8XI МЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ УДК 664.059.9
Леу Анна Геннадьевна Leu Anna Gennadevna
Аспирант Graduate student
Национальный исследовательский университет ИТМО National Research University ITMO
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ КРАХМАЛОВ
Аннотация. Несмотря на хорошую статистику в последние годы по урожайности картофеля не весь урожай доходит до потребителя. Клубни при хранении подвергаются биохимическим процессам, вследствие чего возникает естественная убыль. Величина ее определяется интенсивностью этих процессов, например, при прорастании клубней усиливается их дыхание и испарение воды, в связи с чем, естественная убыль также возрастает. Дальнейшая переработка сохраненного урожая сопряжена с потерями крахмалсодержащего сырья при его дальнейшем использовании в продуктах питания из-за специфики используемых технологических процессов. Минимизация потерь ценного пищевого сырья может быть достигнута за счет переработки их в модифицированные крахмалы с использованием ресурсосберегающего оборудования.
Astract. Despite the good statistics in recent years on the yield of potatoes, not the entire crop reaches the consumer. During storage, tubers undergo biochemical processes, as a result of which a natural loss occurs. Its value is determined by the intensity of these processes, for example, when tubers germinate, their respiration and evaporation of water increases, and therefore, natural loss also increases. Further processing of the saved crop is associated with the loss of starch-containing raw materials during its further use in food products due to the specifics of the technological processes used.
92
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ The minimization of losses of valuable food raw materials can be achieved by processing them into modified starches using resource-saving equipment.
Ключевые слова, картофель, , естественная убыль, переработка, потери крахмалсодержащего сырья, минимизация потерь, модифицированные крахмалы,, ресурсосберегающее оборудование.
Key words: potatoes, natural loss, processing, losses of starch-containing raw materials, minimization of losses, modified starches, resource-saving equipment.
По данным Минсельхоза РФ, объем производства картофеля в 2020 году и в последующие годы представляется достаточным для удовлетворения всех потребностей населения. Специалистами этого ведомства также отмечено, что если в начале 2000-х годов российские аграрии производили около 3 млн т картофеля, то в 2015 году этот показатель поднялся до 7,5 млн т и после этого ни разу ниже 7 млн объем производства не падал, что позволяет надеяться достичь до 2025 года объем производства не менее 7,5 млн т, и гарантировать, во-первых, обеспечение индикаторов доктрины продовольственной безопасности, а во-вторых, надеяться на хорошие возможности для развития экспорта.
При хранении картофель поражается многими физиологическими и микробиологическими заболеваниями, которые вызывают появление актируемых потерь. Актируемые потери можно снизить до минимального предела, если в период выращивания создать условия, обеспечивающие получение продукции с хорошими защитными свойствами, а при уборке, товарной обработке, транспортировании и хранении — поддержание этой естественной устойчивости.
При дальнейшем хранении для обеспечения необходимого и достаточного уровня энергетического обмена в клубнях наряду с
XI МЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ продолжающимся синтезом крахмала происходит его гидролиз. Преобладание гидролитических или синтетических процессов зависит от температуры хранения и в меньшей мере от особенностей сорта. Чрезвычайно важно, таким образом, правильно выбирать режимы хранения собранного урожая [1].
Следующим этапом на пути следования картофеля «от поля до стола» является его механическая обработка, включающая очистку и резку. По существующим нормативам она допускает до 20% потерь его от массы. Очевидна необходимость совершенствования технологических приемов и аппаратов, используемых на этом этапе [2].
Одним из таких вариантов может быть устройство для нарезки пластинами картофеля для изготовления чипсов (рис.1).
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Из загрузочного бункера 1 происходит подача исходного материала в цилиндрический корпус 2 с выпускным отверстием 7, в котором установлен центробежный ротор 3. Ось вращения ротора 3 и цилиндрического корпуса 2 ориентирована горизонтально. Ротор 3 выполнен секционированным, каждая секция в плане, представляющая сектор окружности снабжена ножевой стенкой 4, которая срезает выступающий из загрузочного отверстия 1 пласт корнеплода. Поскольку ножевые стенки 4 закреплены на кромках, выполненных в обечайке ротора прямоугольных окон и обращенных острием к измельченному продукту при вращении ротора, то срезанная пластина попадает внутрь ротора 3.
