CC BY
20
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 664.769
РАЦИОНАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛИКОМПОНЕНТНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ СЕМЯН ЛЬНА
В. М. Зимняков, доктор экон. наук, профессор; О. Н. Кухарев, доктор техн. наук, профессор
ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ, Россия, т. +7 (8412) 628-359, e-mail: [email protected]
А. А. Курочкин, доктор техн. наук, профессор; Д. И. Фролов, канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВО ПензГТУ, Россия, т. +7 (8412) 49-56-99, e-mail: [email protected]
Представлены результаты экспериментальных исследований по обоснованию рациональных технологических параметров при производстве функционального поликомпонентного композита на основе семян льна. Объектом исследования являлась цельнозерновая смесь пшеницы и неизмельченных семян льна, которую подвергали экструдированию. В данном процессе были изучены факторы: массовая доля влаги в зерне пшеницы, содержание семян льна в экструдируемой смеси, массовая доля влаги в семенах льна. В качестве критерия оптимизации экструдата был принят его коэффициент взрыва. Полученные результаты свидетельствуют о том, что приемлемое значение коэффициента взрыва (индекса расширения), характеризующего качество вырабатываемого экструзионного продукта, может быть получено при использовании в виде наполнителя пшеницы с влажностью 14 %, отвечающей ГОСТ Р 52554-2006. При этом количество семян льна в обрабатываемой смеси должно составлять 20 %, а массовая доля влаги в них 37,0-42,0 %.
Ключевые слова: поликомпонентный композит, экструдат, зерно пшеницы, семена льна, коэффициент взрыва.
Введение.
Известно, что технологии производства некоторых пищевых продуктов включают процессы, не всегда положительно влияющие на здоровье человека. В первую очередь к ним относятся технологии производства рафинированных продуктов, свободных от так называемых «балластных веществ», к числу которых не всегда рационально относят целый ряд весьма ценных пищевых ингредиентов.
Например, в мукомольном производстве муку высшего сорта получают удаляя из продуктов помола зерна пшеницы ту часть, в которой содержится большая часть биологически активных компонентов, диетической клетчатки, витаминов группы В и минеральных веществ.
В технологии растительных масел их рафинирование способствует снижению в готовом продукте концентрации биологиче-
ски активных веществ и других ценных ингредиентов.
Таким образом, в угоду повышению сроков хранения и улучшению внешнего вида муки, растительного масла и других продуктов переработки сырья растительного происхождения их состав зачастую существенно обедняется.
Приведенные выше сведения в какой-то степени объясняют тот известный факт, что во многих регионах России в рационе питания населения наблюдается дефицит белка, полиненасыщенных жирных кислот, а также тех ингредиентов пищевых продуктов, которые удаляются из сырья растительного происхождения в процессе его переработки [8].
Следует отметить, что данная проблема достаточно сложна и многогранна, характеризуется сложной зависимостью от целого ряда факторов и не может быть
Нива Поволжья № 4 (45) ноябрь 2017 157
решена простыми методами и за короткий период времени.
Одним из рациональных и экономически обоснованных способов решения отдельных аспектов указанной проблемы является разработка поликомпонентных пищевых композитов, добавка которых в регулярно потребляемые продукты будет обогащать их ингредиентами, необходимыми для физиологически приемлемого питания людей.
В многочисленных работах, выполненных в последние годы, показано, что в качестве основы для таких композитов может быть использовано растительное сырье с высоким содержанием липидов, белков и клетчатки (семена льна, расторопши пятнистой, тыквы, кунжута и др.) [1-3, 6, 7].
Семена льна с оболочкой являются хорошим источником липидов (содержат примерно 40 %), углеводов (30 % и меньше), а также полноценного белка (25 % и больше). Причем эти нутриенты в семенах очень хорошо сбалансированы [9].
В отличие от других семян масличных культур, оболочка семян льна содержит незначительное количество целлюлозы (не более 18 % в пересчете на сухое вещество) и относительно большую концентрацию слизей - легко диспергирующихся в воде углеводов [10].
В современных технологиях продуктов питания в качестве пищевой добавки функционального назначения семена льна применяются в виде муки, масла, шрота, а также в нативном виде.
Опираясь на опыт применения экстру-датов семян тыквы и расторопши при разработке пищевых добавок функционального назначения, можно предположить, что разработка подобного пищевого композита на основе целых семян льна представляется весьма актуальной задачей.
