CC BY
1
УДК 664.8.022.6 DOI 10.24412/2311-6447-2024-4-257-263
Влияние структурно-механических свойств ингредиентов
на процесс их дозирования
Influence of structural and mechanical properties of ingredients
on their dosing process
Профессор Г.В. Алексеев (ORCID 0000-0002-2867-108X) Университет при Межпарламентской ассамблее ЕврАз ЭС, тел. +7-921-335-07-96 gva2003@mail. ru
Науч. сотрудник А.П. Савельев Военная академия МТО им. А.В. Хрулева, тел. +7-921-335-07-96
Аспирант А.П. Малыхин Национальный исследовательский университет ИТМО, тел. +7-962-16-65-575 Aleksandrmalyhin22602@ gmail.com
Professor G.V. Alekseev (ORCID 0000-0002-2867-108X) University at the Interparliamentary assembly of the Eurasian Economic Union, tel. +7-921-335-07-96 [email protected]
Researcher A.P. Saveliev Military academy of the logistics and defense named after A.V. Khrulev, tel. +7-921-335-07-96
Postgraduate student A.P. Malykhin National research university ITMO, tel. +7-962-166-55-75 Aleksandrmalyhin22602@gmail. com
Аннотация. Процессы хлебопечения и качество получаемой продукции напрямую связаны с используемыми ингредиентами и точностью их дозирования. Отклонение в соответствии количества используемых ингредиентов в рецептуре, например, белкового и углеводного компонентов, может приводить к такому развитию реакции Майяра, которое снижает пищевую ценность изделий, а иногда приводит к появлению соединений вредных для организма человека. Причины нарушения точности дозирования жидких ингредиентов могут быть связаны с характером перемещения по каналам дозаторов. Так, например, отклонение характера такого перемещения от предполагаемого ламинарного часто приводит к появлению эффекта волнообразования, т. е. неравномерности толщины пленки в процессе ее стекания по стенкам дозатора. Структурно-механические характеристики дозируемых жидких ингредиентов, в первую очередь поверхностное натяжение, являются причиной возникновения так называемой «падающей пленки» и эффекта волнообразования. Именно эти обстоятельства связаны с отклонениями отмериваемой дозы ингредиента. Актуальным представляется экспериментальное выяснение характера зависимостей поверхностного натяжения перемещающейся по каналам дозатора жидкости от реализуемых технологических режимов, в частности плотности основных видов ингредиентов и температурного режима дозирования.
Abstract. The baking processes and the quality of the resulting products are directly related to the ingredients used and the accuracy of their dosing. Deviations in the correspondence of the quantities of ingredients used to the recipe, for example, protein and carbohydrate components, can lead to such a development of the Maillard reaction that reduces the nutritional value of products, and sometimes leads to the appearance of compounds harmful to the human body. Theoretical analysis of the causes of violations of the accuracy of dosing of liquid ingredients performed by various authors led to the conclusion that they are associated with the nature of movement along the channels of dispensers. Thus, for example, deviations in the nature of such movement from the assumed laminar often leads to the appearance of a wave effect, that is, unevenness of the film thickness in the process of its flowing down the walls of the dispenser. Thus, the structural and mechanical characteristics of the liquid ingredients being dosed, primarily the surface tension, are the cause of the so-called "falling film" and the wave-forming effect. These circumstances are associated with the most significant deviations in the measured dose of the ingredient. It seems relevant to experimentally determine the nature of the dependencies of the surface tension of the liquid moving through the dispenser channels on the implemented technological modes, in particular the density of the main types of ingredients and the temperature mode of dosing.
Ключевые слова: качество продукции хлебопечения, точность дозирования, вредные соединения, ламинарное движение, структурно-механические свойства ингредиентов
© Г.В. Алексеев, А.П. Савельев, А.П. Малыхин, 2024
Keywords: quality of bakery products, dosing accuracy, harmful compounds, laminar flow, structural and mechanical properties of ingredients
Изучение причин возникновения эффектов, снижающих точность дозирования, проводилось целым рядом авторов. По данным проведенных исследований [2], такое снижение наблюдаться с появлением эффекта волнообразования, который проявляется уже при критериях Re > 12. Хотя в общем случае аналитические выкладки дают некоторые связи критерия Рейнольдса от реализуемых в потоке дозируемой жидкости режимов, более точные оценки дают экспериментальные исследования. Они, в частности, говорят о том, что значения критерия Рейнольдса влияют на свойства и характер потока следующим образом:
- при Re < 4-25 - осуществляется ламинарное движение жидкости без волнообразования;
- при 4-25 < Re <1000-2000 - ламинарное течение жидкости происходит с волнообразованием;
- при Re > 1000-2000 - реализуется турбулентное движение жидкости.
