Така ситуація може мати місце лише при відсутності дифузійних процесів всередині частинки сировини. Наближення до такої ситуації можливе при малих розмірах частинок (менше 0,5 мм). При врахуванні внутрішньої дифузії речовин у частинках задача математичного опису процесу ускладнюється залежністю концентрації мальтози від координати всередині частинки. Отримані відповідні громіздкі математичні вирази тут не наводяться.

Заключною стадією процесу екстракції є зовнішня дифузія з поверхні частинок сировини в екстрагент. Закономірності цього процесу визначаються гідродинамічними умовами взаємодії сировини й екстрагента. Якщо рух середовища відносно частинок практично відсутній (як це має місце, наприклад, на етапі затирання під час виробництва пива), то відбувається процес молекулярної дифузії, який можна описати звичайними методами математичної фізики. При наявності руху середовища відносно частинок відбувається конвективне перенесення ЕР з поверхні частинок у середовище, інтенсивність якого залежить від режиму течії екстрагента. Отримані відповідні громіздкі математичні вирази тут не наводяться.

Далі було розроблено математичну модель процесу приготування відварів із зернової сировини, в якій враховуються всі стадії екстрагування - набрякання зерен, ферментативний гідроліз, розчинення продуктів гідролізу, що утворилися, внутрішня і зовнішня дифузія розчинених ЕР.

Обгрунтувано можливість часткової (30%) заміни ячмінного солоду на зернове сорго під час приготування пивного сусла, яка була реалізована в пивоварстві України. Ця заміна є економічно вигідною, оскільки ячмінний солод є дорогою і дефіцитною сировиною під час виробництва пива. Оскільки зерна сорго набрякають значно повільніше, ніж частинки солоду, то для прискорення ферментативного гідролізу крохмалю в зернах необхідно вводити додатково певні ферментні препарати з відповідним видом активності. Ця задача була успішно промодельована і розв'язана експериментальним шляхом.

Далі було дано обґрунтування доцільності застосування напівбезперервної екстракції на підприємствах харчування і кондитерської промисловості, що дозволяє істотно підвищити вихід ЕР під час виробництва різноманітних харчових добавок. Цей спосіб екстрагування полягає в тому, що одним з елементів технологічного процесу є завантаження в екстрактор спеціально підготовленої рослинної сировини, через прошарок якої потім проходить безупинним потоком екстрагент.

Удосконалено процес приготування пивного сусла на основі проведених досліджень кінетики різних стадій етапу затирання - набрякання частинок здрібненої зернової сировини, ферментативного гідролізу крохмалю і частини білків у зерні й екстракції продуктів гідролізу з частинок сировини. Було запропоновано застосування безупинного протитокового екстрактора на етапі затирання, що створює оптимальні умови для процесу набрякання. Для збільшення тривалості контактування зернової сировини з водою було вмонтовано реактор-змішувач, призначений для перемішування висококонцентрованих суспензій. Встановлено раціональний температурний режим процесу одержання сусла (?55?С). Широкомасштабне впровадження нового способу затирання в безупинному протитоковому екстракторі дозволяє одержати значний економічний ефект завдяки скороченню тривалості технологічного процесу, усуненню простоїв обладнання і зниженню трудових витрат через можливість автоматизації управління процесом.

5. Теоретичні основи розробки прогресивного процесу охолодження пива

Описано розроблений спосіб охолодження пива проміжним кремнійорганічним холодоносієм - олігофторорганосилоксановою рідиною ФС-Т-5 промислового виробництва. Цей холодоносій практично задовольняє всьому комплексу вимог до речовини даного призначення, і його використання забезпечує надійну й довговічну роботу апаратів охолодження. Пиво з початковою температурою t1 надходить самопливом або за допомогою ручного насоса в змійовик охолодження і на його виході має температуру t1; з технологічних міркувань доцільно встановити такі значення цих параметрів: t1 = +30?С; t1 = + 5?С. Змійовик занурений у ємність, заповнену кремнійорганічним холодоносієм, який за допомогою циркуляційного насоса прокачується через ванну з певною розрахунковою швидкістю; середня температура холодоносія:

.

Була обрана з технологічних і технічних міркувань і підтримується у випарнику холодильної машини, яка працює на озонобезпечному хладоні R134А. Застосування цих видів холодоносія та холодоагенту забезпечує повну екологічну чистоту запропонованого процесу охолодження пива. Для раціонального вибору холодильної машини та циркуляційного насоса був проведений повний тепловий і гідравлічний розрахунок системи охолодження.

