Алгоритм математического моделирования формирования помольных смесей и создание базы данных по фотометрическим характеристикам зерна пшеницы
Разнокачественность партий зерна усложняет и снижает эффективность процесса переработки, требует корректировки режимов работы технологических систем, приводит к выработке муки с различными показателями качества.
Одним из основных действенных технологических приемов, позволяющих направленно изменять свойства зерна, а, следовательно, регулировать качество муки, является формирование помольных смесей.
Формирование помольных смесей - придание сырью определенных свойств, позволяющих осуществлять выработку стандартной продукции и требуемого выхода муки, обеспечивающих равномерное и рациональное использования зерна за счет экономного расходования высококачественного зерна и рационального использования зерна пониженного качества, устойчивость режима размола зерна на предприятии, исключающих необходимость в переналадке технологического оборудования [1, 5]. Основное условие успешного проведения формирования помольных смесей (смешивания) - объективный «диагноз» партий, предназначенных для переработки и разработка рецептуры смесей [1, 5, 6].
В настоящее время большинство мукомольных предприятий различной производительности и различных форм собственности перешли на выработку и отпуск муки по белизне, взамен зольности [7]. В случае контроля качества только готовой продукции по белизне полученная измерительная ин формация с точки зрения управления качеством муки является мало полезной, т.к. повлиять на формирование показателей качества муки (при их отклонении за пределы норм) уже нет возможности. Белизна муки формируется буквально на всех этапах производства муки, начиная от этапа формирования помольных смесей зерна пшеницы, подготовки зерна к помолу и заканчивая формированием сортов муки по белизне. До настоящего времени мукомольные предприятия по показателю белизна проводят оперативный контроль и управление технологическим процессом производства муки, формирование сортов муки и отпуск муки по этому показателю.
Однако на этапе формирования помольных смесей зерна только отдельные предприятия формирование проводят с учетом белизны компонентов.
Разнообразие типов и сортов зерна пшеницы, наличие зерна, поврежденного неблагоприятными погодными условиями, послеуборочной обработкой и хранением, приводят к значительной разнокачественности зерна по фотометрическим и цветовым характеристикам. Разнокачественность зерна пшеницы подтверждена фундаментальными исследованиями ВНИИЗ, проведенными в течение многих лет, по изучению фотометрических характеристик зерна пшеницы разного качества - здорового и поврежденного [8,9] с широким диапазоном основных показателей, характеризующих хлебопекарные свойства муки [3].
Работа проведена на зерне товарной пшеницы I, III, IV типов с показателями: массовая доля клейковины от 19,0 до 32,0 при среднем значении 24,8%, качество клейковины от 27 до 115 ед. ИДК при среднем значении 71 ед. ИДК и по числу падения пределы колебаний составили 180^450 с при среднем значении - 313,7 с. Также изучены фотометрические характеристики эндосперма, цельносмолотого зерна и отрубей различных сортов пшеницы. Изучено более 80 проб зерна пшеницы, из них: 70 - 75% проб - здоровое зерно, 9 проб - зерно, подвергшееся сушке при разных режимах, 8 - проросшее и смесь здорового с проросшим, 5 - зерно, поврежденное рисовым долгоносиком (I, III, IV и V степеней зараженности), 2 пробы - со 100% содержанием обесцвеченных зерен и одна проба, пораженная клопом-черепашкой.
Динамика изменения фотометрических характеристик зерна (измельченного) пшеницы различного качества, его анатомических частей (эндосперма) и муки высшего сорта по годам представлена на рисунке 1.
Примечание – по оси абсцисс диаграмм указаны временные промежутки проведения исследований:
1 – 2001 год – здоровое;
2 – 2006-2012 гг. – здоровое;
3 – 2006-2010 гг. – повреждённое;
4 – 2010 г. – производственная проверка нормативов на зерне 2009 г.;
5 – 2010 г. – урожай 2010 г. (аномально жаркое лето).
Анализ динамики изменения фотометрических характеристик зерна пшеницы различного качества по годам (2001 - 2012) показал значительное ухудшение (понижение) этих характеристик (рисунок 1), что согласуется с результатами исследований ученых ВНИИЗ по изучению технологических свойств зерновых ресурсов [3, 4], отмечающих устойчивую тенденцию к понижению качества, выражающуюся в снижении производства пшеницы высших классов и увеличении в валовом сборе доли зерна 4-го и 5-го классов.
