Содержание к диссертации
Введение
Анализ состояния вопроса развития отраслей пищевой промышленности
1.1 Состояние и перспективы развития отраслей пищевой промышленности
1.2 Функциональные продукты и новые подходы к их созданию 15
1.3 Анализ и состояние рынка молочной продукции 19
1.4 Методы интенсификации процесса экстрагирования 22
1.5 Факторы, влияющие на процесс извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ -излучения
1.6 Выводы по главе и задачи исследований 3
Обоснование технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья при помощи СВЧ излучения
2.1 Планирование эксперимента и схема опыта по извлечению экстрактивных веществ из растительного сырья
2.2 Методы определения физико-химических показателей качества экстракта мяты
2.3 Разработка и обоснование технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья слрименением электротехнологий
2.4 Описание экспериментальной установки для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья и обоснование выбора параметров СВЧ - излучения
2.5 Разработка технологии кефирного продукта с экстрактом мяты 57
2.6 Выводы по главе 61
Теоретическое обоснование применения свч-энергии для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья на установках периодического действия
3.1 Разработка алгоритма продуктового расчета технологического процесса производства кефирного продукта с мятой
3.2 Расчёт и подбор технологического оборудования
3.3 Разработка математической модели процесса извлечения 73
экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ - энергии на установках периодического действия 3.4 Выводы по главе 86
Исследование влияния свч нагрева на физико- химические показатели экстракта мяты и готового продукта
4.1 Описание разрабатываемой универсальной ванны для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья
4.2 Производственные испытания разработанной технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья при помощи СВЧ — излучения
4.3 Физико-химическая оценка продукта, изготовленного с применением полученного экстракта
4.4 Органолептическая оценка продукта, изготовленного с применением полученного экстракта
4.5 Определение сроков годности продукта, изготовленного с 105 применением полученного экстракта
4.6 Выводы по главе 107
Технико-экономическое обоснование внедрения технологии для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья свч-энергией в производство
5.1 Характеристика существующих технологических линий 110
5.2 Расчёт экономической эффективности инвестиций в новую технику 5Т2ТГРасчёт капитальных затрат 111
5.2.2 Расчёт себестоимости продукции 112
5.2.3 Расчёт срока окупаемости капитальных затрат 120
5.2.4 Планирование объёма продаж и построение графика 122
безубыточности
5.3 Энергетический эффект от внедрения технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья
5.4 Выводы по главе 126
Заключение 127
Список литературы 129
Приложения 151
Приложение А «Социологический опрос» 151
Приложение Б «Отчет о патентных исследованиях»
Приложение В «Опытные данные определения коэффициента светопропускания»
- Анализ и состояние рынка молочной продукции
- Разработка и обоснование технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья слрименением электротехнологий
- Расчёт и подбор технологического оборудования
- Физико-химическая оценка продукта, изготовленного с применением полученного экстракта
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Перерабатывающая промышленность России является важнейшей жизнеобеспечивающей сферой, оказывающей значительное влияние на состояние экономики страны, уровень продовольственной безопасности и благосостояние народа.
В последние годы Правительство РФ предпринимает конструктивные меры, направленные на создание качественно новых предпосылок для дальнейшего устойчивого развития аграрной сферы экономики и увеличения объемов поставок сырья для отраслей пищевой промышленности.
Разработка технологий и оборудования для производства функциональных продуктов является важным и актуальным направлением научных исследований.
В рамках Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 года поставлена цель, заключающаяся в обеспечении гарантированного и устойчивого снабжения населения страны безопасным и качественным продовольствием.
Необходимо внедрить новые технологии в отрасли пищевой и перерабатывающей промышленности, в том числе био- и нанотехнологии, позволяющие значительно расширить выработку продуктов нового поколения с заданными качественными характеристиками, лечебно-профилактических, геронтологических и других специализированных продуктов.
СВЧ–обработка нашла широкое применение в производстве пищевых продуктов, в том числе для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья, ввиду своих преимуществ, положительно влияющих на качество изготовляемой продукции.
Исследования теории диффузионного экстрагирования впервые разработаны к середине семидесятых годов ХХ века и изложены в трудах Г. А. Аксельруда, В. М. Лысянского, Бабенко Ю. И., Иванов Е. В. и других авторов.
