Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор
1.1 Продукты повышенной пишевой ценности из крахмалсодержащего зернового сырья 13
1.2 Продукты для детского, диетического и специального питания на зерновой основе 15
1.3 Биоразрушаемые термопластичные материалы на основе крахмалсодержащего зернового сырья 26
1.4 Строение и свойства основных видов сырья 29
1.4.1 Химический состав зерен крахмала 29
1.4.2 Структура зерен крахмала 31
1.5 Теоретические основы экструзионной переработки пищевого сырья 34
1.5.1 Анализ факторов, определяющих процесс экструзии пищевых материалов 41
1.6 Влияние параметров экструзионной обработки на изменение свойств крахмалсодержащего сырья 43
1.6.1 Реологические свойства дисперсных масс 43
1.6-2 Изменение крахмала i 45
1.6.2 Клейстеризация крахмала в процессе экструзионной переработки 47
1.6.2.2 Роль воды при клейстеризации крахмала в процессе гидротермомеханической обработки 49
1.6.3 Изменение белкового комплекса „ „ 51
1.6.4 Изменение других компонентов 53
1.6.4.1 Жиры 53
1.6.4.2 Сахара 54
1.6.4.3 Витамины 54
1.6.4.4 Пищевые волокна 55
1.7 Стойкость продуктов при хранении 55
1.8 Обзор технологий переработки крахмалсодержащего сырья с использованием экструзионной техники 57
1.8.1 Производство экстру дированных закусочных продуктов повышенной пищевой ценности на основе крахмалсодержащего зернового сырья 66
1.8.2 Производство модифицированных крахмалопродуктов 68
1.8.3 Способы производства муки для детского и диетического питания 73
1.8.4 Производство биологически разрушаемых полимеров на основе крахмалсодержащего сырья 76
Заключение по обзору литературы и задачи
исследования 82
Глава 2 Материалы и методы исследования
2.1 Материалы исследований 83
2.2 Методы исследования 88
2.2.1 Методы технологических исследований „ 88
2.2.2 Получение термопластичных материалов на основе крахмалсодержащего сырья 90
2.2.2.1. Получение модифицированных крахмалов и полимерных материалов на его основе 90
2,2.2.2 Получение крахмалонаполненных полимерных материалов 91
2.2.3 Методы физико-химических исследований 92
2.2.3.1 Определение содержания водорастворимых веществ 92
2.2.3.2 Исследование способности к набуханию 93
2.2.3.3 Определение набухаемости крахмала в горячей воде 93
2.2.3.4 Определение степени клейстеризации крахмала 93
2.2.3.5 Определение способности крахмала связывать воду и растворяться 94
2.2.3.6 Определение варочных свойств крупы из крахмала 95
2.2.3.7 Определение органолептических свойств 95
2.23.8 Определение консистенции 95
2.2.3.9 Исследование реологических свойств крахмальных дисперсий 96
2.2.3.10 Исследование реологических свойств расплава
полимерных материалов на основе крахмала 96
2.2.4 Методы биохимических исследований 97
2.2.4. 1 Определение содержания сухих веществ 97
2.2.4.2 Определение содержания редуцирующих веществ 97
2.2.4.3 Определение содержания крахмала 97
2.2.4.4 Определение содержания амилозы и амилопектина 98
2.2.4.5 Определение содержания декстринов 98
2.2.4.6 Определение содержания белков 98
2.2.4.7 Определение фракционного состава белков 98
2.2.4.8 Определение аминокислотного состава белков 99
2.2.4.9 Определение жирнокислотного состава липидов 99
2.2.4.10 Определение содержания водорастворимых витаминов 99
2.2.4.11 Определение коэффициента расширения экструдатов 99
2.2.5 Методы исследований изменения качества продуктов при хранении Ю0
2.2.6 Исследование сорбционных свойств и установление условий хранения 100
2.2.7 Медико-биологическая оценка экструдатов 100
2.2.8 Методы структурного анализа полимеров 101
2.2.9 Методы определения эксплуатационных показателей полимерных материалов 101
2.2.9Л. Определение деформационно-прочностных показателей полимерных материалов Ї01
2.2.9.2. Определение устойчивости полимерных материалов в агрессивных средах І01
2.2.9.3. Определение санитарно- химических показателей полимерных материалов 102
2.2.9.4. Определение биодеструкции полимерных материалов 102
2-2.10 Другие методы исследований 105
2-2.11 Статистическая обработка экспериментальных данных 106
Глава 3 Результаты технологических исследований производства экструдированных закусочных продуктов на основе крахмалсодержащего зернового сырья
3.1 Влияние реологических свойств зернового сырья на процесс экструдировани
3.1.1 Исследование реологических свойств зернового сырья 109
3.1.2 Влияние соотношения компонентов зернового сырья на реологические свойства смеси 111
3.1.3 Влияние влажности на реологические свойства крупяной смеси 116
3.2 Определение оптимальных параметров экструзии 125
3.3 Рекомендуемые технологические схемы производства экструдатов на основе крахмалсодержащего зернового сырья 131
3.4 Опытно-промышленная проверка оптимальных параметров экструдирования 136
3.5 Потребительская оценка экструдатов на основе крахмалсодержащего зернового сырья Выводы по главе 3 139
Глава 4 Результаты физико-химических исследований экструдатов
4.1 Изменение углеводного комплекса 141
4.1 Л Влияние параметров экструдирования зернового сырья на реологические свойства водных дисперсий экструдатов 144
4.1.1 Л Изменение вязкости 144
4 Л Л.2 Изменение степени клейстеризации 150
