Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор 6
1.1. Теоретические аспекты экструзии пищевого сырья 6
1.2. Использование различных видов мышечной ткани и субпродуктов в производств экструдатов
1.3. Влияние технологических параметров на реологические характеристики пластических материалов
1.4. Заключение по состоянию вопроса. Цель и задачи работы .
Глава 2. Методика экспериментальных исследовании
2.1. Объекты и методы исследований 33
Глава 3. Результаты и их обсуждение 40
3.1. Выбор и обоснование объектов исследований 40
3.2. Выбор конфигурации профиля шнековых элементов
3.3. Исследование реологических характеристик опытной смеси
3.4. Математическое планирование экспериментов
3.5. Изучение формирования макро- и микроструктуры экструдатов 72
3.6. Определение физико-химических, структурно-механических, биохимических и микробиологических характеристик экструдатов
Выводы 92
Список использованных источников 94
Приложения:
- Использование различных видов мышечной ткани и субпродуктов в производств экструдатов
- Влияние технологических параметров на реологические характеристики пластических материалов
- Исследование реологических характеристик опытной смеси
- Изучение формирования макро- и микроструктуры экструдатов
Введение к работе
В настоящее время наука и производство ориентируется на создание продуктов высокого качества, повышенной пищевой и биологической ценности, на рациональное и более полное использование продовольственных ресурсов. Одним из направлений решений данной проблемы является разработка новых видов продуктов с помощью технологии термопластической экструзии.
Экструзионная технология широко используется в пищевой промышленности. С ее помощью производят такие виды продуктов как сухие завтраки, закусочные продукты "снекс", аналоги мясо- и рыбопродуктов, макароны и каши быстрого приготовления, продукты для детского питания, а также заменители традиционных пищевых изделий - хрустящие хлебцы, картофельные чипсы, кукурузные и пшеничные хлопья [16, 21, 22, 26,40].
Современный ассортимент отечественных экструдированных продуктов отличается высоким содержанием в своем составе углеводов (до 75%) и по своему химическому составу относится скорее к кондитерским изделиям. В них отмечается дефицит белков, пищевых волокон, жиров, минеральных и пектиновых веществ, органических кислот.
Одним из способов решения этой проблемы является включение в состав экструдированных продуктов животных белков (мясного сырья).
В теорию и практику производства экструдатов с использованием продуктов животного происхождения значительный вклад внесли Винникова Л.Г., Касьянов Г.И., Остриков А.Н., Токаев Э.Г., Файвишевский М.Л., Cho S.H., Lawrie R., Mittal P., Pradahn A.M, Rhee K.S., Smit О.В.и др.
В то же время ряд вопросов, связанных с теорией, расчетом и практикой экструзии нативных мясных белков в сочетании с продуктами животного и растительного происхождения остаются нерешенными.
Преимущества использования термически не обработанного мясного сырья, в первую очередь, заключаются в сокращении энергозатрат, а также в
отсутствии какой-либо предварительной термической обработки мясного сырья, что приводит к значительному снижению длительности и трудоемкости технологического процесса.
Реализации этого направления предприятиями мясной промышленности препятствует, с одной стороны, ограниченное количество рекомендаций, обосновывающих рациональный компонентный состав пищевых смесей, а с другой стороны - недостаток научных обоснований для достоверного прогнозирования эффективных технологических режимов экструзии применительно к условиям частных производств.
В связи с этим актуальной становится задача создания новых подходов к изучению процесса экструзии нативных мясных компонентов в сочетании с растительным сырьем конечной целью которых является разработка технологии новых видов экструдированных продуктов, которые будут обладать высокой пищевой ценностью и широкой вкусовой гаммой. *
Использование различных видов мышечной ткани и субпродуктов в производств экструдатов
Производство экструдированных высокопористых продуктов базируется на использовании зерновых компонентов, богатых крахмалом. Однако они характеризуются незначительным наличием белка и ограниченным содержанием некоторых аминокислот /6, 18, 19, 26, 39/. Введение в смеси наряду с зерновыми продуктами ингредиентов животного происхождения, содержащих весь набор незаменимых аминокислот, позволяет получить экструдаты более высокой биологической ценности, сбалансированные по аминокислотному составу.
