Geum.ru

Разработка энергосберегающей технологии производства продуктов быстрого приготовления из крупяного крахмалосодержащего сырья

Вид материалаАвтореферат

Содержание


Общая характеристика работы
Обзор литературы
2. Экспериментальная часть
2.1. Характеристика объектов и методов исследования.
3. Результаты исследований и их обсуждение
3.2. Выбор оптимальных параметров инфракрасного облучения крахмалосодержащего крупяного сырья
3.3. Определение параметров дополнительной водно-тепловой обработки полученного полуфабриката
3.4. Микробиологические показатели, функциональные и биохимические свойства, качество и потребительские достоинства полученных к
3.5. Определение технологических параметров комплексной обработки крупяного сырья при производстве хлопьев
3.6. Совершенствование технического обеспечения процесса интенсивной инфракрасной обработки крахмалосодержащего крупяного сырья
4. Экономическая часть
5. Опытно-промышленная проверка способа производства круп, быстрого приготовления и хлопьев, не требующих варки из крупяного кра
Список работ, опубликованных по теме диссертации
Подобный материал:

На правах рукописи


АНДРЕЕВА АЛЕСЯ АДОЛЬФОВНА


РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТОВ БЫСТРОГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ ИЗ КРУПЯНОГО КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ


Специальность: 05.18.01 «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства»


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Москва – 2010

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Технология продуктов функционального и специализированного назначения и длительного хранения»

ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Доронин Алексей Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мельников Евгений Михайлович

доктор технических наук, профессор

Иунихина Вера Сергеевна

Ведущая организация: ГНУ НИИ пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии

Защита состоится 27 мая 2010 г. в 11часов 30 мин. на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.03 при ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств», 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, ауд. 302.

Автореферат размещен на сайте www.mgupp.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств».

Автореферат разослан «26» апреля 2010 г


Ученый секретарь

совета Белявская И. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Для пищеконцентратной промышленности вопрос энерго- и ресурсосбережения при производстве варено-сушеных круп (быстрого приготовления) и крупяных продуктов, не требующих варки, имеет важное значение.

Варено-сушеные крупы - один из главных компонентов в рецептуре крупяных концентратов первых и вторых обеденных блюд. Их традиционная технология производства основана на применении варочных аппаратов, в которых осуществляется процесс гидротермической обработки в большом количестве воды с последующим удалением ее тепловой сушкой. Процесс варки и сушки чрезвычайно энерго- и трудозатратен.

Попытки создать технологии и оборудование нового поколения с использованием существующих конвективного и кондуктивного методов подвода энергии нельзя считать обоснованными и перспективными, поскольку в силу своих теплофизических характеристик, они не в состоянии передать значительные мощности к обрабатываемому материалу.

Одним из перспективных направлений технологии переработки крупяного сырья является метод инфракрасной обработки - экологически безопасный, энергосберегающий, позволяющий получить легкоусвояемые и термостерилизованные продукты. Принципиальное отличие этого метода заключается в волновом переносе энергии, что при определенных условиях дает возможность получить эффект объемного энергопоглощения тепла в обрабатываемом сырье.

В основу данной работы положены научные и практические достижения в области инфракрасных технологий и техники переработки зернового сырья ученых МГУПП А.С. Гинзбурга, В.В. Красникова, Е.М. Мельникова, Ю.М. Плаксина и др.

Разработка технологических приемов, позволяющих целенаправленно менять свойства крупяного сырья и получать высококачественные продукты, а также техническая модернизация пищеконцентратного производства с внедрением высокоэффективного оборудования на основе инфракрасного энергоподвода является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является разработка и внедрение энергосберегающей технологии производства продуктов быстрого приготовления (круп и хлопьев) из крупяного крахмалосодержащего сырья (гречневая, рисовая и перловые крупы) с повышенной энергетической ценностью и функциональными свойствами.


В соответствии с поставленной целью были определены следующие конкретные задачи:
  • разработать технологические приемы подготовки крупяного сырья к интенсивной инфракрасной обработке;
  • выбрать оптимальные параметры инфракрасного облучения крахмалосодержащего крупяного сырья;
  • определить режимы дополнительной водно-тепловой обработки крупяного сырья, используя энергию инфракрасного излучения;
  • определить микробиологические показатели, функциональные и биохимические свойства, качество и потребительские достоинства полученных крупяных продуктов;
  • обосновать технологический процесс производства хлопьев, не требующих варки из крахмалосодержащего крупяного сырья, с использованием интенсивной инфракрасной обработки;
  • разработать аппаратурное оформление процесса термообработки;
  • разработать исходные требования к техническому заданию на линию производства продуктов из крупяного крахмалосодержащего сырья;
  • провести опытно-промышленную проверку технологии и линии по производству круп быстрого приготовления и хлопьев, не требующих варки, из крупяного крахмалосодержащего сырья;
  • разработать техническую документацию на крупы быстрого приготовления и хлопья, не требующие варки.

Научная новизна

Обоснована технология производства круп быстрого приготовления и хлопьев, не требующих варки, с повышенной энергетической ценностью и функциональными свойствами из крахмалосодержащего крупяного сырья.

