Выбор режимов замораживания и сублимационной сушки термолабильных объектов

тенсивности сушки и измельчения сравнением экспериментальной кривой вибро-вакуумной сушки без измельчения (табл. 3) и кинетической кривой измельчения, рассчитанной по модели (2) с учетом зависимости параметров модели от влажности. Расчетные данные сведены в табл. 2.

Рис. 3

Анализ характера изменения кривых (рис. 3) показывает, что измельчение растительного сырья происходит значительно быстрее, чем его сушка. Это подтверждается и экспериментальными наблюдениями. Сначала образуется пюреобразная измельченная масса, которая затем высушивается до сухого порошка. Таким образом, при получении порошков в вибрационной вакуумной сушилке-мельнице лимитирующим процессом является сушка, а измельчение обеспечивает период постоянной скорости сушки практически до полного высушивания материала.

ЛИТЕРАТУРА. --------

1. Пат. 2064477 РФ. Способ получения порошков из растительного сырья / З.К. Галиакберов, Н.А. Николаев, Н.З. Галиакберо-ва. - Опубл. в ЕИ. - 1996. -№ 21.

У >' • •  Ь

* ВЫБОР РЕЖИМОВ

..' И СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ

Г.В. СЕМЕНОВ, Н.В. ШЕЙН, Т.Л. ТРОЯНОВА

Московский государственный университет прикладной биотехнологии

Кубанский государственный технологический университет

В настоящее время технология сублимационной сушки как метод высококачественного консервирования широкого спектра термолабильных биообъектов (продуктов питания и пищевого сырья, заквасок, ферментов, экстрактов лекарственных трав и т.п.) получает все более широкое практическое использование. Данная технология включает два основных этапа:

2. Свид, на полезн. модель 1Ш 14649 41. Вибрационная сушилка-мельница / Н.З. Дубкова, З.К. Галиакберов, Н.А. Николаев, Г.И. Иванова. - Опубл. в БИПМ. - 2000. - № 22.

3. Снденко И.М. Измельчение в химической промышленности. - М.: Химия, 1977. -368 с.

4. Моргулис М.Л. Вибрационное измельчение материалов. - М.: Промстройиздат, 1957. - 105 с.

5. Изучение процесса измельчения в вибромельнице / А.А. Александровский, З.К Галиакберов, Л.А. Эмих и др // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 1979. -22. -Вып. 1. - С. 97-100.

6. Гишбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. - М.: Агропромиздат, 1985. - 335 с.

7. Сушка пищевых растительных материалов / Г.К. Фило-ненко, М.А. Гришин и др. - М.: Колос, 1993. - 320 с.

8. ГОСТ 9201-90. Сита барабанные полигональные.

9. Членов В.А., Михайлов Н.В. Виброкипящий слой. -М.: Наука, 1972. - 343 с.

10. Смирнов Н.М., Блмничен В.Н., Стрельцов В.В. Расчет гранулометрического состава продуктов помола в одноступенчатой мельнице ударно-отражательного действия. - Иваново, 1976. - Юс.

11. Смирнов Н.М., Блиничев В.Н., Стрельцов В.В. Определение вероятности разрушения зернистого материала при многократном высокоскоростном нагружении // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 1977. - 20. - № 4. - С. 601-603.

12. Земсков Е.П., Бытиев Д.О., Зайцев А.И. Моделирование распределений частиц по размерам в кинетике измельчения дисперсных материалов // ТОХТ. - 1995. - 29. - № 6. - С. 643-645.

13. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Артюнов С.Ю. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы измельчения и смешения сыпучих материалов. - М.: Наука, 1985. - 440 с.

14. Ахмадиев Ф.Г., Александровский А.А. Описание кинетики измельчения твердых тел // Современные аппараты для обработки гетерогенных сред: Межвуз. сб. науч. тр. - Л.: Изд-во ЛТИ им. Ленсовета, 1984. - С. 13-16.

15. Галиакберов З.К., Голубев Л.Г. Математическое моделирование кинетики периодического вибрационного измельчения сыпучих материалов // Тез. докл.: Технология сыпучих материалов.

