Text (PDF):
Read
Download
Введение Широкое применение методов термопластической экструзии в пищевых технологиях объясняется в первую очередь возможностью эффективного воздействия на полисахариды и белки обрабатываемого сырья. В настоящее время практически все вопросы, связанные с преобразованиями этих ингредиентов, входящих в состав сырья растительного происхождения, изучены достаточно хорошо. Выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на этот процесс, а также обоснованы их рациональные численные значения [1, 2, 12-17]. Следующей по сложности задачей получения экструдатов с планируемыми свойствами является переработка углеводно-белково-липидного сырья. Решение этой задачи осложняется своеобразным поведением липидов в экструзионном процессе, когда при выходе их количества за определенные границы диссипативная система экструдера, преобразующая механическую энергию его рабочих органов в тепловую, функционирует в неустойчивом режиме. Иными словами, повышенное содержание липидов в перерабатываемом сырье отрицательно влияет на силы трения частиц экструдируемого материала между собой, а также с рабочими органами экструдера и в конечном итоге - на температуру и давление экструдата на выходе из машины. Как правило, это угнетает процесс порообразования и не позволяет получать экструдаты с высокими значениями коэффициента расширения [3, 10, 11]. Еще более сложные технические и технологические проблемы необходимо решать в процессе переработки сырья, содержащего, кроме указанных ингредиентов, растворимые (пектин, камеди, слизи) и нерастворимые пищевые волокна (клетчатка, лигнин). Некоторые виды такого сырья обладают уникальными свойствами, имея в своем составе относительно много белков, липидов и пищевых волокон и относительно мало - углеводов. К такому сырью можно отнести семена расторопши пятнистой, тыквы (с оболочкой), льна, кунжута и др. Известно, что при высоком содержании клетчатки в сырье активность крахмала как инициатора процесса порообразования в экструдатах падает. С другой стороны, применение экструдатов, получаемых из растительного крахмалсодержащего сырья, свидетельствует о существенном влиянии их пористости на набухаемость, водо- и жироудерживающую способность, растворимость, коэффициент расширения, а также текстуру и усвояемость готовых продуктов. Эти свойства экструдатов в определяющей степени зависят от содержания крахмала и массовой доли влаги в сырье. Учитывая, что клетчатка в процессе экструзионной обработки весьма успешно соперничает с остальными компонентами сырья за взаимодействие с водой, логично предположить существенное ухудшение процесса порообразования при обработке сырья с повышенным содержанием пищевых волокон [5, 7, 18]. Теоретические и экспериментальные исследования реакции капиллярно-пористых экструдатов на среду с пониженным давлением воздуха позволили авторам статьи обосновать научную концепцию, на основе которой можно устранить или существенно нивелировать недостатки, свойственные технологии экструдирования растительного поликомпонентного сырья [6, 8]. Концепция предполагает учитывать следующие положения. 1. Оптимизация процесса экструдирования растительного сырья с повышенным содержанием липидов и клетчатки возможна за счет его переработки в смеси с ингредиентами с высоким содержанием углеводов. 2. На качество получаемого экструдата влияет не только массовая доля влаги в обрабатываемой смеси, но и данный показатель для каждого ингредиента, входящего в состав смеси. 3. При производстве экструдатов с повышенным содержанием липидов температура нагрева обрабатываемого сырья не должна быть выше 100-105 °C, а полученный продукт желательно охладить и высушить до содержания массовой влаги не более 6-7 % сразу же после выхода из фильеры матрицы экструдера. 