Определение продолжительности просаливания сельди до заданной концентрации при температуре 0 °с

УДК 664.951

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОСАЛИВАНИЯ СЕЛЬДИ ДО ЗАДАННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 0 °С

М. В. Шуманова, Ю. А. Фатыхов, В. А. Шуманов

DETERMINING THE DURATION OF HERRING SALTING UP TO THE PRESENT

CONCENTRATION AT 0° C

M. V. Shumanova, Yu. A. Fatykhov, V. A. Shumanov

Изучение процесса посола сельди, запасы которой достаточны, и выявление оптимальных условий ее созревания являются актуальными задачами. Как показали маркетинговые исследования, потребители предпочитают малосоленую сельдь (3 - 6% массовой доли соли). Для оптимизации процесса посола раствором хлористого натрия, обладающего положительным (является консервантом) и отрицательным (способствует развитию заболеваний сердечно-сосудистой системы) воздействием, необходимо учитывать температуру и способ посола.

В настоящее время большой интерес представляет собой чановый посол при температурах около 10 °C. Существует мнение, что развитие микроорганизмов, вызывающих порчу, приостанавливается при более низких температурах.

В данной работе предпринята попытка оценить продолжительность просаливания сельди при тузлучном способе посола до заданной концентрации соли при температуре около 0 ° C. Для определения коэффициентов диффузии соли был применен метод фотонной корреляционной спектроскопии (ФКС). Также рекомендованы формулы для расчета коэффициентов диффузии, продолжительности просаливания и нахождения средней концентрации соли по толщине сельди. Эти формулы были получены авторами, исходя из решения уравнения диффузии с соответствующими краевыми условиями. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов для чанового посола показало хорошее совпадение и позволило оценить недостатки формулы, часто используемой многими исследователями.

Установлена целесообразность создания компактных приборов, основанных на методе фотонной корреляционной спектроскопии, позволяющих определять жирность рыбы. Существующие в настоящее время методы довольно трудоемки.

малосоленая сельдь, нулевая температура, коэффициенты диффузии, концентрация соли, продолжительность просаливания, метод фотонной корреляционной спектроскопии, жирность

Study of the process of herring salting, which reserves are sufficient, and identification of the optimal conditions of its maturation are urgent tasks. As shown by

market research, consumers prefer salted herring (3-6% of the mass fraction of salt). To optimize the process of salting by sodium chloride solution having a positive effect (like a preservative), and negative effects (promotes cardiovascular system disease), it is necessary to take into account the temperature and method of fish salting.

Tank salting at temperatures of about 10 °C is currently of great interest. It is believed that at lower temperatures growth of microorganisms which cause spoilage is stopped.

In this article an attempt is made to estimate the duration of the brine salting of herring to a given concentration of salt at a temperature of about 0 ° C. To determine the salt diffusion coefficient, the method of photon correlation spectroscopy has been applied. The formulas for the calculation of the diffusion coefficient, the duration of salting and finding the average salt concentration of herring thickness are also recommended. As opposed to the former, the latter were obtained by the authors, based on the solution of the diffusion equation with the appropriate boundary conditions. Comparison of the results with the available literature studies of tank salting agreed to each other a great deal.

Research has shown the ability to create compact devices based on the method of photon correlation spectroscopy, allowing determining of the fat content of fish. Methods which are currently available proved to be very labour-consuming.

slightly salted herring, zero temperature, diffusion coefficients, salt concentration, duration of salting, photon correlation spectroscopy method, fat content

ВВЕДЕНИЕ

Запасы сельди в настоящее время являются достаточными, занимая в общем объеме вылова долю порядка 8 %. На данный момент наблюдается положительная динамика ее промысла [ 1].

Сельдь считается классическим видом сырья для посола, так как она принадлежит к числу рыб, созревающих во время этого процесса. Также данный вид рыб является полуфабрикатом для изготовления сушеной, маринованной, вяленой, копченой продукции [2].

С физико-химической точки зрения при посоле, движущей силой которого является градиент концентрации раствора хлористого натрия во внешней солевой среде и тканях гидробионтов, происходят такие процессы, как осмос и диффузия. Диффузия влаги из гидробионтов в раствор носит название осмоса.

