автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Теоретическое обоснование и практическая реализация технологии сухого сырного продукта

На правах рукописи

005536845

ЕРМОЛАЕВ Владимир Александрович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ СУХОГО СЫРНОГО ПРОДУКТА

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

31 ОКТ 2013

Кемерово 2013

005536845

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

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники Российской

Федерации, доктор технических наук, профессор Остроумов Лев Александрович

Официальные оппоненты: Майоров Александр Альбертович,

доктор технических наук, профессор, Государственное научное учреждение «Сибирский научно-исследовательский институт сыроделия» Российской академии сельскохозяйственных наук, директор

Помозова Валентина Александровна,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Кемеровский технологический институт пищевой

__ промышленности», зав. кафедрой «Технология

бродильных производств и консервирования»

Мотовилов Олег Константинович,

доктор технических наук, Государственное научное учреждение «Сибирский научно-исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции» Российской академии сельскохозяйственных наук, директор

Ведущая организация: Государственное учреждение Ярославской области

«Ярославский государственный институт качества сырья и пищевых продуктов»

Защита диссертации состоится «19» декабря 2013 г. в 10-00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.809.01 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, 4-я лекц. ауд., тел/факс: (8-384-2) 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 КемТИПП (www.kemtipp.ru').

Автореферат разослан «_»__2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кригер Ольга Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Молочным продуктам отводится важная роль в организации питания населения. Среди них сыр занимает особое место. Он является концентрированным, легкоусвояемым белковым продуктом, обладающим хорошими органолептическими свойствами. Пищевая ценность сыра обусловлена высокой концентрацией в нем белков, жиров, незаменимых аминокислот, солей кальция и фосфора, необходимых для нормального развития организма человека. Сыр рекомендуется людям разных возрастов и занятых различными видами труда. Сыр включают в рацион питания больных диабетом, хроническим гепатитом, при заболевании печени, малокровии.

Повышение качества, расширение ассортимента и улучшение пищевой ценности продуктов питания - одни из важнейших задач. Проведенный анализ современных способов консервирования пищевых продуктов в нашей стране и за рубежом позволяет сделать вывод о том, что вакуумная сушка - один из наиболее перспективных методов консервирования пищевых продуктов. Он позволяет получить сухие продукты, по качественным показателям не уступающие продуктам сублимационной сушки, при значительно меньших удельных затратах на их производство, так как при вакуумной сушке не требуется замораживания продукта за счет чего происходит сокращение процесса сушки. Консервирование методом вакуумной сушки не требует добавления каких-либо химических и других ароматизаторов, консервантов, стабилизаторов.

В настоящее время проблема сушки влажных материалов решается по следующим основным направлениям: аналитические методы исследования и расчета процесса сушки; исследование и уточнение механизма внешнего и внутреннего переноса энергии и массы при различных способах сушки; развитие технологии и техники сушки. Перед техникой сушки стоят задачи изыскания новых, более эффективных методов обезвоживания, создания высокопроизводительных установок, входящих в состав поточных линий, а также автоматизации контроля и регулирования процессов сушки.

Степень проработки темы исследований. Актуальной задачей является увязка инженерных расчетов с кинетикой сушки, поэтому особо важны работы, в которых предлагаются аналитические зависимости для расчета продолжительности процесса (A.B. Лыков, П.Д. Лебедев, В.В. Красников, A.C. Гинзбург и др.). Над проблемами производства сухих молочных продуктов работает ВНИМИ и другие научные организации. Производством сухого сыра различными способами сушки в нашей стране занимались П.О. Крашенинин, В.П. Табачников, Л.П. Юдин, Т.Е. Кокшарова, A.A. Макарьин, В.Е. Куцаева, В.Д. Харитонов, Е.С. Хутиева, В.Ф. Роздова, И.К. Соколова, Т.М. Коновалова, Н.П. Захарова, Н.В. Краевая и др.

С учетом принятой стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 года, разработка научно-практического обеспечения для производства сухих сырных продуктов способом вакуумной сушки представляет собой актуальное и перспективное

направление развитие науки и производства, имеющее важное народнохозяйственное значение.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является исследование и разработка технологии вакуумной сушки для получения сухого сырного продукта, установление основных закономерностей вакуумной сушки сыров.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

- разработать технические средства и математическое описание для исследования процессов вакуумной сушки сыров;

- установить закономерности кинетики процесса вакуумной сушки сыров;

- определить температуры, тепловые нагрузки, остаточные давления, температуры поверхности конденсатора, толщину слоя и степень измельчения сыра для осуществления процесса вакуумной сушки;

- установить методы и режимы для интенсификации процесса вакуумной сушки сыров;

- исследовать влияние влагоудерживающей способности составных компонентов сыра на испарение влаги;

- исследовать гигроскопические свойства сухих сырных продуктов;

- произвести оценку качества сухих сырных продуктов;

- исследовать влияние вакуумной сушки на микроструктуру сыра;

- разработать технологию производства сухих сырных продуктов способом вакуумной сушки;

- разработать нормативную документацию и использовать полученные в работе результаты для внедрения на предприятиях пищевой промышленности технологии производства сухих сырных продуктов.

Научная концепция диссертационной работы. В основу научной концепции, развиваемой в диссертационной работе, положена гипотеза о том, что применение вакуумного способа сушки на базе рациональных режимов, учитывая закономерности кинетики сушки, позволяет повышать энергоэффективность процесса сушки и вырабатывать сухие сырные продукты высокого качества с учетом физико-химического изменения состава, органолептических показателей, гигроскопических свойств, показателя активности воды и микроструктуры сырных продуктов до и после сушки.

Научная новизна работы. На основании проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований:

- разработаны методики для комплексного исследования процессов вакуумной сушки сыров;

- установлены закономерности кинетики процесса вакуумной сушки сыров;

- определены методы и режимы для интенсификации процесса вакуумной сушки сыров;

- дано теоретическое и экспериментальное обоснование влиянию физико-химических свойств сыра на испарение влаги в процессе вакуумной сушки;

- систематизированы экспериментальные данные физико-химических и гигроскопических характеристик сухих сырных продуктов;

- установлена значимость показателя «активность воды» как интегрального показателя для оценки качества сухих сырных продуктов;

- установлены особенности микроструктуры сыров до и после сушки. Получены карты распределения структурных элементов в сырах.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретически обоснованы и экспериментально установлены рациональные режимы вакуумной сушки сыров. Разработана технология производства сухого сырного продукта. Разработана и утверждена нормативная документация: ТУ 9225-10702068315-2009 «Сухой сыр»; ТУ 9225-126-02068315-2010 «Сыр сухой, изготовленный из твердых сычужных сыров»; ТУ 9225-128-02068315-2010 «Сухой рассольный сыр». Получено санитарно-эпидемиологическое заключение №41.21.01.922.Т.000142.03.10 от 10.03.2010 г. на производство сухого сыра способом вакуумной сушки по ТУ 9225-107-02068315-2009 «Сухой сыр». Технологические разработки прошли апробацию на предприятиях Кемеровской, Новосибирской областей и Алтайского края.

Разработаны экспериментальные установки для исследования процессов вакуумной сушки сыров и исследования показателя «активность воды». Новизна предлагаемых решений подтверждена патентами (№ 2405352, 2421718, 2413418, 2411740, 2426462, 2429704, 2423052).

Результаты исследований использованы при реализации: Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», тема: «Разработка экологически безопасной ресурсосберегающей технологии получения сухих молочно-белковых продуктов», гос. контракт № 2609 от 26.11.2009; исследований в рамках молодежного научно-инновационного конкурса «УМНИК», Москва 2009, тема: «Инновационная ресурсосберегающая технология получения сухих сыров и творога»; гранта губернатора Кемеровской области, Кемерово 2009, тема: «Разработка технологии получения сухих молочно-белковых продуктов для питания людей, работающих в тяжелых условиях».

Методология и методы исследования. При выполнении работы использовали стандартные, общепринятые и модифицированные физико-химические, реологические, микробиологические и биохимические методы исследований. Отбор проб и подготовку их к анализу проводили по ГОСТ 9225, ГОСТ 26809. Физико-химические показатели определяли по ГОСТ 3624, ГОСТ 26781, ГОСТ 3626, ГОСТ Р 51464, ГОСТ 3627, ГОСТ 26028, ГОСТ 51453, ГОСТ Р ИСО 3961, ГОСТ Р 51471, ГОСТ Р 51486, ГОСТ Р 52253, ГОСТ 5867, ГОСТ 3627. Микробиологические показатели определяли в соответствии с ГОСТ 9225, ГОСТ 10444.12, ГОСТ 30347, ГОСТ 10444.11, ГОСТ 30519, ГОСТ Р 50480. Массовую концентрацию неорганических анионов по ПНД А 14.1:2:4.157 с применением системы капиллярного электрофореза «Капель 105». Массовую концентрацию катионов по М 04-52-2008 с использованием систем капиллярного электрофореза «Капель 105». Исследование кинетики процесса вакуумной сушки сыров,

подбор режимных и технологических параметров вакуумной сушки сыров осуществляли на специально сконструированной вакуумной сушильной установке и на вакуум-сублимационной установке «ИНЕЙ-6М». Микроструктурные исследования и отладку методики электронной микроскопии сыров осуществляли с помощью растрового сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6390 LA. Хроматографические исследования проводили на аминокислотном анализаторе ARACUS. Анализ общего белка проводили по методу Дюма с использованием анализатора белкового азота RAPID N Cube. Определение массового содержания водорастворимых витаминов проводили методом капиллярного зонного электрофореза с использованием системы капиллярного электрофореза «Капель 105». Молекулярно-массовое распределение белков в объектах оценивали с помощью белкового электрофореза методом Лэмли. Определение дестабилизированного жира в сыре проводили по методу H.A. Бойко и В.В. Фас-товой. Равновесную влажность сыров определяли тензометрическим методом. Активность воды аи. в сырах до и после сушки определяли гравиметрическим методом, модифицированным Н.М. Фетом. Оценку органолептических показателей сухих сырных продуктов проводили по специально разработанной методике. Математическую обработку результатов экспериментов осуществляли методом статистического и регрессионного анализа, а также с помощью пакета программ «Статистика», Excel. Все результаты обработаны методами математической статистики и являются достоверными.

Основные положения, выносимые на защиту:

- концепция применения методов вакуумного обезвоживания для производства сухих сырных продуктов;

- методика исследования процессов вакуумной сушки сыров;

- результаты исследований влияния технологических параметров на процесс сушки и качественные показатели сухих сырных продуктов;

- закономерности удаления влаги из сыров в процессе вакуумной сушки;

- результаты исследований влияния вакуумной сушки на микроструктуру

сыра.

Степень достоверности апробация работы. Основные результаты работы были доложены и получили соответствующее одобрение на симпозиумах, конгрессах, конференциях, семинарах различного уровня, в том числе: «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 2008, 2009, 2010); «Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах» (Кемерово, 2009); «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2009, 2010, 2011); «Современные проблемы устойчивого развития агропромышленного комплекса России» (пос. Персиановский, 2009); «Инновационные технологии в пищевой промышленности» (Самара, 2009); «Чистая вода 2009» (Кемерово, 2009); V Всероссийская научно-инновационная конференция студентов, аспирантов и молодых ученных (Москва, 2009); «Актуальные проблемы сушки и термовлаж-ностной обработки» (Воронеж, 2010); «Качество продукции, технологий и образования» (Магнитогорск, 2010, 2011); «Современные технологии продуктов

питания: теория и практика производства» (Омск, 2010); «Инновационное образование глазами современной молодежи» (Ставрополь, 2010); «Инновационные тенденции развития российской науки» (Красноярск, 2010); VII Специализированный конгресс «Молочная промышленность Сибири» (Барнаул, 2010); «Актуальные проблемы науки и образования» (Чебоксары, 2010); «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2011); «Инновационные процессы в развитии сферы общественного питания» (Красноярск, 2011); VI Международный фестиваль «Праздник сыра» (Барнаул, 2011); «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Кемерово, 2011); «Перспективы производства продуктов питания нового поколения» (Омск, 2011); «Wschodnie partnerstwo - 2011» (Przemysl, 2011); «Новини на научный прогресс» (София, 2011).

Очное участие в зарубежных форумах и конференциях: Member of the exhibition center Sealed Air Cryovac «Pekforum» (Paris, 2010); «Participated in the second edition of the Cluj-Napoca International Model United Nations (NAPOMUN) on the 15th-20th August 2011 in the Human Rights Council» (Romania, Cluj-Napoca, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 75 печатных работ, в том числе: 2 монографии, 30 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 36 в научных трудах институтов, материалах конференций, симпозиумов, форумов; получено 7 патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав основного текста, выводов, списка литературы и приложений. Основной текст работы изложен на 328 страницах, содержит 70 таблиц, 110 рисунков, 408 источников литературы отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ. Изложена актуальность проблемы на современном этапе развития молочно-консервной промышленности, обоснована научная новизна и практическая значимость работы.

ГЛАВА 1. Теоретические и технологические аспекты производства сухих продуктов (аналитический обзор). Представлен анализ отечественной и зарубежной информации по теме диссертационного исследования. Проведен анализ влажных материалов как объектов сушки. Рассмотрены формы связи влаги с сухим веществом. Описано взаимодействие сухих продуктов с влажным воздухом. Проанализирована кинетика процесса сушки. Проведен анализ различных способов сушки пищевых продуктов. Дана характеристика сыров как объектов сушки.

