Многокритериальная оптимизация помольных смесей для производства муки с улучшенными потребительскими и хлебопекарными свойствами

Учитывая представленные данные, следует существенно сократить использование пшеницы для фуражных целей, снизить производство риса, увеличить посевы бобовых, гороха, чечевицы, фасоли, овса, ячменя. Снижение уровня урожайности за счет посева новых культур компенсируется более полным использованием зерна, экономией на горючем, технике и химии.

Регион производит 20 млн т всех видов зерновых и полностью себя обеспечивает продовольственным зерном при избытке порядка 2 млн т.

Перерабатывающая промышленность по пшеничным помолам имеет суточный дефицит 780 т, который можно компенсировать путем увеличения производительности действующих предприятий, внедрения малых, агрегатных мельниц.

Кроме риса и ячменных круп по всем остальным культурам в СКР наблюдается дефицит мощности. Недостаточно гречихи. Местную гречиху, просо можно

перерабатывать на малых предприятиях и в фермерских хозяйствах, а недостающее количество - дополучать из других регионов. Кукурузу и бобовые лучше перерабатывать на малых предприятиях.

Необходимо снижать выпечку из муки высоких сортов и увеличить выпуск хлеба из целого зерна с зародышем, богатым витамином Е, и со всеми оболочками.

Рекомендуемые мероприятия практически не по -требуют дополнительных капитальных вложений.

Для ликвидации дефицита комбикормов, ведущего к перерасходу зерна на фуражные цели, крупным комбикормовым заводам необходимо специализироваться на выработке белково-витаминных добавок (БВД), а мини-хозяйственные и фермерские цеха на базе БВД и местного зернового фуража обеспечат производство требуемого количества комбикормов.

Кафедра пищевой инженерии и высоких технологий

Поступила 20.09.05 г.

664.761.517

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПОМОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МУКИ С УЛУЧШЕННЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ

И ХЛЕБОПЕКАРНЫМИ СВОЙСТВАМИ

А.Ю. ШАЗЗО, С. В. УСАТИКОВ, М.П. БАХМЕТ,

И.И. ПОГОРЕЛОВА, В.И. ГЕЗ

Кубанский государственный технологический университет

Потребительские свойства хлебобулочных изделий в определяющей степени зависят от показателей хлебопекарного качества муки, которые формируются при заготовке, послеуборочной обработке и хранении зерновой массы. Заготовка зерна на элеваторах осуществляется с целью формирования потоков зерна пшеницы по влажности, стекловидности, содержанию и качеству клейковины; при этом система заготовки зерна не учитывает в полной мере разнообразия признаков качества, влияющих на потребительские свойства муки. Как правило, решаются задачи формирования в процессе заготовки партий зерна, отличающихся содержанием клейковины, стекловидностью, натурой и влажностью.

Сложность решения поставленных задач заключается в том, что показатели качества, определяющие хлебопекарные свойства муки, не подчиняются закону аддитивности, вследствие чего не представляется возможным осуществить мониторинг потребительских свойств хлебобулочных изделий в процессе формирования помольных партий на элеваторах, помольных смесей в зерноочистительных отделениях, а также при формировании потоков муки с заданными хлебопекарными свойствами в выбойных отделениях мукомольных заводов. В связи с этим актуальны исследования, направленные на создание системы мониторинга потребительских свойств продуктов переработки зерна

пшеницы на основе поликомпонентных зерновых и мучных смесей.

Смешивание различного по качеству зерна перед помолом является высокоэффективным методом стабилизации технологического процесса и повышения эффективности продовольственного использования зерна. Традиционный критерий оптимальности - рациональное использование сырья при заданном выходе и качестве муки [1-3]. Поэтому основное внимание уделяется обеспечению максимального выхода муки высоких сортов и общего выхода муки, тогда как хлебопекарные свойства зерна учитываются по остаточному принципу. При этом наиболее важные хлебопекарные и биохимические показатели муки не подчиняются аддитивному правилу смешивания, в отличие от многих физических и технологических показателей зерна.

