Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ, ТЕХНОЛОГИИ И
ТЕХНИКИ ЭКСТРУЗИОННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ
ПИТАНИЯ 13
Основы теории, технологии и краткий обзор процесса экструзии . 13
Основные компоненты экструзионного сырья и их свойства 37
Унаби- новая плодовая культура Кабардино-Балкарии и растительная добавка к экструзионным продуктам 47
Анализ литературного обзора и задачи исследования 50
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
53
2.1. Методика экспериментальных исследований процесса
экструдирования пеллет 53
Экспериментальная установка 53
Сырье и методики определения параметров процесса экструзии. 56
2.2. Методика экспериментальных исследований терморадиационных
характеристик пеллет 62
Методика исследования спектральных оптических характеристик пеллет 62
Методика исследования интегральных характеристик пеллет.... 68
2.3. Методика экспериментальных исследований сушки пеллет 74
Экспериментальная сушильная установка 74
Методики экспериментального исследования сутки пеллет 76
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ЭКСТРУДИРОВАНИЯ ПЕЛЛЕТ 86
3.1. Влияние рецептурного состава смеси и режимных параметров на
качество чипсов 86
3.2« Микроструктурный анализ пеллет и чипсов 90
Математическое планирование и оптимизация процесса экструдирования 95
Разработка способа получения пеллет с растительной добавкой унаби и оптимизация процесса их экструдирования 112
Органолептическая ХАРАКТЕРИСТИКА ЧИПСОВ 119
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА
РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ПЕЛЛЕТ 123
Экспериментальное исследование терморадиационных характеристик пеллет 123
Исследование эмиссионных и энергетических характеристик генераторов инфракрасного излучения 128
выбор рационального типа генератора ик излучения для сушки
ПЕЛЛЕТ 138
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА СУШКУ ПЕЛЛЕТ 145
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СУШКИ ПЕЛЛЕТ 155
ГЛАВА 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ
МАКАРОННОГО ПРЕССА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ЭКСТРУЗИОННЫХ ПРОДУКТОВ 161
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕЙ КАМЕРЫ МАКАРОННОГО ПРЕССА 161
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПРЕСС-ЭКСТРУ ДЕРА НА БАЗЕ ШНЕКОВОГО МАКАРОННОГО ПРЕССА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРУЗИОННЫХ ПРОДУКТОВ 165
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОМЫШЛЕННОГО ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 171
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 178
ЛИТЕРАТУРА 181
ПРИЛОЖЕНИЯ 196
Введение к работе
Приоритетной социальной проблемой в Российской федерации является обеспечение различных групп населения рациональным здоровым питанием с учетом их традиций и экономического положения в соответствии с требованиями медицинской науки. Решение этой проблемы требует развитие перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса на основе совершенствования существующих и создания новых энергосберегающих экологически чистых технологий, а также высокопроизводительного оборудования, способного обеспечить глубокую, при возможности безотходную, переработку сырья.
Кроме того, на современном этапе развития пищевой промышленности все большее внимание уделяется получению готовых к употреблению продуктов с программируемыми свойствами, высокой пищевой ценности и лечебно-профилактического назначения.
К полностью готовым к употреблению продуктам относятся закусочные продукты, сухие завтраки, хлопья и т.д., к продуктам быстрого приготовления относятся полуфабрикаты чипсов - "пеллеты", пудинги, кисели и т.д., которые не требуют варки.
Указанным требованиям удовлетворяет такой перспективный способ углубленной обработки крахмалосодержащего сырья как экструзия [49, 101, 111, 137 и т.д.].
Использование экструзионной техники является общепризнанным направлением технического прогресса в пищевой промышленности. Экструзионная обработка - это комбинированное воздействие на обрабатываемый материал механических напряжений, влаги и тепла с целью получения продуктов необходимой формы, структуры, физико-химических и функциональных свойств. Этот способ обеспечивает существенную интенсификацию процессов влаготермомеханической обработки крахмала
исходного сырья.
При экструзионной обработке перерабатываемый материал подвергается интенсивному влаготермомеханическому воздействию, которое приводит к различным по глубине изменениям его компонентов и образованию пористой [101, 111, 119, 137, 143] или волокнистой [26, 106, 142, 145, 146] макроструктуры.
