Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 5
1.1. Морфология и анатомическое строение риса 5
1.2. Характеристика риса-зерна как объекта переработки 14
1.3. Технологии производства рисовой крупы 36
1.4. Показатели технологической эффективности процессов шлифования и полирования рисовой крупы 54
2. Объекты и методы исследования, обработка экспериментальных данных 59
2.1. Стандартные методы исследований 59
2.2. Устройство и методика определения прочностных свойств риса 59
2.2.1. Устройство и общая характеристика прибора 61
2.2.2. Методика исследований и обработки данных 62
2.3. Устройство и методика лабораторных исследований 67
2.4. Методика определения степени шлифования и полирования ядра риса 69
2.5. Методика математического планирования эксперимента и обработки опытных данных 74
2.5.1. Методика статистической обработки опытных экспериментальных данных 74
2.5.2. Методика корреляционного и регрессионного анализа результатов исследований 81
2.5.3. Методика симплекс-решетчатого планирования эксперимента при оптимизации рецептур абразивных рабочих органов 87
3. Экспериментальная часть 91
3.1. Изучение технологического качества товарных партий риса 91
3.2. Комплексное исследование реологических свойств риса 96
3.3. Взаимосвязь между реологическими и технологическими свойствами риса 107
3.4. Напряженно - деформируемое состояние риса в рабочей зоне шлифовальных и полировальных машин 116
3.5. Разработка технологии производства крупы улучшенного качества 126
Выводы 132
Список использованных источников 134
- Характеристика риса-зерна как объекта переработки
- Методика определения степени шлифования и полирования ядра риса
- Методика корреляционного и регрессионного анализа результатов исследований
- Взаимосвязь между реологическими и технологическими свойствами риса
Введение к работе
Краснодарский край является основным рисосеющим регионом России, где перерабатывается большая часть крупяного сырья.
В товарных партиях риса, направляемого в переработку на крупозаводы, находится большое количество дефектных зерен - меловых, краснозерных, пожелтевших и зеленых, что способствует снижению общего выхода продукции, образованию большого количества дробленой крупы, ухудшению ее товарного вида, потребительских и кулинарных свойств.
Работа крупозаводов в значительной степени зависит от эффективности технологических операций шлифования и полирования, где формируется не только товарное качество, но и образуется большая доля дробленого продукта.
В связи с вышеизложенным актуальной задачей является разработка ресурсосберегающих технологий производства рисовой крупы при переработке товарных партий крупяного сырья, содержащего дефектные зерна. Одним из основных направлений ее решения является совершенствование технологии шлифования и полирования на основе комплексной оценки реологических свойств и технологического качества компонентов зерновой массы.
Актуальность темы исследования подтверждается включением ее в тематику госбюджетной темы по научно-технической проблеме: "Теоретическое обоснование и разработка прогрессивных технологий продуктов питания из растительного сырья" (регистрационный №01200112167).
Характеристика риса-зерна как объекта переработки
Второй -мучнистое пятно расположено в виде полоски у нижнего ребра зерновки до 10- 15 % площади зерновки.
