В результате проведенных экспериментальных исследований, направленных на изучение кинетики смешивания мучных компонентов полизлаковой смеси «Фитнес» на экспериментальной установке для смешивания периодического принципа действия, установлено оптимальное время перемешивания сыпучих компонентов смеси. Установлено, что при увеличении частоты вращения рабочего органа экспериментальной установки для смешивания сыпучих компонентов мучной полизлаковой смеси сокращается продолжительность смешивания.
В соответствии с посланием Президента Республики Казахстан народу Казахстана «Новое десятилетие - новый экономический подъем - новые возможности Казахстана» Н.Назарбаев отметил, что одной из важнейших задач, стоящей перед АПК страны является обеспечение продовольственных запасов государства, при этом особое внимание необходимо уделить стимулированию производства важнейших продуктов питания, по которым не удовлетворяются потребности страны [1].
Проведенный анализ структуры продуктов питания показал, что основная составляющая продовольственного рынка – это рынок зерна и зернопродуктов, который представляет собой многочисленную группу продуктов, получаемых в результате целенаправленной технологической переработки зерна продовольственных культур.
Мука - является наиболее распространенным и доступным продуктом питания, и служит сырьём для производства широкого ассортимента хлебобулочных, макаронных, кондитерских и других изделий. Мука из зерна злаковых культур служит основным источником растительных белков, углеводов, витаминов, макро- и микроэлементов и пищевых волокон.
В зависимости от вида злака различают муку ржаную, пшеничную, ячменную, кукурузную и т.д. Пшеничная, овсяная и кукурузная мука находят применение в кондитерской промышленности. Просяная, гречневая, рисовая, овсяная, ячменная применяются при производстве полизлаковых продуктов питания и пищевых концентратов, продуктов детского и диетического питания, а также в технологии мучных полуфабрикатов.
В этой связи в вопросах дальнейшего расширения ассортимента продовольственных продуктов на зерновой основе, одним из перспективных и актуальных направлений, является составление полизлаковых смесей на основе муки из зерна злаковых культур, сбалансированных по витаминному, минеральному и аминокислотному составу.
В настоящее время разработана технология производства муки из цельносмолотого зерна злаковых культур [2]. В табл. 1 приведены значения калорийности и энергетической ценности перспективных сортов муки из зерна основных продовольственных культур (пшеница, ячмень, овес, кукуруза, гречиха, просо).
Таблица 1 - Калорийность и энергетическая ценность муки из цельносмолотого зерна
|
Наименование муки |
Калорийность, калл |
Энергетическая ценность, кДж |
|
Цельносмолотая мука из зерна пшеницы |
329,12 |
1377,03 |
|
Цельносмолотая мука из зерна ячменя |
320,75 |
1342,01 |
|
Цельносмолотая мука из зерна овса |
305,66 |
1278,88 |
|
Цельносмолотая мука из зерна проса |
322,78 |
1300,34 |
|
Цельносмолотая мука из зерна гречихи |
318,85 |
1350,51 |
|
Цельносмолотая мука из зерна кукурузы |
310,79 |
1334,06 |
При формировании мучной полизлаковой смеси важное технологическое значение имеет равномерное распределение компонентов по всему объему смеси. Для образования однородной по составу смеси применяется процесс смешивания, кинетика которого в настоящее время изучена не в полной мере [3-4].
В этой связи были проведены экспериментальные исследования, в результате которых изучено влияние частоты вращения рабочего органа экспериментального смешивающего устройства на энергетическую ценность полизлаковой смеси. В качестве объекта исследования определена полизлаковая смесь «Фитнес», рецептура которой приведена в табл. 2.
Таблица 2 - Рецептура мучной полизлаковой смеси «Фитнес»
|
№ |
Наименование компонента |
Содержание |
|
1 |
2 |
3 |
|
1 |
Цельносмолотая ячменная мука |
6,36% |
|
2 |
Цельносмолотая кукурузная мука |
42,75% |
|
3 |
Цельносмолотая овсяная мука |
20,0% |
|
4 |
Цельносмолотая гречневая мука |
24,54% |
|
5 |
Цельносмолотая просяная мука |
6,35% |
Продолжение таблицы 2
|
1 |
2 |
3 |
|
Расчетное значение пищевой и биологической ценности |
||
|
6 |
Расчетное содержание протеина в смеси, % |
14,28 |
|
7 |
Расчетное содержание крахмала в смеси, % |
62,32 |
|
8 |
Расчетное содержание клетчатки в смеси, % |
7,46 |
|
9 |
Расчетное значение калорийности смеси, ккал |
318,87 |
|
10 |
Расчетное значение энергетической ценности, кДж |
1334,15 |
|
Фактические значения калорийности и питательной ценности |
||
|
11 |
Фактическое значение калорийности смеси, ккал |
313,11 |
|
12 |
Фактическое значение энергетической ценности, кДж |
1310,05 |
Лабораторные исследования по изучению кинетики процесса смешивания проводили на экспериментальной установке периодического принципа действия.
