Важнейшей технологической операцией на пищевых предприятиях, в значительной мере определяющей качество конечного продукта и оказывающей влияние на энергозатраты при его производстве, является измельчение, как исходных материалов, так и полуфабрикатов. Следует отметить, что все выпускаемые пищевые продукты предназначены для потребления человеком, следовательно, человек является последней ступенью измельчения в жизненном цикле продукта. Исследования процесса измельчения пищевых продуктов и сырья направлены на их дальнейшее рациональное промышленное применение, в частности, изготовление различных видов пищевой продукции, либо их утилизацию. Однако в литературе не уделено достаточно внимания процессу измельчения, как этапу, предшествующего перевариванию пищи в организме человека. Поэтому требуется дальнейшее развитие методов оценки эффективности процесса измельчения с учетом энергозатрат [2,3].
Анализ литературных данных [1,4,5,7] показал, что в современных технологиях и методах механические свойства твердых материалов в силу их неоднозначности невозможно использовать для получения строгих расчетных уравнений, определяющих энергетические затраты на дробление и измельчение. Поэтому существующая практика базируется на соотношениях, являющихся обобщением большого эмпирического опыта, использующегося в виде законов дробления.
В связи с этим работы по оценки эффективности процесса измельчения пищевых продуктов и сырья, совершенствования технологии и конструирования измельчающих устройств являются весьма актуальными.
Большинство известных жевательных проб в качестве тестового материала используют естественные пищевые продукты [1,2,6]. Однако, несмотря на кажущиеся удобства в использовании, они обладают рядом существенных недостатков: невозможно гарантировать одинаковые свойства продуктов от эксперимента к эксперименту, их консистенция меняется в зависимости от времени года и географического положения, не поддается учету количество абсорбируемой в размельченных частицах влаги.
С развитием современной техники появилась возможность получать качественные изображения поверхности материалов в цифровой форме [7]. Полученные оптические изображения необходимо достаточно быстро и адекватно обрабатывать. Этот процесс очень трудоемкий и может занимать достаточно продолжительное время. В этой связи применение автоматизированных методов весьма актуально.
Разработка инновационного метода корреляции цифровых изображений, позволяющей автоматически обрабатывать оптические изображения поверхности материала, последовательно зафиксированных в процессе измельченияпозволит измерять (вычислять) его необратимую деформацию, упрости и ускорит этот процесс.
Материалы и методы исследования
Ранее известные методики изучения характера измельчения пищевых продуктов в полости рта с использованием законов измельчения сложны в исполнении и не дают интегрального показателя, характеризующего жевательный эффект [5,7]. Некорректные постановки задач и неправильные оценки полученных результатов могут приводить к неграмотным выводам по выбору возможного варианта лечения, что может отразиться осложнением заболевания, ухудшением общего состояния организма пациента.
Разработка и использование оригинального тестирующего устройства позволит оперативно и эффективно провести анализ эффективности жевательного процесса, учитывающий индивидуальные особенности пациента, связанные с происходящими биохимическими процессами.
В итоге будет реализован принципиально новый подход, который в отличие от известных, включает не только автоматизированные прочностные расчеты моделей, но и систематизированную последовательность действий по принятию решений о возможном варианте стоматологического лечения.
Основой для создания модели, с помощью которой будет проводиться расчет состояния системы, должны быть достоверные сведения о геометрических параметрах восстанавливаемой области, механических свойствах тканей и материалов, участвующих в построении модели, развиваемые в полости рта усилия, т.е. физических характеристиках сегмента челюсти. Кроме общепринятых геометрических и функциональных характеристик челюсти, на практике существует масса отклонений полости рта, которые также являются состояниями нормы (различное количество корней, индивидуальные особенности прикуса и др.). Следовательно, для создания полноценной взаимосвязанной системы необходимо учитывать как общие, так и индивидуальные особенности полости рта конкретного пациента посредством применения определенных методик моделирования процесса жевания , что возможно осуществить в тестирующем устройстве.
Можно выделить блок-схему (рис. 1), на которой показаны этапы процесса моделирования технологического процесса с последующим проведением компьютерного эксперимента в их взаимосвязи.
Рис. 1. Этапы процесса моделирования моделей технологического процесса
Использование данной методики позволит учесть все многообразие факторов, влияющих на процесс измельчения в ротовой области индивидуума
Экспериментальный комплекс. Из уровня техники известно изобретение «Модель, имитирующая процесс жевания и метод анализа для оценки сенсорного восприятия пищи, в частности запаха» [31]. Устройство имитирует процесс жевания твердых и полутвердых продуктов в полости рта человека, для изучения физико-химических и биохимических процессов взаимодействия пищи с рецепторами обоняния, происходящих в процессе измельчения пищи. В результате аппарат позволяет получить изображение, соответствующее запаху измельченной еды. Для этого пища помещается в герметичную камеру между двумя пластинами, которые перемещаются относительно друг друга и измельчают пищу, имитируя процесс жевания. Мембрана, связанная с движением одной из пластин и непрерывным газовым потоком, имитирует движения щек человека. Образуемые при этом запахи измельчаемой пищи отводятся от центра и стенок устройства в ловушку и/или к хроматографу, для анализа состава получившего газа.
Однако данная конструкция не учитывает изменение запаха в зависимости от степени измельчения продукта. Пища, измельченная посредством двух пластин, скорее всего, не будет соответствовать консистенции аналогичной пищи, измельченной в нормальных условиях зубочелюстной системы человека, меняя достоверность эксперимента.
