Мукомольная промышленность

Методологические основы создания ресурсосберегающих технологий производства пищевых концентратов

Классификация объектов и способов производства пищевых концентратов

Пищевые концентраты имеют отличительные особенности, которые отличают их от других пищевых продуктов. Ввиду низкого содержания влаги они имеют незначительные объем и массу, высокую концентрацию питательных веществ, поэтому более транспортабельны. Низкая влажность концентратов и разрушение в процессе производства ферментов благоприятствуют долгому хранению их без существенной потери качества.

Пищевые концентраты по кулинарному назначению и технологии производства классифицируют на шесть основных групп (рисунок  1):

  1. пищевые концентраты обеденных блюд;
  2. сухие продукты для детского и диетического питания;
  3. овсяные диетические продукты;
  4. сухие завтраки;
  5. кофе и продукты, заменяющие кофе;
  6. пряности и смеси пряностей.

В свою очередь пищевые концентраты обеденных блюд подразделяют на пять подгрупп:

  1. пищевые концентраты первых обеденных блюд (супов);
  2. пищевые концентраты вторых обеденных блюд (каши, крупеники, крупяные пудинги, блюда из овощей и картофеля);
  3. пищевые концентраты сладких блюд (кисели, муссы, желе, десертные пудинги, кремы заварные и желейные, кофе и какао с молоком);
  4. пищевые концентраты — соусы;
  5. пищевые концентраты – полуфабрикаты мучных изделий (кексы, торты, печенье, блины).
Рисунок 1 - Классификация пищевых концентратов по кулинарному назначению и технологии производства
Рисунок 1 — Классификация пищевых концентратов по кулинарному назначению и технологии производства

Пищевые концентраты первых и вторых обеденных блюд вырабатываются по одной технологической схеме (рисунок 2), так как технологические режимы производства и оборудование, применяемые при их получении, одинаковы.

Рисунок 2 - Технологическая схема производства пищевых концентратов первых и вторых обеденных блюд
Рисунок 2 — Технологическая схема производства пищевых концентратов первых и вторых обеденных блюд

Пищевые концентраты первых и вторых обеденных блюд представляют собой смеси варено-сушеных круп и бобовых, сушеных овощей и картофеля, макаронных изделий с мясом и жиром с добавлением соли, пряностей, продуктов гидролиза белкового сырья, томатопродуктов и др.

Одними из наиболее важных по объему производства и потребления являются крупяные концентраты, основу которых составляют варено-сушеные крупы.

Стадии технологического процесса

Производство варено-сушеных круп и зернобобовых включает в себя следующие стадии:

  • подготовка сырья к производству: хранение, очистка от примесей, мойка;
  • подготовка и дозирование рецептурных компонентов;
  • влаготепловая обработка (варка) крупы;
  • предварительная сушка вареных круп;
  • плющение — механическая обработка крупы с целью придания им лепестковой формы;
  • окончательная сушка плющеной крупы;
  • дозирование и приготовление концентратной смеси (смешивание);
  • фасование в пакеты;
  • упаковывание в транспортную тару;
  • складирование и хранение готовой продукции.

По классификации, в зависимости от характера и интенсивности технологической обработки различают три вида варено-сушеных круп:

  • обычные (гречневая, перловая, пшеничная, кукурузная, пшенная, рисовая и ячневая), получаемые варкой и сушкой предварительно очищенного и вымытого сырья;
  • быстроразваривающиеся (гречневая и пшеничная), получаемые методом гидратации (двойной обработкой водой в процессе варки) или способом механической обработки круп (плющением) в процессе сушки (пшеничная, овсяная, перловая, кукурузная);
  • крупы, не требующие варки, получаемые путем глубокой гидротермической и механической обработки (плющением) в процессе сушки (перловая, пшеничная, гречневая и рисовая).

Варено-сушеные горох и фасоль получают только быстроразваривающиеся по второму способу.

Рецептуры блюд пищевых концентратов разрабатываются с учетом получения сбалансированного состава основных питательных веществ, микроэлементов и витаминов, а также с учетом вкусовых качеств и определенной калорийности.