В качестве мясного компонента для исследований была выбрана говядина 2 сорта, ее выбор обусловлен следующими факторами: небольшим содержанием жира (7,6 %) в сравнении со свининой; более низкой себестоимостью по сравнению с 1 и высшими сортами сырья.
Известно, что экструдирование сырья с высоким содержанием жира приводит к получению готовых экструдатов низкого качества, продукты приобретают пригорелый привкус. Это связано с тем, что в результате высокотемпературной обработки продукта (до 453 К) жир начинает сгорать в камере экструдера [86].
В качестве крахмалсодержащего компонента был выбран кукурузный крахмал. Кукурузный крахмал является традиционным сырьем наилучшем образом зарекомендовавшим себя в получении экструдированных продуктов питания [7, 17,18,22, 26, 35, 70, 85, 86, 101, 119].
Известно, что степень изменения структуры и физико-химических свойств экструдатов в процессе экструзии зависит, в первую очередь, от влажности исходного сырья [65, 80]. Массовая доля воды в экструдируемом сырье определят температуру его перехода в вязко-текучее состояние и оказывает влияние на формирование структуры экструдатов.
После прохождения зоны формования и разгрузки происходит мгновенный переход продукта из области высоких давлений в условия атмосферного. Этот процесс сопровождается де компрессионным взрывом: вода, находящаяся в продукте, переходит в парообразное состояние с выделением значительного количества энергии, что приводит к деструкции клеточных структур (взрыву) и вспучиванию продукта. Линейные размеры вспученных продуктов возрастают более чем в 2 раза, и соответственно, еще более увеличивается их объем [80]. Поэтому влажность исходной смеси является одним из важных факторов, влияющем на качество конечных продуктов.
Были проведены исследования цель которых заключалась, в нахождении общей влажности смеси кукурузного крахмала и говядины 2 сорта в различных соотношениях (табл. 3.1). Говядину 2 сорта измельчали (d=2-3 мм) и смешивали с кукурузным крахмалом в различных соотношениях. Равномерное измельчение компонентов исходного сырья также является важным моментом в технологии экструзии. При неравномерном измельчении компонентов имеют место проблемы с загрузкой сырья; выход продукта из прессформы экструдера не постоянен, в результате чего не происходит формирование структуры экструдата. Кроме того возможна блокировка прессформы [86, 100]. Для стабилизации уровня влаги по всему объему смеси выдерживали в течении 12ч и определяли общую влажность смеси. Как видно из табл. 3.1 с увеличением содержания говядины 2 сорта в смеси с кукурузным крахмалом происходит рост ее общей влажности. Прирост влагосодержания в смеси в среднем составляет 2,8 — 3,0 % на каждые 5 % внесения говядины 2 сорта в смесь. Анализ литературных источников показал, что влажность исходной смеси сырья более 28 % приводит к низким реологическим характеристикам экструдированной массы в зоне пластификации. Экструдирование таких систем не позволяет достигать давлений, необходимых для эффективного взрыва и получения продукта требуемой структуры и качества. Получаемые экструдаты не обладали пористостью, были плотные по своей структуре, имели высокие структурно-механические характеристики [108, 109]. Поэтому, для дальнейших исследований была выбрана композиция экструдированной смеси при соотношении говядины 2 сорта к кукурузному крахмалу 20:80, с массовой долей влаги соответственно 24-25 %. Таким образом, совокупность свойств и требований процесса термопластической экструзии к исходному сырью, послужила в наших дальнейших исследованиях основанием для выбора в качестве основы исходного сырья смесь говядины 2 сорта и кукурузного крахмала в выбранном соотношении. Экструдер уникален в работе с относительно сухими материалами так как создает условия в пластификации пищевой массы, снижении микробиологического загрязнения, денатурации ферментов, клейстеризации крахмала, полимеризации белков и, текстурирования конечного продукта в желаемую форму. Эти сложные операции возможны, поскольку возможен контроль за широким рядом переменных, включая скорость шнека, профиль шнека, температуру обработки, влажность смеси, скорость подачи и форму матрицы [16, 17, 42,43]. Условия смешивания, профили потока пищевой смеси и распределение времени пребывания в экструдере имеют значительное влияние на качество продукта, особенно это важно при чувствительности материала к теплу. Кроме того, хорошее смешивание ингредиентов экструдированной массы необходимо для получения продуктов одинакового качества. Хорошее смешивание с узким временем обработки улучшает гомогенность экструдированного продукта [30,38,87]. На эти факторы, в первую очередь, влияет профиль шнеков экструдера. Шнеки могут иметь различные наклоны, геометрию пера и глубину канала, что сказывается на эксплутационной характеристике двухшнекового экструдера [95]. Выбранная конфигурация шнека может иметь решающее влияние на процесс, его стабильность, потребление энергии и распределение времени обработки. К сожалению, отсутствуют основные правила по правильному выбору оптимального профиля шнека с точки зрения длины секции, размещения каждой функции или их последовательностей.
