автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка технологии низкотемпературного вакуумного обезвоживания ягодного сырья

На правах рукописи

ООвоо«^-

Масленникова Галина Александровна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВАКУУМНОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ЯГОДНОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 дпр й;з

Кемерово - 2013

005057501

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (ФГБОУ ВПО «КемТИПП»)

Научный руководитель: Петров Андрей Николаевич,

доктор технических наук, член-корреспондент Россельхозакадемии Официальные оппоненты: Короткий Игорь Алексеевич,

доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», профессор кафедры «Тепло-хладотехника»

Курбанова Марина Геннадьевна,

доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт», зав. кафедрой «Технология хранения и переработки сельскохозяйственной продукции»

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита диссертации состоится « 22 » марта 2013 г в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.809.01 в ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, 4 лек. ауд., тел./факс (384-2) 39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru) и ФГБОУ ВПО «КемТИПП» (www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан « 20 » февраля 2013 г

Ученый секретарь диссертационного совета /^С4- О-®- Кригер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время одной из существенных проблем является обеспечение населения качественными и безопасными продуктами питания. Загрязнение окружающей среды отрицательно сказывается на общем состоянии здоровья населения. К вытекающим отсюда последствиям стоит отнести рост заболеваемости, учащенные случаи патологии новорожденных, а также снижение продолжительности жизни. Другой проблемой является авитаминоз - по данным НИИ питания РАМН у 80-90% населения России наблюдается дефицит витамина С, у 60% снижен уровень витамина А, Вь В2, В6, выявлен также дефицит минеральных веществ. Все это является следствием техногенных, военных, природных и социальных катастроф, несбалансированного и неполноценного питания.

Возникает необходимость в восстановлении структуры и качества питания населения, разработке продукции, обогащенной различными биологически активными веществами, а также в расширении возможностей потребления пищевых продуктов с высокой биологической ценностью и экологической безопасностью. Одним из источников жизненно важных для организма веществ являются ягодные культуры, играющие существенную роль в рационе питания населения.

В силу особенностей климата Сибири употребление ягод в пищу носит сезонный характер, в связи с чем возникает проблема консервирования данного вида продуктов на длительный период, причем очень важно максимально сохранить пищевую и биологическую ценность консервированного ягодного сырья продолжительное время. Производство плодово-ягодных консервов, сушеных, быстрозамороженных ягод, ягодных концентратов и полуфабрикатов позволяет организовать равномерное обеспечение данной продукцией население в течение всего года, а также создавать резервы на длительное хранение.

Сушка является одним из наиболее перспективных методов консервирования пищевых продуктов. Сухие продукты имеют значительно меньшую массу, продолжительные сроки хранения, не требуют дорогостоящей тары и специальных условий хранения. Недостатком сухих продуктов, изготовленных традиционными способами сушки (конвективной и кондуктивной) является плохая их восстанавливаемость.

Теорию, технику и технологии сушки овощей и фруктов разрабатывали Ю.А. Михайлов, Н.И. Гамаюнов, А.Г. Темкин, A.A. Алексаненко, A.B. Лыков, Д.М. Левин, И.Т. Эльперин, М.С. Смирнов, П.Д. Лебедева, В.В. Красникова, A.C. Гинзбург, С. Ю. Щербаков, М.С. Погорелов, Н.Н Яковлев и другие.

Наиболее перспективными являются методы сушки с использованием низкотемпературных технологий - вакуумная и сублимационная. Сухие продукты, полученные с использованием этих технологий, характеризуются малой усадкой, хорошей способностью к восстановлению и продолжительными сроками хранения.

Таким образом, разработка эффективных технологий низкотемпературного обезвоживания - является перспективным направлением развития прикладной науки, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Работа выполнена в рамках Федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».

Цель и задачи исследований.

Целью настоящей работы являлась разработка технологии низкотемпературного вакуумного обезвоживания ягодного сырья.

Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи исследований. Это обусловило необходимость исследования ряда взаимосвязанных проблем, среди которых основные:

- исследовать влияние технологических параметров на характеристики процессов сублимационной и вакуумной сушки ягод;

- анализ изменения активности воды и форм связи влаги с неводными фракциями ягод в процессе сушки;

- изучить влияние процессов сушки на микроструктуру ягод;

- методика расчета удельного количества энергии, необходимой для удаления влаги при различных способах и режимах сушки.

