CC BY
301
УДК 664.69.002.5
С. А. Давыдова, О. Н. Беспалова Астраханский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Макаронные изделия имеют большое значение в культуре питания человека, поскольку являются одним из продуктов первой необходимости и пользуются устойчивым спросом. Их состав очень прост, однако как никакой другой продукт макаронные изделия сочетают в себе следующие важные характеристики: питательная ценность (13 % белков и 70-75 % крахмала), усваиваемость (всего около 1 % жиров), длительность хранения, безопасность в употреблении, разнообразие способов приготовления и экономичность. Главной особенностью макаронных изделий, повлиявшей на их повсеместное распространение во всем мире, является способность входить в рацион и сочетаться с кулинарными традициями различных народов, даже сильно отличающихся друг от друга, что подтверждает уникальные качества этого продукта.
Сегодня перед макаронной промышленностью встают следующие задачи: повышение производительности, расширение ассортимента продукции и повышение ее биологической ценности.
В последние годы в России произошли как количественные, так и качественные изменения в производстве макаронных изделий. В 2003 г. было выпущено 893 тыс. т продукции, что на 77,2 % больше уровня 1997 г. и на 12,8 % больше уровня 2001 г. При этом наиболее динамично развивалось производство вермишели и лапши быстрого приготовления, а также макаронных изделий для промышленного производства суповых концентратов - в 2001 г. этот сегмент составил 10,1 % от общего выпуска, в то время как в 1997 г. данная продукция отечественными компаниями практически не производилась. Выпуск традиционных макаронных изделий за указанный период вырос на 47, 8 % и составил в 2001 г. 669,5 тыс. т. В 2002 г. объем производства увеличился до 696,3 тыс. т. В 2003-2005 гг. сохраняется тенденция к дальнейшему увеличению объемов производства.
Развитие рынка макаронных изделий проявляется не только в количественных, но и в качественных характеристиках, одной из которых является переформирование ассортиментных групп в общем объеме производства. За последние годы особенно резко вырос спрос, а следовательно, и производство фигурных макаронных изделий. В 2003 г. их доля составила 40 % всего объема выпуска макаронной продукции против 17 % в 1997 г. за счет самых высоких (в 2,7 раза) темпов роста среди прочих ассортиментных групп.
Структурная перестройка макаронной промышленности привела к тому, что небольшие фабрики с кустарным оборудованием, выпускающие продукцию низкого качества, вытесняются крупными производите-
лями. Помимо больших предприятий продолжают существовать и малые, которые придерживаются старых традиций и благодаря специализированной продукции занимают свое, особое положение на рынках. В связи с этим данная работа направлена на создание оборудования для малых предприятий.
Известно, что современное пищевое предприятие как система состоит из взаимосвязанных подсистем, между которыми существуют отношения соподчиненности с тремя основными ступенями качества: системой организации производства, технологической системой, физико-
химической системой.
Любой технологический поток можно оценить рядом показателей, таких как эффективность, устойчивость, управляемость, точность и надежность [1]. Исследование технологической линии как системы процессов начинается с конечного продукта, поскольку продукт является исходным и ключевым моментом системы. Именно ради движения от исходного сырья к конечному продукту формируется, сохраняется, совершенствуется и развивается технологический поток.
Комплексная оценка качества макаронных изделий с учетом совокупности всех выбранных показателей осуществляется путем построения обобщенного показателя качества. Оценка полученного показателя качества макарон позволила сделать вывод, что существующая традиционная технология производства макаронных изделий не дает удовлетворительных результатов, следовательно, необходимо найти пути улучшения качества выпускаемой продукции. Такими путями являются модернизация существующего оборудования, возможность применения новых конструкций в производственной линии, расширение ассортимента и повышение биологической ценности макаронных изделий. В существующем технологическом процессе выделены подсистемы, влияющие на качество готовых изделий: приготовление (замес) макаронного теста, формование спрессованного теста, сушка полуфабриката.
Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих
задач:
- выбор конструкции пресса;
- выбор перспективного способа сушки изделий;
- получение оптимального режима сушки;
- разработка конструкции сушильной установки.
