автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:СВЧ термическая обработка неоднородных по структуре и электрофизическим характеристикам композиций из органических материалов

На правах рукописи

ЗЛОБИНА Ирина Владимировна

СВЧ термическая обработка неоднородных по структуре и электрофизическим характеристикам композиций из органических материалов

Специальности: 05.09.10 - Электротехнология

05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Коломейцев Вячеслав Александрович

доктор химических наук, профессор, Птичкина Наталия Михайловна

Официальные оппоненты:

Слепцова Салима Курмангалиевна,

кандидат технических наук, ОАО «МРСК Волги» (г. Саратов), ведущий специалист

Гиро Татьяна Михайловна,

доктор технических наук, профессор, Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова, профессор кафедры «Технология производства и переработки продукции животноводства»

Ведущая организация: НПП «Ника-СВЧ», г. Саратов

Защита состоится 30 декабря 2014 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.242.10 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 414.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан « » ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент Е.Е. Миргородская

ППГ.ГИ1Ч,КАЯ

, ич/;.л;ч;,Ш ИНАЯ ьиь; iiHj i lka

20"Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка и внедрение перспективной техники требуют опережающего создания новых материалов, обладающих заданным комплексом свойств, и высокоэффективных технологий их обработки. В последнее время основное внимание во всем мире уделяется наноматериалам и технологиям, обеспечивающим приоритет в разработке изделий микроэлектроники, применяющимся в системах дальней и ближней связи, управления сложными техническими системами и процессами. При этом все большая роль отводится различным электротехнологическим процессам термической обработки, которые характеризуются возможностью высокой степени автоматизации, малой инерционностью регулировки выходных параметров и возможностью направленно влиять на структуру, состав и свойства материалов, модифицируя их в заданном направлении. Среди электротехнологических процессов, начиная со второй половины XX века, получают развитие термические процессы, имеющие в своей основе воздействие на изделия электромагнитных излучений сверхвысоких частот (СВЧ). Большой вклад в изучение и обоснование физических процессов, происходящих в СВЧ камерах, создание научных принципов проектирования СВЧ технологических установок, а также математическое моделирование электромагнитных и тепловых полей при СВЧ нагреве диэлектрических сред, обоснование экономической целесообразности применения СВЧ промышленных установок внесен отечественными и зарубежными учеными: Ю.С. Архангельским, В.А. Коломейцевым, Е.В. Колесниковым, Л.И. Пономаревым, Г. Пюшнером, Л.Э. Рикенглазом, И.А. Роговым, Э. Окрессом, J. R. Cannon, W. С. Chew, A. Razek, J. W. Sirohbehn, A. Sekkak, T. L. White и другими. При этом значительное внимание с 60-х годов XX века уделяется использованию данных процессов применительно к обработке органических материалов, в частности - продуктов питания. В области применения СВЧ-процессов в пищевой отрасли значительный объем исследований выполнен И.А. Роговым, C.B. Некрутманом.

В настоящее время структура питания населения России характеризуется избытком животных жиров, сахара и дефицитом полноценного белка, полиненасыщенных жирных кислот, макро- и микронутриентов. В этой связи весьма важным является разработка композиционных по составу продуктов и эффективных технологий их обработки. Большой вклад в разработку композиционных продуктов на основе мяса, обогащенных растительным белком, внесли отечественные и зарубежные ученые И.А. Рогов, В.Б. Толстогузов, A.M. Бражников, Н.Н. Липатов, Н.К. Журавская, Л.В. Антипова, H.J. Rivas. Неоднородность структуры композиций органических материалов наряду с их многокомпонентным составом создает существенные трудности по равномерному прогреву в процессе термической обработки и может привести к снижению потребительских свойств. Выполненные ранее отечественными и зарубежными учеными исследования СВЧ обработки композиций

з

органических материалов касались в основном относительно однородных по теплофизическим свойствам и плотности структур (мука, мясо, молоко и т.п.)- Вопросам обработки гетерогенных по структуре и составу систем, к числу которых в частности относятся мясные кулинарные рубленые изделия, изготовленные на основе композиций с растительными добавками, например мукой нута, уделялось небольшое внимание.

Таким образом, обоснование и разработка режимных параметров технологии СВЧ термической обработки композиций органических материалов являются актуальной задачей для науки и практики.

Цель работы - Обоснование и разработка рациональных режимов СВЧ обработки неоднородных по структуре, составу и свойствам композиций из диэлектрических органических материалов пищевого назначения, обеспечивающих улучшение их потребительских свойств посредством повышения равномерности термического воздействия.

