CC BY
109
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
УДК 664.69.144
С. А. Давыдова, Н. Н. Артемьева Астраханский государственный технический университет
АНАЛИЗ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕППОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПОВЫШЕННОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТЬЮ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССА СУШКИ
Пищевая промышленность - жизненно важная сфера агропромышленного комплекса и всей экономики Российской Федерации. По данным Росстата, в структуре производства промышленной продукции доля пищевой продукции в 2003 г. составила 15,6 %. По этому показателю пищевая промышленность является лидером среди отраслей, производящих конечную продукцию. Одной из ведущих отраслей в пищевой промышленности является макаронная. Макаронные изделия имеют большое значение в питании человека, поскольку являются одним из продуктов первой необходимости, пользующихся устойчивым спросом. По многолетним данным, потребление макаронных изделий в России составляет 6 кг в год на каждого жителя. Макаронные изделия вырабатывают более чем 900 специализированных предприятий и цехов. За последние годы в макаронной промышленности прирост объемов производства продукции составляет от 5 до 10 %. Производство макаронных изделий в 2004 г. достигло 949 тыс. т (109 % к уровню 2003 г.) [1]. В январе 2005 г. производство макаронных изделий составило 68,7 тыс. т (прирост за январь 2005 г. к январю 2004 г. - 1,7 %). В настоящее время макаронное производство характеризуется не только ростом объемов выпуска готовой продукции, но и расширением ассортимента и повышением биологической ценности макаронных изделий. В связи с этим актуальными остаются исследования процесса производства данных изделий, а именно оптимизация процессов, влияющих на качество готовых продуктов (замес теста, формообразование макаронных изделий, сушка полуфабриката), разработка новых конструкций или модернизация существующего оборудования. Решение задач, поставленных перед макаронной промышленностью, может быть обеспечено только на основе глубокого изучения производственных процессов, с учетом физико-механических и теплофизических свойств перерабатываемой массы [2].
Переработка пищевых материалов сопровождается сложными физикомеханическими, биологическими и механическими процессами, изучение которых позволяет организовывать эффективный и объективный контроль качества и управление технологическим циклом производства. При произ-
водстве макаронных изделий это замес теста, формование тестовых заготовок и т. д. Реологические исследования позволяют глубже познать физику явления, происходящего при обработке данного типа пищевого материала. Параметры физико-механических свойств могут быть использованы в расчетах процессов, необходимых при создании новых конструкций машин и реконструкций существующих, а также для выбора наиболее рациональных режимов работы оборудования и оптимальных технологических схем производства. Реология позволяет управлять структурой и качеством продукта путем внесения добавок, изменения режимов и способов механической и технологической обработки. Свойства пищевого сырья и продуктов (макаронных изделий) зависят от таких факторов, как температура, влажность, величина и продолжительность механического воздействия, а также от сроков хранения, транспортирования, способа получения данного продукта и многих других причин.
В литературе рассматриваются структурно-механические характеристики традиционных макаронных изделий из муки высшего сорта, разработанных по традиционной технологии приготовления. Однако реологические характеристики макаронных изделий зависят от технологических свойств сырья и рецептуры изделий, от температуры, интенсивности и продолжительности механического и теплового воздействия на структурные компоненты ингредиентов при протекании различных технологических операций производства макаронных изделий. Таким образом, если предметом исследований являются макаронные изделия с повышенной биологической ценностью, рецептура и технология приготовления которых отличаются от традиционных, то, следовательно, и реологические характеристики данного продукта будут иными. В качестве объекта исследования используются макаронные изделия типа короткой вермишели длиной 0,06 м и диаметром 0,002 м, полученные согласно традиционной технологической схеме, в которой на этапе приготовления макаронного теста в него добавляются различные пищевые добавки. В качестве добавок используются морковь; свекла; белковая масса, полученная центрифужнопромывочным способом, разработанным доцентом Р. Г. Разумовской на кафедре «Технология и экспертиза товаров» Астраханского государственного технического университета из маломерной рыбы (кильки каспийской, уклеи, атерины); гидролизат без отделения непроферментированного белкового остатка, изготовленный из мелочи III группы (красноперка) и прудовых видов рыб (карась) [3]. В рецептуру макаронных изделий добавки животного происхождения вводятся на основании расчета аминокислотного скора. Наряду с использованием белковой массы для повышения биологической ценности макаронных изделий, для повышения содержания микро- и макроэлементов производится обогащение растительными добавками, а именно морковью и свеклой. Корнеплоды промывают, очищают и гомогенизируют. Полученную массу в количестве 3, 5 и 10 % от массы используемой муки смешивают с водой, которая в дальнейшем используется для замеса теста.
