Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 - Обзор литературы 8
1.1 Теоретические аспекты процесса посола 8
1.2 Анализ способов интенсификации посола 13
1.3 Обоснование выбранного направления и задачи исследований 48
Глава 2 - Организация проведения экспериментов и методы исследований 52
2.1 Организация работы и схема проведения исследований 52
2.2 Методы и объекты исследований 57
2.3 Математическое планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных 59
Глава 3 - Моделирование процесса тумблирования мясного сырья при его посоле и его практическая реализация 61
3.1 Теоретические аспекты определения параметров механических воздействий при тумблировании мяса 64
3.2 Моделирование процесса движения куска в полочных барабанах 66
3.3 Обоснование режимов обработки и'конструктивных особенностей тумблеров 85
3.4 Рекомендации к использованию материалов при конструировании оборудования для посола мяса тумблированием 134
3.5 Математическая модель распределения давления в мышечной ткани после инъецирования в процессе механической обработки 137
3.5.1 Анализ влияния различных факторов на процесс распределения давления в начальной зоне накопления рассола 146
3.5.2 Процесс распределения давления рассола при циклической механической обработке мясного сырья 154
3.5.3 Реализация результатов исследований по изучению характера распределения давления в НЗН для практического использования 155
Глава 4 - Исследование влияния процесса тумблирования на качественные показатели соленых мясных изделий 157
4.1 Исследование влияния процесса тумблирования на качественные показатели куриного филе при производстве копчено-вареных рулетов 157
4.2 Изучение физико-химических и структурно-механических показателей мышечной ткани говядины на различных этапах механической обработки 163
4.3 Исследование влияния тумблирования в среде активированных жидких систем на качественные показатели вареных цельномышечных соленых мясных изделий 174
Глава 5 - Разработка частных технологии производства соленых мясных изделий на основе тумблирования в среде активированных жидких систем, их аппаратурное обеспечение и технико-экономическая оценка 184
5.1 Технология производства соленых мясных изделий из говядины с использованием тумблирования в среде активированных жидких систем 184
5.2 Изучение качественных характеристик соленых мясных изделий из говядины 196
5.3 Технико-экономическая оценка производства соленых формованных изделий из говядины 199
Выводы 204
Литература 206
Приложения 216
- Обоснование выбранного направления и задачи исследований
- Моделирование процесса движения куска в полочных барабанах
- Рекомендации к использованию материалов при конструировании оборудования для посола мяса тумблированием
- Изучение физико-химических и структурно-механических показателей мышечной ткани говядины на различных этапах механической обработки
Обоснование выбранного направления и задачи исследований
Анализ материалов, изученных при поиске научно-технической и патентной информации, результатов исследований отечественных и зарубежных авторов, реального состояния современной мясной промышленности, а так же рынка оборудования для посола мяса указывает на существование назревших проблем в области усовершенствования и оптимизации процессов, происходящих при посоле мясного сырья на различных его этапах.
Отмечается тенденция к совмещению различных способов посола в единый технологический цикл. Такой подход позволяет в значительной степени интенсифицировать процесс, способствует развитию и внедрению в производство новых, ресурсосберегающих и рентабельных технологий.
Наибольшее распространение среди известных способов интенсификации процесса посола получили технологии, в которых, для существенного улучшения качественных показателей готовых изделий, применяется тумб-лирование предварительно проинъецированного сырья.
Конструкции установок для тумблирования мяса весьма разнообразны. Однако влияние отдельных конструктивных элементов тумблеров на технологические показатели готовой продукции исследованы не достаточно. Современные фирмы-изготовители тумблеров отдают предпочтение установкам невысокой производительности, в конструкциях которых предусмотрена возможность реверсивного вращения емкостей, а так же регулирования кинематических параметров работы установок, ориентируя их на мясоперерабатывающие цеха средней и малой мощности [55-58, 73, 74, 76-79].
Рекомендуемые авторами многочисленных исследований режимы механической обработки зачастую не учитывают геометрические и конструкционные особенности установок для тумблирования мяса, хотя повсеместно отмечают их влияние на эффективность протекающего в них процесса, и, как следствие, качество механической обработки и выход готовых мясопродуктов [9, 32, 39, 49, 72].
