Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии производства коэкструдированных продуктов питания . 12
1.1. Основы теории и краткий обзор экструзионной техники 12
1.2. Технологии получения экструдированных продуктов питания 29
1.3. Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в кольцевом формующем канале экструдера . 43
1.4. Компоненты зерновой смеси как объект исследования 46
1.5. Анализ литературного обзора и задачи исследования 50
Г лава 2. Теоретические и экспериментальные исследования процесса коэкструзии зерновых продуктов 53
2.1. Обоснование содержания компонентов в зерновой смеси 53
2.2. Исследование смеси кукурузной, пшеничной и люпиновой круп методами термического анализа 60
2.3. Экспериментальная установка и методика проведения исследований 64
2.4. Исследование реологических характеристик расплава зерновой смеси в формующем канале экструдера 70
2.5 Влияние гранулометрического состава компонентов на характер протекания процесса экструзии 76
2.6. Кинетика процесса экструзии зерновых продуктов с начинкой 79
Глава 3. Математическое моделирование течения расплава продукта в кольцевом формующем канале экструдера с подачей начинки в центральную зону 88
3.1. Теоретические основы моделирования движения вязкой жидкости 88
3.2. Моделирование течения расплава биополимера в кольцевом канале с подачей в центральную зону начинки 90
3.3. Результаты проведения моделирования 106
3.4. Проверка адекватности математических моделей 116
Глава 4. Разработка способа производства коэкструдированных зерновых палочек и новых конструкций экструдеров 119
4.1. Разработка способа производства коэкструзионных зерновых палочек 119
4.2. Исследование качественных показателей коэкструдированных продуктов 123
4.2.1. Методы исследования физико-химических свойств образцов.. 123
4.2.2. Анализ качественных показателей коэкструдированных палочек 126
4.2.3. Определение микробиологических показателей экстру дата... 130
4.2.4. Анализ пищевой ценности разработанного экструдированного продукта 131
4.3. Разработка новых конструкций экструдеров 132
4.3.1. Разработка конструкции шнекового экструдера для производства продуктов с начинкой 133
4.3.2. Двухшнековый экструдер 138
4.3.3. Разработка конструкции экструзионной плоскощелевой головки с регулируемым профилем формующего канала 144
Основные выводы и результаты 149
Литература 151
Приложение 165
- Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в кольцевом формующем канале экструдера
- Исследование смеси кукурузной, пшеничной и люпиновой круп методами термического анализа
- Моделирование течения расплава биополимера в кольцевом канале с подачей в центральную зону начинки
- Исследование качественных показателей коэкструдированных продуктов
Введение к работе
В настоящее время одним из основных направлений в пищевой промышленности является изготовление продуктов повышенной пищевой и биологической ценности, обогащенных определенным функциональным компонентом (белком, жирами, витаминами и т. д.). В полной мере это перспективное направление реализуются при производстве готовых к употреблению снековых продуктов, изготавливаемых при помощи термопластической экструзии. На сегодняшний день с помощью этого процесса возможно получение широкого ассортимента изделий практически из любого сырья растительного и животного происхождения, что позволяет характеризовать этот процесс как универсальный.
С помощью экструзии возможно осуществление комплексной обработки исходного сырья, заключающееся в совместном воздействии температуры, давления и сдвиговых усилий, создаваемых рабочим органом экструдера. При этом время обработки сырья весьма мало, что позволяет сохранять термолабильные вещества в продукте, а возможность переработки широкого ассортимента исходного сырья вызвала значительный интерес среди производителей пищевых продуктов. Кроме того, экструдер может заменить целый комплекс машин и механизмов, необходимых для производства продуктов, что обеспечивает большой экономический эффект производства. Его использование позволяет сделать процесс непрерывным, легко контролируемым, универсальным по видам перерабатываемого сырья и готовых продуктов.
