Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Научные и практические основы производства быстрорастворимых напитков, обогащенных молочной сывороткой 14
1.1 Особенности технологии быстрорастворимых продуктов и их классификация 15
1.2 Анализ методов структурирования быстрорастворимых продуктов 23
1.3 Современные методы оценки энергетических и структурных характеристик пищевых дисперсных систем 30
1.4 Технологические системы производств быстрорастворимых гранулированных продуктов 54
1.5 Анализ производств сухих концентратов плодово-ягодных напитков, обогащенных молочной сывороткой 64
1.6 Молочная сыворотка как объект гранулирования 72
1.6.1 Состав и свойства молочной сыворотки 73
1.6.2 Особенности гранулирования сыворотки 78
1.6.3 Сывороточные концентраты для напитков 85
1.7. Основные понятия системологии 91
1.8 Заключение по анализу литературы, обоснование основных направлений исследований их задачи 93
Глава 2 Методология и организация проведения исследований 100
2.1. Системность производства БГН 101
2.2. Строение технологической системы 102
2.3 Строение физико-химической системы 104
2.4 Организация, схема и методы исследований JQ6
Глава 3 Моделирование и синтез технологического потока производства быстрорастворимых напитков 112
3.1 Системный синтез технологического потока 118
3.2 Диагностика технологического потока через параметры качества 126
3.3 Выбор параметров для характеристики структуры дисперсных систем быстрорастворимых продуктов 133
Глава 4 Структурообразование во влажных дисперсных системах ... 141
4.1 Наименьшая капиллярная влажность как особая категория влаги в дисперсных системах 141
4.2 Оценка влияния концентрационного фактора на процесс структурообразования и свойства влажных дисперсных систем 145
4.3 Определение капиллярно-неподвижной влаги и взаимосвязь слоя дисперсного материала с его влагосодержанием 149
4.4 Взаимосвязь структурно-механических свойств дисперсных систем и водно-физических характеристик твердой фазы 158
4.5 Поведение влажных дисперсных систем при компрессионном воздействии 173
Глава 5 Исследование процессов пластичного структурообразования в дисперсных системах 184
5.1 Пластичность и формуемость влажных дисперсных систем и методы их оценки 189
5.2. Комкуемость дисперсных систем и методы их оценки 195
5.3 Исследование влагопроводных свойств дисперсных масс на их формуемость и методика ее оценки 209
5.4 Основные принципы управления процессом пластического формирования дисперсных масс 219
Глава 6 Исследование центральной подсистемы - формирования коагуляционной структуры быстрорастворимых продуктов 223
6.1 Кинетика и механизм процесса гранулообразования 224
6.2 Изменение состояния комкуемой дисперсной системы в процессе окатывания 232
6.3 Исследование процесса гранулообразования 237
6.4 Диагностирование подсистемы коагуляционого структурирования гранул через технологические параметры качества 252
6.5 Влияние размеров гранулятора на удельную производительность 257
6.6 Анализ путей развития подсистемы «С» 259
Глава 7 Исследование подсистемы формирования структуры БГН в процессе сушки 274
7.1 Некоторые закономерности перевода коагуляционных структур в конденсационные 275
7.2 Взаимосвязь структурно-фазовых характеристик и теплофи-зических свойств влажных дисперсных материалов 279
7.3 Чувствительность влажных материалов к сушке и методы её оценки 288
7.4 Сушка материалов с использованием влагоемких сред 296
7.5 Использование фазовой диаграммы дисперсных систем при исследовании процесса сушки 302
Глава 8 Основные направлении развития технологических систем формирования структур быстрорастворимых продуктов 307
8.1 Управление составом и свойствами влажных дисперсных систем 314
Глава 9 Особенности структурообразования гранул содержащих молочную сыворотку 321
9.1 Специфика формирования гранул сыворотки 322
9.2 Исследование структурно-механических свойств гранулированной сыворотки и сывороткосодержащих композиций 326
9.3 Технология гранулирования сывороткосодержащих композиций 333
9.4 Диагностирование системы через параметр качества - восстанавливаемость 342
9.5 Оценка органолептических и микробиологических показателей плодово-ягодных киселей, содержащих молочную сыворотку 346
9.6 Изучение состава, свойств, пищевой ценности сухой гранулированной сыворотки 349
Основные выводы по работе 356
Литература 360
Приложения 392
- Современные методы оценки энергетических и структурных характеристик пищевых дисперсных систем
- Выбор параметров для характеристики структуры дисперсных систем быстрорастворимых продуктов
- Определение капиллярно-неподвижной влаги и взаимосвязь слоя дисперсного материала с его влагосодержанием
- Исследование влагопроводных свойств дисперсных масс на их формуемость и методика ее оценки
Введение к работе
Последние годы характеризуются расширением производств, совершенствованием технологий и увеличением ассортимента концентратов в виде быстрорастворимых или быстровосстанавливаемых сухих порошкообразных смесей для напитков, других пищевых продуктов. Целенаправленный подбор компонентов рецептуры позволяет получать напитки с функциональными лечебно-профилактическими свойствами. Для их получения используют концентрированные плодово-ягодные и овощные соки, пюре, обезжиренное молоко, молочную сыворотку, ароматизаторы. Гарантийный срок хранения таких смесей и их потребительские свойства выше, чем жидких концентратов и экстрактов. Это направление активно развивается в нашей стране.