Научная новизна работы:

- определены рациональные режимы вакуумной сушки ягод;

- установлены рациональные режимы процессов предварительного замораживания ягод для их сублимационной сушки;

- выявлены температурные режимы процесса сублимационной сушки ягод;

- проведен анализ активности воды ягод в зависимости от массовой доли влаги;

- получены изотермы сорбции влаги в ягодах;

- получены новые данные для определения энергии связи влаги по изотермам сорбции и выявлено распределение форм связи влаги с неводными компонентами ягод;

- изучено влияние процессов сушки на микроструктуру ягод;

- разработана математическая модель, описывающая внутренний тепломас-соперенос в процессе сушки ягоды при пониженном давлении;

- разработка технологии получения ягодного сырья методом низкотемпературного вакуумного высушивания.

Практическая значимость работы. На основании результатов исследования разработаны технологии вакуумной и сублимационной сушки ягод. Новизна технических решений отражена в заявке на выдачу патента РФ № РФ № 2011122882/13.

Апробация работы. Основные положения диссертации получили одобрение на IV международной научно-практической конференции, посвященной восьмидесятилетию факультета технологии молочных продуктов ОмГАУ «Перспективы производства продуктов питания нового поколения» (Омск, 2011); I Международной научной конференции «Шаг в науку» - Российская Федерация

(Кошехабль, 2010); VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Качество продукции, технологий и образования» (Магнитогорск, 2010); Всероссийской заочной конференции «Актуальные проблемы науки и образования», посвященной 80-летию ГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева», 65-летию Великой Победы, Году учителя в России (Чебоксары, 2010); IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2011); межрегиональной научно-практической конференции: «Инновационные процессы в развитии сферы общественного питания» (Красноярск, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано одиннадцать работ, в том числе три статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложений, подтверждающих практическую значимость результатов.

Содержание работы изложено на 130 страницах, включая 18 таблиц и 71 рисунок. Список литературы включает 150 наименований.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» на кафедре «Бионанотехноло-гия». Весь цикл экспериментальных исследований состоял из пяти взаимосвязанных этапов. Общая схема экспериментальных исследований представлена на рисунке 1. Первый этап работы связан с изучением ягод как объектов сушки. На втором этапе исследованы технологические особенности процесса сушки ягод при остаточном давлении выше и ниже тройной точки воды, произведено математическое описание процесса обезвоживания ягод при пониженном давлении. На третьем этапе произведено исследование активности воды ягод с различной массовой долей влаги. На четвертом этапе осуществлен микроструктурный анализ ягод до и после сушки и визуализацию процессов обезвоживания ягод. На заключительном этапе разработаны технологии производства сухих ягод при остаточном давлении выше и ниже тройной точки кипения воды.

При выполнении исследований использовались как стандартные, так и оригинальные методики исследований технологических, физико-химических, биохимических, микробиологических и статистических методов исследований свойств сырья и готовой продукции.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведены исследования по изучению ягод как объектов сушки. Полученные данные компонентного состава свидетельствуют о биологической ценности ягод как объектов сушки. В результате исследований было также установлено содержание основных органических кислот, а также уровень общей кислотности и рН сока ягод.

Рис. 1. Общая схема экспериментальных исследований

Технологические особенности процесса вакуумной сушки ягод

Подбор температуры сушки. По данным, полученным в ходе экспериментов, были построены графики изменения относительной массы (рис. 2) и температуры ягод смородины (рис. 3) в процессе сушки.

В первые 15 минут установка выходит на рабочий режим, при этом работает холодильная машина и вакуумный насос, понижающий давление в камере от атмосферного до 4-5 кПа. На первом этапе происходит удаление влаги, находящейся в макрокапиллярах продукта. Относительная масса ягоды в данный период сушки уменьшается незначительно - до 95% от первоначальной. За счет понижения остаточного давления в камере температура на поверхности продукта резко падает до 14-16°С. Продолжительность первого этапа составляет около 15-20 мин.