Таким образом, учитывая вышеизложенное, актуальным является исследование влияния параметров СВЧ–обработки на процесс извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья, что позволит выпускать продукты питания с заданными характеристиками и увеличить ассортимент продукции на рынке.
Целью настоящей работы является разработка технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ – излучения.
Задачи исследований:
обосновать технологические параметры извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья;
создать модель процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ-энергии и дать ее математическое описание;
провести экспериментальные исследования процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья на примере экстракта мяты;
определить экономическую и энергетическую эффективность применения технологии для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья.
Объект исследований: технологический процесс извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья при помощи сверхвысокочастотного излучения, применяемый на предприятиях перерабатывающей промышленности.
Предмет исследований: экспериментальные и аналитические зависимости, характеризующие влияние параметров СВЧ–излучения на показатели качества экстракта мяты и кефирного продукта, полученного на его основе.
Информационную базу исследования составляют материалы научных конференций, научно-техническая литература, публикации зарубежных и отечественных изданий, нормативные документы по теме исследования.
Научная новизна:
определены закономерности воздействия СВЧ на выход экстрактивных веществ;
экспериментально доказано целесообразность экстрагирования компонентов из растительного сырья при температурах ниже 40оС;
разработана математическая модель процесса извлечения экстрактивных веществ и растительного сырья с использованием СВЧ – энергии.
Теоретическая и практическая значимость работы:
экспериментальная лабораторная установка, обеспечивающая эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;
технология извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с применением СВЧ – излучения;
разработанная математическая модель позволяет рассчитывать промышленные технологии и оборудования для экстрагирования веществ из растительного сырья с использованием СВЧ-энергии;
разработана и испытана лабораторная установка периодического действия с СВЧ–энергоподводом, применяемая в учебном процессе, на основе которой может быть создана промышленная установка;
разработан технологический процесс изготовления кефирного продукта с мятой, с использованием полученного экстракта.
Методология и методы исследования.
Для определения температурного режима процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья использовался метод по ГОСТ 26754-85. Время экстрагирования контролировалась при помощи секундомера.
В ходе работы проводились опыты по определению коэффициента светопропускания приготовленного экстракта мяты на установке КФК-2МП. Физико-химические и органолептические показатели кефирного продукта с экстрактом мяты контролировались в соответствии с ГОСТ Р 52093-2003: отбор проб и подготовка их к анализу – ГОСТ 3622-68 (ГОСТ 26809-92); кислотность готового продукта определялась по ГОСТ 3624-92; жирность кефирного продукта определялась по ГОСТ 5867-90.
На защиту вынесены следующие положения:
результаты экспериментальных исследований, анализ которых позволяет обосновать технологические параметры процесса экстракции;
технология извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с применением СВЧ – излучения;
математическая модель процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ - энергии;
конструкция универсальной ванны для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья;
результаты экспериментальных исследований промышленной установки для извлечения экстрактивных веществ,
экономическая и энергетическая эффективность разработанной технологии.
Личный вклад автора. Модель, схемы, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ, представленные в диссертации, получены автором лично. Выбор приоритетных задач, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы выполнены при активном участии научного руководителя.
Макет универсальной ванны для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с применением СВЧ - излучения, используемый при экспериментальных исследованиях, разработан коллективом кафедры «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» (ФГБОУ ВПО Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, г. Ижевск, Удмуртская Республика) при активном участии автора.
Апробация работы и публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 статей, в том числе основные положения работы доложены и одобрены: на научно-практических конференциях: «Качество продукции, технологий и образования», Магнитогорск, 2010; «Региональный рынок потребительских товаров», Тюмень, 2009; «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания», Челябинск, 2010; «Инновационные технологии переработки продовольственного сырья», Дальрыбвтуз, 2011; «Инновационные технологии в сельскохозяйственном производстве, пищевой и перерабатывающей промышленности», Ижевск, 2012; на IV этапе Евразийского экономического форума молодежи , г.Ижевск, 2012; XXVI международной научно-практической конференции, г. Новосибирск, 2013.
