Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение тепловых процессов с использованием инфракрасной техники в производстве продуктов питания 17
1.1. Инфракрасная техника и технологии в производстве продуктов питания 18
1.2. Характеристика аналитических и физических моделей процессов тепломассообмена при радиационном способе тепловой обработки 25
1.3. Проблемы оптимизации и интенсификации процессов производства высококачественных продуктов питания 36
1.4. Задачи системного анализа технологических процессов производства пищевых продуктов 43
1.5. Цель и задачи исследования 51
ГЛАВА 2. Системный анализ процессов тепловой обработки мясньгх полуфабрикатов 54
2.1. Характеристика и физическая модель процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов при ИК-энергоподводе 57
2.2. Общий подход к структурно-параметрическому анализу процесса тепловой обработки в технологической системе 60
2.3. Иерархическая структура тепломассообменных и биохимических процессов при тепловой обработке мясных полуфабрикатов 64
ГЛАВА 3. Решение общей задачи моделирования процессов тепломассопереноса при ик-обработке мясных полуфабрикатов 86
3.1. Аналитические модели тепломассообменных процессов при ИК-энергоподводе 87
3.2. Моделирование процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов цилиндрической формы 94
3.3. Моделирование процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов прямоугольной формы 103
3.4. Моделирование процесса тепловой обработки мясопродуктов в форме пластины 109
3.5. Математические модели тепломассообмена при ИК-обработке мясных продуктов с использованием ячеечного метода 112
3.6. Математические модели тепломассообмена при ИК-обработке мясных рецептурных композиций с использованием ячеечного метода 122
ГЛАВА 4. Исследование и моделирование влияния процесса инфракрасного нагрева на биохи мический состав мясных продуктов 128
4.1. Методики экспериментальных исследований изменений аминокислотного, жирнокислотного и белкового состава мясных продуктов при ИК нагреве 128
4.2. Моделирование изменения аминокислотного состава мясных продуктов 137
4.2.1 .Моделирование изменений аминокислот мясных рецептурных композиций при ИК-нагреве 141
4.3. Моделирование жирнокислотного и витаминного составов мясных продуктов 142
4.4. Обобщенная математическая модель изменения температуры и массовых долей аминокислот, жирных кислот и витаминов ячеечным методом 146
4.4.1. Обобщенная математическая модель изменения температуры и массовых долей аминокислот, жирных кислот и витаминов конечно-разностным методом 151
4.5. Моделирование изменений белковых фракций мясных изделий в процессе тепловой обработки 157
4.5.1. Математическое описание процесса денатурации нуклеиновых кислот 175
4.5.2. Математическое описание процесса инактивации ферментов... 177
4.5.3. Обобщенная математическая модель изменения температуры, белковых фракций, ферментов и нуклеиновых кислот 180
4.6. Математическое моделирование изменений липидов и их фракций в процессе тепловой обработки 190
4.6.1. Обобщенная математическая модель изменения температуры, фракций липидов в процессе тепловой обработки 192
4.7. Моделирование реакции меланоидинообразования 201
4.8. Моделирование микробиологических процессов в мясных полуфабрикатах при тепловой ИК-обработки 202
4.9.Моделирование процесса нагрева мясных продуктов конечно- разностным и ячеечным методами 209
ГЛАВА 5. Моделирование технологических процессов ик-обработки мясных полуфабрикатов 213
5.1. Методики экспериментальных исследований для технологически критериев эффективности тепловой обработки 214
5.2. ИК - обработка говяжьего бифштекса рубленого 223
5.3. Исследование биохимических изменений в мясных изделиях при ИК - обработке 227
5.3.1. Исследование ИК- и УФ - спектров жирных кислот 227
5.3.2. Изменения минеральных веществ в мышечной ткани говяжьего мяса 232
5.4. Микроструктурные изменения тканей говяжьего мяса 23 5
5.5. Изменения содержания микроэлементов 241
5.6. Микроструктурные изменения в мясных рецептурных композициях 241
5.7. Тепломассоперенос в мясных полуфабрикатах и рецептурных композициях 256
5.8. Исследование кинетики влагопереноса 261
ГЛАВА 6. Многокритериальная оптимизация процесса ик-обработки мясных полуфабрикатов 275
6.1. Многоуровневая оптимизация по критериям минимума потерь пищевой, биологической и энергетической ценности мясного продукта в процессе тепловой обработки 281
6.2. Выбор оптимального температурного режима ИК - обработки мясного продукта 288
6.3. Многокритериальная оптимизация процесса тепловой обработки мясных продуктов и мясных рецептурных композиций 292
ГЛАВА 7. Структурно-параметрическое моделирование процесса ик-обработки мясных полуфабрикатов 298
7.1. Построение структурно-параметрической модели 298
7.2. Корреляционный и регрессионный анализ процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов 304
7.3. Ситуационная структурно-параметрическая модель технологического процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов 309
7.4. Прогнозирование состояния технологической системы процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов 314