На втором этапе, характеризующемся постоянной скоростью сушки, включаются инфракрасные лампы нагрева, происходит удале-

о и и и по 15» «о зю но 270 ние основной части влаги в проврем«, мм *

Рис. 3. График изменения температуры ' осмотически-связанной и

ягод смородины при температуре в камере: 1 - 80°С; 2 - 70°С; 3 - 60°С 1,2

Время, млн

Рис. 2. График изменения относительной массы смородины при температурах в камере: 1 - 80°С; 2 - 70°С; 3 - 60°С

i 1

' " \

у / \

/ \ V ч

i 1 У

! /

,J

ьл

0,8 oíp

0,4 0,2

J, к \

yj \

/а а 2. i

у w L L \ 1

/ и. v

\ ---

3 8 И 18 23 28 33 38 43 48 53 58 63 68 73 78 83 88 Яттяжн

Рис. 4. Графики скорости сушки смородины при температуре в камере: 1 - 80°С; 2 - 70°С; 3 - 60°С

влаги микрокапилляров. Продолжительность второго периода сушки составляет 100 минут.

На третьем этапе удаляется влага моно- и полимолекулярной адсорбции. Данный вид связи наиболее прочный и при дальнейшей сушке удаляется крайне медленно. На рисунке 4 представлены графики изменения скорости сушки смородины при различных температурах в камере.

Кривые скорости сушки отражают наличие трех этапов сушки. На первом этапе происходит постепенное увеличение скорости

сушки, обусловленное включением инфракрасных ламп нагрева. При темпера

турах 60, 70 и 80°С скорость сушки достигла максимального значения в 0,95; 1,01 и 1,08%/минут соответственно. Второй этап обезвоживания, характеризующийся постоянной скоростью сушки, на рис. 4 отражен горизонтальной линией. На третьем этапе сушки скорость сушки стремится к нулю. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики эффективности сушки.

Таблица 1 - Сравнительные характеристики эффективности сушки черной _смородины в зависимости от температуры сушки_

Температура в камере, °С 60 70 80

Продолжительность сушки, мин 210+5 207±5 174±5

Массовая доля влаги, % 7,9±0,1 J 4,9+0,1 3,0±0,1

Удельные энергозатраты, кВт/кг удаленной влаги 3,45±0,05 3,76+0,05 4,19±0,05

Органолептическая оценка (максимальная оценка 40 баллов)

Запах 13 12 7

Консистенция 13 11 9

Цвет 8 8 7

Итого 34 31 23

Аналогичные опыты с температурой сушки 60, 70 и 80°С были проведены для других видов ягод. На основании проведенных исследований установлено, что рациональная температура сушки клубники равна бОеС. Для клюквы, малины и смородины рациональная температура сушки составляет 70е С.

Подбор давления при сушке ягод. Опыты проводили при остаточном давлении в камере 3-4, 9-10 и 15-16 кПа. График изменения относительной массы ягод клюквы в процессе сушки представлен на рис. 5. Установлено, что сушка при более высоком остаточном давлении увеличивает продолжительность процесса обезвоживания. Для описания обоих периодов сушки одним уравнением, были использованы полиномиальные уравнения 3 степени:

т1 = 4 • 1о~»т3 + 0,01з2т2 - 2,37б3т + т0,Нг = 0,9962 (1)

тх = 6 • 1о-*т3 + О.ООвзт2 - 2,0вг4т + т0,Я2 = 0,9969 (2)

т, = -1 • 1о-»г3 + 0,0165Т2 - 2,2814т + т0,п2 = 0,9968 (3)

где т\, гпг, щ - масса ягоды в данный момент времени при давлении 3-4, 9-10 и 15-16 кПа, соответственно, %; ф — время, прошедшее от начала второго периода сушки, минут; ш0 - относительная масса в начале второго периода сушки, %.

Таким образом, установлены рациональные значения остаточного давления: при сушке клюквы и клубники - 3-4 кПа; при сушке смородины и малины -9-10 кПа.