Вместе с тем реализация этой гипотезы на практике сталкивается с известным для специалистов в области экструзионных технологий фактом - растительное сырье с относительно высоким содержанием липи-дов и клетчатки в нативном виде экструди-ровать достаточно сложно, а получить в таких условиях экструдат хорошего качества практически невозможно.
Как показывают наши исследования, функциональные композиты на основе такого сырья можно получать путем его совместного экструдирования с высококрахмалистым компонентом, например с зерном пшеницы. При этом установлено, что в полученных по такой технологии экструда-тах сохраняются практически все полезные
для человека свойства сырья, из которого они произведены.
Следует также отметить, что повышение эффективности производства таких экструдатов связано как с совершенствованием технологических параметров экс-трузионного процесса, так и с разработкой технических средств для его реализации [4, 5, 8].
Целью работы является обоснование рациональных технологических параметров сырья при производстве функционального поликомпонентного композита на основе семян льна.
Методика исследований.
Исследования выполнялись с помощью одношнекового пресс-экструдера КМЗ-2У, дополнительно оснащенного вакуумной камерой [4].
Объект исследования - смесь неиз-мельченных зерен пшеницы и семян льна, которую подвергали экструдированию в течение 15-20 с при температуре 100-105 °С с дальнейшим воздействием на составляющие компонеты пониженным давлением при выходе из фильеры матрицы (0,05 МПа). Шнек пресс-экструдера вращался с частотой вращения 7,5 с-1. В процессе реализации эксперимента применялась фильера матрицы экструдера с диаметром, равным 4 мм. На выходе из фильеры матрицы машины экструдат разрезался на частицы длиной 0,8-1,0 мм.
Для реализации эксперимента были выбраны факторы: массовая доля влаги в зерне пшеницы - В1 (%), массовая доля влаги в семенах льна - В2 (%), содержание семян льна в экструдируемой смеси - М (%). В качестве критерия оптимизации полученного экструдата был выбран коэффициент взрыва (индекс расширения экс-трудата) - В (безразмерная величина).
Как известно, с помощью регрессионной модели можно получить информацию о любом технологическом процессе и способах управления им. При этом такая модель, в частности для процесса экструди-рования, позволит оценить степень и характер влияния каждого из факторов на выходную величину, а также оптимизировать его основные конструктивно-технологические параметры.
Поиск оптимальных условий протекания процесса экструдирования обычно проводится при неполном знании механизма изучаемого процесса. В этих условиях представление неизвестной исследователю функции отклика (коэффициента взрыва) в виде полинома второй степени представляется наиболее удобным вследствие
того, что решаемая задача связана с изучением механизма изучаемого процесса и его оптимизации.
В связи со значительным числом проведения опытов для реализации полнофакторного плана эксперимента, что в определенной мере затрудняет и делает более затратной реализацию плана эксперимента, было использовано свойство компо-зиционности планов. В качестве основной стратегии в эксперименте использовалось центральное композиционное униформ-ротатабельное планирование. При таком планировании эксперимент включал в себя полный факторный план типа 23 с числом опытов, равных восьми (область А); шести опытов в «звездных точках» (область Б), а также шести опытов в центре плана (область В). Эксперимент был проведен в трехкратной повторности. В таблице приведен план эксперимента в натуральных факторах и его результаты.
План эксперимента в натуральных факторах и его результаты
Результаты исследований.
Полученные в результате реализации эксперимента данные обрабатывались с помощью прикладной программы Statistika 6.1 с целью получения математической модели исследуемого процесса в виде полинома второй степени.
Модель (1) характеризует функциональную зависимость коэффициента взрыва экструдата (KV) от содержания семян льна в экструдируемой смеси (M), массо-
вой доли влаги в перерабатываемом зерне пшеницы (B1) и семенах льна (B2):
KV 20,363 0,335655M 0,0029M2
1,8751 0,05362B12 0,306754B2 (1) 0,00361B22 0,0125B1 0,001MB2
При этом следует отметить, что качество приведенной модели характеризуется высокой силой связи между переменными (R=0,95) и высоким уровнем доверия (p<0,0005). Учитывая значение коэффициента детерминации, равного 0,90, можно утверждать, что в данной математической модели 90 % изменчивости вносят зависимые переменные и только 10 % - это ошибка модели.
На первом этапе анализа полученной модели могут быть сделаны следующие выводы:
- наибольшее влияние на величину коэффициента взрыва полученного экстру-дата оказывает влажность зерна пшеницы, а наименьшее - массовая доля влаги в семенах льна;
- анализируемые показатели экструзи-онного процесса влияют на коэффициент взрыва ( KV ) криволинейно с направлением ветвей, характерным для параболы с максимумом, на что указывает отрицательный знак при квадратичных членах уравнения.