ГЛАВА 2. Обоснование основных направлений собственных исследований, их цель и задачи. Определены направления исследований в разработке технологии сухого сырного продукта, сформулирована цель и задачи собственных исследований. В качестве объектов исследований выбраны сыры следующих наименований: «Советский», «Швейцарский», «Алтайский», «Горный», «Московский», «Голландский», «Костромской», «Пошехонский», «Ярослав-

ский», «Озерный». Предметом исследования являлся способ вакуумной сушки при остаточном давлении выше тройной точки кипения воды.

ГЛАВА 3. Организация эксперимента и методы исследований. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены в соответствии с поставленными задачами в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». Общая схема исследований представлена на рис. 1. Исследования состояли из нескольких взаимосвязанных этапов.

На первом этапе разработаны экспериментальные установки для исследования процессов вакуумной сушки сыров: вакуумная сушильная установка, вакуум-сублимационная установка, установка для исследования активности воды в пищевых продуктах. Составлена методика для расчета и подбора сушильных установок. Создан программный комплекс, позволяющий проводить численное моделирование на основе разработанных математических моделей.

На втором этапе провели исследование сыров как объектов сушки, изучили кинетику процесса и усадочные явления. Экспериментальные исследования позволили получить кривые вакуумной сушки различных сыров в координатах: тепловая нагрузка-время, температура-время, массовая доля влаги-время, температура-массовая доля влаги, а также кривые скорости сушки. Полученные кривые позволили более глубоко понять кинетические зависимости процесса вакуумной сушки.

Установлено, что вакуумная сушка сыров протекает в два периода. Определены значения максимальной скорости сушки сыров в зависимости от толщины слоя, формы и размеров измельчения. Исследованы усадочные явления и растрескивание материала в процессе сушки.

На третьем этапе определяли влияние технологических факторов на сушку сыра. На данном этапе исследований установлены требуемые режимные и технологические параметры вакуумной сушки различных видов сыров. Были определены требуемые режимные параметры: температура сушки, тепловая нагрузка, остаточное давление, температура поверхности конденсатора и требуемые технологические параметры: степень измельчения, толщина слоя. Все требуемые режимные и технологические параметры подобраны с учетом органо-лептических, физико-химических показателей высушенного продукта и энергозатрат на проведение процесса.

На третьем этапе также были проведены исследования по интенсификации процесса вакуумной сушки сыров. Для интенсификации процесса вакуумной сушки исследовали ступенчатый и импульсный способ подвода теплоты; одно-, двух- и трехступенчатую сушку.

На четвертом этапе исследовали влияние составных компонентов сыра на испарение влаги, гигроскопические свойства сухих сырных продуктов. Произвели оценку качества сухих сырных продуктов. Исследовали влияние массовой доли влаги и жира, массовой доли соли на продолжительность и скорость процесса вакуумной сушки сыра. Гигроскопические свойства сухих сырных продуктов определяли весовым методом.

Теоретическое обоснование и практическая реализация _технологии сухого сырного продукта

т

Разработка технических средств и математическое описание для исследования процессов вакуумной сушки

сыров

■ ~

Разработка экспериментальных установок

Методика расчета и подбора сушильных установок

"Г

Математическая модель процесса вакуумной сушки

Изучение кинетических закономерностей процесса вакуумной сушки и изменение свойств сыра в процессе вакуумной сушки

I

Сыра как объекты сушки

Кривые сушки и скорости сушки

Усадочные явления и растрескивание материала _в процессе сушки_

Влияние технологических факторов на сушку сыра

Режимные параметры

X

Температура и тепловая нагрузка

| Остаточное:

Технологические параметры

| Степень измельчения | | Толщина слоя

Методы и режимы для интенсификации сушки

■ 1

Ступенчатый и импульсный энергоподвод Одно-, двух- и трехступенчатая сушка

Влияние составных компонентов сыра на влагоудерживающую способность

т

Влияние массовой доли влаги и жира на процесс сушки | Влияние массовой доли соли на процесс сушки I

л:

Исследование качества сыров до и после сушки

X

Изучение микроструктуры сыра до и после сушки |

Исследование влияния вакуумной сушки на

Анализ и идентификация различных компонентов в сыр-

микроструктуру сыра

Исследование микроструктуры сухих сырных продуктов в процессе хранения

Технология вакуумной сушки сыров, практическая реализация результатов работы

Установление сроков годности сухих сырных продуктов | Методика расчета параметров процесса вакуумной сушки сыров I

Технология вакуумной сушки сыра

Рис.

Расчет стоимости производства сухих сырных продуктов | хема проведения исследований

На основании проведенных исследований получены данные по изотермам сорбции и десорбции, активности воды в сырах до и после вакуумной сушки с различными физико-химическими показателями. Изучена активность воды в сырах с различной массовой долей влаги. Оценка качества сухих сырных продуктов включала: исследование чисел жира в сыре до и после сушки; изменение содержания органических и жирных кислот в сыре в процессе сушки; кати-онный и анионный баланс сыра и конденсата испарившейся влаги. Исследован аминокислотный состав сыра до и после сушки, проведены электрофоретиче-ские исследования белков сыра до и после сушки.

На пятом этапе изучали влияние вакуумной сушки на микроструктуру сыра. Исследовали микроструктуру сыра до и после сушки. Осуществили анализ и идентификацию различных компонентов в сырной массе с помощью микроструктурных исследований. Производили исследования микроструктуры сухих сырных продуктов в процессе хранения.

Последний этап связан с разработкой технологии вакуумной сушки сыров и практической реализацией результатов работы. Установлены сроки годности сухих сырных продуктов, разработана методика расчета продолжительности процесса вакуумной сушки сыров и органолептической оценки сухих сырных продуктов, разработан регламент и технология вакуумной сушки сыра, произведен экономический расчет производства сухих сырных продуктов способом вакуумной сушки.

ГЛАВА 4. Разработка технических средств и математическое описание для исследования процессов вакуумной сушки сыров. Вакуумная сушильная установка для сушки сыров приведена на рис. 2. Камера сушки представлена на рис. 3.

I N 7~[

-Ц 1 7 \8г/з

Рис. 2. Схема вакуумной сушильной установки: 1 - насос вакуумный; 2 - камера вакуумная; 3 - компрессор; 4 - конденсатор; 5 - отделитель жидкости; 6 - десуб-лиматор; 7 - ресивер; 8 - вакууметр; 9 - терморегулирующий вентиль

Данная сушильная установка является универсальной и может быть использована для сушки практически любого сырья растительного и животного

Рис. 3. Камера сушки: 1 - корпус; 2 - теплоизоляция; 3 - нагреватели; 4 - весы; 5 - вакуумная резина; 6 - оргстекло; 7 - поджимающее кольцо; 8 - продукт

происхождения. В качестве источников теплоты в установке использовались инфракрасные лампы марки КГТ 220-1000 мощностью 1 кВт каждая. Система регулирования и измерения параметров вакуумной сушки представлена в виде блок-схемы на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема экспериментального стенда: 1 - камера вакуумная; 2 - поддон; 3 - материал высушиваемый; 4 - нагреватели инфракрасные; 5 - блок сопряжения с ПЭВМ; 6 - ПЭВМ; 7 - конденсатор; 8 - насос вакуумный; 9 - микроконтроллер; 10 - интерфейс к ПЭВМ; 11 - модуль управления исполнительными устройствами; 12 - АЦП; 13 - датчик давления; 14 - датчик температуры; 15 - датчик массы По техническому заданию и чертежам в Институте биологического приборостроения Российской академии наук (лаборатория разработки методов и приборов для биохимического анализа) была изготовлена модернизированная вакуум-сублимационная установка ИНЕЙ-6М, принципиальная схема которой представлена на рис. 5, внешний вид установки на рис. 6.

^-

!_1-- и V о-

Рис. 5. Принципиальная схема сублимационной установки: 1 — холодильная машина;

1.1 -конденсатор; 1.2 - соленоидный вентиль; 1.3 - фильтр-осушитель;

1.4 - терморегулирующий вентиль;

1.5 - вентиль запорный; 1.6 - ресивер; 1.7- компрессор; 2 - вакуумная установка; 2.1 - вакуумный насос;

2.2 - десублиматор; 2.3 - испаритель десублиматора

Рис. 6. Сублимационная установка: 1 - пульт управления; 2 - вентиль сброса давления; 3 — крышка сушильной камеры; 4 - испаритель; 5 - поддон для продукта; 6 — сушильная камера; 7 - короб холодильной машины; 8 - холодильная машина; 9 - вакуумный насос; 10 - шланг вакуумного насоса; 11 - лампа накаливания; 12 - десублиматор; 13 - крышка десублиматора; 14 — крепление крышки сушильной камеры

На рис. 7 изображена общая схема установки для определения показателя «активность воды». Устройство рабочей камеры представлено на рис. 8.

Рис. 7. Общая схема установки для определения показателя «активность воды»: 1 - измеритель температуры и относительной влажности ИТ5-ТР-2 «Термит»; 2 - чувствительные элементы измерителей температуры и относительной влажности; 3 - рабочая камера; 4 - вентилятор; 5 - силиконовый шланг Рис. 8. Устройство рабочей камеры

На торцевых поверхностях рабочей камеры расположены два ряда отверстий (верхний ряд для сухого режима, нижний ряд для влажного), предназначенные для сообщения воздушного пространства рабочей камеры с воздушным пространством фланцев. Чувствительные элементы измерителей относительной влажности и температуры установлены во фланцы на входе и выходе из рабочей камеры для измерения температуры и относительной влажности воздуха.

Процесс вакуумной сушки начинается с вывода конденсатора на температурный режим (минус 20-25 °С) и откачки воздуха из рабочей полости аппарата.

Математическое моделирование процессов сушки коллоидных капиллярно-пористых тел опирается на решение систем дифференциальных уравнений тепломассопереноса. В общем случае это трехмерные нестационарные задачи, связывающее давление, температуру, влагосодержание и другие параметры веществ. Подобные системы приводятся в работах Лыкова A.B., Сафина P.P. и других авторов.

Рассмотрим внешнюю и внутреннюю задачи. Основные характеристики процессов будут зависеть от парциального давления газообразных компонентов и температуры окружающей среды, которые можно определить из системы дифференциальных уравнений переноса массы и энергии с объемными источниками тепла и массы:

арП"> , j- шл г /г» V7 ( 1 \

- + div(pnn)-W) = div(Dnn)-дТ

сс„ • р0,---к с0

5т

• р„, ■ с!п>(Т ■ Ш) = еИу(ка, ■ ЧТ) + у.,.. (2)

Решение этих и подобных им систем, описывающих дополнительные ко внешней внутренние задачи, является трудоемкой задачей, аналитические решения отсутствуют, поэтому для целей математического моделирования сделаем следующие допущения:

- пористость сыра не имеет выраженной геометрической упорядоченности;

- сушка происходит при температурах, когда фазовый переход жидкость-пар для воды внутри вещества не происходит;

- форма кусочков сыра такова, что площадь боковой поверхности прямоугольной пластины пренебрежимо мала по сравнению с площадью граней, подвергающихся нагреванию за счет прямого излучения нагревательных ламп;

- нагревательные лампы симметрично расположены относительно пластины сыра и имеют идентичные характеристики.

Исходя из сделанных предположений, в решении внутренней задачи можно перейти от трехмерной нестационарной задачи к решению одномерной симметричной задачи. Для моделирования процессов изменения влажности и температуры в материале используем уравнения, предложенные A.B. Лыковым:

где и - влагосодержание кг/кг; Т-температура, °С; Р„ - парциальное давление пара внутри кусочка сыра, Па; т - время, мин.; д - относительный термоградиентный коэффициент; р0 - плотность вещества, кг/м3; е - критерий парообразования; ат - коэффициент массопроводности, м2/с; аТ - коэффициент теплопроводности, м2/с; кр- коэффициент молярного переноса, с; с„ - удельная теплоемкость материала, кДж/кг.

Поскольку в сыре при температурах, используемых в сушилке, отсутствуют фазовые переходы воды, то градиент парциального давления водяного пара в сыре будет равен нулю, а следовательно и ~ = 0. По этой же причине критерий парообразования (е) в уравнении 4 равен нулю.

С учетом сделанных замечаний система 3-4 преобразуется к виду:

Граничные и начальные условия для системы 5-6 поставим, опираясь на специфику протекающих в сыре процессов. Для начала с целью наглядного представления сведем на одном графике кривые, характеризующие этапы сушки (рис. 9).

Этап I - выход на режим работы сушильной установки. Давление снижается от начального значения атмосферного давления Р0 до рабочего давления Ррабоч- При этом за счет падения давления происходит испарение жидкости с поверхности, и температура падает с начального значения То до значения Ть соответствующего температуре испарения воды при давлении Ррабоч- Влагосодержание в высушиваемом материале снижается. Таким образом, начальные условия для системы 5-6 для этапа I будут иметь вид:

(3)

(4)

(5)

(6)

Создание Нагревание вакуума и сушка

/

Сушка

Рис. 9. Изменение давления, температуры и влагосодержания в процессе вакуумной сушки сыра

71,-0=7;,

Для этапов II и III начальными условиями будет результат вычисления на предыдущем этапе.

