Влияние температурно-влажностных условий и способа обработки при хранении риса-зерна на его потребительские свойства Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

633.18:631.563

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ УСЛОВИИ И СПОСОБА ОБРАБОТКИ ПРИ ХРАНЕНИИ РИСА - ЗЕРНА НА ЕГО ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА

С.В. УСАТИКОВ, О.Л. МАЛЕЕВА

Кубанский государственный технологический университет

Практика хранения риса-зерна и научно-экспериментальные исследования в этой области показали, что важнейшими факторами, влияющими на сохранность зерна и его товароведно-технологические характеристики, являются влажность зерна, относительная влажность воздуха, температура зерновой массы и окружающей среды, доступ воздуха к зерновой массе, наличие плесневой микрофлоры, зараженность вредителями и продолжительность хранения [1-4]. Рис-зерно имеет ряд специфических физиологических и биохимических особенностей. В настоящее время изучены основные принципиальные связи между физико-химическими свойствами зерна и показателями его качества [5-9]. Активно ведутся исследования в области изучения влияния таких факторов, как температура, влажность, способ обработки перед хранением и длительность хранения на качество зерна риса и продуктов его переработки [4-11].

Сохранение товарного качества зерна риса, управление качеством и развитие современных способов его хранения требует разработки методов прогнозирования качества зерна на основе математического моделирования процессов распространения тепла и влаги в зерновой массе, а также процессов газообмена и жизнедеятельности живых компонентов зерновой массы. Анализ современного уровня теоретического описания совокупности процессов, протекающих при хранении зерновой массы риса, показал, что имеющееся математическое обеспечение не позволяет осуществлять моделирование, прогнозирование и мониторинг потребительского качества зерна риса. Не получил должного развития подход, учитывающий температурновлажностный режим как комплекс взаимосвязанных нестационарных пространственно неоднородных полей. Описание зерновок риса, представляющих собой живой организм, только физическими законами без учета биохимического фактора очень ограничено. Для изучения возможной длительности хранения риса, причин образования трещин в зерне и ряда других необходим учет нестационарности и градиентов полей температуры и влаги в зерне и межзерновом пространстве.

Перспективным представляется математическое моделирование тепломассообменных процессов в зерновой массе риса, определяющих его потребительские свойства, на основе синергетических методов анализа [12]. Зерно риса, как и других зерновых культур, представляет собой коллоидное капиллярно-пористое тело. Как показано в [12-14], зерновая масса является синергетически активной распределенной средой. В

работах [13, 14] предложена модель системы зерновая масса-стенки емкости-окружающая среда на основе теории многофазной фильтрации и синергетического подхода к мультистабильным активным средам с использованием источников тепло-, влаго- и газовыделе-ния как функций состояния зерновой массы (температуры, относительной влажности воздуха и концентрации кислорода в межзерновом пространстве и т. д.). После численного решения уравнений модели исследователь получает значения состояния системы, а именно значения температуры и влагосодержания зерновой массы, а также поле скоростей и химического состава межзерновой атмосферы в любой точке внутри емкости в заданные моменты времени.

При идентификации данной модели тепломассообмена для зерновой массы риса возникает необходимость в ряде эмпирических зависимостей, которым ранее в литературе уделялось незначительное внимание и это является задачей дальнейших исследований. Реализация модели в виде программного комплекса дает возможность, опираясь на результаты численного решения уравнений модели, прогнозировать изменение всхожести, общего выхода крупы, содержания целого ядра, пожелтевших зерен, стекловидности, трещиноватости и других товароведно-технологических характеристик зерна в процессе хранения. Эти величины, зависящие от состояния зерновой массы, не влияют на функции источников в зерновой массе или параметры уравнений модели и для экономии вычислительных ресурсов рассчитываются после решения основной системы уравнений модели. После этого решения потребительские качества риса-зерна определяются из регрессионных соотношений, полученных при статистической обработке экспериментальных данных.