Установлена необходимость увлажнения поверхностного слоя крупы перед интенсивной инфракрасной обработкой.

Определены параметры основных операций технологии производства круп быстрого приготовления и хлопьев, не требующих варки.

Исследованы сорбционные свойства модифицированного комплексной обработкой (инфракрасной и водно-тепловой) крупяного сырья по отношению к ионам тяжелых металлов и микроорганизмам.

Впервые установлена граница областей, в которых под действием инфракрасного облучения процесс перемещения влаги в крупяном сырье происходит в виде жидкости или пара.

Научная новизна подтверждена патентом на изобретение «Установка для термообработки пищевого материала» № 2372795 от 20.11.08. и положительным решением о выдаче патента на изобретение «Способ производства продуктов быстрого приготовления из крахмалосодержащих круп» от 04 декабря 2009 года по заявке № 2009120326/13 (028062) от 29.05.09 года.

Практическая значимость

На основании экспериментальных исследований предложена энергосберегающая технология производства круп быстрого приготовления и хлопьев, не требующих варки, с улучшенными качественными показателями, которая позволяет в 2,5 раза снизить энергозатраты по сравнению традиционной технологией производства варено-сушеных круп.

Разработана и утверждена техническая документация ТУ 9294-002-18376415-07 «Крупы быстрого приготовления» и ТУ 9294-001-18376415-07 «Хлопья зерновые, не требующие варки».

Для практического использования разработанной технологической схемы была модернизирована выпускаемая ООО «ПК Старт» установка для термообработки зерна УТЗ-4М. В настоящее время серийно выпускается и имеет утвержденную техническую документацию установка для термообработки пищевого материала УТЗ-4Ш.

Технологическая линия по производству круп быстрого приготовления и хлопьев, не требующих варки, внедрена на ОНО ГУП «БЭЗ ГНУ НИИППиСПТ» Россельхозакадемии (Бирюлевский экспериментальный завод), г. Москва; ООО «Элита-Маркетинг», г. Орел; ООО «Солнце Юга», г. Краснодар.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции «International Congress Engineering and Food – ICEF9», France, Montpellier, 2004; Международной научно-практической конференции «Technological innovation and enhancement of marginal products», Italia, Foggia, 2005; научно-практической конференции «Технология крупяных продуктов вчера, сегодня, завтра», Москва, МГУПП, 2007; Международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты», Москва, МГУПП, 2008.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 12 печатный работ, в том числе 9 статей, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 2 патента РФ на изобретения и положительное решение о выдаче патента на изобретение.


Структура и объем работы

Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 33 таблицы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов исследований и их обсуждений, экономической части, выводов, списка литературы и приложений. Список литературы включает 154 наименования. Приложения к диссертации представлены на 48 страницах.

Содержание диссертационной работы

В ведении охарактеризована перспективная задача и условия современного развития пищеконцентратной отрасли пищевой промышленности в России и представлены требования, предъявляемые потребителями к готовому продукту.
  1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В обзоре литературы рассмотрена общая характеристика крупяного крахмалосодержащего сырья, используемого при производстве пищевых концентратов, проведен анализ традиционной технологии производства и современных тенденции их развития. Приведены достоинства инфракрасной обработки крупяного сырья по сравнению с другими методами теплового воздействия. Показаны направления модернизации инфракрасной техники и повышения эффективности технологий при внедрении в пищеконцентратную промышленность современного оборудования.

На основании проведенного анализа литературы сформулированы цель и задачи исследования.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследования проводились в лабораториях кафедры «Технология продуктов функционального и специализированного назначения и длительного хранения» Московского государственного университета пищевых производств и на ООО ПК «Старт».

2.1. Характеристика объектов и методов исследования.

Исследование проводили на крахмалосодержащих крупах: перловая крупа № 1 – 2, ГОСТ 5784–60 с внесенными изменениями от 07.01.1997г.; гречневая крупа, ядрица 1 сорта, ГОСТ 5550–74 с внесенными изменениями от 01.01.1996г.; рис круглозерный, 1 сорта, ГОСТ 6292–93 и варено-сушеных крупах, вырабатываемых по ГОСТ 19327-84 с внесенными изменениями от 09.01.2000г.

Общая схема исследования (основные этапы) представлена на рис. 1.
































Рисунок 1. Общая схема проведения исследования (основные этапы)

Влажность крупы при увлажнении и сушке рассчитывали по приросту или убыли массы образца и определяли по ГОСТ 15113.4 – 77, насыпную массу - по ГОСТ 10840 – 64.

Технологические результаты получения хлопьев из полуфабриката оценивали по выходу целых хлопьев, содержанию крошки и мучки. Потребительские достоинства полученных продуктов оценивали по ГОСТ 26312.2 – 84.

Биохимических показатели полуфабрикатов и готовых продуктов определяли следующими методами: степень деструкции крахмала по ГОСТ 29177 – 91, степень клейстеризации по методу Анискина В.И., содержание декстринов спектрофотометрическим методом Попова М.П. и Шаненко Е.Ф. с модификацией, водопоглотительную способность по коэффициенту набухания навески крупы (10 г) при температуре 80°С, количество водорастворимых веществ выпариванием фильтрата на водяной бане, содержание тиамина флуорометрическим методом.