К рецептуре пищевых концентратов предъявляются следующие требования:

  • количество отдельных компонентов в рецептурном наборе должно быть таким, чтобы обеспечивалось привычное соотношение этих продуктов и стандартная влажность концентрата;
  • в их состав кроме калорийных продуктов должны входить добавки, обеспечивающие вкусовые качества концентратов (соль, пряности, гидролизаты и т.п.);
  • жидкие и пюреобразные продукты должны вводиться при условии их хорошей смешиваемости с остальными компонентами;
  • продукты, входящие в состав рецептуры концентрата, не должны реагировать между собой и др.

Анализ современной линии производства концентратов

Особенности производства и потребления крупяных концентратов

В настоящее время в пищеконцентратном производстве применяют два вида поточных линий, отличающихся по степени механизации. Выработка варено-сушеных круп и зернобобовых осуществляется на механизированных линиях, позволяющих переходить с производства одного вида крупы на другой.

Технологическая схема производства круп, не требующих варки, приведена на рисунке 3.

 

Рисунок 3 - Технологическая схема производства круп, не требующих варки
Рисунок 3 — Технологическая схема производства круп, не требующих варки

Устройство и принцип действия линии

Крупу очищают от посторонних примесей на зерновом сепараторе 1 и от легковесных примесей дуаспираторе 3, куда крупа подается норией 2, затем пропускают через магнитную колонку 4 для освобождения от металлопримесей с подъемной силой магнитных скоб не менее 117,6 Н. На сепараторе в зависимости от вида перерабатываемой крупы устанавливают штампованные сита с круглыми или продолговатыми отверстиями (таблица 1).

Таблица 1 - Характеристика сит зерновых сепараторов для очистки круп
Таблица 1 — Характеристика сит зерновых сепараторов для очистки круп

На приемном сите отделяются крупные грубые примеси (солома, камни, щепа и т.п.), на сортировочном — зерновые и другие примеси крупнее зерна. Проходом через сходовое сито отделяются примеси мельче зерна.

Очищенная крупа поступает в бункер 5. По мере необходимости ее направляют из бункера через автоматические весы 6 в подвесной бункер 7. Автоматические весы сблокированы со счетным механизмом, и после отсчета заданного количества отвесов прекращается подача крупы в подвесной бункер.

Затем крупу собирают в резервном бункере 8. Варка крупы  осуществляется в варочном аппарате 9, куда добавляют необходимое количество воды. Крупы и зернобобовые варят паром в присутствии воды в течение 30…45 мин. Количество подаваемой воды обусловливает степень гидратации крупы.

При варке наблюдается слипаемость круп, что затрудняет дальнейшую технологическую обработку их. Поэтому при влаготепловой обработке круп рекомендуется применение растительных фосфатидов, которые препятствуют слипанию и комкообразованию, что позволяет вести гидротермическую обработку крупы до полной клейстеризации крахмала. Фосфатиды закладывают в варочный аппарат предварительно растворенными в гидрожире, нагретом до 40…55 °С. При загрузке 800 кг крупы в варочный аппарат добавляют 1,6 кг фосфатидов и 4,8 кг жира.

Во избежание чрезмерной пептизации крахмала в варочный аппарат перед началом варки вводят стабилизатор, предотвращающий чрезмерное набухание и стабилизирующий стенки крахмальных зерен крупы. В качестве стабилизатора рекомендуется применять раствор поваренной соли ( около 3,0 % к массе крупы).

Сваренную до готовности крупу передают на сборный транспортер 10, которым она направляется в бункер-рыхлитель 11 и оттуда для подсушки до влажности 25…27 % — в сушильно-охладительный аппарат 12. Подсушенную крупу плющат на вальцовом (плющильном) станке 13 с рифлеными валками. Влажность гречневой крупы перед плющением должна быть 23 %, перловой и пшеничной — 18…22 %. Степень плющения крупы после предварительной подсушки влияет на длительность восстанавливаемости готового продукта при его оводнении. Чтобы повысить степень деформации крупинки во время плющения, следует применять рифленые валки. Зазор между валками с одинаковой частотой вращения для гречневой крупы устанавливают равным 0,4…0,5 мм, для перловой и пшеничной 0,3…0,4 мм.

