).

Результаты работы реализованы в виде:

- рекомендаций по составу и устройству оборудования, принятых ООО «Про-хим», г.Орел к внедрению,

- предложения по вакуумно-испарительному охлаждению, использованные в ЗАО «Славянсапат», г.Москва для быстрого охлаждения компонентов салатов;

- способа дискретного производства хлебобулочных изделий с вакуумно-испарительным охлаждением после предварительной выпечки, освоенного в пекарне ООО «Визит», г.Орел;

- новых разделов лекционных курсов «Основы производства и потребления искусственного холода» и «Тепло- и хладотехника» для высших учебных заведений;

- методических указаний по выполнению лабораторных работ по физике фазовых переходов в системах «жидкость-пар»;

- заявки на получение патента на способ охлаждения хлебобулочных изделий высокой степени готовности.

Апробация

Основные результаты работы доложены и обсу>::дены на семи конференциях: 1-ой международной научно-практической конференции «Проблемы здорового питания»,- Орел, ОрелГТУ,1998 г.; 2-ой международной научно-практической конференции «Проблемы здорового питания», Орел, ОрелГГУ, 1999 г.; 3-ой международной научно-практической конференции «Продовольственный рынок и проблемы здо-рово1 о питания», Орел, ОрелГТУ, 2000 г.; международной научно-практической конференция «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг», Орел, ОрелГТУ, 2001 г.; 2-ой международной научно-практической конференция «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг», Орел, ОрелГТУ, 2002 г.; 1-ой международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век», Орел, ОрелГТУ, 2002; международной научной конференции «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва , МГУБТ, 2002 г.

Публикации: по результатам исследований опубликовано 8 работ, в том числе две в реферируемых изданиях.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 169 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 48 рисунок и 14 таблиц. Список использованной литературы включает 90 наименований, в том числе 19 на иностранных языках. Приложения представлены на 48 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и определены основные направления исследований.

В первой главе рассмотрены научные и инженерные проблемы охлаждения капиллярно-пористых тел конвективным, контактным и вакуумно-испарительным способом. Обобщены наиболее интересные и значимые результаты исследований, проведенных Андреевым А.Н., Мачихиным С.А., Брязуном В.А., Горячевой А.Ф., Зверевой Л.Ф., Кретовым И.Т., Михелевым A.A., Мольковой И.Е., Ройтером И.М.,

Тешителем О. В., Цыгановой Т.Б., Щербатенко В.В. Предложена классификация современных методов охлаждение хлебобулочных изделий. Как следует из проведенного анализа в промышленном производстве наиболее распространено охлаждение до температур ниже криоскопической температуры продукта. При этом возникают особенности негативного характера, в частности, имеет место деформация замороженного слоя, разрушение структуры теста, в частности его клейковинного каркаса, что снижает качество хлебобулочных изделий. Эти эффекты в значительной мере устраняются при переходе к охлаждению до температур несколько превышающих крио-скопические. В этом случае традиционно используется конвективное охлаждение. Однако, из-за его большой длительности происходит усушка продукта, увеличение кислотности, развитие вредных бактерий, потеря прочности корочки и д.р. Различные способы повышения скорости конвективного охлаждения: дополнительное перемешивание, обеспечение равномерности обдува заготовок, испарение влаги с их поверхности, погружение упакованного продукта в холодную жидкость имеют естественные ограничения. Альтернативой конвективному охлаждению является вакуумно-испарительный способ. Публикаций по этому способу крайне малочисленны и не содержат общих физических представлений, отражающих особенности тепло- и массо-переноса при вакуумно-испарительном охлаждении влажных пищевых продуктов. Как следствие этого отсутствуют аналитические зависимости позволяющие проводить количественные расчеты режимных и конструктивных параметров оборудования для реализации этого метода охлаждения для хлебобулочных и других изделий.

Поэтому выявление кинетических закономерностей и разработка физической модели тепломассообмена во взаимосвязанных процессах обезвоживания, охлаждения, переноса влаги при вакуумно-испарительном охлаждении и разработка на этой основе инженерных методов расчета соответствующего оборудования для производства хлебобулочных изделий с разделением непрерывного процесса на два дискретных этапа выпечки. Раскрытие сущности и совершенствование процесса охлаждения хлебобулочных изделий поставлено в качестве основной цели работы.

Сформулированы задачи и схема проведения исследований (рисунок 1).

Глава 2 посвящена разработке физической модели и аналитического описания, и численному исследованию вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий. На основе систематизации сведений о физических процессах, протекающих при вакуумно-испарительном охлаждении пищевых продуктов, физическая модель строилась на следующих представлениях и допущениях (схема развития процесса приведена на рисунке 2):

- хлебобулочное изделие после первого этапа выпечки рассматривается как капиллярно-пористое тело с пористостью 70...80% и высокой паропроницаемостью;

Рисунок I - Схема проведения исследований

- в процессе вакуумно-испарительного охлаждения может происходить перераспределение массы влаги по объему за1 отовки, при этом влажность охлаждаемого полуфабриката достаточна для его вакуумно-испарительного охлаждения без образования сухих зон и сплошных границ фазовых переходов;

- фазовые переходы «жидкость - пар» происходят во всем объеме полуфабриката одновременно в соответствии с локальными значениями температуры и давления в каждой точке охлаждаемого изделия;

■ - фазовый переход происходит при отсутствии подвода тепла извне за счет уменьшения внутренней энергии изделия и, как следствие, сопровождается уменьшением температуры изделия;

- задача рассматривается как одномерная: перенос массы и теплоты осуществляется только в направлении оси X .

Рисунок 2 - Схема развития процесса вакуумно-испарительного охлаждения

Принципиальными являются первое и третье допущения. В соответствии с ними при удалении водяных паров от охлаждаемых продуктов, помещенных в герметичную камеру вакуумированием, внутри продукта создаются условия для объемного адиабатического испарения и кипения жидкости. В отсутствии теплолритоков извне испарение и кипение жидкости приводит к одновременному охлаждению каждой частицы продукта до температуры насыщенных паров воды, соответствующей давлению в камере. Так как паропроницаемость изделий принята высокой, то в объеме полуфабриката не возникают заметные градиенты давления и соответствующие им градиенты равновесной температуры.

Начальные условия задачи о вакуумно-испарительном охлаждении формулируются на базе теоретических и экспериментальных исследований сложных процессов, происходящих в тесте-хлебе при выпечке, полученных последних работах Орел-ГТУ (Малахов H.H., Дьяченко C.B.) В настоящей работе использованы соответст- ' вующие программы численных расчетов, на основании которых задавались начальные значения полей температур T(x,o)-f|(x,o) и влажности W(x,o)=f2(x,o) изделия перед установкой в камеру вакуумирования.

В соответствии с предложенной физической моделью вакуумно-испарительного охлаждения изделий разработано ей аналитическое описание, которое включает в себя дифференциальное уравнение теплопроводности

5ГГ(х,т) 52Т(х,т) . дх

где qv - интенсивность внутренних стоков тепла;

эм

— г __*

м,-с, (Т^) V,

(3)

г

V,

с начальными

т=0; Т(х,о)=^(х,о); W(x,o)=f2(x,o); Р(х,о)=Р0=соп51

(4)

и граничными условиями

т>0; х=0; я(0,т) =0; х=11; ч(Ь,т)=0; Р(о,т)=Р(Ь,т)=Рк(т)

(5)

4

Приведенная система уравнений, включающая дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности в частных производных с внутренним стоком тепла, является сугубо нелинейной. Её точного аналитического решения не существует и возможно точько численными методами.

