Разработка технологии обработки традиционной опары пшеничного хлеба в поле сверхвысокой частоты
На правах рукописи
УШАКОВА НИНА ФЕДОРОВНА
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ТРАДИЦИОННОЙ ОПАРЫ
ПШЕНИЧНОГО ХЛЕБА В ПОЛЕ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург-Пушкин – 2013
Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА)
Научный руководитель Касаткин Владимир Вениаминович, доктор технических наук, профессор, зав.
каф. Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА»
Официальные оппоненты:
Беззубцева Марина Михайловна, доктор технических наук, профессор, зав. каф.
Энергообеспечения производств АПК ФГБОУ ВПО СПбГАУ Ракутько Сергей Анатольевич, доктор технических наук, доцент, профессор, заведующий лабораторией энергоэффективных электротехнологий ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии
Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»
Защита состоится 12 декабря 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д220.060.06 в ФГБОУ ВПО СПбГАУ по адресу:
196601, г. Санкт-Петербург, Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, (2-ой учебный корпус, ауд. 2. 719)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт Петербургский государственный аграрный университет».
Автореферат разослан 11 ноября 2013 года.
Автореферат размещен на сайтах: http://vak2.ed.gov.ru, http://spbgau. ru
Ученый секретарь диссертационного совета, Смирнов Василий Тимофеевич д.т.н., профессор ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Актуальность темы.
Хлебопекарная промышленность России в настоящее время представлена 11, тыс. малых предприятий и 882 крупными и средними предприятиями и полностью обеспечивает население основным продуктом питания - хлебом на уровне рекомендуемых норм потребления. В настоящее время существуют следующие проблемы, сдерживающие развитие хлебопекарной промышленности: физический износ основных производственных фондов (50 - 80 процентов);
низкая рентабельность производства (1 - 3 процента);
зависимость от иностранных поставщиков ввиду недостатка отечественного хлебопекарного оборудования.
На сегодняшний день хлебопекарным предприятиям Удмуртской Республики можно рассчитывать в рамках Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности до 2020 года только на развитие диетических хлебобулочных изделий, которые составляют в общем объеме выработки только 7,4% по данным 2011г. Несмотря на тенденцию в промышленности на выработку диетических изделий, основная масса населения потребляет классический пшеничный хлеб. На модернизацию хлебопекарного производства и, соответственно, федеральное финансирование в рамках данной Стратегии Удмуртской Республике рассчитывать не приходится, так как она не включена в список приоритетных регионов по данному направлению. При этом для предприятий Удмуртской Республики, описанные в Стратегии проблемы, также являются актуальными, поэтому решать их необходимо за счет собственных средств, модернизируя линии производства пшеничного хлеба, пользующегося спросом у населения, обеспечивая снижение удельных энергозатрат на единицу продукции с минимальным уровнем цен на выпускаемые изделия.
На сегодняшний день технологический процесс производства пшеничного хлеба интенсифицируют несколькими способами: либо добавляют в рецептуру пищевые или биологически активные добавки для улучшения качества сырья, ускорения брожения полуфабрикатов, повышения пищевой ценности хлеба;
либо модернизируют оборудование по эргономическим параметрам, применяя различные новые материалы и покрытия. В нынешнее время в хлебопекарной промышленности практически не применяются разрабатываемые в двадцатом веке физические методы обработки. Применение УЗИ, ИК нагрева, токов высокой и сверхвысокой частоты в данной отрасли описано в работах Л.Я. Ауэрмана, И.М. Ройтера, Л.П. Пащенко, Т.В.
Саниной, Л.И. Пучковой, Н.В. Цугленка, Г.Г, Юсуповой, И.А Рогова., С.В.Некрутмана, Г.В Лысова, Sumnu G., Yousif E.I.;
Khalil H.I. и др.
ИК-нагрев, УЗИ, ВЧ, СВЧ и другие способы воздействия в основном используется для улучшения качества и подготовки к производству различного сырья (мука, вода, дрожжи), для сокращения продолжительности брожения теста и длительности выпечки пшеничного хлеба, для снижения обсемененности готовой продукции при хранении. Однако практически не уделено внимание трудоемкой и достаточно длительной операции (5-6ч) такой как брожение опары при традиционной схеме приготовления пшеничного хлеба с периодическим замесом тестоведения.
Таким образом, учитывая вышеизложенное, актуальным является исследование влияния параметров СВЧ–обработки опары пшеничного хлеба в поле сверхвысокой частоты.
Целью настоящей работы является обоснование и разработка технологических параметров процесса производства традиционной опары пшеничного хлеба с применением СВЧ-нагрева Задачи исследований:
исследовать процесс обработки традиционной опары пшеничного хлеба СВЧ энергией теоретически обосновать технологические параметры процесса обработки опары с точки зрения снижения энергопотребления;
провести экспериментальные исследования установки для производства традиционной опары с применением СВЧ - активации определить экономическую и энергетическую эффективность разработанной технологии обработки традиционной опары.
Объект исследований: технологический процесс сверхвысокочастотной обработки пшеничной опары пшеничного хлеба.