4.1.2 Изменение способности к набуханию 156
4.1.3 Изменение ферментативной атакуемости 158
4.2 Изменение белкового комплекса экструдатов 161
4.2.1, Изменение аминокислотного состава экструдатов 165
4.3 Изменение содержания витаминов 169
4.4 Изменение свойств экструдатов при хранении 171
Выводы по главе 4 177
Глава 5 Технологические исследования экструзионной технологии переработки крахмалсодержащего зернового сырья для пищевых целей
5.1 Производство модифицированных крахмалопродуктов 178
5Л. 1 Производство модифицированных крахмалов 178
5.1.2 Производство набухающих крахмалопродуктов 182
5.L3 Сравнительная оценка производства набухающей муки экструзионным способом и на вальцовой сушилке 184
5.1.4 Применение набухающих крахмалопродуктов 185
5.2 Производство толокна и муки для детского питания 187
5.3 Использование ароматизаторов при производстве экструзионных пищевых продуктов 192
53.1 Исследование влияния циклодекстриновых добавок на качество крупяных палочек, полученных методом горячей экструзии 192
5.3.2 Производство ароматизаторов с использованием экструзионной технологии 207
5.4 Производство продуктов специального назначения 209
Выводы по главе 5 222
Глава 6 Технологические исследования производства биоразлагаемых пластиков методом экструзии
6.1 Разработка условий подготовки сырья для получения полимерного композиционного материала 223
6.2 Исследование общих принципов интенсификации процессов переработки композиционных материалов на основе ДАЦ и крахмалосодержащего сырья 230
63 Исследование кинетики биодеструкции композиционных полимерных материалов в естественных условиях окружающей среды 237
6.4 Влияние крахмалосодержащего сырья на деформационно-прочностные показатели композиционных материалов 249
6.5 Разработка технологических параметров переработки композиционных материалов на основе воспроизводимого растительного сырья 252
6.6 Определение рациональных областей использования тароупаковочных материалов на основе ДАЦ и крахмала 254
6.7 Исследование санитарно-химических свойств изделий из биоразрушаемого
полимерного материала марки "Биодем1' 256
Выводы по главе 6 258
Заключение и общие выводы 259
Библиографический список
- Продукты для детского, диетического и специального питания на зерновой основе
- Получение термопластичных материалов на основе крахмалсодержащего сырья
- Влияние соотношения компонентов зернового сырья на реологические свойства смеси
- Влияние параметров экструдирования зернового сырья на реологические свойства водных дисперсий экструдатов
Введение к работе
Одним из основных направлений развития пищевой и других отраслей промышленности является поиск новых методов обработки сельскохозяйственного сырья, обеспечивающих расширение ассортимента вырабатываемой продукции, повышение ее качества и интенсификацию традиционных технологических процессов.
Перспективной технологией, обеспечивающей существенную интенсификацию производственных процессов, является
термовлагомеханическая обработка крахмалсодержащего сырья, проводимая с использованием экструзионной техники.
Экструзия характеризуется одновременным воздействием на обрабатываемый материал влаги, тепла, механических напряжений различного вида. Загружаемое в экструдер сырье представляет собой дисперсную массу, в которой находится определенное количество свободно связанной влаги. По мере продвижения по рабочей камере машины и в результате выделения тепловой энергии внутреннего трения, интенсивного внешнего энергоподвода, разнообразных по величине и направлению механических напряжений, материал уплотняется - прессуется - пластифицируется, происходит первый фазовый переход твердого тела с присутствующей свободно связанной влагой в раствор жидкость в жидкости (см. рис.1.2.1). В результате высокого давления и температуры влага находится в растворе в перегретом состоянии (давление в экструдере может достигать 25 МПа, температура кипения воды уже при 10,0 МПа превышает 300°С, температура экструдируемого материала находится в пределах 120 - 170°С), молекулы перегретой воды, обладая большим запасом кинетической энергии, способны более эффективно диффундировать в нативную структуру материала, чем это происходит в условиях нормального давления даже в избытке воды. Происходит образование сложных конгломератов молекул воды и биополимеров, связи в которых являются термодинамически неустойчивыми. Пластифицированный материал выдавливается из машины через дросселирующее устройство. В результате резкого перепада давления происходит мгновенное, «взрывоподобное» испарение влаги, в том числе и диффундировавшей внутрь структуры материала. Нативная структура материала разрушается. Происходит второй фазовый переход раствора жидкость в жидкости в раствор газа в твердом теле, продукт приобретает пенообразную структуру. Процесс обеспечивает получение готовых продуктов определенной формы, структуры и физико-химических свойств. Экструзия является высокоэффективным, безотходным, кратковременным технологическим процессом, а экструдер многими исследователями рассматривается как универсальный биохимический реактор.
Экструзионную технику используют для создания безотходного, гибкого, высокоэффективного производства продуктов пищевого и технического назначения.
Основным компонентом сырья, используемого в различных экструзионных технологиях, является высокомолекулярный полимер -крахмал, имеющий в своей структуре реакционноспособные группы.
Важно учитывать, что сырьевые источники природных биополимеров, в т.ч. крахмала, по существу неисчерпаемы, так как сельскохозяйственное сырье ежегодно восстанавливается в возрастающем количестве.
Уникальность экструзионного метода заключается в возможности не только использовать широкий спектр традиционных для нашей страны видов и свойств крахмалсодержащего сырья, но и получать продукты разнообразной структуры и формы (продукты, готовые к употреблению, продукты детского лечебного и профилактического питания, полуфабрикаты, модифицированные крахмалы и т,д.).
Экструзионная обработка крахмала и крахмалсодержащего сырья позволяет получать продукты питания, полностью готовые к употреблению (закусочные продукты, сухие завтраки, хлопья и т.д.), продукты быстрого приготовления (полуфабрикаты чипсов, пудинги, напитки и кисели, супы не требующие варки),
В настоящее время актуальным направлением является придание крахмалу новых или усиление имеющихся свойств, необходимых потребителю, путем химической, физической, биохимической или комбинированной обработки крахмала, т.е. его модификации.
Большим спросом пользуются модифицированные крахмалы,
прошедшие полную или частичную клейстеризацию, так называемые набухающие крахмалы. Модифицированные набухающие крахмалы широко применяют в пищевой промышленности в качестве стабилизаторов и загустителей систем в различных пищевых производствах (майонезы, йогурты, начинки, кетчупы), в качестве улучшителей в кондитерской, хлебопекарной и макаронной промышленности.
На основе экструзионных крахмалопродуктов можно производить продукты лечебного и профилактического питания для детей и взрослых.
Особенно актуальными сегодня являются работы по созданию продуктов лечебного питания для детей дошкольного и школьного возраста. Это связано с тем, что ресурсы некоторых видов сырья» особенно с учетом использования только экологически чистых партий, ограничены, что сказывается на ассортименте продуктов детского питания. Поэтому задача изыскания новых источников сырья, достаточно распространенных, сравнительно недорогих, по пищевой ценности не уступающих традиционным видам сырья, является актуальной.
Способность крахмала изменять свои свойства в результате экструзионной обработки позволяет использовать его и в индустрии пластмасс.
Существует два основных направления исследований в области биоразрушаемых пластиков.
Первое направление начало развиваться в нашей стране во ВНИИкрахмалопродуктов в 70-е годы. Пленкообразующие покрытия, способные расщепляться под действием определенных ферментов пищеварительного тракта, создавались для решения задач фармакологии по защите медицинских препаратов от воздействия факторов окружающей среды и придания этим препаратам лонгирующих свойств
Второе направление приходится на начало 90-х годов двадцатого века у когда появились первые отечественные публикации на эту тему.
Перспективность применения метода экструзионной обработки крахмала для создания биоразлагаемых полимерных материалов обусловлена тем, что на современном этапе развития общества возник новый подход к разработке полимерных материалов способных сохранять свои эксплуатационные характеристики лишь в течение периода потребления, а затем претерпевающих физико-химические и биологические превращения под действием факторов окружающей среды. В связи с тем, что традиционные источники сырья для синтеза полимеров ограничены, данное направление, по оценкам специалистов, является наиболее перспективным как с экономической, так и с экологической точек зрения, так как обеспечивает не только экологическую безопасность планеты, но и приводит к снижению потребления нефти, газа и угля.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является научное обоснование и создание принципов выбора и совершенствования технологий экструзионной переработки крахмалсодержащего зернового сырья на новые продукты пищевого и технического назначения.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих зада-исследование изменений структуры и физико-химических свойств крахмалсодержащего сырья при гидротермической и механической обработке для оптимизации параметров экструзии;
- всестороннее исследование изменений структуры и физико-химических свойств сырья при различных методах и режимах экструзионной обработки, а также функциональных свойств новых видов крахмалопродуктов; -разработка основных принципов и технологических режимов производства крахмалопродуктов различного назначения; -реализация разработанных технологий в промышленности.
Это выразилось в создании новых видов продуктов с заданными функциональными свойствами, новых видов модифицированных крахмалопродуктов для пищевых (хлебопекарные улучшители, сухие закваски) и технических целей, новой технологии производства толокна и муки для детского и диетического питания, полуфабриката для кондитерской промышленности, ароматизаторов, создании технологии термопластичных биологически разрушаемых крахмалопродуктов и методов их дальнейшей переработки, использования и утилизации.
Научная концепция. В разработку научно-практических основ совершенствования технологии экструзионной переработки
крахмалсодержащего зернового сырья на продукты пищевого и технического назначения положен комплексный подход в решении взаимосвязанных задач от исследования сырья, определения возможности его использования для производства конкретных продуктов до разработки и оптимизации технологических решений, исследования функциональных характеристик готовых продуктов с помощью традиционных и оригинальных методик.
Научная новизна. На основе полученных данных о составе, структуре и реологических характеристиках крахмалсодержащего зернового сырья как объекта экструзии, позволивших определить область оптимальных параметров процесса переработки при производстве новых видов продуктов, разработаны научно обоснованные принципы выбора и совершенствования
технологических решений экструзионной переработки
крахмапсодержащего зернового сырья при производстве продуктов пищевого и технического назначения с заданными свойствами:
- систематизированы и описаны математическими моделями данные по изменению качественных характеристик экструдатов в зависимости от реологических свойств сырья и параметров обработки;
- впервые показана возможность получения на основе комбинированного зернового сырья продуктов с заданными составом, структурой и свойствами;
- получены данные по влиянию параметров экструзии на изменение физико-химических свойств исследуемого сырья, микробиологические показатели и стойкость конечных продуктов при хранении;
- разработаны научные основы экструзионной обработки сырья при получении муки для детского питания с сохранением её биологической ценности и отсутствием токсичных веществ;
- научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность создания биологически разрушаемых полимерных материалов на основе крахмалсодержащего зернового сырья и диацетатов целлюлозы;
- впервые изучены закономерности течения композиционных термопластичных биологически разрушаемых материалов в условиях переработки на традиционном для производства синтетических полимеров оборудовании. Полученные новые данные о реологических характеристиках термопластичных крахмалодродуктов позволили расширить область применения закона Балкли-Гершеля для высоковязких материалов;
- впервые установлены механизм и кинетика биодеструкции композиционных материалов на основе крахмалсодержащего сырья и ДАЦ;
- разработаны новые методы структурно-механической оценки консистенции экструдатов, вискозиметрические методы оценки степени клейстеризации крахмала и ферментативной атакуемости углеводного комплекса» определения угла внутреннего трения сыпучих материалов, метод оценки биологической разрушаемости материала по выделившемуся за счет ассимиляции углекислому газу [89].
Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе результатов исследований разработаны новые и усовершенствованы существующие технологии получения экструзионных закусочных продуктов, муки для детского питания, полуфабриката для кондитерской
промышленности» новых видов ароматизаторов (патент № 2055490), толокна (а.с. № 1540483, патент № 2060688), нового вида биологически разрушаемой термопластичной композиции на основе сложных эфиров целлюлозы (патент № 2117016), биологически разрушаемой термопластичной композиции на основе крахмала (патент № 2180670); получены авторские свидетельства на изобретения на устройство для дозирования и смешивания сыпучих материалов(а.с.№ 1421390), способ определения угла внутреннего трения сыпучего материала (а.с. № 1552076). Экспериментально подтверждена и реализована на практике возможность замены части процессов в перерабатывающей промышленности на прогрессивный способ экструзионной обработки (технология производства муки для детского питания, технология
производства толокна, технология производства горохового
полуфабриката для кондитерской промышленности и др.).
На пяти предприятиях объединения «Союзконсервмолоко» внедрена экструзионная технология подготовки муки для производства сухой детской молочной смеси «Малыш» взамен традиционной. По результатам проведенной работы внесено изменение №5 в ОСТ на производство детсских сухих молочных смесей «Малыш».
Разработана и утверждена нормативно-техническая документация на экструзионные крахмалопродукты: «Полуфабрикат на основе гороха» - ТУ 9732-075-00008064-96; «Крахмалопродукты набухающие» - ТУ 9187-001-27949689-03; «Крахмал экструзионный» - ТУ 9187-013-05747146-95; на улучшители и закваски для хлебопечения, содержащие набухающую муку - ТУ 9293-040-00334745-98; добавки-подкислительные комплексные пищевые "Аграм" светлый и темный - ТУ 9293-024-18256266-03; смесь "Бородино" - ТУ 9190-006-18256266-00; смесь хлебопекарную "Виктория" - ТУ 9295-025-18256266-03.
Технология экструзионного крахмала внедрена на Бучанском, Борисоглебском, Гольшанском крахмальных заводах, Петровском спиртовом заводе.
Набухающая мука, выработанная экструзионным способом на ООО «Дайна» и в опытном цехе ВНИИК, входит в состав заквасок и смесей для хлебопекарной промышленности, которые успешно применяются на более чем 400 хлебопекарных предприятиях России Беларуси, Украины при выработке как традиционных, так и специальных сортов хлеба.
В опытном цехе ВНИИК освоены технологии экструзионных закусочных продуктов, набухающей муки, полуфабриката для кондитерской промышленности на основе гороха, экструзионного крахмала и биологически разрушаемых полимеров.
Материалы научных исследований включены в учебные программы для профессиональной переподготовки и повышения квалификации специалистов хлебопекарной и кондитерской промышленности в Международной промышленной академии, в учебные программы по специальности «Технология и переработка полимеров и композитов» МГУПБ.