Подбор плотности теплового потока при сушке ягод. Эксперименты проводили при следующих значениях плотности теплового потока: 2,15; 3,85; 5,5; 7,35; 9,2 кВт/м2. На рисунке 6 представлены графики изменения плотности теплового потока. Представленные графики отражают все три этапа сушки.

s 2

\

3

и

О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

Время, мин

Рис. 5. График изменения относительной массы клюквы при остаточном давлении в камере: 1 - 3-4 кПа; 2 - 9-10 кПа;3- 15-16 кПа

Время, мин.

Рис. 6. График изменения плотности теплового потока в процессе сушки малины при значениях плотности теплового потока: 1 - 2,15 кВт/м2; 2 -5,5 кВт/м2; 3 - 9,2 кВт/м2

Первый этап представлен горизонтальной линией на оси абсцисс, так как на данном периоде инфракрасные лампы выключены. В начале второго этапа сушки лампы работают на установленную мощность до тех пор, пока температура в ягоде не достигнет заданного значения. При плотности теплового потока в 9,2 и 5,5 кВт/м2 это время составило 60 и 54 минут соответственно. При тепловом потоке в 2,15 кВт/м2 наблюдалось заметное увеличение продолжительности прогрева (до 168 мин). После достижения в ягоде заданной температуры плотность теплового потока снижается.

На основании проведенных исследований установлены рациональные технологические режимы вакуумной сушки ягод, такие как температура в камере (1), остаточное давление (Р) и плотность теплового потока (<|):

- для черной смородины: 1=70°С; Р=9-10 кПа; я=5,5 кВт/м2;

- для клюквы: 1:=70оС; Р=3-4 кПа; я=5,5 кВт/м2;

- для клубники: 1=60°С; Р=3-4 кПа; ц=7,35 кВт/м2;

- для малины: 1=70°С; Р=9-10 кПа; я=3,85 кВт/м2.

Технологические особенности процесса сублимационной сушки ягод

Эксперименты проведены при остаточном давлении в камере 10...50 Па и температуре поверхности десублиматора минус 40°С. Эксперименты проведены при следующих значениях температуры предварительного замораживания: минус 10, 20, 30, 40°С. Продолжительность предварительного замораживания составляла 1,5 часа.

На рис. 7 приведены графики изменения температуры ягод клубники в процессе сушки. На рис. 8 представлены кривые скорости сублимационной сушки ягод при температуре предварительного замораживания минус 20еС. Представленные кривые кинетики сублимационной сушки ягод свидетельствуют о том, что скорость сушки выше у ягод с более высоким начальным влагосо-держанием.

1

3 Г 4

О 0,5 1 2 2,5 3 3,5 4 4.5 5 5,5 6 6,5 7 7.5 8

Время сушки, час

Рис. 7. График изменения температуры ягод клубники в процессе сублимационной сушки при температурах предварительного замораживания: 1 -минус 10°С; 2 - минус 20°С; 3 - минус 30°С; 4 - минус 40°С

—у- —

г— _1 7°

/ У

г г |

Л г

V

<

3 8 13 18 2528Э3 38 43«853386368Т3 78 83 88 Влажность, %

Рис. 8. Графики скорости сублимационной сушки: 1 - клюква; 2 - малина; 3 - смородина; 4 - клубника

т

1

11

II

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Влагосодержание. %

Рис. 9. Изотермы сорбции ягод смородины

На основании приведенных результатов исследований установлено, что при сушке клюквы и клубники рациональная температура предварительного замораживания равна минус 20°С, при сушке черной смородины и малины соответственно минус 30 и минус 10°С. Рациональная температура в камере на третьем этапе сушки клюквы и черной смородины составляет 50°С, малины и клубники 40°С.

Исследование показателя активности воды и форм связи влаги в ягодах. По

активности воды продукты подразделяют на три категории: с низкой (а„=0-0,6), промежуточной (аж=0,6-0,9) и высокой (аж=0,6-1,0) влажностью. Для анализа активности воды в ягодах с различной массовой долей влаги были построены изотермы сорбции (рис. 9), характеризующие связь между влагосодержанием и активностью воды при постоянной температуре. Кривые сорбции можно разделить на три зоны, соответствующие высокой, промежуточной и низкой влажности. В процессе сушки в первую очередь удаляется наименее связанная влага в ягоде.