Объем и структура диссертации
Работа изложена на 171 листах основного текста, в своем составе имеет: титульный лист, содержание, введение, 5 разделов, 37 рисунков, 16 таблиц, общие выводы, список использованной литературы – 208 источников и 11 приложений.
Анализ и состояние рынка молочной продукции
Объемы производства продукции пищевой промышленности из отечественного сырья, несмотря на его ежегодный прирост, по ряду позиций не позволяют в полной мере удовлетворить потребности населения. Внутренний рынок России все еще характеризуется высоким уровнем зависимости от импорта. За его счет формируется почти 40 % ресурсов на продовольственном рынке. Современное продовольственное положение России характеризуются снижением потребления основных видов продовольствия, когда основная часть населения из-за низкой покупательной способности не может обеспечить себя продуктами питания, необходимыми для поддержания активной и здоровой жизни. Ввиду этого, для поддержания ценовой политики в условиях конкуренции многие производители товаров прибегают к использованию искусственных пищевых добавок, являющихся более доступными. Новые пищевые технологии позволяют любому продукту придать нужные консистенцию, вкус, запах, обеспечить тот или иной срок хранения. Сегодня практически не осталось продуктов питания, где бы ни- спошьзоьалисхь_гітцевьіе_добавки [40] Международный комитет экспертов FAO (англ. Food and Agriculture Organization) проводит исследования по влиянию на здоровье человека комбинированного действия пищевых добавок. Взаимодействуя друг с другом, синтетические вещества могут оказывать негативное воздействие на организм человека [57].
В последние годы во всем мире, в том числе и Российской Федерации, получило широкое признание новое направление в пищевой промышленности -так называемое функциональное питание, под которым подразумевается использование таких продуктов естественного происхождения, которые при систематическом употреблении оказывают регулирующее воздействие на организм человека. Особая роль в организации питания принадлежит / функциональным продуктам на основе молочного и растительного сырья, являющихся поставщиками необходимых нутриентов [137].
В рамках Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 года поставлена цель, заключающаяся в обеспечении гарантированного и устойчивого снабжения населения страны безопасным и качественным продовольствием [143].
Необходимо внедрить новые технологии в отрасли пищевой и перерабатывающей промышленности, в том числе био- и нанотехнологии, позволяющие значительно расширить выработку продуктов нового поколения с заданными качественными характеристиками, лечебно-профилактических, геронтологических и других специализированных продуктов. Необходимо повысить глубину переработки, вовлечь в хозяйственный оборот вторичные ресурсы, что позволит увеличить выход готовой продукции с единицы перерабатываемого сырья [143].
Производство молочной продукции в стране осуществляют более 1500 организаций различной формы собственности, из них 500 крупных и средних [143]. Среднегодовая мощность молокоперерабатывающих организаций в 2010 году составляла [143]: по—производству- цельномолочной " продукции Ш483 тыс. тонн (использование мощности - 57 процентов); Несмотря на то, что молокоперерабатывающие организации работают в условиях ограниченных сырьевых ресурсов, в последние годы наметилась тенденция к увеличению производства цельномолочной продукции и сыров. Так, в 2010 году по сравнению с 2005 годом выработка цельномолочной продукции увеличилась на 11,8 процента (до 10,9 млн. тонн), сыров и сырных продуктов - на 14,9 процента (до 435 тыс. тонн). Вместе с тем производство такого ресурсоемкого продукта, как сливочное масло, снизилось на 4,9 процента (до 207 тыс. тонн) [143]. К основным проблемам, сдерживающим развитие молочной отрасли, относятся снижение объемов производства молочного сырья, сезонность производства, низкий удельный вес молочного сырья высшего сорта, недостаток холодильных установок на молочных фермах, а также физический и моральный износ основных фондов молокоперерабатывающих заводов, большая часть которых была построена в 70 - 80 годах прошлого века и не соответствует современным требованиям по энергоэффективности и экологии [143].