В каждом из этих случаев средняя толщина пленки увеличивается и достигает значений
АЫр = Ah (Re/Re кр//5.
При исследовании эффекта волнообразования на поверхности пленки [2-4] было установлено, что он начинает появляться на стекающей пленке при Re > 30, причем критическое значение критерия Рейнольдса может быть вычислено по формуле
Re^ = 2,34 foo
.09
где kF
h — а р -
k^ — - волновое число, характеризующее действие поверхностных сил
(а - поверхностное натяжение).
Результаты указанных исследований свидетельствуют о том, что точность дозирования непосредственно зависит от режима течения ингредиентов, определяемого коэффициентом Рейнольдса, который, в свою очередь, связан с важнейшими реологическими показателями. Для уточнения указанных сведений проведен эксперимент по определению поверхностного натяжения а сталагмометрическим методом для важнейших ингредиентов, используемых для приготовления теста. Эксперимент проводился для наиболее распространенных при подготовке теста для хлебопечения ингредиентов: вода, молоко, раствор соли и раствор сахара [3-6].
При проведении опытов в качестве варьируемых выбирали наиболее важные параметры, влияющие на коэффициент Рейнольдса и на процесс волнообразования, такие как температура t и плотность р. По результатам измерений получены данные (табл. 1-4), по которым строили регрессионные модели зависимости целевой функции - поверхностного натяжения а от варьируемых в каждой серии опытов параметров температуры и и плотности испытываемой жидкости ри
Экспериментальные данные для воды
Таблица 1
Варьируемые параметры Поверхностное натяжение, а, МН/м
t, 0С Р, кг/м3
15,8 999,9 73,1
17,0 999,7 72,2
17,0 999,8 70,2
20,0 998,2 72,8
20,0 998,3 72,7
20,0 998,1 72,9
23,0 996,7 71,0
23,0 997,6 71,6
24,2 996,0 69,4
Таблица 2
Экспериментальные данные для молока
Варьируемые параметры Поверхностное натяжение, о, МН/м
г, 0С Р, кг/м3
15,8 74,5 74,5
17,0 78,6 78,6
17,0 75,3 75,3
20,0 82,5 82,5
20,0 82,7 82,7
20,0 82,6 82,6
23,0 79,5 79,5
23,0 76,3 76,3
24,2 73,8 73,8
Таблица 3
Экспериментальные данные для солевого раствора
Варьируемые параметры Поверхностное натяжение, о, МН/м
г, 0С Р, кг/м3
15,8 1320,0 78,4
17,0 1329,0 73,5
17,0 1331,0 74,0
20,0 1333,0 77,1
20,0 1335,0 77,2
20,0 1336,0 77,4
23,0 1338,0 74,2
23,0 1339,0 74,5
24,2 1344,0 73,9
Таблица 4
Экспериментальные данные для раствора сахара
Варьируемые параметры Поверхностное натяжение, о, МН/м
г, 0С Р, кг/м3
15,8 990,0 44,1
17,0 1060,0 42,8
17,0 1061,0 43,0
20,0 1030,0 44,2
20,0 1029,0 44,4
20,0 1031,0 44,3
23,0 1010,0 43,2
23,0 1009,0 42,9
24,2 1000,0 43,8
Приведена расчетная таблица для математико-статистической обработки результатов опытов с водой (табл. 5). В первой строке полученных результатов матема-тико-статистической обработки приведены коэффициенты соответствующего нелинейного уравнения регрессии, которые позволяют записать это уравнение в виде
о1 = -4084540 + 2242,55г + 8140,525 р -0,2621^-4,05594 р 2-2,23687Н р.
