Разработка оборудования для производства модифицированного пищевого крахмала

УДК 664.2 
ББК 36.85 
Л52 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, генеральный директор ООО «ПРОТЕИН ПЛЮС»  
Красильников В. Н.; 
доктор биологических наук, профессор кафедры торгового дела и товароведения  
Санкт-Петербургского государственного экономического университета  
Алиева А. К. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Леу, А. Г.  
Л52  
Разработка оборудования для производства модифицированного пищевого крахмала : монография / А. Г. Леу, Г. В. Алексеев, В. В. Литвяк. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 136 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-2140-9 
 
Рассмотрены вопросы построения технологической линии производства модифицированного пищевого картофельного крахмала. Сделана попытка представить такую 
линию в виде системы трех важнейших подсистем: «хранения», «подготовки» и «модифицирования». Для каждой из этих подсистем предложены математические модели 
как аналитического, так и эмпирического вида, которые проверены для наиболее важных случаев экспериментально.  
Для практических работников при организации или модернизации соответствующих производств. Будет полезна студентам старших курсов и аспирантам, работающим в научных направлениях, связанных с изучением процессов и аппаратов в рамках 
научного направления «Пищевые системы». 
 
УДК  664.2 
ББК   36.85 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2140-9 
” Леу А. Г., Алексеев Г. В., Литвяк В. В., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

ʽ̛̣̣̖̦̖̐̌̏ 
 
Предисловие ............................................................................................................... 5 
 
Введение ...................................................................................................................... 7 
 
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМ ПЕРЕРАБОТКИ 
СЫРЬЯ В МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ПИЩЕВОЙ КРАХМАЛ .................. 12 
1.1. Общие свойства и структурные особенности крахмала ........................... 12 
1.2. Особенности получения и свойства модифицированного 
пищевого крахмала .............................................................................................. 24 
1.3. Возможности применения принципов системного подхода 
при создании технологических линий производства 
модифицированного крахмала 
............................................................................ 28 
 
Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДСИСТЕМ ПОДГОТОВКИ 
КАРТОФЕЛЬНОГО СЫРЬЯ К ПЕРЕРАБОТКЕ ............................................ 34 
2.1. Исследование тепло- и массопереноса 
при хранении картофельного сырья с наличием очагов самосогревания 
...... 34 
2.1.1. Объект и методы моделирования ........................................................... 34 
2.1.2. Особенности влияния тепломассопереноса на сырье при хранении ... 36 
2.2. Исследование процесса измельчения картофельного сырья 
.................... 41 
2.2.1. Объект и методы моделирования ........................................................... 41 
2.2.2. Особенности влияния свойств картофеля на эффективность 
его измельчения 
.................................................................................................. 42 
 
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 
ПЕРЕРАБОТКИ КАРТОФЕЛЯ 
В МОДИФИЦИРОВАННЫЕ КРАХМАЛЫ ...................................................... 46 
3.1. Особенности процесса подготовки картофельного сырья 
к переработке ........................................................................................................ 46 
3.1.1. Объект и методы исследований 
.............................................................. 46 
3.1.2. Влияние на процесс подготовки сырья к получению 
картофельного крахмала условий его измельчения  ...................................... 51 
3.2. Изучение процесса модифицирования картофельного крахмала ............ 56 
3.2.1. Объект и методы исследований 
.............................................................. 56 
3.2.2. Особенности и режимы влияния постоянного магнитного поля 
на свойства крахмала ......................................................................................... 57 
3.2.3. Особенности комплексного влияния физических полей 
на процесс модифицирования 
........................................................................... 68 
 
