Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса применения в пищевой промышленности плодов черёмухи обыкновенной (Padus avium Mill.) 10
1.1 Анализ ареала и использования сырья из черёмухи 10
1.2 Особенности химического состава плодов черёмухи
1.3 Существующие технологии производства и применения
Глава 2. Объекты и методы исследования 28
2.1 Организация работы и структура исследования 28
2.2 Объекты исследования 30
2.3 Методы исследования 34
Глава 3. Разработка полуфабрикатов и ассортимента изделий из плодов черёмухи обыкновенной 39
3.1 Получение и определение химического состава полуфабрикатов из плодов черёмухи обыкновенной 39
3.2 Рецептура, оценка органолептических показателей и пищевой ценности желейно-фруктового мармелада 54
3.3 Рецептура, оценка органолептических показателей и пищевой ценности заварного пряника
Глава 4. Технологии получения полуфабрикатов и изделий из плодов черёмухи обыкновенной 69
4.1 Технологическая схема получения полуфабрикатов и изделий из плодов черёмухи обыкновенной 69
4.2 Моделирование процессов получения желейно-фруктового мармелада и заварного пряника 76
4.3 Испытание протирочно-финишированной машины, спроектированной для обработки плодов черёмухи 86
Глава 5. Технико-экономические показатели получения полуфабрикатов и изделий из плодов черёмухи обыкновенной
5.1 Затраты на технологическое оборудование и его содержание 94
5.2 Экономическая эффективность технологии получения полуфабрикатов и изделий из черёмухи обыкновенной 97
Практические рекомендации 105
Список литературы
- Особенности химического состава плодов черёмухи
- Объекты исследования
- Рецептура, оценка органолептических показателей и пищевой ценности желейно-фруктового мармелада
- Моделирование процессов получения желейно-фруктового мармелада и заварного пряника
Особенности химического состава плодов черёмухи
На основе рекомендаций органов охраны здоровья перспективные исследования нацелены на обогащение кондитерских изделий витаминами, белками, минеральными веществами, клетчаткой при снижении калорийности и количества холестерина.
По всему миру ведут разработку способов использования различных фитообогатителей в производстве хлебобулочных, пастило-мармеладных и мучных кондитерских изделий, в том числе из нетрадиционных видов растительного сырья. Добавление таких видов сырья в хлебопекарной и кондитерской промышленности (например, черника, облепиха, клюква, рябина, калина, черёмуха), позволяет одновременно увеличить пищевую и биологическую ценности, улучшить качество готовых изделий и достигнуть экономии ресурсов, при этом придать продукции диетическую и профилактическую направленность [16, 103, 114].
Современные пищевые продукты должны иметь высокие органолептические и физико-химические показатели, обладать высокой пищевой ценностью, долго храниться и легко использоваться [7, 17].
При оптимизации рецептур кондитерских изделий одним из важнейших условий является стабильность химического состава, поддержание заданного соотношения питательных и биологически активных веществ. Придание изделиям высших потребительских свойств является сложной научно-организационной задачей в пищевой промышленности. Формирование направления отечественного производства пищевых ингредиентов реализуется посредством собственного производства комплексных технологических добавок, имеющих различные функции во всевозможных пищевых системах и продуктах [75, 86, 91, 100, 104].
В Российской Федерации необходимо эффективно использовать природно-экологические ресурсы и почвенно-климатические условия для выращивания овощей, плодов и ягод, модернизации перерабатывающей промышленности Красноярского края, что приобретает огромное значение в деле обеспечения населения разнообразными и качественными продуктами питания [111, 119].
Россия испытывает жёсткую конкуренцию по изготовлению соков и кондитерских изделий из винограда, абрикосов, вишни. Производство же полуфабрикатов из черёмухи имеет конкурентные преимущества за счёт использования местного растительного сырья.
Несмотря на очевидный ряд преимуществ по пищевой и биологической ценности, в пищевых производствах плоды черёмухи используются нерегулярно. Основными причинами, сдерживающими их использование, является недостаточное внимание заготовителей и пищевой промышленности на развитие инфраструктуры. К примеру, выработку мучных кондитерских изделий с добавлением фитосырья можно запустить на большей части действующих предприятий кондитерской промышленности Восточной Сибири.
Максимально полное извлечение ценных компонентов сырья является главной задачей при переработке фитосырья [24, 61, 63, 76, 77, 89, 102].
Полуфабрикаты из растительного сырья в пищевой промышленности получают с использованием физических, микробиологических и химических методов.
Наиболее часто используют физические методы: консервирование, стерилизация, замораживание и сушка [7].
В качестве полуфабрикатов при производстве кондитерских изделий, выделяют следующие: экстракты, сироп, пюре, подварки, припасы, порошки.
Полуфабрикаты являются перспективным материалом для формирования рецептуры и ассортимента кондитерских изделий пастило-мармеладных и мучных кондитерских изделий как традиционных компонентов пищевого рациона питания населения России.
Мучные кондитерские изделия имеют высокую пищевую ценность, которая связана со значительным содержанием белков, жиров, углеводов. Их калорийность имеет размер от 400 ккал и выше. Но в этих продуктах часто имеется недостаток важных для организма человека веществ - витаминов, клетчатки и минеральных веществ.
В пастило-мармеладных изделиях также требуется повышать пищевую ценность. Аналогичным способом её решения является использование полуфабрикатов местного растительного происхождения, обладающих определенными качественными свойствами [1, 3, 10, 15, 57, 62].
Внесение наполнителей не осложняет технологический процесс, но придаёт изделию оригинальность, хорошие органолептические показатели, что положительно отражается на его конкурентоспособности.
Использование полуфабрикатов из плодов черёмухи в качестве фитонаполнителя даёт возможность изготовить изделие с высокой пищевой ценностью за счёт присутствия в его составе необходимых элементов питания.
Таким образом, интерес к плодам черёмухи и полуфабрикатам на их основе может быть оправдан значительной пищевой ценностью, повышенным содержанием биологически активных веществ и достаточной сырьевой базой для развития пищевых производств.
Главной технологической операцией получения пюреобразного полуфабриката является качественное отделение от плода косточки и кожицы.
Процесс протирания характеризуется выходом пюре с единицы массы перерабатываемого сырья. Качественными контролируемыми показателями являются: однородность цвета, сохранность витаминов, аминокислот и углеводов, а также дисперсность состава, определяющая степень измельчения [124].
Протирание - это процесс отделения плодов от косточек, семян и кожицы на ситах с ячейками диаметром от 1,0 до 3,0 мм. Финишируют для дополнительного измельчения полученной массы пропусканием через сито с ячейками диаметром 0,8 мм и меньше. По данному способу работают протирочные машины и финишеры одинаковой конструктивной схемы, различие заключается только в диаметре ячейки рабочего сита. После протирания, а затем финиширования получают полуфабрикат и отходы, не имеющие пищевой ценности.
Академиком Российской академии сельскохозяйственных наук В.А. Панфиловым были исследованы протирочные машины известных марок, конструкция которых позволяет протирать косточковые плоды: КПУ-М, 1П31, А9-КИТ [5]. Выбранные модели имеют наиболее подходящие характеристики для переработки исследуемого сырья.
Машина КПУ-М. На станине машины смонтированы бичи и корзина. Продукт из бункера продвигается с помощью шнека. За счёт быстрого вращения лопастей масса представляет собой тестообразную смесь. Под действием центробежной силы и давления бичей мякоть проходит через сито в бункер. Все отходы утилизируются через боковой люк.
При мощности электродвигателя 4 кВт производительность машины достигает 5 т/ч. Большое количество бичей (10 штук) позволяет наиболее тщательно производить протирку сырья, но влечёт за собой сложность обслуживания. Диаметр сита имеет лишь одну вариацию - 1 мм. Стоит отметить, что при крупных размерах для такого рода машин масса её довольно низкая - 270 кг. Это позволяет с лёгкостью производить монтаж оборудования или смену его местоположения.
Объекты исследования
Плоды черёмухи обыкновенной исследовали по органолептическим, физико-химическим показателям. В работе использовали общепринятые органолептические, физико-химические и микробиологические методы исследования свойств сырья, полуфабрикатов и готовых изделий.
Исследование проводилось в лабораторных условиях кафедры «Технология хлебопекарного, кондитерского и макаронного производств» Красноярского государственного агарного университета, в лаборатории Минусинской кондитерской фабрики и в Научно-исследовательском испытательном центре по контролю качества с/х сырья и пищевых продуктов Красноярского государственного агарного университета.
При получении пюре и порошка из мякоти плодов черёмухи обыкновенной сырьё подвергалось бланшированию паром t = 96 С в течение 3 минут. Протирка плодов осуществлялась в два этапа: через сито с диаметром ячеек 2,5 мм и 1 мм.
Для получения пюре заданной консистенции производилось уваривание мякоти с последующим консервированием бензойной кислотой.
Для получения порошка мякоть и кожицу высушивали до массовой доли влаги 6,5-8,5 % от общей массы загружаемого сырья. С помощью дезинтегратора измельчали полученную массу до заданного размера фракции. Исследования органолептических показателей проводили с использованием балльной оценки. Определяли внешний вид, вкус и запах. Дегустационную оценку проводили по 30-балльной системе (по методу Ковалева Н.И.), где высшая максимальная оценка - 30; отлично - 29-21; хорошо -20-11; удовлетворительно - 10-1.
Пищевую ценность определяли в 100 г съедобной части продукта. Её размер складывается из количества белков, жиров, углеводов, витаминов, макро- и микроэлементов, энергетической ценности. Расчёт энергетической ценности продукта определялся исходя из его химического состава и энергетической ценности отдельных пищевых веществ. Оценка безопасности сырья и продукции проводилась в соответствии с техническим регламентом Таможенного союза «О безопасности пищевой продукции» (ТР ТС 021/2011).
Определение содержания марганца, железа, калия, кальция производили атомно-абсорбционным методом с помощью спектрометра PinAAcle 900Т. Объём массовой доли бензойной кислоты в полученном пюре определяли фотометрическим методом. Предварительно бензойная кислота отгоняется из продукта водяным паром [35].
Массовую долю минеральных примесей определяли методом флотации, при этом тяжелые примеси отделяли осаждением [45].
Пестициды определялись экстракцией фосфорорганических пестицидов с помощью ацетона и воды с последующим определением посредством хромотографии [38]. Радионуклиды определяли гаммаспектрометрическим методом [85]. Плесневые грибы и дрожжи определяли методом высева продукта и разведения питательной среды. Принадлежность выделяемых микроорганизмов определяли по характеру роста в питательной среде [27]. Мезофильные аэробные, факультативно-анаэробные микроорганизмы, а также молочно-кислые бактерии определяли посевом микроорганизмов в питательные среды, которые предназначены для пищевых продуктов [26, 28]. Бактерии группы кишечных палочек определяли по ГОСТ 31747-2012 [39]. Математическое моделирование проводили методами теории случайных процессов с использованием аппарата дифференциальных уравнений А.Н. Колмогорова. А.Н. Колмогоров предложил для исследования марковского процесса с дискретными состояниями и непрерывным временем использовать аппарат дифференциальных уравнений [14]: dp v /\v /\ іч
Дана интерпретация технологической схемы с заданными потоками непрерывной обработки сырья как графа состояний марковского процесса в системе с дискретными состояниями и непрерывным временем. Это позволило адаптировать уравнения А.Н. Колмогорова для представления потоков сырья между звеньями и определить стационарный режим эксплуатации технологической линии. Интерпретируя вероятность р. как отношение массы обрабатываемого сырья т. в і-ом звене к общему объёму сырья м , получим для величины щ = р;-М уравнение:
Исследования проводили в трехкратной повторности и обрабатывали на программных комплексах Maple 13 и DataFit. Математический аппарат [87] обработки на языке Maple для проведения вычислительного эксперимента и оптимизации режимных параметров содержит: - задание входных потоков в технологическую систему; - задание интенсивности технологических процессов; - задание начальных состояний технологических звеньев; постановку задачи Копій для системы дифференциальных уравнений Колмогорова; - аналитическое решение задачи Копій для системы дифференциальных уравнений Колмогорова; - разложение решения задачи Коши для системы дифференциальных уравнений Колмогорова в ряд Тейлора; - численное решение задачи Коши для системы дифференциальных уравнений Колмогорова методом Рунге-Кутты; определение финальных состояний технологической системы; разработку прикладной Maple-программы.
Рецептура, оценка органолептических показателей и пищевой ценности желейно-фруктового мармелада
Оборудование подобрано в соответствии с объёмом перерабатываемого сырья, конструкцией и габаритами машин. Работа линии осуществляется следующим образом. Плоды черёмухи (сырьё) поступают в приёмный лоток (1), откуда попадают на сортировочно-инспекционный транспортёр ТСИ (2) для удаления испорченных, недозрелых плодов, их сортировки и калибровки. Далее производится мойка в барботажной моечной машине КУМ-1а (3), где благодаря постоянному притоку тёплой воды и сжатого воздуха производится полное очищение загруженного сырья. После с помощью ленточного наклонного транспортёра (4) производится подача очищенного сырья в бланширователь БВ-1000 (5) для его окончательной подготовки к получению полуфабриката. Бланширование производится паром, благодаря чему мякоть в дальнейшем с лёгкостью отделяется от косточки и кожицы. Также при бланшировании уменьшается количество патогенных микроорганизмов. Далее на ленточном наклонном транспортёре обработанное сырьё поступает в разработанную протирочно-финишированную машину (7), состоящую из двух узлов. В первом узле происходит отделение косточки от основной массы плода. После оставшаяся мякоть и кожица поступают во второй узел, где происходит отделение мякоти от оставшейся кожицы. На выходе получаются отделёнными мякоть, кожица и косточка.
Для получения пюре полученная мякоть насосом-гомогенезатором НГД-1.1 (8) транспортируется в варочный котёл ВВА-1000 (9) для дальнейшего уваривания массы до заданного размера сухих веществ. После уваривания в котёл добавляется раствор бензойнокислого натрия для консервации полученного пюре. Консервированное пюре поступает в упаковочную установку Bag-in-Box MBF1500 (10), в которой производится завершающий цикл получения пюре -фасовка, упаковка, маркировка.
Для получения порошка после протирочно-финишированной машины мякоть с помощью насоса ОНЛ 65-50-200К-2,2/4 (11) поступает в вальцовую сушильную установку ВС-М (12). Также для безотходного производства, увеличения объёма выхода конечного продукта и содержания клетчатки в сушильную установку отправляется кожица. Для получения монодисперсного порошка высушенная масса поступает в мельницу УИМ-2 Р (13). После полученный порошок упаковывается с помощью упаковочной установки БЕСТРОМ-400 (14).
Объёмы фасовки пюре и порошка выбираются исходя из потребностей и рабочих диапазонов упаковочных машин [88].
Машинно-аппаратурная схема получения желейно-фруктового мармелада с пюре из плодов черёмухи обыкновенной. На основе алгоритма получения желейно-фруктового мармелада, разработанного в лабораторных условиях (см. рис. 3.2) предлагается совокупность технических средств для производства желейно-фруктового мармелада с полученным полуфабрикатом (рис. 4.2, табл. 4.2). і
Работа линии начинается с загрузки сырья в приёмные лотки (1) для приготовления агаро-сахаро-паточного сиропа в варочном котле СКП-1000 (2). В бункер (3) загружается полуфабрикат, который подается в смеситель МГ-ГУРТ-800 (4) вместе с полученным агаро-сахаро-паточном сиропом. Полученная масса поступает в варочный котёл СКП-1000 (5) для приготовления мармеладной массы. Далее мармеладную массу разливали в формы для формирования и студнеобразования с помощью отливочной машины МОМ-150 (6). После мармеладная масса застудневает в формах. Отлитый мармелад выбирают из форм, который поступает в сушильную установку ШСМ (7) для сушки и выстойки. Готовое изделие фасуют, упаковывают и маркируют с помощью упаковочной установки МДУ-01М-ДВК-12-2 (8).
Машинно-аппаратурная схема получения заварного пряника с порошком из мякоти плодов черёмухи обыкновенной. На основе алгоритма получения заварного пряника, разработанного в лабораторных условиях (см. рис. 3.3), предлагается проект машинно-аппаратурная схемы производства заварного пряника (рис. 4.3, табл. 4.3).
Сырьё загружается в бункеры (1). Варка сахаро-паточного сиропа производится в котле СКП-1000 (2). Для приготовления заварки мука и полученный сироп загружаются в тестомесильную сбивальную машину с водяной рубашкой АК-0945ШВ (4). Затем заварка охлаждается. После в тестомесильную машину Г7-ТЗМ-63 (5) производится подача полученной заварки и сырья (маргарин, молоко сгущёное, сода, аммоний, ванилин, полуфабрикат из черёмухи), где производится замес теста. Полученное тесто охлаждается и подаётся на формование в тестоотсадочную машину МТК-100А (6). Формованные изделия попадают в тоннельную печь ПКМ-5 (7). Во время выпечки отдельно приготавливается сахарный сироп в варочном котле СКП-1000 (9). С помощью насоса ОНЛ 65-50-200К-2,2/4 (10) сироп подаётся в глазировочную машину (11). После выпечки изделия с помощью ленточного транспортёра (8) также подаются в глазировочную машину (11). После прохождения процесса глазирования изделия попадают в ленточную сушилку П/Т5-1-600 (12). Далее готовые заварные пряники упаковываются в пакеты на установке МДУ-01М-ДВК-12-2 (13). 4.2 Моделирование процессов получения желейно-фруктового мармелада и заварного пряника
Моделирование процессов получения желейно-фруктового мармелада и заварного пряника
Сырьё загружается в бункеры (1). Варка сахаро-паточного сиропа производится в котле СКП-1000 (2). Для приготовления заварки мука и полученный сироп загружаются в тестомесильную сбивальную машину с водяной рубашкой АК-0945ШВ (4). Затем заварка охлаждается. После в тестомесильную машину Г7-ТЗМ-63 (5) производится подача полученной заварки и сырья (маргарин, молоко сгущёное, сода, аммоний, ванилин, полуфабрикат из черёмухи), где производится замес теста. Полученное тесто охлаждается и подаётся на формование в тестоотсадочную машину МТК-100А (6). Формованные изделия попадают в тоннельную печь ПКМ-5 (7). Во время выпечки отдельно приготавливается сахарный сироп в варочном котле СКП-1000 (9). С помощью насоса ОНЛ 65-50-200К-2,2/4 (10) сироп подаётся в глазировочную машину (11). После выпечки изделия с помощью ленточного транспортёра (8) также подаются в глазировочную машину (11). После прохождения процесса глазирования изделия попадают в ленточную сушилку П/Т5-1-600 (12). Далее готовые заварные пряники упаковываются в пакеты на установке МДУ-01М-ДВК-12-2 (13).