Решение этих уравнений осуществлялось на основе использования современных численных методов с использованием явной разностной схемы. При этом, исследуемый фрагмент хлебобулочного изделия разбивается на п-отдельных ячеек. Для каждой из ячеек составляется и многократно решается разностный аналог дифференциального уравнения:

где ДТ, уменьшение температуры изделия в 1 - точке на ]+1 временном слое за один шаг интегрирования, °С;

Дт - шаг интегрирования по времени, равный в расчетах 0,001 с;

Дх - линейный размер ячейки, м ; а - коэффициент температуропроводности изделия, м2/с.

Исследованная модель охлаждения соответствует следующему производственному процессу. Тестовые заготовки выпекаются традиционным способом до готовности 75...80 %. Частично выпеченные изделия извлекаются из печи и помещаются в вакуумную камеру, воздух из которой непрерывно откачивается. Через некоторое время воздушная среда в объеме камеры практически полностью удаляется, и камера заполняется парами влаги, испаряемой из продукта. Кипение и испарение воды сопровождается отбором тепла от изделия, что вызывает его охлаждение. В связи с этим по мере огкачивания паров из камеры вакуумирования изменяется равновесие между фактическим давлением водяных паров и давлением их насыщенных паров. В результате этого происходит испарение воды из хлебобулочного изделия и его охлаждение. При достижении заданной температуры охлаждения процесс вакуумирования прекращают, охлажденное изделие вынимают, упаковывают и помещают в холодильник для хранения.

Численный расчет данного явления построен по следующему алгоритму.

Для камеры охлаждения в целом и для каждой из выделенных ячеек (их индекс ¡) за каждый шаг по времени (его индекс]) выполняются следующие операции:

ДТ,,„=а(Т.,)+Т,^-2Тм)— + ч,.Дт;

(6)

а) при заданном объемном расходе (О. м3/с) насосной системы, состоящей из поршневого вакуумно-насоса, вымораживающей и адсорбирующей систем, находится масса (дй^ паров, удаленных из камеры за шаг расчета по времени дт:

дСг^дгр,, (7)

где pJ - плотность паров воды, кг/м3:

. ■ • (8)

где Pj - давление в камере охлаждения в .¡-й момент времени, Па;

Тер,] - средняя абсолютная температура теспа-хлеба в ]-й момент времени, К;

П ,.1

Я - газовая постоянная, для воды 11=461,5 Дж/(кгК);

б) находится давление в кам'ере охлаждения нг j -том временном слое соответствующее удаленной массе паров:

Р,=РН--^-(Ю)

где V* 0. - объем камеры охлаждения, м3;

в) находим температуру насыщенных паров Т„ т соответствующую давлению ;

г) для каждой расчетной ячейки определяем массу испарившейся влаги: по формуле

„ М.-с.-(Тср,,-Т„„) Уме6

V ' ^ '

Г

где М, — масса 1 - ой ячейки ;

с, - теплоемкость ! - ой ячейки, кДж/кг К; Vхлеба- объем хлебобулочного изделия, м3;

^1,4- объем ячеек выделенного фрагмента хлебобулочного изделия, м3;

д) находим суммарное испарение:

(12)

е) уточняем давление в камере охлаждение, учитывая поступление в нее испарившейся влаги. Получаем давление в камере охлаждения в конце шага расчета по]

ж) печатаем результаты.

Алгоритм численного исследования технологического процесса предусмотри-

вает три этапа расчета. В начале, рассчитав поля температур и влажности в заданный момент времени в одномерной модели предварительной выпечки, прерываем расчет и используем эти данные как начальные условия второго этапа - расчета вакуумно-испарительного охлаждения. Далее, используя эти данные, как начальные для третьего этапа расчета, проводим расчет окончательной выпечки. Программы расчетов составлены на языках программирования QB и Delphi 6.

: Анализ исходной системы уравнений показывает, что изменение температуры внутри хлеба является функцией следующих факторов: начального распределения температуры и влажности, производительности вакуумного насоса, объема камеры охлаждения, массы охлаждаемою продукта, его формы и т.д. Влияние этих факторов теоретически исследовалось с использованием математических моделей конвективного и вакуумно-испарительного охлаждения. Результаты расчетов представлены на рисунках 3 и 4. Из расчетов следует, что при конечной температуре изделия, равной 2°С, продолжительность Конвективного охлаждения составляет 3... 10 ч (рисунок 3 б) в зависимости от размеров продукта и скорости охлаждающего воздуха. Вакуумно-испарительное охлаждение намного интенсивнее конвективного, протекает во всем объеме изделия одновременно (рисунок За). Это находит отражение в распределении температур по толщине продукта: при вакуумном охлаждении оно быстро выравнивается и становится одинаковым по всему объему продукта. При конвективном центральные слои мякиша остывают в 80 раз медленнее, чем корочка хлеба (рисунок 36). Расчеты показывают, что вакуумпо-испарительное охлаждение обеспечивает понижение температуры продукта до 0...+2°С за 3-10 минут. Это происходит из-за того, что при исследуемом способе охлаждении скорость его не ограничивается медленным процессом переноса теплоты теплопроводностью внутри изделия, как при конвективном охлаждении.

Большое значение имеет и влажность охлаждаемого продукта. Установлено, что при охлаждении продукта от 80°С до 2°С количество свободной влаги должно быть не менее Г2 % от массы продукта (рисунок 4а). При меньшей влажности невозможно достичь нужной температуры даже при очень низких давлениях. Этот результат в отношении хлебобулочных изделий имеет чисто теоретическое значение, так как влажность рассматриваемых изделий обычно составляет 30% и более процентов.

Расчеты так же показали, что скорость охлаждения увеличивается с увеличением скорости вакуумирования (рисунок 4в), уменьшением массы продукта (рисунок 46) и размеров камеры охлаждения (рисунок 4г).

~ • При увеличении скорости вакуумирования продолжительность охлаждения резко уменьшается. Увеличение массы охлаждаемых изделий наоборот пропорционально увеличивает время охлаждения.

т,град,С

70 •

60 •

90 « -

X -

20! ю £;

Координаты расчетных точек хлебобулочных изделий, см

Координаты расчетных точек хлебобулочных изделий, см

- 1с ■ -250с -

-50 с -300с-

100с 150с--350 с - 400с

б)

Рисунок 3 - Изменение температуры по толщине изделия при вакуумно-испарительном (а) и конвективном (б) охлаждении

Время, с

«яшм«

Время, с

1 - одна булочка (100 гр); 1 - Ш=0,05 кг/кг; 2- \/У=0.09 кг/кг, 2 - дв« будочки ;3 - три булочки 3-\«=0.10-0.12 кг/кг Т,°С Т,°С

Время,с

1-0=0,005 мз/с, 2- 0=0,003 м3/с; 3-0=0,001 м 5/с

Время, с

1 - \Л,=0,024 м*; 2- У«=0,014 м*; 3-У,=0,007 м*.

Рисунок 4 - Изменение температуры изделия по времени в зависимости от количества свободной влаги в нем (а), массы охлаждаемого изделия (б), производительности насоса (в), объема камеры охлаждения(г)

Глава 3 посвящена экспериментальным исследованиям процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий. Эти исследования были направлены, прежде всего, на уточнение физической модели и проверку её адекватности реальному процессу. Кроме того, экспериментально оценивалось влияние различных факторов, таких как начальное распределение температуры и влажности, производительность вакуумного насоса, объем камеры охлаждения, масса охлаждаемого продукта, его форма на конечную температуру и продолжительность охлаждения полуфабрикатов хлебобулочных изделий. По результатам экспериментов выбирались наиболее значимые факторы, определяющие режимные параметры оборудования.

