Способ производства древесной щепы для получения коптильного дыма
METHOD FOR PRODUCTION OF WOOD CHIPS FOR PRODUCTION OF SMOKE FUME

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, в частности к производству  древесной щепы для получения коптильного дыма  при проведении копчения мясных, рыбных и иных пищевых  продуктов.
Древесина любых пород деревьев состоит из стандартного набора компонентов - лигнин, целлюлоза, геммицеллюлоза пентазан, гексазан и др.  Соотношение различных химических соединений в древесине    колеблется   в весьма  широких   пределах.   Кроме базовых компонентов в древесине достаточно много водорастворимых, экстрагируемых веществ, например, танины, также в древесине содержится большой набор характерных для данного вида древесины соединений, определяющих в том числе и результаты копчения - вкус, цвет, запах. Основные компоненты древесины при пиролизе ведут себя примерно одинаково. В результате в состав коптильного дыма входит до 3000 соединений различной природы.
Известен способ производства древесной щепы для получения коптильного дыма, включающий дробление древесного сырья до требуемого размерам, и последующую сушку, причем сушку ведут в две стадии, при этом на первой стадии доводят относительную влажность древесной щепы до 20-35%, затем при этой относительной влажности ее выдерживают в течение 30-80 мин при температуре 50-70°С в термостатической камере, после чего на второй стадии в сушильной камере доводят относительную влажность щепы до 10-15% (см. патент РФ № 2310557 по МПК B27L 11/00, опубл. 20.11.2007.).
Недостатком описанного способа является длительность процесса производства щепы и потребность в специальном оборудовании - термостатической камере. Способ не предусматривает возможности введения   в   промышленный   оборот  виды   древесины,  не  используемые в настоящее время для копчения (береза и пр.), так как при  их использовании у готового продукта присутствует нежелательный характерный вкус (для березы - вкус дегтя), неприемлемая для потребителя окраска готового продукта, а также происходит повышенное  смолообразование при пиролизе в дымогенераторе. Снижение количества смолообразных продуктов при проведении копчения позволяет повысить качество, безопасность готового продукта и сократить затраты на обслуживание коптильного оборудования за счет увеличения времени работы между процедурами мойки.  Также вызывает сомнение утверждение авторов о прохождении процесса пиролиза                          при температуре 50-70°C. Все исследования, посвященные                                  химии древесины, свидетельствуют о прохождении процесса сушки до температуры 105°C и начале термохимических процессов при достижении 150-180°C. Авторы также утверждают, что при указанных (50-70°C) условиях в пропаренной влажной древесине активно протекают процессы деметоксилирования и пиролиза гемицеллюлоз до простых сахаров и других продуктов (органических кислот, спиртов, альдегидов). Если принимать эти утверждения за реальность, то любая конструкция из древесины, находящаяся на открытом пространстве с воздействием осадков и солнечного освещения, претерпевает химическую деструкцию.
Наиболее близким по технической сущности является способ производства древесной щепы для получения коптильного дыма, включающий дробление древесного сырья до требуемого размера, гидрообработку и последующую сушку, причем гидрообработку осуществляют путем замачивания щепы в течение 4 часов при комнатной температуре, гидромодуль не указан, а сушку щепы осуществляют на подносах в сухом помещении пока ее влажность не опустится до 50–70% (см. https://samogonman.com/kopchenie/shhepa-dlya-kopcheniya-svoimi-rukami-otlichiya-ot-fabrichnogo-proizvodstva.html).
В известном способе гидрообработка производится преимущественно для обеспечения низкой скорости горения в  дымогенераторах  при  копчении в домашних условиях. Влажная щепа при хранении и транспортировке склонна к поражению микроорганизмами, создает трудности при работе дозирующих устройств промышленных коптильных установок. Влажность щепы меняется при хранении, что требует дополнительных операций по приведению ее к рекомендуемому уровню.
Техническим результатом   является расширение видов древесины при производстве щепы для копчения и повышение качества при использовании традиционных пород древесины.
Технический результат достигается тем, что в способе производства древесной щепы для получения коптильного дыма, включающий дробление древесного сырья, сортировку по размерам щепы и гидрообработку с последующей сушкой, согласно изобретению гидрообработку производят путем замачивания щепы в воде в течение 3-12 часов при температуре 20 - 50°C, а последующую сушку осуществляют при температуре  85 - 100°C в течение 5-10 часов, доведя относительную влажность щепы до 10-20%.  В воду для гидрообработки дополнительно добавляют щелочной агент в виде гидрокарбоната натрия при соотношении от 1 до 10%  от массы исходной щепы. Гидрообработку щепы в воде осуществляют при соотношении веса исходной щепы к объему воды 1:3 - 1:5.
