автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Термовлажностная обработка пшеницы и ее текстурные свойства

ОсДОЬлР&ЙШНЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ * * ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

- 8 МАЙ 1935

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

На правах рукописи УДК: 664.726.5.085.1:644.71-1(043.3)

АЗАРСКОВА Акна Впкторозпа

ТЕРМОВЛАЖНОСТНЛЯ ОБРАБОТКА ПШЕГПЩЬГ И ЕЕ ТЕКСТУРНЫЕ СВОЙСТВА

Специальность 05.18.12 - Процессы, машины и агрегаты пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ диссертвияй па сояскЕтгае утетой сгспстш кандидата тенигеесхих кяук

Мооия 1995

Работа ашюлнона на кгфздро физики Московской Государственной Академии пищевых производств.

I

Научный руководитель - академик РАОХН,

доктор технических наук,

профессор

В.В. Красников

Официальные оппоненты -академик МИА, доктор технических

наук, профессор В.И.Муштаев > - акадецик МЙИ? доктор технических наук, профессор, А.П.Ррсин Ведущая организация - АОЗТ "Технобур-ТСЖК"

Защига диссертации состоится ' 25 • мая 1885 г на заседании! Диссертационного Совета к.063.ы.07 Московской Государственной Академии пищэьых прогаводств по дцресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11.

О диссоргацирй можно оаяакомигьса в библиотека МГАГШ.

Автореферат разослан * " апреля____1Н0Ь г

Учишдй сократарь ;дие№рташ!онного (¡ошта кандидат 'юхничоснш иау,с,

ДШ|УНГ

И.М. Санина

Abstract

of the Dissertation by Azarekova A.V. "The Therno-nolsture Treatment of Wheat and lta .Textuo-Properties" represented for the Degree of Candidate of Technichi Science in Speciality 05.18.12 - Processes, machines and agregaieti of food industry.

The present paper deals with the complex research of therbo noiature treatment of the whole wheat grain by the Infra - red radiation and the deep analysis of the processes, phenomena, and reactions are taking place under this treatment and result in the change of the quality.

Kinetics of heat, Boistening, drying and biochemical reactions of grain are studied.

H s proved that softening of the grain takes place according to pseudo 1st order proceae.

The formal connection betneen the grain softening chemlom and its texture is ascertained and the substitution of chemical analysis of grain for the physical measuring of ita texture properties is proved.

By the basis of the Theory of Chemical Kinetics methods and grain softening kinetics here are determined apparent rate constants of

softening, apparent activation energies and thermodynamic*!

■

functions (enthalpy, entropy, free energy) of the grain. The process models id grain quality models under the treatment has proposed.

Key Bords : grain texture, aoftoiiljm, puuuuo - proceau. activation energy,

■п 4»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

I

Актуальность темы. Одами из основал видов сельскохозяйственного сьфъд длл пищевой промышленности является зерно. Повышение качества и питательной ценности зерна, улучшение его санитарного состояния, снижение производственных расходов электроэнергии, вода и потерь зерна при дареработка его в продукты высокого качества, а также сохранение питательных достоинств зерна лри »хранении являются главными задачами мукомольно - крупяной ц комбикормовой

промышленвостев. \ >.

<• * - ' \ \

Эффективность переработки зерна во многом определяется его

структурно - механическими, реологическими, физико -\ химическими, биохимическими и другими свойствами зерна, которые изменяются в процессе его обработай и влияют на качество получаемого продукта.

Применяемые на зерногарерабатьшающих предприятиях метода тер-мовлашостной обработки имеют ряд недостатков. Вместе с тем эффективные достижения науки о зерне ве нашли широкого использования в промышленности. Применение инфракрасного облучения при обработке зерна является современным способом, которым занимаются многие исследователи разных стран.

ИК облучение зерна относится к высокотемпературной его обработке , позволящэй вернуть зараженное грибами и бактериями зерно в переработку и способствует снижении энергозатрат на его разрушение при переработке и повышению питательной ценности зерна вследствие изменения биохимического состава.

Необходимы модели процессов ^обработки, реакций и [явлений^ происходящих при этом в зерне, и модели качества получаемого продукта, которш позволили Ьы рассчитать потери питательных .ведает» в. зерне, что являются основой дал создания рациональны/.

процессов, режимов и технология получения новых экологически чистых зерновых и других продуктов высокого качества при потреб лении разумных энергетических и материальных ресурсов.

