Оптимизация технологических регламентов и аппаратурного оформления процесса замораживания плодов (на примере клубники)

УДК 664. 8.037

Оптимизация технологических регламентов и аппаратурного оформления процесса

замораживания плодов

М.А. Беляева, д-р техн. наук, профессор Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова

Совершенствование технологии и техники замораживания пищевых продуктов является актуальной задачей. В настоящее время ведется проектирование новых холодильников для пищевой промышленности, сельского хозяйства и торговли. Искусственный холод широко внедряется в железнодорожном, автомобильном и водном транспорте, он также нашел применение в общественном питании и быту.

Большое внимание направлено на интенсификацию процессов холодильной обработки пищевых продуктов, нестойких при хранении, создание новых, более совершенных способов охлаждения, замораживания и размораживания продуктов, разработку способов и условий хранения и транспортировки, обеспечивающих максимальное сохранение исходного качества продукта.

Обработка холодом пищевых продуктов и последующее их хранение при соответствующих низких температурах является лучшим методом предупреждения или замедления порчи продуктов, обеспечивающим наиболее полное сохранение их первоначальных свойств. Сохранение качества пищевых продуктов достигается в результате подавления или замедления жизнедеятельности микроорганизмов, а также снижения скорости химических и биохимических процессов, происходящих в продукте под действием собственных ферментов, кислорода воздуха, тепла и света.

Замораживание - это процесс понижения температуры продукта ниже криоскопической (температуры начала замерзания) до кристаллизации основной части воды, содержащейся в продукте.

Скорость движения фронта области замораживания при быстрой заморозке продукции составляет 5 - 20 см / ч, при обычной (средней) - 1 - 5 см/ч, при медленной -

0,1 - 1 см/ч. При криогенной сверхбыстрой заморозке, которая осуществляется в криогенных жидкостях (жидкий азот, жидкий СО2, фреон) методами орошения или погружения, скорость замораживания составляет 100см / ч.

Существует огромное количество различных видов оборудования для замораживания. Обзор и анализ способов замораживания и оборудования показал, что наилучшим вариантом для замораживания ягод клубники служит флюидизационный аппарат.

Флюидизация - технология заморозки мелкоштучной продукции, в том числе ломтиков овощей, ягод, грибов и пр. Процесс осуществляется следующим образом. Подготовленный материал раскладывается на горизонтальном решете. На него направляется поток холодного воздуха, скорость которого такова, что продукты оказываются во взвешенном состоянии. Применение данной технологии позволяет получить замороженные фрукты, ягоды, нарезанные одинаковыми кусочками овощи очень высокого качества. При этом способе обработки холодом не образуется комков, продукты замораживаются россыпью, без повреждения, сохраняя свою естественную форму.

Производство замороженных пищевых продуктов связано с более высокими энергетическими затратами, чем производство охлажденных. Значительно возрастает расход холода на замораживание и хранение в замороженном виде, увеличиваются потери биологических компонентов, снижается их качество, так как при размораживании не достигается полной обратимости исходных свойств продукта. Наряду с этим замораживание обеспечивает наиболее полное сохранение основных показателей качества при продолжительном хранении пищевых продуктов.

Фрукты и ягоды - важнейшие компоненты повседневного рациона, поскольку они служат прекрасными источниками витаминов, минеральных веществ и пищевых волокон, полезны для здоровья и способствуют профилактике заболеваний. Растущий спрос на полезные для здоровья продукты, облегчающие жизнь современного делового человека, обуславливает постепенный рост популярности замороженных ягод, фруктов и овощей. Область применения замороженной клубники очень широка - приготовление муссов и коктейлей, натуральных йогуртов и других полезных десертов, особенно в детском питании.

Замороженные плоды и овощи по питательной ценности близки к исходному сырью. Витаминов и других биологически ценных веществ в них меньше, чем в свежих, но, как правило, больше, чем в тепличных или консервированных при высоких температурах. Сохраняемость полезных веществ в замороженных плодах и овощах достигает 75 - 80% по отношению к исходному содержанию. Особенно высокая стабильность наблюдается в содержании дефицитных витаминов группы В: после 6 - 8 месяцев хранения замороженных овощей и бахчевых в них остается 78,3 - 99,5% этих биологически активных соединений.