Для выполнения поставленной цели в работе решались следующие задами:

• разработать физическую модель воздействия СВЧ излучения на неоднородные по составу и свойствам гетерогенные структуры диэлектрических материалов;

• разработать математическую модель теплофизических процессов при термической обработке гетерогенных систем в форме критериального уравнения для минимизации энергетических затрат при требуемых времени и температуре;

• получить математические зависимости для определения основных режимов СВЧ термической обработки гетерогенных композиций из органических материалов;

• выполнить экспериментальные исследования влияния режимов СВЧ термической обработки на особенности структуры композиций из органических материалов пищевого назначения и выявить их рациональный диапазон на примере обработки фаршевых систем с добавкой муки нута;

•определить рациональные характеристические режимные и рецептурные параметры композиций из органических материалов и исследовать влияние СВЧ обработки и вводимых в их состав нетрадиционных компонентов на потребительские свойства продукции;

• разработать технические предложения и схему промышленной установки для реализации технологии равномерного СВЧ термического воздействия на гетерогенные композиции из органических материалов при подобранных режимах применительно к производству мясных рубленых замороженных полуфабрикатов с добавкой муки нута и определить экономическую эффективность предлагаемой технологии.

Научная новизна

Впервые обоснованы рациональные режимы СВЧ-термической обработки неоднородных по структуре и свойствам композиций из диэлектрических органических материалов, обеспечивающие улучшение

потребительских свойств, повышение экономической эффективности за счет сокращения времени и увеличения равномерности их нагрева. При этом:

1. Предложена физическая модель термического воздействия СВЧ излучения на неоднородные по структуре и свойствам композиции из органических материалов, позволяющая объяснить характер зависимостей распределения температуры по объему, изменения физико-механических свойств и особенности их пористо-агломерированной структуры.

2. Экспериментально обоснованы критериальные уравнения для описания теплофизических процессов при термической обработке исследуемых систем, свидетельствующие об уменьшении времени, необходимого для достижения требуемых качественных показателей при использовании СВЧ нагрева, и установлены значения расчетных коэффициентов.

3. На основе критериальных уравнений получены математические зависимости СВЧ термической обработки, позволяющие описать влияние основных технологических факторов, механических и теплофизических параметров композиций из органических материалов на время их обработки и определить рациональные электротехнологические режимы.

Практическая ценность. Разработаны рациональные режимы СВЧ термической обработки фаршевых систем с добавками муки нута оптимальной рецептуры с улучшенным макро- и микроэлементным составом.

Обоснованы требования к промышленным СВЧ установкам для изготовления мясных рубленых изделий с добавками муки нута и предложена схема установки. Подана заявка на техническое решение по установке равномерного СВЧ нагрева № 2014137687 (приоритет от 17.09.2014 г.).

Разработаны методика и специальное устройство для определения когезии мясного фарша с добавкой муки нута.

Проведена промышленная апробация режимов СВЧ термической обработки и производства биточков мясных с мукой нута в профилактической столовой ФГУП «Базальт» (г. Саратов), Комбинате питания ПО «Корпус» (г. Саратов), ООО «Рационапь» (г. Саратов) и на Комбинате питания СГТУ имени Гагарина Ю.А. (акты производственных испытаний).

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения СВЧ термической обработки изделий с заменой 5% мяса мукой нута 691784,00 руб., чистая прибыль - 192861,00 руб., чистый дисконтируемый доход -482850,00 руб. Срок окупаемости затрат на приобретение СВЧ технологической установки не превысит 4 лет.

Методы и средства исследований. В связи с различными объектами исследований использовали две группы методов: методы изучения влияния режимов СВЧ излучения на кинетику свойств изделий, в том числе -физическое и математическое моделирование, а также методы, связанные с изучением состава, структуры, механических, теплофизических, химических и органолептических свойств исследуемых композиций. В экспериментах по СВЧ обработке использовали специальную экспериментальную установку с

регулируемой мощностью магнетрона. Температуру образцов измеряли электронным термометром J1T-300. Для изучения структуры использовали микроскоп МБС-6 при 12-кратном увеличении, оснащенный насадкой с цифровым фотоаппаратом Canon PowerShot А2500. Полученные изображения транслировали в компьютерный анализатор изображений микроструктур АГПМ-6М, где выполняли их обработку в программе «Metallograph».

При выполнении исследований электрофизических свойств материалов использовали метод двух толщин. После СВЧ обработки изучали органолептические, химические и биологические свойства композиционных материалов по стандартным и оригинальным методикам.

При обработке результатов экспериментов применяли методы моделирования и математической обработки.