На основе проведенных исследований сформирована база (банк) данных по пробам зерна различного качества, содержащая информацию по физико-химическим показателям зерна, по белизне и выходам муки с систем, отобранной при лабораторных помолах зерна на лабораторной мельнице фирмы Бюлер, сформированных до постоянного выхода сортов муки, а также по качеству хлеба.
Фрагмент из созданной базы (банка) данных по отдельным пробам муки представлены в таблице 1.
Таблица 1. Фрагмент пополняемой базы данных с информацией по показателям качества зерна пшеницы и его фотометрическим характеристикам
Предложена модель программного обеспечения полученной базы (банка) данных, предназначенная для обработки и передачи информации многим потребителям (рисунок 2), что дает возможность пользователям не только обмениваться исходными данными, объединять данные, полученные на различных предприятиях, но и способствует образованию представительных выборок, необходимых для создания централизованной базы данных. Продавец зерна и Производитель муки, перешедший на выработку и отпуск муки по белизне, взамен зольности, чрезвычайно заинтересованы располагать данными, представленными в Пополняемом банке (базе) по фотометрическим характеристикам зерна пшеницы, продуктов его размола и получаемых при этом выходах муки.
Предложена модель программного обеспечения полученной базы (банка) данных, предназначенная для обработки и передачи информации многим потребителям (рисунок 2), что дает возможность пользователям не только обмениваться исходными данными, объединять данные, полученные на различных предприятиях, но и способствует образованию представительных выборок, необходимых для создания централизованной базы данных. Продавец зерна и Производитель муки, перешедший на выработку и отпуск муки по белизне, взамен зольности, чрезвычайно заинтересованы располагать данными, представленными в Пополняемом банке (базе) по фотометрическим характеристикам зерна пшеницы, продуктов его размола и получаемых при этом выходах муки.
На основании математической обработки экспериментальных данных по фотометрическим характеристикам зерна пшеницы и алгоритма формирования помольных смесей по белизне разработана математическая модель способа формирования помольных смесей с учетом белизны продуктов размола зерна [10].
Математическая модель формирования помольных смесей зерна основана на решении симплекс-методом систем линейных уравнений с учетом:
- поправочных коэффициентов, учитывающих неаддитивность белизны, определенных экспериментально;
- нормативов (ограничений) на белизну цельносмолотого зерна;
- нормативного значения белизны муки высшего сорта заданного выхода;
- критерия оптимизации, выбранного для конкретного предприятия.
Белизна муки не подчиняется закону аддитивности [2]. Поправочные коэффициенты, учитывающие неаддитивность белизны при смешивании компонентов с различной белизной, и установленные экспериментально зависимости их величин от содержания в смеси темного компонента и разницы в белизне смешиваемых компонентов представлены на рисунке 3. Чем больше разница в белизне смешиваемых компонентов, тем больше величина поправки и максимального значения она достигает при содержании темного - 0,4 (40%). Установленные величины поправок в % коэффициента отражения для использования на практике при расчетах рецептуры помольных смесей имеются в лаборатории Института.
Необходимым условием реализации расчета рецептуры помольной смеси с учетом белизны является уравнение смешивания по белизне для измельченного зерна и продуктов его размола. Для возможности использования любого вида приборов для измерения белизны муки все ниже приведенные уравнения даны в % коэффициента отражения и усл. ед. РЗ-БПЛ:
1. На белизну смеси цельносмолотого зерна, характеризуемую спектральным коэффициентом отражения (3):

2. На белизну смеси муки высшего сорта, соответствующую плановому выходу для предприятия, и определяемую по кумулятивной кривой «белизна-выход», она не должна превышать значений предельных норм белизны сорта (4):

В неравенствах 3, 4 спектральные коэффициенты отражения и белизна смесей могут быть определены для зерна, муки из нижеследующих уравнений (5, 6) соответственно:
В зависимости от бизнес-стратегии предприятия расчет необходимо производить по различным критериям (например, критерий минимизации стоимости помольной смеси при заданных ограничениях; критерий минимизации отклонения качества от эталона для получения продукции стабильного качества [5, 6]).
В качестве критерия оптимизации нами принят показатель, применение которого направлено на улучшение качества и повышение однородности муки по белизне [10]. За оптимальный вариант выбрали тот, при котором разница в белизне муки первого сорта, рассчитанной как средневзвешенная для каждого из вариантов (на основе экспериментально определенной белизны муки первого сорта каждого компонента), и белизны, планируемой для района, - минимальна. Планирование для любого района страны белизны муки первого сорта должно исходить из задач: рациональное использование зерна, перерабатываемого в районе, и получение продукции стабильного и высокого качества.