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Рис. 1 - Устройство для нарезки картофеля
Это происходит в момент совмещения сектора ротора за счет вращения вокруг горизонтально расположенной оси с отверстием для подачи плодов и корнеплодов из загрузочного бункера 1. За счет того, что кромка с закрепленной ножевой стенкой 4 сопряжена со стороной плоской отбойной пластины 5, установленной под углом 30-35° к касательной, проведенной к обечайке ротора в точке закрепления ножевой стенки, она обеспечивает движение срезанной пластины вниз к оси вращения. Так как, с противоположной стороны отбойная пластина 5 прикреплена к осевому валу бук посредством радиально установленной стойки, она дополнительно ориентирует отрезанную пластину, не давая ей задерживаться в зоне резания. При повороте барабана на 180° окно с ножевой решеткой совмещается с выпускное отверстие 7, а измельченный продукт попадает на транспортер 8 для отгрузки.
Применение оборудования такой конструкции позволяет, обеспечить необходимое качество и геометрические размеры измельченной продукции, например получение ломтиков одинаковой толщины. Это важно, как при проведении дальнейшей переработки сырья при назначении режимов получения готовой продукции,
XI МЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ например, для приготовления чипсов одинаковых по толщине для контроля содержания используемого растительного масла, так и сокращение брака связанного с получением размеров заготовок чипсов, несанкционированных для автоматизации вспомогательных операций, например упаковки.
Ресурсосберегающие подходы по переработке картофеля часто использовуют средства тонкого, биотехнологического воздействия на вторичное пищевое сырье, непосредственно не вовлекаемое в процесс получения пищевых продуктов на том или ином этапе. Среди наиболее распространенного пути в этом направлении является получение модифицированных крахмалов.
Сегодня трудно представить себе рынок пищевых ингредиентов без веществ, используемых для повышения потребительских свойств продуктов питания. Как загустители, гелеобразователи и структурообразователи эта группа пищевых ингредиентов, успешно обеспечивает структурные характеристики и широко используется в кондитерской, молочной, хлебопекарной и мясоперерабатывающей промышленности. На данный момент на рынке пищевых добавок доминируют крахмалы, которые используются в основном как загустители. Они в весовом отношении составляют 72 %. При этом мировое производство всех видов модифицированных крахмалов в последние годы непрерывно растет. Потребности внутреннего рынка России в крахмале удовлетворяются менее чем наполовину, дефицит в крахмале составляет около 200 тыс. тонн. Импорт крахмала составляет: 75 % - нативного, около 80 % - модифицированного. Высокая доля импортной продукции на рынке России обусловлена в первую очередь слабой развитостью внутреннего производства модифицированных крахмалов (табл. 1).
Быстрое наращивание объемов производства
модифицированных крахмалов сопряжено с тем, что комитет
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ экспертов, объединённых под эгидой таких организаций, как Продовольственная и сельскохозяйственная организация при ООН (ФАО) и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендовал применять без ограничений лишь крахмалы, обработанные ферментативно. Другие же виды химически обработанных крахмалов нуждаются в дополнительном изучении.
Таблица 1. Объем производства крахмала в натуральном и
стоимостном выражении
Показатель 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Объем производства, тыс. тонн 145,5 159,1 173,0 173,0 197,0 212,5 79,9
Темпы роста, в % - 109 109 100 114 108 116
Объем производства, млрд. руб. 1,91 2,80 2,62 3,05 2,79 4,10 1,76
Темпы роста, в % - 147 94 116 92 147 138
В соответствии с проведенными исследованиями на данный момент нормативными документами в России допускаются к использованию в пищевой промышленности следующие виды модифицированных крахмалов:
Е 1400 - термически обработанный, Е 1401 - обработанный кислотой, Е 1402 - обработанный щёлочью, Е 1403 - отбеленный крахмал, Е 1404 - окисленный крахмал, Е 1405 - обработанный ферментными препаратами, Е 1410 - монокрахмалфосфат, Е 1411 - дикрахмалглицерин, Е 1412 - дикрахмалфосфат, Е 1413 - фосфатированный дикрахмалфосфат, Е 1414 - ацетилированный дикрахмалфосфат,
XI МЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ Е 1420 - ацетатный,
Е 1422 - ацетилированный дикрахмаладипат,
Е 1423 - дикрахмалглицерин ацетилированный,
Е 1440 - оксипропилированный,
Е 1442 - дикрахмалфосфат оксипропилированный,
Е 1443 - дикрахмалглицерин оксипропилированный,
Е 1450 - натриевой соли и крахмала октенилянтарной кислоты
эфир,
Е 1451 - ацетилированный окисленный.