Достоверность результатов исследований и обоснованность теоретических положений и практических рекомендаций по работе подтверждается удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных, полученных с использованием современных методик и аналитической аппаратуры.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и одобрены на Международной научно-технической конференции «ИНЖИНИРИНГ-ТЕХНО 2014» (Саратов, 2014), 4-й Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: пути инновационного развития» (Курск, 2014), «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2014» (Саратов, 2014), VIII Международной научно-практической конференции «Спецпроект: анал1з наукових дослщжень» (Украина, Днепропетровск, 2013), а также на Международной научной конференции, посвященной 10-летию специальности «Технология продуктов общественного питания» в Саратовском государственном аграрном университете им Н.И. Вавилова «Пути повышения качества услуг общественного питания» (Саратов, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Специалисты АПК нового поколения» (Саратов, 2007); 1П Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития агропромышленного рынка» (Саратов, 2008); Общероссийской студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум» (2009); IV Международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания» (Саратов, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 7 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ; получено 2 патента на изобретение.

Положения и результаты, выносимые на защиту: 1. СВЧ термическая обработка на рациональной для данного материала удельной мощности 13-15 Вт/см1 по сравнению с применением конвективного нагрева способствует сокращению времени обработки и выравниванию температуры по объему объекта воздействия типа фаршевой системы с добавкой муки нута, что повышает однородность структуры в

зависимости от состава, физико-механических и теплофизических свойств от 51 до 224% и улучшает потребительские характеристики.

2. Критериальное уравнение теплофизических процессов, протекающих при термической обработке композиций из органических материалов с учетом температурных и энергетических ограничений позволяет получить математические зависимости режимов СВЧ обработки от их свойств, определяющие потребную удельную мощность излучения и рациональную частоту по критерию минимальных ее потерь при толщине обрабатываемых изделий 17-20 мм, равную 915 МГц ±2,5% .

3. Физическая модель взаимодействия СВЧ излучения с неоднородными по структуре, составу и теплофизическим свойствам диэлектрическими материалами позволяет адекватно объяснить особенности влияния удельной мощности на величину и распределение температуры по объему и изменение структуры и потребительских свойств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 15 таблиц и список литературных источников из 145 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность выбранной темы исследования, выделены основные ее направления, сформулированы цель, задачи работы, научная новизна и ее практическая значимость.

В первой главе выполнен анализ научно-технических и патентных источников, на основе которых показано, что в настоящее время находят все более широкое применение технологии, основанные на использовании термических и других эффектов взаимодействия электрической энергии с диэлектрическими, в частности органическими материалами. Наилучшим образом особенности электротехнологических процессов сочетаются при использовании СВЧ термических эффектов.

На основе анализа перспектив развития процессов СВЧ термической обработки в пищевой отрасли и создания новых рецептур композиционных продуктов питания сделан вывод, что существуют недостаточно изученные научно-практические аспекты применения СВЧ-процессов при обработке пищевых продуктов, к которым, в частности, относится обоснование технологических режимов термической обработки композиций органических материалов типа фаршевых систем с добавлением растительной муки.

По работам отечественных и зарубежных авторов рассмотрены перспективы и актуальность использования муки бобовых культур при производстве комбинированных полуфабрикатов с учетом основных направлений Доктрины продовольственной безопасности РФ.

Приведены результаты исследований автора, обосновывающие выбор в качестве объекта исследований мясных рубленых изделий с добавкой муки нута. Дпя оптимизации состава разрабатываемых полуфабрикатов, использовалась графическая модель Радищева, для которой были выделены следующие характеристические параметры: массовая доля нутовой муки (N),

степень дисперсности частиц фарша (О) и время его созревания (Т). Разработан алгоритм, в рамках которого реализовано сведение комбинированных параметров эксперимента с результатами дегустационного анализа на основе двойного попарного сопоставления, проведенного путем определения весовой оценкн параметров качества, в безразмерную область с последующим их рассмотрением на чертеже Радищева при многофакторном эксперименте (рис. 2).

Разработан общий план выполнения исследований, представленный на

рис. 1.

аявлнз ивучио-тевиичесттЯ я штвтгтшй ниформшп) то ноаяцдуаиоЯ ташт |

X

Постанови цель и 1Шч всследоимма ,

Экслсршшпикми 4« * -

X

Теорвлпсии 4*1

Оприамнш немодных лашии дм шбора рищмшик» реоув! СВЧ прышвовЙ оврЮоим пшвиивЙ в оргиачкво матер—но» пи ц«™-" фсршшык. систем с ппИанпичн иуми