Применение классических методов посола не обеспечивает получение продукции надлежащего качества, высокого выхода из мясного сырья с пороками DFD и PSE, а так же законсервированного глубоким замораживанием.
Современное состояние мясоперерабатывающей промышленности определяет новые направления развития уже устоявшихся, испытанных производственной практикой способов посола мяса, таких как шприцевание, инъецирование, тумблирование, массирование, электро- и вибробработка, обра ботка ультразвуком и т.д.
Среди таких, наиболее перспективных приемов является применение рассолов, в состав которых входят растительные и животные белковые препараты или их смеси. В настоящее время в колбасно-кулинарном производстве широко используются различные модификации изолятов, текстуратов соевых белков. Однако высокая стоимость таких препаратов импортного изготовления и невысокое качество соевых препаратов отечественного производства способствовали изучению возможности применения вторичных белоксодержащих ресурсов мясной и молочной промышленности. Так в настоящее время все большее распространение в мясной промышленности среди белковых добавок получают молочно-белковые препараты, созданные из обезжиренного молока и молочной сыворотки.
Другим, менее изученным, способом, который позволяет значительно интенсифицировать процесс посола, а так же эффективно организовать технологическую реализацию мясного сырья с признаками DFD и PSE, является использование в мясной промышленности жидких систем на основе электо-рактивированной воды. Применение многокомпонентных белоксодержащих рассолов, созданных на основе электроактивированной воды позволяет влиять на комплекс сложных физико-химических, биохимических и микробиологических процессов, происходящих в мясе при его посоле. Технологическая целесообразность и экономическая эффективность использования указанного способа в комплексе с существующими способами интенсификации посола научно обоснована и экспериментально подтверждена результатами исследований ряда ведущих отечественных ученых [21, 102, 105, 122].
Моделирование процесса движения куска в полочных барабанах
Анализ, обобщение и систематизация имеющихся к настоящему времени данных в научной и технической литературе по разработкам в области исследований процесса посола мясного сырья с применением барабанов-тумблеров показали, что общепризнанность преимуществ применения тумблеров покоится, прежде всего, на объемном экспериментальном материале.
Нами предпринята попытка теоретического исследования основных закономерностей процесса механической обработки мяса в тумблерах, обоснования физической модели, ее математического описания и моделирование процесса с помощью ЭВМ.
Механическое воздействие - это способ приложения внешних сил к твердому телу или к жидкости. В мясной промышленности при изготовлении мясопродуктов с помощью механических воздействий изменяют размер и форму мясного сырья, его структурно-механические и физико-химические свойства, органолептические показатели. Конечно, величина, характер, интенсивность, длительность - результаты действия внешних сил при механическом воздействии - различны в разных типовых механических процессах. Общее у них то, что протекание таких процессов сопряжено с изменением внутренних напряжений сырья биологического происхождения таких как, напряжение сдвига, изгиба, кручения и т.п.
Величина возникающих внутренних напряжений в значительной степени влияет на качество мясопродуктов, т.к. при этом может выделяться мясной сок или наоборот, происходит поглощение жидкости. Таким образом, регулирование возникающих при механических воздействиях внутренних напряжений в мясном сырье или накладывание на них ограничений, в значительной степени ведет к возможности оптимизации качественных показателей мясопродуктов. Интенсивность механических воздействий определяется величиной воздействия и законом их приложения. Теоретически, оптимальные значения интенсивности воздействий можно найти накладыванием граничных условий исходя из не ухудшения начального качества сырья. В процессе посола мяса в тумблерах такими граничными условиями являются:
где а - наибольшее напряжение, возникающее в куске мяса при соударении с корпусом барабана, Па; [erf ]" минимально допустимые напряжения сжатия мясной ткани, Па; [апр] - предел прочности мясной ткани при растяжении, Па; Е - затраты энергии на процесс, Дж; т - продолжительность релаксации упругих свойств мяса при приложении к нему внешних сил, с; Z - частота приложения силы к куску мяса , ударов/с; тц - длительность 1-го оборота барабана, при котором начинается центробежный режим, с [12].
Фильтрационный процесс перераспределения соли в мясе (эффект губки) возможен только в случае, когда возникающие напряжения больше ми нимального напряжения сжатия мяса, т.е. а ничивает возможность чрезмерного разрушения структуры мышечной ткани.
