Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии сушки грибов 14
1.1. Комплексная оценка культивируемых грибов как объекта исследования 14
1.1.1. Характеристика и пищевая ценность вешенки 15
1.1.2. Характеристика и пищевая ценность шампиньонов 20
1.2. Краткий обзор техники и технологии сушки грибов 24
1.2.1. Кинетика процесса сушки грибов 24
1.2.2. Теоретические предпосылки моделирования процесса сушки культивируемых грибов 30
1.2.3. Влияние сушки на потребительские свойства грибов 31
1.2.4. Сохраняемость сушеных грибов 38
1.2,5. Технология и техника сушки грибов 41
1.2.5. Перспективы применения перегретого пара атмосферного давления для сушки культивируемых грибов 55
1.2.6. Обоснование использования импульсного псевдо-ожиженного слоя для сушки культивируемых грибов 60
1.3. Анализ литературного обзора и задачи исследования. 61
Глава 2. Исследование процесса сушки культивируемых грибов перегретым паром атмосферного давления 65
2.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 65
2.2. Исследование гидродинамики слоя культивируемых грибов, продуваемого перегретым паром 75
2.2.1. Исследование усадки слоя культивируемых грибов при сушке перегретым паром 83
2.3. Исследование кинетики процесса сушки культивируемых грибов перегретым паром атмосферного давления 88
Глава 3. Математическое моделирование процесса сушки грибов перегретым паром 94
3.1. Математическая модель процесса сушки грибов 94
3.2. Уравнения тепло - массопереноса с постоянными коэффициентами
Глава 4. Комплексная оценка качества культивируемых грибов «Вешенки»и «Шампиньоны» 105
4.1. Исследование показателей качества сушеных культивируемых грибов 105
4.2. Исследование культивируемых грибов методом дифференциально-термического анализа 110
Глава 5. Разработка конструкций аппаратов и рациональных режимов процесса сушки грибов 121
5.1. Методика расчета сушилки для культивируемых грибов 121
5.2. Разработка конструкций аппаратов для сушки культивируемых грибов 125
5.3. Разработка рациональных режимов процесса сушки культивируемых грибов перегретым паром 136
5.4. Расчет ожидаемого экономического эффекта от использования сушилки для культивируемых грибов 140
Основные выводы и результаты 142
Литература 144
Приложение
- Характеристика и пищевая ценность вешенки
- Исследование гидродинамики слоя культивируемых грибов, продуваемого перегретым паром
- Уравнения тепло - массопереноса с постоянными коэффициентами
- Исследование культивируемых грибов методом дифференциально-термического анализа
Введение к работе
Стабильное снабжение населения Российской Федерации высококачественными, биологически полноценными, экологически безопасными продуктами питания можно обеспечить, развивая производственный потенциал пищевой промышленности [33, 42,94].
В улучшении обеспечения населения продуктами питания важная роль принадлежит пищеконцентратной промышленности.
Пищевые концентраты имеют все большее значение в питании населения. Этому способствуют малые массы и объем, большая концентрация сухих веществ, быстрая растворимость и хорошая сохраняемость продуктов. Пищевые концентраты вырабатывают из высококачественных продуктов растительного и животного происхождения с применением технологии, способствующей получению продуктов, содержащих в своем составе необходимые для организма количества белков, жиров, углеводов, минеральных веществ и витаминов. Одним из существенных отличий концентратов от свежих и консервированных продуктов является малое содержание в них влаги, которое колеблется от 3 до 13 % [20, 36].
Основное отличительное свойство пищевых концентратов - их наиболее полная кулинарная подготовка, что позволяет тратить минимум времени и энергии на приготовление пищи. Создание на основе пищеконцентратов комплексных рационов питания человека в обычных и экстремальных условиях позволит добиться лучшей сбалансированности в организации питания.
За последние годы существенно расширился ассортимент продукции [100], появились новые виды пищевых концентратов, в состав которых все чаще включают грибы, в том числе, и культивируемые. Культивируемые грибы обладают высокой пищевой ценностью и пользуются устойчиво высоким спросом на рынке. Сушеные грибы входят в состав многих деликатесных блюд.
Ученые считают, что в ближайшее время растительный белковый продукт культивируемых грибов сыграет важную роль в существенном увеличении ресурсов белка в мире [22, 24-28].