Оорсделешю рвиноииьного составе оЛкест! шяздоаанкА

Иссвсдовише шиофш мч ес>

Иеснимап мтрофим-ч«сша саоЛсп

Авяв ышш СВЧ прытасгоЯ оврвботжл в овьагш

Влнснне удельооВ ыо ноет СВЧ шлучеш ■а тмшсриуру

Влияние СВЧ юлучения на структуру в>№ пмияй ю оргати-кжх материалов

В липам СВЧ тоуче» ннл и* ПОТрФбИТМЬС-

■ив аойсш обкосю! ■с сп едо вамнЛ

Со ста ал еикв цищщи шин и ураанв, процесса ■•рммчкхвА обрабопш обык |Щ ■сслеаоааипй куп

Разработка качественного пясанша фтичвссой модели СВЧ обравото к

оргшлшпп к втер налов

Оорвавлшм л

смаостсА

параыгграв процесса СВЧ обработан О! шбравки

Разработав шмодогии СВЧ пршпкиой оСраОого!

объектов исследований *

0|фпююше рациональных рппим СВЧ лрмпмш! оПраОоаи

РыржОопи 1р,0оини1 ж техно лоппмсоН СВЧ упжпг,

овоснояшше СГ 'чщч к _параметров

Опытно-промышленная апроОа

СВЧ термической овравотпн ■шшкпшщй к 1 оргтчашн иатериало» ттша 4вршпыл яп*н с мвавшй иужж нута

Рисунок I - Структурная схема выполнения работы

Во второй главе определен предмет исследований, описаны методы исследования и применяемая аппаратура, экспериментально определены механические (плотность и условная когезия) теплофизические и электрофизические характеристики фаршевых систем с добавками муки нута, на основе моделирования процесса нагрева фаршевой системы разработан алгоритм и с его помощью получено критериальное уравнение, связывающее температуру и время кулинарной готовности изделий с их теплофизическими параметрами и позволяющее определить указанные режимы обработки по критерию минимизации энергопотребления.

Для определения условной когезии как показателя, комплексно характеризующего качественный и количественный состав рубленых полуфабрикатов на мясной основе и применимого на различных этапах производственного цикла, разработано специальное устройство. Использование данного устройства с последующим применением методов математической обработки данных позволило получить аппроксимационные

зависимости исследуемого процесса, которые позволяют отметить, что внесение добавки снижает способность к разрушению в указанных условиях при воздействии выбранных параметров.

На основе изучения структурно-механических и физико-химических свойств фаршевых систем установлен их рациональный состав с добавлением муки нута: замена 5% мяса мукой нута либо замена 20% хлеба мукой нута, подтвержденный органолептической оценкой полуфабрикатов. Это позволило выбрать для дальнейших исследований процессов термической обработки изделий на электрической плите и с воздействием СВЧ излучения три группы образцов: обычного состава и два с добавлением нута в указанных пропорциях.

Были определены параметрические зависимости теплоемкости и теплопроводности объектов исследования от концентрации муки нута и динамики температуры. Отмечено уменьшение теплоемкости и теплопроводности опытных образцов с повышением концентрации вводимой добавки. Температуропроводность снижается при введении нутовой муки, что может быть вызвано введением дополнительных обособленных частиц в систему. Полученные результаты необходимо учитывались при разработке физической модели процесса СВЧ нагрева фаршевых систем с добавками муки нута и последующей оценки результатов экспериментальных исследований.

Методом двух толщин установлено, что фаршевые системы с добавками муки нута в определенных в главе 2 концентрациях характеризуются следующими электрофизическими параметрами: диэлектрическая проницаемость е' = 4,238; е" = 33,11; тангенс угла диэлектрических потерь tgS = 7,813.

Полученные данные были использованы в дальнейшем при разработке технологии СВЧ обработки изделий и оценке ее эффективности.

Проведенные исследования позволили разработать модель и алгоритм определения времени кулинарной готовности мясных рубленых изделий с добавлением муки нута. Поэтапное следование предлагаемому алгоритму позволило получить формулу для определения времени кулинарной готовности объекта:

т = РошА кчича) или т = Го„./( к„,,к,1и1а). (1)

В связи с введением дополнительного компонента в фаршевую систему было составлено критериальное уравнение, направленное на определение коэффициентов, комплексно отражающих значения рецептурных и режимных параметров объектов исследований:

Э - Ас^р"'"1 + "'4а ~ "'^М"'4 ~ ""4а" ,,'Н'У1+'У0'И+"'Ка +

КРаи= АКс,аКц,р, (2)

„„„ и- _ ^„Н.Н/РчН-4. V -/.! /£.\1>.4_Н,Н. М Jl.fi

где Крац = Эт (-) ; Кс(=сК-) т , К*, -^.„„т .