Влияние технологических параметров на реологические характеристики пластических материалов
Для проведения микроструктурных исследований проводили отбор проб рецептурных смесей с участка шнековых валов до зоны греющих элементов, в области греющих элементов и готового продукта.
Анализ частиц экструзионной смесей до греющих элементов (рис. 3.9, 3.10, 3.11) в световом микроскопе позволил выявить, что они состояли из более крупных частиц разного размера и сложной формы, а также мелких округлых частиц приблизительно одинакового размера. Мелкие частицы расположены как раздельно, так и в комплексах, с неровными острыми очертаниями. Частицы плотные, крупные фрагменты характеризовались образованием нитевидных отростков и иглообразных форм края; более мелкие частицы имели округлые очертания.
Окрашивание экструзионных смесей взятых до греющих элементов йодсодержащим красителем продемонстрировало то, что малые частицы представляли собой главным образом не разрушенные зерна крахмала (рис. 3.9 А, ЗЛО А, 3.11 А). Об этом свидетельствует то, что после взаимодействия с йодом они приобрели ярко выраженный цвет: синий - при малых концентрациях красителя или более интенсивный темно-синий - при больших концентрациях.
Метиленовый краситель позволил выявить белковые включения в экструзионной смесях, взятых до греющих элементов, крупного и мелкого размера, угловатой или волокнистой формы.
Белковые компоненты экструзионной смеси №1 (рис. 3.9 В) довольно равномерно распределены по всей массе анализируемых образцов, занимая около 10-15 % от их общего объема продукта. Преобладающим компонентом экструзионной смеси являлась углеводная фракция. В составе продукта также выявлялись целлюлозные клеточные фрагменты, входившие в состав растительных добавок вместе с сухим животным бульоном.
Белковые компоненты экструзионной смеси № 2 (рис. ЗЛО В) довольно крупные, плотные, имели различную форму с, отчасти, закругленными и вытянутыми краями. Они расположены по всему объему углеводной фракции продукта в виде разрозненных или же собранных в группы включений.
Белковые компоненты экструзионной смеси № 3 (рис. 3.11 В) состояли из включений различной формы и размеров. Часть белковых структур представляла собой небольшие образования как с округлыми, так и с неровными краями. Другая часть может формировать достаточно крупные комплексы, состоящие из фрагментированных структур. Основным компонентом также являлась углеводная фракция.
На основании проведенного гистологического анализа структуры экструдатов можно предположить, что смесь исходного животного и растительного сырья на участке валов до зоны расположения греющих элементов (температура обработки не выше 373 К) вне зависимости от рецептуры не претерпевала сильных физико-химических изменений. При этом отсутствовали признаки глубокой деструкции клеточно-тканевых образований и биологических полимеров, о чем свидетельствовали сохранившие нативную структуру и тинкториальные свойства крахмальные зерна.