Разработка, а такш выявление области применения новых «ото дов комшгексного исследования процесса тэрмовланшостноя обработки ¡зерна пшеницы ИК облучением является актуальной проблемой для науки и производства.

Настоящая работа, выполненная под научным руководством акад. Красникова В.Б. является первой попыткой комплексного исследования процессов термовлангаостноа обработки цэлого зерна пшеницу ИК облучением с глубоким анализом происходящих в зерне физико - химических, биохимических реакция, и явления разупрочнения, используя при этом теории химической кинетики и химической термодинамики, теорию переносов теплоты, влаги, массы инграддантов, реологию тиксотропных продуктов, химии зерна и другие науки. '

Цэль и задачи исследования. Целью , диссертационной работы

х

является создание методов комплексного и глубокого исследования процессов термовлажностной обработки целого зерна пшеницы ЯК облучением и апзлизатекстуры и качества зерна при обработке.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены

\

следующие основные задачи: \

1. Создание экспериментальной установки для термовлажностной обработай зерна ИК облучением;

2. Экспериментальное исследование кинетики нагрева, увлажнения и сушки зерна;

3. Экспериментальное исследование кинетики физико - химических и биохимических реакций в обрабатываемом зерне;

4. Создзние физико - химического метода анализа и использова-

кие его для исследования кинетшга разупрочнения зерна в процесса обработки с получением кривых релаксации напряжения сжатия зерна;

5. Определение и анализ явных констант скорости разупрочнения. явной энергии активации и термодинамических функций зерна (^тальпии, энтропии и свободной энергии);

6. Описание моделей процэссов обработки и модели качества поручаемых продуктов, позволяющих рассчитать потери питательных веществ в лицевых продуктах и сырье при их термовлажностной обработке .

Научная новизна работы. Подученные в процессе выполнения диссертационной работы новые научные результаты сводятся к следующему;

1. Экспериментально доказано, что в процессе термовлажностной обработки зерна пшеницы ПК облучением происходит его разупрочнение согласно псевдопроцессу первого порядка, которое обусловлено образованием текстуры зерна,-

2. На основе методов теории химической кинетики определены явные константы скорости разупрочнения, явные энергии активации и термодинамические функции зерна в процессе его обработки. Эти величины позволяют прогнозировать изменение текстуры и использовать их в расчетах при разработке новых технологий, новых конструкций .установок при обработке зерна;

3. Установлена формальная связь химизма процесса разупрочнения зерна с его текстурой к доказана возможность формальной замены результатов сложных химических реакций, происходящих в обрабатываемом зеоке. физическими (механическими) измерениями его текстурных СВОЙСТВ;

-£, в&едыао представление о ■•текстуре" зерна, образующейся при

его термообработке и разрушающейся при разупрочнении. Текстура имеет химическую природу, эта направленное расположение молекул вещества, обусловленное электромагнитными свойствами зерна (природным магнетизмом).

Практическая .ценность работы заключается в следующем:

1. Предложено предварительное увлажнение зерна (влага покры вает тонкой пленкой оболочки зерна) перед ИК нагревом» что существенно сокращает продолжительность операции кондиционирования в общей схема технологии переработки зерна на предприятиях и обоснованы параметры режима термовлашностной обработай пшеницу ИК облучением;

2. Предложенная комплексная обработка значительно увеличивает питательную ценность зерна, вследствие увеличения леревариваемое-ти белков и углеводов зерна за счет образования новых легко усваиваемых продуктов: декстринов» денатурированного белка и других:-,

3. Разработан экспериментально - Теоретический метод исследования разупрочнения текстуры зерна, основанный на теории химической кинетики и реологии тиксотропных тел (экспериментальный метод кинетики разупрочнения);

4. Предложены и обоснованы методики расчета показателей» характеризующих текстурные свойства зерна: явной константы скорости разупрочнения, явной энергии активации и термодинамических функций зерна на основе кинетики разупрочнения зерна в поевдопро-цессах-,

5. Полученные на основе обобщения уравнения процессов обработки и качества продуктов об'одилеии в модели процесса и качества обрабатываемого эорна и предлагается для использования а практических расчитах потерь питательных веществ в ироду ¡пах в период

ш обработки.