259
Результаты обработки данных эксперимента с водой
Таблица 5
Варьируемые параметры Ср. выход
г, 0С Р, кг/м3 гл2 рЛ2 г*р СТ1
15,8 999,9 249,64 999800 15798,42 73,1
17 999,7 289 999400,1 16994,9 72,2
17 999,8 289 999600 16996,6 70,2
20 998,2 400 996403,2 19964 72,8
20 998,3 400 996602,9 19966 72,7
20 998,1 400 996203,6 19962 72,9
23 996,7 529 993410,9 22924,1 71
23 997,6 529 995205,8 22944,8 71,6
24,2 996 585,64 992016 24103,2 69,4
20 998,2 400 996403,2 19964 72,8
20 998,3 400 996602,9 19966 72,7
Предельные значения
15,8 996 мин
24,2 999,9 макс
Уравнение нелинейной регрессии
-2,23687 -4,05594 -0,2621 8140,525 2242,55 -4084540
4,450837 5,302554 0,882295 10676,81 4479,028 5374480
0,93908 0,43383 #Н/Д #Н/Д #Н/Д #Н/Д
15,41505 5 #Н/Д #Н/Д #Н/Д #Н/Д
14,50623 0,941043 #Н/Д #Н/Д #Н/Д #Н/Д
Следует обратить внимание на 3-й коэффициент в 1-ом столбце итогового раздела расчета равный 0,93908. Он характеризует степень адекватности построенной модели экспериментальным результатам и свидетельствует о возможности использования этих моделей для назначения реальных технологических процессов дозирования с учетом эффектов волнообразования.
Аналогичная обработка была проведена и для других экспериментальных результатов. Получены регрессионные модели для молока (о2), солевого раствора (о3) и раствора сахара (о4):
02 = -3288,37-48,5913 г + 7,381199 р -0,01377 г 2-0,00404 р 2 + 0,047978 t р,
03 = 161514,2 + 531,9335 г -290,4 р -0,17762 г 2 + 0,130413 р 2-0,45699 t р,
04 = 105677 + 151,8295 г-160,484 р -0,25535 г 2 + 0,060901 р 2-0,10595 t р.
Соответствующие коэффициенты адекватности построенных уравнений оказались равными: для о2 - 0,940662; для о3 - 0,914727; для о4 - 0,927458.
Для использования полученных уравнений при реальном дозировании ингредиентов теста представляет интерес взаимовлияние отдельных жидкостей друг на друга. Поскольку солевой раствор является обязательным для всех видов тестовых основ, оценим его влияние на другие жидкости, представив полученные уравнения графически (рис. 1-3).
Рис. 1. Линии уровня целевъх функций о1 и о3: 1 - вода; 3 - солевой раствор
15 20 25
Рис. 2. Линии уровня целевъх функций о2 и о3: 2 - молоко; 3 - солевой раствор
1 яыпд/1.«-10д 1 1 ^.щЗ 1 д-мп5
15 20 25
Рис. 3. Линии уровня целевъх функций о4 и о3: 4 - раствор сахара; 3 - солевой раствор
На рис. 1-3 по линиям уровня солевого раствора приведено изменение значения поверхностного натяжения в зависимости от температуры. Приближенные рас-
четы для полученных значений поверхностного натяжения исследованных жидкостей говорят о том, что критерий Рейнольдса этих ингредиентов в сочетании с солевым раствором находится в диапазоне Re = 9-12, т. е. по оценкам [7-9] в дозируемой жидкости эффект волнообразования не наблюдается. Для жидкостей повышенной вязкости, таких как раствор патоки или дрожжевая суспензия, установленные пределы могут нарушаться и, следовательно, необходимы специальные конструктивные изменения дозаторов для обеспечения заданной точности дозирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Iijima, M, Hatakeyama T, Hatakeyama H. DSC and TMA studies of polysaccharide physical hydrogels. Analytical Sciences. - 2021; 37: 211-219. https://doi.org/10.2116/analsci.20SAR10.
2. Ozcan, Y, Icyer NC, Ozmen D, Toker OS. Effect of soapwort extract as an alternative to albumin on the physical, textural, sensory, and rheological properties of marsh-mallow. Journal of Food Processing and Preservation. - 2022; 46(11). https://doi.org/10.1111/jfpp.16931.
