CC BY
74
Оптимизация параметров обработки пшеничной муки в поле сверхвысокой частоты
О.Л. Семёнова, соискатель, Рудненский индустриальный институт, Республика Казахстан
Следует отметить, что в последние несколько лет в Северном Казахстане, а также в близлежащих областях Российской Федерации в летний период наблюдается крайне засушливая погода, характеризующаяся низким уровнем осадков. Такие климатические условия весьма неблагоприятно сказываются на качественных характеристиках выращиваемого зерна пшеницы. Переработка зерна, собранного в период засухи или повреждённого суховеем, имеет важные особенности, которые необходимо учитывать. Суховейное зерно богаче нормального белковым азотом и клейковиной и соответственно беднее растворимыми соединениями азота [1].
За последние два — три года содержание клейковины в зерне составляло 33—35%, из-за высокой температуры воздуха во время роста происходили активные процессы окисления и укрепления клейковины за счёт увеличения дисульфидных —S=S-связей. По характеристике упругих свойств клейковина становится удовлетворительно крепкой, а в некоторых случаях неудовлетворительно крепкой, что соответствует от 0 до 50 ед. по показателю прибора ИДК-1. Высокая температура инактивирует ферменты в составе зерна, в том числе протеиназные, что в итоге отрицательно сказывается на качестве готовых изделий [2].
Таким образом, возникает проблема улучшения качественных показателей пшеничной муки, полученной из суховейного зерна. Для решения этой задачи можно применять различные способы улучшения её качества: внесение пищевых добавок, хлебопекарных улучшителей
восстановительного действия, биологически активных добавок. Влияние различных добавок и улучшителей на здоровье человека ещё изучено недостаточно, но ясно, что следует стремиться к снижению и исключению вредных химических веществ из сырья и пищевых продуктов. Оптимальными можно считать физические методы обработки: воздействие переменного магнитного поля; воздействие поля отрицательного коронного разряда (ПОКР); высокочастотное (ВЧ) и сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение, ультрафиолетовое (УФ) излучение; терморадиационное излучение.
Сверхвысокочастотная обработка нашла широкое применение во многих отраслях промышленности, в том числе и пищевой. Преимуществом сверхвысокочастотного метода является возможность равномерного нагрева изделия по всему объёму вне зависимости от коэффициента теплопроводности и толщины слоя продукта. Нагрев осуществляется без температурного градиента, при этом материал может поглощать значительную энергию за весьма короткие промежутки времени [3].
Материалы и методы исследований. Предлагаемая технология улучшения качественных показателей муки заключается в следующем: обработка производится на специализированной установке периодического действия, источником излучения которой служит магнетрон, создающий переменное магнитное поле, имеющее частоту колебаний 2,45+0,01 ГГц. Теоретическими исследованиями установлено, что факторами управления будут являться параметры, характеризующие энергоёмкость процесса, а также факторы, от которых в большей степени зависит интенсивность протекания процесса СВЧ-обработки.
Наиболее существенными параметрами являются время воздействия т, с; удельная тепловая мощность СВЧ-энергоподвода Р, кВт/м3; толщина слоя муки И, мм. В процессе обработки контролируется температура в рабочей камере установки, чтобы не допустить нагрева муки свыше 65—70 °С, т.к. в этом случае происходит денатурация белков, и мука теряет свои хлебопекарные свойства. По истечении заданного времени обработка прекращается и мука охлаждается естественным путём.
Для проведения экспериментальных исследований была взята мука первого сорта со следующими показателями (по средним значениям): влажность — 13,5%; содержание белка — 15,17%; белизна — 53,8 условных единиц (у.е.) по показаниям прибора Р3-БПЛ; клейковина: количество — 32,04%, качество — 38 у.е. по показаниям прибора ИДК-1, растяжимость по линейке — 9 см.