Основной методической проблемой постановки экспериментальных исследований являлось определение перечня необходимых параметров для подтверждения адекватности теоретических представлений о вакуумно-испарительном охлаждении реальному процессу. Часть представлений положенных в основу теоретических исследований в достаточной мере апробирована фундаментальными науками. В частности, не подлежат сомнению: связь давления насыщенных паров и температуры влаги; особенности вакуумирования замкнутых объемов и связь изменения давления в них с производительностью насоса и объемом камеры; закономерности переноса теплоты от стенок камеры вакуумирования к охлаждаемому изделию. Новыми явлениями в исследуемом процессе, являются парообразование в каждом элементарном объеме охлаждаемого влажного изделия в камере охлаждения, выравнивание давления внутри изделия, возможная передача влаги из центральных слоев изделия к периферийным.

В итоге адекватность проверялась сравнением расчетных и экспериментальных зависимостей изменения давления в камере и температуры периферийных и глубоко расположенных слоев охлаждаемого изделия по времени.

Демонстрация возможностей исследуемого процесса охлаждения и оборудования была осуществлена прямым воспроизведением процесса на специально созданной экспериментальной установке. Установка (рисунок 5) состоит из лаборатор ной рас-стойной камеры 1, хлебопекарной печи 2 с регулируемой температурой среды для предварительной и окончательной выпечки; камеры вакуумирования 3, размещенной в холодильнике 4; системы вакуумирования, включающей в себя вакуумный насос 5, масляный фильтр 6, фильтр осушитель 7, ресивер 8, соединительные магистрали 9, запорные краны 10.

Для измерения использовалась многоканальная компьютерная информационно-измерительная система сбора, обработки и представления экспериментальных данных, с использованием программной среды LabView и новых компьютерных технологий компании National Instruments (США). Система включает компьютер класса Pentium 3 с объемом оперативной памяти 128 Mb (11), аналого-цифровой преобразователь SXCI 1000 (12), датчики давления (13), температур (14), усилий (15). Блок-схема информационно-измерительной системы показана на рисунке 6. Аналоговый

сигнал с первичных резистивных датчиков поступает на 16- канальный аналого-цифровой преобразователь, где преобразуется в цифровой код. Далее он фильтруется от случайных помех и по заданному алгоритму преобразуется в измеряемую величину в выбранной системе единиц и выводится на экран в виде зависимостей параметров от времени в цифровом и графическом отображении (рисунок 7), с сохранением числовых массивов экспериментальных данных. Достоинством разработанной системы является возможность обработки поступающей информации в режиме реального времени, проведение преобразований и нормирование величин, а также использование различных способов представления и регистрации данных. В качестве датчиков температуры использовались высокочувствительные малогабаритные (01,2x2,5) терморезисторы ТРА-1, изготовленные из монокристаллов синтетического алмаза, отличающиеся уникально малой тепловой инерционностью. Давление измерялось высокоточным пьезорезистивным преобразователем давления dTRANS р02 типа 404385 фирмы JUMO. Датчик усилий работает по тензометрическому принципу.

Фактические значения предельно достижимого минимального давления в камере вакуумирования и производительности системы вакуумирования в составе созданной установки определялись в ходе предварительных испытаний с незагруженной камерой. Установлено, что необходимое для проведения экспериментов давление порядка 0,6 кПа достигается в камере за 100 с.

Так как величины Р и dP/dt при отсутствии натекания полностью характеризует объемный расход газа в любой момент времени, блок-схема системы измерений была изменена таким образом (рисунок 8), что сигнал, поступающий от датчика давления, непрерывно дифференцировался по времени, обрабатывался по указанному на схеме алгоритму и регистрировался одновременно с самим давлением. По полученным данным строилась зависимость Q= {(т) (рисунок 9).

Было установлено, что скорость откачки постепенно увеличивается с момента пуска насоса, достигает значения 0,2 л/мин и далее остается практически постоянной. При перекрытой впускной магистрали насоса и быстром подключении к основной камере ресивера, воздух из которого предварительно полностью удален, скорость вакуумирования камеры резко возрастает. Этот прием был предусмотрен для проверки действия на охлаждаемое изделие высоких скоростей откачки, когда снижение давления в камере уже в первые моменты вакуумирования увеличивается в 2-3 раза.

Исследования велись на хлебобулочных изделиях массой 100 г изготовленных по ГОСТ7034-54 «Булочка сдобная». Тесто для булочек готовилось по традиционной технологии. Его рецептура соответствовала сдобному, пшеничному дрожжевому тесту с содержанием жира и сахара не менее 14%. Булочки расстаивались в лабораторной камере при температуре +34°С в течении 30-40 минут и выпекались в лабораторной печи до заданной степени готовности при температуре +180°С в течении 15... 17 минут (80% от полной готовности). Затем булочки помещались в камеру вакуумиро-

вания, охлаждались до температуры +2°С, извлекались из камеры, упаковывались в полиэтиленовые пакеты и закладывались на хранение.

( I I

1 - печь; 2 - расстойная камера; 3 - вакуумная камера; 4 - холодильная камера; 5 -вакуумный насос; 6 - масляный фильтр; 7 - фильтр-осушитель; 8 - емкость; 9 - вакуумные трубопроводы; 10 - краны шаровые 1/2"; 11 - персональный компьютер; 12 -АЦП; 13 - датчик давления; 14 - температурные датчики; 15 - датчика усилия; 16 -хлебобулочные изделия; 17 - сетчатая корзинка датчика усилия

Рисунок 5 - Схема экспериментальной установки для получения и изучения процесса вакуумно-испарительного охлаждения

у/*»"?, ДЖЭД

-в* ь-

- О О

1

Рисунок 6 - Блок-схема системы измерений

нвнгевдмГ"»

Рисунок 7- Лицевая панель информационно измерительной системы

Рисунок 8 - Блок-схема обработки сигнала Р = А[т) для определения скорости откачки.

| Скорость откачки

О 50 100 150

Рисунок 9 - Зависимость скорости откачки и давления в камере от времени вакуумирования

Для оценки конечных температур и продолжительности охлаждения булочек, проведена серия экспериментов, в которых выпечка прерывалась в моменты времени (

10, 12,15,16,17,18, 20 минут от её начала. Выпеченное изделие переносилось в камеру охлаждения, где давление за счет вакуумирования камеры понижалось до 705Па и оно охлаждалось до выхода температур корочки и мякиша на стационарный уровень. Основные эксперименты были многократно повторены для получения статистически значимых результатов. Данные экспериментов с прерыванием выпечки на 16 минуте, систематизированы в таблице 1 и представлены на рисунке 10.

Таблица 1 - Результаты охлаждения булочек после прерванной выпечки 16 минутной

Время Масса выпе- Масса охлаж- Масса испа- Продолжи-

преры- ченного изде- денного изде- рившейся вла- тельность ох-

вания лия, г лия, г ги, г лаждения до 2

выпеч- "С, с

ки, мин

16 111 103 8 308

112 103 9 306

107 99 8 249

109 100 9 404

109 102 7 443

110 102 8 464

111 103 8 401

1mm

> •

а • : V

- ....

.....

АммХГ

ЯВВГг ' '. Рисунок 10 - График охлаждения одной из булочек после 16 минутной выпечки

Установлено, что характер экспериментально полученной зависимости повторяет расчетно-теоретическую (рисунок 4). Процесс вакуумно-испарительного охлаждения в эксперименте протекает очень быстро и завершается в течение 320 секунд. Наиболее интенсивно процесс охлаждения проходит на первой стадии - в первые 100 секунд, когда плотность водяных паров еще значительна и массовая скорость испарения влаги достаточно высока. Затем процесс замедляется и почти асимптотически приближается к конечной температуре, определяемой минимальным давлением, соз-

даваемым системой вакуумирования. Несмотря на существенное различие температур корочки и мякиша в начальный момент охлаждения (ДТ= 15 °С, точка А), к 20 секунде эта разность почти полностью исчезает.

