Применение центробежно-шнекового смесителя непрерывного действия для повышения качества мучных хлебопекарных смесей функционального назначения

Концепция государственной политики в области здорового питания населения РФ предусматривает создание пищевой продукции с повышенной пищевой и биологической ценностью, обогащенной различными макро-и микронутриентами, в том числе полиненасы-щенными жирными кислотами омега-3 и омега-6, витаминами, аминокислотами, другими биологически активными веществами. Хлеб относится к продуктам массового потребления, поэтому повышение его качества, пищевой и биологической ценности является особо актуальной задачей. Работы в этом направлении активно ведутся у нас в стране, в странах ближнего и дальнего зарубежья.

Так, учеными Алжира [1] изучены качественные характеристики пшеничного хлеба при частичной замене в его рецептуре пшеничной муки на картофельный крахмал. В их экспериментах мучная смесь состояла на 20% из пшеничной муки и на 80% – из картофельного крахмала. Оценка хлебопекарных свойств таких мучных смесей на альфеографе показала, что они ухудшаются с увеличением содержания крахмала, поэтому в рецептуру была внесена пшеничная клейковина в количестве 32,77% от массы смеси. В Беларуси изучают хлебопекарные качества композитных смесей из пшенной и пшеничной муки. В ходе экспериментов пшенную муку, полученную путем размалывания соответствующей крупы на лабораторной мельничке, добавляли к пшеничной муке высшего сорта в количества 5–25% от ее массы [2]. Установлено, что технологические качества композитной муки по сравнению с чисто пшеничной изменились незначительно. При сопоставлении кислотности, пористости и влажности опытных образцов хлеба установлено, 182