Сорбционную емкость продуктов определяли по ГОСТ 4453 – 74, сорбционную емкость в отношении ионов тяжелых металлов проводили инкубированием навески сорбента в стандартных растворах тяжелых металлов, измеряя остаточную концентрацию элементов в жидкой фазе.

Микробиологические показатели определяли согласно ГОСТам: количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов по ГОСТ 10444.15 – 94, количество бактерий группы кишечных палочек по ГОСТ Р 50475 – 93, количество бактерий рода Salmonella по ГОСТ Р 50480 – 93.

Для исследования процесса инфракрасной обработки единичных зерен и слоя крупы созданы экспериментальные установка и стенд с инфракрасным энергоподводом на базе ООО ПК «Старт» (рис. 2).



Рисунок 2. Экспериментальный стенд для интенсивной инфракрасной обработки слоя крупяного сырья: 1 – бункер – дозатор с подъемным шибером, 2 – терморадиационные блоки, 3 – продукт, 4 – металлическая сетка, 5 – натяжной барабан, 6 – электронный весовой механизм, 7 – термопары, 8 – регистрирующий электронный блок, 9 – персональный компьютер (ПК), 10 – электродвигатель с частотным регулированием оборотов, 11 – приводной барабан.

Измерение температуры в толще обрабатываемого слоя продукта производили термопарами. Контроль температуры поверхности слоя крупы осуществляли с помощью дистанционного неконтактного инфракрасного термометра Raytek MiniTemp FS. Убыль массы обрабатываемого продукта в процессе обработки измеряли электронным весовым механизмом.

Измерение температуры облучаемой поверхности проводили на стенде с помощью батареи термопар. Визуальный контроль неравномерности теплового поля определяли по изменению цвета белых рисовых хлопьев.

Плющение крупы – полуфабриката проводили на плющильном агрегате У1-РСА-4 конструкции ВНИИЗ с гладкими валками, оснащенного амперметром, показывающим рабочий ток двигателя.


3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Разработка оптимальных параметров подготовки крупяного сырья к интенсивной инфракрасной обработке

Основными параметрами инфракрасной обработки является величина энергетической облученности продукта (мощность лучистого потока), его температура и влажность.

Как правило, с ростом мощности лучистого потока, подаваемого на зерновое сырье, степень модификаций в обрабатываемом сырье возрастает. С повышением мощности облучения появляется риск обгорания поверхности из-за неоднородности распределения температурного поля при интенсивной инфракрасной обработке. Однако применение высокотемпературных процессов дает значительный эффект.

Как установлено многими авторами, неравномерность инфракрасного облучения при обработке зернового сырья потоком инфракрасного излучения с мощностью 26 кВт/м2 и выше на существующем оборудовании вызывает значительный градиент температур на поверхности и в центре зерновки, а также на поверхности слоя и нижней его части, что приводит к неоднородности обработки и ухудшению качества продукта.

Нами разработаны технологические приемы, позволяющие избежать неравномерности распределения температуры при односторонней инфракрасной обработке. Это увлажнение поверхности крупы и формирование геометрии слоя крупяного сырья на ленте транспортера (рис.3, 4).

Установлено, что за счет испарения воды с поверхности крупы при мощности лучистого потока 32 – 34 кВт/м2 разность температур поверхности и центра крупы составляет 6 – 8С, что позволяет избежать обгорания. В то же время градиент температур у круп без увлажнения поверхности составляет 25 – 35ºС.

Исследовано влияние толщины слоя крупы на неравномерность распределения температур по его высоте (рис. 4). В качестве критерия оценки толщины слоя взяли подовое наполнение, так как из-за специфической укладки крупяного сырья на горизонтальной поверхности трудно точно определить толщину слоя в линейных единицах.



Рисунок 3. Кинетика нагрева внешней поверхности и центральной части круп при мощности лучистого потока инфракрасного излучения 32 – 34 кВт/м2:

а – перловой, б – гречневой, в – рисовой


Исследования показали, что оптимальное количество крупы на ленте транспортера составляет 2,0 – 2,4 кг/м2. При увеличении подового наполнения растет неоднородность обработки. Снижение этой величины приводит к потере производительности технического средства инфракрасной обработки. При изменении геометрии поверхности слоя крупы, формируемого загрузочным устройством установки, с плоской на гребенчатую средневзвешенная температура продукта после инфракрасной обработки увеличивается на 10 – 20ºС. Градиент температуры в гребенчатом слое составляет 5 – 6ºС вместо 15ºС при плоской поверхности крупяного сырья (рис.5).