В настоящей работе проведено экспериментальное исследование и идентификация регрессионных моделей связи потребительских свойств риса-зерна с полями температуры и влагосодержания зерновой массы в зависимости от времени, а также при технологии физико-химической консервации влажного зерна риса с использованием разбавленной пропионовой кислоты (ПК).

Для получения указанных регрессионных зависимостей проведено изучение изменений химического состава и товароведно-технологических свойств зерна риса сорта Лиман при хранении более 9 мес в различных температурно-влажностных условиях и атмосферном содержании кислорода. Экспериментальные данные получены в диапазоне температуры 10-30°С, относительной влажности воздуха 65-85%, влажности зерна 12,5-16,5%.

Для выявления (в линейном приближении) нескольких независимых факторов, определяющих ос-

тальные свойства риса, проведен факторный анализ данных. Рассмотрены следующие характеристики: содержание целого ядра для установления товарного сорта, плесневая и бактериальная микрофлора как показатель пищевой безопасности, всхожесть для физиологических свойств зерна риса, общий выход крупы, стекловидность и трещиноватость как технологические и определяющие потребительские свойства.

Методом главных компонент, нормализованным варимакс-вращением и по критериям Кайзера и «каменистой осыпи», показано, что существует 4 фактора и их по убыванию значимости можно трактовать следующим образом: 1 - время t, мес, с собственным числом 8,954690 и единственной значимой факторной нагрузкой -0,937025; 2 - влажность зерна W, %, с собственным числом 4,094644 и единственной значимой факторной нагрузкой 0,890860; 3 - температура T, ° С, с собственным числом 2,312973 и единственной значимой факторной нагрузкой -0,789410; 4 - пленчатость Pl, %, с собственным числом 2,218488 и наиболее значимой факторной нагрузкой 0,742436 (влияние влажности имело факторную нагрузку 0,430189).

Таким образом, аргументами регрессионных зависимостей (при содержании кислорода в межзерновом пространстве, равном атмосферному) должны являться указанные 4 фактора.

Методом наименьших квадратов определены параметры следующих регрессионных зависимостей: линейной множественной, квадратической, степенной, показательной и логистической. Выбор регрессионной модели производился по максимальному индексу корреляции R при возможно меньших числе параметров и уровне значимости а.

а

'■ъ

Рис. 1

Для трещиноватости Тг, %, квадратическая регрес -сия (рис. 1) имеет индекс корреляции Я = 0,99 и до 15% уровень значимости для всех факторов

Тг= -18982 -74,6 /" 60Т- 537 V" 2400Р1"

+ 9,3 IV2 - 70,4Р/2 - 0,1 Т" 4,3 /Р/ - 2ТШ- (1)

—1,7 ТР/+ 17 VPl.

Отметим, что 5%-й уровень значимости в (1) имеют коэффициенты только в слагаемых для Т, w, м>2, Т^,

шР1

Для содержания целого ядра Sd, %, квадратическая регрессия имеет индекс корреляции Я = 0,923 и менее 0,01% уровень значимости для времени, влажности и пленчатости:

б

Бё = 76,2" 0,574 ґ2 - 2,24 Ш " 1,34 ґРІ.

(2)

РБ=-

33,247

1

33,247- 5,3 5,3

ехр(-( 0,003 Т " 0,0137 Ш) ґ)

(3)

Б-

45,442

45,442 - 2,61 2,61

ехр(-(0,00122 Т " 0,021577 Ш)ґ)

(4)

Заметим, что показательная регрессия для плесневой и бактериальной микрофлоры дает близкие к (3) и (4) параметры по влажности и температуре.

