APPLICATION OF ELECTROPHYSICAL AND GAS-LIQUID TECHNOLOGIES FOR DRYING OF FRUIT RAW MATERIAL
Authors:
1.
Kuban State Technological University
2.
Kuban State Technological University
Type:
Article
Pages:
from 48
to 53
Status:
Published
Received:
30.06.2015
Accepted:
30.06.2015
Published:
30.06.2015
Subject area:
UDK 664.68.292:633.877.3
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Drying, fruit raw material, liquefied carbon dioxide, low frequency electromagnetic treatment, gas-liquid technologies, production cost
Abstract (English):
The urgency of the problem of fruit raw materials drying under the controlled technological conditions consists in obtaining quality products with a high content of biologically active substances in these raw materials. In this regard, the use of physical methods of drying process intensification non-traditional for the food concentrates production is very promising. The article presents research results on the drying of plant raw materials by means of liquefied carbon dioxide impregnation under the pressure higher than the atmospheric one followed by sharp decompressed. Product dehydration is realized at continuous moisture removal and raw material treatment with low frequency electromagnetic field (LFEF). The purpose of this dehydration technique is to obtain fruit products of higher quality and at a lower cost. Original technique of freeze-drying of fruit raw material under the influence of LFEF in the carbon dioxide atmosphere has been described. The design of fruit drying installation has been suggested. The determined nutritional value of freeze-drying products has shown that digestibility, organoleptic and physical-chemical parameters of fruits dried by means of a new technology correspond to high-quality parameters and the products are popular with the population. The technical result of the new method is a shorter period of plant raw material drying, more rapid moisture evaporation, lower energy consumption and a smaller mass of the material dried. Capillary-porous structure of fruit raw material and the peculiarities of chemical composition impose special requirements to the organization of dehydration process. Fruit raw material contains a large amount of carbohydrates and lesser amounts of proteins, lipids, organic acids, flavonoids, vitamins. During drying, these substances undergo irreversible changes that reduce the biological value of the finished product. The considerable amount of carbohydrates in fruit tissue determines the duration of drying. It is impossible to use a higher temperature to shorten drying since this may lead to the formation o f hy- droxymethylfurfural and melanoidins.
The urgency of the problem of fruit raw materials drying under the controlled technological conditions consists in obtaining quality products with a high content of biologically active substances in these raw materials. In this regard, the use of physical methods of drying process intensification non-traditional for the food concentrates production is very promising. The article presents research results on the drying of plant raw materials by means of liquefied carbon dioxide impregnation under the pressure higher than the atmospheric one followed by sharp decompressed. Product dehydration is realized at continuous moisture removal and raw material treatment with low frequency electromagnetic field (LFEF). The purpose of this dehydration technique is to obtain fruit products of higher quality and at a lower cost. Original technique of freeze-drying of fruit raw material under the influence of LFEF in the carbon dioxide atmosphere has been described. The design of fruit drying installation has been suggested. The determined nutritional value of freeze-drying products has shown that digestibility, organoleptic and physical-chemical parameters of fruits dried by means of a new technology correspond to high-quality parameters and the products are popular with the population. The technical result of the new method is a shorter period of plant raw material drying, more rapid moisture evaporation, lower energy consumption and a smaller mass of the material dried. Capillary-porous structure of fruit raw material and the peculiarities of chemical composition impose special requirements to the organization of dehydration process. Fruit raw material contains a large amount of carbohydrates and lesser amounts of proteins, lipids, organic acids, flavonoids, vitamins. During drying, these substances undergo irreversible changes that reduce the biological value of the finished product. The considerable amount of carbohydrates in fruit tissue determines the duration of drying. It is impossible to use a higher temperature to shorten drying since this may lead to the formation o f hy- droxymethylfurfural and melanoidins.
