CC BY
70
УДК 664.8.047
Проблемы и перспективы производства растительных порошков
Problems and prospects of production vegetable powders
Профессор Ю.В. Родионов, доцент О.В. Ломакина, доцент Д.В. Никитин, студент Ю.А. Чумиков,
(Тамбовский государственный технически университет), кафедра технической механики и деталей машин, тел. +7 (4752) 63-04-59 E-mail: tmm-dm@mail.nnn.tstu.ru
Профессор А.С. Ратушный, доцент С.И. Данилин, аспирант Ю.Ю. Родионов (Мичуринский государственный аграрный университет), кафедра технологии продуктов питания и товароведения, кафедра технологии производства, хранения и переработки продукции растениеводства тел. 8-916-385-95-22 Email: ratucha2010@mail.ru
Professor Y.V. Rodionov, Associate professor O.V. Lomakina, Associate professor D.V. Nikitin, Student Y.A. Chumikov,
(Tambov university state technically), chair of technical mechanics and details of cars, tel. 7 (4752) 63-04-59
E-mail: tmm-dm@mail.nnn.tstu.ru
Professor A.S. Ratushny, Associate professor S.I. Danilin, Graduate student Y.Y. Rodionov
(Michurinsk state agricultural university), chair of technology of products of food and merchandizing, tel. 8-916-385-95-22 Email: ratucha2010@mail.ru
Реферат. Рассмотрены плодовые, ягодные и овощные культуры ЦЧР, используемые в сельскохозяйственной, пищевой и медицинской отрасли. Отражены работы ученых ЦЧР в области производства и применения плодовых, ягодных и овощных порошков. Проанализированы два основных способа производства растительных порошков. Показаны их достоинства и недостатки, аппаратурное оформления производства растительных порошков из пюре и сырого растительного сырья или жома. Подробно рассмотрена усовершенствованная технология производства растительных порошков с применением двухступенчатой КВИС различных модификаций и двухступенчатого измельчения сухих растительных порошков с заданной степенью помола. Производство овощных, ягодных и плодовых порошков в нашей стране только начинает развиваться. Они находят широкое применение в питании детей, диетическом, лечебном питании, лечении от различных заболеваний, поэтому перспектива развития их производства постоянно растет. Основными потребителями растительных порошков являются молокозаводы, кондитерские фабрики, хлебопекарные предприятия по производству колбас, концентрированных завтраков быстрого приготовления, детского питания, пищевых добавок, фармацевтические компании и др.[1, 2]
Summary. The article discusses fruit, berry and vegetable crops of the Central Black Earth Region used in the agricultural, food and medical industry. Reflected the work of scientists TSCHR in the production and use of fruit, berry and vegetable powders. Analyzed two main methods of production of vegetable powders.Shown: their advantages and disadvantages, instrumental design of the production of vegetable powders from mashed potatoes and raw plant materials or pulp. The improved technology for the production of vegetable powders using two-stage KVIS of various modifications and two-stage grinding of dry vegetable powders with a given degree of grinding is considered in detail.
Ключевые: слова плодовые, ягодные и овощные порошки, пищевая, сельскохозяйственная и медицинская отрасли, сушка, измельчение.
Keywords: fruit, berry and vegetable powders, medical, agricultural and medical industries, drying, grinding
© Родионов Ю.В., Ломакина О.В., Никитин Д.В., Чумиков Ю.А., Ратушный А.С., Данилин С.И., Родионов Ю.Ю., 2019
Производство овощных, ягодных и плодовых порошков в нашей стране только начинает развиваться. Они находят широкое применение в питании детей, диетическом, лечебном питании, лечении от различных заболеваний, поэтому перспектива развития их производства постоянно растет.