На рис. 1 приведена принципиальная схема устройства для смешивания сыпучих компонентов смеси с горизонтально расположенным рабочим органом. Устройство состоит следующих основных узлов и деталей. Смесительная емкость 1, представляющая собой металлический корпус устройства, прикрепленный болтовым соединением на металлоконструкции 4. Горизонтальный вал с лопастями 2 и шариковый подшипник 3. Металлическая крышка 5, предотвращающая выбрасывание сыпучих компонентов из рабочей зоны устройства, под действием быстровращающихся радиальных лопастей 6. Шкив 7 и клиноременная передача 8. Вращение рабочих органов осуществляется от электродвигателя 9 типа АИР 2 - 22Б мощностью 380 Вт.
Устройство работает следующим образом. Сыпучие компоненты мучной полизлаковой смеси поочередно загружаются в рабочую зону устройства, смесительную емкость 1. Далее под действием вращающихся радиальных лопастей 6 жестко закрепленных на горизонтальном валу 2, установленном на подвижных шарнирных опорах 3, компоненты интенсивно перемешиваются под действием сдвиговых процессов, в результате чего происходит быстрое распределение ключевого компонента по всему объему экспериментальной массы. Вращение рабочего органа осуществляется от электродвигателя 9 через клиноременную передачу 8 и жестко закрепленные на валу 2 шкивы 7. По окончании времени смешивания материал выводится из рабочей зоны установки. Недостатком конструкции является образование мучной пыли в процессе смешивания сыпучих компонентов, для устранения которой предусмотрена крышка 5.
 |
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки для смешивания
сыпучих компонентов с горизонтально расположенным органом
Преимуществом конструкции устройства является возможность регулирования частоты вращения рабочего органа, высокая однородность состава получаемой смеси, высокая производительность устройства. Конструкцией устройства предусмотрено опрокидывание смесительной емкости для удобства разгрузки рабочей камеры.
На практике для количественной оценки эффективности процесса смешивания используется метод определения коэффициента вариации (Vc, %), характеризующий однородность распределения компонентов по составу смеси за определенный промежуток времени. Данный метод отличается большой трудоемкостью в связи с применением глубоких химических методов исследования.
С целью упрощения методики исследования в качестве показателя эффективности процесса смешивания применили переменные значения калорийности отобранных проб образуемой смеси, при фиксированных значениях времени смешивания и частоте вращения рабочего органа. Влажность мучных компонентов составляла W - 12%, крупность частиц <438 мкм и характеризовалась остатком на сите из капроновой ткани №20 (по ГОСТ 4403), не более 20%, проход через сито из проволочной сетки №040 по ГОСТ 3924, не менее 100%.
Методика проведения экспериментальных исследований заключалась в следующем. Предварительно подготовленные сыпучие компоненты мучной полизлаковой смеси, в соответствии с разработанной рецептурой (см. табл. 2), загружали поочерёдно в смесительную емкость устройства, далее запускали установку. Экспериментальные исследования проводили при различных фиксированных значениях частоты вращения (n - 960, 1850, 2800 об/мин) рабочего органа смесителя. Частоту вращения рабочего органа изменяли путем замены диаметра шкивов на приводном валу электродвигателя. Для регистрации значений n применяли министробоскопом – Тesto 470.
После истечения каждых 10 секунд отбирали экспериментальную пробу мучной полизлаковой смеси и определяли химический состав (содержание протеина, клетчатки, жира) методом ближней спектроскопии в инфракрасной области. Для определения химического состава отобранной пробы смеси применяли инфракрасный спектрометр для анализа молотого зерна и продуктов размола – «INFRAMATIC 8611/8620». Показания приборов заносили в лабораторный журнал. Экспериментальные исследования проводили до достижения заданной калорийности мучной полизлаковой смеси.
