Нахождение оптимальных режимных параметров в процессе производства хлеба для поддержания заданного уровня кислотности

Нахождение оптимальных режимных параметров в процессе производства хлеба для поддержания заданного уровня кислотности

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одним из важнейших факторов роста эффективности производства является улучшение качества выпускаемой продукции или предоставляемых услуг. В условиях рыночных отношений в любых организациях и на предприятиях актуальность управления качеством определяется его направленностью на обеспечение такого уровня качества продукции, который может полностью удовлетворять все запросы потребителей. Особенно актуально это в отношении пищевой промышленности, в том числе хлебобулочной, так как хлебобулочные изделия занимают одно из ведущих мест в питании нашей страны, и от их качества зависит жизнь и здоровье граждан.

Однако невозможно обеспечить высокое качество продукции без соблюдения ряда технологических параметров в процессе производства этой продукции. Поэтому существует необходимость оценивать степень влияния того или иного параметра, а также их взаимодействие на выходные характеристики изделий.

В соответствии с этим, в данной работе была поставлена цель: нахождение оптимальных режимных параметров в процессе производства хлеба для поддержания заданного уровня кислотности.

Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

.        Рассмотреть простейшую модель объекта - хлеба «Тамбовский новый».

.        Изучить влияние других факторов на выходную характеристику.

.        Оценить значимость влияния действующих на объект факторов.

.        Построить новую зависимость выходной величины.

.        Найти оптимальные значения действующих факторов.

1. Описание объекта

Продукция хлеб «Тамбовский новый» представляет собой изделие хлебобулочной промышленности из смеси ржаной и пшеничной муки.

Характеристики готовой продукции определены ГОСТ 52961-2008 «Изделия хлебобулочные из ржаной и смеси ржаной и пшеничной муки. Общие технические условия» п.5.2.1 и указаны в таблицах 1,2:

Таблица 1. Органолептические показатели хлеба

В хлебе не допускаются посторонние включения, хруст от минеральной примеси, признаки болезней хлеба и плесени.

Сырье, ароматизирующие, улучшающие и другие добавки, применяемые при изготовлении хлеба, должны быть разрешены к применению органом Министерства здравоохранения РФ, по качеству они должны соответствовать требованиям нормативно-технической документации.

Содержание токсичных элементов, микотоксинов и пестицидов в сырье не должно превышать допустимые уровни, установленные Медико-биологическими требованиями и санитарными нормами качества продовольственного сырья и пищевых продуктов органа Министерства здравоохранения РФ.

Таблица 2. Физико-химические показатели хлеба

Контроль показателей безопасности в хлебе осуществляют в соответствии с порядком, установленным производителем продукции по согласованию с органами Министерства здравоохранения РФ и гарантирующим безопасность продукции.

В данной работе проведем оценку влияния режимных параметров технологического процесса на кислотность хлеба (Y), так как именно этот параметр вызывает наибольшее затруднение при оценке на этапе брожения теста. Кроме того, кислотность хлеба непосредственно влияет на его органолептические показатели: изменяется вкус, запах продукции. И наконец, отклонение кислотности полуфабриката от оптимального значения влечет за собой изменения в ходе технологического процесса и проявление внешних деформаций изделий, а также изменения в структуре мякиша.

На исследуемом предприятии уделяется особое внимание качеству продукции. Практически на всех этапах производства ведется контроль за соблюдением технологических параметров. Особое внимание уделяется качеству входного сырья и стадии приготовления полуфабриката. При поступлении партии муки ее проверяют на наличие металломагнитной примеси, зараженности вредителями, определяют показатели влажности и кислотности. В зависимости от партии активная кислотность муки колеблется в пределах pH = 5,8 - 6,4. На этапе брожения теста также ведется контроль времени брожения. Этот показатель равен 90 минутам.

В результате, средняя кислотность готовой продукции 8-8,5 град, что соответствует требованиям стандарта.

2. описание математической модели

Создание модели - акт необходимый при анализе и синтезе систем. Модель - не цель исследователя, а только инструмент для проведения исследований, инструмент эксперимента.

Существует модель, описывающая зависимость кислотности от времени брожения теста (рисунок 1), где Y- кислотность, X - время брожения теста, e - аддитивные помехи.

