Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Изменение структуры и свойств крахмалосодержащего сырья в процессе влаготермомеханической обработки (Обзор литературы) 20
1.1. Продукты питания на основе крахмалсодержащего сырья 20
1.2. Сырье, используемое при экструзии 23
1.3. Строение и свойства крахмала 25
1.4. Роль воды в процессе клейстеризации крахмала при термомеханической обработке 25
1.5. Существующие методы тепловой обработки крахмалсодержащего сырья 27
1.6. Экструзионная обработка крахмала и крахмалсодержащего сырья 33
1.7. Оборудование для производства экструзионных продуктов 49
Глава 2. Методы исследования сырья и экструзионных крахмалпродуктов 57
2.1. Определение содержания сухих веществ 57
2.2. Определение растворимости и водоудерживающей способности 57
2.3. Определение сорбционной влаги 58
2.4 Определение плотности и коэффициента расширения экструдатов 59
2.5. Разработки методики определения белизны и цветности материалов 59
2.5.1.Основные направления разработки методики для определения цветности материалов 59
2.5.2 Определение яркостного контраста 62
2.5.3. Условия освещенности и спектральная чувствительность человеческого глаза 63
2.5.4. Численная оценка яркостного контраста 65
2.5.5. Качественный контраст и его оценка 73
2.5.6. Закон смешения цветов и трехцветные координаты 73
2.5.7. Цветовой тон и чистота цвета 79
2.5.8. Методы определения спектральных терморадиационных характеристик материалов 87
2.5.9. Определение коэффициента отражения при диффузном облучении 89
2.5.10. Определение коэффициента отражения при направленном облучении 91
2.5.11. Оптические характеристики различных видов крахмалов 94
2.5.12. Выбор длины волны для определения белизны и цветности различных видов крахмалов 95
Глава 3. Некоторые вопросы теории процесса экструзии 104
3.1. Производительность экструдеров с узкими каналами 107
3.2. Производительность экструдеров с прямоугольными каналами шнека 114
3.3. Определение удельной поверхности экструдатов 127
Глава 4. Исследование процесса экструзии крахмалосодержащего сырья 135
4.1. Экспериментальная установка 136
4.2. Постановка вопроса и план проведения эксперимента 138
4.3. Определение производительности экструдера 144
4.4. Определение растворимости экструдатов 147
4.5. Определение удельного расхода электроэнергии 15 6
4.6. Определение противодавления и вязкости экструдируемой массы 159
4.7. Оптимизация процесса получения экстру дата для стабилизации глинистых суспензий 164
Глава 5. Исследование тепло - и массообменных процессов при охлаждении экструдатов 169
5.1. Определение коэффициента теплообмена и теплофизических характеристик тел цилиндрической формы 172
5.1.1. Распространение тепла в бесконечном цилиндре 173
5.1.2. Зависимости коэффициентов /*„ от значений критерия Био (3 для тел цилиндрической формы 180
5.1.3 .Основное уравнение расчета нагрева (охлаждения) тел цилиндрической формы 184
5.1.4. Определение коэффициента теплообмена при нагреве (охлаждении) цилиндрических эталонов 186
5.1.5. ТФХ экструдатов цилиндрической формы 192
5.2. Определение коэффициента теплообмена и теплофизических характеристик тел шарообразной формы 195
5.2.1. Распространение тепла в шаре 195
5.2.2. Зависимости коэффициентов /л„ от значений критерия Био р для тел шарообразной формы 201
5.2.3.Основное уравнение расчета нагрева (охлаждения) тел шарообразной формы 206
5.2.4. Определение коэффициента теплообмена при нагреве (охлаждении) шарообразных эталонов 208
5.3. Определение коэффициента теплообмена и теплофизических характеристик тел пластинчатой формы 212
5.3.1. Распространение тепла в неограниченной пластине 212
5.3.2. Зависимости коэффициентов //„ от значений критерия Био Р для неограниченной пластины 217
5.3.3.Основное уравнение расчета нагрева (охлаждения) неограниченной пластины 222
5.4. Исследование процесса охлаждения экструдатов при конвективном теплообмене 223
5.4.1. Распространение тепла в ограниченном цилиндре 223
5.4.2. Исследование процесса охлаждения экструдатов в виде ограниченного цилиндра 230
5.4.3 Уточнение методики определения теплофизических характеристик для тел цилиндрической формы 241
5.4.4. Исследование процесса охлаждения экструдатов в виде шара 246
5.4.5. Исследование процесса охлаждения экструдатов с использованием критерия Нуссельта 252 Глава 6. Практическая реализация результатов исследования 257
6.1. Методика определения белизны и цветности 257
6.2. Методика определения удельной поверхности экструдатов 262
6.3. Методика определения теплофизических характеристик экструдатов 264
6.4. Выбор режимов охлаждения экструдатов 267
