Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии производства экструдироваиных продуктов питания 14
1.1. Основы теории и краткий обзор техники и технологии процесса экструзии 14
1.2. Основные компоненты экструдируемого сырья, их физико-химические изменение при экструзии 22
1.3. Реологические уравнения и характеристики пластических материалов 30
1.4. Анализ существующих математических моделей двухшнеко-вых экструдеров; основные уравнения движения и теплообмена неньютоновских жидкостей 36
1.5. Анализ литературного обзора и задачи исследования 40
Глава 2. Экспериментальное исследование процесса экструзии зерновой смеси гречихи и сои в двухшнековом экструдере 43
2.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 43
2.2. Обоснование выбора рецептурных компонентов 54
2.3. Исследование реологических характеристик зерновой смеси гречихи и сои 57
2.4. Кинетика экструзионного процесса получения зерновых палочек 66
Глава 3. Математическая модель процесса экструзии при течении вязкой среды в предматричной зоне двухшнекового экс- трудера 74
3.1. Постановка задачи 74
3.2. Математическая модель движения вязкой жидкости в пред-матричной зоне двухшнекового экструдера 79
3.3. Инженерная методика расчета предматричной зоны экструдера.. 85
3.3.1. Пример расчета / зоны матрицы 85
3.3.2. Пример расчета IIзоны матрицы 92
Глава 4. Комплексная оценка качества экструдированных зерно вых палочек 105
4.1. Исследование качественных показателей экструдированных зерновых палочек 105
4.1.1. Методы исследования физико-химических свойств образцов.. 105
4.1.2. Анализ качественных показателей экструдированных зерновых палочек 107
4.2. Определение биологической ценности экстру дата 109
4.3. Анализ пищевой ценности разработанного экструдированного продукта 112
Глава 5. Разработка конструкций экструдера с регулируемой величиной давления в предматричной зоне и способа его автоматического управления 115
5.1. Математическое обоснование выбора геометрических параметров отводящих каналов 115
5.2. Разработка конструкции корпуса двухшнекового экструдера.. 120
5.3. Разработка конструкции шнекового рабочего органа экструдера. 125
5.4. Разработка способа автоматического управления экструдером... 132
Основные выводы и результаты 137
Литература 139
Приложение 152
- Основные компоненты экструдируемого сырья, их физико-химические изменение при экструзии
- Обоснование выбора рецептурных компонентов
- Математическая модель движения вязкой жидкости в пред-матричной зоне двухшнекового экструдера
- Определение биологической ценности экстру дата
Введение к работе
Интенсификация технологических процессов - одно из основных направлений технического прогресса в пищевой промышленности. Реализация этого направления возможна на базе изучения изменения физико-химических свойств, протекающих при различных методах воздействия на природное сырье, используемое для питания человека. Более широкие возможности в этом случае представляются созданием таких условий, в которых обрабатываемое сырье одновременно подвергают сложному комбинированному воздействию [54].
В настоящее время один из множества способов, обеспечивающих интенсификацию и углубленную обработку крахмалсодержащего сырья, при производстве продуктов питания, широкое применение находит перспективный способ -экструзия [83]. Уже сейчас на экструдерах перерабатывается до 12 % сырья и наблюдается тенденция к дальнейшему увеличению объема вырабатываемой продукции [10].
Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие зарубежные и отечественные ученые как: G. Schenkel, В.Н. Maddock, Е.С. Bernhardt, Z. Tadmor, J.M. McKelvey, J.F. Carley, R.A. Strub, R.S. Mallouk, C.H. Jepson, LP. Melcion, P.B. Торнер, B.A. Силин, И.Э. Груздев, ГМ. Медведев, В.И. Янков, А.Н. Богатырев, В.П. Юрьев, А.И. Жушман, В.Г. Карпов, B.C. Ким, О.И. Скульский и многие другие.
Экструзионная обработка крахмалосодержащего сырья - экологически безопасный, ресурсосберегающий и универсальный процесс, позволяющий получать хорошо усвояемые, стерилизованные, с улучшенными вкусовыми свойствами пищевые продукты.