Крупу досушивают в сушильно-охладительном аппарате 12 при температуре сушильного агента 120 °С до влажности 9,0…9,5 %. Для подсушки крупы до плющения и ее досушки после плющения применяются ленточные конвейерные сушилки.

В настоящее время разработаны технологические режимы производства следующих видов круп, не требующих варки, — перловой, гречневой, рисовой и пшеничной. Варка этих круп производится по режимам, указанным в таблице 2.

Таблица 2 - Режимы варки круп
Таблица 2 — Режимы варки круп

Высушенную крупу освобождают от комочков и случайных примесей на крупосортировочной машине 14, очищают от металлопримесей на магнитном сепараторе 15 и резервируют в бункере 16.

Крупо-овощные концентраты первых и вторых обеденных блюд вырабатывают в виде физической смеси компонентов, расфасованной в пакеты из бумаги, ламинированной полиэтиленом или кашированной фольгой.

Компоненты полуфабрикатов, идущие в концентраты большими дозами, — варено-сушеная крупа, макаронные изделия, сушеные мясо, картофель и др. — после предварительной подготовки собирают в резервные бункера 17. Из этих бункеров компоненты шлюзовыми затворами 18 передаются в унифицированные дозаторы непрерывного действия 19. Компоненты, идущие в концентраты малыми дозами, — сушеные морковь, лук, белый корень, зелень — подают на приемный стол 20 с приспособлением для разрыхления комков, затем инспектируют на ленточном конвейере 21 и направляют в приемный передвижной бункер 22.

Здесь резервируют также лавровый лист, перец молотый, соль, глутаминат натрия и другие добавки. Отсюда по мере необходимости их отвешивают согласно рецептуре на весах 23 и загружают в месильную машину периодического действия 24. Компоненты перемешивают в течение 4…5 мин.

Автоматические дозаторы непрерывным потоком передают компоненты на сборный ленточный конвейер 27. Все дозаторы работают синхронно и в каждую единицу времени на ленту конвейера поступает заданное количество продукта.

Конвейером продукция передается в смесительную машину непрерывного действия 28. В эту же машину через насос-дозатор 34 непрерывной струей подается жир из резервной емкости 35. Жир, поступающий в производство, резервируется в цистернах с обогревом 26 и по мере надобности насосом 25 передается в емкость 35.

Из смесителя 28 готовая смесь направляется в приемное устройство расфасовочного автомата 29.

Пакеты с готовой продукцией через отсчитывающее устройство 30 поступают в гофрокороб. Клапаны гофрокоробов заделывают на рольганге 31. Затем гофрокороба ленточным транспортером 32 направляются на обандероливающую машину 33, где их оклеивают лентой и маркируют.

Крупяные концентраты выпускаются в законченном товарном и потребительском виде. Срок их хранения в специальной упаковки составляет около 1 года, поэтому их производство организуют в местах непосредственного выращивания крупяных культур и зернобобовых. Для транспортирования их укладывают в картонные короба, размещают на поддонах в несколько рядов и перевозят в специализированных железнодорожных вагонах или автомобилях.

Теоретические основы гидротермической обработки и варки капиллярно-пористых коллоидных материалов

Основные положения теории гидротермической обработки материалов разработаны А.В. Лыковым, П.А. Ребиндером, М.Ф. Казанским, Г.А. Егоровым и др. Значительный вклад в развитие теории внесли зарубежные ученые Х. Бок, С. Хиксболл, К. Ван ден Берг, Т. Рот, К. Паулс и др. Исследования тепло- и массообмена при увлажнении материалов выполнены М.К. Андреевой, П.С. Куцом, Н.Н. Гринчиком. Большая роль в совершенствовании техники и технологии гидротермической обработки и варки круп принадлежит С.А. Генину, В.Н. Гуляеву, А.Н. Зенковой, О.В. Кузьминой, Г.Л. Сироткину, А.С. Зелепуге, Е.П. Козьминой, Е.М. Мельникову, С.Н. Лопатинскому, П.Г. Гусеву, В.Д. Каминскому и др.