Исходя из вышеизложенного целями развития отрасли являются [143]: - повышение потребления населением молочной продукции; - сокращение импорта товарных ресурсов молока и молочных продуктов. Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи: - увеличение производства молочного сырья и повышение его качества с целью увеличения выработки высококачественной готовой продукции; уменьшение за счет использования современных технологий ресурсоемкости производства, снижение энергопотребления и обеспечение улучшения экологической обстановки в промышленных зонах организаций; - расширение ассортимента выпускаемой продукции за счет внедрения современных технологий, повышающих пищевую и биологическую ценность продуктовга-такжЄ"Применения паковочньтхзіатертіалов"нового поколения [I43JT Реализация Стратегии на среднесрочную перспективу (2013 - 2016 годы) предусматривает в Приволжском, Южном, Центральном, Северо-Западном и Сибирском федеральных округах строительство 19 новых заводов и реконструкцию 142 действующих заводов по переработке молока, производству сыров, сливочного масла, цельномолочной продукции и по переработке и сушке сыворотки [143].
Общий объем инвестиций составит 47493 млн. рублей, из них собственные средства предприятий - 14248 млн. рублей, заемные средства - 33245 млн. рублей [143]. Согласно распоряжения Правительства РФ от 25.10.2010 № 1873-р целями государственной политики в области здорового питания на период до 2020 года являются сохранение и укрепление здоровья населения, профилактика заболеваний, обусловленных неполноценным и несбалансированным питанием [144].
Основными задачами государственной политики в области здорового питания являются [144]: расширение отечественного производства основных видов продовольственного сырья, отвечающего современным требованиям качества и безопасности; - развитие производства пищевых продуктов, обогащенных незаменимыми компонентами, специализированных продуктов детского питания, продуктов функционального назначения, диетических (лечебных и профилактических) пищевых продуктов и биологически активных добавок к пище, в том числе для питания в организованных коллективах (трудовые, образовательные и др.); - разработка и внедрение в сельское хозяйство и пищевую промышленность инновационных технологий, включая био- и нанотехнологии; - мониторинг состояния питания населения [144].
Основными направлениями в этой сфере является разработка принципиалыю новых технологий и общзудованияТ Ъеспечивающих глубокую, комплексную, энерго- и ресурсосберегающую переработку сельскохозяйственного сырья на основе современных физико-химических и электрофизических способов (в том числе мембранные, экструзионно-гидролитические, гипербарические, кавитационные и биотехнологические способы) для создания экологически безопасного производства социально значимых пищевых и кормовых продуктов с различными функциональными свойствами [143].
Разработка и обоснование технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья слрименением электротехнологий
В соответствии со схемой проведения эксперимента предусматривалось изучение ряда показателей качества экстракта мяты и кефирного продукта с экстрактом мяты с помощью органолептических и физико-химических методов исследований.
Особенности методики проведения испытаний и контрольных образцов изложены в нормативных документах на методы определения качества [121].
Для определения оптимального температурного режима процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья использовался метод по ГОСТ 26754-85 «Молоко. Методы измерения температуры» [122].
Время экстрагирования контролировалась при помощи секундомера. В ходе работы проводились опыты по определению коэффициента светопропускания приготовленного экстракта мяты. Для этого в работе была использована установка КФК-2МП (колориметр фотоэлектрический концентрационный). Данный прибор предназначен для измерения в отдельных участках диапазона длинных волн 315-980 нм, выделяемых светофильтрами, коэффициентов пропускания и оптической плотности жидкостных растворов и прозрачных тел.
Колориметр позволяет проводить измерения коэффициентов пропускания рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете, а также активности растворов.
Для определения коэффициента светопропускания готовились опытные образцы экстрактов, содержащие 20 грамм сухой мяты на 400 мл воды. Измерения проводились поочередно с временными интервалами в 1,5, 10, 15, 20, 25 минут при различных температурах (Приложение В). Измерения проводились в кюветах рабочей длинной 30 мм. Длинна волны фотоприемника А.пм=590-980 нм. Светофильтр с длинной волны Хнм=590 нм.
Физико-химические и органолептические показатели кефирного продукта с экстрактом мяты, полученным при использовании СВЧ-излучения контролировались в соответствии с ГОСТ Р 52093-2003 «Кефир. Технические условия»: отбор проб и подготовка их к анализу - ГОСТ 3622-68 (ГОСТ 26809-92) «Молоко и молочные продукты. Отбор проб и подготовка их к анализу»; кислотность готового продукта определялась по ГОСТ 3624-92 «Молоко и молочные продукты. Титриметрические методы определения кислотности»; жирность кефирного продукта определялась по ГОСТ 5867-90 «Молоко и молочные продукты. Методы определения кислотности».