Важным преимуществом замораживания является возможность создавать самые разнообразные многокомпонентные плодово-ягодные и овощные смеси из замороженного сырья разных сроков созревания в любое время года. За счет этого можно обогатить пищевые рационы населения витаминами, микроэлементами и другими биологически активными веществами в зимне-весенний период, когда ассортимент и количество потребляемых свежих плодов и овощей минимальны.

Развитие производства замороженных продуктов играет также важную социальную роль, поскольку продукцию этой отрасли отличает высокая степень готовности, сводящая к минимуму затраты времени на приготовление пищи в домашних условиях, а также в сети общественного питания. При соответствующем развитии холодильного транспорта замороженные плоды и овощи могут быть доставлены в любой район страны без потерь и в самом широком ассортименте. Все это позволяет считать замораживание прогрессивным и перспективным методом консервирования и хранения. Однако объективная оценка любого метода требует знания и его недостатков. Основной недостаток низкотемпературной обработки плодов и овощей обусловлен тем же фактором, что и ее эффективность, т. е. превращением воды в лед, вызывающим комплекс физических, химических и биохимических изменений, отрицательно влияющих на качество продукта, особенно после его размораживания. Чтобы свести к минимуму влияние таких реакций на качество, для каждого продукта следует выбирать определенные способы предварительной подготовки, упаковки, применять оптимальные режимы замораживания и хранения. Это особенно важно в связи с тем, что ни подготовка продуктов к замораживанию, ни сам процесс замораживания не делают их стерильными, а после дефростации они портятся даже быстрее, чем свежие. Поэтому дефростированные пищевые продукты следует, по возможности, скорее употребить в пищу.

Но все эти проблемы успешно решаются в ходе совершенствования технологии замораживания, упаковки, хранения и использования замороженных продуктов.

В связи с развитием флюидиза-ционного и полуфлюидизационного

метода замораживания производство рассыпчатой клубники (без образования комков) стало наиболее популярным. Этот метод в Европе решительно вытесняет замораживание клубники в индивидуальной упаковке в сиропе или сахаре. Этот продукт вырабатывают из предварительно замороженных ягод после завершения сезона сбора урожая.

Линия производства рассыпчатой клубники при использовании флюидизационно-конвейерного туннеля отличается простотой конструктивного оформления и высокой производительностью. Принцип работы поточно-механизированной линии состоит в следующем: сырье поступает с плантаций с удаленными плодоножками. После предварительного отбора по качеству содержимое корзинок высыпают непосредственно в вибрационную моечную машину через определенные промежутки времени, например, через 3; 4 или 5 с - в зависимости от установленной производительности линии. Желательно установить специальную сигнализацию, например, световую, фиксирующую момент засыпания клубники. От правильной работы на участке загрузки ягод в моечную машину зависит равномерность работы всей линии. В процессе флюи-дизационного замораживания на качество продукта очень плохо влияет как мгновенная перегрузка, так и недогрузка конвейеров, так как в этом случае происходят резкие колебания температуры процесса. При этом образуются слипшиеся комки и партии недостаточно замороженного продукта.

На моечной машине сырье интенсивно моют в вибрационной ванне, наполненной водой, направление течения которой противоположно движению сырья. На выходе из моечной машины сырье попадает под сильный душ, после которого падает на конвейер, где с ягод стекает лишняя вода и их контролируют для отбраковки некачественных ягод.