Процесс гидротермической обработки и варки круп является сложным физико-химическим и структурно-механическим изменением веществ продукта, обусловливающим качественное его преобразование и сопровождаемым нестационарным переносом теплоты и влаги. Гидротермическая обработка (ГТО) круп является предварительной стадией варки и отличается от нее меньшей глубиной изменения крахмала, белка и других веществ, определяющих качественное состояние продукта.

Интенсификация процесса ГТО и варки круп, выбор рационального способа его осуществления неразрывно связаны с изменением внутренней структуры крупы, которое накладывает существенные ограничения на проведение процесса. Поэтому рассмотрим подробно механизм происходящих изменений веществ крупы при ее ГТО и варке на основе данных.

При ГТО и варке круп степень их увлажнения продолжительность обработки зависят от вида крупы, т.е. в основном от коллоидно-физических свойств содержащегося в ней крахмала. В процессе варки крахмал круп полностью изменяет свои свойства, способствуя гидрофильности крупы. Основное содержание крахмала круп составляют амилоза и амилопектин, представляющие собой высокомолекулярные углеводные соединения, отличающиеся структурными характеристиками и размерами молекулярных цепей. Совместное воздействие на крахмал теплоты и влаги обеспечивает его клейстеризацию, которая является совокупностью одновременно происходящих различных процессов. Одни из них, например, присоединение влаги, — экзотермические процессы, другие – разрушение структуры зерен крахмала – эндотермические. Ввиду того, что зерно крахмала обладает достаточной прочностью внутренней структуры и при клейстеризации его преобладают процессы разрушения структуры, то в итоге процесс варки осуществляется с поглощением теплоты. Поглощаемое при клейстеризации крахмала теплота затрачивается на плавление связей между цепями полисахаридов, в результате чего внутренняя структура крахмальных зерен нарушается, освобождая гидроксильные группы крахмала к которым присоединяются молекулы воды. Это способствует возрастанию количества углеводов в крупе при ее варке. Увеличение суммарного углеводного комплекса объясняется также частичным гидролизом высокомолекулярных углеводов типа пектиновых веществ и гемицеллюлоз, что особенно характерно при варке перловой и гречневой круп.

При нагревании материала в присутствии воды происходит повышение свободной энергии молекул структур системы и уменьшение прочности водородных связей, в результате чего диссоциированные молекулы воды проникают между полисахаридами зерна крахмала. Такое расщепление плотно упакованных полисахаридных цепей в структуре крахмала сопровождается набуханием зерна.

Степень набухания зависит от температуры и продолжительности ГТО. Набухание крупы обусловлено также набуханием содержащихся в них белков, которые поглощают воду и связывают ее адсорбционно и осмотически. При нагревании материала до температуры 323…338 К вода, поступившая внутрь крахмальных зерен, растворяет некоторую часть полисахаридов. При этом амилоза переходит в водную среду, окружающую зерна крахмала, которые, значительно увеличиваясь в объеме, сохраняют свою форму и сложное строение. Этому процессу соответствует первая стадия клейстеризации крахмала. Дальнейшее нагревание вызывает интенсивное разрушение структуры крахмальных зерен, превращая их в пузырьки, наполненные растворенной амилозой и амилопектином. Интенсивность диффундирования полисахаридов в водную фазу, окружающую крахмальные зерна, при нагревании возрастает. При непосредственном соприкосновении крахмальных пузырьков между собой происходит полное поглощение влаги и клейстеризованный крахмал приобретает характер геля. Амилоза и амилопектин, перешедшие в раствор, скрепляют поверхности соприкасающихся зерен крахмала, которые связываются межмолекулярными силами, сообщающими материалу определенную прочность, значительно возрастающую при его охлаждении. Вязкость крахмалистых клейстеров зависит в большей степени от содержания фосфорной кислоты в
амилопектине исходного крахмала.

