Введение к работе
Актуальность работы. Среди наиболее востребованных продуктов питания, способствующих адаптации организма человека к ухудшению экологической обстановки, особое место занимают молоко и молочные продукты.
Основной стадией производства любого кисломолочного продукта является процесс коагуляции белков и получение сгустка требуемой консистенции, основной составляющей которой является прочность структуры. Например, при производстве сыров готовность сгустка на большинстве предприятий определяют визуально.
При инструментальном контроле используют различные лабораторные приборы - реометры. Это, например, гелеометр С. М. Бакунца, измеряющий раскалывае-мость сгустка конусом; эластометры и торсиометры, контролирующие эластичность и прочность структуры образующегося сгустка. Процесс останавливают после достижения сгустком требуемой прочности и уровня активной кислотности рН = 4,5-4,7. Но эти реометры не приспособлены для непрерывного мониторинга процессов образования сгустков и использования в системах автоматического управления.
При выработке сгустков кисломолочных продуктов их качество обеспечивают соблюдением ряда исходных условий: качеством исходного сырья и заквасок, точным соблюдением параметров технологического процесса, а также измерением в конце стадии коагуляции сгустка титруемой кислотности по Тернеру (Т ), проводимой методом отбора проб.
Сыры после прессования, а кисломолочные продукты после сквашивания, охлаждения и последующего перемешивания, проходят стадию созревания до готовности, которую контролируют в большинстве случаев органолептическими методами (цвет, запах, ломкость, проба на изгиб, густота и др.), косвенно отражающими их структурно-механические характеристики. Постоянно увеличивающийся ассортимент продукции, выпускаемой молочной промышленностью, конструирование продуктов с заданными составом и свойствами требуют системного подхода к контролю и управлению качеством, а также разработки новых методик измерения реологических характеристик готовых молочных продуктов и соответствующего аппаратурного и программного обеспечения.
По этим причинам решение указанных задач является актуальной научной проблемой, представляющей большой научный и практический интерес не только для пищевой, но и для других отраслей промышленности, производящих или использующих жидкие среды.
Степень разработанности темы исследований. Становлению отечественной школы реологии пищевых продуктов послужили известные работы академика П.А. Ребиндера, внёсшего большой вклад в развитие физико-химической механики сплошных сред. Исследованию реологических свойств пищевого, в том числе и молочного сырья, полуфабрикатов и готовой молочной продукции, а также разработке устройств для их проведения уделяется особое внимание и в настоящее время. Этими вопросами активно занимаются научные коллективы, созданные известными учеными: Ю.А. Мачихиным и С.А. Мачихиным, И.А. Роговым, А.В. Горбатовым, Л.А. Остроумовым, Г.Г. Шиллером, В.Д. Косым, A.M. Масловым и др.отечественными и зарубежными учёными. Работы этих ученых и их коллег стали базой для выполнения рассматриваемой диссертационной работы.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР: г. б. темы «Исследование и разработка новых методов и приборов для контроля структурно-механических свойств пищевых продуктов» (1978-2012 г.г.); г.б. темы ГКНТ «Продовольствие» № 06.51 «Разработка и создание комплексных приборов для производственного экспрессного контроля пищевых материалов на основе реологических методов» (1989 г., 1995 г.); х.д. темы № 86/20 «Ротационный вискозиметр для молочных продуктов BPM-I» (ВНИМИ, 1986-87 г.г.); гранта КемТИПП «Разработка компьютеризированного реометра для контроля молочных продуктов» (2008-2009 г.г.);
Цель работы. Научное обоснование и разработка методологии, аппаратурного оформления и программного обеспечения реологического мониторинга процессов образования молочно-белковых сгустков и контроль их созревания и готовности к реализации.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
-
Изучить и обобщить существующие разработки в области методологии и техники проведения непрерывного реологического мониторинга процессов образования молочно-белковых сгустков и оценки качества молочных продуктов.
-
Разработать новые конструкции реометров для мониториринга процессов коагуляции молока, а также для контроля сыров и кисломолочных продуктов, обосновать контролируемые реологические параметры.
-
Провести теоретические и экспериментальные исследования влияния геометрических и кинематических характеристик реометров на контролируемые реологические параметры, определить их рациональные значения.
-
Исследовать влияние технологических факторов на контролируемый реологический параметр при образовании кислотно-сычужных сгустков и обосновать управляющие факторы.
-
Разработать на основе теории распознавания образов сплошных сред методику оценки кинетики процесса образования молочно-белковых сгустков и аналитического моделирования момента их готовности к дальнейшей обработке.
-
Разработать научно обоснованные методики проведения реологических исследований сыров и молочных продуктов для определения показателей их качества в процессе обычного и низкотемпературного хранения.
-
Разработать программное обеспечение для распознавания реологических моделей (образов) молочных продуктов и определения их реологических параметров.
-
Провести производственное апробирование и внедрение разработанных реометров для непрерывного контроля процесса коагуляции молока, выбрать и обосновать использование конкретных базовых конструкций для различных молочных продуктов.
Методология и методы исследования. При выполнении работы в процессе теоретических и экспериментальных исследований изучены и обобщены результаты существующих разработок в области техники и методологии проведения непрерывного реологического контроля процессов коагуляции молока при выработке сыров и кисломолочных продуктов, а также оценки качества готовых молочных продуктов. При разработке и исследовании реометров для контроля этих процессов были использованы теория распознавания образов сплошных сред и
элементы теории автоматического управления, методы математической статистики, планирования эксперимента, математического моделирования, а также современные компьютерные технологии.
Основные экспериментальные исследования проведены на комплексе разработанных нами опытных реометров, испытательных стендов. Сравнительные опыты выполнены на сертифицированном реометрическом оборудовании (ротационном вискозиметре Rheotest-2 (Германия), шариковом вискозиметре Гепплера ВН-2 (Германия), структурометре СТ-1 (Россия) как в лабораторных условиях, так и в условиях действующих производств, с целью оценки теоретических подходов и методик проведения контроля реологических параметров молочных продуктов, а также уточнения геометрических и кинематических параметров новых реометров.
Концептуальная направленность работы. В основу научно-технического решения задачи обеспечения непрерывного реологического мониторинга процессов образования молочно-белковых сгустков, а также контроля структурно-механических параметров стадий процессов производства сыров и кисломолочных продуктов положена теория распознавания реологических образов сплошных сред.
Научная новизна работы.
-
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработанных новых реометров установлены рациональные значения их геометрических и кинематических параметров, при которых реограммы образования кислотно-сычужных и кисломолочных сгустков имеют достоверный характер.
-
На разработанных реометрах получены реограммы образования сгустков кислотно-сычужных и кисломолочных сгустков, которые доказывают, что время начала и окончания стадий их образования, определенное по ним, отличается от кривых титруемой Ти активной рН кислотности не более, чем на 3 - 4 %.
-
С использованием теории распознавания образов сплошных сред разработана методика аналитического моделирования протекания процесса образования моло-чочно-белковых сгустков, позволяющая предсказать момент окончания процесса и его готовность к дальнейшей обработке.
-
Получены математические модели в виде уравнений регрессии, отражающие влияние технологических факторов на значения контролируемого реологического параметра и позволяющие обосновать управляющие факторы для коррекции структурно-механических свойств образующихся кислотно-сычужных сгустков.
-
Методом математического моделирования обоснован выбор поправочного коэффициента, дающего при измерениях на коническом пластометре инвариантные значения предельных напряжений сдвига сыров независимо от изменения угла при вершине измерительного конуса.
-
По результатам экспериментальных исследований на разработанном сдвиго-метре СД-1 обоснованы наиболее рациональные зоны контроля головок мягких и твёрдых сыров. Показано, что в отличие от мягких для твёрдых сыров характерно наличие анизотропии реологических свойств по объему головок сыра.
-
С использованием теории пластического деформирования металлов получена модернизированная формула, доказывающая, что при исследованиях на ротационном вискозиметре с цилиндрической измерительной системой вязко-пластичные молочные продукты (сметана, высокожирные сливки и др.) не имеют статического предела текучести вс, а пластически деформируются от «нуля» на режиме ползучести с максимальной ньютоновской вязкостью.
8. Экспериментально-теоретическими исследованиями доказано, что применение шарикового вискозиметра согласно ГОСТ 27709 - 88 для измерения динамической вязкости структурированных жидкостей (сгущенных молочных консервов, высокожирных сливок и др.) нецелесообразно, т.к. невозможно получить при повторных измерениях одинаковые её значения, вследствие разрушения структуры продукта и, как следствие, уменьшение вязкости из-за увеличения скорости шарика. Доказано, что при использовании различных шариков из комплекта вискозиметра также невозможно получить одинаковые (инвариантные) значения вязкости, что вносит относительную погрешность в результаты измерений свыше 19 %. Разработана научно обоснованная методика измерения динамической вязкости таких продуктов на ротационном вискозиметре, отвечающая требованиям стандарта.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты исследований могут быть использованы для практического уточнения методик контроля качества технологии производства, а также для получения достоверных и точных сведений о структурно-механических параметрах полуфабрикатов и готовых молочных продуктов. Разработка научно обоснованных методик непрерывного реологического монито-риринга процессов образования и упрочнения молочно-белковых сгустков дало возможность разработать и апробировать новые реометры, формирующие унифицированные управляющие сигналы для АСУ технологическими процессами и обеспечивающие получение молочно-белковых сгустков заданного качества:
а) для мониторирования процессов образования и упрочнения сычужных и ки
сломолочных сгустков при их производстве: шариковый малоамплитудный вибра
ционный реометр ВРШ-1 (патент РФ № 2371702, модификация - патент РФ №
2304280); ротационный реометр Сгусток-Р1 (патент РФ № 2196318, модифика
ция - патент РФ № 2354956 (Сгусток-3));
б) для производственных и лабораторных исследований реологических характе
ристик готовых сыров и кисломолочных продуктов: портативный реометр для сы
ров - сдвигометр СД-1 (патент № 2145072); портативный конический пла-
стометр КП-ЗК (авт. свид. № 1453250, модификация - патент РФ № 2222808),
предназначенный для исследования в пластичных молочных продуктов при различ
ных температурах; лабораторные ротационные вискозиметры: с встроенным бло
ком обработки результатов измерений номографического типа ВР-1 (авт. свид.
№ 1213382; ротационный вискозиметр ВРМ-1 с программным обеспечением
(авт. свид. № 1363017, модификации - авт. свид.№, № 1441266. 1557483).
Разработан комплекс математических моделей, позволяющий определять кинематические и геометрические параметры реометров при их проектировании.
Уточнена формула для расчёта предельных напряжений сдвига (предела текучести) сыров на коническом пластометре, позволяющая получать их инвариантные значения при применении конусов с различными углами при их вершинах; скорректированы начальные участки кривых течения, что позволит точнее обосновывать мощность привода оборудования для переработки вязко-пластичных жидкостей; обоснованы зоны контроля головок сыров; установлено влияние низкотемпературного хранения на реологические и физико-химические свойства сыров.
Разработана новая методика измерения на ротационном вискозиметре динамической вязкости молочных консервов, применение которой позволит повысить достоверность и точность контроля этого параметра, а на следующем этапе - уточнить ГОСТ 27709-88 «Консервы молочные сгущённые. Метод измерения вязкости».
Разработанная методика аналитического моделирования готовности молочно-белковых сгустков к дальнейшей обработке позволит исключить влияние человеческого фактора и повысить качество получаемых продуктов.
Разработана компьютерная программа «Виртуальная модель кривых течения» (свидетельство о Государственной регистрации № 2008612695), применение которой позволит выполнять сбор и хранение базы экспериментальных данных, строить кривые течения «напряжение сдвига - скорость сдвига», проводить аппроксимацию кривых течения одним или несколькими реологическими уравнениями (моделями) и вычислять основные реологические характеристики исследованных молочных продуктов.