6.5 Выбор режимов процесса экструзии при получения экструдата для стабилизации глинистых суспензий 270
Основные выводы 272
Список используемой литературы 274
Приложения 286
- Сырье, используемое при экструзии
- Определение растворимости и водоудерживающей способности
- Производительность экструдеров с прямоугольными каналами шнека
- Постановка вопроса и план проведения эксперимента
Введение к работе
Концепция государственной политики в области здорового питания Российской Федерации на период до 2005 года, утвержденная постановлением Правительства РФ № 917 от 10.08.98 г., предполагает выполнение комплекса мероприятий, направленных на создание условий, обеспечивающих удовлетворение потребности различных групп населения в рациональном, здоровом питании с учетом их традиций, привычек и экономического положения, в соответствии с требованиями медицинской науки . Для решения проблем обеспечения населения продуктами рационального питания необходимо наряду с совершенствованием традиционных разрабатывать новые методы обработки пищевого сырья, позволяющие производить продукты с заданным составом и свойствами, не требующие больших затрат труда и энергии на их приготовление. Одним из направлений создания новых и совершенствования существующих технологий является разработка способов, в которых сырье подвергается одновременному физическому и химическому воздействию. Использование экструзионной техники является общепризнанным направлением технического прогресса в пищевой промышленности. Экструзионная обработка - это комбинированное воздействие на обрабатываемый материал механических напряжений, влаги, тепла и, при необходимости, различных химических реагентов с целью получения экструдатов необходимой формы, структуры и физико-химических свойств. Этот способ обеспечивает существенную интенсификацию процессов влаготермомеханической обработки крахмала и крахмалсодержащего сырья. Эктрузионную технику используют для создания безотходных, гибких, высокоэффективных производств продуктов пищевого и технического назначения. В качестве сырья в этих процессах чаще всего применяют природные биополимеры, важнейшим из которых является крахмал. При этом следует иметь ввиду, что сырьевые источники для производства природных биополимеров, в т.ч. крахмала, по существу неисчерпаемы, так как сельскохозяйственное сырье ежегодно восстанавливается в возрастающем количестве. В связи с этим в ряде случаев замена крахмалопродуктов, используемых на технические цели, другими химическими материалами, особенно производимыми из постепенно исчезающего нефтяного или газового сырья, экономически невыгодна и неперспективна.
Одним из путей, который позволяет сократить удельный расход крахмала на технические нужды и получить новые продукты и эффективные пищевые добавки на основе крахмала, является придание ему новых или усиление имеющихся свойств, необходимых потребителю, путем физической, химической, биохимической или комбинированной обработки крахмала, т.е. его модификацией.
Большим спросом пользуются модифицированные крахмалы, прошедшие полную или частичную клейстеризацию, так называемые набухающие крахмалы. На основе этих крахмалопродуктов можно производить безбелковые продукты лечебного и профилактического питания для детей и взрослых.
Метод экструзионной обработки позволяет получить ряд преимуществ: интенсифицировать производственный процесс; повысить степень использования сырья; получить готовые к применению пищевые продукты или создать для них компоненты, обладающие высокой сгущающей водо- и жироудержи-вающей способностью; снизить производственные затраты (расходы тепла, электроэнергии); снизить трудовые затраты; расширить ассортимент пищевых продуктов; повысить усвояемость; снизить микробиологическую обсемененность продуктов; уменьшить загрязнение окружающей среды.
Кроме того, в результате экструзии происходят существенные изменения и текстурирование не только на клеточном уровне, но и сложные химические, микробиологические (стерилизация), физические процессы и явления. Особую актуальность это приобретает при получении продуктов для детского питания.
Специализированные продукты для детского питания включают широкий ассортимент продуктов, выпускаемых в нашей стране и за рубежом и предназначены для вскармливания детей первого года жизни, а так же питания детей более старшего возраста. Вся гамма продуктов может быть разделена на три большие группы /34/: заменители детского молока; продукты прикорма; продукты лечебного питания.
Вторая и третья группы включают продукты на зерновой, зерно-молочной, фруктовой, овощной, мясной и смешанной основе.
