Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Литературный обзор 5
1.1 Потребительские свойства зерна и продуктов его переработки 5
1.1.1 Ботаническая и товарная классификация зерна пшеницы 6
1.1.2 Морфология и анатомическое строение зерна пшеницы 12
1.1.3 Биохимические свойства зерна пшеницы 15
1.1.4 Физико-химические свойства зерна 19
1.1.5 Пищевая ценность зерна и продуктов его переработки 29
1.1.6 Технологические свойства зерна 32
1.1.7 Хлебопекарные свойства муки 41
1.2 Формирование помольных партий и смесей зерна пшеницы с заданными потребительскими свойствами 50
1.3 Технологические схемы формирования помольных партий 55
ГЛАВА 2 Объекты и методы исследований 60
2.1 Методы исследований 60
2.2 Методика математического планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных 61
2.2.1 Методика статистической обработки 61
2.2.2 Методика корреляционного и регрессионного анализа результатов исследований 69
2.2.3 Методика симплекс - решетчатого планирования эксперимента при оптимизации помольных партий зерна и мучных смесей 75
ГЛАВА 3. Экспериментальная часть 79
3.1 Теоретическое обоснование и совершенствование метода оптимизации помольных партий зерна пшеницы 79
3.1.1 Увеличение расчетного выхода муки 84
3.1.2 Увеличение объема производства муки 88
3.1.3 Повышение уровня продовольственного использования зерна при заданном весе помольной партии 90
3.2 Прогнозирование потребительских свойств зерна и продуктов его переработки 91
3.3 Определение законов смешивания поликомпонентных смесей по признакам качества, не подчиняющимся закону аддитивности 97
3.4 Разработка и производственная проверка методов многокритериальной оптимизации поликомпонентных смесей зерна и муки 109
Выводы 119
Список использованных источников 121
Приложения 135
- Ботаническая и товарная классификация зерна пшеницы
- Формирование помольных партий и смесей зерна пшеницы с заданными потребительскими свойствами
- Методика корреляционного и регрессионного анализа результатов исследований
- Прогнозирование потребительских свойств зерна и продуктов его переработки
Введение к работе
Потребительские свойства хлебобулочных изделий в определяющей степени зависят от показателей хлебопекарного качества муки, которые формируются при заготовке, послеуборочной обработке и хранении зерновой массы.
Заготовка зерна на элеваторах осуществляется с целью формирования потоков зерна пшеницы по влажности, стекловидности, содержанию и качеству клейковины, при этом система заготовки зерна не учитывает в полной мере разнообразия признаков качества, влияющих на потребительские свойства муки. Как правило, решаются задачи формирования в процессе заготовки партий зерна, отличающихся содержанием клейковины, стекловидностью, натурой и влажностью.
Сложность решения поставленных задач заключается в том, что показатели качества, определяющие хлебопекарные свойства муки не подчиняются закону аддитивности, вследствие чего не представляется возможным осуществить мониторинг потребительских свойств хлебобулочных изделий в процессе формирования помольных партий на элеваторах, помольных смесей в зерноочистительных отделениях, а также при формировании потоков муки с заданными хлебопекарными свойствами в выбойных отделениях мукомольных заводов.
В связи с вышеизложенным актуальными являются исследования, направленные на создание системы мониторинга потребительских свойств продуктов переработки зерна пшеницы на основе поликомпонентных зерновых и мучных смесей.
Ботаническая и товарная классификация зерна пшеницы
У настоящих пшениц стержень колоса не ломкий, то есть колос при созревании не распадается на отдельные колоски. Зерна при обычных способах обмолота легко освобождаются из чешуи, в которых они заключены.
Полбяные пшеницы имеют стержень ломкий, колос при созревании довольно легко распадается на отдельные колоски, каждый члеником стержня. Зерна при обычных способах молотьбы не освобождаются из цветковых и колосковых чешуи.