Ч. 1. - Белгород, 1986. - С. 76.

16. Галиакберов З.К., Голубев Л.Г. Обработка термола-бильных материалов в оптимальных 1 силовых режимах//Тез. докл. I Респ. науч.-техн. конф. - Ташкент, 1989. - С. 129.

17. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. - М.: Высш. школа, 1978. -319 с.

Кафедра оборудовании пищевых производств ' '

Поступила 06.06.02 г.

л, : 66.047.9.001.57

ЗАМОРАЖИВАНИЯ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

предварительное замораживание высушиваемых материалов и последующее удаление замороженной части влаги в вакууме фазовым переходом лед-пар. При этом уровень сохранности нативных свойств консервируемых объектов решающим образом зависит от способов и режимов предварительного замораживания, а также от уровня температуры и программы энергоподвода на этапе собственно удаления влаги сублимацией. Со своей стороны режим сушки тесно взаимосвязан с особенностями конструкции и техническим уровнем сублимационной установки.

Отечественными и зарубежными специалистами выполнены обширные исследования по различным аспектам теории и практики сублимационной сушки в вакууме и при атмосферном давлении [1, 2]. Однако литература по вопросам сублимационной сушки в настоящее время стала малодоступной для широкого круга предпринимателей, начинающих освоение и практическое использование метода сублимационной сушки. Им нужны понятные и конкретные рекомендации по выбору режимов замораживания и сушки самых различных видов сырья и готовых продуктов, рекомендации по выбору марок и моделей оборудования для использования в реальном промышленном производстве. Цель нашей работы - сбор, анализ и систематизация материалов по рассматриваемой проблеме.

В ходе процесса замораживания термолабильных биообъектов по мере понижения температуры в них происходит рост количества кристаллизованной (вымороженной) влаги. Термин вымороженная влага (>г, %) подразумевает процентное отношение количества кристаллизовавшейся при данной температуре влаги к общему ее количеству в рассматриваемом объекте. В теории и практическом применении технологии консервирования сублимационной сушкой принципиально важными являются два аспекта процесса предварительного замораживания. Во-первых, скорость замораживания и определяющие ее условия теплоотвода влияют на размер, форму и взаимное расположение кристаллов льда. Во-вторых, конечная температура замороженного объекта определяет долю вымороженной влаги.

До настоящего времени нет единого мнения по вопросу влияния режима замораживания на процесс сублимационной сушки и качественные характеристики высушенных материалов. Вместе с тем общие положения влияния режима замораживания сводятся к следующему1. При медленном замораживании продуктов растительного и животного происхождения в их межклеточном пространстве образуются крупные единичные кристаллы правильной 6-гранной формы. Оси кристаллов, исходящие из зародышей кристаллизации, образуют угол 60 °. Более крупные кристаллы возникают и в глубинных слоях образца. При этом происходят процессы значительного диффузионного перемещения веществ по причине возникновения разности концентрации их в зоне образования кристаллов льда в периферийных областях продукта, т.е. наблюдается процесс криоконцентрации компонентов с более низкими температурами замерзания. В конечном счете практически весь образовавшийся лед находится вне клеток, внутри клеток остается незамерзший раствор. Особенно ярко выражена тенденция образования кристаллов льда в межклеточном пространстве в животных тканях. Медленное замораживание приводит к разрушению структуры тканей. После размораживания такая ткань теряет упругость, наблюдается вытекание сока.

При средних и высоких скоростях замораживания возникают дендриты неправильной формы. Из зароды-

шей кристаллов выходят не шесть, а значительно больше осей, образующих различные углы. Равномерно распределенные по всему объему вещества кристаллы формируются не только б межклеточном пространстве, но и внутри клеток. Диффузное перемещение веществ незначительно.

Кристаллы круглой формы образуются при быстром и сверхбыстром замораживании. Из отдельных зародышей исходит большое количество очень мелких иголок льда, образующих шар, По мере дальнейшего увеличения скорости замораживания эти иглы становятся все тоньше и меньше видимыми, кристалл становится невидимым.