что предпочтительно использовать безопарный способ и вносить пшенную муку в количестве 15%. Разработана рецептура хлеба из композитной муки (с содержанием муки из пшена 15% от массы пшеничной муки), включающая в себя также растительное масло, дрожжи, соль, сахар. Кислотность полученных опытных образцов составляла в среднем 2,75 °T, пористость – 72,8%. По сравнению с хлебом из обычной муки опытные изделия содержали больше белков, жиров, селена, цинка. Сделан вывод, что мука из пшена может включаться в рецептуру пшеничного хлеба и тем самым повышать его пищевую ценность. Авторским коллективом [3] изучены хлебопекарные качества композитных смесей из пшеничной муки высшего сорта с добавлением фасолевой или гороховой муки в количестве 5–25% к массе пшеничной муки. Установлено, что состояние клейковинного комплекса композитных смесей с добавлением фасолевой или гороховой муки резко ухудшилось. Наиболее приемлемые технологические показатели качества композитных смесей получены при внесении фасолевой или гороховой муки до 10–15% к массе пшеничной муки. Проведены пробные выпечки. Рецептура включала муку, воду, дрожжи и соль, тесто готовили безопарным способом. Органолептические показатели качества готовых изделий были удовлетворительными. Рекомендованные дозировки: фасолевая мука – 15% и гороховая мука – 10% к массе пшеничной муки. Обзор литературы по использованию гидроколлоидов для получения композитных смесей, предназначенных для изготовления пшеничного хлеба, дан в статье [4, 5]. Автором установлено, что гидроколлоиды (камеди морских водорослей, модифицированная целлюлоза, пектины, галактоманнаны из семян бобовых и экзополисахариды, полученные путем микробной ферментации) улучшают характеристики теста, качество конечного продукта и его хранимоспособность, а также способствуют повышению качества замороженного теста. Качество хлеба из смеси пшеничной и других видов муки или богатых пищевыми волокнами ингредиентов может быть улучшено путем добавления гидроколлоидов. В Африке изучена композитная мучная смесь на основе проса, фасоли, тигрового ореха (Cyperusesculentus) и ксантановой камеди [6]. Установлено, что смесь из 85% пшеничной муки с добавлением фасолевой муки и муки из тигрового ореха может служить рентабельной альтернативой 100%-ной пшеничной муке в хлебопекарном производстве. В Испании [7] изучена возможность замены в мучной смеси для приготовления теста пшеничной муки до 45% на смесь муки из гречки, зеленого гороха и тефф (полевичка, абиссинская трава, Eragrostistef). Эксперименты по замене до 50% пшеничной муки на муку из голозерного ячменя проведены в Италии [8], установлена обратно-пропорциональная зависимость между количеством ячменной муки в смеси и объемом теста. Выпечка хлебопекарных изделий в кухне ресторана из комплексных хлебопекарных смесей на основе продукции фирмы «Ирекс» обсуждается в работе [9]. Компонентами смесей «Ирекс» являются солодовые продукты, зерна злаков, семена масличных культур, пшеничный зародыш, отруби, овсяные хлопья, овощные добавки. В Кубанском государственном аграрном университете (Краснодар) изучены хлебопекарные свойства смесей пшеничной муки с овсяной(10, 20 или 30%). Установлено [10], что с увеличением дозировки овсяной муки количество клейковины в смеси уменьшалось, а упругие свойства сырой клейковины изменялись в сторону укрепления. Выявлена оптимальная дозировка овсяной муки 30% с точки зрения функциональности готового продукта. Хлебобулочные изделия с овсяной мукой характеризовались приятным вкусом и запахом и высокими показателями удельного объема и пористости. Употребление 150 г.дан-ных изделий покрывает суточную потребность в пищевых волокнах на 21–24%, фосфорена 21–23%, железена 21–22%, витамине В1 на 16–19%, витамине РРна 19%. Индекс незаменимых аминокислот увеличивается до 1,08–1,09 против 0,91 –для хлеба из пшеничной муки высшего сорта, что обусловлено более высоким содержанием незаменимых аминокислот в продуктах переработки овса. Изучались реологические характеристики углеводно-амилазного комплекса хлебопекарных смесей, состоящих из ржаной, пшеничной и амарантовой муки. Результаты изучения кинетики и динамики реологического поведения клейстеризованных мучных суспензий на приборе Амилотест АТ-97 показали целесообразность использования амарантовой муки для частичной замены ржаной муки в составе ржано-пшеничных хлебопекарных смесей [11]. Оценка смесительной способности сортов в целях повышения хлебопекарных качеств смесей при производстве ржаного и ржано-пшеничного хлеба на основе седиментационных оценок дана в работе [12]. Установлено, что смесительную способность на сортовом и популяционном уровнях можно тестировать по показателю SDS-седиментации. Изменения этого показателя следуют за изменениями количественного соотношения в смесях продуктов размола зерна озимой ржи и яровой мягкой пшеницы. Высокой смесительной силой обладают сорта Саратовская 5, Саратовская 7, Антарес, Безенчукская 87 и Радонь. Изучена [13] возможность использования хлебопекарной смеси «Фитнес микс овсянка»(хлопья овсяные, мука овсяная, крупа овсяная, мука пшеничная набухшая, отруби пшеничные, солод пшеничный, сухая ржаная заварка, клейковина пшеничная, аскорбиновая кислота, ферменты) для повышения качества и пищевой ценности хлеба из пшеничной муки высшего сорта. Изучено влияние дозировок хлебопекарной смеси 5–25% на процессы брожения, влажность и кислотность теста. Оптимальной при частичной замене муки на хлебопекарную смесь признана дозировка 15%. Благодаря компонентам хлебопекарной смеси существенно изменился аминокислотный состав белков опытных образцов хлеба: увеличилось количество незаменимых аминокислот на 3,26%, лизина на 1,18%, лейцина на 0,52%, валина на 0,51%, аргинина на 1,40%, гистидина на 0,41%.

Методология моделированию продуктов питания с целью повышения их пищевой и биологической ценности, а также возможности современного программного обеспечения в решении этой задачи описаны в работах [14, 15]. В НИИ хлебопекарной промышленности проводится работа по созданию мучных хлебопекарных смесей. Готовые смеси разрабатываются на базе отечественного натурального сырья, позволяющего повысить пищевую и биологическую ценность хлеба и хлебобулочных изделий. Интересным является предложенный [16, 17] в НИИ хлебопекарной промышленности подход к оптимизации состава хлебопекарных смесей по критерию гликемического индекса. При оптимизации по этому критерию, выработка хлеба из многокомпонентных хлебопекарных смесей позволит получить изделие для профилактического питания. Так, образец хлеба, приготовленного из разработанной смеси, имел гликемический индекс ниже на 10–18% по сравнению с хлебом из пшеничной муки 1-го сорта.