Калорийность отобранных проб мучной полизлаковой смеси определяли как сумму калорийности всех органических соединений в исследуемой пробе по формуле:
,
где: xб, xж и xу - содержание соответственно белка, жира и углеводов (клетчатка + крахмал), %.
На основании экспериментальных данных строили график зависимости изменения калорийности мучной полизлаковой смеси «Фитнес» от продолжительности времени смешивания (t, с) сыпучих компонентов при различной частоте вращения рабочего органа (рис. 2).
Анализ полученных зависимостей (кривые 1, 2, 3) показал, что при увеличении частоты вращения рабочего органа экспериментальной установки для смешивания сыпучих компонентов мучной полизлаковой смеси сокращается продолжительность смешивания.
Условно, разбив полученную диаграмму (кривая 1) на три области (зоны), можно с уверенностью судить о том, что в первой зоне преобладают сдвиговые процессы смешивания, при которых смежные частицы группами перемещаются из одного положения в другое, в результате чего происходит хаотичное распределение компонентов мучной полизлаковой смеси, что приводит к резким перепадам значений калорийности от 322,78 до 317,35 ккал и обратное увеличение значений Эц от 318,85 до 319,53 ккал при фиксированных значениях времени t - 50 секунд и частоте вращения рабочего органа 2800 об/мин.
 |
1 - при 2800 об/мин; 2 - при 1850 об/мин; 3 - при 960 об/мин
Рис. 2 - Влияние частоты вращения рабочего органа
на энергетическую ценность полизлаковой смеси «Фитнес»
Далее во второй условной зоне кривой смешивания 1 наблюдается интенсивное снижение значений Эц с 317,28 до 312,95 ккал при значениях t - 130 секунд и n - 2800 об/мин.
В третей условной зоне кривой смешивания 1, происходило установление заданных значений калорийности мучной полизлаковой смеси, которая составила 313,2 ккал на 100 грамм при значениях t - 130 секунд и n - 2800 об/мин.
Анализ кривой смешивания 2, показал аналогичную физическую картину процесса смешивания, при которой ярко выражены три зоны протекания механического процесса. I зона - зона сдвигового смешивания в результате которого происходит неравномерное распределение частиц. II зона - замедленного снижения значений Эц. III зона - достижение заданных значений калорийности мучной полизлаковой смеси. При этом I зона характеризуется следующими числовыми значениями Эц от 322,78 до 319,53 ккал при t - 90 с. Вторая условная зона соответствует значениям калорийности от 318,34 до 313,63 ккал за время смешивания равное 150 с. Третья зона характеризуется заданным значением Эц и соответствует 313,2 ккал при t - 160 с.
Кривая смешивания 3 характеризуется затяжной кинетикой смешивания, которую также можно условно разделить на три зоны. При этом числовые значения Эц в первой зоне составили от 322,78 до 319,53 ккал при t=150 с, вторая зона характеризуется следующими значениями max - 319,02 и min - 314,06 ккал при t=220 с. В третьей зоне достигнуты заданные значения Эц - 313,63 ккал.
В результате экспериментальных исследований установлено, что за оптимальное время смешивания мучной полизлаковой смеси «Фитнес» следует принимать следующие значения:
- при частоте вращения рабочего органа n - 2800 об/мин, 140 секунд;
- при n - 1850 об/мин, время смешивания составило 160 с;
- при n - 960 об/мин, время смешивания - 250 с.
Дальнейшее увеличение времени обработки мучной полизлаковой смеси приводит к не рациональным расходам электроэнергии.
Литература:
1. Послание Президента Республики Казахстан Н.Назарбаева народу Казахстана. «Новое десятилетие - новый экономический подъем - новые возможности Казахстана» от 29.01.2010 г.
2. Оспанов А.А., Комышник Л.Д., Омаров К.К. и др. Методические рекомендации по производству муки из цельносмолотого зерна для сельских товаропроизводителей. - Методические рекомендации. - Астана: ЦНТИ, 2004. - 65 с.
3. Черняев Н. Определение качества смешивания компонентов комбикормов. Муком.- элев. пром., 1985., №10.
4. Братерский Ф., Гамолич В., Хударев Н. Оценка однородности смешивания комбикормов. Муком.- элев. и комбикормовая промышленность, 1982, №1.