Критерий оптимизации (7):
практических расчетов), а также в случае, если при расчете участвуют показатели качества, которые при смешивании подчиняются закону аддитивности (клейковина, стекловидность), решение по такой модели может осуществляться методами линейного программирования.
Требования (ограничения) на белизну зерна помольной смеси (таблица 2) определили расчетным путем. В качестве исходных данных для расчета использовали:
- нормы белизны на сорта муки (ГОСТ Р 52189-2003);
- выход муки по сортам (выборочно по отдельным видам помолов, предусмотренных «Правилами организации и ведения технологического процесса на мукомольных заводах») [11], а также достигнутый предприятиями с отбором высшего сорта до 65% при трехсортном 75% помоле.
Расчет проводили по уравнению смешивания бинарных смесей при следующем выборе компонентов: высший сорт-первый; высокие сорта - второй; общая мука - отруби. Так как в настоящее время - время рыночных отношений - предприятие-производитель муки гибко реагирует на спрос потребителя - при расчетах белизну высшего сорта принимали на уровне 56,0 усл. ед. и 60,0 усл. ед., белизна отрубей принята на уровне - 40,4% коэф. отр. (экспериментально определена по 17 пробам отрубей).
Таблица 2. Рассчитанные ограничения по белизне для формирования помольных смесей при переработке зерна по традиционным схемам помола
Нормативы к качеству помольных смесей по фотометрическим характеристикам, обеспечивающим выработку муки, стандартной по белизне, разработаны на основе:
- анализа и математической обработки информации созданного пополняемого банка данных по фотометрическим характеристикам;
- разработанной математической модели формирования помольных смесей;
- установленных наиболее значимых для формирования помольных смесей взаимосвязей между белизной сформированных сортов муки и белизной цельносмолотого зерна и его анатомических частей (эндосперма) (рисунок 4);
- требований к помольным смесям, полученных расчетным путем (таблица 2).
На рисунке 4 представлены зависимости белизны эндосперма и муки высшего сорта от белизны цельносмолотого зерна, характеризируемые высокими коэффициентами корреляции.
Формирование помольных смесей зерна пшеницы с белизной цельно смолотого зерна свыше 66,0% коэффициентов отражения и белизной эндосперма свыше 58,0 усл. ед. РЗ-БПЛ является обязательным условием выпуска стандартной муки по показателю белизна.
На рисунке 1 горизонтальной чертой, параллельной оси абсцисс, обозначены нормативы для эндосперма и цельносмолотого зерна для получения муки высшего сорта, стандартной по белизне с показанием 54,0 усл.ед. РЗБ-ПЛ.
Классификация зерна по фотометрическим характеристикам представлена в таблице 3.
Для получения цельносмолотого зерна разработана методика, обеспечивающая крупность измельченного продукта на уровне крупности муки 2-ого сорта, регламентированную стандартом. При измерении белизны цельносмолотого зерна пшеницы измеряется смесь эндосперма с оболочками, содержание которых в зерне по данным Scott S.H. колеблется от 11,7% до 14,3%, видного российского ученого Е.Д.Казакова на долю плодовых семенных оболочек и алейронового слоя приходится от 12,4% до 17,7%.
Оценку белизны эндосперма предлагается проводить по белизне муки с лучшей системы (как правило, с 1 размольной), полученной при проведении лабораторных помолов каждого компонента зерна. Проведение лабораторных помолов при формировании помольных смесей предусмотрено «Правилами организации и ведения технологического процесса на мукомольных заводах» [11]. Повторяемость результатов лабораторных помолов по выходам муки с систем, по общему выходу 0,5% и показателям белизны муки с систем, сформированным сортам муки - 1,0 усл. ед. РЗ-БПЛ, что равно допускаемой величине сходимости (повторяемости), регламентируемой ГОСТ 26361-2013.
Предлагаемая модель (методика) не отбрасывает уже имеющиеся разработанные и внедренные методики, а является как бы надстройкой над ними. Предполагается, что практическая реализация методики будет осуществлена в виде автоматизированной компьютерной систем.