Экструзия - идеальный технологический процесс для обогащения продуктов белками, волокнами, витаминами и другими добавками. Выпуск разнообразных экструдированных продуктов с повышенным содержанием белков, витаминов и минеральных веществ, играет важную роль в профилактике многих заболеваний
человека [10]. В странах с развитой пищевой промышленностью отмечен рост потребления экструдированных пищевых продуктов. С 1991 года по 2001 объем их производства в Германии увеличился на 50 %.
Наиболее подходящим сырьем являются крахмалосодержащие продукты: зерновые (кукурузная, рисовая и овсяная крупы, сорго), крахмалы и картофеле-продукты, продукты переработки соевой муки пониженной жирности, а так же различные смеси белков и полисахаридов, включая вторичное сырье мясной, молочной и рыбной промышленности. Все это позволило при помощи экструзион-ной технологии создавать продукты с регулируемой пищевой, биологической и энергетической ценностью [52].
Интерес к переработке растительного сырья с помощью термопластической экструзии также обусловлен двумя основными причинами, во-первых, большим объемом и разнообразием продукции, производимой с помощью этой технологии, и, во-вторых, экономическим эффектом, который дает производство экструзион-ных продуктов.
Отличительными особенностями экструдерной техники являются совмещение нескольких технологических операций в одной машине: транспортирования, перемешивания, измельчения, варки и формования; возможность создания новых видов готовой продукции; увеличение скорости протекания химических реакций; высокая степень автоматизации и сокращение обслуживающего персонала. В последнее время все большее применение находят двухшнековые экструдеры. Их преимущества перед одношнековыми заключаются в более широких возможностях переработки как по исходному сырью так и по ассортименту готовой продукции.
Ведущими зарубежными фирмами США (Wenger, Anderson, Sprout-Bauer, Baker Perkins и др.), EC (Werner & Pfleiderer, Weber, Walter (ФРГ)> Clextral, Crezaux-Loire (Франция), Grondona Nlmet, Pagani (Италия), Biihler, Buss (Швейцария), Cincinnati (Австрия), Toshibe (Японии) и др. на мировом рынке представлены более 1000 моделей экструдеров различных типов [17, 28, 52,66,77,92, 104-106,135].
Конструктивные особенности экструдеров и различные качественные характеристики используемого сырья позволяют в широких пределах комбинировать параметры процесса экструзии, что создает условия для целенаправленного изменения структуры и свойств готовой продукции - экструдатов. Применение данной технологии при производстве пищевых продуктов обеспечивает глубокие биохимические превращения питательных веществ - углеводов, клетчатки, белков, что способствует повышению их усвояемости и получению экструдатов хорошего качества.
Ассортимент пищевой продукции, вырабатываемой экструзионноЙ технологией, включает более 400 наименований. Только в США производится и продается продуктов типа готовых завтраков на сумму более 2 млрд. долларов, причем их выпуск увеличивается ежегодно на 3 % [29],
В настоящее время в Японии экструзия используется, в основном, в кормопроизводстве, где ежегодно производят корма на сумму 700 млн. долларов США и 80 % из них - с помощью экструдеров. Остаются популярными в Японии гранулированные и текстурированные пищевые продукты из растительных белков - их годовое производство составляет 17 тыс. т., большинство из них мясозаменители и наполнители [83]. Душевое потребление пищеконцентратной продукции в развитых странах Европы (Германия, Великобритания, Швейцария) составляет примерно от 3 до 7 кг в год, в РФ - в среднем 1,4 кг. В общем потреблении зерновых завтраков доля экструдированных - около 15 % [1, 17, 29, 69].
Однако в России производство пищевых концентратов за период с 1990 по 1999 годы уменьшилось с 226 до 35 тыс. т./год [26], а экструзионных продуктов питания - в 2 раза [74]. В первую очередь это связано с тем, что в перерабатывающих отраслях промышленности экструдирование является недостаточно изученным процессом; выполненные исследования были направлены в основном на разработку технологии и оценку качества готовой продукции без реального внедрения их в производство; научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию экструдеров проведены в ограниченном количестве. Одним
из главных направлений в развитии отрасли на перспективу должно стать улучшение качества продукции, расширение ассортимента и внедрение новых видов продукции, а также параллельное осуществление мер по повышению технического уровня экструзионного оборудования [27].