где Э - удельные затраты энергии (Дж/кг) на процесс приготовления исследуемого объекта; с - теплоемкость, Дж/(кгК); Я - теплопроводность (Вт/(мК); р - плотность изделия (кг/м1); N - мощность подводимой энергии, Вт; I - температура кулинарной готовности объекта, К; г - время кулинарной

Э 53,6 АЬ 11.1МН „(Ш,,!!.21 . (3)

готовности объекта, с; А - коэффициент скорости процесса; а и /? -характеристические коэффициенты критериального уравнения, определяемые экспериментально.

Полученные данные использованы в дальнейшем для определения частоты и удельной мощности СВЧ излучения, необходимой для обеспечения равномерной термической обработки изделий стандартной толщины.

В третьей главе приведены результаты теоретико-экспериментального обоснования технологии СВЧ термической обработки мясных фаршевых систем с добавкой муки нута.

Полученное в третьей главе критериальное уравнение было преобразовано с учетом того, что в СВЧ электротермии основным режимным параметром является удельная мощность тепловых потерь, а также с учетом экспериментально определенных характеристических коэффициентов. Его решение относительно нескольких важных режимных параметров позволило получить комплекс зависимостей, которые можно рассматривать как упрощенную модель СВЧ термической обработки мясных фаршевых композиций с добавлением муки нута:

,0.676 „11.676 10.36.1

/ с Л

с\.п

Е — 1,29 • 10 (, 47(1^2.171(^.11.1^1.1(7^11.5 > (4)

1гч*сгм

= 0'1 32 ^ ,«(,^.0.21^.1.7.17 у > (5)

где Е - напряженность электромагнитного поля,/- частота излучения, р и и -плотность материала и суммарный объем изделий в камере СВЧ установки.

Установлено, что величина напряженности электромагнитного поля снижается при увеличении плотности объекта воздействия, поэтому при изменении плотности она должна регулироваться для сохранения заданных параметров термической обработки, или же необходимо обеспечивать стабильно однородную по структуре и составу подготовку полуфабрикатов. Как видно из выражений (3)-(5), наиболее существенное влияние на режимы процесса СВЧ термической обработки оказывают требуемая температура изделия, затраты энергии и объем обрабатываемого материала. Время воздействия играет весьма несущественную роль. Получена зависимость, устанавливающая связь глубины проникновения СВЧ излучения с его частотой и плотностью материала:

11.1

Д = 0,318-Ю7-^—, (6)

гдер - средняя за время обработки плотность материала,/- частота излучения.

Из данной зависимости и полученного путем расчетов по ней графика (рис. 3) следует, что в разрешенном диапазоне частот (435, 915 и 2450 МГц) обеспечивается глубина проникновения, равная 27,2 мм на частоте 435 МГц, 13,0 мм - на частоте 915 МГц и 4,8 мм на частоте 2450 МГц. Использование

определенных по методу двух толщин данных дает результаты, меньшие на (15-20)% в рассматриваемом диапазоне плотностей системы. С учетом применимости в отечественном и зарубежном СВЧ термическом оборудовании магнетронов на 915 и 2450 МГц для обработки выбранного объекта исследований рациональной может быть частота 915 МГц ±2,5%. Однако необходима разработка технических решений по конструкции СВЧ установки для обеспечения равномерного нагрева изделий требуемой толщины (порядка 20 мм).

Из критериального уравнения получено выражение, позволяющее теоретически обработку фаршевых систем с добавками муки нута (рис. 4). Расчетные значения в зависимости от внешних условий составляют 14,114,89 Вт/см3.

915 / ,25

2450 ,

2350 р, кг/лс

/. МГц

Рисунок 3 - Влияние частоты излучения и плотности изделия на глубину проникновения

/',,. Вт/см3

Рисунок 4 - Зависимость удельной мощности от температуры и времени кулинарной готовности при замене 5% мяса мукой нута

Экспериментальное исследование кинетики нагрева образцов при различной удельной мощности (рис. 5) позволило определить ее рациональное значение 12,9 Вт/см1, отличающееся от расчетного не более чем на 13,4 %. Получено выражение для эмпирической зависимости Р}„ от времени:

Р)Л = 101,8г~и". (7)

Установлено, что при использовании рациональной для данного материала удельной мощности СВЧ излучения введение в состав фаршевой системы муки нута способствует выравниванию температуры по объему образца и формированию более однородной структуры.

Проведены экспериментальные исследования влияния добавки муки нута на структуру фаршевых систем при использовании традиционного метода тепловой обработки (жарки) и термической СВЧ обработке. Установлено (рис. 6), что использование СВЧ нагрева вместо конвективного нагрева приводит к уменьшению размеров агломератов на 9,2, 24 и 60% соответственно при обработке контрольных образцов, образцов с заменой 5% мяса мукой нута и 20% хлеба мукой нута. Использование СВЧ обработки вместо обжарки на сковороде снижает дисперсию размеров пор соответственно для контрольного образца, образца с заменой 5% мяса и 20%

хлеба в 3,8 раза, на 25 и 32%. При этом наблюдается уменьшение размеров пор при увеличении общей пористости.