 
3 
 

Глава 4. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОСТРОЕНИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ  
МОДИФИЦИРОВАННОГО ПИЩЕВОГО 
КАРТОФЕЛЬНОГО КРАХМАЛА  
...................................................................... 79 
4.1. Современное состояние комплектации и эксплуатации линий 
крахмалопаточных производств ......................................................................... 79 
4.2. Принципы системного подхода при создании технологических линий 
для производства модифицированного пищевого крахмала 
........................... 81 
4.3. Схемы устройств для оборудования линии и возможная технология 
производства модифицированных пищевых крахмалов 
.................................. 87 
 
Заключение ............................................................................................................. 115 
 
Список литературы 
............................................................................................... 116 
 
Объекты интеллектуальной собственности, созданные 
при выполнении работ, положенных в основу монографии ........................ 127 
 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
..................................................................................................... 128 
Приложение 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ 
ПО КОМПЛЕКСНОМУ ВЛИЯНИЮ ПМП И УЗ НА СВОЙСТВА МК ..... 128 
Приложение 2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА 
ПО КОМПЛЕКСНОМУ ВЛИЯНИЮ ПМП И УЗ НА СВОЙСТВА МК ..... 129 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 

ʿ̨̛̛̬̖̭̣̖̔̏ 
 
Основное содержание книги скомпоновано в разделы, позволяющие проследить логику выполнения исследований и закономерность полученных результатов. Этими разделами являются: 
Введение, в котором произведено обоснование актуальности исследования, а также сформулированы его цель и задачи для достижения новизны и практической ценности результатов, изложены важнейшие положения, предложенные к защите. 
В главе 1 «Современное состояние систем переработки сырья в моди- 
фицированный пищевой крахмал» осуществлен аналитический обзор современного состояния проблем получения пищевого модифицированного крахмала. 
Проанализированы общие свойства и структурные особенности крахмала, а также 
особенности получения и свойства модифицированного пищевого крахмала, сделан акцент на возможности применения принципов системного подхода при создании технологических линий производства модифицированного крахмала.  
Особенное внимание обращено на опыт компаний, давно и успешно действующих в области производства модифицированных крахмалов, например, 
на достижения шведской компании SSF, Sveriges Stlrkelseproducenter F|rening 
(часто называемой Lyckeby). 
Опыт такого рода фирм говорит о том, что значительная часть успехов 
в снабжении населения разнообразными продуктами питания, в том числе с использованием модифицированных крахмалов, зависит от принимаемых концепций в той или иной области пищевой промышленности. Вместе с тем возможность принятия таких концепций базируется на системном подходе, предполагающем специальный выбор из наличия соответствующего перерабатывающего 
оборудования. 
В главе 2 «Моделирование подсистем подготовки картофельного сырья 
к переработке» изложены основные теоретические подходы, используемые в работе для выявления возможных путей решения поставленной цели и задач.   
В качестве конкретной задачи, для которой эти подходы использовались, 
явилось исследование тепло- и массопереноса при хранении картофеля с на- 
личием очагов самосогревания, в частности, особенности влияния тепломассо- 
переноса на картофель при хранении и исследование процесса измельчения 
картофельного сырья, в рамках изучения особенности влияния свойств картофеля на эффективность его измельчения. 
Глава 3, основой которой явились описания экспериментальных иссле- 
дований переработки картофеля в модифицированные крахмалы и результатов 
изучения особенностей процесса подготовки картофельного сырья к переработке, 
касающиеся, в частности, влияния на процесс получения картофельного крахмала 
режимов и аппарата для его измельчения.  
5 
 

Результаты исследования процесса влияния на нативный картофельный 
крахмал постоянного магнитного поля позволили выявить особенности и режимы комплексного влияния магнитного и ультразвукового полей на процесс 
модификации крахмала. 
Глава 4 с описанием возможностей систематизации процесса построения 
технологической линии для получения модифицированного картофельного пищевого крахмала, где изложены сведения о современном состоянии комплектации и эксплуатации линий крахмалопаточных производств, принципы системного подхода при создании технологических линий для производства модифицированного пищевого крахмала. Приведены описания вновь разработанных схем 
устройств для оборудования технологической линии производства модифицированных пищевых крахмалов, большинство из которых являются оригинальными и защищены в установленном порядке патентами РФ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 