Активность воды при этом понижается от начального значения (аж=0,89-0,91) до уровня, соответствующего удалению основной влаги в продукте (а„=0,75-0,80). Линии кривых сорбции, соответствующие первой зоне, у ягод с большим влагосодержанием (клюква и клубника) являлись более пологими. Вода в данной зоне может быть как свободной, так и удерживаемой в макромолеку-лярной матрице.

Вторая зона кривых адсорбции соответствует переходной зоне, после которой свойства продуктов резко меняются.

Границы второй зоны являются условными и для различных видов ягод варьируют в пределах а,,=0,6-0,8. На графиках она содержит точку перегиба

кривых, положение которой зависит от вида ягоды. Вода в третьей зоне является наиболее сильно адсорбированной и наименее подвижной в пищевых продуктах. Энтальпия парообразования такой воды намного выше, чем чистой воды, она абсорбирована полярными вода-диполь и вода-ион взаимодействиями, на пластические свойства продуктов данная вода практически не влияет.

На рис. 10 представлена номограмма для определения энергии связи влаги по изотермам сорбции, с помощью которой можно определить, какую работу

необходимо затратить для удаления из продукта 1 кг связанной воды.

Произведена корреляция между начальным влагосодер-жанием ягод и соотношением длительности стадий сушки. Ягоды с высоким влагосодер-жанием характеризовались большим содержанием свободной влаги и меньшим содержанием сильно связанной влаги.

0,8 j 0.1

\

"л

^т3 2 J

J V ViL

20 30 4 0 50

Влагосодвржанне.

Рис. 10. Номограмма для определения энергии связи влаги по изотермам сорбции: 1 -клюквы; 2 - клубники; 3 - малины; 4 - смородины

Микроструктурный анализ ягод до и после сушки

Микроструктурный анализ позволяет обнаружить воздействие различных факторов сушки на клеточном уровне. На основании микроструктурных исследований сухих продуктов строятся выводы об эффективности использования того или иного способа сушки. На рисунке 11 приведена микроструктура эпителиальной ткани клюквы, до и после вакуумной и сублимационной сушки. В структуре эпителия клюквы выделяются клеточные стенки, характеризующиеся упорядоченной структурой (рис. 11а, б). Размер таких клеток варьирует в пределах 50-100 мкм.

По всей поверхности эпителиальной ткани клюквы были обнаружены характерные пигментные пятна, размером около 250 мкм (рис. 11 а). В процессе обезвоживания была удалена вся влага внутренних и наружных клеточных стенок, в результате в ягодах клюквы сохранился только наружный эпителий, который после сушки стал очень хрупким и рассыпчатым.

По микрофотографиям сушеной клюквы установлено, что при вакуумной сушке происходит более сильное разрушение клеточной структуры, чем при сублимационной, что подтверждают пигментные пятна на эпителиальной ткани (рис. 11 г). Стрелкой показаны трещины, образовавшиеся в результате потери влаги эпителиальными клетками и возникновения напряжений в процессе сушки.

«1

в г

Рис. 11. Микроструктура эпидермальной ткани клюквы (увеличение в 200 раз): а, б - до сушки; в - после вакуумной сушки; г - после сублимационной сушки

Определен размер клеток эпителиальной ткани ягод (50-100 мкм). В эпителиальной ткани малины присутствуют связывающие волокна. При сублимационной сушке микроструктура ягод повреждалась в меньшей степени, чем при вакуумной сушке. После обезвоживания клеточная структура лучше всего сохраняется у клюквы и клубники, а наибольшую пластичность эпи-дермального слоя сохраняет черная смородина. Больше всего трещин в эпителии образуется у клюквы. Установлено, что эпидермальная ткань клубники является многослойной.