Органолептическая оценка кефирного продукта с экстрактом мяты проводилась в соответствии с ГОСТ Р 52093-2003.
Разработка и обоснование технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с применением электротехнологий Разработка технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья осуществлялась с учетом поставленных требований: - минимальное время проведения процесса; - полученный продукт должен быть безопасен в пищевом отношении по микробиологическим и физико-химическим показателям; - разработанная технология должна быть доступной для предприятий пищевой промышленности и легко внедряемой уже в существующие технологические линии производства продуктов питания. В результате поставленных требований на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» ФГБОУ ВПО «Ижевской государственной сельскохозяйственной академии» предложена технология извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с дальнейшим применением на пищевых предприятиях (рисунок 2.2) и разработана документация: технологическая инструкция представлена в Приложении К, Технические условия представлены в Приложении Л.
В лабораторных условиях процесс проводили при разных условиях. В первом случае проводили экстракцию сухой мяты без применения электротехнологий при различных начальных температурах воды, предназначенной для извлечения экстрактивных веществ (рисунок 2.3). Рисунок 2.3 - Извлечение экстрактивных веществ без применения электротехнологий (а - температура воды 90 С; б - температура воды 20 С) В результате проведенных исследований выявили зависимость продолжительности экстракции от температуры (рисунок 2.4). м контрольный 20 градусов контрольный 40 градусов контрольный 60 градусов контрольный 80 градусов контрольный 98 градусов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
График зависимости коэффициента светопропускания от продолжительности экстракции при различных температурах График зависимости показывает, чем выше температура и продолжительность экстракции, тем ниже коэффициент светопропускания экстракта, следовательно, больше экстрактивных веществ переходит в экстракт.
Во втором случае экстракцию сухой мяты проводили с применением ультразвукового излучения (УЗИ) при различных начальных температурах воды, предназначенной для извлечения экстрактивных веществ (рисунок 2.5).
На скорость процесса экстрагирования биологически активных веществ из растительного сырья с помощью ультразвука оказывают влияние факторы, зависящие как от физико-механического состояния сырья и природы растворителя, так и от параметров озвучивания. Эффективность процесса экстракции во многом зависит от морфолого-анатомического строения сырья, а в связи с этим и его дисперсности. При озвучивании время экстрагирования сокращается.
Расчёт и подбор технологического оборудования
Расчёт и подбор технологического оборудования проводят для того, чтобы определить количество необходимых единиц техники, позволяющей непрерывно и бесперебойно проводить производственный процесс.
Согласно технологии производства кефирного продукта с экстрактом мяты, представленной во 2 главе, разработана линия по производству кефирного продукта с мятой, представленная на рисунке 3.2.
Молоко, поступающее на молокозавод в автомоцистерне 1, взвешивается на рычажных весах 2, переливается через тканевый фильтр в приемную ванну 3 и насосом перекачивается в емкость для временного резервирования 5 через пластинчатый охладитель, в котором охлаждается до температуры 2...4 С.
Далее центробежным насосом 6 молоко перекачивается в уравнительный бак 7 (обеспечение равномерного потока молока) через который оно попадает насосом в пластинчатую пастеризационно-охладительную установку 8, в которой подогревается до температуры 40... 45 С и направляется в сепаратор-нормализатор 9. Сепаратор предназначен для нормализации молока до необходимой жирности, согласно технологическому процессу производства кефирного продукта.
Далее молоко возвращается в пластинчатую пастеризационно-охладительную установку, где подогревается до температуры 60...65 С и направляется в гомогенизатор 10. Гомогенизатор предназначен для придания однородной гомогенной структуры молоко, в целях предупреждения агломерации жировых шариков на поверхности молока. Далее гомогенизированное молоко обратно возвращается в пластинчатую пастеризационно-охладительную установку, где молоко пастеризуется при температуре 90...92 С в секции пастеризации установки и охлаждается до температуры заквашивания 28.. .32 С в секции водяного охлаждения. После данной операции молоко направляется в емкость для сквашивания смеси 11.
В емкость для сквашивания смеси подается экстракт мяты по трубопроводу 12. Количество экстракта, необходимого для технологической операции измеряется объемным счетчиком 14.