Предмет исследований: экспериментальные и аналитические зависимости, характеризующие влияние параметров СВЧ–обработки на показатели качества опары и готового пшеничного хлеба.
Информационную базу исследования составляют материалы научных конференций, научно-техническая литература, публикации зарубежных и отечественных изданий, нормативные документы по теме исследования.
Научная новизна:
Процесс активации традиционной опары, позволяющий определить аналитическую взаимосвязь параметров облучения и качества полуфабрикатов и готовой продукции;
Математическая модель процесса обработки традиционной опары токами СВЧ;
Выявлена внутренняя энергия активации опары и получена математическая зависимость от параметров замешивания Теоретическая и практическая ценность работы:
Технология производства традиционной опары пшеничного хлеба с применением СВЧ – энергии;
Полученные математические модели позволяют рассчитывать промышленные технологии и образцы оборудования;
Закономерности воздействия СВЧ на показатели качества традиционной опары и готовой продукции;
Разработано ТУ, ТИ на пшеничный хлеб, изготовленный с использованием обработанной традиционной опары в поле сверхвысокой частоты, исследования внедрены в учебный процесс АИФ ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, в производство на ООО «Хлебозавод №1» г. Ижевска Методология и методы исследования:
Исследования проводились на базе ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА в учебной лаборатории кафедры «Технологии и оборудования пищевых и перерабатывающих производств». Производственные испытания проводились на базе предприятий хлебопекарной промышленности Удмуртской Республики.
Анализ опары производился по основным методикам, таким как органолептическая оценка, влажность, кислотность, температура, подъемная сила, в соответствии данным, указанным в «Справочнике по хлебопекарному производству»
И.М. Ройтера, учебнике Л.Ф. Зверевой «Технохимический контроль хлебопекарного производства» и «Практикуме по технологии хлеба, кондитерских и макаронных изделий (технология хлебобулочных изделий)»Л.П. Пащенко. Алгоритм управления составлен при помощи программы yEd Graph Editor.
Для проведения лабораторных исследований использовалось следующее оборудование: планетарная тестомесильная машина HORECA SELECT QF-3470;
СВЧ-печь Samsung ME 732 KR (2,45 ГГц, 800 Вт), работавшая в диапазоне мощности 800,600,450,300,180,100 Вт;
печь электрическая Redber EO-3050;
термометр игольчатый WT-1 c диапазоном температур -50…300°С;
весы лабораторные с точностью измерения 0,000 г. Опыты проводились в трехкратной повторности.
Обработку результатов проводили с использованием пакета анализа данных программного обеспечения Microsoft Excel 2007. Достоверность результатов подтверждалась критерием Фишера (F–критерий) при доверительной вероятности p = 0,95.
На защиту вынесены следующие положения:
технология производства опары пшеничного хлеба с применением СВЧ энергии;
механизм обработки разных видов опары в электромагнитном поле СВЧ, их математическое описание;
закономерности воздействия СВЧ на показатели качества опары и готовой продукции;
экономическая и энергетическая эффективность разработанной технологии обработки традиционной опары.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях: на V Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания», г. Челябинск (2011 г.);
научно практической конференции «55 лет высшему агроинженерному образованию в Удмуртии», г. Ижевск (2011 г.);
II Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика», г. Ставрополь (2011г.);
Vмеждународной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания», г. Саратов (2011 г.);
V международной научно-практической заочной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии», г. Липецк (2012 г.);
XII Международной научной конференции «Интеллект и наука», г.
Железногорск (2012 г.);
XIII Всероссийской научно-практической конференции «Современное хлебопекарное производство: перспективы развития», г.
Екатеринбург, (2012 г.);
IV Международной научно-практической конференции «Республика Казахстан и Евразийское экономическое сообщество: сотрудничество во имя прогресса», г. Костанай Республики Казахстан (2012 г.);
Международной научно практической конференции «Инновационные технологии в сельскохозяйственном производстве, пищевой и перерабатывающей промышленности» г. Ижевск (2013 г.) Публикация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 14 статей, в том числе 2 статьи в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК:
«Пищевая промышленность»
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 140 листах основного текста, в своем составе имеет: титульный лист, содержание, введение, 5 разделов, в том числе 22 рисунков и 11 таблиц, общие выводы и рекомендации, список использованной литературы из 152 источников, в том числе 6 на иностранном языке и 4 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации, а также данные о научной новизне и практической ценности работы.
В первой главе «Современное состояние хлебопекарной отрасли;
применение технологии обработки пищевых продуктов в поле СВЧ» проведен анализ состояния хлебопекарной отрасли в РФ, выявлены основные тенденции развития технологии производства пшеничного хлеба, приведен анализ использования различных видов электротехнологий при производстве пшеничного хлеба, описан опыт применения СВЧ - энергии для обработки пищевых продуктов.