4. Приемлемое значение коэффициента взрыва экструдатов (3,0-3,5) при переработке сырья с содержанием липидов выше 7 % обеспечивается за счет создания в специальной камере экструдера давления воздуха ниже атмосферного. Целью работы является обоснование основных технологических параметров и оценка степени их влияния на процесс получения экструдатов из растительного сырья с повышенным содержанием липидов и пищевых волокон. Объекты и методы исследований Экспериментальные исследования выполнялись с помощью одношнекового пресс-экструдера, модернизированного согласно патенту на изобретение № 2561934 «Экструдер с вакуумной камерой» [9]. Объект исследования - смесь неизмельченных зерен пшеницы и семян расторопши пятнистой, которую подвергали экструдированию в течение 15-20 с при температуре 100-105 °C с последующим воздействием на выходящее из фильеры матрицы экструдера сырье пониженным давлением, равным 0,05 МПа. Частота вращения шнека пресс-экструдера составляла 7,5 с-1, диаметр фильеры матрицы экструдера - 4 мм. На выходе из фильеры матрицы машины экструдат разрезался на частицы длиной 0,5-0,8 мм. Применяемое в исследованиях зерно пшеницы сорта Саратовская 36 характеризовалось следующими показателями: масса 1000 семян равнялась 34,2 г; количество полисахаридов (крахмал + гемицеллюлоза + клетчатка), белка и липидов составляло соответственно 62,8 (52,6 + 7,6 + 2,6); 12,4 и 2,2 %. Масса 1000 семян расторопши пятнистой сорта Дебют равнялась 26,8 г; содержание липидов, белка и клетчатки в семенах составляло соответственно 24,8; 22,3 и 33,0 %. В качестве исследуемых были выбраны следующие факторы: содержание семян расторопши пятнистой в экструдируемой смеси - M (%), массовая доля влаги в зерне пшеницы - B1 (%) и массовая доля влаги в семенах расторопши пятнистой - B2 (%). За критерий качества полученного экструдата была принята его пористость П (%). Ранее проведенные исследования позволили установить, что для получения экструдата расторопши пятнистой с приемлемым коэффициентом взрыва (3,5-4,0) в качестве наполнителя можно использовать пшеницу с влажностью 14-15 % в количестве 75-80 % к экструдируемой массе. При этом влажность экструдируемой расторопши необходимо поддерживать в пределах 22-24 % [4]. С учетом этих рекомендаций программа эксперимента была реализована с помощью центрального композиционного униформ-ротатабельного планирования, состоящего из трех уровней: факторного плана типа 23, составляющего «ядро» центрального композиционного плана; звездных точек на осях факторного пространства, а также дополняющих опытов в центре плана. Это позволило более детально изучить значения факторов, близких к рациональным, полученных в предыдущих исследованиях. Матрица планирования и результаты эксперимента представлены в табл. 1. Методика определения пористости получаемых экструдатов заключается в следующем: образцы экструдата длиной 10 мм покрывались водостойким лаком и после высыхания помещались в цилиндр с водой. С учетом массы вытесненной из цилиндра воды определялся объем образца экструдата с порами. Затем образец экструдата подвергался сжатию с помощью ручных тисков, после чего также замерялся его объем. Пористость экструдата (%) определялась по формуле (1) где - объем экструдата с порами, мм3; - объем экструдата после сжатия образца, мм3. Таблица 1 Матрица планирования и результаты эксперимента Система опытов № опыта Кодированные факторы Натуральные факторы Пористость (П) Х1 Х2 Х3 M B1 B2 Полный факторный эксперимент типа 23 1 -1 -1 -1 20,00 12,00 20,00 64,0 2 -1 -1 +1 20,00 12,00 28,00 68,7 3 -1 +1 -1 20,00 16,00 20,00 64,0 4 -1 +1 +1 20,00 16,00 28,00 78,6 5 +1 -1 -1 30,00 12,00 20,00 62,2 6 +1 -1 +1 30,00 12,00 28,00 67,5 7 +1 +1 -1 30,00 16,00 20,00 70,1 8 +1 +1 +1 30,00 16,00 28,00 80,2 Опыты в «звездных» точках 9 -1,68 0 0 16,59 14,00 24,00 67,5 10 +1,68 0 0 33,41 14,00 24,00 70,3 11 0 -1,68 0 25,00 10,64 24,00 60,0 12 0 +1,68 0 25,00 17,36 24,00 65,5 13 0 0 -1,68 25,00 14,00 17,27 62,0 14 0 0 +1,68 25,00 14,00 30,73 77,4 Опыты в центре плана 15 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,8 16 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,5 17 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,6 18 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,9 19 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,5 20 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,7 Результаты и их обсуждение Реализация эксперимента и обработка полученных результатов позволили получить математическую модель второго порядка (2), описывающую зависимость пористости получаемого экструдата (П) от содержания семян расторопши пятнистой в экструдируемой смеси (M), а также массовой доли влаги в перерабатываемом зерне пшеницы (B1) и семенах расторопши пятнистой (B2): . (2) Полученная модель характеризуется следующими показателями качества (табл. 2). Таблица 2 Показатели качества полученной модели Множест. - R Множест. - R2 SS - Модель сс - Модель MS - Модель 0,971 0,943 768,853 9 85,428 SS - Остаток сс - Остаток MS - Остаток F p 45,886 10 4,5886 18,62 0,00004 Анализ приведенных данных позволяет сделать следующие выводы по качеству полученной модели: - множественный коэффициент корреляции R = 0,971 свидетельствует о весьма высокой силе связи между переменными (по шкале Чеддока); - коэффициент детерминации R2 = 0,943 позволяет утверждать, что в полученной модели 94,3 % изменчивости объясняется исследуемыми факторами (доля дисперсии зависимых переменных) и лишь 5,7 % - ошибками модели (доля необъясненной дисперсии); - статистическая значимость составляет p<0,00004, что соответствует высокому уровню доверия к полученной модели. Первичный анализ модели может быть проведен по следующему алгоритму. 1. Выявление факторов, оказывающих наибольшее влияние на параметр оптимизации, и оценка меры воздействия каждого из них на процесс формирования пористой структуры экструдата. 2. Проверка гипотезы о механизме взаимодействия факторов и возможном синергизме влияния факторов на параметр оптимизации. Абсолютная величина коэффициентов при изучаемых факторах позволяет сделать вывод о том, что наибольшее влияние на пористость получаемого экструдата оказывает массовая доля влаги в зерне пшеницы, а наименьшее - количество расторопши пятнистой в экструдируемой смеси. При этом обращает на себя внимание то, что все коэффициенты при квадратичных значениях параметров имеют отрицательный знак. Это говорит о том, что исследуемые параметры влияют на параметр оптимизации криволинейно (параболически) с направлением ветвей, характерным для параболы с максимумом. В связи с этим, например, при увеличении массовой доли влаги в зерне пшеницы с 12 до 16 % пористость при прочих равных условиях имеет тенденцию к уменьшению, а увеличение массовой доли влаги в семенах расторопши пятнистой с 20 до 28 % способствует незначительному повышению пористости получаемого экструдата. Следует особо отметить неоднозначное влияние количества семян расторопши пятнистой в экструдируемой смеси на пористость экструдата - с увеличением данного показателя с 20 до 30 % пористость незначительно возрастает, а при дальнейшем повышении до 40 % - снижается более чем на 25 %. Вероятно, некоторое увеличение пористости в первом интервале объясняется более высокой массовой долей влаги в экструдируемой смеси, которая за счет данного показателя для семян расторопши возрастает с 16 до 17 %. Снижение пористости экструдата при дальнейшем повышении количества семян расторопши пятнистой на фоне некоторого продолжающегося повышения массовой доли влаги в смеси, возможно, связано с отрицательной ролью липидов в этом процессе. Для изучения свойств поверхности отклика в окрестностях оптимума выполнено каноническое преобразование полученной математической модели. Анализ поверхности отклика проводили с помощью двумерных сечений. Уравнение (3), описывающее поверхность отклика и характеризующее зависимость пористости экструдата (П) от содержания в экструдируемой смеси семян расторопши пятнистой (M) и массовой доли влаги в зерне пшеницы (B1), имеет вид . (3) Графическая интерпретация данного уравнения представлена на рис. 1 (цифры показывают численные значения пористости экструдата в рассматриваемых областях поверхности отклика). Как видно из рисунка, область с высокими значениями пористости получаемого экструдата находится для первого фактора в интервале 23-30 %, для массовой доли влаги в зерне пшеницы - 14,0-15,5 %. Рис. 1. Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость пористости экструдата (П) от содержания в экструдируемой смеси семян расторопши пятнистой (M) и массовой доли влаги в зерне пшеницы (B1) Уравнение (4), описывающее поверхность отклика и характеризующее зависимость пористости экструдата (П) от содержания в экструдируемой смеси семян расторопши пятнистой (M) и массовой доли влаги в них (B2), имеет вид . (4) Графический вид данного уравнения приведен на рис. 2. Рис. 2. Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость пористости экструдата (П) от содержания в экструдируемой смеси семян расторопши пятнистой (M) и массовой доли влаги в них (B2) Анализ уравнения (4) и поверхности отклика показывает, что пористость экструдата (П) увеличивается с возрастанием содержания в экструдируемой смеси семян расторопши пятнистой и массовой доли влаги в них. Зона с оптимальной пористостью получаемых экструдатов находится для первого фактора в интервале 20-30 %, а для массовой доли влаги в семенах расторопши пятнистой - 26 % и выше. Уравнение (5), описывающее поверхность отклика и характеризующее зависимость пористости экструдата (П) от содержания массовой доли влаги в зерне пшеницы (B1) и семенах расторопши пятнистой (B2), имеет вид . (5) В графическом виде уравнение представлено на рис. 3. Анализ уравнения (5) показывает, что пористость экструдата (П) существенно увеличивается при повышении влажности обрабатываемого сырья и имеет значение, близкое к максимальному, полученному в эксперименте (80,2 %) при содержании массовой влаги в зернах пшеницы 16 % и семенах расторопши пятнистой 28 %. Рис. 3. Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость пористости экструдата (П) от содержания массовой доли влаги в зерне пшеницы (B1) и семенах расторопши пятнистой (B2) Результаты экспериментальных исследований показывают весьма важную в практическом плане закономерность: при одинаковой массовой доле влаги в экструдируемых ингредиентах и, тем более, если этот показатель для зерна пшеницы больше, чем для семян расторопши пятнистой, процесс экструдирования смеси значительно ухудшается, а пористость получаемого экструдата уменьшается. Возможным объяснением этого феномена может являться то, что в случае, когда в ингредиенте с высоким содержанием липидов также более высокое содержание массовой доли воды, градиенты перемещения воды и липидов совпадают по направлению и взаимно усиливаются. В связи с этим было принято решение, что для получения поликомпонентного экструдата на основе семян расторопши пятнистой в качестве наполнителя следует использовать зерно пшеницы с массовой долей влаги 14 %, соответствующей по ГОСТ Р 52554-2006 базисным кондициям для этой культуры. При этом массовая доля воды в расторопше пятнистой подбирается с таким расчетом, чтобы содержание массовой доли воды в экструдируемой смеси находилось в интервале 18-20 %. Для изучения полученной модели при зафиксированной массовой доле влаги в зерне пшеницы B1 = 14 % (6) были построены графики зависимостей пористости П (%) от массовой доли влаги в семенах расторопши пятнистой - B2 (%) при ее содержании в экструдируемой смеси M = 20, 25, 30 и 35 % (рис. 4), которые подтверждают ранее сделанные выводы о весьма сложном характере взаимодействия ингредиентов экструдируемой смеси в зависимости от их соотношения и массовой доли влаги в каждом из них. (6) Рис. 4. Графики зависимостей пористости (П) от массовой доли влаги в семенах расторопши пятнистой (B2) Как видно из графика, наиболее высокую пористость экструдата растительного сырья с высоким содержание липидов и пищевых волокон можно получить при содержании в нем 25 % расторопши пятнистой с массовой долей воды в ней 24-28 %. С уменьшением содержания расторопши пятнистой до 20 % и ниже пористость экструдата существенно снижается из-за недостаточного количества воды в смеси (16-16,5 %). При повышении содержания в экстудируемой смеси расторопши пятнистой до 35 % массовая доля влаги в сырье также возрастает и достигает 19 %. При этом одновременно в экструдируемой смеси возрастает массовая доля липидов и пищевых волокон, что в конечном итоге отрицательно влияет на экструзионный процесс и нивелирует положительный эффект от более высокого содержания воды в смеси. Заключение Таким образом, на пористость экстудата растительного сырья с высоким содержанием липидов и пищевых волокон определяющее влияние оказывает содержание основного ингредиента экструдируемой смеси и содержание в нем массовой доли влаги. Для получения поликомпонентного экструдата на основе семян расторопши пятнистой в качестве наполнителя следует использовать зерно пшеницы с массовой долей влаги 14 %, соответствующей по ГОСТ Р 52554-2006 базисным кондициям для этой культуры. При этом условии наиболее высокую пористость экструдата можно получить при содержании в нем 25 % расторопши пятнистой с массовой долей влаги 24-28 %.