Совершенствование процесса и оборудования для обеспечения высокой стабильности пищевых эмульсий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат наук Распопов Дмитрий Сергеевич

• Распопов Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Распопов Дмитрий Сергеевич

Оглавление

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ПИЩЕВЫХ ЭМУЛЬСИЙ

1.1. Состав и особенности получения различных типов эмульсий

1.2. Механизм эмульгирования и процессы, происходящие в эмульсиях

1.3. Технологии выработки эмульсий из растительных жиров и сыворотки

1.4. Современные направления решения исследуемой проблемы

2. ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ПИЩЕВЫХ СУСПЕНЗИЙ

2.1. Моделирование силового воздействия на движение частицы пищевого сырья в камере струйного измельчителя

2.2. Возможности ударного диспергирования жидкостных смесей

2.3. Возможности совершенствования процесса распыления пищевых суспензий с использованием ультразвука

2.3.1. Типовое устройство создания ультразвуковых колебаний в проточных реакторах

2.3.2. Возможности моделирования магнитострикционного излучателя

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА И АППАРАТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ЭМУЛЬСИЙ

3.1. Предпосылки совершенствования технологии производства пищевых эмульсий

3.2. Объекты и методы проведения экспериментальных исследований

3.3. Экспериментальные исследования приготовления пищевых эмульсий в периодическом режиме

3.3.1. Планирование эксперимента

3.3.2. Обсуждение результатов и рекомендации

3.4. Экспериментальные исследования приготовления пищевых эмульсий в

непрерывном режиме

3.4.1. Планирование эксперимента

3.4.2. Обсуждение результатов и рекомендации

4. ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ПИЩЕВЫХ ЭМУЛЬСИЙ

4.1. Организация применения магнитно-ультразвуковой обработки при получении пищевых эмульсий

4.2. Возможности оценки конкурентоспособности разработанных рекомендаций

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

LIST OF PUBLICATIONS ON THE THESIS

ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса и оборудования для обеспечения высокой стабильности пищевых эмульсий»

РЕФЕРАТ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы исследования. Пищевые эмульсии широко применяются в технологиях продуктов питания в качестве улучшителей реологических, физико-химических и органолептических показателей качества этих продуктов. В состав пищевых эмульсий входят растительные масла и различные другие ингредиенты, недостатком таких эмульсий является нестабильность их реологических показателей, расслаивание на исходные компоненты в процессе хранения, что отрицательно сказывается, например, на равномерности их термической обработки, и приводит к браку.

Расслаивание компонентов в пищевых эмульсиях обуславливается недостаточной степенью дисперсности компонент в эмульсиях. Современным направлением интенсификации процесса эмульгирования нерастворимых друг в друге ингредиентов является применение кавитационного воздействия на эмульсию ультразвукового воздействия и дополнительного структурирующего воздействия магнитного поля. Равномерное распределение частиц и их деполяризация при воздействии магнитного поля может способствовать стабилизации реологических характеристик эмульсий.

Степень разработанности темы. Эффективность использования ультразвуковых волн в процессах приготовления продукции на хлебобулочных заводах описывается в работах многих отечественных и зарубежных авторов, таких как Л. Пучкова, Р. Поландова, В. Колпакова, Э. Дуран, Дж. Бруммер, Л. Поппер и других. Также, по мнению этих авторов, ультразвук положительно влияет на производительность оборудования по приготовлению теста. Получение эмульсии под совместным действием ультразвука и магнитного поля ранее не было изучено. Данное направление является актуальным и практически значимым в хлебопекарной, кондитерской, мясоперерабатывающей и других областях

пищевой промышленности, так как процессы и аппараты для получения белково-жировых эмульсий с высокой стойкостью до сих пор не были разработаны, что не позволило получать стабильную пищевую эмульсию для указанных производств.

Цель и задачи работы. Цель работы - провести экспериментальные и аналитические исследования с помощью физического и математического моделирования методами прикладной механики для выявления общих закономерностей протекания гидромеханических процессов, перемещения жидкостей и газов и их перемешивания при гидропульсации при воздействии ультразвуковых и магнитного полей для применения системного подхода при создании технологических линий производства белково-жировых эмульсий.

Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:

- проанализировав патентную и специальную литературу, выявить современные тенденции развития техники и технологий диспергирования ингредиентов в системах белок-жир-вода;

- с помощью физического и математического моделирования методами прикладной механики выявить общие закономерности протекания гидромеханических процессов в изучаемых системах при различных схемах реализующих процессы аппаратов и определить наиболее эффективный из них;

- выявить закономерности, на основании которых представится возможным определение наиболее эффективных режимов обработки модельных образцов систем белок-жир-вода с использованием ультразвука и магнитного поля, принимая во внимание то, насколько стабильно и однородно они перемешиваются при периодическом процессе приготовления эмульсий;

- разработать экспериментальную установку для реализации непрерывного технологического режима получения белково-жировой эмульсии;

- выявить закономерности процесса и определить зависимость процессов эмульгирования от параметров технологических процессов, которые задействуются при обработке в потоке при непрерывном производстве пищевых эмульсий;

- исследовать влияние лецитина на стабильность пищевых эмульсий;

- апробировать эффективность приема использования ультразвукового метода диспергирования с наложением на получаемую эмульсию магнитного поля в промышленных условиях.

Научная новизна работы:

1. Показано, что пищевые эмульсии являются средой, свойства которой поддаются регулированию воздействием ультразвукового и магнитного полей.

2. Выявлены закономерности и получены эмпирические зависимости восприимчивости систем белок-жир-вода к ультразвуковому и магнитному воздействию.

3. Установлена возможность управления реологическими и структурными свойствами пищевых эмульсий для обеспечения возможности их получения в непрерывном цикле.

4. Получены закономерности ультразвуковой и магнитной обработки модельных образцов белково-жировых эмульсий на основе оценки их показателей равномерности и стабильности при периодическом процессе приготовления этих эмульсий с определением рациональных режимов обработки:

- для 1 % лецитина I = 3,38 вт/см2, t = 141,36 с;

- для 2 % лецитина I = 3,69 вт/см2, t = 137,46 с;

- для 3 % лецитина I = 3,38 вт/см2, t = 437,80 с.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Установлены закономерности и предложены зависимости для повышения стабильности равномерно диспергированных модельных пищевых эмульсий при определенных параметрах ультразвуковой и магнитной обработки.

2. Определены интенсивность, температура и время обработки эмульсий с определенной концентрацией лецитина.

3. Полученные эмпирические зависимости открывают возможности построения непрерывных технологий производства пищевых эмульсий.

4. Научные рекомендации доведены до конкретных схем

технологического оборудования, в котором показаны возможности корректировать магнитным и ультразвуковым полем стойкость и однородность эмульсий.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись процессы и аппараты приготовления белково-жировых эмульсий. Для их изучения использовали экспериментальные и аналитические подходы с помощью физического и математического моделирования методами прикладной механики для выявления общих закономерностей протекания гидромеханических процессов. Осуществлялось изучение перемещения жидкостей и газов и их перемешивания при гидропульсации. При разработке нового аппарата применялся системный подход при создании технологических линий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности восприимчивости систем белок-жир-вода к ультразвуковому и магнитному воздействию.

2. Эмпирическое влияние ультразвукового и магнитного полей на свойства эмульсий, используемых в пищевой промышленности.

3. Способ и режимы воздействия обработки ультразвуком и магнитным полем для обеспечения возможности получения белково-жировых эмульсий необходимого качества.

4. Конструкция устройства для получения белково-жировых эмульсий в непрерывном режиме.

Степень достоверности результатов и апробация работы. Автор самостоятельно разработал физическую и расчетную модели конструкции устройства, которое будет отвечать за производство пищевых эмульсий. В соответствии с этими моделями был изготовлен опытный образец данного устройства, который впоследствии был успешно испытан и внедрен в практическое применение. Кроме того, автор систематизировал данные, полученные в ходе проведенных опытов, и подготовил соответствующие отчеты в виде публикаций.