При рассмотрении данных вопросов были выявлены следующие моменты:
- постоянный спрос населения на классический пшеничный хлеб без использования добавок растительного происхождения;
- отсутствие в настоящее время интереса ученых совершенствовать технологию производства пшеничного хлеба по классической схеме тестоведения без применения пищевых и биологически активных добавок, используя только физические способы обработки сырья, полуфабрикатов, готовой продукции;
- актуальность использования СВЧ - энергии при производстве пищевых продуктов в настоящее время, сокращая длительность процесса, сохраняя качество продукции и снижая затраты на электроэнергию;
-отсутствия способов сокращения длительности технологического процесса при производстве пшеничного хлеба за счет наиболее долговременной операции – брожение опары;
-необходимость разработки технологии обработки опары пшеничного хлеба в поле сверхвысокой частоты.
Во второй главе «Обоснование технологии обработки опары пшеничного хлеба в поле сверхвысокой частоты» представлены теоретические основы процесса брожения опары после обработки в поле сверхвысокой частоты, обоснование параметров обработки разных видов опары токами СВЧ.
Обработку опары всех видов проводили на комплексе (рисунок 1), предназначенном для лабораторных испытаний. Комплекс разработан сотрудниками учебной лаборатории кафедры «Технологии и оборудования пищевых и перерабатывающих производств» ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА».
Он состоит из следующих единиц оборудования: тестомесильная машина периодического действия;
СВЧ-печь;
термостат;
электрическая печь, производственный стол.
Рисунок 1 – Комплекс для обработки опары в СВЧ-поле. 1 – тестомесильная машина, 2 – СВЧ-печь, 3 – термостат - электрическая печь Данный комплекс работает следующим образом. В тестомесильную машину (1) закладываются все необходимые компоненты по рецептуре для определенного вида опары. Далее производится замес в течение 6-10 мин как необходимо по производственному процессу. По окончании замеса опара перекладывается в стеклянную емкость и подвергается облучению в СВЧ-печи (2) по заданным параметрам мощности и экспозиции нагрева. По окончании данного процесса производится замер температуры игольчатым термометром марки WT-1 и берется проба для определения влажности опары в сушильном шкафу СЭШ-1. Далее образец помещается в термостат для брожения (3).
В процессе брожения у образца отбираются пробы для определения изменения температуры, кислотности.
Для дополнительного исследования готовой продукции по окончании брожения производился замес теста на тестомесильной машине (1), процесс брожения теста поддерживался в термостате (3). В дальнейшем производилась разделка на производственном столе, укладка в формы, расстойка в термостате (3) и выпечка в электрической печи (3).
Для обоснования параметров облучения опары был проведен анализ динамики изменения температуры, кислотности и высоты подъема опары, а также подъемной силы в зависимости от удельной мощности (0,3;
0,5;
0,8;
1;
1,5;
2 Вт/г) и экспозиции облучения (0,5, 10, 15, 20, 25 с).
Анализ динамики изменения температуры от параметров облучения традиционной опары В изучаемых вариантах традиционной опары контроль имел температуру 26 28С, что является оптимальным для процесса брожения.
По результатам опытов было выявлено, что при обработке образцов традиционной опары в поле сверхвысокой частоты с удельной мощностью 1,5-2 Вт/г и длительной экспозиции 15-25с температура достигает критических показателей (более 35С) для жизнедеятельности дрожжевых клеток. Гибелью дрожжей и объясняется резкий спад температуры в первый период брожения. При обработке опары мощностью 1 Вт/г почти все образцы кроме варианта с экспозицией 15с воздействия СВЧ не превышают критических значений по данному показателю. Все остальные образцы достигли начальной температуры наиболее благоприятного диапазона для деятельности дрожжей - 30-35 С. При этом наблюдается фиксирование значений температуры в течение определенного времени (10 минут), что свидетельствует о развитии процесса брожения, при котором температура поддерживается благодаря выделяемой энергии как результата процесса брожения опары. При обработке образцов опары СВЧ – энергией удельной мощностью 0,5 0,8 Вт/г (рисунок 2) все варианты по температуре не превышают критических значений. Температура также как и при режиме 1 Вт/г стабилизируется в начале процесса на 10 минут, что свидетельствует о прохождении брожения опары.
Наилучшие значения выявлены у образца с экспозицией обработки 10с в обоих вариантах удельной мощности.
а б Рисунок 2 - Динамика изменения температуры традиционной опары при различных вариантах удельной мощности облучения (а- 0,8 Вт/г, б-0,5 Вт/г) При обработке образцов опары удельной мощностью 0,3 Вт/г независимо от вариантов экспозиции находятся в области оптимальных значений температуры для процесса брожения и деятельности дрожжевых клеток. Изменение опытных образцов незначительно по сравнению с контрольным вариантом.
Анализ динамики изменения кислотности от параметров облучения традиционной опары В изучаемых вариантах традиционной опары контроль за время брожения достиг нормируемой кислотности 3 град. к 60 минуте брожения.
