Обоснование схемы и параметров многофункционального устройства для получения белково-витаминных инновационных продуктов

Введение. Решению вопросов создания продуктов питания заданного состава и свойств с функциональной направленностью посвящены исследования многих ученых [1–4], в результате которых получены ценные для науки и практики результаты.

Однако данные исследования не дают комплексного решения проблемы создания продуктов питания заданного состава и свойств с точки зрения использования в них биологически активного сырья Дальневосточного региона, в частности соевого, корнеклубнеплодного и др.

На сегодняшний день не разработаны эффективные технические решения по созданию таких продуктов питания, в результате чего отсутствует научная база данных, необходимая для проектирования и конструирования пищевых продуктов заданного состава и свойств.

В этой связи, исследования, направленные на разработку научных основ технологии и технических средств получения продуктов питания заданного состава и свойств с использованием соевого, корнеклубнеплодного и другого видов сырья, содержащих природные биологически активные вещества и функциональные пищевые ингредиенты, являются актуальными и имеющими важное народно-хозяйственное значение.

Цель исследования: обоснование конструктивно-технологической схемы и параметров многофункционального устройства для получения инновационных белково-витаминных продуктов.

Задачи исследования: обосновать конструктивно-технологическую схему многофункционального устройства (МФУ) для получения инновационных белково-витаминных продук-тов;получить математические модели процесса и на их основе определить оптимальные значения конструктивно-режимных параметров МФУ.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования является технологический процесс получения белково-витаминных продуктов с помощью МФУ, имеющего оптимальные конструктивно-режимные параметры. Общим методологическим подходом к проведению исследований является системный подход [5].

Физико-механические показатели исходного сырья определялись в соответствии с существующими ГОСТами.

Результаты исследования. На основании проведенного анализа литературных и патент- ных источников, а также практического опыта, было установлено, что существующие конструкции устройств для измельчения и экстракции белковых веществ из семян сои имеют узкие технологические возможности, так как не позволяют перерабатывать исходное сырье в виде соево-овощных композиций в продукты жидкой и влажной консистенции (экстракт и жомовая фракция).

С учетом данного обстоятельства, авторами разработана конструктивно-технологическая схема МФУ (рис. 1, 2), основным аппаратом которого является измельчающе-экстракционный аппарат (элементы 7–12).

Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема МФУ (вид спереди)

МФУ включает дозаторы 1 (см. рис. 1, 2), связанные с емкостью смесителя 2. В емкости смесителя 2 размещена мешалка 3 (на рис. 2 условно снята). В нижней части емкости смесителя установлен винт 4, размещенный в корпусе 5. В торцевой части корпуса 5 установлена решетка 6, взаимодействующая с ножом 7, поса- женным на конец вала 8 винта 4, которые образуют в совокупности измельчающее устройство. Со стороны решетки 6 к торцевой части корпуса 5 прикреплен экстрактор 9, выполненный в виде двустенного полого цилиндра, размещенного горизонтально между измельчающим устройством и разделителем 10.

При этом внутренняя стенка 11 полого цилиндра перфорированная, а наружная стенка снабжена патрубком 12 для подвода экстрагента (воды и т. д.). Разделитель 10 представляет собой винтовой пресс с перфорированной конической насадкой 13 и формующим патрубком 14.

Работает МФУ следующим образом. Из емкостей-дозаторов 1 компоненты в принятом соотношении поступают в корпус 2 смесителя. С помощью мешалки 3 компоненты смешиваются, и винтом 4 по полости корпуса 5 подаются в измельчающее устройство решетчато-ножевого типа. Ножом 7 частицы соево-морковной композиции измельчаются и продавливаются через отверстия решетки 6. Измельченная масса поступает в полость экстрактора 9 в разрыхленном состоянии. В эту же полость через патрубок 12 и отверстия во внутренней стенке 11 подается экстрагент (вода и т. д.), в который за счет диффузии переходят питательные вещества из частиц предварительно измельченной композиции. Поток воды, взаимодействуя с продуктом и свободно омывая частицы, уносит с собой питательные вещества и частицы продукта. С помощью разделителя 10 частицы уплотняются в его конической части, и белково-витаминный экстракт отделяется от жома. Экстракт проходит через перфорацию конического корпуса 13, а жомовая фракция выходит через патрубок 14.