Граничные условия также необходимо поставить отдельно для каждого этапа, что делается за счет учета поглощаемой телом энергии излучателей. В общем случае граничные условия для внутренней задачи ставятся исходя из условий внешней задачи:

PV

дТ\

дТ

„ дТ -РС^

(7)

(8)

где Ур - объем сыра, м3; 5„ - площадь поверхности сыра, м2; Q - количество поглощенной энергии, Дж; р - плотность вещества, кг/м3; И — энтальпия, кДж/кг; ср — удельная теплоемкость, которая рассчитывается для нашей модели по формуле «выпотевания», кДж/кг:

с = 0,148 + 0,493(7 /((/ +1) (9)

Тогда для сыров с высокой и низкой температурой второго нагревания теплоемкости имеют значения соответственно: ср/ = 2226,33 кДж/кг; ср2 = 3076,84 кДж/кг.

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучаемого тела путем волн. Возбудителями этих волн являются частицы, входящие в состав тела. Для распространения волн не требуется материальной среды, в вакууме они распространяются со скоростью света и характеризуются длиной волны или частотой колебаний.

Для теплового излучения и мощности теплового потока воспользуемся следующими законами. Закон Планка устанавливает зависимость интенсивности излучения тела от длины волны и температуры:

'-ъ

(10)

где Я - длина волны, м; с; =3,74-10"16 Вт-м2; с2 =1,44-10"2

мК. Анализ данного выражения показывает, что для всех длин волн интенсивность излучения тем выше, чем выше температура.

А по закону Стефана - Больцмана устанавливаем зависимость плотности потока от излучения тела.

Плотность потока собственного интегрального излучения можно найти как суммарную энергию излучения тела по всем длинам волн:

\ -I

"" -1

¿к (11)

Количество поглощенной энергии можно определить по формуле:

2 = (12)

где А - коэффициент поглощения.

На первом и втором этапах сушки изменяется количество излучаемой нагревателями энергии Еп, что позволяет использовать одно уравнение 8 для обоих этапов.

Для решения задачи необходимо перейти от системы 3-4 к системам линейных алгебраических уравнений. Для аппроксимации можно использовать явную и неявную схемы. Явная схема имеет вид:

г к

иг'-и;,+г-1 (14)

где т - шаг по времени, И - шаг по пространственной переменной х.

Наряду с явной схемой можно использовать неявную:

_ -рп у 1 + 1 __+ \ ,гГ>!+\

Ь-Ь- = аТ1'» +Л- , (15)

г И

и- и" (и1;;' - 2 с/,"*' + и;у / г;;;1 - г г"1 + г;1 ^ ,,

—г—р—ГП а» ) (16)

Граничные условия заменим при аппроксимации их разностными аналогами. Для решения системы 15-16 можно использовать метод неполной аппроксимации минимальных невязок, либо метод продольно-поперечной прогонки. Мы использовали метод продольно-поперечной прогонки, так как в данном случае можно реализовать программный алгоритм.

Для проведения компьютерного моделирования был создан программный комплекс, позволяющий получать расчетные кривые влагосодержания и температуры и проводить сравнение расчетных и аналитических данных. Разработана иМЬ-диаграмма вариантов использования программного комплекса.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных проводилось с использованием евклидовой нормы, и показало отличие в 3-5 % для разных видов сыров. Иллюстрации, на которых продемонстрированы варианты расчетов и экспериментов размещены на рис. 10.

Рис. 10. Сравнение расчетных и экспериментальных данных при вакуумной сушки: а - Швейцарского сыра (режим сушки: остаточное давление 2-3 кПа, температура сушки 50°С, тепловая нагрузка 5,52 кВт на м2); б - Алтайского сыра (режим сушки: остаточное давление 2-3 кПа, температура сушки 60°С, тепловая нагрузка 5,52 кВт на м2)

ГЛАВА 5. Изучение кинетических закономерностей процесса вакуумной сушки и изменение свойств сыра в процессе вакуумной сушки. Под кинетикой процесса сушки понимают изменение средних по объему высушиваемого материала влажности 1Ус и температуры I с течением времени т. На рис. 11 представлены кривые вакуумной сушки в координатах массовая доля влаги-время для «Швейцарского» сыра.

»[3—т------------------------------------------------1 Отрезок А-В со-

ответствует времени выхода установки на требуемый режим по остаточному давлению (2-3 кПа). Затем наступает первый период сушки - период постоянной скорости сушки, отрезок В-Ю на кривой изменения Рис. 11. Кривые сушки «Швейцарского» сыра массовой доли влаги. В течение первого периода удаляется наибольшее количество влаги. В первый период сушки массовая доля влаги «Швейцарского» сыра уменьшилась на 24 %; «Голландского» - 23 %; «Пошехонского» - 34 %. Период постоянной скорости сушки продолжается до наступления первого критического влагосо-держания. Критическое влагосодержание является границей между постоянной (первый период) и падающей (второй период) скоростями сушки. В период падающей скорости сушки (отрезок ЮС) массовая доля влаги «Швейцарского» сыра уменьшается на 12 %; «Голландского» - 15 %; «Костромского» - 24 %; «Пошехонского» - 12 %. Отрезок периода падающей скорости (К1С) можно разделить на отрезки, соответствующие первой и второй фазе (К1К2 и КгС). Точка соединения отрезков К2 для двух фаз периода падающей скорости соответствует второй критической влажности.

В конце сушки кривая изменения массовой доли влаги асимптотически приближается к равновесной влажности, причем величина равновесной влаж-

ности соответствует данному режиму сушки. При равновесной влажности сушка прекращается - скорость равна нулю. Взяв первую производную функции (К = /(т), получают скорость сушки, под которой понимают изменение средней массовой доли влаги материала в единицу времени (сНУ^./ит, %/мин)(рис. 12).

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 3» 40 42 44 46 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78

М ассовая доля влаги. %

Рис. 12. Кривые скорости сушки сыров: 1 - «Швейцарский»; 2 - «Голландский»; 3 - «Костромской»; 4 - «Пошехонский»; 5 - «Рижский»; 6 - «Российский» Скорость сушки увеличивается от нуля до максимального значения. От первой критической точки Ю начинается уменьшение скорости сушки. Характер кривых в период падающей скорости сушки соответствует коллоидным капиллярно-пористым телам. К концу процесса при равновесной влажности скорость сушки -= 0. На кривых имеется вторая критическая точка Кг, соответ-

с/т

ствующая второй критической влажности.

На рис. 13 приведены температурные кривые, характерные для вакуум-

ной сушки сыров.

а б

Рис. 13. Температурные кривые вакуумной сушки сыров: а - «Швейцарский»; б - «Голландский»

В начале процесса происходит понижение температуры сыров, так как теплота от нагревателей не подводится. В течение первого периода сушки при включении нагревателей температура поверхности материала повышается, достигая температуры мокрого термометра. В этот период происходит наиболее интенсивная влагоотдача. Температура по толше слоя сыра к концу первого периода сушки выравнивается. Начиная с первой критической точки, скорость влагоотдачи уменьшается. Когда влажность сыров достигает величины равновесной влажности, процесс сушки завершается. Равновесная влажность для «Швейцарского» сыра - 5,21 %; «Голландского» - 4,46 %; «Костромского» -5,46 %; «Пошехонского» - 4,26 %.

Усадочные явления и растрескивание материала в процессе вакуумной сушки. Наименьшую усадку имеют сыры, выработанные при остаточном давлении 2-3 кПа. Установлено, что с увеличением размеров измельчения и толщины слоя для «Голландского», «Костромского», «Пошехонского» сыра происходит увеличение коэффициентов усадки. При толщине слоя от 10 до 30 мм коэффициент усадки составляет от 3 до 14 %. При толщине слоя 40 мм коэффициент усадки возрастает до 15-24 %. Сушка сыров при требуемых режимных и технологических параметрах вызывает минимальные перепады массовой доли влаги, при этом усадка частиц минимальна и происходит с сохранением формы.

Коэффициент усадки по площади можно определить по формуле

Рч=---, (17)

(({/ -ж,)-5, -IV,

(5,-5,)

где о, = —-— - относительная усадка по площади;

IV,, IV,- массовая доля сыра до и после сушки, %;

5,, - площадь поверхности сыра до и после сушки, мм2.

Зависимость между объемом материала и влагосодержанием запишется

так:

V = !'0-(1+Р, •»')'. (18)

Можно получить приближенную формулу:

У = У0-{\ + 1-р,.-1Г) = У1>-(1+р,.-1У), (19)

где р, = 3 • р, - коэффициент объемной усадки, равный утроенному коэффициенту линейной усадки.

ГЛАВА 6. Влияние технологических факторов на сушку сыра. Выбор температуры для вакуумной сушки сыров является сложной задачей. С одной стороны, повышение температуры сушильного агента является одним из определяющих факторов процесса, с другой - чрезмерное тепловое воздействие на сыр приводит к браку готовой продукции. Для определения требуемой температуры сушки сыров проводили исследования при температурах от 30 до 80 °С с шагом в 10 °С. На основании органолептических и физико-химических исследований сухих сырных продуктов определено, что при температурах сушки более 60 °С их качество существенно ухудшается из-за вытапливание жира. Фи-

зико-химические показатели сухих сыров высушенных при температуре 60 °С,

приведены в табл. 1.

_Таблица 1 - Физико-химические показатели сухих сыров

Массовая доля, % Вид сыра

Советский Швейцарский Алтайский Горный Московский

Жира в сухом веществе 49,5±0,5 49,8±0,4 50,0±0,5 49,3±0,4 49,8±0,5

Влаги 4,3±0,2 4,0±0,2 4,1 ±0,3 3,9±0,3 4,1±0,3

Поваренной соли 3,1±0,1 3,2±0,1 3,2±0,1 3,0±0,1 3,2±0,1

рН 5,60±0,05 5,75±0,05 5,70±0,08 5,80±0,05 5,70±0,05

Массовая доля влаги сухого сыра не превышает 4,3±0,2 %. С уменьшением температуры сушки массовая доля влаги сухого сыра увеличивается. Концентрация поваренной соли повышается почти в два раза за счет удаления влаги. На рис. 14 приведены кривые сушки «Советского» сыра.

Температура поверхности «Советского» сыра не превышает 60 °С. Температура в толще сыра меньше температуры на поверхности в течение первых 150 минут. С уменьшением остаточной массовой доли влаги интенсивность испарения уменьшается и происходит выравнивание температуры по всему объему высушиваемого сыра.

Величина тепловой нагрузки в течение 22-25 минут максимальна и составляет 3 кВт/м2. По достижении поверхностными слоями сыра температуры, равной 60 °С, происходит снижение тепловой нагрузки. Величина тепловой нагрузки уменьшается от 3 до 0,3 кВт/м2. Уменьше-; ние тепловой нагрузки производится автоматически.

4 162 ISO 198 216 2J4 252 270 288 Время, мин

- на пов-ти -

Рис. 14. Графики изменения: а — плотности теплового потока; б - температуры «Советского» сыра на поверхности и в толще; в - относительной массы (при температуре сушки 60 °С)

9 По шс® не кий

14 2

Температура сушки, °С

Рис. 15. Зависимость массовой доли влаги сухого сыра от температуры вакуумной сушки

Относительная масса «Советского» сыра в процессе сушки уменьшается на 35-37 %. Аналогичные кривые сушки получены для «Швейцарского», «Алтайского», «Горного» и «Московского» сыров. При снижении температуры сушки менее 50 °С продолжительность процесса вакуумной сушки увеличивается до 7-8 часов, а сухой сыр имеет повышенную массовую долю влаги (рис. 15). Тепловая нагрузка — это количество теплоты, подведенное от нагревателей к единице площади высушиваемого продукта (кВт/м2). Подбор требуемой тепловой нагрузки проводили при следующих значениях: 9,2; 8,28; 7,36; 6,44; 5,52; 4,6; 3,68; 2,76; 1,84; 0,92 кВт/м2. На рис. 16 приведены кривые вакуумной сушки «Горного» сыра при тепловой нагрузке 4,6 и 9,2 кВт/м2.

При тепловых нагрузках менее 4,6 кВт/м2 сухой сыр имеет повышенную массовую долю влаги. На основании проведенных исследований требуемой тепловой нагрузкой для вакуумной сушки твердых сыров с высокой температурой второго нагревания считаем (5,52±0,3) кВт/м2, для твердых сыров с низкой температурой второго нагревания - (7,36±0,3) кВт/м2.

Проведение процесса сушки твердых сыров при тепловой нагрузке менее 4,6 кВт/м2 нецелесообразно, так как продолжительность процесса сушки существенно увеличивается, а сухой сыр имеет повышенную массовую долю влаги (рис 17).

72 90 108 126 144 162 180 Время, мин

а

0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 198 216 Время, мин б

Рис. 16. Кривые вакуумной сушки «Горного» сыра при тепловой нагрузке: а - 9,2 кВт/м2; б - 4,6 кВт/м2

Тепловая нагрузка, кВт/м

- Массовая доля в

Рис.