В процессе длительного нагревания частиц крахмала выше температуры конца клейстеризации под действием внутриклеточного давления происходит разрушение крахмальных гранул и диспергирование полисахаридов. При разрушении клеточных стенок происходит выделение свободного растворенного крахмала и при наличии 10 % разрушенных клеток крахмал имеет клейкую консистенцию, которая переходит в пастообразную при наличии 25 % разрушенных клеток. При этом на поверхности крупинок образуется слой клейстера, который заполняет капилляры и паровое пространство отдельных зерен. Этот слой влияет в дальнейшем на проведение процессов тепло- и массопереноса при варке, а также способствует комкованию частиц продукта.

Определение температуры начала и окончания клейстеризации разных видов крахмала проведено Д.И. Лобановым, Г.М. Масловой и др. Сведения по исследованию количественной зависимости теплоты клейстеризации крахмала различных круп от режимных параметров процесса варки (температуры, давления и т.д.).

Проблематичность вопроса заключается в том, что с одной стороны, требуется доведение крахмальных зерен до степени, соответствующей готовности продукта к употреблению в пищу без дополнительной кулинарной обработки, а с другой стороны, требуется обеспечение последующих технологических стадий производства (транспортировки, сушки и т.д.). Поэтому, для сохранения клеточного строения и снижения клейкости сваренного продукта необходимо изменение крахмальных зерен в первой стадии клейстеризации. Температура по всему объему крупинки должна поддерживаться такой, чтобы при осуществлении наиболее полной клейстеризации крахмала обеспечивалось снижение диффундирования полисахаридов в водную фазу и предотвращение превышения внутриклеточного давления выше предела прочности клеточных стенок на разрыв. Данный режим обработки круп можно достичь созданием пульсирующего, прерывистого подвода теплоты к поверхности крупинки с учетом кинетических закономерностей варки. При этом снижается влияние клейстера на процессы тепло- и массопереноса.

Под воздействием на материал теплоты и влаги происходит ослабление прочности структуры крупинок вследствие частичного гидролиза клетчатки, гемицеллюлозы, пектиновых веществ и других сложных углеводов, из которых образованы стенки клеток и межклеточные перегородки, ядра крупы. Исследования, проведенные Г.А. Егоровым и др. показали, что ослабление первоначальной плотной структуры зерна в процессе ГТО находится в прямой зависимости от степени увлажнения и температуры.

В течение варки крупы происходит дальнейшее углубление качественных изменений веществ. Так, например, в результате денатурации белки свертываются, что влечет за собой уплотнение обводненных гелей и выпрессовывание значительной части содержащейся в них влаги, которая поглощается клейстеризующимся крахмалом. Крахмал клейстеризуется полностью и набухает, а его гидролиз до декстринов приводит к значительному увеличению количества водорастворимых веществ. Происходит деполимеризация его молекул, о чем свидетельствует возрастание количества декстринов, снижение молекулярного веса и изменение других физико-коллоидных свойств.

Все эти изменения делают крахмал и белки более доступными действию диастазы, повышая усвояемость их организмом. Вследствие коллоидно-химического изменения крахмала в процессе варки крупа приобретает способность быстро развариваться при последующей кулинарной обработке.

В сваренных крупах содержание водорастворимых веществ прямо пропорционально влагосодержанию крупы. В интервале конечного влагосодержания круп 0,49…0,62 кг/кг переход амилозы в раствор и пептизация амилопектина находятся в прямой зависимости от количества воды, поглощенной клейстеризующимся крахмалом. Поэтому при проведении исследований по гидротермической обработке и варке круп важным показателем качества сваренных круп считается их влагосодержание или влажность.