По результатам опытов было выявлено, что при обработке токами сверхвысокой частоты удельной мощностью 1-2 Вт/г независимо от экспозиции облучения все опытные образцы значительно уступают контролю. В образцах за 2, часа брожения нормируемая кислотность не достигнута. При этом выявлено, что чем больше удельная мощность подаваемой СВЧ- энергии, тем больше проявляется угнетение процесса брожения (разрыв между значениями контроля и опытных образцов увеличивается). Данный процесс объясняется негативным воздействием анализируемых режимов обработки на дрожжевые грибки, которые являются главным источником накопления в результате спиртового брожения растворимых кислот в опаре. При обработке опары удельной мощностью 0,8 Вт/г почти все образцы приблизились к нормируемому значению 3 град. (кроме образца с экспозицией обработки 25с). Образцы при экспозиции обработки 5 и 20с достигли нормы на уровне контроля. Ускоренное кислотонакопление, а значит и улучшение процесса брожения, наблюдается только у образца с экспозицией обработки 10с. При этом значения кислотности у данного образца не превышают критические значения анализируемого параметра. При обработке опары СВЧ- энергией удельной мощностью 0,5 Вт/г почти все образцы приблизились к нормируемому значению, кроме образца с экспозицией обработки 20с. У образцов с экспозицией 5 и 15 с значения кислотности превышают критический уровень 3,5 град., при котором дрожжевые клетки начинают погибать, в виду повышенной кислотности среды.
При обработке образцов традиционной опары в поле СВЧ удельной мощностью 0,3 Вт/г нормируемого значения по кислотности достигли варианты с экспозицией облучения 5,10 и 20 с. При этом данные образцы достигли необходимых параметров брожения в более короткий срок (соответственно на 40, 40 и 20 минут), чем контроль, что свидетельствует о благоприятном воздействии СВЧ-обработки на процесс брожения опары. Образец с экспозицией 20 с обработки единственный из перечисленных выше не превысил критических значений.
Анализ динамики изменения высоты подъема от параметров облучения традиционной опары В изучаемых вариантах традиционной опары контроль за время брожения увеличил свой объем в 1,5 раза, опадение опары началось на 60 минуте брожения.
При облучении опары удельной мощностью 2Вт/г при экспозиции 15-25 с и 1,5 Вт/г при экспозиции 5,10,20 с, 0,3 Вт/г с экспозицией 15 и 25 с опытные образцы уступили контролю по данному показателю. При экспозиции 10с опара поднялась выше контроля, с начального уровня увеличение подъема составило до 1,57 раз. При 2Вт/г и экспозиции 5 с подъем опары составил наибольшее значение, превышает значения контроля, опара сбродилась за меньшее время (опадение началось на минут раньше контроля). При 2Вт/г и экспозиции 15, 25с ;
0,3 Вт/г и экспозиции 5 с– на уровне контроля. При облучении опары удельной мощностью 1 Вт/г все облученные образцы уступили контролю либо по высоте подъема, либо по продолжительности. При облучении опары удельной мощностью 0,8 Вт/г все образцы подвергнутые обработке СВЧ – энергией по высоте подъема превысили значения контроля. Наибольший подъем опары выявлен у образцов при экспозиции 10 и 20 с. соответственно в 1,7 и 1,6 раз по сравнению с начальным уровнем брожения. При обработке опары удельной мощностью 0,5 Вт/г лучше контроля и по высоте подъема и продолжительности подъема были образцы, облученные при экспозиции 10 и 25 с. При этом при 10 с процесс брожения сокращается по сравнению с контролем на 20 минут, в то время как при 25 секундной экспозиции – только на 10 минут. При обработке опары удельной мощностью 0,3 Вт/г обработанные образцы при экспозиции обработки 10 и 20 с характеризовались превышающими контроль значениями.
Анализ динамики изменения подъемной силы от параметров облучения традиционной опары Для контрольного образца подъемная сила составила 10 минут. При больших значениях удельной мощности воздействия 1,5-2 Вт/г, подъемная сила обработанных образцов значительно больше контрольного необработанного образца независимо от продолжительности воздействия, что является отрицательным результатом. При обработке опары энергией удельной мощностью 0,3-1 Вт/г изменения незначительны или на уровне контроля. При режиме обработке 0,8 Вт/г и 10с экспозиции выявлено ускорение газообразования по сравнению с контролем Анализ продолжительности брожения от параметров облучения традиционной опары По итогам исследований процесса брожения традиционной опары необходимо выявить оптимальные параметры ее облучения по комплексу анализируемых выше показателей. Необходимые значения показателей качества брожения достигаются при облучении удельной мощностью 1 Вт/г при экспозиции 25с;
0,8 Вт/г – 10с;
0,5Вт/г – 10с. С точки зрения наименьшего энергопотребления СВЧ – магнетроном оптимальными параметрами облучения традиционной опары являются удельные мощности в 0,8 и 0,5 Вт/г при экспозиции в 10с. При выбранных параметрах обработки традиционной опары было определено общее время брожения по комплексу показателей качества опары (температура, кислотность, высота подъема). Результаты представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 – Продолжительность брожения опары с учетом комплекса показателей Как видно из рисунка 3, конец брожения опары контрольного образца по итогам основных параметров показателей наступил в период 60- минут, в то время как обработанные в поле СВЧ образцы опары сбродились за 40 минут. Таким, образом, выявлено, что обработка СВЧ -энергией традиционной опары в период ее замеса позволяет сократить процесс брожения опары на 10-20 минут (4-13%).