Достоверность полученных результатов. Обоснованность и досто-

дарность научных положении, выводов и рекомендаций подгверздается необходимым ой'омой использованных данных, полученных на основе применения современных научных знаний, средств и методов исслэдо-вашш. Работа выполнена по комплексной методике, вклшавдэй экспериментальные исследования и аналитические расчеты. Аналитические вшиадки диссертации корректны и строго аргушнтированы. Коночные результаты сошставлаш с данными, опубликованными в иностранной научной и специальной литература, которая пр2®едена в диссертации.

Автор защищает:

- Научное обоснования физико - химических основ кинетики провесов 7врмовлажностной обработки зерна ншэшщы при Ж солучвиш;

- Положение о формальной связи хишзьа процесса разупрочнения зерна с его текстурой;

- Научное обоснование моделей процесса, модолоа качества зерна и расчот потерь компонентов зерна при ого комплексной обработке;

- Поломенш о еущ/эствшшом сокращении операции кондиционирования в общои схсма шрораоотки зерна за счет применения ИН нахрева предварительно увлажненного зорна;

- Обоснование нового мотода исслодоваиш? разуггрочнения текстуры зерна посредством механического воздействия на зерновку.

Публикации. По тема ( диссертации опубликованы три тчатнш

работа и даю находятся в печати.

Структура и об'ет диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, эгиииичдтш, списка кшюльзишыоя ^ггара'(ур1' з

приложений. Работа изложена-па 205 страницах машинописного текста» содержит 55 рисунков и 26 таблиц. В списке использованной литературы 170 наименований, в том числе 50 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на и страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы.

Указано на необходимость комплексного изучения процессов и реакций, сопутствующих терновлзжностной обработке зерна при ИИ облу-".0П1Я, используя при этой тешюмассоперэяос, теорию химической кинетики, химическую термодинамику» реологию ткксотропных продуктов, химию верна и др. Дана характеристика представленной рзботы.

1. Современное состояние теории и практики термовлаяшостной

обработки зерна и его разупрочнения

Представлен обзор литературы» в котором даны описания зерна пшеницы, как об'екта обработки, методов термовлаяшостной обработки зерна (одним из которых является Ш нагрев) и их влияние на изменение различных свойств зерна. На основании проведенного анализа сделан вывод о тон, что зерно, шея широкий спектр свойств, многокомпонентный химический состав и сложное строение, представляется глубоко трудным об'ектом исследования и обработки. Сравнивая методы термовлажностной обработки зерна и учитывая их достоинства и недостатки, можно констатировать, что применение ИН об-цучения представляется наиболее актуальным, ибо этот метод является экологически чиста», существенно гпггонсифицирующим процессы кондиционирования нз предприятиях и повышающим питательные достоинства и качество зерна.

Проведенный анализ изменений свойств зерна в процессах термо-

н?

влажностной обработки показал, -гто структурно - механические, биохимические и другие свойства претерпевают существенные изменения. Особенно это ярко выращено при использовании „для обработки зерна ПК облучения, которой положительно влияет на бэлково - углеводный комплекс зерна, способствуя его шревариваемости, на стерилизацшпные процессы, уничтожая при этом микроорганизмы, и на прочностные характеристики зерна, которые уменьшаются в процессе его обработки.

Рассмотренное явление разупрочнения (размягчения) сельскохозяйственного сырья (фрукты, овощи) в процессе термической обработки позволило рассмотреть кинетику процессов обработки, технологию обработки, установить реологические характеристики продуктов, изучить явление разупрочнения и установить влияние параметров на процесс. Использование уравнения Аррэниуса применительно к процессу размягчения фруктов, овощей и зерна риса дало полную ясность этого механизма. При этогя Ван-Бурен предложил схему химизма размягчения фруктов и овощей. Было показано, что размягчение фруктов и овощей - "полутвердых" тел - отвечает псевдопроцессам первого порядка. Это позволяет предпринять попытку выявления и об'ясшния разупрочнения зерна пшеницы в процессе его термо-влажностной обработки, используя теорию химической кинетики и реологию "полутвердых" тиксотропных тел.

В коню главы сформулированы цели и предстоящие задачи исследования .

Об'ект обработки, экспериментальная установка и мотоддаи исследования.

В главе дана характеристика иб'екта оо'рао'отки и описание тек-

■ ■ ■ - I ' I',

В качестве об'екта обработки использовалась наиболее распространенная в стране пшеница IV типа.