Наличие отдельных белковых образований наравне с формированием их комплексов показывает, что в условиях зоны вала до прохождения греющих элементов не происходило равномерного смешивания животных и растительных компонентов исходного сырья. Исследования проб экструзионных смесей взятых с зоны греющих элементов, показали (рис. 3.12 А, 3.13 А, 3.14 А), что при окраске йодсодержащим красителем сохранившиеся крахмальные зерна более не выявлялись. Фрагменты частиц экструдатов всех трех рецептур из этой зоны, по сравнению с образцами взятыми до греющих элементов, менее плотные с более округлой формой края. Выявление с помощью метиленового синего белковых компонентов подтвердило, что основным компонентом для проб всех рецептур являлась углеводная фракция (рис. 3.12 В, 3.13 В, 3.14 В). Белковые составляющие смесей проб экструдатов № 1 и 2, отобранные из зоны греющих элементов (рис. 3.12 В, 3.13 В), представляли собой мелкие зернистые включения, довольно равномерно распределенные по всему объему частицы. Однако в пробе экструдата рецептуры №2 (рис 3.10 В), также встречались более крупные белковые включения, характеризующиеся вытянутой продолговатой формой. Окрашивание метиленовим синим частиц экструдата с рецептурой № 3 (рис. 3.14 В) позволило выявить, что белковые компоненты представляли собой достаточно крупные структурные комплексы, составляющие которых имели различную округлую или вытянутую форму. Однако белковые комплексы проб с греющих элементах менее крупные по размеру по сравнению с белковыми включениями в пробах экструдата данной рецептуры, взятыми с предыдущего участка вала (рис 3.13 В) с меньшей интенсивностью термического и механического воздействия на пробы. На основании анализа полученных данных можно предположить, что в зоне греющих элементов под действием сил сдвига и растяжения происходило дальнейшее и более глубокое разрушение биополимеров и клеточных структур компонентов экструдатов различной рецептуры, а также более равномерное их смешивание. Проведенные микроструктурные исследования готовых экструдированных продуктов (рис. 3.15 А, 3.16 А, 3.17 А) при окраске частиц на углеводные составляющие содержащим йод красителем также не позволили выявить в них интактные, окрашиваемые зерна крахмала. Частицы измельченных экструдатов демонстрировали форму уплощенных чешуи с закругленными внешними краями. Они были менее плотными и тонкими по сравнению с частицами экструзионной смеси, полученной из зон до греющих и с греющих элементов с включениями не выявляющимися с помощью йода. Окрашивание готовых экструдированных продуктов метиленовым красителем (рис. 3.15 В, 3.16 В, 3.17 В) позволило установить следующее. Основным химическим элементом экструдатов являлась углеводная фракция, в толще которой располагались более мелкие включения различной формы и очертаний, состоящие из компонентов белковой природы. Часть фрагментов белковых компонентов готового экструдата № 1 (рис. 3.15 В) равномерно распределена по всему объему продукта, в виде мелких включений. Другая часть представляла собой разрушенные в значительной степени остатки мышечных волокон, единичных или объединенных в пучки. В составе экструдированного продукта можно обнаружить фрагменты разрушенных пучков миофибрилл, вокруг которых элементы клеточных оболочек не обнаруживались даже частично. Изредка отмечено наличие фрагментарной поперечной исчерченности у некоторой части остатков мышечных волокон. Аналогично тому, что наблюдали и в других изученных материалах, углеводная фракция в данном продукте являлась преобладающим компонентом. В частицах готового экструдата, полученного по рецептуре №2 (рис. 3.16 В), имеющие меньший размер включения белковой природы равномерно распределены по всему объему продукта. В составе экструдата выявлялись явные фрагменты мышечных волокон, преимущественно длиной до 200 мкм, но иногда и до 500-600 мкм. В них наблюдались определенные признаки выраженной деструкции: отсутствовала оболочка волокон, не обнаруживались клеточные ядра, однако местами можно было дифференцировать поперечную исчерченность сохранившихся сократительных миофибриллярных комплексов. Углеводная фракция, в соответствии с исходной рецептурой продукта, также являлась преобладающим компонентом экструзионного продукта.
Исследование реологических характеристик опытной смеси
Результаты исследований показали (табл. 3.21), что разработанные экструдаты обладали высокой степенью атакуемости белков, что косвенно свидетельствует о положительных структурных изменениях рецептурных ингредиентов исходных смесей в результате термопластической экструзии.
