Статья 3

Инфракрасная техника в пищеконцентратной промышленности.

В.Б. Стребков аспирант МГУПП, А.А. Андреева студ. МГУПП,    В.В. Кирдяшкин доц. МГУПП, канд.тех.наук, Н.В. Елькин  директор     ООО ПК "Старт".

Пищевые концентраты представляют собой механические смеси из различного сырья, которые в процессе технологической обработки  становятся пищевыми продуктами,  наиболее полно подготовленными к использованию в качестве пищи. Отдельные виды пищевых концентратов, например первые, вторые и третьи обеденные блюда, сухие продукты детского и диетического питания, могут быть охарактеризованы как сухие консервы. Пищевые концентраты имеют целый ряд особенностей, которые выгодно отличают их от других пищевых продуктов: быстрота и простота приготовления пищи, высокая концентрация питательных веществ при малом объеме и массе по сравнению с обычными продуктами, способность длительно сохранятся без потери качества, высокая усвояемость и т. д.      

Производство пищевых концентратов основывается на интенсивном механическом и  тепловом воздействии на сырьё  в процессе технологической обработки. Тепловая обработка сырья изменяет его агрегатное состояние, химический состав, внешний вид, органолептические показатели качества, прекращает жизнедеятельность микрофлоры. В то же время она является наиболее трудоёмкой стадией  всего технологического процесса производства пищевых концентратов, а по затратам времени и тепловой энергии превосходит все другие стадии процесса. Экспериментально установлено, что при продолжительности процесса   40-50 минут достаточна температура 105-110°С.

Гидротермическая обработка при повышенных температурах требует герметизации теплового оборудования,  что усложняет процесс и приводит к нежелательным явлениям. Гидролиз жира,  с образованием перекисей, появление неприятного запаха, так называемых, одорирующих веществ, меланоидинообразование, все это спутники  большой влажности, температуры и герметизации аппарата. Из вышесказанного следует, что необходимо отказаться от  термической обработки зернового сырья в закрытых сосудах под давлением.  Тепловая обработка, например,   варка круп  в открытых котлах, дает значительно лучший по качеству продукт, но время обработки и энергозатраты возрастают на порядок.

Одним из перспективных направлений в разработке энергосберегающих технологий производства продуктов  питания на зерновой основе является использование новых физических методов подвода тепла к продукту.

 Инфракрасная (далее ИК) техника и технологии позволяют на более высоком уровне  изменять структуру, биохимические, технологические свойства и кулинарные достоинства обрабатываемого зернового сырья. В результате волнового воздействия микроструктура зерна и крупы претерпевает глубокие изменения, сорбционные свойства возрастают  в 10 – 100 раз, происходит частичная денатурация белков  и декстринизация крахмала. Степень этого воздействия регулируется технологом в рамках разработанных и разрабатываемых технологий. Так как обработка ведется короткий период времени (20–60 секунд), растворимость белка и аминокислотный состав практически не изменяется,  а содержание витаминов группы В и токоферолов при обработке целого зерна уменьшаются незначительно.

Специфические возможности  ИК - обработки основаны на том, что:

- плотность теплового потока, которую можно подать на объект в 20-100 раз больше, чем при конвективном и кондуктивном энергоподводе;

- частотный резонанс падающего излучения и колебаний атомов в молекулах биологических полимеров вызывает разрыв и перестройку молекулярной цепи, изменение ориентации  отдельных групп атомов;  

- глубина проникновения  лучей в толщу материала до 7-10 мм позволяет избежать перегрева поверхности, осуществить однородный прогрев слоя материала,  а термодиффузионный поток влаги с поверхности переходящий в пар создает внутреннее давление и разрыхляет каждое  отдельное зерно.

