THE REGULATION OF THE STRUCTURE OF EXTRUDATES OF VEGETABLE RAW MATERIALS

Full Text

Многочисленными исследованиями установлено, что в крахмалсодержащем зерновом сырье максимальная степень желатинизации и деструкции крахмала обеспечивается оптимальным значением удельной механической и тепловой энергии, полученной экструдируемым материалом. Не в меньшей степени величина этой энергии также оказывает влияние и на изменения белков в обрабатываемом материале. В пищевой экструзии для оценки интенсивности воздействия на перерабатываемое сырье принято использовать специфическое понятие – SME (specific mechanical energy), численное значение которого представляет собой удельную энергию поглощения или диссипации. Считается, что в общем виде она зависит от производительности экструдера, угловой скорости шнеков (шнека) и их геометрии, размеров и конструкции структурирующей фильеры, температуры проведения процесса, влажности экструдируемого сырья, его химического и гранулометрического состава. В свою очередь, поглощенная экструдируемым материалом механическая энергия сил сдвига и трения аккумулируется в виде тепловой энергии, количество которой существенно влияет на коэффициент вспучивания (индекс расширения) экструдата и его пористость [1, 2, 3, 4, 6, 7, 8]. С другой стороны, пористая структура экструдатов предопределяет их физические свойства: индекс расширения, набухаемость, водоудерживающую способность, растворимость, жироудерживающую способность [5, 9, 10]. Известно, что одним из факторов, влияющих на процесс термопластической экструзии, является влажность сырья. От содержания воды в экструдируемом сырье в значительной степени зависит температура перехода обрабатываемого материала в вязко-текучее состояние, а значить и степень его нагрева за счет сил диссипации (внутреннего трения материала и его трения о шнек и корпусные детали экструдера). Таким образом, изменяя вязкость системы, вода оказывает влияние на тепловой баланс экструдера, в котором теплота выделяется в результате трения при гомогенизации, пластификации, сдвиге и сжатии перемещаемого в процессе обработки материала. Влажность сырья и связанные с ней реологические свойства обрабатываемого материала оказывает существенное влияние на давление в предматричной зоне экструдера, а значить и на интенсивность «декомпрессионного взрыва» экструдата при выходе из фильеры. Жидкость в данном случае играет роль летучего, перегретого компонента системы, который обеспечивает порообразование в ней при мгновенном сбросе давления, а также резкое охлаждение и отверждение (гелеобразование) получаемого продукта в процессе взрывного испарения воды. С другой стороны, давление обрабатываемого сырья в предматричной зоне экструдера можно регулировать его подачей в зоне загрузки, частотой вращения рабочего шнека (шнеков), диаметром формующего канала (фильеры) и по существу перечисленные параметры являются в определенной степени взаимозависимыми, что необходимо учитывать в экспериментальных исследованиях. В ранее выполненной работе была показана возможность регулирования пористости экструдатов за счет пониженного давления воздуха на выходящий из фильеры экструдера материал [5]. Цель исследований – выявить и оценить степень влияния технологических факторов экструзионного процесса и технических параметров экструдера на структуру экструдатов крахмалсодержащего зернового сырья. Задача исследований – определить рациональные значения факторов, оказывающих наибольшее влияние на индекс расширения экструдатов и интенсивность формирования их пористой структуры. Материалы и методы исследований. Исследования влияния технологических факторов экструзионного процесса и технических параметров экструдера на структуру экструдата проводились с помощью экспериментальной установки, в состав которой входил одношнековый пресс-экструдер, укомплектованный вакуумной камерой. Пониженное давление в вакуумной камере создавалось с помощью вакуумного насоса с подачей 60 м3/ч, вакуум-регулятора и вакуум-баллона. Вакуум-регулятор позволял поддерживать необходимое давление в вакуумной камере, а вакуум-баллон служил для сглаживания колебаний давления в вакуумной системе, а также сбора конденсата, образующегося в процессе охлаждения паровоздушной смеси, откачиваемой из вакуумной камеры. Выгрузка готового экструдата без разгерметизации вакуумной камеры обеспечивалась с помощью шлюзового затвора. В качестве объекта исследования были выбраны зерна ячменя, овса, проса и гречихи с массовой долей влаги 10-18% без предварительного шелушения поверхности. Целые зерна экструдировали в течение 15-25 с при температуре 