1. Введение
Процесс перемешивания играет ключевую роль в молочной промышленности, так как он необходим для обеспечения равномерности и однородности продуктов
[1][2]
В молочной отрасли наиболее распространённым способом перемешивания является внесение механической энергии из внешнего источника в среду, которую необходимо перемешать. Механическое перемешивание осуществляется с использованием мешалок, которые приводятся во вращение либо напрямую через электродвигатель, либо с помощью редуктора или клиноременной передачи. Существуют также мешалки с движением возвратно-поступательного типа, которые управляются механическим или электромагнитным вибратором. Процесс механического перемешивания с использованием мешалок сводится к внешней задаче гидродинамики – тела обтекаются жидкостным потоком
[3][4][5]
В последние годы прослеживается рост инновационных разработок молочных продуктов функционального назначения, в рецептуры некоторых на этапе нормализации дополнительно вводят функциональные ингредиенты: белки, биологически активные добавки, растительные полисахариды, растительное сырье и т.д. Соответственно изменяются физико-химические свойства всей молочной системы
[6][7]
Целью работы являлась разработка перемешивающего устройства для приготовления многокомпонентных молочно-растительных смесей для йогуртов на основании данных взаимного влияния белка и порошков растительных наполнителей (топинамбур, зизифус).
В этой связи необходимо было произвести усовершенствование конструкций существующих перемешивающих устройств, которое достигается путем изменения формы мешалки. Исходя из сложившихся на данный момент условий производства продукции, было необходимо разработать мешалку малой производительности.
2. Методы и принципы исследования
Для получения исходных данных для расчета перемешивающего устройства проведены исследования влияния различных факторов на плотность и вязкость молочных систем, используя математическое планирование эксперимента по плану ПФЭ-2. Обработку результатов осуществляли в программе Statistica. Это позволило определить совместное влияние на свойства молочно-растительных систем двух факторов:
Х1Missing Mark : sub – концентрации белка, СЛMissing Mark : sub, % (концентрат Лактобел);
Х2Missing Mark : sub – концентрации порошка топинамбура, СКMissing Mark : sub, % (порошок из клубней топинамбура: массовая доля инулина 36,8%, массовая доля пектиновых веществ 11%, массовая доля пищевых волокон 7%) и концентрации порошка зизифуса, СФMissing Mark : sub, % (финик унаби порошок мякоти: массовая доля пектиновых веществ 14,5%, массовая доля пищевых волокон 21,8%, массовая доля углеводов 57,3%).
Пределы варьирования исследуемых факторов приведены в таблице 1.
Пределы изменения исследуемых факторов
| Условия варьирования | Пределы изменения факторов | ||
| СЛMissing Mark : sub, % | СКMissing Mark : sub, % | СФMissing Mark : sub, % | |
| Верхний уровень(+1) | 15 | 0,7 | 2,6 |
| Нижний уровень (-1) | 5 | 0,2 | 0,8 |
| Центр плана (0) | 10 | 0,45 | 1,7 |
| Интервал варьирования | 5 | 0,25 | 0,9 |
| Звездная точка +R+1,414 | 17,07 | 0,804 | 2,973 |
| Звездная точка -R-1,414 | 2,93 | 0,097 | 0,427 |
Перемешивающее устройство необходимо на этапе составления нормализованной смеси до термической обработки (пастеризации, УВТ-обработки). Поэтому для имитации процесса в нормализованное по жиру молоко вносили растительные наполнители и концентрат натурального казеина при оптимальной для растворения температуре 45-50 ºС. Далее тщательно перемешивали и охлаждали до 20 ºС. Вязкость молочно-растительных смесей измеряли вискозиметрическим методом на вискозиметре Гепплера (Вискозиметр с падающим шариком (Гепплера), тип С, Thermo FS). Плотность определяли ареометром по ГОСТ Р 54758-2011.
