CC BY
83
УДК 663.933
ИССЛЕДОВАНИЕ СМЕСИ ПШЕНИЦЫ И ФАСОЛИ МЕТОДОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА*
А.Н. Остриков1, И.В. Кузнецова1, М. А. Глухов1, А.С. Рудометкин2
Воронежская государственная технологическая академия (1);
ОАО «ЮНАЙТЕДБЕЙКЕРС - Псков», г. Псков (2)
Представлена членом редколлегии профессором Н.Ц. Гатаповой
Ключевые слова и фразы: дифференциально-термический анализ; кинетика процесса термолиза; пики эндотермического эффекта; процесс дегидратации; смесь пшеницы и фасоли.
Аннотация: Дифференциально-термическим и термогравиметрическим ан-нализами осуществлена оценка состояния воды в зерновой смеси из пшеницы и фасоли, предназначенной для экструдирования.
В результате исследования закономерностей разложения смеси пшеницы и фасоли определены начало и окончание процесса дегидратации, максимальная скорость процесса дегидратации, пики эндотермического эффекта, сопровождающиеся испарением влаги. Анализ полученных данных позволил выявить температурные зоны, которые соответствуют испарению влаги с различной энергией, образующейся при термическом разложении смеси пшеницы и фасоли.
Экструзия зерновых продуктов связана с частичным удалением влаги из них. В ходе процесса под действием значительных скоростей сдвига, высоких температуры и давления происходит переход механической энергии в тепловую, что приводит к различным по глубине изменениям в качественных показателях перерабатываемого сырья (денатурация белков, клейстеризация крахмала и другие биохимические изменения) [1]. При этом в результате разности температур и давлений внутри рабочей камеры экструдера и окружающей среды происходит высвобождение воды, содержащейся в данном продукте и определяющей характер протекающих в нем процессов.
Для получения информации о кинетике процесса термолиза пищевой экструзионной смеси используем методы термического анализа. В основе термических методов анализа лежит наблюдение за свойствами исследуемого образца в заданной атмосфере в зависимости от времени [2, 3, 5].
В зависимости от поставленных задач различают количественный и качественный анализы. Качественный анализ заключается в регистрации температур термических изменений образца. Целью качественного анализа является идентификация исследуемого вещества и определение форм связи влаги с материалом.
* Принято к печати 15.09.2006 г.
Количественный анализ заключается в определении потери массы материалом и процентного содержания влаги в исследуемом образце. Для проведения количественного анализа используются отдельные элементы интегральной и дифференциальной температурных кривых: длина горизонтального участка интегральной кривой, а также высота и площадь пика на дифференциальной температурной кривой. Применяемые для количественной оценки термоаналитические кривые одновременно регистрируют изменения температуры, массы образца, скорость изменения температуры и скорость изменения массы (кривые ТА, ТО, БТА, БТО соответственно). Целью количественного анализа является определение содержания термоактивного компонента в исследуемом образце, а также исследование теплового эффекта реакции, порядка реакции и энергии активации [2, 3, 5].
Исследование закономерностей теплового воздействия на поликомпонент-ную зерновую смесь исследовали методом неизотермического анализа на дерива-тографе системы «Паулик-Паулик-Эрдей» в атмосфере воздуха. Исследование проводили в кварцевых тиглях с общей массой навески 137,8 мг. Объектом исследования являлась смесь, состоящая из 60 % пшеницы (ГОСТ 9353-90. Пшеница. Требования при заготовках и поставках) и 40 % фасоли (ГОСТ 7758-75. Фасоль продовольственная). Влажность смеси - 10,7 %. Все компоненты предварительно измельчались до размера частиц 0,16...0,63 мм. В качестве эталона использовали А1203, прокаленный до 1773 К.
Регулировочное устройство давало возможность равномерного нагревания печи, а достижение линейности программы нагрева печи обеспечивало воспроизводимость кривых: ТА - интегральная термическая кривая; БТА - дифференциальная термическая кривая; ТО - интегральная кривая изменения массы; БТО -дифференциальная кривая изменения массы.