! ''Являясь анизотропным биополимером, зерно обладает различными электростатическими и магнитными свойствами. Входящие в состав зерновки компоненты занимают конкретные места в об'еме: крахмал в форме крахмальный зерен, белки в виде пленок окружают зерна крахмала, витамины, липида, минеральные вещества, вода - все обладают электрофизическими свойствами. Эти свойства позволяют организовать внутреннюю структуру - текстуру зерна. Текстура - это анизотропная или аморфная среда, состоящая из молекул с преимущественной ориентацией. Ответственные за магнитные свойства зерновки, ¿ частности, крахмальные зерна кристаллической структуры обладают преимущественной ориентацией векторов спонтанно® намагниченности, которая создается в дисперсной система зерна при его нагревании и изменении влагосрдержания. Текстура связана с реологией и влияет на деформацию об'екта. Ее характеристикой является твердость, по изменению которой судят о разупрочнении об'екта.

Для термовланшостнов обработки зерна ИК облучением и определения влияния платности падающего потока облучения на процессы нагрева, увлажнения и сушки зерна создана экспериментальная установка. Согласно методики проф. Плаксина Ю.М. построены поля энергетического облучения и рассчитаны значения плотностей падающего штока облучения в зависимости от оптимального сочетания высоты рабочей камеры установки и максимального значения продольной предельно допустимой неравномерности. Величина Еп составила. Вп1=25,35; Кп11=17.47; ВпГП=12,09 кВт/М2. '

Термовлажностная обработка верна заключалась в следующем на поверхность зерна наносилась влага и неподвижный монослой ьерна

облучался ПК лучами в теченщз от о до 105 с в зависимости от Еп-

В процессе эксперимента определялось интегральное влагосодзр-жа«иб~ '"оставлен материальный баланс влаги в зерне), локальная темгера^с. нагрева зерновок и показатели, характеризующие биохимический, структурно - механические и реологические свойства зерна согласно стандартных методик. Локальная температура нагрева определялась внутри трех зерновок, в каждую из которой вставлялась хромель - кагюловая термопара на строго определенной глубине, что соответствовало верхнему, среднему и нижнему слоям зерновки. Методики биохимических анализов приняты стандартными, используемыми в лабораториях кафедры биохимии зерна и зерноводонии.

Описана конструкция прибора и методики для исследования CTpyjrrypuo - механических и реологических свойств зерна, последние основаны на сжатии зерновки и построении кривых релаксации напряжения сжатия.

Представлены основные формулы для статической обработки экспериментальных данных,

з. Кинетика тормовланшостной обработки зерна пшеницы.

Б главе дан анализ экспериментальных исследовании кинетики одновременно протекающих при обработке зерна процессов нагревания, увлажнения, сушки, разуйрочнения и реакций физико - химических и биохимических.

Нинетика нагревания, увлажнения, сушки и разупрочнения зерна

I !

представлена на рис.1 при Еш. Характер кривых при других значениях Еп вдэнтачен. ^

Установлено, что температура нагрева зерна t на всем протдню-нш обработки возрастает с зо°с до юз+1б0°с (интервал свидетель-

а//..

12,0 №

10,0 ■ ПО

6,0- 100

6,0- 60

4,0 60

2,0 40

0 20 I 0

- 1

м 1

ii.fr о МР ) V

Н

$0

60

20

Рис. 1. Кинетика нагрева, увлажнения, сушки и разупрочнения зерна (Еп1).

СЛЛ* Р

АО

4 06

(У/.

20 - 100

15 - ?5<

10- 50

5 - 25

0 . 0

Се( Г 1 К*

£¿¡4

Г 1

2,0

ч

0,93

о

0,45 Ю

к /

Ч^/

Рр,Н

ад

50 20

ю

■ 5

С 20 40 60 Т,С \ и 50 Гр,С

Рис. 2. Кинетика химических Рис. 3. Релаксация напряжения

реакций, происходящих сжатия зерна

в зерне при обработке (Еп1, -с-45 с. 0=9,3*,

ствует о разной послойной температуре в зерновке), причем кривые кинетики нагрева зерна близки к квадратичной зависимости вида:

Рассчитаны и построены обобщенные кривые .кинетики нагрева зерна = :Г(т/Тд)), кривые скорости нагрева зерна в процессе обработки, кривые разности температур в слоях зерновки и шля темдаратур для каждого значения Ед.

Установлено, что в процессе термовлажностной обработки ИК облучением верхние слои зерна нагреваются быстрее, чем средние и тем более нижние. Зависимость мевду температурами слоев зерна имеет нелинейный характер. Чем больше Е^, тем быстрее нагревается верно и выше его темгоратура, что связано с тем, что теплота излучения, поступающая в зерновку, распространяется в ней в основном зз счет теплопроводности.