Основными потребителями растительных порошков являются молокозаводы, кондитерские фабрики, хлебопекарные предприятия по производству колбас, концентрированных завтраков быстрого приготовления, детского питания, пищевых добавок, фармацевтические компании и др.[1, 2]
Такой широкий спектр применения определен тем, что в овощах, фруктах и ягодах содержатся вещества - антиоксиданты, которые в организме не синтезируются и должны поступать с пищей. Антиоксидантные вещества - витамины А, Е, С, Р, К, находятся в черных сортах винограда, крапиве, свекле [3 ], краснокочан-ной капусте, в вершках эстрагона, укропа и фенхеля, кинзы, петрушки, мяты, розмарина, шалфея и т.д. Антиоксидантами богаты практически все плоды и ягоды ЦЧР. Данные вещества увеличивают продолжительность жизни. Современная норма потребления не менее 600 г овощей; не менее 300 г фруктов или ягод с мякотью, не менее 400 г разнообразных кисломолочных напитков, что дает возможность объединить фруктово-ягодные и кисломолочные продукты [4]. Однако практически все фрукты, ягоды и овощи имеют сезонное употребление. Сушеные пло-дово-овощные порошки различной степени помола увеличивают срок хранения при максимальном сохранении биологически активных веществ, вкусовых, ароматических и других составляющих. Порошки в массе своей уменьшены в 6...8 раз, хранятся в обычных условиях 1,5 и более лет. Таким образом, ежедневная норма 600 г овощей превращается в 100 г порошков, а 300 г фруктов и ягод - в 50 г порошков. Разработки комплексной технологии переработки плодово-овощной продукции на соки прямого отжима с последующей переработкой жома в плодово -овощные порошки с максимальным сохранением БАВ отражены в работах ученых ТГТУ и МичГАУ [5-8].
Для различных видов растительного сырья существует определенный размер частиц, ниже которого измельчать материал нежелательно. Большинство листьев, стеблей, цветков измельчаются от 0,2 до 3,0 мм. Измельчение с целью получения порошков из плодов и овощей имеет широкий диапазон от 500 до 0,01 мкм.
Цель работы - расширение ассортимента плодовых, ягодных и овощных порошков с максимальным сохранением БАВ за счет усовершенствованной технологии и их производимостью на модернизированном оборудовании.
В теоретических исследованиях использовались законы процессов и аппаратов пищевых технологий, классической механики и математического анализа. Исследования выполнялись на разработанных экспериментальных установках двухступенчатой вакуумно-импульсной сушки и двухступенчатого вакуумного измельчения. Использовались стандартные и частные методики с обработкой данных современными компьютерными математическими программами.
В настоящее время существует два способа производства порошков из растительного сырья:
- производство растительных порошков из пюре;
- производство растительных порошков из нарезанного растительного материала или из восстановленной клетчатки растительного сырья после экстрагирования (рис. 1).
Рис 1. Блок-схемы производства плодово-овощнъж порошков:
б
а
а - производство растительных порошков из свежего плодо-овощного сырья способом уваривания пюре; б - производство растительного порошка и жома растительной экстракции способом двухступенчатым ДКВИС и двухступенчатым вакуумным измельчением. Технологическую схему производства овощных и фруктовых порошков по рис.1 а можно разбить на следующие самостоятельные части: получение овощного или фруктового пюре, его сушка и измельчение. Для приготовления пюре используют свежие овощи и фрукты. Мойка свежих плодов и овощей обеспечивает полное удаление минеральной примеси (земля, песок и т. п.). Сильно загрязненные плоды и овощи перед мойкой замачивают в теплой воде. В зависимости от вида сырья для мойки используются лопастные, вентиляторные, барабанные машины и устанавливается (отрабатывается) свой режим работы машины. Работа моечных машин периодически контролируется путем отбора пробы мытого сырья и сравнением с контрольной промывкой его в лабораторных условиях с определением в промывных водах минерального загрязнения. Проводится контроль с определением золы, который считается точным анализом. Допускается для качества мойки: хорошее - не более 0,05 %, удовлетворительное - от 0,05 до 0,10 %о. Плодовое и овощное сырье разваривают в дигестерах (рис 2.) — вертикальных цилиндрических емкостях с конусообразным днищем.
