автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и научное обеспечение процесса сушки плодов смородины черной в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом

На правах рукописи

ВИНИЧЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПЛОДОВ СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ В ВАКУУМ-АППАРАТЕ С СВЧ-ЭНЕРГОПОДВОДОМ

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 э !-;:он го м

005549914

Воронеж-2014

005549914

Работа выполнена на кафедре МАПП (Машины и аппараты пищевых производств) ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий».

Научный руководитель: Заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Антипов Сергей Тихонович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Официальные оппоненты: Пеленко Валерий Викторович

доктор технических наук, профессор, заместитель директора по учебной работе ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Лавров Сергей Вячеславович

кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной энергетики ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный аграрный университет имени императора Петра I», г. Воронеж

Защита диссертации состоится «03» июля 2014 года в 10 часов 00 минут на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, Воронеж, пр-т Революции, д. 19, конференц зал.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим присылать ученому секретарю совета Д 212.035.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ». Полный текст диссертации размещен в сети «Интернет» на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» www.vsuct.ru. Автореферат размещен в сети «Интернет» на официальном сайге Министерства образования и науки РФ: www.vak2.ed.gov.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» www.vsuet.ru.

Автореферат разослан «30» апреля 2014 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01,

доктор технических наук, профессор / £ У Калашников Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии со стратегией развития сельского хозяйства России, в целях обеспечения населения полноценной и дешевой «продовольственной корзиной», особое внимание должно уделяться вопросам производства тех культур, которые в наибольшей степени приспособлены к местным условиям.

Базовой культурой в современном ягодоводстве является смородина черная, при возделывании которой достигнут максимальный уровень механизации, включая уборку урожая.

Смородина чёрная — широко распространённая ягодная культура в мире, производство ягод которой в год составляет около 1300... 1350 тыс. т и сосредоточено в основном в Польше и Германии. Объемы производства смородины черной в России составляют 220...250 тыс. т в год. Посевная площадь сельскохозяйственных организаций и фермерских хозяйств составляет 4...4,5 тыс. га. В ЦЧР посевные площади смородины черной сосредоточены в Острогожском, Мичуринском и Жердевском плодопитомниках.

Так как конечной целью сельхозпроизводителей является не все возрастающие объемы производства продукции, а реализация ее по наиболее выгодной цене, то в связи с этим, особое значение имеют вопросы по послеуборочной переработке ягод, их сортировка, упаковка, продление периода реализации — все это позволяет существенно повысить конкурентоспособность продукции и получить больший доход. Поэтому сушка ягод, как способ сбережения урожая, находит все большее применение.

На сегодняшний день существует несколько промышленных технологий сушения плодов смородины черной: конвективная, кондуктив-ная, сублимационная, инфракрасная, высокочастотная. Особого внимания заслуживает технология высокочастотной сушки, т.к. эта технология обезвоживания позволяет сохранить витамины и другие биологически активные вещества исходного продукта. Высушенные ягоды обладает хорошими потребительскими свойствами, при этом не содержит консервантов, т.к. воздействие электромагнитных волн сверх высокой частоты уничтожает вредную микрофлору в продукте, благодаря чему он может сохраняться около года без специальной тары, в условиях, которые исключают образование конденсата. Все эти факторы позволяют сделать вывод о том, что применение СВЧ-энергоподвода для сушки ягод смородины черной позволяет производить сушеные продукты высокого качества.

В ягодах смородины черной наиболее витаменозных сортов содержатся, провитамин А (каротин), витамины группы В, значительное количество Р-активных веществ, а также большое количество фолиевой кислоты (витамина Вс до 0,25 мг%) и РР (никотиновая кислота).

Наиболее ценным компонентом плодов смородины черной является - витамин С. Его содержание в плодах составляет от 200 до 300 мг %. Так как сушка плодов смородины черной сопряжена с увеличением температуры продукта, что неминуемо приводит к потерям витамина С, то необходимыми требованиями современного способа сушки является снижение температуры высушиваемого продукта, и интенсификация процесса обезвоживания. Применение вакуума совместно с СВЧ-энергоподводом при сушке ягод позволяет достичь требуемых показателей качества готового продукта и значительно интенсифицировать процесс.

Исследованию процессов сушки дисперсных продуктов посвящены труды отечественных ученых A.B. Лыкова, A.C. Гинзбурга, В .И. Муштаева, П.А. Ребиндера, П.Д. Лебедева, К.Г. Филоненко, И.Т. Кретова, С.Т. Антипова, Б.С. Сажина, Ю.И. Шишацкого, A.A. Шевцова, А.Н. Острикова, Б.И. Леончика, В.Е. Кузанова, Ю.И. Смольского, A.A. Гухмана, В.В. Красникова, М.Ф. Казанского, A.A. Долинского, В.П. Дущенко, В.И. Кречетова, П.Г. Романкова и др.

При рассмотрении основных возможностей для совершенствования процесса сушки ягод смородины черной нами был сделан вывод о том, что качественная и эффективная сушка может быть реализована только при использовании вакуума в сушильной камере и современных прогрессивных технологий подвода тепловой энергии к высушиваемому материалу.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование процесса вакуумной сушки плодов смородины черной с использованием СВЧ-энергоподвода и совершенствование на этой основе процесса и оборудования для его осуществления.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- экспериментальное исследование свойств плодов смородины черной как объекта сушки;

- разработка математической модели процесса вакуумной сушки плодов смородины черной с СВЧ-энергоподводом;

- разработка программного обеспечения ЭВМ для осуществления процесса сушки плодов смородины черной на основании проведенного математического моделирования;

— исследование кинетики процесса сушки плодов смородины черной в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом;

- исследование и оценка основных факторов, оказывающих наибольшее влияние на процесс сушки;

— статистическое определение рациональных режимов работы экспериментальной сушильной установки;

- проведение сравнительной качественной оценки плодов смородины черной, высушенных в вакуумной СВЧ-сушилке;

- разработка технологической линии производства сушеных ягод смородины черной;

— разработка конструкции непрерывной вакуумной сушилки с использованием СВЧ-энергоподвода;

— разработка загрузочно-дозировочного устройства карусельного типа вакуумных установок.

Научная новизна. Исследовано влияние влажности и температуры плодов смородины черной на их теплофизические и электрофизические свойства, как объекта сушки.

Исследованы формы связи влаги с материалом плодов смородины черной.