Режим записи дериватограмм определяли с учетом методики [4]: чувствительность гальванометра БТА - 1/5, чувствительность гальванометра БТО - 1/10, чувствительность гальванометра ТО - 100 мг, скорость изменения температуры нагрева печи составляла 3 К/мин, максимальная температура нагрева 523 К.
Метод динамической термогравиметрии заключается в измерении потери массы вещества при изменении температуры и позволяет проследить за ходом превращения вещества в процессе нагревания. В термогравиметрии регистрируется изменение массы образца в зависимости от температуры и времени.
Дериватограмма (рис. 1) имеет характеристические температуры, определяемые пиком эндотермического эффекта, сопровождающиеся испарением влаги. Из анализа кривых БТА и БТО были найдены следующие точки: начало процесса дегидратации смеси (точка А) происходит при температуре 303 К и заканчивается (точка С) при температуре 413 К. Максимальная скорость процесса дегидратации достигается при температуре 353 К (точка В). Температура продукта в соответствующих точках определяется проецированием на кривую ТА, а затем на ось ординат.
Одновременно с интегральной кривой изменения массы (кривая ТО) регистрируется производная изменения массы по времени в функции температуры или времени (кривая БТО на рис. 1). Для получения зависимости изменения массы от температуры использовали участок АС кривой зависимости изменения массы от температуры. Для этого по кривой ТО для последовательных температурных интервалов I по 5 К находили изменение массы Ат, образца, соответствующее количеству высвобождающейся влаги при данном изменении температуры. Степень изменения массы а рассчитывали как отношение Ат, к общему количеству воды,
содержащейся в продукте, определяемому из кривой ТО в конце процесса дегидратации.
Полученная кривая ТО в координатах а - Т (рис. 2) имеет 8-образный вид, отражающий характер взаимодействия влаги и сухих веществ продуктов, а также различие в скорости высвобождения воды при различных температурах. Таким образом, кривые зависимости степени изменения массы вещества от температуры позволяют изучить различные, кинетически неравноценные формы связи влаги и отражают различную скорость ее удаления. При этом общая потеря массы образца составляла 10,2 % при нагревании его до 413 К.
Для получения данных о механизме удаления влаги на основе определения температурного интервала и количества влаги, удаляемой из продукта с одинаковой скоростью, перестраивали представленную на рис. 2 кривую в координатах (-^а; 103/Т). Зависимость -^а от величины 103/Т выполнена для интервала 293...413 К, так как именно в этом температурном интервале наиболее интенсивно происходят процессы дегидратации, при дальнейшем увеличении температуры происходят лишь процессы термического разложения.
На рис. 3 отчетливо видны три линейных участка для исследуемой зерновой смеси, что свидетельствует о ступенчатом выделении влаги. При значениях
Т, К
10 20 30 40 50 60 70 ^мин
Рис. 1. Дериватограмма зерновой поликомпонентной смеси
a
-lga 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0 ,6 0,4 0,2
0,0
Рис. 2. Зависимость степени изменения массы от температуры исследуемого образца
- T1 1= 3088-К
-
- У
- T2 =323 К /
-
- э
- Т =3 8 3 К у** о
' ' -А-ь=а rii 1 1 1 1 1 1 1 1 1 і і і 1 1 1
2,5 2,6 2,7
2,8
2,9 3,0
3,1 3,2
3,3
Рис. 3. Зависимость -1§а от величины 10 /Т для исследуемой зерновой смеси
температур до 323 К происходит нагрев и удаление свободной и осмотически связанной влаги, имеющей невысокую энергию связи с продуктом. Поэтому удаление влаги происходит при сравнительно невысоких температурах. В интервале значений температур 323...383 К происходит удаление моно- и полиадсорбцион-ной влаги. Выделение влаги происходит в результате нарушения гидрофобных взаимодействий белков и углеводов с водой. При температуре 383 К в исследуемом образце начинается удаление химически связанной влаги, а при 413 К происходит интенсивное терморазложение компонентов смеси с выделением газообразных составляющих.