В [13, 14] суммарное влияние динамики популяции каждого из возможных видов микроорганизмов в источниках тепла и вещества предложено учитывать с помощью скалярной величины Ь, характеризующей меру зараженности зерна микрофлорой. Значение Ь является характеристикой зараженности зерновой массы с точки зрения скорости потребления микроорганизмами ее питательных веществ. Стерильному зерну соответствует Ь = 0, зараженность Ь = 1 м-3 должна считаться нормальной для зерна, поступившего на хранение. Для оценки динамики зараженности плесневой и бактериальной микрофлорой выбрана модель Барано-го-Робинсона. Решение соответствующей задачи Коши имеет вид зависимости Кетле

Ъ=-

Для плесеневой микрофлоры РБ, КОЕ/г, модель Кетле (рис. 2, а) имеет индекс корреляции Я = 0,93 и менее 3,5% уровень значимости для всех параметров, кроме температуры (а = 35%):

Ътах - Ъ 0

Ъ„

(5)

ехр(-и)

где Ьо - мера зараженности при закладке на хранение; Ьтах - предель -ная численность микроорганизмов из-за ухудшения доступа к питательным веществам при увеличении их концентрации;/т - функция температуры и влажности зерна.

Следовательно, из (3) можно получить модель для плесневой микрофлоры риса (при атмосферном содержании кислорода)

Для бактериальной микрофлоры В, КОЕ/г, модель Кетле (рис. 2, б) имеет индекс корреляции Я = 0,98 и менее 1,5% уровень значимости для всех параметров, кроме температуры (а = 35%):

дРБ_

дґ

= ( 0,003Т " 0,0137Ш $РБ

1-

РБ

33,247

(6)

Аналогичное (6) соотношение для бактерий можно получить из (4). Уравнение (6) дополняет модель тепломассообмена при хранении зерна риса динамикой изменения зараженности зерновой массы плесневой микрофлорой.

Рассмотрим влияние способа обработки зерна риса перед хранением на активность окислительно-восстановительных ферментов, всхожесть и энергию прорастания, количественный и качественный состав микрофлоры. Технология физико-химической консервации влажного зерна риса с использованием разбавленной ПК дает положительный эффект [11]. Для консервации риса-зерна в течение 28 сут использовали ПК (ТУ 6-01989-90). Температурно-влажностные условия хранения: температура зерна в диапазоне 20-27°С, влажность 13-27%, при атмосферном содержании кислорода. Увеличения влажности зерна практически не происходило ввиду малого количества вносимой с консервантом воды. Активность окислительно-восстановительных ферментов зерна определяли: каталазы -по Баху и Опарину, пероксидазы - по интенсивности окисления пирогаллола. Адсорбцию ПК из водного раствора определяли экспериментально на зерне риса как твердом адсорбенте. Видовой состав поверхност-

Ъ

тах

1

1

б

а

40 о

"О (Л

10 4 30

КОЕ/г 2®

20

0

,-"И :

6

ч

ной микрофлоры исследуемых образцов риса-зерна перед увлажнением и обработкой разбавленным консервантом соответствовал доброкачественному зерну. Преобладали микроскопические грибы родов dadosporium и Alternaria, меньше было представителей родов Penicillium и Aspergillus.

Влияние внесения в зерновую массу разбавленной дистиллированной водой ПК (концентрация K от 0 до 100%) в аэрозольном состоянии при дозе 0,04% к массе зерна на жизнедеятельность плесневой микрофлоры может быть оценено регрессионной зависимостью Кетле (индекс корреляции R = 0,94, уровень значимости a < 0,02%, рис. 3, а)

PS =

34,15

34,15 - 7,766 7,766

.,(7)

exp#—#0,33T " 0,5 W - 0,071 K)/)

бактериальной микрофлоры (Я = 0,94, а < 1%, рис. 3, б)

B =

=______________________38,43_____________________(8)

38 43— 5 94 / ч

1 + ’ 594 ехр(-(03 + 0,41 ^ — 0,033К^)

Заметим, что показательная регрессия для плесневой и бактериальной микрофлоры дает близкие к (7) и (8) параметры по влажности и температуре.