Анализы физико-химических показателей обработанной муки в лабораторных и производственных условиях проводились в соответствии с действующей нормативной документацией: влажности — воздушно-тепловым методом по ГОСТу 9404-88; зольности — методом определения зольности без ускорителя по ГОСТу 27494-87; белизны — при помощи прибора РЗ-БПЛ по ГОСТу 26361-84; количества клейковины — отмыванием клейковины вручную по ГОСТу 27839-88; качества сырой клейковины — на приборе ИДК-1 по ГОСТу 27839-88; содержания белка — по ГОСТу 10846-81; общей оценки качества муки — по ГОСТу Р 52189-2003 [4].
Результаты исследований. Качество сырой клейковины (по прибору ИДК-1) является одним из основных качественных показателей муки [5]. В связи с этим в данной работе в качестве целевой функции (критерия оптимальности) выбран показатель качества сырой клейковины, который определяли по действующей нормативной документации [6]. Именно качество сырой клейковины муки, полученной из суховейного зерна, было достаточно низким, клейковина характеризуется как удовлетворительно крепкая. Хлеб из такой муки, как правило, имеет небольшой объём, пониженную формоустой-чивость, неудовлетворительный внешний вид и состояние мякиша, не отвечающие требованиям нормативных документов.
Диапазон варьирования факторов управления устанавливали из результатов исследования органолептических, физико-химических показателей качества муки [4].
Оптимизацию процесса обработки в поле сверхвысокой частоты проводили при следующих факторах управления: х! — время воздействия; х2 — удельная тепловая мощность СВЧ-энергоподвода; х3 — толщина слоя муки.
Интервалы варьирования факторов управления приведены в таблице 1.
1. Уровень варьирования факторов управления
Факторы управления Уровни варьирования факторов
-1 0 +1
Время воздействия, с Удельная тепловая мощность СВЧ-энергоподвода, кВт/м3 Толщина слоя муки, мм 30 0,12 20 60 0,264 30 90 0,408 40
На основе запланированных уровней факторов была составлена матрица многофакторного эксперимента по плану Бокса, согласно которой были проведены 14 экспериментов в трёхкратной повторности (табл. 2).
2. План реализации многофакторного эксперимента
Уровни варьирования Критерии оптимизации
факто ров управления Y, y2 Y3 Ycp
+1 +1 +1 0 0 0 0
-1 +1 +1 53 54 48 51,667
+1 -1 +1 62 67 64 64,333
-1 -1 +1 70 69 65 68
+1 +1 -1 27 24 22 24,333
-1 +1 -1 61 60 58 59,667
+1 -1 -1 67 66 64 65,667
-1 -1 -1 41 38 42 40,333
+1 0 0 43 42 39 41,333
-1 0 0 64 68 63 65
0 +1 0 27 32 28 29
0 -1 0 60 66 58 61,333
0 0 +1 47 49 54 50
0 0 -1 52 55 54 53,667
Формализованную математическую зависимость получаем в виде суммы нелинейных уравнений вида:
2 +
(1)
У =b0 + bl Xj +b2 x2 + b3 x3 + bl 1 xj2
+b22 X2 +b33 X3 +bJ2 X1X2 +b13 X1X3 + b23 X2 X3
где bo, bl, b2, Ьз, bn, b22, Ьзз, bi2, bi3, b23 - коэффициенты регрессии; х1, х2, х3 — параметры оптимизации.
Дисперсионный и регрессионный анализы проводили с помощью пакета прикладных программ «Microsoft Office Excel 2007» по определённому алгоритму, математическую модель проверяли по F-критерию Фишера [7].
Зависимость влияния факторов управления на критерий оптимальности записывается уравнением:
у = 51,71 -8,9x1 - 13,5x2 - 0,97x3 - 6,54x^
- 13,58x1x2 - 5,67x1x3 - 7,33x2x3
При обработке результатов исследования при помощи программы «MathCad14» получено
130 секунд. 0,2 кВт/м?, толщина слоя муки 40 мм ■ контроль Рис. - Сравнительная характеристика показателей обработанной муки и контрольного образца
предельное значение функции (качество сырой клейковины):
Maximize (y, x1, x2, x3) = (—1;—0,554;1) y(Xj, x2, x3) = 67,32 у. е. по прибору ИДК-1.