Рис 2. - Дигестер (ошпариватель): 1- емкость вертикальная цилиндрическая; 2 - днище конусное; 3 - мешака вертикальная; 4 - люк загрузочный; 5 - электодвигатель; 6 - люк вывода материала; 7-подача пара
Аппарат оборудован необходимыми гидравлическими приборами и устройствами (подумать). Порядок работы согласно разработанной технологии в зависимости от вида растительного сырья. Главным в технологическом процессе является температура и период разваривания. Продолжительность разваривания варьируется от 10 до 45 мин для различных плодовых и овощных материалов. Плоды, кабачки, тыкву, шпинат разваривают при температуре 100 °С, остальное овощное сырье — при 105—110 °С. При разваривании образуется конденсат, который зависит от времени разваривания, вида растительного материала и состояния пара, поступающего в дигестер, в среднем его величина может колебаться от 10 до 20 %. Измельчение ягодного, плодового и овощного пюре может выполняться дважды (рис. 1,а)
Для измельчения при производстве порошков из растительного пюре используются траво- и корнерезки - для грубого измельчения сырья за счет возвратно-поступательного движения ножа. Скорость измельчения зависит от скорости подачи растительного материала и движения режущего ножа.
Хрупкий материал для разваривания измельчают на валках. Достоинство -уменьшение запыленности. Применяются как для предварительного, так и окончательного измельчения при производстве растительных порошков из пюре.
Для измельчения корней, коры, листьев использую мельницу Эксцельсиор. Это ударно-центробежная мельница, состоящая их двух - дисков неподвижного и вращающегося со скоростью 250-300 мин-1. Измельчение сырья происходит за счет удара, растирания, разрезания. Хрупкие материалы предварительно смачивают для уменьшения хрупкости, а после измельчения происходит сушка [9].
Создание однородного пюре достигают гомогенизацией. Конструкция состоит из укрепленного на станине трех- или четырех - плунжерного насоса, блока цилиндров с гомогенизирующей головкой, манометра, предохранительного капана. Растительное пюре дополнительно измельчается и обогащается наполнителем, обычно крахмалом, и отправляется на сушку.
Пюре из растительного сырья сушится с конвективным или кондуктивным подводом теплоты. Кондуктивный подвод теплоты осуществляют вальцевой сушилкой. Время сушки - до 30 с, в зависимости от влажности. Регулирование процесса осуществляется изменением скорости вращения вальцов. Растительное пюре с высоким содержанием сахара сильно комкуется
Поэтому для хорошего удаления высушенного пюре с вальцов его охлаждают подачей воздуха. Этот прием применяют при сушке зеленого горошка, тыквы и т.д. Конвективный способ подвода теплоносителя осуществляют на распылительной сушилке. При этом для быстроты процесса сушки температуру пюре поддерживают ниже 100 °С, а температуру теплоносителя (как правило воздуха)-150-200 °С. Считается, что перегрев практически исключается и потери БАВ минимизируются. Однако человеческий фактор, конструкция оборудования и т.д. не позволяют говорить о полном сохранении БАВ, что необходимо учитывать при организации процесса. Недостатком распылительной сушки является большой расход теплоносителя (воздуха), окисление полифенолов и утеря ароматических веществ. При осуществлении данного процесса пюре должно быть подогрето до 75 °С. При данном способе проводят предварительное тщательное измельчение. При распылении используется центробежная сила вращающихся дисков и распыление под высоким давлением при помощи форсунок.
Способ получения порошков из пюре имеет право на жизнь, но, по нашему мнению, более перспективным является получение порошков из свежих растительных продуктов. В ТГТУ совместно с МичГАУ усовершенствована технология производства растительных порошков из свежих ягод, плодов и овощей ЦЧР. Основные отличия усовершенствованной технологии растительных порошков включают двухступенчатую сушку под вакуумом, а также двухступенчатый процесс измельчения. Вакуумирование снижает температуру кипения жидкости, что способствует максимальному сохранению состава исходного сырья, интенсивное перемешивание ускоряет теплообмен между греющей поверхностью корпуса и загрузкой.