Эффективность и особенности применения ИК - излучения при переработке зернового сырья  признаны во всем мире. Многолетние исследования, проведённые в МГУПП,  ВНИИЗ,   НИИПП и СПТ позволили разработать ряд оригинальных технологий, связанных с переработкой зернового сырья в комбикормовой,  крупяной, кондитерской, пищеконцентратной промышленности.  Выведение этих технологий на российский рынок до 1997 года сдерживалось отсутствием качественное оборудования для термической обработки зерна и крупы в инфракрасном поле. "Производственная компания  Старт" в 1998 году стала первой компанией в России, которая разработала, изготовила и испытала в промышленных условиях установку УТЗ-4 для термообработки зернового сырья ИК-излучением (Фото 1).

Производительность установки по зерновому сырью от 100 до 300 кг/час в зависимости от вида обработки и сортовых особенностей сырья.

Установка защищена патентом (RU 2134995 С1), сертифицирована, ведется ее серийное производство. Особенностью установки является ее способность работать как в режиме микронизации (т.е. быстро прогревать влажное зерно до 100 ºС и вести направленную клейстеризацию крахмала), так и в режиме высокотемпературной инфракрасной обработки.

В настоящее время в пищеконцентратной и крупяной промышленности России внедряется технология производства быстроразвариваемой целой крупы, крупок различного фракционного состава и зерновых хлопьев  с временем варки от 1 до10 минут, а также зерновых хлопьев, не требующих варки, готовых к употреблению при заливки их кипящей водой  и выдержкой в течение 3-6 минут в теплоизолированной емкости.

Линия по производству быстроразвариваемой крупы и хлопьев не требующих варки, производительностью от 200 до 500 кг/час внедрена в  производство на комбинатах хлебопродуктов в Нижнем Новгороде, Казани, Самаре, Орле, Бресте, Лиде и др. Схема технологического процесса  представлена на рисунке 1.   

Очищенная крупа из накопительного бункера (поз.1) через дозатор с электронным блоком (поз.2) поступает в увлажнительный шнек (поз.3), где в неё добавляется при помощи форсунок  необходимое количество воды. В результате интенсивного перемешивания и перемещения крупы по шнеку, влага равномерно распределяется по её поверхности и впитывается оболочкой, практически полностью восстанавливается сыпучесть крупы. Из бункера-питателя установки для термообработки зерна УТЗ-4Ш (поз.4) через дозирующее устройство крупа раскладывается на металлическую сетку транспортера слоем необходимой толщины, прогревается инфракрасным излучением до температуры 110-140 °С в зависимости от вида крупы (согласно ТУ 9294-002-18376415-01).

Рис. 1. Схема технологического процесса получения хлопьев, не требующих варки.

Влага, находящаяся в оболочке,  перемещается внутрь (явление термовлагопроводности) и нагревается вместе с сухим веществом крупы. Нагретая крупа ссыпается в теплоизолированный бункер (поз.5), где выдерживается при постоянной температуре 1-6 минут. Пропаренная сухим паром крупа приобретает необходимые технологические свойства, которые переводят её в разряд продукта, относящегося по классификации, принятой в пищеконцентратной промышленности к быстроразвариваемым. После такой обработки крупа охлаждается и фасуется. Время варки обработанной крупы составляет менее 10 минут. Для получения продукта, не требующего варки, крупа из теплоизолированного бункера с помощью питателя подаётся в теплоизолированный шнек (поз.6), куда через форсунку подается холодная вода в мелкодисперсном состоянии.  В процессе перемещения крупы по шнеку, температура её снижается, происходит сорбция влаги пористой структурой крупы, необходимой для клейстеризации крахмала в насыщенном водяном паре. В процессе такой обработки и последующей выдержке в бункере над плющильной машиной (поз.7), крупа приобретает пластичность и раскатывается в хлопья толщиной 0,15-0,2мм. Далее она  элеватором (поз.8) подается в охладитель (поз. 10), где охлаждается в псевдосжиженном пульсирующем слое.

Режимы тепловой и водной обработки легко регулируются оператором и имеют достаточную степень свободы для формирования продукта с определенными заданными свойствами.