Перспективы добавления муки крупяных и зернобобовых культур в хлебопекарные смеси с целью повышения биологической и пищевой ценности хлеба и хлебобулочных изделий рассмотрены в работе [18]. Приведен анализ изменения реологических свойств смесей на аль-веографе при добавлении муки крупяных и зернобобовых культур к пшеничной. Рассмотрены возможности корректировки реологии смеси, в т. ч. сухой пшеничной клейковиной. Полученные результаты позволяют прогнозировать реологические свойства мучных смесей, что дает возможность изготавливать продукты диетического и лечебно-профилактического назначения без ухудшения свойств готовых изделий.

Нами предложено повышать пищевую и биологическую ценность хлеба за счет включения в рецептуру мучных хлебопекарных смесей помимо традиционного сырья (пшеничная и ржаная мука), обогащающих компонентов, таких как мука пшеничная цельнозерновая, мука нутовая и гречневая, овсяные отруби, клейковина, молоко, кунжут, семя льна, лук репчатый. Эти компоненты богаты микро-и макронутриентами, биологически активными веществами [19]. Цельнозерновая мука богата пищевыми волокнами и витаминами группы В. Овсяные отруби являются источником пищевых волокон, витаминов А, Е, группы В, микро-и макроэлементов. Нутовая мука – источник кальция, цинка, калия, магния, фосфора и железа, в ней содержится большое количество пищевых волокон, сложных углеводов, белка, а также витамин В 6 . Семена кунжута содержат полиненасыщен-ные жирные кислоты омега-3, омега-6, витамины, макро- и микроэлементы, антиоксиданты.

Большое значение для получения качественного осуществления процесса смешивания имеет равномерное распределение всех входящих в рецептуру ингредиентов. При этом важно учитывать ряд факторов [19]: различие гранулометрических составов, плотности и других физико-механических характеристик компонентов смеси. Для решения этих задач используют высокоэффективное смесительное оборудование, например, смесители непрерывного действия центробежного типа [20]. Так, в лаборатории кафедры «Технологическое проектирование пищевых производств» Кемеровского технологического института пищевой промышленности (университет) был разработан центробежношнековый смеситель для сыпучих материалов.

Целью работы является установление рациональных конструкторских и технологических параметров работы смесителя непрерывного действия центробежно-шнекового типа, позволяющих получать мучные хлебопекарные смеси функционального назначения повышенного качества.

Материалы и методы

Объект исследования – мучные хлебопекарные смеси, включающие в себя следующее сырье: мука пшеничная хлебопекарная первого сорта по ГОСТ Р 52189-2003, мука пшеничная цельнозерновая(обойная) по ГОСТ Р 52189-2003, мука нутовая по ТУ 9293-009-89751414-10, мука ржаная хлебопекарная обойная по ГОСТ Р 52809-2007, мука гречневая по ГОСТ Р 316452012, отруби овсяные по ТУ 9295-00185850409-2012, клейковина сухая (пшеничный глютен) по ГОСТ 31934-2012, молоко сухое по ГОСТ Р 52791-2007, кунжут по ГОСТ 1209576, семя льна по ГОСТ 10582-76, лук репчатый сушеный по ГОСТ 7587-71, соль поваренная пищевая сорта «Экстра» по ГОСТ Р 51574-2000 и сахар-песок по ГОСТ 12572-93.

Рецептуры мучных хлебопекарных смесей разработаны в Федеральном государственном автономном научном учреждении «Научноисследовательский институт хлебопекарной промышленности»(ФГАНУ НИИХП).

