ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ пшеничной МУКИ В поле СВЕРХВЫСОКОЙ

Согласно поставленной задаче улучшения качественных показателей пшеничной муки в электромагнитном поле СВЧ необходимо нагреть пшеничную муку на предельно допустимую температуру за определенный период времени. Для обработки пшеничной муки была выбрана частота 2,45±0,05 ГГц, которая является рациональной для тепловой обработки большей части пищевых материалов. На этой частоте коэффициент поглощения СВЧ–излучения очень высокий, а глубина проникновения поля достаточна для равномерного распределения энергии по всему объему нагреваемого продукта. Диапазон варьирования удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода предварительно принимался от 0,1 до 0,6 кВт/м3 (формулы (3) и (7)). Изучалось влияние этого параметра на температуру нагрева пшеничной муки при СВЧ–обработке. Время обработки варьировалось в пределах 30…90 секунд, диапазон значений был принят исходя из энергоёмкости процесса обработки (формула (2)). При влажности в диапазоне 12…14 %, учитывая электрофизические характеристики пшеничной муки рациональной глубиной проникновения электромагнитного поля можно считать 20…40 мм (формула (4)). Исследованиями установлено, что при СВЧ–обработке признаки первоначального изменения клейковинного комплекса происходят при температуре 30 С, а его разрушение при температуре 75 С и выше. Принимаем граничные условия 30 СТС75 С для решения уравнения (12), учитывая тепло– и электрофизические характеристики пшеничной муки. Анализируя зависимость (12), установленную между температурой нагрева пшеничной муки и параметрами СВЧ–обработки, можно установить, что режимными параметрами обработки, при которых достигается температура 30…75 С являются: время воздействия t=30…90 с; удельная тепловая мощность СВЧ–энергоподвода Р=0,12…0,408 кВт/м3; толщина слоя муки h=20…40 мм.

Таким образом, разработана математическая модель энергетических составляющих СВЧ–обработки пшеничной муки на установках периодического действия с СВЧ–энергоподводом, связывающая изменение температуры пшеничной муки при СВЧ–обработке с изменением времени обработки, удельной мощности СВЧ–энергоподвода и толщины слоя муки.

В четвертой главе «Исследование влияния параметров СВЧ–обработки на физико-химические показатели пшеничной муки, полученной из суховейного зерна» проведено комплексное исследование влияния параметров СВЧ–обработки на показатели качества пшеничной муки, полученной из суховейного зерна.

Математическая обработка экспериментальных данных методом множественного регрессионного анализа позволила получить эмпирические зависимости физико-химических показателей пшеничной муки от параметров СВЧ–обработки при действии режимных факторов: времени воздействия t, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода Р, толщины слоя муки h в заданной области значений их уровней. Если на показатель оказывалось существенное совместное влияние двух факторов (tP, Ph, th), то для его выявления строились частные зависимости показателей от них.

В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, связывающее показатели качества со временем воздействия (х1), удельной тепловой мощностью СВЧ–энергоподвода (х2), толщиной слоя муки (х3). В уравнениях (13)–(21) представлены эмпирические зависимости температуры и показателей качества пшеничной муки, характеризующие её хлебопекарные свойства:

, (13)

, (14)

, (15)

, (16)

, (17)

, (18)

, (19)

, (20)

, (21)

где y1 – температура продукта, °С; y2 – влажность, %; y3 – белизна, усл. ед. по показаниям прибора Р3-БПЛ; y4 – количество клейковины, %; y5 – массовая доля сырой клейковины, усл. ед. по показателю прибора ИДК; y6,– растяжимость клейковины, см; y7 – содержание белка, %; y8 – число падения, с; у9 – кислотность, .

Исследование влияния параметров СВЧ–обработки на показатель зольности пшеничной муки не проводилось, т.к его изменения процессе обработки в электромагнитном поле СВЧ были незначительны.

Анализируя уравнение (13) установлено, что с увеличением времени воздействия от 60 до 90 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода от 0,264 до 0,408 кВт/м3, толщины слоя муки от 30 до 40 мм, а также при сочетании минимальных и максимальных значений времени воздействия и толщины слоя муки происходит увеличение температуры нагрева.

Анализ уравнения регрессии (14) выявил, что между влажностью муки и входными параметрами существует сильная корреляция. Установлено, что с увеличением времени воздействия от 60 до 90 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода от 0,264 до 0,408 кВт/м3, толщины слоя муки от 30 до 40 мм, а также при сочетании максимальных значений времени воздействия, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода и толщины слоя муки происходит уменьшение влажности муки. Снижение влажности пшеничной муки при СВЧ–обработке обусловлено тепловым воздействием параметров поля сверхвысокой частоты на структуру муки, т.к происходит её усушка.

Анализируя уравнение (15), установлено, что с увеличением времени воздействия от 60 до 90 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода от 0,264 до 0,408 кВт/м3, толщины слоя муки от 30 до 40 мм, а также при сочетании максимальных значений времени воздействия и удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода происходит уменьшение показателя белизны в связи с тепловым воздействием параметров СВЧ–поля на муку.

Анализ уравнения регрессии выявил (16), что между массовой долей сырой клейковины муки и входными параметрами существует средняя корреляция. Из уравнения регрессии видно, что при времени воздействия от 30 до 60 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода от 0,12 до 0,264 кВт/м3, толщины слоя муки от 20 до 30 мм, а также при сочетании минимальных и максимальных значений времени воздействия, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода и толщины слоя муки происходит увеличение массовой доли сырой клейковины в муке. Данные изменения можно объяснить тем, что при СВЧ–обработке в клейковине увеличивается количество дисульфидных связей (–S=S–), по сравнению с клейковиной муки контрольного образца, имеющего большее количество сульфгидрильных связей (–SH).

Анализируя уравнение (17), установлено, что между качеством сырой клейковины и входными параметрами существует средняя корреляция (рисунок 4). Из уравнения регрессии видно, что при времени воздействия от 30 до 60 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода от 0,12 до 0,264 кВт/м3, толщины слоя муки от 20 до 30 мм, а также при сочетании минимальных и максимальных значений времени воздействия, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода и толщины слоя муки качество сырой клейковины улучшается. В контрольном варианте мука имела удовлетворительную по качеству клейковину (II группа качества, удовлетворительно крепкая). При обработке муки при вышеперечисленных параметрах, она достигает температуры 35…51°С, происходит частичная денатурация белков, проявляющаяся в виде расслабления клейковины пшеничной муки, полученной из суховейного зерна.

Анализ уравнения регрессии (18) выявил, что между содержанием белка и входными параметрами существует средняя корреляция. Установлено, что при времени воздействия от 30 до 60 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода от 0,12 до 0,264 кВт/м3, а также при сочетании минимальных значений времени воздействия, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода и толщины слоя муки содержание белка не уменьшается по сравнению с контрольным образцом.

Рисунок 4 – Зависимость качества сырой клейковины муки от времени воздействия и удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода

Из уравнения регрессии (19) видно, что при времени воздействия от 30 до 60 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода от 0,12 до 0,264 кВт/м3, а также при варьировании минимальных и максимальных значений времени воздействия, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода и толщины слоя муки происходит увеличение показателя растяжимости. Повышение растяжимости клейковины пшеничной муки при СВЧ–обработке обусловлено воздействием параметров поля сверхвысокой частоты на структуру муки, при вышеперечисленных параметрах мука нагревается до температуры 38…45С, клейковина при этом теряет упругость в результате частичной денатурации белков и становится более растяжимой.

Анализ уравнения регрессии (20) выявил, что между числом падения муки и режимными факторами существует сильная корреляция. При этом число падения с увеличением удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода в диапазоне времени воздействия от 60 до 90 с, возрастает, а при времени воздействия от 30 до 60 с, с ростом удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода число падения снижается (рисунок 5). Уменьшение значения числа падения можно объяснить повышением активности амилолитических ферментов – и –амилазы под воздействием электромагнитного поля СВЧ.

Анализ уравнения регрессии (21) выявил, что между кислотностью муки, временем воздействия и удельной тепловой мощностью СВЧ–энергоподвода существует сильная корреляция, причём толщина слоя муки не оказывает влияния на показатель кислотности. Из уравнения регрессии видно, что с увеличением времени воздействия от 30 до 60 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода от 0,12 до 0,264 кВт/м3, происходит уменьшение кислотности муки. Снижение показателя кислотности связано с ростом связи фосфорных соединений в фитине.

Для каждого параметра оптимизации также были получены предельные значения в диапазоне режимных параметров при помощи прикладной программы «MathCAD14».

Рисунок 5 – Зависимость числа падения муки от времени воздействия и удельной тепловой мощности СВЧ–энергоподвода

Путём анализа экспериментальных данных были определены рациональные параметры СВЧ–обработки пшеничной муки, т.е. диапазоны параметров обработки в электромагнитном поле СВЧ, в пределах которых наблюдалось наиболее существенное улучшение показателей качества муки, полученной из суховейного зерна (таблица 1).

Таблица 1 – Рациональные параметры СВЧ–обработки пшеничной муки

Номер варианта	Время воздействия, t, с	Удельная тепловая мощность, Р, кВт/м3	Толщина слоя муки, h, мм
1	8090	0,12	20
2	3035	0,2640,408	20
3	3090	0,12	30
4	3035	0,264	30
5	3060	0,12	40
6	3035	0,264	40

Для определения безопасности хлеба по показателю микробиологической устойчивости хлебных изделий к возбудителю картофельной болезни (Bacillus subtilis) осуществляли проведение пробной выпечки хлеба в лабораторных условиях. Было установлено, что в образцах хлеба из муки контрольного образца признаки развития картофельной болезни проявились после 24 ч термостатирования. В образцах хлеба, выпеченных из обработанной муки, картофельная болезнь проявилась в течение 72 (1, 3, 5 вариант) и 96 часов (2, 4, 6 вариант), что больше требуемых 36 ч согласно «Инструкции по предупреждению картофельной болезни хлеба».

