Введение к работе
Актуальность темы исследований. Одной из основных задач государственной политики Российской Федерации в области здорового питания согласно распоряжению Правительства РФ от 25 сентября 2010 № 1873-р на период до 2020 года является модернизация и интенсификация перерабатывающей промышленности, ее ориентация на использование местных сырьевых ресурсов с целью обеспечения продовольственной безопасности страны за счет новых способов получения источников пищи.
Анализ динамики производства зерна Красноярского края с учетом переработки в муку и крупу в 2000-2015 гг., показал, что объем производимого зерна основных злаковых культур в регионе превысил потребности населения на 29,9 %. В структуре производства зерна основных злаковых культур 63% приходится на пшеницу, 20 % – на овес, 17 % – на ячмень. В муку перерабатывается 20% производимого в крае зерна пшеницы, вместе с этим отмечается низкий коэффициент использования производственных мощностей мукомольных предприятий края, которые используют свою среднегодовую мощность только на 55 %, а хлебопекарные предприятия – на 54,7%. Действующие крупяные заводы производят 6,5 % крупы от общей потребности населения края.
При наличии профицита зернового сырья свободные мощности зернопе-рерабатывающих предприятий можно было бы использовать для производства импортозамещающих новых пищевых продуктов, обогащенных микроэлементами, повышенной пищевой ценности из зерна пшеницы, ячменя и овса. Такие продукты можно получить, применяя инновационные технологии переработки зерна, такие как экструдирование и ультразвуковая кавитация.
В связи с этим научно-практическое обоснование и совершенствование технологий переработки зерна злаковых культур с использованием экструзии и ультразвуковой кавитации для получения продуктов повышенной пищевой ценности является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследований. Существенный вклад в развитие теории экструзии при переработке растительного сырья внесли такие российские и зарубежные ученые как А.Н. Остриков, В.Г. Карпов, В.А. Силин, А.Ф. Шаззо, А.И. Жушман, В.Г. Краус, E.С. Bernhardt, G. Schenkel, G.H. Jepson, Z. Tadmor и многие другие.
Вопрос внедрения ультразвуковых технологий в пищевую промышленность мало изучен, известны труды Я.А. Артемова, В.И. Богуш, Т.П. Воло-хова, О.Н. Красуля, Б.А. Красуля, P.Д. Поландовой, В.Н. Хмелева, С.Д. Шеста-кова, Т.В. Шленской, L. Wangl.
*Автор выражает благодарность и признательность доктору технических наук, профессору Рослякову Ю.Ф. за ценные советы при выполнении работы
Несмотря на вклад, внесенный учеными, в литературе отсутствуют научно обоснованные подходы к использованию технологий экструзионной и ультразвуковой кавитационной обработки зерна пшеницы, ячменя и овса при получении продуктов с заданными потребительскими свойствами и их применению в технологии хлебобулочных и мучных кондитерских изделий. Необходим системный подход к формированию развивающихся технологий с учетом рационального и эффективного использования сырья при получении продуктов питания из зерна.
Диссертационные исследования проводились в рамках научно-исследовательской работы по тематическому плану-заданию Минсельхоза РФ по теме № 130 (2014 г.) «Проведение научных исследований по диагностике уровня развития сельскохозяйственных территорий Красноярского края на основе мониторинга отраслей растениеводства и перерабатывающей промышленности»; по теме № 42 (2015 г.): «Моделирование и прогнозирование развития импортозамещающих пищевых производств с использованием природно-экологического ресурса территорий АПК Красноярского края»; исследования на тему «Организационно-экономический механизм обеспечения импортоза-мещения и продовольственной безопасности Красноярского края» поддержаны грантом Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности (2015 г.).
Целью работы является научно-практическое обоснование и совершенствование технологий переработки зерна злаковых культур (пшеница, ячмень, овес) с использованием экструзионной и ультразвуковой кавитационной обработки для получения муки, крупы, хлебобулочных и мучных кондитерских изделий повышенной пищевой ценности.
Для реализации поставленной цели определены основные задачи исследований:
разработать научную концепцию использования экструзионных и ультразвуковых кавитационных технологий для производства продуктов питания повышенной пищевой ценности;
провести анализ сырьевого потенциала, технического состояния и тенденций совершенствования зерноперерабатывающей отрасли Красноярского края;
развить методологию комплексной оценки количественно-качественных показателей продовольственного зернового сырья для пищевых производств;
теоретически и экспериментально обосновать изменения физико-химических свойств зерна пшеницы, ячменя и овса в зависимости от режимов экструзионной обработки материала при получении муки и прогнозирования оптимальных технологических параметров экструдирования;
теоретически обосновать и разработать технологии ультразвуковой ка-
витации зерна пшеницы, ячменя и овса для обогащения крупы и муки микроэлементами;
теоретически и практически обосновать и разработать инновационные технологии, рецептуры хлебобулочных и мучных кондитерских изделий повышенной пищевой ценности с применением муки из экструдата и обогащенного микроэлементами зерна пшеницы, ячменя и овса;
разработать нормативную и техническую документацию на новые виды муки, крупы, хлебобулочных и мучных кондитерских изделий повышенной пищевой ценности;
определить экономическую эффективность усовершенствованных технологий и разработанных рецептур новых пищевых продуктов повышенной пищевой ценности.
Научная концепция диссертации заключается в разработке инновационных технологий получения новых хлебобулочных и мучных кондитерских изделий повышенной пищевой ценности из муки, произведенной из экструдиро-ванного зерна основных злаковых культур и обогащенного микроэлементами зерна пшеницы, овсяной и ячменной крупы, полученной с использованием ультразвуковой кавитации.