Содержание поваренной соли в изделиях и мучных хлебопекарных смесях определяли по ГОСТ 5698-51, содержание аминокислот – методом капиллярного электрофореза согласно ГОСТ Р 55569-2013.

Исследования по оптимизации процесса смешивания проведены в лаборатории кафедры «Технологического проектирования пищевых производств» ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)» на разработанном [19, 21] учеными КемТИПП смесителе непрерывного действия центробежно-шнекового типа. Центробежношнековый смеситель предназначен для смешивания сыпучих материалов, например, сухих композитных смесей для питания спортсменов, мучных хлебопекарных смесей для приготовления хлебобулочных изделий и т. п.

Для получения мучных хлебопекарных смесей сконструирована технологическая линия, схематически изображенная на рисунке 1.

Рисунок 1. Технологическая линия приготовления мучных смесей: 1–7 – дозаторы, 8 – объемный дозатор, 9 и 11 – ленточные конвейеры, 10 – центробежно-шнековый смеситель.

Figure 1. Technological line for preparation of flour mixtures: 1–7 – dosers, 8 – volumetric doser, 9 and 11 – belt conveyors, 10 – centrifugal-screw mixer.

Прогнозирование качества смешивания компонентов при получении сыпучих комбинированных продуктов может осуществляться по различным критериям. Например, в работе [22], где рассматривается составление мучных смесей с использованием муки крупяных культур (ячменная, гороховая, гречневая, соевая), автор утверждает, что самым простым и доступным способом оценки однородности мучных композитных смесей можно считать расчет коэффициента неоднородности по показателю белизны. Авторами [23] предложен стохастический подход к оценке качества смешивания сыпучих материалов в центробежных смесителях. Ими рассмотрена возможность использования этого подхода к моделированию процесса смешивания сыпучих материалов в центробежных смесителях непрерывного действия на основе кинетических уравнений массопереноса, причем в качестве меры неоднородности состава смеси выбран коэффициент неоднородности [19–27] Vc :

V_r = = . 100%              (1)

CC где S – выборочное среднее квадратическое отклонение содержания поваренной соли в пробах, взятых из мучной смеси; С - выборочное среднее значение концентрации поваренной соли в пробах.

Для оценки качества смешивания каждую мучную смесь (таблица 1) представляли как бинарную, в которой в качестве ключевого компонента, отражающего однородность смеси приняли поваренную соль, поскольку она имеют минимальную массу по отношению к другим компонентам рецептуры, далее по формуле(1) определяли ее однородность.

Результаты и обсуждение

Процессы смешения широко используются во многих отраслях промышленности для приготовления сыпучих композиций из дисперсных материалов, которые можно осуществлять в непрерывном или периодическом режимах, например, на центробежно-шнековом смесителе, на котором были приготовлены хлебопекарные смеси по рецептуре, приведенной в таблице 1. Для сравнительного анализа была приготовлена контрольная смесь пшеничной муки и соли .

Таблица 1.

Рецептуры мучных хлебопекарных смесей

Table1.

Formulations of flour bakery mixes

Компоненты рецептуры, граммы Components of the formulation, grams	Контроль Control	Смесь № 1 Mixture № 1	Смесь № 2 Mixture № 2	Смесь № 3 Mixture № 3
Мука пшеничная 1 сорт Wheat flour 1st grade	200,0	730,6	436,5	143,0
Овсяные отруби Oat bran	–	91,3	–	–
Мука нутовая Chickpeas flour	–	64,0	–	–
Соль поваренная Table salt	5,0	13,7	13,7	5,0
Сахар–песок Granulated sugar	–	36,5	36,5	–
Клейковина сухая Gluten dry	–	27,4	26,2	8,3
Кунжут Sesame		36,5	–	–
Мука пшеничная цельнозерновая Flour of whole wheat	–	–	436,5	–
Молоко сухое Milk powder		–	26,2	–
Семя льна Flax seed	–	–	43,6	–
Мука ржаная обойная RyeflourWallpaper	–	–	–	83,0
Гречневая мука Buckwheat flour	–	–	–	41,4
Лук сушеный Dried onion	–	–	–	19,3

Для выявления степени влияния режимных и технологических параметров работы центробежно-шнекового смесителя на качество получаемых смесей был поставлен полнофакторный эксперимент. Его матрица планирования приведена в таблице 2.