Разработана математическая модель процесса вакуумной сушки плодов смородины черной с СВЧ-энергоподводом.

Установлены кинетические закономерности процесса сушки плодов смородины черной в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом. По результатам планирован™ эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных установлено влияние различных факторов на кинетику процесса сушки.

Проведено комплексное исследование качественных показателей плодов смородины черной, высушенных в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом.

Практическая значимость работы. На основании исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях, показана целесообразность применения вакуум-аппарата с СВЧ-энергоподводом для сушки плодов смородины черной.

Разработана технологическая линия производства сушеных ягод и порошка из них. Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2503240. Разработана конструкция непрерывной вакуумной сушилки с использованием СВЧ-энергоподвода. Разработано загрузоч-но-дозировочное устройство карусельного типа вакуумных установок.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (с 2011 по 2014 гг.).

Результаты работы экспонировались на Межрегиональных выставках с международным участием (с 2009 по 2013 гг.) и были отмечены 4-мя дипломами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 204 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков и 16 таблиц. Список литературы включает 112 наименований. Приложения к диссертации представлены на 23 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства ягод смородины черной, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные о плодах смородины черной, их свойствах, химическом составе, о современном состоянии теории, техники и технологии производства сушеных ягод, проанализированы существующие способы хранения и переработки ягод. Приведен обзор установок для проведения тепломассообмена с использованием СВЧ-энергоподвода. Уделено внимание взаимодействию электромагнитных полей сверхвысокой частоты с пищевыми продуктами. Проанализированы существующие подходы к математическому описанию переноса теплоты и массы при сушке продуктов с СВЧ-энергоподводом.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы, обоснован выбор объекта исследования, определены методы решения поставленных проблем.

Во второй главе приводятся данные, характеризующие свойства плодов смородины черной как объекта сушки, методы их определения для научно-практического анализа процесса сушки.

Для научного обоснования рациональных методов обработки и оптимальных режимов процесса, инженерного расчета процесса и аппаратов, а также создания современных систем автоматического регулирования были исследованы теплофизические, электрофизические характеристики, а также формы связи влаги в плодах смородины черной.

По методу, разработанному В.С. Волькенштейн, в зависимости от относительной влажности плодов смородины черной в интервале 10...80 % и температуры в интервале 293...353 К определены: коэффициент температуропроводности а, коэффициент теплопроводности Л и удельная теплоемкость с.

На всем интервале влажности и температуры величины возрастают: с = 2,04.. .4,11кДж/(кг-К), а= (8,2..,1б,2)х10-8м2/с, Д= 0,069...0,693Вт/(мК).

После статистической обработки экспериментальных данных с учетом значимости коэффициентов получены эмпирические уравнения, отражающие связь теплофизических характеристик плодов смородины черной с влагосодержанием IV и температурой продукта Т:

с = 20103+ 1966 • 1п ГГ+414-(1г^Г)2 + 7518-1пГ+836-(1п7*)2; (1)

а = 20 + 6,5 • 1п IV - 0,36 • (1п IV)2 - 0,05 - (1п ¡У)' + 0,05 • Г + 3,96 • Тг - 10"8; (2) Л = -143,3 - 0,04 • + 49 • 1п Г — 4,2 - (1п 7*)2 + 0,01 -IV-Ъ Т. (3)

Методом сравнения, в зависимости от влажности и температуры были определены диэлектрические характеристики, в частности коэффициент диэлектрических потерь е" плодов смородины черной. Установлено, что коэффициент диэлектрических потерь е" плодов смородины черной с ростом их относительной влажности от 10 до 80 % увеличивается в интервале значений 3,11—15,01, в то же время, уменьшаясь с ростом температуры плодов.

Получено уравнение, описывающее зависимость электрофизических характеристик плодов смородины черной от их влагосодержания IV и температуры Т:

е =18,7 + 0,33-^—0,13-7"-9-^—4-Г' +3,3-^-Г2 +6,8•И'2 - Т. (4) Методом термического анализа и посредством анализа изотерм десорбции исследованы формы связи влаги в плодах смородины черной. Установлено, что в плодах присутствует значительное количество физико-механической связанной влаги с различной энергией связи. Это позволяет сделать вывод, что для сушки плодов смородины черной до относительной влажности не более 10 % целесообразно использовать способ вакуумной сушки с СВЧ-энергоподводом.

В третьей главе предложено математическое описание процесса вакуумной сушки плодов смородины черной с СВЧ-энергоподводом при следующих допущениях: в пределах одного элемента вещество считается сплошной средой; элементы движутся по законам классической динамики, механически взаимодействуя между собой и с поверхностями контейнера; элемент является однородным: объемная плотность, влажность, температура одинаковы в пределах всего элемента; механическое взаимодействие между элементами носит линейный вязкоупру-

гий характер; механические свойства материала зависят только от пяти параметров элементов (диаметр, масса, коэффициенты жесткости, вязкости, ограничения взаимодействия); распространение тепла описывается уравнением теплопроводности в общепринятой форме; температура и влажность окружающей среды вблизи слоя плодов является постоянной в процессе моделирования.

Процесс сушки плодов смородины черной является чрезвычайно сложным, поэтому к математической модели процесса предъявляются высокие требования. В процессе сушки плоды уменьшаются в объеме ориентировочно в 3...4 раза, существенно изменяются физические характеристики (некоторые - на несколько порядков) как отдельного плода, так и слоя плодов в сушильной установке. В работе разработана математическая модель процесса сушки, обладающая высокой детализацией и высокой адекватностью, базирующейся на общепринятых уравнениях сушки, но использующей в полной мере вычислительные возможности современных компьютеров.

Описание в модели формы плода и структуры слоя плодов. Для того чтобы модель обладала высоким пространственным разрешением, моделируемый слой плодов состоит из 20...50 отдельных плодов, при этом каждый плод, в зависимости от диаметра, разбивается приблизительно на 100 отдельных элементов (рис. 1). Элементы плодов по своим физическим свойствам делятся на три типа (кожура, мякоть, семена). Поэтому в целом, с точки пространственной детализации, слой плодов состоит из 2000...5000 элементов. Элементы имеют возможность двигаться в процессе сушки по законам классической механики, что приводит к изменению, как формы отдельных плодов, так и структуры всего слоя плодов. В частности, в модели воспроизводится

уменьшение в объеме плода и сморщивание его поверхности, уменьшение толщины слоя плодов и исчезновение просветов между плодами.