Существует аппарат, имитирующий тепловые и механические нагрузки на зубочелюстную систему, состоящий из испытательной камеры, в которую помещаются образцы зубов или зубных материалов. При помощи воздуха образцы перемещаются из верхней части в нижнюю, притом угол перемещения образца может быть изменен. Температура в испытательной камере может быть изменена в диапазоне от 5 до 55 °С при помощи воды. Прикладываемые нагрузки и температура аналогичны естественным условиям внутриротовой области человека, что позволит использовать аппарат для тестирования различных стоматологических материалов, например зубных пломб или зубной техники.
Для моделирования процессов, происходящих в ротовой области человека, была спроектирована конструкция (рис. 2) с возможностью легкой очистки от остатков пищи и замены зубного ряда, простого способа имитации жевательных движений, измельчения как полужидких, так твердых продуктов, а так же возможностью изменять условия измельчения, такие как температуру, давление, движение воздуха, ph среды, движения языка и щек. Для контроля за этими показателями необходим ряд датчиков, объединенных в систему по контролю за процессом, а так же использование газового хроматографа и рефрактометра для оценки изменения показателей пищевого комка. Такая конструкция позволит объединить в одном устройстве возможность анализа пищевых продуктов, их запахов после измельчения для исследования изменения комплекса характеристик процесса измельчения, а так же создать устройство, для тестирования стоматологических материалов- пломб, протезов, а так же апробации новых материалов и конструкции без угрозы здоровья человеку.
Рис. 2 Разработанное тестирующее устройство для имитации жевательного процесса: 1 – Корпус; 2 – подача воздуха, 3 – имитатор языка, 4 – направляющая, 5 – фиксатор, 6 – нижний поддон, 7 – стержень с резьбой и амортизатором, 8 – имитатор нижних зубов, 9 – шток привода управления, 10 – датчик температуры, 11 – имитатор неба, 12 – воздушные трубки для подачи воздуха, 13 – трубки подачи жидкости, 14 – электропривод, 15 – съемная крышка, 16 – имитатор верхних зубов, 17 – отверстие для датчика ph-метра, 18 – спирали ТЭНов
Имитация жевательного процесса осуществляется за счет взаимодействия крутящего момента и возвратно-поступательных движений элементов механизмов. Для обеспечения постоянного нахождения измельчаемого продукта в рабочей камере и установки заданной скорости движения жевательной пробы или пищевого продукта используется сжатый воздух (поз. 12). Увлажнение пищи и поддержание уровня ph (функция слюны) обеспечивается распылением жидкости посредством форсунки, установленной в верхней зубоиммитационной части внутренней зоны устройства (поз.13), подача которой осуществляется самотеком на распылительный элемент конструкции. Имитация температуры ротовой полости осуществляется за счет нагрева двух ТЭНов, установленных симметрично в верхней части имитационного тестирующего устройства (поз.18 ). На поз.10 представлен датчик температуры, подающий непрерывный сигнал о температуре в рабочей камере аппарата.
В устройство жевательные пробы или пищевые продукты загружаются на имитатор неба путем открытия блокировочного механизма и поднятия крышки корпуса (поз.15). На крышке корпуса установлена форсунка для распыла слюнной жидкости, представляющая собой вращающийся диск с лопатками, через которую осуществляется самораспыл. Блок сменных ортопедических изделий крепится на поверхность зубоимитационного диска. Посредством штока диск (поз.9), с блоком изделий для измельчения пробы или продукта подводится на направляющие (поз.4), расположенные на имитаторе неба (поз.11). В верхней части устройства расположен зубоиммитационный диск (поз.16) совершающий возвратно поступательные движения с установленным на его поверхности вторым комплектом ортопедических средств. При этом комплект ортопедических средств, представляет собой заданный специалистом набор имплантатов зубов, вкладок, протезов, шин. Необходимое усилие на измельчение пищи контролируется с помощью фиксаторов (поз.5), регулирующих давление оказываемое стержнями с резьбой и амортизаторами (поз.7) на имитатор неба (поз.11) с расположенным на нем имитатором зубов. При включении электродвигателя происходит подача атмосферного воздуха из элементов перфорированной верхней крышки корпуса в направлении центра устройства, происходит распыл слюнной жидкости и движение дисков, измельчающих попадающую на их поверхность пищу. Перемещение пищи по камере достигается направленным движением воздуха. Регистрирование показателей процесса тестирования ортопедических средств достигается посредством наличия термопар в центральной части имитатора ротовой полости. Происходит периодическое измерение ph посредством погружения щупа ph-метра через перфорированные элементы крышки аппарата (поз.17). Движение языка и щек воспроизводятся имитатором зубов и направленным потоком воздуха соответственно. Стержень с резьбой и амортизатором предназначен для работы для имитации работы языка. Через шток привода управления подаются возвратно-поступательные движения на нижний имитатор зубов. После совершения необходимого количества рабочих движений (определяется исходя из назначения ортопедических средств), продукт извлекается для анализа способом, аналогичным загрузке.
Анализ степени измельчения осуществляется с помощью микроскопа с функцией подключения к компьютерному устройству. Качество измельчаемой пищевой пробы обеспечивается применением ситового анализа и/или оптическим методом анализа изображений.
Библиографическая ссылка
Нугманов А.Х.-Х., Никулина М.А. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 9-2. – С. 25-28;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5824 (дата обращения: 24.04.2024).