Получение гранулированных быстрорастворимых концентратов напитков одна из задач практики и науки на современном этапе. Решению проблем в этой области посвящены работы Н.Н.Липатова (ст), Н.Н.Липатова (мл), В.Д.Харитонова, В.Ф.Добровольского, ЛАОстроумова, В.М.Позняковского, ВАЛомачинского, Л.А.Маюрниковой, Й.Дернея и других исследователей. Проведённые ими исследования показывают, что с помощью изменения физических свойств различных порошкообразных продуктов можно превратить их в быстрорастворимые концентраты высокого качества.
При всём многообразии технологий получения быстрорастворимых, быстродис-пергирующихся и быстро набухающих напитков, названных в зарубежной литературе одним словом «инстант», нет единой классификации и единого подхода к формированию технологий и процессов таких производств.
Технологические потоки производства сухих гранулированных напитков нельзя рассматривать как сумму отдельно известных технологий, технологии сухих концентратов и технологии гранулирования и сушки, тем более как сумму отдельных физико-химических явлений или процессов. Каждое из них влияет как непосредственно, так и косвенно на процесс формирования полидисперсной многокомпонентной системы, обладающей свойствами «инстант» продукта.
Определение технологической системы как взаимосвязанного целого создает определенную логику и методологию ее качественного и количественного исследования,
. вырабатывает системоцентрический взгляд на производство. Можно сказать, что техно логическая система активно воздействует на свои компоненты и преобразует их. В результате исходная технология производства концентрированных соков и напитков и технология гранулирования, принятая в других отраслях (химической, цементной и т.п.) из которых образована новая технологическая система, претерпевают заметные изменения. Происходит это потому, что связь элементов новой, созданной в результате анализа, целостной системы значительно устойчивее, чем связь ее подсистем с внешней средой.
Совершенствование технологической системы невозможно без изучения ее структурных единиц, взаимодействия которых порождает присущие данной системе ка " чественные особенности. В реальных условиях взаимодействия этих двух систем - тех нологической и дисперсной очевидно, и только рассмотрение в комплексе, с учетом их интегрированной сущности, позволяет оптимизировать производство, вывести его на совершенно новый уровень. Анализ производств и технологий быстрорастворимых гранулированных напитков (БГН), согласно методологии разработанной академиком ВАПанфиловым, дает возможность произвести классификацию методов инстантирова-ния, классификацию процессов структурирования полидисперсных многокомпонентных систем, а также процессов и технологий структурирования окатыванием, смоделировать и синтезировать технологические потоки производства БГН на основе плодово-ягодного сырья и молочной сыворотки.
Научную основу приготовления быстрорастворимых продуктов составляет физико-химическая механика дисперсных систем. Эта наука, основоположником, которой является академик П.А.Ребиндер, возникла на стыке физикохимии, механики дисперсных систем, коллоидной химии и молекулярной физики. В настоящее время она широко применяется в разных областях получения дисперсных систем с заданными свойствами и структурой. Особенность данной отрасли науки состоит в оптимальном комплексном анализе механических воздействий, а также влиянии физико-химических и тепловых факторов на протекающие процессы. Вместе с тем анализ опубликованных научных работ в рассматриваемых направлениях науки свидетельствует о том, что производство порошкообразных смесей в России сдерживается отсутствием эффективных технологий производств конечных форм препаратов и современного аппаратурного оформления технологических процессов. Лимитирующей стадией является получение сыпучего продукта в агломерированной форме.
Анализ технологий производства сухих порошкообразных концентратов, в том числе и агломерированных в виде гранул, показывает, что эти технологии предлагают либо многостадийное нанесение концентрированного сока на увлажняемый носитель, либо экструзионное гранулирование, либо распылительную сушку.
Распылительная сушка позволяет получать гранулы только малых размеров (0,15-0,4 мм), кроме того, многослойные многокомпонентные смеси не обладают свойством быстрой растворимости. При этом вопросы структурообразования снимаются лишь частично. Остаётся проблема структурирования многокомпонентных полидисперсных смесей с заданными параметрами качества.
При всём многообразии технологий получения быстрорастворимых напитков аппаратурное их обеспечение не отличается многообразием - это только аппараты распылительной сушки, которые громоздки и энергоёмки. Некоторые из этих вопросов могут быть эффективно решены с помощью других способов гранулирования, например, окатывания, однако они, применительно к пищевым, а тем более к быстрорастворимым продуктам, не исследовались.
Качественно новый подход к решению подобных задач технического прогресса стал возможен благодаря быстрому развитию науки и установлению важных закономерностей протекания физико-химических и механических процессов при формировании изделий. Результатом этого явилось создание новых научно-обоснованных методов и способов осуществления технологических процессов получения быстрорастворимых гранулированных продуктов питания.
Особое место среди этих процессов занимают технологические процессы с участием твердых фаз, обычно осуществляемые в аппаратах с внешним подводом энергии. Это процессы диспергирования, смешения, транспортирования, уплотнения и разрыхления и, наоборот агрегирования и т.п., т.е. процессы, сопровождаемые массообменом дисперсных фаз с изменением объема системы, ее деформацией или их сочетанием, активным перераспределением фаз.
Решающую роль в этих процессах играют физико-химические факторы: поверхностные явления на границе раздела фаз, контактные взаимодействия между ними и, как следствие, непрерывное образование и разрушение трехмерных структур, агрегатов из частиц непосредственно в ходе процессов получения однородных высококонцентрированных дисперсных систем.