Объёмы производства продуктов детского питания и степень соответствия этих продуктов специфике метаболизма детей различных возрастных групп во многом на сегодняшний день не удовлетворяет существующей в России потребности.
Так в таблице 1 показана динамика изменения выпуска продуктов для детского питания за последние шесть лет, а в таблице 2 - прогнозируемая потребность в продуктах для детского питания, тыс. т в год /48/.
Таблица 1 Выпуск продуктов для детского питания
К продуктам для детского питания предъявляют повышенные требования. Так, проект Федерального закона Российской Федерации «О качестве и безопасности пищевой продукции» определяет следующие основные понятия /76/: продукты для детского питания - продукты питания, отвечающие физиологическим особенностям детского организма (до трех лет); качество пищевых продуктов - совокупность свойств и характеристик, которые обуславливают способность пищевых продуктов удовлетворять физиологические потребности человека и обеспечивают безопасность пищевых продуктов для жизни и здоровья людей;
Таблица 2
Прогнозная потребность в продуктах для детского питания, тыс. Т в год безопасность пищевой продукции - соответствие её санитарным правилам, нормам и гигиеническим нормативам, ветеринарным и фитосанитарным правилам, соблюдение которых обеспечивает отсутствие влияния, опасного для жизни и здоровья людей нынешнего и будущих поколений.
Несмотря на определенные Правительством Российской Федерации задания, производство продуктов питания для детей раннего возраста составляет лишь 25- 50% от объёма госзаказа /73/. Положение ещё более усугубляется тем, что значительная часть исследованной продукции не отвечает требованиям стандартов по микробиологическим и физико-химическим показателям. Так, например, от 8 до 12% детских кухонь имеет повышенную обсеменённость /73/.
В последнее время зарубежные фирмы («Гербер», «Нестле», «Милупа», «ХиПП» и др.) предлагают чрезвычайно разнообразный перечень инстантных сухих зерновых (мука) и зерно - молочных смесей (молочных каш), изготовленных на основе рисовой, пшеничной, кукурузной, гречневой муки или смеси нескольких видов злаков. В отечественной промышленности, как видно из таблицы 1, производство сухих продуктов на злаковой основе за последние 6 лет упало более чем в 30 раз.
Таким образом, большую актуальность приобретает производство зернопродуктов, как основы для детского питания, с повышенными потребительскими и медико-биологическими свойствами. Межотраслевая проблема научного обеспечения индустрии производства продуктов для детского питания может быть сформулирована следующим образом: сформулировать новую систему знаний о закономерностях изменения состава и свойств нативных компонентов пищевого сельскохозяйственного сырья, используемого для производства продуктов для детского, в результате традиционной и перспективной физической, физико-биохимической, химической, микробиологической и энзиматической технологической обработки /48/.
В частности необходимо усовершенствовать традиционные и разработать новые автоматизированные процессы, позволяющие реализовывать высокие технологии, аналитически обосновать и экспериментально скорректировать рецептуры и оптимальные параметры технологических процессов, изучить, теоретически обосновать и классифицировать закономерности физико-химических методов переработки пищевого сырья на изменения комплекса его нативных свойств, разработать на базе этих закономерностей высокоэффективные технологические процессы.
Целью данной работы является повышение эффективности процессов переработки крахмалосодержащего сырья для получения высококачественных легко усвояемых продуктов.
В этой связи в диссертационной работе ставились следующие задачи: теоретические и экспериментальные исследования термообработки крахмалосодержащего сырья экструзионным способом; изучение влияния экструзионной обработки на изменение нативных свойств крахмалосодержащего сырья, питательной ценности и стерилизацию; разработка на базе проведенных исследований высокоэффективного технологического процесса получения продуктов повышенной питательной ценности.
1.1. Тема диссертационной работы связана с планами научно - исследовательских работ Московского государственного университета пищевых производств в период с 2000 по 2010г. по теме "Исследование экструзионной обработки материалов растительного происхождения".
1.2. Актуальность работы. Ситуация, сложившаяся в экономике РФ, привела к росту пищевых производств, не требующих больших капитальных затрат для их реализации и имеющих небольшую продолжительность производственного цикла (хлебобулочные изделия, майонезы, кетчупы, продукты быстрого приготовления). В связи с развитием этих технологий возросла потребность в предварительно клейстеризованных (набухающих) крахмалах, которые проявляют свои стабилизирующие, загущающие и водоудерживающие свойства в различных системах, не требует дополнительного нагрева. Однако существующий способ получения набухающих крахмалов на вальцовых сушилках имеет существенные недостатки: низкую производительность, связанную с малым коэффициентом теплопередачи, что ограничивает скорость вращения вальцов; необходимость испарения большого количества влаги; низкий коэффициент полезного использования тепла; высокую удельную металлоёмкость оборудования. Для обогрева сушильных барабанов обязательно наличие источника тепловой энергии (обычно пара), что требует дополнительных капитальных вложений.