Машина для механического отделения мягких плодов работает по принципу сита, применяемого при очистке зеленого горошка и черники. По этому проекту ягоды с конвейера, на котором с них стекает вода, падают на наклонную резиновую ленту конвейера, движущуюся снизу вверх. Угол наклона ленты и скорость движения можно плавно регулировать. Здоровые, упругие ягоды скатываются вниз в корзину наклонного транспортера, который подает их в туннель, тогда как мягкие перезревшие ягоды прилипают к конвейерной ленте и переносятся

вверх, где попадают в сборник отходов. Определенный оптимальный режим работы сортировочной машины достигается соответствующим углом наклона конвейерной ленты и скоростью ее движения. С наклонного транспортера клубника подается на вибрационный транспортер, который должен обеспечить более равномерное распределение продукта на конвейере. Предварительное подмораживание клубники является одной из труднейших операций замораживания. Клубника по природе своей ягода мягкая, легко подвергается повреждениям. Кроме того, при входе в туннель ягоды имеют влажную поверхность. При прохождении сырья по конвейеру стекания и под соплами осушающих вентиляторов избыток воды удаляется лишь с поверхности ягод без осушки. Наличие такого слоя воды на поверхности ягод предохраняет продукт от чрезмерной усушки во время замораживания и хранения. В то же время необходимо, чтобы туннель был соответственно подготовлен к замораживанию влажных ягод, которые при подмораживании образуют комки и прилипают к конвейеру. Это может быть предотвращено предварительным поддувом и осуществлением процесса на двух конвейерах.

Замороженный продукт падает с одного конвейера в другой, выложенный изнутри полиэтиленом, и направляется на хранение. Непосредственно за туннелем можно смонтировать линию сортировки, однако эту операцию проводят после окончания сезона.

С целью совершенствования процесса замораживания клубники были проведены системно-аналитические и параметрические исследования, составлен план экспериментов в виде латинских квадратов, проведен конструктивный расчет аппарата по замораживанию и подбор его элементов.

Для выявления оптимальных параметров замораживания клубники была разработана математическая модель процесса на основе проведенного факторного анализа, в работе использована универсальная компьютерная программа [1 - 3].

Задачей системного анализа является параметрическое описание процесса с выделением факторов, влияющих на достижение желаемой цели. Оно сводится к нахождению математических зависимостей между ними для последующей многокритериальной оптимизации и принятия оптимальных решений [1, 2, 3].

Ситуационные модели позволяют прогнозировать состояние системы и оценивать возможность достижения заданных показателей выходных параметров при различных параметрических аномалиях процесса и среды.

Входными параметрами, управляющими работой системы замораживания плодов и ягод в флюи-дизационном скороморозильном аппарате, являются температура воздуха и скорость движения воздушной среды. Они влияют на скорость замораживания и соответственно на производительность аппарата. Скорость движения воздуха и температура воздушной среды являются также параметрами, определяющими энергозатраты процесса заморажива-

ния, поэтому по ним были введены ограничения - минимальное и максимальное значения [1, 2, 4].

Выявлено, что оптимальным режимом по влагоудерживающей способности для замораживания ягод клубники является применение температуры -40 °С с дальнейшим хранением при -18 °С. Скорость замораживания - 5 20 см/ч.

Традиционный технологический процесс быстрого замораживания ягодного сырья включает в себя ряд стадий: заготовка ягод; транспортировка; инспекция; мойка; удаление плодоножек и чашелистиков; удаление воды; замораживание во флюи-дизационном скороморозильном аппарате; сортировка; упаковка; хранение.

В соответствии с ГОСТ Р ягоды клубники должны быть одного вида, зрелые, чистые, без повреждений, не иметь плодоножек и чашелистиков. Допускается до 20% неравномерных по размеру ягод и небольшое количество слегка мятых. Цвет должен быть однородным, естественным, свойственным виду ягод. Вкус и запах в размороженном состоянии -свойственные сырью, консистенция -близкая к консистенции свежих ягод. Не допускаются посторонние (в том числе минеральные) примеси, размораживание до реализации и повторное замораживание.

Хранят упакованную быстрозамороженную продукцию в холодильных камерах при температуре не выше -18 °С и относительной влажности воздуха не менее 95%; срок хранения - не более 9 мес. Допускается хранение ягод при температуре -15 ° С не более 6 мес.