При всём многообразии технологий получения быстрорастворимых напитков аппаратурное их обеспечение не отличается многообразием - это только аппараты распылительной сушки, которые громоздки и энергоёмки. Некоторые из этих вопросов могут быть эффективно решены с помощью других способов гранулирования, например, окатывания, однако они, применительно к пищевым, а тем более к быстрорастворимым продуктам, не исследовались.
Методам структурирования дисперсных смесей окатыванием в литературе посвящено значительное количество работ как теоретического, так и экспериментального характера, однако они не касаются вопросов создания пищевых продуктов заданной структуры и качества. Отсутствие систематизированных данных в вопросах получения быстрорастворимых гранулированных напитков, аппаратурного оформления процессов свидетельствует о недостаточной изученности этой проблемы, без решения которой невозможно дальнейшее развитие технологии и оборудования для их производства.
В связи с этим разработка научно-практического обеспечения процессов получения быстрорастворимых напитков и создание промышленного оборудования для их эффективной и экономичной реализации представляет собой крупную и актуальную проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение в области производства пищевых продуктов общего и специального назначения.
В соответствии с изложенным, целью исследований являлась разработка, на основе системного подхода, научного обеспечения процессов производства быстрораство римых многокомпонентных полидисперсных гранулированных напитков и совершенствования на их основе технического и технологического уровня производства.
Работа выполнялась в рамках реализации «Концепции государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации на период до 2005 г.» и разработанной на её основе региональной губернаторской программы Кемеровской области «К здоровью через питание», а также планов научно - исследовательских работ Кемеровского технологического института пищевой промышленности, является обобщением результатов исследований методологического, теоретического, экспериментального и прикладного характера, выполненных лично автором или при его непосредственном участии.
Научная новизна:
- на основе проведённого комплекса теоретических и экспериментальных исследований установлены основные физико-химические и технологические закономерности процесса производства сухих быстрорастворимых гранулированных концентратов напитков из растительного сырья с использованием молочной сыворотки и сформулирована концепция управляемого формирования структур быстрорастворимых напитков, представляющая систему физико-химических, физико-механических процессов и технологий, обеспечивающих сжатие её пространственно-временной структуры.
- сформулированы основные принципы и предложена классификация получения комбинированных быстрорастворимых структурированных напитков, как объектов дисперсных систем, положенная в основу методики рационального выбора технологии и аппаратуры, а также прогнозирования их качества;
- впервые дана оценка влияния особенностей состава и свойств сырья и его наиболее значимых компонентов на технологию производства быстрорастворимых напитков на основе плодово-ягодного сырья и молочной сыворотки с целью прогнозирования его качественных показателей;
- исследованы физико-химические и физико-механические свойства дисперсных систем на всех стадиях их структурообразования; а также получены новые данные и установлены закономерности, дающие более глубокие представления о природе физико химических процессов, протекающих на всех этапах технологического потока формирования структуры быстрорастворимых продуктов, которые необходимы при разработке общей теории структурообразования и уточнения теоретических основ приготовления высококонцентрированных дисперсных систем;
- установлена закономерность постоянства объёмного фазового состава дисперсной системы, из которой следует, что независимо от разновидности дисперсной системы, вида и интенсивности внешнего или внутреннего воздействия на неё, в любой момент времени, сумма объёмного содержания твёрдой, жидкой и газообразной фаз системы есть величина постоянная;
- предложен универсальный структурно-энергетический параметр, который можно использовать в качестве критерия оптимизации процесса структурообразования и количественной оценки трансформации структур в технологии пищевых дисперсных материалов;
- показано, что постоянство объёмного фазового состава дисперсной системы является основой для графического изображения изменений в системе в виде фазовых диаграмм в бинарной или тройной системе координат. Сумма фазовых диаграмм отдельных технологических операций даёт в тройной системе координат фазовый портрет технологического процесса, анализ которого позволяет определить оптимальную траекторию получения материалов с заданным значением объёмной концентрации твёрдой фазы и выявить необходимый уровень внешних воздействий на ту или иную дисперсную структуру.
- установлено, что оптимальная организация технологических операций и эффективное управление процессами формирования и перестройки структур, базируется на принципе постоянства объёмного фазового состава дисперсной системы и принципа технологического соответствия скорости изменения структурных характеристик систем и скорости протекания физико-химических процессов, сопровождающих данную технологическую операцию. Развитие структурообразования по оптимальной траектории достижения конечной цели требует максимального использования возможностей физико-химических процессов путём создания условий для нормального протекания и регулирования интенсивности этих процессов;
- выявлен и описан механизм активации процессов агломерации во влажных дисперсных системах;
- предложены методы и аппараты для его реализации, новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами;
- разработаны феноменологические, математические и операторные модели систем и системных модулей производства гранулированных быстрорастворимых напитков.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- обоснование принципа и системы количественной оценки непрерывного процесса формирования структур в технологии пищевых материалов на основе полидисперсных систем с использованием объёмных фазовых характеристик, критериев и параметров, отображающих наиболее общие признаки дисперсной системы, независимо от её разновидности, типа структуры, технологической стадии и вида энергетического воздействия;
- обоснование принципа рационального выбора метода структурообразования полидисперсных многокомпонентных сухих концентратов напитков;
- обоснование принципа управления процессами пластического формования пищевых дисперсных масс при гранулировании и в процессе конденсационно-кристализационного переходов при сушке;
- обоснование принципа оценки способности к формообразованию гранулированием дисперсных материалов на основе анализов их фильтрационных и реологических свойств;
- обоснование нового методологического подхода при исследовании состава и свойств дисперсных структур, учитывающего объёмный фазовый состав этих структур в начальном, текущем и конечном состояниях.
Практическая значимость и реализация результатов.
В результате теоретических и экспериментальных исследований сформулированы специальные требования к процессам и оборудованию для производства быстрорастворимых напитков из плодово-ягодного сырья на основе молочной сыворотки, учитываю щие физико-химические и физико-механические свойства дисперсных систем на всех стадиях их структурообразования. На этой основе разработаны:
- технология производства сухой молочной гранулированной сыворотки (патент №2203551);
- технология гранулирования и сушки многокомпонентных смесей быстрорастворимых структурированных концентратов напитков, являющихся базовыми для создания напитков функционального назначения - «Кисели плодово-ягодные, быстрорастворимые, гранулированные» (ТУ 9195-47-02068315-2000);
- технические условия, технологическая инструкция и получен гигиенический сертификат на новый продукт - «Сыворотка молочная с ягодным наполнителем, гранулированная» (ТУ 9195-47-02068425-2002);
- модернизированный тарельчатый гранулятор, введением специального устройства - активатора, позволяющего управлять процессами коагуляционого структурообразования при гранулировании влажных дисперсных смесей (авторские свидетельства №1107023 и №1449853, свидетельства №28808, №28809, решение о выдаче патента по заявке№2001123756/12(025316);
Технологии внедрены в рамках четырёх предприятий: ООО НПО «Сфера» (г. Томск) и ООО «Т1Ш «Дары природы» (г. Томск), ООО НПО «Здоровое питание» (г. Кемерово), НФ «Верхнесалдинский проект» (Свердловская обл.)
Современные методы оценки энергетических и структурных характеристик пищевых дисперсных систем
Вследствие высоких технологических показателей и относительной простоты технической реализации при производстве быстрорастворимых продуктов все чаще используется агломерация или как самостоятельный процесс, или в комбинации с внесением комплексных пищевых добавок, изменяющих его основные физико-химические свойства. В настоящее время существует достаточно много способов агломерации, имеющих специфические, как конструктивные, так и технологические особенности. Для каждого продукта следует выбирать способ агломерации, обеспечивающий наиболее оптимальные технико-экономические показатели технологического процесса.. Вопросами теории и практики процесса гранулирования занимались такие российские ученые, как В.МВитюгин [48], ВАЛотов [162], В.И.Коротич [122], ПВ.Классен [117], Г.Г.Ефименко [98], Г.ВГубин [78], Н.Н.Бережной [23], Г.В.Коршиков [123], а также зарубежные ученые: Тигершельд и Ильмони [418], Ферс [362], Ньюит и Конвей-Джонс [386], Румпф [398], Кейпс [348], Кохен-Мантель [159], Тарьян [415], Тугучи [416], Струве [412].
Структурирование инстантированного продукта осуществляется гранулированием. Под гранулированием понимается процесс формирования твёрдых частиц определённого спектра размеров, формы и заданных физико-механических свойств. Дім гранулирования продуктов в отечественной и зарубежной практике применяют различные методы и аппаратуру. В настоящее время известны следующие способы: - из жидкой фазы путем разбрызгивания с последующей кристаллизацией капель при обезвоживании или охлаждении [389]; - из твердой фазы путем прессования для непосредственного получения брикетов (плиток) или дроблении их до гранул требуемого размера [393,400]; - из смеси жидкой и твердой фаз путем агломерации порошков с последующим окатыванием агломератов и упрочнением связей между частицами при удалении жидкой фазы [382]; - из газообразной фазы путем конденсации (десублимации) с образованием твердых гранул[117]; - из смеси жидкой и газообразной фаз при проведении химической реакции [411]; - из смеси жидкой, твердой и газообразной фаз с проведением химической реакции и образованием новых веществ [414]. Образование твердых частиц необходимого размера в процессе гранулирования происходит либо единовременно, либо постепенно. По этому признаку различают следующие процессы гранулирования [42,44,116]: - без изменения размера частиц; - с изменением размера частиц во времени; - с образованием новых и ростом уже существующих частиц. В зависимости от характеристики гранулометрического состава, получаемого продукта, процессы гранулирования осуществляют либо с возвратом мелких частиц, либо без него. Процесс гранулирования с возвратом мелких частиц на стадию гранулирования называют ретурным, а без возврата - безретурным. Характер процесса гранулирования зависит от механизма гранулообразования, который, в свою очередь, определяется способом гранулирования и его аппаратурным оформлением. По этим признакам методы гранулирования целесообразно классифицировать следующим образом: Гранулирование кристаллизацией высококонцентрированного раствора или суспензии [116, 292]. Кристаллические связи, образующиеся в начальный период формирования гранул из капель, возникают при охлаждении поверхностного слоя капли. В этот период связи не многочисленны, не обладают полной жесткостью и не препятствуют непосредственному взаимодействию друг с другом содержащихся в капле отдельных минеральных частиц, создавая между ними лишь дополнительную постоянную связь. Гранулирование методом уплотнения сухих порошков под действием внешних сил [153, 328,378] основано на формировании плотной структуры вещества с образованием прочных когезионных связей между частицами при их сжатии. Полученный в результате уплотнения брикет (плитка) дробится и направляется на рассев для отбора кондиционной фракции, являющейся готовым продуктом. Гранулирование методом формования или экструзии состоит [344] в продав-ливании пастообразной массы, представляющей собой либо увлажненную шихту, либо шихту, образованную смесью порошков с легкоплавким компонентом, сквозь перфорированные приспособления с последующей сушкой гранул или их охлаждением. Гранулирование методом окатывания на движущейся поверхности [160, 372] состоит в предварительном образовании агломератов из равномерно смоченных частиц или в наслаивании сухих частиц на смоченные ядра - центра гранулообразования. Этот процесс обусловлен действием капиллярно-адсорбционных сил сцепления между частицами и последующим уплотнением структур за счет сил взаимодействия между частицами в плотном динамическом слое, например, в грануляторе барабанного или тарельчатого типа или в процессе агломерации в виброожиженном слое. Гранулирование методом разбрызгивания жидкости в свободный объем [62, 80] заключается в диспергировании высоконцентрированной жидкости на капли, приближенно однородные по размеру с последующей их кристаллизацией при охлаждении в противотоке холодного воздуха. Гранулирование методом распыления жидкости (пульп, растворов, суспензий и плавов) на поверхность частиц во взвешенном состоянии [131, 151] заключается в импульсном нанесении на частицы тонких пленок исходного вещества и кристаллизации его за счет тепла подводимого извне или за счет тепла кристаллизации. Из анализа приведенных особенностей процессов осуществляемых различными методами, немецкий исследователь Г.Румпф [397]предложил следующую классификацию возможных связей между твердыми частицами: 1. Связи твердого тела: - спекание, рекристаллизация, нарастание зерна; - термическая сварка; -заклеивание; - затвердевающие связующие вещества; - кристаллизация растворяющихся веществ; 2. Связи, обусловленные поверхностным натяжением и капиллярным давлением подвижных свободных поверхностей жидкости: - мостики жидкости между отдельными точками частиц; - капиллярные силы жидкости, находящейся между твердыми частицами; - поверхностное натяжение капли жидкости, с частицами твердого тела; 3. Адгезионные и когезиозные силы в мостиках от связанного с частицей связую щего вещества: - вязкие, затвердевающие и клеящие вещества; - адсорбционный слой с толщиной достаточной для образования мостиков только на возвышениях шероховатостей; 4. Силы взаимного притяжения твердого тела: - молекулярные, Ван-дер-Ваальсовы и валентные силы; - силы, обусловленные действием электростатических зарядов; 5. Механические связи: - переплетение волокон, - помятые пластинки.
Выбор параметров для характеристики структуры дисперсных систем быстрорастворимых продуктов
Для производства порошкообразных смесей приготовления напитков российские фирмы реализуют многостадийную технологию, по которой коллоидный полуфабрикат, содержащий экстракт растений и (или) плодово-ягодное сырьё и крахмал или желатин, частями наносится на кристаллический или аморфный носитель, находящийся в аппарате агломераторе [173].
Известны технологии [174], по которым агломерированный продукт получают агломерированием. Например, широко применяют вакуум-гребковые сушилки, позволяющие проводить процесс при температурах (45-55)С, предохраняющих от разрушения термолабильные витамины и биологически активные вещества, содержащиеся в сырье. Однако, в связи с тем, что она является аппаратом периодического действия, а при сушке агломерированная масса плодово-ягодного продукта проходит стадию высокой адгезии, прилипание этой массы к поверхности аппарата и ротора с гребками неизбежно. Такие сушилки могут быть использованы при производстве сухих агломерированных порошков, обладающих малой адгезией, например, грибов, чаев и т.п.
Непрерывная технология сушки пастообразных и плохо сохнущих продуктов и основ для напитков реализуют на конвективной сушилке немецкой фирмы «Хаземаг» [151], где по мере высушивания продукт перемешивается посредством двух параллельно вращающихся валов с лопатками с небольшим наклоном для перемещения материала. Сушка осуществляется потоком воздуха, проходящим над материалом в режиме параллельного тока.
К недостаткам процесса следует отнести длительность сушки - агломерирования, приводящую к снижению качественных показателей и биологической ценности в напитках, восстанавливаемых или приготавливаемых из таких порошкообразных смесей.
Несколько лучшие результаты удаётся получить при установке после мешалки экструдера, позволяющего гранулировать массу. Размеры гранул обеспечиваются диаметром отверстий в решётке и шагом ножей [157], а прочность и пористость - давлением в рабочей зоне [174]. Сушка в этом случае осуществляется в псевдоожиженном слое, создаваемом нагретым воздухом.
В молочной промышленности широко применяются распылительные сушильные установки [62, 84,146,147, 307,327] для сушки молока, молочных продуктов и детского питания и др. Высокая адгезионная способность сьшоротки делает процесс её сушки в чистом виде нестабильным. Поэтому для стабилизации процесса используются наполнители (сахар, мука и т.п.), оказьюающие инициирующее действие при агрегатировании частиц после распыления.
К недостаткам распылительной сушки следует отнести большие габариты (диаметр 2,6-12,5 м.; высота 3-25 м.) и сложность конструкции установок, недостаточное использование объёма сушильной камеры, повышенные расходы тепла. Высокое диспергирование частиц высококонцентрированного раствора, улучшая условия агрегатирования и сушки, способствует получению гранул малого размера, которые плохо смачиваются при восстановлении и подвержены слёживаемости при хранении [80,84].