Выращивание грибов, по сравнению с другими отраслями сельского хозяйства позволяет получить значительно больший выход товарной продукции с 1 м полезной площади. Оно является практически безотходным производством, использующим отходы растениеводства и животноводства. Кроме того, употребление в пищу лесных грибов в последние годы, вследствие сильного загрязнения окружающей среды, может оказаться смертельно опасным. А искусственно выращенные грибы являются экологически чистым продуктом, исключающим возможность отравления. При правильном подходе переработка грибов является производством с довольно высоким уровнем рентабельности. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что рентабельность современного производства грибов составляет 100... 120 % [22,29].
Грибы выращивают более чем в семидесяти странах мира. Высокий уровень развития грибоводства наблюдается в Китае, Нидерландах, Англии, Франции, Италии. Среди производителей шампиньонов лидирует Польша, а среди производителей вешенки - Венгрия. В мировом производстве грибов -первенство за США [53, 54].
За последние годы производство искусственно выращиваемых грибов в
Российской Федерации стабильно увеличивается [33] (табл. 1).
Таблица 1 Динамика производства грибов в России 1994-2001 годы (тонны)
В России выращивают не только шампиньон, но и другие грибы. Все более популярными становятся вешенки. Их доля в общем производстве грибов в 2001 году составила 18 % (табл. 2).
Таблица 2 Структура производства грибов в России (%)
К сожалению, российские грибоводы даже при постоянном увеличении производства грибов, не могут пока удовлетворить растущий спрос на свою продукцию. В основном это касается шампиньонов. Импорт именно этих грибов неуклонно продолжает свой рост (табл. 3).
Таблица 3 Импорт свежих грибов в Россию в 2001 году (тонны)
Общий темп роста импорта свежих шампиньонов на 2001 г, составил 44 %, что почти в 10 раз больше, чем рост их российского производства. Отечественные производители не успевают обеспечивать растущий спрос на эти грибы.
Российские предприятия продолжают очень мало уделять внимания переработке грибов. В 2001 году переработано не более 5 % российских культивируемых грибов. Из них сушатся лишь 1,5 %.
Все это позволяет иностранной продукции почти полностью оккупировать полки супермаркетов крупных российских городов. Китайские, польские, французские, голландские, немецкие, испанские, украинские консервированные шампиньоны не встречают никакого сопротивления со стороны наших производителей. По оценке в 2001 году в Россию было завезено около 12000 тонн консервированных культивируемых грибов. Объем импорта замороженных грибов - около 8500 тонн [33].
Только каждый четвертый килограмм культивируемых грибов, съеденный в 2001 году россиянами, был российским. 33 % всех грибов было потреблено после вскрытия консервных банок, 24 % - после разморозки (табл. 4).
Таблица 4 Потребление грибов в России в 2001 году
Если в развитых странах годовое потребление выращиваемых грибов составляет около четырех килограммов на одного человека, то в Российской Федерации оно не превышает 100 г. Очевидно, что производство культивируемых грибов в целом не удовлетворяет спрос нашего населения на такой ценный продукт. Эта отрасль во многих хозяйствах убыточна, что не способствует популярности и широкому ее развитию. Во многом это связано с отсутствием прогрессивных технологий, обеспечивающих высокое качество готовой продукции на основе внедрения новой техники, способствующей экономии исходного сырья, энергии, материалов; высоко эффективных машин и аппаратов, обеспечивающих полную автоматизацию и механизацию технологических процессов [40,42, 46,49, 71-73].
Актуальность работы. Обладая высокой пищевой ценностью, сушеные грибы «Вешенки» и «Шампиньоны», как важнейший компонент, входят в состав первых и большинства вторых обеденных блюд, пиццы, фаготини, и других видов продуктов. Этим объясняется их большой спрос на рынке.
Потребительские свойства сушеных грибов (их аромат и специфический вкус) формируются в процессе сушки [24, 26]. Новые физические, вкусовые и ароматические свойства грибов, образующиеся при сушке, обусловлены существенными изменениями состава сырья, происходящими в результате биохимических реакций. При производстве сушеных грибов очень важно соблюдать параметры, которые способствуют прохождению биохимических процессов, направленных на создание продукта с высокими пищевыми достоинствами, сильным ароматом и приятным вкусом.
Однако традиционная сушка грибов воздухом сопряжена со значительными энергозатратами и невысоким качеством готового продукта [98, 99].
Необходима разработка новых сушильных установок с комбинированными гидродинамическими режимами, а также использование в качестве теплоносителя перегретого пара атмосферного давления, с помощью которого достигаются максимальные возможности рекуперации теплоты [3, 34-36, 41, 50, 70, 72, 76, 105, 113]. При этом повышается энергетический КПД процесса, что обусловлено возможностью использования вторичного пара за счет применения рециркуляции [34, 55]. Создание таких высокоэффективных установок, обеспечивающих полную автоматизацию и механизацию технологических процессов, позволит изготовить поточно-механизированные линии, обеспечивающие значительное повышение производительности труда, безотходную переработку культивируемых грибов и ууулучшение их качества.