■ Продолжительность сушки

17. Зависимость продолжительности сушки и содержания массовой доли влаги в сухом «Советском» сыре от величины тепловой нагрузки

При вакууме воздух обладает способностью поглощать значительные количества водяных паров, что подтверждается формулой:

Рп

При вакуумной сушке скорость испарения влаги повышается, так как скорость удаления влаги пропорциональна разности парциальных давлений водяного пара у поверхности материала и в окружающем пространстве. Повышается также энергоэффективность процесса из-за отсутствия потерь тепла с уходящим воздухом.

J = 662-

В-Рл

(20)

где В и Рп — общее давление смеси и парциальное давление водяных паров.

Для определения требуемой величины остаточного давления вакуумной сушки сыров были проведены исследования при следующих его значениях: 2-3; 10-11; 18-19 кПа. Температура насыщения водяных паров при остаточных давлениях 2-3; 10-11; 18-19 кПа равна 17,51-24,09; 45,84-47,71; 57,83-58,98 °С соответственно. В табл. 2 представлена продолжительность вакуумной сушки сыров при различных остаточных давлениях. Массовая доля сухих сыров, выработанных при различных остаточных давлениях, приведена в табл. 3.

Вид сыра Остаточное давление, кПа

2-3 10-11 18-19 Экспериментальные зависимости

1 2 3 Эмпирический коэффициент, х

Советский 180 240 310 у = 65х+113,33; R2 = 0,998

Швейцарский 190 260 320 у = 65х+126,67; R2 = 0,998

Алтайский 180 250 320 у = 70х+110; R2 = 1

Горный 180 250 330 у = 75х+103,33; R2 = 0,998

Московский 190 270 330 у = 70х+123,33; R2 = 0,993

Голландский 220 290 360 у = 70х+150; R2 = 1

Костромской 220 300 360 у = 70х+153,33; R2 = 0,993

Пошехонский 210 290 370 у = 80х+130; R2 = 1

Таблица 3 - Содержание массовой доли влаги в сухих сырах, %

Сыры Остаточное давление, кПа

2-3 10-11 18-19

С высокой температурой второго нагревания 3,7-4,1 4,0-4,9 6,5-7,8

3,9-4,5 4,3-5,5 5,9-7,2

С низкой температурой второго нагревания 3,5-4,2 4,0-5,2 6,9-8,3

4,0-4,6 4,7-5,5 6,7-8,8

Продолжительность процесса сушки сыров с повышением остаточного давления возрастает. При повышении давления от 2-3 до 10—11 кПа продолжительность процесса в среднем возрастает на 60-80 мин; при повышении давления от 2-3 до 18-19 кПа - на 120-160 мин. На основании экспериментальных данных получены эмпирические зависимости для расчета продолжительности вакуумной сушки различных сыров в диапазоне остаточных давлений от 2-3 до 18—19 кПа. Требуемым остаточным давлением для вакуумной сушки сыров является 2-3 кПа. При данном остаточном давлении: продолжительность процесса сушки минимальна; сухие сырные продукты имеют массовую долю влаги не более 5,0 %; высокие органолептические показатели.

При вакуумной сушке на интенсивность процесса оказывает влияние температура поверхности конденсатора, так как механизм вакуумной сушки определяется градиентом парциальных давлений водяных паров, образующихся в объеме материала и конденсаторе. На рис. 18 приведены зависимости интенсивности испарения от остаточного давления в сушильной камере при разных температурах поверхности конденсатора.

0,7 0.65

■ = о.б;

1 °-55 ' о,5

6-7 10-11 14-15 Остаточное давление. кПа

6-7 10-11 14-15 Остаточное давление, кПа

18-19

а б

Рис. 18. Зависимости интенсивности испарения при различных температурах поверхности конденсатора: 1 - 1к= минус 30 °С; 2 - г= минус 20 °С; 3 - г= минус 10 °С; а - «Советский» сыр; б - «Голландский» сыр

Уменьшение остаточного давления приводит к интенсификации процесса сушки, особенно сильно это проявляется при температурах конденсации минус 25-30 °С. На рис. 19 представлены графики зависимости интенсивности испарения от разности температур материала и поверхности конденсатора.

Рис. 19. Графики зависимости интенсивности испарения от разности температур сыра и поверхности конденсатора: 1 -«Костромской»; 2 - «Голландский»; 3 - «Пошехонский»; 4 - «Швейцар-эд ню ский»; 5 — «Советский»

Разность температур материала и поверхности конденсатора

С увеличением разности температур между материалом и поверхностью конденсатора происходит увеличение интенсивности испарения. Увеличение разности температур более 100 °С несущественно увеличивает интенсивность испарения (не более 0,03 %/мин), при этом наблюдается повышенный расход теплоты и снижение качественных показателей сухих сыров. На интенсивность испарения, помимо разности давлений пара на поверхности материала и конденсатора, влияет структура продукта, физико-химические свойства, степень измельчения, толщина слоя сушки, требуемая температура сушки, тепловая нагрузка и величина остаточного давления. Наибольшая интенсивность испарения наблюдается при разности температур материала и поверхности конденсатора в 80-100 °С, то есть при требуемой температуре сушки 50-70 °С и температуре поверхности конденсатора минус 25-30 °С.

К технологическим параметрам при вакуумной сушке сыров относятся толщина слоя и степень измельчения. Сушку сыров производили в слое с определенной порозностью. Под порозностью слоя е понимают отношение объема пор к общему объему слоя F ,:

"- = 1-^, (21)

К, К,

где У„,- объем частиц (пластинок, кубиков, прямоугольников, гранул) в слое;

Ус1 - Ут— объем пор.

Сыры, измельченные в виде пластинок, кубиков и прямоугольников, имеют практически одинаковую порозность при толщине слоя 10 мм от 0,3 до 0,38; при 20 мм от 0,28 до 0,36; при 30 мм от 0,26 до 0,35; при 40 мм от 0,23 до 0,34. Полученные данные по порозности сыров согласуются с классификацией гидродинамических режимов фильтрации газа через слои зернистого материала, предложенной П.Г. Романковым и Н.Б. Рашковской. Согласно этой классификации порозность слоя (с,,, или £„) - неподвижного или гравитационно движущегося - < 0,4.

На рис. 20 представлены графики изменения массовой доли влаги «Костромского» сыра, высушенного при различных толщинах слоев.

Рис. 20. Графики изменения массовой доли влаги «Костромского» сыра в процессе сушки при различных толщинах слоев: 1-10 мм; 2 - 20 мм; 3 - 30 мм; 4-40 мм

О 18 36 54 72 90 108126144 162 180198 216234 252 270288306324 342360 378 396414432 450468 Время, мин

С увеличением толщины слоя увеличивается не только продолжительность сушки, но и массовая доля влаги в сухом продукте. При толщине 10 мм массовая доля влаги равна 4,2 %; при 20 мм - 4,5 %; при 30 мм - 5,0 %; при

40 мм - 7,1 %. Увеличение массовой доли влаги в сухих сырных продуктах при увеличении толщины слоя происходит из-за снижения скорости сушки и менее интенсивного прогрева центральных слоев. С увеличением толщины слоя угол наклона кривых уменьшается, что подтверждается снижением скорости сушки. При увеличении толщины от 10 до 20 мм продолжительность увеличивается на 20-30 %, массовая доля влаги - на 0,3-0,4 %; от 20 до 30 мм - продолжительность на 25-27 %, массовая доля влаги на 0,5-0,6 %; от 30 до 40 мм - продолжительность на 27-46 %, массовая доля влаги на 2,1-2,3 %.

На основании экспериментальных исследований установлено, что сушить сыры при толщине более 30 мм нецелесообразно из-за увеличения продолжительности сушки, неравномерности прогрева слоя по толщине, снижения орга-нолептических показателей, содержания повышенной массовой доли влаги в сухих сырах и неравномерного ее распределения по объему высушенного продукта, повышенных удельных затрат теплоты.

Подбор методов и режимов для интенсификации сушки. На рис. 21 представлены кривые сушки «Советского» сыра при ступенчатом и импульсном способе подвода теплоты.

126 1+4 162 180 198 216 214 252 220 288 306 324 Время, мин

36 54 72 ?0 1(8 126 144 162 Время, мин

Рис. 21. Кривые сушки «Советского» сыра при ступенчатом (а, б, в) и импульсном (г, д, е) способе подвода теплоты: а, г - тепловая нагрузка; б, д - температура на поверхности и в толще; в, е - относительная масса

При импульсном энергоподводе требуемая температура материала поддерживается включением и выключением нагревателей. Сокращение продолжительности процесса сушки при импульсном энергоподводе по сравнению со ступенчатым составляет 11,4-22,7 %. Сокращение продолжительности сушки связано с термодинамикой процесса. При подводе теплоты центральные слои материала имеют меньшую температуру, чем поверхностные. Следовательно, за счет разности парциальных давлений влага движется к центру материала, что требует дополнительных энергозатрат и времени на ее удаление. При импульсном энергоподводе в момент подвода теплоты материал нагревается. Когда теплота не подводится, за счет интенсивного испарения поверхностные слои охлаждаются, их температура становится практически равна центральным, градиент температуры минимален и влага интенсивно перемещается к поверхности материала.

Для интенсификации процесса вакуумной сушки сыров исследовали одно-, двух- и трехступенчатую сушку. На рис. 23 представлены графики изменения тепловой нагрузки, температуры, относительной массы и остаточного давления при двух- и трехступенчатой сушке «Советского» сыра. Установлено, что процесс вакуумной сушки сыров можно интенсифицировать за счет двух- и трехступенчатой сушки. Продолжительность процесса при двух- и трехступенчатой сушке меньше, чем при одноступенчатой, на 9,1-30,2 и 15,2-39,7 % соответственно. При двух- и трехступенчатой сушке сыров со сбросом давления удельные затраты теплоты меньше, чем при одноступенчатой, на 0,3-0,8 кВт на 1 кг удаленной влаги.

ГЛАВА 7. Влияние составных компонентов сыра на влагоудержи-вающую способность. Для большинства твердых сыров массовая доля жира в сухом веществе равна 45-50 %, массовая доля влаги 40-44 %. На рис. 22 показана зависимость продолжительности вакуумной сушки сыров от массовой доли жира. Доказано, что с увеличением массовой доли жира необходимо понижать температуру сушки для обеспечения высоких качественных показателей и предотвращения потерь жира. С изменением массовой доли жира в сухом веществе от 10 до 20 % продолжительность сушки увеличивается на 4 %; от 20 до 30 % - 12 %; от 30 до 40 % - 20 %; от 40 до 50 % - 32 %.

Увеличение продолжительности сушки сыров с увеличением массовой доли жира объясняется его гидратацион-ными свойствами. Вода образует оболочку вокруг жирового шарика. Оболочка жировых шариков способна связывать приблизительно такое же количество воды, что и сами белки, - 0,58-0,63 г воды/ г жира.

Массовая доля жира в сухом веществе. %

Рис. 22. Зависимость продолжительности вакуумной сушки сыра от массовой доли жира

Днулет) пенчашя сушка - I Вариант

1-ая ауиспь: Р-2-3 кПа. q=7,36 кОг/м', 1-80 °С

2-ая сгупень: Р-2-3 кПа; q=7,36 кВт/ма; 1=60 °С

Двухсту пенчатая сушка - 2 Варна1ГГ I -ая ступень: Р=9-Ю кПа; ч"7,36 кВт/ч'; 1=80 °С 2-ая ступень: Р=2-3 кПа; ц-7,36 кВт/м!; 1=60 °С

Трехступенчатая сушка - I Вариант 1 -ая «у пень: Р-2-3 кПа; 4=7,36 кВт/м;; 1=90 °С

2-ая ступень: Р-2-3 кПа: ц-7,36 кВт/м'; 1=75 "С

3-ья ступень: Р=2-3 кПа; 4=7,36 кВт/м'; Р=60 "С

Трехступенчат сушка - 2 Варианя

1-ая сгупень: Р-15-16 кПа, q-7,36 кВт/м': 1-90 °С

2-ая ступень: Р=7-8 кПа; 4=7,36 кВт/м'; (=75 °С

3-ья ступень: Р-2-3 кПа; q«7,36 кВт/м"; 1=60 °С

i Ц I Pr ,-i I

t

И jl

S 5

II Г"

¡S i

ь

<* 216 :м

_____I

8 <3

■1Г

«а

г

Рис. 23. Кривые сушки «Советского» сыра при двух- и трехступенчатой вакуумной сушке: а-тепловая нагрузка; б-температура на поверхности и в толще; в-относительная масса; г-остаточное давление

Одним из важнейших технологических факторов, влияющих на качество сыра, является степень его посолки. На рис. 24 приведены кривые скорости сушки сыра с различной массовой долей поваренной соли.

С увеличением концентрации поваренной соли при общей массовой доле влаги сыра 53-55 % происходит снижение скорости сушки. В период постоянной скорости при концентрации поваренной соли 1 % скорость сушки равна 0,98 %/мин; 2 % - 0,8 %/мин; 3 % - 0,72 %/мин; 4 % - 0,54 %/мин.

С повышением концентрации соли активность воды у сыров снижается до и после сушки (табл. 4).

