Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние проблемы применения СВЧ волн для тепловой обработки композиций из органических материалов пищевого назначения 14
1.1 Перспективы применения СВЧ техники и развитие СВЧ термической обработки диэлектрических материалов 14
1.2 Использование сверхвысокочастотного нагрева для обработки органических материалов пищевого назначения 25
1.3 Обоснование выбора материала для исследований и определение его параметров 33
1.4 Выводы 47
1.5 Постановка задач исследований. Общий план выполнения работы 49
Глава 2 Определение исходных данных для разработки модели и обоснования рациональных режимов СВЧ термической обработки композиций из органических материалов на примере мясных рубленых кулинарных изделий с добавлением муки нута 52
2.1 Объекты и методы исследования, постановка эксперимента 52
2.1.1 Объекты и предмет исследования 52
2.1.2 Методы исследования 52
2.2 Исследование теплофизических параметров мясных рубленых изделий с добавлением муки нута 56
2.3 Исследование зависимости динамики теплофизических параметров мясных кулинарных изделий с мукой нута от степени измельчения мяса 60
2.4 Исследование электрофизических параметров фаршевых систем с добавлением муки нута 64
2.5 Составление критериальных уравнений, описывающих процесс термической обработки фаршевых систем стандартной и предлагаемой рецептур 66
2.6 Выводы 70
Глава 3 Модель теплового воздействия СВЧ излучения на неоднородные по структуре и свойствам композиции из органических материалов пищевого назначения 72
3.1 Модель СВЧ нагрева композиций из органических материалов.. 72
3.2 Модифицирование критериального уравнения процесса термической обработки мясных фаршевых систем с добавкой муки нута применительно к использованию СВЧ излучения 75
3.3 Выбор частоты СВЧ излучения по критерию минимальных потерь поглощенной мощности при требуемой толщине образца с учетом изменения плотности изделия с ростом температуры 79
3.4 Удельная мощность СВЧ термической обработки композиций из органических материалов и ее связь с затратами энергии 81
3.5 Выводы 86
Глава 4 Экспериментальное исследование влияния СВЧ нагрева на структуру композиций из органических материалов и их компоненты 88
4.1 Экспериментальное исследование влияния удельной мощности СВЧ излучения на кинетику температуры изделия и состояние его структуры 88
4.2 Экспериментальное исследование влияния метода термической обработки фаршевых систем с добавкой муки нута на их пористо-агломерированную структуру 98
4.3 Влияние СВЧ термической обработки на частицы муки нута 106
4.4 Физическая модель СВЧ термического воздействия на материалы, неоднородные по структуре и составу 112
4.5 Выводы 115
Глава 5 Практическая реализация результатов исследований технологии СВЧ термической обработки композиций из органических материалов 118
5.1 Определение рациональных технологических режимов равномерной СВЧ термической обработки композиционных мясных рубленых изделий 118
5.2 Обоснование требований к промышленной установке для равномерной СВЧ обработки композиций из органических материалов 123
5.3 Разработка предложений по конструированию промышленной СВЧ установки для равномерной термической обработки изделий из композиций органических материалов 126
5.4 Исследование влияния СВЧ обработки и состава композиций органических материалов на их потребительские характеристики 134
5.4.1 Сохранность в замороженном состоянии и органолептические показатели 134
5.4.2 Исследование динамики микробиологических показателей в зависимости от продолжительности хранения и метода обработки 137
5.5 Общая схема технологии приготовления мясных рубленых изделий с добавкой муки нута с окончательной равномерной СВЧ термической обработкой 138
5.6 Технико-экономическая оценка разработанной технологии 139
5.7 Выводы 150
Заключение 152
Список литературы 155
- Использование сверхвысокочастотного нагрева для обработки органических материалов пищевого назначения
- Исследование электрофизических параметров фаршевых систем с добавлением муки нута
- Выбор частоты СВЧ излучения по критерию минимальных потерь поглощенной мощности при требуемой толщине образца с учетом изменения плотности изделия с ростом температуры
- Экспериментальное исследование влияния метода термической обработки фаршевых систем с добавкой муки нута на их пористо-агломерированную структуру
Использование сверхвысокочастотного нагрева для обработки органических материалов пищевого назначения
Развитие современной техники характеризуется широким внедрением специальных материалов с заданными функциональными свойствами, которые используются в производстве широкого диапазона перспективных изделий оборонного и общего применения. При этом большое значение принадлежит электрофизическим технологиям, позволяющим с одной стороны создавать новую элементную базу для перспективных изделий, а с другой стороны – разрабатывать высокоэффективные процессы их обработки. К числу таких технологий относятся бурно развивающиеся со второй половины ХХ века процессы, основанные на применении сверхвысокочастотного излучения (СВЧ) [29].