Таблица 2.

План эксперимента

Table2.

Experiment plan

Номер опыта Experience number	Независимые переменные Independent variable
	n	Zo	Zв
1	500	4	2
2	500	4	4
3	500	8	2
4	500	8	4
5	900	4	2
6	900	4	4
7	900	8	2
8	900	8	4

Смешивание компонентов по рецептуре проводили на центробежно-шнековом смесителе, варьируя конструкторские и технологические параметры его работы:

• 1.    частоту вращения ротора n устанавливали 500 или 900 об/мин,

• 2.    количество отверстий в витках шнека смесителя Zo составляло 4 или 8,

• 3.    количество витков шнека смесителя Zв составляло 2 или 4.

Усредненные результаты коэффициента неоднородности (поскольку каждое исследование проводилось троекратно), для мучных хлебопекарных смесей приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Коэффициент неоднородности

Table3.

Coefficient of inhomogeneity

Номер опыта по плану Experience number by plan	Коэффициент неоднородности Vc, % для смесей: The coefficient of heterogeneity of Vc, % for mixtures
	Смесь № 1 Mix № 1	Смесь № 2 Mix № 2	Смесь№ 3 Mix № 3
1	5,92	4,32	5,17
2	8,56	5,11	4,82
3	9,37	3,51	3,91
4	11,2	5,29	3,93
5	5,6	3,99	4,14
6	3,79	3,50	4,32
7	12,06	4,31	3,96
8	11,95	5,07	4,07

По минимальному коэффициенту неоднородности (таблица 3) установлены оптимальные параметры работы центробежно-шнекового смесителя непрерывного действия.

Для смеси № 1 и смеси № 2 оптимальными параметрами работы смесителя являются:

• 1.    частота вращения ротора n = 900 об/мин,

• 2.    количество витков шнека Zв = 4,

• 3.    количество отверстий на витках шнека Zо = 4.

Для смеси № 3 оптимальными параметрами работы смесителя являются:

• 1.    частота вращенияротора n = 500 об/мин,

• 2.    количество витков шнека Zв = 2,

• 3.    количество отверстий на витках шнека Zо = 8.

При этих параметрах будет достигнута максимальная однородность и, соответственно, наилучшее качество мучных хлебопекарных смесей.

Воспользовавшись пакетом программы «Statistika», провели статический анализ полученных значений коэффициентов неоднородности в результате этого получили уравнения регрессии, которые позволяют прогнозировать качество получаемых хлебопекарных смесей в зависимости от режимных и конструктивных параметров работы центробежно-шнекового смесителя.

Для смеси № 1:

V_c = - 0,00068 • n - 0,3 • Z_o + 3,65 • Z. + 0,0023 • n • Z _o - 0,0047 • n • Z. - 0,0034 • Z _o • Z.

Для смеси № 2:

V_c = 0,0056 • n + 0,298 • Z _o + 0,844 • Z. - 0,0006 • n • Z _o - 0,0002 • n • Z. + 0,074 • Z _o • Z.

Для смеси № 3:

V_c = 0,004 • n + 0,335 • Z _o + 1,47 • Z_v -

Полученные регрессионные модели являются адекватными, поскольку значения средней относительной погрешности между экспериментальными и модельными значениями полученных коэффициентов неоднородности для всех мучных хлебопекарных смесей не превышало 10% и составило: для смеси№ 1–4,8%, № 2–9,06% и № 3 – 9,08%.

На следующем этапе исследований были проведены пробные выпечки хлеба из мучных

0,0011-n • Zo - 0,106 • n • Zv - 0,074 • Zo • Zv хлебопекарных смесей, полученных при выявленных оптимальных параметрах работы центробежношнекового смесителя и изучена биологическая ценность полученного хлеба. Биологическую ценность определяли по результатам аминокислотного анализа образцов и контроля (рисунок 2). В качестве контрольного образца был взят хлеб, приготовленный из муки первого сорта без добавок (таблица 1).