Теоретические основы тепломассообмена в процессах сушки пищевого растительного сырья и их аппаратурное оформление отражены в работах А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, Б.С. Сажина, В.И. Муштаева, В.В. Куцаковой, Б.И. Леончика, Ю.А. Михайлова, Ю.Т. Жука, А.Н. Острикова и др.
Из зарубежных исследователей, работающих в этом направлении, следует отметить О. Кришера, Т. Хиодо, Р. Тоеи, Т. Масазуку, Т. Сигеру и др.
Развитие теории, техники и технологии тепломассообменных процессов подготовило условия для научного подхода к разработке новых способов сушки культивируемых грибов и рациональных конструкций сушильных установок, обеспечивающих наименьшие потери теплоты и электроэнергии.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств Воронежской государственной технологической академии по теме «Исследование гидродинамики, тепло- и массообмена в системах: твердое тело - жидкость, твердое тело -газ при течении в каналах разной геометрической формы» (№ гос. регистрации 01.960.006217).
Цель диссертационной работы: научное обеспечение процесса сушки культивируемых грибов перегретым паром атмосферного давления при комбинированных гидродинамических режимах; повышение эффективности процесса за счет разработки нового способа сушки и сушильных установок для его реализации, обеспечивающих экономию теплоэнергетических ресурсов при требуемом качестве готовой продукции.
Научная новизна. Обоснована целесообразность использования комбинированных гидродинамических режимов для сушки культивируемых грибов.
Определены гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя культивируемых грибов, позволяющие обеспечить стабильное поддержание заданных технологических режимов.
Установлены кинетические закономерности процесса сушки культивируемых грибов при комбинированных гидродинамических режимах.
Выявлены температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной энергией связи и термическому разложению белково-углеводного комплекса.
Разработана математическая модель процесса сушки культивируемых грибов перегретым паром атмосферного давления в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных в сферических координатах, описывающая процессы тепло- и массопереноса.
Практическая ценность. Разработано программное обеспечение процесса сушки культивируемых грибов перегретым паром атмосферного давления при комбинированных гидродинамических режимах.
Предложен способ сушки культивируемых грибов и оригинальные конструкции сушильных установок для его реализации.
Проведено комплексное исследование качественных показателей культивируемых грибов, высушенных перегретым паром атмосферного давления при комбинированных гидродинамических режимах. Установлено, что грибы «Вешенки» и «Шампиньоны», высушенные перегретым паром атмосферного давления, обладают хорошими потребительскими свойствами и имеют высокую пищевую ценность.
Разработан инженерный метод расчета сушильных установок для культивируемых грибов.
Новизна технических решений защищена тремя положительными решениями о выдаче патента РФ.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались: на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2002 по 2004 г.г.); II международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2002 г.); всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России» (Уфа, 2003 г.); межрегиональной конференции молодых ученых «Пищевые технологии» (Казань, 2004 г.); всероссийском семинаре «Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания в России» (Орел, 2004 г.); научно-практической конференции «Качество и безопасность сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов» (Углич, 2004 г.).
Работа отмечена стипендией администрации Воронежской области за
2004-2005 г.г.
Результаты работы демонстрировались на 17-й межрегиональной выставке «Продторг» (22-24 октября 2003 г.), выставке «Центрагромаш» (14 ноября 2003 г.), IV московском международном салоне инноваций и инвестиций и награждены дипломами. Соискатель принял участие в конкурсе инновационных проектов в рамках 17-й межрегиональной выставке «Продторг» и награжден дипломом.
Представленная диссертационная работа обобщает новые результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса сушки культивируемых грибов перегретым паром атмосферного давления при комбинированных гидродинамических режимах, проведенных непосредственно автором под научным руководством д. т. н. профессора А.Н. Острикова.
Характеристика и пищевая ценность вешенки
Род вешенки (Pleurotus) объединяет около 30 видов. Почти десяток видов вешенок культивируется. Наибольшее распространение получила вешенка обыкновенная - Pleurots ostreatus [53].
Вешенка обыкновенная. В природе она встречается на пнях, влажных стволах деревьев лиственных пород. Плодоносит с июня до осенних заморозков. Гриб имеет белую мякоть с приятным запахом. Шляпка диаметром до 20 см, полукруглая, уховидная, гладкая, серовато-желтого или буроватого цвета.
