Способ определения зависимости пищевой ценности биопродукта от параметров физико-механического воздействия на него и устройство для этого
Владельцы патента RU 2408883:
Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение может использоваться в различных отраслях промышленности для выбора технологических параметров процесса, обеспечивающих лучшие пищевые качества готового продукта, путем определения изменения пищевых свойств биопродуктов в результате комплексного физико-механического воздействия, например, в пищевой промышленности при производстве комбикормов. Образец биопродукта заданной влажности помещают в рабочую камеру в виде термостатируемого цилиндра. Воздействие на образец осуществляют температурой через стенки цилиндра и двумя плунжерами. Верхний плунжер перемещают в осевом, а нижний в окружном направлениях. Измеряют усилие на верхнем плунжере и его перемещение, момент на нижнем плунжере и его угловую скорость вращения, температуру цилиндра и регистрируют текущее время. По истечении заданного интервала времени воздействие останавливают. По измеренным параметрам вычисляют давление, эффективную скорость сдвига. На полученном образце определяют пищевую ценность, в качестве которой устанавливают количество свободных глюкозы и аминоазота. Задание параметров воздействия и определение пищевой ценности повторяют при других значениях давления в диапазоне 0÷10 МПа, температуры 25÷200°С, влажности 6-35%, скорость сдвига 10-1÷10+4 сек-1, времени воздействия 0,01÷1 час.
В устройстве для реализации способа силовые элементы выполнены в виде двух плунжеров, расположенных в цилиндре с двух противоположных сторон от рабочей камеры. Нижний плунжер снабжен управляемым электроприводом его вращения вокруг продольной оси, а верхний - управляемым электроприводом его перемещения вдоль продольной оси с возможностью создания регулируемого давления в рабочей камере в диапазоне 0÷10 МПа. Верхний и нижний плунжеры снабжены сменными дисками, жестко связанными с ними и установленными со стороны рабочей камеры. Цилиндр снабжен электронагревателем, установленным в полости цилиндра вокруг рабочей камеры с возможностью регулирования температуры 25÷200°С. Устройство содержит датчики усилия и перемещения верхнего плунжера, датчики момента силы и угловой скорости вращения нижнего плунжера, датчик температуры цилиндра. Устройство содержит компьютер и преобразователь аналоговых сигналов в цифровую форму и цифровых сигналов в аналоговую. Компьютер соединен через преобразователь сигналов с электронагревателем, с управляемыми приводами верхнего и нижнего плунжера и с датчиками. Изобретение позволяет установить связь между комплексным физико-механическим воздействием на биопродукт и его пищевой ценностью, обеспечивает более широкий спектр параметров воздействий, повышает точность способа и расширяет функциональные возможности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.
Изобретение относится к технике испытания материалов, в частности к способам и устройствам исследования биопродуктов, и может использоваться в различных отраслях промышленности для выбора технологических параметров процесса, обеспечивающих наилучшие пищевые качества готового продукта путем определения изменения пищевых свойств биопродуктов в результате комплексного физико-механического воздействия, например, в пищевой промышленности, при производстве комбикормов, при экструдировании продуктов. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу определения зависимости пищевой ценности биопродукта от параметров физико-механического воздействия на него является способ, заключающийся в том, что образец биопродукта заданной влажности помещают в рабочую камеру и оказывают на него физико-механическое воздействие (см. патент RU № 2323430 опуб. 27.04.2008).
Недостатками его являются отсутствие возможности установления связи между комплексным физико-механическим воздействием на биопродукт и его пищевой ценностью, невысокая точность определения и узкий диапазон исследуемых параметров, узкая сфера применения.
Технической задачей предлагаемого способа является обеспечение возможности установления связи между комплексным физико-механическим воздействием на биопродукт и его пищевой ценностью, более широкого спектра параметров воздействий, повышение точности способа и расширение функциональных возможностей.