При тепловому розрахунку апарата використовувалися отримані порівняно недавно дані про теплофізичні властивості кремнійорганічної рідини ФС-Т-5 при знижених температурах. Далі на основі гідравлічного розрахунку циркуляційного контура холодоносія за відомою методикою визначалися повні витрати тиску - 2033Па, причому 94% припадає на випарник холодильної машини. Циркуляційний насос має створювати напір 0,18 м і мати потужність приводу не менше 10Вт. Ці характеристики забезпечуються багатьма типами насосів, і конкретний вибір придатного насоса для апарата, що розглядається, є досить широким. Показник питомих енерговитрат на одиницю продукції (охолодженого пива) при повній споживній потужності апарата 0,3кВт і вказаній вище його продуктивності становить . Цей показник є нижчим, ніж для більшості існуючих апаратів охолодження напоїв.

Відзначені переваги запропонованого способу охолодження пива проміжним кремнійорганічним холодоносієм - висока енергоекономічність, екологічна чистота, експлуатаційна надійність, довговічність, широкий температурний інтервал охолодження пива і безперервний режим роботи - мають зумовити його широкомасштабне впровадження на численних підприємствах торгівлі та харчування, що реалізують охолоджене пиво населенню України, зі значним очікуваним економічним і соціальним ефектами.

6. Математичне моделювання окремих процесів під час розробки спеціальних харчових технологій

Наведено результати оптимізації технологічного режиму деяких процесів під час приготування нових комбінованих продуктів. Зокрема, теоретично обгрунтовано спосіб модифікації драглеутворювачів вітчизняного виробництва (білкової природи - желатин; полісахаридної - агар, агароїд, фурцеларан, карагінан) додаванням альгінату натрію і хлориду кальцію в раціональних концентраціях, що дає змогу зменшити витрати драглеутворювачів у кондитерському виробництві. Були проведені дослідження міцності гелів полісахаридів у присутності поліатомних спиртів (ПАС) і солей органічних кислот (СОК), а також їх сполучень. Математичне опрацювання отриманих експериментальних результатів здійснювалося методом сплайнової інтерполяції функцій багатьох змінних; доповнені теоретичним шляхом значення міцності гелів зіставлялися з отриманими в експерименті. Було показано, що міцність драглів при сукупному введені ПАС і СОК значно вище порівняно зі зразками, що містять лише СОК або ПАС, незалежно від природи солі або спирту. При цьому максимальні значення міцності драглів досягалися в різних інтервалах концентрацій добавок. Так, залежність міцності (Р) 2% драглів фурцеларану від концентрацій гліцерину (Сгл) та лактату натрію (Слн) може бути промодельована поліномом другого степеня

Р = b0 (Слн) + b1 (Слн) C - b2 (Слн) C2.(21)

Математичне моделювання процесів з метою встановлення оптимальних концентрацій обраних добавок проводилася з використанням комп'ютерної математики. Рішення поставленої задачі для систем із двома технологічними параметрами (Х - відносна концентрація солі, Y - відносна концентрація спирту) з урахуванням вимоги до рецептурної суміші звелося до визначення форми нелінійного зв'язку в трьохмірному просторі.

Таблиця 2. Параметри статистичної моделі міцності 2% драглів фурцеларану

Аналіз характеру зміни функцій показав, що для всіх одержаних функцій, які моделюють міцність драглів, існують виражені екстремуми в зоні значень параметрів: 0,036 М Х 0,072 М; 0,033 М Y 0,084 М, що відповідає концентрації СОК від 0,4 до 1% і ПАС від 0,4 до 0,8%.

Параметри, що визначають поверхню відгуку, є статистично значущими. Рівняння поверхні адекватно співвідноситься з результатами експерименту - похибка не перевищує 5%. Вказані результати досліджень були використані під час розробки нової технології приготування желейних виробів.

Желатин найчастіше використовується в підприємствах харчування як гелеутворювач, стабілізатор емульсій і пін. Був досліджений вплив добавок лактату натрію (ЛН), цитрату натрію (ЦН), ацетату натрію (АН) на міцність желатинових драглів і встановлено їх зміцнювальний ефект (до 35%); спільне введення багатоатомних спиртів і солей органічних кислот призводить до подальшого зміцнення драглів. Залежність міцності желатинових драглів від концентрації добавок має нелінійний характер. Так, міцність (Р) 3 % драглів желатину залежно від концентрацій ЛН (Слн) та ГЛ (Сгл) може бути адекватно промодельована функцією виду:

Р = р0 (Сгл )+ р1 (Сгл )Слн + р2 (Сгл)Слн2. (22)

Параметри р0 (Сгл), р1 (Сгл), р2 (Сгл) цієї залежності, а також результати статистичного моделювання наведено в табл. 3.