С целью более детального изучения свойств поверхности отклика вблизи оптимума нами было выполнено преобразование полученной математической модели. Чтобы точнее определить влияние двух факторов на критерий оптимизации, поверхность отклика представляли с помощью двумерных сечений.
Зависимость коэффициента взрыва от содержания в экструдируемой смеси семян льна (M) и массовой доли влаги в зерне пшеницы (B1) описывает уравнение (2), характеризующее поверхность отклика и имеющее вид
KV 13,462 0,2827M 1,807551
2 , (2) 0,0025M2 0,0125MB1 0,0514B12
В графическом виде уравнение показано на рисунке 1. При этом цифры характеризуют значения коэффициента взрыва экструдата в анализируемых областях двумерных сечений. Из приведенного рисунка следует, что высокие значения коэффициента взрыва получаемого экстру-дата находятся в интервале 14,0-28,0 % семян льна в смеси, а для второго фактора (B1) - 13,0-17,8 %.
Зависимость коэффициента взрыва экструдата от содержания в экструдируе-
Область экспериментов Значение натурального фактора Значение коэффициента взрыва (KV)
М В1 В2
А 30 16,0 40,0 2,5
30 16,0 30,0 2,5
30 12,0 40,0 2,6
30 12,0 30,0 2,3
20 16,0 40,0 3,2
20 16,0 30,0 2,8
20 12,0 40,0 2,5
20 12,0 30,0 2,4
Б 25 14,0 43,4 3,0
25 14,0 26,6 2,3
25 17,4 35,0 2,4
25 10,6 35,0 2,2
33,41 14,0 35,0 2,6
16,59 14,0 35,0 2,8
В 25,00 14,0 35,0 3,0
25,00 14,0 35,0 2,9
25,00 14,0 35,0 2,9
25,00 14,0 35,0 3,0
25,00 14,0 35,0 2,9
25,00 14,0 35,0 3,0
Нива Поволжья № 4 (45) ноябрь 2017 159
мой смеси семян льна (М) и массовой доли влаги в них (В2) описывает уравнение (3), характеризующее поверхность отклика и имеющее вид
XV 3,2994 0Д183М 0,2475В2
2 2 (3)
0,0021М2 0,001МВ2 0,0028В22
Графическая интерпретация уравнения (3) приведена на рис. 2.
Анализ уравнения (3) и поверхности отклика показывает, что коэффициент взрыва экструдата находится на достаточно высоком уровне при содержании в смеси семян льна в интервале 14,0-26,3 % и их влажности, равной 35,0-46,0 %.
Рис. 2. Двумерное сечение (трехмерная карта линий уровня), характеризующее зависимость коэффициента взрыва от содержания в экструдируемой смеси семян льна (M)
и массовой доли влаги в них (B2)
Зависимость коэффициента взрыва от содержания массовой доли влаги в зерне пшеницы (В1) и семенах льна (В2) описывает уравнение (4), характеризующее поверхность отклика и имеющее вид XV 13,1405 1,5072В1 0,2616В2
2 2 (4)
0,0518В12 0,0033В22 Графическая интерпретация данного уравнения представлена на рис. 3.
Коэффициент взрыва экструдата существенно увеличивается при повышении влажности обрабатываемого сырья и имеет значение, близкое к максимальному, полученному в эксперименте (3,2 %), при содержании массовой влаги в зернах пшеницы 13,5-15,2 % и семенах льна 32,246,0 % что подтверждает полученное уравнение (4).
Итоги проведенных исследований показывают крайне значимую в практическом плане закономерность: с уменьшением массовой доли влаги в семенах льна (примерно с 32,0 %), процесс экструдирования смеси ухудшается, и соответственно коэффициент взрыва получаемого экструда-та уменьшается.
Координаты центральной точки зон с коэффициентом взрыва 3,0 и больше для трех построенных двумерных сечений (рис. 1, 2 и 3) соответственно равны М = 20,0 %, В1 = 15,0 %; М = 20,0 %, В2 = 42,0 %; В1 = 14,5 %, В1 = 39,0 %.
В связи с тем, что зона с оптимальными значениями коэффициента взрыва экструдата позволяет использовать зерно пшеницы с массовой долей влаги 14 %, соответствующей по ГОСТ Р 52554-2006 техническим условиям, можно сделать вывод о том, что для получения поликомпонентного экструдата на основе семян льна массовая доля воды в этом ингредиенте может находиться в пределах 34,0-42,0 %.