В третьей главе «Теоретическое обоснование обработки опары пшеничного хлеба в поле сверхвысокой частоты» приведены результаты теоретических исследований обработки опары пшеничного хлеба в поле сверхвысокой частоты. Обрабатываемый объем опары рассматривается как совокупность трех зон: первая зона подвергается максимальному нагреву, вторая и третья зоны путем естественной конвекции и механического перемешивания нагреваются, но в меньшей степени. Для каждой зоны необходимо решить индивидуальное уравнение по подбору необходимой энергии для обработки опары по оптимальным параметрам.
Количество энергетических составляющих в процессе обработки опары пшеничного хлеба в поле сверхвысокой частоты и принудительного потока газа в едином цикле в технологии обработки опары может быть представлено в виде формулы 1:
(1) Qобр = Qпол + Qкон + Qср + Qгаз - Qброж Qобр - тепловая энергия, генерируемая в продукте под действием СВЧ-поля;
Qпол – полезно используемое тепло;
Qкон –потери на нагрев диэлектрического контейнера;
Qср – потери в окружающую среду;
Qгаз – потери при выделении углекислого газа;
Qброж – полезное тепло вырабатываемое при брожении опары Уравнение энергии для двух сред, движущихся с различными скоростями с учетом выделения газа за счет брожения из опары и с внутренним источником тепла, имеет вид (формула 2) d d r 1 П 1 П c 1 П c П 1 d d 11 22 1 1, (2) Где - удельная поверхность газовой полости к объему газовой полости);
Nv- плотность мощности внутренних источников;
П -порозность слоя;
r - удельная теплота брожения, оператор Лапласа. Индекс 1 относится к опаре, а 2- к парогазовой смеси.
Считаем температуру на границе x 1 парообразующей. Плотность внутренних источников тепла связана с местом подвода СВЧ-энергии к материалу (рисунок 4).
Рисунок 4 - Схема расчета дежи со слоем перемешиваемой опары в поле СВЧ Общее решение температурного распределения в объеме дежи при обработке опары в поле сверхвысокой частоты имеет вид (формула 3):
2 с5 е x c6 e x 1 x Д е 00, ;
(3) 0 е 1 1 П 2 2 2 с 2 G 1с R(1 П ) 2 r 1 Т Где (4),. (5) - теплопроводность;
- объемная степень влаги в опаре, - глубина проникновения СВЧ энергии в материал ;
NД - удельная мощность СВЧ- энергии, подводимая к материалу;
– декремент затухания системы., - скорость месильного устройства, – коэффициент, учитывающий общий объем газообразования;
G2 - расход газа/ Количество выделившейся энергии за счет брожения определяем в соответствии с выражением 6:
x Q брож Vd V dx 1 x.
(6) Таким образом, получены математические зависимости теоретических энергоемкостей энергетических составляющих замешивания опары под СВЧ воздействием;
разработана теория оптимизации технологии замешивания опары под СВЧ воздействием;
разработана принципиальная схема технологии замешивания опары под СВЧ воздействием, позволяющие определять количество выделяемого газа и изменение температурного поля в опаре от различных технологических параметров: 2, с2, 2, G2 - температура, теплоемкость, теплопроводность, удельный расход парогазовой среды над слоем опары;
NСВЧ – мощности СВЧ;
R, Н1 – радиус дежи и высоту заполнения опары;
– угловую скорость месильного органа;
c0, 0 удельная теплоемкость и плотность опары.
В четвертой главе «разработка технологии СВЧ–обработки опары пшеничного хлеба» проведено комплексное исследование влияния параметров СВЧ–обработки на показатели качества опары и готовой продукции в производственных условиях.
Для разработки технологии СВЧ-обработки традиционной опары пшеничного хлеба в производственных условиях в Ижевской государственной сельскохозяйственной академии был разработан образец на основе тестомесильной машины А2-ХТ3-Б с подкатной дежой и СВЧ-излучателем.
Внешний вид установки представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 – Внешний вид тестомесильной машины с СВЧ-излучателем 1-тестомесильная машина А2-ХТЗ-Б, 2 дежа, 3-СВЧ-излучатель Принцип работы разработанного образца заключается в следующем. Подкатная дежа (2) с накатывается на фундаментную плиту машины (1) до упора, контакты конечного выключателя блокировки фиксаций дежи замыкаются. Нажатием кнопки «Вниз» на панели управления включается привод поворота траверсы, которая опускается в рабочее положение, дежа (1) закрывается крышкой, фиксируя ее на плите, при этом рабочий орган вводится в дежу (1). Через отверстие в крышке, снабженной штуцером, в дежу (1) по гибкому шлангу от дозировочной станции подается жидкие компоненты.
Загрузка дежи (1) мукой или другими сыпучими продуктами производится через овальную горловину в крышке, соединенную тканевым рукавом с дозировочной станцией сыпучих продуктов. Нажатием кнопки «Пуск» включается привод месильного органа, совершающего планетарное движение внутри дежи (1). Перед окончанием замеса включается СВЧ-излучатель (3) на установленное время при помощи реле времени. По истечении времени привод месильного органа автоматически выключается, механизм останавливается, включается привод поворота траверсы. Траверса поворачивается в крайнее верхнее положение, и месильное устройство выходит из дежи (1), которая высвобождается от фиксаций и выкатывается вручную с фундаментной плиты машины (2).