Пластинки, нисходящие по ножке, редкие, толстые, белые, около ножки с перемычками. Споровый порошок белый или слегка розоватый. Споры эллипсоидные. Ножка эксцентрическая, редко центральная, короткая, до 4 см длины и 2 см толщины, сужающаяся к основанию, в основном волосистая.
Вешенка рожковидная - Pleurots Cornucopiae встречается на пнях и стволах вязов и кленов с июня по август (рис. 1.1). Растет большими группами. Шляпка 3...12 см в диаметре, вначале выпуклая, затем во-ронковидная, беловатая или желтоватая, с возрастом темнеет. Мякоть толстая, плотная, белая, с мучнистым запахом. Пластинки далеко нисходящие по ножке, узкие, редкие, белого или слабо-желтого цвета. Споровый порошок белый. Споры удлиненно-овальные. Ножка короткая - длиной 1 см, толщиной 1,5...2,0 см, эксцентрическая или центральная, белого цвета, иногда она отсутствует. В Японии, Китае и в Приморском крае этот гриб выращивают на валежных вязах. Вешенка степная - Pleurots eryngii растет в степных районах на кор нях и отмерших стеблях некоторых зон тичных растений в сентябре - октябре (рис. 1.2). Шляпка диаметром 4...8 см, плосковыпуклая, часто неправильной формы, гладкая или слегка чешуйчатая, серовато-рыжеватая, желтоватая, желтовато-коричневая. Мякоть мясистая, белая или желтоватая. Пластинки нисхо Рис. 1.2. Вешенка степная дящие, редкие, белые. Ножка эксцентри ческая, у молодых плодовых тел почти центральная длиной 4 см, шириной 2 см, суженная к основанию, беловатая, плотная.
Вешенка легочная - Pleurots pulmonarius. Шляпка выпуклораспростертая, боковая, белая с сероватым оттенком и нежным налетом. Пластинки нисходящие, частые, белые, тонкие. Мякоть белая, тонкая, с приятным запахом. Ножка боковая, короткая, белая, войлочно-опушенная, часто отсутствует вовсе. Растет группами на мертвых деревьях лиственных пород. Плодоношение наблюдается в июне-октябре. Съедобна, но старые, крупные экземпляры жестковаты.
Вешенка лимонно шляпковая (гриб-ильмак) - Pleurots citrinopileaus имеет ярко-лимонную окраску шляпки и большое количество плодовых тел в одном сростке, В природных условиях растет на сухостое и валежнике всех дальневосточных видов ильма, изредка встречается на березе и тополе. Она распространена в основном на Дальнем Востоке, где и культивируется на древесине тополя, осины, березы.
Вешенка флоридская - Pleurots florida. Шляпка диаметром 10...20 см, воронковидная или полукруглая. Ножка 2...5 см длиной и 1..,2 см толщиной, центральная или эксцентрическая. Мякоть белая, с приятным запахом. От ве-шенки обыкновенной отличается менее мясистым телом и светлой окраской плодовых тел. Родина - Северная Америка. Выращивается на Кавказе на древесине бука. При интенсивном культивировании требует более высоких температур, чем вешенка обыкновенная. Вешенка флоридская не является самостоятельным видом - это географическая раса вешенки обыкновенной.
Грибы рода вешенка обладают рядом ценных качеств и преимуществ перед другими культивируемыми грибами. Вешенка очень технологична, имеет высокую скорость роста и значительную конкурентоспособность по отношению к посторонней микрофлоре. Гриб растет на различных целлюлозо -и лигнинсодержащих растительных отходах сельского хозяйства, пищевой и лесоперерабатывающей промышленности. Вообще по количеству субстратов, на которых ее культивируют, вешенка не имеет себе равных.
Плодовые тела вешенки, безусловно, ценный продукт питания. Долгое время отношение к грибам было неоднозначным. То их считали равноценными мясу и яйцам, то называли бесполезным продуктом, который из-за большого количества хитина почти не переваривается в желудке. Последние данные химического состава вешенки показывают, что она содержит все необходимые организму человека вещества (белки, жиры, углеводы, минеральные соли, витамины), имеет низкую калорийность (3,..5 ккал), но даже в небольшом количестве вызывают чувство сытости.
Сумма заменимых аминокислот: 2,36 1,42 7,85 Так как клеточные оболочки грибов содержат хитин, который не разлагается в желудочно-кишечном тракте, вешенки готовят таким образом, чтобы максимально освободить содержание клеток. Для этого грибы мелко нарезают, сухие - размалывают и подвергают термической обработке, вследствие чего усваиваемость содержащихся в них белков достигает 70 %.
