Введение к работе
Актуальность проблемы. Российскую Федерацию можно отнести к странам с населением, традиционно регулярно потребляющим копченую рыбную продукцию. По данным многочисленных исследований эта продукция относится к потенциально онкологически опасным из-за высокого содержания полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и предшественников нитрозаминов (НА), обладающих канцерогенным, мутагенным и тератогенным действием на организм человека.
Одним из основных факторов, определяющих химический состав коптильных сред, а значит, и степень зараженности копченой продукции опасными для здоровья человека химическими веществами, является температура разложения древесины в процессе получения дыма — температура пиролиза. Поэтому для обеспечения биологической и химической безопасности копченых мясных и рыбных продуктов приоритетной является задача максимального снижения содержания ПАУ и НА в коптильном дыме.
Наиболее рациональным способом решения этой задачи является обеспечение устойчивого температурного режима пиролиза древесины в процессе генерации дыма на уровне 380...400 С, что намного ниже известных канцерогенных температурных пиков.
Практика и анализ научной и патентной литературы показывают, что в настоящее время в РФ для получения коптильного дыма используются в основном морально и (или) физически устаревшие дымогенераторы с внутренним теплообразованием. В них отсутствует возможность сколько-нибудь надежно контролировать температуру разложения древесины, в результате пиролиз происходит при температурах выше 600 С.
Развитие науки и производства привело к необходимости разработки способов и устройств для генерации дыма за счет внешнего энергоподвода к древесному топливу. Анализ тенденций развития техники для получения дымовых сред показал, что в наибольшей степени современным требованиям отвечают фрикционные и паровые дымогенераторы. Реализованные в них способы получения дыма позволяют управлять температурой пиролиза древесины. Недостатками, ограничивающими применение данного оборудования на производстве, являются низкая производительность фрикционных дымогенераторов по дыму и готовой продукции, высокая стоимость эксплуатации и технического обслуживания дымогенераторов обоих типов, специфические органолептические свойства продукции, специальная подготовка топлива.
Важную научно-техническую проблему разработки способов получения эффективных функциональных и безопасных дымовых и жидких коптильных сред как в РФ, так и за рубежом решают эмпирически:
— путем усовершенствования отдельных узлов существующих дымогенераторов, что чаще всего только предотвращает возникновение открытых очагов пламени в процессе дымообразования;
— разработкой эффективных способов очистки коптильного дыма и дымовых
выбросов в окружающую среду;
— разработкой технологий получения разнообразных по функциональным
свойствам жидких коптильных сред (коптильных препаратов, ароматизаторов жид
кости) с использованием различных добавок, призванных формировать либо ими
тировать органолептические свойства продукции, максимально приближающие ее к
продукции традиционного дымового копчения.
В то же время представляется необходимым разработать научную методологию, позволяющую проектировать аппараты требуемой производительности с внешним ИК-энергоподводом для генерации безопасного коптильного дыма в условиях управляемого температурного режима пиролиза древесины.
В настоящее время практически нет публикаций, в которых рассматривались бы теоретические аспекты сложных физико-химических процессов, протекающих в слое топлива при дымогенерации с внешним теплообразованием, в том числе с ИК-энергоподводом, и их влияние на температуру пиролиза топлива. Создание физической картины процессов облегчит задачу поддержания температуры пиролиза топлива в канцерогенно безопасных пределах в зависимости от параметров дымогенерации. Предлагаемые некоторыми исследователями математические модели процесса получения дымовых или жидких коптильных сред (ЖКС) получены вероятностно-статистическим методом на основе обобщения результатов экспериментов, поэтому они не учитывают полной физической картины изучаемого процесса.
Таким образом, обоснование научных и разработка практических аспектов получения и применения коптильных сред на основе использования энергии ИК-излучения, позволяющих решить социально значимую проблему повышения безопасности и конкурентоспособности пищевой продукции, представляет весьма актуальную задачу.