Актуальность работы. Важным направлением совершенствования экстру-зионной технологии является создание зерновых продуктов с программируемыми свойствами и обоснование режимов экструзии с целью расширения ассортимента и снижения себестоимости выпускаемой продукции. Особо важно для получения продуктов высокого качества соблюдение рационального температурного режима, определяемого величиной давления в предматричной зоне экструдера. Производство экструдированных зерновых продуктов сбалансированного состава является актуальной задачей, имеющей важное теоретическое и прикладное значение. Работа проводилась в соответствии с планом НИР Воронежской государственной технологической академии по теме "Исследование процессов тепло- и массообмена, повышение эффективности технологического оборудования и энергоиспользования" (№ г.р. 01960007320).
Цель и задачи диссертационной работы: развитие научных основ процесса производства экструдированных зерновых продуктов с программируемыми свойствами; создание на основе разработанного способа оригинальных конструкций экструдера с регулированием давления в предматричной зоне.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
обоснование выбора рецептурного состава смеси для производства зерновых продуктов сбалансированного состава;
исследование реологических свойств зерновой смеси гречихи и сои;
исследование основных закономерностей процесса экструзии зерновой смеси; выбор рациональных параметров процесса экструзии зерновой смеси на двухшнековом экструдере;
математическое описание процесса экструзии зерновой смеси в предматричной зоне экструдера;
определение пищевой, биологической и энергетической ценности экструдированных зерновых палочек;
разработка новых конструкций экструдеров с возможностью отвода части продукта из предматричной зоны; разработка способа автоматического управления работой экструдера;
внедрение в промышленность разработанных конструкций экструдеров; проведение апробации предлагаемого способа.
Научная новизна. На основании проведенных исследований, обобщения и анализа разработана технология производства экструдированных зерновых продуктов с программируемыми свойствами на примере смеси гречихи и сои.
Исследованы реологические характеристики (вязкостные свойства) смеси гречихи и сои с учетом особенностей близких режиму горячей экструзии.
Изучено влияние условий экструдирования пищевой смеси на физику исследуемого процесса, что позволило разработать научно обоснованные режимы экструзии.
Разработана математическая модель течения реологической жидкости, представляющей собой расплав смеси гречихи и сои, в предматричной зоне экструдера, которая учитывает изменение давления и скорости в канале, образованном матрицей и наконечником шнека (шнеков).
Разработан алгоритм управления процессом экструзии, позволяющий обеспечить стабильное поддержание заданных технологических режимов.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2161556, 2168413,2172246,2177702,2179111,2183158,2185286.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработан способ получения экструдированных зерновых продуктов с программируемыми свойствами на примере зерновой смеси гречихи и сои и определены рациональные параметры процесса переработки исследуемой пищевой смеси. Получен экструди-рованный продукт - хрустящие зерновые палочки, обладающий хорошими потребительскими свойствами и высокой пищевой ценностью.
Разработаны оригинальные конструкции экструдера для получения экстру-дированных продуктов питания нового поколения и способ автоматического управления экструдером. Продана неисключительная лицензия по патенту № 2172246.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 1999 по 2002 гг.); Могилеве (1999); Юрге (Кемеровская обл., 1999); Калининграде (2000); Тольятти (2001); Тамбове (2002).
Результаты настоящей работы демонстрировались на Международной постоянно действующей выставке «Продторг» и были отмечены дипломами (2001, 2002 г.), на VI международной выставке «АГРОТЕХМАШ-2001» и награждены дипломом участника, а также дипломом Воронежской Торгово-промышленной палаты (2001 г.). Работа отмечена премией для молодых ученых администрации Воронежской области за 2001 г. и стипендией правительства РФ для аспирантов за 2000 - 2001 и 2001 - 2002 учебные годы.
Работа выполнялась на кафедре машин и аппаратов пищевых производств (МАПП) Воронежской государственной технологической академии. Хотелось бы выразить искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Острикову Александру Николаевичу и научному консультанту доктору физико-математических наук, профессору Чернышову Александру Даниловичу за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы, а также признательность коллективу кафедры МАПП за содействие при оформлении диссертации.