_ Таблица 4 - Активность воды сыров_

Концентрация До сушки После сушки

поваренной со- массовая доля активность массовая доля активность

ли в сыре, % влаги,% воды влаги, % воды

1,0 42 0,971 4,5 0,551

1,5 42 0,962 4,7 0,486

2,0 42 0,940 4,9 0,459

2,5 42 0,924 4,5 0,432

3,0 42 0,902 4,5 0,403

3,5 43 0,877 4,7 0,389

4,0 44 0,843 4,7 0,377

С повышением концентрации поваренной соли от 1 до 4 % активность воды сыров до сушки изменяется на 0,131; после сушки на 0,174. Активность воды для простого раствора может быть определена с помощью закона Рауля:

у = *-Г = а„ (22)

о

где /-коэффициент активности воды в растворе; для идеального раствора - 1; х- молярная концентрация растворителя. Между активностью воды и другими термодинамическими свойствами существуют определенные зависимости. При заданной температуре Т осмотическое давление связано с активностью воды следующим отношением:

Я. 'Т г

* = —(23)

где /г - константа идеального газа;

V - парциальный молярный объем растворителя.

Массовая доля влаги. %

Рис. 24. Кривые скорости сушки сыров, концентрация поваренной соли: 1 - 1 %; 2 - 2 %; 3 - 3 %; 4 - 4 %

На рис. 25 представлены зависимости активности воды от абсолютного содержания влаги и соли в сыре до и после сушки соответственно. Активность воды в сыре понижалась при уменьшении абсолютного содержания влаги и повышении концентрации соли в сыре до и после сушки.

Абсолютное содержание в сыре влаги. %

Абсолютное содержание в сыре влаги, %

Рис. 25. Зависимости активности воды от абсолютного содержания влаги и соли в сыре до (а) и после (б) сушки, концентрация поваренной соли: 1-2 %; 2-3 %; 3-4 %

Получено уравнение для расчета продолжительности сушки сыра до массовой доли влаги 4-5 % в зависимости от концентрации поваренной соли в диапазоне от 1,0 до 4,0 %:

г = 0,3409-с4 - 5,7323 -с3 + 35,417 • с2 - 47.796 ■ с + 227,14 , (24)

где с- концентрация поваренной соли.

При увеличении концентрации поваренной соли от 1 до 1,5 % продолжительность сушки возрастает на 20 минут. В диапазоне изменения концентрации поваренной соли от 1,5 до 4 % увеличение концентрации поваренной соли на 0,5 % увеличивает продолжительность сушки на 40-60 минут.

Установлены значения равновесной влажности для вакуумной сушки сыров. Сорбционную способность сухого сырного продукта выражают коэффициентом сорбции Кс (г/гс.в.), который определяли по формуле:

тЬ (25)

г

где - содержание массовой доли влаги в сыре после сорбции, %;

Сг - содержание сухих веществ в сыре после сорбции, %.

На рис. 26 представлены кривые сорбции для сухого «Швейцарского» сыра. Анализ кривых сорбции показывает, что поглощение и отдача (в зависимости от относительной влажности воздуха) влаги протекает с наибольшей скоростью в первые сутки и замедляется по мере приближения к равновесной.

Скорость сорбции тем выше, чем больше разница между исходной влажностью сухого сырного продукта и относительной влажностью воздуха. Сорб-ционные свойства сухих сырных продуктов зависят не только от их массовой доли влаги и относительной влажности воздуха, но и от индивидуальных осо-

бенностей сыра. Определено, что сухие сырные продукты обладают высокой гигроскопичностью.

Рис. 26. Кривые сорбции влаги «Швейцарским» сыром при относительной влажности воздуха, %: 1 - 100; 2 - 90; 3 - 80; 4 - 70; 5 - 60; 6 - 50; 7 - 40;

8-30; 9-20; 10-10 Проведены исследования по определению активности воды в сырах с различной массовой долей влаги. Установлено, что сыры до сушки с массовой долей влаги от 39,0 до 44,0 % имеют активность воды от 0,948 до 0,953. В сухих сырных продуктах с массовой долей влаги от 4,4 до 7,91 % активность воды от 0,382 до 0,554. В сырах с промежуточной массовой долей влаги от 8 до 12 % активность воды не более 0,7; при массовой доле влаги 15—17 % активность воды 0,7-0,75.

Установлено, что сушка практически не влияет на кислотное, перекисное и йодное числа жира в сыре. Содержание органических кислот в «Пошехонском» сыре до и после сушки, а также в конденсате испарившейся влаги в процессе сушки приведено в табл. 5.

Таблица 5 - Содержание органических кислот в «Пошехонском» сыре до и

после сушки и в конденсате испарившейся влаги

Наименование образца Массовая доля органической кислоты в образце, мг/кг

Муравьиная Молочная Уксусная

Сыр до сушки 3 18,30±63,66 22501,15±4500,23 1516,6±303,32

Сыр после сушки 423,05±84,61 42230,45±8446,09 2200,18±440,04

Конденсат влаги из сыра 1,14±0,23 2,52±0,50 127,44±25,43

В табл. 6 приведен анионный состав «Пошехонского» сыра до и после сушки, а также в конденсате испарившейся влаги. После сушки в образцах сухих сырных продуктов массовая концентрация сульфат-ионов увеличивается в 1,80 раза, фторид-ионов - в 1,15 раза. В конденсате испарившейся влаги концентрация неорганических анионов относительно исходной концентрации, содержащейся в сыре, составляет: хлорид-ионов - 0,08—0,25 %; сульфат-ионов -1,56-2,68 %; фторид-ионов — 0,96-1,16 %; фосфат-ионов - 0,01 %. Массовая концентрация неорганических анионов в конденсате незначительна.

Таблица 6 - Массовая концентрация неорганических анионов, мг/кг

Наименование образца Определяемый параметр Массовая доля неорганического аниона в образце, X, мг/кг

до сушки после сушки

Сыр Хлорид-ион 5884,65 10460,98

Сульфат-ион 69,60 125,18

Фторид-ион 99,50 114,8

Фосфат-ион 5615,40 8372,33

Конденсат испарившейся влаги из сыра Хлорид-ион 18,06

Сульфат-ион 1,25

Фторид-ион 0,93

Фосфат-ион 0,67

По качественному составу аминокислот во всех сырах различий не обнаружено. Общее содержание аминокислот в «Советском» сыре после сушки меньше на 4,0 %, чем до сушки; в сухом «Российском» на 12,0 %; в сухом «Голландском» на 5,0 %. Понижение содержания аминокислот в сухом сыре объясняется денатурацией белка под действием температуры в процессе вакуумной сушки. В сырах до и после сушки определяли водорастворимые витамины (Bi, В2, В6, В3, С, В5, Вс). Концентрация витаминов в сухих сырных продуктах повышается по сравнению с сырами до сушки. После сушки концентрация витаминов увеличивается: В, в 2,25-2,8 раза; В2 в 2,28-2,3 раза; В6 в 8,4-9,1 раза; С в 1,8-1,9 раза; В,, в 3,3-3,5 раза. Витамины В3 и В5 не обнаружены в сырах до и после сушки.

ГЛАВА 8. Исследование влияния вакуумной сушки на микроструктуру сыра. Исследования микроструктуры пищевых продуктов, в том числе и молочных, проводятся под руководством отечественных и зарубежных авторов: Л.В. Голубевой, В.И. Ганиной, С.И. Хвыля, О.В. Лепилкиной, J.M. Aguilera, I. Heertje, G. Impoco, N.S. Joshi, K. Michelle и других. В данной главе рассмотрено влияние сушки на микроструктуру сыра, проведен анализ и идентификация различных компонентов в сырной массе с помощью микроструктурных исследований, изучена микроструктура сухих сырных продуктов в процессе хранения. На рис. 27 представлены срезы сыров, подвергнутых вакуумному высушиванию.

Рис. 27. Срезы сыров до (а, в, д) и после (б, г, е) вакуумной сушки: а, б - «Советский»; в, г - «Голландский»; д, е - «Озерный»

Сыр после сушки имеет усадку не более 15,0 %. Сущность вакуумной сушки состоит в том, что при снижении остаточного давления понижается температура кипения воды; происходит быстрое снижение температуры за счет самоиспарения влаги. Из этого следует, что при подводе тепла в условиях вакуума можно создать и большие разности температур между материалом и источником тепла.

На рис. 28 и 29 приведены микрофотографии структуры «Советского»

где

Рис. 28. Микроструктура «Советского» сыра до сушки: а - увеличение в 50 раз; б - 100 раз; в - 200 раз; г - 500 раз; д - 1000 раз; е - 2000 раз

где Рис. 29. Микроструктура сухого «Советского» сыра вакуумной сушки: а - увеличение в 50 раз; б - 100 раз; в - 200 раз; г - 500 раз; д- 1000 раз; е - 2000 раз

После сушки глобулы жира объединяются между собой, в более крупные и их размер достигает от 100 до 600 мкм, у сухих сырных продуктов размер жировых глобул практически в два раза больше, чем у сыра до сушки.

Полученные с помощью электронного сканирующего микроскопа фотографии микроструктуры сыра позволили изучить структуру сыров до и после сушки, а также провести их комплексное сравнение. Структура сыра представляет собой белковый матрикс, пронизанный капиллярами, в которых находится влага, глобулы жира находятся внутри белкового матрикса и на его поверхности. Капилляры имеют округлую и овальную форму. Количество и размер капилляров влияет на рисунок сыра, который характеризуется формой и расположением глазков или пустот.

Отложения фосфата кальция в сыре обнаружены с помощью электронного микроскопирования. При исследовании микроструктуры сыров до и после сушки было выявлено, что отдельные частички, содержащиеся в сыре, под действием пучка электронов при электронном микроскопировании светятся (рис. 30).

до сушки

Рис. 30. Отложения солей кальция в «Костромском» сыре

Для идентификации данных частиц был проведен анализ распределения отдельных элементов в сырной массе. Получены карты распределения элементов в сырах до и после сушки. На картах четко определены места нахождения фосфора и кальция. Расположения фосфора и кальция геометрически совпадают между собой, а также с местами светящихся частиц на фотографиях. Фосфат кальция является токонепроводящим, под действием пучка электронов он светится. Частицы фосфата кальция в сыре до сушки имеют размер 10-12 мкм и равномерно расположены относительно друг друга.

После сушки наблюдается концентрация и увеличение размеров фосфата кальция до 20-30 мкм в сухом сыре. Наибольшая концентрация фосфата кальция происходит в порах и микропустотах сыра. В зрелом «Костромском» и «Российском» сыре обнаружен лактат кальция (рис. 31). Размер лактата кальция в «Костромском» и «Российском» сыре 200x150 мкм. _

Рис. 31. Лактат кальция в зрелых сырах: а - «Костромской»; б - «Российский» Исследование микроструктуры сыра производили в течение года хранения. На рис. 32 приведена микроструктура сухого «Голландского» сыра в процессе хранения._

Рис. 32. Микроструктура «Голландского» сыра: а - до сушки; б - после сушки, 0 месяцев хранения; в - после сушки, 6 месяцев хранения; г - после сушки 12, б месяцев хранения

в

Структура «Голландского» сыра до сушки однородная, пористая, размеры пор от 2 до 10 мкм. При кратности увеличения 100 раз на поверхности сыра видны частицы фосфата кальция, который равномерно распределен по поверхности сыра. Размер частичек фосфата кальция 15-20 мкм. После сушки фосфат кальция полностью сохраняется в сыре. Размер фосфата кальция в процессе хранения сухих сырных продуктов не изменяется. По микроструктуре сухого «Голландского» сыра с продолжительностью хранения 6 месяцев видно скопление отдельных частиц фосфата кальция. На микрофотографиях с кратностью увеличения 500 раз достаточно четко видны микрозерна, формующие белковый матрикс и микрокапилляры. До и после вакуумной сушки размеры капилляров от 10 до 20 мкм.

ГЛАВА 9. Технология вакуумной сушки сыров, практическая реализация результатов работы. На основании проведенных органолептических, физико-химических, микробиологических исследований сухих сырных продуктов в процессе хранения установлены сроки годности в зависимости от способа упаковки. При упаковке в комбинированные пакеты на основе полиэтилена и алюминиевой фольги в естественных условиях; в бумажные пакеты сухого сырного продукта с массовой долей жира в сухом веществе 50 % сроки годности составляют 10 месяцев; сухого сырного продукта с массовой долей жира в сухом веществе 17 % - 12 месяцев. При упаковке в комбинированные пакеты на основе полиэтилена и алюминиевой фольги в условиях вакуума; в термоусадочные вакуумные пакеты из полиэтилена сухого сырного продукта с массовой долей жира в сухом веществе 50 % сроки годности составляют 12 месяцев; сухого сырного продукта с массовой долей жира в сухом веществе 17 % - 14 месяцев.

Установлены сроки годности сухих сырных продуктов в зависимости от температурно-влажностных режимов и способов упаковки. При температуре хранения (20±2) °С и относительной влажности воздуха (75±3) % и (60±3) % при упаковки в бумажные пакеты сроки годности сухого сырного продукта с массовой долей жира в сухом веществе 50 % - 10 месяцев; 17 % - 12 месяцев; при упаковке в комбинированные пакеты на основе полиэтилена и алюминиевой фольги: 50 % - 12 месяцев; 17 % - 14 месяцев. При температуре хранения (20±2) °С и относительной влажности воздуха (90±3) % при упаковке в комбинированные пакеты на основе полиэтилена и алюминиевой фольги сроки годности сухого сырного продукта с массовой долей жира в сухом веществе 50 % — 12 месяцев; 17 % - 14 месяцев. При температуре хранения (4±2) °С и относительной влажности воздуха (75±3) % при упаковке в бумажные пакеты сроки годности сухого сырного продукта с массовой долей жира в сухом веществе 50 % - 12 месяцев; 17 % - 14 месяцев; при упаковке в комбинированные пакеты на основе полиэтилена и алюминиевой фольги: 50 % — 14 месяцев; 17 % -16 месяцев.