Для проектирования непрерывного скороморозильного флюидизацион-ного аппарата был осуществлен расчет на производительность 450 кг/ч. По результатам расчета получилось, что оптимальная скорость движения

воздуха в аппарате для замораживания клубники - 9м/с, холодо-производительность аппарата - 67,1 кВт. Исходя из расчетных и проанализированных параметров был осуществлен подбор холодильного оборудования - воздухоохладителя и компрессорно-конденсаторного агрегата.

Для выбора воздухоохладителя была использована программа GPC (Guntner Product Calculator), которая позволяет быстро и легко подобрать необходимое оборудование Guntner: в удобную маску для ввода необходимо ввести ключевые данные. Программа с учетом выбранных условий эксплуатации (хладагента или хла-доносителя, влажности воздуха, температуры испарения или конденсации) и выбранного дополнительного оборудования выполнит точный термодинамический расчет (даже для нестандартных областей применения).

Холодоснабжение скороморозильного аппарата обеспечивает двухступенчатая холодильная машина, работающая на фреоне R-22. Достоинство такой схемы получения низкой температуры состоит в том, что наряду с низкой температурой мы получаем высокую производительность холодильной машины.

Модернизация скороморозильного аппарата заключается в использовании вместо ленточного конвейера перфорированных производственных пластин. Применение таких пластин обеспечивает 100%-ную флюи-дизацию и максимально высокое качество продукта по сравнению с традиционными аналогичными аппаратами, в которых используются металлические или пластмассовые конвейеры и ленты.

Для конвейерной ленты необходимы скользящие полозья, механизм для натяжения ленты и компенсации температурной разницы, двигатель, коробка передач. В механизме с конвейерной лентой намного больше движущихся частей, чем в механизме с производственными пластинами. Стоимость обслуживания и эксплуатации конвейерной ленты при заморозке намного выше, чем для производственных пластин.

Использование таких пластин приводит к повышению как производительности аппарата, так и качества замороженного продукта.

В ближайшие годы холодильное оборудование будет совершенствоваться в направлении снижения габаритов и массы на базе использования новых теплоизоляционных и конструкционных материалов,

улучшения шумовых и энергетических характеристик, комплектации оборудования агрегатированными холодильными машинами, широкого применения электронных приборов контроля и управления.

Определенное развитие получила тенденция централизованного снабжения холодом предприятий общественного питания. В изолированном помещении монтируется холодильная установка, которая соединяется трубопроводами со всеми холодильными шкафами, витринами, прилавками. Такой метод позволяет отказаться от нескольких десятков

холодильных агрегатов, заменив их одним мощным.

Таким образом, результаты проведенных научных исследований, направленные на оптимизацию технологических регламентов замораживания и аппаратурного оформлении, носят практический характер и могут быть внедрены в производство для получения высококачественных замороженных плодов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беляева, М. А. Системный анализ технологий и бизнес-процессов мясного

производства/М. А. Беляева // Пищевая промышленность. - 2013. - № 7. - С.

2. Беляева, М.А. Моделирование си-стем/М.А. Беляева. - М.: МГУП, 2012. -Ч. 1. - 182 с.

3. Беляева, М.А. Формирование муль-тимодельной системы для принятия оптимальных управленческих решений на предприятии/М.А. Беляева // Программные продукты и системы. - 2014. -№ 2 (106). - С. 181 - 187.

4. Беляева М.А., Ивашкин Ю.А. Система структурно-параметрического моделирования и идентификации... Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007612733.