Растительные порошки из сырых ягод, плодов и овощей предварительно сушатся на двухступенчатом КВИС [10]. Температура первой ступени до 80 °С, скорость теплоносителя выбирается из условия создания псевдоожиженного закрученного слоя, время пребывания в сушке от (10 -15 мин) зависит от физико-химических свойств материала и степени нарезки. Вторая ступень сушильный шкаф (рисунок Иванова) в котором находятся нержавеющие лотки для загрузки плодовоовощной продукции для окончательной сушки. Нагрев материала осуществляется конвективным воздухом с последующей вытяжкой под вакуумом. Конвективная продувка и вакуумирование осуществляют с помощью двухступенчатого вакуумного насоса [12], нагрев осуществляется с помощью электрических тэнов, вынесенных за шкаф процесс сушки второй ступени выставляется и контролируется на персональном ЭВМ с помощью программы круг. Для контроля выводится тренд сушки.
Лотковая конвективная сушилка неподвижного слоя применяется для неравномерной нарезки. Кривая сушки позволяет определить рациональное время первого периода с его температурой и скоростью теплоносителя. Точку конца первого периода определяем по графику изменения скорости (рис. 3).
90 Го 70 60 50 40 30
щ
10 л
о
1
II
"1
ш
30 25 20
10
10 10 50 40 50 № 70 № «и™
; 1 \
/
10 20 30 Г мин
а)
б)
Рис 3. а - кривая двухступенчатой вакуумной конвективной сушки тыквы, нарезанной соломкой; с параметрами первого периода - температура теплоносителя - 70°С , Ут - 2 м/с, второй период время продувки 150 с, температура теплоносителя - 55°С, количество циклов 10; б - кривая температуры первого периода сушки тыквы (сорта Мичуринская) нарезанной соломкой
Рациональный период сушки устанавливаем по тренду. Перспективной конструкцией ДКВИС является совмещенная конструкция сушки с псевдоожиженным слоем первого периода.
Для выжимок экстрагирования или неравномерных частей растительных материалов (различных) Ларионова,совмещенная сушила [12,13]. Воздействие мелющими телами на частицы исходного сырья в шаровом аппарате позволяет постоянно обновлять поверхность за счет измельчения перерабатываемых ягод, выдавливания из них влаги при ударе и истирающем действии мелющих тел. Кроме того, мелющие тела за счет своих теплофизических характеристик и интенсивного движения внутри аппарата являются переносчиками теплоты во внутренние слои перерабатываемого материала с одновременным удалением влаги с поверхности мелющих тел.
В НОЦ ТГТУ-МичГАУ «Экотехнологии» спроектирована двухступенчатая энергосберегающая установка непрерывного измельчения сушеных овощей и плодов с регулируемой степенью помола (рис. 4).
Рис 4. Схема установи непрерывного двухступенчатого измельчения; 1 - измельчитель дисковый; 2 - бункер-накопитель; 3 - мельница шаровая; 4 -циклон-накопитель; 5 -вакуумный насос; 6 - панель управления
Энергосберегающая установка измельчения сушеных плодов и овощей состоит из двух ступеней, представленных измельчителем типа ИД (ножевой измельчитель) для грубого непрерывного измельчения со степенью помола i=200 мкм (рис.4) и шаровой мельницы в керамическом исполнении, в которой для снижения энергозатраты на трение шаров корпус футерован сверхмолекулярным полимером, полученным методом холодного формования. Подача предварительно измельченного растительного материала из измельчителя может осуществляться в шаровую мельницу через бункер-накопитель, или накапливаться в нем. Шаровая мельница может менять угол наклона к горизонту, имеет две рабочие зоны и комплекты шаров в зависимости от заданного размера получаемого порошка и исходного сухого растительного сырья. Из шаровой мельницы порошок заданной степени помола непрерывно отводится в циклон-накопитель за счет создаваемого разряжения жидкостно-кольцевым вакуум-насосом с регулируемым нагнетательным окном [15]. Данная энергосберегающая установка непрерывного двухступенчатого измельчения сушеных плодов и овощей с регулируемой степенью помола, которая позволит снизить энергозатраты на 15 % и увеличить производительность на 20 %. Технологическими параметрами процесса управляет система автоматики.