ГЛАВА 8. STRONG Интеллектуальная система моделирования и оптимизации процесса ик-обработки
мясных продуктов STRONG 316
8.1. Информационная технология технологической системы ИК - обработки мясопродуктов 316
8.2. Подсистема моделирования тепломассообменных процессов... 322
8.3.Функциональный модуль статистической обработки результатов эксперимента 331
8.4. Программный модуль оптимизации тепловых режимов ИК — обработки мясных полуфабрикатов 333
8.5.Программный модуль подсистемы структурно — параметрического моделирования 341
Выводы 347
ГЛАВА 9. Аппаратурное оформление процессов ик-обработки мясных полуфабрикатов .. 348
9.1. Конструкция малогабаритной ИК- печи камерного типа 348
9.2 Испытания ИК - печи и апробация оптимальных режимов тепловой обработки мясных изделий 354
9.3. Блок контроля и регулирования температуры в камере ИК - печи с использованием графической среды LabVIEW... 369
Выводы 372
Заключение 374
Литература 378
Приложения 418
- Характеристика аналитических и физических моделей процессов тепломассообмена при радиационном способе тепловой обработки
- Общий подход к структурно-параметрическому анализу процесса тепловой обработки в технологической системе
- Моделирование процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов прямоугольной формы
- Моделирование изменения аминокислотного состава мясных продуктов
Введение к работе
Актуальность проблемы
На современном этапе развитие рыночных отношений и предпринимательской активности населения привело к резкому увеличению в стране сетей мелких и средних предприятий общественного питания. Их насчитывается порядка сотен тысяч, и объемы реализации только в Москве превышают 40 млн. долл. США в месяц. Значительный удельный вес в технологии приготовления продуктов питания с использованием мясного сырья занимает тепловая обработка в различных греющих средах и условиях энергоподвода. Для этого широко используются пароконвектоматы, микроволновые печи с режимами СВЧ-нагрева, комбинированные с СВЧ- и последующей ИК-обработкой, режимы «Гриль», при которых продукты подвергают воздействию инфракрасного облучения.
Наряду с предприятиями общественного питания, на мясокомбинатах при производстве мясных продуктов, таких как карбонад, мясные хлебы и другие также широко используется инфракрасный нагрев.
Однако в сложившейся ситуации на пищевых предприятиях среднего и малого бизнеса во многих случаях применяется устаревшее оборудование различных фирм-производителей, либо кустарного производства. При этом режимы тепловой обработки зачастую далеки от рациональных, следствием чего является перерасход электроэнергии и неудовлетворительное качество готовых пищевых продуктов.
В связи с этим становится актуальной и своевременной проблема системных исследований и разработки, научно обоснованных рациональных режимов подвода энергии в процессах термообработки мясных полуфабрикатов, повышения технического уровня аппаратурного оформления, условий эксплуатации, резервов экономии электроэнергии и обеспечение заданного стабильного уровня качества готовой продукции. Поэтому дальнейшее развитие таких электрофизических методов как электротермия (ВЧ и СВЧ, инфракрасный нагрев, электростатическое поле, ультразвук, импульсная техника) для интенсификации процессов теплообмена и совершенствования аппаратов, в которых осуществляется тепловая обработка, является социально значимым и актуальным.
В теорию и практику изучения электрофизических методов в различных пищевых технологиях внесли отечественные ученые Б.М. Азаров, Л.Я. Ауэрман, В.Я. Адаменко, И.Ю. Алексанян, В.С. Баранов, А.С. Большаков, А.А. Буйнов, И.Н. Владавец, М.П. Воларович, Н.А. Воскресенский, А.Н. Вышелесский, А.С. Гинзбург, Н.А. Головкин, А.В. Горбатов, В.С. Грюнер, Э.А. Гуйго, А.И. Жаринов, Ю.С. Заяс, С.Г. Ильясов, Э.И. Каухчшвили, В.В. Красников, С.В. Некрутман, Ю.М. Плаксин, И.А. Рогов, В.И. Хлебников и др.
Интенсивное развитие прикладной биотехнологии, информационных технологий, системного анализа и математических методов создало объективные предпосылки для нового уровня понимания физической природы, аналитического описания и численной реализации процессов тепломассопереноса при тепловой обработке сырья животного и растительного происхождения. Это позволяет научно обосновать возможность получения новых продуктов с заданным составом при использовании нетрадиционных видов воздействия тепла, а также возможность управления процессами на всех стадиях производства пищевых продуктов.
На современном этапе в трудах отечественных и зарубежных ученых (Э.Э. Афанасов, А.А. Артиков, Л.С. Гордеев, И.Н. Дорохов, Ю.А. Ивашкин, В.В. Кафаров, В.П. Мешалкин, В.В. Митин, Н.С. Николаев, И.И. Протопопов, И.А. Рогов, С.А. Рыжов, P. Ваuer, W. Erikson, P.Eykhoff , Q.Hall, F. Krause, R. Madsen, R. Meier, E.Olsen, H. Roberts, E. Shulze и др.) сформулированы общие принципы системного анализа, математического моделирования и оптимизации химико- и биотехнологических процессов, принципы накопления интегрированной базы знаний, развития основ методологии системно-аналитического подхода в прикладной биотехнологии.
В 60-х годах были изданы монографии Г. Карслоу и Д. Егера, А. Фридмана, А.В. Лыкова и А.А. Гухмана, содержащие полное и систематическое изложение феноменологического метода в теории переноса. Значительный вклад в развитие теории термической обработки мяса и мясопродуктов внесли работы А.М. Бражникова
Однако ставшие классическими аналитические методы решения задач тепломассопереноса в виде бесконечных рядов с множеством номограмм и таблиц мало пригодны для анализа и прогнозирования состояния процесса в гетерогенных и многокомпонентных продуктах из-за сложности математических зависимостей и многостадийных вычислений. Приближенные методы решения уравнений тепломассопереноса, позволяющие получить результат в относительно простом виде, связаны с большим количеством допущений и сведением к частным упрощенным случаям.
Вместе с тем процессы теплового воздействия на биохимические изменения в поверхностных и глубинных слоях мясного продукта различны, объективные данные о влиянии тепломассообмена на пищевую и биологическую ценность и динамику послойного распределения изменений биохимического состава продукта в литературе отсутствуют. Проведенные нами исследования показали, что сегодня для обобщенной количественной оценки тепломассообменных процессов и математического описания происходящих при этом распределенных биохимических изменений в объектах обработки более эффективными являются методы системного анализа.
В связи с этим возникает необходимость создания информационных технологий системного анализа состояний и изменений в мясопродуктах в процессах тепломассопереноса с выходом на оптимальные режимы, обеспечивающие максимальное сохранение пищевой и биологической ценности при нагреве. В этом направлении решение проблемы интенсификации современных технологий связано с разработкой компьютерной знание-ориентированной системы на основе численных методов моделирования и оптимизации тепломассообменных процессов при тепловой обработке биосырья в общей структуре технологической системы. Такой подход обеспечивает достижение режимов ресурсосбережения и получения продукта заданного качества с прогнозируемыми показателями пищевой и биологической ценности.
В диссертации обобщены результаты научных исследований за период 1990–2009 гг., выполненные лично автором, а также под его руководством. Работа выполнялась по договору Министерства высшего и среднего специального образования Республики Узбекистан и Министерства образования и науки Российской Федерации по линии международного образования и сотрудничества (постановление Правительства Российской Федерации от 04.11.2003, № 668).
Автор выражает глубокую признательность Президенту Московского государственного университета прикладной биотехнологии академику РАСХН, д.т.н., профессору И.А. Рогову за содержательные консультации и поддержку при выполнении данной научно-исследовательской работы; ректору академику РАСХН, д.т.н., профессору Е.И. Титову за моральную поддержку и созданные условия при выполнении диссертационной работы; проректору по научной работе д.т.н, профессору Г.В. Семенову и заведующему кафедрой «КТиС» д.т.н., профессору Ю.А. Ивашкину за научные обсуждения и консультации в процессе работы над диссертацией, а также сотрудникам кафедры «ТОПО» и «КТиС» за конструктивную помощь при выполнении научной работы.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является многокритериальная оптимизация тепломассообменных процессов с учетом массовых превращений компонентов пищевой и биологической ценности мясных полуфабрикатов, прогнозирования качества готовых продуктов на основе системного анализа, компьютерных технологий и разработки практических решений по конструкциям высокоэффективных тепловых аппаратов, управлению режимными параметрами процесса термического воздействия.
Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:
развитие физической модели тепломассообмена в процессах инфракрасных тепловых воздействий с учетом массовых превращений показателей пищевой и биологической ценности биопродукта;
разработка иерархической структуры системных исследований процессов тепловой обработки мясных полуфабрикатов при ИК-энергоподводе;
экспериментальные исследования физико-химических показателей, микробиологических явлений и эффектов, микроструктуры, закономерностей тепломассообмена по уровням иерархии в мясных полуфабрикатах в сравнительном анализе при ИК- и СВЧ-нагревах;
математическое описание массовых превращений показателей пищевой и биологической ценности как функции тепловых воздействий и создание на этой основе расширенной модели тепломассообменных процессов с учетом изменений массовых долей биологических компонентов;
экспериментальные исследования технологических критериев эффективности тепловой обработки мясных полуфабрикатов;
разработка критериев многоуровневой оптимизации минимизации потерь пищевой и биологической ценности: амино- жирных кислот и витаминов;
разработка алгоритмов математического моделирования и многокритериальной оптимизации процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов на различных уровнях иерархии оценок;
разработка структурно-параметрической модели прогнозирования качества готового продукта при оптимальных параметрах ИК-энергоподвода с учетом параметров биосырья, технологии и особенностей аппаратурного оформления процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов;
разработка информационной технологии и компьютерной системы поддержки принятия оптимальных решений в управлении процессом тепловой обработки мясных полуфабрикатов;
разработка рекомендаций и технических решений по проектированию оптимальных процессов тепловой обработки мясных продуктов и высокоэффективных аппаратов ИК-нагрева.
Концептуальная направленность диссертации состоит в разработке оптимальных режимных параметров процесса, обеспечивающих максимальное сохранение пищевой и биологической ценности готовых продуктов при ИК-нагреве.
На защиту выносятся:
физическая модель процесса ИК-нагрева, описывающая тепломассообмен и изменения массовых долей биологических компонентов мясных полуфабрикатов;
иерархическая структура комплекса изменений физико-химических, микробиологических, тепломассообменных процессов в мясных полуфабрикатах при ИК-нагреве;
результаты комплексных экспериментальных исследований физико-химических закономерностей качественных показателей процесса тепловой обработки на различных уровнях иерархической структуры, а именно: изменение амино- и жирнокислотного составов, витаминов, минеральных веществ и микроструктуры в сравнительном анализе при ИК- и СВЧ-нагревах, исследование полей температур, влажности мясных полуфабрикатов и мясных рецептурных композиций с растительными добавками, кинетики процесса нагрева и обезвоживания с целью прогнозирования режимов тепловой обработки в заданном интервале для получения продукта требуемого качества;
система критериев многоуровневой оптимизации пищевой и биологической ценности мясных полуфабрикатов;
модели и алгоритмы многокритериальной оптимизации тепло-массообменных процессов ИК-обработки мясных полуфабрикатов;
методология структурно-параметрического анализа и прогнозирования качества готовых продуктов при оптимальных режимах тепловой обработки мясных полуфабрикатов с использованием инфракрасного энергоподвода;
информационная технология и программная реализация режимных параметров процесса во взаимосвязи с технологическими критериями качества и критериями по минимизации потерь пищевой и биологической ценности;
рекомендации по рациональным режимным параметрам и аппаратурному оформлению процессов производства мясных полуфабрикатов с применением инфракрасного энергоподвода.
Научная новизна
разработана методология иерархического многоуровневого системного анализа тепломассообменных процессов и изменений массовых долей ингредиентов, определяющих пищевую ценность продукта, и компонентов, определяющих биологическую ценность, при инфракрасной тепловой обработке мясных полуфабрикатов;
предложена физическая модель тепломассопереноса с учетом изменений массовых долей биологических компонентов мясных полуфабрикатов при инфракрасных тепловых воздействиях и на ее основе разработана расширенная математическая модель тепломассообменных процессов во взаимосвязи с массовыми превращениями ингредиентов пищевой и компонентов биологической ценности мясных полуфабрикатов при тепловой обработке;
получены полиномные зависимости, описывающие динамику биохимических изменений амино- и жирнокислотного составов, витаминов, белковых и липидных фракций мясных полуфабрикатов в процессе тепловой обработки;
разработаны критерии многоуровневой оптимизации по оценке потерь пищевой ценности: белков, жиров, влаги; белковых и жировых фракций мышечной ткани; биологической ценности: аминокислот, жирных кислот и витаминов;
разработаны алгоритмы имитационного моделирования и многокритериальной оптимизации процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов для различных уровней системного анализа с минимизацией изменений белковых и жировых фракций мышечной ткани, амино- и жирокислотного составов, микроэлементов и витаминов при инфракрасном энергоподводе;
разработаны структурно-параметрическая модель, информационная технология анализа и прогнозирования процесса ИК-обработки мясных полуфабрикатов как большой многофакторной технологической системы;
разработана компьютерная экспертная система проектирования оптимального процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов по критериям минимальных потерь ингредиентов пищевой и компонентов биологической ценности.
Практическая значимость и реализация результатов работы
оптимальные режимы процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов и мясных композиций в условиях ИК-облучения, учитывающие влияние тепломассообменных процессов на пищевую и биологическую ценность мясных изделий;
рекомендации по конструкции печи с инфракрасными излучателями с варьированием различных вариантов тепловой обработки;
программный комплекс компьютерной системы моделирования, оптимизации и управления качеством мясных полуфабрикатов в процессе тепловой обработки по параметрам пищевой и биологической ценности с учетом тепло-массообменных процессов в рабочей камере ИК-печи.
Оптимальные режимные параметры тепловой обработки мясных полуфабрикатов и конструкция ИК-печи внедрены на Выхинском колбасном заводе «Рус-Агро-Люкс-М», на OOO «Андреевские колбасы», Можайском, Таганском и Сергиево-Посадском мясокомбинатах.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований защищены патентами Российской Федерации и внедрены в учебный процесс по подготовке специалистов по направлениям: 240901 – Биотехнология; 260100 – Технология продуктов питания; 260301 – Технология мяса и мясных продуктов; 260303 – Технология молока и молочных продуктов; 230102 – Автоматизированные системы обработки информации и управления.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на III, IV, V, VII Международных научных конференциях «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2004, 2005, 2006, 2008); на 5-ом Международном симпозиуме по химии природных соединений (Ташкент, 2003); на ХVI и ХХ Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2003; Ярославль, 2007); Международной научно-технической и практической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения» (Ташкент, 2003); Международной конференции «Инновация – 2003» (Ташкент, 2003); в Центральном доме ученых Российской Академии наук (Москва, декабрь, 2004); на Всероссийской научно-практической конференции «Качество и безопасность сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов» (Углич, 2004); на II и III– й Всероссийской конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика» (Санкт-Петербург, 2005, 2007); на II, III, IV Международных научно-технических конференциях AIS`06, 07, 08 CAD «Интеллектуальные системы» и «Интеллектуальные САПР» (Дивноморское, 2006, 2007, 2008); на Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEV и технологии National Instruments» (Москва, 2007, 2008); на II- й Международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (Воронеж, 2007); на Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» в рамках Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2008); на V Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009); на III-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008 (Москва-Тамбов–2008).
Публикации
По результатам исследований опубликовано 117 научных и методических работ, 86 из которых представлены в автореферате, в том числе 3 монографии, научные статьи и материалы, изданные в научных периодических международных и российских журналах «Химия природных соединений», «Пищевая промышленность», «Мясная индустрия», «Хранение и переработка сельхозсырья», «Вопросы питания», «Системы управления и информационные технологии», «Известия ВУЗов. Пищевая технология», отраслевом журнале «Все о мясе», трудах международных и всероссийских конференциях. Новизна технических и технологических решений отражена в патентах и официальных регистрациях программ для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, девяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 461 наименование, из них 54 зарубежных, основных обозначений и сокращений. Работа изложена на 377 стр. основного текста, содержит 57 таблиц, 119 рисунков и приложений.
Характеристика аналитических и физических моделей процессов тепломассообмена при радиационном способе тепловой обработки
Инфракрасное излучение является результатом сложных внутриатомных процессов, связанных с поглощением энергии веществом и преобразованием его в излучение. Протекает оно по схеме «тепловая энергия - лучистая энергия — тепловая энергия». Под термином «излучение» понимают процессы генерирования и переноса энергии электромагнитными волнами с длиной волны от долей микрометра до многих километров. В зависимости от диапа зона длин волн различают рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные, радиоволны.
Инфракрасное излучение, как и всякое электромагнитное колебание, можно охарактеризовать длиной волны, частотой колебания и скоростью распространения. Эти параметры связаны между собой соотношением:
Источниками излучения (генераторами) инфракрасной энергии являются темные (ТЭНы) и светлые излучатели (кварцевые лампы).
Перенос энергии инфракрасного излучения в пищевых продуктах и различных материалах, отличающиеся от достаточно изученных мутных сред с большой оптической плотностью (атмосферный воздух, топочные газы), сложностью и неоднородностью структуры, неравномерностью распределения влаги и другими свойствами, представляет процесс, механизм и интенсивность которого зависят от селективности свойств материалов рассеивать, поглощать и пропускать излучение волн различной длины, а также от распределения по спектру интенсивности излучения ИК — генераторов.
В простейших случаях выполняется закон Бугера [309,310]:Чх(Х,Т) = Чох(іт)Єхр(-кх.-х) = (1- Япов(Х,т)) дпад-ехр(-кХ х) (1.2)где: Чх(кт) спектральная плотность пропущенного потока излучения (слой с координатой х, считая начало координат на поверхности тела);qox(KT)— спектральная плотность потока излучения, проникающего в материал (при х = 0); кх - коэффициент поглощения; Rnoe(xj) - спектральная отражательная способность поверхности материала;Я.пад — спектральная плотность потока излучения, падающего на поверхность.
Проникновение лучистой энергии внутрь влажных материалов (продуктов) обуславливает некоторые особенности тепло- и массопереноса при инфракрасном облучении. Материалы, проницаемость которых изучена разными исследователями в диапазоне волн инфракрасного спектра, можно разделить на материалы с большой проницаемостью для потока лучистой энергии и материалы, практически непроницаемые для инфракрасных лучей.
Несмотря на то, что вовнутрь многих материалов проникает только небольшая часть энергии излучения, материал нагревается интенсивно вследствие значительной величины, поступающей на продукт энергии. В связи с этим значительный интерес представляет анализ температурного поля влажного материала при инфракрасном облучении.
Для характеристики проницаемости материалов инфракрасных лучей недостаточно классифицировать материалы только на пористые и коллоидные. Необходимо дать им более детальную характеристику, включая размеры пор (капилляров), характер их распределения, структуру и вид связи влаги с материалом.
Считается, что капиллярно-пористые материалы по сравнению с коллоидными поглощают больше энергии, так как тепловые лучи, попадая в поры, путем многочисленных отражений от их стенок почти полностью поглощаются, при этом большое значение имеют размеры пор и характер их распределения. Важно отметить, что с увеличением глубины проникновения лучей увеличивается и толщина слоя материала, в котором распределяется лучистая энергия. Поэтому при той же интенсивности излучения средняя температура этого слоя будет ниже, чем температура поверхностного слоя, поглощающего всю падающую на тело энергию. Если материал допускает нагрев в объеме до более высокой температуры, то при проникающем облучении можно применять более высокие интенсивности излучения и передать единице объема материала больше энергии, что будет заметно интенсифицировать процесс без опасности перегрева поверхности материала.
В работах П.Д. Лебедева, А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, И.А. Рогова и др. отмечено, что глубина проникновения инфракрасных лучей зависит от свойств материала, а именно: компонент растительного или животного про исхождения (овощи, мясо, тесто), содержащих влагу, белки, жиры, крахмал, клетчатку. Многокомпонентная система характеризуется сложностью структуры и большой оптической плотностью. Излучение поглощение и рассеяние, в рассматриваемых материалах определяются главным образом следующими четырьмя процессами [106-110, 218, 238, 309, 310, 312, 313]:- резонансным поглощением излучения молекулами сухого вещества;- рассеиванием, обусловленным флуктуациями плотности или концентрации вещества;- рассеиванием излучения на взвешенных коллоидных частицах, зернах крахмала, растительных клетках, частицах пигмента;- рассеянием на других неоднородностях капилляров и порах в капиллярно-пористых коллоидных телах.
Терморадиационные характеристики зависят как от спектрального состава, степени поляризации и пространственных характеристик падающего излучения (от условия облучения), так и состояния и свойств облучаемого материала [106, 165, 166, 309, 310, 312, 313, 314].
Для большинства пищевых продуктов глубина проникновения коротковолновых инфракрасных лучей достигает 7-30 мм. Важно учитывать не только максимальную глубину проникновения, но и долю затрачиваемой на это энергии излучения. В связи с большой плотностью потока энергии температура слоя, лежащего на указанном расстоянии от поверхности материала, повышается в большей степени, чем при конвективном нагреве.
Очевидно, нагрев изделия ИК—лучами обладает своими специфическими особенностями, которые связаны не только с проникновением лучей в толщу материала, но и с более глубоким воздействием на молекулярную структуру материала. Если частота падающего излучения по своей величине близка к частоте собственных колебаний атомов тела, то амплитуда вынужденных колебаний атомов возрастает, при этом увеличивается и коэффициент поглощения энергии [106, 165, 309, 310, 312, 313].
Согласно теории Ж. Леконта [220], воздействие ИК - лучей в материалах растительного происхождения, а также в воде и жире обуславливает изменение структуры материала и обеспечивает направленную ориентацию молекулярных цепей.
Общий подход к структурно-параметрическому анализу процесса тепловой обработки в технологической системе
Массообменные процессы в гетерогенных пищевых смесях, в частности многокомпонентных мясных продуктах питания, характеризуются не только описанием температурно-влажностных полей, но и распределенными параметрами изменения основных и вспомогательных ингредиентов биопродукта, как например амино- и жирнокислотного, углеводного, витаминного и микроэлементного составов в зависимости от теплового воздействия.
В связи с этим для интенсификации процессов тепловой обработки гетерогенного биосырья становится необходимым нахождение и анализ мате матических зависимостей массовых долей элементов химического состава продукта и их ингредиентов от температуры, интенсивности теплового потока и других факторов с последующим определением оптимальных режимов по различным критериям.
С этой целью проведены комплексные технологические и медико-биологические исследования белков котлет приготовленных различными способами (традиционным, ИК— нагрев), при различных видах тепловой обработки [248]. Полученные статистические данные позволили установить уравнения регрессии амино- и жирокислотных составов и вместе с ними показателей пищевой и биологической ценности от температуры, времени и условий нагрева в виде степенных полиномов:с коэффициентами Ри , определяемыми методом, наименьших квадратов.
В табл. 4.4 и 4.8 представлены уравнения регрессии изменения массовых долей аминокислот в аминокислотном составе, (% к общему белку) от плотности лучистого потока в кВт/м2 и температуры, полученные в результате обработки экспериментальных данных [322, 323].
Сравнение расчетных критериев Фишера с табличным, значением показало, что расчетное меньше табличного, что свидетельствует об адекватности математических описаний.
В процессе тепловой обработки снижается биологическая ценность готового продукта за счет разрушения части аминокислот во всем продукте, и особенно в поверхностных слоях. Потери аминокислот возрастают с повышением температуры в центре изделия и могут достигать 15 %.
Биологическая" ценность поджаристой корочки значительно ниже ценности центральных слоев, причем это различие тем больше, чем поджаристее корочка, и может достигать 30-35 %. Поэтому при жарке необходимо получить по возможности наиболее тонкую поджаристую корочку, этого можно достигнуть путем разработки рациональных режимов и оптимизации Зависимости суммарной массовой доли незаменимых аминокислот Мтал,к, заменимых аминокислот Мзамк и белка в целом М амк от температуры также унимодальные и описываются следующими параболическими уравнениями регрессии:
На примере запекания карбонада с применением инфракрасного энергоподвода [176] видно, что в процессе тепловой обработки прогрев изделия происходит по высоте неодинаково, в связи, с чем распределение аминокислот по высоте продукта также неодинаково. Сначала обезвоживаются по верхностные слои, затем происходят физико-химические изменения в центре продукта, поэтому в поверхностных слоях денатурационные изменения происходят, гораздо быстрее, чем в центральных. Влагоудерживающая способность запеченных мясных изделий при различных способах тепловой обработки и несущественных различиях рН составляет в поверхностных слоях 6,02-6,06 и центральных— 5,88—5,93. В связи с этим постденатурационные изменения в белковой системе проходят гораздо быстрее и глубже в поверхностных слоях, нежели в центральных слоях.
Температура поверхностного слоя после испарения из него влаги поднимается до 102—105С и выше, что приводит к термическому распаду органических веществ поверхностного слоя мяса (белков, жиров, углеводов, экстрактивных веществ, витаминов). В результате этого поверхностный слой уплотняется, образуется корочка, толщина и цвет которой зависят от температуры греющей среды и продолжительности нагрева [23].
Содержащиеся в мясе свободные аминокислоты имеют различный вкус. Так, серину, аланину, глицину и триптофану присущ в большей или меньшей степени сладковатый вкус, тогда как тирозину, лейцину и валину горьковатый. Треонин при нагревании до 160 С в течение часа образует продукт, обладающий запахом бульона, обусловленным действием аке-томасляной кислоты.