В ноябре 2005 года  бюро товарных экспертиз государственного унитарного предприятия Владимирской области провела сравнительную экспертизу овсяных, рисовых и гречневых хлопьев, не требующих варки, торговых марок Nordic (Финляндия), полученных по традиционной технологии (варка, подсушка, плющение, окончательная сушка) и Гарнец ООО "Наш вариант" (Россия), полученных по ИК-технологии  (Патент № RU 2134995 С1). Результаты сравнительного анализа показали качественное преимущество разработанной ИК-технологией над традиционной. (Экспертное заключение № 683 от 9-11 ноября 2005 года).  

 Таким образом, предлагаемая технология позволяет отказаться от применения герметичных варочных котлов при производстве варено-сушеных круп и зерновых хлопьев, не требующих варки.

Процесс обжаривания сырья и полуфабрикатов в пищевой и, в частности, в пищеконцентратной промышленности используется при получении продуктов быстрого приготовления и готовых завтраков. Он позволяет получить качественные продукты с особыми вкусовыми свойствами с невысокой влажностью, что гарантирует им длительное хранение. Газовая печь ПГ-150М до недавнего времени являлась практически единственным агрегатом в пищеконцентратной промышленности, которая позволяла осуществить процесс обжарки зерновых хлопьев с получением высококачественного конечного продукта. Обжаривание, например, кукурузных хлопьев в газовой печи осуществляется с помощью горячего воздуха с температурой 250-300 °С в течение 2-3 минут и требует от технолога большого внимания и знаний сущности процесса. Уровень температуры, количество поступающих хлопьев, их исходная влажность и даже сортовые особенности кукурузной крупы, из которой производятся хлопья, влияют на процесс обжарки. Регулировать и контролировать процесс обжарки технологу довольно сложно из-за большой инертности и конструктивных особенностей печи.

Еще вначале 70-х годов прошлого века проф. Любушкин  В.Т.  МТИПП, изучая процесс обжарки хлопьев в газовой печи доказал преимущества ведения обжарки с использованием инфракрасных ламп нагрева,  а на Грязинском пищевом комбинате, делались попытки внедрить  в производство газовые обжарочные печи с некоторой реконструкцией (установкой кварцевых ламп нагрева).

             В 2005 году ООО ПК «СТАРТ» разработала, изготовила, провела опытно-промышленную проверку и выпустила в серийное производство каскадную инфракрасную печь непрерывного действия для обжарки зерновых хлопьев  в линиях производства СПЭТ (сухих продуктов экструзионной технологии).  Фото 2.

Обжарка хлопьев в ней продолжается  40-70 секунд.  За это время их  влажность  снижается с 19-21% до 2,5-5,0%. Высокая температура и плотность лучистого потока позволяют создать условия взрывоподобного удаления влаги из межклеточного пространства, при этом разрываются межклеточные связи, увеличивается объем хлопьев. ИК-печь позволяет  технологу в широком диапазоне регулировать режимные параметры процесса обжарки.

Хлопья получаются нежными пористыми, хрустящими. Уровень температуры в печи при поступлении в неё хлопьев, который  сильно сказывается на протекании процесса взрывоподобного удаления влаги,  практически не меняется, что позволяет получить качественный продукт.  

В настоящее время  ООО ПК «СТАРТ» готовит к выпуску новую модель УТЗ производительностью 0,9-1,1 тонны в час с энергопотреблением 90-100 кВт на тонну продукта, заказчиками которой выступают представители комбикормовой промышленности.

Установку планируется использовать для переработки полножирных соевых бобов ИК-излучением, и внедрить технологии, разработанные совместно  с Московским Государственным Университетом пищевых производств и ООО ПК "СТАРТ" в комбикормовую промышленность России.

Выпускаемое и планируемое к выпуску тепловое оборудование на основе ИК-энергоподвода позволит расширить сферу применения современной техники в пищевой промышленности России.