На основе алгоритма была составлена функциональная схема (рисунок 6) управления разработанным образцом установки облучения опары в СВЧ-поле при ее замесе.
Рисунок 6– Функциональная схема управления процесса обработки опары Где 1 - дозатор муки;
2 дозатор воды;
3 - дозатор дрожжей;
4 - индикатор дозировки;
5 - датчик положения;
6 - реле;
7,16 - привод крышки;
8 - индикатор закрытия крышки;
9, 12, 15 - реле времени;
10 - мешалка;
11 - индикатор перемешивания;
13 – СВЧ - излучатель;
14 - индикатор СВЧ;
17 - индикатор выгрузки.
Сырье загружается в дежу при помощи дозаторов 1,2,3. По индикатору дозировки 4 контролируется правильность загрузки сырья. При помощи датчика положения 5 контролируется правильность установки дежи на платформу установки. За счет реле 6 запускается привод крышки 7. Далее крышка машины опускается при помощи привода 7 и закрепляется на деже. Правильность фиксации крышки контролируется при помощи индикатора 8. По заданному времени при помощи реле 9 и мешалки 10 происходит замес опары.
Равномерность замеса и температура опары проверяется при помощи индикатора перемешивания 11. В случае превышения заданного параметра температуры опары замес останавливается за счет реле 9. При помощи реле времени включается СВЧ - излучатель 13 на заданном промежутке времени замеса опары.
Контроль СВЧ обработки проводится при помощи индикатора 14. После окончания замеса и СВЧ - обработки работа двигателя тестомесильной машины останавливается, крышка при помощи привода 16 поднимается и дежа выгружается с платформы. По данным индикатора выгрузки 17 определяется конец работы установки.
Производственные испытания проходили на базе ОАО «Хлебозавод №1» г.
Ижевска УР. По их итогам разработанная технология обработки опары при производстве пшеничного хлеба была внедрена на данном предприятии, разработаны ТУ и ТИ.
Анализ влияния параметров обработки на качество опары Опыты проводились по рекомендуемым параметрам обработки традиционной опары, указанным во второй главе. Динамика изменения температуры, кислотности и высоты подъема опары представлены соответственно на рисунках 7-9.
Рисунок 7- Динамика изменения температуры традиционной опары в зависимости от режима обработки в поле сверхвысокой частоты Где контроль – без облучения, 1 режим:
удельная мощность 0,8 Вт/г и экспозиция 10с, режим: удельная мощность 0,5 Вт/г и экспозиция 10с.
Контрольный образец сбраживается при температуре 25-28 С. В опытных вариантах после обработки СВЧ-энергией температура резко возрастает и находится в пределах 32-33С, что благотворно влияет на процесс брожения. Но при этом не достигает критического значения (более 35С). В течение 10 минут температура незначительно возрастает, что свидетельствует о происходящем брожении.
Рисунок 8- Динамика изменения кислотности традиционной опары в зависимости от режима обработки в поле сверхвысокой частоты Оптимальные значения кислотности контрольного образца в 3 град. достигается при брожении опары более 110 минут.
Опытные обработанные образцы при рекомендованных режимах в поле СВЧ за час брожения достигают необходимого значения, не достигая критического уровня. Продолжительность брожения при этом сокращается до 40 минут.
Рисунок 9- Динамика изменения высоты подъема традиционной опары в зависимости от режима обработки в поле сверхвысокой частоты Высота подъема обработанных образцов изменяется аналогично контрольному варианту.
При этом опытные варианты превосходят контроль в количественном выражении, и процесс опадения у них начинается раньше на 20-40 минут.
Для параметра температуры опары была проверена адекватность математической модели (Рисунок 10).
Рисунок Адекватность модели изменения 10 температуры традиционной опары в зависимости от режима обработки в поле сверхвысокой частоты Из данных по рисунку 10 видно, что динамика изменения температуры традиционной опары после обработки в поле СВЧ в производственных условиях по рекомендуемым режимам аналогична графику, выстроенному по разработанной формуле 3. Все изменения распределения температуры за период брожения опары входят в доверительный интервал выстроенного графика, что свидетельствует об адекватности модели при ошибке опыта в 5 %.
Таким образом, рассмотренные показатели качества опары достигают своих оптимальных значений раньше контрольного. Продолжительность брожения при этом сокращается до 20-40 минут или на 7-14,8 %, что также подтверждает лабораторные исследования по сокращению продолжительности брожения опары в 13 %.
Анализ влияния параметров обработки на качество пшеничного хлеба Внешний вид полученных образцов пшеничного хлеба при различных режимах обработки опары представлен на рисунке 11.
Рисунок 11 – Внешний вид пшеничного хлеба Показатели обработанной опары в процессе брожения улучшились по сравнению с контрольным образцом, динамика изменения основных параметров контроль 1 режим 2 режим соответствует исследованиям в лабораторных условиях.
Тесто из обработанной опары по показателям качества (кислотности, температуре, продолжительности брожения) не уступает образцу, полученного из необработанной опары. Пшеничный хлеб из традиционной опары, обработанной при рекомендованных режимах по основным показателям качества соответствует требованиям ГОСТ 26987-86. Основные параметры качества пшеничного хлеба при рекомендуемых режимах обработки опары представлены в таблице 1.