Итоги исследования следует считать достоверными, поскольку опыты проводились несколько раз с целью минимальной погрешности. Также в ходе таких опытов в качестве теоретической базы применялись классические положения гидроаэромеханики, основные методы моделирования и физико-химического анализа, которые являются актуальными на сегодняшний день. Практическая часть исследования была выполнена с помощью компьютерных вычислений, а результаты, полученные в ходе таких вычислений, были успешно апробированы в производственных условиях.

Об итогах проделанной авторов работы выступили с докладами на нескольких конференциях всероссийского и международного уровня, чему свидетельствуют следующие результаты: победитель 7 Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке» в секции №5 «Техника и процессы пищевых производств»; Всероссийский конгресс молодых ученых, НИУ-ИТМО, 2016-2018; XLV научная и учебно-методическая конференция университета ИТМ0-2016, 02.02.2016 - 06.02.2016, Санкт-Петербург; XLVI научная и учебно-методическая конференция университета ИТМ0-2017, 31.01.2017 - 03.02.2017, Санкт-Петербург; ^УП научная и учебно-методическая конференция университета ИТМ0-2018, 30.01.2017 - 02.02.2018, Санкт-Петербург; XLVШ научная и учебно-методическая конференция университета ИТМ0-2019, 29.01.2019 - 01.02.2019, Санкт-Петербург; Международная мультидисциплинарная конференция по промышленному инжинирингу и современным технологиям «FarEastCon», 01.10.2019 - 04.10.2019, Владивосток, остров Русский.

Предложенное техническое решение защищено охранным документом ФИПС «Устройство для приготовления белково-жировой эмульсии» (Патент РФ № 194194 от 27.08.2019).

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе по направлению «Процессы и аппараты пищевых производств» для проведения

научно-исследовательской работы со студентами и включены в учебно -методические пособия.

Публикации. Материалы диссертации освещались в 15 работах, из которых 1 статья была опубликована в базе данных Scopus, 4 вошли в список рекомендованных ВАК России. Кроме того, работы по данной тематике получили в общей сложности 2 патента РФ и Свидетельство о государственной регистрации программы для электронно-вычислительной техники.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 188 страницах, содержит 43 иллюстрации, 10 таблиц, 9 приложений. В список литературы включено 177 источников, из них 29 на иностранном языке.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Распопов Дмитрий Сергеевич

Результаты и обсуждение

Известно, что физико-химические свойства эмульсий связаны с размером частиц и степенью их дисперсности. Чем они мельче и равномернее по размерам, тем долговечность их больше. Широко распространен процесс механического разбивания объема жидкости на капли малых размеров с помощью гидродинамических и ка-витационных процессов. В ультразвуке капли жира более равномерные [3, 8].

Экспериментально было определено распределение капель по размерам путем обработки фотографий полученной эмуньсии через оптический микроскоп Бисмед-5 с выходом на экран компьютера Определение размера капель производилось микроскопической сеткой окуляра.

В каждом расчёте обрабатывалось около 85 капель. Результаты были сгруппированы по интервалам размеров. Согласно общепринятым рекомендациям [1]. число интервалов, рассчитывалось по формупе( 2).

= (2) где ТУинт - число интервалов, на которые разбивается отрезок между максимальным и минимальным значениями диаметров капель; Ш-общее число капель с измеренным диаметром.

В качестве числового значения М.,„„, принималось ближайшее целое к рассчитанному по формуле (2).

Построенная таким образом гистограмма для серии из 85 капель представлена на рисунке 4.

<Весткит^<ВТУШК/<Ргосее£щ* cfVSVffl, Ж 79, № i, 2017_

s £

I а s .s

S u - s

lg ГЙ гл

x n.

л g

Si?

S "S

о "

§ I

II

«h 50 ■

ÎOL

' i < Я

Размер капель жира, мм The size of droplets of fat, mm

Рисунок 4. Распределение капель жира по размерам б белково-жировой эмульсии на сыворотке, обработанной ультразвуком и пульсирующим магнитным полем Figure 4. Distribution of fat droplets size protein-fatty emulsion for serum treated with ultrasound and pulsed magnetic field

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Распопов Дмитрий Сергеевич, 2020 год

ЛИТЕРАТУРА

1 КорнейH. H., ПершаковаТ. В., ЛисоваяЕ. В. Применение растительных фосфолипидов (лецитинов) в производстве хлебобулочных изделий // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2016. №. 116.