Keywords:
Drying, fruit raw material, liquefied carbon dioxide, low frequency electromagnetic treatment, gas-liquid technologies, production cost
Drying, fruit raw material, liquefied carbon dioxide, low frequency electromagnetic treatment, gas-liquid technologies, production cost
Введение Питание является одним из важнейших факторов, определяющих здоровье населения. Правиль- ное питание обеспечивает нормальный рост и развитие человека, способствует профилактике забо- леваний, продлению жизни, повышению работо- способности и создает условия для адекватной адаптации людей к окружающей среде. У большин- ства населения России выявляются нарушения питания, обусловленные недостаточным потреблением витаминов, минеральных веществ, полноценных белков и нерациональным их соотношением. Для организации полноценного питания врачигигиенисты рекомендуют включать в рационы пи- тания плодовые и овощные продукты. Однако свежее плодовое сырье имеет ограниченный срок хранения, поэтому необходимо разработать щадящие способы сушки для производства продуктов дли- тельного хранения. Повышение качества сушеной плодовой про- дукции и снижение себестоимости ее производства за счет использования нетрадиционных технологических приемов позволяет отказаться от импорта такой продукции из стран, поддержавших санкции против Российской Федерации. Развитием научных основ обезвоживания сырья в России и за рубежом занимались известные ученые и специалисты [1, 4- 8]. Многие технические решения вопросов интенсификации сушки растительного сырья являются объектами интеллектуальной собственности [2, 3]. Актуальность исследования заключается в разра- ботке новых, прорывных технологий сушки плодо- вого сырья под воздействием электромагнитного поля низкой частоты (ЭМП НЧ) и сушки плодов в среде инертного газа. Целью разработанного способа обезвоживания сырья растительного происхождения является по- лучение сухих фруктовых продуктов более высоко- го качества при снижении энергозатрат. Объект и методы исследования Капиллярно-пористая структура плодового сырья и особенности химического состава предъявляют особые требования к организации процесса обезво- живания. В состав плодового сырья в большом количестве входят углеводы и в меньших количествах белки, липиды, органические кислоты, флавоноиды, витамины. В период сушки эти вещества претерпе- 48 ISSN 2074-9414. Food Processing: Techniques and Technology. 2015. Vol. 37. № 2 вают необратимые изменения, что снижает биологи- ческую ценность готового продукта. В растительной клетке находятся водные рас- творы гидрофильных веществ и коллоидные растворы и эмульсии гидрофобных компонентов. Клеточная вода, как правило, распределяется в клетке неравномерно. Паренхимные ткани содержат больше воды, а покровные ткани и семена значительно в меньших количествах. Поэтому в подго- товленном для сушки сырье влаги больше, чем в исходном сырье. Значительное содержание углеводов в тканях плодов определяет продолжительность процесса сушки. Нецелесообразно использовать более высокую температуру для сокращения продолжительно- сти сушки, так как это может привести к образова- нию оксиметилфурфурола и меланоидинов [8]. Сушка плодов во многом зависит от общего со- держания влаги в продукте и вида связи влаги с материалом, которая зависит от величины свободной энергии изотермического обезвоживания. При этом необходимо выполнить работу, необходимую для удаления 1 моля воды при постоянной темпера- туре без изменения состава вещества при данном влагосодержании. Можно определить количество энергии для удаления 1 кг/моль воды из сырых плодов [1] (уравнение 1): A = -RxTxlnφ, (1) где: A - энергия связи влаги, Дж/моль; R - универ- сальная газовая постоянная, Дж/(моль∙К); T - тем- пература, °С; φ - относительная влажность воздуха. Если в плодах имеется свободная влага, то A = 0. Когда влага удаляется из клеток, тогда энер- гия связи A возрастает. Представляет интерес определение удельной теплоемкости плодов, которая соответствует количеству тепла поглощенного продуктом при нагре- вании на 1 оС или Кельвина, и выражается в кДж/(кг-оС). Удельную теплоёмкость c рассчиты- вали по формуле с= Q/ m ΔT , (2) где, Q - количество тепла, полученное массой пло- да при нагреве; m - масса нагреваемого плода; ΔT - разность конечной и начальной температур вещества [1]. Необходимо также определить коли- чество тепловой энергии, проходящее через едини- цу поверхности за единицу времени, т.е. коэффици- ент теплопроводности, Вт/(м∙К). Коэффициент температуропроводности опреде- ляли как отношение теплопроводности к объёмной теплоёмкости при постоянном давлении измеряется в м²/с: , (3) с р где χ - температуропроводность; - теплопровод- ность; ср - изобарная удельная теплоёмкость; ρ - плотность [4]. Авторы разработали способ интенсификации процесса обезвоживания подготовленного плодово- го сырья за счет его пропитки сжиженным углекис- лым газом при давлении выше атмосферного с по- следующим резким сбросом давления, сублимаци- онной сушки сырья в среде углекислого газа и воз- действии на сырье ЭМП НЧ с частотой 18-55 Гц. Основным достоинством технологии, основан- ной на применении электромагнитных полей, яв- ляются: универсальность, что позволяет применять их в самых разнообразных технологических про- цессах. Экономичность процесса достигается бла- годаря прямому воздействию на объект без проме- жуточной утилизации энергии, а экологичность - за счет снижения и сокращения расхода химических реагентов [1, 2]. Поэтому разработка электромагнитных техно- логий, обеспечивающих эффективную переработку растительного сырья, сокращение потерь извлекае- мого продукта, позволяет достичь высокого каче- ства высушиваемой продукции, получить возмож- ность создания новых видов продукции и высоко- производительных, экологически чистых произ- водств, осуществлять экономию материальных и энергетических ресурсов [3,4]. Результаты и их обсуждение Важное значение при разработке режимов сушки имеет структура плодовой ткани, формы и энер- гия связи влаги с материалом, наличие термолабильных компонентов (витаминов и углеводов). При проведении исследований по определению по- казателей качества и безопасности плодового сырья и высушенных продуктов, были использованы об- щепринятые способы исследования органолептиче- ских, физико-химических и биохимических свойств. В табл.1 приведено содержание пищевых веществ в плодах на 100 г съедобной части. В экспериментах использовали плоды киви морозостойкого сорта «Хейворд», плоды манго сорта «Южный румянец», персики сорта «Ранний Кубани», хурма сорта «Рос- сиянка» и фейхоа сорта «Бугристый». Таблица 1 Химический состав выбранных для исследований плодов Массовая доля, % Массовая доля, % Средняя масса плода, г Массовая доля, % Влага Белок, N∙6,25 Жир Сахара Витамин С, мг% Органич. кислоты Средняя масса плода, г Киви 93,8 0,8 0,35 8,6 180,0 2,5 78 Манго 87,5 0,8 0,35 13,4 25,0 0,5 270 Персики 86,1 0,9 0,1 14,1 10,0 1,7 160 Хурма 81,5 0,5 0,4 16,1 25,0 0,1 102 49 ISSN 2074-9414. Техника и технология пищевых производств. 2015. Т. 37. № 2 Проанализировав полученные данные, приве- денные в табл. 1, можно сделать вывод о том, что выбранное сырье обладает сравнительно высокой влажностью 93-81 %, содержит углеводы и вита- мин С, которых недостает в животном сырье. Поставленные авторами задачи решаются тем, что в способе щадящей сушки растительного сы- рья, включающем пропитку сырья сжиженным ди- оксидом углерода при давлении выше атмосферно- го, организацию мгновенного сброса давления, со- провождающийся вскипанием сжиженного газа и охлаждением материала до температуры ниже тем- пературы тройной точки воды, происходит сушка материала при непрерывном удалении образую- щейся влаги. Пропитку сырья и удаление влаги осуществляют в электромагнитном поле с частотой 18-55 Гц, при этом удаление влаги производят при температуре минус 35 С. Разработанный способ сушки растительного сырья иллюстрируется схемой установки для ща- дящей сушки плодов, представленной на рис. 1. Разработанный авторами способ поясняется примером: мякоть хурмы (без косточек) массой 200 г и влажностью 84 % загружают в стакан, который помещают внутрь герметичного реактора и обраба- тывают жидким СО2 при давлении 4,2 МПа и тем- пературе 22 °С в течение 10 мин. Одновременно с пропиткой мякоти хурмы СО2 включают генератор низкочастотных электромагнитных колебаний. По- сле сброса давления в реакторе до атмосферного со скоростью 1 дм3/с пюре замерзает до температуры минус 35 °С и его подвергают щадящей вакуумной сушке в электромагнитном поле низкой частоты. Рис. 1. Установка для щадящей сушки растительного сырья: 1 - сборник конденсата; 2 - водяной конденсатор; 3 - герметичный реактор; 4 - генератор низкочастотных электромагнитных колебаний; 5 - сборник жидкого СО2; 6 - конденсатор паров СО2; 7 - баллон, 8 - люк реактора; 9 - буферная емкость; 10 - сетчатая корзина с навеской сырья; 11 - весовое устройство После сброса давления до атмосферного в реак- торе 3 с замороженным сырьем за счет удаления паров СО2 в буферную емкость 9 начинается процесс удаления влаги вначале через конденсатор 2, а затем с помощью вакуум-насоса. Отличительной особенностью установки явля- ется возможность регенерации отработанного ди- оксида углерода, собранного в емкости 9, и ожижения его в конденсаторе 6 для последующего воз- врата в цикл замораживания. На рис. 2 показана кривая сублимационной сушки пюре из плодов киви. Рис. 2. Кривая сублимационной сушки пюре из плодов киви Как видно из данных рис. 2, продолжительность обезвоживания пюре киви складывается из периода охлаждения продукта до 0 оС в течение 10 мин, замораживания продукта до минус 35 оС в течение 15 мин, процесса собственно сублимации и десорбции с общей продолжительностью 105 мин. На рис. 3 приведены экспериментальные данные по сушке пюре из плодов субтропических культур. Рис. 3. Кривые сушки пюре из плодов субтропических культур: 1 - киви; 2 - манго; 3 - хурма; 4 - персики Кривые сушки пюре из плодов наглядно пока- зывают, что первоначальный период обработки сырья жидким диоксидом углерода имеет практи- чески линейную скорость удаления влаги, а пере- ход в режим сублимации позволяет удалять основ- ную часть влаги. За счет применения ЭМП НЧ уда- лось интенсифицировать процесс удаления влаги из сырья практически в 1,6 раза. Химический состав нарезанных на ломтики толщиной 5 мм высушенных плодов представлен в табл. 2. 50 ISSN 2074-9414. Food Processing: Techniques and Technology. 2015. Vol. 37. № 2 Таблица 2 Химический состав высушенных плодов Плоды Массовая доля, % Плоды Влага Белок, N∙6,25 Жир Сахара Витамин С, мг % Органич. кислоты Киви 14,5 14,1 2,95 33,1 49,2 0,77 Манго 14,1 1,5 0,75 35,1 37,4 0,72 Персики 18,0 3,0 0,41 36,1 36,6 2,48 Хурма 13,3 0,8 0,35 37,6 37,5 0,69 По требованиям технического регламента Та- моженного союза высушенные плоды должны иметь товарный вид, не иметь повреждений, посто- роннего привкуса или запаха, значительных по- верхностных пороков, пятен. Представляет интерес определить изменение качественных показателей некоторых видов плодов субтропических культур под действием электро- магнитного поля низкой частоты. Результаты про- ведения опытов представлены в табл. 3. Таблица 3 Результаты обработки сырья ЭМП НЧ Экономическая эффективность от внедрения новой технологии сублимационной сушки субтро- пического сырья и производства на их основе спе- циализированных продуктов питания определена с учетом общепринятых методов экологического обоснования с использованием разностного крите- рия превышения стоимостной оценки результатов над затратами и с учетом специфики продукта. Графическая структура себестоимости продуктов щадящей вакуумной сушки приведена на рис. 4, 5. Рис. 4. Структура себестоимости пюре из фейхоа, высушенного способом щадящей сушки Рис. 5. Структура себестоимости пюре из хурмы, высушенной способом щадящей сушки Как видно из приведенных диаграмм, основной вклад в себестоимость сухого пюре из фейхоа и хурмы вносит стоимость исходного сырья. Выводы Разработана оригинальная технология щадящей низкотемпературной сушки плодового сырья в сре- де диоксида углерода под воздействием ЭМП НЧ, что обеспечило более интенсивный перенос влаги из глубинных слоев к поверхности продукта. Пред- ложена конструкция установки для сушки пюре из плодов субтропических культур с использованием газожидкостной технологии. Определена пищевая ценность продуктов ща- дящей сушки с повышенным содержанием углево- дов, витамина С и белков. Приведен химический состав сухих плодов киви, манго, персиков и хур- 51 ISSN 2074-9414. Техника и технология пищевых производств. 2015. Т. 37. № 2 мы. Определена структура себестоимости пюре из плодов фейхоа и хурмы, высушенных способом ща- дящей вакуумной сушки. Установлено, что основной вклад в себестоимость сухого пюре из фейхоа и хурмы вносит исходное сырье (от 64 до 77 %). Использование газожидкостного и электромаг- нитного способа сушки позволяет сократить про- должительность обезвоживания плодового сырья, снизить долю энергозатрат и уменьшить массу вы- сушиваемого материала.
1. Shevcov, A.A. Razvitie nauchnyh osnov energosberezheniya v processah sushki pischevogo rastitel'nogo syr'ya: Teo- riya, tehnika, sposoby proizvodstva i upravleniya: avtoref. dis.. d-ra ten. nauk: 05.18.12. - Voronezh, 1999. - 50 s.
2. Patent RF № 2501308. MPK A 23 L 1/00. Sposob proizvodstva pischevogo produkta iz plodovogo syr'ya / Martiro- syan V.V. - № 2011119101/13; zayavl. 13.05.2011; opubl. 20.12.2013.
3. Patent RF № 2498625. MPK A 23 L 1/212. Sposob proizvodstva pischevogo produkta iz mango / Kvasenkov O.I. - № 2012136282/13; zayavl. 27.08.2012; opubl. 20.11.2013.
4. Novikov, V.V. Kombinirovannoe deystvie slabyh postoyannogo i peremennogo nizkochastotnogo magnitnyh poley na ionnye toki v vodnyh rastvorah aminokislot / V.V. Novikov, M.N. Zhadin // Biofizika. 1994. - T. 39. - Vyp. 1. - S.45-49.
5. Abizov, E.A. Razrabotka tehnologii sushki kory oblepihi krushinovidnoy i loha uzkolistnogo-istochnikov al- kaloidov gruppy indola / Aktual'nye problemy innovaciy s netradicionnymi prirodnymi resursami i sozdaniya funkcional'nyh produktov: materialy IV Rossiyskoy nauch.-prakt. konf.- M.: RAEN, 2007.- S. 76.
6. Bahmutyan, N.V. Іntensifіkacіya procesu sushіnnya fruktovo-yagіdnoї sirovini v zavislomu sharі: avtoreferat diser- tacії na zdobuttya naukovogo stupenya kandidata tehnіchnih nauk Odesa. Specіal'nіst' 05.18.12 -procesi ta obladnannya harchovih, mіkrobіologіchnih ta farmacevtichnih virobnictv.-2007. - 24 s.
7. Grishin, M.A. Matematicheskoe modelirovanie sushki v kipyaschem sloe / M.A. Grishin, N.V. Bahmutyan // Problemy promyshlennoy teplotehniki: tezisy dokladov IV mezhd. konf, 30 sent. 2005 g. - Kiev, 2005. - S. 208-209.
8. Drying of Foods, Vegetables and Fruits. Vol. 1 / Sachin V. Jangam, Chung Lim and Arun S. Mujumdar.: Copyright, 2010. 146 p.
