Методы очистки пищевых масс (фильтрация, отстаивание, осаждение под действием центробежных сил, с помощью мембран). Физико-химические основы этих процессов.

Известны физические и физико-химические методы очистки.

Физические методы.

К физической очистке относится очистка свекловичного сока от пульпы – мелких кусочков свекловичной стружки. Обычно эта очистка производится путём фильтрации в специальных фильтрах ловушках. К этим методам относится так называемое рафинирование крахмала, заключающееся в выделении из крахмального молока механических примесей – мезги. Рафинирование производится на плоских сотрясательных ситах, представляющих собой каркас с натянутой на нём мелкой ситовой тканью. Сито имеет обычно уклон около 25 мм на 1 м и совершает 400- 600 продольных колебаний в минуту с амплитудой 7-10 мм.

При производстве растительных масел после шнековых прессов в масле содержится большое количество твёрдых суспензированных частиц, которые отделяются на вибрационных ситах. Сито состоит из металлической коробки, разделённой по длине на две камеры. В коробке установлено плетеное сито с размером отверстий 0,25 0,25 мм. Сито с изменяющимся углом наклона приводится в колебательное движение от индивидуального привода с частотой вращения вала около 2700 об/мин.

Масло поступает на вибрационное сито с температурой 60-70^о С и, проходя через отверстия сит, направляется в сборники, а мезга удаляется на повторную переработку. Осадок обычно представляет собой смесь фосфатидов, слизей и белковых веществ.

К физическим способам очистки пищевых суспензий относятся также отстаивание, фильтрация и разделение при помощи центробежных сил.

Отстаивание. Осаждение под действием собственного веса твёрдых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой среде, называют отстаиванием. Сущность отстаивания заключается в том, что неоднородная система, находящаяся в аппарате в состоянии покоя или движущейся с малой скоростью, разделяется в нём на составные части под действием веса. Осаждение частиц происходит по законам падения тел в среде, которая оказывает сопротивление их движению.

Скорость осаждения взвешенных частиц зависит от их плотности, степени дисперсности и физических свойств жидкости, в которой они осаждаются. В начальный момент частицы падают ускоренно, но через некоторый промежуток времени, когда сопротивление жидкой фазы уравновесит действие веса, они приобретают постоянную скорость осаждения _ос.

Согласно закону Стокса постоянная скорость осаждения (в м/с) может быть определена для ламинарной области по уравнению.

=d²g( - )/18 , (1)

где d – приведенный диаметр частицы, м; g – ускорение свободного падения, м/с²; - плотность твёрдой частицы, кг/м³; - плотность среды, кг/м³; - динамическая вязкость среды, Па ^. с.

Максимальный размер частиц, осаждение которых подчиняется закону Стокса, находят, подставив уравнение (1) вместо скорости осаждения её выражение через критерий Рейнольдса

= Re/d .

Приняв Re=2, т.е. предельное значение Re для ламинарной области, получим

d_max= g( _т- ) 1,56 . (2)

Формулы (1) и (2) справедливы для условий, когда частицы имеют шарообразную форму и область ламинарного осаждения соответствует Re<2. Для переходной области, где 2<Re<500 и Re>150000 применяются другие соотношения.

Обычно осаждение взвешенных частиц, находящихся в суспензии, осуществляется в отстойниках периодического и непрерывного действия. В большинстве случаев применяются многоярусные отстойники непрерывного действия с отводом осветлённой жидкой фазы и уплотнённого осадка из каждой секции.

При расчете отстойников определяются их производительность по осветлённой жидкости и необходимая площадь поверхности осаждения.

Производительность отстойника (в м³/с)

V_осв=Fh/ , (3)

где F – площадь поверхности осаждения, м ²; h – слой осветлённой жидкости, м; - время разделения суспензии на осветлённый слой жидкости и слой осадка, с.

Так как =h/ , то

V_осв=F . (4)

Из уравнения (4) видно, что производительность отстойника не зависит от его высоты, она зависит только от скорости и площади поверхности осаждения. Поэтому при необходимости высокой производительности отстойников, требующих больших площадей поверхности осаждения, их делают многоярусными.

Фильтрование. Фильтрованием называют процесс разделения суспензий с использованием пористых перегородок, которые задерживают твёрдую фазу суспензии и пропускают её жидкую фазу. Этот процесс разделения суспензий называют фильтрованием с образованием осадка. В некоторых случаях твёрдые частицы проникают в поры фильтровальных перегородок и задерживаются в них, не образуя осадка. Такое фильтрование называется фильтрованием с закупориванием пор. Обычно в пищевой промышленности применяют фильтрование через слой осадка.

Движущей силой процесса фильтрации является перепад давлений над перегородкой (или слоем осадка и перегородкой) и под перегородкой. Перепад давлений создаётся при помощи вакуума, давления сжатого воздуха, подачи суспензии поршневым или центробежным насосом или гидростатического давления.

При разделении суспензий с небольшой концентрацией тонкодисперсной твёрдой фазы часто применяют вспомогательные фильтровальные вещества – диатомит, перлит, целлюлозу, асбест, активированный уголь и пр. Вспомогательные материалы представляют собой тонкодисперсные или тонковолокнистые вещества, наносятся тонким слоем на фильтровальную перегородку и, образуя своды над порами перегородки, препятствуют их забиванию. Если вспомогательные вещества образуют слой осадка на фильтрующей перегородке, то вначале фильтруют суспензию этого вещества, жидкой фазой которой являются вода или фильтрат суспензии. Вспомогательные вещества добавляют в количестве около 1% к массе фильтруемой суспензии.

В процессе фильтрования при постоянной разности давлений скорость фильтрации уменьшается, так как сопротивление слоя осадка возрастает с увеличением его толщины. Если перепад давлений при фильтровании увеличивается с возрастанием толщины осадка, то такой процесс называют фильтрованием с постоянной скоростью.

Получаемые при фильтровании осадки делят на сжимаемые, частицы которых с повышением давления деформируются, а размер пор капилляров уменьшается, и несжимаемые, размер и форма частиц которых не меняются с увеличением давления при фильтровании.

Так как в процессе фильтрования в большинстве случаев p=const, а сопротивление слоя осадка с течением времени изменяется, то скорость фильтрации

=dV/Fd , (5)

Где V – количество фильтрата, м³; F- площадь поверхности фильтрации, м²; - продолжительность фильтрования, с.

Скорость фильтрации прямо пропорциональна перепаду давлений и обратно пропорциональна общему сопротивлению слоя осадка R_ос и фильтрующей перегородки R_ф, следовательно,

dV/Fd = p/ (R_ос+ R_ф). (6)

где V – объём фильтрата, м³; p – разность давлений, Па; R_ос – сопротивление слоя осадка, Па; R_ф – сопротивление фильтрующей перегрузки, Па.

Если в уравнение (6) ввести удельную производительность фильтра d =dV/F (в м³/м²), сопротивление осадка с учётом вязкости жидкой фазы суспензии (в Па ^. с) представить как произведение удельного сопротивления r (в 1/м²) на толщину слоя осадка, находящегося в 1 м³ фильтруемой суспензии, то уравнение (6) представится в следующем виде:

d =(r x / p + R_ф/ p) d , (7)

где x – толщина осадка, м.

Интегрируя это выражение в пределах от 0 до и от 0 до , найдём продолжительность фильтрации (в с)

=r x ²/2 p+ R_ф / p=b ²+ R_ф / p, (8)

где b=r x/2 p.

Удельный объём фильтрата (в м³/м²), прошедший через единицу площади поверхности фильтрующей перегородки за время , определяется из уравнения (8)

= - R_ф/r x+ . (9)

В промышленности для разделения суспензий применяются фильтры циклического действия: рамные фильтр-прессы, патронные фильтры, листовые фильтры – и фильтры непрерывного действия: барабанные вакуум фильтры и дисковые.

Осаждение под действием центробежной силы. Недостатком осаждения в отстойниках является их большие объёмы и значительное время осаждения. Отстойники малоэффективны при осаждении мелких частиц, имеющих размеры d_э<5 мкм, или когда их плотность близка к плотности среды. Значительно увеличивается эффективность процесса разделения суспензий с применением центробежных сил.

Поле действия центробежных сил создаётся вращательным движением потока разделяемой жидкости при тангенциальном её подводе в гидроциклоны или при направлении разделяемого потока во вращающийся корпус осадительных центрифуг.

Для определения эффективности осаждения в центробежных аппаратах необходимо сравнить величину центробежной силы с силой тяжести, действующей на частицу.

При вращательном движении суспензии в центробежных устройствах на частицу действует центробежная сила (в Н)

G_ц=m ²R, (10)

где m – масса частицы, кг; - угловая скорость вращения частицы, с^-1; R- радиус вращения частицы, м.

Сила тяжести без учёта подъёмных сил составит

G_т=mg. (11)

Сравнивая уравнения (10) и (11), получим

G_ц= G_т ²R/g, (12)

т. е. центробежная сила больше сил тяжести в ² R/g раз.

Величину Ф= ² R/g называют фактором разделения. Чем больше фактор разделения, тем выше разделительная способность центробежных устройств.

При ламинарном режиме осаждения скорость осаждения (в м/с) определяется по уравнению Стокса с учётом фактора разделения

= , (13)

где d- размер частиц, м; g- ускорение свободного падения, м/с²; - плотность твёрдых частиц, кг/м³; - плотность среды, кг/м³; - вязкость среды, Па ^. с; - угловая скорость вращения, с^-1; R- радиус вращения, м.

Только в частном случае частица при центробежном разделении суспензии может находиться в ламинарном режиме. Обычно при центробежном разделении фактор разделения и скорость осаждения изменяются, так как они зависят от переменного радиуса R, изменяющегося с увеличением толщины осадка, а поэтому осаждения происходят по режимам: ламинарному, промежуточному и турбулентному.

Разделение растворов с помощью мембран. Весьма перспективным способом разделения пищевых растворов является процесс разделения под давлением через полупроницаемую перегородку (мембрану) – обратный осмос, или ультрафильтрация.

Ультрафильтрация предназначена для разделения низкоосмотических растворов и позволяет задерживать сравнительно крупные молекулы с молекулярной массой выше 500. Ультрафильтрация осуществляется при сравнительно низком давлении 0,05-1,0 МПа. Обратный осмос применяется для разделения растворов низкомолекулярных веществ, обладающих высоким осмотическим давлением, при этом рабочее давление составляет 5,0 - 10,0 МПа.

Разделение растворов мембранным методом происходит без фазовых превращений и при температуре окружающей среды.

Мембраны должны обладать высокой селективностью к извлекаемому веществу, высокой проницаемостью, достаточной механической прочностью, устойчивостью к воздействию агрессивных сред, постоянством параметров в процессе длительной эксплуатации.

Анизотропные мембраны представляют собой пластины толщиной 0,01-0,4 мкм. Наибольшее распространение получили ацетатцеллюлозные мембраны. Кроме этих мембран изготовляются мембраны на основе триацетатцеллюлозы, этилцеллюлозы, полиамидов, целлофана и др.

Мембраны получают путём облучения тонких полимерных плёнок потоком заряженных частиц – протонов или -частиц – с последующим химическим травлением. Ведутся исследования по изготовлению мембран с жёсткой структурой на основе металлов, пористого стекла, металлокерамики и т. п.

Особый интерес этот способ представляет для опреснения морской воды, разделения сахарных растворов, фруктовых соков, очистки продуктов микробиологических производств, сточных вод и т. д.

 

Хлебные злаки: краткая характеристика пшеницы, ржи, тритикале. Сколько и какие виды этих культур выращиваются в районе или области, где вы проживаете? Какова урожайность различных культур? В каких областях народного хозяйства используются?

 

Основные хлебные культуры - пшеницу, рожь, овес, кукурузу, рис, просо, сорго относят к семейству злаковых, классу однодольных растений. Различают две формы злаковых - яровые и озимые. Яровые растения высевают весной, за летние месяцы они проходят полный цикл развития и осенью дают урожай. Озимые растения сеют осенью, до наступления зимы они прорастают, а весной продолжают свой жизненный цикл и созревают несколько раньше, чем яровые. Озимую и яровую формы имеют пшеница, рожь, ячмень и тритикале. Все остальные злаки бывают только яровыми. Озимые сорта, как правило, дают более высокий урожай, однако их можно выращивать в районах с высоким снежным покровом и достаточно мягкими зимами. Пшеница – одна из важнейших зерновых культур. Это главная продовольственная культура для большинства населения земного шара. Ценность пшеницы заключается в том, что её белки способны образовывать клейковину, имеющую большое значение при производстве хлеба, макаронных изделий, манной крупы и других изделий. Пшеничная мука даёт хлеб лучшего качества, более вкусный и полнее усваиваемый, чем мука из зерна других культур (ржи, ячменя, овса, кукурузы). Пшеничное зерно и продукты его переработки имеют диетическое значение (хлебные изделия, приготовленные из целого зерна, с добавлением отрубей, клейковины и др.).Пшеница – культура однолетняя. В Беларуси возделывается пшеница озимая и яровая. Озимую пшеницу, как менее зимостойкую, по сравнению с яровой, высевают в более южных районах. На долю яровой пшеницы приходится 70-75% всей посевной площади под пшеницей, на долю озимой – 25-30%.Пшеница представлена большим разнообразием видов. В нашей стране наиболее распространены два вида – мягкая (около 90% всех посевов) и твёрдая пшеница. Твёрдая пшеница более требовательна к плодородию почвы, по урожайности она обычно уступает мягкой. Важно уметь различать зерно мягкой и твёрдой пшеницы по внешнему виду. Характеристика мягкой и твёрдой пшеницы по внешнему виду

Признаки	Зерно пшеницы
мягкой	твёрдой
Окраска	Красная разных оттенков и белая	Янтарная (за рубежом встречается краснозерная)
Форма зерна	Преимущественно овально-круглая	Удлинённая, в поперечном разрезе зерно угловатое
Стекловидность	В большинстве случаев зерно частично стекловидное, но имеются полностью стекловидные и мучнистые зёрна	Преобладают стекловидные зёрна (95-100%)
Форма зародыша	Округлая, более или менее вогнутая	Продолговатая, выпуклая
Бородка (хохолок)	Сильно развита, легко различима	Слабо развита, не вооружённым глазом не видна, различима лишь при увеличении в 5-6 раз
Отношение длины к ширине	2:1	3/2:1

Ранние заморозки приостанавливают процессы синтеза в зерне при созревании. Хлебопекарное качество муки из такого зерна ухудшается. Хлеб получается с липким заминающимся мякишем, небольшого объёма, с плохо развитой пористостью, с солодовым или травянистым привкусом. Степень повреждения связана со стадией созревания зерна: на ранних стадиях созревания повреждение более глубокое, чем на более поздних. Зерно полной технической спелости заморозков не боится.

Прорастание зерна – начальный этап жизненного цикла растения. Для прорастания семени требуются повышенная влажность, тепло и воздух (кислород). Эти условия создаются при нарушении правил хранения. Главная особенность прорастания – распад в эндосперме и семядолях высокомолекулярных веществ до низкомолекулярных растворимых веществ при участии воды и под действием ферментов. Мука из проросшего зерна или из партии пшеницы, содержащей проросшие зёрна, даёт неудовлетворительный по качеству хлеб с липким, пониженной эластичности сладковатым мякишем, с характерной красновато-буроватой коркой. Подовый хлеб имеет повышенную расплываемость.

По стандарту пшеницу классифицируют по типам и подтипам. Типы пшеницы различают по видам, времени высева (яровая, озимая), цвету зерна и его стекловидности I – мягкая яровая краснозёрная; II – яровая твёрдая; III – мягкая яровая белозёрная; IV – мягкая озимая краснозёрная; V – мягкая озимая белозёрная; V – мягкая озимая белозёрная; VI – твёрдая озимая. Типы (кроме V и VI) разделяют на подтипы по оттенку типовой окраски зерна и его стекловидности. Например, I и IV типы имеют по четыре совпадающих по признакам подтипа: 1 – тёмно-красная с общей стекловидностью не менее 75%; 2 – красная, стекловидность не менее 60%; 3 – светло-красная, или жёлто-красная, стекловидность не менее 40%; 4 – преобладают жёлтые и желтобокие зёрна, придающие всей партии жёлтый оттенок, стекловидность менее 40%. Второй тип разделяют на два подтипа, третий тоже на два подтипа, пятый и шестой деления на подтипы не имеют.

Пшеницу, кроме типов, подразделяют на пять классов. Классы различают по типовому составу, состоянию (не греющаяся, в здоровом состоянии), запаху, цвету, стекловидности, натуре, количеству проросших зёрен. Важнейшими признаками классов служит содержание и качество клейковины, а для мягкой пшеницы, кроме того, число падения. Содержание клейковины колеблется по классам: по яровой пшенице: 1 класс – не менее 36%, 5 – не ограничивается; по озимой – 1 класс – не менее 28%, 5 – не ограничивается. Мягкая и твёрдая пшеница всех классов, кроме пятого, предназначена для использования в непродовольственных целях.

По стандарту (ГОСТ 9353) качество зерна пшеницы оценивают по следующим показателям: запах, цвет и обесцвеченность, влажность, содержание сорной и зерновой примесей, заражённость, типовой состав, число падения, натура, сте6кловидность, массовая доля и качество клейковины, содержание токсичных элементов.

Под урожай 2006 г. озимой пшеницей в республике было засеяно 240,2 тыс. га. Весной яровыми пересевалась третья часть посевов – 31,7% (76 тыс. га). Основные причины неоптимальный сортовой состав и использование нерайонированных сортов.

 

Рожь – вторая культура, мука из которой идёт на приготовление хлеба. Она относится к важнейшим хлебным культурам, особенно в районах с ограниченным возделыванием пшеницы. Ржаной хлеб отличается специфическим ароматом и вкусом. По вкусовым качествам, перевариваемости и усвояемости ржаной хлеб уступает только пшеничному. Ржаной хлеб по составу и свойствам гармонично дополняет хлебные изделия из пшеничной муки. Место ржаного хлеба в рационе большинства населения нашей страны закреплено вековыми традициями. Проросшее зерно ржи (красный ржаной солод) используют в качестве вкусовой добавки при производстве некоторых сортов ржаного хлеба из смеси пшеничной и ржаной муки.

Рожь почти исключительно озимая, яровую высевают в незначительных количествах. Эта культура менее требовательна к условиям произрастания, по сравнению с пшеницей, она вызревает в северных районах, где пшеница не растёт. Среднее содержание белка (12%) несколько меньше и с более узкими границами колебаний (10-17%), чем в зерне пшеницы. Вместе с тем наиболее дефицитных для злаковых культур незаменимых аминокислот лизина и треонина в ржаной муке примерно в 1,5 раза больше, чем в пшеничной. Белковые вещества обладают повышенной растворимостью в воде (около 30%). В условиях обычного тестоведения белки ржи не образуют клейковину.

Если при оценке хлебопекарного достоинства пшеничной муки решающую роль отводят белково-протеиназному комплексу, то для ржаной муки наибольшее значение приобретает углеводно-амилазный комплекс. В образовании вязких свойств ржаного теста большую роль играют набухание крахмала и гидратация слизей. Слизи представляют собой полисахариды, в большинстве случаев растворимые в воде. В зерне ржи их сравнительно много (от 2,5 до 7,4%). Слизи зерна ржи очень легко набухают в воде и образуют вязкие растворы.

Высокая активность амилолитических ферментов, расщепляющих крахмал, более низкая температура клейстеризации ржаного крахмала по сравнению с пшеничным, дополняют приведённые особенности поведения крахмала и слизей в процессах тестоведения, что в совокупности с названными выше составляет специфичность хлебопекарного достоинства ржаной муки.

Амилолитический комплекс состоит из двух ферментов: -амилазы, или сахарогенамилазы, и -амилазы, или декстриногенамилазы. Они существенно различаются между собой по характеру действия на крахмал.

По стандарту качество зерна ржи оценивают по техническим требованиям, в которые входят: влажность, натура, сорная примесь (в том числе испорченные зёрна), галька, вредная примесь (спорынья, семена вязеля разноцветного, гелиотропа опушенноплодного и др.), зёрна с розовой окраской, фузариозные зёрна, зерновая примесь, заражённость вредителями. Измеряют число падения и по его величине зерно ржи подразделяют на 4 класса: первый класс – более 200 с; второй – 200-141 с; третий – 140-80 с; четвёртый – менее 80 с. Рожь первых трёх классов предназначена для переработки в муку, четвёртого класса – для кормовых целей и для переработки в комбикорма. В районах, где не определяют число падения в зерновой примеси, указывают примесь проросших зёрен.

 

Тритикале – новая зерновая культура, представляющая собой новый ботанический род. Она получена в результате скрещивания двух разных ботанических родов – пшеницы и ржи. Тритикале привлекает к себе особое внимание в связи с тем, что по многим показателям (урожайности, содержанию белка и незаменимых аминокислот, пищевой и кормовой ценности и др.) она превосходит родителей, а по устойчивости к неблагоприятным почвенно-климатическим условиям и к наиболее опасным болезням превосходит пшеницу и не уступает ржи. По внешнему виду зерновка тритикале совмещает в себе признаки родителей. Она обычно более длинная, чем зерновка пшеницы (10-12 мм), и более широкая, чем зерновка ржи (до 3 мм). Эндосперм имеет структуру, типичную для злаковых культур. Нередко в результате повышенной активности -амилазы, разрушающей крахмальные зёрна, созревшие зёрна получаются плохо выполненными, сморщенными. По натуре зерно тритикале уступает пшенице (пшеница 785-808 г/л, тритикале 730-754 г/л), но обычно превосходит рожь (550-712 г/л). Содержание белка в зерне тритикале на 1-1,5% выше, чем у пшеницы, и на 3-4% выше, чем у ржи. Содержание клейковины такое же, как у пшеничного зерна, или на 2-4% выше, но качество её из-за наследственности ржи ниже6 она слабая. В зерне тритикале повышенное содержание слизей. Хлебопекарное достоинство тритикалевой муки хуже, чем пшеничной: хлеб имеет меньший объём, уплотнённый, заминающийся мякиш, корка иногда покрыта трещинами.

Тесто из тритикалевой муки по свойствам ближе к ржаному. Наилучший по качеству хлеб получается из смеси муки пшеничной (70-80%) и тритикалевой (20-30%). Зерно тритикале целесообразно перерабатывать в муку обойную 95%-ную и обдирную 87%-ную по традиционным схемам помола ржи. Хлеб из такой муки, выпеченной по схеме ржаного хлеба, приближается по качеству к аналогичным изделиям из ржи. За рубежом зерно тритикале широко используют для кормовых целей (зерно, сенаж, летний силос). Подчёркивается ценность зерна кормового назначения: оно содержит такое же или большее количество белка, чем зерно пшеницы, повышено содержание незаменимых аминокислот лизина и триптофана, не обладает токсичностью ржи (отсутствуют 5-алкилрезорцинолы). Известны сорта тритикале Амфидиплоид 206, АД 201,АД 209, АД 1 (кормовой). Корм на основе зерна тритикале обладает высокой усвояемостью.

В Беларуси планируется к 2010 г. посевные площади тритикале довести до 420 тыс. га.

По стандарту качество зерна тритикале оценивают по тем же показателям, что и зерно пшеницы.

 

Зерновые и зернобобовые культуры занимают 43,1% (2004) посевной площади. Среди зерновых культур преобладают озимая рожь и яровой ячмень (15,1%). При общем сокращении посевных площадей значительно выросли посевы озимой и яровой пшеницы, тритикале (29,3%). Сокращаются площади под озимой рожью. Наиболее урожайными в условиях Беларуси являются тритикале (30-40 ц/га), пшеница (25-27 ц/га). В 2004г валовой сбор зерна составил 7,02 млн. т, что в 1,1 раза больше, чем в наиболее урожайном за последние 20 лет 1990.

В 2006 г. в Борисовском районе намолочено 61120 тонн зерна, тем самым к намолоту 2005 г. обеспечена прибавка 4929 тонн. Урожайность составила 22,3 ц/га. В счёт поставок зерна для государственных нужд сдано 6975 тонн при плане 6800 тонн: госзаказ выполнен на 102,6%.

Особенно хорошую урожайность – свыше 50 центнеров с гектара – дали озимые культуры.

 

Список литературы:

1. Общая технология пищевых производств; под. ред. Н.И. Назарова, 1981

2. Технология хлебопекарного производства; Цыганова Т.Б., 2002

3. Основы технологии пищевых производств; Л. В. Бабиченко, 1983

4. Технология производства продукции общественного питания; Баранов, Мглинец, Алешина и др.,1986

5. Журналы «Белорусское сельское хозяйство)

6. Газеты «Адзинства».

 

18 мая 2007 г.