Основные компоненты экструдируемого сырья, их физико-химические изменение при экструзии
Современные представления о потребности человека в пище получили отражение в теории сбалансированного питания, согласно которой для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека необходимы не только поступления адекватных количеств энергии, но и соблюдение строго определенного соотношения между многими незаменимыми факторами питания - аминокислотами, минеральными веществами, витаминами, пищевыми волокнами [3, 43, 87].
Горячая экструзионная обработка позволяет качественно и количественно изменять структуру, состав и пищевую ценность экструзионных продуктов. При этом экструзия, как и все типы тепловой обработки пищевого сырья, с одной стороны повышает перевариваемость его компонентов, с другой - вызывает потери питательных веществ [1, 39].
Современная экструзия,в пищевой промышленности находит почти неограниченное применение при изготовлении пищевых изделий из зерновых и других растительных материалов. Весь процесс может быть устроен таким образом, чтобы изделия были получены в виде: полуфабрикатов, продуктов готовых к немедленному употреблению, в прессованном виде, изделия имеют самые различные формы в виды.
Пищевые продукты, полученные экструзионным способом имеют следующие преимущества по сравнению с аналогичными продуктам полученными по традиционным технологиям: они могут иметь самые разнообразные вкусовые оттенки в зависимости от использованных компонентов; обычно имеют постоянное качество, поскольку нет жесткой зависимости от сырья - все физические и вкусовые свойства могут поддерживаться за счет технологии даже при использовании сырьевых компонентов различного происхождения; они менее калорийны, а, следовательно, более полезны для здоровья; поскольку используемое сухое сырье не портится в процессе хранения, свойства конечного продукта всегда стабильны; имеют одинаковую, правильную круглую или овальную форму, что обеспечивает равномерность обжаривания; могут быть гладкими и волнистыми, в форме цветов, звёздочек, и т.д. [38,64,95, 101, 120].
В настоящее время существует несколько концепций формирования микроструктуры экструдатов. По мнению О.В. Смита [134] при переходе биополимеров в вязко-текучее состояние, когда происходит денатурация белков и желатиниза-ция крахмала, макромолекулы биополимеров разворачивается и преимущественно ориентируется под действием сил сдвига в направлении течения расплава биополимеров. Ориентация цепей преимущественно протекает в зоне дозирования, предматричной зоне и непосредственно в матрице. То есть в основе структурооб-разования прежде всего лежит явление ориентации макромолекул под действием сил сдвига.
В.Б. Толстогузовьш было выдвинуто предположение [86, 137], согласно которому в основе формирования микроволокнистой структуры экструдатов лежит явление деформации дисперсных частиц при течении гетерофазного расплава смесей биополимеров.
По мнению Р. Харпера, механизм формирования анизотропной структуры экструдатов следующий: при переходе сырья в вязко-текучее состояние происходит денатурация белка и клейстеризация крахмала, при этом молекулы, под действием сил сдвига, разворачиваются и ориентируются. При охлаждении расплава биополимеров происходит смешивание макромолекул и образование протяженных агрегатов [19].
К числу наименее устойчивых компонентов сырья в процессах экструзион-ной обработки относятся: крахмал, белки, витамины.
Глобулярные белки, содержащиеся в зерновом сырье, устойчивы к действию протолитических ферментов. Это связано с отсутствием в них точек, на которые могли бы действовать ферменты. При экструдировании глобулярная структура белковой молекулы преобразуется в фибриллярную. При этом разворачиваются пептидные цепи и освобождаются группы, способные связываться с ферментами.
В процессе экструдирования при высоких давлениях и температурах создаются условия для так называемой "сухой клейстеризации", или желатинизации крахмала, который является важнейшим источником энергии для живого организма. Около 55 % калорий, потребляемыми организмом, должны обеспечиваться углеводами, причем крахмал составляет 30 % [84]. Молекулы крахмала подвергаются максимальной деструкции в процессе выхода продукта из экструдера. Вода из состояния перегретой жидкости мгновенно превращается в пар, разрушая при этом молекулы амилозы и амилопектина до декстринов и Сахаров. В результате гидротермической обработки в экструдатах резко снижается содержание крахмала с соответствующим увеличением содержания водорастворимых Сахаров и декстринов, улучшается атакуемость крахмала глюкоамилазой, что обеспечивает высокую питательную ценность готовых продуктов [84].