При варке крупы из зерна, подвергнутого ГТО, наблюдается меньшее число набухания крупы и значение коэффициента развариваемости, что объясняется частичной клейстериэацией крахмала при ГТО и меньшей его водопоглотительной способностью в процессе варки по сравнению с крахмалом исходного сырья. При этом белковые вещества, находившиеся в частично денатурированном состоянии, также меньше поглощают воду. Вместе с тем, крупа, сваренная из зерна, прошедшего ГТО, обладает более высоким содержанием аминокислот, меньшей продолжительностью варки и большим объемом продукта. Денатурированный белок крупы после ГТО упрочняет структуру каждой из крупинок, что обеспечивает сохранность их формы при последующей варке.

Гидротермическая обработка и варка круп способствуют повышению их питательной ценности, вследствие изменения белкового, липидного и углеводного комплексов. При определении питательной ценности крупяных продуктов особое значение принадлежит аминокислотному составу, определяющему полноценность белка. Влияние процесса гидротермической обработки и варки круп на биологическую ценность продукта изучено достаточно полно. Однако, в литературе имеется недостаточно сведений о составе и содержании аминокислот в крупах, сваренных при атмосферном давлении  и отсутствуют данные о влиянии способа варки круп на их пищевую ценность.

Варка — наиболее трудоемкая стадия, лимитирующая продолжительность технологического процесса производства варено-сушеных круп, так как по затратам времени и тепловой энергии она превосходит другие стадии процесса. При варке изменяются не только физико-химические и структурно-механические показатели исходного сырья, но и создается новый в качественном отношении продукт со свойствами, сформированными под воздействием теплоты и влаги. Поэтому в зависимости от характера и глубины варки продукта определяются способы и режимы проведения процесса сушки.

Несмотря на то, что ранее некоторыми исследователями  была установлена зависимость для определения изменений теплофизических и массообменных характеристик продукта при гидратации и тепловой обработке, процесс варки требует более полного, обобщенного изучения с целью разработки прогрессивных способов варки.

Большое внимание уделяется снижению энергозатрат и трудоемкости процессов. Это, в первую очередь, связано с рациональным использованием энергоносителей и автоматизацией производств и особенно актуально в пищеконцентратной промышленности, так как на осуществление процессов варки и сушки затрачивается значительное количество энергии без утилизации теплоты отработанных теплоносителей, т.е. процессы протекают с большими безвозвратными потерями энергии. Поэтому использование теплоносителя, отработанного после сушки, повышает не только эксергетический КПД процессов, но и улучшает культуру производства, снижая трудоемкость процессов варки и сушки продукта.

При определении рациональных способов и обосновании режимов предварительной ГТО и варки круп необходимо знать свойства исходного продукта как объекта обработки. Для характеристики круп важны: химический состав продуктов; теплофизические показатели — теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость; структурно-механические показатели — форма, размер продукта, фракционный состав, плотность, сыпучесть, коэффициенты внешнего и внутреннего трения, набухаемость, развариваемость; реологические показатели — коэффициент предельного напpяжeния сдвига, пластическая вязкость; термодинамические параметры влагопереноса — влажность, температурные и термоградиентные коэффициенты и т.д., служащие массообменными характеристиками материала и определяющими энергию связи влаги с ним, а также учитывающие активность воды при обработке материала. Качественные показатели круп включают в себя органолептическую оценку, количество водорастворимых веществ, гидрофильность, перекисное число жира и т.д.

Изучение плотности различных круп пикнометрическим методом с вакуумированием показывает, что плотность зерна при водно-тепловой обработке снижается, происходящие при этом необратимые физико-химические процессы приводят к разрыхлению первоначальной структуры. Исследования по влиянию температуры на изменение структуры пшеницы при увлажнении показывают, что разрыхление первоначальной плотной структуры зерна в процессе влаготепловой обработки находится в прямой зависимости от степени увлажнения и температуры.

Для оценки теплотехнической эффективности реального процесса тепловлажностной обработки крупы важно знать количественную зависимость теплоты клейстеризации от режимных характеристик процесса варки (температуры, давления, соотношения количества влаги и сухого материала). В литературе относительно этих показателей имеются ограниченные данные, не позволяющие полно раскрыть процесс клейстеризации крахмала при варке крупы.