Рисунок 4. Температура крупы в зависимости от величин подового наполнения и геометрии слоя



Рисунок 5. Диаграмма величин средневзвешенной температуры слоя обработанного крупяного сырья, имеющего плоскую и гребенчатую форму

Таким образом, оптимальными параметрами подготовки крупяного сырья к интенсивной инфракрасной обработке являются: увлажнение поверхности крупяного сырья распылением 1,5 – 2% воды к его массе, перемешивание его в течение 4 – 5 минут, отлежка в течение 8 – 10 минут для достижения влажности поверхности зерновки 28 – 30% и размещение сырья на ленте транспортера с гребенчатой геометрией слоя и подовым наполнением – 2,0 – 2,4 кг/м2.

3.2. Выбор оптимальных параметров инфракрасного облучения крахмалосодержащего крупяного сырья

В зависимости от мощности излучения, влажности и вида объекта обработки перемещение воды внутри зерновки возможно в виде жидкости с испарением ее с поверхности или в виде пара, создающего условия для разрушения ее структуры. Исследовано влияние мощности лучистого потока подаваемой энергии на характер изменения структуры крупяного крахмалосодержащего сырья (гречневая, перловая и рисовая крупы) в процессе термической обработки (рис. 6).







Рисунок 6. Характеристика процесса обезвоживания круп при нагреве:

а – перловой, б – гречневой, в – рисовой

Установлено, что при инфракрасной обработке существуют две области: область традиционной сушки (II), когда вода перемещается внутри крупы в виде жидкости и испаряется с поверхности, не нарушая целостность ее структуры, и область выпаривания влаги из крупы в основном в виде пара (I), о чем свидетельствует значительное повышение давления и разрыв структуры.

Так минимальная величина мощности лучистого потока переходного периода составляет для гречневой крупы 17 кВт/м2, для перловой - 19 кВт/м2, для рисовой - 23 кВт/м2. Значение влажности при этом смещается в сторону ее увеличения с 14% до 16% и 18% для гречневой, перловой и рисовой круп соответственно.

При указанных значениях влажности и минимальной мощности лучистого потока, вызывающего термодеструкцию, температура нагрева составляет 135С для перловой, 130С для гречневой и 125С для рисовой крупы (рис.7).



Рисунок 7. Зависимость температуры перловой, гречневой и рисовой крупы от исходной влажности при минимальной мощности лучистого потока, вызывающей разрушение их структуры

Влажность круп при инфракрасной обработке с разрушением структуры резко снижается и составляет 7,3 – 7,8% (рис. 8). Крупа увеличивается в объеме, становится пористой. В результате разрушения происходит выброс пара и температура крупы сначала уменьшается на 3 – 5°С, а затем возрастает с большей скоростью, так как теплоемкость крупы, потерявшей значительное количество воды, уменьшается.



Рисунок 8. Изменение влажности круп при инфракрасной обработке

Критерием оценки внутренних процессов, происходящих при интенсивной инфракрасной обработке, является изменение структурно-механических свойств крупы, выражающееся в увеличении объема отдельных зерновок и снижении насыпной массы крупы.

Исследовано влияние мощности лучистого потока на изменение насыпной массы крупы (рис. 9).

Граница областей характеризуется скачкообразным снижением насыпной массы (для перловой крупы – при 19 кВт/м2, гречневой – 17 кВт/м2, рисовой – 23 кВт/м2). В области I происходит некоторое увеличение натуры крупы, связанное с уплотнением ее сухого вещества.



Рисунок 9. Изменение объемной массы круп в зависимости от мощности лучистого потока

Установлено, что минимальные значения насыпной массы, а, следовательно, и максимальная степень разрыхления структуры эндосперма при влажности круп 14 – 18% в области термической деструкции достигается при мощности лучистого потока инфракрасного излучения 36 кВт/м2 и выше.

Однако такая обработка вызывает перегрев поверхности, что выражается в тепловом пожелтении риса и обгорании гречневой и перловой круп. Поэтому при массовом производстве продуктов из крахмалосодержащего сырья для обеспечения стабильности и безопасности процесса мощность лучистого потока должна составлять не более 32 – 34 кВт/м2.

3.3. Определение параметров дополнительной водно-тепловой обработки полученного полуфабриката

Исследована возможность использования энергии, приобретенной крупой в процессе инфракрасного нагрева, в целях дополнительной водно-тепловой обработки, включающей в себя выдержку крупы (темперирование) при температуре выше 100°С и пропаривание ее в среде насыщенного пара.

Критерием оценки процесса темперирования крупы при высоких температурах выбрали сохранение в ней витамина В1 (тиамина) (рис. 10).



Рисунок 10. Кинетика снижения тиамина при темперировании гречневой крупы при температуре 106°С

Установлено, что темперирование гречневой крупы необходимо проводить не более 4,5 минут, иначе скорость распада тиамина резко возрастает. После темперирования горячие крупы подвергали вторичному увлажнению водой в количестве 2 – 3% от ее массы. При пропаривании в течение 4 – 6 минут влажность крупы увеличивается с 7,5% до 9,8%. А содержание витамина В1 уменьшается незначительно, так как средняя температура процесса составляет 75 - 80°С. Влияние процессов темперирования и пропаривания в среде насыщенного водяного пара на потребительские и кулинарные достоинства полученных продуктов представлено в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительная характеристика круп


Наименование крупы
Время варки, мин
Содержание водорастворимых веществ, %
Степень клейстеризации, %
Влаж-ность, %