В пятой главе «Экономическая и энергетическая эффективность внедрения технологии обработки традиционной опары СВЧ–полем»
приведены расчеты капиталовложений и себестоимости пшеничного хлеба при использовании технологии обработки опары в промышленной установке с СВЧ – энергоподводом, экономической и энергетической эффективности при внедрении тестомесильной машины с СВЧ - излучателем на примере ОАО «Хлебозавод № 1» г. Ижевска Удмурсткой Республики. На ОАО «Хлебозавод №1» г. Ижевска каждую смену выпускается 1,5 т пшеничного хлеба массой 0,5 кг.
Таблица 1 – Технологические параметры и показатели качества пшеничного хлеба Показатель Рекомендованные Контроль При 1 режиме При 2 режиме параметры обработки обработки опары опары Температура выпечки, °С 215-250 220 220 Продолжительность 50- 60 60 выпечки, мин Упек, %1 6-12 11,5 11,6 11, Усушка, %1 2-4 2,3 1,3 1, Влажность, % не более 45 44,41 42,77 42, Кислотность мякиша, не более 3,0 3,0 3,0 3, град. Пористость мякиша, % 2 не менее 70,0 74,5 72,6 71, Органолептические Форма без выплывов. Поверхность гладкая. Без крупных трещин, показатели2 подрывов. Цвет от светло-желтого до коричневого. Мякиш пропеченный, не влажный на ощупь, эластичный. После легкого надавливания восстанавливает первоначальную форму. Без комочков и следов непромеса. Пористость развитая. Без пустот и уплотнений. Без отслоения корки от мякиша. Вкус и запах, свойственные данному изделию, без посторонних вкусов и запахов.
1 – Технологические инструкции производства хлеба и хлебобулочных изделий, 2 – ГОСТ 26987- Годовая выработка продукции при двухсменном режиме работы составляет 960 т продукции. Результаты расчетов годовой экономической эффективности представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Показатели годовой экономической эффективности № Показатель Технология Отклонения п/п существующая предлагаемая Производительность, т/год 1 960 960 2 Себестоимость продукции, руб. 16715973,98 16585959,69 -130014, 3 Годовая экономия себестоимости, 17412,47 17277,04 -135, руб./т 4 Годовая валовая выручка, руб 23278665,36 23278665,36 5 Годовая валовая прибыль, руб. 6562691,38 6692705,67 130014, 6 Чистая прибыль в год, руб. 5906422,25 6023435,10 117012, 7 Срок окупаемости капитальных 0,36 (4,4мес) затрат, лет Анализируя данные таблицы, можно сказать, что при внедрении в производство новой технологии себестоимость единицы продукции снизится на 130 тыс. руб. Обеспечивается годовая экономия себестоимости 135,43 руб. с 1 т продукции. Увеличение чистой прибыли при равенстве цен реализации до тыс. руб. позволит окупить затраты на внедрение технологии за 4,4 месяца.
При расчете энергетической эффективности, выявлено, что затраты энергии снизятся в 1,14 раза или на 1993,6 МДж, что позволит с экономить в себестоимости пшеничного хлеба за год 19929 рублей.
ВЫВОДЫ 1. При анализе современного состояния хлебопекарной отрасли и применения электротехнологий в пищевой промышленности было выявлено отсутствие в настоящее время интереса ученых совершенствовать технологию производства пшеничного хлеба по классической схеме тестоведения без применения пищевых и биологически активных добавок, используя только физические способы обработки сырья, полуфабрикатов, готовой продукции;
актуальность использования СВЧ энергии при производстве пищевых продуктов в настоящее время, сокращая длительность процесса, сохраняя качество продукции и снижая затраты на электроэнергию;
отсутствия способов сокращения длительности технологического процесса при производстве пшеничного хлеба за счет наиболее долговременной операции – брожение опары.
2 Разработана и исследована технология обработки традиционной опары пшеничного хлеба в поле сверхвысокой частоты. Определены основные параметры облучения, влияющие на показатели качества опары (температуру, кислотность, высоту подъема, подъемную силу, продолжительность брожения): удельная мощность облучения составляет 0,5-0,8 Вт/г при экспозиции 10 секунд. Собран комплекс для обработки традиционной опары в поле СВЧ в лабораторных условиях, указан алгоритм работы.
3 Получены математические зависимости теоретических энергоемкостей энергетических составляющих замешивания опары под СВЧ воздействием;
разработана теория оптимизации технологии замешивания опары под СВЧ воздействием;
разработана принципиальная схема технологии замешивания опары под СВЧ воздействием, позволяющие определять количество выделяемого газа и изменение температурного поля в опаре от различных технологических параметров: 2, с2, 2, G2 - температура, теплоемкость, теплопроводность, удельный расход парогазовой среды над слоем опары;
NСВЧ – мощности СВЧ;
R, Н1 – радиус дежи и высоту заполнения опары;
– угловую скорость месильного органа;
c0, 0 - удельная теплоемкость и плотность опары 4 На разработанной установке со следующими характеристиками: Объем загружаемой опары 50… 65 дм3;
СВЧ – излучатель с постоянной частотой электромагнитного поля – 2,45±0,05 ГГц;
мощность магнетрона для ванны данного объема составляет 1500 Вт, проведены производственные испытания подтвердили лабораторные исследования и адекватность математической модели.