Апробация работы. Результаты исследований, выполненных автором в 1984-2004п\, доложены и обсуждены на 24 отечественных и международных симпозиумах, конференциях и коллоквиумах, в том числе на конференциях: «Качество сырья мясной промышленности, методы оценки и пути рационального и эффективного его использования» (Москва, 1990), «Итоги и перспективы использования природных и синтетических высокомолекулярных соединений в производстве пищи» (Суздаль, 1991), «Научное обеспечение, хранение и переработка растительного сырья в пищевой промышленности» (Москва, 1991), «Разработка комбинированных продуктов питания» (Кемерово, 1991), «Экоресурсосберегающие технологии» (Астрахань, 1993),
«Прогрессивные, экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности» (Углич, 1994,1996,1998), «Системы технологических процессов и системы машин для пищевой и
перерабатывающей промышленности АПК» (Москва, 1997), «Проблема создания нового поколения отечественных продуктов питания» (Москва, 1998), «Синтез, исследования и переработка высо- комолекулярных соединений» (Казань, 1998), «Проблема фундаментальных исследований в области обеспечения населения России здоровым питанием» (Москва, 1999); «Проблемы переработки крупяных культур и развития крупяной промышленности», посвященной 100-летию со дня рождения профессора М.Е.Гинзбурга (Москва, 2003); на коллоквиуме академика Липатова Н.Н. в Институте народного хозяйства им. Плеханова (Москва, 1988); на
международных конференциях: «Химия, энзимология и технология крахмала» (Венгрия, 1988); 9, Getreidetagung Bergholz-Rehebrucke, BRD 1993; 10. Getreidetagung. - Bergholz-Rehebrucke, BRD - 4-6.09. 1995, «Научные и практические аспекты совершенствования качества продуктов детского и диетического питания» (Москва, 1997), «Пищевые добавки - 98» (Москва, 1998), «Пища. Экология. Человек.» (Москва, 1997Д999); «Индустрия продуктов здорового питания - третье тысячелетие» (Москва, 1999); 13. Getreidetagung. -Bergholz-Rehebrucke - 2001; 7. Starch Congress Krakov-Moskau, 2004. (Польша, 2004), на секциях Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии, заседаниях научно-технических советов ВНИИК и МГУГИк Пять раз результаты исследований докладывались за рубежом. Научные разработки в виде образцов продуктов и макетов технологических линий были представлены на отечественных выставках: ВВЦ 1996г.- медаль «Лауреат ВВЦ» за экспонат «Термопластичные крахмалопродукты»; 1998г. - медаль «Лауреат ВВЦ» за экспонат «Биологически разрушаемые полимеры», а также на международной выставке «Детское питание - 91»,
Публикации По теме диссертации опубликована 61 работа, в том числе получено 7 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения.
Изложенные материалы обобщает результаты научных исследований, проведенных на кафедре переработки зерна в МГУПП5 во ВНИИкрахмалопродуктов, в Институте детского питания в г. Истра, а также в Федеральном центре по изучению зерна, картофеля и жира (г. Детмольд, Германия) и институте переработке зерна (г. Бергхольц-Ребрюкке, Германия) под руководством и при непосредственном участии автора данной работы в период с 1984 по 2004 гг. в творческом содружестве со специалистами кафедры полимеров МГУПБ, Московской медицинской Академии им. И.М.Сеченова, НИИ Детского питания РАМН, ИВС РАН, НПО «Пластик», МПА, большинства институтов Отделения хранения и переработки сельхозпродукции РАСХН,
Автор выражает глубокую признательность своим учителям Мельникову Е.М-, Линниченко ВЛ1-, Крашенинину П.Ф., Жушману А.И., Андрееву Н.Р., Лукину Н.Д., Карпову В.Г., Бутковскому В.А. и благодарность коллегам за оказанное содействие в проведении исследований.
Продукты для детского, диетического и специального питания на зерновой основе
Решение ряда проблем, связанных с рациональностью питания населения России, возможно за счет создания новых продуктов, обладающих повышенной пищевой ценностью.
Уровень и качество питания основных групп населения в нашей стране в последние десять лет резко снизились. Особенно низким стало потребление белковых продуктов- Ежегодный дефицит белка в России сейчас превышает 2,5 млн, тонн. Общая потребность страны в пищевом и кормовом белке, по данным специалистов, оценивается почти в 53 млн. тонн. Ее удовлетворение осуществляется за счет использования белков растительного и животного происхождения, примерно до 50% каждого. Животные белки биологически наиболее ценны, однако их производство очень высокозатратно. В мире ведутся поиски путей частичной замены животных белков растительными и способов их эффективного совместного использования.
Задача производства продуктов повышенной пищевой ценности состоит в том, чтобы попытаться преодолеть разрыв между химическим составом традиционных продуктов и потребностями человека /138,139,140,163/.