Рисунок 1. Простейшая модель объекта

Действительно, согласно опытным данным, существует прямая зависимость между данными характеристиками, то есть при увеличении времени брожения теста растет значение кислотности. Эта зависимость легко описывается линейной функцией вида y=b0+b1x. Для ее нахождения воспользуемся методом наименьших квадратов.

Предпосылки метода.

. Выходная переменная y есть случайная величина c нормальным законом распределения.

. Дисперсия y не зависит от абсолютной величины y.

. Значения факторов xi есть не случайные величины, т.е. установление каждого фактора на заданный уровень и его поддержание существенно точнее, чем ошибка воспроизводимости.

В результате была получена функция y=1,23+0,07x, график которой представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. График зависимости кислотности от времени брожения

3. Дисперсионный анализ

Для изучения влияния факторов, не имеющих количественного описания, на выходную функцию объекта используют дисперсионный анализ. Главным результатом такого анализа является определение, в какой мере существенно на фоне случайных погрешностей влияние того или иного фактора xi на отклик у.

Определим, существенно ли влияние периода года на показатель кислотности, используя данные средней кислотности за период с 2007 по 2012 год с учетом периода года. Следующие данные, указанные в таблице 1, были отмечены и усреднены лабораторией завода.

Производя вычисления по методике проведения дисперсионного анализа , было подсчитано три суммы квадратов отклонений, отражающих общее рассеивание, рассеивание внутри серии и между сериями опытов.

Таблица 1. Средняя кислотность хлеба

Дальнейшим шагом является непосредственно проверка существенности влияния фактора х, для чего находится дисперсионное отношение и полученное значение сравнивается с табличным (критическим).

Так как F>F0,05 (22>3,1), то влияние периода года на показатель кислотности оказывает существенное влияние. Хотя даже не производя расчета можно отметить, что средняя кислотность в летний период сравнительно выше, чем в холодный период года. Это связано с температурой в помещениях. Летом она значительно выше, так как на предприятии отсутствует система кондиционирования цехов. А при повышении температуры брожения процесс созревания теста ускоряется, повышается его кислотность, что и было отмечено в летнее время.

Таким образом, существует необходимость пересмотра модели объекта и оценки влияния всех возможных факторов на выходную величину.

4. Построение модели объекта на основе полного факторного эксперимента

На данном этапе исследования нам необходимо получить математическое описание статики объекта исследования, то есть получить уравнения связи отклика объекта Y и независимых управляемых входных переменных (факторов) Xi.

Представленная на рисунке 3 модель содержит n входов (параметров), влияющих на выходную величину Y.

Рисунок 3. Модель объекта

Методом «мозгового штурма» было предположено, что помимо влияния продолжительности брожения на кислотность готового изделия также влияет кислотность муки, входящей в ее состав. Кроме того, на предыдущем этапе анализа было доказано влияние температуры на выходную характеристику.

Таким образом, имеем 3 влияющих на объект фактора, что позволяет применить полный факторный эксперимент для построения математической модели.

) Кислотность муки. Кислотность муки - показатель качества муки, свидетельствующий о степени ее свежести. Кислотность обусловлена наличием белков, имеющих кислую реакцию, содержанием свободных жирных кислот и различных фосфорорганических соединений, в первую очередь фитина и фосфолипидов. При хранении муки изменяется ее общая и активная кислотность. Это связано с гидролитическими процессами, протекающими в высокомолекулярных соединениях муки.

На увеличение общей кислотности влияют выход и влажность муки, а также температура. Нарастание кислотности наиболее интенсивно происходит в течение первых 15-20 дней после размола зерна. При хранении муки, смолотой с примесью проросшего зерна или самосогревшегося, ее кислотность увеличивается быстрее, чем муки, смолотой из нормального зерна.

) Время брожения теста - параметр, который также напрямую влияет на кислотность хлеба, а как следствие и на его качество, так как при длительном брожении происходит ухудшение вкусовых качеств хлеба, хлеб становится кислым на вкус.

) Температура окружающей среды - параметр, который необходимо поддерживать в заданном диапазоне 26-32°, так как при изменении происходит ускорение процесса брожения теста либо наоборот тесто не успевает перебродить. При этом возможно перекисание или недостаточное брожение теста (моложавое), что в дальнейшем повлияет на качество хлеба.

При варьировании параметров, влияющих на кислотность хлеба, получили данные, представленные в таблице 2:

Таблица 2. Зависимость кислотности от параметров процесса

В результате работы была получена новая модель, учитывающая влияние всех факторов, а также их взаимодействие.

Данная модель имеет вид: Y=-4,2+0,3x1+0,1x2+0,3x3-0,002x2x3, где

Y - кислотность хлеба,

x1 - кислотность муки,

x2 - время брожения теста,

x3 - температура брожения теста.

5. Оптимизация режимных параметров

Главной задачей и конечной целью решения большого числа разнообразных исследовательских проблем управления, проектирования и планирования обычно является достижение и поддержание экстремальных, т.е. наилучших, показателей. В том числе, для нашего объекта необходимо определить, какие значения режимных параметров необходимо поддерживать для достижения высокого качества продукции.

Процесс нахождения и поддержания наилучших (в определенном смысле) значений целевой функции объекта называется оптимизацией.

Для расчета из множества методов был выбран метод Бокса-Уилсона как наиболее эффективный и помехозащищенный из всех существующих. С его помощью удалось определить численные значения показателей процесса.

Согласно полученным данным, оптимальное значение кислотности муки pH=6. При более высоком данном показателе кислотность теста становится выше. Однако, и при показателе ниже pH=6 возможно следующее несоответствие. Такой признак может говорить о порченности муки или наличии в муке химическиx веществ из разряда сильных окислителей, которые обычно применяют для так называемого отбеливания муки. Добавляют эти вещества, преследуя две цели, - отбелить муку и улучшить ее хлебопекарные качества.

Оптимальная величина температуры брожения теста, полученная по расчетам, 30°С. Такое число также не случайно, так как при более низкой температуре процесс замедляется и тесто остается «молодым», что влечет за собой неблагоприятные последствия, проявляемые в дефектах внешнего вида, а также пресный вкус хлеба. С другой стороны, повышение температуры ускоряет процессы, что как уже было отмечено, влечет за собой множество дефектов, являющихся на данный момент самыми распространенными.

Также на кислотность полуфабриката непосредственно влияет время брожения. Установлено, что оптимальное время брожения теста 90 минут. Данный показатель требует корректировки только в случае отклонения температуры брожения от установленной. При повышении температуры брожения необходимо уменьшить время брожения и наоборот, а также проводить дополнительную обминку теста.

Таким образом, данные, полученные в результате этой работы, являются необходимым оптимумом, при поддержании которого практически гарантируется, что выходная величина не будет превышать допустимого значения, а значит, качество продукции будет соответствовать требованиям.

хлеб кислотность математический модель

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Статистические методы планирования эксперимента представляют возможность описывать модели сложных объектов, эффективно оценивать значимость влияния того или иного фактора на объект исследования, а также находить наилучшие значения режимных показателей. Таким образом, при использовании данные методы, стало возможным достижение поставленной цели работы.

Для достижения ее были практически решены задачи нахождения модели объекта, степени влияния каждого фактора на выходную характеристику. Выявлено, что для поддержания показателя кислотности на заданном уровне, необходим более тщательный контроль входного сырья, а также контроль за поддержанием постоянной температуры (30°С) и временем брожения (90 мин) на этапе брожения теста, так как именно от этих показателей зависит значение выходного параметра.

Построенная модель достаточно точно описывает объект, все же существует множество неучтенных факторов, влияние которых невелико, однако при их совместном влиянии может заметно сказываться на качестве готовой продукции. Таким образом, данный предмет требует дальнейшего изучения с целью выявления влияния всех факторов и уточнения модели объекта.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.      Цыганова Т.Б. Технология хлебопекарного производства: Учеб. для нач. проф. образования: Учеб. пособие для сред. проф. образования. - М.: ПрофОбрИздат, 2012. - 432 с.;

2.      ГОСТ Р 52961-2008 Изделия хлебобулочные из ржаной и смеси ржаной и пшеничной муки. Общие технические условия;

3.      Ауэрман Л. Я. Технология хлебопекарного производства: Учебник. - 9-е изд.; псрераб. и доп. / Под общ. ред. Л. II. Пучковой. - СПб: Профессия, 2010. - 416 с., ил.;

.        Брожение теста при производстве хлеба. http://mppnik.ru/publ/khlebopekarnaja_i_makaronnaja_promyshlennost/brozhenie_testa_pri_proizvodstve_khleba_tekhnologija_i_oborudovanie/9-1-0-549

.        Планирование эксперимента. Конспект лекций.