При оценке влияния процесса замораживания на качественные показатели всегда следует учитывать свойства исходного сырья. Для целых плодов и овощей следует применять быстрое замораживание, позволяющее создать мелкокристаллическую структуру льда в живых тканях и тем самым предотвратить разрушение клеток. Такое замораживание наиболее приемлемо для персиков, абрикосов, черной смородины, сливы и особенно для сочного сырья со слабой структурой

- малины, клубники. Для жидких продуктов, таких как плодовые и овощные пюре и соки, допустимо как быстрое, так и медленное замораживание, поскольку в них не требуется сохранить исходную структуру. Способ замораживания этих продуктов выбирается на основании сравнительного анализа продолжительности процесса сублимационной сушки. Существует мнение, что медленное замораживание наиболее предпочтительно для пюреобразных и жидких продуктов, так как позволяет образовать крупные кристаллы льда, при сублимации которых образуются крупные поры, облегчающие выход паров при сушке. Однако многочисленные эксперименты показывают, что даже при вакуумной сублимационной сушке большинства пищевых продуктов на промышленных установках, когда продукт располагается на противнях слоят толщиной 10-25 мм, внутреннее сопротивление переносу масс не является лимитирующим фактором. Крупные кристаллы льда, формирующиеся при использовании серийного морозильного оборудования, расположены в массе продукта весьма хаотично и не создают каких-либо существенных тепловых мостиков в зоне сублимации.

Следует отметить весьма перспективную технологию самозамораживания - непосредственно в камере сублимационной установки вследствие непрерывного испарения жидкости при понижающемся давлении. Во многих случаях самозамораживание позволяет упростить технологию и сократить продолжительность сушки без ущерба для качества высушенных продуктов [3].

В процессах сублимационного обезвоживания фазовым переходом лед-пар удаляется только вымороженная часть влаги, а оставшаяся в незамерзшем виде

- испарением.

Многолетний опыт практического использования сублимационной сушки в пищевой промышленности

Таблица

Объект замораживания 1 Доля вымороженной влаги, %, при температуре замораживания, °С Аппроксимационная

1 0 -5 1 -10 -15 1 -20 -25 1 -30 1 -35 -40 1 -45 1 -50 зависимость

Фарш:

свиной сосисочный 0 81,144 83,3 87,5 90,3 91,6 92,5 94,1 95,8 ы = 54Д74Ьп(0 + 20,459

говяжий с соевым

ИЗОЛЯТОМ 0 79,108 86,8 91,3 93,1 94,5 96 96,3 97 V - 33,7251л(/) + 32,404

говяжий с молочно-

белковым концентратом 0 79,819 85,5 90,3 92,3 94,2 96,2 97,5 97,9 ч? - 34,07Ьп(Г) + 31,857

свиной без добавок 0 66,54 76,4 83,4 87,1 88,8 90,3 90,4 96,1 н> = 34,393Ьп(0 +25,31

Пюре: 0

черно-смородиновое 0 40 84,5 88,9 91 92 92,5 95 95,6 96 96,2 № = 37,365Ьп(г; + 19,793

вишневое л 30 74,5 79,2 81 82,) 87,2 87 3 87 5 88,5 88,9 ,,, _п < 01/П •>/А Л- 1 /1 ЮО ГУ — Л-1

сливовое 0 27 66 70 81 83,5 84 85,2 86,5 87 88,8 № = 36,839Ьп(0 + 10385

Пчелиное маточное

молоко 0 84,5 95 97,8 98,4 99,5 99,7  ' ’ * = 45,85Ьп(0 + 26,289

То же 1:1 0 68,5 91,5 95 96,7 97,7 98,2 98,8 № = 43,3321л1(Г) + 23,36

Тоже 1:2 0 43 76,5 86,2 91,2 94,6 96,1 97,5 98,1 98,9 » = 40,701Ьп(0 + 16,345

Сок:

шиповника с содержа

нием СВ 6,7% 0 78 87,8 89,9 91,1 94,2 95,1 99,8 98,5 = 34,531л1(/; + 31,262

земляники с содержа  V

нием СВ 14,2% 0 68 82,7 97 98,6 99,4 99,7 99,9 не = 40,1091л(Г) + 25,899

яблочный 0 51,7 69,5 71,2 78,8 80,1 81 № = 39,933^1(0 + 13,123

виноградный 0 38,5 59,5 65,5 7 71,2 72 - _ т- '.1 V* ; V - 37,109Ьп(/) + 8,6196

Яйца 0 89,1 90,7 90,9 91 ч/ = 54,174Ьп(0 + 20,459

Молоко, рыба

пресноводная 0 82,4 90,4 90,8 90,8 90,9 14:- ; Г " ' О С;. № = 46,919Ьп(0 + 22,76

Мясо, томаты 0 78,8 90 90,5 90,5 90,5 V - 47,361Ьп(?) + 21,452

Лук, горох 0 77,8 84,8 91 90,3 90,3 № = 47,485Ьп(0 + 20,297

Творог диетический 0 65,3 74,7 83,6 87,8 90 91,6 96,7 97 № = 36,155Ьп(0 + 23,592

Бобы 0 62,2 77 83 90,3 90,3 № = 49,283Ьп(г) + 13,089

Киви 0 55,55 75 76,9 85,1 87,3 уу = 47,5341л(0 + ПД82

Яблоки, груши, сливы

рыба 0 48,9 70 70,8 80 80,3 ./ . и- = 44,52Ьп(Г) + 9,4991

Апельсины, лимоны, .. . . .. ) .

виноград 0 42,4 62,5 72 70,8 79,8 IV = 14,107? + 5,22

Вишня 0 31 58 68,9 69,8 76,5 .. * уе = 43,983 Ьп(0 + 2,4712

Бананы 0 22,2 50 63 68,9 72 Л,'*' >- V = 43,1781л(0- 1,3299

показал, что для достижения гарантированного высокого уровня качества большинства высушенных продуктов животного и растительного происхождения именно сублимацией следует удалять 80-90% содержащейся в них влаги. Со своей стороны, количество удаляемой сублимацией (т.е. вымороженной) влаги в процессе сушки определяется режимными параметрами сублимационной установки, в первую очередь, уровнем вакуума в камере и температурой десублиматора.

Понижение рабочего давления в сушильной камере и понижение температур десублиматора удлиняют процесс, увеличивают его себестоимость, ужесточают условия работы вакуумных насосов и холодильных машин. По этим причинам знание конкретных численных зависимостей доли вымороженной влаги от температуры продукта приобретает большое практическое значение. Эта информация является базовой при выборе режимов сушки и, как следствие, при выборе конструк-

ции и технических параметров самой сублимационной сушильной установи!. Известны методы численной оценки расчетным путем количества замерзшей при данной температуре влаги, например, методика Риделя [4]. Однако получаемые таким образом результаты весьма приближенны, зависят от метода расчета и точности эмпирических коэффициентов. Нами систематизированы данные, полученные методом дифференциальной сканирующей калориметрии как наиболее точным и отражающим реальную природу испытуемых объектов (таблица). Экспериментальные данные, представленные в таблице, получены в МГУПБ Е.Е Ковту-новым [5].

Правая колонка таблицы содержит выбранные нами аппроксимационные зависимости, которые позволяют для каждого продукта легко определять величину IV при конкретной температуре. . .

Установлено, что мясные фарши высокого качества могут быть получены при умеренно низких температу-

рах сублимации: от -25 до -30°С, фруктовые пюре - от -35 до -45°С. Полная кристаллизация влаги в пюре не завершается даже при -100°С. При температуре -50°С в вишневом и сливовом пюре кристаллизуется около 90% влаги. Дальнейшее снижение температуры не имеет смысла, так как количество образовавшегося льда увеличивается на сотые доли процента. Получение овощей приемлемого качества достигается в период сублимации при температуре материала около -10°С. При сушке ягодных и фруктовых соков вследствие высокого содержания в них сахара температура в зоне сублимации должна поддерживаться от -20 до -30°С.

Предметом нашего особого внимания является киви (Aktinidia chinensis) [6]. Данная культура выращивается в условиях субтропиков Черноморского побережья Краснодарского края и является ценным сырьем для перерабатывающей промышленности.