Математически обработав, методом наименьших квадратов, можно разработать уравнения регрессии, анализируя регрессионные уравнения можно сделать вывод, что при добавлении компонентов растительного происхождения зависимости в основном параболические, результаты приведены в табл. 4.6.
Моделирование процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов прямоугольной формы
Задачей системного анализа технологий термообработки сырья животного происхождения, в первую очередь, является параметрическое описание процесса с выделением показателей качества сырья и продукта, технологических режимов, оборудования и нахождение математических зависимостей между ними для последующей многокритериальной оптимизации и принятия оптимальных решений.
Технологическая система любой физической природы описывается вектором выходных параметров Y = {уи ...,y,J или критерием Q(y},...., ут) оценки состояния (качество продукции, производительность, себестоимость, к.п.д. и т.п. ). Компоненты вектора Y в общем случае являются функциями характеристик входных потоков G ={gi, ..., gr) и параметров состояния системы X = {xj, ..., x,J, которые в свою очередь зависят от факторов возмущения V= {v\, ...,vqj и управляющих воздействий 17 = {иі ,...,ир}.
Для представления структурированного множества контролируемых параметров и связей взаимодействующих элементов и блоков технологической системы строится матричная структурно-параметрическая модель системы (рис.2.2).
Построение структурно-параметрической модели [155] исследуемого процесса, связанное с представлением его в виде системы взаимосвязанных параметров, взаимодействующих элементов и подсистем и в то же время в виде подсистемы некоторой внешней технологической системы, сводится к следующим этапам:1. Описание внешней системы (внешней среды, инфраструктуры), в которую исследуемый или проектируемый процесс входит в качестве составного элемента. 2. Разработка крупноблочной модели матрицы технологической системы(рис. 2.2), каждый блок которой описывает параметры состояния функциональных подсистем и их локальные и общие цели.3. Детализация элементов крупноблочной матрицы, при которой каждый диагональный блок может быть разделен на более мелкие составные элементы или подсистемы с детализацией внешних факторов и их влияния на элементы и подсистемы.4. Составление параметрических моделей структурных элементов системы в виде набора векторов входных и выходных факторов и параметров состояния и заполнение главной диагонали структурно-параметрической матрицы системы векторами параметров состояния и наблюдения.5. Определение сопоставимых характеристик связей и взаимодействия между элементами, блоками и подсистемами большой системы методами факторного анализа, планирования эксперимента, экспертных оценок и другими в зависимости от глубины априорных данных о природе вещей.
Анализ технологического процесса тепловой обработки мясопродуктов позволяет создать структурно-параметрическую матричную модель технологической системы ИК — обработки мясопродуктов, выявляющей различные эффекты взаимодействия элементов и подсистем технологической системы, ее чувствительность к различным возмущениям и возможности управления качеством продукции на разных технологических этапах.
Эффективность технологии прроцесса, обеспечивающая выработку продукции заданного ассортимента с заданными свойствами PI параметрами, в том числе показателями пищевой и биологической ценности, связаны с нахождением экстремума некоторого функционала качества.
При этом все изменяемые параметры приводятся к безразмерной шкале относительных величин: Axik — предельно допустимое отклонение от нормы.Критерий оценки состояния системы представляется [159, 160] в видеаддитивно-мультипликативной свертки: хп х. — фактическое и желаемое значение параметра состояния;Ах,. - допустимое отклонение параметра от желаемого значения;а( - коэффициент значимости z-ой группы факторов;Zk - отклонение -го фактора критической группы, определяющейнеприемлемость качественного состояния системы.
При X)a,=i и Ьу=1; i = l,m функционал (2.2) изменяется от еди ницы до нуля, соответственно, от эталонного состояния до его граничного допустимого значения и обращается в нуль при выходе любого параметра критической группы за предельно допустимый уровень.
Для оценки групповых и индивидуальных весовых коэффициентов формируется таблица экспертных оценок функционала по схеме полного или дробного факторного эксперимента с последующим вычислением оценок линейных эффектов влияния на функционал по формулам: z, _ значение /-го группового показателя в к-м опыте; Zyk - значениеу-ой переменной /-й группы в к-м эксперименте; Qk - значение функционала в к-м эксперименте.
Моделирование изменения аминокислотного состава мясных продуктов
Установлено [193, 369], что степень изменения растворимости белков саркоплазмы при температуре поверхности продукта 40 и 50 С практически одинакова, а заметные изменения начинаются при температуре 60С, наиболее существенные изменения происходят с периферическими слоями, на долю которых приходится максимальная энергия.
Эксперименты по изучению влияния скорости нагрева на денатурацию белков мясопродуктов проводились при их термообработке с различными скоростями, и было установлено, что повышение скорости нагрева животных тканей приводит к увеличению температуры денатурации белков в их составе, была получена эмпирическая зависимость:А - коэффициент, характеризующий предельную температуру денатурации при максимальной скорости нагрева, С; с, /?-экспериментальные коэффициенты; -Логарифм скорости прогрева образца [193].
В глубоких изменениях в сырье биологического происхождения лежат такие процессы как химические и физико-химические, которые происходят в результате различных технологических воздействий.
А.А. Соколов, исследуя влияние и продолжительность нагрева на гидролиз белковых веществ говядины, установил, что изменение остаточного азота в зависимости от продолжительности нагрева происходит по экспоненциальной кривой, а полипептидного азота по графику натурального логарифмирования [351, 352].
В.И. Хлебников экспериментально установил экспоненциальную закономерность гидролиза коллагена при исследовании влияния способов термо обработки (СВЧ- и традиционные нагревы) на качество мясопродуктов, исследовал перевариваемость белков «in vitro» мяса кур, подвергнутого стерилизации при температуре 110-130 С в течении 0-4,2 10 5 с и до постоянного летального эффекта и выявил, что зависимость перевариваемости от температуры и длительности нагрева подчиняется экспоненциальному закону:где: (р перевариваемость мяса кур ферментами желудочно-кишечного тракта,% к исходной; t - температура, С; т - длительность нагрева [3 82].
Выход готового продукта в зависимости от плотности лучистого потока и температуры геющей среды также определяется экспоненциальной зависимостью:у/ плотность лучистого потока; t - температура греющей среды.
Е.Ф. Орешкин при разработке технологии пастеризованных консервов определил, что накопление продуктов распада при гидролизе коллагена также происходит по асимптотической кривой [278, 279], к этому же подтверждению пришли А.Л.Лосева и А.С. Цыперович при изучении кинетики денатурации сывороточного и яичного альбуминов в присутствии солей происходит по тем же закономерностям [235]. Экспериментальное данные показали, что денатурация альбуминов монотонно возрастает до некоторого предельного значения.
П.Е. Павловский пришел к выводу, что денатурация миоглобина мяса происходит по экспоненциальной зависимости [282]. К этому же выводу пришел М. Жоли [144]. Несмотря на различие воздействующих факторов на процесс денатурации, изменения свойств белков при различных реагентах и температуры денатурации носят также экспоненциальный характер.
А.С. Большаков с сотрудниками, разрабатывая технологию копчено-вареных изделий из говядины и свинины, с использованием электромассирования и механической обработки установили, что изменение кислотности рН говядины и ее водосвязывающей способности носят экспоненциальный характер [75].
При разработке научных основ интенсификации и оптимизации теп-ломассообменных процессов мясной промышленности Г.Е. Лимонов [224] использовал вибрацию и при исследовании зависимости активности экстрактов сычужного фермента от продолжительности виброобработки и выхода сычужного фермента и режимами виброобработки получил уравнения, имеющие экспоненциальный характер:где:А - активность готовых препаратов, тыс. усл.ед.;С - концентрация экстрагирующего раствора,%; частота вибрации, Гц; т — продолжительность виброобработки, с; с, К, а, Д Я - коэффициенты уравнения; М— выход ферментного препарата, кг; с - концентрация экстрагирующего раствора,%; N, b, d, р — коэффициенты уравнения. При исследовании коллагена кожного покрова А.Н. Михайлов экспериментально определил, что процессы набухание, экстрагирование и переваривание коллагена трипсином, протекают по асимптотически возрастающей кривой.
В работе [193] в результате проведенных экспериментов было установлено, что тепловая денатурация белков в составе животных тканей происходит в трех выраженных температурных диапазонах: первый - 42-60 С второй — 55-70 С; третий — 72-95 С , авторы сделали выводы, что в первом диапазоне происходит инактивация белков актомиозинового комплекса, во втором - белков цитоплазмы и межклеточных элементов и в треть ем - денатурация коллагена (соединительной ткани). Знание температурных границ денатурации белков в животных тканях позволили определить желаемую степень обработки сырья.
И.А. Рогов с учениками при разработке способа производства сыровя-леных колбас с использованием структурированных белков животного происхождения получили кинетические кривые набухания, схожие с экспоненциальными зависимостями нарастающего характера для структурированных белковых волокон из копреципитата и казеина.
Для процесса варки мясного продукта и процесса обводнения белковой системы автор [274] представил кинетические зависимости в виде уравнения первого порядка: dcj/dv= к JCJ и dc2/ck= к 2с2
С учетом начальных и граничных условий дифференциальные уравнения вида: dA/dr= - (к!+ к z); имели экспоненциальную функцию следующего вида: А =Л0 е (к1+ к2) Таким образом, как показал анализ литературы, можно сделать выводы, что многочисленными исследованиями ученых установлено, что большинство процессов в мясе, мясном сырье и продуктах его переработки, в частности при воздействии температуры, подчиняются общим закономерностям, в основом это экспоненциально зависимые функции, приведенные выше примеры, свидетельствуют об этом.
При тепловой обработке мышечной ткани важное, значение имеет изменение миоглобина, от которого зависят окраска мяса, и соответственно качественные показатели [23,32,69, 104,150,215,277].Миоглобин и гемоглобин - дыхательные ферменты, субстратом является кислород. Трехмерная структура миоглобина была определена Дж. Кен-дрью в 1961 г., а трехмерная структура гемоглобина— М. Перутцем в 1960 г. Молекула миоглобина имеет компактную форму- 4,5x3,5x2,5 нм полипептидную цепь образуют 8 спирализованных участка, она специфически уложена вокруг большого плоского железосодержащего кольца гемма. Гем - это комплекс порфирина с двухвалентным железом.
Изменение окраски мяса при термической обработке связано с белком хромопротеидами: миоглобином и гемоглобином и переходом гемма различ