Использование в промышленности разработанных новых реометров и научно обоснованных методик их применения, мониторинга процессов образования кислотно-сычужных и кисломолочных сгустков, а также компьютеризация лабораторных реологических исследований позволит повысить точность и достоверность измеряемых параметров вследствие исключения человеческого фактора.
Опытно-промышленная апробация новых реометров и разработанных методик проведены на ОАО Кемеровский молочный комбинат - Гормолзавод № 2 (г. Кемерово), НПО «Здоровое питание» (г. Кемерово), молочный завод ООО «Селяна» (п. Кузбасский, Кемеровской обл.). Ротационный вискозиметр ВРМ-1 прошел государственные приемочные испытания для постановки на серийное производство по высшей категории качества (НПО «Аналитприбор»). Реометры рекомендованы к промышленному внедрению. Разработана конструкторская документация и руководство по их применению.
Результаты работы используются в учебном процессе и НИРС при подготовке специалистов, бакалавров и магистров по дисциплине «Инженерная реология» на кафедре «Прикладная механика» ФГБОУ ВПО КемТИПП.
В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных в течение 35 лет лично автором или при его активном участии в качестве научного руководителя или ответственного исполнителя госбюджетных и хоздоговорных НИР, одного гранта, двух магистерских и пяти кандидатских диссертаций.
Основные положения, выносимые на защиту. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов образования и упрочнения молочно-белковых сгустков при производстве сыров и кисломолочных продуктов реологическими методами. Новые конструкции реометров для мониторинга процессов коагуляции молока и методики их применения. Результаты теоретических и экспериментальных исследований готовых молочных продуктов, полученные с использованием новых лабораторных реометров и уточненные методики их применения. Компьютерные технологии при мониторинге процессов образования сгустков и при обработке результатов реологических измерений готовых молочных продуктов.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены:
- на 4 всесоюзных и международных симпозиумах, выставках: «Теоретические
и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической
механики с целью совершенствования и интенсификации технологических про
цессов пищевых производств» (Москва, ИФХМ-1986, -1992); «Инструментальные
методы оценки качества пищевых продуктов» (Москва, 1983); «Федеральный и ре
гиональный аспекты государственной политики в области здорового питания»
(Кемерово, 2002);
- на 9 международных научно-практических конференциях: «Продовольствен
ный рынок и проблемы здорового питания» (Орел, 2000); «Аналитические методы
измерений и аналитические приборы в пищевой промышленности» (Москва, 2006 г.); «Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания в России» (Орел, 2006); «Пища. Экология. Качество (Новоси-бирск-Краснообск, 2008); «Современные наукоемкие технологии переработки сырья и производства продуктов питания: состояние, проблемы и перспективы развития» (Омск, 2008); «Информационные технологии и математическое моделирование (ИТТМ - 2008)» (Томск, 2008); «Техника и технологии переработки гидро-бионитов и сельскохозяйственного сырья» (Мурманск, 2008); «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности. Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов» (Москва, 2008); «Производство и переработка сельскохозяйственной продукции. Менеджмент качества и безопасности» (Воронеж, 2013).
на 6 всесоюзных и всероссийских научно практических конференциях: «Метрологическое обеспечение аналитических методов в сельском хозяйстве» (Новосибирск, СО РАСХН, 1990); «Разработка комбинированных продуктов питания (медико-биологические аспекты, технология, аппаратурное оформление, оптимизация)» (Кемерово, 1991); «Совершенствование техники и технологии в пищевых отраслях промышленности» (Кемерово, 1994); «Прогрессивные технологии и оборудование пищевых производств» (С-Петербург, 1999); «Образование для новой России: опыт, проблемы, перспективы» (Томск, 2005); «Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах» (Кемерово, 2009);
на ежегодных научных конференциях ФГБОУ ВПО КемТИПП (1992-2013).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 103 печатных работах, в том числе 1 монографии, 22 статьях в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК, 8 депонированных статьях, 50 работах, опубликованных в других изданиях; получено 15 авторских свидетельств и 7 патентов РФ на изобретение, 1 свидетельство о регистрации компьютерной программы в Государственном реестре РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников (217 наименований), приложения. Основное содержание изложено на 268 страницах машинописного текста.