2 Берестова А. В.,ЗинюхинГ. Б.,Межуева Л. В. Особенности технологии пищевых масложировых эмульсий функционального назначения // Вестник Оренбургского государственного университета. 2014. №. 1 (162). С. 150-155

3 ФажуллинР. И.,ПоповаН. В. Использование ультразвукового воздействия как фактора интенсификации процесса диспергирования в пищевых производствах // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2015. Т. 3. № 4 С. 41-47

4 Ботвинникова В. В. и др. Влияние акустического воздействия ультразвука на биосинтез экзо-полисахаридов и реологические свойства кисломолочных продуктов, полученных на основе кефирного грибка // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: пищевые и биотехнологии. 2016. Т. 4. №. 4. С. 14-25

5 Burchanova a. G. Et al. Simulation the recipe of the meat emulsion for semi-prepared meat // Международный научно-исследовательский журнал. 2016.

6 Mcclements D. J. Food emulsions: principles, practices, and techniques. Crc press, 2015.

7 O'sullivan J. et al. The effect of ultrasound treatment on the structural, physical and emulsifying properties of animal and vegetable proteins // Food hy-drocolloids. 2016. T. 53. C. 141-154.

8 Krasulya O. et al. Impact of acoustic cavitation on food emulsions // Ultrasonics sonochemistiy. 2016. T. 30. C. 98-102.

Эмульсия после обработки ультразвуком без магнитов в таком же режиме имела пониженное качество, как по стойкости, так и по величине жировых шариков.

Заключение

В дальнейшем будет изучено влияние предложенных эмульгаторов на смазывающие свойства форм и структурообразующие свойства хлеба, их влияние дозировки на качественные показатели хлебопродуктов. Добавление эмульсий увеличивает их стойкость к окислительным процессам, обеспечивая более длительное сохранение качества готовой продукции.

REFERENCES

1 Kornen N. N., Pershakova T. V., E. V Li-sovaya. Use of vegetable phospholipids (letsi-tin) in production of bakery products. Politematicheskiisetevoi elektronnyi nauchnyi zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Polythematic network online scientific magazine of the Kuban state agricultural university]. 2016. No. 116.(in Russia)

2 Berestova A. V., Zinyukhin G. B., Mezh-uy ev L. V. Features of technology of food oil and fat emulsions of functional purpose. Vestnik Orenburgskogo gosudarstven-nogo univer-siteta [Bulletin of the Orenburg state university], 2014. No. 1 (162). pp. 150-155 (in Russia)

3 Fatkullin R. I.. PopovaN. V. Use ofultrasonic influence as factor of an intensification of process of dispensing in food productions. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Pishchevye i bioteklmologii [Bulletin of the Southern Ural State University. Series: Food and biotechnologies], 2015. T. 3. No. 4. pp. 14-25 (in Russia)

4 Botvinnikova V. V., et al. Influence of acoustic influence of ultrasound on biosynthesis ekzopoli-sakharidov and rheological properties of the fermented milk products received on thebasis of the kefiric fungus. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta Seriya: Pishchevye i biotekhnologii [Bulletin of the Southern Ural State University. Series: Food and biotechnologies], 2016. T. 4. No. 4. pp. 4X^47 (in Russia)

5 Burchanova A. G. et al. Simulation the recipe of the meat emulsion for semi-prepared meat. AÉzhdu-narodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal [International research magazine]. 2016.

6 Mcclements D. J. Food emulsions: principles, practices, and techniques. CRC press, 2015.

7 O'Sullivan J. et al. The effect of ultrasound treatment on the structural, physical and emulsifying properties of animal and vegetable proteins. Food Hy-drocolloids. 2016. vol. 53. pp. 141-154.

S Krasulya O. et al. Impact of acoustic cavitation on food emulsions. Ultrasonics sonochemistry. 2016. vol. 30. pp. 98-102.

<Весткит^<ВТУШК/<Ргосее£щ* cfVSVffl, Ж 79, № i, 2017_