Полученные данные свидетельствуют о возможности сублимационной сушки пюре из плодов киви при температурах от -20 до - 25°С. Этот факт создает предпосылки для использования в промышленном производстве отечественных сушильных установок УВ С-0.3 ШиК, УВС-08 или аналогичных им [7]. При этом вполне достаточно для охлаяедения десублиматора применять надежные и простые по своей конструкции одноступенчатые холодильные машины.

В заключение рассмотрим общие принципы регулирования и управления ходом процесса сублимационной сушки в условиях реального промышленного производства. В настоящее время общепризнанным является метод управления по экстремальным температурам, предложенный Б.П. Камовниковым и Э.Ф. Яуше-вой. Под экстремальными понимаются наиболее высокая по величине температура поверхности продукта и наименьшая температура сублимации, которая имеет

место обычно в центре высушиваемого слоя по толщине и площади.

Физика процесса сублимационной сушки такова, что по мере углубления фронта фазового перехода по толщине от поверхности к центру уровень энергоподвода к объект)' сушки необходимо снижать. Это является необходимым условием стабилизации верхней экстремальной температуры на максимально допустимом уровне. Точность поддержания значений верхней и нижней экстремальных температур предопределяет энергозатраты и технико-экономические показатели процесса сушки в целом. Современные компьютерные технологии позволяют создать системы управления энергоподводом, режимом работы холодильных машин и вакуумных насосов, обеспечивающие через обратную связь с параметрами объекта сушки оптимальное управление работой сублимационной установки в целом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуйго Э.И., Журавская Н.К., Каухчешвшш Э.И. Сублимационная сушка в пищевой промышленности. - М.: Пищевая пром-стъ, 1968.

2. Сублимационная сушка пищевых продуктов растительного происхождения / В.Г. Поповский, Л. А. Бантыш, Н.Т. Ивасюк и др. -М.: Пищевая пром-сть, 1975.

3. Лебедев Д.П., Перельман Т.Л. Тепло- и массообмен в процессах сублимации в вакууме. - М.: Энергия, 1973.

4. Постольски Л., Груда 3. Замораживание пищевых продуктов. - М.: Пищевая пром-сть, 1978.

5. Ковтунов Е.Е., Саввин С.И., Семенов Г.В. Исследование фазовых переходов и количества вымороженной воды при сублимационной сушке некоторых бактерийных препаратов // Холодильная техника. - 1987. - № 4.

6. Калшщия А.Г., Ванидае М.Р., Джапаридзе У.О., Папунвдзе С.Г. Актинидия (киви) - сырье для получения диетических и лечебно-профилактических продуктов // Пищевая пром-сть. - 2000. - № 2. - С. 24.

7. Семенов Г.В., Касьянов Г.И. Сушка сырья: мясо, рыба, овощи, фрукты, молоко. - Ростов н/Д: Издат. центр «МарТ», 2002. Поступила 10.07.02 г.

664.857. 001.57

ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ФАКТОРОВ НА ЯВЛЕНИЕ СИНЕРЕЗИСА В ГЕЛЯХ КАРРАГИНАНА

М.Ю. ТАМОВА, Е.В. БАРАШКИНА, Г.И. КАСЬЯНОВ

Кубанский государственный технологический университет

Нежелательное явление синерезиса присуще многим гелям, в том числе приготовленным на основе кар-рагинана. Нами проведены исследования влияния некоторых факторов на отделение влаги V от гелей карра-гинана.

Изучение процесса синерезиса показало зависимость его от концентрации и продолжительности выдерживания геля каррагинана. При увеличении концентрации полимера синерезис уменьшается (рис. 1:

кривая 1 - 1%-й гель; 2 - 1,5%-й гель; 3 - 2%-й гель). Эго обусловлено тем, что при образовании геля с возрастанием концентрации каррагинана большее количество растворителя заключается в трехмерную сетку, состоящую из молекул растворенного полимера.

Известно, что сахароза обладает дегидратирующими свойствами. В связи с дальнейшим использованием последней при разработке желейных десертов было изучено ее влияние на гелеобразующую способность каррагинана. Установлено, что добавление сахарозы заметно увеличивает эту способность каррагинана - на 7-10%.