Т аким образом, анализ полученных данных позволил выявить температурные зоны, которые соответствуют испарению влаги с различной энергией и последующему термическому разложению смеси пшеницы и фасоли. Кроме того, в результате дифференциально-термического и термогравиметрического анализа установили максимальную температуру нагрева зерновой смеси, которая составляет
413 К. Это позволило подобрать рациональные режимы термообработки при экструдировании зерновой смеси и получить готовый продукт с минимальным разложением термолабильных веществ.
Список литературы
1. Остриков, А.Н. Экструзия в пищевых технологиях / А.Н. Остриков, О.В. Абрамов, А. С. Рудометкин. - СПб. : ГИОРД, 2004. - 288 с.
2. Термические методы анализа : пер. с англ. / под ред. У. Уэндландта. - М. : Мир, 1978. - 148 с.
3. Котова, Д.Л. Термический анализ ионобоменных материалов / Д.Л. Котова, В.Ф. Селеменев. - М. : Наука, 2002. - 156 с.
4. Дериватограф системы «Паулик-Паулик-Эрдей». Теоретические основы. -Будапешт : Венгерский оптический завод, 1974. - 46 с.
5. Альмяшев, В.И. Термические методы анализа / В.И. Альмяшев, В.В. Гусаров. - СПб. : Изд-во СБбГЭТУ (ЛЭТИ), 1999. - 40 с.
Differential Thermal Analysis of Wheat and Bean Mixture A.N. Ostrikov1, I.V. Kuznetsova1, M.A. Glukhov1, A.S. Rudometkin2
Voronezh State Technological Academy (1);
“UnitedBakers — Pskov” PLC, Pskov (2)
Key words and phrases: dehydration process; differential thermal analysis; endothermie effect peaks; thermolysis process kinetics; wheat and bean mixture.
Abstract: Evaluation of water state in grain mixture of wheat and bean designed for extrusion is made through differential thermal and thermogravimetric analyses. The research into the dependences of wheat and bean mixture decomposition has determined the beginning and the end of dehydration process, its maximum velocity, endothermic effect peaks accompanied by evaporation. The analysis of obtained data has enabled to identify temperature zones, which correspond to evaporation with different energy produced in the course of thermal decomposition of wheat and bean mixture.
Forschung der Mischung des Weizens und der Bohne von der Methode der differentialthermischen Analyse
Zusammenfassung: Durch die differentialthermischen und thermographischen Analysen ist die Einschätzung des Zustandes des Wassers in der für das Extrudieren vorbestimmten Kornmischung aus dem Weizen und der Bohne verwirklicht. Als Ergebnis der Forschung der Gesetzmäßigkeiten der Zerlegung der Mischung des Weizens und der Bohne sind den Anfang und die Endung des Prozesses der Dehydratation, die maximale Geschwindigkeit des Prozesses der Dehydratation, die mit der Verdunstung der
Feuchtigkeit begleitenden Spitzenwerte des endothermischen Effektes bestimmt. Die Analyse der erhaltenen Angaben erlaubt, die Temperaturzone zu zeigen, die der Verdunstung der Feuchtigkeit mit verschiedener bei der thermischen Zerlegung der Mischung des Weizens und der Bohne bildenden Energie entsprechen.
Etude du mélange du blé et des haricots par la méthode de l’analyse différentielle et thermique
Résumé: Par l’analyse différentielle et thermique et par celle thermogravimétrique est réalisée l’évaluation de l’état de l’eau dans le mélange du blé et des haricots destiné à l’extrudition. A l’issue de l’étude des régularités de la décomposition du mélange du blé et des haricots est défini le commencement et la fin du processus de la déshydration, la vitesse maximale du processus de la déshydration, les points culminants de l’effet endothermique qui s’accompagnent par l’évaporisation de l’humidité. L’analyse des données obtenues a permis de révéler les zones de température qui correspondent respectivement à l’évaporisation de l’humidité avec une différente énergie qui est créée lors de la décomposition thermique du mélange du blé et des haricots.