Третий тип - мучнистое пятно расположено у нижнего ребра, углубляясь в верхнем направлении, занимает 30- 50 % площади зерновки. Четвертый тип - мучное пятно примыкает к щитку зародыша и занимает 60- 90 % площади зерновки. Первые два типа характерны для стекловидного риса. По степени мучнистости зерновка риса подразделяется на следующие градации: 1. Стекловидные зерновки - это полностью стекловидные или зерновки с мучнистым брюшком. Мучнистое брюшко, занимающее 15- 20 % площади сечения зерновки, будет удалено при шлифовании и ядро у такой крупы будет стекловидным. 2. Полустекловидные - это зерновки с внутренним расположением белого мучнистого пятна. Площадь, занятая этим пятном не должна превышать 30 % площади сечения зерновки. 3. Мучнистые зерновки, - у которых белое пятно занимает от 30 до 50 % площади поперечного сечения зерновки. 4. Меловые зерновки - это зерновки, у которых меловое пятно занимает площадь более 50 % площади сечения зерновки. Различное расположение белого пятна в эндосперме отмечается в японских сортах риса: полностью стекловидный эндосперм; эндосперм частично непрозрачен из-за имеющихся внутренних белых вкраплений; частичная мучнистость эндосперма обусловлена белым, мучнистым брюшком вместо белых вкрапинок, мучнистость эндосперма которых обуславливается совместным присутствием белого брюшка и белых вкрапинок. По расположению белых пятен в эндосперме риса Мори отмечает 2 типа расположения белой серцевины на поперечном срезе центральной части зерна (тип L и Е) /24/. Тип L в свою очередь делится на четыре подтипа. Lr белая серцевина расположена по центральному поперечному радиусу, т.е. проходя через центр зерновки, это пятно, имеющие вид полосы, располагается как по направлению к нижней, так и к верхней частям зерновки. Или, как отмечает автор, белая серцевина расположена как на дорсальном, так и вентральном радиусах зерновки. Тип L2, часть белой серцевины расположена по обе стороны от центра и через центр не проходят, т.е. белые пятна, имеющие вид тонких полос, расположены как с дорсальной так и с вентральной стороны. Тип L3, который имеет белое пятно, расположенное от центра по направлению к спинке, т.е. белая серцевина расположена только с дорсальной стороны зерновки. Тип L4, имеет белое пятно, проходящее от центра по направлению к брюшку, т.е. белая серцевина расположена только с вентральной стороны. Тип Е, у которого белая серцевина имеет твид глазка, расположенного в центре зерновки, подразделяется на два подтипа: Еі- видна линия центра, а тип Е2 четкости в центральной части эндосперма нет. Из многообразия форм мучнистого пятна на продольном сечении зерновок, было выделено 4 типа их расположения: Первый тип не имеет пятна и представляет собой прозрачный стекловидный эндосперм. Второй тип имеет мучнистое пятно, расположенное в виде полоски у нижнего- ребра зерновки, образуя мучнистое брюшко. У этого типа пятно занимает от 10 до 15 % площади продольного сечения зерновки. Это наиболее удачное расположение мучнистого пятна, так как при технологической обработке эта полоска обычно удаляется, и ядра становятся прозрачными. Третий тип, когда пятно, находясь у нижнего ребра, углубляется по направлению к верхнему. Оно занимает от 30 до 50 % площади продольного сечения зерновки. Четвертый тип - меловые зерновки, у которых мучнистое пятно занимает больше 50 % площади сечения. Все разнообразие форм мучнистых пятен на поперечном разрезе зерновок может быть сведено к трем основным: якорь, веретено и сплошное пятно. Форму якоря (А) составляют такие пятна, которые начинаются в центре и тянутся к вентральной части зерновки, где образуют широкую полосу. Форму веретена (В) составляет мучнистое пятно, расположенное вдоль дорсо- вентрального радиуса, но не примыкающее к периферии, хотя у вентральной части зерновки довольно часто имеется длинная белая полоса. При исчезновении этого пятна сохраняется мучнистость и в центре и у брюшка. Форма сплошного пятна (С) оставляет стекловидной только периферическую и только дорсальную часть зерновки. При уменьшении пятна мучнистость сохраняется у вентральной стороны с проникновением его к центру зерновки.
Из сказанного следует, что только лишь при форме якоря мучнистое пятно может полностью исчезнуть за исключением узкой полоски у брюшка. Эта часть зерновки обычно удаляется при технологической обработке и крупа становиться стекловидной. Остальные формы мучнистых пятен при любой обработке придают крупе мучнистость в силу того, что они расположены в центре зерновки. При технологической переработке меловых зерновок, когда пятно охватывает больше 50 %, ядра принимают цилиндрическую или шарообразную форму.