Таким образом, при обмолоте этих пшениц получается не голое зерно, а целые колоски, подлежащие для освобождения зерен дальнейшей обдирки [40]. В Россини зерно пшеницы делится на типы и подтипы [41]. Тип зерна — классификационная характеристика зерна по устойчивым природным признакам (ботанический вид, цвет, форма), связанными с его технологическими, пищевыми и товарными достоинствами. Подтип зерна - классификационная характеристика зерна, определяемая в пределах типа и отражающая изменения природных признаков (стекловидность, цвет). Тип I. Мягкая яровая краснозернистая. Содержание зерен пшеницы других типов не более 10%, в том числе твердой и белозерной не более 7%, из них твердой не более 5%. Пшеница этого типа делится на пять подтипов: Подтип 1, Темно-красная, стекловидная. Цвет темно-красный, допускается наличие желтых, желтобоких, обесцвеченных и потемневших зерен в количестве не нарушающем основного тона. Общая стекловидность не менее 75%. Подтип 2. Красная. Цвет красный, допускается наличие желтых, желтобоких, обесцвеченных и потемневших зерен в количестве, не нарушающем основного тона. Общая стекловидность не менее 60%. Подтип 3. Светло-красная. Цвет светло-красный, допускается наличие желтых, желтобоких, обесцвеченных и потемневших зерен в количестве, не нарушающем основного тона. Общая стекловидность не менее 40%. Подтип 4. Желто-красная. Цвет желто-красный. Допускается наличие желтых, желтобоких зерен в количестве, которое придает партии пестрый желто-красный цвет. Общая стекловидность не менее 40%. Подтип 5. Желтая, преобладают желтые и желтобокие зерна, придающие всей партии желтый оттенок. Общая стекловидность не менее 40%. Тип II. Яровая твердая. Содержание зерен пшеницы других типов не более 10%, в том числе белозерной - не более 2%. Пшеница этого типа делится на два подтипа: Подтипа 1. Темно-янтарная. Цвет темно-янтарный. Допускается наличие побелевших, потускневших, мучнистых зерен в количестве не нарушающем основного тона. Общая стекловидность не нормируется. Подтип 2. Светло-янтарная. Цвет светло-янтарный. Допускается наличие побелевших, потускневших, обесцвеченных, мучнистых зерен в количестве, не нарушающем основного типа. Общая стекловидность не контролируется. Тип III. Яровая белозерная. Содержание зерен пшеницы других типов, вместе или порознь, не более 10%. Пшеница этого типа, в зависимости от стекловидности, делится на два подтипа. Подтип 1. Общая стекловидность не менее 60%. Подтип 2. Общая стекловидность менее 60%. Тип IV. Озимая краснозернистая. Содержание зерен пшеницы других типов не более 10%, в том числе твердой и белозерной не более 5%, из них твердой — не более 3%. Пшеница этого типа делится на пять подтипов. Подтип 1. Темно-красная, стекловидная. Цвет темно-красный, допускается наличие желтых, желтобоких, обеспеченных и потемневших зерен в количестве, не нарушающем основного тона. Общая стекловидность не менее 75%. Подтип 2. Красная. Цвет красный, допускается наличие желтых, желтобоких, обеспеченных и потемневших зерен в количестве, не нарушающем основного тона. Общая стекловидность не менее 60%. Подтип 3. Светло-красный. Цвет светло-красный, допускается наличие желтых, желтобоких, обеспеченных и потемневших зерен в количестве, не нарушающем основного тона. Общая стекловидность не менее 40%. Подтип 4. Желто-красный. Цвет желто-красный, допускается наличие желтых, желтобоких зерен в количестве, которое придаст партии пестрый желто-красный цвет. Общая стекловидность не менее 40%. Подтип 5. Преобладают желтые и желтобокие зерна, придающие всей партии желтый оттенок. Общая стекловидность не менее 40%. Тип V. Озимая белозерная. Содержание зерен пшеницы других типов не более 5%. На подтипы не подразделяются, стекловидность не нормируется. Пшеницы на мировом хлебном рынке по количеству и свойствам белка делят на три основные группы: сильные, средние (или «филлеры») и слабые. К группе сильных относят пшеницы, богатые высококачественным белком (не менее 15-16% на сухое вещество). Мука способна из них давать хлеб превосходного качества при усиленной механической обработке и длительном брожении теста (6-8 часов). Обычно используют их в помольной смеси с пшеницами слабыми и филлерами (10-25%), что позволяет получать хлебопекарную муку желаемого качества. Поэтому их называют также пшеницами улучшителями.
