Введение к работе
Актуальность работы. Совершенствование процесса сушки плодов – одна из важнейших задач для пищевой промышленности, что обусловлено низкой степенью переработки сырья. Моральный и физический износ промышленного пищеконцентратного и овощесушильного оборудования составляет не менее 80 %, что сдерживает применение прогрессивных технологий и расширение ассортимента. Используемое технологическое оборудование для переработки яблок, в основном, импортное и периодического действия. Оно характеризуется низкой энергетической эффективностью, небольшой производительностью, а также получением готового продукта недостаточно высокой пищевой ценности. Поэтому актуальным является создание перспективного машинно-аппаратурного оформления переработки плодов, создание эффективных способов и конструкций сушилок с использованием объемных видов подвода энергии различными энергетическими полями, в т.ч. на основе электромагнитных колебаний сверхвысоких частот.
Мировое производство яблок в 2012 г оценивается в 65,23 млн т. Этот объем на 4% выше, чем в предыдущем году и на 11% больше по сравнению со средним показателем за последние пять сезонов. Объем валового сбора яблок в Воронежской обл. составляет около 93,4 тыс. т., потери от валового сбора 18,7 тыс. т. или 20 % по отношению к объему валового сбора, при производстве сушеных яблок - 0,46 тыс. т. (0,53 % от валового сбора) и производстве продукции из яблок 7,5 тыс. т (8,02 % от валового сбора).
Яблочные чипсы являются высококачественным продуктом питания, обладают высокими диетическими и вкусовыми свойствами. Они сделаны из натуральных яблок путем сушки, без использования обжаривания и масла, по сравнению с картофельными чипсами. Благодаря ценным питательным свойствам данный яблочный продукт популярен на мировом рынке. В настоящее время продолжительность процесса сушки при производстве яблочных чипсов составляет 44,5 часа.
Научное обоснование и внедрение новых инновационных способов сушки плодов с меньшими энергозатратами и перспективного оборудования представляет актуальную задачу. Использование СВЧ–энергоподвода для сушки растительного сырья позволяет существенно обеспечить энерго- и ресурсосбережение при значительной интенсификации технологических процессов и в максимальной степени сохранить пищевую и биологическую ценность продукта.
Фундаментальные работы в области изучения СВЧ–энергии представлены И.В Лебедевым, Ю.Н. Пчельниковым, В.Т. Свиридовым. Значительные работы по исследованию плодоовощного сырья, созданию методов определения теплофизических характеристик и их анализа, выполнены Г.М. Кондратьевым, А.В. Лыковым, А.Ф. Чудновским, Г.Н. Дульневым, Г.И. Красовской, М.А. Громовым, А.С. Гинзбургом, И.Т. Кретовым, Г.М. Никаноровым и др.
Повышение энергетической и эксергетической эффективности сушильного оборудования представляет собой комплексную задачу, включающую обеспечение высокого качества готового продукции, снижение металлоемкости, тепловой и электрической энергии, повышение экономической эффективности, обеспечение безопасности жизнедеятельности персонала и охраны окружающей среды.
Цель диссертационной работы: научное обеспечение процесса комбинированной конвективно–СВЧ–сушки при производстве яблочных чипсов, создание принципиально нового оборудования и высокоэффективного ресурсосберегающего способа получения яблочных чипсов, вследствии использования по-стадийных режимов влаготепловой обработки и повышения качества яблочных чипсов.
В соответствии с целью решались следующие задачи:
1. Изучение свойств яблок как объекта исследования, систематизация полученных данных и формулировка на их основе рабочих гипотез по использованию изучаемых сортов яблок при производстве чипсов. Определение структурно-механических, теплофизических, электрофизических свойств; рганолептических показателей, а также активности воды и антиоксидантной активности, осуществление дифференциально-термического и термогравиметрического анализов.
2. Разработка математической модели процесса комбинированной конвективно–СВЧ–сушки яблок.
3. Изучение кинетических закономерностей процесса сушки яблок с использованием перегретого пара и СВЧ–энергии.
4. Определение рациональных технологических параметров по-стадийного процесса комбинированной конвективно–СВЧ–сушки яблок.