в г

Рис. 1. Плоды черной смородины (а, е) и их представление в модели (б, г), а, б - до сушки; в, г — после сушки.

Уравнения движения элементов составляются на основе второго закона Ньютона:

Jх, Ä т, —^ = >

d,+d, (х,-х,) d,+d, С (—-'—г)—-- + к (г-----4>\-v„), Г.

S Ч _ I, ч л в Ч" t

d,+d.

J + J

о, г.. а ' ' +М„;

(5)

d2I, гА

4-5JT--W+Z

ГГ «/.+J. (г-г ) </.+«/, </,+</, ,

d, +d. 0. r. +

Описание в модели основных процессов тепло- и влагопере-носа. Описание процессов тепло- и влагообмена между элементами, а также между элементами и окружающей средой базируется на основе общепринятых уравнений сушки A.B. Лыкова. Уравнения сушки капиллярно-пористого тела в векторной форме может быть записано следующим образом:

Cs--e— = V(ZVT) - C(DVW + DtVT)VT + Qcm (fV, Г); dt et

(1 - e)— = V(dv]V)+V{DtVT\ dt

(6)

Уравнения (5) для процесса СВЧ-сушки плодов смородины черной является чрезвычайно сложным, и не допускают аналитического решения путем введения сколько-нибудь обоснованных допущений, так как большинство переменных в уравнениях являются функциями, как координат, так и времени.

Общую систему уравнений, описывающую процесс СВЧ-сушки плодов смородины черной можно записать следующим образом:

cs(?, - е= V(;.(r-, ,)VT(f,,)) - ФЛФ, i) + DT (г, /)V7<?, фт{г,,) + вач(гЛ

(1 - «fc')) = V(D(?. <)) + v(Dr (r. <)vr(?, ,)},

et

J2x,

d,+d. (*,- O d,+d,

d,+d, 0, r>—+

d +d

d'z, £

2

d. +d.

—+Л/.

0. r, >-- + &d,;

Начальные условия:

Начальная температура всех элементов плодов одинакова и равна комнатной температуре: Т,° =ТК= 20° С ■ Начальная влажность всех

элементов плодов одинакова и равна = 1¥а = 80%. Начальные координаты элементов плодов определяются алгоритмом начального размещения. Начальные скорости механического движения элементов равны нулю: =0, V® =0.

Граничные условия:

Механическое движение элементов ограничено границами модельного пространства. Те элементы, которые выходят за границы модельного пространства, возвращаются в него. Так, например, если координата Х| элемента превысит длину модельного пространства Ьх, производится коррекция координаты и скорости элемента: если Xi > ¿х, то х, = /_,„; ум = — у». Граничные условия для задач тепло- и влагопереноса задаются уравнениями (7, 8).

Математическая модель описывает процесс сушки плодов смородины черной, поэтому имеет большое число параметров, доступных к изменению. Среди них выбраны три наиболее важных технологических параметра, влияющих на производительность и качество сушки: мощность СВЧ-излучения Р, толщина слоя плодов А, давление окружающей среды р.

Из выходных показателей модели наиболее важными являются три функции от времени: зависимость средней влажности слоя от времени ГГср(<), зависимость скорости изменения средней влажности от времени

срОУсИ, зависимость средней температуры слоя от времени Гср(0-Расчет перечисленных функций производится по формулам:

(8)

А';

(9)

(10)

(П)

Результаты математического моделирования представлены на рис. 2-4.

Рис. 2. Влияние подводимой СВЧ-мощности Р на временные зависимости влажности (а), скорости сушки (б) и температуры (в): 1 - Р=750 Вт, 2 - Р = 455 Вт; 3 - Р = 160 Вт.

Рис. 3. Влияние толщины слоя плодов на временные зависимости влажности (а), скорости сушки (б) и температуры (в): 1 - Ь = 0,005 м; 2 - Ь=0,015 м; 3 - Ь=0,025 м.

Рис. 4. Влияние давления окружающей среды на временные зависимости влажности (а), скорости сушки (б) и темпершуры (в): 1 - р = 50 кПа; 2-р=75кПа;3-р= 100 кПа.

Разработанная математическая модель СВЧ-сушки плодов смородины черной воспроизводит широкий круг механических и тепловла-гообменных процессов, происходящих с высушиваемым материалом, изменение формы плода и структуры слоя плодов в процессе сушки. Модель позволяет оценить эффективность СВЧ-сушки в различных режимах и различном состоянии плодов и слоя плодов.

В четвертой главе представлено описание экспериментальной установки, методика проведения экспериментальных исследований, приведены результаты исследований по определению кинетики сушки плодов смородины черной в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом с использованием математических методов планирования эксперимента, найдены оптимальные режимы процесса

сушки плодов смородины черной, представлены результаты сравнительного анализа качества плодов смородины черной, высушенных в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом.

Для исследования влияния параметров процесса сушки на качество получаемого продукта

и обоснования режима сушки плодов смородины черной было выполнено математическое планирование эксперимента, позволяющее варьировать одновременно все факторы и получать количественные оценки эффектов их взаимодействия.

Исследования влияния режимных параметров на процесс сушки плодов смородины черной проводились на экспериментальной установке, представленной на рис. 5.

Для постановки опытов было применено центральное композиционное униформ-ротатабелъное планирование и выбран полный факторный эксперимент типа 23. На основании проведенных теоретических исследований и литературных данных из множества факторов, влияющих на процесс сушки, для исследования были выбраны следующие: высота слоя продукта Ь, СВЧ-мощность Р, давление в сушильной камере р. Все изучаемые факторы были совместимы и некоррелированы между собой.

Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями процесса сушки плодов смородины черной и конструктивными характеристиками сушильной установки. Выбор критериев оценки у обусловлен их наибольшей значимостью для процесса сушки.

Так у/ — удельные энергозатраты на килограмм испаренной влаги — определяет энергоемкость процесса и является одним из важных

Рис. 5. Схема экспериментальной установки: 1 — камера вакуумная; 2 - рама, 3 - система удаления паров; 4 — вакуумный насос; 5 - пульт управления насосом; 6 -блок управления; 7 - манометр, 8 - магнетрон; 9 - вентилятор; 10 — смотровое окно, 11 — сетка металлическая.