Технологический регламент производства сухих сырных продуктов способом вакуумной сушки приведен на рис. 33. Проведены исследования, в результате которых установлено, что после сушки увеличивается пищевая и энергетическая ценность сухих сырных продуктов.

Рис. 33. Технологический регламент производства сухих сырных продуктов способом вакуумной сушки

Технологическая схема производства сухих сырных продуктов способом вакуумной сушки представлена на рис. 34.

в Л 11

I г 1 < X А I

Рис. 34. Технологическая схема производства сухих сырных продуктов способом вакуумной сушки: 1 - автотранспорт; 2 - холодильная камера; 3 - измельчитель; 4 - бак для сбора измельченного сыра; 5 - весы; 6, 8 - тележка; 7 -вакуумная сушильная установка; 9 - емкость для охлаждения сухого сырного продукта за счет естественной конвекции; 10 - технологическая ванна; 11 - фасовка сухого сыра; 12 - упаковочный автомат; 13 - упаковка в картонную тару; 14 - склад для хранения сухих сыров

Разработана промышленная технология вакуумной сушки сыров. Приведена технологическая схема производства сухих сырных продуктов способом вакуумной сушки. Рассмотрено производство сухого сырного продукта в смену (за цикл сушки) на примере промышленных вакуумных сушильных установок РО-20-С1Р и РО-ЮО-С1Р.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны экспериментальные установки и методики для комплексного исследования процессов вакуумной сушки сыра: вакуумная сушильная установка, вакуум-сублимационная установка, установка для определения «активности воды» пищевых продуктов. Новизна предлагаемых технических решений подтверждена патентами РФ. Разработаны математические модели для расчета продолжительности вакуумной сушки сыров. Создан программный комплекс, позволяющий проводить численное моделирование на основе созданных математических моделей.

2. Установлены закономерности кинетики процесса вакуумной сушки сыров. Вакуумная сушка сыров протекает в два периода: постоянной и падающей скорости сушки. Получены и исследованы кривые сушки различных видов сыров. Путем графического дифференцирования построены кривые скорости сушки сыров. Определены максимальные значения скорости сушки сыров.

3. Теоретически обоснованы и экспериментально установлены рациональные режимы сушки сыров. Рациональная температура вакуумной сушки полутвердых сыров (60±3) °С. Рациональные тепловые нагрузки: для сыров с высокой температурой второго нагревания (5,52±0,3) кВт/м2; для сыров с низкой температурой второго нагревания (7,36±0,3) кВт/м2. Рациональная величина остаточного давления вакуумной сушки сыров 2-3 кПа. Температура поверхности конденсатора минус 25-30 °С. На основании экспериментальных исследований установлено, что вакуумную сушку сыров рекомендуется проводить при толщине слоя от 10 до 30 мм, при следующих формах и размерах: пластинки 17x2x1, 55x5x2 мм; кубики 6x6x6, 10x10x10 мм; прямоугольники 30x6x6, 30x10x10 мм.

4. Определены методы и режимы для интенсификации процесса вакуумной сушки сыров. Установлено, что для интенсификации процесса вакуумной сушки сыров необходимо использовать импульсный способ подвода теплоты, двух- и трехступенчатую сушку. При импульсном способе подвода теплоты продолжительность процесса сушки уменьшается, скорость сушки увеличивается, сокращаются энергозатраты. Продолжительность процесса вакуумной сушки сыров при двух- и трехступенчатой сушке меньше, чем при одноступенчатой, на 9,1-30,2 и 15,2-39,7 % соответственно.

5. Приведено теоретическое и экспериментальное обоснование влиянию физико-химических свойств сыра на испарение влаги в процессе вакуумной сушки. При увеличении массовой доли влаги в сырах увеличивается скорость сушки и продолжительность периода постоянной скорости. Изменение массовой доли жира в сухом веществе сыра на 1 % изменяет продолжительность сушки на 4,25 мин, скорость сушки на 0,0065 %/мин. С увеличением концентрации поваренной соли происходит снижение скорости сушки. В период постоянной скорости при концентрации поваренной соли 1 % скорость сушки равна 0,98 %/мин; 2 % - 0,8 %/мин; 3 % - 0,72 %/мин; 4 % - 0,54 %/мин. С повышением концентрации соли активность воды у сыров снижается до и после сушки. С повышением концентрации поваренной соли от 1,0 до 4,0 % активность воды сыров до сушки изменяется на 0,131; после сушки - на 0,174.

6. Систематизированы экспериментальные данные физико-химических и гигроскопических характеристик сухих сырных продуктов. Аналитическим методом определено количество влаги полимолекулярной адсорбции сыров, равное 4—9 %. Установлены значения равновесной влажности для вакуумной сушки сыров. Исследованы сорбционные свойства сухих сырных продуктов. Получены аппроксимирующие функции для расчета равновесной влажности сухих сырных продуктов при сорбции и десорбции в зависимости от относительной влажности воздуха. Исследовано влияние температуры хранения на равновесную влажность сухих сырных продуктов. Установлена значимость показателя «активность воды» как интегрального показателя для оценки качества сухих сырных продуктов. Проведены исследования по определению активности воды сыров с различной массовой долей влаги. Сыры до сушки с массовой долей влаги от 39,0 до 44,0 % имеют активность воды от 0,948 до 0,953. В сухих сырных продуктах с массовой долей влаги от 4,4 до 7,91 % активность воды от 0,382 до 0,554.

7. Произведена оценка качества сухих сырных продуктов. Определено содержание органических и жирных кислот в сыре до и после сушки, а также содержание органических кислот в конденсате испарившейся влаги. Исследован анионный состав сыра и конденсата испарившейся влаги. Биологическая ценность сухих сырных продуктов определена и подтверждена двумя методами: аминокислотным скором и индексом незаменимых аминокислот. Установлено, что в процессе сушки аз2-казеин, (3-казеин, к-казеин существенных изменений не претерпевали. Содержание asi-казеина в сухих сырных продуктах увеличивалось. В процессе сушки сыра наибольшим изменениям подвержены

р-лактоглобулин и некоторые минорные фракции с молекулярной массой 16-18 кДа.

8. Установлены особенности микроструктуры сыров до и после сушки. Проведен анализ микрофотографии структуры при различных кратностях увеличения. Установлено, что сыры до сушки имеют размеры глобул жира от 50 до 300 мкм, белковый матрикс имеет толщину до 10 мкм, размер капилляров, в которых находится влага, составляет 5-8 мкм. После сушки происходит увеличение размеров глобул жира до 100-600 мкм, размер капилляров увеличивается до 8-15 мкм. По микрофотографиям при кратности увеличения в 1000 и 2000 раз установлено, что структура сыров ячеистая. Частицы фосфата кальция в сыре до сушки имеют размер 10-12 мкм. В процессе сушки фосфат кальция концентрируется, размер его частиц увеличивается до 20-30 мкм. Размеры частиц лактата кальция в среднем равны 200x150 мкм. Получены карты распределения структурных элементов в сырах.

9. Разработана промышленная технология вакуумной сушки сыра. Разработана и утверждена нормативная документация на выработку сухого сырного продукта, получено санитарно-эпидемиологическое заключение № 41.21.01. 922.Т.000142.03.10 от 10.03.2010 г. на производство сухого сыра способом вакуумной сушки по ТУ 9225-107-02068315-2009 «Сухой сыр». Произведен расчет стоимости производства сухих сырных продуктов способом вакуумной сушки. Созданы оригинальные технические решения, новизна которых подтверждена положительными решениями и патентами РФ. Большинство из них использовано при разработке технической документации на сухие сыры, производство которых апробировано на предприятиях отрасли в гг. Барнаул, Кемерово, Новосибирск и др.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ: Монографии

1. Ермолаев, В.А. Вакуумные технологии молочно-белковых концентратов: Монография / В.А. Ермолаев, А.Ю. Просеков. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2010. - 212 с.

2. Ермолаев, В.А. Теоретические основы и практическая реализация технологии вакуумной сушки сыров: Монография / В.А. Ермолаев. - Кемерово, 2011. - 211 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

3. Ермолаев, В.А. Определение температур вакуумной сушки твердых сыров / В.А. Ермолаев, А.Н. Расщепкин // Сыроделие и маслоделие. - 2009. - №4. - С. 44-45.

4. Ермолаев, В.А. Выбор остаточного давления и тепловой нагрузки при вакуумной сушке твердых сыров / В.А. Ермолаев, А.Н. Расщепкин // Хранение и переработка сельхоз-сырья. - 2009. - №9. - С. 20-21.

5. Просеков, А.Ю. Удельный расход теплоты при вакуумной сушке сыров / А.Ю. Просеков, В.А. Ермолаев // Сыроделие и маслоделие. - 2009. - №5. - С. 26-27.

6. Ермолаев, В.А. Особенности производства сухих сыров способом вакуумной сушки / В.А. Ермолаев // Вестник КрасГАУ. - 2009. - №12. - С. 202-205.

7. Ермолаев, В.А. Гигроскопические свойства сухих сыров «Швейцарский» и «Советский» / В.А. Ермолаев // Вестник КрасГАУ. - 2010. - №1. - С. 148-11.

8. Ермолаев, В.А. Исследование изотерм сорбции и десорбции, равновесной влажности сухих сыров / В.А. Ермолаев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2010. - №11. - С.

29-32.

9. Ермолаев, В.А. Сушка Голландского, Костромского и Ярославского сыров / В.А. Ермолаев // Аграрная наука. - 2010. - № 8. - С. 30-31.

10. Ермолаев, В.А. Способы уменьшения удельных затрат теплоты при вакуумной сушке молочных продуктов / В.А. Ермолаев, B.C. Сметании // Вестник КрасГАУ. - 2010. -№1. - С. 160-164.

11. Ермолаев, В.А. Исследование влияние остаточного давления на вакуумную сушку сыров / В.А. Ермолаев // Вакуумная техника и технология. - 2010. - №4. - Том. 20. - С. 249-253.

12. Ермолаев, В.А. Одно-, двух- и трехступенчатая вакуумная сушка молочных продуктов / В.А. Ермолаев // Сибирский Вестник сельскохозяйственной науки. - 2010. - №5. - С. 100-105.

13. Ермолаев, В.А. Вакуумная сушка рассольных сыров / В.А. Ермолаев, А.Ю. Просеков // Достижение науки и техники АПК. - 2010. - №4. - С. 72.

14. Ермолаев, В.А. Кинетика процесса вакуумной сушки сыра «Адыгейский» и брынзы / В.А. Ермолаев // Сыроделие и маслоделие. - 2010. - №1. - С. 32-33.

15. Ермолаев, В.А. Многоступенчатая вакуумная сушка мягких сыров / В.А. Ермолаев // Сыроделие и маслоделие — 2009 - №6. - С. 36-37.

16. Ермолаев, В.А. Влияние продолжительности вакуумной сушки на физико-химические и микробиологические показатели сыра / В.А. Ермолаев, Н.Г. Третьякова, A.B. Изгарышев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2010. - №3. - С. 22-23.

17. Просеков, А.Ю. Аминокислотный состав сыров до и после вакуумной сушки / А.Ю. Просеков, В.А. Ермолаев, Л.С. Солдатова // Сыроделие и маслоделие. - 2010. - №1. -С. 30-31.

18. Просеков, А.Ю. Модель процесса восстановления сухих белковых продуктов /

A.Ю. Просеков, В.А. Ермолаев, Н.Г. Третьякова // Сыроделие и маслоделие. - 2010. - №2. -С. 44-45.

19. Ермолаев, В.А. Реологические показатели сухих и восстановленных молочно-белковых концентратов / В.А. Ермолаев, Д.В. Доня, A.B. Шилов // Сыроделие и маслоделие. -2010,-№5.-С. 44-45.

20. Курбанова, М.Г. Гигроскопические свойства продуктов с промежуточной влажностью / М.Г. Курбанова, В.А. Ермолаев // Вестник АГАУ. - 2011. - №12 - С. 63-66.

21. Ермолаев, В.А. Влияния физико-химических свойств сухого продукта и среды восстановления на качественные показатели восстановленного продукта / В.А. Ермолаев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2011. - №3. - С. 20-22.

22. Ермолаев, В.А. Исследование показателя активности воды сухих молочных продуктов / В.А. Ермолаев, А.Б. Шушпанников // Техника и технология пищевых производств. -2010. -№2.-С. 84-88.

23. Ермолаев, В.А. Вакуумное концентрирование молочно-белковых продуктов /

B.А. Ермолаев // Молочная промышленность. - 2010. - №7. - С. 62-63.

24. Просеков. А.Ю. Подбор остаточного давления для вакуумного концентрирования жидких молочных продуктов / А.Ю. Просеков, В.А. Ермолаев // Достижение науки и техники АПК. - 2010. - №6. - С. 69-70.

25. Ермолаев, В.А. Исследование влияния температуры поверхности конденсатора на интенсивность вакуумного концентрирования жидких молочных продуктов / В.А. Ермолаев // Достижение науки и техники АПК. -2010. - №5. - С. 71-72.