Визуализация процессов обезвоживания ягод

Динамика изменения микроструктуры ягод клубники в процессе вакуумной сушки приведена на рис. 12. _

д е ж з

И, 'ЩНИНВ Рис. 12. Микроструктура клубники в Y процессе вакуумной сушки (увеличе-

11жйНи ние в 100 раз-* чеРез: а" 30 мин; б ' 60; в - 90; г - 120; д - 150; е - 180; ж-

|_ЩЩЯ 21°; 3 " 240; и - 270; к - 300 мин

и к

В процессе вакуумной сушки клубники в течение первых 90 минут происходит интенсивное кипение влаги в ягоде, микроструктура при этом практиче-

ски не меняется. Через 90 минут после начала сушки наблюдается снижение интенсивности кипения. Через 180 минут после начала сушки микроструктура клубники становится менее однородной, она приобретает желеобразную форму. В течение следующего часа сушки эпителий становится сухим и хрупким.

Анализ результатов исследований динамики изменения микроструктуры показал, что в процессе сублимационной сушки эпителий ягод повреждается меньше чем при вакуумной сушке. Особенно отчетливо это выражено у клубники. Было также обнаружено, что у ягод с меньшей влажностью микроструктура изменяется в меньшей степени, чем у ягод с большей массовой долей влаги.

Математическое описание процессов вакуумного низкотемпературного

обезвоживания

Вакуумная и сублимационная сушка представляет собой совокупность процессов тепло- и массообмена, сопровождающиеся фазовыми переходами и тепловыми эффектами с ними связанными. Математическое описание этих процессов достаточно проблематично, так как они зависят от многих факторов, которые сложно учесть. Математическое моделирование дает возможность качественно описать физические, процессы и получить результаты без выполнения большого объема экспериментальных исследований.

Для описания процесса сушки используют основные уравнения внутреннего тепломассопереноса. В общем случае, плотность потока переноса Q можно представить в следующем виде:

0 = Пг>+7 (4)

где Пи - конвективная составляющая; / - составляющая, обусловленная стремлением системы к равновесию.

Выделим в теле объем V (м3), ограниченный поверхностью S (м2), и составим для него баланс потенциала П:

J ^dV = ~^(Q-dS)+J xdV (5)

V S V

£2

где ^ - изменение потенциала П по времени; Q - плотность потока переноса, Вт/м2; х - плотность источников (или стоков) потенциала П.

Применим теорему Остроградского-Гаусса и сведем поверхностный интеграл в правой части к объемному. Из (4) и (5) можно получить:

от

>

Поскольку процесс сушки обусловлен переносом влаги и тепла, в качестве потенциала переноса П рассмотрим плотность влаги (П=рг,£/) и плотность тепла (^РщСТ). Конвективным переносом влаги пренебрегаем (FTt3=0). В результате получим:

ди

дТ

?тС 5г = + Хт

3 ди

где рт - плотность материала, кг/м ; с - теплоемкость материала, кДж/кг-К; — -

дт

изменение влагосодержания по времени; ^ - изменение температуры по времени; - плотность потока влаги, кг/м2ч; - плотность потока тепла, кДж/м2ч;

и хг - плотность источников или стоков соответственно потенциалам ртЦ и РтСТ.

При интенсивной сушке внутри материала могут возникнуть существенные градиенты давления, что оказывает влияние на перенос влаги. Кроме того, если учесть тепло, унесенное из тела испарившейся жидкостью, то выражения для примут вид:

= + (8) = -а^рт(Чи + 6ЧТ) — Я^

где / - энтальпия влаги, кДж/кг; Лр - коэффициент фильтрационного переноса

влаги; УР - градиент давления; ЛрЧР - фильтрационная составляющая потока -

соответствует закону Дарси.

Если предположить, что температура влаги равна температуре скелета тела, и использовать те же допущения о постоянстве коэффициентов, что были приняты ранее, то можно получить следующую систему уравнений

= + (а -За«*) + Егп^Р (9)

от р„

где 8р - относительный коэффициент фильтрационного потока влаги

Вопрос относительно расчета величины плотности теплового потока излучения требует специального исследования, и при этом нужно учесть селективность оптических свойств материалов. В первом приближении, базируясь на изложенных ранее экспериментальных исследованиях проницаемости материалов инфракрасными лучами, величину qv можно выразить уравнением:

Че = Чое-*<-*-*\ (Ю)

где ц0 - плотность теплового потока абсолютно черного тела, Вт/м2; Я - определяющий геометрический размер тела, м; х - расстояние между рассматриваемым слоем и поверхностным слоем тела, м.