Научная новизна заключается в следующем:
разработаны научные принципы прогнозирования и оценки формирования количества и качества зерна для зерноперерабатывающей отрасли;
впервые на основе разработанной многомерной статистической модели расчета оптимальных количественно-качественных показателей зерна различных природно-климатических зон Красноярского края предложено обоснование размещения новых производственных предприятий зерноперерабатывающей отрасли;
обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования зерна пшеницы, ячменя и овса как нового вида сырья при производстве муки из экструдата;
разработаны математические модели, позволяющие прогнозировать влияние технологических параметров экструдирования на изменение органо-лептических, физико-химических показателей нового продукта;
теоретически обоснована новая технология и разработана технологическая линия получения обогащенных микроэлементами крупы и муки из зерна пшеницы ячменя и овса с использованием ультразвуковой кавитации;
разработаны математические модели, позволяющие прогнозировать параметры ультразвуковой кавитационной обработки при обогащении крупы микроэлементами;
показана и научно обоснована целесообразность и эффективность использования в качестве сырья для производства хлебобулочных и мучных кондитерских изделий, обладающих высокими потребительскими свойствами, му-
ки из зерна пшеницы, ячменя и овса, полученного с применением методов экс-трудирования и ультразвуковой кавитации;
- в результате комплексной оценки потребительских свойств хлеба, хле
бобулочных и мучных кондитерских изделий установлено, что разработанные
технологии позволяют получить продукты с повышенной пищевой ценностью.
Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований:
разработаны и предложены новые ресурсосберегающие аппаратурно-технологические схемы получения муки из зерна пшеницы, ячменя и овса с применением технологии экструдирования для производства пищевых продуктов;
разработаны способы получения обогащенных микроэлементами продуктов и аппаратурно-технологическая схема малотоннажного производства обогащенных крупы и муки, обладающих заданными функционально-технологическими свойствами;
подтверждена новизна концепций ряда технических решений: патент № 2012124457 Способ обогащения крупяных продуктов микроэлементами; патент № 2013112442 Зерноочистительная машина; патент № 2016108373 Гравитационно-вибрационный сепаратор; программа для ЭВМ № 2014660231 Моделирование потоков сырья в технологической системе получения заварного пряника с порошком высушенных ягод черемухи; программа для ЭВМ № 2016611337 Моделирование качества зерна яровой мягкой пшеницы в производственно-хозяйственных условиях южных районов Красноярского края; свидетельство информ. регистра № 26351 «Продовольственная безопасность Сибири. Инновационные технологии производства, переработки и логистики сельскохозяйственной продукции: паспорт региональной технологической платформы»;
разработана и утверждена на предприятиях Красноярского края нормативная и техническая документация на готовую продукцию;
разработанный «Технологический регламент на производство экстру-дированного зерна» утвержден Министерством сельского хозяйства Красноярского края;
проведены промышленная апробация и внедрение предлагаемых технологий в СПК «Андроновское», СППК «Мукомол», ПАО «Красноярский хлеб» (Красноярский край), подтвердившие положительные результаты исследований;
разработанные автором научные положения и практические решения нашли применение при организации научно-исследовательской работы студентов и аспирантов, результаты исследований используются в процессе обучения бакалавров и магистров ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ на кафедрах «Техноло-
гия хранения и переработки зерна» и «Технология хлебопекарного, кондитерского и макаронного производств».
Достоверность и обоснованность полученных результатов
Обоснованность научных положений, выводов, теоретических и практических разработок, рекомендаций, отраженных в работе, базируется на анализе теоретических основ изучаемой проблемы подтверждена экспериментальными данными и апробирована в условиях лаборатории. Достоверность результатов работы подтверждается значительным количеством экспериментальных данных, адекватным объмом проведенных исследований, использованием современных методик и оборудования для получения экспериментальных данных и их обработки, применением метода математического моделирования и внедрением результатов в производство, а также сопоставлением результатов исследований с данными, полученными другими исследователями.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 62 публикациях, в том числе в 22 статьях, опубликованных в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и 4 монографиях; получено 5 патентов РФ на изобретения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований представлены и обсуждены на всероссийских, международных конференциях: Научно-практическая конференция с международным участием «Научные достижения производству» (Иркутск, 2011); XII международная научно-практическая конференция «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (Барнаул, 2012); «Инновационные тенденции развития российской науки» (Красноярск, 2012); «Агропромышленный комплекс в Красноярском крае: задачи и перспективы развития» (Красноярск, 2012); «Наука и образование; опыт, проблемы, перспективы развития» (Красноярск, 2012); «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы» (Москва, 2013); IV международная научно-практическая конференция «Хлебобулочные, кондитерские и макаронные изделия XXI века» (Краснодар, 2015).
Положения, выносимые на защиту:
комплексная оценка формирования технологических свойств зерна злаковых культур в Красноярском крае и обоснование полученных результатов для использования в зерноперерабатывающих производствах;
разработанная новая технология получения муки из зерна основных злаковых культур методом экструдирования, результаты опытно-промышленных испытаний;
новые способы получения обогащенных микроэлементами круп и муки;
научно-практическое обоснование регулирования наиболее значимых технологических факторов, определяющих формирование технологических
свойств сырья и пищевую ценность разработанного ассортимента крупы и хлеба, хлебобулочных и мучных кондитерских изделий;
- результаты оценки экономической эффективности разработанных технологических и технических решений.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 292 страницах текста, содержит 133 таблицы, 104 рисунка, 293 наименования использованных источников, в том числе 24 зарубежных авторов, приложения на 77 страницах.