Для того чтобы в восстановленном напитке мякоть оставалась во взвешенном состоянии, жидкая фаза должна обладать достаточной вязкостью, а частицы мякоти должны быть измельчены. Известны пути стабилизации мякоти в соках и напитках. Это - механическое измельчение мякоти до тонкодисперсного состояния; специальные виды обработки для облегчения перехода коллоидных веществ из мякоти в сок; повышение удельного веса жидкой фазы за счёт использования структурообразователей [90,150] или путем добавления стабилизаторов [312].
Авторы [174.] показали возможность достижения однородной структуры, но с незначительным стабилизирующим эффектом в восстановленном напитке при использовании каждого метода в отдельности и в совокупности.
Для усиления стабильности мякоти в восстановленных напитках предлагается применение добавок природного происхождения: желатина, крахмала или их смеси. Используя эти добавки, приготавливали коллоидные растворы, в которые вносили рецептурные компоненты напитков (концентрированные плодово-ягодные и овощные соки, экстракты). Полученный таким образом купаж использовали в дальнейшем, как концентрированный полуфабрикат, агломерируемый с кристаллическим носителем [118].
В качестве кристаллического носителя использовали сахар, который относится к хорошо увлажняющимся наполнителям. Однако его влагоемкость невелика, поэтому при распылении плодоовощных соков без мякоти [64] можно внести лишь (6-8)% экстрактивных веществ сока. Для увеличения концентрации сока, выбирали способ многоступенчатой агломерации [173], при которой сахар многократно увлажняли небольшими дозами концентрированного полуфабриката и высушивали.
Исследования большинства авторов [224] свидетельствуют о значительном влиянии параметров сушки: температуры, скорости перемешивания агломерируемой массы, доз внесения концентрированного полуфабриката на стадии сушки на формирование качества порошков обогащенных напитков. Для сохранения вносимых обогащающих добавок, в том числе БАВ исходного сырья, температура процессов не должна превышать (45-55)С. Высокая температура способствует активному процессу растворения сахара при соприкосновении с жидкой фазой и разложению термолабильных витаминов, в первую очередь витамина С. Такую же температуру автор работы [293] считает предельной при сушке модифицированного кислотой крахмала, так как крахмал при сушке с большей температурой теряет свою редуцирующую способность.
Ухудшение технологического процесса происходит и в случае использования в составе концентрированного полуфабриката высококислотных соков, способствующих увеличению скорости набухания крахмала и вязкости крахмальных клейстеров [90,174,], что вызывает чрезмерное слипание агломератов, затрудняет перемешивание массы, приводит к увеличению продолжительности процесса агломерирования и сушки.
Отмечено, что более технологично проходит процесс агломерирования при включении в состав напитков соков с мякотью. Мякоть плодово-ягодных соков и овощных пюре, предохраняя кристаллы сахара от растворения, одновременно выполняет роль твердой фазы в агломерируемой массе, увеличивая и поверхность адсорбции. При этом имеет место эффект «губки», так как частицы мякоти способствуют созданию рыхлой структуры агломерируемой массы. В результате получаются агломераты с большой внутренней поверхностью. Причем интенсивность такого эффекта зависит от структуры мякоти и ее массы в концентрированном полуфабрикате.
Изучение различных существующих способов подработки мякоти выявило, что оптимальный размер частиц мякоти должен быть (0,05-0,1)10" м. Однако, как было показано, для достижения стабилизации мякоти в восстановленных из порошка напитках недостаточно достижения оптимальных размеров частиц мякоти, необходимо введение в рецептуры напитков стабилизаторов. Определяюпщми факторами для выбора стабилизирующей добавки явилось количество мякоти, ее структура и количество органических кислот, вносимых с сырьем и в качестве рецептурного компонента.
Причем использование соковой и овощной мякоти в составе концентрированного полуфабриката позволяет увеличить количество вносимых экстрактивных веществ соков в порошкообразный концентрат в несколько раз, что способствует повышению пищевой ценности напитков и улучшению структурно-механических свойств гранул порошка.
Определение капиллярно-неподвижной влаги и взаимосвязь слоя дисперсного материала с его влагосодержанием
Как уже отмечалось ранее в главе 1, первичными актами взаимодействия воды с твердым материалом являются адсорбция паров воды поверхностью материала, конденсация паров воды на поверхности частиц и в микрокапиллярах, адгезия жидкости, смачивание и растекание ее по поверхности твердого материала. В момент приобретения сплошности влажная дисперсная система характеризуется присутствием в ней лишь капиллярно-стыковой влаги.
Важнейшим отличительным свойством наименьшей капиллярной влажности является то, что она, также как и максимальная гигроскопическая влага, не способна перемещаться в форме жидкости по слою материала, не передает гидростатического давления и может быть удалена из системы только в форме пара. Состоянию максимальной капиллярной влажности соответствует равенство объемных концентраций твердой фазы и жидкости КТ=КЖ=0,5; К/Кж=1. При такой влажности дисперсная система будет приобретать свойства достаточно концентрированной суспензии, со всеми присущими ей структурно-механическими и реологическими свойствами, и в целом, при влажности материала W WHKB механические свойства дисперсной системы будут монотонно уменьшаться.
Таким образом, величину наименьшей капиллярной влажности можно считать некоторой граничной характеристикой количественно-качественных изменений, происходящих в дисперсной системе при ее увлажнении или обезвоживании.