110-130оС с последующим воздействием на выходящее из фильеры матрицы экструдера сырье пониженным давлением, равным 0,02-0,09 МПа. Экструдат при выходе из фильеры матрицы разрезался с помощью режущего устройства на частицы размером 1,0-2,0 мм. Эксперимент проводили в трехкратной повторности, а технические параметры экструдера обеспечивали мягкий режим горячей экструзии перечисленных выше зерновых материалов. Частота вращения шнека пресс-экструдера составляла 7,5 с-1, диаметр формующего канала матрицы (фильеры) – 4, 6 и 8 мм. Целью первой серии экспериментов было получение уравнений, позволяющих оценить зависимость влажности получаемого экструдата от содержания в исходном сырье жидкости и давления в вакуумной камере. Результаты исследований. После обработки экспериментальных данных были получены регрессионные зависимости влажности экструдата овса от давления в вакуумной камере экструдера в виде следующих уравнений: . (1) Полученные уравнения справедливы для области давлений в вакуумной камере экструдера от 0,02 до 0,1 МПа и показывают (рис. 1), что при выходе из фильеры матрицы экструдат овса в результате практически мгновенного испарения части жидкости снижает свою влажность по сравнению с исходным сырьем на 23,2-31,9 % (для давления 0,1 МПа, т.е. примерно равному атмосферному). Рис. 1. График зависимости влажности экструдата овса от давления в вакуумной камере экструдера Экструзионная обработка зерна ячменя, овса, проса и гречихи в экструдере без вакуумной камеры показала одну и ту же закономерность: в условиях быстрого перехода обрабатываемого материала из области высоких давлений (в тракте машины) в условия атмосферного давления, влажность экструдата по сравнению с влажностью сырья в исследуемых образцах (с содержанием воды соответственно 10, 14 и 18%) снижается на 31,9-21,0%. При этом максимальное снижение (31,9%) отмечалось в эксперименте с овсом, а минимальное (21%) – при переработке гречихи. На взгляд авторов, связано это в первую очередь с различными физико-механическими свойствами исследуемого зерна (размер, насыпная масса, плотность, упругость, плёнчатость). Данная серия опытов показала, что переход экструдированного продукта из области высокого давления (2,0-2,7 МПа) в вакуумную камеру с давлением 0,02...0,09 МПа позволяет значительно интенсифицировать процесс удаления воды из обрабатываемого сырья. Объясняется это тем, что экструдируемое сырье в предматричной зоне с температурой 110…130ºС и условии отсутствия кипения воды должно находиться под давлением не меньшим 1,5-2,7 МПа. В этом случае при попадании в вакуумную камеру жидкость, находящаяся в экструдате, будет кипеть при температуре 70-90ºС. Такой температурный перепад будет способствовать более интенсивному снижению влаги в экструдате, чем при обработке сырья в экструдерах без вакуумной камеры. Следующим этапом экспериментальных исследований являлась оценка влияния технологических факторов экструзионного процесса и технических параметров экструдера на индекс расширения экструдатов. Для получения математической модели процесса получения экструдата в виде полинома второй степени был принят 3-х факторный центральный композиционный план (число опытов – 16, число кубических точек – 8, число звездных точек – 6, число центральных точек – 2). Уровни варьирования факторов соответствовали: влажность обрабатываемого зерна (W) – 10; 14; 18%; давление воздуха в вакуумной камере экструдера (P) – 0,02; 0,04; 0,06 МПа и диаметр отверстия фильеры матрицы (d) – 4; 6; 8 мм. За критерий качества был принят индекс расширения экструдатов (B). После реализации плана исследований статистическая обработка экспериментальных данных выполнялась с помощью корреляционно-регрессионного анализа в среде Microsoft Excel 2010 и Statistica 10, в результате чего была получена математическая модель второго порядка, адекватно описывающая зависимость индекса расширения экструдатов (коэффициента взрыва) от исследуемых факторов (2) Анализ полученного уравнения показывает, что на индекс расширения экструдатов наибольшее влияние оказывает давление воздуха в вакуумной камере экструдера. Качественные показатели полученной математической модели следующие: – множественный коэффициент корреляции R = 0,94, что согласно шкалы Чеддока свидетельствует о весьма высокой силе связи между переменными; – коэффициент детерминации R2 = 0,88, свидетельствует о наличии достаточно тесной функциональной зависимости между изучаемыми факторами и критерием качества экструдатов. В полученной модели в 88% случаев изменения изучаемых факторов приводят к изменению индекса расширения экструдатов, а