При переработке зерна в крупу предпочтение отдается полностью стекловидным зернам, которые при переработке дают минимальное количество дробленого ядра и несколько меньше мучки. Отмечено, что зерна мучнистых сортов имеют менее прочную структуру ядра и при переработке образуют большое количество мучки и дробленого ядра /25/. При шлифовании стекловидных зерен получается дробленого ядра в 2,5- 4,6 раза меньше, чем у мучнистых.
Полустекловидные сорта по своим технологическим свойствам занимают промежуточное положение. Отмечается высокий коэффициент корреляции между стекловидностью эндосперма и выходом целого ядра при переработке /25, 26/.
По данным ряда авторов имеются противоречивые толкования мучнистости эндосперма зерновки риса. Если различная консистенция зерновок пшеницы объясняется различиями в деталях строения ткани эндосперма, то у риса этого не обнаружено; различий в форме и размерах крахмальных зерен в мучнистом и стекловидном эндосперме также не наблюдается: крахмальные зерна тождественны по форме и плотности соединения; у стекловидных зерновок наблюдается лишь некоторое увеличение размеров долек крахмальных зерен /24/.
Методика определения степени шлифования и полирования ядра риса
Степень шлифования ядра риса оценивали по выходу мучки и коэффициенту отражения (белизне) зерновки.
Выход мучки оценивали в процентах к массе ядра, направляемого на шлифование. Коэффициент отражения (белизна) ядра риса определяли на шаровом фотометре ФМШ-56М (рис. 13, 14).
В корпусе прибора располагается узел осветителя I, внутри которого установлена лампа накаливания. Регулировка положения нити накала лампы производили в плоскости перпендикулярной оптической оси при помощи винтов 2, а вдоль оптической оси - подвижкой цоколя лампы, закрепленного на винтах к нижней части осветителя. Под осветителем расположены: ручка 3 для вращения нейтрального клина, ручка 4 компенсационной диафрагмы, ручка 5 для вращения диска со светофильтрами. Номер введенного светофильтра наблюдается через окно 6. Рабочее положение светофильтра фиксируется. На передней стенке прибора расположены: шкала измерительной диафрагмы 7, шкала компенсационной диафрагмы 8, ручки резисторов 9 для установки "электрического нуля", ручка переключения чувствительности прибора 10, ручка 11 для измерения положения зеркал в оптической схеме прибора. На шпильке выгравированы буквы - "О", "Пр". При совмещении рукоятки с указанными буквами световой луч направляется соответственно на образец или на стенку шара. Ручка 12 для фиксации столика в "рабочем положении". Измерительным прибором является гальванометр 13 типа М 273/2,1 чувствительностью 1.10 А/дел. Тумблером 14 включается одновременно гальванометр и подсветка. Под выступающей частью прибора расположен столик для образцов 15 с поворотным диском на 5 гнезд, в которые кладутся образцы при измерении коэффициентов отражения. На правой стенке прибора помещена ручка (не показана) перемещения экрана, предохраняющего фотоэлемент от попадания на него прямых лучей от образцов. В положении "2" экран перекрывает прямые лучи от образцов, измеряемых на отражение. Ручка 16 для изменения положения измерительной диафрагмы. В верхней части прибора имеется ручка 17 для установки шторки. Для-достижения стабильности работы прибора и питающего устройства их включение осуществляли не менее, чем за 30 минут до начала измерений. Фотоэлементы засвечивали в течение 10-15 мин. до начала измерений. В остальное время прогрева прибора световой поток лампы перекрывали шторкой. При засветке фотоэлементов вводили светофильтр, с которым выполнялись измерения. После прогрева прибора проверяли "электрический нуль". Для этого ручку 17 шторки устанавливали в положение "закрыто", рукоятку чувствительности 10 - в положение наименьшей чувствительности, а затем включали гальванометр тумблером 13. Если стрелка гальванометра занимала не нулевое положение, то вначале вращением ручки 9 "нуль груб", а затем и ручки "нуль точ." подводили ее к нулю. Аналогичную проверку осуществляли последовательно при средней и