Анализ литературных данных позволяет говорить о том, что основные работы по данному вопросу направлены на разработку технологий производства продуктов на основе комбинированных зерновых культур. Это обосновано тем, что зерновые являются не только ценными источниками основных нутриентов пищи, но и снабжают организм человека рядом необходимых витаминов и минеральных веществ (витамины группы В, витамины РР, Е и др., Mg, Fe, Zn,Ca, К) /139,166,217,224,265/.
Кроме того, белки некоторых зерновых (гречиха, овес) являются полноценными, сбалансированными по аминокислотному составу, близкому к составу идеального белка (таблица 1.1) /62,105,123,124,252,253/, Важно, что злаки являются поставщиками пищевых волокон, выполняющих ряд важных функций в организме человека - улучшают деятельность желудочно-кишечного тракта, способствуют предотвращению рака толстого кишечника, снижают уровень холестерина в крови, обеспечивают более длительное чувство сытости и т.д.
Благодаря богатому химическому составу зерновые считают важными продуктами питания человека, они также являются ценными поставщиками энергии (до 70%) и белка (до 50-60%) /167/,
Широкое распространение многих зерновых и зернобобовых культур в нашей стране позволяет использовать их в качестве объекта экструзии.
Комплексное использование различных видов зерновых во взаимодополняющих соотношениях обеспечивает на их основе выработку продуктов, способных удовлетворять физиологическим потребностям организма в пищевых веществах и энергии.
Экструзионная обработка зернового сырья позволяет получить продукты с высокими потребительскими и физиологическими свойствами,
Согласно Федеральному Закону «О качестве и безопасности пищевых продуктов» №29-ФЗ продукты детского питания - это продукты, предназначенные для питания детей в возрасте до 14 лет и отвечающие физиологическим потребностям детского организма. Характеристика основных групп продуктов детского питания и гигиенические требования безопасности и пищевой ценности к ним приведены в СанПиН 23-2.1078-01. Классификация продуктов детского питания на зерновой основе приведена на рис. 1.1. К этим продуктам относится мука из различных круп, сухие молочные каши, специализированное растворимое печенье и макаронные изделия, толокно.
Мука для детского питания в нашей стране традиционно вырабатывается из рисовой, гречневой и овсяной круп. Существуют различные способы производства муки яз крупы. Технология предусматривает производство обычной и не требующей варки муки.
Обычную муку получают путем измельчения крупы, прошедшей тщательную очистку- Технология муки, не требующей варки, предусматривает интенсивную водно-тепловую обработку с целью повышения ее усвояемости.
Наиболее современной формой выпуска является мука, не требующая варки (инстантная). С этой целью применяется вальцовая сушка мучной суспензии, а также все шире экструзионная обработка муки. Применение экструзионной обработки вместо вальцовой сушки дает ряд преимуществ: снижается энергоемкость и экономические затраты процесса, уменьшается потребность в производственных площадях и обслуживающем персонале, сокращаются технологические операции и, что особенно важно для индустрии детского питания - существенно улучшается микробиологические показатели качества как мучных компонентов, так и конечного продукта в целом.
Выбор источников крахмалосодержащего сырья для получения детских и диетических продуктов основан на принципе щажения, т.е. когда получаемые из него продукты вызывают минимальное механическое раздражение слизистой оболочки желудка или кишечника. /21,95, 97,130,131/
Получение термопластичных материалов на основе крахмалсодержащего сырья
Экструдированные продукты из крупяного комбинированного сырья и модифицированные крахмалы получали на лабораторной одношнековой установке, схема которой приведена на рис. 2.1.
Установка состоит из следующих основных узлов и деталей: станины, привода и трансмиссии» загрузочного устройства, корпуса, шнека, электронагревателей корпуса, набора дюз, контрольно-измерительной аппаратуры для определения и регулирования температуры обработки и расхода потребляемой энергии.
Основным рабочим органом экструдера является двухзаходный шнек с коническим валом максимального наружного диаметра 30 мм, длиной 330 мм и шагом 24 мм.
Получение экструдированных продуктов проводилось по следующей МЄТОДИКЄ Крупяное сырье после предварительной подготовки (очистки, смешивания в необходимых соотношениях, увлажнения до технологической влажности) помещали в загрузочное устройство и обрабатывали в установленном режиме.
После достижения устойчивого режима работы производили многократный отбор проб экструдата. После получасовой выдержки при комнатной температуре для охлаждения и органолептической оценки1 экструдаты измельчали на пальцевом лабораторном измельчителе ПЛИ и просеивали через металлотканое сито с размером ячеек 0,25 х 0,25 мм. Образцы модифицированного крахмала после охлаждения измельчали в электрокофемолке и просеивали через проволочную тканую сетку с квадратными ячейками нормальной точности №1 по ГОСТ 6613. Полученные образцы анализировали по методикам, изложенным в разделе "Методы анализа"
В части работы, посвященной оптимизации параметров экструдирования рисовой и гречневой муки для детского питания, экструзионную обработку проводили на лабораторном двухшнековом экструдере, специально сконструированном и изготовленном Краусом С- В., Линниченко В. Т., Карповым В, Г.
Отличительными особенностями этой установки являются: - наличие двух взаимозацепляющих шнеков, вращающихся в одном направлении. Наружный диаметр 30 мм, длина шнеков 380 мм, шаг 24 мм; - привод от двигателя постоянного тока, что позволяет регулировать частоту вращения шнеков от 0 до 2,5 с 1; - корпус цельнометаллический с регулируемым электронагревом в концевой части по ходу движения продукта. С торца корпус закрывается крышкой с двумя дюзами, живое сечение которых может быть различным.
Методика получения экструдатов на двухшнековом экструдере была аналогична описанной выше методике для одношнековой установки, Технологический процесс получения образцов термопластичных крахмалов и композитов на их основе включает следующие стадии: 1. Смешение компонентов полимерной композиции в лабораторном скоростном смесителе в течение 15 минут 2. Переработка композиционного материала на лабораторном экструдере. 3- Резка охлажденных жгутов расплава полимерного материала на гранулы длиной 2-4 мм, 4, Переработка гранулированного материала на экструзионной установке. Технологические параметры представлены в таблице 2.8 Технологический процесс получения образцов крахмалонагюлненных материалов включает следующие стадии: 1, Смешивание компонентов в лабораторном смесителе согласно данным таблицы 2.9. 2. Переработка композиционного материала на лабораторном экструдере. Параметры переработки приведены в таблице 2 Л 0. 3, Резка охлажденных жгуте расплава на гранулы диаметром 2 4 мм. 4. Переработка гранулированного материала методом литья под давлением на оборудовании марки ДЕ 3132 (Производитель - Хмельницкий машиностроительный завод).
Влияние соотношения компонентов зернового сырья на реологические свойства смеси
Полученные в ходе опытно-промышленной проверки продукты были переданы для потребительной оценки в дегустационную комиссию ПО «Истра»,
Дегустационная комиссия приняла следующие решения:
1. Пшенно-гречневые экструдаты, приготовленные в основном из малоценного пшена, обладают следующими органоледтическими показателями (табл.3-11):
2. Пшенно-гречневые экструдаты могут употребляться: - в качестве компонента сухого завтрака; - в качестве продукта быстрого приготовления; - в качестве компонента продуктов детского и диетического питания. Оценка качества экструдатов на основе рисовой и кукурузной круп показала, что они обладают хорошими органолептическими показателями, имеют форму гранул. Все вышеперечисленные органолептические свойства одинаковы для экструдатов» полученных в лабораторных и производственных условиях.
Предлагаемый способ производства пшенно-гречневых экструдатов и экструдатов на основе рисовой и кукурузной круп одобрен и рекомендован для дальнейшей разработки и промышленного освоения.
Проект технических условий по производству экструдатов на основе рисовой и кукурузной круп и пшенно-гречневых экструдатов, а также проект технологических инструкций приведены в приложениях 2, 35 4, 5. В дальнейших исследованиях анализам подвергались только экструдаты, полученные при оптимальных технологических параметрах.
Выводы по главе 3 1. По реологическим свойствам крупяное сырье можно классифицировать как очень вязкую жидкость. Изучение этих свойств возможно с помощью метода шариковой вискозиметрии, 2. Характер течения пшенно-гречневого сырья в зоне прессования во время экструзионной обработки может быть описан уравнением Балкли-Гершела. 3. Гречневый продел, при прочих равных условиях, обладает более низкой, по сравнению с пшеном, вязкостью и увеличение массовой доли этого компонента в пшенно-гречневой смеси ведет к снижению вязкости всей системы. 4. Увеличение влажности пшенно-гречневой смеси повышает ее текучесть. 5. Выявление зависимостей реологических свойств сырья от соотношения компонентов и влажности позволяет регулировать процесс экструзионной обработки в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству получаемого при этом экструдата. 6- Оптимальным с точки зрения процесса экструдирования и получения продукта высокого качества является содержание гречневого продела в пшенно-гречневой смеси в количестве 20 %. 7. Установлены оптимальные параметры экструдирования крахмалсодержащего зернового сырья. Проведены промышленные испытания технологии экструзионных продуктов в НПО по крахмалопродуктам и подтверждены результаты лабораторных испытаний. 8- Показана возможность производства сбалансированных с биологической точки зрения и имеющих привлекательный внешний вид продуктов с использованием сырья, не применявшегося для этих целей ранее (пшено 2-го сорта, гречневый продел, дробленая овсяная и рисовая крупы). Используемое крахмалсодержащее зерновое сырье в большом количестве производится предприятиями зерноперерабатывающей промышленности, но, несмотря на высокую пищевую ценность, обусловленную химическим составом, не применялось ранее для производства пищевых продуктов из-за низкой потребительской привлекательности. 9.Разработана технологическая схема производства экструдатов на основе крахмалсодержащего зернового сырья на базе серийно выпускаемого оборудования Ю.Проведена потребительская оценка полученных экструдатов. 11 .Разработана нормативно-техеническая документация на экструдированные продукты из крупяного сырья (приложения 2, 3, 4, 5).