остальные 12% изменений связаны с факторами, не учитываемыми в модели; – статистическая значимость составляет p<0,01, что соответствует высокому уровню доверия к полученной модели. Уравнение, описывающее поверхность отклика и характеризующее изменение индекса расширения экструдатов (коэффициента взрыва) (B) в зависимости от влажности обрабатываемого сырья (W) и давления в вакуумной камере экструдера (P) можно представить в следующем виде: . (3) Коэффициент детерминации R2 = 0,83. Графическая интерпретация данного уравнения представлена на рисунке 2 (цифры показывают числовые значения коэффициента взрыва в отмеченных областях поверхности отклика). Рис. 2. Поверхность отклика, характеризующая зависимость коэффициента взрыва от влажности сырья и давления в вакуумной камере экструдера Анализ уравнения (3) показывает, что с уменьшением давления в вакуумной камере экструдера (увеличением величины вакуума) коэффициент взрыва при прочих равных условиях достаточно заметно возрастает. Уравнение, описывающее поверхность отклика и характеризующее изменение коэффициента взрыва экструдата в зависимости от диаметра фильеры и давления в вакуумной камере экструдера имеет вид . (4) Коэффициент детерминации R2 = 0,71. Рис. 3. Поверхность отклика, характеризующая зависимость коэффициента взрыва от диаметра фильеры и давления в вакуумной камере экструдера Анализ уравнения (4) показывает, что в нем, так же, как и в уравнении (3) давление в вакуумной камере экструдера оказывает существенное влияние на величину коэффициента взрыва. Следует отметить и весьма заметный эффект от взаимодействия давления в вакуумной камере с диаметром фильеры матрицы экструдера. Зависимость коэффициента взрыва экструдата от влажности обрабатываемого сырья и диаметра фильеры можно представить в виде уравнения (5), графическая интерпретация которого приведена на рисунке 4. Рис. 4. Поверхность отклика, характеризующая зависимость коэффициента взрыва от влажности сырья и диаметра фильеры . (5) Коэффициент детерминации R2 = 0,78. При изучении связи между переменными W, d и зависимой переменной B были определены частные коэффициенты корреляции. С их помощью определили, какая переменная оказывает на переменную выхода наибольшее влияние. Частный коэффициент корреляции между зависимой переменной B и независимой d равен RBd–W = – 0,28, что свидетельствует об отрицательном влиянии на коэффициент взрыва. А частный коэффициент корреляции между зависимой переменной B и независимой W, равный RBW–d = 0,68 позволяет утверждать, что в полученном уравнении зависимости (5) влажность экструдируемого сырья оказывает более заметное влияние на коэффициент взрыва, чем диаметр фильеры d. В заключительной части экспериментальных исследований были получены данные, характеризующие влияние давления в вакуумной камере экструдера на интенсивность формирования пористой структуры экструдатов. С этой целью зерно ячменя влажностью 10, 14 и 18% подвергали экструзионной обработке при различном давлении воздуха в вакуумной камере экструдера и определяли пористость получаемых экструдатов. При этом частота вращения шнека пресс-экструдера составляла 7,5 с-1, диаметр формующего канала матрицы (фильеры) – 6 мм, диапазон изменения температуры – 110-130оС. Полученные результаты приведены в таблице 1. Таблица 1 Пористость экструдата ячменя в зависимости от давления в вакуумной камере экструдера, % Влажность ячменя, % Давление в вакуумной камере, МПа 0,10 0,09 0,07 0,05 0,03 10 59,9 62,4 64,8 67,5 65,2 14 62,5 65,1 68,1 72,7 70,6 18 65,9 69,6 73,2 77,0 80,0 Заключение. За счет изменения давления в вакуумной камере экструдера можно оказывать воздействие, как на влажность, так и на индекс расширения получаемых экструдатов, а также управлять интенсивностью формирования их пористой структуры.

About the authors

A A Kurochkin

FSBEI HPE «Penza State Technological University»

Email: anatolii_kuro@mail.ru
doctor technical sciences, the professor of chair «Food productions» 440061, Penza, 44/105, Herzen's st

G V Shaburova

FSBEI HPE «Penza State Technological University»

Email: Shaburovs@mail.ru
cand. technical sciences, the senior lecturer of chair «Food productions» 440061, Penza, 44/105, Herzen's st

D I Frolov

FSBEI HPE «Penza State Technological University»

Email: surr@bk.ru
cand. technical sciences, the senior lecturer of chair «Food productions» 440007, Penza, 7, Antonova st

P K Voronina

FSBEI HPE «Penza State Technological University»

Email: worolina89@mail.ru
graduate students of chair «Food productions» 440061, Penza, 44/105, Herzen's st

References

Supplementary files