В данной работе на основе комплексной оценки потребительских свойств зерна и продуктов его переработки впервые установлена взаимосвязь между показателями качества зерна и муки при различных типах хлебопекарного помола пшеницы. Выявлены основные закономерности смешивания поликомпонентных смесей по показателям: число падения, качество клейковины и газообразующая способность муки. Разработаны критерии оптимизации помольных партий зерна на элеваторах и помольных смесей на мукомольных заводах. Впервые разработан метод компьютерного мониторинга потребительских свойств зерна и муки.

Переменными факторами являются искомые величины массы каждой партии х, (1 < / < п) либо их доли р,

70 75 80 85 90 95

Выход муки. 0 о

Рис. 1

в смеси, которые должны обеспечивать достижение экстремальных значений, принятых за основу целевых функций. Набор целевых функций при формировании помольных партий следующий [1]: увеличение расчетного выхода муки, увеличение объема производства муки, повышение уровня продовольственного использования зерна и т. д.

Первый критерий наиболее важен и традиционно используется на практике, однако надбавки и скидки к выходам продукции при отклонении показателей качества перерабатываемого зерна от базисных кондиций являются кусочно-линейными, а не линейными, поэтому в качестве критерия оптимизации принят расчетный выход муки

pn) -EA-LISJH" max,

где функция J1 аппроксимирует расчеты выхода муки и отрубей с точностью до 4 значащих цифр [1].

В случае принятия в качестве критерия оптимизации расчетного выхода муки наблюдается низкий уровень продовольственного использования зерна в смесях с высоким и низким содержанием клейковины, соответственно, основные запасы зерна остаются неиспользованными . Поэтому необходимо рассматривать и другие критерии оптимизации помольной смеси, в частности увеличение объема производства муки

J2

Для повышения уровня продовольственного использования зерна необходимо экономить запасы ценных партий и максимально задействовать запасы пшеницы рядовой. При необходимости максимальной экономии запасов ценных партий зерна использовался критерий оптимизации

J3

Допустимое множество для управляющих параметров определяется набором следующих ограничений [2-3]:

запасом зерна на предприятии;

требованиями к качеству муки, прежде всего по количеству клейковины помольной смеси;

Рис. 2

дополнительными ограничениями, рассмотренными ниже.

Для проведения мониторинга хлебопекарных свойств муки из заготавливаемых партий пшеницы установлено изменение показателей качества, не подчиняющихся закону аддитивности (число падения и качество клейковины).

На первом этапе исследования определены соотношения между показателями качества зерна пшеницы и муки в зависимости от типа хлебопекарного помола. Влияние выхода муки на характер изменения качества клейковины и числа падения показано на рис. 1 (качество клейковины: 1 - зерна; 2 - муки) и рис. 2. Из приведенных данных видно, что с ростом выхода муки численное значение показателя качества клейковины в муке увеличивается и приближается к значению этого показателя в исходном зерне.

Прогнозирование значения показателя ИДК муки можно осуществлять по эмпирическому выражению вида

СДжм = 0,34е1,20 $ СДЖ-,

С

где ИДКм, ИДКз - показатели качества клейковины муки и зерна, ед. пр. ИДК; В - выход муки, %; С - определенная из эксперимента константа регрессионной модели; так, для зерна с качеством клейкови -ны 90 ед. пр. С = 321,4, индекс корреляции Я = 0,94.

Установлено, что число падения муки выше значе -ний показателя в зерне. При этом увеличение общего выхода муки с 70 до 85% приводит к минимизации отклонений показателя числа падения зерна и муки от 50 до 5 с. На основе обобщенного анализа результатов исследований построены трехмерные диаграммы (рис. 2), отражающие зависимость качества муки от качества зерна пшеницы и выхода муки.