Получение древесной щепы для получения коптильного дыма с помощь предлагаемого способа осуществляется следующим образом.
Щепа, полученная дроблением древесины  до требуемого размера, подвергается гидрообработке.  Гидрообработка производится путем замачивания щепы в воде в течение 3-12 часов при температуре 20 - 50°C, экстрагируя (извлекая) при этом растворимые природные соединения и соединения кислотного характера, частично подвергая гидролизу пентозаны и гексозаны с образованием сахаров. При необходимости, в зависимости от свойств исходной древесины для повышения уровня извлечения растворимых соединений кислотного характера и увеличения скорости гидролиза пентозанов и гексазанов используется щелочной агент, представляющий собой гидрокарбонат натрия,  который также способствует повышению скорости и полноты экстракции растворимых веществ. Количество гидрокарбонат натрия составляет от 1 до 10% от веса щепы. По истечении указанного времени водный раствор экстрагированных природных соединений сливают, а щепа подвергается сушке при температуре  85 - 100°C, доведя относительную влажность щепы до 10-20%. Замачивание щепы в воде осуществляют при соотношении "щепа-вода" 1:3 - 1:5, которая  определена исключительно по технологической целесообразности. При меньшем значении смесь щепа-вода практически не может перемешиваться вследствие потери подвижности, а при большем - существенно снижается выход готового продукта с единицы объема аппарата для проведения процесса.
Для проведения гидрообработки используется емкость прямоугольной или иной  формы с установленными вентилями для заполнения горячей водой, слива отработанного раствора, а также подачи воздуха в нижнюю часть емкости для периодического перемешивания смеси щепа-вода. Возможно оснащение емкости устройством для поддержания температуры, например, трубчатым  змеевиком для циркуляции горячей воды или иного теплоносителя.
В емкость заливается потребный объем  воды, вносится при необходимости расчетное количество гидрокарбоната натрия в соответствии с заявляемым соотношением. Кратковременной подачей воздуха раствор перемешивается для растворения гидрокарбоната натрия. Затем через верхнюю крышку загружается расчетное количество щепы. Периодически (1-2 раза в час) смесь перемешивается подачей воздуха в нижнюю часть емкости.
По истечении требуемого времени отработанный раствор сливается через вентиль в нижней части емкости. Влажная щепа направляется на сушку в барабанную сушилку. Тип сушилки любой.
При использовании в процессе копчения полученной щепы с применением щелочного агента его остатки  в  древесине  обеспечивают снижение скорости  горения древесины в дымогенераторе за счет   вытеснения кислорода воздуха из щепы при термическом распаде щелочного агента. При этом также обеспечивается снижение уровня                       смолообразования и подавление "кислотности" готового продукта, улучшаются органолептические показатели готового продукта.
Получение щепы с помощью предлагаемого способа поясняется на примере конкретного выполнения.
В примере была использована березовая древесина, измельченная на промышленной дробилке. Полученную щепу просеивают на вибрационном сите с получением товарной фракции 6-12 мм, толщина составляет 1-3 мм.
Полученную  щепу в количестве 200 кг загружают в емкость объемом 1000 литров, заполненную водой в количестве 800 литров  с температурой 50°C, в которой растворен  гидрокарбонат натрия пищевой в количестве 10 кг (5% от веса щепы). В ходе гидрообработки периодически (1-2 раза в час) смесь перемешивалась подачей воздуха в нижнюю часть емкости.
После выдержки в воде с температурой 40-42°C  в течение 5 часов раствор из емкости сливают, щепу выгружают и  помещают в сушильную камеру, доводя относительную влажность щепы до 15%. После выгрузки из сушилки образец щепы отбирают для определения величины смолообразования и качества копчения.
Тестирование щепы различного происхождения и обработанной различными способами проводилось по следующим методикам:
1. Оценка смолообразования проводилась с применением дымогенератора с емкостью камеры пиролиза 1 литр. В камеру помещалось 200 грамм щепы. Через слой материала компрессором продувался воздух со скоростью, обеспечивающей устойчивое тление.
Продукты пиролиза отводились из дымогенератора и конденсировались                      в   приемнике.    Температура    конденсации     составляла    120-140°C,     что обеспечивало  накопление  высококипящих  фракций, наиболее обогащенных токсичными компонентами и трудноудаляемыми затем с поверхности оборудования.  По окончании пиролиза приемник охлаждался и взвешивался.