Исходная
перловая
45
0,2
0,1
15,0

гречневая
32
0,3
1,5
13,8

рисовая
35
0,8
2,4
14,0

Инфракрасно обработанная
перловая
19
21,2
12
7,8

гречневая
8
18,1
13,5
7,3

рисовая
8
20,8
18
7,3

Подвергнутая дополнительной водно-тепловой обработке
перловая
17
30,2
26
9,7

гречневая
6
26,4
30
9,8

рисовая
5
24,0
32
9,9
Применение комбинированного метода обработки крупяного сырья с использованием специфических особенностей инфракрасного облучения и дополнительной водно-тепловой обработки позволяет получить продукт практически готовый к употреблению с временем кулинарной обработки в 1,5 – 3 раза меньше, чем у существующих на сегодняшний день в пищеконцентратной промышленности стандартных крупяных продуктов.

Дегустационная оценка готовых к употреблению полученных продуктов показала, что каши представляют собой рассыпчатую массу с ярко выраженными вкусом и запахом, приближенными к вкусовым качествам изначального продукта.

3.4. Микробиологические показатели, функциональные и биохимические свойства, качество и потребительские достоинства полученных крупяных продуктов

Под действием инфракрасного излучения происходит стерилизация круп. Высокие температуры нагрева приводят к гибели поверхностной и внутренней микрофлоры, что улучшает санитарно-гигиенические показатели крупы и способствует увеличению сроков их хранения (рис. 11).



Рисунок 11. Кинетика развития плесневых грибов в процессе хранения полученной гречневой крупы

Через 2 года хранения крупы количество плесеней в 4 раза ниже допустимых стандартом значений. Аналогичные данные были получены при исследовании перловой и рисовой круп.

Крупяное сырье является источником пищевых волокон, которые в национальном стандарте относятся к физиологически функциональным пищевым ингредиентам.

Установлено, что водопоглотительная способность у обработанных круп в 1,5 – 3,5 раза выше, чем у исходных, а скорость поглощения воды максимальна в течение первых 5 – 10 минут. Водопоглотительная способность обработанной перловой крупы намного больше, чем у рисовой и гречневой. Водоудерживающая способность круп по сравнению с исходными возрастает на 12 – 33%.

Эффективность сорбции наиболее токсичных и важных на практике элементов: свинец, кадмий и стронций, из трехкомпонентного стандартного раствора выше у обработанной перловой крупы на 30%, у гречневой – на 15%, у рисовой – на 23%. Наибольшие абсолютные значения сорбции тяжелых металлов отмечены у гречневой крупы, а наименьшие – у рисовой (рис. 12).



Рисунок 12. Изменение концентрации ионов металлов крупами при их сорбции из трехкомпонентного стандартного раствора с концентрацией элементов 0,5 мг/л

Аналогичные показатели получены и для процесса сорбции из одноэлементных стандартных растворов.

Исследования способности круп к поглощению метиленового голубого показали, что связывание красителя зависит от вида крупы, степени модификации веществ, происходящей в крупах быстрого приготовления (рис. 13).



Рисунок 13. Количество красителя, связанное крупами при двухчасовой инкубации

Известно, что существует прямая зависимость между сорбцией метиленового голубого и микроорганизмов, в частности, бактерий группы кишечной палочки.

Установлено, что сорбция красителя у продуктов, полученных по инфракрасной технологии, 18 – 23% выше, чем у варено-сушеных круп.

Количество декстринов в полученном продукте увеличивается до 12,6%, 6,0% и 3,4%. Более эффективно комплексная обработка воздействует на крахмал перловой крупы, количество декстринов в которой возрастает более чем в 5,7 раз (рис.14).




Рисунок 14. Степень декстринизации крахмала



Рисунок 15. Влияние комплексной обработки на количество высвобождаемой глюкозы

Модификация крахмала под влиянием комплексной обработки повышает атакуемость его амилолитическими ферментами (рис. 15).

3.5. Определение технологических параметров комплексной обработки крупяного сырья при производстве хлопьев

Инфракрасную обработку крупяного сырья при производстве хлопьев ограничивали температурой, предшествующей разрушению структуры зерновок: 115°С, 125°С, 130°С для рисовой, гречневой и перловой круп (рис. 8). Это позволяет сохранить влажность горячих круп на уровне 16%, 13%, 14% соответственно и их пластичность. Горячий полуфабрикат помещали в теплоизолированную емкость, где его темперировали в течение 1 - 6 минут при температуре 102 – 103°С, 104 - 106°С, 108 – 110°С для рисовой, гречневой и перловой крупы. После темперирования полуфабрикаты увлажняли вторично внесением 2 – 3% воды в герметичном теплоизолированном шнеке при постоянном перемешивании в течение 3 – 8 минут со снижением температуры с 96°С до 65°С, затем крупу перед плющением отволаживали в течение 8 – 10 минут.