наибольшей чувствительности. После регулирования "электрического нуля" открывали шторку, после чего ручку 14 устанавливали в положение 2 "открыто" для засветки фотоэлементов, а затем начинали измерения коэффициентов отражения. При каждом переключении фотоэлементов с одной пары на другую, их выдерживали под засветкой до начала измерений в течение 10-15 мин. Переключение любого из светофильтров сопровождали выдержкой до начала измерений 3-5 мин. Более чувствительный предел гальванометра включали при условии, если стрелка гальванометра была предварительно подведена к нулю на наименьшей чувствительности. После окончания работы, в перерывах между измерениями, а также при переключении фотоэлементов и светофильтров гальванометр выключали. Для измерения коэффициента отражения крупы относительным методом показания прибора сравнивали с данными значений коэффициентов отражения эталона (пластинка из стекла МС 14). Измеряемые образцы помещали на нижний столик 15. Рукоятку 15 экрана ставили на все время измерения в положение "2". Изменяя положение зеркала ручкой 11, световой пучок направляли на исследуемые образцы,
Измерительную диафрагму ручкой 16 устанавливали на полное открытие (100%), на нижний столик 15 помещали эталонный образец, компенсационную диафрагму ручкой 4 перемещали на степень раскрытия, соответствующей коэффициенту отражения эталонного образца. Для приведения стрелки гальванометра 13 к нулю пользовались ручкой 3 нейтрального клина. После этого на нижний столик 15 помещался измеряемый образец. Подводка нуля гальванометра 13 осуществлялась изменением раскрытия компенсационной диафрагмы, по которой затем отсчитывали величину коэффициента отражения измеряемого образца.
Методика корреляционного и регрессионного анализа результатов исследований
Микротрещины не представляют большой опасности до тех пор, пока их рост не приведет к повреждению белкового каркаса в микроструктуре алейронового слоя. Алейроновый слой в этом смысле выполняет роль агрегирующего каркаса, определяющего устойчивость крахмалсодержащих ядер крупяных культур к разрушающим воздействиям. Крахмальные группы менее устойчивы к механическим нагрузкам, чем белковый каркас и, как правило, в них образуются микротрещины.
Пределы варьирования упругих деформации и соответствующие им напряжения для всех форм риса находятся в узком диапазоне и имеют следующие значения: деформации от 0 до 10 мкм, напряжения - от 0 до 10 МПа (табл. 7). Это свидетельствует о том, что показатели реологических свойств в области упругих деформаций не зависят от консистенции и окраски оболочек риса.
Последующий этап напряженно-деформируемого состояния риса характеризуется зоной упруго- пластических деформаций, при которых и происходит основной процесс трещинообразования и дробления зерновки. В данной области наблюдаются характерные пики напряжений, затем происходит резкое падение напряжений в широком диапазоне деформаций. Последнее явно свидетельствует не только об образовании критической трещины и дроблении зерен, но и о начале процесса последующего разрушения.
Выявлены критические значения напряжений и деформаций трещинообразования зерновки. Пределы варьирования деформаций трещинообразования и соответствующие им напряжения для всех изучаемых форм риса имели существенную разницу (табл. 7). Наибольший предел варьирования деформаций наблюдался у стекловидного риса и составило 10-60 мкм при напряжениях 10-30 МПа.
Отмечено, что усредненная оценка процесса разрушения зерен недостаточно полно отражает динамику разрушения единичных зерен.
Однако, с помощью данного показателя можно оценить общие закономерности изменения реологических свойств риса. В частности обнаружить характерные экстремумы, свидетельствующие об образовании критических трещин и дроблении зерен. Величины деформации, при которых эти экстремумы обнаруживаются у единичных зерен, находятся в пределах доверительной вероятности. Последнее свидетельствует о том, что представленные зависимости объективно могут характеризовать напряженное состояние исследуемых партий риса.