Основным компонентом сырья, используемого в различных экструзион-ных технологиях, является высокомолекулярный природный полимер - крахмал. Он в больших количествах содержится практически во всех зерновых культурах и продуктах их переработки, в меньшей степени его содержится в зернобобовых культурах с высоким содержанием белка. Широкое распространение таких продуктов на территории РФ свидетельствует о большой продовольственной базе, на основе которой возможно создание новых перспективных продуктов с задан-
ными свойствами и структурой. Они могут использоваться в виде одного из следующих направлений:
в виде готовых к употреблению пищевых продуктов функциональной направленности (диетические продукты, витаминизированные продукты, сухие завтраки и т. д.);
в виде полуфабрикатов для производства готового продукта (пеллеты);
в виде косвенных продуктов для пищевых производств (модифицированные крахмалы, биологически разрушаемые полимеры и др.).
Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие зарубежные и отечественные ученые как: Е.С. Bernhardt, J.F. Carley, Ch.I. Chung, E. Co-lonna, C.H. Jepson, S.H. Alavi, B.H. Maddock, LP. Melcion, С Mercier, R.S. Mal-louk, P. Linko, J.M. McKelvey, W. Seibel, G. Shenkel, R.A. Strub, Z. Tadmor, M. Williams, A.H. Богатырев, A.B. Бурцев, И.Э. Груздев, А.И. Жушман, В.Г. Карпов, Г.И. Касьянов, Л.П. Ковальская, Е.К. Коптелова, Г.М. Медведев, А.Н. Ост-риков, В.П. Первадчук, В.А. Силин, Р.В. Торнер, И.Б. Хейфец, Н.П. Черняев, В.П. Юрьев, В.И. Янков и др.
Основным направлением развития пищевой промышленности является интенсификация технологических процессов, заключающаяся в изменении физико-химические свойств сырьевых материалов путем сложного комбинированного воздействия на них рабочими органами аппаратов [1, 12, 26, 32, 53, 79, 123, 125-127,130-132].
Основной технологической машиной в производстве экструдированных изделий является экструдер (шнековый, дисковый, валковый, поршневой и т. д.), конструктивное оформление которого в зависимости от технологических требований может быть разнообразным [19, 50, 64, 67, 86, 108]. Наибольшее распространение получили шнековые экструдеры, что, в первую очередь, связано с их универсальностью и высокой производительностью.
Увеличение интереса к экструзионной технологии породило большое количество конструкторских решений, позволяющих стабилизировать параметры
процесса, расширить диапазон изменения рабочих характеристик, увеличить ассортимент выпускаемых на одной машине изделий.
Лидирующие позиции на мировом рынке экструзионной техники в настоящее время занимают следующие отечественные и зарубежные фирмы: ООО «Апрель», «Тронка-Агротех», 000 «Арсенал», 000 «ВЭС», Anderson, APV Baker, «Baker Perkins», «Buhler» AG, «Buss», «Cincinnati», «Clextral», «Crezaux-Loire», «Extru-Tech» Inc, «Insta-Pro», «Guar Group», «Kovan», «Maddox», «N.P. & Company» Inc, «Pagani», «Simon Food Engineering», «Sprout-Bauer», «Shaaf Tech-nologue», «Toshibe», «Walter», «Weber», «Wenger», «Werner & Pfleiderer». Ими представлено более 1000 моделей экструдеров различных типов [1, 7, 8, 12, 25 45,59,63-67,94,98,106,113].
Рынок экструдированных продуктов в России стал формироваться относительно недавно, в то время как за рубежом подобные продукты для многих давно являются частью повседневного рациона. Наибольшее развитие этого направления приходится на последние 10 лет. За этот период потребление экстру-датов в России выросло в несколько раз. Значительно увеличилось количество торговых марок, представленных на нашем рынке, как отечественных, так и зарубежных. Заполнение российского рынка экструзионных продуктов породило серьезную конкуренцию среди производителей, что явилось стимулом для появления новых технологий, продуктов и направлений в этой области. Необходимо отметить, что в последние 1,5-2 года рынок экструзионных продуктов перешел от экстенсивного к интенсивному развитию, т. е. рост рынка обеспечивается не увеличением объемов производства одного конкретного вида продукта, а разработка новых видов продукции и переключение потребителей на эти новинки.