Таблиця 3. Параметри статистичного моделювання залежності міцності 3% драглів желатину від концентрації лактату натрію

Дослідження отриманих експериментальних даних методами багатомірного статистичного аналізу показало, що виражений екстремум функції двох змінних знаходиться в зоні 0,02…0,04 М для гліцерину, 0,07…0,5 М для ЛН і 0,03…0,06 М для сорбіту. Оптимальна концентрації гліцерину становить 0,02 М або 0,2% . Ксиліт варто вводити в концентраціях вище 0,1 М, сорбіт - вище 0,04 М.

Встановлено раціональний режим очищення рослинної олії з застосуванням бентонітового адсорбенту - палигорскіту черкаського: температура олії - 50 5?С, кількість адсорбенту - 5…10% маси олії, тривалість контактування олії з адсорбентом - 600…900 с. Розглянуто проблеми удосконалення обладнання для одержання ароматизаторів з ефірномасляних дикорослих рослин.

Запропоновано також новий спосіб виділення білків молока, який дозволяє регулювати структурно-механічні властивості (СМВ) і консистенцію білка молочного харчового (БМХ), отриманого термокислотною коагуляцією. Спосіб полягає у виборі раціонального температурного режиму змішування молока і сироватки при зниженні температури коагуляції. Експериментально показано, що білок з поліпшеними властивостями отримується при температурі 80…85С. Встановлено оптимальний режим одержання білково-жирових емульсій; зокрема, при рН 5,6...6,0 максимальна в'язкість відзначена при концентрації жиру 10…13%, а при рН 6,5…7,0 - при 20…25%.

Проведено оптимізацію процесу піноутворення копреципітату. Методами статистичного моделювання було доведено, що з достатнім ступенем адекватності залежність піноутворюючої здатності (F1 ,%) і стійкості піни (F2,%) від параметрів Х1 (температура коагуляції, °С) і Х2 (вологість, %) можна описати нелінійною функцією відгуку виду

Fк = бк(Х2) + вк(Х2)Х1 + гк(Х2)Х12. (23)

Значення індексу к = 1 відповідає F1, а к = 2 - F2. Параметри (бк , %), (вк, град-1), (гк , град-2) наведені в табл. 4.

Таблиця 4. Параметри функції відгуку

Доведено, що для копреципітата характерна екстремальна залежність піноутворюючих властивостей від температури коагуляції; максимум досягається при температурі коагуляції, близької до 65°С. Встановлено оптимальні інтервали для температури коагуляції, вологості та рН, в яких копреципітат має найкращі піноутворюючі, емульгувальні та вологоутримуючі параметри.

Запропоновано математичну модель процесу одержання емульсії, на основі якої можна визначити ширину (h) зони утворення емульсії при відомих значеннях частоти обертання мішалки (n), частоти обертання ротора (N), діаметра ротора (Dр), в'язкості емульсії (м), поверхневого натягу (у) на межі розподілу фаз і прискорення вільного падіння (g). Можна записати зв'язок між h і рештою параметрів таким чином:

. (24)

Побудована математична модель відображує закономірність даного процесу з похибкою біля 1%, що свідчить про її адекватність.

Загалом проведені дослідження виявили плодотворність застосування математичного моделювання під час розробки та вдосконалення широкого кола технологічних процесів (або їх окремих етапів) і відповідного обладнання, необхідного для їх практичної реалізації.