Экстракт мяты приготавливается в универсальной ванне 13. Ванна представляет собой резервуар с мешалкой, с наружной стороны внутреннего корпуса которой установлен СВЧ-излучатель. Излучатель предназначен для интенсификации процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья на производстве.
Примерные характеристики технологического оборудования, применяемого для производства кефирного продукта с мятой, представлены в таблице 3.1 согласно рисунку 3.2 [20]. Определяем ориентировочную производительность оборудования: М0= -; (3.11) где М0 - ориентировочная производительность оборудования, кг/ч; тм - масса поступившего на предприятие молока, кг; т„р — время приёмки, час. Таблица 3.1 - Оборудование производственного процесса Названиетехнологическойоперации Наименование оборудования Марка Производительность Количество Взвешивание весы СМИ-500 5000 кг/ч 1 Перекачивание насос П8-ОНВ-4 6000 л/ч 3 Резервирование приемная ванна ОРМ-1 1,0 м3 Охлаждение пластинчатый охладитель ООЛ-5 5000 л/ч Резервированиемолока ёмкость РМ-Б-6,3 6300 л 2 Сепарирование сепаратор-сливкоотделитель ОС2-ТЗ 5000 л/ч Подогрев, пастеризация, охлаждение молока пластинчатая пастеризациошю-охладительная установка ОКЛ-5 5000 л/ч Гомогенизация гомогенизатор ОГЛ-5 5000 л/ч Охлаждение сливок охладитель РО-0,63 0,63 м3 Резервирование сливок резервуар Я1-ОСВ-2 1,0 м3 Резервирование нормализованног о молока ёмкость РМ-Б-6,3 6300 л Приготовление закваски заквасочник ВДП-300 300 л Приготовление экстракта универсальная ванна УВЭ-0,143 0,143 м3 Фасовка фасовочный автомат АО-111 25 уп/мин. 3 Определяем производительность весов: Т (3.12) где m — грузоподъёмность весов, кг; г - время одного цикла, мин (3-6 мин). Определяем время, необходимое для приёмки необходимого количества молока: Г = -; (3.13) Определяем количество весов, необходимое для приёмки молока на завод за один час: Кв=—; (3.14) Подбираем производительность насосов, необходимых для приемки молока: = бо 1Д5. (ЗЛ5) где тм - масса поступившего на предприятие молока, кг; тпр - время приёмки молока, мин; р - коэффициент перевода из кг в литр; 1,25 — коэффициент, учитывающий неравномерную работу насоса. По производительности весов подбираем приёмную ванну. Охладители для охлаждения и доохлаждения молока подбираются в соответствии с производительностью приёмных насосов. Ёмкости для резервирования молока подбираем в соответствии с рекомендациями по приёмке молока по сортам. Сепаратор-сливкоотделитель для молока подбираем по производительности: NJ± ; (3.16) Р т " сен где тм — масса поступившего на предприятие молока, кг; гсеп - время сепарирования молока, мин; р — коэффициент перевода из кг в литр; Для подогрева, пастеризации и охлаждения молока проектируется пластинчатая пастеризационно-охладительная установка, производительность которой рассчитывается по формуле:
Ёмкость для резервирования сливок по суточному количеству сырья. Ёмкость для резервирования нормализованного молока подбирается по суточному количеству выпускаемого продукта. По суточному количеству закваски подбираем заквасочник. Установку для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья подбираем по суточному количеству приготовляемого экстракта. Учитывается масса воды, сахара и масса сухой мяты. Для фасовки кефирного продукта с мятой требуется установить автоматы марки АО-111 производительностью 25 уп/мин. Производительность автомата определяем кг/ч по формуле: Кат=Л-Мдоэы-60; (3.20) где П -производительность автомата, уп/мин; Мдазы -масса дозы упаковки, кг.
Таким образом, по данному алгоритму расчета технологического оборудования можно подобрать технологическую линию для производства любого кисломолочного продукта.