Сейчас основными потребителями экструдированных продуктов являются покупатели в возрасте 10... 15 лет, в несколько меньшей степени - 16...34 лет. Кроме того, можно выделить отдельные сегменты продуктов, ориентированные не только на возрастные группы, но и обладающие функциональными свойствами. Так, например, ряд марок хлопьев и «Muesli» получили наибольшее призна-
ниє среди покупателей-женщин, строго следящих за пищевой ценностью составляющих своего дневного рациона. Такие продукты при относительно низкой калорийности позволяют сохранять ощущение сытости в течение длительного срока.
Отдельным сегментом на рынке экструзионных продуктов являются ко-экструдированные продукты. Это продукты, состоящие из зерновой оболочки, внутри которой находится начинка (жировая, белковая, фруктовая или ароматизированная). Коэкструдаты являются самыми «молодыми» на отечественном рынке, их освоение в России началось приблизительно лишь в 90-х годах 20-го столетия. Это связано со спецификой технологии их производства и более сложным конструктивным оформлением оборудования. В настоящее время увеличение интереса крупнейших производителей к коэкструдированным продуктам обусловлено возможностью привлечь потребителя за счет расширения ассортимента функциональных новинок. Об этом свидетельствует ежегодное увеличение объемов производства на 15-17%. На сегодняшний день среди готовых завтраков подушечки и трубочки с начинкой занимают второе место и уступают лишь кукурузным хлопьям. Следовательно, коэкструдаты могут занять свое место среди кондитерских изделий, что увеличит общее число потребителей и повысит прибыли производителя.
Из приведенных данных следует, что экструзия пищевых продуктов является достаточно прогрессивным способом получения качественных продуктов питания. К ее основным преимуществам можно отнести гибкость технологических схем, высокую производительность при малых габаритах оборудования, непрерывность процесса и сравнительно низкую себестоимости продукции. Однако в России эта технология пока еще не нашла широкого развития и требует целого ряда комплексных мер для успешного освоения потребительского рынка пищевых продуктов. В первую очередь это связано с тем, что в перерабатывающих отраслях промышленности экструдирование является недостаточно изученным процессом. Причиной этого является недостаточная технологическая база
для разработки и создания универсальных экспериментальных установок и дефицит теоретических знаний о закономерностях протекания процесса, что препятствует выбору оптимальных технологических параметров экструзионной обработки различного растительного сырья.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ВГТА на 2006-2010 гг. «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» (№ гос. регистрации 0120.0 603139).
Цель и задачи диссертационной работы: разработка способа и моделирование процесса получения коэкструдированных продуктов с введением начинки в формующий узел экструдера; создание на основе разработанного способа оригинальных конструкций экструдеров.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
моделирование процесса течения пищевой среды в формующем кольцевом канале с подачей в центральную часть начинки;
определение форм связи влаги и условий терморазложения экструди-руемой смеси;
изучение закономерностей изменения реологических характеристик расплава биополимера в формующем канале экструдера;
исследование основных закономерностей процесса экструзии зерновой смеси и выбор рациональных параметров процесса на одношнековом экструдере;
определение биологической, энергетической и пищевой ценности коэкструдированных зерновых продуктов;
разработка способа производства зерновых коэкструзионных палочек и новых конструкций экструдеров для его осуществления;
проведение промышленной апробации и производственных испытаний предлагаемых разработок.
Научная новизна. На основании проведенных исследований, обобщения и анализа разработан способ производства экструдированных зерновых продуктов с начинкой. Изучено влияние условий экструдирования пищевой смеси на закономерности протекания процесса, что позволило разработать и провести промышленную апробацию научно обоснованных режимов экструзии.
Определены реологические показатели зерновой смеси на основе люпина узколистного, перемещающейся в виде расплава в кольцевом формующем канале экструдера. Подтверждено, что изменение реологических характеристик расплава зерновой смеси подчиняется закону Оствальда-де-Виля.
Проведены исследования влияния гранулометрического состава зерновой смеси на качество получаемого продукта, в результате которого определена оптимальная область размеров частиц, позволяющая получать продукт с заданным коэффициентом расширения.
Методом дифференциально-термического анализа определены формы связи влаги с продуктом и условия терморазложения компонентов зерновой смеси оболочки, что позволило выявить допустимый диапазон температур нагрева продукта и обосновать выбор оптимальной температуры.
Выявлены закономерности изменения основных технологических параметров в зависимости от влажности исходной смеси, частоты вращения шнека, геометрии формующего канала и распределения температуры по зонам рабочей камеры. На основании полученных результатов были определены регрессионные уравнения, описывающие изменения каждой величины в исследуемом диапазоне изменения параметров процесса.
Разработана математическая модель, описывающая ламинарное движение расплава биополимера в кольцевом формующем канале экструдера. В результате проектирования были определены поля скоростей и изменение давления в заданной области.
Новизна работы подтверждена патентами РФ № 2251485, 2252871, 2266005, 2277363, 2284914.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны оригинальные конструкции экструдеров для получения продуктов питания нового поколения и способ получения коэкструзионных палочек из зерновой смеси, состоящей из люпина узколистного, кукурузы и пшеницы, а так же определены рациональные параметры процесса ее переработки.
Получены коэкструдированные зерновые палочки на основе люпина узколистного, обладающие хорошими потребительскими свойствами и высокой пищевой ценностью.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (2004-2006 гг.), Могилеве (2004, 2005 гг.), Казани (2004 г.), Тамбове (2005 г.), Калининграде (2006 г.), Москве (с 2004-2006 гг.), Белгороде (2006 г.).
Результаты настоящей работы представлены на конкурсах и отмечены дипломами:
Диплом победителя конкурса «Инновации - 2005» в рамках 20-й межрегиональной специализированной выставки «ПРОДТОРГ» за проект «Перспективная технология для производства экструдированных продуктов нового поколения», г. Воронеж, 2005 г.;
Диплом в рамках И-ой Всероссийской выставки-ярмарки научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации «ИН-НОВ-2005» за проект «Разработка экструдеров для производства продуктов нового поколений», г. Новочеркасск, 2005 г.;
Диплом победителя конкурса «Инновации - 2005» в рамках 2-й многоотраслевой торгово-промышленной выставки-ярмарки межрегионального сотрудничества «Воронежская область - ваш партнер!» за проект «Разработка ресурсосберегающей технологии производства экструдированных продуктов», г. Воронеж, 2005 г.;
Диплом в рамках выставки «Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности», посвященной 75-летию Воронежской государственной технологической академии за проект «Разработка технологии и оборудования для производства поликомпонентных экструдированных продуктов», г. Воронеж, 2005 г.;
Благодарность за участие в конкурсе «Золотой Лев» в области науки и техники за проект «Научное обеспечение производства функциональных продуктов нового поколения», г.' Воронеж, 2006 г.
По результатам работы получена стипендия Президента Российской Федерации на 2006/2007 учебный год.
Работа выполнялась на кафедре процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) Воронежской государственной технологической академии. Хотелось бы выразить благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Острикову Александру Николаевичу за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы, а также признательность ГНУ ВНИИ люпина и лично и.о. директора М.И. Лукашевич за предоставленное для проведения опытов сырье.
Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в кольцевом формующем канале экструдера
Моделирование течения в каналах технологического оборудования с различным поперечным профилем изучается уже более ста лет. Наиболее исследованным является процесс течения разных сред в цилиндрических и плоских формующих каналах. Исследованию движения расплава в каналах иного профиля посвящен ряд работ ведущих ученых [1,3-6, 10, 11, 15, 29, 54, 69 -71,101,110,112,116,117]..
Основным назначением формующего канала является создание противодавления в предматричной зоне и придание обрабатываемому материалу необходимого профиля поперечного сечения с обеспечением требуемой производительности экструдера. Как правило, процессы в формующем канале можно рассматривать как чисто гидродинамические, характеризующиеся ламинарным режимом движения вследствие большой вязкости расплава обрабатываемого продукта.
В работе [30] представлена модель течения вязкой неньютоновской жидкости, подчиняющейся реологическому закону Оствальда-де-Вилля. Изменение напряжения сдвига в поперечном сечении кольцевого канала описывается выражением вых и пищевых целях выведены малоалкалоидные и безалкалоидные сорта люпинов, безвредные для людей и животных. В настоящее время разработаны технические условия на продовольственный люпин, подтверждающие его соответствие требованиям, предъявляемым к пищевым бобовым культурам. В частности разработано ТУ 9716-001-11951678-2003, Гигиеническое заключение № 57.01.01.000.Т.000094.09.03 от 16.09.2003 г., выданное Центром Госсанэпиднадзора Минздрава РФ по Орловской области от 20.12.2003 г. В России изучением люпина занимается ГНУ ВНИИ люпина г. Брянск. Разработанная ВНИИ документация на пищевую безопасность люпина прошла аттестацию и имеет статус Государственной регистрации. Именно этот люпин был предоставлен сотрудниками ВНИИ для проведения серии экспериментов. В настоящее время люпин продовольственный применяется в виде муки для хлебопекарной, макаронной, кондитерской, мясоперерабатывающей, сыродельной и других отраслей пищевой промышленности [35, 36, 39].
Из однолетних культурных видов люпина пищевое значение имеют люпин желтый (L. luteus L.), люпин узколистный (L. angu-stifolius L.) и люпин белый (L. albus L.). Люпин желтый широко распространен в Белоруссии, Прибалтийских республиках, в Нечерноземной зоне, лесостепной части Украи Рис. 1.33. Семена люпина «полистногоны и в центральных ооластях России.
Люпин белый теплолюбивый и засухоустойчивый, поэтому его выращивают в Закавказских республиках, а также в Полесье Украины. Семена люпина (рис. 1.33) внешне схожи с семенами сои и имеют приблизительно такое же количество белка (31...33 % сырого протеина), который по составу близок животному белку. Люпин незначительно уступает сое по биологической ценности (64,0...80,0 %у сои и 67,0....78,0 у люпина). В связи с этим люпин ино гда называют «северной соей».
Однако если сравнивать люпин и сою по функциональным показателям, то он имеет ряд существенных преимуществ перед соей. Содержание жиров в люпине почти в 4 раза меньше (5,8...6,0 %), что способствует более равномерному протеканию процесса экструзии и длительному хранению полученных продуктов. Белок люпина обладает наибольшей перевариваемостью среди бобовых культур (КП = 80...89 %). Содержание фитостерола (компонента растительных клеток, снижающего уровень холестерина в крови) в 1,6 раза выше, чем у сои (78,6 мг/100 г и 50 мг/100 г соответственно). Поэтому люпин является более полезным видом сырья. Кроме того, содержание нежелательных соединений (алкалоидов) в семенах люпина не превышает 0,04 %, что свидетельствует о безопасности его использования даже без предварительной термической обработки.
В качестве второго компонента смеси была выбрана кукуруза, содержание жира в которой не превышает 4 %, а крахмала не менее 55 %.
Кукуруза относится к семейству злаковых - мятликовых, к группе просо-видных хлебов [63]. Различается кукуруза в зависимости от консистенции эндосперма зерна (мучнистая, роговидно-стекловидная), степени развития роговидной части и внешнего вида, кукуруза подразделяется на подвиды: зубовидная, кремнистая, полузубовидная, крахмальная, лопающая и сахарная.
В зерне кукурузы много провитамина А (каротина). В настоящее время селекционеры получили сорта и гибриды кукурузы с высоким содержанием лизина и триптофана. В состав кукурузы входит клетчатка 1,5 %, зола 1...2 % и вода 14%.
В соответствии с ботаническими особенностями зерна в стандарте на кукурузу, она подразделяется на девять типов: зубовидная (желтая и белая); кремнистая (желтая и белая); полузубовидная (желтая и белая); лопающая (желтая и белая) и восковидная.
Исследование смеси кукурузной, пшеничной и люпиновой круп методами термического анализа
Пищевая экструзия связана с частичным удалением влаги из материала. В ходе процесса под действием значительных скоростей сдвига, высоких температуры и давления происходит переход механической энергии в тепловую, что приводит к различным изменениям в качественных показателях перерабатываемого сырья. При этом в результате разности температур и давлений внутри рабочей камеры экструдера и окружающей среде происходит высвобождение воды, содержащейся в данном продукте и определяющей характер протекающих в нем процессов.
Для получения информации о кинетике процесса термолиза пищевой экструзионной смеси используем методы термического анализа: дифференциальный термический анализ и термогравиметрию [73, 102]. В основе термических методов анализа лежит наблюдение за свойствами исследуемого образца в заданной атмосфере в зависимости от времени [40].
Исследование закономерностей теплового воздействия на поликомпонентную зерновую смесь исследовали методом неизотермического анализа на дериватографе системы «Паулик-Паулик-Эрдей» в атмосфере воздуха. Исследование проводили в кварцевых тиглях с общей массой навески 243 мг. Объектом исследования являлась смесь, состоящая из 38 % кукурузы, 33 % пшеницы и 28 % люпина узколистного. Влажность смеси 19,5 %. Все компоненты предварительно подвергались шелушению и измельчению до размеров 0,20-0,73 мм. В качестве эталона использовали AI2O3, прокаленный до 1773 К.
Режим записи дериватограмм определяли с учетом методики [21]: чувствительность гальванометра DTA - 1/5, чувствительность гальванометра DTG -1/10, чувствительность гальванометра TG- 100 мг, скорость изменения температуры нагрева печи составляла 3 К/мин, максимальная температура нагрева 473 К. Регулировочное устройство давало возможность равномерного нагрева печи, что обеспечивало воспроизводимость результатов с заданной точностью.
Характерной особенностью термического разложения исследуемой смеси в процессе экструзии является локализация реакционной зоны на поверхности раздела фаз [40]. Такая поверхность образуется и изменяется в результате самого процесса. Эти изменения обуславливаются необычно сложным характером макрокинетики процесса [55]. При экструдировании указанной смеси происходит разогрев исходного сырья до 403...413 К. В результате процесс дегидратации складывается из серии сложных реакции, в ходе каждой из которых можно выделить три стадии: подвод теплоты к поверхности продукта, химическая реакция на поверхности и отвод продуктов реакции от границы раздела фаз.
Метод динамической термогравиметрии заключается в измерении потери массы вещества при изменении температуры и позволяет проследить за ходом превращения вещества в процессе нагревания. В термогравиметрии регистрируется изменение массы образца в зависимости от температуры и времени (кривая TG на рис. 2.5).
Полученная кривая TG в координатах а-Т имеет -образный вид (рис. 2.6), отражающий характер взаимодействия влаги и сухих веществ продуктов,
Таким образом, кривые зависимости степени изменения массы вещества от температуры позволяют изучить различные, кинетически неравноценные формы связи влаги и отражают различную скорость ее удаления. Для получения данных о механизме удаления влаги на основе определения температур ного интервала и количества влаги, удаляемой из продукта с одинаковой скоростью, строили кривую в координатах (-Iga; 1(?/Т).
Зависимость -Iga от величины 107Г выполнена для интервала от 293 до 418 К, так как именно в этом температурном интервале наиболее интенсивно происходят процессы дегидратации, при дальнейшем увеличении температуры происходят лишь процессы термического разложения. На рис. 2.8 отчетливо видны три линейных участка для исследуемой зерновой смеси, что свидетельствует о ступенчатом выделении влаги. При значениях температур до 328 К происходит нагрев и удаление физико-механической и осмотически связанной влаги, имеющей невысокую энергию связи с продуктом. Поэтому удаление влаги происходит при сравнительно невысоких температурах. В интервале значений температур 328...403 К происходит удаление моно- и полиадсорбционной влаги, находящейся в замкнутых ячейках белковых мицелл. В результате нагревания происходит развертывание полипептидных белковых цепей и выделение влаги осуществляется в результате нарушения гидрофобных взаимодействий белков и углеводов с водой. При температуре 403 К в исследуемом образце начинается удаление хи мически связанной влаги,, а при 418 происходит интенсивное терморазложение компонентов смеси с выделением газообразных составляющих.
Моделирование течения расплава биополимера в кольцевом канале с подачей в центральную зону начинки
Поскольку сама программа для моделирования гидродинамических процессов не содержит средства задания геометрии расчетной области, то для графического построения формующего узла была использована проірамма Компас 3D V7 и в дальнейшем сохраненная в формате stl геометрия была уже импортирована в оболочку Flow Vision (рис. 3.16). Для большей наглядности построенный в Компас 3D V7 формующий узел на рис. 3.1а представлен с вырезом четверти.
Отличия между созданной во внешней программе и импортированной геометриями формующего узла обусловлены требованиями самой программы FlowVision [82, 83] (см. приложение П - 3). Они способствуют наиболее корректной расстановке граничных условий на входе и выходе продукта из формующего канала. Поскольку деталь является осесимметричной, расчетная область задачи представляет собой половину детали, что позволяет значительно снизить время расчета. Особенностью задачи является то, что расчетная область состоит из трех сопряженных подобластей - кольцевого канала, трубы и трубного пространства для подачи начинки.
Характеристики формующего узла: общая длина матрицы - 0,057 м; длина формующего канала - 0,040 м; площадь формующего канала - 1,26-10"4 м2; угол конуса обтекателя - 30, угол конуса при входе расплава продукта в матрицу -30 (рис. 3.1).
Данная конструкция была выбрана на основании предварительных теоретических расчетов и составления расходно-напорной характеристики, по которой должно обеспечиваться оптимальное соотношение производительность -давление в предматричной зоне.
Расчетная конструкция формующего узла должна обеспечивать равномерную скорость выпрессовывания продукта, а также развитие давления, способствующего необходимому коэффициенту расширения экструдата.
Основное свойство течения пищевых смесей определяется развитием пластической деформации, представляющей вязкое течение, связанное с необратимым перемещением молекул и их групп на расстояние, превышающее размеры самой молекулы. Скорость развития пластической деформации зависит от температуры. В условиях установившегося течения пищевые смеси обладают свойствами так называемых аномально-вязких, или неньютоновских жидкостей. Это означает, что при весьма малых напряжениях сдвига реологические свойства пищевых смесей характеризуются постоянной ньютоновской вязкостью [29, 93]. Поэтому на следующем этапе выбирали модель течения и решаемые уравнения в каждой расчетной подобласти [38, 82, 83]. Для численного моделирования были использованы две математические модели, описывающие перемещение расплава зернового продукта и начинки. Наличие двух математических моделей необходимо для дальнейшего выбора той из них, которая наиболее адекватно описывает процесс течения расплава в кольцевом канале.
В качестве первой была выбрана модель, характеризующая движение жидкости при малых скоростях и числах Рейнольдса менее 2300. Далее эта модель будет называться «Ламинарная жидкость» (решаемые уравнения Навье-Стокса, неразрывности, энтальпии и концентрации): где р - плотность, кг/м3; V - вектор скорости, м/с; Р - давление, Па; /л - динамическая вязкость, Па-с; h - энтальпия; Дж/кг; С - концентрация примеси, кг/кг; D - коэффициент диффузии, м2/с; Ср - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К).
В качестве второй математической модели была выбрана «Несжимаемая жидкость» (решаемые уравнения - Навье-Стокса, неразрывности, энтальпии и конвективно-диффузионного переноса). Это модель вязкого течения при малых изменениях плотности (приближение Буссинеска).
Исследование качественных показателей коэкструдированных продуктов
Образцы экструдата измельчали, просеивали через металлическую сетку №025 (ГОСТ 4601-73) и подвергали анализам. Исследования проводились по следующим показателям: физико-химическим, органолептическим, содержанию аминокислот, микробиологическим и показателям безопасности. Определение указанных показателей позволило выявить структурные изменения зерновой смеси, состоящей из 38 % кукурузной крупы (ГОСТ 13634-90), 33 % пшеничной крупы «Полтавская» (ГОСТ 9353-90) и 29 % крупы люпина узколистного сорта «Надежда» (ГОСТ 11321-89), происходящие в процессе ее экструзионной обработки и оценить качество полученных продуктов.
В зависимости от режимов экструдирования соответственно были получены экструдаты с различными характеристиками. Для оценки качественных характеристик коэкструдированных продуктов были исследованы следующие их физико-химические свойства: набухаемость (водопоглотительная способность); рас творимость и водоудерживающая способность. Эти важные показатели, характеризующие способность экструдата изменять свою структуру под воздействием влаги или сорбировать ее, зависят от его углеводного состава и влияют на потребительские свойства и частично на усвояемость продукта.