показателей, оценивающий его энергетическую эффективность, (кВт ч)/кГвЛ; у2 - напряжение объема сушильной камеры по испаренной влаге - определяет производительность процесса, и напрямую связана с его скоростью, кгвл/(м3 ч).

После статистической обработки данных с учетом значимости коэффициентов получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс сушки плодов черной смородины под влиянием исследуемых факторов:

у, = 2,71 + 0,18 -.V, + 0,34 • х2 +0,26-я, -0,19-.х; -0,15х; - (12) - 0,03 ■ х,2 + 0,05 -х,-х2+ 0,01 • х, • х, + 0,02 • х2 • х3;

уг = 23,51 - 0,69 • х, + 0,24 • х2 + 0,31 • х3 - 0,07 • х* -

-1,04 • х\ -1,42 ■ х\ + 0,37 ■ х, • х2 + 0,8 - х, • х3 + 0,79 • х2 • х3.

где хь хг, Хз - соответственно высота слоя плодов смородины черной, СВЧ-мощность, давление в сушильной камере представленные в кодированной форме.

Анализ уравнений регрессии (12), (13) позволил выделить факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс сушки.

Влияние высоты слоя плодов смородины черной на кинетику

сушки и температуру нагрева в процессе сушки представлено на рис. 6 и 7.

Из графиков видно, что высота слоя оказывает существенное влияние на скорость сушки, что подтверждает результаты многих исследователей.

Проведенные экспериментальные исследования процесса обезвоживания плодов смородины черной показали, что с уменьшением высоты слоя скорость сушки в первом периоде возрастает. Это связано с тем, что градиент влагосодержания, препятствующий движению влаги к поверхности, уменьшается.

1Г

0 10 2« 30 40 50 60 70 80 90

1 ! 5 I о-1.4

<М'

с!т

10 15 2(1 25 30 35 40 45 50

Рис. 6. Кривые сушки и скорости сушки плодов смородины черной:

1.4 - Ь=0,005м, р=0,75 кПа, Р=455 Вт;

2.5 - Ь=0,015м, р=0,75 кПа, Р=455 Вт;

3.6 - Ь=0,025м, р=0,75 кПа, Р=455 Вт.

Во втором периоде (падающей скорости) влияние на скорость влагоудаления незначительно, так как по мере высыхания толщина слоя

уменьшается, и скорость сушки повышается.

Так же увеличение высоты слоя продукта в сушильной камере оказывает влияние на производительность сушилки и вызывает повышение энергозатрат на процесс обезвоживания, в свою очередь уменьшение высоты слоя позволяет существенно интенсифицировать процесс сушки.

Анализ кривых изменения температуры смородины черной при различной высоте слоя (рис. 7) показал, что данный параметр оказывает влияние на температуру продукта. Период прогрева плодов смородины черной характеризуется резким скачком температуры за считанные минуты. Это обусловлено особенностями воздействия СВЧ-энергии на диэлектрический материал -исследуемый продукт. Дальнейший рост температуры в период постоянной и падающей скорости сушки носит линейный характер.

В одинаковые периоды времени значения температур на графиках разнятся. Это обусловлено различной величиной температурного градиента, обратно пропорционально зависящего от расстояния между изотермическими поверхностями. Соответственно с уменьшением высоты слоя

10 15 20 25 30 35 40 45 50

Рис. 7. Температурные кривые плодов смородины черной:

1 -11=0,005м, р=0,75 кПа, Р=455 Вт;

2 - Ь=0,015м, р=0,75 кПа, Р=455 Вт;

3 - 11=0,025м, р=0,75 кПа, Р=455 Вт.

IV----— %

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

—у-.---, /О

. Л I !ИИ

IV

|

с/Г

10 15 20 25 30 35 40 45 50

Рис. 8. Кривые сушки и скорости сушки плодов смородины черной:

1.4 -11=0,015м, р=0,75 кПа, Р=750 Вт;

2.5 - Ь=0,015м, р=0,75 кПа, Р=455 Вт;

3.6 - 11=0,015м, р=0,75 кПа, Р=160 Вт.

продукта, при прочих равных условиях, расстояние между изотермическими поверхностями уменьшается.

Исходя из вышеизложенного, следует, что при сушке плодов смородины черной высота слоя продукта является важным показателем, который необходимо учитывать при выборе оптимальных параметров процесса.

Влияние подводимой СВЧ-мощности на кинетику сушки и температуру нагрева плодов смородины черной представлено на рис. 8 и 9.

Полученные кривые свидетельствуют о том, что подводимая СВЧ-мощность является наиболее существенным фактором, влияющим на скорость сушки плодов смородины черной.

Следует отметить, что подводимая СВЧ-мощность оказывает влияние на соотношения периодов постоянной и убывающей скоростей сушки. С повышением СВЧ-мощности не наблюдается снижение критического влагосодержания. Скорость сушки прямо пропорционально зависит от подводимой СВЧ-мощности.

Из анализа температурных кривых, (рис. 9) следует, что применение более низкой СВЧ-мощности обеспечивает большую равномерность теплового воздействия в течение всего процесса.

Заметим, что при воздействии максимальной мощности исследуемый продукт достигает температуры более 373 К, что неизбежно приводит к снижению его качественных показателей. Так же чрезмерное увеличение мощности может привести к возникновению объемного напряженного состояния внутри материала, связанному с неравномерным распределением влагосодержания, образованию трещин и разрушению структуры смородины черной.

Поэтому при выборе оптимальных значений СВЧ-мощности следует ориентироваться на более мягкие режимы работы магнетрона.

3X3 373 363 353 343 333 323 313 303 293

1

- 3

1_ _

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Рис. 9. Температурные кривые плодов смородины черной:

1 - Ь=0,015м, р=0,75 кПа, Р=750 Вт;

2 - Ь=0,015м, р=0,75 кПа, Р=455 Вт;

3 - Ь=0,015м, р=0,75 кПа, Р=160 Вт.

И"

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

90: 80!, 70 60!-50 40

_(__

| 4- Гг-3

!

4

1 /5 р

\

■ Л

,л\>

•/г

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Рис. 10. Кривые сушки и скорости сушки плодов смородины черной:

1.4 - Ь=0,015м, р=0,50 кПа, Р=455 Вт;

2.5 -11=0,015м, р=0,75 кПа, Р=455 Вт;

3.6 -11=0,015м, р=100 кПа, Р=455 Вт.