Естественно, что с точки зрения экономичности, предпочтителен процесс с минимальными затратами энергии, что определяется условием (3.2).
Частота приложения внешних сил должна находиться в интервале между величиной, обратной времени релаксации (с целью обеспечения частичного или полного восстановления упругих свойств мяса), и величиной обратной длительности одного оборота барабана, при котором возникновение центробежного режима неизбежно (в этом случае процесс тумблирования прекращается).
В связи с указанными граничными условиями при описании процесса движения куска мяса во вращающемся барабане, с целью моделирования процесса тумблирования и его анализа, принимаем следующие допущения: 1. В качестве механической модели мышечной ткани принимаем модель Фойгта-Кельвина, как наиболее часто используемую для изучения структурно-механических и реологических характеристик мяса [6, 27, 29, 30]. 2. Движение отдельного куска совершается в плоскости. 3. Движение состоит из двух этапов: движение по окружности радиусом, равным внутреннему радиусу барабана и, затем, полет по параболе вследствие сообщения частице кинетической энергии; 4. Соударение куска осуществляется непосредственно с обечайкой барабана. 5. При соударении с обечайкой вся кинетическая энергия куска переходит в энергию его деформации. 6. Основными параметрами, характеризующими интенсивность механических воздействий, являются величина внутренних напряжений, возникающих в куске мяса при его соударении с поверхностью барабана, а так же частота и характер приложения внешних воздействий (Z, уд/мин). Величина воздействия определяется геометрическими характеристиками барабана тумблера (внутренний радиус - R, м; наличие полок-побудителей и их геометрические особенности) и числа оборотов емкости (п, об/мин), размерами куска или его массой.
Рекомендации к использованию материалов при конструировании оборудования для посола мяса тумблированием
Визуально установлено и теоретически обосновано (раздел 3.3), что с течением тумблирования, образовавшийся экссудат способствует «залипанню» кусков загрузки у основания полок. Образовавшиеся «застойные» зоны сырья являются причиной ухудшения качества готового продукта вследствие неравномерной механической обработки, и, как следствие, неравномерного распределения посолочных веществ в мясе и формирования окраски.
Проведенный анализ литературы [36, 37] и результаты собственных исследований (раздел 3.3) позволили нам выделить две группы материалов, имеющих наибольший КТ (алюминий, полистирол, оргстекло, жесть лакированная) и материалы с наименьшим коэффициентом трения (сталь коррозионно-стойкая листовая и орифленная, фторопласт).
Анализ современных конструкций оборудования для посола мяса [1,9, 13, 26, 45, 46, 55-58, 75-79, 124, 126] показал, что при производстве барабанов и полок-побудителей используется прокат коррозионно-стойкой стали.
Применение комбинирования различных материалов в конструкции тумблеров позволит регулировать режим движения загрузки, избежать возникновения застойных зон продукта у основания полок.
Полученные результаты проведенных нами исследований позволяют рекомендовать следующие варианты использования различных материалов для проектирования и конструирования оборудования для посола мяса тумб-лированием:
1. Комбинирование различных материалов из двух групп с наибольшим и наименьшим коэффициентом трения при конструировании полок-побудителей. Это позволяет наиболее эффективно использовать процесс тумблирования на всех этапах механической обработки и повысить качество процесса посола мяса. Рекомендуется, чтобы в первые три часа работы тумблера в непосредственном контакте с продуктом находился материал с высоким коэффициентом трения, а последующее время, материал с низким коэффициентом. Примером может стать обыкновенная радиальная полка из коррозионно-стойкой стали с накладками из фторопласта на оборотной стороне при реверсивном движения барабана (рисунок 3.43 а). В первые 2,5-3,0 часа тумблирования вращение барабана 1 необходимо проводить в сторону, обеспечивающую контакт продукта со стороной полки из стального проката 2, а в последующие часы, при реверсивном вращении, - со стороной с накладками из фторопласта 3 (рисунок 3.43 а).