Витамины в большинстве своем являются термонестабильными веществами, и на степень их сохранности или разрушения. Оказывают влияние такие факторы, как температура обработки, качество сырья, его влажность, давление, частота вращения шнеков, уровень загрузки экструдера, диаметр отверстий матрицы. Установлено, что сохраняемость витаминов Bj и В2 возрастала с уменьшением продолжительности обработки сырья и при увеличении его влажности. Повышение влажности сырья улучшает сохраняемость витаминов, так как способствует снижению температуры обработки и сокращению ее продолжительности. Размер отверстий матрицы и температура обработки, как показала экструзия обрушенного и цельного зерна тритикале, также влияют на количество витаминов в продукте. С увеличением диаметра отверстий возрастает сохранность витамина В]. На содержание витамина В2 не влиял диаметр матриц [1, 34].
В растительном сырье в значительном количестве представлен труднопе-ревариваемый углевод - клетчатка [96]. Обработка клетчатки в экструдере изменяет ее физико-химические свойства и физиологические качества. Кроме того, по некоторым данным при обработке растительного сырья при помощи экструзии в жестких условиях (высокая температура, низкая влажность сырья) содержание диетической клетчатки заметно возрастает.
В настоящее время большое значение придается созданию пищевых продуктов на основе пищевых волокон, обладающих диетическими и лечебно-профилактическими свойствами. Пищевые волокна (ПВ) выводят из организма некоторые метаболиты пищи и загрязняющие вещества, регулируют физиологические процессы в органах пищеварения, обеспечивают профилактику многих заболеваний человека, (сахарного диабета, атеросклероза и др.) [18]. Продукты с повышенным содержанием ПВ рекомендуются для профилактического употребления при недостатке витаминов и биологически активных компонентов пищи, при физических и интеллектуальных напряжениях в период выздоровления, при беременности и лактации, с целью корреляции веса.
Рядом исследований [35, 63, 78, 96, 115] показано, что при экструзионной обработке растительного сырья происходят изменения в составе и свойствах компонентов, определяющих пищевую и биологическую его ценность - в белках, углеводах, жирах, витаминах. Глубина этих изменений определяется параметрами экструзии.
При наличии белков они образуют связанный каркас, который в дальнейшем разрушается. Происходит денатурация белков. Как уже отмечалось выше при выходе из фильеры при горячей экструзии наблюдается вспучивание экструдируе-мой массы [96].
Различными исследованиями показано, что горячая экструзия крахмалосо-держащего сырья сопровождается не только декстринизацией крахмала, денатурацией белков и образованием пористой структуры экструдата, но и инактивацией антипитательных веществ и практически полной стерилизацией экструдируе-мого материала. Все это способствует повышению его питательной ценности.
В процессе экструзионной обработки крахмалосодержащего сырья наибольшие изменения происходят с его углеводным комплексом. Рядом авторов [1, 66-69, 83, 102, 111, 127] показано, что имеет место интенсивная декстринизация и желатинизация крахмала с образованием крахмального геля, декстринов и саха
Обоснование выбора рецептурных компонентов
При выборе рецептурного состава зерновой смеси гречихи и сои учитывали ряд факторов. Во-первых, необходимость максимального обогащения экструдиро-ванного продукта, в основном содержащем углеводы, белками и минеральными веществами для достижения их лечебно-профилактической или физиологической дозы. Во-вторых, достижение приятного вкуса и привлекательной структуры, характерной для продуктов данного класса. Также стоит отметить, что именно внешний вид является одним из основных факторов при выборе потребителем продуктов питания, поэтому необходимо наряду с развитой структурой экструдатов стремиться к получению сбалансированных по пищевой ценности продуктов.
Включение растительных белков в пищевые продукты с целью повышения их содержания в рационах, замены традиционных белков или создания новых видов продовольственных товаров и кулинарных изделий должно удовлетворять определенным требованиям с точки зрения гигиены и питательности [71].