Аналитические зависимости, позволяющие определить степень влияния показателей качества зерна и выхода муки на хлебопекарное качество муки, имеют вид

Таблица 1

№ Масса Влажность, Зольность, Содержание Качество клейкови- Общая стек- Натура Сорная при - Зерновая Число

партии партии, т % % клеикови-ны, % ны, ед. пр. ловидность, % зерна, г/л месь, % примесь,% падения, с

ИДК

1 1900 13,2 1,68 16 70 50 820 0,6 1,6 320

2 3830 13,4 1,75 28 70 48 780 0,8 1,2 300

3 3620 13,4 1,74 22 85 50 790 0,7 1,8 320

4 4050 13,3 1,70 18 65 50 805 0,9 1,3 308

5 2700 13,2 1,74 20 80 52 790 0,8 1,4 280

6 5950 13,2 1,72 26 80 50 800 0,9 1,6 310

7 7670 13,4 1,75 25 60 50 780 0,7 1,2 380

8 5290 13,3 1,74 28 60 48 790 0,6 1,5 360

9 4590 13,3 1,72 24 85 52 800 0,8 1,6 290

10 4550 13,3 1,75 28 90 47 780 0,9 1,3 180

11 1350 13,2 1,74 22 50 50 790 0,8 1,5 450

ЧПм — €1 + €, Чпз +

ке с 2 (Чпз- - з )2

1 $—і (е - 70)2

где ЧПм, ЧПз - числа падения муки и зерна, с; аі, а2, к, сі, с2, сз - определяемые из эксперимента константы регрессионной модели; так, для исследуемых партий зерна пшеницы аі = 9; а2 = 1; к = 40,355; с2 = = 0,27; сз = 300; сі = 0,033; индекс корреляции составил Я = 0,99.

По аналогичной методике проведена экспериментальная оценка основных показателей качества зерна, муки и хлебобулочных изделий.

Определение законов смешивания поликомпонент-ных смесей по показателям качества, не подчиняющимся закону аддитивности, проведено на основе симплекс-решетчатых планов эксперимента [3]. Показатели числа падения и качества клейковины для 3-компонентной смеси могут быть рассчитаны по уравнениям следующего вида. Например, для партий 2, 5 и 7 из табл. 1 насыщенный ортогональный план дает

Чпз — 380 Х1 $ 280 Х2 $ 300X3 - 28 Х1Х2 --16 Х1Х3 - 12 Х1Х2 - 291X1X2X3;

СДжз — 80 Х1 $ 50 Х2 $ 70 Х3 -10 Х1Х2 $ $ 80 Х1Х3 $ 90 Х2Х3 - 390 Х1Х2Х3.

ния муки дают набор целевых функций Jk}, об-

разующих вектор J (здесь, кроме J1, ./2, J3 из (1)-(3), может быть использован ряд других). При реализации задач векторной оптимизации потребительских свойств зерна пшеницы и продуктов его переработки использованы векторный метод приближения к идеальному составу помольных партий или помольных смесей и метод поиска Парето-оптимальных решений.

Первый метод - метод приближения к идеальной точке

- 1

орі

где ио/Л = ,• - решения скалярных задач оптимизации,

X = {Х1,...,ХП}, деление векторов покоординатное; 1 - единичный вектор.

Второй метод заключался в поиске компромиссных решений в критерии вида взвешенной суммы

и1(х ) $ и2(х ) $ Л(х ) $

і орі ' 1 орі ' і орі '

и1

Іорі и 2

орі и 3

$

ик

Іорі ик

тіп.

Заметим, что в [4] обоснована гиперболическая регрессионная модель для числа падения, но только для 2-компонентной смеси.