Анализ результатов исследований показывает, что консистенция зерновки риса в значительной степени определяет ее прочностные свойства. Максимальной устойчивостью к трещинообразованию обладает меловой рис. Об этом свидетельствуют показатели напряжений (31,07 МПа) и деформаций (35,61 мкм) трещинообразования, что значительно выше значений, чем у риса с естественной окраской оболочек и стекловидной консистенцией эндосперма (23,25 МПа; 26,12 мкм), риса с зелеными оболочками (21,12 МПа; 26,63 мкм) и краснозерного риса (23,01 МПа; 23,38 мкм).
Установлено, что у риса с естественной окраской оболочек оболочек и стекловидной консистенцией эндосперма и краснозерного риса нет существенных различий в реологических свойствах. Минимальной устойчивостью к трещинообразованию и сравнительно высокой эластичностью обладал рис с зелеными оболочками. Об этом свидетельствуют значения параметров трещинобразования: напряжение 21,12 МПа и деформация 26,63 мкм. Отсутствие экстремумов с острыми пиками наблюдается у зеленого и пожелтевшего риса. При этом отмечается широкая область упруго-пластических деформаций. Разрушение зеленых и пожелтевших зерен происходит плавно, без резких изломов, характерных для стекловидного риса. Краснозерный рис по характеру разрушения отличается от всех остальных. Упруго-пластические деформации у этого типа риса происходят не так резко как у риса с естественной окраской оболочек и стекловидной консистенцией эндосперма. Упруго-пластическая зона во всех случаях явно выражена и изменяется в сравнительно узком диапазоне деформаций (23,40 - 40,57 мкм) и напряжений (20,45 -32,66 МПа). Трещинообразование у пожелтевшего риса происходило при напряжении 28,26 МПа и деформации 36,13 мкм. Высокая устойчивость к трещинообразованию у мелового риса сочеталась с высокой вариабельностью напряжений и деформаций трещинообразования. Статистический анализ напряжений и деформаций трещинообразования показал, что максимальной неоднородностью обладают меловые и пожелтевшие зерна. Об этом свидетельствует широкие диапазоны варьирования дисперсии 26,58 - 67,20, стандартных отклонений выборки 5,16 - 8,20 и стандартных ошибок среднего 0,79 - 1,49 (табл. 8, 9). У риса с естественной окраской оболочек и стекловидной консистенцией эндосперма, а также с зелеными и красными оболочками напряжения и деформации трещинообразования варьировали в узком диапазоне. Анализ результатов исследований показал, что консистенция эндосперма влияет на устойчивость риса к трещинообразованию.
Важным основанием в пользу раздельной переработки риса с различной стекловидностью является высокая степень варьирования деформаций упругости. В частности деформации упругости у стекловидного риса варьируют в более узком диапазоне в сравнении с мучнистым рисом. При этом у стекловидных зерен более ярко выражена область упруго-пластических деформаций, нежели у меловых.
Взаимосвязь между реологическими и технологическими свойствами риса
Была разработана усовершенствованная технологическая схема производства полированной крупы с отбором меловых зерен, в основу которой положены результаты научных исследований и технические решения патентов на изобретения (патент RU № 2158635 С1: способ производства шлифованной рисовой крупы и патент RU № 2166365 С2: способ производства полированной рисовой крупы) (рис. 28). Переработка риса осуществляется следующим образом. Поступающее на крупозавод зерно риса подвергается очистке от посторонних примесей. Очищенный от примесей рис-зерно пофракционно двумя потоками направляется в шелушильное отделение крупозавода. Процесс шелушения осуществляется в машинах с обрезиненными валками и/или в поставах. После сортирования продуктов шелушения, ядро риса подвергается шлифованию. Процесс шлифования осуществляется равномерно по всей поверхности зерновки, без образования местных чрезмерно вышлифованных участков. Это особенно важно при дальнейшей обработки ядра риса - полировании. Для решения поставленной задачи, а так же снижения образования микротрещин на поверхности зерновок и, как следствие, снижения выхода дробленого ядра, процесс шлифования осуществляется в машинах с абразивной рабочей поверхностью на основе эпоксидной диановой смолы, отвержденной полиэтиленполиамином и наполнителя смеси карбида кремния черного заданной крупности.