Для оценки влияния суммарной массы охлаждаемых изделий на продолжительность охлаждения проведены эксперименты с загрузкой камеры одной, двумя и тремя булочками массой 115г. Как и по результатам расчетов в эксперименте время охлаждения изделий увеличивалось с увеличением числа булочек (рисунок 11). Не обнаружено зависимости времени охлаждения от формы изделий (круглой булочки, батончика и кольца), что дополнительно свидетельствует об одновременном охлаждении по всему объему изделия. Таким образом, адекватность физической и математической моделей в целом подтверждается.

С точки зрения выбора режимных параметров оборудования для вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий получена регрессионная зависимость изменения температуры охлаждаемого изделия от времени охлаждения.

Аппроксимация безразмерных зависимостей, представленных на рисунке 12, экспоненциальными функциями позволило получить следующее уравнение регрессии:

Т = Т0' - е~°'0084х ; Р = 0,97; (12)

где Р -достоверность аппроксимации.

х - время охлаждения от температуры Т0 до Т, с

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали возможность вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий с 70...80°С до 2°С за 6... 10 минут и осуществления на этой основе дискретной выпечки хлебобулочных изделий с промежуточным охлаждением полуфабрикатов. Наиболее эффективными факторами регулирования конечной температуры и продолжительности охлаждения являются: производительность вакуумного насоса и температура ограждений камеры охлаждения.

В то же время предложенная математическая модель дает значительно более точные значения и позволяет детально проанализировать влияние каждого фактора.

В четвертой главе изложены результаты исследования режима окончательной выпечки хлебобулочных изделий с промежуточным охлаждением полуфабрикатов и оценки качества готовых хлебобулочных изделий. Установлено отсутствие существенных различий физико-химических характеристик и показатели органолептической оценки качества сравниваемых хлебобулочных изделий, полученных по традиционной технологии и разработанному способу. Определены основные параметры окончательной выпечки изделия.

Т,°С

300 400 500 600

Воемя. с

Рисунок 11 - Зависимость времени охлаждения от числа охлаждаемых изделий

500 «О

Рисунок 12- График регрессионного анализа экспериментальных

данных процесса вакуумно-испарительного охлаждения

В пятой главе представлены рекомендации по организации (рисунок 13), подбору оборудования и проведению дискретного производства хлебобулочных изделий с использованием вакуумно-испарительного охлаждения. В соответствии с ними объем вакуумной камеры должен быть максимально приближен к суммарному объему охлаждаемых изделий. Производительность вакуумных насосов должна быть порядка 0,0033 мЗ/кг с, при котором давление 705 Па устанавливается в течение 3... 5 минут. Рекомендуется использовать сис-

тему вакуум ирования, состоящую из 2-х насосов, один из которых является форвакуумным и обеспечивает снижение давлений до 10 кПа. В этом случае можно выйти на заданный уровень вакуум ирования, не повредив поверхности хлебобулочных изделий разрывами, которые могут возникать при резком уменьшении давления в начальный период.

1-9 - приготовление теста; 10 - расстойка теста; 11- первичная выпечка; 12- вакуум -но-испарительное охлаждение полуфабрикатов; 13 -14 транспортирование и хранение охлажденных полуфабрикатов; 15 - окончательная выпечка

Рисунок 13 - Схема организации производства хлебобулочных изделий с дискретной выпечкой и промежуточным вакуумно-испарительным охлаждением

Выводы по диссертационной работе

1. Проблемы снабжения населения свежим хлебом и улучшения социальных условий работы малотоннажных пекарен наиболее эффективно решается применением вакуумно-испарительного охлаждения частично выпеченного хлеба и последующего его допекания в течение 12...20 минут на месте реализации.

2. При удалении водяных паров от охлаждаемых продуктов, помещенных в герметичную камеру вакуумированием, внутри продукта создаются условия для объемного адиабатического испарения и кипения жидкости. В отсутствии теплоприто-ков извне испарение и кипение жидкости приводит к одновременному охлаждению каждой частицы продукта до температуры насыщенных паров воды, соответствующей давлению в камере.

3. Разработана математическая модель вакуумно-испарительного охлаждения. Выбран метод и разработан алгоритм численного исследования изучаемых процессов, включающий три этапа расчетов: предварительной выпечки изделий, охлаждения, окончательной выпечки.

4. В результате проведенных численных исследований установлено, что ва-куумно-испарительное охлаждение намного интенсивнее конвективного. Увеличение скорости вакуумирования при неизменных других параметрах уменьшает продолжительность охлаждения. Увеличение массы охлаждаемых изделий пропорционально увеличивает время охлаждения. Линейные размеры охлаждаемого изделия не влияют на скорость охлаждения. Абсолютная разница во времени охлаждения для камер различных объемов связана с разностью продолжительностей откачивания начального объема воздуха, однако, во всех случаях объем камеры вакуумирования должен как можно меньше отличаться от объема охлаждаемого продукта.

5. Разработана лабораторная установка и информационно-измерительная система для исследования процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили в целом адекватность разработанных моделей реальному процессу. Получены экспериментальные зависимости температуры охлаждаемого изделия от времени вакуумирования при различной массе продукта, различиях его линейных размеров, форм, скорости вакуумирования Рассчитана регрессионная зависимость изменения температуры охлаждаемого изделия от времени охлаждения.

6. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования доказывают возможность использования вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий в процессе дискретной выпечки изделий с их промежуточным охлаждением. Они свидетельствуют о том, что исследуемый процесс обеспечивает охлаждение полуфабрикатов с 70...80°С до 2°С за 6... 10 минут. Это - наиболее быстрое охлаждение среди возможных способов. Эффективными факторами регулирования конечной температуры и продолжительности охлаждения являются производительность системы вакуумирования и температура стенок камеры охлаждения.

8. Продолжительность предварительной выпечки хлебобулочного изделия определяется необходимостью сохранения в мякише теста-хлеба влажности, при которой возможна организация вакуумно-испарительного охлаждения и компенсация потерь влаги при хранении и в процессе окончательной выпечки. Определено, что для хлебобулочных изделий массой 100 г оптимальная продолжительность процесса предварительной выпечки составляет 15... 17 минут.

9. Проведенные физико-химические исследования и органолептическая оценка качества готовых хлебобулочных изделий не выявили заметных различий качества булочек, полученных предлагаемым способом и по традиционной технологии.

10. Разработаны рекомендации по организации дискретного производства хлебобулочных изделий с промежуточным вакуумно-испарительным охлаждением и последующим хранением до момента окончательной выпечки и выбору режимных параметров основного технологического и вспомогательного оборудования, используемого в вакуумно-испарительном охлаждении.

24

* 15 5 8 i

По результатам исследований опубликовано 8 работ. 0.С>О^ 1. Гапаган Т.В. Применение холодильной машины в технологии хлеба и хлебобу-._

лочных изделий.// Тезисы докладов. Материалы 2-ой международной научно- ( практической конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания».- Орел, 1999 г.- с 227

2. Галаган Т.В. Пути модернизации и усовершенствования оборудования расстойки хлеба и хлебобулочных изделий / Т.В.Галаган, A.A. Епишкин// Тезисы докладов. Материалы 3-ой международной научно-практической конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания»,- Орел, 2000 г.- с.363-364

3. Галаган Т.В. Применение гибких технологий для улучшения качества и количества свежевыпеченных хлебобулочных изделий в торговых точках. // Материалы международной научно-практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг». - Орел, 2001 г. - с. 138

4. Галаган Т.В. Вакуумно-испарительное охлаждение пищевых продуктов.// Материалы международной научно-практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг». - Орел, 2002 г. - с.93-94

5. Галаган Т.В. Дискретная выпечка хлебобулочных изделий - рациональный способ производства и распределения продуктов питания // Материалы международной научной конференции «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, МГУБТ, 2002 г. - с.57-58

6. Малахов H.H. Конвективное и вакуумно-испарительное охлаждение пищевых продуктов /Н.Б.Горбачев, Т.В.Галаган, С.И. Меркушев // Известия вузов. Пищевая технология Jfel, 2003 г.- с 89-90

7 Малахов H.H. Математическая модель конвективной сушки овощей / Н.Б.Горбачев, С.И. Меркушев, Т.В.Галаган // Известия вузов. Пищевая технология № 5,6, 2002 г.-с.81-82

8. Горбачев Н.Б. Эффективность вакуумно-испарительного охлаждения пищевых продуктов /Н.Н.Малахов, Т.В.Галаган //Материалы 1-ой международной региональной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век».- Орел, 2002 г.- с.251-255 (www.ostu.ru/confiers 2002/sect5/)

Подписано в печать 23.09 2003. Формат бумаги 60 х 84 1/24 Офсетная печать Объем 1 пл Тираж 100 экз Заказ № 16/ОЗМ

Отпечатано на полиграфической базе Орловского государственного технического университета Адрес 302020, г Орел, Наугорское шоссе, 29

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ

ПРОБЛЕМЫ

1.1 Социальные аспекты дискретных процессов произвол- 11 ства хлеба

1.2 Производство хлебобулочных изделий с удлинением 14 времени расстойки тестовых заготовок

1.3 Охлаждение и замораживание тестовых заготовок и го- 16 товых изделий

1.4 Анализ результатов научных исследований по вакуум- 25 но-испарительному охлаждению пищевых продуктов

1.5 Анализ промышленных и исследовательских установок 28 для вакуумно-испарительного охлаждения пищевых продуктов

1.6 Постановка задач исследования

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРО- 34 ЦЕССА ВАКУУМНО-ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ

2.1 Уточнение физических представлений о выпечке и ва- 34 куумно-испарительном охлаждении хлебобулочных изделий

2.2 Разработка математической модели вакуумно- 41 испарительного охлаждения хлебобулочных изделий

2.3 Выбор метода и разработка алгоритма численного ис- 43 следования изучаемых процессов

2.4. Расчетно-теоретическое исследование процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий Выводы по главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ 60 ПРОЦЕССА ВАКУУМНО-ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ

3.1 Планирование эксперимента и задачи эксперименталь- 60 ного исследования

3.2 Разработка методики эксперимента

3.3 Разработка экспериментальной вакуумно- 65 испарительной системы

3.4 Определение характеристик системы вакуумно- 72 испарительного охлаждения и условий проведения экспериментов

3.5 Результаты экспериментального исследования харак- 79 теристик вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделии.

3.6 Регрессионная зависимость температуры охлаждения 87 от времени

Выводы по главе

ГЛАВА 4 ВЫБОР РЕЖИМА ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ

ВЫПЕЧКИ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ПОЛУФАБРИКАТОВ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ГОТОВЫХ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ НОВЫМ СПОСОБОМ

4.1 Задачи и методика исследования

4.2 Выбор режима окончательной выпечки

4.3 Определение физико-химических характеристик полу- 91 ченных хлебобулочных изделий

4.4 Результаты органолептической оценки полученных 95 хлебобулочных изделий

Выводы по главе

ГЛАВА 5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ И ПРОВЕДЕНИЮ ДИСКРЕТНОГО ПРОИЗВОДСТВА ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВАКУУМНО-ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ 109'

Актуальность проблемы

Снабжение населения свежим хлебом и хлебобулочной продукцией -важная задача улучшения качества жизни. Её решение для отдаленных пунктов снабжения практически отсутствует. Положение усугубляется тем, что для отечественной хлебопекарной промышленности характерна вйсокая концентрация производства, при которой также возникают трудности сохранения свежести хлеба и оперативной доставки его в торговую сеть. К^.к правило, утром в магазин поступает хлеб, так называемой ночной выпечки, т.е. выпеченный на 8 и более часов ранее. Еще хуже дела обстоят для отдаленных пунктов питания и магазинов сельской местности. Задача снабжения населения свежим хлебом и хлебобулочной продукцией остается не решенной, и её решение актуально [28, 9, 14, 33, 59, 60, 68].

Основными направлениями работ по улучшению снабжения населения свежевыпеченными хлебобулочными изделиями являются:

-удлинение времени расстойки путем воздействия на рецептуру теста и технологические параметры процесса расстойки [3, 5, 10, 69];

- разделение непрерывного процесса выпечки на два дискретных этапа: предварительной и окончательной выпечки. Небольшая продолжительность второго этапа выпечки, которую можно провести непосредственно на месте реализации, снимает проблему, обеспечивает высокое качество и конкурентоспособность продукции [3, 8, 14, 25, 26, 44, 45, 60, 69, 88].

Основным моментом поэтапной выпечки хлебобулочных изделий явм ляется высокая скорость охлаждения частично выпеченных изделий до температуры хранения. До последнего времени это достигалось замораживанием хлебобулочных изделий до температуры минус 18°С с применением мощной холодильной техники или жидкого азота [49, 54, 58, 62, 30, 90]. Однако образующиеся при низких температурах кристаллы льда разрушают структуру хлебобулочного изделия, в частности, его клейковинный каркас. Это снижает качество хлебобулочных изделий. Данный способ находит применение только при замораживании слоеного теста и хлебобулочных изделий с большим содержанием жиров [29, 44, 57, 58].

Совершенствование данного процесса охлаждения связано с ограничением температур охлаждения до 0.+2°С. Конвективное охлаждение в холодильных камерах до таких температур длится несколько часов. Это неприемлемо, т.к. при длительном охлаждении показатели качества выпеченного изделия ухудшаются. Хлебобулочные изделия черствеют и подвергаются заражению микробами. Поэтому проблема быстрого охлаждения тестовых заготовок от 80.60°С до температур 0.+2°С остается нерешенной и актуальной.

Одним из альтернативных способов охлаждения является вакуумно-испарительное [41, 71, 73, 74, 78, 83, 85]. Опубликованные работы по данной проблеме не в полной мере раскрывают физическую сущность процесса, определяют параметры оборудования и режимы охлаждения. Поэтому раскрытие сущности и совершенствование процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий остается до сих пор актуальным.

В связи с этим целью диссертационной работы является исследование процесса вакуумно-испарительного охлаждения и совершенствование на этой основе процесса производства хлебобулочных изделий.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- уточнить физические представления о вакуумно-испарительном охлаждении капиллярно-пористых тел применительно к хлебобулочным изделиям;

- разработать математическую модель вакуумно-испарительного охлаждения полуфабрикатов хлебобулочных изделий и провести расчетно-теоретическое исследование процесса охлаждения;

- разработать и создать лабораторную установку для экспериментального исследования процесса охлаждения полуфабрикатов хлебобулочных изделий и проверить адекватность результатов теоретических исследований результатам экспериментов; провести необходимые экспериментальные исследования для уточнения теоретической модели и параметров процесса охлаждения; разработать рекомендации по вакуумно-испарительному охлаждению хлебобулочных изделий и предложения по выбору соответствующего оборудования.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- разработана и апробирована математическая модель вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий, которая позволяет проанализировать влияние скорости вакуумирования, начальных температур и влажности охлаждаемого изделия, его массы, формы, а также объема вакуумной камеры на длительность процесса;

- установлено, что хлебобулочные изделия являются пористыми паро-проницаемыми телами, испарение влаги в которых происходит равномерно во всем объеме. В результате этого процесс вакуумно-испарительного охлаждения ускоряется, и свежевыпеченное изделие с температурой 80°С охлаждается до 2°С за 3.10 минут при объемной удельной производительности вакуумного насоса 0,00033 м /кг-с;

- установлено, что для охлаждения изделий от 80°С до 2 °С необходимо испарить из них 10. 12% влаги. При охлаждении хлебобулочных изделий это условие выполняется;

- разработаны предложения по составу и основным характеристикам производственного оборудования вакуумно-испарительного охлаждения.

Практическая значимость заключается в том, что разработаны:

- алгоритм и программное обеспечение для расчетов параметров проЬ цесса вакуумно-испарительного и конвективного охлаждения хлебобулочных изделий;

- образец лабораторной установки для воспроизведения и исс^едова0 ния процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий;

- предложения по реализации приемлемого для практики процесса охлаждения хлебобулочных изделий;

- рекомендации для производства хлебобулочных изделий с поэтапной выпечкой и промежуточным вакуумно-испарительным охлаждением.

На защиту выносятся:

- физическая и математическая модели вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий;

- впервые реализованная в отечественной пищевой промышленности компьютерная система сбора , и обработки экспериментальных данных, совмещенная с экспериментальной установкой для исследования процессов вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий. Система базируется на использовании программной среды Labview фирмы National Instruments (США);

- схема дискретного производства хлебобулочных изделий с вакуумно-испарительным охлаждением после предварительной выпечки;

- результаты влияния свободной влаги в объекте охлаждения, массы и формы охлаждаемого продукта, производительности вакуумной сис^мы и температуры стенок камеры охлаждения на конечную температуру.

Реализация работы

Рекомендации по составу и устройству оборудования приняты ООО «Прохим» г. Орел к реализации.

Результаты работы по вакуумно-испарительному охлаждению применены в ЗАО «Славянсалат» г.Москва для быстрого охлаждения продукции и пекарне ООО «Визит» г.Орел.

Результаты работы внесены в лекционные разделы «Физические i принципы получения низких температур» по дисциплине «Основы производства и потребления искусственного холода» и в раздел «Процессы, происходящие при фазовых переходах» по дисциплине «Тепло- и хладотехника». На основе методических указаний, разработанных по результатам диссертационной работы, и на созданной экспериментальной установке по выше названным дисциплинам проводятся лабораторные работы.

Апробация '

Основные результаты работы доложены и обсуждены на 7 конференциях: 1-ой международной научно-практической конференции «Проблемы здорового питания» - Орел, ОрелГТУ,1998 г.

- 2-ой международной научно-практической конференции «Проблемы здорового питания», Орел, ОрелГТУ, 1999 г.;

- 3-ой международной научно-практической конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания», Орел, ОрелГТУ, 2000 г.;

- международной научно-практической конференция «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг», Орел, ОрелГТУ, 2001 г.;

- 2-ой международной научно-практической конференция «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг», Орел, ОрелГТУ, 2002 г.;

- 1-ой международной научно-практической интернет-конференции ч<Энер-го- и ресурсосбережение XXI век», Орел, ОрелГТУ, 2002;

- международной научной конференции «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва , МГУБТ, 2002 г.

Публикации

По результатам исследований опубликовано 8 работ.

1 Галаган Т.В. Применение холодильной машины в технологии хлеба и хлебобулочных изделий.// Тезисы докладов. Материалы 2-ой международной научно-практической конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания».- Орел, 1999 г.- с 227

2 Галаган Т.В. Пути модернизации и усовершенствования оборудования расстойки хлеба и хлебобулочных изделий / Т.В.Галаган, A.A. Епишкин// Тезисы докладов. Материалы 3-ой международной научно-практической конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания» - Орел, 2000 г.- с.357

3 Галаган Т.В. Применение гибких технологий для улучшения качества и количества свежевыпеченных хлебобулочных изделий в торговых точках. // Материалы международной научно-практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг». - Орел, 2001 г. -с.138 *

4 Галаган Т.В. Вакуумно-испарительное охлаждение пищевых продуктов.// Материалы международной научно-практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг». - Орел, 2002 г. - с.93-94

5 Галаган Т.В. Дискретная выпечка хлебобулочных изделий — рациональный способ производства и распределения продуктов питания // Материалы международной научной конференции «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, МГУБТ, 2002 г. - с.57-58

6 Малахов H.H. Конвективное и вакуумно-испарительное охлаждение пищевых продуктов /Н.Н.Малахов, Н.Б.Горбачев, Т.В.Галаган, С.И. Мер-кушев // Краснодар: Известия вузов. Пищевая технология №1, 2003 г.— с 89-90.

7 Малахов H.H. Математическая модель конвективной сушки овощей /Н.Н.Малахов, Н.Б.Горбачев, С.И. Меркушев, Т.В.Галаган //Краснодар: Известия вузов. Пищевая технология № 5, 6, 2002 г.-с.81-82.

8 Горбачев Н.Б. Эффективность вакуумно-испарительного охлаждения пищевых продуктов /Н.Б.Горбачев, Н.Н.Малахов, Т.В.Галаган //Материалы 1-ой региональной научно-практической интернет-конференции «Энерго-и ресурсосбережение XXI век».- Орел, 2002 г.- с.252-256.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1 Проблемы снабжения населения свежим хлебом и улучшения социальных условий работы малотоннажных пекарен наиболее эффективно^реша-ется применением вакуумно-испарительного охлаждения частично выпеченного хлеба и последующего его допекания в течение 12.20 минут на месте реализации.

2 Разработаны физическая и математическая модели вакуумно-испарительного охлаждения. Выбран метод и разработан алгоритм численного исследования изучаемых процессов. Математическая модель включат три этапа расчетов: предварительной выпечки изделий до момента прерывания; охлаждения; окончательной выпечки.

3 В результате проведенных численных исследований установлено, что вакуумно-испарительное охлаждение намного интенсивнее конвективного. В отличие от конвективного при вакуумно-испарительном охлаждении

• температуры на поверхности и в глубине теста-хлеба одинаковы по всему объему изделия.

4 Увеличение скорости вакуумирования при неизменных других параметрах уменьшает продолжительность охлаждения; увеличение мао.:ы охлаждаемых изделий пропорционально увеличивает время охлаждения; линейные размеры охлаждаемого изделия не влияют на скорость охлаждения; абсолютная разница во времени охлаждения для камер различных объемов связана с разностью продолжительностей откачивания начального объема воздуха. Во всех случаях объем камеры вакуумирования должен как можно меньше отличаться от объема охлаждаемого продукта.

5 Предложена аппаратурная схема и разработана лабораторная установка для исследования процесса вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий. На ней подтверждена адекватность разработан^' IX моделей исследуемого процесса.

6 Получены экспериментальные зависимости температуры охлаждаемого изделия от времени вакуумирования при различной массе продукта, различиях его линейных размеров.

7 Проведенные теоретические и экспериментальные исследования доказывают возможность использования вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий в процессе дискретной выпечки изделий с их промежуточным охлаждением. Они свидетельствуют о том, что исследуемый процесс обеспечивает охлаждение полуфабрикатов с 70.80°С до 2°С за б. 10 минут. Это - наиболее быстрое охлаждение среди всех возможных его способов. Эффективными факторами регулирования конечной температуры и продолжительности охлаждения являются производительность вакуумного насоса и температура стенок камеры охлаждения.