5 Годовой экономический эффект при реализации 960 т пшеничного хлеба с использованием обработанной в СВЧ-поле традиционной опары составит 130 тысяч рублей. Энергетический эффект от внедерения обработки опары в поле сверхвысокой частоты составляет 1,14, затраты энергии сокращаются на 1993,6 МДж, что позволит с экономить в себестоимости пшеничного хлеба за год 19929 рублей.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Журналы, указанные в перечне ВАК:
1. Ушакова, Н.Ф. Исследование влияния СВЧ-нагрева на процесс брожения опары при производстве пшеничного хлеба / Н.Ф. Ушакова, В.В. Касаткин // Пищевая промышленность. – 2013. №9. – С 40- 2 Ушакова, Н.Ф. Опыт применения СВЧ-энергии при производстве пищевых продуктов / Н.Ф.Ушакова, Т.С. Копысова, В.В. Касаткин, А.Г. Кудряшова // Пищевая промышленность. – 2013. №10. – С 30- Другие издания:
1. Ушакова, Н.Ф. Применение электротехнологий в процессе производства пшеничного хлеба / Н.Ф. Ушакова //Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: материалы V Международной научно практической конференции, г. Челябинск, 21-22 октября 2011 г.: в 2 т. – Челябинск:
Издательский центр ЮУрГУ. – Т.1. – С. 96-100.
2. Ушакова, Н.Ф. Использование электро- и нанотехнологий в хлебопекарной отрасли / Н.Ф.
Ушакова // Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «55 лет высшему агроинженерному образованию в Удмуртии». – Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2010. – С. 67- 3. Ушакова, Н.Ф Применение СВЧ-нагрева в процессе производства пшеничного хлеба / Н.Ф.
Ушакова // Материалы II Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» Том второй. Естественные и технические науки. г. Ставрополь:
СевКавГТУ, 2011. – С. 169- 4. Ушакова Н.Ф. Применение СВЧ-нагрева в процессе производства пшеничного хлеба // Технология и продукты здорового питания: Материалы Vмеждународной научно-практической конференции / Н.Ф. Ушакова. – Саратов: Издательство «КУБиК», 2011. – С 144- 5. Ушакова, Н.Ф. Влияние электромагнитных волн СВЧ на мучной полуфабрикат пшеничного хлеба / Н.Ф. Ушакова // Актуальные вопросы науки: Материалы IV Международной научно-практической конференции (10.01.2012). – М.: Издательство «Спутник +», 2012. - С. 28- 6. Ушакова, Н.Ф. Исследование влияния СВЧ-облучения мучного полуфабриката пшеничного хлеба на примере традиционной опары / Н.Ф. Ушакова // Research Journal of International Studies. – № 1(239). -2012. – С. 9- 7. Ушакова, Н.Ф. Электротехнологии как фактор интенсификации производства пшеничного хлеба / Н.Ф. Ушакова // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. – 1(30). – 2012. – С. 63- 8. Ушакова, Н.Ф. Исследование влияния СВЧ-облучения мучного полуфабриката пшеничного хлеба на примере жидкой опары / Н.Ф. Ушакова // Сборник докладов V международной научно-практической заочной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии». – Липецк: Издательство ЛГТУ, 2012. – С. 103- 9. Ушакова, Н.Ф. Энергосберегающая технология производства пшеничного хлеба опарным способом с использованием СВЧ-энергии / Н.Ф. Ушакова // Интеллект и наука: труды XII Междунар. науч. конф. – Красноярск: Центр информации, 2012. – С. 227- 10. Ушакова, Н.Ф. СВЧ-обработка полуфабриката при производстве пшеничного хлеба опарным способом / Н.Ф. Ушакова // Современное хлебопекарное производство: перспективы развития: XIII Всероссийской науч.-практ. конф.: сб. науч. тр.. – Екатеринбург: Изд-во УрГЭУ, 2012. – С. 9- 11. Ушакова, Н.Ф Опыт использования СВЧ-энергии в технологическом процессе производства пшеничного хлеба / Н.Ф. Ушакова, В.В. Касаткин // Дулатовские чтения в 3-х т.
Том 1.: «Республика Казахстан и Евразийское экономическое сообщество: сотрудничество во имя прогресса»: Материалы IV Международной научно-практической конференции 23 ноября 2012 г. - Костанай: КИнЭУ им. Дулатова, 2012. – С. 252-256.
12. Ушакова, Н.Ф. СВЧ-обработка в технологическом процессе производства пшеничного хлеба / Н.Ф. Ушакова // Инновационные технологии в сельскохозяйственном производстве, пищевой и перерабатывающей промышленности: материалы Международной научно-практ.
конференции. – Ижевск: ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2013. – С. 20- Сдано в производство 07.11. Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х84 1/16.
Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № Изд-во ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 426069, Удмуртская республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д.