Для ягод как толстых тел коэффициент 5 относительно большой. В этом случае источник тепла целесообразно ввести не в дифференциальное уравнение, а в граничное условие, выражающее теплообмен на поверхности тела:

-A(Vt)n + a(tc- ta) + - rqm = О (11)

где <7ИЗЛ - плотность лучистого потока, поглощенного поверхностью тела, Вт/м2; te - температура среды, °С; tB - температура поверхности тела, °С; qm - плотность потока влаги, кг/м2, рассчитываемая по уравнению:

Чт = ~атР0ЧЩ - amP0SVt3> (12)

где индекс 3 - обозначает зону максимальной температуры в материале; Чщ и Vt3 - градиенты влагосодержания и температуры.

Полученная дифференциальная система уравнений (9), позволяет описать процесс внутреннего тепломассопереноса в процессе вакуумно-радиационной сушки ягоды. На основе данной математической модели было разработано программное обеспечение на базе Delphi 7.

На основании проведенных исследований по сушке ягод при пониженном давлении разработана технологическая схема производства сухих ягод (рис. 13).

Оценка качества ягод, поступающих на сушку по органолеп-тическим и физико-химическим показателям

ж

Очистка, мойка, калибровка по размеру, измельчение (если необходимо)

Ж.

Вакуумная сушка. Требуемые режимы:

- температура в камере: 70°С для смородины, малины и клюквы; 60°С для клубники;

- остаточное давление в камере: 3-4 кПа для клюквы и клубники; 9-10 кПа для смородины и малины;

- плотность теплового потока: 3,85 кВт/м2 для малины; 5,5 кВт/м2 для смородины и клюквы, 7,35 кВт/м" для клубники

Ж

Предварительное замораживание в течение 90 мин при температуре: минус 20°С для клюквы и клубники, минус 30°С для

'14 U1.1 АД Т.111VT'

1П°Г

тттта »lii'iuin.i

Сублимационная сушка при температуре в камере: 50°С для клюквы и смородины, 40°С для малины и клубники

Охлаждение, расфасовка и упаковка сухих ягод в тару

ЗЕ

Складирование и хранение при температуре (20±2)°С - 12 мес.; при температуре (4±2)°С - 18 мес. и относительной влажности не более 75%

Рис. 13. Технологическая схема производства сухих ягод

Схема производства сухих ягод включает в себя оценку качества, очистку, мойку, калибровку, измельчение, сушку, которая может осуществляться ваку-

умным или сублимационным способом, расфасовку, упаковку, складирование и хранение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Определены рациональные режимы вакуумной сушки ягод на основании таких показателей как органолептическая оценка, массовая доля влаги, продолжительность сушки и удельные затраты теплоты. Установлено, что рациональная температура в камере при сушке смородины, малины и клюквы составляет 70°С, для клубники рациональная температура равна 60°С. Клюкву и клубнику следует сушить при остаточном давлении 3-4 кПа, смородину и малину -при давлении 9-10 кПа. Рациональное значение плотности теплового потока при вакуумной сушке малины составляет 3,85 кВт/м2, для смородины и клюквы - 5,5 кВт/м2, для клубники - 7,35 кВт/м2.

2. Установлены рациональные значения режимов предварительного замораживания и температуры сублимационной сушки ягод. Определено, что рациональная температура предварительного замораживания клубники и клюквы составляет минус 20°С, а для малины, и смородины минус 10°С и минус 30°С. При сублимационной сушке клубники и малины рациональная температура в камере составляет 40°С, для смородины и клюквы - 50°С.

3. Изучена активность воды ягод в зависимости от влажности, построены изотермы сорбции и номограмма для определения энергии, необходимой для удаления влаги. Исследованы формы связи влаги в ягодах на основании полученных термограмм.

4. Изучено влияние процессов сушки на микроструктуру ягод. Установлено повреждающее действие факторов сушки на клеточную структуру эпидер-мальной ткани ягод. Определены размеры клеток и микропустот эпителия ягод. Обнаружено, что наибольшим повреждениям в процессе сушки подвергается эпителий клюквы.