« ПО 400

а1эооэо

N0-100

ГУД'

Вт/см3

о!. мм 11 2

0 в :

■

3.2 1 | 11 К ■

К к свн М_С.В-1 х_ х_свч

Рисунок 5 - Зависимость температуры Рисунок 6 - Влияние метода обработки образца от времени обработки и состава образцов дисперсию о2

и удельной мощности размеров пор: К_, М_, Х_ - контрольный

образец, образец с замещением части мяса и части хлеба при жарке;

К_СВЧ, М_СВЧ, Х_СВЧ - то же, при СВЧ обработке

Дисперсия размеров исходных частиц муки нута после СВЧ обработки на удельной мощности 13-14 Вт/см1 уменьшается с 21,39 до 9,38 мкм2, т.е. более чем в 2 раза. При конвекционном способе обработки происходит увеличение размеров частиц по сравнению с исходными в среднем на 60%. Дисперсия размеров составляет 19,68 мкм2, т.е. больше, чем после СВЧ обработки более чем в 2 раза (рис. 7).

т, мин

а б

Рисунок 7 - Распределение по размерам частиц нута после обработки в течение 0,5 мин: в СВЧ установке (а), на электрической плите (б). Поле зрения 460 мкм

Предложена физическая модель термического воздействия СВЧ излучения на неоднородные по структуре и составу композиции органических материалов типа фаршевых систем с добавками муки нута, позволяющая объяснить характер зависимостей температуры в образцах с добавлением нута и особенности пористо-агломерированной структуры барьерным эффектом частиц последнего на рациональной удельной мощности СВЧ излучения и возбуждением колебаний, приводящих к локальному повышению температуры, на повышенной удельной мощности.

В четвертой главе на основе оптимизации технологических режимов по критериям обеспечения заданной температуры нагрева материала (70-75)пС и минимальной дисперсии размеров элементов структуры установлен диапазон удельной мощности (11,2-13) Вт/см5 при времени обработки 4 минуты. С учетом полученных результатов обоснованы требования к СВЧ технологической установке, обеспечивающей на установленных режимах изготовление до 250 изделий в час. Разработана схема однокамерной установки методического действия с магнетроном мощностью 25 кВт и предложено новое техническое решение, обеспечивающее равномерный нагрев изделий заданных размеров путем установки двух магнетронов на противоположных сторонах камеры, излучающих энергию попеременными импульсами (заявка № 2014137687, приоритет от 17.09.2014 г.).

Исследовано влияние СВЧ обработки и муки нута на сохранность композиций органических материалов в замороженном состоянии и их микробиологические показатели. Выполнена оценка потребительских свойств, показавшая существенное повышение качества за счет применения равномерной СВЧ обработки и пищевой ценности за счет обогащения ценными минеральными компонентами при введении муки нута.

Проведена технико-экономическая оценка разработанной технологии и нового состава мясных изделий.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований влияния СВЧ излучения на свойства композиций диэлектрических органических материалов с неоднородной пористо-агломерированной структурой и составом решена актуальная научно-практическая задача эффективного применения технологии СВЧ термической обработки при промышленном изготовлении мясных рубленых кулинарных изделий с добавками муки нута, имеющая важное значение для повышения качества и доступности продуктов первой необходимости для населения в том числе в период чрезвычайных ситуаций. При этом получены следующие новые научные и практические результаты.

1. Предложена физическая модель термического воздействия СВЧ излучения на неоднородные по структуре и составу объекты типа фаршевых систем с добавками муки нута, позволяющая объяснить характер зависимостей температуры в образцах с добавлением нута и особенности пористо-агломерированной структуры барьерным эффектом частиц последнего на рациональной удельной мощности СВЧ излучения.

2. На основании результатов исследований с учетом достаточности для кулинарной готовности изучаемых объектов температуры (70-75)"С и равномерности прогрева не хуже 85%, а также удовлетворительного совпадения теоретических и экспериментальных результатов установлена рекомендуемая для СВЧ обработки неоднородных по структуре и составу изделий удельная мощность излучения 11-14 Вт/см3 при частоте 915 МГц ±2,5%, определенная с учетом выявленных электрофизических свойств фаршевых композиций, при условии не превышения толщины изделия более 20 мм.