При производстве экструдированных продуктов представляющих собой смеси биополимеров существует определенная связь между их составом, структурой и питательными свойствами смеси определяемая технологическими параметрами процесса. Причем именно характер образующейся микроструктуры экструдатов определяет глубину преобразований биополимеров в процессе их переработки. Так экструзионные продукты питания, содержащие преимущественно крахмал, могут иметь изотропную или анизотропную (пористую) микроструктуру, а продукты, основным компонентом которых являются белки, характеризуются анизотропной (волокнистой) структурой [83].
Величина коэффициента вспучивания экструдатов полученных на основе крахмалосодержащего сырья в два раза больше, чем у белковых экструдатов. Такое поведение коэффициента вспучивания обусловлено тем, что при содержании 60...80 % крахмала в экструдатах происходит переход от непрерывной фазы крахмала наполненной дисперсными частицами белка, к непрерывной белковой фазе, наполненной дисперсными частицами крахмала. меров. Причем, область составов, отвечающая инверсии биополимеров, практически не зависит от скорости сдвига при течении расплава в диапазоне 50...2700 с"1 [142].
Свойства экструдатов, в этом диапазоне, определяются как крахмальной, так и белковой фазами, то есть мы получаем продукт обладающей признаками и пористой и волокнистой микроструктуры. При этом достигается максимальная неоднородность экструдата, что сказывается на некотором снижении механической прочности.
Серия экспериментов проводилась в вышеуказанном диапазоне содержания крахмала и белка с шагом 5 %, что соответствует содержанию гречихи и сои от 2:1 до 10:1 (табл. 2.1). Экструдаты анализировали по органолептическим и физико-химическим показателям, таким, как коэффициент вспучивания, растворимость и объемная масса. Во всей серии поддерживались одинаковые параметры экструзии. Результаты исследований приведены на рис. 2.4.
Таким образом, при содержании крахмала в количестве 70 %, наблюдается переход от растворимости экструдата в дистиллированной воде к дис-пергрированию им влаги, достижение локального минимума объемной массы и достаточно высокий коэффициент вспучивания
Рис. 2.4. Зависимость коэффициента вспучивания (В) и экструдата.объемной массы (р) экструдата от содержания крахмала
Определяющее влияние на протекание процесса экструзии и качество получаемого продукта оказывают реологические свойства материалов, которые в свою очередь, зависят от таких параметров экструзионного процесса, как влажность исходного сырья, температура экструзии и др.
В связи с этим представляло интерес проведение экспериментального изучения зависимости реологических свойств (напряжения сдвига и вязкости) зерновой смеси от ее влажности, температуры экструзии и применение выявленных зависимостей для выбора рационального технологического процесса и расчета формующего инструмента экструдера с целью получения экструдатов высокого качества.
Особый интерес представляет определение влияние температуры на эти свойства, так как в производственных условиях при стандартной рецептуре регулирование процесса экструзии практически может осуществляться только изменением температурного режима. Также необходимо знать к какому классу реологических тел относиться исследуемый продукт, что позволяет воспользоваться математическими зависимостями, найденными ранее для данного класса тел.
Зерновая смесь гречихи и сои при давлениях развиваемых в экструдере (до 8 МПа) и высоких температурах (до 453 К) представляет собой в предматричной зоне экструдера расплав продукта, поведение которого в достаточной мере хорошо можно смоделировать при помощи капиллярного вискозиметра.
С этой целью была проведена серия экспериментов на капиллярном вискозиметре "Полимер-К-1" (рис. 2.5 - 2.6), технические данные которого приведена ниже:- диапазон измерения усилия продавливания исследуемого материала 49-19600 Н±3 %- диапазон изменения температуры в рабочей камере..333-773 К ± 1 %
Математическая модель движения вязкой жидкости в пред-матричной зоне двухшнекового экструдера
Для решения поставленной задачи предматричная зона экструдера нами была представлена в сферической системе координат в виде усеченного конуса, через который продавливается экструдируемая смесь. Основание конуса находится на границе зоны дозирования и предматричнои зоны экструзионнои машины, а усеченная часть соответствует месту входа расплава экструдата в формующий канал матрицы (рис. 3.1). Процесс будем считать изотермическим.