ʦ̛̖̖̦̖̏̔ 
 
В условиях современной мировой рыночной ситуации в сфере производства продуктов питания обострилась необходимость поиска инновационных технологий и систем оборудования, охватывающих все этапы производства модифицированных крахмалов пищевого назначения. Этого требует обеспечение рационального природопользования при расширении ассортимента указанных 
продуктов, что подтверждено включением соответствующих работ в «Стратегию развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Фе- 
дерации до 2020 года» (Распоряжение Правительства Российской Федерации 
№ 559-р от 17.04.12 г.), а также в «Стратегию повышения качества пищевой продукции на период до 2030 года» (Распоряжение Правительства РФ № 1364-р 
от 29.06.2016 г.) и Программу фундаментальных и прикладных исследований 
Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции РАСХН 
на 2010–2030 годы. Ее основная задача – «Разработать научные основы систем 
технологического обеспечения хранения и комплексной переработки сельскохозяйственного сырья при производстве экологически безопасных конкурентоспособных пищевых продуктов общего и специального назначения». 
Существенный вклад в развитие различных вопросов теории тепломассо- 
обменных и механических процессов при создании аппаратов для отечественной пищевой продукции, в том числе применения различных видов крахмала 
и его производных, внесли следующие отечественные и зарубежные ученые. 
Н. Р. Андреев в своих работах исследовал структуру, химический состав 
и технологические свойства основных видов крахмалсодержащего сырья и обосновал основы производства нативных крахмалов. 
В. В. Литвяк посвятил ряд работ исследованию фундаментальных процессов преобразования картофельного сырья при получении из него модифицированных крахмалов.  
А. А. Славянский в ряде трудов осветил проблемы инновационных технологий и оборудования для производства модифицированных крахмалов.  
Е. И. Кипрушкина исследовала проблемы послеуборочной обработки плодоовощной продукции. 
И. Ю. Потороко и А. А. Руськина заложили в своих работах основы воздействия ультразвукового поля при экстракции биологически активных веществ 
из растительного сырья и модификации крахмала для изменения его технологических характеристик. 
Balunkeswar Nayak, Jose De J. Berrios, Juming Tang изучали влияние обработки пищевых продуктов на гликемический индекс (ГИ) на основе картофеля. 
В настоящее время успешно ведутся исследования по разработкам ресурсосберегающих технологий и оборудования для получения безопасного в пи- 
щевом отношении крахмала с заранее прогнозируемыми структурой и составом 
полисахаридов. 
7 
 

Такие исследования часто носят узковедомственный характер, что препятствует проведению корректных оценок общих потерь сырья на пути «поле» – 
«потребительский стол» и решению важной народнохозяйственной задачи по рациональному природопользованию. Проведение системных разработок такого 
рода требует установления функциональных связей между объектами сформированных или выявленных структур и соответствующих технологии и оборудования для успешной их реализации. 
Целью книги является обсуждение и рекомендации по совершенствованию процесса модифицирования картофельного крахмала с применением принципов системного подхода. 
Для достижения поставленной цели на основе анализа возможной общей 
структуры научных исследований, установления функциональных связей между ее объектами и с учетом степени влияния выявленных факторов на устойчивость этих связей могут быть сформулированы следующие задачи исследований:  
1. Выявить современное состояние систем переработки картофеля в модифицированный пищевой крахмал на основании анализа патентной и специальной литературы. 
2. Осуществить моделирование тепло- и массопереноса при хранении картофеля с наличием очагов самосогревания. 
3. Аналитически описать процесс измельчения картофельного сырья. 
4. Экспериментально исследовать влияние на процесс подготовки сырья 
к получению картофельного крахмала условий его измельчения. 
5. Выполнить экспериментальные исследования с построением эмпирических моделей физико-механического влияния на процесс получения картофельного нативного крахмала. 
6. Экспериментально исследовать комплексное воздействие ультразвукового и постоянного магнитного полей на процесс модификации картофельного 
крахмала. 
7. Предложить принцип для реализации системного подхода при создании 
технологических линий и отдельные устройства для производства картофельного модифицированного пищевого крахмала.  
8. Апробировать полученные в ходе выполнения указанных задач результаты в реальных условиях, на различных стадиях получения картофельного модифицированного крахмала или при его использовании для приготовления продуктов пищевого назначения.  
Все исследования, описанные в настоящей работе, опираются на кинетические и динамические закономерности процедур переноса тепловой энергии 
и вещества, их анализ, базирующийся на основных законах естествознания, 
а также на основе опытных данных, полученных по определенным методикам 
в процессе трансформации картофельного сырья в модифицированный пищевой крахмал. При получении этих данных использованы специализированные 
методические и инструментальные средства, адаптированные к изучению рационального природопользования. При моделировании реализуемых процессов 
и анализе построенных моделей использованы современный математический 
8 
 