В качестве эталона применялась буковая щепа фирмы Raychen - "Raychen-Gold" производства Германии. Эта щепа обеспечивает высокое качество продукции, низкое смолообразование и широко используется промышленными предприятиями.
2. Для оценки качества копчения использовалась коптильная камера для горячего копчения в виде прямоугольного короба из металла емкостью 45 литров, в нижней части которого расположен электрический  нагревательный элемент.  Камера снабжена  устройством для поддержания температуры. На поверхность нагревательного элемента устанавливается металлический поддон с испытуемым материалом - щепой. В верхней части расположена решетка для размещения образца, подвергаемого копчению. В крышке имеется патрубок для отвода продуктов пиролиза.  Навеска щепы составляет 30 грамм. Время копчения - 20 минут (соответствует времени копчения в промышленных условиях).
В качестве материала (образца) для копчения выбраны сосиски в натуральной оболочке. Этот продукт закупался у одного производителя и одного вида. Использование такого продукта обеспечивало возможность сравнения итогов копчения в связи с одинаковыми исходными параметрами образца. Применение иных объектов (сало, рыба, мясо) не дает возможность стандартизировать  качество и однородность исходного продукта.                               По окончании копчения образец помещался на подложку (белая бумага) и оценивался по показателям - цвет, запах, вкус через 1-1.5 часа.
Оценку потребительских свойств проводили методом дегустации без указания наименования вида щепы по 10-ти бальной шкале. Конечными результатами являются средние значения, округленные до целого числа, не менее 5 оценок по каждому показателю.
Таблица 1. Изменение уровня смолообразования при реализации заявляемого способа производства щепы.
<b>№</b>
<b>Порода древесины</b>
<b>Параметры обработки</b>
<b>Количество смолы, г</b>
<b>Сравнение с эталоном, %</b>
1
Бук"Raychen-Gold", Германия
Без обработки
3,88
-
2
Бук(пр-во РФ)
Без обработки
4,30
110,8
3
Береза
Без обработки
5,11
131,7
4
Осина
Без обработки
5,56
143,2
5
Лиственница
Без обработки
4.80
123,7
6
Бук
Вода, температура 20°C, 5 ч
4,2
108,2
7
Бук
Вода, температура 40 °C., 5 ч
4,13
106,4
8
Бук
Вода, температура 40 °C, 10 ч
4,08
105,1
9
Бук
Вода, температура 40 °C, 12 ч
4,05
104,3
10
Бук
Вода, температура 50°C, 5 ч
4,1
105,7
11
Бук
Вода, температура 50°C, 12 ч
4,04
104,1
12
Бук
Вода, температура 50 °C, 15 ч
4,03
103,8
13
Береза
Вода, температура 20°C, 5 ч
4,99
128,6
14
Береза
Вода, температура 40°C, 5 ч
4,72
121,6
15
Береза
Вода, температура 40°C, 5 ч
4,67
120,3
16
Береза
Вода, температура 40°C, 12 ч
4,65
119,8
17
Береза
Вода, температура 50°C, 5 ч
4,60
118,5
18
Береза
Вода, температура 50°C, 12 ч
4,45
114,6
19
Береза
Вода, температура 50 C, 15 ч
4,42
113,9
20
Осина
Вода, температура 20°C, 5 ч
5,23
134,7
21
Осина
Вода, температура 40°C, 5 ч
5,08
130,9
22
Осина
Вода, температура 40°C, 10 ч
4,73
121,9
23
Осина
Вода, температура 40°C, 12 ч
4,7
121,1
24
Осина
Вода, температура 50°C, 5 ч
5,01
129,1
25
Осина
Вода, температура 50°C, 12 ч
4,45
114,6
26
Осина
Вода, температура 50°C, 15 ч
4,44
114,4
27
Лиственница
Вода, температура 20°C, 5 ч
4,7
121,1
28
Лиственница
Вода, температура 40°C, 5 ч
4,4
113,4
29
Лиственница
Вода, температура 40°C, 10 ч
4,1
105,6
30
Лиственница
Вода, температура 40°C, 12 ч
4,00
103,1
31
Лиственница
Вода, температура 50°C, 5 ч
4,3