Модифицированные крахмалы по вязкости их клейстеров делят на три группы: высоковязкие с рабочей концентрацией 6 %, средневязкие с рабочей концентрацией 7-12 % и низковязкие с рабочей концентрацией больше 15 %.
Реологические характеристики крахмала зависят от содержания в нем двух полимеров - амилозы и амилопектина. Их соотношение определяет способность крахмала растворяться при нагревании с образованием вязких коллоидных систем, называемых клейстерами.
Эти полимеры образуются при полимеризация молекул глюкозы, при этом амилоза имеет линейную структуру, и крахмал с высоким содержанием амилозы проявляет желирующие свойства, амилопектин же очень сильно разветвлен и вносит больший вклад в увеличение вязкости (рис.2) .
Известно, что крахмалы из разных источников сырья (картофель, кукуруза, рис, пшеница и т. д.) различаются по: форме и размерам гранул (от 3 до 100 мкм); соотношению и химической структуре молекул амилозы и амилопектина. По сравнению с другими видами крахмала картофельный имеет наиболее крупные зерна - от 15 до 100 мкм и содержит наименьшее количество примесей. Такой крахмал, состоящий из крупных зерен, отличается более высоким качеством. Значительным преимуществом картофельного крахмала перед другими
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ видами крахмалов является более высокая желирующая способность, прозрачность его клейстеров и повышенная их вязкость. Таким образом, эти свойства повышают реакционную способность картофельного крахмала, что особенно важно при получении различных модификаций. В отличие от зерновых, крахмал картофельный содержит пониженное количество белка и не содержит липидов. В сравнении с другими видами нативных крахмалов, картофельный обладает меньшей калорийностью и большим содержанием минеральных веществ. Энергетическая ценность 100 г картофельного крахмала (в ккал/кДж) - 299/1251 (для сравнения, у кукурузного - 329/1377).
а-М-итюидиис с»»
ОН он он
а)
он он
б)
Рис. 2 - Структура крахмала: а) амилозы; б) амилопектина
Повышение производительности и равномерности перемешивания нативного сырья и химическими реактивами может быть реализовано с помощью следующего предлагаемого устройства (рис.3), которое работает следующим образом [3].
XI МЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ Через загрузочный бункер 2 в зону измельчения поступает крахмалсодержащее сырье. Под действием полос 8, отдельные кусочки сырья поступают в промежуток между барабаном 4 и прижимом 6, где тонко измельчаются, одновременно обрабатываясь, поступающим через перфорацию терочного средства 5, химическим реагентом. Этот реагент поступает через канал 10 из емкости 11, при этом абразивные частички полос 8 разрушают практически все клетки, в которых содержатся крахмальные зерна. Степень измельчения или перетир обеспечивается регулированием расстояния между прижимом 6 и полосами 8, а также использованием абразивных частичек более мелкой фракции.
Рис. 3 - Устройство для измельчения крахмалсодержащего сырья
Измельченное сырье проходит через решетку 7 и собирается в поддоне 12, расположенном под устройством. Терочное средство 5 в предлагаемом устройстве выполнено из перфорированной стальной ленты. Предлагаемое устройство позволяет обрабатывать сырье необходимыми химическими реагентами при получении разных видов модифицированных крахмалов.
Ресурсосбережение при получении модифицированных крахмалов при тонкой, биотехнологической конверсии отходов его механической переработки предполагает специальное измельчение некондиционных, например, мелких корнеплодов. Важную роль в этих
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ процессах играет равномерность обработки сырья по объему и во времени его обработки химическими реагентами [4].
Равномерность перемешивания отдельных ингредиентов при производстве модифицированных крахмалов может быть достигнута при использовании процессов кавитации на устройстве, изображенном на рисунке 4.
Работает такое устройство следующим образом. Ингредиенты подаются на внешнюю стенку конического ротора 3, имеющего винтовую канавку, в которой производится финишная обработка готовой суспензии обеспечивающая интенсивную деполяризацию отдельных ингредиентов. Именно это обеспечивает высокую стабильность получаемого продукта. Для того чтобы обеспечить поступление в эту зону мелко диспергированных ингредиентов эмульсии ротор 3 размещаясь в корпусе ротора 4 опирается на подшипник 5 соединяясь с приводом 6 и электродвигателем 7.
Рис.4 - Устройство для стабилизации смеси ингредиентов
На корпусе ротора 4 установлен ультразвуковой излучатель 8, в виде двух встречно включаемых электромагнитных катушек. Генерируемое им ультразвуковое поле обеспечивает режим кавитации ингредиентов суспензии, с большой скоростью перемещающихся в
XI МЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ винтовой канавке ротора 3. Разбрызгивающаяся в зоне патрубка для отвода суспензия посредством регулятора 9, обрабатывается в магнитном поле необходимой для большей стабильности напряженности, что обеспечивается необходимым режимом магнитно-ультразвуковой обработки.
