Введение к работе
Актуальность работы. Молочные продукты являются одним из наиболее распространенных источников питательных веществ для человека. Важность молока, как сырья для таких продуктов, обусловлена его составом и, прежде всего, его способностью к гелеобразованию. Молочные гели разнообразны по свойствам благодаря способности молочных белков свертываться под воздействием различных факторов: кислот, молокосвертывающих ферментов, спиртов и некоторых солей. Варьирование факторов, вызывающих свертывание молока, а также использование их в комбинациях, позволяет получать разнообразные по свойствам молочные сгустки.
Вопросами изучения влияния различных параметров на свойства продуктов, полученных на основе коагуляции молока, в разное время занимались многие отечественные и зарубежные исследователи, например, З.Х. Диланян, Н.Н. Липатов, П.Ф. Крашенинин, А.Г. Храмцов, P.M. Раманаускас, Л.А. Остроумов, М.С. Уманский, А.А. Майоров; С. G. de Kruif, J.A. Lucey, Е. Dickinson и другие.
Ряд свойств молочных сгустков, таких, например, как консистенция, прочность, влагоудерживающая способность определяются в основном структурой образующегося геля. Поэтому предсказание указанных свойств на основе моделирования структурообразования в белковых системах молока может иметь большое практическое значение, в частности, для разработки молочных продуктов с заданными функциональными характеристиками.
Как следует из вышесказанного, разработка численных методов для моделирования структуры молочных гелей в процессе их формирования является своевременной и актуальной задачей.
Цель работы и задачи исследований. Целью настоящей диссертационной работы является разработка системы для численного моделирования структурно-реологических свойств молочных сгустков.
Для достижения поставленной цели определены задачи исследования:
выбор основных параметров и разработка алгоритмов численного моделирования процесса гелеобразования в молоке на основе комбинации метода Монте-Карло и метода броуновской динамики;
исследование структурно-реологических свойств модельных гелей;
исследование влияния динамики потери коллоидной устойчивости мицеллярной системой молока на структурно-реологичсекие свойства модельных гелей;
экспериментальная проверка адекватности разработанной модели;
разработка интерфейса программы.
Научная новизна. На основе численного моделирования доказано, что ферментативная стадия сычужного процесса является диффузионно-контролируемой реакцией.
Разработано приближение усредненных диффузионных прыжков для описания диффузии молекул фермента в молоке.
Разработан алгоритм квазислучайного разбрасывания сферических частиц с высокой объемной плотностью для моделирования гелей, полученных из концентрированного молока.
На основе синтеза методов Монте-Карло и броуновской динамики разработан эффективный метод анализа структурно-реологических свойств модельных молочных гелей.
Установлены закономерности влияния динамики потери коллоидной устойчивости мицеллярнои системой молока на структурно-реологические свойства модельных гелей.
Практическая значимость работы. В результате теоретических и экспериментальных исследований создана компьютерная программа «Виртуальный молочный гель», обеспечивающая моделирование структурно-реологических свойств молочных гелей при различных технологических параметрах (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, регистрационный номер №2009614832, зарегистрирована 07.09.2009г.). Благодаря адекватной чувствительности компьютерной модели к изменениям технологических параметров программа дает возможность оптимизации технологий для сычужных, кислотно-сычужных сыров и ряда других молочных продуктов на основе виртуального эксперимента.
Использование разработанной системы является альтернативой для проведения трудоемких или дорогостоящих исследований, позволяющей существенно снизить затраты на сырьевые ресурсы, необходимые для оптимизации технологий, их модернизации, введения новых технологических методов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных конференциях: «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2002), «Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов» (Кемерово, 2002, 2009), «Молодые ученые Кузбассу» (Кемерово, 2003), «Информационные недра Кузбасса» (Кемерово, 2003,2004), «Математические методы в технике и технологиях» (Кострома, 2004; Ярославль, 2007), «Современные проблемы устойчивого развития агропромышленного комплекса России» (ДонГАУ, 2009,2010).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе одна в рекомендованном ВАК РФ журнале «Хранение и переработка сельхозсырья». По результатам исследований получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Текст работы изложен на 143 страницах машинописного текста (включая приложения), содержит 3 таблицы и 25 рисунков. Библиографический список включает 111 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