Качественные характеристики полученных хлопьев представлены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристика полученных хлопьев

Наиме-нование хлопьев
Время настаивания, мин
Толщина, мм
Выход крошки и мучки, %
Степень клейсте-ризации, %
Степень декстри-низации, %
Влаж-ность, %

Перловые
5
0,40
4,9
32
8,4
12,8

Гречневые
5
0,45
5,2
34
3,2
12,7

Рисовые
5
0,45
7,7
36
2,1
12,9

Параметры процесса подготовки крупы к плющению были определены по плану полного факторного эксперимента. Изучали влияние влажности крупяного полуфабриката, длительности его пропаривания и темперирования на выход крошки и мучки. В результате проведенной оптимизации параметров водно-тепловой обработки влажность крупы после инфракрасной обработки составляет 14%, 15%, 16% для перловой, гречневой и рисовой круп, длительность темперирования в теплоизолированном бункере 1 – 3 минуты, длительность пропаривания в шнеке 4 – 6 минут. Выход крошки и мучки составляет 4,9 % для перловых хлопьев, 5,2 % - для гречневых и 7,7 % - для рисовых.

3.6. Совершенствование технического обеспечения процесса интенсивной инфракрасной обработки крахмалосодержащего крупяного сырья

Современные технические средства, в частности установка УТЗ-4М, серийно выпускаемая ООО ПК «Старт» для инфракрасной обработки зернового сырья, не позволяют создать необходимую энергоосвещенность (32 – 34 кВт/м2) с достаточной однородностью обработки без увеличения количества излучателей в тепловом блоке. Увеличение количества генераторов приводит к повышению энергозатрат.

Важнейшим фактором энергосбережения при инфракрасной обработке является расстояние между излучателем и объектом обработки, так как мощность лучистого потока обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Изучение влияния расположения линейных излучателей КГТ-220-1000 показало, что ни продольное, ни поперечное их расположение в тепловых блоках не дает возможности приблизить излучатель к облучаемому продукту и тем самым увеличить коэффициент полезного действия тепловых блоков. При расположении генераторов излучения вдоль транспортера на расстоянии 15 мм до продукта возникает большая неравномерность температурного поля на поверхности слоя (рис. 16).



Рисунок 16. Распределение поля температуры при продольном размещении излучателей и нагревании рисовой крупы в течение 40 с на расстоянии 15 мм от генератора

При расположении излучателей поперек транспортера значительно уменьшается длина использования линейного генератора в связи с конструктивными особенностями излучателей и аппарата (рис. 17).



Рисунок 17. Распределение поля температуры при поперечном размещении излучателей и нагревании рисовой крупы в течение 40 с на расстоянии 15 мм от генератора

Исследовано распределение температурного поля (РТП) в динамическом режиме равномерного движения крупы на расстоянии 10 – 15 мм до излучателей при их расположении под разными углами к оси конвейера (рис. 18).



Рисунок 18. Неравномерность распределения температурного поля при размещении излучателей под разными углами к оси транспортера

При установке излучателей КГТ 220-1000 вдоль оси транспортера (α = 0°) на расстоянии 15 мм неравномерность составляет 52%. В результате поворота излучателей на угол 24 – 25° между излучателями и осью транспортера обеспечивается практически одинаковая температура крупы при выходе ее из теплового блока. При увеличении угла поворота начинает сказываться краевой эффект излучателей, что снижает равномерность облучения слоя крупы.

Разработанная система размещения линейных излучателей в типовой установке для термообработки зернового сырья позволила уменьшить расстояние от излучателя до слоя крупы с 50 до 15 мм, увеличить плотность лучистого потока с 22 – 24 кВт/м2 до 32 – 34 кВт/м2 при том же количестве генераторов, снизить удельный расход электроэнергии модернизированной установки УТЗ-4Ш на 20 %.


4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Представлена сравнительная характеристика экономических показателей эффективности производства гречневых хлопьев по разработанной и традиционной технологиям. Установлено, что новая технология позволит снизить себестоимость продукции на 24%, увеличить рентабельность на 19%. Срок окупаемости новой линии составит 3 месяца, что почти в 2 раза меньше, чем у традиционной линии производства варено-сушеных круп.

5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРОВЕРКА СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА КРУП, БЫСТРОГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ХЛОПЬЕВ, НЕ ТРЕБУЮЩИХ ВАРКИ ИЗ КРУПЯНОГО КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

На основании проведенных исследований разработаны технологическая инструкция и техническое задание на опытно-промышленную линию по производству круп быстрого приготовления и хлопьев, не требующих варки, из зернового сырья мощностью 400 – 500 кг/ч с использованием инфракрасного энергоподвода. Линия изготовлена на ООО «ПК Старт» (рис. 19).

Приемочная комиссия установила соответствие технологической линии технической документации и требованиям технического задания и приняла ее в эксплуатацию.