«Филлеры» дают в большинстве случаев хорошую хлебопекарную муку сами по себе, но улучшителями, однако не считаются. Они обычно составляют основную часть помольной смеси. Слабые пшеницы для выработки хлебопекарной муки можно использовать только в смеси с улучшителями и филлерами. К ним относят зерно с низкокачественной клейковиной или с недостаточным количеством хорошей клейковины.
Сильные пшеницы производят только в некоторых странах и в меньшем количестве, чем среднее и слабые. В мировом земледелии сильные пшеницы составляют 15-20%, филлеры около 30%, слабые 50-55% от общего их производства. Спрос на сильные пшеницы большой и они ценятся выше пшениц средних и слабых. Разница в цене между лучшими и худшими пшеницами достигается 50%.
Формирование помольных партий и смесей зерна пшеницы с заданными потребительскими свойствами
В последние годы значительно повысилась дисперсность муки. Большое значение стали придавать гранулометрическому составу муки, состоянию ее крахмала, активности ферментов [116].
В хлебопекарной муке решающую роль играет количество свободных крахмальных зерен и частиц промежуточного белка (размером 40 мкм), так как они влияют на сахаро-, газообразующую и водопоглотительную способность муки, скорость протекания в тесте биохимических и коллоидных процессов, выход и качество хлеба. Известно, что сахарообразующая способность пшеничной муки из нормального зерна обычно обуславливается не количеством содержащейся в ней Р-амилазы, расщепляющей крахмал до мальтозы, а доступностью и податливостью (атакуемостью) крахмала. Атакуемость крахмала зависит в основном от размеров крахмальных зерен и степени их механического повреждения при размоле зерна, от удельной поверхности частиц [118, 126].
Обычная хлебопекарная мука содержит небольшое количество крахмальных зерен, получивших механическое повреждение во время размола. Их образование при помоле нужно считать положительным явлением, так как только такие зерна подвергаются действию амилолитических ферментов. Неодинаковая водопоглотительная способность муки объясняется различием в количестве белка и поврежденного крахмала в разных образцах муки.
Белки клейковины обладают сравнительно постоянной способностью сорбировать воду. Водопоглотительная способность крахмала с нативными зернами, по данным английских исследователей постоянна при нормальной температуре теста или болтушки, составляет около 35 % веса крахмала. Крахмал поврежденный в процессе размола, поглощает воды значительно больше, причем дополнительное количество воды зависит от степени этого повреждения [119, 125]. Опыты показали, что скорость поглощения воды крахмалом муки больше, чем скорость поглощения белком [117]. Считают, что у муки с малым размером частиц лучше выражены мезофильные свойства благодаря увеличенной удельной поверхности.
С повышением степени тонкости помола муки наблюдается довольно медленное увеличение числа явно разрушенных крахмальных зерен, в то же время появляется много свободных зерен без видимых признаков повреждения. Если уменьшить размер частиц муки без увеличения разрушаемых зерен крахмала, то водопоглотительная способность муки остается неизменной [118].
Прямой зависимости между дисперсностью муки и степенью повреждения крахмальных зерен не существует. Так крахмал стекловидной пшеницы повреждается в большей степени по сравнению с сортами мучнистой структуры [119]. В то же время мука стекловидной пшеницы характеризуется большими размерами частиц.
На некоторых мельницах за рубежом (в США, Франции) используют ударное дополнительное измельчение муки для повышения её водопоглотительной способности и диастатической активности, улучшения цвета мякиша хлеба и замедления процесса его черствения. Процесс гидратации теста из муки с меньшим средневзвешенным размером частиц протекает быстрее.