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

Аргинин

0,4

0,35

0,73

0,68

0,41

A (D

X m

Аргинин

0,35

0,3

0,25

0,2

S ьо

0,15

0,1

0,05

0,25

0,35

0,37

0,31

Тирозин

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

Гистидин

0,245

0,24

0,235

0,23

0,225

0,22

0,215

0,21

Метионин

1,6

1,4

1,2

0,8

0,6

0,4

0,2

1,5

1,45

1,19

1,11

1,8

1,6

1,4

1,2

0,8

0,6

0,4

0,2

1,67    ^1,69

1,21

Пролин

Лейцин + изолейцин

0,64

0,62

0,6

0,58

0,56

0,54

0,52

0,5

0,48

0,46

0,62

0,6

Валин

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,49

0,58

0,43

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,77

0,79

0,62

0,58

Аланин

0,44

0,43

0,42

0,41

0,4

0,39

0,38

0,37

0,36

0,35

0,34

0,43

0,37

0,41   0,41

§ О

К о

R X

m

R X

m

R X

m

Серин

Треонин

Рисунок 2. Сравнительный аминокислотный анализ Figure 2. Comparative amino acid analysis

Установлено, что содержание аминокислот во всех образцах хлеба приготовленных из разработанных мучных хлебопекарных смесей и при оптимальных параметрах работы центробежно-шнекового смесителя значимо выше, чем в контрольном образце.

Анализ аминокислотного скора образцов, приготовленных из мучных хлебопекарных смесей, показал, что содержание лимитирующих для хлеба незаменимых аминокислот повысилось. Так, по сравнению с контролем в хлебе, приготовленном из хлебопекарной смеси № 1, аминокислотный скор изолейцина увеличился до 41%, лейцина – до 9%, лизина – до 10%, валина – до 26%, треонина – до 43%, метионина и цистина – до 30%, фенилаланина и тирозина – до 38%. В зависимости от рецептуры хлеба содержание аминокислот по сравнению с контролем увеличилось на 83–97% для аргинина, на 52–61% для тирозина, на 52–66% для фенилаланина, на 72–74% для гистидина, на 91% для суммы лейцина и изолейцина, на 53–56% для метионина, на 90–97% для валина, на 64–72% для пролина, на 87–93% для треонина, на 58–87% для серина и на 74% для аланина. Таким образом, во всех образцах хлеба содержание аминокислот возросло по сравнению с контролем что свидетельствует о повышении биологической ценности данных изделий.

По результатам аминокислотного анализа выявлено, что:

• 1.    хлеб из мучной хлебопекарной смеси № 1 является лидером по содержанию аргинина, фенилаланина, пролина, треонина и глицина;

• 2.    хлеб из мучной хлебопекарной смеси № 2 является лидером по содержанию тирозина, валина, серина, аланина, глицина, а также суммы лейцина и изолейцина;

• 3.    хлеб из мучной хлебопекарной смеси № 3 является лидером по содержанию лизина, гистидина, метионина.

Следовательно, наибольшей биологической ценностью обладают мучные хлебопекарные смеси № 2 и № 1 поэтому именно их целесообразно применять для выпечки хлеба функционального назначения для питания людей с повышенной жизненной активностью, например, спортсменам.

Для определения экономического эффекта от продажи обогащенной мучной хлебопекарной смеси, приготовленной на центробежно-шнековом смесителе, произведен расчет исходя из ориентировочной стоимости центробежношнекового смесителя 500 тыс. руб. и срока его службы 10 лет. Установлено, что операционные затраты на производство 1 килограмма такой муки составят 0,39 руб. Себестоимость сырья для приготовления 1 килограмма обогащенной мучной хлебопекарной смеси, составляет 50,39 руб. Если принять отпускную цену муки равной 70 руб. за 1 кг, то срок окупаемости центробежно-шнекового смесителя составляет 0,02 года.

Выводы

• 1 . По результатам комплексных исследований доказано, что использование центробежношнекового смесителя позволяет получать