8 Продолжительность предварительной выпечки хлебобулочного изделия определяется необходимостью сохранения в мякише теста-хлеба влажности, при которой возможна организация вакуумно-испарительного охлаждения и компенсация потерь влаги при хранении и в процессе окончательной выпечки. Определено, что для хлебобулочных изделий массой 100 г оптимальная продолжительность процесса предварительной выпечки составляет 15. 17 минут.

9 Проведенные физико-химические исследования и органоле(>чтиче-ская оценка качества хлебобулочных изделий после вакуумно-испарительного охлаждения не выявили явных различий качества булочек, полученных предлагаемым способом и по традиционной технологии.

10 Разработаны рекомендации по организации дискретного производства хлебобулочных изделий с промежуточным вакуумно-испарительным охлаждением и последующим хранением до момента окончательной выпечки и по выбору и эксплуатации основного технологического и вспомогательного оборудования, используемого в вакуумно-испарительном охлаждении.

1.Н. Производство сдобных булочных изделий./ А.Н.Андреев, С.А. Мачихин - М.: Агропромиздат, 1990 г.- 189 с.

2. Андрейчук О.Б. Тепловые испытания космических аппаратов./ H.H. Малахов-М.¡Машиностроение, 1982.-143 с.

3. Апет Т.К. Хлеб и булочные изделия (технология приготовления, рецептура, выпечка)./ З.Н. Пашук-Мн.: ООО «Попури», 1997г.-320 с.

4. Богданов С.Н. Холодильная техника . Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справочник.-СПб.:СПбГАХПТ, 1999 320 с.

5. Брязун В.А. Оценка продолжительности расстойки тестовых подовых заготовок./ З.Г. Боева, В.И.Маклюков, И.Д.Кравченко и др. -М.:Хлебопекарная и кондитерская промышленность № 11, 1987 .- С.24.

6. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей,- М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963- 708 с.

7. Галаган Т.В. Вакуумно-испарительного охлаждения пищевых продуктов/Материалы международной научно-практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг». Орел, 2002 г. - С.93-94

8. Галаган Т.В. Дискретная выпечка хлебобулочных изделий — рациональный способ производства и распределения продуктов питания / Материалы международной научной конференции «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2002 г. с.57-58

9. Гинзбург A.C. Справочник теплофизических свойств пищевых продуктов.-М.: Пищевая промышленность, 1978.-275 с.

10. Гинзбург A.C. Теплофизические основы процесса выпечки — М.: Пищевая промышленность, 1975.-475 с.

11. Горячева А.Ф. Сохранение свежести хлеба./ Р.В. Кузьминский-М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983 .- 236 с.

12. ГОСТ 2.105 — 95 Межгосударственный стандарт./ Общие требования к текстовым документам. Минск: ИПК Издательство стандартов, 1996 г. - 36 с.

13. ГОСТ 21094-75. Хлеб и хлебобулочные изделия./Метод определения влажности М.: Издательство стандартов.- 4 с.

14. ГОСТ 24557-89. Изделия хлебобулочные сдобные./Технические условия-М.: Издательство стандартов.- 15 с. '

15. ГОСТ 5667-65. Хлеб и хлебобулочные изделия./Правила приемки, методы отбора образцов, методы определения органолептиче-ских показателей и массы изделий.- М.: Издательство стандартов- 5 с.

16. ГОСТ 5669-96. Хлебобулочные изделия./Методы определения пористости.- Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации.- 4 с.

17. ГОСТ 5670-96. Хлебобулочные изделия./Методы определения кислотности Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации.- 8 с.

18. ГОСТ Р 51785-2001. Изделия хлебобулочные./Термины и определения-М.: Издательство стандартов.- 15 с.

19. Давыдов Ю.М. Моделирование нестационарных процессов в активных и реактивных двигателях./ М.Ю. Егоров — М.: Национальная академия прикладных наук России, 1999 270 с.

20. Данилин Б.С. Основы конструирования вакуумных систем./ В.Е.Минайчев- М.:Энергия,1971.- 392 с

21. Заварыкин В.М. Численные методы./ В.Г. Житомирский, М.П. Jlan-чик. М.:Просвещение, 1990.- 175 с.

22. Зверева Л.Ф. Технология и технохимический контроль хлебопекарного производства/ Б.И. Черняков М.: Пищевая промышленность, 1974.-430 с.1>

23. Изменение №7 к «Сборнику технологических инструкций для производства хлебобулочных изделий,-М.: Прейскурантиздат, 2002 22 с.

24. Изменение №9 к «Сборнику технологических инструкций для производства хлебобулочных изделий. М.: Прейскурантиздат, 2002.- 12 с.

25. Кветный Ф.М Производство хлеба длительного хранения. М.: Хлебопродукты, №2, 2000- 15 с.

26. Кретов И.Т. Исследование газообразования , бродильной активности и газоудерживающей способности дрожжевого слоеного теста, подвергнутого низкотемпературному замораживанию./ А.М. Бара-башин- М.: Хранение и переработка сельхозсырья, №10, 2001.1. С.29-31.

27. Кретов И.Т. О производстве хлебобулочных изделий из* заморо1. V iженных тестовых полуфабрикатов./ A.M. Барабашин , В.В. Пойма-нов М.: Хлебопечение России, №2, 2001.- С. 17-20.

28. Кретов И.Т. Приближенный расчет времени замораживания тестовых заготовок прямоугольной формы./ A.M. Барабашин, A.B. Жучков.- Краснодар: Известия вузов. Пищевая технология, №1, 2002 — С.59-61.

29. Кретов И.Т. Численное решение задачи о замораживании тестовых полуфабрикатов./ A.M. Барабашин — Воронеж:Вестник международной академии холода, №3,2002. -С.34-36.

30. Кретович B.JI. Проблема пищевой полноценности хлеба./ P.P. Токарева-М.:Наука, 1978.-288 с.

31. Лыков A.B. Тепломассообмен./ Справочник.— М.:Энергия,1972.-560 с.

32. Мааке В. Польман. Учебник по холодильной технике.- Основы — комплектующие расчеты. Монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание холодильных установок. /Г.-Ю. Эккерт, Жан-Луи Кошпен. - М.: Из.-во МГУ, 1998.- 1142 с.

33. Мазур П.Я. Применение диспергированных заварок для улучшения качества и сохранения свежести булочных изделий./ Л.И. Столярова, O.A. Рязанцева- М.:Хлебопекарная и кондитерская промышленность, № 8, 1987.- С 27-29.

34. Малахов H.H. Конвективное и вакуумно-испарительное охлаждение пищевых продуктов / H.H. Малахов, Н.Б. Горбачев, Т.В. Гала-ган, С.И.Меркушев,- Краснодар: Известия вузов. Пищевая технология № 1, Куб.ГТА, 2003 г.- С 89-90

35. Малахов H.H. Математическая модель ' конвективной сушки овощей /Н.Н.Малахов, Н.Б.Горбачев, С.И. Мер^ушев,

36. Т.В.Галаган // Краснодар: Известия вузов. Пищевая технология №5, 6, 2002 г.-с.81-82s

37. Малахов H.H. Математическая модель выпечки хлеба / H.H. Малахов, C.B. Дьяченко, Н.Б. Горбачев // Труды III Международного конгресса «Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред -М.: «Нефть и газ», 2000 С.51

38. Малахов H.H. Совершенствование основного технологического оборудования минипекарен / C.B. Дьяченко //Пищевая промышленность, 2000г., №3, с.60-61.