В настоящее время унифицированы единицы измерения поврежденного крахмала: одна и та же мука по Фарранду характеризуется 18 % поврежденного крахмала, по Сулливен - 150 ед., по Вустеру - 61 %. Найдена оптимальная степень повреждения крахмала до 28-32 % Фаранда приводит к получению хлеба пониженного объема с плотным мало эластичным мякишем [127,130].
Мука из проросшего зерна вызывает значительное осложнение в технологическом процессе хлебопечения, и резко снижается качество хлеба. Аналогичное отрицательное действие оказывает и высокая степень повреждения крахмальных зерен [123, 124]. Опыты по исследованию влияния количества поврежденных крахмальных зерен в муке на ее газообразующую способность и качество хлеба в ПНР показали, что при небольших количествах поврежденных зерен крахмала в муке (до 15 %) на 4 минуте после брожения теста резко уменьшается объем выделяемого СС 2. При увеличении количества механически поврежденных зерен крахмала газообразование в конце замеса возрастает.
Качество хлеба, полученного из дополнительно измельченной муки, в которой количество поврежденных зерен составляло около 35 % лучше, чем из исходной муки (14 % поврежденных зерен). Такой хлеб имел лучше окрашенную корку, более эластичный мякиш с равномерной пористостью, больший объемный выход, медленнее подвергался процессу черствения [124]. Хлеб худшего качества получен из муки сильно измельченной, в которой количество поврежденных крахмальных зерен составляло 50 %. Хлеб из такой муки имел влажный липкий мякиш, малый объем.
С увеличением степени измельчения муки уменьшался выход сырой клейковины и ее удельная растяжимость. Из муки, сильно измельченной (с 85 % поврежденных крахмальных зерен из мягкой пшеницы и 75 % поврежденных из твердой пшеницы), вообще нельзя было отмыть клейковину. Американские исследователи отмечали улучшение абсорбции теста (от 61,5 до 65,2 %) с увеличением процента поврежденных зерен крахмала в смеси от 2,10 до 4,65 %. Дальнейшее увеличение свыше 4,65 % в муке поврежденных зерен крахмала приводит к ослаблению консистенции теста, к плохой обработке при разделке и снижению качества хлеба - объема и физических свойств мякиша [124,126].
Методика корреляционного и регрессионного анализа результатов исследований
Мука является конечным продуктом для мельницы и представляет собой сырье для производства хлебобулочных, макаронных и большого разнообразия мучных кондитерских изделий. Поэтому мука должна удовлетворять показателям, определяющим их потребительские достоинства. Потребительские достоинства муки оценивают посредством лабораторных испытаний на различных приборах, в зависимости от вида продукции и ее конкретного назначения, а также путем проверочных дегустаций при производстве тех или иных продуктов: хлеба, печенья, тортов, и т.п. Для хлебопекарной муки основными определяемыми показателями являются сила муки, газообразующая способность и активность амилолитических и протеолитических ферментов. Высокие потребительские . достоинства готовой продукции в значительной степени определяют ее спрос у потребителей и поэтому непосредственно влияют на рентабельность предприятия. Большое значение имеет широкий ассортимент готовой продукции, производимой на мельницах и хлебозаводах. В зависимости от целевого назначения мука должна быть соответствующей, отвечающей запросам потребителей. Для производства мучных кондитерских изделий необходимо иметь муку с высоким содержанием крахмала и пониженным содержанием белка, для хлеба и сдобных булочек требуется мука с определенным содержанием и качеством клейковины, для слоеных изделий с содержанием клейковины 36 % и выше, качеством соответствующим группе качества -удовлетворительно крепкая (от 35 до 50 ед.пр, ИДК).
Различие свойств зерна требует корректировки режимов всех технологических операций, т.е. постоянной переналадки всех машин и аппаратов. Чтобы этого избежать, зерно должно поступать в переработку, после прохождения подготовительного отделения, с устойчивыми показателями технологических свойств. Стабилизация показателей свойств зерна на неизменном уровне является необходимой предпосылкой автоматизации технологического процесса. Такая стабилизация достигается посредством ГТО, а также путем смешивания разнородных по характеристике отдельных партий в одну так называемую помольную смесь. При этом показатели качества этой смеси могут быть заданы заранее. Задача в этом случае сводится к подбору компонентов смеси и расчету их соотношения.