Из (7) можно получить следующий вид модели влияния концентрации К на плесневую микрофлору риса:

дР8_

дt

= # 0,33T " 0,5 W - 0,071 K )PS

1—

PS

34,15

(9)

Уравнение (9) дополняет модель тепломассообмена при хранении зерна риса динамикой изменения зараженности зерновой массы микрофлорой при различных значениях концентрации разбавленной дистиллированной водой ПК.

ВЫВОДЫ

1. Проведено экспериментальное исследование и идентификация регрессионных моделей связи потребительских свойств риса-зерна с полями температуры и влагосодержания зерновой массы в зависимости от времени.

2. Факторным анализом экспериментальных данных об изменении химического состава и товароведно-технологических свойств зерна риса сорта Лиман выявлены независимые факторы (время, влажность, температура, пленчатость), определяющие (в линейном приближении) остальные свойства риса. При содержании кислорода в межзерновом пространстве,

равном атмосферному, аргументами регрессионных моделей должны являться указанные факторы.

3. Определены параметры следующих регрессионных зависимостей: линейной множественной, квадратической, степенной, показательной и логистической. Выбор модели произведен по максимальному индексу корреляции при возможно меньших числе параметров и уровне значимости. Получены регрессионные зависимости товароведно-технологических свойств риса (общий выход крупы, содержание целого ядра, плесень и бактерии, всхожесть, стекловидность и трещиноватость) от времени, полей температуры и влагосо-держания зерновой массы риса.

4. Для технологии физико-химической консервации влажного зерна риса с использованием разбавленной пропионовой кислоты получены регрессионные зависимости товароведно-технологических свойств риса (активность окислительно-восстановительных ферментов, всхожесть и энергия прорастания, количественный и качественный состав микрофлоры) от времени, полей температуры и влагосодержания зерновой массы, а также концентрации консерванта (при дозе 0,04% к массе зерна).

5. В модели процессов тепломассообмена в зерно -вой массе риса идентифицировано по регрессии Кетле уравнение Бараного-Робинсона изменения динамики зараженности плесневой и бактериальной микрофлорой. В технологии физико-химической консервации влажного зерна риса уравнение идентифицировано с учетом влияния концентрации разбавленной пропио-новой кислоты.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Администрации Краснодарского края, грант № 06-08-96614-р юг а.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хьюстон Д.Ф. Рис и его качество. - М.: Колос, 1976. -400 с.

2. Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. Биохимия зерна и хлебопродуктов. - СПб.: ГИОРД, 2005. - 521 с.

3. Егоров Г.А. Управление технологическими свойствами зерна. - Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2000. - 348 с.

4. Hu W., Akimoto K., Hamanaka D. Respiration and quality of rough rice under unsteady atmospheric conditions // J. Food Engg. - 2003. - 47. - № 2. - P. 427-435.

5. Champagne E.T., Thompson J.F., Tan E. Impact of storage of freshly harvested paddy rice on milled white rice flavor // Cereal Chemistry; St. Paul. - 2004. - 81. - № 4. - P. 444-449.

6. Lam H.S., Proctor A. Kinetics and mechanism of free fatty acid formation on the surface of milled rice // J. Food Chem. - 2002. -50.

- № 24. - P. 7161-7163.

7. Bao J.S., Cai Y.Z., Coike H. Mousture diffusion modeling of drying in parboiled paddy components. Pt 1 / Starchy endosperm // J. Food Engg. - 2006. - 41. - № 2. - P. 78-101.

8. Olmos A., Trelea I.C.,Cortuois F. Dinamic optimal control of bath rice drying process // Drying Techol. - 2002. -20. - № 7. -P. 1313-1345.

1

9. Нилова Л.П., Пилипенко Т.В. Влияние технологиче -ских факторов на минеральный состав рисовой крупы // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2001. - № 2. - С. 31-33.

10. Ngum Т., Hoang Ly N. Quality evaluation of long-term stored rice by pasting properties // J. Japan. Soc. Agr. Mach. - 2005. -67.