39. Маринюк Б.Т. Вакуумно-испарительное охлаждение: особенности и перспективы./Д.В.Заварухин Краснодар:Известия вузов. Пищевая технология № 1,2000 - с 47-48

40. Михелев A.A. Справочник по хлебопекарному производству (том 1). -М.: Пищевая промышленность, 1977.- с.368.

41. Молькова И.Е. Влияние влажности на свойства теста при замораживании и качество ржано-пшеничного хлеба./ Н.В.Лабутина, В.Я.Черных.-М.:Хлебопечение России , №4, 1999-С. 26-31.

42. Не теряя формы- Гамбург: f2m food mulitimedia gmbh. Хлеб+выпечка. Ноу- хау от профи для профи Первый русский выпуск.2000 г. с.8-10

43. Необычная концепция. — Гамбург: f2m food mulitimedia. gmbh. Хлеб+выпечка. Hoy- хау от профи для профи. Второй русский выпуск.2001 г.-с.6-10

44. Патент № DE 2953346 С2 Р 2953346.8-41 Deutsches Patentamt A21D15/02/ Dawson Pater, Burnley Lancashire, GB; заяв. 11.05.76, выдан 26.02.81

45. Патент № DE2902270C2 Р29002270.6-41 Deutsches Patentamt A21D15/02 /Burgbacher Helmut, Klenk Peter , DE; заяв.22.01.79, выдан 11.11.82

46. Патент № DT2507003A1 P2507003.5 Deutsches Patentamt

47. A21D15/02 /Knutrud Leif Brudal, Dipl.-Ing., Baerum (Norwegen);3anB. 19.02.75, выдан 02,09.76

48. Постольски Я. Замораживание пищевых продуктов / 3. Груда — М.:Пищевая промышленность,!978 607 с. ?

49. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы.-М.:Энергия, 1978.- 703 с. ^

50. Производство хлеба, хлебобулочных и кондитерских изделий: Санитарные правила и нормы.- М.: Информационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора России, 1996.-64 с.

51. Промышленные тепломассообменные процессы и установки./Под ред. А.М.Бакласова.—М.:Энергоатомиздат, 1986.-328 с.

52. Ривкин C.JI. Термодинамические свойства воды и водяного пара. / A.A. Александров. Справочник М.: Энергоатомиздат, 1984.— 80 с.1. Г,'

53. Рогов И.А. Консервирование пищевых продуктов холодом./ В.Е. Куцакова, В.И.Филиппов, С.В.Фролов.-М.:Колос, 1999.-170 с.

54. Ройтер И.М. Справочник по хлебопекарному производству (том 2). -М.: Пищевая промышленность, 1977. —368 с.

55. Самарский A.A. Численные методы./А.В.Гулин- М.:Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1989 — 430 с.

56. Сборник рецептур на хлеб и хлебобулочные изделия — С.Пб.:Гидрометеоиздат, 1998 г.- 191 с. Iу

57. Сборник технологических инструкций для производства хлебобулочных изделий. М.: Прейскурантиздат, 1998 г.- 494 с.

58. Смирнова М. Современное хлебопечение-98. М.¡Хлебопродукты, № 5, 1998.-С. 28.

59. Современная технология продления расстойки при производстве булочек- Гамбург: f2m food mulitimedia gmbh. Хлеб+выпечка. Hoy- хау от профи для профи. Первый русский выпуск, 2000 .1. С. 19-23

60. Справочник для лабораторий хлебопекарных предприятий М.: «Пищевая промышленность», 1978.-190 с.

61. Справочник Холодильная техника. Применение холода в пищевой промышленности /Под редакцией Быкова A.B. Микробиология холодильного хранения. Холод в рыбной и пищевой про}мышленности.-М.:Пищевая промышленность, 1979.- 150^.

62. Столяров A.M.EXCEL 2000 для себя./Е.С.Столярова -М.:ДМКПресс, 2002.-335 с.

63. Теплотехнический эксперимент. Справочник./ Под ред. В.А.Григорьева, В.М.Зорина.-М:Энергоиздат, 1982.-510 с.

64. Технология быстрого замораживания тестовых заготовок. VIVAS @/ches.tm. odessa.ua

65. Тешитель О. В. Влияние продолжительности брожения теста и условий замораживания на свойства клейковины и качество готовых изделий. М.'.Хлебопекарная и кондитерская промышленность, №8,1987 .-С. 12-17

66. Тешитель О. Улучшители хлеба из замороженного теста-М.:Хлебопродукты, №12, 1991-С. 38-45

67. Цыганова Т.Б. Технология хлебопекарного производства. — М.: ПрофобрИздат, 2001 г.- 428 с.

68. Щербатенко В.В. Регулирование технологических процессовiпроизводства хлеба и повышение его качества. М.: Пищевая промышленность, 1976.-232 с.

69. Энциклопедический справочник. Холодильная техника / Йод редакцией Ш.Н. Кобулашвили. Том 3. Ленинград: Госторгиздат, 1962.-450 с.

70. Anon. Rapid vacuum cooling. Food Processing Industry, 9, (1981). -p. 49.

71. Chen, Y. L. Vacuum cooling and its energy use analysis. Journal of Chinese Agricultural Engineering, 32. (1986). pp. 43±50.

72. Di Risio, T. Vacuum cooling in food processing Prepared Foods, 159. (1990).-pp. 195±197.

73. Everington, D. W. Vacuum technology for food processing. Food Technology International Europe. (1993).- pp. 71±74.

74. Fejes, T. Energetic modelling of batch vacuum coolers .Hungarian Agricultural Engineering, 7, (1994). -pp.26±28.

75. Have M., Mankai M., Le Bail A. Influence of the freezing condition on the Baking performances of French frozen dough. (Dept. Genie des Precedes Alimentaires, ENITIAA, BP 82225, Rue de la Geraudiere,

76. F-44322 Nantes Cedex 3, France. J. Food Eng. 2000. 45, Mo 3, pp.I139.145.

77. Hokkaido, S. I. Vacuum cooling method and apparatus. (1990). United States Patent Number 5088293.

78. Houska, M., Zitny, R., Sestak, J., Jeschke, J., & Burfoot, D. Vacuum cooling process modelling. Potravinarske Vedy, 12, (1994). -pp.l±15.

79. James, S. J. Cooling systems for ready meals and cooked products. In R. W. Field, & J. A. Howell, Process Engineering in the Food Industry 2: Convenience Foods and Quality Assurance London: Elsevier. (1990b).-pp.88±97. ;jC'

80. Sun, D. W. Experimental research on vacuum rapid cooling of vegetables.Paper Presented at the International Conference on Advances in the Refrigeration Systems, Food Technologies and Cold, Chain, (1998).— pp.23±26

81. Sun, D. W. Effect of pre-wetting on weight loss and cooling times of vegetables during vacuum cooling. ASAE Paper No. 996119, ASAE, 2950 Niles Road, St. Joseph, MI 49085-9659, USA. (1999b). ;

82. Vacuum cooling technology for the food processing industry: a re-view.K. McDonald, D.-W. Sun / Journal of Food Engineering 45 (2000)- pp. 55±65

83. Varszegi, T. Vacuum cooling of vegetables . Hungarian Agriculturali

84. Engineering, 7, (1994).- pp. 67±68.

85. Verwendung von Antigefrierproteinen zur Reduktion von Rekristallisationsvorgangen in tiefgefrorenen Lebensmitteln. Gaukel V., Spiefl L. Chem.-Ing.-Techn. 2000. 72, № 9, pp. 10751076.