Предложенная технология при использовании данного оборудования позволяет экономить до 30 % энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.В. Щегольков, А.С. Зорин, Ю.В. Родионов, А.Б. Гриднев. Повышение энергоэффективности двухступенчатой КВИС растительного сырья. Сушка, хранение и переработка продукции растениеводства [Текст]//сб науч тр Международного научно-технического семинара, - 2018. - С. 181- С. 181-185.
2. Rayas-Duarte, P. Newwheai grains and products quality of spaghetti containing buckwheat, amaranth and lupin flours [Text] P. Rayas-Duarte, С M. Mock, L. D. Satterlee Cereal Chemistry. - 1996. - Vol. 73, № 3. - P. 381-387.
3. М.Ю. Акимов Оценка уровня антиоксидантной активности плодоовощных культур в условиях центрального Черноземья [и др.] // [Текст] Вопросы пита-ния.2014. Т.83. №53. С.166
4. И.В. Иванова Обогащение йогуртов компонентами растительного происхождения. [и др.] // [Текст] Инновационная техника и технологии.-2017.№ 3(12). С. 18-21
5. Родионов Ю.В., Данилин С.И., Митрохин М.А. Влияние порошка пастернака на качественные показатели лапши и макаронных изделия. [Текст]// Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания.-2017.-№ 1 (15). С. 56-61.
6. Митрохин М.А., Утешев М.В., Родионов Ю.В. Разработка технологии получения сухих концентратов. [Текст]//В сб Продовольственная безопасность: научное, кадровое и информационное обеспечение Воронежский государственный университет инженерных технологий.2014. С. 276-278.
7. ПерфиловаО.В., Баранов Б.А., Скрипников Ю.Г. Фруктовые и овощные порошки из выжимок в кондитерском производстве. [Текст]// Хранение и переработка сельхозсырья.-2009.-№ 9.С.52-54
8. Елисеева Л.Г.,АкишинД.В., Потапова А.А. Характеристика потребительских свойств заварных пряников с добавленной пищевой ценностью. [Текст]// Товаровед продовольственных товаров.-2011.-№7-.С.27-32
9.Исследование структурно-механических свойств высушенных растительных материалов для проектирования энергоэффективныхизмельчителей. Никитин Д.В., Толчков Ю.Н., Тихонов А.С., Утешев М.В. В сборнике: Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: Фундаментальные и прикладные аспекты. Материалы VI Международной научно-практической конференции. Под общей редакцией Е.П. Викторовой. 2016. С. 292-295.
10. Математическое моделирование комбинированной комбинированной конвективной вакуумимпульсной сушки растительных продуктов И.В. Попова [и др. ] Вестник Мичуринского государственного аграрного университе-та.2008.№1.С.60-65.
11. Патент № 2551449, 27.05.2015. Родионов Ю.В., Гуськов А.А., Никитин Д.В., Платицин П.С. Двухступенчатая жидкостно-кольцевая машина Патент РФ №2551449.2014. Бюл.15.
12. Конвективно-вакуумная сушилка. Щегольков А.В., Родионов Ю.В., Гришин С.О., Калинин В.Ф. патент на изобретение RUS 2560116 09.01.2013
13. Патент РФ №2548230, 20.04. 2015. Родионов Ю.В., Никитин Д.В., Зорин А.С., Щегольков А.В., Дмитриев В.М., Ларионова Е.П. Энергосберегающая двухступенчатая сушильная установка для растительных материалов. Патент РФ №2548230.2013. Бюл.11
14. Технология переработкипастернака, тыквы и яблок в порошки для функционального питания. Родионов Ю.В., Никитин Д.В. Данилин С.И.,МитрохинМ.А., УтешевМ.В., МочалинН.Н., Родионов Ю.Ю. Проблемы АПК региона.2018. Т.35.№3 (35). С.210-214
15. Жидкостно-кольцевая машина Галкин П.А., Зорин А.С., Никитин Д.В., НищевА.А., Родионов Ю.В., Сычёв М.В.патент на изобретение RUS 2492360 07.11.2011
REFERENCE
1. A.V. Shchegolkov, A.S. Zorin, Yu.V. Rodionov, A.B. Gridnev. Increase in energy efficiency of two-level KVIS of vegetable raw materials. Drying, storage and processing of products of crop production [Text]//Saturday науч тр the International scientific and technical seminar, - 2018. - Page 181-of Page 181-185.