Для этого образец биопродукта заданной влажности помещают в рабочую камеру в виде термостатируемого цилиндра, а физико-механическое воздействие на образец биопродукта осуществляют температурой через стенки цилиндра и двумя плунжерами, один из которых, а именно верхний, перемещают в осевом, а другой - нижний перемещают в окружном направлениях, при этом измеряют усилие на верхнем плунжере и его перемещение, момент на нижнем плунжере и его угловую скорость вращения, температуру цилиндра и регистрируют текущее время, по истечении заданного интервала времени воздействие останавливают, по измеренным параметрам вычисляют давление, эффективную скорость сдвига, а на полученном образце биопродукта определяют пищевую ценность, в качестве которой устанавливают количество свободных глюкозы и аминоазота, задание параметров воздействия и определение пищевой ценности повторяют при других значениях давления в диапазоне 0÷10 МПа, температуры 25÷200°С, влажности 6-35%, скорости сдвига 10-1÷10+4 сек-1, времени воздействия 0,01÷1 час, получают табулированную или аппроксимирующую зависимость показателей пищевой ценности биопродукта от исходной влажности, давления, температуры, скорости сдвига, времени воздействия их на биопродукт.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что рабочую камеру распологают в термостатируемом цилиндре, а физико-механическое воздействие на образец биопродукта осуществляют температурой через стенки цилиндра и двумя плунжерами, один из которых, а именно верхний, перемещают в осевом, а другой - нижний перемешают в окружном направлениях, при этом измеряют усилие на верхнем плунжере и его перемещение, момент на нижнем плунжере и его угловую скорость вращения, температуру цилиндра и регистрируют текущее время, по истечении заданного интервала времени воздействие останавливают, по измеренным параметрам вычисляют давление, эффективную скорость сдвига, а на полученном образце биопродукта определяют пищевую ценность, в качестве которой устанавливают количество свободных глюкозы и аминоазота, задание параметров воздействия и определение пищевой ценности повторяют при других значениях давления в диапазоне 0÷10 МПа, температуры 25÷200°С, влажности 6÷35%, скорости сдвига 10-1÷10+4 сек-1, времени воздействия 0,01÷1 час, получают табулированную или аппроксимирующую зависимость показателей пищевой ценности биопродукта от исходной влажности, давления, температуры, скорости сдвига, времени воздействия их на биопродукт.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому решению устройства для определения зависимости пищевой ценности биопродукта от параметров физико-механического воздействия на него является устройство, содержащее основание, рабочую камеру, образованную цилиндром и силовыми элементами (см. патент RU № 2244287 опубл. 27.04.2008).
Недостатками его являются отсутствие возможности установления связи между комплексным физико-механическим воздействием на биопродукт и его пищевой ценностью, невысокая точность определения и узкий диапазон исследуемых параметров, узкая сфера применения.
Технической задачей предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей и повышение точности определения, упрощение конструкции.
Для этого устройство содержит основание, рабочую камеру, образованную цилиндром и силовыми элементами, причем силовые элементы выполнены в виде двух плунжеров, расположенных в цилиндре с двух противоположных сторон от рабочей камеры, при этом один из плунжеров, а именно нижний, снабжен управляемым электроприводом его вращения вокруг продольной оси, а другой плунжер - верхний снабжен также управляемым электроприводом его перемещения вдоль продольной оси с возможностью создания регулируемого давления в рабочей камере в диапазоне 0÷10 МПа, причем верхний и нижний плунжеры снабжены сменными дисками, жестко связанными с ними и установленными со стороны рабочей камеры, а цилиндр снабжен электронагревателем, установленным в полости цилиндра вокруг рабочей камеры с возможностью регулирования температуры 25÷200°С, устройство также содержит датчики усилия и перемещения верхнего плунжера, датчики момента силы и угловой скорости вращения нижнего плунжера, датчик температуры цилиндра, кроме того, устройство содержит компьютер и преобразователь аналоговых сигналов в цифровую форму и цифровых сигналов в аналоговую, причем компьютер соединен через преобразователь сигналов с электронагревателем, с управляемыми приводами верхнего и нижнего плунжера и с датчиками.
Отличительной особенностью устройства является то, что силовые элементы выполнены в виде двух плунжеров, расположенных в цилиндре с двух противоположных сторон от рабочей камеры, причем один из плунжеров, а именно нижний, снабжен управляемым электроприводом его вращения вокруг продольной оси, а другой плунжер - верхний снабжен также управляемым электроприводом его перемещения вдоль продольной оси с возможностью создания регулируемого давления в рабочей камере в диапазоне 0÷10 МПа, причем верхний и нижний плунжеры снабжены сменными дисками, жестко связанными с ними и установленными со стороны рабочей камеры, а цилиндр снабжен электронагревателем, установленным в полости цилиндра вокруг рабочей камеры с возможностью регулирования температуры 25÷200°С, устройство также содержит датчики усилия и перемещения верхнего плунжера, датчики момента силы и угловой скорости вращения нижнего плунжера, датчик температуры цилиндра, кроме того, устройство содержит компьютер и преобразователь аналоговых сигналов в цифровую форму и цифровых сигналов в аналоговую, причем компьютер соединен через преобразователь сигналов с электронагревателем, с управляемыми приводами верхнего и нижнего плунжера и с датчиками.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, на которых на фиг.1 изображен внешний вид устройства в разрезе, на фиг.2 - сменный диск с радиальным рифлением, на фиг.3 - разрез по А-А фиг.2, на фиг.4 - вид по стрелке Б на фиг.2, на фиг.5 изображен сменный диск с радиальными ребрами, на фиг.6 - разрез по Б-Б фиг.5, на фиг.7 и фиг.8 изображены зависимости содержания глюкозы и аминоазота от эффективной скорости сдвига, соответственно, на фиг.9 и фиг.10 - зависимости содержания глюкозы и аминоазота от температуры, соответственно.
Устройство содержит основание 1, рабочую камеру 2, образованную цилиндром 3 и силовыми элементами. Силовые элементы выполнены в виде двух плунжеров 4, 5, расположенных в цилиндре с двух противоположных сторон от рабочей камеры 2. Один из плунжеров 4, а именно нижний, снабжен управляемым электроприводом, например, в виде электродвигателя 6 с редуктором 7 его вращения вокруг продольной оси. Другой плунжер 5 - верхний снабжен также управляемым электроприводом 8 его перемещения вдоль продольной оси с возможностью создания регулируемого давления в рабочей камере 2 в диапазоне 0÷10 МПа. Нижний 4 и верхний 5 плунжеры снабжены сменными дисками 9, 10 соответственно, жестко связанными с ними и установленными со стороны рабочей камеры 2. Цилиндр 3 снабжен электронагревателем 11, установленным в полости цилиндра 3 вокруг рабочей камеры 2 с возможностью регулирования температуры 25÷200°С. Устройство также содержит датчики усилия 12 и перемещения 13 верхнего плунжера 5, датчики момента силы 14 и угловой скорости 15 вращения нижнего плунжера 4, датчик 16 температуры цилиндра. Устройство содержит компьютер 17 и преобразователь 18 аналоговых сигналов в цифровую форму (АЦП) и цифровых сигналов в аналоговую (ЦАП). Компьютер 17 соединен через преобразователь сигналов 18 с электронагревателем 11, с управляемыми приводами 8, 6 верхнего 5 и нижнего 4 плунжера и с датчиками 12, 13, 14, 15, 16.
Сменные диски 9, 10 со стороны рабочей камеры могут быть выполнены с радиальными рифлениями (см. фиг.2. 3, 4). Нижний сменный диск 9 со стороны рабочей камеры может быть выполнен с радиальными ребрами (см. фиг.5, 6). Рифления используются для устранения проскальзывания на границе образец биопродукта - сменный диск. Радиальные ребра создают более полную имитацию течения биопродукта, подобное течению его в каверне экструдера между ребордами, что расширяет возможности устройства. Между сменными дисками 9, 10 и плунжерами 4, 5 установлены уплотнительные элементы 19. Устройство позволяет получить комплексное физико-механическое воздействие на биопродукт.
Работа устройства по предлагаемому способу заключается в следующем. Образец биопродукта заданной влажности помещают в рабочую камеру 2 в термостатируемом цилиндре 3. Физико-механическое воздействие на образец биопродукта осуществляют температурой с помощью электронагревателя 11 через стенки цилиндра 3 и двумя плунжерами 4, 5, один из которых, а именно верхний 5, перемещают в осевом, а другой - нижний 4 в окружном направлениях. При этом измеряют усилие на верхнем плунжере 5 с помощью датчика 12 и его перемещение с помощью датчика 13, момент на нижнем плунжере 5 с помощью датчика 14 и его угловую скорость вращения с помощью датчика 15, температуру цилиндра с помощью датчика 16 и регистрируют текущее время, по истечении заданного интервала времени воздействие останавливают, по измеренным параметрам вычисляют давление в рабочей камере по формуле
где: F - усилие, измеряемое датчиком 12;
r - внутренний радиус рабочей камеры;
вычисляют эффективную скорость сдвига (см. Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая смазка при обработке металлов давлением. М.: Металлургия 1986 стр.18, 19) по формуле
где: ω - скорость вращения нижнего плунжера;
h - расстояние между сменными дисками верхнего и нижнего плунжеров внутри рабочей камеры.
На полученном образце биопродукта определяют пищевую ценность, в качестве которой устанавливают количество свободных глюкозы и аминоазота, задание параметров воздействия и определение пищевой ценности повторяют при других значениях давления в диапазоне 0÷10 МПа, температуры 25÷200°С, влажности 6÷35%, скорости сдвига 10-1÷10+4 сек-1, времени воздействия 0,01÷1 час, получают табулированную или аппроксимирующую зависимость показателей пищевой ценности биопродукта от исходной влажности, давления, температуры, скорости сдвига, времени воздействия их на биопродукт. Выбранные диапазоны параметров воздействия соответствуют диапазонам соответствующих воздействий при экструзионной переработке биопродуктов. Оценка пищевой ценности биопродукта определяется содержанием в кормовых продуктах свободной глюкозы как главного энергетического компонента пищи животных, а также содержания свободного аминного азота, характеризующего доступность низкомолекулярных пептидных соединений и аминокислот для всасывания в пищеварительном тракте. Выбор данных показателей обусловлен их интегральным значением для характеристики энергетической и биологической ценности пищевых продуктов.
Пример. В установке использованы: приводы 6 и 12 с частотным управлением и цифровой индикацией VFD-F (2, 2 кВт) для вращения нижнего плунжера 4 и продольного перемещения верхнего плунжера 5, соответственно; датчик 14 для измерения момента марки Т5 (фирмы НВМ); датчик усилия 12 марки Мерадат К-18М; датчик 16 для измерения температуры Термодат-13 с термопарой ХА; датчик 13 измерения перемещений индуктивного типа. Компьютер Pentium-4 соединен с Термодатом и приводами частотного управления через конвертор портов RS485/USB типа СК-1. Преобразователь 18 выполнен блоками ЦАП и АЦП, реализованными в Термодате и управляемых приводах. Программное обеспечение компьютерного управления выполнено в среде ХР.
Готовят крошку ржи исходной влажности 26%, помещают в рабочую камеру. В камере создают давление 5,5 Мпа, продукт в камере термостатируют до 135°С, в течение 90 сек производят сдвиг со скоростью сдвига 30 сек-1. Продукт извлекают из рабочей камеры и определяют его пищевую ценность путем анализа на содержание свободных глюкозы и аминоазота.
Перечисленные операции повторяют при скорости сдвига 50, 90, 120, 150, 160, 180 сек-1. Результаты эксперимента представлены в табл.1 (в табулированном виде) и на фиг.7 и фиг.8 (экспериментальные точки и аппроксимирующие зависимости).
| Табл.1 | ||
| Эф. скор сдвига, (1/с) | Глюкоза, (мГ%) | Аминоазот, (мГ%) |
| 0 | 57.75 | 1.23 |
| 30 | 70.9 | 4.52 |
| 50 | 69.2 | 5.05 |
| 90 | 93.75 | 7.5 |
| 120 | 95.2 | 7.8 |
| 150 | 154.8 | 3.44 |
| 160 | 164.1 | 2.77 |
| 180 | 178.73 | 2.81 |
| Табл.2 | ||
| Температура, (ºС) | Глюкоза, (мГ%) | Аминоазот, (мГ%) |
| 130 | 66.3 | 3.26 |
| 135 | 78.5 | 6.16 |
| 140 | 91.7 | 6.34 |
| 155 | 176.81 | 2.98 |
| 170 | 173.77 | 1.49 |
Указанные операции повторяют при сдвиге со скоростью 90 сек-1 и температурах термостатирования рабочей камеры 130, 140, 155, 170°С. Результаты представлены в табл.2 (в табулированном виде) и на фиг.9 и фиг.10 (экспериментальные точки и аппроксимирующие зависимости). Эксперимент продолжают при других значениях исходной влажности, давления в рабочей камере, времени воздействия. В результате получают достаточно полную картину влияния комплексного физико-механического воздействия на пищевые качества продукта. Предлагаемый способ и установка позволяют получать экспериментальный материал в необходимом объеме для определения оптимальных интервалов параметров физико-механических воздействий и осуществлять, например, с использованием метода планирования эксперимента поиск сочетаний воздействий, обеспечивающих оптимальные пищевые качества продукта.
1. Способ определения зависимости пищевой ценности биопродукта от параметров физико-механического воздействия на него, заключающийся в том, что образец биопродукта заданной влажности помещают в рабочую камеру и оказывают на него физико-механическое воздействие, отличающийся тем, что рабочую камеру располагают в термостатируемом цилиндре, а физико-механическое воздействие на образец биопродукта осуществляют температурой через стенки цилиндра и двумя плунжерами, один из которых, а именно верхний, перемещают в осевом, а другой - нижний в окружном направлении, при этом измеряют усилие на верхнем плунжере и его перемещение, момент на нижнем плунжере и его угловую скорость вращения, температуру цилиндра и регистрируют текущее время, по истечении заданного интервала времени воздействие останавливают, по измеренным параметрам вычисляют давление, эффективную скорость сдвига, а на полученном образце биопродукта определяют пищевую ценность, в качестве которой устанавливают количество свободных глюкозы и аминоазота, при этом задание параметров воздействия и определение пищевой ценности повторяют при других значениях давления в диапазоне 0÷10 МПа, температуры 25÷200°С, влажности 6-35%, скорость сдвига 10-1÷10+4 с-1, времени воздействия 0,01- 1 ч, получают табулированную или аппроксимирующую зависимость показателей пищевой ценности биопродукта от исходной влажности, давления, температуры, скорости сдвига, времени воздействия их на биопродукт.
2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее основание, рабочую камеру, образованную цилиндром и силовыми элементами, отличающееся тем, что силовые элементы выполнены в виде двух плунжеров, расположенных в цилиндре с двух противоположных сторон от рабочей камеры, причем один из плунжеров, а именно нижний, снабжен управляемым электроприводом его вращения вокруг продольной оси, а другой плунжер - верхний снабжен также управляемым электроприводом его перемещения вдоль продольной оси с возможностью создания регулируемого давления в рабочей камере в диапазоне 0÷10 МПа, при этом верхний и нижний плунжеры снабжены сменными дисками, жестко связанными с ними и установленными со стороны рабочей камеры, а цилиндр снабжен электронагревателем, установленным в полости цилиндра вокруг рабочей камеры с возможностью регулирования температуры 25÷200°С, устройство также содержит датчики усилия и перемещения верхнего плунжера, датчики момента силы и угловой скорости вращения нижнего плунжера, датчик температуры цилиндра, кроме того, устройство содержит компьютер и преобразователь аналоговых сигналов в цифровую форму и цифровых сигналов в аналоговую, причем компьютер соединен через преобразователь сигналов с электронагревателем, с управляемыми приводами верхнего и нижнего плунжеров и с датчиками.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сменные диски со стороны рабочей камеры выполнены с радиальными рифлениями.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что нижний сменный диск со стороны рабочей камеры выполнен с радиальными ребрами.