Одно из основных направлений развития пищевой промышленности -это интенсификация технологических процессов путем одновременного воздействия различных физико - химических факторов на материалы. Именно к такому способу относится экструзия крахмалосодержащего сырья.
О постоянно растущем интересе к экструзионному способу переработки крахмала и крахмалсодержащего сырья свидетельствуют многочисленные публикации. Однако на их основе невозможно выработать единые подходы к анализу закономерностей изменения свойств крахмала при различных методах обработки. Выявлены, как правило, закономерности изменения его свойств от воздействия только отдельных параметров обработки модельных систем. Имеющаяся информация по исследованиям в этом направлении не отвечает на все возникающие вопросы при разработке новых технологий. Как правило, исследуются лишь отдельные технологические операции или физико-химические свойства уже готовых продуктов, изготовленных на разном, зачастую, не характерном для России сырье и оборудовании. Недостаточно исследованы изменение структуры и физико-химических свойств крахмальных гелей после экструзионной обработки. Выбор необходимых режимов экструзионной обработки чаще всего основывается на его эмпирическом подборе, основанном на результатах неоправданно большого объёма экспериментальных работ.
Экструзионное оборудование, выпускаемое отечественными предприятиями, предназначено для производства зерновых завтраков и комбикормов. С учётом существенного различия свойств сырья и целей обработки, нельзя сделать однозначных выводов о возможностях их использования для производства модифицированных крахмалов.
Весьма скудна информация об изменении структуры и свойств в крахмалопродуктах после их выхода из рабочей камеры экструдера, хотя эти процессы существенно влияют на формирование их функциональных свойств.
Актуальным является исследование структуры и свойств новых видов крахмалопродуктов, т.к. эти сведения позволят определить возможные области и способы их применения в различных отраслях народного хозяйства.
Одним из важнейших направлений развития и совершенствования экструзии является разработка математической модели этого процесса, которая позволила бы прогнозировать качество готового продукта, исходя из геометрических и кинематических параметров рабочих органов шнека.
Указанные обстоятельства определяют необходимость изучения закономерностей изменения свойств разных крахмалов и крахмалсодержащего сырья при различных методах экструзии с целью разработки научных основ получения крахмалопродуктов с заданными свойствами с использованием отечественного оборудования, сырья и практической реализации завершенных разработок.
Актуальность работы подтверждается включением тематики проводимых исследований в научно-технические программы Миннауки РФ: "Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК", "Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности" и в российско-белорусскую программу "Повышение эффективности агропромышленного производства и последовательное сохранение сельскохозяйственной продукции".
1.3. Цель и задачи исследований. Целью работы является создание научных основ и оптимизация процессов экструзии крахмалосодержащего сырья и тепло - массообменных процессов в экструдатах в период их охлаждения.
Для достижения поставленной цели необходимо: создать экспериментальную базу и разработать методы оценки качества сырья, полуфабрикатов, готовой продукции; установить взаимосвязь и выявить закономерности режимов экструзионной обработки с качеством продуктов и технико -экономическими показателями процесса; на базе теоретических и экспериментальных исследований создать математическую модель процесса экструзии, учитывающую технологические и технико-экономические показатели процесса экструзионной обработки; разработать методику оптимизации процесса экструзии; разработать методику и определить теплофизические характеристики экструдатов; создать математические модели тепло - массообменных процессов в экструдатах в период их охлаждения; разработать методику выбора оптимальных режимов охлаждения экструдатов;провести апробацию результатов исследований в опытно -промышленных условиях. Схема исследований приведена на рис.1.
Теоретический этап исследований
Анализ научно-технической литературы и патентной информации с использованием фондов научных библиотек и системы Internet
Классификация существующих способов переработки крахмалосо-держащего сырья
Теоретические исследования процессов экструзии, тепло-массообмена при охлаждении экструдата
Разработка методик определения качества готовой продукции
Экспериментальный этап работы
Моделирование процессов эксгрузионной переработки исследуемых видов крахмалосодержащего сырья
Лабораторные исследования
Оптимизация процессов экструзии
Опытно-промышленная апробация
Моделирование процессов конвективного охлаждения экструдатов ^ после эксгрузионной обработки
Разработка методики и определение теплофязических характеристик экструдатов
Разработка математическ ой модели процесса охлаждения
Выбор режимов процессов охлаждения . экструдатов
Опытно - промышленные испытания режимов процессов экструзии и охлаждения экструдатов
Рисунок 1. Структурная схема исследования
1.4. Научная новизна состоит в следующем.