Помимо этого, формирование помольных партий позволяет экономно расходовать наиболее ценное зерно сильной пшеницы, а также использовать определенное количество малоценного зерна, при самостоятельной переработке которого невозможно получить муку стандартного качества. Состав помольной партии определяют расчетом, основываясь на требуемых показателях качества смеси. При расчете исходят из того, что все показатели качества подчиняются закону аддитивности, т.е. могут быть найдены посредством расчета их средних арифметических величин [75].
Формирование помольных партий зерна - это начальный этап подготовки зерна к помолу. И от того, насколько эффективно сформированы помольные партии, зависит дальнейший ход технологического процесса и качество вырабатываемой муки.
Сортовые особенности и изменчивость физических, технологических и биохимических свойств зерна в связи с почвенно-климатическими условиями выращивания вызывают определенные трудности при его переработке. Это прежде всего нарушение стабильности технологического процесса при переходе от одной партии зерна к другой, что отрицательно влияет на условия ведения процесса, снижает уровень использования зерна и усложняет условия работы обслуживающего персонала. Поэтому естественно стремиться стабилизировать технологический процесс на возможно длительное время созданием крупных помольных партий зерна постоянного качества. При этом показатели зерновых смесей характеризующие технологические свойства (натура, стекловидность, зольность и др.) подчиняются правилу смешивания, т.е. они пропорциональны показателям исходных компонентов и их количеству в смесях. Отметим, что показатели качества зерна, влияющие на хлебопекарные свойства муки (качество клейковины и др.) в большинстве случаев не подчиняются этому правилу.
Важнейшими задачами формирования помольных смесей являются: обеспечение планового выхода муки и норм ее качества; рациональное использование партий зерна, хранящихся и поступающих на элеваторы; стабилизации технологического процесса размольного отделения мукомольного завода.
Смешивание зерна перед помолом эффективно не только для стабилизации технологического процесса. Могут быть также партии зерна, самостоятельная переработка которых не обеспечит выпуск стандартной муки. Смешиванием обеспечивается рациональное использование всего имеющегося зерна как повышенного, так и пониженного качества. Особенно важно правильно использовать зерно сильной пшеницы.
Лучший результат может быть получен в случае смешивания партий зерна, входящих в состав помольной смеси после раздельной их очистки и гидротеримической обработки. Для этого необходимы бункера, оснащенные дозаторами и смесителями.
Таким образом, формирование помольной смеси является эффективным технологическим приемом: появляется возможность, во-первых, создать крупные помольные партии зерна и тем самым стабилизировать технологический процесс; во вторых, повысить уровень продовольственного использования зерна на мукомольном заводе.
Прогнозирование потребительских свойств зерна и продуктов его переработки
На основании вышеизложенного можно заключить, что при использовании предложенной методики можно осуществлять мониторинг потребительских свойств муки при наличии исходных данных о качестве зерна и при наличии исходных данных о качестве зерна и принятом типе помола пшеницы. Эти данные были использованы для решения оптимизационных задач при формировании помольных партий на элеваторах и помольных смесей в зерноочистительных отделениях мукомольных заводов. Смешивание различного по качеству зерна перед помолом является высокоэффективным методом стабилизации технологического процесса, повышения уровня продовольственного использования зерна и улучшения хлебопекарных достоинств муки. При составлении помольных партий мукомольных заводах используют несколько методов, среди которых предпочтение отдают интуитивному, основанному на личном опыте технолога и его широкой информации о качестве зерна, имеющегося на заводе [129]. Вспомогательную роль играют методы обратных пропорций, расчета по основной партии, баланса и графический метод. Применение ЭВМ позволило увеличить число компонентов смеси и учесть большее число показателей качества зерна, открыло перспективы оптимизации рецептур формирования помольных партий [131-135].