Следует предварительно оговориться, что в понятие «особой категории влаги» вкладывается смысл не какой-либо новой формы связи влаги с материалом, а как некоторого суммарного количества влаги, содержащегося в дисперсной системе. Количество наименьшей капиллярной влаги предопределяется химическим, минеральным, гранулометрическим составами и дисперсностью частиц твердой фазы. Первым, кто обратил внимание на существование этой категории влаги в дисперсных системах, был А.Ф.Лебедев, который назвал ее максимальной молекулярной влагоемкостью, подразумевая, что эта влага удерживается молекулярными силами и может быть удалена из них только посредством тепловой сушки [140]. Отмечено [45], что максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ) является своеобразным, но весьма точным паспортом дисперсии, физической константой, находящейся в тесной корреляционной связи с рядом других физических и физико-химических свойств ее и поэтому может претендовать на роль эталонного показателя среди остальных, используемых для оценки качественных изменений физических свойств влажной дисперсной системы. Так, мелкодисперсный порошок ягоды при этой влажности переходит от пластичной консистенции в твердую; образец, сформованный из него при влажности равной или несколько большей ММВ, в воде практически не размокает, а при меньшей влажности - размокает очень быстро; при влажности большей ММВ, деформация подготовленных образцов быстро увеличивается под действием постоянной нагрузки.
На основе достаточно большого экспериментального исследования различных дисперсий А.М. Васильев [39] предлагает уточненную методику определения ММВ (приложение П1) и их классификацию по величине ММВ, представленная в табл. 4.1.
А.А.Роде [256], основываясь на анализе работ [39, 140] приходит к выводу, что ММВ следует считать некоторой условной величиной, не соответствующей своему терминологическому смыслу. Вместе с тем он находит, что влага разрыва капиллярных связей, представляет собой такую влажность, при которой происходит резкое изменение подвижности межфазной влаги.
При влажности меньшей, чем влага разрыва капиллярных связей, в смеси не остается пор, сплошь заполненных влагой, которая при этом располагается в форме неподвижных пленок на поверхности частиц и может быть удалена из нее только в виде пара. Необходимо отметить, что все известные методики определения ММВ (метод капиллярного поднятия, метод центрифугирования, метод влагоемких сред) и отмеченный факт существования влаги разрыва капиллярных связей, прямо или косвенно свидетельствуют о наличии границы между капиллярно-неподвижной и капиллярно-подвижной влагой. ВАЖужиков [102] исследовавший процесс фильтрации воды через слой осадка, состоящего из частиц карбоната кальция размером около 3 мкм, отмечает, что фильтрация жидкости прекращается при пористости слоя, соответствующей некоторому недоступному объему пор. Этот факт свидетельствует о наличии в дисперсном материале капиллярно-неподвижной воды, которая не может быть удалена из слоя осадка даже при значительных давлениях фильтрации. Ю.ЕЛивинский [206] предлагает реологический принцип оценки связи влаги с дисперсным материалом, который приводит его к целесообразности деления всей воды, содержащейся в них на кинетически подвижную и кинетически неподвижную, так как их соотношение и количества предопределяют реологические и литейные свойства системы. А.В.Лыков [164], отмечает, что зависимость коэффициента температуропроводности соответствует количеству влаги, которая расположена в местах стыка зерен в виде водных манжеток, соприкасающихся между собой. При уменьшении влагосодержания контакт между водными манжетками нарушается, что приводит к уменьшению коэффициента температуропроводности и, следовательно, максимальное значение коэффициента температуропроводности соответствует особому состоянию капиллярной влаги в макропорах влажного зернистого материала. Наличие аналогичных экстремальных зависимостей отмечается и в работах [56, 158]. Коэффициент температуропроводности или коэффициент диффузии тепла - а определяется по формуле: Экстремальный характер зависимости a=f(W) можно объяснить прежде всего аномальной теплопроводностью пленок воды в дисперсной системе, коэффициент теплопроводности которой почти в 100 раз выше коэффициента теплопроводности обычной воды. Это явление обнаружено МСМециком [161]. Определенное влияние на зависимость a=f(W) будет оказывать и плотность зернистого материала, зависимость которой от вла-госодержания также имеет экстремальный характер, достигая своего наибольшего значения при определенной влажности [159]. Аномальный характер молекулярного переноса тепла в увлажненных дисперсных системах позволил разработать принципиально новый метод адсорбционно-термометрического анализа различных дисперсных систем [22]. Этот метод отличается своей простотой и универсальностью и позволяет не только определять химический, минеральный и дисперсионный состав смесей, но и прогнозировать их важнейшие технологические свойства.
Подводя итог вышесказанному, на основании представленных фактов и анализа закономерностей поведения дисперсных систем при их увлажнении, можно сделать следующие выводы: - свойства дисперсных систем предопределяются их водоудерживающей способностью, которая зависит от химического, минерального и дисперсионного состава твердой фазы. - водоудерживающую способность материала можно определять по его водно-физическим свойствам - максимальной гигроскопической влаге, максимальной молекулярной влагоемкости, наименьшей капиллярной влажности, максимальной капиллярной влажности. - водоудерживающая способность дисперсного материала предопределяет его структурно-механические свойства. - максимальными механическими свойствами будет обладать двухфазная (Т+Ж) дисперсная система при влажности, соответствующей максимальной молекулярной вла-гоемкости или наименьшей капиллярной влажности. - минимальные прочностные свойства твердообразная дисперсная система будет иметь при максимальной капиллярной влажности. - основные структурно-механические свойства влажных дисперсных систем необходимо определять при их двухфазном состоянии, поскольку присутствие третьей, газообразной фазы будет приводить к получению некорректных результатов. - структурно-механические свойства дисперсных систем, поведение дисперсных систем при увлажнении или обезвоживании будут предопределяться соотношением капиллярно-подвижной и капиллярно-неподвижной формами влаги в системе.