Оптимизация технологических регламентов и аппаратурного оформления процесса замораживания плодов

Ключевые слова

замораживание; конвейер; структурно-параметрическое моделирование; флюидизация; холодильная камера

Реферат

В статье изложены способы замораживания плодов на примере клубники, роль замороженных плодов в питании человека и область их применения, показаны актуальность и обоснование научно-исследовательской работы, описано функционирование и комплектация технологической линии по замораживанию плодов и ягод, а также флюидизационный и полуфлюидизаци-онный методы замораживания, дан анализ различных способов и методов замораживания. Отражены результаты проведенных экспериментов, разработана структурно-параметрическая модель процесса и проведен анализ результатов по выявлению оптимального регламента процесса замораживания клубники, на основе математической модели предложено аппаратурное его оформление. При технологических расчетах и математической обработке плана эксперимента использовалась компьютерная система структурно-параметрического моделирования, с помощью которой можно спрогнозировать наличие связей между параметрами, желаемое состояние готового замороженного продукта. Структурно-параметрическая модель позволяет устанавливать прогноз и диагноз связей между факторами, выявить среди них ключевые, в максимальной или в минимальной степени влияющие на целевую функцию или желаемый результат. Теоретические литературные данные, математически обработанные в компьютерной системе, и адекватность разработанной модели были подтверждены экспериментальным путем. Для конструктивных расчетов по технологическим параметрам процесса замораживания был проведен подбор элементов холодильной камеры и конвейера для осуществления процесса замораживания. С этой целью использовалась компьютерная система, разработанная немецкими учеными. Модернизация скороморозильного аппарата заключалась в использовании вместо ленточного конвейера перфорированных производственных пластин. Стоимость обслуживания и эксплуатации при заморозке конвейерной ленты намного выше, чем производственных пластин. Использование таких пластин приводит к повышению как производительности аппарата, так и качества замороженного продукта. Был осуществлен подбор конструктивных элементов по различным показателям, что дало возможность создать оптимальные конструктивные решения по технологическим параметрам аппаратурное оформление процесса замораживания плодов (на примере клубники). Оптимизация технологических регламентов замораживания и аппаратурного оформления носит практический характер. Исследования проведены в Российском экономическом университете им. Г.В. Плеханова. Результаты могут быть внедрены в производство для получения высококачественных замороженных плодов.

Авторы

Беляева Марина Александровна, д-р техн. наук, профессор, Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, 11799, г. Москва, Стремянный пер., д. 36, Belyaevamar@mail.ru

Optimization of production schedules and hardware registration of process of freezing of fruits

Key words

freezing; fluidization; structural and parametric modeling; assembly line; refrigeration chamber

Abstracts

The article describes methods of freezing fruits for example strawberries, frozen fruits role in human nutrition and their application, significance and rationale of research work, describe the operation and equipment of the technological line for freezing of fruits and berries, are also described and methods of fluidizing polyploidization freeze, presents an analysis of different methods of freezing. Reflects the results of the experiments, designed the structural-parametric model of the process and the analysis of the results to identify the optimal regulation of the process of freezing strawberries, on the basis of mathematical model of the proposed hardware design process. Technology calculations and mathematical treatment of the plan of experiment, computer system structure-parametric modeling, which can be used to predict the relationship between the parameters and the desired state of ready frozen product, structurally-parametrical model allows to establish the prognosis and diagnosis of the links between factors, identifying the most key and the maximum or minimum extent, affect the target function or desired result. Theoretical data from the literature, mathematically processed in a computer system and the adequacy of the model were confirmed experimentally. For design calculation of process parameters of freezing process was carried out selection of elements of the refrigerating chamber and the conveyor for the process of freezing, for this purpose, used the computer system developed by German scientists. Modernization of the freezing apparatus was used instead of a belt conveyor industrial perforated plate. The cost of maintenance and operation of conveyor belts for freezing are much higher than for production of plates. The use of these plates leads to increasing productivity and improving the quality of frozen product. Was carried out the selection of structural elements on different figures that gave the ability to create optimal design solutions for the technical parameters of the hardware design process of freezing the fruit ( for example strawberries). The research was carried out at the Russian Economic University. G.V. Plekhanov. Optimization of process procedures of freezing and hardware design are practical and can be implemented in production for serial production to obtain high-quality frozen fruits.

Authors

Belyaeva Marina Alexandrovna Doctor of Engineering, professor of

Technical and Economic Systems chair,

The Russian economic university of G.V. Plekhanov