5. Проведена визуализация процессов сублимационной и вакуумной сушки ягод. Установлено, что в процессе сублимационной сушки эпителий ягод повреждается меньше, чем при вакуумной сушке. Изменения микроструктуры у ягод с меньшим влагосодержанием происходят в меньшей степени, чем у ягод с большим содержанием влаги.

6. Разработана математическая модель, описывающая внутренний тепло-массоперенос в процессе сушки ягоды при пониженном давлении, на основании которой было разработано программное обеспечение для моделирования процессов вакуумной и сублимационной сушки.

7. Разработана технология производства сушеных ягод, которая включает оценку качества, очистку, мойку, калибровку, измельчение, сушку вакуумным или сублимационным способом, расфасовку, упаковку, складирование и хранение.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы: Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Ермолаев, В.А. Исследование влияния величины удельной поверхности концентрирования на процесс вакуумного концентрирования жидких молочных продуктов / В.А. Ермолаев, Н.С. Чесноков, Г.А. Масленникова, С.К. Дуйсем-баева // Техника и технология пищевых производств. - 2010. - №4- С. 68-72.

2. Ермолаев, В.А. Исследование процессов сублимационной сушки ягод / В.А. Ермолаев, Г.А. Масленникова, H.A. Комарова, Д.Е. Федоров // Техника и технология пищевых производств. - 2010. - №3. - С. 67-70.

3. Масленникова, Г.А. Статистическая обработка микроструктурных исследований пищевых продуктов / Г.А. Масленникова, В.А. Ермолаев // Известия вузов. Пищевая технология. - 2012. - №1. - С. 101-103.

Материалы конференций, конгрессов, симпозиумов, семинаров

4. Ермолаев, В.А. Качественные характеристики дегидрированного растительного сырья / В.А. Ермолаев, Г.А. Масленникова // Материалы Всероссийской заочной конференции «Актуальные проблемы науки и образования», посвященной 80-летию ГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева», 65-летию Великой Победы, Году учителя в России. - Чебоксары, 2010. - С. 106-107.

5. Масленникова, Г.А. Микроструктура как критерий оценки качества ягод / Г.А. Масленникова // I Международная научная заочная конференция «Шаг в науку» Российская Федерация. - а. Кошехабль, 2010. - С. 187.

6. Масленникова, Г.А. Технологии сушки пищевых продуктов / Г.А. Масленникова // Сборник материалов IV международной научно-практической конференции посвященной восьмидесятилетию факультета технологии молочных продуктов ОмГАУ «Перспективы производства продуктов питания нового поколения». - Омск, 2011. - С. 195.

7. Фёдоров, Д.Е. Концентраты сибирских ягод - источник энергии в условиях современного антропогенного развития человечества / Д.Е. Фёдоров, Г.А. Масленникова // «Экологические проблемы природных и антропогенных территорий». - Чебоксары, 2010. - С. 165-166.

8. Масленникова, Г.А. Тепловые режимы при дегидратации растительного сырья / Качество продукции, технологий и образования: сборник материалов VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Магнитогорск. - С. 292-294.

9. Масленникова, Г.А. Микроструктурный анализ растительного сырья до и после сушки / Г.А. Масленникова // Материалы IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека». - Кемерово, 2011. - С. 122-123.

10. Ермолаев, В.А. Инновационная ресурсосберегающая технология полу-

чения сухих сыров и творога / В.А. Ермолаев, Г.А. Масленникова, Д.Е. Федоров // Сборник материалов Межрегиональной научно-практической конференции: Инновационные процессы в развитии сферы общественного питания. -Красноярск, 2011. - С. 225-226.

Патенты

11. Заявка на выдачу патента РФ № 2011122882/13 Способ вакуумной сушки ягод / В.А. Ермолаев, Д.Е. Федоров, Г.А. Масленникова; Заявитель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности: заявл. 06.06.2011.

Подписано в печать_2013. Формат 60x86/16. Тираж 70 экз. Объем 1,1 п.л. Заказ №

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47. Отпечатано в лаборатории множительной техники Кемеровского технологического института пищевой промышленности 650002, г. Кемерово, ул.Институтская, 7