Влияние величины давления на кинетику сушки и температуру нагрева плодов смородины черной в процессе сушки представлено на рис. 10 и 11.

Из графиков видно, что величина давления влияет на изменение скорости

влагоудаления. Так, например, снижение давления со 100 кПа до 50 кПа приводит к снижению времени сушки плодов смородины черной на 28%. Так как создание вакуума сопряжено с повышенными энергозатратами, то снижение давления в камере следует ограничивать небольшими значениями,

руководствуюсь экономической целесообразностью данного процесса.

Из анализа температурных кривых (рис. 11) следует, что величина давления также сказывается на температуре высушиваемого материала. Отметим, что при снижении давления в камере с атмосферного до 50 кПа температура продукта в процессе сушки снижается 12 на градусов.

По регрессионным моделям (12), (13) были построены инженерные номограммы для определения режимных параметров процесса, а также поставлена и решена многокритериальная задача оптими-

; 383 373 363 353 343

1 323 ! 313 | 303 - 293 283

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

г -----------мин

Рис. 11. Температурные кривые плодов смородины черной:

1 - 11=0,015м, р=0,50 кПа, Р=455 Вт;

2 -11=0,015м, р=0,75 кПа, Р=455 Вт;

3 -11=0,015 м, р=100 кПа, Р=455 Вт.

зации, которая была сформулирована следующим образом: найти такие режимы работы сушильной установки, которые бы в широком диапазоне изменения входных параметров обеспечивали минимум удельных энергозатрат на испарение из продукта одного килограмма влаги и максимальное напряжение объема сушильной камеры по испаренной влаге.

Поиск оптимальных режимов процесса показал, что для выходных параметров в качестве рациональных должны быть приняты следующие интервалы значений: высота слоя плодов смородины черной 0,005...0,009 мм; мощность подводимого СВЧ-излучения 250...450 Вт; давление в сушильной камере 56...75 кПа.

Проведен анализ качественных показателей плодов смородины черной, высушенных на экспериментальной вакуумной установке с СВЧ-энергоподводом. Анализируя полученные в результате исследований данные можно прийти к выводу, что вакуумная сушка плодов смородины черной с СВЧ-энергоподводом не оказывает существенного влияния на суммарное содержание аминокислот. Потери аминокислот в процессе сушки не превышают 10 %. Так как аминокислоты устойчивы к повышению температуры, то основные потери в процессе сушки обусловлены вытеканием клеточного сока в результате разрушения кожуры плода. Согласно полученным данным содержание витамина С в высушенных плодах смородины черной составляет 301,25 мг/100 г.

В результате проведенных исследований установлено, что плоды смородины черной, высушенные в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом имеют высокую пищевую и энергетическую ценность.

В пятой главе на основании результатов исследования была разработана технологическая линия для производства сушеных ягод и порошка из них, разработана конструкция вакуумной сушилки непрерывного действия с СВЧ-энергоподводом (рис. 12), разработано загрузочно-дозировочное устройство карусельного типа вакуумных установок (рис. 13).

Рис. 12. Вакуумная сушилка непрерывного действия с СВЧ-энергоподводом:

1 - корпус, 2 - патрубок, 3 - загрузочный бункер, 4 - загрузочный запорный вентиль, 5 - запорный вентиль, 6 - загрузочная воронка, 7 - ленточный сетчатый конвейер, 8 - каркас, 9 - устройство для регулирования высоты слоя продукта, подаваемого на сушку, 10 - СВЧ-излучатель, 11 - щелевой волновод, 12 - поглотители СВЧ-энергии, 13 - смотровые окна, 14 - направляющая, 15 - накопитель сухого материала, 16 - сборник для брака.

Рис. 13. Загрузочно- дозировочное устройство карусельного типа вакуумных установок:

1-корпус,

2-шлюзовая заслонка,

3-бункер для загрузки сыпучего материала,

4-загрузочный барабан,

5-разгрузочный барабан,

6-приводной вал,

7-вилка,

8-ось,

9-ролик,

10-загрузочный паз,

11-металлический кожух,

12-вакуумируемая камера.

а дша/уп-насса/

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Исследованы теплофизические характеристики плодов смородины черной: удельная теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, в интервалах влажности 10.. .80 % и температуры 293.. .353 К.

2. Определены зависимость коэффициента диэлектрических потерь плодов смородины черной от их влажности в интервале 10.. .80 % и температуры в интервале 293.. .353 К.

3. Построены изотермы десорбции плодов смородины черной, которые позволяют определить энергетические формы связи влаги с материалом и равновесную влажность, необходимую для выбора режима хранения.

4. Разработана математическая модель процесса вакуумной сушки плодов смородины черной с СВЧ-энергоподводом, отличающаяся высокой пространственной и временной детализацией, содержащая уравнения деформации и движения плодов. Получено программное обеспечение на ЭВМ для расчета созданной модели.

5. Изучены механизм и основные кинетические закономер1юсги процесса сушки плодов смородины черной в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом.

6. Выявлено, что основными факторами, влияющими на процесс сушки плодов смородины черной: высота слоя продукта, подводимая СВЧ-мощносп>, давление в камере. Получены следующие рациональные режимы сушки: высота слоя плодов 0,005...0,009 м, подводимая СВЧ-мощность 250...450 Вт и давление в камере 56...75 кПа.

7. Выполнены исследования показателей качества. Полученные результаты показали отсутствие негативных изменений качественного состава плодов смородины черной, высушенных в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом.

8. Разработана технологическая линия производства сушеных ягод, конструкция непрерывной вакуумной сушилки с использованием СВЧ-энергоподвода, загрузочно-дозировочное устройство карусельного типа вакуумных установок.