Доказано, что максимально согласованными значениями численной инструментальной оценки цветовых и яркостных свойств материала с чувственным восприятием человека является величина J = 4r, где R -интегральный коэффициент отражения.
Разработаны компьютерные программы для расчета контрастных и цветовых различий образцов, учитывающие не только отражательные свойства исследуемого материала, но и спектральные характеристики чувствительности глаза, цветного зрения наблюдателей и эталонных стандартизованных источников светового излучения А, В, С.
Доказано, что изотермы сорбции экструдатов позволяют определить влагосодержание мономолекулярной адсорбции. Это положение легло в основу для разработки методики определения удельной поверхности экструдатов.
5. Разработана теоретическая математическая модель для расчета производительности шнековых экструдеров с плоскими каналами, использование которой позволяет не только оптимизировать процесс, но и оценивать реологические свойства экструдируемых масс.
Разработан новый способ определения оптимальных режимов проведения процесса экструзии, учитывающий конструктивные параметры шнека.
Доказано, что коэффициент теплообмена при естественной конвекции (скорость воздуха равна нулю) не зависит ни от вида материала, ни от его формы.
Разработан принципиально новый метод определения теплофизических характеристик экструзионных продуктов в условиях естественной конвекции. Определены теплофизические характеристики экструдатов.
9. Проведенные теоретические исследования по конвективному теплообмену экструзионных продуктов с учетом их теплофизических характеристик позволили детально изучить процесс охлаждения экструдатов.
1.5. Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе результатов исследований разработаны и внедрены в научную практику ГНУ ВНИИкрахмалопродукты новые методики оценки качества сырья и готовой продукции по белизне и цветности и по величине удельной поверхности экструдатов.
Разработана новая методика расчета производительности экструдеров, позволяющая определять не только оптимальные режимы процесса и конструкцию шнека, но и оценивать реологические свойства обрабатываемого материала. Определенные режимы экструзионной обработки прошли опытно - промышленную проверку на Борисоглебском крахмальном заводе и включены в технологические регламенты ГНУ ВНИИкрахмалопродуктов на производство экструзионных крахмалопродуктов из измельченного зернового отхода.
Получены и внедрены в научно - производственную практику ГНУ ВНИИкрахмалопродукты новые данные о теплофизических характеристиках экструзионных продуктов, что позволило проводить расчеты тепло - и массообменных процессов при их обработке.
Разработан новый метод выбора режимов охлаждения экструдатов в зависимости от их назначения, который нашел практическое применение при разработке технологических схем производства экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов. Данный метод значительно сокращает объем экспериментальных работ, прошел опытно - промышленную проверку в ЗАО "Крахмалопродукты" и включен в регламенты ГНУ ВНИИкрахмалопродукты на производство экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов.
1.6. Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всесоюзных и республиканских конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе: на Всесоюзной конференции "Разработка и совершенствование технологических процессов" 26-28 мая 1987г., на 9-ой Всесоюзном научном симпозиуме : "Физико - химия крахмала и крахмалопродуктов". 4-5 октября 1984г., на всероссийской конференции "Проблемы фундаментальных исследований в области обеспечения населения России здоровым питанием", на всероссийской н/т конференции "Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания" г.Москва, 2002г., Всероссийской н/т конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации", г.Москва, 2003г., на Всероссийской н/т конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации", г.Москва, 2004г., на 3 юбилейной международной конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации", г. Москва, 2005г., ., на 4 международной конференции - выставке "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации", г. Москва, 2006г.
1.7. Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 2 монографиях, 33 печатных трудах, получено 3 авторских свидетельства.
1.8. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 311 страниц компьютерного текста, 83 иллюстраций, 20 таблиц и приложений на 25 страницах.
Сырье, используемое при экструзии
В производстве экструзионных продуктов используется широкий ассортимент зернового сырья (рисовая, пшеничная, кукурузная крупа и т. д.).
По химическому составу крупы характеризуются как продукты богатые крахмалом и белком. Содержание крахмала в некоторых крупах достигает 75 % и больше, белка - 9-16 %. Крупы содержат немного жира, растворимых углеводов и минеральных веществ, в них также содержится витамины группы В. Значительное содержание углеводов определяет их высокую энергетическую ценность. Для производства фантекса используют рисовую и кукурузную крупу.
Химический состав риса зависит от сорта, района произрастания, условий выращивания, степени зрелости. В среднем зерно риса содержит при влажности 14 % (наиболее оптимальная влажность): белка 6-11 % (в среднем 7 %); крахмала 54-80 % (в среднем 55 %); жира 1,8-2,3 %; клетчатки 9-12 %; сахара 3-4 %; минеральных веществ 4-6 %.
Основная часть белков представлена оризенином из группы глютелинов и небольшим количеством белков из групп альбуминов, глобулинов и протаминов. Белки риса клейковины не образуют. Усвояемость этих белков очень высокая. Жир риса содержит много жирных ненасыщенных кислот и относится к ценным пищевым маслам.
Зерно риса богато витаминами группы В, содержит витамин РР, которые находятся в основном в зародыше, алейроновом слое и частях эндосперма, прилегающих к алейроновому слою.
Технологическая обработка риса, такая, как шлифование, полирование, приводит к значительному уменьшению содержания витаминов.
Химический состав кукурузы различных ботанических подвидов примерно одинаков. Основное вещество зерна - крахмал составляет в среднем 60-68 % от массы зерновки и сосредоточен в эндосперме.
Белки зерна представлены протаминами (9-14 %), жира содержится до 5 %. В состав углеводов входят 1,5-5,0 % Сахаров, 5-7 % пентозанов.
В зерне желтой кукурузы много провитамина А (каротина). В настоящее время получены сорта и гибриды кукурузы с более высоким содержанием незаменимых аминокислот (лизина и триптофана). В химический состав также входят минеральные вещества (1,1-1,2 %), клетчатка (1,5-2,2 %), вода (до 14 %).
Основным компонентом сырья, оказывающим решающее влияние на выбор условий обработки и свойства экструдатов является крахмал. Крахмал как резервный углевод обнаружен примерно в 1900 видах растений. Но только кукуруза, пшеница, картофель, маниока и батат являются сырьем для промышленного производства крахмала /123/. Промышленное производство крахмала из этих видов сырья объясняется высокой урожайностью, большим объемом производства основных видов крахмалсодержащего сырья и низкой стоимостью воспроизводимого природой полимера - крахмала.
В настоящее время разработаны технологии и оборудование, позволяющие направленно изменять физико-химические свойства нативных крахмалов и создавать необходимые потребителям модифицированные крахмалы. Потребность в новых видах модификаций постоянно растет в связи с постоянно расширяющимся ассортиментом производимых пищевых продуктов. Крахмал в большом количестве содержится в семенах, корнях и клубнях в виде зерен различной величины и формы. Видовое происхождение крахмала, агротехника производства и климатические условия произрастания крахмалоносов в значительной степени определяют структуру и физико-химические свойства крахмалов.
Цель экструзионной обработки крахмала и крахмалсодержащего сырья заключается в переводе биополимеров сырья в вязкотекучее (расплавленное) состояние и получении экструдатов с заданными физико-химическими и органолептическими свойствами. Этот процесс происходит при определенном соотношении влажности сырья, температуры экструзии и механических напряжениях различного вида. Весьма важная роль при экструзии принадлежит воде, определяющей структуру и свойства экструдатов. Она выполняет ряд различных функций. Вода является пластификатором, повышающим текучесть материала, снижающим температуру стеклования и обеспечивающим подвижность макромолекулярных цепей и их ориентацию в потоке /124, 130/. Характер зависимости температуры стеклования гелей крахмала от содержания в них воды аналогичен процессам растворения полимеров /72/. Для этих процессов снижение температуры стеклования обусловлено взаимодействием макромолекул полимеров с пластификатором и способностью пластификатора смачивать поверхность полимера, увеличивая подвижность элементов его структуры /72/.
Определение растворимости и водоудерживающей способности
Этот метод предложен Шахом и сотрудниками /64/ для исследования модифицированных крахмалов и их производных. Он основан на том, что способность крахмальных зерен набухать в воде и растворяться, находятся в зависимости от прочности структуры зерен крахмала или крахмалопродуктов. Для определения способности набухающих крахмалопродуктов поглощать воду и растворяться пря различной температуре пробы продукта (0,8 г сухого вещества продукта + 40 г води) выдерживали в избытке воды, постоянно перемешивая, в течение 30 мин при разных температурах. Затем суспензии переносили для центрифугирования и обрабатывала в течение 5 мин пря частоте вращения ротора центрифуги равной 133 с" . Для определения растворимости осветленную часть сразу после центрифугирования сливали, фильтровали и с помощью рефрактометра определяли содержание (в процентах) сухих веществ в фильтрате. Растворимость в % к сухим веществам крахмалопродукта вычисляли по следующей формуле: m - масса навеска крахмалопродукта, г. Центрифугированные пробирки вместе с осадком взвешивали и, вычитая массу пустых пробирок, получали массу осадка г в граммах, состоящего их сухого вещества экструдата а и связанной им воды W. Отсюда общее количество связанной води: W = r-a Водопоглотительную способность крахмалопродукта (В) определяется по формуле Принимая во внимание, что часть сухого вещества продукта переходит в раствор, проводится корректировка Равновесную влажность продукта можно исследовать различными методами, среди которых наиболее простым и надёжным является тензометрический (статический) метод. Для этого образец материала помещают в стеклянные бюксы и доводят до постоянной массы в сушильном шкафу при t=105C. Затем образец материала в бюксе помещают в эксикатор с раствором серной кислоты ( 450мл) определённой концентрации. Изучение гигроскопических свойств экструзионных крахмалопродуктов проводили при t = 20±1С и относительной влажности воздуха в эксикаторе (ф =5...90%). Образец материала периодически вынимали из эксикатора, предварительно закрыв крышку, и взвешивали на аналитических весах. Каждое взвешивание позволяло определить количество воды, поглощённой продуктом. Изучение сорбции влаги для каждого образца проводили до установления постоянной массы этих продуктов. Постоянство массы свидетельствовало о достижении образцом состояния равновесия. Основным показателем качества крахмалопродукта макропористой структуры, получаемого из сухих гелей при его термической обработке, является плотность. Плотность структуры ксерогеля определяли отношением массы образца (Мо) к его объему (V). Объем образца (V) определяли как разность масс ксерогеля, взвешенного на воздухе (Мо) и в скипидаре (Мс), отнесенную к плотности скипидара (рс = 0,859 г/см3) Коэффициент расширения экструдатов определяли как отношение площади поперечного сечения экструдата макропористой структуры к площади отверстия дюзы. Величина диаметра экструдата определена как среднеарифметическое 10 измерений с точностью ±0,1 мм. Цветность и белизна пищевых продуктов является важным показателем проведения технологического процесса и существенно влияет на качество конечного продукта и его потребительские свойства. Поэтому возникает необходимость разработать методику выбора длины волны монохроматического света для определения цветности продуктов.
Производительность экструдеров с прямоугольными каналами шнека
В реальных шнеках, применяемых в экструдерах, ширина канала соизмерима с его высотой и даже может превышать. Поэтому и решать необходимо уравнение Пуассона (3.4). На рисунке 3.4. показаны параметры витка шнека, Рисунок 3.4. Параметры витка шнека экструдера. Из рисунка 3.4 видно, что граничные условия при решении уравнения (3.4) следующие: Таким образом, определение скорости движения экструзионной массы в канале шнека, а, следовательно, и производительности экструдера, сводится к решению следующей задачи с граничными условиями первого рода: Уравнение (3.20) решается методом Гринберга или методом конечных интегральных преобразований и является обобщением метода Фурье на случай неоднородного уравнения и неоднородных граничных условий. Однако решение поставленной задачи в виде (3.20) методом Гринберга имеет плохую сходимость. Это связано с видом нетривиального решения уравнения Штурма -Лиувилля. В конце парафафа мы приведем для сравнения решение уравнения (3.20). Для улучшения сходимости будем искать скорость движения экструзионной массы в канале экструдера в виде: и искать будем неизвестную функцию w(x,y). В этом случае уравнение (3.20) примет вид: Как видно из уравнения (3.22) граничные условия значительно упростились. В дальнейшем для более компактной записи введем следующее обозначение: Будем искать решение в следующем виде: и=1 где, в нашем случае Функцию Х„(х) в нашем случае определяют из решения следующей задачи Штурма - Лиувилля: Тривиальное решение данной задачи: (х) = 0. Нам необходимо найти нетривиальное решение. В дальнейшем все решения будем искать с использованием программы Mathematica 5.0. Найдем нетривиальное решение: В данных решениях С[3]=п=0,1,2.... Мы имеем два решения, которые необходимо объединить:
Постановка вопроса и план проведения эксперимента
Основной технологической операцией при производстве новых видов крахмалопродуктов является экструзионная обработка крахмалсодержащего сырья. В этом процессе происходят гетерогенные реакции взаимодействия крахмала с водой и другими компонентами сырья. Скорость протекания таких реакций зависит как от режимов обработки, так и от величины удельной поверхности твердой фазы.
Одной из задач настоящего исследования является определение режима работы отечественных экструдеров известной конструкции для применения их в работе по новому назначению (для производства набухающих крахмалопродуктов), поэтому из множества параметров необходимо было определить те, которые обеспечат получение продукта необходимого качества при незначительных изменениях конструкции машины и при возможно меньших энергозатратах. К таким важнейшим параметрам, вероятно, можно отнести технологические (содержание влаги в сырье, температуру обработки) и конструктивные (площадь живого сечения матрицы, частота вращения шнека экструдера). Были проведены опыты с целью выявления весомости этих факторов в формировании физико-химических свойств экструдатов и выбора пределов изменения этих параметров. В опытах было использовано сырье ранее определенного гранулометрического и качественного состава. При проведении этих опытов у каждого из вышеназванных факторов поочередно изменяли его значения на четырех уровнях при стабилизации значений трех остальных. Величина и пределы изменений этих факторов определялись с учетом физико- химических свойств сырья, экструдатов и технико-экономических показателей процесса ВТКЭ.
Так, температуру обработки можно изменять от 120 до 200С. Температура обработки ниже 120С нежелательна из-за получения при такой температуре экструдата, требующего дополнительной сушки. При температурах выше 200С наблюдается разложение крахмалсодержащего сырья, что обусловлено его термической лабильностью. Увеличение температуры приводит к росту деструкции крахмала. Это подтверждается возрастанием растворимости экструдатов, увеличением щелочного числа и уменьшением индекса оптической плотности.
Границы изменения содержания влаги в сырье от 15 до 25% обусловлены тем, что для экструзии сырья, содержащего менее 15% влаги, требуется повышенный расход энергии, что определяется малой пластичностью массы, образующейся в шнековой камере экструдера. Содержание влаги в сырье более 25% осложняет последующие технологические операции, так как в этом случае возможно получение экструдатов с повышенной плотностью.
Изменение угловой скорости вращения шнека от 6.28с"1 (60об/мин) до 12.56 с"1 (120об/мин) выбрано с учетом того, что при меньших их величинах увеличивается длительность обработки материала и значительно снижается производительность установки. При угловой скорости более 12,56 с"1 наблюдается ухудшение заполнения межвиткового объема шнека экструдера в зоне загрузки и возрастает расход энергии на проведение процесса экструзии. С увеличением частоты вращения шнека экструдера растворимость экструдата и щелочное число вначале уменьшаются, а затем возрастают. С повышением частоты вращения шнека сокращается длительность обработки материала в рабочей камере экструдера. Такое изменение свойств экструдата в зависимости от частоты вращения шнека обусловлено влиянием на свойства обрабатываемого материала двух факторов: механических напряжений, которые растут с увеличением частоты вращения; и продолжительности гидротермомеханической обработки, которая при этом уменьшается.
Изменение диаметра выходных фильер находилось в пределах от 2мм (S=3.14MM ) до 5мм (S=17MM ). Увеличение площади отверстия дюзы, при постоянстве прочих параметров, приводит к уменьшению деструкции крахмала, о чем свидетельствует уменьшение растворимости экструдата. При увеличении площади отверстия дюзы происходит уменьшение действия механических напряжений на обрабатываемую массу, из которых наиболее значимым является напряжение сдвига. Последнее может быть количественно охарактеризовано скоростью сдвига.
Сопоставляя величины найденных показателей, характеризующих изменение структуры крахмала под действием различных технологических и конструктивных параметров процесса, можно сделать вывод о том, что выбранные параметры имеют примерно одинаковую значимость при формировании свойств экструдатов. Можно, вероятно, выбрать такую комбинацию этих параметров и их численные значения, которые позволят при незначительных конструктивных изменениях отечественных экструдеров и наименьших энергозатратах при их эксплуатации получать на них новые виды крахмалопродуктов необходимого качества.
Приготовленные образцы экструдатов были проанализированы с определением показателей, характеризующих структурные изменения крахмала, а именно - растворимости в воде при 50С. Так же были проанализированы производительность экструдера и удельные затраты энергии.