Объект исследования - макаронные изделия типа короткой вермишели длинной 60 мм и диаметром 2 мм. Макаронное тесто приготовлено по традиционной технологической схеме [2], в которой на этапе замеса в тесто вносятся различные пищевые добавки. На основе исследований, проведенных на кафедре «Технология и экспертиза товаров» Астраханского государственного технического университета (АГТУ) под руководством доц. Р. Г. Разумовской, была предложена идея повышения биологической ценности макаронных изделий с помощью пищевых добавок [3].
Важным этапом в производстве макаронных изделий является процесс прессования теста. На данном этапе закладывается ряд основных по-
казателей качества, таких как плотность, упругость, однородность, определяющих в итоге качество готовой продукции. Целью процесса прессования является уплотнение замешанного теста, превращение его в однородную связанную пластичную тестовую массу, а затем придание ей определенной формы.
Для формования изделий в макаронной промышленности широкое применение получили шнековые прессы, однако на основании анализа патентной литературы и системного анализа принято решение, что рациональным будет использование конструкции вальцового пресс-гранулятора с круговой матрицей. Матрица, наряду с прессующим устройством, является основным рабочим органом макаронного пресса. Она обусловливает производительность пресса, вид изделий (форма и размер поперечного сечения), в значительной мере влияет на качество продукта (степень шероховатости поверхности, прочность склеивания макаронных изделий и т. д.) [4]. В рассматриваемой конструкции предполагается обеспечить быстросъемность матрицы, а также использование матриц с фигурными каналами для расширения ассортимента выпускаемой продукции. В кольцевой матрице пресса формирование изделия происходит в следующей последовательности: захват определенного слоя прессуемого материала вальцом, который здесь работает как транспортирующий механизм, перемещающий вязкий продукт; сжатие слоя между наружной поверхностью вальца и внутренней поверхностью матрицы; вдавливание сжатого слоя в каналы матрицы и сталкивание в них теста, находящегося на перемычках между каналами; проталкивание спрессованного теста через каналы. Воздух, уплотняющий поры и промежутки между частицами теста, вытесняется в сторону загрузочного отверстия камеры. Вид полуфабриката определен формой отверстий матрицы.
Одним из важнейших этапов в производстве является сушка макаронных изделий. 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.
Для обоснования оптимальных параметров режима выбранного способа сушки и получения адекватной математической зависимости были применены современные методы планирования многофакторных экспериментов. Для оптимизации процесса сушки выбрана целевая функция, по которой производится оценка параметров оптимального режима. В качестве целевой функции выбран удельный съем сухого продукта УР с учетом качественных и экономических показателей, который рассчитывается по следующей формуле:
у _ 3600 • ос
Р Е • Т ,
где Gс - масса сухого продукта, кг; Е - площадь пластины, м2; т - время сушки, ч.
Предварительными исследованиями было установлено, что основными факторами, влияющими на интенсивность процесса сушки исследуемого продукта методом радиационной сушки с инфракрасным энергоподводом, являлись следующие: Е - плотность теплового потока, 1 - длина волны, процентное содержание добавок, й - диаметр изделий. Границы варьирования факторов были выбраны исходя из технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки. Все эти факторы совместны и не коррелируются между собой.
Под руководством доц. Н. Н. Артемьевой нами проведены эксперименты по изучению сушки макаронных изделий на экспериментальной установке, разработанной на кафедре «Технологические машины и оборудование» АГТУ, позволяющей исследовать кинетику процесса обезвоживания макаронных изделий при различных режимах до остаточной влажности 12 %. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием универсальной системы МаШСАБ 2001. Компьютерная обработка информации и многомерный статистический анализ данных позволили получить адекватные математические линейно-степенные зависимости. Достоверность аппроксимации Я зависимости критерия оптимизации от варьируемых параметров для всех зависимостей не менее 0,85. Увеличение показателя степени в полиноме не влияло на величину Я2. По результатам серии экспериментов и расчетов были построены кривые сушки
йЖ
Ж = Дт) и кривые скорости сушки -------_ /(Ж) полученных нетрадицион-
йт
ных макаронных изделий, математическая обработка которых дала зависимости целевой функции от варьируемых параметров. На основании этих кривых и анализа органолептических характеристик макаронных изделий был определен оптимальный режим сушки изделий. Например, съем сухого продукта при ИК-сушке (ИК-генераторы КИ-220-1000) для макаронных изделий с добавкой гидролизата [3]:
У(Е, X) _ (- 7,871 • Е2 + 54,62 • Е - 84,44) 1020 • X3 + (2,954 • Е2 - 20,47 • Е +
+ 31,61) • 1015 • X2 + (- 3,667 • Е2 + 25,34 • Е - 39,01) 109 • X + (1,505 • Е2 --10,35 • Е +15,85)-104,
где У - удельный съем сухого продукта; кг/(м2-ч); Е - плотность теплового потока, кВт/м2; 1 - длина волны, м.