Рис. 2. Конструктивно-технологическая схема МФУ (вид сверху)

При этом, ввиду того, что пропускная способность разделителя вдвое больше, чем массовый расход измельчающего устройства, измельченные частицы в экстракторе 9 находятся в свободном разрыхленном состоянии, а потому обильно омываются водным потоком, эффективно отдавая питательные вещества экстрагенту. Именно такое взаимное располо- жение и принятая совокупность узлов в конструкции агрегата позволяют расширить технологические и эксплуатационные возможности устройства, повысив надежность выполнения указанных процессов при переработке соево-корнеклубнеплодных, соево-овощных и других композиций, обладающих своими специфическими свойствами.

Технологические и технические возможности МФУ реализованы в соответствии со схемами, представленными на рисунках 3 и 4.

В результате предварительно проведенных экспериментальных исследований были получены математические модели работы МФУ, с помощью которых определены оптимальные значения параметров для процессов измельчения и экстракции БВЭ в кодированном виде:

=13,52+0,84 +0,90 + +0,98 –1,1 –1,17 –1,43 → ; (1)

=15,87+0,68  +0,71  +0,78+

+0,45    +0,77  ++0,80+

+0,54   →     ,(2)

где – кодированный критерий оптимизации (выход «сухих веществ» в экстрагент К св ,%);

– кодированный критерий оптимизации (энергоемкость процесса N э , Вт/кг); Х 1 , Х 2 , Х 3 – кодированные значения факторов процесса (частота вращения винта n , мин^-1, диаметр отверстия решетки d 0 , мм, и число ножей К н , шт. – соответственно).

Регрессионный анализ и его результаты приведены в таблицах 1 и 2.

Рис. 3. Принципиальная схема получения соево-морковных инновационных продуктов

Таблица 1

Критерий	Стандартное отклонение	R-корреляция	Коэффициент детерминации R2	F-критерий	Значимость F-критерия (р)
Y 1 →max	1,136	0,943	0,890	4,49	0,05
Y 2 →min	0,651	0,962	0,925	6,86	0,02

Результаты регрессионного анализа

Таблица 2

Критерий	а 0	а 1	а 2	а 3	а 13	а 11	а 22	а 33	Заключение об адекватности
									F R	F 1
Y 1	13,52	0,84	0,90	0,98	-	-1,1	-1,17	-1,43	4,49	3,59
Y 2	15,87	0,68	0,71	0,78	0,45	0,77	0,80	0,54	6,86	3,59

Регрессионный анализ зависимостей Y i = f(X i ,X 2 ,X 3 )^max, Y 2 = f(X i ,X₂,X₃)min

вода

Рис. 4. Аппаратурная схема производства соево-морковных белково-витаминных продуктов с помощью МФУ:1 – бункеры-дозаторы; 2 – смеситель;

3 – измельчитель-экстрактор; 4 – сушильный шкаф «Универсал ЭСПИС-4»; 5 – дробилка;

6 – коагулятор; 7 – танк для хранения сыворотки

Адекватность полученных моделей по результатам регрессионного анализа, с вероятностью Р = 0,95, с коэффициентами корреляции

R1 = 0,943 и R2 = 0,962, подтверждается неравенством FR > F1 (см. табл. 2). Достоверность полученных моделей оценивали по уровню зна- чимости критерия Фишера, который не должен превышать 0,05. Имеем р1= 0,05 и р2 = 0,02, а это означает, что полученные модели значимы.

В раскодированной форме модели имеют следующий вид:

=

-27,98 + 0,57 n +

+0,57 do^_H –1,17 Xd^ –1,4 K^ → max ; (3)

N ЭК =45,45-0,45 n + 3,85 d₀ –4,11 K_H

+ 0,02 ⁿ^H + 0,08 do +

+ 0,54 K^ → min (4)

Оптимальные значения параметров измельчителя-экстрактора МФУ находятся в пределах n = 70,14 мин^-1, d0 = 2,0 мм и K^ = 2 шт. При этом выход сухих веществ составляет 12 %, а энергоемкость – 15 (Вт·ч)/кг.

Заключение. С целью практической реализации обоснована конструктивно-технологическая схема МФУ с привязкой ее к линии производства продуктов жидкой и сухой формы.

Полученные экспериментально математические модели процесса в виде адекватных уравнений регрессии позволили определить оптимальные значения конструктивно-режимных параметров МФУ.