Продукты пористой макроструктуры были впервые получены с помощью экструзионной переработки крахмал ос одержащего сырья в начале 60-х годов. Это были готовые к употреблению зерновые завтраки [109,116]. Пористая макроструктура таких продуктов образуется в результате мгновенного испарения влаги из экструдатов, их резкого расширения и образования трехмерной сетки геля [27,101]. Однако такие продукты имеют некоторые недостатки, а именно, они характеризуются низкой плотностью, малой насыпной массой и ограниченным сроком хранения. Эти недостатки устраняют при использовании принципа непрямого экспандирования (от англ. слова "expansion" — расширение), т.е. в 2 этапа. На первом этапе процесс экструзии проводят, не допуская мгновенного испарения воды. Таким образом получают экструдаты высокой плотности, получившие название в англоязычной научной литературе - pellets (пеллеты). Термическая обработка пеллет в растительном масле сопровождается мгновенным испарением воды и образованием продуктов пористой макроструктуры. Такие продукты получили название чипсы.
Перспектива дальнейшего развития производства и потребления продуктов пористой макроструктуры обусловлена рядом причин: во-первых, увеличением числа людей, потребляющих в целях экономии времени продукты быстрого приготовления; во-вторых, увеличением числа потребителей, для которых определяющим при выборе продуктов питания является не только их вкусовые качества, но и пищевая ценность; и в-третьих, растущей популярностью среди молодежи продуктов с добавлением
-б-
или нанесением сладких и пряных компонентов, что обеспечивает их потребление не только на завтрак, но и в течении всего дня.
Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие зарубежные и отечественные ученые как: G. Schenkel, В.Н. Maddock, Е.С. Bernhardt, Е. Colonna, С. Mercier, W. Seibel, К. Seiler, Z. Tadmor, J.M. McKelvey, J.F. Carley, R.A. Strub, R.S. Mallouk, C.H. Jepson, Ch.I. Chung, I.P. Melcion, P.B. Торнер, ВЛ. Силин, И.Э. Груздев, Г.М. Медведев, В.И. Янков, А.Н. Богатырев, В.П. Юрьев, А.И. Жушман, В.Г. Карпов, Л.П. Ковальская, В.П. Первадчук, А.Н. Остриков, Ю.М. Плаксин и другие.
Актуальность работы. Экструзия является высокоэффективным, безотходным, кратковременным технологическим процессом, а экструдер многими исследователями рассматривается как универсальный биохимический реактор. Уникальность экструзионного способа заключается в возможности использования не только многообразия видов и свойств перерабатываемого сырья, но и разнообразие форм, структуры и свойств получаемых продуктов (продукты готовые к употреблению, продукты детского, лечебного и профилактического питания, полуфабрикаты, модифицированные крахмалы и др.). Высокая эффективность экструзии обусловлена прежде всего тем, что один экструдер может заменить целый комплекс машин и механизмов, необходимых для производства готовых завтраков - аппаратов для варки, взрывания, прессования, гранулирования и т.д.
Экструдирование широко применяется в макаронной, кондитерской, хлебопекарной, крахмалопаточной, пищеконцентратной, мясной, рыбной и комбикормовой отраслях промышленности [99]. Ведущими зарубежными фирмами США (Wenger, Anderson, Sprout-Bauer и др.), ЕС (Werner & Pfleiderer, Weber, Walter (ФРГ), Clextral, Crezaux-Loire (Франция), Grondona Nimet, Pagani (Италия), Buhler, Buss (Швейцария), Cincinnati (Австралия), Toshibe (Япония) и др. на мировом рынке представлены более 1000 моделей
экструдеров различных типов [50],
Ассортиментный состав пищевой продукции, вырабатываемой экструзионной технологией, включает более 400 наименований.
Согласно данным, приведенным в обзоре [78], только в континентальной части США ежегодно производится и продается экструзионных продуктов типа готовых завтраков на сумму 2 млрд. долларов, причем выпуск таких продуктов каждый год увеличивается на 3%. Таким образом, в промышленно развитых странах обозначилась устойчивая тенденция роста объемов производства экструзионных продуктов.
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 производят 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 [9]. 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. Объем производства сухих завтраков в России, начиная с 1991 года неуклонно растет. В 1991 году было произведено — 58,1 тыс.т; в 1992 - 80,8 тыс.т; в 1993 - 81,4 тыс.т. Потребление в России сухих завтраков в 2004 году по прогнозам составит не менее 100 тыс.т,, из них не менее 20% будет импортироваться. В общем потреблении зерновых завтраков доля экструдированных составляет около 15 % [22],
Из приведенных данных следует, что экструзия является прогрессивным способом получения качественных продуктов питания, основные преимущества которой заключаются в гибкости ее технологических схем, высокой производительности и малых габаритах экструдеров, непрерывности процесса, низкой себестоимости продукции.