Традиционно в России и за рубежом основной областью применения СВЧ техники является производство радиоэлектронной аппаратуры военного назначения. Потребности оборонного комплекса определяют требования к параметрам и техническому уровню СВЧ техники, которые предназначены в основном для генерации, преобразования и усиления энергии СВЧ колебаний в приемно-передающих системах радиоэлектронной аппаратуры: фазированных решетках стационарных и мобильных радаров, системах навигации, радиоэлектронной разведки, радиоэлектронной борьбы и др. В гражданском секторе экономики СВЧ техника применяется в системах мобильной связи с широкополосным доступом к информации.
В тоже время СВЧ технологии, начиная со второй половины ХХ века стали все шире применяться в других областях техники. В 1946 г. при проведении экспериментов на лабораторной радарной установке инженер американской компании «Raytheon Corporation» Перси ЛеБарон Спенсер обнаружил тепловое воздействие микроволн на пищевые продукты, а в 1950 г. получил первый патент на изобретение микроволновой печи для приготовления пищи. Таким образом, был открыт тепловой эффект микроволнового излучения, и найдено практическое применение этому эффекту. Открытие СВЧ термии стало катализатором производства микроволновых печей для некоторых американских фирм. В 60-х годах разработка и производство СВЧ печей для нагрева пищевых продуктов были начаты в Японии. Эти страны длительное время занимали лидирующие позиции в производстве бытовой СВЧ - техники.
Научные исследования по использованию микроволнового излучения с целью сокращения длительности термообработки различных материалов показали эффективность использования данного вида энергии.
Было доказано, что, варьируя геометрией и напряженностью электрического поля, возможно создать условия объемного нагрева изделия, что позволяет значительно интенсифицировать процесс его термообработки; повысить качество изделий; уменьшить габариты нагревательных установок; улучшить экономические показатели процесса; разработать новые виды термических процессов, невозможные для реализации при использовании традиционных методов нагрева [121]. В настоящее время весьма перспективным направлением является применение термического воздействия СВЧ энергии на различные материалы, которое позволяет либо резко интенсифицировать протекание термических процессов, либо формировать на поверхности и в объеме материала уникальную совокупность свойств. Высокая эффективность СВЧ - термии доказана не только при термической обработке диэлектрических материалов, но и в области биологии и медицины для лечения различных воспалительных процессов [24, 25, 74, 129-131, 139, 143, 145]. При этом учитывается, что в основе СВЧ – термических процессов лежит физика диэлектрического нагрева, поэтому в дальнейшем рассматриваются научно-практические аспекты термического воздействия СВЧ энергии на диэлектрические материалы. Использование СВЧ электромагнитного поля позволяет осуществить интенсивные, безотходные, энергосберегающие и экологически чистые технологии диэлектрических материалов.
Проведенный анализ материалов отечественных и зарубежных научных публикаций показывает, что наибольшее внимание в развитии исследований в области сверхвысокочастотного технологического нагрева уделяется поиску принципиально новых решений для применения микроволновых технологий с целью замещения существующих технологий термообработки, а также для применения СВЧ энергии в производстве новых видов материалов. Вопросы СВЧ термии обсуждаются на международных симпозиумах, наиболее представительным среди которых можно считать Конгресс по Применению Радиочастоты и Микроволн, проводимый раз в два года, в котором участвуют специалисты таких стран, как США, Великобритания, Германия, Франция, Россия, Бразилия, Румыния, Турция, Мексика, Чехия, Польша. На Конгрессах по применению радиочастот и микроволн рассматривается большой спектр различных направлений развития и применения СВЧ технологий, в частности: энергетическая эффективность СВЧ технологий; термообработка керамики, полимеров, стекла, минералов и других диэлектрических материалов; обработка отходов различных производств; полупроводники и микроэлектронное производство; методы измерения диэлектрических свойств материалов; моделирование и взаимодействие материалов с энергией электромагнитного поля сверхвысоких частот и т.д. Отмечается, что применение СВЧ технологий позволяет значительно улучшить качественные показатели при производстве и обработке многих видов материалов. Эффективность применения СВЧ технологий производят по следующим основным критериям:
Важность развития исследований в России термических эффектов СВЧ технологии подтверждается принятием 17.12.2012 года в нашей стране Стратегической программы исследований технологической платформы «СВЧ – технологии», определяющей развитие наряду с системами военного назначения также комплекса мероприятий в гражданской сфере, в том числе [116]
К настоящему времени СВЧ термические технологии в своем развитии прошли три этапа, в формировании результатов которых важная роль принадлежит саратовской школе электротехнологов, сформировавшейся в СГТУ имени Гагарина Ю.А. [10].
На первом этапе использовались соотношения для удельной мощности и глубины проникновения СВЧ волн в обрабатываемый объект, зависящей от диэлектрических свойств материала и частоты излучения. Также определялось количество теплоты, выделившейся в объекте. При этом по первому соотношению определяли требуемую частоту СВЧ излучения, по второму – размеры изделия, а по третьему – мощность генератора. Однако, вследствие многофакторности и сложности процесса СВЧ нагрева данные зависимости оказывались не вполне точными и могли применяться для конкретного диапазона электрофизических свойств исследуемых материалов. Несовершенство методов расчета параметров СВЧ термических установок оказалось сдерживающим фактором их широкого применения. На втором этапе был проведен большой объем теоретических и экспериментальных исследований, включающих электродинамические и тепловые расчеты. Однако взаимосвязи этих расчетов выполнено не было
Исследование электрофизических параметров фаршевых систем с добавлением муки нута
Основными источниками белка являются продукты животного происхождения, в том числе мясо и мясные продукты, чем и объясняется их большое значение в питании человека [62]. Существующие тенденции развития перерабатывающей промышленности свидетельствует о повышении интереса как к производству мясных изделий в виде сырых полуфабрикатов, максимально подготовленных к употреблению, так и к производству готовых мясных кулинарных изделий [51]. В связи с этим первостепенное значение принимает решение таких задач, как увеличение объемов производства мяса и мясопродуктов, повышение их качества, улучшение структуры ассортимента, внедрение ресурсосберегающих высокоэффективных технологий, решение проблемы обеспечения населения экологически чистыми, адекватно отражающими потребности организма мясными продуктами [54, 97]. В последнее время широкое распространение получила практика разработки комбинированных продуктов, конструирования аналогов и заменителей мяса, что позволило значительно расширить ассортимент мясных продуктов, в рецептуре которых используются различные ингредиенты не мясного происхождения [17, 31, 114]. Одним из основных продуцентов ценного растительного белка в мире и Российской Федерации является горох. Обладая высокой засухоустойчивостью, жаровыносливостью, технологичностью в уборке, нут может значительно стабилизировать производство высокобелкового зерна и повысить устойчивость всей агросистемы [18, 19, 26]. В последние годы во многих сельскохозяйственных регионах Российской Федерации, подверженных периодическому влиянию засухи, происходит увеличение посевных площадей под нут, как одну из самых засухоустойчивых и жаростойких среди зерновых бобовых культур [18].
В связи с этим приобретают актуальность вопросы применения нута при изготовлении традиционных продуктов питания.
По уровню содержания незаменимых аминокислот белки нутовой муки выгодно отличаются от белков пшеничной муки. Расчет аминокислотного скора, показал, что по сумме незаменимых аминокислот белки нута превышает белки пшеничной муки, особенно по лизину и треанину, этот показатель составляет по нуту 130,4% и 100% против 45,5% и 75% по пшенице. Белки нута выгодно отличаются от белков других бобовых, например, фасоли, гороха, сои уровнем содержания антипитательных веществ, то есть ингибиторами протеолитических ферментов.
Широкий спектр применения имеет мука нута. Она применяется в кондитерском, хлебопекарном производстве, в производстве мясных и рыбных продуктов питания. Введение продуктов переработки нута (муки) целесообразно как с технологической, так и с экономической точки зрения.
Введение продуктов переработки нута в рецептуры традиционных пищевых продуктов, позволяет получать системы с заданными и варьируемыми свойствам, обогащать их микроэлементами, повышать содержание балластных веществ, количество связанной влаги, благодаря чему увеличивается выход готовых изделий.
Таким образом, изучение спектра применения продуктов переработки нута подтверждает актуальность исследований по изучению его влияния на свойства продуктов, вырабатываемых с его использованием. С учетом перспективности применения СВЧ-термической обработки в производстве продуктов питания и пищевой промышленности и результатов анализа исследований СВЧ технологий, приведенных в разделах 1.1 и 1.2, показавшего недостаточную изученность особенностей применения данного метода в обработке сложных композиций из органических материалов с неоднородным составом и неравномерной структурой, представляется важным и своевременным изучение влияния режимов СВЧ термической обработки на спектр свойств мясных рубленых кулинарных изделий с добавлением муки нута и определение условий, обеспечивающих повышение их качества при высокой производительности и энергетической эффективности процесса.
В связи с изложенным актуальным является вопрос исследования свойств указанной группы продуктов питания не только по окончании технологического процесса, но и на различных его этапах. При моделировании современных технологических процессов, позволяющих получить готовый продукт высокого качества, особенно такого многофакторного, как СВЧ термическая обработка, практически в каждом конкретном случае следует изучать весь комплекс физико-механических и реологических свойств, характеризующих поведение пищевых масс под действием нагрузок [1, 108].
Следует отметить, что в литературе крайне незначительное внимание уделяется такому показателю, характеризующему пищевые продукты, как когезионная прочность. Когезия отражает связь внутри тела, т.е. в пределах одной фазы. Данное свойство в значительной мере зависит от качественного и количественного состава пищевых систем, их органолептических характеристик и может быть использовано для комплексной оценки продукта, что приобретает большое значение с учетом устойчивой тенденции к широкому применению добавок различного назначения [9, 54, 55, 72, 118]. Также с учетом высоких градиентов температур в объеме изделия, возникающих при СВЧ термической обработке, когезионные свойства исходного материала будут иметь очень большое, если не определяющее значение, для качества готового изделия.
С учетом перспективности внесения добавок в исходный материал, обладающих отличающимися от него свойствами, возникает необходимость определения структурно-механических характеристик продукта, так как неправильно подобранные концентрации добавок могут привести к нарушению консистенции, снизить формоустойчивость, вкусовые качества. В связи с этим актуальной является разработка простых и доступных методов исследования комплексных показателей качества мясных изделий, способных сделать контроль полуфабрикатов и готовых изделий в условиях производства максимально быстрым и объективным.
Выбор частоты СВЧ излучения по критерию минимальных потерь поглощенной мощности при требуемой толщине образца с учетом изменения плотности изделия с ростом температуры
В результате проведенных исследований, отмечено уменьшение теплоемкости и теплопроводности опытных образцов с повышением концентрации вводимой добавки. Это может быть связано с отличием соответствующих характеристик муки нута от теплоемкости и теплопроводности мясного фарша. Применение увеличенных концентраций растительного компонента приводит к росту изменения усредненной теплоемкости или теплопроводности в целом по образцу. Механизм указанного изменения может заключаться прежде всего для параметра теплопроводности в барьерных свойствах частиц нутовой муки по отношению к тепловому потоку, что при относительно равномерном их размещении в образце и вызывает уменьшение теплопроводности. Указанный факт может привести к аккумулированию тепла в образце и, как следствие – к выравниванию его температуры от центральных областей к периферическим из-за уменьшения потока тепла, отдаваемого во внешнюю среду. Этот результат исследования теплофизических свойств фаршевых систем с добавкой муки нута представляется важным для разработки технологии СВЧ – термической обработки, поскольку с одной стороны может способствовать сокращению времени набора изделием необходимой температуры, а с другой стороны может способствовать повышению равномерности термического воздействия, которое при данном способе приготовления зависит от глубины проникновения излучения.
Также отмечается существенно большее влияние на теплофизические параметры замены части мяса на муку нута, чем замены части хлеба. Этот факт может быть объяснен большим сходством исследуемых параметров у хлеба и нута, как растительных компонентов, по сравнению с материалом животного происхождения – мясом. Поэтому, например, увеличение концентрации муки нута в мясе на 5% приводит к уменьшению теплоемкости образца на 3,3% и теплопроводности на 1,2%, а соответствующая замена хлеба мукой нута соответственно только на 0,57% и на 0,47%. С ростом температуры теплоемкость образцов с добавкой муки нута уменьшается более интенсивно, а теплопроводность – увеличивается в меньшей степени, чем у контрольного образца. Этот факт также может быть объяснен указанными выше отличиями теплофизических характеристик материалов растительного происхождения по сравнению с животными.
Полученные результаты необходимо учитывать при разработке физической модели процесса СВЧ нагрева фаршевых систем с добавками муки нута и последующей оценки результатов экспериментальных иссдедований.
Исследование зависимости динамики теплофизических параметров мясных кулинарных изделий с мукой нута от степени измельчения мяса
При выполнении работы по данному разделу, были изучены теплофизические параметры полуфабрикатов мясных кулинарных изделий с добавлением нутовой муки, определяющие характер и скорость их нагревания, что имеет прикладное применение в вопросах выбора оборудования СВЧ нагрева, определения рациональных режимных параметров кулинарной обработки. Эмпирическим путем определяли удельную теплоемкость и коэффициент теплопроводности. Коэффициент температуропроводности был рассчитан по известным формулам. Вследствие скоротечности процесса СВЧ нагрева, не позволяющего отследить полностью кинетику нагрева по достаточному количеству точек, эксперименты проводили путем нагревания образцов на сковороде, размещенной на электрической плите. Данные фиксировались с интервалом в 5 мин после начала нагревания образцов. Результаты представлены на рисунке 2.8 и в таблице 2.1.
Из рисунка 2.8 видно, что температуропроводность возрастает при уменьшении дисперсности частиц мяса, что можно объяснить более высокой интенсивностью процессов, за счет большей гомогенности системы. Температуропроводность снижается при введении нутовой муки, что может быть вызвано введением в систему дополнительных обособленных частиц, обладающих отличающимися от мяса и хлеба теплофизическими параметрами, как показано в разделе 2.2. Данное предположение подтверждается при сравнении контрольного и опытных образцов, изготовленных при пропускании мяса через мясорубку с диаметром отверстий решетки 4 и 6 мм.
Проведенные исследования позволили сформировать зависимости для определения теоретического времени кулинарной готовности исследуемых образцов. Процесс приготовления объекта рассмотрели как нестационарный тепловой процесс с общей функциональной зависимостью:
Объект моделировали как геометрическое тело, полученное пересечением взаимно перпендикулярных геометрических тел, цилиндра бесконечной длины заданного радиуса и пластины неограниченной длины при толщине, равной высоте цилиндра (рисунок 2.9).
Экспериментальное исследование влияния метода термической обработки фаршевых систем с добавкой муки нута на их пористо-агломерированную структуру
В главе 4 были получены экспериментальные зависимости удельной мощности СВЧ излучения от температуры обработки и состава изделий из органических материалов при максимальном и минимальном времени обработки из исследованного диапазона (рисунки 4.17 и 4.18), а также зависимость потребной удельной мощности от времени воздействия (рисунок 4.19) [42].
Из графиков видно, что как при малом, так и при большом времени обработки изделий удельные мощности их приготовления с заменой части мяса и части хлеба мукой нута практически одинаковы при температуре, близкой 353К (80С). С другой стороны экспериментально определена для любых методов термической обработки рассматриваемых материалов минимально достаточная для готовности температура порядка 70С. Этот факт позволяет рекомендовать данный диапазон температур при осуществлении СВЧ термической обработки композиций органических материалов.