В соответствии с классификацией, разработанной В. Я. Черных, М. А. Ширшиковым, А. С. Максимовым, параметры, характеризующие реологическое поведение полуфабрикатов и готовых изделий, можно разделить на две группы: классические и условные реологические [4]. Классические реологические параметры инвариантны по отношению к конструкции измерительного прибора или устройства, к размерам и форме исследуемого образца. Как правило, это расчетные параметры (нормальное и касательное напряжение или соответствующий модуль упругости, Па; вязкость, Пас), вычисляемые на основе экспериментальных данных по формулам, полученным в результате теоретического анализа напряженного состояния материала с использованием допущений, касающихся однородности и непрерывности среды, равномерности распределения напряжений в объеме исследуемого материала, линейного характера изменения деформаций и др. В условиях моделирования реального технологического процесса в перерабатываемом материале возникает сложное напряженное состояние, при котором указанные допущения часто не соблюдаются, т. е. применяемые формулы не являются корректными и определяемые величины реологических параметров не всегда соответствуют действительности.
Каждому классическому параметру соответствует условный. Условные реологические параметры - это величины, которые непосредственно получают при измерениях, например упругая и пластическая деформация, мм; усилие нагружения, Н. Условные характеристики зависят от размеров и формы исследуемых образцов, но тем не менее отражают изменение реологических свойств в процессе механической обработки модельного и реального материала [5]. Отмеченная неинвариантность может быть компенсирована путем использования в исследовательской практике определенного ряда стандартных приборов и устройств. В этом случае результаты исследований становятся воспроизводимыми и проверяемыми, что обеспечивает их достоверность.
Исследования макаронных изделий могут быть успешными при условии правильного выбора метода исследований и прибора. Методы и приборы для контроля реологических характеристик пищевых продуктов делятся на две группы:
- методы точного измерения классических или истинных реологических величин - динамической вязкости, предела прочности, модуля упругости и др. в абсолютных единицах. К приборам для определения классических реологических характеристик относятся: Reotest-RN, Rheotron, Rheostress-600, Haake VT550, Texture Analyser TA/XTplus, Hoopler KD 3.1, Структурометр СТ-1М, РПЭ-1 и др.;
- методы измерения условных реологических характеристик, которые имитируют технологические операции и являются эмпирическими, а результаты измерений представляют собой параметры консистенции и текстуры. К приборам для определения условных реологических характеристик относятся: Farinograph, Do-Corder C3, Promylograph T6, Kon-systograf SZ-3, Valorigraf QA-203, Extensograph, Glutograph, Sun Rheo Tex SD-700, Strust-O-Graph, Сруктурометр СТ-1М.
Анализ современного состояния отечественной и зарубежной реомет-рии в пищевой промышленности показывает, что большинство применяемых приборов служит для измерения отдельных групп свойств, т. е. имеет узкую направленность. Ввиду этого обеспечить точный и всесторонний контроль свойств полуфабрикатов и качества готовых изделий возможно только с помощью приборов универсального типа. Именно поэтому для определения реологических характеристик макаронного теста после замеса и реологических параметров макаронных изделий оптимальным будет использование прибора структурометр СТ-1М (НПО «Радиус», Россия).
Основными структурно-механическими характеристиками макаронного теста являются: вязкостные - модуль упругости, эластичности, предельного напряжения сдвига, пластическая вязкость. Для готовых макаронных изделий физико-механическими характеристиками являются: условный момент упругости, разрушающее напряжение, предельная деформация [6]. Основной механической характеристикой хрупких материалов, к которым относятся макаронные изделия, является предел прочности. Прочность готовых изделий учитывается при расчете технологических операций, связанных с транспортированием, упаковкой, хранением. Таким образом, качество данного вида пищевого продукта будет зависеть от его прочности, в связи с этим разработка методики определения прочностных характеристик макаронных изделий с различного рода пищевыми добавками представляет собой актуальную задачу, имеющую большое практическое значение.