- № 4. - P. 105-112.

11. Росляков Ю.Ф., Русанова Л.А., Костенко О.Л. Срав -нительная оценка эффективности органических кислот как консервантов // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1996. - № 5-6. -С. 88-89.

12. Усатиков С.В., Шаззо А.Ю. Зерновая масса как синер-гетически активная среда // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2002.

- № 2-3. - С. 56-61.

13. Усатиков С.В., Шаззо А.Ю., Тивков М.А. Теоретические основы безопасного хранения зерновой массы // Сб. науч. тр. Междунар. пром. акад. Вып. III / Ред. В. А. Бутковский. - М.: ГИОРД, 2005. - С. 425-440.

14. Усатиков С .В., Шаззо А.Ю., Тивков М.А. Программ -ный комплекс для компьютерного моделирования тепломассооб -менных процессов при хранении зерновой массы // Там же. Вып. IV / Ред. В. А. Бутковский. - М.: ГИОРД, 2006. - С. 274-281.

Кафедра общей математики

Кафедра пищевой инженерии и высоких технологий

Поступила 10.05.07 г.

536.2

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НУЛЬ-ТЕРМОСТАТА

Т.А. ИСМАИЛОВ, О.В. ЕВДУЛОВ, Г.И. АМИНОВ, А.А. ГУБА

Дагестанский государственный технический университет

Современные тенденции развития систем производства, хранения и транспортировки продуктов в пищевой промышленности требуют совершенствования методов и средств контроля различных физических величин. Как правило, прецизионному контролю могут подлежать самые различные параметры, однако одна из наиболее часто измеряемых физических величин -температура. Важным элементом любой системы измерения температуры является температурный преобразователь - датчик, параметры и схема включения которого во многом определяют точность всей системы. Известны разные типы датчиков температуры, из них на практике чаще всего применяют различные разновидности резистивных и полупроводниковых датчиков, а также дифференциальные термопары, характеризующиеся высокой надежностью и точностью измерения. Последние изготавливаются из двух разнородных проводников и имеют два спая - измерительный и опорный. Измерительный спай приводится в тепловой контакт с объектом, температура которого подлежит измерению, а опорный - термостатируется, чаще всего при 0°С [1].

В связи с необходимостью точного термостатиро-вания опорного спая дифференциальных термопар, непосредственно связанного с точностью измерения температуры, большой интерес представляет проектирование приборов и комплексов, позволяющих поддерживать температуру помещенных в них объектов на определенном уровне с высокой точностью. Нами была спроектирована система термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар - термоэлектрический нуль-термостат, отличающийся простотой, надежностью функционирования, высокой точностью стабилизации температуры, улучшенными массогабаритными показателями.

Структурная схема термоэлектрического нуль-термостата приведена на рис. 1. Система состоит из внешней цилиндрической камеры 1, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, к верхнему основанию которой с внутренней стороны горячим спаем

присоединен термоэлектрический модуль 2. Холодный спай термоэлектрического модуля 2 находится в тепловом контакте с внутренней цилиндрической камерой 3, боковая стенка которой выполнена эластичной. Внутри камеры 3 находится рабочее вещество (дистиллированная вода) 4, в рабочем состоянии разделенное границей раздела фаз 5 на твердую и жидкую фазы, где в жидкой фазе свободно плавает кольцеобразный поплавок 6, изготовленный из материала, не смачиваемого жидкостью. В центре поплавка расположен опорный спай дифференциальной термопары 7, температура которого подлежит стабилизации. Выводы опорного спая термопары 7 через уплотнение 8 выведены из системы. Крепление опорного спая термопары 7 в центре поплавка 6 осуществляется посредством двух тонких капроновых ниток 9, закрепленных своими концами на самом поплавке и пересекающихся в его центре.

Принцип работы данной системы основан на неиз -менности температуры на границе раздела жидкой и твердой фазы вещества при его плавлении. В указан-