Важным является изучение степени разрушения аминокислот в результате действия, в ходе экструзии, больших давлений (до 12 МПа) и высоких температур обработки (до 453 Я) смесей. Аминокислотный состав разработанных экструдатов и смесей исходного сырья представлен в табл. 3.22.
Как показывают исследования (табл. 3.22), различные аминокислоты в разной степени подвергаются декструктивным изменениям в ходе экструзии. В экструдатах № 2-3 в наименьшей степени разрушения подвергались лейцин, лизин (4,43 - 6,13 %); в экструдате № 1 - лизин (5,77 %), лейцин подвергается разрушению в большей степени (9,45 %) по сравнению с экструдатами № 2-3. Большей степени разрушения, в процессе экструзии, подвергались аминокислоты изолейцин и триптофан (10,61 - 17.91 %). Однако следует отметить, что разрушение триптофана эксгрудата № 3 менее значительно по сравнению с другими экструдатами. Интересным являлся тот факт, что незаменимые аминокислоты были подвержены более глубокому разрушению по сравнению с заменимыми аминокислотами. В экструдатах полученных по рецептурам № 2-3 разрушение незаменимых аминокислот было больше чем на 10,3 -23,6 %. В экструдате изготовленном по рецептуре № 1 этот показатель достиг 43,2 %.
Обоснован компонентный состав исходных рецептур с применением нативного мясного сырья для выработки экструдатов. Установлено, что для получения продуктов требуемого качества доля вносимой нативной говядины 2 сорта в исходной смеси не должна превышать 20 %. 2. Отработаны принципы сборки профиля конфигурации шнековых элементов валов экструдера при переработке смесей нативного мясного сырья с сухими животными и растительными компонентами. Для достижения требуемых давлений в процессе экструзии при малом распределении времени обработки смесей, а также равномерного смешения исходных компонентов сырья в экструдере рекомендовано применение серпообразных кулачков с правой и левой геометрией пера. 3. Установлено, что максимальные скорости деформации, необходимые для получения экструдируемых продуктов требуемого качества, на основе нативного мясного и сухого растительного сырья, соответствуют началу участка плавного перехода в область разрушенной структуры и составляют 12-22 с 1. 4. Методами математического планирования установлен состав исходных смесей нативного мясного сырья с сухими животными и растительными компонентами и технологические параметры их экструдирования. Рекомендованы следующие режимы экструзионного процесса: температура матрицы экструдера 453 К, частота вращения шнеков диаметр рабочего сечения фильеры 5 10 " м. 5. Установлено, что в результате воздействия сил сдвига и растяжения в условиях высокой температурной обработки, а также воздействия резкого перепада давления, происходит образование белок-углеводных комплексов, разрушение подавляющей части биологических полимеров при одновременной декструкции тканевых и клеточных структур нативной мясной части исходного сырья. 6. Изучены химические, структурно-механические, биохимические и микробиологические характеристики разработанных продуктов. Полученные результаты показали, что разработанные экструдаты представляют собой продукты с достаточно высоким содержанием белка (до 16%) и малым содержанием жира (до 0,58 %), с высокой пищевой и биологической ценностью. 7. Обоснована и разработана технология экструдатов с широкой вкусовой гаммой. Разработана техническая документация на новые виды экструдатов ТУ 9214-839-00419779-04 «Изделия кулинарные готовые растительно-мясные «Фаворит»», при этом себестоимость продуктов составила 39,6-47,93 тыс. руб. за 1 т. продукции.
Изучение формирования макро- и микроструктуры экструдатов
Зависимость коэффициента взрыва (Кв) от доли вносимого в смесь сухого животного бульона (СЖБ), пшеничной муки (ПМ) представлена на рис. 3.7, со светлым пищевым альбумином (СПА) на рисунке 3.8.
Экспериментальными исследованиями было установлено (рис. 3.5), что при температуре матрицы 453 К экструдаты обладали хорошей пористой структурой, коэффициенты взрыва соответственно составляли 2,2-3,3 доли ед.