По результатам производственной проверки требований к помольной смеси по фотометрическим характеристикам, проведенной на 9-ти мукомольных заводах установлено, что на мукомольных заводах получена стандартная по показателям белизны мука различных сортов (таблица 4) при заданных выходах, например, для муки хлебопекарной высшего сорта выход находился в диапазоне от 45,45% до 57,04%. При этом белизна цельносмолотого зерна при производственной проверке, определенная по «сухой» пробе находится соответственно в диапазоне 65,4-69,0% коэффициентов отражения при среднем значении 66,5%.
Математическая модель по показателю белизна проста, оперативна и точна в смысле использования современного измерительного оборудования, позволяющего экспрессно и с высокой точностью определять качество исходного сырья, готовой продукции.
Список литературы
1. Карпов В.И., Морев С.Н. Применение математических методов и ЭВМ для оптимизации составления помольных партий зерна на мелькомбинате // Применение вычислительной техники и электроники в пищевой промышленности. - М., 1979. - С. 51-63.
2. 2. Мамбиш И.Е. Взаимосвязь белизны смеси муки и ее компонентов /И.Е. Мамбиш, А.Т.Птушкин, Н.Б.Гержой, О.А. Новицкий, Т.С. Штейнберг // Мукомольно-элеваторная и комбикормовая промышленность. - 1973. - №8. - С. 21-24.
3. Мелешкина Е.П. Развитие системы оценки хлебопекарных свойств зерна пшеницы при его производстве и переработке: автореферат дис. доктора техн. наук: 05.18.01 /Мелешкина Елена Павловна. -М., 2006. -55 с.
4. Мелешкина Е.П. Комплексное решение вопросов оценки качества зерна мягкой пшеницы // Научные основы хранения и переработки зерна в современных условиях // Монография к 80-летию ГНУ ВНИИЗ Россельхозакадемии. - М: Типография Россельхозакадемии, 2008. - С. 397-400.
5. Новицкий В.О. Оптимизация управления и планирования производства для повышения конкурентоспособности мукомольно-крупяных предприятий // Сб. материалов VII съезда мукомольных и крупяных предприятий России. - М: МПА, 18-20 апреля 2006 г.
6. Новицкий В.О., Мерцалов А.Н. Повышение эффективности мукомольных компаний на основе современных методов и систем автоматизации планирования сырьевых ресурсов // Сб. материалов VIII съезда мукомольных и крупяных предприятий России. - M.: МПА, 25-26 сентября 2008 г.
7. Штейнберг Т.С., Оценка сортности муки по показателю «Белизна» /Т.С. Штейнберг, Л.И.Семикина, О.Г.Шведова, О.В.Морозова // Хлебопродукты. - 2011. - №2. - С.46-47.
8. Штейнберг Т.С. Фотометрические свойства зерна пшеницы и формирование помольных смесей с учетом белизны // Нивы России: Сб. материалов второго Всероссийского конгресса. - 2003. - С. 181-186.
9. Штейнберг Т.С. Влияние сушки на фотометрические характеристики зерна, показатели качества муки и хлеба /Т.С.Штейнберг, В.Ф. Сорочинский, Е.П. Мелешкина //Хлебопродукты. - 2010. - №2. – С.46-49.
10. Штейнберг Т.С. Влияние сушки на фотометрические характеристики зерна, показатели качества муки и хлеба /Т.С.Штейнберг, В.Ф. Сорочинский, Е.П. Мелешкина //Хлебопродукты. - 2010. - №3. – С.47-49.
11. Штейнберг Т.С. Математическая модель формирования помольных смесей с учетом фотометрических характеристик зерна пшеницы различного качества / Т.С. Штейнберг, Л.И. Семикина, О.Г. Шведова, О.В. Морозова // Хлебопродукты. — 2013.— №5. - С. 54-57.
12. Правила организации и ведения технологического процесса на мукомольных заводах //М.: ЦНИИТЭИ хлебопродуктов. - 1991. -Часть 1.- 75 с.
13. Правила организации и ведения технологического процесса на мукомольных заводах //М.: ЦНИИТЭИ хлебопродуктов. - 1991. -Часть 2. -53 с.
Т.С. Штейнберг, к.т.н., Шведова О. Г. ФГБНУ«ВНИИЗ»
Статья опубликована в сборнике:
Инновационные технологии производства и хранения материальных ценностей для государственных нужд: междунар. сб. науч. ст. Вып. IV / ФГБУ НИИПХ Росрезерва; под общ. ред. С.Е. Уланина. – М.: Галлея-Принт, 2015. – С. 267-285.