Задачу создания более совершенных технологий переработки зерна невозможно решить без знаний основных закономерностей технологических процессов и операций, представляемых в виде математических моделей, характеризующих изменение количественно-качественных показателей получаемых продуктов [136]. При смешивании партий зерна с целью получить смесь зерна с необходимыми показателями качества важным определяющим фактором является смесительная ценность зерна.
Под смесительной ценностью обычно понимают способность зерна повышенного хлебопекарного качества улучшать качественные показатели зерна пониженного качества при их смешивании.
Такой подход сужает понятие смесительной ценности, ограничивая его применением к характеристике только одного из компонентов из смеси, в то время как все составляющие смеси обладают той или иной смесительной ценностью - одни большей, другие меньшей. Больше того, отдельные компоненты смеси могут различаться полярными показателями смесительной ценности. Смесительная ценность, следовательно, может иметь не только положительное измерение (улучшение зерна пониженного качества), но и отрицательное (снижение качества зерна повышенного качества и смеси в целом) [137].
Отсюда вытекает необходимость определения смесительной ценности зерна и разработки единого количественного критерия ее. При решении этого вопроса следует исходить как из мукомольных, так и хлебопекарных достоинств зерна. Смешиванием разнокачественных партий зерна пшеницы можно решать большой круг вопросов с разными конечными целями. При смешивании зерна неодинакового качества могут сложиться три варианта: качество смеси полностью совпадает с технологическими требованиями одного из производств (мукомольного пли хлебопекарного), но противоречит интересам второго производства; технологическое достоинство смеси достигает оптимального сочетания производственных требований мукомольного завода в хлебозаводе: смесь удовлетворяет технологическим требованиям одного из производств, не ухудшая заметно технологических достоинств второго производства. Наибольший производственный эффект может быть достигнут, когда при смешивании в равной мере удовлетворяются требования мукомольной и хлебопекарной промышленности. Этот вариант, к сожалению, практически получается редко. В подавляющем большинстве случаев зерновая смесь отражает взаимоисключающие технологические показатели качества. И тогда необходимо руководствоваться принципом предпочтительности интересов хлебопечения [138]. Вместе с тем и в этом случае нельзя полностью пренебрегать требованиями мукомольного производства. Одновременно следует проанализировать конечные показатели качества смеси с учетом комплексных требований обоих производств, после чего сформулировать обобщающие выводы. Известно, что признаки качества характеризующие хлебопекарные свойства муки, как, правило, не подчиняются закону аддитивности. Решение оптимизационных задач на основе предложенных в пункте 3.1 уравнений возможно по признакам качества, подчиняющимся закону смешивания. При необходимости можно использовать целевые функции, не подчиняющиеся закону аддитивности (качество клейковины и число падения). В этом случае требуется в уравнение ввести эмпирические зависимости, характеризующие расчетные показатели по результатам смешивания многокомпонентных зерновых смесей. При выборе математического плана эксперимента приняли за основу тот факт, что в технологии элеваторной промышленности обеспечить точное дозирование зерновых поликомпонентов крайне сложно. Это связано с отсутствием высокоточного дозирующего оборудования и смесителей. В ходе экспериментальных исследований в производственных условиях нами предложено использовать шнековые дозаторы в подсилосных этажах элеваторов с установкой частотных преобразователей в сети управления электродвигателей. Путем изменения фазовых частот обеспечивали точное дозирование зерна пшеницы из силосов в подсилосные транспортеры с последующим смешиванием в нориях. Установлено, что решение задач оптимизации помольных партий на элеваторах необходимо и достаточно готовить не более трех компонентных зерновых смесей. В связи с этим при проведении экспериментальных исследований за основу принят симплекс-решетчатый план эксперимента. В этом разделе приведены результаты экспериментальных исследований по формированию помольных партий на элеваторах и помольных смесей в зерноочистительных отделениях мельзаводов на основе симплекс-решетчатых планов эксперимента. Сущность метода заключается в проведении экспериментов по формированию двух или трехкомпонентных смесей зерна пшеницы при условии нормирования:
