Введение Широкое применение методов термопластической экструзии в пищевых технологиях объясняется в первую очередь возможностью эффективного воздействия на полисахариды и белки обрабатываемого сырья. В настоящее время практически все вопросы, связанные с преобразованиями этих ингредиентов, входящих в состав сырья растительного происхождения, изучены достаточно хорошо. Выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на этот процесс, а также обоснованы их рациональные численные значения [1, 2, 12-17]. Следующей по сложности задачей получения экструдатов с планируемыми свойствами является переработка углеводно-белково-липидного сырья. Решение этой задачи осложняется своеобразным поведением липидов в экструзионном процессе, когда при выходе их количества за определенные границы диссипативная система экструдера, преобразующая механическую энергию его рабочих органов в тепловую, функционирует в неустойчивом режиме. Иными словами, повышенное содержание липидов в перерабатываемом сырье отрицательно влияет на силы трения частиц экструдируемого материала между собой, а также с рабочими органами экструдера и в конечном итоге - на температуру и давление экструдата на выходе из машины. Как правило, это угнетает процесс порообразования и не позволяет получать экструдаты с высокими значениями коэффициента расширения [3, 10, 11]. Еще более сложные технические и технологические проблемы необходимо решать в процессе переработки сырья, содержащего, кроме указанных ингредиентов, растворимые (пектин, камеди, слизи) и нерастворимые пищевые волокна (клетчатка, лигнин). Некоторые виды такого сырья обладают уникальными свойствами, имея в своем составе относительно много белков, липидов и пищевых волокон и относительно мало - углеводов. К такому сырью можно отнести семена расторопши пятнистой, тыквы (с оболочкой), льна, кунжута и др. Известно, что при высоком содержании клетчатки в сырье активность крахмала как инициатора процесса порообразования в экструдатах падает. С другой стороны, применение экструдатов, получаемых из растительного крахмалсодержащего сырья, свидетельствует о существенном влиянии их пористости на набухаемость, водо- и жироудерживающую способность, растворимость, коэффициент расширения, а также текстуру и усвояемость готовых продуктов. Эти свойства экструдатов в определяющей степени зависят от содержания крахмала и массовой доли влаги в сырье. Учитывая, что клетчатка в процессе экструзионной обработки весьма успешно соперничает с остальными компонентами сырья за взаимодействие с водой, логично предположить существенное ухудшение процесса порообразования при обработке сырья с повышенным содержанием пищевых волокон [5, 7, 18]. Теоретические и экспериментальные исследования реакции капиллярно-пористых экструдатов на среду с пониженным давлением воздуха позволили авторам статьи обосновать научную концепцию, на основе которой можно устранить или существенно нивелировать недостатки, свойственные технологии экструдирования растительного поликомпонентного сырья [6, 8]. Концепция предполагает учитывать следующие положения. 1. Оптимизация процесса экструдирования растительного сырья с повышенным содержанием липидов и клетчатки возможна за счет его переработки в смеси с ингредиентами с высоким содержанием углеводов. 2. На качество получаемого экструдата влияет не только массовая доля влаги в обрабатываемой смеси, но и данный показатель для каждого ингредиента, входящего в состав смеси. 3. При производстве экструдатов с повышенным содержанием липидов температура нагрева обрабатываемого сырья не должна быть выше 100-105 °C, а полученный продукт желательно охладить и высушить до содержания массовой влаги не более 6-7 % сразу же после выхода из фильеры матрицы экструдера. 4. Приемлемое значение коэффициента взрыва экструдатов (3,0-3,5) при переработке сырья с содержанием липидов выше 7 % обеспечивается за счет создания в специальной камере экструдера давления воздуха ниже атмосферного. Целью работы является обоснование основных технологических параметров и оценка степени их влияния на процесс получения экструдатов из растительного сырья с повышенным содержанием липидов и пищевых волокон. Объекты и методы исследований Экспериментальные исследования выполнялись с помощью одношнекового пресс-экструдера, модернизированного согласно патенту на изобретение № 2561934 «Экструдер с вакуумной камерой» [9]. Объект исследования - смесь неизмельченных зерен пшеницы и семян расторопши пятнистой, которую подвергали экструдированию в течение 15-20 с при температуре 100-105 °C с последующим воздействием на выходящее из фильеры матрицы экструдера сырье пониженным