3. На основе моделирования процесса нагрева фаршевой системы разработан алгоритм и с его помощью получено критериальное уравнение, связывающее температуру и время кулинарной готовности изделий с их теплофизическими параметрами и позволяющее определить указанные режимы обработки по критерию минимизации энергопотребления. Экспериментально получены характеристические коэффициенты критериального уравнения применительно к традиционному методу обжарки на сковороде с использованием конвекционного нагрева на электрической плите и при помощи СВЧ термической обработки.

4. Путем модифицирования критериального уравнения термической обработки фаршевых систем с добавками муки нута с учетом полученных экспериментально их теплофизических и электрофизических характеристик получены зависимости, связывающие технологические параметры СВЧ термической обработки с энергетическими затратами процесса, температурой и временем кулинарной готовности, позволяющие определить рациональные режимы приготовления изделий заданного качества. Экспериментально определенные значения удельной мощности (12,9 Вт/см') отличаются от теоретических не более чем на 13,4 %.

5. Экспериментально изучено влияние СВЧ термической обработки на структуру фаршевых систем в зависимости от их состава и установлено существенное повышение однородности структуры, уменьшение размеров пор при увеличении общей пористости (т.е. снижение плотности). При обжарке на сковороде замена 5% мяса на муку нута вызывает уменьшение дисперсии размеров на 23%, замена мукой нута 20% хлеба способствует уменьшению дисперсии на 66,7% по сравнению с контрольным образцом обычного состава. В свою очередь, использование СВЧ обработки вместо обжарки на сковороде снижает дисперсию соответственно для контрольного образца, образца с заменой 5% мяса и 20% хлеба на 51, 224% и 60%. На основе изучения кинетики температуры при СВЧ обработке фаршевых систем установлено, что при использовании рациональной для данного материала удельной мощности СВЧ излучения введение в состав фаршевой системы муки нута способствует выравниванию температуры по объему образца и формированию более однородной пористо-агломерированной структуры. При высоких значениях удельной мощности введение нута, напротив, вызывает фрагментарное повышение температуры в окрестностях частиц нута. Выполненные исследования влияния методов термической обработки на пробы муки нута показали сохранение исходной формы частиц и снижение дисперсии их размеров в 2,3 раза после СВЧ обработки по сравнению с обжаркой на сковороде, а также однородное качество верхней и нижней поверхностей.

6. Определены требования к схеме и основным параметрам однокамерной СВЧ технологической установки методического действия для обработки композиций органических материалов с производительностью до 250 изделий в час. Разработано техническое решение рабочей камеры для повышения равномерности воздействия СВЧ излучения на материалы. Разработаны экспресс-метод и аппаратура для определения условной когезии изделий,

позволившие в дальнейшем объяснить изменения в структуре изделий с добавлением муки нута, произошедшие после СВЧ термической обработки.

7. На основе изучения структурно-механических и физико-химических свойств фаршевых систем установлен их рациональный состав с добавлением муки нута: замена 5% мяса мукой нута, либо замена 20% хлеба мукой нута, подтвержденный органолептической оценкой полуфабрикатов. Экспериментально установлено влияние состава фаршевых систем с добавкой муки нута при замене 5% мяса и 20% хлеба на теплоемкость и теплопроводность, а также температуропроводность изделия. Получены аппроксимирующие зависимости, позволяющие вычислить указанные характеристики при заданных параметрах состава системы. Установлено, что введение муки нута вызывает уменьшение, как теплоемкости, так и теплопроводности тем больше, чем большее количество мяса или хлеба замещается. Полученные результаты позволили разработать физическую и математическую модели СВЧ термической обработки неоднородных по структуре и составу композиций органических материалов типа мясных фаршевых систем с добавкой муки нута.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Злобина И.В. Исследование влияния СВЧ - излучения на структуру мясных рубленых кулинарных изделий с добавлением муки нута / И.В. Злобина, В.А. Коломейцев, В.А. Кошуро, Н.В. Бекренев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2014. № 2 (75). С. 124-129.

2. Злобина И.В. Исследование теплофизическмх параметров мясных кулинарных изделий с содержанием муки нутовой / И.В. Злобина И Процессы и аппараты пищевых производств: электронный научный журнал. 2012. № 2.

3. Злобина И.В. Математическое моделирование приготовления мясных рубленых кулинарных изделий / В.П. Ангелюк, И.В. Злобина // Научное обозрение. 2013. № 5. С. 91-94.

Публикации в изданиях, входящих в базу данных Scopus

1. Злобина И.В. Применение СВЧ излучения для термической обработки диэлектрических органических материалов с неоднородной структурой и составом / И.В. Злобина // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2014: материалы 11-й Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 2014. С. 235-241.