Этапы формирования помольных партий в элеваторах, смесей в зерноочистительном отделении мукомольного завода, смесей в складах бестарного хране-

Решение поставленных задач базировалось на ме -тодах многокритериальной оптимизации, поэтому были разработаны компьютерные программы, которые впоследствии использовались при формировании помольных партий на элеваторах и помольных смесей в зерноочистительных отделениях и цехах готовой про-

Таблица 2

2

Масса Средневзвешенные показатели качества помольной смеси Прогнозируемые показатели

Номе ра партий помольной смеси, т Влажность, % Стекловид-ность, % Натура, г /л Сорная примесь, % Зерновая примесь, % Содержа -ние сырой клейкови- Качество клейковины , ед. пр. ИДК Число падения, с

ны, % Зерно Мука Зерно Мука

1 + 8 7190 13,3 49 798 0,6 1,5 25 63 50 345 390

2 + 5 + 11 7880 13,3 50 785 0,8 1,3 24 70 65 327 377

10 + 3 8170 13,3 48 784 0,8 1,5 25 85 75 230 263

4 + 6 10000 13,2 50 802 0,9 1,5 24 93 70 309 355

7 + 9 12260 13,4 51 787 0,7 1,2 25 95 70 320 362

Таблица 3

Необходимы й отбор для формирования помольных партий, т Средневзвешенные показатели качества помольной смеси Прогнозируемые показатели

Номер оп -тимизации Масса партии,т Влажность, % Зольность, % Стекло- видность, Натура, г/ л Сорная примесь, Зерновая примесь, Содержание сырой клей- Качество клейковины, ед. пр. ИДК Число падения, с

% % % ковины, % Зерно Мука Зерно Мука

I 1900,5 5 партия - 550,5 10 партия - 1349,9 2 партия - 1287,2 13,2 1,74 50,6 787,1 0,8 1,4 22,3 84,9 65,4 345,6 390,5

II 3139,6 4 партия - 502,3 13,3 1,74 50,0 788,3 0,8 1,3 22,3 54,2 45,6 296,2 276,3

III

6872,4

5 партия - 1350,0 2 партия - 2542,8

4 партия - 824,7

5 партия - 3504,9

13,3

1,74 50,3

Таблица 4

788,1

1,3

22,7

74,7

69,4 237,4 223,2

№ бун- кера Клейковина Число падения, с Г азообразую -щая способность, мл СО2 Упругость теста, ед. пр. Растяжи -мость, мм

Содер- жание, % Качество, ед. пр. ИДК

1 20,0 70 320 1380 100,5 7,2

2 31,7 70 300 1400 105,7 9,1

3 34,5 45 450 1200 80,1 7,5

4 30,4 90 180 1650 120,1 10,3

5 32,7 40 420 1300 70,3 6,7

6 28,3 85 290 1670 148,5 11,4

7 22,5 80 308 1390 101,8 10,9

8 36,1 60 380 1350 98,8 9,7

дукции мукомольных заводов, а также складах бестарного хранения муки на хлебозаводах.

Экспериментальные исследования по данной схеме проводили в производс твенных условиях элеваторов и мукомольных заводов ОАО «Краснодарзернопро-

дукт», ОАО «Гиагинский комбинат хлебопродуктов» и хлебозавода ООО НПФ «НОВТЭКС». Разработанная технологическая схема включает узлы дозирования на элеваторе и в зерноочистительном отделении мукомольных заводов для формирования помольных партий и помольных смесей зерна пшеницы и узел дозирования в цехе готовой продукции мукомольного завода для составления мучных смесей с заданным потребительским качеством.

При проведении оптимизации помольных партий на элеваторах усовершенствованным методом использовали 45500 т зерна пшеницы с показателями качества, представленными в табл. 1.

Результаты оптимизации помольных партий по целевой функции приведены в табл. 2 (рациональное использование зерна пшеницы) и 3 (увеличение расчетного выхода муки).

Анализ приведенных данных показывает, что раз -работанный метод оптимизации помольных партий

Таблица 5

Вид изделия, способ приготовления Необходимый отбор для формирования партий муки Показатели качества смесей муки

№ бункера Содержание компонента смеси, % Клейковина Число падения, с Газообразующая способ -ность, мл СО2

Содержание, % Качество, ед. пр. ИДК

3 25

4 30

Хлеб (безопарный способ) 6 40 30,7 85 210 1600

8 5

1 15

Хлеб и булочные изделия 4 70 28,9 70 230 1550

(опарный способ) 6 10

8 5

1 40

Изделия из песочного теста 2 50 27,3 80 215 1400

3 10

1 40

2 10

Изделия из бисквитного теста 3 10 25,9 90 200 1650

6 40

3 7

Изделия из слоеного теста 5 3 36,7 40 370 1350

8 90

0

Объем, ом3

обеспечивает рациональное использование потенциальных свойств зерна пшеницы.