давлением, равным 0,05 МПа. Частота вращения шнека пресс-экструдера составляла 7,5 с-1, диаметр фильеры матрицы экструдера - 4 мм. На выходе из фильеры матрицы машины экструдат разрезался на частицы длиной 0,5-0,8 мм. Применяемое в исследованиях зерно пшеницы сорта Саратовская 36 характеризовалось следующими показателями: масса 1000 семян равнялась 34,2 г; количество полисахаридов (крахмал + гемицеллюлоза + клетчатка), белка и липидов составляло соответственно 62,8 (52,6 + 7,6 + 2,6); 12,4 и 2,2 %. Масса 1000 семян расторопши пятнистой сорта Дебют равнялась 26,8 г; содержание липидов, белка и клетчатки в семенах составляло соответственно 24,8; 22,3 и 33,0 %. В качестве исследуемых были выбраны следующие факторы: содержание семян расторопши пятнистой в экструдируемой смеси - M (%), массовая доля влаги в зерне пшеницы - B1 (%) и массовая доля влаги в семенах расторопши пятнистой - B2 (%). За критерий качества полученного экструдата была принята его пористость П (%). Ранее проведенные исследования позволили установить, что для получения экструдата расторопши пятнистой с приемлемым коэффициентом взрыва (3,5-4,0) в качестве наполнителя можно использовать пшеницу с влажностью 14-15 % в количестве 75-80 % к экструдируемой массе. При этом влажность экструдируемой расторопши необходимо поддерживать в пределах 22-24 % [4]. С учетом этих рекомендаций программа эксперимента была реализована с помощью центрального композиционного униформ-ротатабельного планирования, состоящего из трех уровней: факторного плана типа 23, составляющего «ядро» центрального композиционного плана; звездных точек на осях факторного пространства, а также дополняющих опытов в центре плана. Это позволило более детально изучить значения факторов, близких к рациональным, полученных в предыдущих исследованиях. Матрица планирования и результаты эксперимента представлены в табл. 1. Методика определения пористости получаемых экструдатов заключается в следующем: образцы экструдата длиной 10 мм покрывались водостойким лаком и после высыхания помещались в цилиндр с водой. С учетом массы вытесненной из цилиндра воды определялся объем образца экструдата с порами. Затем образец экструдата подвергался сжатию с помощью ручных тисков, после чего также замерялся его объем. Пористость экструдата (%) определялась по формуле (1) где - объем экструдата с порами, мм3; - объем экструдата после сжатия образца, мм3. Таблица 1 Матрица планирования и результаты эксперимента Система опытов № опыта Кодированные факторы Натуральные факторы Пористость (П) Х1 Х2 Х3 M B1 B2 Полный факторный эксперимент типа 23 1 -1 -1 -1 20,00 12,00 20,00 64,0 2 -1 -1 +1 20,00 12,00 28,00 68,7 3 -1 +1 -1 20,00 16,00 20,00 64,0 4 -1 +1 +1 20,00 16,00 28,00 78,6 5 +1 -1 -1 30,00 12,00 20,00 62,2 6 +1 -1 +1 30,00 12,00 28,00 67,5 7 +1 +1 -1 30,00 16,00 20,00 70,1 8 +1 +1 +1 30,00 16,00 28,00 80,2 Опыты в «звездных» точках 9 -1,68 0 0 16,59 14,00 24,00 67,5 10 +1,68 0 0 33,41 14,00 24,00 70,3 11 0 -1,68 0 25,00 10,64 24,00 60,0 12 0 +1,68 0 25,00 17,36 24,00 65,5 13 0 0 -1,68 25,00 14,00 17,27 62,0 14 0 0 +1,68 25,00 14,00 30,73 77,4 Опыты в центре плана 15 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,8 16 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,5 17 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,6 18 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,9 19 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,5 20 0 0 0 25,00 14,00 24,00 76,7 Результаты и их обсуждение Реализация эксперимента и обработка полученных результатов позволили получить математическую модель второго порядка (2), описывающую зависимость пористости получаемого экструдата (П) от содержания семян расторопши пятнистой в экструдируемой смеси (M), а также массовой доли влаги в перерабатываемом зерне пшеницы (B1) и семенах расторопши пятнистой (B2): . (2) Полученная модель характеризуется следующими показателями качества (табл. 2). Таблица 2 Показатели качества полученной модели Множест. - R Множест. - R2 SS - Модель сс - Модель MS - Модель 0,971 0,943 768,853 9 85,428 SS - Остаток сс - Остаток MS - Остаток F p 45,886 10 4,5886 18,62 0,00004 Анализ приведенных данных позволяет сделать следующие выводы по качеству полученной модели: - множественный коэффициент корреляции R = 0,971 свидетельствует о весьма высокой силе связи между переменными (по шкале Чеддока); - коэффициент детерминации R2 = 0,943 позволяет утверждать, что в полученной модели 94,3 % изменчивости объясняется исследуемыми факторами (доля дисперсии зависимых переменных) и лишь 5,7 % - ошибками модели (доля необъясненной дисперсии); - статистическая значимость составляет p