Компьютерная обработка информации и многомерный статистический анализ данных позволили получить адекватные математические линейно-степенные зависимости, имеющие вид
Ж(т) _ т6 • х1 + т5 • х2 + т4 • х3 + т3 • х4 + т2 • х5 + Т • х6 + х7,
где Ж(т) - функция зависимости влажности продукта от времени; х1 - х7 -искомые коэффициенты уравнения; т - время сушки.
Продифференцировав найденные уравнения, получим уравнения кривых скорости сушки, которые будут иметь вид
Ж(т) _ 6т5 • х1 + 5т4 • х2 + 4т3 • х3 + 3т2 • х4 + 2т • х5 + х6. йт
Оптимизация процессов сушки позволила разработать конструкторские решения сушильного оборудования для получения высококачественного продукта при минимальных энергозатратах и обосновать основные конструктивные элементы сушильной установки с инфракрасным энергоподводом. Предлагаем использовать в качестве рабочего органа ленточный конвейер, тогда сушилка будет иметь пять ярусов, установленных в каркасе параллельно друг над другом. Соседние конвейеры выполнены с возможностью вращения ленты в противоположных направлениях; нечетные конвейеры смещены по длине в сторону раскладчика на величину, достаточную для перекантовки полупродуктов с конвейера на конвейер. Установка ИК-излучателей над верхней рабочей ветвью ленты и отражателей, которые поддерживают нижнюю ленту, обеспечит объемный подвод тепла к высушиваемому объекту.
На основании проведенных исследований технологии производства макаронных изделий получены следующие результаты:
- выбрана рациональная конструкция пресс-гранулятора с круговой матрицей;
- предложен перспективный способ сушки - с инфракрасным энергоподводом, обеспечивающий получение конечного продукта с высокими качественными характеристиками, снижение энергозатрат и сокращение продолжительности процесса сушки. Применение бесшумных нагревательных элементов снизит уровень шума;
- определены оптимальные режимы термообработки нетрадиционных макаронных изделий при использовании ИК-излучателей;
- выбраны основные конструктивные элементы сушильной установки с инфракрасным энергоподводом для сушки макаронных изделий.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Панфилов В. А. Технологические линии пищевых производств (теория технологического потока). - М.: Колос, 1993.
2. Медведев Г. М. Технология и оборудование макаронного производства. - М.: Колос, 1984.
3. Черногорцев А. П., Разумовская Р. Г. Технология получения новых белковых продуктов: Учеб. пособие. - Мурманск: МГАРФ, 1990.
4. НазаровН. И. Технология макаронных изделий. - М.: Пищ. пром-сть, 1978.
5. Чернов М. Е. Оборудование предприятий макаронной промышленности. -М.: Колос, 1987.
6. Лыков А. В. Теория сушки. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1968.
Получено 21.02.05 INVESTIGATION OF PASTA PRODUCTION
S. A. Davydova, O. N. Bespalova
There were discussed engineering difficulties with equipment for food facilities. Rational construction of pellet-press with circular matrix was chosen on the basis of investigation results; promising method was suggested-drying with infrared energy supply, it is useful for producing the ultimate product with high qualitative characteristics, reduction of energy consumption, reduction of drying period, optimal heating conditions for untraditional pasta in consuming infrared radiators; fundamental constructive elements of drying plant have been chosen.