Целесообразность применения того или иного варианта зависит от исходного качества пшеничной муки, полученной из суховейного зерна. Так, варианты 1, 4, 5, 6 могут быть применимы для пшеничной муки с качеством сырой клейковины 30…40 единиц прибора ИДК, вариант 2, 3 – для пшеничной муки с качеством сырой клейковины 40…45 единиц прибора ИДК.

Адекватность математической модели энергетических составляющих СВЧ–обработки пшеничной муки проверена путем сравнения дисперсий расчётных данных с экспериментальными по критерию Фишера (F–критерий) (рисунок 6).

Рисунок 6 – Температуры нагрева пшеничной муки при обработке на установке периодического действия с СВЧ-энергоподводом

Модель адекватна с надежностью 95%. Расчеты осуществлялись в программах STATISTICA 6.1 и Microsoft Excel 2007.

Таким образом, при рациональных параметрах обработки качество пшеничной муки принимает целесообразные для применения в хлебопекарном производстве параметры: по прибору ИДК она соответствует I группе качества (55…65 ед. прибора ИДК), по растяжимости - средней, число падения снижается на 12…20 %, содержание массовой доли сырой клейковины увеличивается на 4…11 %, показатель кислотности снижается на 5…8 %, показатель белизны уменьшается незначительно – на 1…2,5 %, содержание белка не снижается по сравнению с контрольным образцом, показатель зольности практически не изменяется по сравнению с контрольным образцом, а влажность муки снижается на 2…9 %.

В пятой главе «Технико-экономические показатели и эффективность разработанной технологии и оборудования» приведены расчеты капиталовложений и эксплуатационных расходов на СВЧ–обработку муки в промышленной установке с СВЧ–энергоподводом (рисунок 7), экономической эффективности, критического объема производства пшеничной муки и чистого дисконтированного дохода при внедрении установки с СВЧ–энергоподводом на примере мельничного комплекса ТОО «Иргиз» (г. Рудный, Республика Казахстан).

Установка состоит из экранного корпуса 1 и каркаса 2, на передней панели которой размещен блок управления 3, диэлектрическая шиберная заслонка с приводом 4 для загрузки продукта в рабочую камеру 5. Рабочая камера 5 имеет форму параллелепипеда и снабжена транспортёром 7. Магнетрон 8 получает напряжение от системы питания, соединенной с узлом ввода энергии 9.

1 – корпус; 2 - каркас; 3 – блок управления; 4,6 - заслонки; 5 – рабочая камера;

7 - конвейер; 8 – магнетрон; 9 – узел ввода энергии; 10 – блок контроля работы установки;

11 – бункер; 12 – пневмотранспортёр

Рисунок 7 - Функциональная схема промышленной установки с СВЧ-энергоподводом

После подключение установки к источнику электроэнергии пшеничную муку из бункера 11 загружают в рабочую камеру при помощи транспортёра, задают на панели управления удельную мощность СВЧ–энергоподвода и время обработки. Толщина слоя муки регулируется при помощи шиберной заслонки 4. Далее магнетрон создаёт переменное магнитное поле, имеющее частоту колебаний 2,45±0,05 МГц. По окончании процесса пшеничная мука выгружается из рабочей камеры через диэлектрическую заслонку 6 с приводом и подается пневмотранспортом 12 на бестарное хранение в бункера с последующим проведением контроля качества муки. Установка с СВЧ–энергоподводом снабжена системой контроля и управления 10. Температура муки в процессе обработки контролируется термодатчиками (Т1 и Т2), расположенными по длине рабочей камеры установки.

Результаты расчетов экономических показателей, приведенные в таблице 2, подтверждают рациональность использования установки с СВЧ–энергоподводом на предприятиях по переработке зерна.

Таблица 2 - Основные экономические показатели по капитальным вложениям и

текущим затратам при обработке пшеничной муки в установке с СВЧ-

энергоподводом

Показатели	Без отработки	С обработкой в СВЧ-установке
Объём производства в натуральном выражении, тонн	7110	7110
Цена тонны производимой продукции, тыс. руб.	13	14
Себестоимость зерна на производство муки, тыс. руб.	43931,25	43931,25
Первоначальные капитальные вложения, тыс. руб.	-	1056
Текущие затраты на содержание и эксплуатацию оборудования в год, тыс. рублей	-	3091,67
Выручка от реализованной продукции, тыс. руб.	92430	99540
Экономический эффект от реализации муки, тыс. руб.	-	7110
Экономическая эффективность, руб./руб		1,71
Критический объем производства, тонн		3728
Чистый дисконтированный доход за три года, тыс. рублей	-	117343,79