9. Проведены промышленные испытания. Определена экономическая эффективность процесса сушки плодов смородины черной в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

/ - номер элемента; т, - масса 1-го элемента, кг; с/, диаметр ;'-го элемента, м; х„ Z| - декартовы координаты элемента; /, т- время, с; Л'э - количество элеме1ггов; у - номер элемента, контактирующего с /-м элементом; су - коэффициент жесткости, Н/м; 4 - коэффициент вязкости, м2/с; Гд — расстояние между центрами элементов / и у, м; V*!, - декартовы составляющие скорости /-го элемента; ¿¡в — расстояние ограничения взаимодействия между элемиггами, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; к, - коэффициент передачи влаги при испарении с границы; хг — коэффициент передачи температуры от окружающей среды к элеме1пу; ГРмр - влажность газа вблизи слоя плодов, г/м3; Гоф — температура газа вблизи слоя плодов, К; р^. - атмосферное давление, кПа; р — давление окружающей среды, кПа; Сб - теплоемкость среды, Дж/К; е — критерий

фазового превращения жидкости в пар; V - дифференциальный оператор набла; X - локальный коэффициекг теплопроводности, Вт/м К; С - теплоемкость жидкости, Дж/К; Д ГН - эмпирические коэффициенты; 0свч - теплота, выделяющаяся в среде под действием СВЧ-шлучения, Дж.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Антипов, С. Т. Исследование кинетики сушки плодов черной смородины в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом [Текст] / С.Т. Антипов, ДА. Казарцев, А.В. Журавлев, СА. Виниченко // Вестник ВГУИТ / Воронеж, гос. ун-т. инж. технол. — Воронеж, 2013. — № 4.—С. 26-31.

2. Антипов, С Т. Разработка математической модели процесса сушки плодов черной смородины в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом [Текст] / С.Т. Антипов, ДА. Казарцев, АВ. Журавлев, СА. Виниченко // Вестник ВГУИТ / Воронеж, гос. у1ьт. инж. технол. -Воронеж, 2014. —№ 1. - С. 7-12.

Материалы конференций:

3. Виниченко СА. К вопросу о сушке черной смородины [Текст] / С. А Виниченко, Д А. Казарцев // Материалы Ь отчетной конференции за 2011 год: в 3 ч.; Воронеж, гос. ун-т инж. технол. - Воронеж, 2012. - Ч. 2. - С. 37.

4. Виниченко С-А. Экспериментальная установка для вакуумной сушки черной смородины с СВЧ-энергоподводом [Текст] / С. А Виниченко, Д А. Казарцев //Материалы Ы отчетной конференции за 2012 год: в 3 ч.; Воронеж, гос. ун-т инж. технол.—Воронеж, 2013.—Ч 2.—С. 40.

Изобретения:

5. Пат. 2503240 Российская Федерация, МПК 6 А23В7/02. Технологическая линия для производства сушеных ягод и порошка из них [Текст] / Ашнпов С. Т, Казарцев Д А., Журавлев А В, Виниченко С.А.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. ун-т. инж. технол. - № 2012140921/13; заявл. 25.092012; опубл. 10.01.2014, Бюл.№1.

Другие публикации:

б-Ангипов, С Т. Разработка технологической линии производства сушеных ягод черной смородины, и сушилка [Текст] / С. Т. Анптов, А .В. Журавлев, ДА Казарцев, Э.В. Ряжских, СА Виниченко // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания / Воронеж, гос. ун-т. инж. технол. - Воронеж, 2014.—№ 1.-С. 115-118.

Подписано в печать 30.04.2014 г. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 90

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, г. Воронеж, пр. Революции, 19

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ВИНИЧЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПЛОДОВ СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ В ВАКУУМ-АППАРАТЕ С СВЧ - ЭНЕРГОПОДВОДОМ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 - ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

На правах рукописи

04201460378

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Антипов С.Т.

Воронеж 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения................................................ 6

Введение............................................................................... 8

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПЛОДОВ СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ................................................... 10

1.1 Общая характеристика плодов смородины черной....................... 10

1.2 Существующие способы хранения и переработки ягод................ 14

1.3 Обзор современной техники и технологии производства сушеных ягод................................................................................ 22

1.4 Краткий обзор установок для проведения тепломассообмена с использованием СВЧ-энергоподвода..................................... 33

1.5 СВЧ - нагрев как перспективный вид энергоподвода................... 39

1.6 Особенности воздействия СВЧ-энергии на пищевые продукты..... 43

1.6.1 Взаимодействие электромагнитного СВЧ-поля с пищевыми продуктами...................................................................... 43

1.6.2 Влияние СВЧ-нагрева на качественные показатели пищевых продуктов......................................................................... 49

1.7 Анализ существующих подходов к математическому описанию переноса теплоты и массы при сушке продуктов с СВЧ-энергоподводом................................................................ 51

Основные выводы, постановка целей и задач исследования.............. 64

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛОДОВ СМОРОДИНЫ

ЧЕРНОЙ КАК ОБЪЕКТА СУШКИ...................................... 67

2.1 Исследование теплофизических характеристик плодов смородины

черной.............................................................................. 67

2.2 Определение электрофизических свойств плодов смородины черной............................................................................................................................................................78

2.3 Изучение изотерм десорбции плодов смородины черной........................83

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ СУШКИ ПЛОДОВ

СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ С СВЧ-ЭНЕРГОПОДВОДОМ....................87

3.1 Математическая модель................................................................................................................87

3.1.1 Описание в модели формы плода и структуры слоя плодов..........................................................................................................................................................88

3.1.2 Описание в модели основных процессов тепло- и влагопереноса........................................................................................................................................93

3.1.3 Начальные и граничные условия, допущения модели....................98

3.1.4 Программная реализация модели........................................................................100

3.1.5 Особенности проведения компьютерного эксперимента............101

3.2 Влияние параметров процесса сушки на ее эффективность......................105

3.2.1 Решение уравнений математической модели..........................................105

3.2.2 Кинетика СВЧ-сушки плодов смородины черной..................................107

3.2.3 Влияние мощности СВЧ-излучения на эффективность сушки 111

3.2.4 Влияние толщины слоя плодов на эффективность сушки............114

3.2.5 Влияние давления окружающей среды на эффективность

сушки............................................................................................................................................................117

Основные результаты и выводы......................................................................................................119

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ СУШКИ ПЛОДОВ

СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ С СВЧ-ЭНЕРГОПОДВОДОМ....................121

4.1 Описание экспериментальной установки и порядка проведения

эксперимента..........................................................................................................................................121

4.2 Планирование и обработка результатов эксперимента.................... 124

4.2.1 Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов........................................................................... 124

4.2.2 Анализ регрессионных моделей....................................... 127

4.3 Исследование влияния основных факторов на кинетику процесса

сушки плодов смородины черной в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом.................................................................. 128

4.3.1 Исследование зависимости кинетики сушки от высоты слоя продукта........................................................................... 129

4.3.2 Влияние подводимой СВЧ - мощности на кинетику сушки.... 131

4.3.3 Определение зависимости кинетики процесса сушки от величины давления........................................................................... 135

4.4 Многофакторный статистический анализ процесса вакуумной сушки плодов смородины черной............................................ 136

4.5 Определение качественных показателей высушенных плодов смородины черной............................................................... 153

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ И ПРОЕКТНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ.................................. 157

5.1 Разработка технологической линии для производства сушеных ягод

и порошка из них................................................................ 157

5.2 Разработка вакуумной сушилки непрерывного действия с СВЧ -энергоподводом.................................................................. 161

5.3. Разработка загрузочно - дозировочного устройства карусельного

типа вакуумных установок.................................................... 164

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

169

Библиографический список Приложения...................

