Введение к работе
Актуальность проблемы. Пищевая ценность молочных продуктов состоит в том, что они являются диетическими продуктами, содержащими все необходимые для человеческого организма питательные вещества (белки, жиры, углеводы, минеральные вещества, витамины, воду и др.) в хорошо сбалансированных соотношениях и в легко усваиваемой форме; имеют высокую энергетическую и биологическую ценность.
При производстве сыров одной из основных стадий технологического процесса, в существенной степени определяющей его конечное качество, является контроль процесса структурообразования и точное определение момента готовности сгустка к дальнейшей переработке. Для контроля образования сычужного сгустка применяют лабораторный прибор - гелеометр С. Баркана. Готовность сгустка оценивают при этом количественно по величине условной эластичности, оцениваемой при разрушении сгустка конусом. Недостатком ге-леометра является то, что при его помощи можно провести только одно измерение по одной пробе, взятой из рабочего резервуара в начале процесса. Реометры непрерывного контроля (эластометр С. Блера, различные торсиометры), серийно в нашей стране не выпускаются. Кроме того нет сведений о возможности их включения в систему автоматического управления технологическим процессом - АСУ ТП. По этой причине в сыроделии широко используется метод органолептической оценки готовности сычужного сгустка к разрезанию. Для его проведения оператор шпателем надрезает поверхность сгустка и приподнимает его. Так как образующийся сгусток является вязкоупругой средой с хрупким характером разрушения, то о его готовности судят по характеру излома. Параллельно определяют активную кислотность рН, используя лабораторный прибор. Достоверность результатов такого контроля в значительной степени зависит от опыта мастера сыродела и его сенсорной чувствительности.
При производстве кисломолочных напитков (кефира, простокваши, йогуртов, ряженки, сметаны и др.) контроль образования и упрочнения образующегося сгустка проводят аналитическим методом - определением титруемой кислотности по Тернеру ( Т) в комплексе с проведением органолептической оценки. Результаты измерений также невозможно использовать в АСУ ТП.
Для непрерывного контроля процесса образования и упрочнения молочного сгустка, наряду с измерением кислотности, целесообразно использовать методы физико-химической механики, позволяющие контролировать процесс структурообразования путем непрерывного измерения реологических (структурно-механических) характеристик сгустка, которые хорошо коррелируют с органолептическими показателями готовых молочных продуктов. При этом для получения достоверных данных о готовности молочного сгустка целесообразно применять методы, основанные на минимальном механическом воздействии на структуру образующегося сгустка.
Выше изложенное позволяет сделать вывод, что исследование процесса образования молочного сгустка реологическими методами и разработка реометра для непрерывного производственного контроля его образования, имею-
щего стандартный выход для включения его в компьютеризированную АСУ ТП, является актуальной задачей.
Цели исследований. Исследование процесса образования молочного сгустка реологическими методами и разработка реометра для его непрерывного производственного контроля.
Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Обоснование и выбор реологического метода непрерывного производственного контроля процесса образования молочного сгустка.
Разработка экспериментальной установки, основанной на методе малоамплитудных возвратно-вращательных колебаний измерительного цилиндра. Математическое обоснование контролируемого параметра. Экспериментальное обоснование геометрических характеристик измерительного цилиндра и кинематических параметров установки.
Разработка регрессионных зависимостей, оценивающих связь между контролируемым параметром и инструментальными характеристиками установки на примере образования сычужного сгустка.
Исследование на экспериментальной установке процесса структурооб-разования кисломолочных и творожных сгустков и уточнение влияния инструментальных характеристик установки.
Разработка конструкции нового реометра для производственного непрерывного реологического контроля процесса образования сычужных, кисломолочных и творожных сгустков в технологическом резервуаре с возможностью включения его в компьютеризированную систему автоматического управления технологическим процессом (АСУ ТП).
Научная новизна работы. Выполнено математическое обоснование реологического параметра для контроля процесса образования и готовности молочного сгустка - предельного напряжения сдвига. Исследовано влияние периода покоя измерительного рифленого цилиндра, угла его поворота и жесткости силоизмерителя на характер реограмм контролируемого реологического параметра. Установлены рациональные значения геометрических характеристик измерительного рифленого цилиндра и кинематических параметров установки при образовании молочного сгустка.
Методами математического моделирования и компьютерных технологий определено влияния инструментальных параметров экспериментальной установки на реограммы свертывания молока. Получена регрессионная зависимость, оценивающая совместное влияние геометрических характеристик измерительного цилиндра и жесткости пружины силоизмерителя экспериментальной установки на значения контролируемого параметра.
Практическая значимость работы Разработан и изготовлен новый ротационный реометр «Сгусток-3», основанный на методе малоамплитудных возвратно-вращательных колебаний измерительного цилиндра, предназначенный для производственного контроля процесса образования сычужных, кисломолочных и творожных сгустков непосредственно в технологическом резервуаре.
Реометр имеет стандартный выход для подключения к компьютеризированным АСУ ТП. Разработана методика применения реометра в производственных условиях. Реометр может быть использован в лабораториях при создании новых молочных продуктов.
На конструкцию реометра получен патент Российской Федерации
№ 2354956 RU от 10.05.2009 г.
Проведены производственные испытания разработанного реометра в условиях молочного предприятия ООО «Селяна» (пос. Кузбасский, Кемеровской обл.). Реометр рекомендован к промышленному применению.
Апробация работы. Основные положения диссертации ежегодно докладывались и обсуждались на научных конференциях ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, а также в сборниках научных работ «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2002-2006 гг.) и «Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов» (Кемерово, 2005 г.)
Автор защищает. Выбор и обоснование реологического метода непрерывного контроля образования молочного сгустка - метод малоамплитудных возвратно-вращательных колебаний измерительного цилиндра. Математическое обоснование контролируемого параметра. Влияние конструктивных параметров экспериментальной установки на достоверность получаемых результатов измерений. Математические регрессионные модели, оценивающие влияние геометрических и кинематических характеристик на результаты контроля образования молочных сгустков. Конструкцию нового малоамплитудного возвратно-вращательного реометра «Сгусток - 3» для контроля образования молочных сгустков и методику его практического использования в производстве. Результаты сравнительных реологических исследований образующихся сгустков, полученных на разработанном реометре, и на лабораторных приборах (на ротационном вискозиметре «Rheotest-2», на рН-метре Seven GO 2 компании Mettler Toledo), а также определением титруемой кислотности по Тернеру.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК. Получен 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методики исследований и обработки опытных данных, обсуждения результатов исследований и их анализа, разработки математической модели и регрессионных уравнений, выводов, списка литературы и приложений.
Основное содержание работы изложено на 108 страницах машинописного текста, включая 43 рисунков и 3 таблиц.