аппарат, в частности, центрально композиционное ротатабельное планирование 
эксперимента, а также программное обеспечение в виде пакета прикладных программ Mathcad.  
Представляется целесообразным обратить в книге внимание на то, что  
1. Предлагается модель подсистемы «хранение» картофельного сырья в виде зависимостей и графиков, определяющих распределение теплоты в зоне очага 
самосогревания. 
2. Определены условия воздействия на картофель измельчительного инструмента при предварительной подготовке, подтвержденные экспериментально. 
3. Показана возможность торможения деградации разорванных фрагментов крахмальной цепочки для более полного использования их реакционных 
способностей при формировании кристаллических структур на основании совместного влияния полей УЗ и ПМП на процесс модификации крахмала. 
4. Предложен принцип и алгоритм для реализации системного подхода 
при системном формировании технологических линий для производства модифицированного крахмала. 
Теоретическая значимость описанных исследований состоит в комплексном анализе влияния условий тепломассопереноса с учетом возникновения очагов самосогревания в массе картофельного сырья, находящегося в условиях хранения, и получении расчетных и графических зависимостей для определения времени начала активного вентилирования. 
Проведенный анализ позволил получить соотношения, характеризующие 
тепломассоперенос внутри насыпи картофеля, для упрощенных граничных условий, допускающих изолированность боковых стенок хранилища от передачи тепла при практически отсутствующем переносе тепла и влаги через его основание. При этом дополнительно считают, что такая передача между отдельными 
элементами насыпи может быть реализована только путем теплопроводности. 
Проведенное моделирование процесса хранения картофеля в условиях активного вентилирования свидетельствует о том, что его эффективность с точки зрения ресурсосбережения существенным образом зависит от реализуемых технологических режимов. К ним относятся температура (с ее повышением увеличивается влажность и падает тургор клубня) и начальная упругость клубней 
(обеспечивающая эффективность его очистки и измельчения). При этом следует 
отметить, что если в первом случае принципиально ход процесса не изменяется, 
лишь сам он ускоряется, то во втором случае существенно меняется силовое взаимодействие между отдельными клубнями и рабочим органом измельчительного 
или очистительного устройства. 
Выявлен синергетический эффект совместного действия постоянного магнитного поля и ультразвукового поля, обеспечивающий более полное дробление 
крахмальных цепочек и повышение активности формирования кристаллических 
структур, отвечающих за потребительские свойства крахмала.  
При проведении описанных исследований выявлена системная взаимосвязь между отдельными этапами производства модифицированного крахмала 
в виде последовательности подсистем: «хранение», «подготовка» и «получение» 
9 
 