Цель и задачи исследований — обоснование научных и разработка практических аспектов получения и применения в технологической практике коптильных сред с минимальным содержанием опасных и вредных для здоровья человека веществ на основе использования энергии ИК-излучения.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
разработать способ получения коптильного дыма с ИК-энергоподводом к топливу и устройство для его осуществления - ИК-дымогенератор (ИК ДГ), а также определить факторы, влияющие на температуру пиролиза топлива в ИК-дымогенераторе и его производительность; охарактеризовать их и выделить наиболее значимые;
исследовать процессы массо- и теплопереноса в слое топлива при ИК-дымогенерации с позиций влияния установленных факторов на температуру пиролиза, определяющую безопасность и функциональные свойства дымовой и жидкой коптильных сред;
разработать методику расчета температуры пиролиза топлива с ИК-энергоподводом и ее программное обеспечение;
на основе теоретических и экспериментальных исследований обосновать научные аспекты комплексного подхода к применению безопасных функциональных коптильных сред, получаемых с использованием ИК-дымогенератора;
разработать алгоритм системно-комплексного решения задачи повышения качества и безопасности новой рыбной продукции, изготовляемой с применением коптильной среды низкотемпературного пиролиза с ИК-энергоподводом, на основных этапах ее жизненного цикла (разработка, производство, контроль, хранение и реализация);
— обосновать методологию определения интегрального показателя качества
(ИПК) новой рыбной продукции на основе проведенных на разных этапах техноло
гического цикла исследований массообменных процессов, физико-химических и
микробиологических изменений, происходящих в продукции;
разработать технологию изготовления подкопченной рыбы с использованием дымовоздушной смеси (ДВС), вырабатываемой ИК-дымогенератором, с определением рекомендуемых режимов технологии путем оптимизации факторов, влияющих на величину ИПК продукции;
провести опытно-промышленную апробацию предложенных технических и технологических решений, разработать рекомендации по их внедрению в производство.
Научная концепция. Для повышения безопасности технологических коптильных сред, используемых в современной пищевой индустрии, применяются научно обоснованные новые способы получения коптильного дыма, при использовании которых кинетика нагрева топлива, а следовательно, и температура его пиролиза надежно коррелируют с легко контролируемыми и управляемыми параметрами дымогенерации. Развивается положение, что контроль и управление температурой пиролиза топлива в процессе дымообразования - наиболее надежный способ гарантировать безопасность получаемых коптильных сред.
Данная концепция развивает научное направление - создание новых способов получения канцерогенно безопасных технологических коптильных сред в аппаратах с внешним теплообразованием в условиях низкотемпературного пиролиза и технологий изготовления копченой рыбной продукции повышенной безопасности.
Предметом исследования является повышение безопасности технологических коптильных сред, используемых в современной пищевой индустрии, с помощью новых способов дымогенерации, позволяющих надежно контролировать температуру пиролиза древесины, а также расширение ассортимента канцерогенно безопасной деликатесной копченой рыбной продукции.
Объекты исследования: технологическое оборудование и процессы, протекающие при получении коптильного дыма с использованием ИК-энергоподвода; технологии изготовления копченой рыбопродукции повышенной канцерогенной безопасности на основе применения новых способов дымогенерации; готовая продукция.
Базовые методологические работы. В основу настоящего исследования положены наиболее значимые в теории и практике копчения работы известных уче-
ных В. И. Курко, Г. Н. Кима, Э. Н. Кима, И. Н. Кима, А. М. Ершова, О. Я. Мезено-вой, 3. В. Слапогузовой, Г. И. Касьянова, В. В. Зотова, С. И. Ноздрина, А. М. Гончаровой, Т. Н. Радаковой, L. Bratzler, С. Hollenbeck, S. Maurer и др.
Методы исследования. Методология исследований базируется на использовании математического и физического моделирования для решения поставленных задач, на разработке эффективных технологических процессов и аппаратов для рыбоперерабатывающей отрасли пищевой промышленности.
Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснован новый способ получения коптильного дыма с использованием ИК-энергоподвода к топливу, увлажняемому в процессе дымообразования водой и водяным паром, определены рекомендуемые параметры процесса получения дымовой коптильной среды.
Впервые получена, систематизирована и проанализирована комплексная информация о взаимосвязанных тепло- и массообменных процессах, учитывающая основные факторы при дымообразовании с ИК-энергоподводом, влияющие на температуру пиролиза топлива, а следовательно, и на безопасность получаемого коптильного дыма и ЖКС на его основе. При этом было показано, что увлажнение топ-лива - древесных опилок насыпной массой от 84,0 до 154,0 кг/м в процессе дымообразования позволяет существенно снизить температуру пиролиза.
Разработана математическая модель процесса пиролиза топлива с ИК-энерго-подводом, для которой экспериментально установлены коэффициенты потенциало-проводности влагопереноса и термовлагопереноса в слое топлива насыпной массой от 84,0 до 154,0 кг/м . Определены рекомендуемые режимы процесса дымогенера-ции с использованием энергии ИК-излучения при надежном поддержании температуры пиролиза на требуемом уровне.
Разработана концепция комплексного использования дымовой коптильной среды, вырабатываемой низкотемпературным пиролизом с ИК-энергоподводом путем максимального учета особенностей ее функционально-технологических свойств.
Исследованы и проанализированы массообменные процессы, биохимические и микробиологические изменения, происходящие в рыбной продукции, изготовленной с применением дымовоздушной смеси, вырабатываемой ИК-дымогенератором, и ЖКС на ее основе, на разных этапах жизненного цикла продукции; экспериментально определены значения коэффициентов диффузии карбонильных соединений для филе рыбного подкопченного и филе рыбного подкопченного в биополимерной пленке, изготовленного с использованием дымовой среды ИК-дымогенерации.
Разработан алгоритм системно-комплексного решения задачи повышения качества и безопасности новой рыбной продукции, изготовляемой с применением коптильной среды низкотемпературного пиролиза с ИК-энергоподводом, на основных этапах ее жизненного цикла.
Научно обоснован ИПК продукции, изготовляемой с применением дымовой среды ИК-дымогенерации и ЖКС на ее основе, позволяющий максимально учитывать влияние ряда факторов на процессы формирования основных технологических эффектов копчения в готовой продукции, предложена методика расчета ИПК.
Достоверность результатов подтверждается установлением адекватности аналитических решений результатам экспериментов и результатам, полученным в рабочих режимах эксплуатации ИК ДГ; базируется на совокупности взаимосвязанных физико-химических показателей, органолептических показателей качества и показателей безопасности продукции, достоверной воспроизводимостью экспериментальных результатов лабораторных и производственных испытаний, с помощью современных физико-химических и микробиологических методов анализа, методов математической обработки экспериментальных данных. Безопасность продукции подтверждена исследованиями опытных партий в ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Мурманской области» (Федеральная служба в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека), ФГУ «Мурманский центр стандартизации, метрологии и сертификации» Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.
Практическая ценность и реализация работы. Полученные аналитические и экспериментальные зависимости могут быть использованы на стадии конструкторской и технологической подготовки коптильного производства при расчете, проектировании и изготовлении устройств для генерации безопасной коптильной среды. Применение этих зависимостей даст возможность ускорить и удешевить стадию конструкторской разработки благодаря сокращению продолжительности исследовательских работ и этапа физического моделирования.
Предложенный математический аппарат позволил разработать методику и программное обеспечение расчета температуры пиролиза в процессе дымогенера-ции с ИК-энергоподводом (свидетельство о гос. регистрации № 2009610559), что дает возможность прогнозировать и оптимизировать этот основной фактор безопасности коптильной среды в действующих или проектируемых аппаратах в зависимости от выбранных технологических параметров.
Научные результаты разработки способов получения коптильного дыма с применением энергии ИК-излучения использованы при проектировании ИК ДГ 1-го и 2-го поколений. Способы и устройства защищены патентами РФ № 2171033 и №2004118474/13.
На основании изучения массо- и теплообменных процессов в слое топлива при ИК-дымогенерации определены рекомендуемые технологические режимы для топлива разной насыпной массой, которые вошли в разработанную и утвержденную техническую документацию (ТД): Исходные требования на устройство для получения коптильного дыма с использованием энергии ИК-излучения, Технологический регламент на генерацию дыма с использованием энергии ИК-излучения, Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИК-дымогенератора.
Разработаны технологии широкого ассортимента деликатесных копченых рыбных продуктов - подкопченной рыбы и слабосоленой рыбы с ароматом копчения (более 40 наименований), отличающихся высокими гастрономическими качествами и канцерогенной безопасностью. Неоднократно данная продукция была высоко оценена на всероссийских и международных выставках. Разработана, согласована и утверждена техническая документация: ТУ 9263-003-00471633—07 «Рыба под-
копченная. Технические условия» и ТИ, ТУ 9263-004-00471633—07 «Рыба слабосоленая с ароматом копчения. Технические условия» и ТИ.
Результаты работы внедрены в ФГОУВПО «МГТУ» на базе научно-производственной лаборатории «Современных технологических процессов переработки гидробионтов» и учебно-экспериментального цеха, Усть-Лужского рыбокомбината (г. Усть-Луга, Ленинградская область), ООО «Капитан» (г. Мурманск), 000 «Лицис-93» (г. Остас 1, Роя, Латвия). Результаты научных исследований используются в учебном процессе на технологическом факультете МГТУ, при выполнении ГБ НИР № 01900025623 «Разработка малоотходных технологических процессов получения солено-сушеных и копченых изделий из водного сырья». Показана экономическая целесообразность реализации разработок.
Научные положения, выносимые на защиту.
Способ получения коптильного дыма с ИК-энергоподводом к увлажняемому водой и водяным паром топливу и устройство для его осуществления - ИК-дымогенератор 1-го и 2-го поколений, рекомендуемые режимы ИК-дымогенерации.
Исследование тепло- и массообменных процессов, протекающих в древесном топливе при дымогенерации с использованием энергии инфракрасного излучения.
Концепция комплексного использования дымовой коптильной среды, вырабатываемой низкотемпературным пиролизом с ИК-энергоподводом, путем максимального учета особенностей ее функционально-технологических свойств.
Исследования массообменных процессов, физико-химических
и микробиологические изменений, происходящих в рыбопродукции, изготовленной с использованием дымовой и жидкой коптильных сред, полученных с применением ИК-дымогенератора, на разных этапах технологического цикла.
Алгоритм системно-комплексного решения задачи повышения качества и безопасности новой рыбной продукции, изготовляемой с применением коптильной среды низкотемпературного пиролиза с ИК-энергоподводом, на основных этапах ее жизненного цикла.
Технология изготовления подкопченной рыбы с использованием ДВС, вырабатываемой ИК-дымогенератором; рекомендуемые технологические режимы, условия хранения и сроки годности, разработанные с учетом факторов, влияющих на комплексную оценку качества продукции на основе научно обоснованного ИПК.
Исследования подкопченной продукции и продукции слабосоленой с ароматом копчения на соответствие показателям безопасности действующих нормативных документов.