Опытно-промышленная проверка новой технологии производства осуществлялась следующим образом. Исходную крупу в количестве 1 т растаривали из мешков, пропускали через магнитную колонку, гравитационный сепаратор и подавали в накопительный бункер. Из него подготовленная крупа поступала в шнек, где на неё при помощи форсунок наносили необходимое количество воды. Крупу обрабатывали на установке УТЗ-4Ш. Нагретая до необходимой температуры крупа ссыпалась в теплоизолированный бункер, где ее выдерживали при постоянной температуре и атмосферном давлении 1–6 минут, после чего крупа попадала в теплоизолированный шнек, где проводилось вторичное увлажнение холодной водой и пропаривание. Пропаренная крупа поступала в охладитель (крупа быстрого приготовления). Для получения хлопьев крупа отлёживалась в надплющильном бункере, плющилась и охлаждалась. Результаты опытно-промышленной проверки подтверждены протоколами. Приемочная комиссия рекомендовала предприятиям пищеконцентратной промышленности использование этой технологии.





Основные выводы
  1. Разработана принципиально новая энергосберегающая технология производства круп быстрого приготовления с улучшенными качественными показателями из крахмалосодержащего крупяного сырья (перловая, гречневая, рисовая), которая позволяет в 2,5 раза снизить энергозатраты по сравнению с традиционной технологией производства варено-сушеных круп.
  2. Установлены основные параметры технологических операций термообработки крупяного сырья: нанесение воды на поверхность исходных круп с влажностью 14 – 15,5% в количестве 1,5 – 2,0% от её массы; перемешивание крупы в течении 4 – 5 минут до восстановления сыпучести и увлажнения поверхностного слоя до влажности 28 – 30%; подовое наполнение крупы на ленте транспортера (2,0 – 2,4 кг/м2) с геометрией поверхности слоя на ленте транспортера в виде гребенки; инфракрасная обработка крахмалосодержащего крупяного сырья в установке УТЗ-4Ш с плотностью лучистого потока 32 – 34 кВт/м2 до температуры 135, 130, 125°С для перловой, гречневой и рисовой крупы; и приемов дополнительной водно-тепловой обработки: выдерживание термообработанной крупы в течение 3 – 6 минут при температуре 102 - 110°С для улучшения санитарно-гигиенических, биохимических и качественных показателей; дополнительное увлажнение горячей крупы холодной водой в количестве 2 – 3% от массы и пропаривание ее в среде насыщенного пара в течение 4 – 6 минут для повышения степени модификации крахмала.
  3. Установлена граница областей, в которых перемещение воды в крупяном сырье при инфракрасном облучении проходит в виде жидкости или пара: определены параметры энергетической освещенности (мощности лучистого потока) и влажности круп для этих областей; определены соотношения температуры и влажности крупяного сырья, вызывающие термодеструкцию крупы.
  4. Разработана технология производства хлопьев, не требующих варки, из перловой, гречневой и рисовой крупы.
  5. На основании экспериментальных исследований, проведенных в соответствии с планом многофакторного эксперимента, получено уравнение регрессии, позволившее определить рациональные параметры технологических операций получения хлопьев, не требующих варки: инфракрасная обработка без разрушения структуры (нагрев до температуры – 130°С, 125°С и 115°С для перловой, гречневой и рисовой круп соответственно); темперирование в течение 1 – 3 минут; пропаривание с дополнительным увлажнением в среде насыщенного пара в течение 4 – 6 минут со снижением температуры с 96°С до 65°С; отлежка 6 – 8 минут, плющение до толщины 0,40 – 0,45 мм и охлаждение.
  6. Определены микробиологические, биохимические и качественных показатели и потребительские достоинства полученных крупяных продуктов.
  7. Впервые проведены исследования функциональных свойств круп, полученных при высокотемпературной инфракрасной обработке, по отношению к экотоксикантам (свинец, кадмий и стронций) и сорбции ими микроорганизмов (E. coli). Установлено, что перловая и гречневая крупы, полученные с помощью инфракрасной обработки, связывают в почти в 1,5 раза больше тяжелых металлов и микроорганизмов.
  8. На основании проведенных комплексных исследований, учитывающих специфику интенсивной термообработки крупяного сырья, разработана новая модель тепловых блоков инфракрасной установки УТЗ-4Ш (патент № 2372795).
  9. Анализ экспериментальных данных, полученных в результате исследований и опытно-промышленной проверки новой установки УТЗ-4Ш, позволил установить, что плотность лучистого потока в тепловых блоках составляет 32 – 34 кВт/м2 по сравнению с 22 – 24 кВт/м2 на УТЗ-4М при равномерном распределения температурного поля и одинаковом энергопотреблении (33 кВт/ч).
  10. Опытно-промышленная проверка показала высокую степень соответствия параметров, режимов и экспериментальных результатов разработанной технологии с реальными условиями работы линии.
  11. Разработана и утверждена техническая документация на крупы быстрого приготовления и хлопья, не требующие варки (ТУ 9294-002-18376415-07, ТУ 9294-001-18376415-07).
  12. Налажено серийное производство установок нового типа УТЗ-4Ш и линий по производству круп быстрого приготовления и хлопьев, не требующих варки, из зернового сырья мощностью 400 – 500 кг/ч с использованием инфракрасного энергоподвода. Линии внедрены в пищевую и пищеконцентратную промышленность на предприятиях России (ООО «Солнце Юга», г. Краснодар, ООО «Элита-Маркетинг», г. Орел, ОНО ГУП «БЭЗ ГНУ НИИ ПП и СПТ», г Москва).
  13. Промышленное внедрение новой энергосберегающей технологии позволяет снизить себестоимость продукции на 24% по сравнению с традиционной. Срок окупаемости линии по производству хлопьев, не требующих варки, составляет 3 месяца.