110,8
32
Лиственница
Вода, температура 50°C, 12 ч
3,9
100,5
33
Лиственница
Вода, температура 50°C, 15 ч
3,9
100,5
34
Бук
Вода, сода - 2,0 кг,  20°C, 3 ч
4,1
105,6
35
Бук
Вода, сода - 10,0 кг, 20°C, 3 ч
4,0
103,1
36
Бук
Вода, сода - 10,0 кг, 20°C, 10 ч
3,8
97,9
37
Бук
Вода, сода - 10,0 кг, 50°C, 10 ч
3,6
92,7
37
Бук
Вода, сода - 20,0 кг, 50°C, 10 ч
3,55
91,4
38
Береза
Вода, сода - 2,0 кг, 20 °C, 3 ч
4,6
118,5
39
Береза
Вода, сода - 10,0 кг, 20 °C, 3 ч
4,3
110,8
40
Береза
Вода, сода - 10,0 кг, 20°C, 10 ч
4,0
103,1
41
Береза
Вода, сода - 10,0 кг, 50°C, 10 ч
3,8
97,9
42
Береза
Вода, сода - 20,0 кг, 50°C, 10 ч
3,76
96,9
43
Осина
Вода, сода - 2,0 кг, 20°C, 3 ч
5,11
131,7
44
Осина
Вода, сода - 10,0 кг, 20°C, 3 ч
4,61
118,8
45
Осина
Вода, сода - 10,0 кг, 20°C, 10 ч
4,3
110,8
46
Осина
Вода, сода - 10,0 кг, 50°C, 10 ч
4,1
105,7
47
Осина
Вода, сода - 20,0 кг, 50°C, 10 ч
4,0
103,0
48
Лиственница
Вода, сода - 2,0 кг, 20°C, 3 ч
4,6
118,5
49
Лиственница
Вода, сода - 10,0 кг, 20°C, 3 ч
4,4
113,4
50
Лиственница
Вода, сода - 10,0 кг, 20°C, 10 ч
4,2
108,2
51
Лиственница
Вода, сода - 10,0 кг,  50°C, 10 ч
3,9
100,5
52
Лиственница
Вода, сода - 20,0 кг, 50°C, 10 ч
3,8
97,9
Как следует из приведенных в Таблице 1 результатов, данный способ  позволяет регулировать величину смолообразования. При этом, исходя из необходимости достижения требуемого уровня, можно выбирать время, температуру и состав раствора для гидрообработки.
Таблица 2. Оценка потребительских свойств щепы.
№
Порода древесины, метод обработки
Цвет
Вкус
Запах
1
Бук - "Raychen-Gold", Германия (без обработки)
10
10
10
2
Бук - пр-ва РФ (без обработки)
8(менее насыщенный, неоднородный)
7(привкус горечи)
9
3
Бук (вода, 5 ч, 50°C)
12(менее насыщенный, неоднородный)
8
9
4
Бук (вода, 1% соды, 10 ч, 20°C)
9
9
10
5
Береза (без обработки)
8(менее насыщенный, неоднородный)
5(явный дегтярный привкус)
6(дегтярный оттенок)
6
Береза(вода, 10 ч, 50°C)
8(менее насыщенный, неоднородный)
8(слабый приятный дегтярный оттенок, терпкий)
8
7
Береза (вода, 8 ч, 5% соды 50°C)
9(блеск)
9
9
8
Осина (без обработки)
8(желтый оттенок)
7(горечь, кислота)
7(кислота)
9
Осина (вода, 12 ч, 30°C)
8(желтый оттенок)
8(приятная горчинка)
8
10
Осина (вода, 3 ч, 8% соды, 50°C)
8(желтый оттенок)
9
9
11
Лиственница (без обработки)
7(темная окраска, более коричневая, неравномерная)
7(сильно выраженный смоляной привкус
6(сильно выраженный запах смолы)
12
Лиственница (вода, 12 ч 50°C)
8(цвет коричневый, блеск)
8
7
13
Лиственница (вода, 10 ч,                    сода 10 %, 50°C)
9(приятный коричневый оттенок, блеск на поверхности)
9
10
Как следует из данных, приведенных в Таблице 2, используя заявляемый способ, можно достигнуть существенного повышения потребительских свойств готового продукта. Кроме улучшения качества продукта, полученного при его использовании, наряду с  часто применяемой щепой бука возможно получение качественной продукции при применении практически не используемой древесины березы, лиственницы. Это значительно расширяет доступность сырьевых ресурсов при производстве щепы для копчения. Низкая стоимость древесины березы, лиственницы, осины компенсирует затраты на проведение гидрообработки.
Указанные в формуле и описании граничные значения в заявленных интервалах подтверждены экспериментально, а также при испытаниях, которые подтвердили  достижение технического результата во всех заявленных интервалах.