Основной задачей другого устройства (рис.5) является расширение функциональных возможностей устройства, включающих дополнительную обработку переработанного сырья химическими реактивами при производстве модифицированного крахмала. Работает оно следующим образом [5].
Подготовленное крахмалосодержащее сырье загружается через загрузочный бункер 7, вовнутрь корпуса 3 и по направляющей 4 поступает в рабочую зону. В рабочей зоне сырье продавливается через перфорацию и смачивается химическим реактивом 17. Нож 13, прилегая к рабочей поверхности сетки 11 и прессующего вала 12, удаляет частички перерабатываемого сырья. Разгрузочный шнек 14 внутри полого перфорированных ротора 5 и прессующего вала 12 удаляют крахмалосодержащий измельченный продукт в разгрузочный лоток 2.
Рис.5 - Устройство для совмещения процессов измельчения и обработки сырья химическим реагентом
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ При реализации процесса продавливания крахмалосодержащего сырья через перфорацию ротора 5 и прессующего вала 12, выделяемый крахмал соприкасается со смоченной в химическом реактиве сеткой 11. Сетка 11, проходя через ванну 6 между верхним опорным валиком 10 и прижимным валиком 9, упруго сжимается, а после этого, восстанавливая форму, впитывает химический реактив 17.
Для получения модифицированного крахмала с заявленными свойствами опробовано применение реагентов различных концентраций FeSO4 и Н202 для выяснения их влияния на изменение кислотности раствора после реакции ^1), условной (ВЗ-4) ^2) и относительной (ВПЖ-1) ^3) вязкости получаемого клейстера. Результаты испытаний удобно анализировать графически по построенным уравнениям регрессии рис.6 и рис.7 Сравнение полученных графиков говорит о существенной разнице во влиянии концентрации реагентов на условную вязкость, что дает основания для корректировки раствора для более полного удовлетворения требований предъявляемых к конечному продукту. Интерес представляют также точки пересечения различных зависимостей, которые определенным образом следует учитывать при построении процесса получения модифицированного крахмала.
20
у1(к}15
уВД
эо 0.0^ о.: е.: 5 о.:
концентрация масс.%
Рис. 6 - Влияние на основные свойства модифицированного крахмала концентрации FeSO4
XI МЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
О
о о.: о.: о.з о 4
концентрация, масс. %
Рис.7 - Влияние на основные свойства модифицированного крахмала концентрации Н202
Использование описанного устройства позволяет не только достаточно просто равномерно вводить химические реагенты в нативный крахмал, обеспечивая высокую производительность за счет соответствующего выбора диаметра отверстий перфорации и геометрических размеров рабочих органов, но и получать различные виды модифицированных крахмалов, выбирая необходимые химические реагенты и их концентрацию.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что предложенное устройство при использовании химических реагентов (Бе804 и Н2О2) позволило повысить эффективность процесса изготовления модифицированных крахмалов, показатели качества, которые соответствуют стандартам.
Описанные в статье конструктивные решения для нового технологического оборудования позволят существенно упростить процесс модификации нативного крахмала, получаемого из вторичного пищевого сырья, не вовлеченного в процесс получения основных картофелепродуктов.
Повышая ресурсосбережение при картофелепереработке они одновременно будут способствовать разнообразию поставляемой на
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ рынок пищевой продукции самого разного назначения - от заливных блюд до кондитерских изделий.
Библиографический список:
1. Leu A.G. Heat and mass transfer modeling during keeping bulk food raw materials in ferroconcrete storages. В сборнике: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. International Conference on Production and Processing of Agricultural Raw Materials. 2021. С. 062019.
2. Леу А.Г. Устройство для тонкого измельчения крахмалосодержащего сырья. Патент на полезную модель 204881 U1, 16.06.2021.
3. Леу А.Г. Измельчитель плодов и корнеплодов. Патент на полезную модель 198355 U1, 02.07.2020.
4. Леу А.Г. Устройство для приготовления белково-жировой эмульсии, Патент на полезную модель RU 194194 U1, 02.12.2019.
5. Леу А.Г. Устройство для изготовления модифицированных крахмалов. Патент на полезную модель 202984 U1, 17.03.2021.
© А.Г.Леу, 2021