Все рассмотрения будем производить в сферической системе координат с координатами г, в, q .На рис. 3.1 показано расположение неподвижной системы координат: ось г ориентирована по оси матрицы в направлении противоположном движению продукта, координата в изменяется в направлении от оси симметрии до внутренней стенки матрицы в интервале [0, а], координата р изменяется в круговом направлении относительно оси симметрии в интервале [0, 360]. Центр сферической системы координат выбран в плоскости входа расплава экструдата в формующий канал матрицы.Таким образом, рассматриваемая задача сводиться к движению вязкой жидкости в коническом канале под действием переменного перепада давления при постоянной температуре.
Для получения уравнения расхода вязкой жидкости при продавливании ее через конус воспользуемся расчетной схемой (рис. 3.2). Определим расход расплава через элементарный кольцевой участок d0. Площадь участка составляетрасход расплава через элементарный участок
Интегрируя уравнение (3.8), в пределах ]р;а}\ получим уравнение расходажидкости через конус в сферической системе координат
Предматричную зону (рис. 3.2) условно разделим на две зоны в зависимости от положения наконечника шнека: I зона - течение реологической жидкости происходит в конусе, без воздействия наконечника шнека; Н зона - течение происходит между двумя коаксиальными конусами.тензора напряжений xi} и тензора скоростей деформаций ё с учетом реологических свойств несжимаемой жидкости определяется выражением
При изучении полей скоростей и закона распределения давления в движущейся среде можно принимать течение установившимся и не учитывать массовые силы и силы инерции из-за довольно высокой вязкости исследуемой смеси. Таким образом, процесс движения в предматричной зоне экструдера представляется моделью массопереноса движущейся среды в усеченном конусе (рис. 3.1).Математическая модель включает в себя [31]: условие несжимаемости
Применительно к процессам течения вязкой жидкости такие характеристики процесса, как вязкость ц идавление Р являются скалярными величинами, скорость движения жидкости & - векторной величиной, а напряжение сдвига т, возникающее в результате действия вязких сил, определяется симметричным тензором второго ранга.
Связь между компонентами Граничное условие прилипания на неподвижной стенке матрицыГраничное условие на наконечнике шнека во II зоне матрицы (рис. 3.2) основывается на следующем предположении: движение элементарного элемента массы по наконечнику шнека происходит под действием касательного усилия над& сдвиг, имеющего вид х — преодолевающего усилие препятствующее переменищению элемента массы и прижимающее его к шнеку, выражающаяся как разностьдавлений (р -pi), таким образом получимгде р - давление расплава экструдата в произвольной точке матрицы; р} - давление на бесконечном удалении от вершины конуса (в нашем случае давление развиваемое на последних витках шнеков); % - эмпирический коэффициент, имеющий порядок и размерность коэффициента вязкости, но учитывающий также адгезионные свойства реологической жидкости при соприкосновении ее с наконечником шнека.
Общая постановка задачи моделирования процесса экструзии вязкой среды характеризуется классическим подходом к решению обозначенной проблемы с учетом особенностей исследуемой пищевой среды: например зерновой смеси гречки и сои (реологических характеристик смеси и граничных условий).
Приведенный выше ряд является сходящимся, и определяет функцию, которая будет аналитической при условии \z\ J. Эту функцию обозначимF{a;b;c;z). Известно 24 выражения заключающих в себя гипергеометрические ряды, являющихся решением гипергеометрического уравнения. Из общей теории дифференциальных уравнений второго порядка известно, что только два из них могут быть линейно независимыми. Выберем два частных решения F} и F2 для ряда (3.61), удовлетворяющих корням уравнения (3.60)
Определение биологической ценности экстру дата
Аминокислотный состав пищевых продуктов - необходимая информация и важный критерий для определения их биологической ценности.