Для применения математического аппарата по изучению функционирования аппаратно-машинной схемы разработаны математические модели, установлены соотношения между состоянием звеньев, интенсивностями в финальном состоянии и системы в целом [80, 81, 82, 83, 84].
Систематизировав технологические и режимные параметры получения желейно-фруктового мармелада, сформирована структура и установлены функциональные связи между технологическими звеньями (рис. 4.4).
Технологическая схема получения желейно-фруктового мармелада с пюре из плодов черёмухи обыкновенной Для разработки аналитической модели введём следующие обозначения для звеньев и интенсивностей потоков между ними: Хк- к-е звено технологической линии, интенсивность потока из k-го звена в (к+1)-е. Обозначим функцию состояния звена ХкВ момент времени t через Хк (t). Для учёта скорости обработки и потери массы сырья заданы коэффициенты а. Изменение состояния звена описывается разностью входящих и исходящих потоков по временному параметру t.
Поставленная задача Коши (4.2 )-(4.9 ) описывает функционирование технологической линии в целом, а её решение описывает динамику отдельных звеньев - искомые режимы эксплуатации технологической линии.
Составив однородную систему линейных уравнений, соответствующих системе дифференциальных уравнений (4.2)-(4.9), определим финитные состояния звеньев:
Финальные состояния зависят от соотношения объёмов бункеров 1 и 2, которые регулируются заданной рецептурой. Поэтому формулы (4.2 ")-(4.9 ") позволяют адаптировать технологическую линию под конечный продукт [18, 19]. Для вычислительного моделирования разработана прикладная Maple-программа для ЭВМ (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014617049 [81]). Программа позволяет проводить вычислительный эксперимент по подбору режимных параметров и соотношений компонентов сырья под конкретную рецептуру (рис. 4.5). І Ш- сл Р
Проставлена гвявшштааьмаа схема її ытиппгаао ыоэ» агтараіис машинной акти прастолслм иояссо фжшиоишмого npoawra - ахлеігио фрахтового мармехд» ні иишлі пяолса чгрМгсиі, которая пошаааел псябирша, реааімкис пфамггры и пткяюаи компонента cupta поз конкретную реиетуру Вычисленные махмомсрмослі ияссисмн натруїш н жми т пиолотмческал лимкн. технология я еростаа предложенной ширино машинной схемы могут быть ікпоахмвяюі прсасамэспиккыт предлрнаппх АПК
Графическое представление позволяет наглядно представить зависимость всех параметров системы с течением времени. С помощью данного метода можно сравнить эффективность работы системы с разными рецептурами и объёмами производства (рис. 4.6, 4.7). Рисунок 4.6 - Пример получения результатов в графическом виде Рисунок 4.7 - Зависимость работы узлов W и SH
С использованием метода Рунге-Кутты получено численное решение (4.2)-(4.9) и (4.2 )-(4.9 ). Интервал времени выбран от 0 до 28 часов с шагом 4 часа. Для оценки работы технологической системы был проведён вычислительный эксперимент (табл. 4.4). Таблица 4.4 - Результаты вычислительного моделирования динамики работы технологической линии получения желейно-фруктового мармелада, т/ч
В соответствии с алгоритмом лабораторных исследований (см. рис. 3.3) было произведено моделирование работы линии по производству заварного пряника с мякотью плодов черёмухи обыкновенной аналогично алгоритму, применённому в моделировании работы линии по производству желейно-фруктового мармелада. Получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2014660231) [83].