Актуальной задачей является создание безотходной технологии
производства пеллет (полуфабрикатов картофельных чипсов). Разработанные способы производства пеллет не решают проблему их широкого использования в связи с высокой стоимостью современного экструзионного оборудования. Поэтому создание нового более экономичного экструзионного оборудования, а также разработка новых рецептур продуктов с использованием нетрадиционного растительного сырья в качестве пищевой добавки, является важным направлением в области совершенствования экструзионной технологии.
Вместе с тем, современные предприятия малой и средней мощности заинтересованы в расширении ассортимента продукции, выпускаемой на имеющемся шнековых макаронных прессах.
Данная работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры процессов и аппаратов пищевых производств (ПиАНН) МГУ! II1 «Разработка ресурсосберегающей технологии производства экструдированных продуктов с программируемыми свойствами и оборудования для ее реализации» в рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (гос. регистрация №204.04.02.002.01.01.014).
Цель и задачи диссертационной работы: совершенствование процессов и оборудования для производства картофельных чипсов; создание на основе разработанного способа оригинальной конструкции пресс-экструдера на базе шнекового макаронного пресса.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
разработка способа получения картофельных чипсов повышенной биологической ценности с использованием растительной добавки унаби и оптимизация процесса их экструдирования;
изучение влияния рецептурного состава смеси, ее влажности и режимных параметров экструдирования на качественные характеристики чипсов;
исследование основных закономерностей процесса экструдирования пеллет; выбор рациональных параметров экструдирования смеси на модернизированном макаронном прессе;
исследование спектральных и интегральных терморадиационных характеристик пеллет; выбор рационального типа ИК излучателя для их сушки;
исследование основных закономерностей процесса радиационно-конвективной сушки пеллет и выбор рациональных параметров процесса;
снижение стоимости экструзионного оборудования при производстве чипсов путем создание конструкции экструдера на базе одношнекового макаронного пресса;
проведение промышленной апробации производственных испытаний предлагаемых разработок.
Научная новизна. Установлены закономерности процессов экструдирования пеллет на модернизированном макаронном прессе и их радиационно-конвективной сушке.
Вскрыт механизм процесса экструдирования двухкомпонентной смеси картофельных пеллет и трехкомпонентной смеси пеллет с растительной добавкой унаби, что позволило обосновать и разработать статистическую модель процесса экструдирования пеллет.
Вскрыт механизм тепломассопереноса на основе экспериментально-аналитического изучения кинетики обезвоживания пеллет при радиационно-конвективной сушке.
Выявлены новые свойства комбинированного состава смеси с включением растительной добавки унаби, обеспечивающие высокую пищевую ценность продукта.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2237998.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработана новая конструкция пресс-экструдера и способ получения экструдированных пеллет с растительной добавкой унаби.
Определены рациональные рецептурные составы исходной многокомпонентной смеси, режимные параметры экструдирования и сушки пеллет.
Определены эмиссионные и энергетические характеристики серийно выпускаемых инфракрасных излучателей, имеющих перспективу широкого внедрения в различных отраслях пищевой промышленности.
Получен экструдированный продукт - картофельные чипсы и чипсы с растительной добавкой унаби, обладающие хорошими потребительскими свойствами, высокой пищевой ценностью и лечебно-профилактическим назначением.
Разработана конструкция одношнекового пресс-экструдера на основе модернизации шнекового макаронного пресса.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях: Международного научно практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг» (г. Орел 2001); Всероссийской научно-технической конференции - выставки с международным участием «Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания (г. Москва 2002); Международная выставка и международная научно-практическая конференция «Технологии и продукты здорового питания» (г. Москва 2003); Всероссийской научно-технической конференции - выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (г. Москва 2003); Международная конференция «Производство, технология, экология» (г. Москва 2004); Всероссийской научно-технической конференции - выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (г. Москва 2004).
Результат настоящей работы отмечен дипломом МГУПП за участие в конференции — выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». Работа выполнялась на кафедре процессы и аппараты пищевых производств Московского государственного университета пищевых производств.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в ведущих научных журналах и патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и предложений. Работа изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 87 рисунков и 31 таблиц. Список литературы включает 147 наименования, в том числе 46 - на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 8 страницах.