Для определения биологической ценности экструдата исследовано содержание в нем аминокислот. В настоящее время распространенным методом количественного определения аминокислот является метод ионообменной хромото-графии, принцип которого лежит в основе работы автоматических аминоанализа-торов. В основе разделения смеси аминокислот методом ионообменной хроматографии лежит способность к ионизации в них групп, обуславливающих суммарный положительный или отрицательный заряд, величина которых зависит от рН среды. Результаты исследований регистрируются по окончании цветной реакции в форме пиков абсорбции света элюатом из колонки. По расположению пиков судят о наличии индивидуальных аминокислот в гидролизате, в по площади пиков -об их количественном содержании.
Оценку аминокислотной сбалансированности и биологической ценности продуктов проводили по следующим показателям коэффициент различия аминокислотного скора (КРАС); биологическая ценность (БЦ) пищевого белка [3].
Для сравнения и соответственно оценки биологической ценности экструдата параллельно приводим данные (табл. 4.3) по аминокислотному составу гречихи и сои [97]. где A j - массовая доля у-той незаменимой аминокислоты в исследуемом продукте, г/ 100 г белка; Аа- - массовая доля у-той незаменимой аминокислоты, соответствующая физиологически необходимой норме (эталону), г/ЮОг белка.
Коэффициент различия аминокислотного скора (КРАС) рассчитывали по формуле где Cj — скору-той незаменимой аминокислоты оцениваемого белка по отношению к физиологической норме (эталону); Cmi„ - минимальный скор незаменимой аминокислоты оцениваемого белка по отношению к физиологической норме (эталону).
Величина показывает среднюю величину избытка аминокислотного скора незаменимых аминокислот по сравнению с наименьшим уровнем скора какой-либо незаменимой аминокислоты. КРАС показывает избыточное количество незаменимых аминокислот, не используемых на пластические нужды.
Сравнительная характеристика аминокислотного состава зерновых палочек и эталонного белка по шкале ФАО/ВОЗ приведена на рис 4.1.Рассчитанные значения биологической ценности и КРАС зерновых палочек и их сравнительная характеристика с кукурузными палочками приведены на рис. 4.2.
Таким образом, можно сделать вывод, что полученные хрустящие зерновые палочки обладают высокой биологической ценностью (рис. 4.1), сбалансированы по составу незаменимых аминокислот (рис. 4.2), оптимизированы по критерию "коэффициент различия аминокислотного скора" по сравнению с идеальным бел Одним из основных требований к продуктам питания, помимо высоких потребительских свойств, является сбалансированность их состава. Современные представления о количественных потребностях человека сформулированы в концепции сбалансированного питания [3], согласно которой, в процессе деятельности человек нуждается в определенных количествах энергии и комплексе пищевых веществ.
Соотношение компонентов в "идеальном" продукте, обоснованное Институтом Питания Академии медицинских наук РФ в сравнении с составом полученного нами экструдата представлено на рис. 4.3. Как видно из диаграммы, за счет потребления 100 г хрустящих зерновых палочек можно удовлетворить суточную потребность в белке на 29,7 %, углеводах - 69,2 %, минеральных веществах - 36 %.
Сравнительный анализ полученных результатов показал, что при достаточно высоком содержании белков, углеводов, витаминов и минеральных веществ готовый продукт беден жирами, минеральными веществами и витаминами. Невысокое содержание жиров и минеральных веществ обусловлено небольшим их содержанием в исходной смеси. В экструдате были обнаружены следы водорастворимых витаминов (группы Вь В2, С), жирорастворимые витамины (группы A, D, Е, РР) лучше сохраняются в экструдате, но также в незначительном количестве.
Анализ диаграммы показал, что экструдированный продукт соответствует формуле сбалансированного питания, так как содержание основных компонентов, определяющих пищевую ценность продукта, находится на достаточно высоком уровне.
Таким образом, на основании полученных результатов сделаны следующие выводы:- экструдированные зерновые палочки отличаются сбалансированностьюсостава, обладают хорошими потребительскими свойствами и имеют высокуюбиологическую пищевую ценность;- учитывая низкую влажность экструдата и соответственно перспективы его длительного хранения увеличение содержания жира в нем нецелесообразно;- обогащение продукта можно осуществлять за счет введения в состав рецептурной смеси витаминной добавки.