(3)
Используя полученные значения факторов управления, произведена обработка в поле сверхвысокой частоты в трёхкратной повторности и получена мука со следующими показателями (по средним значениям): влажность — 12,97%; содержание белка — 15,26%; белизна — 53,2 у.е. по показаниям прибора Р3-БПЛ; клейковина: количество — 36,1%, качество — 65 у.е. по показаниям прибора ИДК-1, растяжимость по линейке — 15 см, при этом температура образцов составила 44±1 °С.
Результаты исследования обработанной муки по сравнению с контрольным образцом представлены на рисунке.
При этих параметрах после обработки мука соответствует I группе качества по прибору ИДК-1, по растяжимости — средней, при этом увеличивается содержание белка на 0,6%, а клейковины — на 11,2%, показатель белизны уменьшается незначительно — на 1,1%, влажность муки снижается по сравнению с контрольным образцом на 3,9%.
При обработке муки происходит частичная денатурация белков, проявляющаяся в виде расслабления клейковины и изменения её растяжимости. Клейковина отмывается с хорошей эластичностью и обладает средней растяжимостью. Увеличение содержания клейковины связано с тем, что в контрольном образце часть клейковинных белков теряется при отмывании, чего не происходит с мукой, подвергнутой СВЧ-обработке. В результате обработки увеличивается количество дисульфидных связей, клейковинные
белки становятся менее атакуемыми для про-теолитических ферментов.
Увеличение содержания белка связано с инактивацией протеолитических ферментов при СВЧ-обработке. Снижение показателей белизны муки и её влажности обусловлены термической обработкой в поле СВЧ, где определяющим фактором выступает температура процесса.
Исследование функции на экстремум позволило установить оптимальные режимы СВЧ-обработки муки, полученной из суховейного зерна, которые имеют следующие значения: время воздействия 30 с, удельная тепловая мощность СВЧ-энерго-подвода 0,2 кВт/м3, толщина слоя муки 40 мм.
Выводы. Данная технология позволяет решить проблему выработки муки с нестабильными показателями качества и открывает новые перспективы использования СВЧ-обработки на предприятиях по переработке зерна.
Литература
1. Демьяненко В. Модернизация как залог безопасности [Электронный ресурс] // Российская независимая аграрная газета «Земля и жизнь». 2010. 1—15 окт. URL: http://www. zemlya-i-zhizn.m/cgi-bm/zizhss.pl?action=0&o=87&f=20 (дата обращения: 29.12.2010).
2. Габитов А. Качество пшеницы урожая 2010 [Электронный ресурс] // Казах Зерно. Новости и аналитика зерновых культур. URL: http://www.kazakhzemo.kz/mdex.php?option=com_ content&view=article&id=23132:-690-&catid=110:urozhays2010 (дата обращения 18.09.2010).
3. Рогов И.А., Некрутман С.В., Лысов Г.В. Техника сверхвысокочастотного нагрева. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 198 с.
4. ГОСТ Р 52189-2003. Мука пшеничная. Общие технические условия. Введ. 29.12.2003. М.: ИПК «Издательство стандартов», 2003. 7 с.
5. Цыганова Т.Б. Технология хлебопекарного производства: учебник для начального профессионального образования. М.: ПрофОбрИздат, 2001. 432 с.
6. ГОСТ 27839-88. Мука пшеничная. Методы определения количества и качества клейковины. Взамен ГОСТ 9404-60 (пп. 52-54). Введ. 28.09.1988. М.: Изд-во стандартов, 1988. 10 с.
7. Грачев Ю.П., Плаксин Ю.М. Математические методы планирования эксперимента. М.: ДеЛи принт, 2005. 296 а