Исследование влагопроводных свойств дисперсных масс на их формуемость и методика ее оценки
Ранее отмечалось, что эффективность процесса придания формы влажной дисперсной системе всегда связана с решением проблемы: при какой влажности материала и при каких соответствующих динамических усилиях формования необходимо осуществлять данный процесс, чтобы обеспечить, получение форм с максимально возможной объемной концентрацией твердой фазы и механической прочностью, обеспечивающей возможность обработки полуфабриката на последующих технологических операциях.
Наиболее простым и распространенным способом определения оптимальной формовочной влаги является использование зависимости пластической прочности масс от влагосодержания, как влажность, соответствующая участку перегиба зависимости Pm W) при значениях Pm =(0,06-0,12) МПа. Предполагается, что в таком состоянии у массы наиболее полно развиты гидратные оболочки вокруг ее частиц, которые ослабляют силы внутреннего сцепления между частицами и деформация массы возможна при сравнительно небольших напряжениях. Исследование пластической прочности и компрессионные испытания материалов показали, что механические свойства масс предопределяются соотношением капиллярно-подвижной и капиллярно-неподвижной воды (формулы (4.26-4.28)). Практически при наименьшей капиллярной влажности все массы приобретают необходимые свойства, которыми должны обладать формовочные массы. Прежде всего, эти массы обладают максимальной связностью, обусловленной молекулярными силами взаимодействия через минимальные по размеру гидратные оболочки и, главное, высокой однородностью, которая не будет изменяться при действии деформирующих усилий, так как капиллярно-неподвижную воду в дисперсной системе практически невозможно отделить от твердой фазы механическим способом.
Появление капиллярно-подвижной воды в массе приводит к уменьшению ее механических прочностных свойств, что можно оценить как положительное действие. Однако появление подвижной воды в дисперсной системе - это основная причина уменьшения однородности формовочных масс и ухудшения их формовочных свойств. Поэтому понятие «оптимальная формовочная влажность» можно воспринимать с двояким смыслом, то есть как влажность, которая позволяет провести процесс формования с минимальными энергетическими затратами на существующих конструкциях машин, параметры работы которых спроектированы с учетом этой влажности и соответствующих механических свойств масс, либо как влажность, при которой в процессе деформирования масса остается однородной и обеспечивает получение качественных сформированных масс в том числе и гранул. Пластичное формование масс при влажностях равных или немного больших наименьшей капиллярной влажности потребует применения формовочного давления до (5,0-6,5) МПа. Затраты мощности при формовании следует признать целесообразными, так как при этом достигаются следующие положительные эффекты: - уменьшится брак при формировании изделий; - уменьшаются затраты тепла при сушке изделий, так как количество испаряемой воды уменьшается примерно в 1,7 раза; - уменьшается брак при сушке за счет предельно высокой концентрации твердой фазы, практически полностью исключающей развитие усадочных явлений при сушке; - сушку изделий можно проводить при достаточно жестком температурном режиме, что позволит сократить длительность сушки. В.С.Фадеева [300-302], на основе многолетних исследований процесса пластического формования разнообразных дисперсных масс обоснованно и убедительно показывает, что оптимальная формовочная влажность должна быть равной величине максимальной молекулярной влагоемкости формуемой массы. Ее представления о строении дисперсных масс и поведении их в процессе деформирования признаны классическими и широко привлекаются в качестве модельных схем при обосновании метода пластического формования разнообразных дисперсных систем. Таким образом, процесс пластического формования дисперсных масс целесообразно проводить при влажности близкой к наименьшей капиллярной. Если процесс формования проводить при большей влажности, то для получения качественных изделий необходимо целенаправленное воздействие на влагопроводные свойства структурного каркаса дисперсной массы или на реологические свойства поровой суспензии, приводящем к снижению скорости фильтрации жидкой фазы в структуре формовочных масс. Влагопроводные свойства масс во влажном состоянии оценивались по относительному изменению влажности массы при действии нагрузки, с величиной равной или большей динамического предела текучести (приложение П-4). Исследование принципиальной возможности перемещения жидкой фазы, фиксации ее распределения в массе в любой момент времени и после прекращения действия нагрузки проводилось с использованием крахмала и его смесей с фракцией порошка аронии менее 0,25 мм. Число пластичности по Аттербергу-Васильеву составляет 24-28. Высокая пластичность объясняется высокой степенью дисперсности. Содержание частиц размером 0,05 мм достигает до 88,2 %, из них частиц с размером менее 0,001 мм содержится (75-76)% [228,237]. Исследования по фильтрации и распределению влаги в дисперсных массах позволяют сделать следующие выводы: - воздействие давления на массу при Р РД сопровождается фильтрационным перемещением жидкой фазы от центра к периферии; - с увеличением давления скорость фильтрации жидкости увеличивается; снижение влагосодержания во времени для одинаковых участков подчиняется линейному закону фильтрации; - наибольшая неравномерность распределения влаги в диске наблюдается после 5-минутного воздействия нагрузки; в зависимости от влагопроводных свойств массы разность влажностей между центром и периферией достигает (5-7)%; - увеличение времени действия нагрузки (10, 15, 20, 30 мин) приводит к постепенному снижению разности влагосодержаний между центром и периферийными зонами диска, и после 30-минутного воздействия нагрузки, влажность центральной части диска и периферийной практически становится одинаковой.