Следующим этапом анализа полученной модели была оценка зависимостей коэффициента взрыва экструдата от массовой доли влаги в семенах льна (В2).
С этой целью при зафиксированной на одном уровне массовой доли влаги в зерне пшеницы B1=14 % было изучено влияние на коэффициент взрыва экструдата содержания в экструдируемой смеси семян льна (M) в количестве 20, 30 и 35 % (рис. 4).
KV 20,363 0,335655M 0,0029M2
1,87 14 0,053622 142 0,306754В2 (5)
0,0036LB22 0,0125 M 14 0,001MB2
При B1=14 %; M=20 %
KV 0,286754B2 0,00361B22 2,63816 (6)
При B1=14 %; M=30 %
KV 0,276754B2 0,00361B22 2,48161 (7)
При B1=14 %; M=35 %
KV 0,271754B2 0,00361B22 2,620835 (8)
Рис. 3. Двумерное сечение (трехмерная карта линий уровня), характеризующее зависимость коэффициента взрыва от содержания массовой доли влаги в зерне пшеницы (B1) и семенах льна (B2)
Нива Поволжья № 4 (45) ноябрь 2017 161
Рис. 4. Гоафики зависимостей коэффициента взрыва от массовой доли влаги в семенах льна (B2)
Как видно из графиков, наибольший коэффициент взрыва экструдата смеси зерна пшеницы и семян льна можно получить при содержании в нем 20 % семян льна с массовой долей воды в них 37,0-42,0 %. При этом дальнейшее снижение содержания семян льна в экструдируемой смеси отрицательно влияет на коэффициент взрыва экструдата. Вероятнее всего, это связано с недостаточным количеством воды в смеси (16,0-16,5 %).
При увеличении в экструдируемой смеси количества семян льна до 35 % массовая доля влаги в ней возрастает до 18,619,6 %.
Выводы. Таким образом, на коэффициент взрыва экструдата при производстве поликомпонентного композита на основе семян льна определяющее влияние оказывает содержание основного ингредиента экструдируемой смеси и содержание в нем массовой доли влаги. Для получения такого композита в качестве наполнителя следует использовать зерно пшеницы с массовой долей влаги 14,0 %, соответствующей по ГОСТ Р 52554-2006 техническим условиям. При этом условии наиболее высокий коэффициент взрыва экструдата можно получить при содержании в нем 20,0 % семян льна с массовой долей влаги 37,0-42,0 %.
Литература
1. Воронина, П. К. Полифункциональный композит с повышенным содержанием пищевых волокон / П. К. Воронина, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 4. - С. 65-71.
2. Курочкин, А. А. Экструдаты из растительного сырья с повышенным содержанием липидов / А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова, Д. И. Фролов, П. К. Воронина // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2014. - № 4. - С. 70-74.
3. Курочкин, А. А. Моделирование процесса получения экструдатов на основе нового технологического решения / А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова, Д. И. Фролов, П. К. Воронина // Нива Поволжья. - 2014. - № 1(30). - С. 70-76.
4. Курочкин, А. А. Системный подход к разработке экструдера для термовакуумной обработки экструдата / А. А. Курочкин // Инновационная техника и технология. - 2014. - № 4 (01). - С. 17-21.
5. Курочкин, А. А. Теоретическое обоснование термовакуумного эффекта в рабочем процессе модернизированного экструдера / А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова, Д. И. Фролов, П. К. Воронина // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 3. - С. 14-20.
6. Курочкин, А. А. Функциональный пищевой композит из смеси зерна пшеницы и семян льна / А. А. Курочкин // Инновационная техника и технология. - 2016. - № 3 (08). - С. 27-33.
7. Курочкин, А. А. Экструдаты из растительного сырья с повышенным содержанием липидов и пищевых волокон / А. А. Курочкин, П. К. Воронина, Г. В. Шабурова, Д. И. Фролов //Техника и технологии пищевых производств. - 2016. - Т. 42, № 3. - С. 104-111.
8. Курочкин, А. А. Теоретическое обоснование применения экструдированного сырья в технологиях пищевых продуктов: монография / А. А. Курочкин, П. К. Воронина, Г. В. Шабурова. - М.: ИНФРА-М, 2017. - 163 с.
9. Миневич, И. Э. Разработка технологических решений переработки семян льна для создания функциональных пищевых продуктов: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.18.01 / Миневич Ирина Эдуардовна. - М., 2009. - 27 с.