Определение набухаемости экструдатов проводили следующим образом: навеску измельченного образца массой 5 г смешивали в мерном цилиндре с дистиллированной водой, доводили объем смеси до 100 мл и оставляли на 1 сутки для набухания, после чего измеряли объем набухшего продукта (в мл). Набухае-мость, мл/г, рассчитывали затем по формуле: где V- объем набухшего материала в цилиндре, мл; т - масса навески, г.
Влагоудерживающую способность, %, определяли центрифугированием набухшей навески измельченных гранул при 3000 об/мин в течение 15 мин и затем рассчитывали по формуле: где с - масса центрифужной пробирки, г; Ь - масса центрифужной пробирки с набухшим экструдатом, г; а - масса навески экструдата, г.
Насыпную массу экструдатов определяли путем заполнения, исследуемым образцом специального мерного стакана объемом 1 дм Избыток экструдата удаляли сухой плоской металлической планкой и взвешивали. Насыпную массу вычисляли по формуле: где с - масса мерного стакана, заполненного экструдатом, г; t - масса пустого мерного стакана, г; V— объем мерного стакана, дм Получены следующие результаты: набухаемость - 2,2 мг/г, растворимость - 40,5 % и водоудерживающая способность измельченного экструдата - 3,15 г/г.
Экструдированные зерновые палочки анализировали по органолептиче-ским показателям по ГОСТ 15115.3-77, влажности - по ГОСТ 15115.4-77, кислотности - по ГОСТ 15115.5-77. Массовую долю жира определяли по ГОСТ 15115.9-77. Механическую прочность зерновых экструдатов измеряли на приборе Строганова.
Определение белка в экструдатах осуществляли по Къельдалю (ГОСТ 10846-91), общего сахара - по Починку, крахмала - поляриметрически по Эверсу на поляриметре СУ-4 (ГОСТ 10845-64), содержание витаминов осуществляли методами, приведенными в [80]; клетчатки - по Ганнебергу-Штоману (ГОСТ 13496.2-91).
Аминокислотный состав пищевых продуктов - это необходимая информация, характеризующая их белковый состав и служащая для определения биологической и пищевой ценности. Определение аминокислот производили после гидролиза методом жидкостной хроматографии.
Аминокислотный состав продукта определяли на аминокислотном анализаторе AAA Т 339. Для приготовления гидролизата взвешивали 0,5 - 2,5 г тонко измельченного сухого образца, который затем вносили в кипятильную колбу емкостью 500 мл, заливали 250 мл 6N НО и гидролизовали в течение 24 часов. Охлажденный гидролизат фильтровали. Далее брали 50 мл раствора и выпаривали при 50С на вакуумном вращающемся испарителе до сиропообразной консистенции и помещали в колонку. В качестве подвижной фазы служил 6N HCI. Детектирование проводилось при длине волны 220 и 260 нм. Качественное определение состава аминокислот вели по временам удерживания, количественное - по калибровочному графику для каждой аминокислоты. Полученные значения по аминокислотному составу и аминокислотному скору сравнили с аналогичными характеристиками кукурузных палочек. Результаты сравнения приведены на рис. 4.1 и 4.2. Увеличенное содержание всех аминокислот в исследуемых образцах обусловлено наличием в исходной смеси люпина узколистного, содержащего большое количество белка.
Методы отбора проб - по ГОСТ 26312.1-88, подготовка проб к анализу -по ГОСТ 26669-85. Обработку и запись результатов осуществляли в соответствии с ГОСТ 26670-85.
Отбор проб для микробиологических анализов экструдатов проводили по ГОСТ 26668-85. Подготовку проб к анализу - по ГОСТ 26669-85. Определение микроорганизмов - в соответствии с требованиями ГОСТ 26972-85. Обработку и запись результатов осуществляли в соответствии с ГОСТ 26670-85.
Показатели безопасности экструдатов (содержание микотоксинов, пестицидов, солей тяжелых металлов, радионуклидов) проводили аттестованными методиками в аккредитованной испытательной лаборатории пищевых продуктов.