Апробация работы. Результаты выполненных исследований были представлены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, научных и инженерных работников МВИМУ-МГТУ (1993— 2002 гг.); на Международной конференции «Состояние и перспективы развития рынка рыбных товаров Северного и Северо-Западного регионов России» (г. Мурманск, 2000 г.), Научно-техническом симпозиуме «Современные средства воспро-
изводетва и использования водных ресурсов» (Санкт-Петербург, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Перспективы развития рыбохозяйст-венного комплекса России - XXI век» (г. Москва, 2002 г.), Научно-практическом семинаре «Стратегия развития берегового рыбоперерабатывающего комплекса и технологий в современных условиях региона» в рамках III Международной специализированной выставки «Море. Ресурсы. Технологии - 2002» (г. Мурманск, 2002 г.), Международной научно-технической конференции «Наука и образование» (г. Мурманск, МГТУ, 2003-2010 гг.), Круглом столе «Современные направления переработки гидробионтов» в рамках IV Международной специализированной выставки «Море. Ресурсы. Технологии - 2003» (г. Мурманск, 2003 г.), 2-й Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию заслуженного деятеля науки и техники РСФСР профессора Попова В. И. «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (г. Воронеж, 2004 г.), Международной научно-практической конференции «О приоритетных задачах рыбохозяйствен-ной науки в развитии рыбной отрасли России до 2020 года» (г. Москва, 2004 г.).
ИК ДГ 2-го поколения удостоен диплома I Международной рыбопромышленной выставки «Рыбные ресурсы - 2002» (г. Москва, 2002 г.) в рамках конкурсной программы в номинации «За новаторство в области технологии рыбной продукции», диплома Международной многоотраслевой выставки «Россия - Великобритания. Торгово-экономическое сотрудничество, реалии и перспективы - 2002», диплома III Международной рыбопромышленной выставки «Рыбные ресурсы -2004» (г. Москва, 2004 г.). На Международной рыбопромышленной выставке «Рыбпромэкспо - 2006» (г. Москва, 2006 г.) награжден дипломом «За разработку технологической линии и способа получения безопасных коптильных сред в составе ИК-дымогенератор, абсорбер для получения коптильного препарата», медалью «Знак качества» за разработку подкопченной рыбопродукции с использованием ИК-дымогенератора.
Технология филе рыбного подкопченного была награждена дипломом IV Международной специализированной выставки «Море. Ресурсы. Технологии — 2003» (г. Мурманск), медалью Федерального агентства по рыболовству «За инновации в рыбной отрасли» на 3-й Международной промышленной выставке «Рыбные ресурсы» (г. Москва, 2004 г.); дипломом «За разработку подкопченной рыбопродукции в биополимерной пленке (филе рыбное, мойва)» на V Международной специализированной выставке «Море. Ресурсы. Технологии — 2004» (г. Мурманск), дипломом III Международной рыбопромышленной выставки «Рыбные ресурсы -2004» (г. Москва). На XI Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Санкт-Петербург) награждена серебряной медалью в номинации «Лучший инновационный проект в области производственных технологий», дипломом «За разработку новых видов продукции: слабосоленая ароматизированная продукция из сельди и форели» на V Международной специализированной выставке «Море. Ресурсы. Технологии - 2004»; дипломом «За разработку подкопченной продукции из малоиспользуемых объектов промысла (пангасиус, морской петух)» на Международной рыбопромышленной выставке «Рыбпромэкспо
- 2006» (г. Москва, 2006 г.); дипломом победителя дегустационного конкурса в номинации «За разработку новых технологий - продукция подкопченная в ассортименте» VII Международной специализированной выставки «Море. Ресурсы. Технологии - 2006» (г. Мурманск, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 научных работ, в том числе в изданиях, рекомендуемых ВАК, - 13, получено 2 патента РФ на изобретение, разработано 3 программы для ЭВМ. Результаты научных исследований вошли в учебное пособие с грифом УМО по образованию в области рыбного хозяйства и в учебник с грифом УМО по образованию в области технологии сырья и продуктов животного происхождения.
Личное участие автора являлось обязательным на всех стадиях работы и заключалось в формировании научного направления, постановке задач и целей исследования, разработке экспериментальных и теоретических подходов при выполнении эксперимента и формулировании выводов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, включающего 399 наименований, и приложений. Каждая глава сопровождается самостоятельными выводами.
Работа изложена на 308 страницах машинописного текста, содержит 43 таблицы, 111 рисунков, 16 приложений.
Похожие диссертации на Научно-практические основы получения коптильных сред с использованием энергии ИК-излучения и применения их в технологии переработки водного сырья