Основные условные обозначения

/ - номер элемента;

т\ - масса /-го элемента, кг;

(1\ диаметра /-го элемента, м;

х-ь - декартовы координаты элемента;

t — время, с;

N3 - количество элементов;

У - номер элемента, возможно контактирующего с /-м элементом; су - коэффициент жесткости, Н/м;

¿/у - коэффициент вязкости взаимодействия элементов, м2/с;

г\) — расстояние между центрами элементов /' им;

уХ1, V/, - декартовы составляющие скорости /-го элемента;

с1ъ — расстояние ограничения взаимодействия между элементами, м;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

кв - коэффициент передачи влаги при испарении с границы;

%т - коэффициент передачи температуры от окружающей среды к

элементу;

РРокр - влажность газа вблизи слоя плодов, г/м3;

Гокр - температура газа вблизи слоя плодов, К;

/?атм - атмосферное давление, кПа;

р - давление окружающей среды, кПа;

Сб — теплоемкость среды в целом, Дж/К;

8 — критерий фазового превращения жидкости в пар;

V - дифференциальный оператор набла;

X - локальный коэффициент теплопроводности, Вт/м-К;

С - теплоемкость жидкости, Дж/К;

Д От - коэффициенты диффузии, м2/с;

£?свч - теплота, выделяющаяся в среде под действием СВЧ-излучения, Дж.

At - шаг интегрирования по времени, с;

А) - коэффициент диффузии влаги при комнатной температуре, м2/с;

ко — коэффициент экспоненциального роста коэффициента диффузии;

7к - комнатная температура, °С.

X - коэффициент температуропроводности, м2/с;

кв — коэффициент передачи влаги при испарении с границы;

%т - коэффициент передачи температуры от окружающей среды к

элементу.

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии со стратегией развития сельского хозяйства России, в целях обеспечения населения полноценной и дешевой «продовольственной корзиной», особое внимание должно уделяться вопросам производства тех культур, которые в наибольшей степени приспособлены к местным условиям.

Базовой культурой в современном ягодоводстве является смородина черная, при возделывании которой достигнут максимальный уровень механизации, включая уборку урожая.

Смородина чёрная - широко распространённая ягодная культура в мире, производство ягод которой в год составляет около 1300... 1350 тыс. т и сосредоточено в основном в Польше и Германии. Объемы производства черной смородины в России составляют 220...250 тыс. т в год. Посевная площадь сельскохозяйственных организаций и фермерских хозяйств составляет 4 - 4,5 тыс. га. В ЦЧР посевные площади черной смородины сосредоточены в Острогожском, Мичуринском и Жердевском плодопитомниках.

Так как конечной целью сельхозпроизводителей является не все возрастающие объемы производства продукции, а реализация ее по наиболее выгодной цене, то в связи с этим, особое значение имеют вопросы по послеуборочной переработке ягод, их сортировка, упаковка, продление периода реализации-все это позволяет существенно повысить конкурентоспособность продукции и получить больший доход. Поэтому сушка ягод, как способ сбережения урожая, находит все большее применение.

На сегодняшний день существует несколько промышленных технологий сушения плодов смородины черной: конвективная, кондуктивная, сублимационная, инфракрасная, высокочастотная. Особого внимания заслуживает технология высокочастотной сушки, т.к. эта технология обезвоживания позволяет сохранить витамины и другие биологически активные вещества исходного продукта. Высушенные ягоды обладает хорошими потребительскими свойствами, при этом не содержит консервантов, т.к.

воздействие электромагнитных волн сверх высокой частоты уничтожает вредную микрофлору в продукте, благодаря чему он может сохраняться около года без специальной тары, в условиях, которые исключают образование конденсата. Все эти факторы позволяют сделать вывод о том, что применение СВЧ - энергоподвода для сушки ягод смородины черной позволяет производить сушеные продукты высокого качества.

Наиболее ценным компонентом плодов смородины черной является -витамин С. Его содержание в плодах составляет от 200 до 300 мг %. Так как сушка плодов смородины черной сопряжена с увеличением температуры продукта, что неминуемо приводит к потерям витамина С, то необходимыми требованиями современного способа сушки является снижение температуры высушиваемого продукта, и интенсификация процесса обезвоживания. Применение вакуума совместно с СВЧ-энергоподводом при сушке ягод позволяет достичь требуемых показателей качества готового продукта и значительно интенсифицировать процесс.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что актуальной задачей является исследование процесса сушки плодов смородины черной в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом и совершенствование на этой основе процесса, способа и оборудования для его осуществления.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПЛОДОВ СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ

1.1 Общая характеристика плодов смородины черной

В настоящее время важное социально-экономическое значение имеет проблема здорового питания населения России. Изучение витаминного статуса жителей ряда регионов показало, что дефицит витаминов в суточных рационах 40 — 80 % населения составляет: по витамину С — 50 — 80 %, витамину Е до 15%, витамину В до 10%, витамину Вб до 32%, каротину — более 40%.

Отмечается недостаток кальция — до 40%, фосфора - до 10%, железа -до 20%, цинка - до 40%, селена - до 80%. Обеспечение нормальной жизнедеятельности организма человека возможно только при соблюдении сложных соотношений между многочисленными факторами питания. Основное внимание при этом необходимо обращать на использование местного сырья растительного происхождения, обладающего наиболее усвояемыми нутриентами и обеспечивающего укрепление антиоксидантной защиты и неспецифического иммунитета человеческого организма. Мы видим, что данная проблема достаточно актуальна в наше время. Одним из наиболее эффективных и экономически доступных способов массового улучшения обеспечения населения биологически активными веществами является регулярное включение в рацион плодов и ягод.