Разработка математической модели процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ — энергии на установках периодического действия
Для получения раствора мяты в воде можно использовать метод заваривания и настаивания. Заваривание предполагает обработку сухой мяты в горячей воде. При этом вода и ее пар попадает глубоко в поры мяты. За счет высокой кинетической энергии молекулы воды глубоко диффундируют во внутренние структуры листьев мяты, унося за собой экстрактивные вещества. Процесс носит интенсивный характер, особенно если его ускорить за счет принудительной циркуляции жидкости в мешалках. Наряду с этим можно отметить и существенные недостатки, присущие данному методу: 1. Высокая энергоемкость процесса, т.к. вода обладает значительной теплоемкостью; 2. Горячая вода вызывает разрушение многих микро- и макроэлементов, витаминов, переход веществ в необратимые структуры (коагуляция белков); 3. Высокие требования к теплозащите оборудования.
Метод настаивания предполагает использование холодной воды (комнатной температуры), в которую помещают сухую мяту. Затем происходят те же процессы, описанные выше, но скорость диффузии и извлечения экстрактивных веществ падает в десятки раз. Микро- и макроэлементы, витамины и белковые вещества в ходе настаивания не разрушаются, однако продолжительность процесса может достигать 1...3 недель. В условиях производства такая задержка недопустима. При этом велика вероятность обсеменения раствора микроорганизмами.
Была поставлена задача, объединить достоинства двух этих методов и по возможности избавиться от присущих им недостатков. То есть нужно интенсифицировать процесс настаивания. Одним из путей решения поставленной задачи является использование СВЧ-излучения. СВЧ-энергия широко используется в промышленности; на предприятиях пищевой и перерабатывающей промышленности, и предприятиях общественного питания в качестве источника тепла (теплообменные процессы). Однако СВЧ - энергия интенсифицирует и теплообменные процессы, например, в сушильных установках деревоперерабатывающей промышленности.
Физико-химическая оценка продукта, изготовленного с применением полученного экстракта
Расчеты проводились с учетом выработки 1000 кг готового продукта. Для производства заданного количества кефирного продукта с мятой необходимо учитывать следующие данные: количество кефирной закваски рассчитывается в количестве 5% от массы нормализованного молока; количество экстракта мяты -5% от массы нормализованного молока; количество сухой мяты - 5% от массы экстракта; количество сахара-песка - 6,8% от массы нормализованного молока.
Выбор СВЧ - излучателя осуществлялся в соответствии с математической моделью, представленной в третьей главе.
Исходя из расчетов, была изготовлена универсальная ванна для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья объемом 150 дм . СВЧ -излучатель установили с постоянной частотой электромагнитного поля 2,45±0,05 ГГц и удельной мощностью 124 Вт.
Обработку сухой мяты в воде проводили при температуре 20...40 С с выдержкой 15 мин, в соответствии с разработанной технологией указанной во второй и третьей главах.
В ходе испытаний контролировались следующие показатели: температура экстракта (метод по ГОСТ 26754-85); выход экстрактивных веществ (метод измерения при помощи колориметра фотоэлектрического концентрационного КФК-2МП). Температура экстракта входила в диапазон 20.. .40 С На рисунке 4.5 изображен график зависимости концентрации экстрактивных веществ от продолжительности воздействия СВЧ — излучением. y= l,42611n(x) + 0,3854 I -Концентрация экстракта мяты (опытная) - Концентрация экстракта мяты (теоретическая) 5 10 15 20 25 30 Продолжительность СВЧ - излучения, мин График зависимости концентрации экстрактивных веществ от продолжительности воздействия СВЧ - излучением
Из графика видно, что теоретические исследования подтвердились. Таким образом, теоретические данные совпадают с опытными, что подтверждает правильность математической модели и правильность выбранных оптимальных параметров при лабораторных испытаниях.
4.3 Физико-химическая оценка продукта, изготовленного с применением полученного экстракта
Были изготовлены опытные образцы экстракта мяты, которые анализировались по физико-химическим показателям. За контрольный образец был взят экстракт мяты, полученный без применения СВЧ - излучения. Концентрация опытных образцов составляла 2,5 г/л. Кроме того были исследованы дополнительные образцы экстракта мяты с сахаром в количестве 6,8% от массы нормализованного молока при той же концентраций сухих веществ в экстракте (рисунок 4.5). Массовая доля сухих веществ в экстракте мяты определялась с помощью прибора фотоколориметра КФК-2 [80].