Следующим этапом работы было исследование биохимических изменений сырья в результате экструзионной обработки, изучение поведения продуктов в процессе хранения и определение на основе этих исследований области применения продуктов.
Влияние параметров экструдирования зернового сырья на реологические свойства водных дисперсий экструдатов
Основной реологической характеристикой водных дисперсий экструдатов является их вязкость, а также ее изменение в процессе тепловой обработки исследуемой дисперсии. Такая характеристика позволяет судить о степени деструкции полисахаридов крахмала во время экструзии, разрабатывать рекомендации по дальнейшему использованию продукта.
Определение реологических свойств водных дисперсий измельченных экструдатов проводили на вискозиметре Гепплера с падающим шариком и амилографе «Брабендер».
В результате исследований, проведенных на вискозиметре Гепплера, были получены данные, представленные в виде диаграмм (рис. 4Л).
Изменение вязкости в данном случае, вероятно, связано со степенью деструкции крахмала в процессе обработки /37/.
Из диаграмм видно, что наиболее сложное влияние из всех исследуемых параметров на вязкость дисперсии экструдатов оказывает влажность исходного сырья. Повышение влажности от 13,0 до 19,0 % при частоте вращения шнека 1,0 с] и температуре обработки 150С ведет к
Такое увеличение влажности, очевидно, способствует более полному и глубокому действию на продукт термомеханических напряжений и, следовательно, лучшему расщеплению полисахаридов крахмала. Дальнейшее повышение влажности сырья до 21 % при тех же значениях частоты вращения и температуры обработки увеличивает вязкость дисперсии с 22,0 до 24,0 мПа - с. Это, вероятно, связано с увеличением пластичности экструдируемого материала и, соответственно, снижением эффективности воздействия на него механических напряжений.
При жестких режимах экструзионной обработки (частота вращения шнека 2,0 с \ температура обработки 180С) увеличение влажности сырья от 13,0 до 21,0 % вызывает рост вязкости дисперсии продукта с 18,0 до 24 мПа с. Следовательно, увеличение влажности сырья в указанном пределе при жестком режиме обработки может только снизить эффективность термомеханического воздействия, что, в свою очередь, отражается на степени деструкции крахмальных полисахаридов.
Увеличение температуры экструзионной обработки от 150 до 180С, при частоте вращения шнека в интервале 1,0 - - 2,0 с"1 и влажности сырья в интервале 13,0- 21,0 %, снижает вязкость с 27,0 - 30,0 % до 18,0 20,0 мПа -с. Таким образом, влияние температуры обработки на вязкость дисперсий экструдатов носит строго обратнопропорциональный характер, что, очевидно, связано с термической деструкцией крахмала.
Увеличение частоты вращения шнека с 1,0 до 2,0 с"1 при сравнительно низкой температуре обработки (150 - 165С) и высокой влажности сырья (17,0 - 21,0 %) вызывает рост вязкости водной дисперсии продукта с 23,0 -26,0 до 26,0 - 29,0 мПа с. Такое повышение вязкости можно объяснить уменьшением термической деструкции полисахаридов крахмала в результате сокращения продолжительности температурной обработки при низкой интенсивности. Высокая влажность экструдируемого материала препятствует его дополнительному разогреву за счет внутреннего трения. Механическая деструкция также незначительна в результате высокой пластичности влажного материала.
Увеличение частоты вращения шнека в тех же пределах, но в условиях более высокой температуры обработки (165С) и более низкой влажности сырья (13 - 16 %) увеличивает деструкцию биополимеров, и поэтому вязкость водных дисперсий продуктов уменьшается в среднем с 21,0 до 18,5 мПа-с.
По изложенным результатам можно сделать следующие выводы: регулирование режимов экструзионной обработки пшенно-гречневого сырья дает возможность получать продукты различного назначения с широким диапазоном реологических свойств их водных дисперсий. Околооптимальной областью параметров экструдирования выбранного крупяного сырья, с целью получения продукта с максимально высокой степенью деструкции крахмальных полисахаридов, может быть: - влажность сырья 13 17 %; - температура обработки 160 180С; - частота вращения шнека 1,5 2,0 с"1.
Увеличение влажности сырья при определенных условиях экструзионной обработки может увеличивать деструкцию крахмальных полисахаридов.
Следует отметить, что данные диаграммы (рис- 4.1) хорошо согласуются с результатами исследования влияния параметров экструдирования на содержание водорастворимых веществ (рис. 3.8), это подтверждает взаимосвязь деструкции крахмальных полисахаридов материала и вязкости водной дисперсии.
Применение амилографа «Брабендер» для исследования вязкости водных дисперсий экструдатов высокой концентрации дает возможность определить как изменение реологических свойств дисперсий в результате экструзии, так и характер их поведения при кулинарной обработке. Такие исследования позволяют оценить динамику изменения вязкости водной дисперсии при нагревании ее с постоянной скоростью роста температуры от температуры окружающей среды до температуры, превышающей значение температуры клейстеризации нативного крахмала в избытке воды. Вязкость дисперсий продуктов в таких условиях учитывается при производстве продуктов быстрого приготовления.