При решении поставленных задач по принятым за основу целевым функциям с помощью программ оптимизации определяли номинальные пропорции при смешивании 2- или 3-компонентных смесей: средневзвешенные показатели качества зерна пшеницы по влажности, содержанию сорной и зерновой примесей, стекловидности, натуре и прогнозируемые показатели по числу падения и качеству клейковины для зерна и муки.

При проведении многокритериальной оптимизации состава мучных смесей с использованием метода Парето-оптимальных решений в качестве объекта исследования использовали партии муки в выбойном отделении мукомольного завода ОАО «Краснодарзерно-продукт». Хлебопекарные свойства муки в цехе готовой продукции мукомольного завода представлены в табл. 4.

Оптимизацию показателей качества муки проводили для широкого ассортимента хлебобулочных и мучных кондитерских изделий (табл. 5).

Полученные данные подтверждают эффективность предложенных методов для оптимизации потребительского качества муки. Проведена сравнительная оценка потребительских свойств хлебобулочных и мучных кондитерских изделий, приготовленных из муки, полученной предложенным и традиционным методами. На рис. 3 приведен вариант результатов исследований качества хлеба, полученного безопарным способом (влияние многокритериальной оптимизации на качество хлеба: 1 - контрольный образец; 2 - опытный образец).

Из диаграммы видно, что хлеб, приготовленный из муки, полученной в результате векторной оптимиза-

ции, имеет более высокие показатели качества в сравнении с хлебом из муки, полученной в результате формирования помольных партий зерна традиционным способом.

Аналогичные результаты получены для других видов изделий, что подтверждает эффективность предлагаемого метода комплексного мониторинга потребительских свойств продуктов переработки зерна пшеницы.

ВЫВОДЫ

1. Рассмотрена эмпирическая зависимость между показателями качества зерна и продуктами его переработки. Установлены эмпирические зависимости значений числа падения, количества и качества клейковины в муке от типа и исходных значений этих показателей в зерне пшеницы.

2. Выявлены закономерности смешивания зерновых и мучных продуктов по показателям качества, не подчиняющимся закону аддитивности: качество клейковины, число падения и газообразующая способность муки.

3. Дано теоретическое обоснование и усовершенствован метод компьютерной оптимизации помольных партий зерна на элеваторах и помольных смесей в зерноочистительных отделениях мукомольных заводов с применением целевых функций, характеризующих рациональное использование сырьевых ресурсов, обеспечивающих максимальный выход и высокие потребительские свойства муки. Предложен метод формирования поликомпонентных мучных смесей в выбойных отделениях мукомольных заводов и складах бестарного хранения муки на хлебозаводах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шаззо А.Ю., Усатиков С.В. Нелинейная оптимизация состава помольных партий зерна по показателям, подчиняющимся закону аддитивности // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1998. -№ 4. - С. 47-52.

2. Шаззо А.Ю., Усатиков С .В. Бахмет М.П. Совершенствование метода формирования помольных партий зерна по комплексу признаков качества // Сб. статей IV Всерос. науч.-практ. конф. «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства (Промышленность, транспорт, сельское хозяйство)». - Пенза, 14-15 октября 2004. - С. 114—116.

3. Бахмет М.П. Разработка комплексного метода мониторинга потребительских свойств продуктов переработки зерна пше -ницы: Дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар: КубГТУ, 2005. - 130 с.

4. Панкратов Г.Н. Научные основы совершенствования технологий мукомольного производства: Автореф. дис. . д-ра техн. наук. - М., 2003. - 51 с.

Кафедра общей математики

Кафедра пищевой инженерии и высоких технологий

Поступила 11.07.05 г.