26. Ермолаев, В.А. Исследование влияния тепловой нагрузки на процесс вакуумного концентрирования жидких молочных продуктов / В.А. Ермолаев, И.В. Кушевский И Техника и технология пищевых производств. - 2010. - №3. - С. 67-71.

27. 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. Дуйсембаева // Техника и технология

пищевых производств. - 2010. - №4. - С. 68-72.

28. Ермолаев, В.А. Капиллярное строение твердых сычужных сыров с низкой температурой второго нагревания / В.А. Ермолаев // Сыроделие и маслоделие. - 2011. - №1. - С. 32-33.

29. Ермолаев, В.А. Динамика активности воды в мягких сырах / В.А. Ермолаев, Т.Н. Садовая, И.В. Кушевский // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2010. - №10. - С. 28-30.

30. Остроумов, JI.A. Микроструктура зрелого сыра «Покровский» до и после сублимационной и вакуумной сушки / JI.A. Остроумов, В.А. Ермолаев // Вестник КрасГАУ. -2011,-№4.-С. 145-149.

31. Ермолаев, В.А. Исследование микроструктуры сыра различной степени зрелости до и после сушки / В.А. Ермолаев // Техника и технология пищевых производств. - 2011. -№2. - С. 28-32.

32. Ермолаев, В.А. Влияние процессов созревания и вакуумной сушки на фракционный состав молочных белков сыра / В.А. Ермолаев, Ю.В. Мудрикова, H.H. Воробьева // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. - 2011. - №2. - С. 54-58.

Статьи в научных трудах ВУЗов и НИИ

33. Расщепкин, А.Н. Исследование процесса вакуумной сушки сыра / А.Н. Расщепкин, В.А. Ермолаев, Е.А. Кашпур // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: Сб. науч. работ. - Вып. 18. - Кемерово: КемТИПП, 2009. - С. 98-101.

34. Ермолаев, В.А. Вакуумная сушка сыров с использованием ИК лучей / В.А. Ермолаев // Сб. науч. трудов посвященный проблемам техники и технологии переработки молока. - Барнаул, 2009. - С. 75-76.

35. Ермолаев, В.А. Органолептические показатели сухого сыра в процессе хранения / В.А. Ермолаев // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: Сб. науч. работ. - Вып. 19. - Кемерово: КемТИПП, 2009. - С. 26-27.

36. Ермолаев, В.А. Влияние температуры хранения на равновесную влажность сухих сыров / В.А. Ермолаев // Переработка молока. - 2011. - №2. - С. 64-65.

37. Ермолаев, В.А. Новая методика определения показателя активности воды / В.А. Ермолаев, A.B. Изгарышев // Переработка молока. - 2010. - №5. - С. 58-59.

38. Ермолаев, В.А. Интенсификация процесса концентрирования / В.А. Ермолаев // Переработка молока. - 2011. -№11.-С. 32-34.

39. Ермолаев, В.А. Исследование аминокислотного состава сыров / В.А. Ермолаев // Переработка молока. - 2011. - №12. - С. 38-39.

Материалы симпозиумов, конгрессов, конференций

40. Ермолаев, В.А. Качественные показатели сухого продукта при выборе рациональной температуры сушки / В.А. Ермолаев // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: Материалы II Всероссийской на-уч.-практ. конф. - Челябинск, 2008. - С. 47-49.

41. Ермолаев, В.А. Кислотность и массовая доля жира регидрированного продукта в зависимости от среды восстановления / В.А. Ермолаев // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: Материалы II Всероссийской науч.-практ. конф. - Челябинск, 2008. - С. 90-91.

42. Ермолаев, В.А. Определение тепловой нагрузки для вакуумной сушки сыра / В.А. Ермолаев, Ю.А. Нечаев U Пищевые продукты и здоровье человека: Тезисы докладов II Всероссийской конф. студентов и аспирантов - часть 2. - Кемерово, 2009. - С. 43-44.

43. Ермолаев, В.А. Исследование процесса ступенчатой вакуумной сушки мягкого сыра / В.А. Ермолаев, С.Ю. Тропин // Пищевые продукты и здоровье человека: Тезисы докладов II Всероссийской конф. студентов и аспирантов - часть 1. - Кемерово, 2009. - С. 142143.

44. Холина, Е.Д. Гигроскопические свойства сухих сыров / Е.Д. Холина, В.А. Ермолаев // Пищевые продукты и здоровье человека: Тезисы докладов II Всероссийской конф. студентов и аспирантов - часть I. - Кемерово, 2009. - С. 149-150.

45. Ермолаев, В.А. Структурно-механические свойства регидрированного сыра / В.А. Ермолаев // Инновационные технологии в пишевой промышленности: Всероссийская конференция с международным участием. - Самара, 2009. - С. 11-12.

46. Ермолаев, В.А. Влияние продолжительности сушки на массовую долю влаги Адыгейского сыра / В.А. Ермолаев // Чистая вода 2009: Международная научно-практическая конференция. - Кемерово, 2009. - С. 444-446.

47. Ермолаев, В.А. Коэффициенты сорбции сухих сыров в зависимости от условий хранения / В.А. Ермолаев // Инновации - приоритетный путь развития АПК: Сборник материалов VIII-й международной научно-практической конференции. - Кемерово, 2009. - С. 239-240.

48. Ермолаев, В.А. Зависимость массовой доли влаги Советского и Рижского сыра от продолжительности процесса вакуумной сушки / В.А. Ермолаев, О.О. Бабич, Н.Г. Третьякова // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: Материалы III Всероссийской научно-практической конференции, с международным участием. - Челябинск, 2009. - С. 234-235.

49. Ермолаев, В.А. Инновационная ресурсосберегающая технология получения сухих сыров и творога / В.А. Ермолаев, A.B. Изгарышев, А.Ю. Просеков // Пятая Всероссийская научно-инновационная конференция студентов, аспирантов и молодых ученных: Тезисы докладов. - Москва, 2009. - С. 35-38.

50. Ермолаев, В.А. Технология вакуумной сушки сыров / В.А. Ермолаев, А.Ю. Просеков // К 100-летию A.B. Лыкова Труды международного научно-технического семинара: Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки. - Воронеж, 2010. - С. 226-232.

51. Ермолаев, В.А. Витаминный и анионный состав сыра до и после сушки / В.А. Ермолаев // К 100-летию A.B. Лыкова Труды международного научно-технического семинара: Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки. - Воронеж, 2010. - С. 233-235.

52. Ермолаев, В.А. Электрофоретические исследования белкового профиля до и после сушки / В.А. Ермолаев // Качество продукции, технологий и образования: Сборник материалов V всероссийской научно-практической конференции. - Магнитогорск, 2010. - С. 6568.

53. Ермолаев, В.А. Исследование процессов вакуумного концентрирования молока / В.А. Ермолаев // Материалы международной научно-практического семинара «Современные технологии продуктов питания: теория и практика производства». - Омск, 2010. - С. 91-93.

54. Ермолаев, В.А. Влияние плотности теплового потока на процесс концентрирования молочного гидролизата / В.А. Ермолаев // Инновационные тенденции развития Российской науки: Материалы III Международной (заочной) научно-практической конференции молодых ученых. - Красноярск, 2010. - С. 112-114.

55. Ермолаев, В.А. Зависимость периодов вакуумного концентрирования молочно-белковых продуктов от режимных параметров / В.А. Ермолаев, A.B. Изгарышев // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Кемерово, 2010. - С. 160-162.

56. Ермолаев, В.А. Активность воды в молоке до и после концентрирования / В.А. Ермолаев, A.B. Изгарышев // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Кемерово, 2010 - С. 163-164.

57. Ермолаев, В.А. Динамика и кинетика концентрирования молочных гидролизатов / В.А. Ермолаев, А.И. Зюрин // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Кемерово, 2010. - С. 154-155.

58. Ермолаев, В.А. Исследование изменения температуры обезжиренного молока в процессе вакуумного концентрирования / В.А. Ермолаев, А.И. Денисов // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Кемерово, 2010. - С. 135-136.

59. Ермолаев, В.А. Особенности аппаратурного оформления сушки в вакууме / В.А. Ермолаев, A.B. Изгарышев // Повышение качества пищевых продуктов: развитие творческой и инновационной деятельности молодежи: Материалы VIII международной студенческой научно-практической конференции. - Кемерово, 2010. - С. 126-127.

60. Ермолаев, В.А. Сухие сыры вакуумного и сублимационного высушивания / В.А. Ермолаев // VII Специализированный конгресс: Молочная промышленность Сибири. - Барнаул, 2010.-С. 76-79.

61. Ермолаев, В.А. Разность парциальных давлений - движущая сила процесса сушки / В.А. Ермолаев, H.A. Комарова // Материалы IV международной научно-практической конференции: Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания. - Челябинск, 2010. - С. 270-273.

62. Чесноков, Н.С. Влияние массовой доли влаги и жира на испарение влаги из сыра / Н.С. Чесноков, В.А. Ермолаев // Качество продукции, технологий и образования: Сборник материалов VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Магнитогорск. - С. 173-176.

63. Ермолаев, В.А. Инновационные технологии производства сухих сыров / В.А. Ермолаев // Материалы IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека». - Кемерово, 2011. -С. 95-96.

64. Ермолаев, В.А. Инновационная ресурсосберегающая технология получения сухих сыров и творога / В.А. Ермолаев, А.Ю. Просеков // Сборник докладов III Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях». - Москва, 2011. - С. 314-316.

65. Ермолаев, В.А. Сканирующая электронная микроскопия сыров / В.А. Ермолаев, Н.С. Чесноков // VI Международный фестиваль: Праздник сыра. - Барнаул, 2011. - С. 30-32.

66. Ермолаев, В.А. Влияние сублимационной и вакуумной сушки на микроструктуру сыров / В.А. Ермолаев // Инновационный конвент: «Кузбасс: образование, наука, инновации». - Кемерово, 2011.-С. 98-100.

67. Ермолаев, В.А. Жидкие молочные продукты как объекты консервирования / В.А. Ермолаев // Материалы научной школы для участников программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса». - Кемерово, 2011. - С. 11-15.

68. Ермолаев, В.А. Исследование влияния сушки на микроструктуру сыра / В.А. Ермолаев, Н.С. Чесноков // Сборник материалов IV международной научно-практической конференции посвященной восьмидесятилетию факультета технологии молочных продуктов ОмГАУ «Перспективы производства продуктов питания нового поколения». - Омск, 2011. -С. 110.

Патенты РФ

69. Патент № 2405352 Способ вакуумной сушки сыров / JI.A. Остроумов, А.Ю. Просеков, В.А. Ермолаев; Заявитель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности: - №2009121003/13 Заявл. 02.06.2009; опубл. 10.12.2010, Бюл. 34.

70. Патент № 2421718 Способ определения активности воды пищевых продуктов /

B.А. Ермолаев, A.B. Изгарышев; Заявитель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности: - № 2009137049/13 Заявл. 06.10.2009; опубл. 20.06.2011, Бюл. № 17.

71. Патент №2413418 Способ сушки твердых сыров / JI.A. Остроумов, А.Ю. Просеков, В.А. Ермолаев; Заявитель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности: - № 2009140120/10 Заявл. 29.10.2009; опубл. 10.03.2011, Бюл. 7.

72. Патент № 2411740 Способ удаления влаги из молочных продуктов / JI.A. Остроумов, А.Ю. Просеков, В.А. Ермолаев, B.C. Сметанин; Заявитель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности: - №2009140124/10 Заявл. 29.10.2009; опубл. 20.02.2011, Бюл. № 5.

73. Патент № 2426462 Способ вакуумной сушки / А.Ю. Просеков, В.А. Ермолаев,

C.А. Иванова; Заявитель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой про-

мышленности: - №2010107834 Заявл. 03.03.2010; опубл. 20.08.2011, Бюл. № 23.

74. Патент № 2429704 Способ производства пищевых продуктов с промежуточной влажностью / В.А. Ермолаев, А.Ю. Просеков; Заявитель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности: - №¡2010107833 Заявл. 03.03.2010; опубл. 27.09.2011, Бюл. №27.

75. Патент № 2423052 Способ многостадийной сушки рассольных сыров / А.Ю. Просеков, В.А. Ермолаев; Заявитель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности: -№2010106683/10 Заявл. 24.02.2010; опубл. 10.07.2011, Бюл. №19.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина; 1К - средняя влажности материала, %; IV- влажности материала (массовая доля влаги), %; г- температуры, °С; т- время, мин; -

ФУ

температура поверхности конденсатора, °С;--скорость сушки, %/мин.