Соль (хлористый натрий) является одним из важных консервантов в пищевой промышленности, но чрезмерное потребление её оказывает отрицательное воздействие на организм человека: повышает возбудимость центральной нервной системы, способствующую развитию гипертонической болезни; ведет к заболеваниям сердечно-сосудистой системы; оказывает ингибирующее воздействие натрия на липопротеиновую липазу крови, уменьшающее коллоидную стабильность холестерина и являющееся одной из причин развития атеросклероза, и др. [3].

При посоле рыбы отмечается консервирующее воздействие соли в зависимости от её концентрации на микрофлору: при концентрации 6 - 8% (по массе сырой рыбы) погибает большинство микроорганизмов, способных вызывать порчу. Однако при большей концентрации, вплоть до соответствующей

крепкому посолу (выше 12%), часть медленно растущей группы бактерий (галофильные) продолжает развиваться [4, 5].

Маркетинговые исследования по изучению удовлетворения потребностей населения качеством соленой рыбопродукции показали, что гастрономические предпочтения потребителя (76 %) склоняются в сторону малосоленого продукта (3 - 6% массовой доли соли) [6].

Важнейшей задачей исследования является определение продолжительности посола рыбы до заданной концентрации.

Существенный вклад в решение данной задачи внесли российские ученые: И. П. Леванидов, Л. П. Миндер, Н. Н. Рулев, Г. П. Ионас, А. М. Ершов, В. А. Гроховский.

Для определения зависимости между продолжительностью посола и толщиной рыбы, а также концентрацией внешнего раствора может быть использована следующая формула, выведенная на основании уравнения диффузии [7]:

^ 2,303^ ,

8 • О 1СГ - С1р ' "

где Ь - толщина рыбы, м; Ср - концентрация соли во внешнем растворе; Сср - средняя концентрация соли в клеточном соке для времени Б - коэффициент диффузии соли в мясе рыбы при посоле.

Эта формула показывает, что продолжительность посола прямо пропорциональна квадрату толщины рыбы и логарифму частного от деления концентрации соли в рассоле, окружающем рыбу, на разницу между нею и концентрацией соли в клеточном соке рыбы и обратно пропорциональна коэффициенту диффузии соли в мясо рыбы при посоле. Анализ этой формулы свидетельствует, что если известны продолжительность посола, концентрация соли во внешнем растворе и в клеточном соке и толщина рыбы, то можно вычислить коэффициент диффузии Б.

С учетом промыслового запаса сельди, положительной динамики ее вылова, благоприятного воздействия холода на подавление жизнедеятельности микроорганизмов, увеличение продолжительности хранения и улучшение качества продукта представляется актуальным исследование, а также установление закономерностей процесса посола рыбы при температуре 0 °С.

Существующие химические способы определения солености рыбы не позволяют получить информацию о пространственно-временном характере распределения соли в продукте. Для установления механизма распространения соли необходимо применять новые методы исследования, основанные на взаимодействиях излучений (акустических или электромагнитных) с веществом, в том числе современный нанотехнологический метод фотонной корреляционной спектроскопии, базирующийся на релеевском рассеянии излучения от вещества.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В данной работе использовался метод фотонной корреляционной спектроскопии, успешно применяемый в лаборатории микро- и нанотехнологий

кафедры физики Калининградского государственного технического университета. Схема установки по методологии ФКС описана в работах [8] и [9].

В качестве объекта исследования использовали мороженую атлантическую сельдь (Clupea harengus), по качеству отвечающую требованиям действующего стандарта. Длина сельди составляла порядка 30 ± 2 см, масса 310 ± 10 г. Химический состав мяса сельди атлантической: жир 18,5, белок 18, минеральные вещества 1,5%.

Для составления тузлука определенной заданной плотности использовали хлористый натрий, соответствующий ГОСТ 4233, и воду питьевую, отвечающую требованиям ГОСТ Р 51232-98.

Образцы сельди с кожей помещали в кювету из кварцевого стекла и заливали раствором заданной концентрации при определенной температуре.

По высоте кюветы измеряли и вычисляли интенсивность рассеянного света, концентрацию, коэффициенты диффузии и размеры диффундирующих частиц.

Программа рассчитывала корреляционную функцию интенсивности рассеяния (временное разрешение ^ = 25 нс), определяла функцию распределения частиц по размерам, а также вычисляла коэффициент диффузии из корреляционной функции.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

На рисунке представлена зависимость коэффициентов диффузии от концентрации соли в мясе сельди.