3. Основные результаты и их обсуждения
Поверхность отклика, описывающая зависимости изменений плотности молочно-растительных смесей для йогурта от массовой доли белка и дозировки растительной добавки топинамбур представлена на рисунке 1. Полученный результат описывается уравнением регрессии, имеющий следующий вид:
[LATEX_FORMULA]\rho = 1051,13 + 3,68\timesСл + 4,33\timesСк [/LATEX_FORMULA]
Изменение плотности молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка топинамбура: а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения
Поверхность отклика, описывающая зависимости изменений плотности молочно-растительных смесей для йогурта от массовой доли белка и дозировки растительной добавки порошок зизифуса представлена на рисунке 2. Полученный результат описывается уравнением регрессии, имеющий следующий вид:
[LATEX_FORMULA]\rho = 1046,056 + 3,35×Сл + 8,056×Сф [/LATEX_FORMULA]
Изменение плотности молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка зизифуса: а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения
Поверхность отклика, описывающая зависимости изменений вязкости молочно-растительных смесей для йогурта от массовой доли белка и дозировки растительной добавки порошок зизифуса представлена на рисунке 3. Полученный результат описывается уравнением регрессии, имеющий следующий вид:
[LATEX_FORMULA]\eta=−3,33−0,222×\text{Сл}+40,9×\text{Ск}+3,46×\text{Сл}×\text{Ск}[/LATEX_FORMULA]
Изменение вязкости молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка топинамбура: а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения
Поверхность отклика, описывающая зависимости изменений вязкости молочно-растительных смесей для йогурта от массовой доли белка и дозировки растительной добавки порошок зизифуса представлена на рисунке 4. Полученный результат описывается уравнением регрессии, имеющий следующий вид:
[LATEX_FORMULA]\eta=14,976−1,865×\text{Cл}−2,071×\text{Сф}+0,313×\text{Сл}×\text{Сф}+0,097×\text{Сл}_2[/LATEX_FORMULA]
Изменение вязкости молочно-растительной смеси от концентрации белка и порошка зизифуса: а – поверхность отклика; б – изолинии ее сечения
На основании полученных данных о влиянии растительных добавок и белка на физико-химические показатели молочно-растительной системы был проведён конструктивный расчет установки для перемешивания многокомпонентной растительной смеси
Общий вид разработанного перемешивающего устройства: 1 – мешалка; 2 – подъемный механизм; 3 – емкость; 4 – статор; 5 – ротор (мешалка)
[8][9][10]
За счет кинетической энергии и особенностей конструкций рабочих элементов в жидкости возникают турбулентные осевой и радиальные потоки. Благодаря радиальному потоку частицы проходят через щели в статоре, а за счет другого потока частицы перемещаются в осевом направлении. Совместное действие указанных факторов приводит к уменьшению размеров частиц, их быстрому растворению и равномерному распределению по всему объему жидкости. В результате получают стабильную суспензию.
Основные технические характеристики представлены в таблице 2.
Основные технические данные и характеристики
| Объем емкости, м3Missing Mark : sup | 0,2 |
| Рабочее давление | Налив |
| Мощность электродвигателя мешалки, кВт | 3,5 |
| Мощность электродвигателя подъемного устройства, кВт | 0,12 |
| Напряжение питающей сети, В | 3х380(50 Гц) |
4. Заключение
По полученным результатам установлены следующие закономерности. С повышением дозы внесения растительных добавок возрастает плотность многокомпонентных смесей. Самые высокие показатели плотности отмечены в смесях, содержащих белок и порошок зизифуса, что можно объяснить присутствием большего количества пектина и пектиновых веществ в растительной добавке, загущающих раствор. Зависимость изменения плотности для обеих растительных добавок имело линейный и пропорциональный характер. А вот вязкость для двух добавок изменялась по-разному. С порошком топинамбура вязкость молочно-растительных смесей определялось в значительной мере дозировкой данной добавки и имело линейный характер. В первую очередь, это связано способностью порошка топинамбура хорошо связывать и удерживать воду без термической обработки. В присутствии порошка зизифуса и с повышением массовой доли белка зависимость приобретала квадратичный характер и в данных молочно-растительных смесях вязкость в большей степени завесила от содержания белка, приобретая максимальные значения в диапазоне значений 10-15%. Однако с повышением массовой доли порошка зизифуса его влияние на вязкость усиливалось. Стоит отметить тот факт, что плотность молочных смесей с топинамбуром меньше, чем с зизифусом, а вот значения вязкости наоборот. Это связано с различными свойствами растительных наполнителей в растворах.
На основании полученных данных разработан новый тип мешалки, предназначенный для перемешивания и растворения в части молочной нормализованной смеси для производства йогуртов различных сухих рецептурных ингредиентов, растительных добавок, стабилизаторов, сухого белка. Полученные молочно-растительные смеси с хорошо диспергированными компонентами далее смешивают с основной массой нормализованной смеси для последующих технологических операций (пастеризация, внесние закваски, сквашивание и т.д.). Установка включает в себя мешалку, винтовое подъемное устройство и емкость. Основным рабочим элементом мешалки является система «статор-ротор». За счет кинетической энергии и специфических дизайнов рабочих элементов создаются турбулентные потоки в жидкости. Благодаря радиальному потоку, частицы проходят через отверстия в статоре, в то время как другие перемещаются в продольном направлении. Эти процессы вместе способствуют уменьшению размеров частиц, их быстрому растворению и равномерному распределению по всему объему жидкости, в результате формируется стабильная суспензия. Конструкция мешалки позволяет получать хорошо диспергированные смеси для различных рецептур йогуртов с растительными порошками и высоким содержания белка, так как в расчетах приняты максимально возможные показатели плотности и вязкости смесей для подобного рода продуктов, имеющих определенные конечные показатели качества и функциональной ценности.