10. Щербаков, В. Г. Биохимия и товароведение масличного сырья / В. Г. Щербаков, В. Г. Лобанов; Кубанский государственный технологический университет. - М.: КолосС, 2012. - 392 с.
UDK 664.769
RATIONAL TECHNOLOGICAL PARAMETERS IN THE PRODUCTION OF MULTICOMPONENT COMPOSITE BASED ON FLAX SEEDS
V. M. Zimnyakov, doctor of economic sciences, professor;
O. N. Kukharev, doctor of technical sciences, professor
FSBEE HE Penza SAU, Russia, t. +7 (8412) 628-359, e-mail: [email protected]
A. A. Kurochkin, doctor of technical sciences, professor;
D. I. Frolov, candidate of technical sciences, associate professor
FSBEE HE Penza STU, Russia, t. +7 (8412) 49-56-99, e-mail: [email protected]
The article deals with the results of experimental studies to substantiate rational technological parameters in the production of a functional polycomponent composite based on flax seeds. The object of the study was a whole grain mixture of wheat and unmilled flax seeds, which was extruded. In this process, the following factors were studied: the mass fraction of moisture in the wheat grain, the content of flax seeds in the extruded mixture, and the mass fraction of moisture in the flax seeds. As a criterion for optimizing of the extrudate, its explosion coefficient was adopted. The obtained results indicate that an acceptable value of the explosion coefficient (expansion index) characterizing the quality of the extruded product produced can be obtained by using as a filler of wheat with a moisture content of 14% corresponding to the technical specifications for this crop. While the amount of flax seeds in the treated mixture should be 20%, and the mass fraction of moisture in them should be maintained within 37.042.0 %.
Key words: multicomponent composite, extrudate, wheat grain, flax seed, coefficient of the explosion.
References:
1. Voroninа, P. K. Multifunctional composite with a higher content of dietary fiber / P. K. Voroninа, A. A. Kurochkin, G. V. Shaburova // Izvestiya of the Samara State Agricultural Academy. - 2015. - № 4. -P. 65-71.
2. Kurochkin, A. A. Extrudates from vegetable raw materials with a high content of lipids / A. A. Kurochkin, G. V. Shaburova, D. I. Frolov, P. K. Voronina // Izvestiya of the Samara State Agricultural Academy. - 2014. - No. 4. - P. 70-74.
3. Kurochkin, A. A. Modeling of the process of obtaining extrudates based on new technological solutions / A. A. Kurochkin, G. V. Shaburova, D. I. Frolov, P. K. Voronina // Niva Povolzhya. - 2014. - No. 30. - P. 70-76.
4. Kurochkin, A. A. A systematic approach to the development of thermal vacuum extruder for processing of the extrudate /A. A. Kurochkin // Innovative machinery and technology. - 2014. - No. 4 (01). -P. 17-21.
5. Kurochkin, A. A. Theoretical reasoning for the thermal vacuum effect in the workflow of the upgraded extruder / A. A. Kurochkin, G. V. Shaburova, D. I. Frolov, P. K. Voronina // Izvestiya of the Samara State Agricultural Academy. - 2015. - No. 3. - P. 14-20.
6. Kurochkin, A. A. Functional food composite from a mixture of wheat and flax seeds / A. A. Kurochkin // Innovative machinery and technology. - 2016. - № 3 (08). - P. 27-33.
7. Kurochkin, A. A. The extrudates from vegetable raw materials with a high content of lipids and dietary fibers / A. A. Kurochkin, P. K. Voronina, G. V. Shaburova, D. I. Frolov // Equipment and technologies for food production. - 2016. Vol. 42. - No. 3. - P. 104-111.
8. Kurochkin, A. A. The theoretical reasoning for using the extruded raw materials in food technology of foodstuffs: monograph / A. A. Kurochkin, P. K. Voronina, G. V. Shaburova. - M.: INFRA-M, 2017. - 163 p.
9. Minevich, I. E. Development of technological solutions for the processing of flax seeds for the making functional food products: author. dis.... cand. tech. sciences: 05.18.01 /Minevich Irina Eduar-dovna. St. M., 2009. - 27 p.
10. Shcherbakov, V. G. Biochemistry and commodity of oilseed raw materials / V. G. Shcherbakov, V. G. Lobanov; Kuban state technological University. - M.: KolosS, 2012. - 392 p.
Нива Поволжья № 4 (45) ноябрь 2017 163