7. Практична реалізація результатів досліджень

Наведено результати дослідження показників якості продуктів, отриманих за прогресивними технологічними процесами, які розроблено на основі методів математичного моделювання. Знайдено, що нові продукти за якістю не поступаються традиційним, а в деяких випадках перевершують їх за рядом показників. У зв'язку із складністю харчових продуктів як предмета дослідження за сучасного рівня розвитку наукових знань запропоновано комбінований спосіб вимірювання якості продукції. Використано метод відображення якості у вигляді планарного графа - ієрархічної структури, яка розбиває якість на певні групи показників. Відповідно до міжнародного стандарту ИСО 8402 передбачено 10 груп показників якості, які розкладено на підгрупи і т.д., до елементарних властивостей. По кожній групі показників розраховано комплексний показник якості; далі, об'єднавши показники за принципом середньої виваженої, отримаємо інтегральний показник оцінки якості продукції. Обчислена функціональна форма зв'язку між комплексними та елементарними показниками. Комплексні показники є об'єктивними характеристиками якості продукції, тоді як вибір логіки усереднення є суб'єктивним. Розглянуто випадки, якщо параметр логіки усереднення - ціле число (-1; 0; 1; 2). Доведено, що при виборі масштабу шкали аргументу функції бажаності необхідно враховувати медіану відповідного розподілу показника в репрезентативній вибірці зразків продукції, яка досліджується. У рамках запропонованої моделі для трьохрівневого інтегрального показника якості () одержано наступну формулу:

, (25)

де, , - вагові множники, відповідно, комплексного показника , j підгрупи в i групі, елементарного s показника ; , , - числа, відповідно, груп властивостей, підгруп в i групі, елементарних показників в j підгрупі; , - значення елементарного показника, обмеженого нерівністю .

Запропонована методика формування інтегрального показника якості продукції дозволяє виявити конкурентні переваги та вузькі місця як в технологічному, так і в економічному аспекті, а також може слугувати схемою оперативного управління системою вихідних (елементарних) показників якості.

Наведено також відомості про здійснені заходи щодо впровадження результатів досліджень в практику харчових і переробних підприємств України. Для досягнення цієї мети було розроблено та затверджено рецептури і технологічні інструкції з приготування нових продуктів харчування - мармеладів, желейних цукерок, тістечок та ін. Економічний ефект практичного впровадження дисертаційної роботи визначається такими чинниками, як зменшення енерговитрат і витрат харчової сировини на виробництво одиниці продукції, скорочення тривалості обробки харчової сировини, зниження матеріалоємності обладнання для переробки сировини за рахунок підвищення ефективності відповідних процесів. Конкретний масштаб економічного ефекту залежатиме від цінової політики підприємств харчування та загальної економічної ситуації в країні. Соціальний ефект практичного впровадження визначається більш повним задоволенням зростаючого попиту населення України на повноцінні та недорогі продукти харчування, що відповідають національним традиціям і смакам. Слід також відзначити екологічне значення підвищення енергоекономічності харчових виробництв.

Висновки

На підставі результатів проведеного аналізу літературних даних з проблеми застосування математичних методів при розробці технологічних процесів переробки харчової сировини доведено доцільність поширення цих методів на основні технологічні етапи переробки харчової сировини в напівфабрикати і продукти харчування. Зроблено огляд існуючих методів планування експерименту й обробки його результатів і проілюстрована методика використання цих методів під час розробки деяких процесів харчового виробництва. Наведено наочні приклади реалізації зазначених методів при рішенні конкретних проблем розробки комбінованих продуктів харчування з підвищеною харчовою і біологічною цінністю.

Розглянуто основні етапи переробки зернової та насінної рослинної сировини і вимоги до відповідних технологічних процесів. На основі вивчення механізму здрібнювання сировини удосконалено апаратурне оформлення цього процесу і проведено аналіз траєкторій руху частинок сировини в запропонованому апараті. Побудовано математичну модель, яка описує кінетичні закономірності процесу здрібнення зерен і залежність константи швидкості процесу від частоти обертання робочого органа і середнього розміру зерен сировини. Розглянуто закономірності процесу агломерації тонкодисперсних сумішей сухих біополімерів при приготуванні харчових концентратів на основі рослинної сировини.

Проаналізовано кінетичні закономірності процесу обрушування зерен і насіння рослинної сировини і побудовано відповідні математичні моделі, на основі яких описуються залежності константи швидкості процесу від частоти обертання робочого органа технологічного апарата для різних видів сировини. Показано, що процес розсіювання тонкодисперсної суміші сухих біополімерів сприяє збагаченню дрібних фракцій цінними поживними і біологічно активними компонентами вихідної харчової сировини. Запропоновано і реалізовано на практиці принцип дії удосконаленого технологічного апарата для обрушування зерен і насіння з регульованою частотою обертання робочих органів, що дозволяє ефективно обробляти різні види сировини.