2. Другим вариантом, может стать использование, вместо дорогостоящего фторопласта, коррозионно-стойкой стали с рифлями продольного направления (поз. 3, рисунок 3.43 б). Использование рифлей на поверхности полок позволяет уменьшить площадь контакта мяса с поверхностью трения, тем самым уменьшить возникающие силы трения и адгезии. Высота рифлей должна быть достаточной, для того, чтобы избежать контакта продукта с материалом или значительно уменьшить силу его давления на участках впадин, т.е. должно быть больше больше чем, величина возникающих деформаций мяса при соударении с обечайкой (h 0,003 м) [28]. Исходя из этого, предлагаемые нами геометрические параметры рифлей составляют: высота h=0,005 м, отношение шага к высоте t/h=l,5-2, отношение длины рифля к шагу l/t=0,5 (рисунок 3.43 г).
3. Применение комбинации из полок различной формы и материалов при одностороннем вращении барабана так же позволяет избегать возникновения указанного нежелательного эффекта. Примером может служить комбинация радиально расположенных полок с поверхностью из материала с низким коэффициентом трения (сталь с рифлями, фторопласт) и наклонных полок с опережающим скатыванием продукта (поз. 3 рисунок 3.43 в) из сортового проката коррозионно-стойкой стали.
Приоритетность в выборе того или иного материала указанных групп зависит от материальных и финансовых возможностей изготовителя и пла нируемой себестоимости установки. Однако из группы материалов с небольшим коэффициентом трения наиболее предпочтительным материалом является сталь коррозионно-стойкая с продольными рифлями, т.к. фрикционные свойства мяса при взаимодействии с указанным материалом изменяются незначительно, не образуя резких скачков значений при разном количестве рассола, добавляемого в тумблер.
Результаты исследований, приведенных в настоящей главе диссертационной работы, используются в учебном процессе Северо-Кавказского государственного технического университета при изучении студентами специальностей 170600 и 270900 дисциплины «Технологическое оборудование отрасли», а так же дисциплин специализации (Приложение Н).
Изучение физико-химических и структурно-механических показателей мышечной ткани говядины на различных этапах механической обработки
Анализ литературных данных [9, 13, 14, 21, 32, 96, 97], а так же предварительные собственные экспериментальные исследования, проведенные в рамках данной диссертационной работы, позволили установить, что количество рассола в барабане тумблера, а так же длительность механической обработки тумблированием, позволяют влиять на физико-химические и структурно-механические показателей мясопродуктов при использовании одного и того же оборудования [14, 32].
Целью настоящего этапа экспериментальных исследований являлось определение степени изменения структурно-механических и физико-химических параметров мясного сырья на различных этапах механической обработки (т, с) при различном количестве заливочного рассола на основе щелочной фракции активированной воды, добавляемого в барабан тумблера (Vr, % к массе сырья).
В предыдущем разделе диссертационной работы, нами установлен характер влияния тумблирования на посол мясного сырья с невысоким содержанием соединительной ткани (мясо птицы). В настоящее время наблюдается тенденция вовлечения в процесс производства цельномышечных и реструктурированных мясопродуктов более жесткого сырья - в первую очередь говядины, баранины и конины [9, 13, 18, 82, 83, 88]. В этой связи представляет интерес использование тумблирования в качестве способа интенсифика ции посола такого сырья, а так же изучение влияния количества ЭХА-рассола в тумблере и продолжительности процесса обработки на качественные показатели посоленого полуфабриката.
Экспериментальные исследования проводили согласно матрице двух-факторного эксперимента по плану ПФ2 , описание которой приведено в разделе 3.2 диссертационной работы (таблица 3.7, 3.8). В качестве объектов исследований использованы образцы длиннейшей мышцы спины говядины (long, dorsi, содержание соединительной ткани - 6±0,8 % [133]), прошедшие стадию созревания 48 ч. В ходе эксперимента определялись следующие показатели: приращение массы образцов (Am, кг); глубина проникновения игольного индентора в поперечном и продольном направлении волокон мяса (h, м); водосвязывающая способность (ВСС, %); пластичность (П, м ); содержание соли в образцах (s, %).
Рассол приготавливали на основе щелочной фракции электроактивированной воды (католита) - РЩВ с показателем рН=11,3, плотность рассола -1100 кг/м3. Тумблирование проводили на экспериментальной установке, разработанной на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» (Сев-КавГТУ). Конструкция и принцип действия электорактиватора и экспериментальной установки для тумблирования мяса рассмотрены в разделе 2.1 диссертационной работы.
