MULTICOMPONENT EXTRUDATE ON THE BASIS OF WHEAT AND THISTLE SEED

Full Text

Уникальные возможности термопластической экструзии в пищевых технологиях связаны в первую очередь с широким выбором обрабатываемых компонентов сырья - полисахаридов, белков, смеси белков, смеси белков с полисахаридами. В настоящее время большинство вопросов, связанных с преобразованиями этих компонентов под действием наиболее значимых факторов экструзионного процесса изучено достаточно хорошо [1, 2, 3, 9]. Следующей по сложности задачей получения экструдатов с теми или иными свойствами является переработка углеводно-белково-липидного сырья, решение которой связано не только с учетом особенностей поведения различных видов липидов в условиях экструзии, но и их влиянием на качество получаемого экструдата и рабочего процесса экструдера. В экструдере липиды переходят в жидкое состояние при температуре около 400С, диспергируются в виде мельчайших капель и смешиваются с другими компонентами сырья. Наличие липидов в количествах меньших, чем 3% не влияет на коэффициент расширения получаемого экструдата, однако в количествах 5% и выше приводит к резкому снижению данного показателя. Объясняется это тем, что липиды снижают давление, развиваемое рабочим органом экструдера (в первую очередь одношнекового) со всеми вытекающими из этого факта последствиями. Широкое применение экструзионной технологии при переработке полножирной сои и других видов подобного сырья показало, что содержание жира в перерабатываемом сырье и его влажность согласованно влияют на величину трения частиц экструдируемого материала между собой, а также шнеком экструдера и в конечном итоге - на величину сил диссипации и давления сырья на выходе из машины [4, 10]. Наиболее сложной технологической задачей получения экструдатов с максимально возможным числом значимых для обогащения пищевых продуктов компонентов является переработка сырья, содержащего в достаточно больших количествах полисахариды, белки, жиры и пищевые волокна. Последние существенно ограничивают активность крахмала как инициатора процесса порообразования и соперничают с компонентами сырья за взаимодействие с водой. В качестве примера таких поликомпонентных улучшителей хлебобулочных и кондитерских изделий можно назвать экструдаты смеси зерна пшеницы и семян расторопши, а также смеси зерна пшеницы и семян тыквы с оболочкой. Исследования, связанные с оптимизацией технологического процесса получения улучшителей хлебобулочных и кондитерских изделий на основе расторопши пятнистой и семян тыквы, свидетельствуют о существенном влиянии на величину индекса расширения экструдатов давления воздуха в вакуумной камере экструдера. 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 [5, 6, 7]. Цель исследований - обосновать технологические параметры экструзионного процесса и оценить их влияние на получение поликомпонентного экструдата из смеси зерна пшеницы и семян расторопши. Задачи исследований - определить рациональное значение факторов, оказывающих наибольшее влияние на качество экструдата смеси зерна пшеницы и семян расторопши. Материалы и методы исследований. Эксперименты выполнялись с помощью одношнекового пресс-экструдера, модернизированного согласно патенту №2561934 RU на изобретение «Экструдер с вакуумной камерой» [8]. Объект исследования - смесь зерна пшеницы влажностью 14% и семян расторопши с содержанием воды 22%. Применяемое в исследованиях зерно пшеницы сорта Саратовская 36 характеризовалось следующими показателями: масса 1000 семян равнялась 34,2 г; содержание 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%. Соотношение семян расторопши и зерна пшеницы в экспериментах варьировалось таким образом, чтобы получить экструдат с содержанием липидов в количестве 13,5-4,5%. Влажность зерна пшеницы и семян расторопши, а также их соотношение в смеси принято на основании ранее