Побудовано математичну модель, яка описує кінетику екстрагування продуктів ферментативного гідролізу крохмалю з зерен сировини із урахуванням внутрішнього перенесення маси - внутрішньої дифузії - екстрактивних речовин у зернах. Визначено константи швидкості для стадій процесу екстрагування - проникнення екстрагента в зерна сировини, ферментативного гідролізу біополімерів, внутрішньої дифузії та перенесення екстрактивних речовин в екстракт - зовнішньої дифузії. Модель придатна до широкого класу процесів масоперенесення, зокрема, до технологічних процесів приготування відварів з рослинної сировини, м'ясних бульйонів і пивного сусла на етапі затирання під час виробництва пива. Запропоновано і впроваджено у виробництво ряд заходів щодо удосконалення пивоварства - заміна частини ячмінного солоду на несолоджене зернове сорго, застосування безупинного протитокового екстрактора на етапі затирання в сполученні з реактором - змішувачем для збільшення тривалості контакту зернової сировини з екстрагентом.

Запропоновано прогресивний процес охолодження пива проміжним кремнійорганічним холодоносієм вітчизняного виробництва, який повністю задовольняє комплексу вимог до речовин цього призначення. Проведений теоретичний розгляд дав можливість установити раціональні значення конструктивних параметрів системи охолодження та режиму проведення процесу. Показано також, що запропонований процес є більш енергоекономічним порівняно з існуючими та характеризується екологічною чистотою, а також забезпечує підвищення надійності та довговічності відповідного устаткування для його реалізації.

На основі застосування методів математичного планування багатофакторних екстремальних експериментів обґрунтовано шляхи удосконалення ряду технологічних процесів виробництва комбінованих продуктів на підприємствах харчування і визначено оптимальні умови проведення цих процесів. Зокрема, теоретично обґрунтовано введення різних добавок - альгінату натрію, хлориду кальцію, Na-КМЦ, гліцерину - у раціональних концентраціях під час виробництва желейних блюд з метою підвищення міцності драглів і скорочення витрати драглеутворювачів. Встановлено теоретичні основи поліпшення якості майонезів, очищення олії шляхом її контактування зі спеціальним адсорбентом, виділення білків молока при його змішуванні з сироваткою в раціональному температурному режимі, а також інших технологічних процесів харчових виробництв.

Проведено комплексне дослідження показників якості переробленої харчової сировини та нових харчових напівфабрикатів, отриманих на основі застосування методів математичного моделювання. Показано, що при реалізації всіх переваг удосконалених технологічних процесів - досягнення економії енергії і матеріальних ресурсів, скорочення тривалості процесів тощо - забезпечується висока якість продуктів, що, як мінімум, не поступається якості продуктів, виготовлених за відповідними традиційними технологічними процесами.

Здійснено комплекс заходів щодо впровадження результатів роботи в технологічну практику підприємств з переробки харчової сировини і підприємств громадського харчування. Дано оцінку економічного та соціального ефектів впровадження, яка основана на досягненні економії матеріальних і енергетичних витрат і забезпеченні населення України продуктами харчування, що мають високу харчову і біологічну цінність й виявляють багатобічний сприятливий вплив на організм людини.

харчовий технологічний біополімер

Література

Технология переработки продуктов питания с использованием модификаторов: Монография / Перцевой Ф.В., Савгира Ю.А, Фощан А.Л., Гринченко О.А., Пивоваров П.П., Гулий И.С., Тищенко Л.Н., Гарнцарек Б.Ч., Полевич В.В. -Харьков: ХГТУСХ и ХГАТОП, 1998. - 178с.

Коваленко В.И., Полевич В.В., Синекоп Н.С. Механизм приготовления отваров из круп //Экономика и технология продовольственных товаров: Сб. науч. тр. - Харьков: ХИОП, 1991. - С. 192-194.

Коваленко В.И., Полевич В.В., Якубов Г.М. Исследование процесса обезвоживания частиц растительного сырья с целью получения носителя для сухих завтраков //Технология и качество пищевых продуктов: Сб. науч. тр. - Харьков: ХИОП, 1992. - С. 29-34.

Потенциометрическое исследование взаимодействия желатина с некоторыми органическими анионами /И.Н. Фомина, Ф.В. Перцевой, Ю.А.Савгира, В.В. Полевич //Проблемы общественного питания на пути к рынку: Сб. науч. тр. - Харьков: ХИОП, 1993. - С. 128-130.

Карпуніна Л.І., Козлов В.М., Перцевий Ф.В., Полевич В.В. Рекомендовано нову технологію //Харчова та переробна промисловість, - 1994. - №5. - С. 22.

Размещено на Allbest.ru