10°, «л'/с

О 5 Ю 15

Рис. Зависимость коэффициента диффузии от концентрации соли в мясе сельди Fig. Dependence of the diffusion coefficient on the salt concentration in herring meat

Для определения продолжительности посола, полученной на основании решения уравнения диффузии [7], применяем для расчета вместо выражения (1) формулу, выведенную также на основании решения уравнения диффузии, но с учетом пограничного слоя, в котором концентрация раствора меньше, чем во внешнем растворе. В данной формуле учитывается естественная соленость рыбы [10]:

JL

4D

1

2,4674

ln-

C

Л

C - C - C

C0 C Cе,

+ 0,0979

У

Результаты расчетов длительности просаливания сельди разной жирности до концентрации 6% в центре образца толщиной 25 мм при температуре 0 °С и начальной концентрации раствора соли Ср = 12 %, с учетом естественной концентрации соли в сельди Сест = 0,03 %, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Продолжительность просаливания сельди в зависимости от жирности Table 1. Duration of herring salting, depending on the fat content

Жирность Ж, % 4 6 10 14 18

Продолжительность просаливания т, ч 44,5 45 46 47 48

T

В формуле (2) Со - концентрация соли в пограничном слое тузлук-селъдъ у кожи; рассчитывается по выражению С0 =аС , где а- поправочный коэффициент, показывающий уменьшение концентрации; определяется экспериментально, Следовательно, в пограничном слое тузлук-кожа концентрация С0 = 8% .

Для получения слабосоленой продукции необходимо использовать ненасыщенные солевые растворы с концентрациями около 10 %.

Сравнение полученных нами результатов и экспериментальных данных [7] (табл. 2) для нерестовой сельди с кожей и чешуей при 0 °С показывает хорошее совпадение.

Результаты, рассчитанные по выражениям (1) и (2), отличаются на 3 %. Полученные по формуле (2) значения совпадают с экспериментальными, а по формуле (1) - занижены вследствие того, что при выводе формулы (1) не учитывается пограничный слой тузлука вблизи кожи сельди, у которого показатели концентрации соли гораздо меньше, чем в самом тузлуке. В формуле (1) также не принимается во внимание естественная соленость сельди.

С учетом данных положений можно сделать вывод: формула (2) более точно описывает процесс просаливания сельди.

Таблица 2. Влияние кожи и чешуи на скорость накопления соли в мясе рыбы при 0 °С

Table 2. Influence of skin and scales on the rate of sa t accumulation in herring meat at 0 ° C

Наименование Характер поверхности, Продолжительност Содержани

рыбы через которую диффундирует соль ь посола, ч е соли, %

1 2 3 4

Плотва Кожа с чешуей 4 8,5

Кожа без чешуи 4 14,3

Нерестовая Кожа с чешуей 48 6,07

сельдь Подкожная клетчатка 48 13,18

Окончание табл. 2

1 2 3 4

Терпуг Кожа с чешуей 48 3,8

Кожа без чешуи 48 6,1

Среднее значение концентрации соли в центре образца составляет 5,6 % (при начальной концентрации раствора соли 12 %), оно рассчитывалось по формуле

(

<

С(х, т) >= Сс

- п2 От

Л

1 ;

п

12

Время, необходимое для просаливания сельди при более высоких температурах и различных концентрациях растворов, указано в работе [9].

Следует отметить, что с помощью метода фотонной корреляционной спектроскопии можно определять жирность рыбы. Действительно, этот метод дает возможность измерить в клеточном соке рыбы коэффициент диффузии (самодиффузии), который тесно связан с температурой и жирностью рыбы формулой, выведенной докторами технических наук А. М. Ершовым и В. А. Гроховским [11]:

О = £(0,66 - 0,003Ж + 0,02?) 10 9

м2/с,

где Ж - жирность рыбы, %; ^ - температура тузлука, °С; - коэффициент, учитывающий изменение диффузионных свойств рыбы в ходе просаливания: = 1, если посол происходит до солености £ < 7,5% тощих рыб. Если £ > 7,5%, то \ = 0,91.

Формула (4) применима для большой видовой группы рыб. При температуре 0 °С и = 1 по формуле (4) получаем:

Б = £(0,66 - 0,003Ж) 10 9 , м2/с.