Процесс шлифования ядра риса осуществляется путем последовательной трех этапной обработки. Крупность абразивного материала рабочих органов рисошлифовальных машин постепенно уменьшается от первого этапа к третьему. На первом этапе шлифования необходимо удалить с поверхности ядра риса плодовые и семенные оболочки. Поэтому на первом этапе для достижения максимальной технологической эффективности используется двухкомпонентная смесь шлифовальных зерен с зернистостью №80 и №63, взятых в равных массовых долях. Продукты переработки подвергаются оценке степени шлифования, определяя значение белизны и выхода мучки и, в случае необходимости, регулируются технологические режимы процесса, изменением рабочего зазора между абразивной поверхностью, ситовой обечайкой и тормозными колодками. На втором этапе шлифования в задачу процесса входит удаление зародыша и частично алейронового слоя. Для достижения максимальной технологической эффективности обработку ядра на втором этапе ведется рабочим органом с использованием в структуре абразивной поверхности двухкомпонентной смеси шлифовальных зерен с зернистостью №63 и №50, взятых в равных массовых долях. После второго этапа обработки получается рисовая крупа с удаленным зародышем и частично алейроновым слоем с неглубокими царапинами и минимальной травмированостью ядер, так как процесс ведется в «щадящем режиме». После промежуточного отбора мучки и дробленого ядра определяется степень шлифования целого ядра и, в зависимости от показания белизны и выхода мучки, при необходимости, регулируется режимы процесса изменением рабочего зазора между абразивной поверхностью, ситовой обечайкой и тормозными колодками. В задачу третьей системы шлифования входит максимальная подготовка рисового ядра к процессу полирования. Необходимо полностью удалить алейроновый слой и сгладить поверхность ядра. Для этого используется рабочий орган с абразивной поверхностью с содержанием смеси мелкодисперсных абразивных частиц с зернистостью №50 и №40, взятых в равных массовых долях. Шлифование ядра с оптимальным составом мелкодисперсных абразивных частиц ведется в «щадящем режиме» с мягким воздействием абразивной поверхности на ядро. При таких режимах обработки на третьей системе шлифования осуществляется частичное полирование риса. Следствием этого является уменьшение процесса трещинообразования, что способствует выходу целого ядра, стойких к упруго-пластическим деформациям в последующей полировке. Далее целую крупу контролируют на триерных установках с целью выделения мелового ядра с последующим использованием в кондитерской промышленности. Подготовленная таким образом крупа после отбора мучки и дробленого ядра подвергается процессу полирования. Обработка ядра ведется традиционным способом. Крупа обрабатывается в машинах с горизонтально расположенным металлическим рабочим органом. В зону обработки ядра подается влажный насыщенный воздух с мельчайшими капельками воды. В результате предлагаемая технология получения рисовой крупы улучшенного качества обеспечивает интенсификацию процесса шлифования с получением полированного продукта с гладкой, глянцевидной поверхностью с высокими показателями белизны, отвечающими требованиям качества с минимальным выходом дробленого ядра за счет более «мягких» режимов обработки.
Положительный эффект результатов промышленной переработки товарных партий риса достигался на основе выбора оптимальных условий воздействия на продукт с учетом реологии компонентов зерновой массы.
Сравнительный анализ результатов промышленной переработки товарных партий риса свидетельствует о том, что по предлагаемой технологии достигаются более высокие показатели технологической эффективности. В частности это выражается в увеличении общего выхода крупы, улучшением его качества и резком снижении образования дробленого продукта.