В начале процесса обработки влагосодержанке зерна увеличивается с 7,45 */. до 13,2 г. (рис. 1) вследствие явления термовлаго-проводаости, которое возникает за счет ИК нагрева предварительно увлажненного зерна. Под влиянием ИК облучения и образовавшихся градиентов температурь; и влзгосодержания, направленных к центру зерновки, влага, находящаяся на , ее поверхности, перемещается внутрь зерновки, частично испаряясь с поверхности. Увлажнение происходит в течение 10-20 с в зависимости от Ед. Кривые кинетики увлажнения зерна близки к квадратичной зависимости видаг

и.У=В ,+В, «т.+В «т.2 <2>

1 о1 Ч 1 21 х

В момент наступления равновесия между оттоком влаги с поверхности внутрь зерновки и испарением влаги в окрукаюшую среду увлажнение зерновки заканчивается и наступает процесс сушки, влагосодержанке верна уменьшается. Кривые кинетики суаки близки по

своему характеру к экспоненциальной зависимости вида»

Процесс глубокого увлажнения происходит быстрее, чем сушка, о чем свидетельствуют значения скоростей на кривых скорости увлажнения и сушки, построенных путем графического Дифференцирования методом хорд кривых кинетики увлажнения и суши. Воспользовавшись обобщенным методом акад. Красникова В.В. ш=т(Нг)»„ построены обобщенные кривые кинетики увлажнения и сушки

Построенные температурные кривые (Ь) свидетельствуют о непрерывном протекании двух механизмов переноса влаги термодиффузионный и диффузионный.

Непрерывное сочетание параметров процесса <и и и зерна при обработке ведет к структурно - механическим, текстурным, реологическим, биохимическим и физика - химическим'изменениям в зерне.

На рис. 2 представлена кинетика физико - химических и биохимических реакций при £П1. Характер кривых при £п11 и Е^ п идентичен. В процэссе термоалантаосткой обработки зерна происходят выявленные реакции клейстеризации крахмала, денатурации белка, декстринипации крахмала и окисления липидов. В конце обработки 24,о х крахмала клейстеризовалось, ** э,о х превратилось в декстрины и за 7. белка проденатурировало. Окисления липидов в процессе обработки не происходит. Выявленные реакции положительно влияют на качество полученного продукта, так как зерно становится более питательным и легко усвояемым организмами человека и животного.

В процессе термовлажностной обработки определялась сила сжатия, при которой разрушаются зорновки (рис. 1). По мере увлажнения зерна набухают его белки и об'ем зерновки увеличивается, что приводит к снижению ее плотности за счет образования микро-

трещин, наличие которых снижает Рр33р с те н до 56 н. Затем РрЭЭр увеличивается вплоть до исходного уровня и даже выше его

84 Н). за счет сушки верхних слоев, продолжающегося перераспределения влаги внутри зерновки и процесса контракции зерна, т.е. упрочнения структуры за счет электростатических сил, возни- кающих вследствие достаточно высокого о и под действием электромагнитного поля. С этого момента можно полагать в зерне образовалась текстура. За счет увеличения интенсивности процесса переноса влаги внутри зерновки происходит парообразование из внутренних слоев, микрокапилляры освобождаются от влаги, в зерна образуются пустоты, кроме того накладываются химические реакции. - все это ведет к уменьшению Рра3р (32^-36 н> и способствует разупрочнению текстуры зерна. Замеченное разупрочнение свидетельствует о наличии в зерне природного магнвтизмз, который влияет на образование и разрушение текстуры зерна при обработка.

При интенсивной комплексной обработке зерна, которая включает в себя.- явления переноса теплоты и влаги, капиллярные явления, изменение магнитных свойств, проявляющихся в изменении концентрации дисперсной среда, химические реакции и др., обработанное зерно приобретает новые питательные качества, но теряет признаю живого организма, так как под действием физических и химяческш явлений разрушаются внутренние межмолекулярные связи и текстур; ослабевает, она становится рыхлой, неупорядоченной и легко разру шаетсн. В кинце обработки Рр33р становится минимальным, увеличением Е;] РрЭЗр уменьшается, что ведет к значительном снижзшао энергорасхшрь на переработку зерна.