При уравнивании коэффициентов диффузии, которые были определены с помощью метода ФКС, по формуле (5) можно получить значение жирности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования посола рыбы при нулевых температурах позволили сделать следующие выводы:

1. Для расчета продолжительности просаливания рыбы до заданной концентрации, в связи с хорошим совпадением с экспериментальными данными, необходимо использовать выражение (2). Значения, полученные по формуле (1), занижены на 3 %, так как в ней не учитывается концентрация соли в тузлуке в пограничном слое у кожи рыбы, а также естественная концентрация соли в рыбе.

2. Для определения средней концентрации соли по толщине сельди следует использовать формулу (3).

3. Значения коэффициентов диффузии определяются:

а) с помощью экспериментальной установки, собранной на базе гониометра ЛОМО, методом фотонной корреляционной спектроскопии;

б) в зависимости от температуры и жирности рыбы по формуле (4);

в) по концентрации соли в мясе сельди (рис. 1).

4. Возникает возможность определять жирность сельди по формуле (5) при подстановке значений коэффициентов диффузии, определенных с помощью метода ФКС при 0 °С.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Динамика вылова рыбы и морепродуктов [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://fishretail.ru/blog/dinamika-vilova-ribi-i-moreproduktov-331.

2. Технология рыбы и рыбных продуктов: учебник / С. А. Артюхова [и др.]; под ред. А. М. Ершова. - Москва: Колос, 2010. - 1064 с.

3. Дворянинова, О. П. Аквакультурные биоресурсы: научные основы и инновационные решения: монография / О. П. Дворянинова, Л. В. Антипова. -Воронеж: Изд-во Воронежского государственного университета инженерных технологий, 2012. - 420 с.

4. Леванидов, И. П. Посол рыбы (элементы теории и практики) / И. П. Леванидов // Известия Тихоокеанского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии. - 1967. - Т. 63. - 197 с.

5. Уитон, Ф. У. Производство продуктов питания из океанических ресурсов: в 2 т. / Ф. У. Уитон, Т. Б. Лосон; под ред. В. П. Быкова. - Москва: Агропромиздат, 1989. - Т. 2. - 765 с.

6. Панина, М. Н. Разработка технологии малосоленых пресервов из балтийской сельди с использованием ВАД: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.04 / Панина Марина Николаевна; КГТУ. - Калининград, 2002. - 102с.

7. Технология рыбы и рыбных продуктов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://fish-industry.ru/rybnye-produkty/2612-diffuzii-i-osmos.html

8. Иванов, А. М. Фрактальная кинетика люминесценции органолюминофоров на поверхности твердых тел и аномальная диффузия молекул и наночастиц на границе с жидкостью: дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.05 / Иванов Андрей Михайлович. - Калининград, 2007. - 138 с.

9. Шуманова, М. В. Научное обеспечение технологического процесса посола сельди атлантической (Clupea harengus) в неподвижном тузлуке на базе экспериментальных исследований методом фотонной корреляционной спектроскопии: дис. ... канд. тех. наук: 05.18.04; 05.18.12 / Шуманова Мария Вячеславовна. - Калининград, 2016. - 122 с.

10. Шуманов, В. А. Определение продолжительности посола сельди с использованием математического решения уравнения диффузии / В. А. Шуманов, М. В. Шуманова // Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении и строительстве: IV Международный балтийский морской форум. II Международная научная конференция: тезисы докладов. - Калининград: Изд-во БГАРФ. - 2016. - Ч. 5. - С. 61-63.

11. Теоретические основы процесса посола рыбы и расчет продолжительности просаливания: в 9 т. / В. В. Димова [и др.] // Вестник МГТУ, Мурманск. - 2006. - Т. 5. - С. 858-865.

REFERENCES

1. Dinamika vylova ryby i moreproduktov [Dynamics of fish and seafood catches]. Available at: http://fishretail.ru/blog/dinamika-vilova-ribi-i-moreproduktov-331.

2. Artjuhova S. A. i dr. Tehnologija ryby i rybnyh produktov: uchebnik [Technology of fish and fish products: textbook for high schools]. Moscow, Kolos, 2010, 1064 p.