Экструдирование смесей с температурой матрицы менее 453 К приводило к снижению коэффициента взрыва экструдата (при 423 К Кв = 1,1-1,3 доли ед.), так как процесс экструзии не достигал завершения.
С повышением температуры более 453 К экструдаты приобретали выраженный темный цвет и пригорелый привкус вследствие интенсивного протекания реакцией Майяра, коэффициент взрыва продукта снижался до 1,4—1,6 доли ед.
Экструдаты хорошего качества, с напряжением среза от 244,85 до 298,36 Па, находящимся в предпочтительном интервале, были получены при экструдирование смеси с частотой вращения валов 15,7 с"1 (рис. 3.6)
Снижение частоты вращения валов до 13,7 с приводило к возрастанию напряжения среза продуктов до 312,25-340,51 Па, а готовые продукты, полученные при экструдирование с частотой вращения валов 12 с"1, характеризовались более низким напряжением среза (185,23-214,12 Па), что является следствием длительного нахождения исходных смесей в камере экструдера; конечные продукты были подгоревшие.
Экструдирование с частотой вращения валов свыше 15,7 с 1 приводило к глубокому разрушению компонентов исходных смесей, что подтверждено реологическими исследованиями. В результате кратковременного воздействия температуры экструдаты характеризовались высоким напряжением среза (до 485,56 Па). Анализ исследований рис. 3.7 показал, что экстру даты с требуемыми структурно-механическими характеристиками были получены с массовой долей вносимых в исходные смеси сухого животного бульона и пшеничной муки 5 - 15 % (Кв = 3,9-2,7 доли ед,). Однако продукты характеризовались низким содержанием белка {6,5 - 7,6 %). Экструдирование пищевых систем с массовой долей сухого животного бульона 20-25 % приводило к получению продуктов с низким коэффициентом взрыва (2,5-2,1 доли ед.). Кроме того, экстру даты приобретали пригорелый привкус из-за высокой массовой доли жира в исходной смеси (6,7 - 7,8 %). Увеличение в смеси доли пшеничной муки до 20 - 25 % приводило к снижению коэффициента взрыва (2,3 - 1,9 доли ед.) вследствие большего содержания белка. Результаты исследований (рис. 3.8) показали, что с ростом массовой доли светлого пищевого альбумина в смеси происходило снижение коэффициента взрыва, что также являлось следствием повышения массовой доли белка в готовом продукте (Кв=2,02 доли ед., при концентрации (СПА) -10 %). Однако при внесении светлого пищевого альбумина в исходную смесь свыше 8 % готовый продукт приобретал неприятный привкус. Кроме того, на структурно механические свойства экструдатов влияют и конструктивные параметры оборудования - экструдера. Одним из таких параметров является диаметр рабочего сечения фильеры матрицы [68, 83]. Поэтому также проводились исследования влияния диаметра фильеры на свойства экструдатов. Влияние диаметра рабочего проходного сечения фильеры матрицы на структурно-механические характеристики готового продукта при отработанных технологических параметрах представлено в табл. 3.17. Анализ табл. 3.17 показал, что экструдирование пищевых систем с диаметром рабочего сечения фильеры матрицы 5» 10 м, обеспечило желаемую величину индекса расширения экструдатов (1р = 0,66-0,68 доли ед.). Индекс расширения экструдатов при диаметре рабочего сечения матрицы 3 10 и 7" 10 мв среднем больше на 25 -29 %, чем при диаметре 5 10 м При диаметре фильеры 3 10"3 м возрастало давление в предматричной зоне экструдера, вследствие чего температура продукта интенсивно повышалась до 473 К, что приводило к меланоидинообразованию. Процесс экструзии был не стабилен, так как происходила блокировка прессформы. Экструдирование смеси с диаметром рабочего сечения фильеры 7» 10"3 м приводило к снижению разности давлений в предматричной зоне экструдера и на выходе продукта из фильеры, вследствие этого не происходило эффективного взрыва экструдатов (Ip = 0,93-0,98 доли ед.). На основании проведенных исследований были определены оптимальные технологические параметры процесса экструдирования и разработаны рецептуры исходных смесей (табл. 3.18), которые позволяли получить продукты требуемого качества:
