Экспериментально-аналитическое исследование кинетики влагопоглощения сухими растительными материалами

УДК 664.8

Экспериментально-аналитическое исследование кинетики влагопоглощения сухими растительными материалами

Experimental-analytical study of the kinetics of moisture absorption by dry plant materials

Доцент Ю.А. Максименко, аспирант P.С. Теличкин, аспирант Н.Э. Пшеничная (Астраханский государственный технический университет) кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512) 61-41-91 E-mail: amxsl@yandex.ru

Associate Professor Y.A. Maksimenko, Graduate Graduate Student N.E. Pshenichnaya

(Astrakhan State Technical University) chair technological tel. (8512) 61-41-91 E-mail: amxsl@yandex.ru

Реферат: Использование скоропортящихся и требующих создания специальных условий при транспортировке и хранении растительных продуктов в пищевых технологиях ограничено, так как это усложняет организацию производства и приводит к росту себестоимости товарной продукции при увеличении производственных рисков. Применение сухих кусковых и порошковых форм длительного хранения, экономически оправдано и технологически рационально и позволяет упростить процессы хранения подготовки сырья и полуфабрикатов к производству. Продукты промышленной переработки плодов, овощей, ягод, лекарственных растений и трав активно используются при производстве пищевых продуктов массового потребления. На основе анализа результатов многочисленных исследований, посвященных изучению взаимодействия растительных материалов с водой, установлено, что сухие продукты обладают высокой степенью гигроскопичности. Очевидна целесообразность исследований с целью определения рациональных промежутков времени для выполнения технологических операций после сушки по дальнейшей переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др. Представлены результаты экспериментально-аналитических исследований кинетики влагопоглощения сухими растительными материалами. В целях уменьшения негативного влияния сорбции рекомендовано выполнить герметизацию всех расходных и накопительных емкостей, транспортных элементов, узлов дозирования, смешения и т. п. Длительное хранение продукции необходимо осуществлять в герметичной упаковке или в помещениях при поддерживании соответствующей влажности воздуха. Установлены зависимости сорбционной активности сухих растительных материалов от внешних климатических условий, в частности от относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон для расчета рациональных промежутков времени при выполнении технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др.

Summary: Use of the perishable and demanding creation special conditions during the transporting and storage of vegetable products in food technologies is limited as it complicates the organization of production and leads to growth of prime cost of products at increase in production risks. Application of dry lumpy and powder forms of long storage, is economically justified and technologically rationally and allows to simplify processes of storage of preparation of raw materials and semi-finished products to production. Products of industrial processing of fruits, vegetables, berries, herbs and herbs are actively used by production of foodstuff of mass consumption. On the basis of the analysis of results of the numerous researches devoted to studying of interaction of plant materials with water it is established that dry products possess high degree of hygroscopicity. The expediency of researches for the purpose of definition of rational periods is obvious to performance of technological operations after drying on further processing, transportation, packing, packing, etc. The paper presents the results of experimental and analytical studies of the kinetics of moisture absorption by dry vegetable materials. In order to reduce the negative effect of sorption it is recommended to seal all consumable and storage tanks, transport elements, parts of batching, mixing, etc. Long-term storage of the products must be carried out in sealed containers or rooms while maintaining the appropriate humidity. The dependences of the sorption activity of dry vegetable materials on the external climatic conditions, in particular, on relative humidity and temperature of the air of working areas for computation of rational time intervals when performing the technological operations in processing, transportation, packaging, packing, etc.

Student R.S. Telichkin, machines and equipment,

t Максименко Ю.А., Теличкин P.C., Пшеничная Н.Э., 2017

Ключевые слова: сушка растительного сырья, кинетика влагопоглощения, гигроскопические свойства растительных материалов

Keywords: diying of vegetable raw materials, kinetics of moisture absorption, hygroscopic properties of plant materials

В настоящее время отмечается устойчивый рост спроса на натуральную растительную продукцию, обеспечивающую потребность в белках, углеводах, витаминах, минеральных веществах и других важнейших элементах пищи. Использование скоропортящихся и требующих создания специальных условий при транспортировке и хранении растительных продуктов в пищевых технологиях ограничено, так как это усложняет организацию производства и приводит к росту себестоимости товарной продукции при увеличении производственных рисков.

Применение сухих кусковых и порошковых форм длительного хранения экономически оправдано и технологически рационально и позволяет упростить процессы хранения, подготовки сырья и полуфабрикатов к производству. Продукты промышленной переработки плодов, овощей, ягод, лекарственных растений и трав активно используются при производстве пищевых продуктов массового потребления [1, 3, 6].

На основе анализа результатов многочисленных исследований, посвященных изучению взаимодействия растительных материалов с водой, установлено, что сухие продукты обладают высокой степенью гигроскопичности. Очевидна целесообразность исследований с целью определения рациональных промежутков времени для выполнения технологических операций после сушки по дальнейшей переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др. Оперативность выполнения технологических операции зависит относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон.

В качестве объектов исследований были приняты плодоовощные продукты (таблица): сухое сырье - кубики со стороной 5 мм, полученные конвективной сушкой; порошок, полученный конвективной сушкой пюре (размер частиц пюре 100 мкм); порошок, полученный распылительной сушкой пюре (размер частиц пюре 1-30 мкм). Кроме того, были рассмотрены сухие измельченные пищевые волокна и сухие растительные экстракты, полученные при распылительной сушке водных экстрактных растворов.

Таблица

Значения влажности при исследовании кинетики влагопоглощения

Продукт W'K, кг/кг WK, кг/ кг

Яблоко (сорт «Антоновка») 0,05 0,075

Тыква (сорт «Волжская серая 92») 0,05 0,065

Морковь (сорт «Витаминная») 0,05 0,07

Кабачок (сорт «Ролик») 0,05 0,100

Экстракт корня алтея 0,05 0,058

Экстракт корня имбиря 0,05 0,061

Экстракты трав, плодов, ягод, специй, частей деревьев 0,05 =0,06

Пектиновый экстракт 0,05 0,062

Пищевые волокна 0,05 0,065

В качестве целевой функции использована влажность исследуемого продукта Ш'р, кг/кг. В ходе экспериментов определялась зависимость И^р(г) ПРИ текущих значениях времени г, мин. Диапазон изменения влажности составляет от конечной влажности продукта, достигаемой в процессе сушки кг/кг, до конечной влажности продукта, рекомендованной в ходе предварительных исследований для последующего длительного хранения У/к, кг/кг, (таблица). На основе анализа результатов экспериментально-аналитических исследований гигроскопических характеристик растительных материалов принято ЦТ к = 0,05 кг/кг.

В качестве варьируемых факторов, влияющих на скорость протекания процессов влагопоглощения, приняты: исходная температура продукта Гпрод, К; температура Гв, К и относительная влажность <рв воздуха в помещении.

В соответствии с требованиями нормативных документов (ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» и СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений») в зависимости от периода года и категории работ температура Гв = 12 ... 30 °С и влажность воздуха <рв = 40 ... 75 %.

Для проведения экспериментальных исследований кинетики влагопоглощения сухими плодоовощными продуктами и определения зависимости для расче-

та рациональных временных периодов по дальнейшей переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др. использованы наиболее благоприятные для сорбци-онных процессов условия: температура Гв = 12 °С = 275 К и влажность воздуха срв = 75 % = 0,75. При температуре Тв> 275 К и влажности воздуха (рв< 0,75 сорбци-онные явления будут протекать медленнее, что не требует изменения промежутков времени для дальнейших технологических операций.

Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке для определения гигроскопических свойств методом Ван Бамелена. В ходе экспериментов образцы выдерживали при ерв = 0,75 и постоянной температуре Гв = 275 К и периодически извлекались из эксикатора и взвешивались на аналитических весах до достижения массы, соответствующей У/к (таблица). На основе результатов экспериментов построены графики кинетики влагопоглощения сухих продуктов (рис. 1 и 2).

Характер кривых влагопоглощения типичен для большинства пищевых продуктов [2]. В области допустимого влагопоглощения У/'р = М/к ... И/к влага в материале представлена только влагой мономолекулярной адсорбции. Поглощаемая влага в продукте адсорбируется на поверхности мицелл и сухого скелета с переходом в связанное состояние и далее находится в продукте в виде энергетически прочных гидратных комплексов. Процесс влагопоглощения сопровождается значительным выделением теплоты гидратации (набухания) [2, 5]. На основе анализа экспериментальных данных (рис. 1 и 2) можно сделать вывод, что увеличение степени измельчения плодоовощных продуктов приводит к сокращению времени влагопоглощения за счет увеличения сорбционной площади поверхности материала.

Лр, «г/кг 0.069

0.0575

Рис. 1. Кинетика влагопоглощения сухих плодоовощных продуктов. Тыква

Мрг кг/кг

0.07

15 20 29 90

33 40

Рис. 2. Кинетика влагопоглощения сухих плодоовощных продуктов. Морковь

Для математического описания процесса влагопоглощения паров влаги растительными материалами были получены функциональные зависимости ИГр, кг/ кг, от времени процесса г„, мин:

\\/р(ту) - С7Ч.4 + ¿Л г/ + с-г* + яГ-2-у + е

У

где а, Ь\ с\ сГ, е' - эмпирические коэффициенты. Величина достоверности аппроксимации составляла Е2 = 0,999.

Дифференцированием вышеприведенной функциональной зависимости по времени процесса с можно получить зависимость для скорости процесса влагопоглощения (¿ИГр[1)/с1г.