3. Dvorjaninova O. P., Antipova L. V. Akvakul'turnye bioresursy: nauchnye osnovy i innovacionnye reshenija [Aquaculture biological resources: scientific foundations and innovative solutions]. Voronezh, Voronezhskij gosudarstvennyj universitet inzhenernyh tehnologij, 2012, 420 p.

4. Levanidov I. P. Posol ryby (jelementy teorii ipraktiki) [The process of salting fish (elements of theory and practice)]. Izvestija Tihookeanskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta rybnogo hozjajstva i okeanografii. 1967, vol. 63, 197 p.

5. Uiton F. U., Loson T. B. Proizvodstvo produktov pitanija iz okeanicheskih resursov [Manufacture of food products from ocean resources]. Moscow, Agropromizdat, 1989, vol. 2, 765 p.

6. Panina M. N. Razrabotka tehnologii malosolenyh preservov iz baltijskoj sel'di s ispol'zovaniem VAD. Dis. kand. tehn. nauk [Development of technology for semi-preserved salted Baltic herring with VAD. PhD (Eng) dissertation]. Kaliningrad, KGTU, 2002, 102 p.

7. Tehnologija ryby i rybnyh produktov [Technology of fish and fish products]. Available at: http://fish-industry.ru/rybnye-produkty/2612-diffuzii-i-osmos.html.

8. Ivanov A. M. Fraktal'naja kinetika ljuminiscencii organoljuminoforov na poverhnosti tverdyh tel i anomal'naja diffuzija molekul i nanochastic na granice s zhidkostju. Dis. kand. fiz.-mat. nauk [Fractal kinetics of the organolyuminophores fluorescence on solid surfaces and anomalous diffusion of molecules and nanoparticles on the border with liquid. PhD (Math-Physics) dissertation.]. Kaliningrad, 2007, 138 p.

9. Shumanova M. V. Nauchnoe obespechenie tehnologicheskogo processa posola sel'di atlanticheskoj (Clupea harengus) v nepodvizhnom tuzluke na baze jeksperimental'nyh issledovanij metodom fotonnoj korreljacionnoj spektroskopii. Dis. kand. teh. nauk [Scientific maintenance of the process of salting Atlantic herring (Clupea harengus) in the fixed brine on the basis of experimental studies by photon correlation spectroscopy: PhD (Eng) dissertation]. Kaliningrad, 2016, 122 p.

10. Shumanov V. A., Shumanova M. V. Opredelenie prodolzhitel'nosti posola sel'di s ispol'zovaniem matematicheskogo reshenija uravnenija diffuzii [Determination of the length of herring salting using mathematical solutions of the diffusion equation]. Progressivnye tehnologii, mashiny i mehanizmy v mashinostroenii i stroitel'stve: IV Mezhdunarodnyj baltijskij morskoj forum. II Mezhdunarodnaja nauchnaja konferencija: tezisy dokladov [Abstracts of II Int. scientific conf. IV International Baltic Maritime Forum "Advanced technologies, machines and mechanisms in mechanical engineering and construction"]. Kaliningrad, Izd-vo BGARF, 2016, part 5, pp. 61-63.

11. Dimova V. V., Ershov A. M., Grohovskij V. A., Ershov M. A. Teoreticheskie osnovy processa posola ryby i raschet prodolzhitel'nosti prosalivanija [Theoretical basis of the process of fish salting and calculation of salting duration]. Murmansk, Vestnik MGTU, 2006, vol. 5, pp. 858-865.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Шуманова Мария Вячеславовна - Калининградский государственный технический университет; отдел аспирантуры и докторантуры; E-mail: maria.shumanova@klgtu.ru

Shumanova Maria Vyacheslavovna - Kaliningrad State Technical University; Postgraduate and doctoral department; E-mail: maria.shumanova@klgtu.ru

Фатыхов Юрий Адгамович - Калининградский государственный технический университет; доктор технических наук, профессор; зав. кафедрой пищевых и холодильных машин; E-mail: elina@klgtu.ru

Fatykhov Juri Adgamovich - Kaliningrad State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Food and Refrigeration Machines; E-mail: elina@klgtu.ru

Шуманов Вячеслав Анатольевич - Калининградский государственный технический университет; кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики; E-mail: vshumanov@inbox.ru

Shumanov Vyacheslav Anatolyevich - Kaliningrad State Technical University; Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Physics; E-mail: vshumanov@inbox.ru