По результатам опытов был проведен однофакторный дисперсионный анализ в программе Microsoft Office Excel 2007, результаты приведены в приложении И. Адекватность результатов экспериментов проверяли с помощью критерия Фишера [63, 81]. F FKpHTmecKOe.T.e. 4816,972 4,066 где F - расчетный критерий Фишера; FKpHTH4eCKoe - теоретический критерий Фишера, соответствующий 5% - ному уровню значимости и степеням свободы df = 8.
Из данного неравенства видно, что анализируемые показатели оказывают существенное влияние на изменение концентрации. При df = 8 критерий Стьюдента t05 = 2,31 [58]. На основании результатов анализа составлена таблица 4.2.
Концентрация сухих веществ в зависимости от СВЧ - излучения и внесения сахара в экстракте мяты Опытный образец Средняя концентрация, г/л Отклонения Экстракт мяты (контроль) 1,47 - 100 Экстракт мяты с сахаром 8,33 6,87 468,18 Экстракт мяты полученный при СВЧ - излучении без сахара 2,6 1,13 77,27 Экстракт мяты полученный при СВЧ - излучении с сахаром 9,43 7,97 543,18 НСРоз 0,189 12,86 где HCPos - наименьшая существенная разность.
Вывод: Концентрация сухих веществ в контроле (экстракт мяты, полученный без применения СВЧ - излучения и без внесения сахара) составила 1,47 г/л. При добавлении сахара в сравнении с контролем концентрация существенно возросла с 1,47 до 8,33 г/л при НСР05 0,189 г/л.
При воздействии на экстракт мяты СВЧ - излучения концентрация сухих веществ достоверно возрастает на 77,27% при HCPos 12,86%. При воздействии на экстракт мяты СВЧ — излучения и добавлении сахара концентрация сухих веществ существенно возрастает по отношению к контролю в 5,4 раза при НСР05 12,86%.
Таким образом, по результатам исследования оптимальным параметром является получение экстракта мяты с сахаром при воздействии СВЧ - излучения. Результаты опыта адекватны с вероятностью 95%.
Во время процесса экстракции контролировалась температура воды (экстрагента) в ванне через 1, 5, 10, 15, 20 и 25 мин (рисунок 4.6). Проведение данных исследований необходимо в целях предупреждения повышения температуры во время извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья. Температура не должна повышаться выше 40 С, так как экстракт в дальнейшем направляется на стадию заквашивания для производства кефира с мятой. Для заквашивания используются мезофильные микроорганизмы, температура выше 40 С является губительной для их жизнедеятельности и как следствие данный фактор может повлиять на качество готовой продукции.
График изменения температуры от времени воздействия СВЧ-излучения показывает, что температура нарастает, но остается в пределах нормы. Тем самым нарушения технологического процесса производства кефира с экстрактом мяты не будет.
С экстрактом мяты, полученным с применение СВЧ - излучения и без него изготовлены образцы кефирного продукта, которые также подвергались анализу по физико-химическим и органолептическим показателям (таблица 4.3). За контрольный образец был взят кефир жирностью 2,5 %.
Физико-химический показатель Кефир2,5%-нойжирностью Кефирный продукт с экстрактом мяты Кефирный продукт сэкстрактом мяты,полученный с применениемСВЧ - излучения
Из таблицы 4.3 видно, что кислотность готового продукта от внесенных добавок остается в пределах нормы (от 80 до 120 градусов Тернера) для кефира 2,5% жирности. Данный показатель влияет на органолептические показатели готового продукта. Таким образом, добавление добавок снижает характерный кислый вкус продукта, который, за частую, не устраивает потребителей.
Динамическая вязкость в продукте при добавлении экстракта мяты относительно контрольного образца изменяется в меньшую сторону. Таким образом, консистенция стает более жидкой, но это не оказывает влияние на вкусовые характеристики продукта.
Жирность готового продукта по сравнению с контрольным не изменяется, так как, молочную смесь для производства кефирного продукта с экстрактом мяты нормализовали до более высокой жирности с учетом внесения дополнительных компонентов [3 глава].
Микробиологическому анализу подвергались образцы экстракта мяты, полученные с применением СВЧ-излучения и без него (рисунок 4.7), а также кефирный продукт с экстрактом мяты, полученным с применением СВЧ-излучения и без него (рисунок 4.8)