проведенных исследований [2, 3, 4, 5]. Частота вращения шнека пресса-экструдера составляла 7,5 с-1, диаметр фильеры матрицы экструдера - 4 мм. В качестве исследуемых были выбраны следующие факторы: расчетное содержание липидов в экструдируемой смеси - (%), давление воздуха в вакуумной камере экструдера, МПа - (%). За критерий качества полученного поликомпонентного экструдата был принят его индекс расширения (коэффициент взрыва) - В (безразмерная величина). Смесь целых зерен пшеницы и семян расторопши пятнистой экструдировали в течение 15-20 с при температуре 100-105 оС с последующим воздействием на выходящий из фильеры матрицы экструдера продукт атмосферным или пониженным давлением. Эксперимент проводился в трехкратной повторности. В таблице 1 представлены уровни и интервалы варьирования факторов. Таблица 1 Уровни и интервалы варьирования факторов Наименование фактора Кодированное обозначение фактора Уровни варьирования фактора Интервалы варьирования фактора нижний нулевой верхний Расчетное содержание липидов в экструдируемой смеси, % Х1 4,5 9,0 13,5 4,5 Давление воздуха в вакуумной камере экструдера, МПа Х2 0,05 0,075 0,1 0,025 Матрица планирования и результаты эксперимента для смеси зерна пшеницы и семян расторопши пятнистой представлены в таблице 2. Таблица 2 Матрица планирования и результаты эксперимента № опыта Кодированные факторы Натуральные факторы Индекс расширения Х1 Х2 х1 х2 1 -1 -1 4,5 0,05 4,0 2 +1 -1 13,5 0,05 1,8 3 -1 +1 4,5 0,1 3,4 4 +1 +1 13,5 0,1 1,0 5 -1 0 4,5 0,075 3,6 6 +1 0 13,5 0,075 1,9 7 0 -1 9,0 0,05 3,0 8 0 +1 9,0 0,1 2,4 Результаты исследований. Статистическая обработка экспериментальных данных была выполнена с помощью корреляционно-регрессионного анализа в среде Microsoft Excel 2010 и Statistica 10, в результате чего была получена адекватная математическая модель второго порядка (1), описывающая зависимость коэффициента взрыва (В) от содержания липидов в смеси зерна пшеницы и семян расторопши пятнистой (x1), и величины давления на выходе экструдата (x2) . (1) Статистическая надежность полученной модели оценивалась с помощью критерия Фишера, который позволяет проверить нулевую гипотезу о статистической незначимости параметров построенного регрессионного уравнения и показателя тесноты связи. Фактическое значение F-критерия Фишера для полученного уравнения регрессии Fp=23,855. Табличное значение F-критерия (Fт) по заданным уровню значимости (α = 0,05) и числу степеней свободы (в пакете Statistica: сс модели = 5, сс остаток = 2) равно Fт=19,30. Поскольку Fр > Fт, то нулевая гипотеза отвергается и регрессионное уравнение с его параметрами признается статистически значимым. Качественные показатели полученной математической модели следующие: множественный коэффициент корреляции R = 0,99; коэффициент детерминации R2 = 0,98; статистическая значимость составляет p<0,04. Анализируя полученное уравнение (1) видно, что фактор x2 - давление воздуха в вакуумной камере экструдера в исследуемых интервалах значений факторов оказывает наибольшее влияние на критерий оптимизации. Также преобладает и его квадратичный эффект. Для изучения свойств поверхности отклика в окрестностях оптимума выполнено каноническое преобразование полученной математической модели. Анализ поверхности отклика, проведенный с помощью двумерных сечений, показал, что индекс расширения экструдатов зависит от давления воздуха в вакуумной камере экструдера и содержания липидов в экструдируемой смеси. Графическая интерпретация данного уравнения представлена на рисунке 1 (цифры показывают числовые значения коэффициента взрыва в отмеченных областях поверхности отклика). Анализ полученных результатов показывает, что при влажности экструдируемой смеси пшеницы и расторопши пятнистой 18-21%, коэффициент взрыва экструдата выше 1 можно получить в условиях атмосферного давления в вакуумной камере экструдера