Как известно, конечной стадией процесса производства макаронных изделий является процесс сушки, который определяет качество готового продукта. Существующие в настоящее время режимы сушки макаронных изделий и способы их интенсификации предполагают конвективный метод подвода энергии для испарения влаги из материала. Как показал анализ способов сушки, для макаронных изделий целесообразнее всего использовать сушилку с инфракрасным подводом тепла, которая позволяет получить конечный продукт с высокими качественными характеристиками, минимизировать энергозатраты и интенсифицировать процесс обезвоживания. При этом большое значение имеют теплофизические свойства и их количественные характеристики. Развитие, совершенствование и интенсификация процессов температурной обработки базируются на основных принципах современной технологии: от знания и анализа теплофизических свойств материалов и продуктов как объектов обработки - к выбору методов и оптимальных режимов процесса и на этой основе - к созданию рациональной конструкции аппаратов. Знание теплофизических характеристик влажных продуктов необходимо для проведения расчетов кинетики процессов, причем идеально было бы определять эти характеристики непосредственно аналитическим методом при реальных краевых условиях протекания соответствующих процессов. Однако в связи со сложным нелинейным характером их протекания применять чисто аналитические методы довольно трудно, поэтому на практике широко используют экспери-
ментальные методы определения теплофизических характеристик [6]. Основные теплофизические характеристики макаронных изделий - это теплопроводность X, Вт/(мК), коэффициент температуропроводности а, м2/с, удельная теплоемкость с, Дж/(кг-К). Однако данные по вышеуказанным характеристикам для макаронных изделий с различного рода биологическими добавками в патентной и научной литературе отсутствуют.
Правильное решение вопросов, касающихся переноса тепла и массы вещества во влажных материалах, подвергающихся технологической обработке, дает возможность обеспечить их высокое качество. Перенос массы поглощенного вещества определяется формой его связи со скелетом твердого тела. Различная интенсивность энергии связи влаги с материалом наряду с его структурой, обусловливающей характер движения влаги и пара внутри материала, определяет кинетику процессов сушки и увлажнения материалов. Поскольку внесение различного рода биологических добавок влияет на структуру материала, то, следовательно, и характер движения влаги и пара внутри рассматриваемого продукта также может измениться. Макаронные изделия и макаронная мука разных сортов относятся к коллоидным телам, в которых влага связана адсорбционными и диффузионно-осмотическими силами. В гигроскопическом состоянии перенос влаги в этих материалах осуществляется молекулярным путем. Влажное коллоидное тело состоит из однородных мицелл, образующих разветвленную систему микропор. Расстояние между мицеллами сравнимо с размерами молекул. Благодаря большому количеству микропор, коллоидные тела способны поглощать значительное количество адсорбированной влаги и влаги гигроскопического состояния в микропорах, поэтому для познания физики явлений, происходящих в исследуемом продукте при послойной ИК-сушке, необходимо определить вышеперечисленные характеристики.
Из всего вышесказанного следует, что определение теплофизических и структурно-механических характеристик макаронных изделий с повышенной биологической ценностью позволит расширить банк данных справочных материалов, совершенствовать существующие технологические процессы и разрабатывать новые технологии, позволяющие получать готовый продукт высшего качества.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Кайшев В. Г. Итоги работы пищевой и перерабатывающей промышленности в 2004 г., проблемы, перспективы // Пищевая промышленность. - 2005. -№ 2. - С. 6-11.
2. Мачихин Ю. А., Мачихин С. А. Инженерная реология пищевых материалов. -М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1981. - 216 с.
3. Черногорцев А. П., Разумовская Р. Г. Технология получения новых белковых продуктов: Учеб. пособие. - Мурманск, 1990. - 76 с.
4. Черных В. Я., Ширшиков М. А., Максимов А. С. Определение реологических свойств структурных компонентов пшеничной муки в процессе замеса теста. // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2003. - № 5-6. - С. 101-104.
5. Структурно-механические характеристики пищевых продуктов / А. В. Горбатов, А. М. Маслов и др.; Под ред. А. В. Горбатова. - М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1982. - 296 с.
6. Гинзбург А. С. и др. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: Справ. - М.: Пищ. пром-сть, 1980.
Получено 29.12.05
THE ANALYSIS OF STRUCTURAL-MECHANICAL AND THERMALPHYSIC CHARACTERISTICS OF MACARONI PRODUCTS WITH THE INCREASED BIOLOGICAL VALUE AT A DRYING PROCESS RESEARCH
S. A. Davydova, N. N. Artemyeva
The following tasks facing to the macaroni industry like optimization of the processes that influence the quality of ready products (for example, dough, shaping of macaroni products, drying of semifinished products), the development of new designs or modernization of the existing equipment can be solved only on the basis of deep studying of production processes, taking into consideration physico-mechanical and thermalphysic properties of the processed paste. The parameters of physico-mechanical properties are used in process calculations that are necessary to do while creating new designs of machines and reconstructing the existing ones, and also for choosing the most rational operating modes of the equipment and optimum technological process layouts. The development, perfection and intensification of temperature treatment processes are based on the main principles of modern technology such as the knowledge and the analysis of the thermalphysic properties of materials and products as objects for processing.