Моделирование процесса движения загрузки в барабане тумблера (раздел 3.2 настоящей работы), и разработанная на его основе блок-схема алгоритма расчета (рисунок 3.5), позволили нам установить диапазон рациональных чисел оборотов барабана экспериментальной установки для кусков сырья массой 0,05±0,01 кг (рисунок 4.5). Как следует из анализа рисунка 4.5, режим нормального тумблирования для исследуемого нами сырья обеспечивается при высоких числах оборотов установки - 55-60 об/мин (для кусков с массой 0,05 кг). Для обеспечения эффективного процесса тумблирования, в процессе экспериментальных исследований, нами принималось число оборотов емкости - 57 об/мин.
Диапазон изменения продолжительности тумблирования определялся с учетом литературных данных. Исследователями отмечается, что непрерывная механическая обработка свыше 180 мин в присутствии рассола на основе питьевой воды, сопровождается значительными потерями массы сырья [80]. Анализ литературы позволил установить, что продолжительность непрерыв-ной механической обработки должна составлять не менее (1,8-2,4)-10 с (30-40 мин) при тумблировании в несколько этапов. Это обеспечивает удовлетворительные качественные характеристики продукта [9, 13, 72, 82, 93]. На основании изложенного принимаем диапазон изменения продолжительности тумблирования от 2,4-10 с до 10,8-10 с (40-180 мин).
Количество заливочного рассола в тумблер выбирали, согласно рекомендациям других исследователей (таблица 1.1 и таблица 1.4) [9, 13, 72, 80]. Для проведения собственных исследований установлен диапазон от 10 до 30 % к массе несоленого сырья.
Опыты проводили в трех повторностях. Предел варьирования исследуемых факторов представлены в таблице 3.7.
Математическая обработка экспериментальных данных с помощью программ MS Excell 2000, Fisher, позволила определить уравнения регрессии, описывающие изменения структурно-механических и физико-химических параметров мясного сырья на разных этапах механической обработки.
Характер изменения структурно-механических свойств, определяемый глубиной проникновения игольного индентора (h, м) прибора Reoviskometr, описывается следующими уравнениями регрессии:
Поверхности отклика и изолинии их сечений, характеризующие изменение глубины проникновения индентора в продольном и поперечном направлениях волокон, представлены соответственно на рисунках 4.6 и 4.7.
На всем этапе механической обработки - до 10,8-104 с (180 мин) - глубина проникновения игольного индентора в ткань возрастает как для поперечного (рисунок 4.7), так и для продольного направления расположения волокон (рисунок 4.6). Причем при небольших количествах рассола в барабане тумблера (10-12%) в течение всего тумблирования наблюдается незначи тельное (на 6-8 %) различие в темпах увеличения контролируемого параметра для разного расположения волокон. Необходимо отметить, что размягчение мышечной ткани поперек волокон, при 10-12% рассола в барабане, происходит в большей степени (на 7-8 %), чем в продольном направлении.
Увеличение количества рассола в тумблере до 15-22 % несколько изменяет картину характера изменения выходного параметра для поперечного расположения волокон мясной ткани (рисунок 4.7). На всей протяженности поверхности отклика указанной характеристики, имеется зона, в области которой наблюдается наибольшая глубина проникновения индентора (до 0,01 м), соответствующая 15-22 % рассола, добавляемого при посоле в тумблер.
Увеличение количества рассола до 30 % способствует уменьшению глубины проникновения игольного индентора в поперечном направлении и увеличению в продольном.
По-видимому, такой эффект связан с тем, что достаточно большое количество рассола приводит к повышению концентрации соли в поверхностном слое системы мясо-рассол. Это способствует во-первых, увеличению экстракции соле- и водорастворимых белков из центральных слоев куска к периферии, во-вторых к коагуляции некоторых белков, что приводит к ук рупнению белковых частиц, снижению их подвижности и растворимости [103]. При этом происходит частичное «обезвоживание» мясного сырья -центральных его слоев и «уплотнение» его структуры за счет коагулированного белка. Возникновение такого эффекта при высокой концентрации хлорида натрия в рассолах отмечается другими учеными [13, 103]. Увеличение глубины проникновения индентора в продольном направлении расположения волокон, как указывают некоторые исследователи [2, 9, 13, 14], связано с образованием множественных микро и макрокапилляров, набуханием соединительно-тканных оболочек. Таким образом, происходит разрыхление мышечной ткани по межволоконному пространству.