при переработке сырья с содержанием липидов не больше 13,5%. Приемлемое значение коэффициента взрыва (3,0-3,5) при переработке сырья с содержанием липидов выше 7% можно получить лишь при давлении воздуха в вакуумной камере экструдера ниже атмосферного. Уравнение, описывающее зависимость изменения индекса расширения экструдатов (коэффициента взрыва) (B) в зависимости содержания липидов в экструдируемой смеси (x1), можно представить в следующем виде . (2) Анализ уравнения (2) показывает, что с уменьшением содержания липидов в экструдируемой смеси коэффициент взрыва при прочих равных условиях достаточно заметно возрастает. Рис. 1. Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость коэффициента взрыва от содержания липидов в экструдируемой смеси (X1) и давления воздуха в вакуумной камере экструдера (X2) Для демонстрации наличия корреляции между двумя переменными на рисунке 2 показана диаграмма рассеяния с ошибками, графически выражающая зависимость (2) индекса расширения экструдатов (B) от содержания липидов в экструдируемой смеси (x1). Как видно из графика, экспериментальные данные демонстрируют сильную отрицательную корреляцию. Рис. 2. Диаграмма рассеяния с ошибками для B и X1 Аналитически зависимость коэффициента взрыва экструдата (B) от давления воздуха в вакуумной камере экструдера (x2) можно представить в виде уравнения (3), графическая интерпретация которого приведена на рисунке 3. . (3) Анализ уравнения (3) показывает, что с уменьшением давления в вакуумной камере экструдера коэффициент взрыва при прочих равных условиях не очень сильно, но возрастает. Рис. 3. Диаграмма рассеяния с ошибками для B и X2 Уравнения, характеризующие связь индекса расширения экструдатов (B100 - при давлении в вакуумной камере 100 кПа и B50 - соответственно 50 кПа) и содержания липидов в экструдируемой смеси зерна пшеницы и семян расторопши, можно представить в следующем виде: , (4) . (5) Графики, характеризующие изменение индекса расширения экструдатов (коэффициента взрыва B) в зависимости от содержания липидов в экструдируемой смеси при давлении в вакуумной камере экструдера соответственно 100 и 50 кПа, представлены на рисунке 4. В Рис. 4. Изменение индекса расширения экструдатов в зависимости от содержания липидов в экструдируемой смеси зерна пшеницы и семян расторопши при давлении в вакуумной камере 50 и 100 кПа Как свидетельствуют приведенные графические зависимости, при содержании липидов в экструдируемой смеси пшеницы и расторопши более 13,5% пористый экструдат с помощью серийного экструдера получить невозможно. Для решения этой проблемы в машине на выходе из фильеры матрицы экструдата необходимо устанавливать специальную камеру и поддерживать в ней давление воздуха ниже атмосферного. В качестве подтверждения приведенных доводов могут служить образцы экструдатов (рис. 5), полученные с применением серийного экструдера (2) и машины, оснащенной вакуумной камерой (1, 3 и 4). Рис. 5. Образцы экструдатов: 1 - из цельного зерна пшеницы; 2 - 50% пшеницы + 50% семян расторопши; 3 - 80% пшеницы + 20% семян тыквы с оболочкой; 4 - 80% пшеницы + 20% семян расторопши Заключение. При влажности перерабатываемой смеси пшеницы и расторопши пятнистой 18-21%, пористые экструдаты с коэффициентом взрыва выше 1 в условиях атмосферного давления можно получить лишь в том случае, если использовать сырье с содержанием липидов не больше 13,5%. 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.

About the authors

A A Kurochkin

FSBEI HPE Penza STU

Email: anatolii_kuro@mail.ru
dr. of techn. sciences, prof. of the department «Food productions» 440061, Penza region, Penza, Herzena, 44 str

D I Frolov

FSBEI HPE Penza STU

Email: surr@bk.ru
cand. of techn. sciences, associate professor of the department «Food productions» 440061, Penza region, Penza, Herzena, 44 str

References

Supplementary files