Подписано в печать'/.'У2013. Формат 60x86/16. Тираж 120 экз. Объем 2,5 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

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

(ФГБОУ ВПО КемТИПП)

На правах рукописи

05201450244

ЕРМОЛАЕВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ СУХОГО СЫРНОГО ПРОДУКТА

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

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Л.А. ОСТРОУМОВ

Кемерово 2013

\

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 6

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА СУХИХ ПРОДУКТОВ.................. 12

1.1. Влажные материалы как объекты сушки.................................. 12

1.1.1. Формы связи влаги с сухим веществом.............................. 13

1.1.2. Взаимодействие сухих продуктов с влажным воздухом......... 22

1.2. Кинетика процесса сушки..................................................... 28

1.3. Анализ способов сушки пищевых продуктов............................. 42

1.4. Формы связи влаги в сырах и способы сушки сыра...................... 65

1.5. Заключение по первой главе.................................................. 83

Глава 2. ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ

СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ИХ ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ......... 85

Глава 3. ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................. 93

3.1. Организация и схема проведения исследований......................... 93

3.2. Объекты и методы исследований............................................ 96

Глава 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВАКУУМНОЙ СУШКИ СЫРОВ.......................... 102

4.1. Разработка экспериментальной вакуумной

сушильной установки................................................................. 102

4.2. Разработка экспериментальной вакуум-сублимационной

установки.............................................................................. 108

4.3. Разработка экспериментальной установки для определения «активности воды» пищевых продуктов........................................ 111

4.4. Методика расчета и подбора вакуумных сушильных установок...... 117

4.5. Разработка математической модели для расчета продолжительности

процесса вакуумной сушки сыра....................................................... 121

4.5.1. Математические модели и методы решения............................ 121

4.5.2. Разностные схемы и методы решения........................................................................126

4.5.3. Результаты компьютерного моделирования........................................................128

4.6. Заключение по четвертой главе..............................................................................................131

Глава 5. ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ СУШКИ И ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ

СЫРА В ПРОЦЕССЕ ВАКУУМНОЙ СУШКИ......................................................133

5.1. Сыры как объекты вакуумной сушки..............................................................................133

5.2. Кинетика вакуумной сушки сыров....................................................................................140

5.3. Усадочные явления и растрескивание материала в процессе вакуумной сушки..........................................................................................................................................147

5.4. Заключение по пятой главе......................................................................................................156

Глава 6. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА

СУШКУ СЫРА........................................................................................................................................................................................158

6.1. Подбор режимных параметров для вакуумной сушки сыра............................158

6.1.1. Температура сушки и тепловая нагрузка..........................................................................158

6.1.2. Остаточное давление..........................................................................................................................................178

6.1.3. Температура поверхности конденсатора..................................................................182

6.2. Подбор технологических параметров для вакуумной сушки сыра... 186

6.3. Подбор методов и режимов для интенсификации сушки......................196

6.4. Заключение по шестой главе..................................................................................................211

Глава 7. ВЛИЯНИЕ СОСТАВНЫХ КОМПОНЕНТОВ СЫРА

НА ВЛАГОУДЕРЖИВАЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ..........................................213

7.1. Влияние массовой доли влаги и жира в сыре на процесс

вакуумной сушки....................................................................................................................................................................................213

7.2. Влияние массовой доли соли в сыре на процесс вакуумной сушки.. 217

7.3. Гигроскопические свойства сухих сырных продуктов....................................226

7.3.1. Изотермы сорбции и десорбции..............................................................................226

7.3.2. Активность воды сыров до и после сушки, сыров

с промежуточной влажностью......................................................................................................................238

7.4. Исследование качества сыров до и после сушки......................................................241

7.4.1. Изменение чисел жира в сыре до и после сушки....................................241

7.4.2. Изменение содержания органических и жирных кислот

в сыре в процессе сушки..................................................................................................................242

7.4.3. Анионный баланс сыра и конденсата испарившейся влаги............247

7.5. Аминокислотный состав сыра до и после сушки................................................251

7.6. Электрофоретические исследования белков сыра

до и после сушки..........................................................................................................................................255

7.7. Заключение по седьмой главе................................................................................................258

Глава 8. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВАКУУМНОЙ СУШКИ

НА МИКРОСТРУКТУРУ СЫРА............................................................................................262

8.1. Изучение микроструктуры сыра до и после сушки............................................263

8.2. Анализ и идентификация различных компонентов в сырной массе

с помощью микроструктурных исследований..................................................................277

8.3. Исследование микроструктуры сухих сыров в процессе хранения... 286

8.4. Заключение по восьмой главе................................................................................................288

Глава 9. ТЕХНОЛОГИЯ ВАКУУМНОЙ СУШКИ СЫРОВ,

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ................290

9.1. Установление сроков годности сухого сырного продукта..........................290

9.1.1. Влияние упаковки на изменение органолептических и физико-химических показателей сухого сырного продукта

в процессе хранения............................................................................................................................................290

9.1.2. Влияние температурно-влажностных режимов на качественные показатели сухого сырного продукта

в процессе хранения..........................................................................................................................300

9.2. Методика расчета параметров процесса вакуумной сушки сыров... 308

9.3. Разработка регламента сушки сыра..................................................................................312

9.4. Промышленная технология вакуумной сушки сыров..........................................317

9.5. Расчет стоимости производства сухих сырных продуктов

способом вакуумной сушки................................................................................................................321

9.6. Заключение по девятой главе..................................................................................................323

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ..........................................................................................................325

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................................329

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................................................................................370

ВВЕДЕНИЕ

Стратегия развития экономики России предполагает достижение продовольственной безопасности, которая в официальных документах определяется как способность государства, гарантированная соответствующим ресурсным потенциалом, независимо от внешних и внутренних условий стабильно удовлетворять население страны в целом и каждого гражданина в отдельности продуктами питания в объемах, ассортименте и качестве, достаточных для полноценного физического и социального развития, обеспечения здоровья и расширенного воспроизводства.

Стратегия формирования товарных ресурсов представляет собой часть стратегии развития продовольственного рынка и с позиции продовольственной безопасности направлена на создание стратегических и оперативных резервов продовольствия, удовлетворение потребностей населения страны в продуктах питания, прежде всего за счет собственного ресурсного потенциала, а не поставок по импорту [194].

Проблема пищи становится одной из наиболее важных проблем современности. Огромный интерес к этой проблеме диктуется социальными, экономическими и медицинскими аспектами, значительной нехваткой пищевых ресурсов вообще и белка в частности, постоянством действия и определяющим влиянием фактора питания на состояние здоровья населения и, разумеется, возможностью существенного исправления сложившегося положения при условии использования рекомендаций и практических выводов науки о питании [206].

Фундаментальным итогом исследования в области питания является вывод о том, что для лучшего обеспечения жизнедеятельности человека важным является не только снабжение его адекватными количествами энергии и белка, но и соблюдение определенных взаимоотношений между многочисленными незаменимыми факторами питания, каждому из которых принадлежит специфическая роль в обмене веществ.

В настоящее время различают более 60 факторов, которые должны присутствовать в определенных пропорциях в рационах питания для обеспечения здоровья человека, в том числе различные аминокислоты, жирные кислоты, витамины, минеральные вещества, микроэлементы и т.д. Формула сбалансированности важнейших пищевых веществ в рационах может несколько меняться в зависимости от условий труда, климатической зоны проживания, а также пола, возраста и индивидуальных особенностей человека. Но главные ее черты сохраняют свое значение для питания всех континген-тов населения.

Молочным продуктам, учитывая их биологическую ценность, отводится важная роль в организации питания населения. Среди молочных продуктов сыр занимает особое место. Это концентрированный, легкоусвояемый белковый продукт, обладающий хорошими органолептическими свойствами. Пищевая ценность сыра обусловлена высокой концентрацией в нем белков, жиров, незаменимых аминокислот, солей кальция и фосфора, необходимых для нормального развития организма человека. Сыр рекомендуется людям разных возрастов и занятых различными видами труда. Сыр включают в рацион питания больных диабетом, хроническим гепатитом, при заболевании печени, малокровии.

Повышение качества, расширение ассортимента и улучшение пищевой полноценности продуктов питания - одна из важнейших задач. В условиях сезонности производства большинства молочных продуктов, в том числе сыров, огромной протяженности страны, ограниченных сроков хранения готовых продуктов важное значение приобретает совершенствование и разработка новых методов консервирования. К таким методам относится вакуумная сушка, принцип применения которой основан на высушивании при остаточном давлении выше давления кипения тройной точки воды.

Проблема сушки влажных материалов решается в нашей стране по следующим основным направлениям: аналитические методы исследования и расчета процесса сушки; исследование и уточнение механизма внешнего и

внутреннего переноса энергии и массы при различных способах сушки; развитие технологии и техники сушки.

Перед техникой сушки в настоящее время стоят задачи изыскания новых, более эффективных методов обезвоживания, создания высокопроизводительных установок, входящих в состав поточных линий, а также автоматизации контроля и регулирования процессов сушки. В решении этих задач необходимо использовать аналитические методы исследования и расчета процесса сушки.

Аналитические исследования направлены на получение более полного математического описания сложных взаимосвязанных явлений тепло- и мас-сообмена, уточнение краевых условий в различных процессах сушки и решение системы уравнений теплопереноса и количества движения. Наряду с применением метода интегральных преобразований и других классических и операционных методов (Ю.А. Михайлов, Н.И. Гамаюнов, А.Г. Темкин,

A.A. Алексашенко и др.) для решения задач нестационарной тепло- и массо-проводности развиваются методы, базирующиеся на термодинамике необратимых процессов (A.B. Лыков, Д.М. Левин, Мак-Адам, И.Т. Эльперин и др.).

Аналитические и экспериментальные исследования переноса влаги из модельных капиллярно-пористых тел проведены Н.В. Чураевым, C.B. Нер-пиным и др. Следует отметить, что в работах отечественных исследователей (A.B. Лыков, М.С. Смирнов и др.) математическое описание всего процесса (т.е. обоих периодов) сушки дается в виде одного уравнения.

Актуальной задачей является увязка инженерных расчетов с кинетикой сушки, поэтому особо важны работы, в которых предлагаются аналитические зависимости для расчета продолжительности процесса (П.Д. Лебедев,

B.В. Красников, A.C. Гинзбург и др.).

Над проблемами производства сухих молочных продуктов работает ВНИМИ и другие научные организации. Пищевые концентраты отличаются хорошим вкусом и высокой питательной ценностью при небольшой массе и объеме по сравнению с обычными пищевыми продуктами, быстро восста-

навливаются. Они транспортабельны и обладают способностью долго сохраняться без искусственного охлаждения.

Производством сухих сырных продуктов различными способами сушки в нашей стране занимались П.О- Крашенинин, В.П. Табачников, Л.П. Юдин, А.А. Макарьин, В.Е. Куцаева, Е.С. Хутиева, В.Ф. Роздова, И.К. Соколова, Т.М. Коновалова, Н.П. Захарова, Н.В. Краевая и др.

Актуальность производства сухих сырных продуктов подтверждается их востребованностью в ряде сегментов потребительского рынка пищевых продуктов. Весьма остро ощущается нехватка молока и молочных продуктов в Закавказье, на Крайнем Севере и Дальнем Востоке. Высушенные продукты нужны для организации питания личного состава армии и флота, геологов, работников лесной, газовой, строительной, нефтеперерабатывающей промышленности и т.д., а также для улучшения структуры питания всех возрастных групп населения. Для туристов, путешественников это идеальный вариант, потому что сухие продукты долго хранятся, занимают минимум места, быстро готовятся, к тому же эти продукты очень питательны.

Кроме снабжения отдельных районов страны, армии, флота и экспедиций, сухие молочные продукты необходимо применять для обогащения пищевых продуктов. При использовании сухих молочных продуктов дополнительно к мясным и рыбным при производстве пищевых концентратов не только улучшается их пищевой состав благодаря незаменимым аминокислотам, кальцию, фосфору, но и снижается стоимость. При более высоких физиологических качествах молочного белка по сравнению с белками мяса и рыбы стоимость его значительно ниже.

Питание городского населения во многом определяется снабжением его переработанными и законсервированными пищевыми продуктами, которые должны быть доброкачественными, сохранять свои питательные свойства в течение длительного времени. Этим требованиям отвечают замороженные продукты. Однако их производство, быстро развивающееся в настоящее

время, лимитируется необходимостью в сложной сети холодильных складов и передвижных рефрижераторов.

Обезвоженные продукты, в том числе и сыры, можно хранить и распределять через торговую сеть, пользуясь обычными складскими помещениями и транспортными средствами. Кроме того, обезвоживание пищевых продуктов уменьшает массу и объем, обладая существенными преимуществами с точки зрения их хранения и размещения по сравнению с другими методами консервирования. Все это говорит о том, что обезвоживание может стать идеальным методом хранения сыров.

При выборе способа и режима сушки необходимо помнить, что сушка является не только сложнейшим нестационарным процессом тепло- и массо-обмена, но и технологическим процессом. Высушенный продукт должен иметь высокие качественные показатели. Рациональный режим сушки осуществляется при минимальной затрате тепла и энергии и состоит в максимальном сохранении химико-технологических показателей продукта. Осуществлению такого режима способствует знание особенностей материала, подвергаемого сушке, связи влаги с материалом, теории сушки.

Проведенный анализ современных способов консервирования пищевых продуктов в нашей стране и за рубежом позволяет сделать вывод о том, что вакуумная сушка - наиболее перспективный метод консервирования пищевых продуктов. Применение вакуумной сушки позволяет получить сухие продукты, по качественным показателям не уступающие продуктам сублимационной сушки, при значительно меньших удельных затратах на их производство, так как при вакуумной сушке не требуется замораживания продукта за счет чего происходит сокращение процесса сушки.

В пищевой промышленности сушка под вакуумом применяется в витаминном, дрожжевом, сахарорафинадном, овощесушильном и консервном производствах [68]. Она применяется для получения лекарств, про