модифицированного крахмала, обеспечивающей рациональное использование 
картофеля. Определены особенности тепломассобменных и физико-механи- 
ческих процессов, происходящих при измельчении картофеля, для получения 
из него крахмала с последующей модификацией, что позволяет осуществить 
разработку новых устройств при достижении поставленной цели. Результаты 
реализованы в виде ряда технических решений, защищенных патентами РФ на 
изобретения № 2650554 «Устройство для измельчения пищевых продуктов», 
№ 2646233 «Устройство для очистки овощей и корнеплодов от кожуры» и патентами на полезные модели № 205832 «Устройство для изготовления модифицированных крахмалов», № 205091 «Устройство для распылительной сушки 
суспензий» и № 204881 «Устройство для тонкого измельчения крахмалосодержащего сырья».  
К числу наиболее важных для понимания путей затронутой проблемы следует отнести такие результаты, как: 
1. Теоретические модели при рассмотрении тепломассобменных процессов в среде при ее нахождении в первой подсистеме – «хранение». 
2. Эмпирические модели связи качественных показателей картофельного 
сырья с воздействием на него измельчительных органов во второй подсистеме 
«подготовка к переработке». 
3. Эмпирические модели комплексного воздействия ПМП и УЗ на подготовленное сырье в третьей подсистеме «получение крахмала».  
4. Принцип и алгоритм системного построения технологических линий 
по производству модифицированных крахмалов. 
5. Технические решения для реализации подсистем, входящих в систему 
переработки картофеля в модифицированный крахмал. 
Достоверность полученных результатов подтверждается проверкой на адекватность построенных эмпирических моделей экспериментальным данным, сходимостью полученных решений математической модели с данными опытных и 
натурных испытаний в установленных пределах (10 ) и тем, что они не входят 
в конфликт с результатами работ известных из реализуемых другими исследователями разработок.  
Ряд результатов описанных исследований были опробованы в овощехра- 
нилище «Кировского рынка», г. Санкт-Петербург, на Кондитерском комбинате 
АО «Невские берега» г. Санкт-Петербурга и в учебном процессе Военной академии материально-технического обеспечения.  
Апробация полученных в работе результатов была выполнена в докладах, 
обсуждении и публикациях ряда научно-технических конференций и конкурсов 
международного уровня: «Исследование возможностей ресурсосберегающего из- 
мельчения овощей и корнеклубнеплодов в пищевых производствах». В сбор- 
нике: Лучшее научное эссе 2023. Сборник материалов международного конкурса. 
Москва, 2023. – С. 19–22; «Цифровизация системного проектирования техно- 
логических линий по производству продуктов питания». В сборнике: Актуальные вопросы естественнонаучных и технических дисциплин. Сборник мате- 
риалов XXI-ой международной очно-заочной научно-практической конферен10 
 

ции. Москва, 2023. – С. 40–43; «Системный подход к инновациям как основа 
рационального природопользования в пищевых системах». В сборнике: Инно- 
вационные научные исследования: гуманитарные и точные науки. Сборник материалов X-ой международной очно-заочной научно-практической конференции. Москва, 2022. – С. 82–93; «Возможности интенсификации производства 
модифицированных крахмалов». В сборнике: НАШ ВЫБОР – НАУКА. Сборник материалов Международного научно-исследовательского конкурса. Петрозаводск, 2022. – С. 13–22; «Пути повышения качества продуктов переработ- 
ки крахмалсодержащего пищевого сырья». В сборнике: ACADEMIC SUCCESS 
2022. Сборник материалов Международного научно-исследовательского конкурса. Петрозаводск. 11.05.2022–11.05.2022. – С. 18–56. 
Основное содержание книги базируется на 6 статьях, из них 3 опубликова- 
но в изданиях, рецензируемых Scopus, 3 опубликовано в журналах Russian Science 
Citation Index, и 10 патентах РФ, представляющих результаты интеллектуаль- 
ной деятельности. Методологические рекомендации о системном построении технологических линий по производству модифицированных крахмалов доведены 
до программы построения их на ЭВМ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
11