Авторские свидетельства и патенты РФ

1. Пат. РФ № 103621 Устройство для измерения условной когеэии / Ангелюк В.П., Злобина И.В. Опубл. 20.04.2011

2. Пат. РФ № 2469293 Способ сравнения условной когезин рубленых мясных кулинарных изделий / Ангелюк В.П., Злобина И.В., Дусмагулов К.К. Опубл. 10.12.2012

Публикации в других изданиях

1. Злобина И.В. Применение СВЧ-обработки в приготовлении мясных кулинарных изделий с использованием белков растительного происхождения (Постановка задачи) / И.В. Злобина // Вопросы электротехнологии. 2014. № 2 (3). С. 35-40.

2. Злобина И.В. Обоснование разработки ультразвукового многочастотного генератора для оснащения технологического оборудования / Н.В. Бекренев, И.В. Злобина, H.H. Максимова, А.П. Петровский, A.C. Тимофеев // Вопросы электротехнологии. 2014. № 2 (3). С. 53-59.

3. Злобнна И.В. Теоретическое обоснование параметров СВЧ - установок для термической обработки мясных рубленых кулинарных изделий с добавлением муки нута / И.В. Злобина. В.А. Коломейцев, Н.В. Бекренев // Техника и технологии: пути инновационного развития: сб. материалов 4-й Междунар. науч.-практ. конф. Курск, 30 июня 2014 г. 1 Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2014. С. 117-119.

4. Злобина И.В. Изменение структуры фаршевых композиционных систем под воздействием СВЧ - излучения / И.В. Злобина, В.А. Коломейцев, Н.В. Бекренев // Инжинирипг-техно-2014: сб. материалов 3-й Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 30 июня - 1 июля 2014 г. Саратов, 2014. С. 119-125

5. Злобина И.В. Теоретическое обоснование технологии СВЧ термической обработки мясных рубленых кулинарных изделий с добавлением муки нута / И.В. Злобина. В.А. Коломейцев, Н.В. Бекренев / И.В. Злобина // Инжиниринг-техно-2014: сб. материалов 3-й Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 30 июня - 1 июля 2014 г. Саратов, 2014. С. 125-132.

6. Злобина И.В. Приемы геометрического моделирования при подборе определяющих параметров обогащенных пищевых продуктов / И.В. Злобина // Аграрная Россия. 2013. № 10. С. 45-47.

7. Злобина И. В. Исследование когеэионной прочности мясных фаршевых систем с добавлением растительной добавки / В.П. Ангелюк, И.В. Злобина // Спецпроект: анашз наукових дослщжень : матер1али VIII М1жнар. наук.-практ. конф. Т. 3 : Науков! дослщження в техшчних галузях. Дншропетровськ : Б1ла К. О., 2013. С. 77-80.

8. Злобина И.В. Обогащение мясных кулинарных изделий растительным белком / И.В. Злобина, Н.М. Птичкина // Научный электронный архив. URL: http://foium2009.rae.ru/26/337 (дата обращения: 30.04.2013).

9. Злобина И.В. Исследование мясных кулинарных изделий с добавлением муки нуга / И.В. Злобина, Н.М. Птичкина // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. 2012. № 3(14). С. 30-36.

10. Злобнна И.В. Определение дисперсного состава мясных кулинарных изделий / И.В. Злобина, В.П. Ангелюк // Технология и продукты здорового питания: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. И.Л. Воротникова. Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2010. С. 49-51.

11. Злобина И.В. Методы эволюционного программирования в комбинаторных и экономических задачах / И.В. Злобина, A.B. Розанов // Проблемы и перспективы развития агропромышленного рынка: материалы конф. / под ред. A.B. Голубева; ФГ'ОУ ВПО «Саратовский ГАУ». Саратов: ИЦ «Наука», 2008. С. 57-61.

12. Злобина И.В. Исследование физико-химических свойств муки нута / И.В. Злобина, О.В. Толстова, Л.З. Шильман, Е.А. Фетисова // Специалисты АПК нового поколения: материалы Всерос. науч.-практ. конф. / под ред. A.B. Голубева. Саратов: Научная книга, 2007. С. 83-85.

13. Злобнна И.В. Использование нута в котлетах из говядины / Л.З. Шильман, IO.B. Аносова, И.В. Злобина // Пути повышения качества услуг общественного питания: материалы Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. A.B. Голубева. Саратов: Научная книга, 2005. С. 28-30.

Подписано в печать 30.10.14

Бум. офсет. Усл. пен. л. 1,0

Тираж 100 экз. Закат 163

Саратовский государственный технический университет

410054, г. Саратов, Политехническая, 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ, 410054, г. Саратов, Политехническая, 77 Тел. 24-95-70, 99-87-39. E-mail: izdat@sslu.ru

Формат 60x84 1/16 Уч. изд. Л. 1,0 Бесплатно

2014356595