Список работ, опубликованных по теме диссертации
  1. Filatov, V.V. Production a croup of fast preparation and flaked grain, not demanding cooking. [Текст] / Filatov V.V., Elkin N.V., Andreeva A.A. // Materials of international conference «International Congress Engineering and Food – ICEF9», France, Montpellier, 2004. – р.р. 241 – 246.
  2. Filatov, V.V. Influence of infrared processing on biochemical composition of a soya bean [Текст] / Filatov V.V., Filatov A.V., Elkin N.V., Kirdjashkin V.V., Andreeva A.A. // Proceeding of «Technological innovation and enhancement of marginal products», Italia, Foggia, 2005. – p.p. 315 – 319.
  3. Елькин, Н.В. Теория и практика инфракрасной обработки зерна и крупы [Текст] / Елькин Н.В., Стребков В.Б., Кирдяшкин В.В., Андреева А.А. // Хранение и переработка зерна. – 2006.– №4. – с. 26 – 30.
  4. Стребков, В.Б. Современная техника для пищеконцентратной промышленности [Текст] / Стребков В.Б., Андреева А.А., Кирдяшкин В.В., Елькин Н.В. // Сборник докладов IV-ой Международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания».– М.: Издательский комплекс МГУПП, 2006. – Часть II. – с. 104 – 109.
  5. Стребков, В.Б. Инфракрасная техника в пищеконцентратной промышленности [Текст] / Стребков В.Б., Кирдяшкин В.В., Елькин Н.В., Андреева А.А. // Хлебопродукты. – №5. – 2006. – с. 56 – 57.
  6. Доронин, А.Ф. Теория и практика ИК-обработки при производстве быстроразвариваемых круп и зерновых хлопьев [Текст] / ДоронинА.Ф., Елькин Н.В., Кирдяшкин В.В., Андреева А.А. // Материалы научно-практической конференции «Технология крупяных продуктов вчера, сегодня, завтра» - М.: Издательский комплекс МГУПП, 2007. – с. 27 – 34.
  7. Доронин, А.Ф. Производство быстроразвариваемых круп профилактического назначения с помощью термомеханодеструкции [Текст] / Доронин А.Ф., Кирдяшкин В.В., Андреева А.А. // Сборник материалов VI Международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты».– М.: Издательский комплекс МГУПП, 2008. – Часть 2. – с. 227 – 233.
  8. Доронин, А.Ф. Реальность и перспективы применения энергосберегающей технологии при производстве продуктов длительного хранения [Текст] / Доронин А.Ф., Кирдяшкин В.В., Андреева А.А. // Труды МГУПП. Выпуск 1. – М.: Издательский комплекс МГУПП, 2008. – с. 280 – 288.
  9. Филатов, В.В. Технологическое оборудование для переработки сырья при инфракрасном энергоподводе [Текст] / Филатов В.В., Азизов Р.Р., Андреева А.А. // Научно-практический журнал «Тракторы и сельхозмашины» - М., 2009. – с. 12 – 15.
  10. Патент 2264128 РФ, МПК: А 23 L 1/18, 1/20, А 23 Р 1/14, F 23 В 3/30. Установка для термообработки зернового сырья [Текст] / Филатов В.В., Филатов А.В., Кирдяшкин В.В., Елькин Н.В., Плаксин Ю.М., Андреева А.А.; заявитель и патентообладатель МГУПП. - № 2004129690/13; заявл. 14.10.04; опубл. 20.11.05, Бюл. № 32. – 8 с.
  11. Патент 2372795 РФ, МПК А 23 L 1/18. Установка для термообработки пищевого материала [Текст] / Андреева А.А., Доронин А.Ф., Елькин Н.В., Елькин И.Н., Кирдяшкин В.В.; заявитель и патентообладатель МГУПП. - № 2008145707/13; заявл. 20.11.08; опубл. 20.11.09, Бюл. № 32. – 8 с.
  12. Заявка 2009120326/13 (028062). Способ производства продуктов быстрого приготовления из крахмалосодержащих круп [Текст] / Филатов В.В., Андреева А.А., Доронин А.Ф., Кирдяшкин В.В.; заявители и патентообладатели: Филатов В.В., Андреева А.А., Доронин А.Ф., Кирдяшкин В.В. - № 2009120326/13 (028062); заявл. 29.05.09; приоритет 04.12.09.


Summary

Dissertation on the theme: “Development of energy-efficient technology of fast-cooked products from starch-containing cereal raw materials”

This is a new method for producing instant product from pearl barley, buckwheat and rice. This high-quality product contains modified fiber, they can sorb more heavy elements, than traditional instant cereals and flakes. This technology is based on using infrared radiation and additional water and thermal treatment. Positive influence of this process on cereals biochemical complex and storage period is shown. For realization of the given technology installation for heat treatment of food materials has been improved.