Являясь "полутвердым", упруговязкопластичным телом, зерн тлит 5»»дг«рптго реологическим исследованиям. Полученнь:

кривые релаксации напряжения сжатия (рис. з) соответствуют экспоненциальному закону:

где Рр1 - (0,7+0.в)Рразр>1 (5)

Кривые релаксации напряжения Рр=*(гр) подлежали дальнейшему исследованию в главе 4.

4. Применение теории химической кинетики к явлению

разупрочнения зерна пшеницу.

В главе даны основные уравнения, используемые в расчетах, выявлен порядок процесса разупрочнения зерна и рассчитаны кин-станты скорости разупрочнения, величины энергии активации и термодинамические функции зерна в процессе обработки.

Применение теории химической кинетики к явлению разупрочнения зерна позволяет понять его физико - химический механизм и на ста диях развития кинетики разупрочнения применять вместо сложных химических анализов физические измерения.

Связь физических измерений текстурной характеристики описыва

ется уравнением кинетики разупрочнения Стивена:

ар

ат

(в)

при ш=1, процесс разупрочнения имеет первый порядок и

ар

-- = К-Р, (/)

<1г

проинтегрировав (7), ПОДУЧИМ:

1пР = 1пР -Хт (в)

Построив в полулогарифмической анаморфозе уравнение (8) полу чим прямую; величина тангенса угла наклона прямой ш.»-«« | чис лвнно равна константе скорости разупрочнения, которая определи ется по формуле:

1»Р -1пР

К = --2--(8)

Д т

Константа скорости разупрочнения является явной поскольку определяемся путем физичоских измерений, но имеет химический смысл.

Как и ^рнстанта скорости любой реакции она растет с ростом температуры. Зависимость между этими величинами в большинстве

случаев описывается уравнением Аррениуса

к

К = К <ехр(--— ) (10)

° ат

Прологарифмировав это уравнение и построив полученное в полулога-ритмической анаморфозе, получим прямую. Величина тангенса угла наклона прямой 1пК=£(1/Т) определяет значение явной энергии ^активации» которая находится по формуле:

Д1пК

Е = к*-= в-ге/э СИ)

а Л(1/Т) '

Энергия активации - это главный фактор, определяющий скорость протекания реакции и соответствует избыточному количеству энергии, которой должны обладать молекулы в момент столкновения их друг с другом.

Полученные кривые релаксация напряжения сжатия зерновки в процессе обработки даюгг возможность исследовать кинетику ее разупрочнения.

При логарифмировании уравнения (4) и построив его в полулогарифмической системе координат (рис.з), получим прямую 1аРр=£(тр), что свидетельствует о первой порядке процесса разупрочнения и возможности применения к нему .уравнения Аррениуса.

Явная константа скорости разупрочнения определяется в этом случав | ,

1п1'ро1-1вРр1

= -Г----(12)

\ Р1

Таким образои, полученное в работе множество кривых релаксации

позволили рассчитать к на разных этапах обработки зерпа.

Зависимость явной.константы скорости разупрочнения от темго-ратуры нагрева зерна при вш представлена на рис. 4. Для двух других значения нп графики идентичны.

На рисунке даны полученные две ломаные: 1-2 -3 . которая характеризует изменение к от 1/т в нижнем слое зерновки, и 1-2 -з-в верхнем. Каждая ломаная состоит из двух прямолинейных участков. Каждая из краевых точек является характерной. Точка 1- исходное состояние зерпа. С увеличением t в зерпэ постопопно развиваются тепломассогореносныэ процессы и начинаете« югойстеризапия крахмала. Точки 2 и 2 отвечают началу реакция денатурации бежа и декстринизацки крахмала и при этом продолжается юттвпсивный перенос влаги внутри зерновки. Точки з и з практически -являются окончанием процессов термовлажносгной обработки зерпа, за которым происходит его порча (оно чернеет и сгорает). Таким образом, химические реакции и тепло - влаго - массоперэяосные процессы закончились, так как условий для их продолжения нет. В результате этих процессов, реакций и явления к возросла до максимума, что привело к разупрочнению текстуры зерна.

Значения явной энергии активации определяются формулой ill). Еа характеризует активность системы на разных стадиях псевдопроцесса. Понятно псевдопроцесса правомерно так как он формально сопоставляется с реакцией.

Зависимость Ka=f(t> для Еп? представлена на рис. 5. Согласно теории Слетера любая реакция протекает в две стадии: первая стадия - это активация молекул, вторая - собственно реакция, т.е. прсврэп;онио оперготкзировапной колэкулн в активизированный компловс. В данном случае в на первом участке больше, чем на

втором, т.к. для того, чтобы активизировать молекулы требуется естественно больше энергии, чем тогда, когда частицы уже реагируют. Для верхнего слоя Еа больше, чем для нижнего.

Величина позволяет расчетным путем определить термодинамические функции зерна.- энтальпию, энтропию и свободную энергию, которые необходимы при создании и расчетах процессов и прогнозировании качества поучаемого продукта. Расчет термодинамических функций показал, что в начале процесса дп>о, что свидетельствует о протекании эндотермической реакции, происходящей с поглощением теплоты, которая идет на образование связей. Далее дн<0, следовательно, протекает экзотермическая реакция с выделением тепла вследствие разрыва связей. На всем протяжении обработки ЛБ<1>, что свидетельствует о стремлении системы к упорядочиванию, дв > о под-

Рис. 4. Зависимость к от 1/т "" " риг,_ 5. Зависимость

при Еп1. ^Е по Слрт-°р;.'

при Еп].

гвэрздает обоснование о разрыва связен между молекулами и приобретении ими некоторой свобода.

5. Модели процессов и модели качества полученного продукта

при тв.рмовлажпостноа обработка зерна пшеницы.

Исследования термовлажностной обработай зерна пшеницы (Ж облучением, химических реакций, процессов и явлении, происходящих ьри этом в зерно, укладываются в модели процессов и реакций и подели качества получаемого продукта (рис, 0).

Пищевое сырье, в том число верно, и оборудование парараба-ллвающих процессов непрерывно шз лмо по а стаут меаду собой и рабочем процессе обработки. Сырье обладает качественными свойствами, которые влияют на обработку. В математическую основу моделей рабочего процесса полошены физические законы явлений переноса теплоты, влаги, массы инградиэнтов» количества движения и законы кинетики химических реакция. При обработке сырья изменяются практически все его свойства, в том числа физические, химические (биохимические) и бактериологические. Изменение свойств зерна в процессе обработки происходит в соответствии с указанными законами. Модель химических реакций позволяет рассчитывать изменения количества компонентов зерна и, следовательно, прогнозировать его качество. Оценка качоства получаемого продута производшев по пищавым и сенсорным свойствам, которые определяются соответствующими приборами, опытами, сенсорами и др. Гавая схема чошт быть использована и для других пищевых продуктов.

■шёшвое сцде

прсцасаеь

Ка«е<ггз**иые свойства

НЭЧдДьные ко МЦОН "Грации ¿«ктъриб бываг., крахмала, ъхт&тно* ънгжьъ/лкыяръ..

с*з«стза, на

обработку

СОрбфЮНММЬ

сгру«стгр>ио-яедгимческяе рдело гнч«скме гявяетрмч&еюе текстур« »Лагспгргиосуме техиалогич&сю*

X

р»бочв5 процесс

Кккетеша ревкфи «Ас/^гг-Х-С

вдамсса твмоты

■ и вдапг » £еряе

4.таплэтч ве-Л*^

5.Ьлэги п

йнгрцдр®*"^»

З.ммпульса

*,олич«егг »а

Д.вякпе

тамздве

чющишив «ойгтв зерна м продуктов при ебргботкг

4 'Тгтив«»аасэйбдамнь«г}

Нг

^Вяотчтоае!

Дакстртюншр* краыалз_

дюмтур»^<я белкж —| £

I— — — — — ~ ———

«Ц/ЯггН^-СЦ- |

<—----------1

/

— распад №гтяминсе

^ Энадаэтжчеекие

I---

-I |

фторвлияаирдоьи^

-Ч Л/АгИ^-Й I

I Ши/ I

! ' и.___________|

К<«ЯСТ30 ПЩИ

|С«эыха гоераал с{юбет*

еакеорнкх Сведете

X

Хотныа канц^нтаеш* ¿акт« дат, садов, храакала, &*тслино&, эиэялой! блатесо^р-ядмив, температуре, ^ивш«. геометрические хзрагормсряи», и др.

Орган адеотмчас«л

сеоясгм :

цвет,

ймд» Т®*С-туа*, гиотисеть, соетсдош товар* ~ мости м др.

Рис.6 Схеида модели процесса и модели качества зерна при его обработке.

Основные выводы и заключение.