2. Rayas-Duarte, P. Newwheai grains and products quality of spaghetti containing buckwheat, amaranth and lupin flours [Text] P. Rayas-Duarte, С M. Mock, L. D. Satterlee Cereal Chemistry. - 1996. - Vol. 73, № 3. - P. 381-387.
3. M.Yu. Akimov Assessment of level of antioxidant activity of fruit and vegetable cultures in the conditions of the central Black Earth [etc.]//[Text] Questions of a power supply.2014. T.83. No. 53. Page 166
4. I.V. Ivanova Enrichment of yogurts components of a plant origin. [etc.]//[Text] the Innovation equipment and technology.-2017.№ 3(12). Page 18-21
5. Rodionov Yu.V., Danilin S.I., Mitrokhin M.A. Parsnip powder influence on quality indicators of noodles and pasta. [Text]//Technologies of food and processing industry of HSC - products of a healthy power supply.-2017.-№ 1 (15). Page 56-61.
6. Mitrokhin M.A., Uteshev M.V., Rodionov Yu.V. Development of technology of receiving dry concentrates. [Text]//On Saturday Food security: scientific, personnel and information support Voronezh State University of engineering technologies.2014. Page 276-278.
7. Perfilovao. Century, Rams B.A., Skripnikov Yu.G. Fruit and vegetable powders from a residue in confectionery production. [Text]//Storage and processing of agricultural raw materials.-2009.-№ 9.S. 52-54
8. Yeliseyev L.G., Akishind. Century, Potapova of A.A. Harakteristik of consumer properties of scalded gingerbreads with the added nutrition value. [Text]//Commodity researcher of food products.-2011.-№7-.C.27-32
9. A research of structural and mechanical properties of the dried-up plant materials for design of energoeffektivnykhizmelchitel. Nikitin D.V., Pushes Yu.N., Tikhonov A. S., Uteshev M.V. In the collection: The innovation food technologies in storage areas and processings of agricultural raw materials: Fundamental and applied aspects. Materials VI of the International scientific and practical conference. Under the general edition of E.P. Viktorova. 2016. Page 292-295.
10. Mathematical modeling of the combined combined convective vakuumim-pulsny drying of vegetable products of I.V. Popov [etc.] the Bulletin of Michurinsk state agricultural university.2008.№1.C. 60-65.
11. Patent No. 2551449, 27.05.2015. Rodionov Yu.V., Moulding ogees A.A., Nikitin D.V., Platitsin P. S. Two-level liquid ring machine Patent of the Russian Federation No. 2551449.2014. Bulletin 15.
12. Convective vacuum dryer. Shchegolkov A.V., Rodionov Yu.V., Grishin S.O., Kalinin V.F. patent for the invention of RUS 2560116 09.01.2013
13. Patent Russian Federation 2548230, 20.04. 2015. Rodionov Yu.V., Nikitin D.V., Zorin Ampere-second., Shchegolkov A.V., Dmitriyev V.M., Larionova E.P. The energy saving two-level dryer unit for plant materials. Patent of the Russian Federation No. 2548230.2013. Bulletin 11
14. Technology of a pererabotkipasternak, pumpkin and apples in powders for functional food. Rodionov Yu.V., Nikitin D.V., Danilin С.И.,Митрохин М.А., Утешев М.В., Мочалин Н.Н.,Родионов Ю.Ю. Проблемы agrarian and industrial complex of the region.2018. T.35.№3(35). Page 210-214
15. Liquid ring car Galkin P.A., Zorin A. S., Nikitin D.V., Nishcheva. And., Rodionov Yu.V., Sychyov M.V. patent for the invention of RUS 2492360 07.11.2011