Смородина черная (рис 1.1) наиболее распространенная ягодная культура. Она ценится за высокие лечебно-диетические качества ягод, пригодность их почти для всех видов технической переработки, скороплодность, урожайность, зимостойкость, легкость размножения и возможность полной механизации возделывания и уборки урожая. Ягоды смородины имеют не только медицинское значение, но широко

используются в качестве продуктов питания. Ягоды и листья черной смородины применяют как витаминное средство при цинге и других гипо- и авитаминозах, а также при многих истощающих заболеваниях. Ягоды смородины широко используют в свежем виде в пищу, а также для переработки в консервно - кондитерской и ликероводочной промышленности. Листья служат сырьем для получения эфирного масла, используются при засолке овощей и для продажи на экспорт.

Смородина - одна из наиболее ценных ягодных культур. Это объясняется высоким содержанием в ягодах витаминов и биологически активных веществ, обладающих лечебными свойствами. В ягодах черной смородины наиболее витаминозных сортов содержатся 200...300 мг % витамина С, провитамин А (каротин), витамины группы В, значительное количество Р-активных веществ, а также большое количество фолиевой кислоты (витамина В до 0,25 мг%) и РР (никотиновая кислота). Витамин С находится не только в плодах, но и в почках (150... 180 мг%), листьях (16.376 мг %), бутонах (360...453 мг %), цветках (238...274 мг %) [70]. Смородина, (Ribes nigrum L) семейство камнеломковые, представляет собой кустарник высотой 1-2 м с опущенными, пахучими желто - серыми побегами. Цветет в мае -июне, плоды созревают в июле - августе. Ягода крупная, 10-15 (20) мм в диаметре. Черная смородина - типичное лесное растение. Широко распространено в европейской части России (кроме самых южных районов) и Сибири. Реже встречается в горных районах Восточного Казахстана [15].

Рис. 1.1 - Смородина черная

Богаты ягоды черной смородины сахарами (5,7.. .13,7 %), органическими кислотами и разнообразными микроэлементами: марганцем, железом, фосфором, калием и др.

Ягоды черной смородины используют как лекарственное средство. Применяют при кровоточивости десен, язве желудка, двенадцатиперстной кишки, гастритах с повышенной кислотность желудочного сока.

Ягоды черной смородины содержат витамины, аскорбиновую кислоту (до 0,4%), тиамин (витамин В)) и каротин (до 0,003%), рибофлавин (Вг) до

0.05.мг, ниацин (Вз) - 0,3 мг, пантотеновая кислота (В5) - 0,398 мг, пиридоксин (Вб) до 0,066 мг, сахара (4,5-16,8%), органические кислоты - в основном лимонную и яблочную (2,5-4,5%), дубильные вещества (0,43%), пектиновые вещества (до 0,5%), антоциановые соединения цианидин и дельфинидин и их гликозиды; кверцетин и изокверцетин; почки - эфирное масло (до 0,06%), в состав которого входят ё-пинен, 1-й (1-сабинен, ё-карио-филлен, стерпеновый спирт и фенолы; листья - эфирное масло и аскорбиновую кислоту (0,25%) [71].

Плоды, кроме того, содержат:

1. макроэлементы (мг/г) - К - 22,2, Са - 5,5, - 2,4, Бе - 0,06;

2. микроэлементы (мкг/г) - Мп - 0,09, Си - 0,57, Хп - 0,55, Со - 0,04, Мо -0,8, Сг - 0,08, А1 - 0,06, V- 0,02, Бе- 1,0, № - 0,26, 8г - 0,09, РЬ - 0,07, В -35,6; концентрируют Бе, Си, Хп [51].

Также нами был проведен анализ содержания незаменимых аминокислот в плодах черной смородины [84]. В таблице 1.1 представлено содержание незаменимых аминокислот в растительных белках, получаемых из ягод земляники, ежевики, смородины, облепихи и малины, а также в идеальном белке по стандарту РАОЛ\ФЮ.

Таблица 1.1 - Содержание аминокислот в некоторых ягодах

п/п Аминокислота Стан. РАО/ \УНО Земляника Ежевика Смородина Облепиха Малина

1 2 3 4 5 6 7 8

1 Изолейцин 4а,0 3,7 3,3 4,5 3,7 3,5

2 Лейцин 7,0 5,6 6,7 7,8 8,8 6,8

3 Лизин 5,4 5,9 а 2,9 6,4 5,6 3,8

4 Метионин+ цистин 3,5 4,3 4,0 2,6 4,1 4,0

5 Фенилаланин+ тирозин 6,1 7,1 7,5 8,1 6,1 7,8

6 Треонин 4,1 3,9 2,9 3,9 3,3 3,2

7 Триптофан 1,0 0,9 1,1 1,3 1,2 0,8

8 Валин 5,0 4,1 4,4 4,8 5,5 4,7

Сумма 36,0 35,5 32,8 39,4 38,3 34,6

Как видно из представленной таблицы, черная смородина нисколько не уступает представителям других ягодных культур, но и по многим показателям, таким как триптофан, лизин, изолейцин, является лидирующей.

Также был проведен анализ основных физических характеристик черной смородины по данным различных источников, приведенных в таблице 1.3 [39].

Таблица 1.2 - Некоторые физические характеристики черной смородины

Ри~ истинная плотност ь, кг/м3 Рф-физическая плотность, кг/м3 £ пороз ность слоя, % С - удельная теплоемкость, Дж кг X град Сухие веществ а, % Влагосод ержание, % Температур а замерзания, °С

1070 680 36 3642-3893 17,51 84,8 -2,08

1.2 Существующие способы хранения и переработки ягод

В условиях обостряющейся конкурентной борьбы на мировом рынке производства продуктов с длительным сроком хранения значительное место уделяется именно качеству полученного продукта. Поэтому важным является выбор способа консервирования продукта, который будет определять, собственно говоря, не только качество готового продукта, но и его конечную стоимость. Для этого нам необходимо провести анализ существующих способов и подходов к хранению и переработке ягод и выбрать из них наиболее эффективный.

Для хранения ягод, фруктов и овощей применяют различные способы, основными их которых являются: охлаждение, замораживание, хранение в регулируемой газовой среде, герметичное упаковывание продукта (Х1епс1 -технология), сушка с применением различных способов подвода тепла. Остановимся на каждом из этих способов поподробнее.

Охлаждение позволяет увеличит