3. Волков, С.М. Моделирование структурно-реологических свойств пищевых растительных масел / С.М. Волков, А.Г. Новоселов, А.В. Федоров, Б.А. Кулишов, А.А. Федоров. - Текст: непосредственный // Ползуновский вестник. - 2017. - Т. 3. -С. 19-26.
4. Биохимические основы физиологии питания: учеб. пособие / В.Г. Лобанов, Л.В. Капрельянц, В.В. Литвяк, Ю.Ф. Росляков, В.А. Кравченко. - Санкт-Петербург: «Лань», 2024. - 559 с. - Текст: непосредственный.
5. Jakubczyk, E, Kaminska-Dworznicka A. Effect of addition of chokeberry juice concentrate and foaming agent on the physical properties of agar gel. Gels. - 2021; 7(3). https://doi.org/10.3390/gels7030137.
6. The study of edible vegetable oils rheological properties. Ostrikov A.N., Kleymenova N.L., Bolgova I.N., Kopylov M.V., Lobacheva N.N. II International Conference on Current Issues of Breeding, Technology and Processing of Agricultural Crops, and Environment (CIBTA-II-2023). Les Ulis Cedex A, France. - 2023. - рр. 1020.
7. Клындюк, А.И. Поверхностные явления и дисперсные системы / А.И. Клындюк. - Минск: БГТУ, 2011. - 317 с. - Текст: непосредственный.
8. Kurt, A, Bursa K, Toker OS. Gummy candies production with natural sugar source: Effect of molasses types and gelatin ratios. Food Science and Technology International. - 2022; 28(2). https://doi.org/10.1177/1082013221993566.
9. Фролов, В.И. Методы определения поверхностного натяжения / В.И. Фролов, Д.Ю. Митюк, Р.Е. Твердый. - Москва, 2013. - 48 с. - Текст: непосредственный.
REFERENCES
1. Iijima, M, Hatakeyama T, Hatakeyama H. DSC and TMA studies of polysaccharide physical hydrogels. Analytical Sciences. - 2021; 37: 211-219. https://doi.org/10.2116/analsci.20SAR10.
2. Ozcan, Y, Icyer NC, Ozmen D, Toker OS. Effect of soapwort extract as an alternative to albumin on the physical, textural, sensory, and rheological properties of marshmal-low. Journal of Food Processing and Preservation. - 2022; 46(11). https:/ /doi.org/ 10.1111/jfpp.16931.
3. Volkov, S.M. Modeling of structural and rheological properties of edible vegetable oils / S.M. Volkov, A.G. Novoselov, A.V. Fedorov, B.A. Kulishov, A.A. Fedorov. -Text: direct // Polzunovsky Vestnik. - 2017. - Vol. 3. - P. 19-26.
4. Biochemical foundations of nutritional physiology: textbook. manual / V.G. Lobanov, L.V. Kaprelyants, V.V. Litvyak, Yu.F. Roslyakov, V.A. Kravchenko. -St. Petersburg: "Lan", 2024. - 559 p. - Text: direct.
5. Jakubczyk, E, Kammska-Dworznicka A. Effect of addition of chokeberry juice concentrate and foaming agent on the physical properties of agar gel. Gels. - 2021; 7(3). https://doi.org/10.3390/gels7030137.
6. The study of edible vegetable oils rheological properties. Ostrikov A.N., Kleymenova N.L., Bolgova I.N., Kopylov M.V., Lobacheva N.N. II International Conference on Current Issues of Breeding, Technology and Processing of Agricultural Crops, and Environment (CIBTA-II-2023). Les Ulis Cedex A, France. - 2023. - pp. 1020.
7. Klyndyuk, A.I. Surface phenomena and disperse systems / A.I. Klyndyuk. -Minsk: BSTU, 2011. - 317 p. - Text: direct.
8. Kurt, A, Bursa K, Toker OS. Gummy candies production with natural sugar source: Effect of molasses types and gelatin ratios. Food Science and Technology International. - 2022; 28(2). https://doi.org/10.1177/1082013221993566.
9. Frolov, V.I. Methods for determining surface tension / V.I. Frolov, D.Yu. Mityuk, R.E. Tverdy. - Moscow, 2013. - 48 p. - Text: direct.