В результате комплексного исследования процессов тэрмовлаж-ностнов обработки целого зерна пшеницы ПК облучением сделаны следующие основные выводы: " ^

- предложенная комплексная обработка, зашгочащаяся в предварительном увлажнении и последующем ПК нагреве зерна, существенно сокращает продолжительность операции кондиционирования в обвдя схеме технологии переработки зерна; .

- экспериментальные исследования кинетик пагровз, увлзяяепия, сушки зорна позволили рассчитать и обосновать параметры режима тормовлажностной обработки зерна;

- экспериментальные исследования кинетик физико - химических и биохимических реакция подтвердили значительное увеличение питательной ценности зерна вследствие увеличения горевэривземости белков и крахмала за счет образования легко "усвояемых продуктов: декстринов, денатурированного белка и др.;

' - разработанный на основе теории химической кинетаки и кинетики разупрочнения экспериментально - теоретический метод позволил подробно исследовать кинетику разупрочнения текстуры зерна и выявить, что разупрочнение происходит согласно псевдопроцзссам первого порядка;

- ча основе разработанного метода предложены и обосновзнм методики расчета характеристик текстурных свойств зерна: явной константы скорости разупрочнения, явной энергии активации и термсдг' намичоских функция зерна;

- на основе предложенного метода и экспериментальных исследований кинетик химических реакция установлена формальная связь химизма процесса разупрочнения зерна с его текстурой и доказана

. ' '

возможность формальной замены сложных химических анализов качества зерна физическими (механическими) измерениями его текстурных свойств;

- полученные на основа обобщения уравнения процессов обработки и качества продуктов об'единены в модели процессов и качества обрабатываемого зерна и позволят прогнозировать качество получаемого продукта.

Разработанные и представленные метода предлагаются для использования в ВУЗах, НИИ и производственных учреждениях, занимающихся вопросами обработки пищевого сырья и химическими исследованиями.

Условные обозначения еп - плотность падающего штока облучения, кВт/м2; г - температура нагрева зерна, °С; 1 - средняя температура нагрева зерна, °С; т■

- текущее время обработки, с; т - общая продолжительность процесса обработки, с; п - интегральное влагосодержание зерна, X; н -скорость изменения влагосодержания, х/о; с - концентрация, X; а234 - оптическая шютность при х=234 нм; Рразр - разрушающее

усилие, Н; Р - сила релаксации, Н; р - свойство, характеризующее Р (

разупрочнение, И; к - константа скорости разупрочнения, с"1: Ко -предзкспоненциальный множитель, с-1: Еа - энергия активации, кал/моль; т - абсолютная температура, К; й - универсальная газовая постоянная 11=1,98 кал/моль; а - угол наклона прямой 1пРр=£(тр) к оси абсцисс; Р - угол наклона прямой 1пК=£(1/т) к оси абсцисс;

- текущее время релаксации напряжения сжатия. О; дн-——-изменение энтальпии, кал/моль; ¿5 - изменение знтропии, кал/моль*К; л с -изменение свободаой энергии, кал/моль; н - концентрация микроорганизмов, %•, ло. А1, &2< во, в1< в2> Со, с1, оо, -

эмпирические коэффициенты.

Индексы

1 - порядковый'номер этапа процесса; у - увлажнение; с - сушка; ö - белок, к - крахмал, Е - энзимы, Ai - витамины, d - микроорга низмы, д - декстрины, о - начало процесса (г=о или тр=о); п порядок реакции.

Работы, опубликованные по диссертационной работе :

1. Азарскова A.B. Применение ультразвуковых методов в пищевой инженерии и технологии // Пищевая промышленность. -1992. -H7.-C.34.

2. .Азарскова A.B. Сенсоры в пищевой технологии. // Хранение и переработка сельхозсырья. -1994.-Ml.-с.28-28.

3. Тюрев Е.П., Зверев C.B., Азарскова A.B. Кондиционирование зер-.на с применением ИК излучения. Ц Научно - технические, достижения и передовой опыт в отрасли хлебопродуктов. -М.: ЦНИИТЭИ хлебопродуктов, ВЫП. в, 1993,-0.11-16.

4. Красников В.В., Азарскова A.B. Применение теории химической кинетики к разупрочнению зерна при егр термовлажностноа обработке. - Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук, НЭ, 1995.

б. Красников В.В., Азарскова A.B. Кинетика разупрочнения зерна пшеницы при термовлашостной обработке ИК облучением. // Тез. докл. Межд. конф. "Научно - технический прогресс в перерабатывающих отраслях АПК", Москва, 16-18 мая 1995.