5. Выполнение сравнительной качественной оценки полученных яблочных чипсов.
6. Разработка ресурсосберегающего способа получения яблочных чипсов, конструкции аппарата непрерывного действия и аппаратурно-технологической схемы производства.
7. Составление методики инженерного расчета блоков и секций оборудования влаготепловой обработки яблок.
8. Выполнение теплового и эксергетического анализа предлагаемой технологии производства яблочных чипсов .
9. Проведение промышленной апробации результатов работы.
Научная новизна. На основании обобщения и анализа данных, предложен способ производства яблочных чипсов. Изучены кинетические закономерности комбинированной конвективно–СВЧ–сушки яблок. Предложена математическая модель постадийного осуществления процесса комбинированной непрерывной сушки.
В результате дифференциально-термического и термогравиметрического анализа яблок, определены характеристические температуры ступеней гидратации, деструкции веществ и температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений, определяемые пиками эндотермических эффектов, сопровождающихся испарением влаги и возможным отделением газообразных фракций.
Получены кинетические характеристики дегидратации, изменения органических кислот и деструкции веществ яблок: энергия активации (E), показатель реакции (n) и предэкспоненциальный множитель (А), температурный коэффициент скорости реакции () для различных стадий процесса и сортов «Антоновка», «Синап» и «Богатырь».
Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности тепло- и массообмена в процессе комбинированной конвективно–СВЧ–сушки.
Определен химический состав, качественные показатели, биологическая ценность и антиоксидантная активность исходных яблок и полученных яблочных чипсов.
По итогам эксерго-экономических исследований предложен симплекс, отражающих рациональные режимы влаготеплового воздействия при переработке плодоовощного сырья.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2483571 и 2 положительными решениями по заявкам на предполагаемое изобретение (№ 2012104280, № 2012127498).
Практическая ценность. На основании комплекса исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях, обоснованы рациональные конструктивные и режимные параметры влаготепловой обработки яблок.
Предложен способ комбинированной конвективно–СВЧ–сушки яблок. Спроектирован аппарат непрерывного действия для влаготепловой обработки растительного сырья.
Разработана аппаратурно-технологическая схема линии для производства яблочных чипсов. Благодаря предложенному способу достигается равномерная влаготепловая обработка продукта вследствие попеременного влаготеплового воздействия потоком пара, СВЧ-энергии и увлажнения, а также использования «мягких» температурных и «щадящих» режимов; повышение качества готового продукта за счет использования комбинированного по-стадийного осуществления конвективно-СВЧ-сушки с учетом кинетических закономерностей процесса рационального гидродинамического режима слоя дисперсного продукта, снижение отрицательного влияния термического процесса на термолабильный продукт и обеспечение высокой пищевой ценности готового продукта
Получен пищевой продукт с гармоничным сочетанием органолептических свойств чипсов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2012), (Москва, 2011), (Курск, 2011); отчетных научных конференциях ВГТА за 2009-2011 гг; отчетных научных конференциях ВГУИТ за 2012 г.
Научная работа отмечена грамотой международного научно-технического семинара к 100-летию А.В.Лыкова «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» и Комитета РосСНИО по проблемам сушки и термовлажностной обработки материалов (Москва, Воронеж, 2010).
Результаты работы демонстрировались на выставках и были награждены: сертификатом за участие в отборочном туре Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ (Белгород, 2011); дипломом за лучшую научную работу III Общероссийской студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2011»; двумя дипломами III Воронежского агропромышленного форума (Воронеж, 2011); грамотой на всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Инновационные технологии и технические средства для АПК» (Воронеж, 2011); двумя дипломами на V Воронежском промышленном форуме (Воронеж, 2012); дипломом 29-й межрегиональной специализированной выставки «Пищевая индустрия» (Воронеж, 2012).
Работа выполнялась в рамках НИР «Разработка энергосберегающих технологий и оборудования для их реализации на основе новых теоретических и экспериментальных данных по гидродинамике, кинетике и тепломассообмену» в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт Г/К № 14.74.11.0980 от 05.05.2011 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ, в т.ч. 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, получен 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков и 22 таблицы. Список литературы включает 167 наименований.