С целью уточнения режимов СВЧ обработки рассматриваемых объектов исследований была проведена их оптимизация по методу Бокса-Уилсона [20, 21, 82]. За критерии оптимизации были приняты: достижение температуры объекта, обеспечивающей его готовность, но не превышающей 80С, и минимальная дисперсия размеров и формы структурных составляющих объекта. Т.е. граничными условиями целевых функций оптимизации являются 70С t 80С и о2 тіп. В качестве изменяемых факторов приняты наиболее просто регулируемые характеристики процесса СВЧ нагрева - удельная мощность Руд и время т. Функции отклика были приняты вследствие достаточной сложности процесса и композиционной структуры объектов в виде степенных функций следующего вида:
В этих функциях Y1 - t , Y2 - о2, X} - Руд,X2 -т, где t - температура нагрева объекта, о2 - дисперсия размеров элементов структуры.
Исходные данные для оптимизации взяты из результатов ранее проведенного дробного факторного эксперимента (глава 4). С целью приведения функций отклика к удобному для процедуры оптимизации линейному виду величины параметров и факторов представили в логарифмической форме. План и результаты эксперимента представлены в таблице 5.1 (указаны средние значения параметров по трем измерениям).
При проверке по критерию Кохрена выявлена однородность дисперсий, критерий Стьюдента показал значимость обоих факторов. По критерию Фишера установлена адекватность данных уравнений регрессии эмпирическим зависимостям.
Далее вычисляли нормированные составляющие вектора крутого восхождения (спуска) по зависимостям [21]:
Интервалы варьирования факторов составили в натуральных значениях переменных соответственно її = 53,2; 12 = 5. С учетом этих значений координаты начала вектора крутого восхождения, помещаемого в центре области экспериментирования, ограниченной интервалами 7? и 12, принимают значения:
Результаты расчетов по (5.5) и (5.6) представлены в таблице 5.2. При движении по вектору к области оптимума первое вычисление выполняют в центре области экспериментирования [21, 82], т.е. в нашем случае: Х10 = Ах1 = 3,616 и Х20 = Ах2 = 1,252. Дальнейшие вычисления производят при Хп = Х10 - nSXj и Х21 = Х20 + пдХ2, где п = 1, 2, 3, ..., і. При этом вычисления производят, пока один из параметров, в нашем случае Yj = t, не станет меньше требуемого (заданного) значения. Это связано с тем, что характер зависимостей не является экстремальным и при расчетах не достигается главный экстремум.
Таким образом, оптимальная удельная мощность СВЧ излучения для достижения температуры нагрева порядка 740С составляет 11,2 Вт/см3 при времени нагрева 4 минуты.
Эти результаты достаточно хорошо коррелируют со значениями удельной мощности, полученными в главе 4 путем расчета по теоретическим зависимостям (12,5 – 14,9) Вт/см3, а также путем обработки экспериментальных данных на основе экспертных оценок качественных показателей объектов исследования (12,9 Вт/см3) и анализа фрактальной размерности элементов структуры после СВЧ обработки (14 Вт/см3). Минимальное расхождение составляет (11,2-12,5)100/12,5 = 11,6%, максимальное – (11,2-14,9)100/14,9 = 24,8% . Как указывалось ранее, 123 такое расхождение можно считать допустимым с учетом многофакторности процесса, определяемой спецификой СВЧ нагрева неоднородных по структуре и свойствам материалов.
Обоснование требований к промышленной установке для равномерной СВЧ обработки композиций из органических материалов
С целью выявления требований к потребной мощности и конструктивной схеме промышленной установки СВЧ обработки, композиций органических материалов была проведена расчетная оценка суммарного объема изделий в зависимости от времени их кулинарной готовности [40]. При этом учитывали, что при использовании традиционной технологии термической обработки путем обжарки на сковороде время готовности партии изделий составляет около 30 минут, или 0,5 часа. Соответственно определяли количество изделий, которое можно обработать в СВЧ установке также за 0,5 часа.
Удельная мощность определялась по графикам рисунка 4.19 и по выражению (4.12). Из справочника [11] были выбраны два типа магнетронов М93, М116-100 с мощностями соответственно 25 и 100 кВт. Коэффициент полезного действия этих моделей составляет соответственно 75% и 85%. С учетом этого в расчетах учитывалась полезная мощность, составляющая для М93 – 18750 Вт, для М116-100 – 85000 Вт. Дополнительно рассматривали вариант многомагнетронной установки с магнетронами мощностью по 5 кВт (полезная мощность 3750 Вт).