<И¥р(т^ / с1ту = 4  а-т/ + 3 • 6Чу2 + 2 • с-ту, + й'

В качестве примера на рис. 3 представлены зависимости скорости влагопоглощения от времени процесса. Характер кривых скорости влагопоглощения типичен для большинства пищевых продуктов, и зависимость скорости процесса от времени носит экстремальный характер. В первый период влагопоглощения скорость процесса стремительно возрастает, достигая максимального значения (рис. 3), при котором сорбционные центры продукта активно взаимодействуют с молекулами воды, при этом на поверхности мицелл и сухого скелета образуется мономолекулярный слой адсорбционно-связанной влаги. Далее после экстремальной точки кривая монотонно убывает, что свидетельствует о снижении скорости процесса влагопоглощения при постепенном заполнении сорбционных центров и уменьшении свободной энергии системы «материал-вода».

Рис. 3. Зависимости скорости влагопоглощения от времени процесса: - порошок из яблок, полученный сушкой пюре (средний характерный размер частиц 100 мкм); -•- -сухие кубики тыквы со стороной 5 мм

Визуальные наблюдения процесса влагопоглощения сухими растительными продуктами показывают, что их гигроскопичность проявляется в тенденции к аутогезии частиц во влажной атмосфере (<рп = 75 %) с образованием комков. В целях уменьшения негативного влияния сорбции целесообразным является герметизация всех расходных и накопительных емкостей, транспортных элементов, узлов дозирования, смешения и т.п. Длительное хранение продукции необходимо осуществлять в герметичной упаковке и/или в помещениях при поддерживании соответствующей влажности воздуха. На основе полученных зависимостей можно определить допустимые интервалы времени в случае негерметичного проведения технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексанян, И.Ю. Инновационные технологии переработки сырья растительного происхождения [Текст] / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, A.M. Титова // Матер. V Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты». - Воронеж, 2015. С. 115-119.

2. Алексанян, И.Ю. Термодинамика внутреннего массопереноса в полимерных системах [Текст] / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, В.Н. Аысова// Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология,- 2011,- № 3,- С. 57 - 60.

3. Лисовой, В.В. Научно-практическое обоснование технологии структурированных продуктов питания на основе растительного и рыбного сырья [Текст]: монография / В.В. Лисовой,- Краснодар, 2012.

4. Лисовой, В.В. Разработка комплексной технологии комбинированных функциональных продуктов питания на основе растительного и прудового рыбного сырья [Текст] / В.В. Лисовой // Новые технологии,- 2011,- № 3,- С. 43-48.

5. Максименко, Ю.А. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии плодоовощных продуктов с водой [Текст] / Ю.А. Максименко // Вестник Астраханского государственного технического университета,- 2012,-№ 1,- С. 41-45.

6. Шаззо, Р.И. Безотходные технологии функциональных натуральных плодоовощных продуктов на основе топинамбура [Текст] / Р.И. Шаззо, Г.Н. Павлова, Л.Д. Ерашова, К.К. Кашкарова, В.В. Лисовой// Матер. Междунар. науч.-практ. конф. «Комплексное использование биоресурсов: малоотходные технологии».-Краснодар, 2010.- С. 224-227.

REFERENCES

1. Aleksanyan, I.Yu. Innovative technologies of processing of raw materials of a phytogenesis [Text] / I.Yu. Aleksanyan, Yu.A. Maksimenko, L.M. Titova//Materials V of the International scientific and practical conference "Innovative food technologies in storage areas and processings of agricultural raw materials: fundamental and application-oriented aspects". - Voronezh, 2015. Page 115-119.

2. Aleksanyan, I.Yu. Termodinamika of an internal mass transfer in polymeric systems [Text] / I.Yu. Aleksanyan, Yu.A. Maksimenko, V.N. Lysova//the Messenger of the Astrakhan state technical university. Series: Marine facilities and technology. -2011.-No. 3. - Page 57-60.

3. Lisovoi, V.V. Scientific and practical reasons for technology of the structured food on the basis of vegetable and fish raw materials [Text]: monograph / V.V. Lisovoi. - Krasnodar, 2012.

промышленности

4. Lisovoi, V.V. Development of complex technology of combined functional food on the basis of vegetable and pond fish raw materials [Text] / V.V. Lisovoi//New technologies. - 2011.-No. 3. - Page 43-48.

5. Maksimenko, Yu.A. Termodinamika of an internal mass transfer in case of interaction of fruit and vegetable products with water [Text] / Yu.A. Maksimenko//the Messenger of the Astrakhan state technical university. - 2012.-No. 1. - Page 41-45.

6. Shazzo, R.I. Wasteless technologies of the functional natural fruit and vegetable products on the basis of a girasol [Text] / R.I. Shazzo, G.N. Pavlov, L.D. Erashov, K.K. Kashkarov, V.V. Lisova//Mater. Mezhdunar. науч. - практ. конф. "Complex use of bio-resources: low-waste technologies".-Krasnodar, 2010. - Page 224-227.