По содержанию жиров вешенки превосходит все овощные культуры. В плодовых телах вешенки содержится 5,4 % липидов (жиров), причем в значительных количествах присутствуют стерины, фосфатиды, эфирные масла и полиненасыщенные жирные кислоты, которые не могут синтезироваться в организме человека и являются незаменимыми. Эти кислоты обеспечивают нормальный рост тканей и обмен веществ, препятствуют отложению холестерина.
Следующим важным компонентом являются углеводы (43,9 %). Основная их часть, входящая во фракцию клетчатки, нормализует деятельность кишечной микрофлоры и способствует выведению из организма холестерина и различных токсических веществ.
Исследование гидродинамики слоя культивируемых грибов, продуваемого перегретым паром
Стационарный слой измельченных (кубики с размером граней бхбхб) культивируемых грибов представляет собой систему с весьма сложными и многообразными геометрическими характеристиками. Для его полного описания необходимо знать линейные размеры всех частиц продукта, их общее число в единице объема и взаимное расположение, характер и степень извилистости поровых каналов. Однако, такое детальное описание слоя очень сложно, поэтому целесообразно рассматривать слой в среднем как однородную изотропную среду, основными обобщенными характеристиками которой являются порозность є и удельная поверхность зернистого слоя а [2, 6, 30, 44]. Остальные многочисленные структурные параметры слоя - распределение зерен по размерам и форме, усадка и др. - в меньшей степени влияют на гидравлическое сопротивление слоя. Поры, пронизывающие частицы продукта, заполнены влагой. В них практически отсутствуют гидродинамические потоки, обусловленные воздействием перегретого пара, поэтому величиной внутренней порозности евн можно пренебречь.
Отклонение конечной удельной поверхности ак от начальной удельной поверхности а0 для исследуемых видов грибов было значительным, что указывает на значительную усадку продукта при влаготепловой обработке перегретым паром (табл. 2.4 и табл. 2.5).
На рис. 2.3 и рис. 2.4 приведено изменение гидравлического сопротивления слоя культивируемых грибов от времени при различных значениях температуры перегретого пара [60, 64]. Анализ изменения гидравлического сопротивления слоя культивируемых грибов в процессе сушки указывает на экспоненциальное уменьшение АР, которое обусловлено снижением влажности продукта. Отмечено наличие участка (с 1440 до 2160 с - для грибов «Вешенки»; с І980 до 2880 с - для грибов «Шампиньоны») с незначительным изменением гидравлического сопротивления слоя продукта. Это обусловлено тем, что в этот момент времени изменение влажности продукта незначительно, так как интенсивного испарения влаги из грибов уже не наблюдается. Уменьшение АР связано с изменением порозности слоя, влажности и усадкой частиц продукта. Таблица 2.4 Значения удельной поверхности грибов «Вешенки» в процессе сушки
Изменение гидравлического сопротивления слоя грибов "Шампиньоны" от времени при различных значениях температуры перегретого пара, К: а - 403; б - 413; в - 423; q„ = 17,5 кг/м2 Установлено также, что коэффициент гидравлического сопротивления слоя частиц продукта Я зависит в основном от скорости перегретого пара и практически не зависит от величины удельной нагрузки слоя овощей на решетку.
Отклонение расчетных данных по формуле (2.5) от экспериментальных не превышало для грибов «Вешенки» 24,1 % (рис. 2.5), а для грибов «Шампиньоны» 4,8 % (рис. 2.6). В области движения сушильного агента с преобладанием сил инерции (Леэ 2000) коэффициент гидравлического сопротивления Л зависит от скорости пара, удельной поверхности слоя продукта, которая является функцией вл агосодержания. При движении перегретого пара сквозь слой высушиваемых культивируемых грибов его температура и насыщение влагой снижаются. Это меняет вязкость пара. Значения критерия Re3i вычисленные с учетом изменения всех входящих в него величин в процессе сушки культивируемых грибов перегретым паром, изменялись в диапазоне от 663 до 1648.
Одним из факторов, ухудшающих качество культивируемых грибов при сушке перегретым паром атмосферного давления, является растрескивание. Оно происходит вследствие развития объемно-напряженного состояния свы # ше предельно допустимого. Это напряженное состояние обусловлено недо пустимой усадкой, которая возникает в результате неравномерного распределения полей влагосодержания и температуры внутри продукта [11, 47]. После сушки частицы грибов должны сохранить свой объем и пористую структуру. Именно такая структура будет способствовать более быстрому восстановлению грибов при их приготовлении. В связи с этим необходимо количественно оценить величину усадки для исследуемых культивируемых грибов.
В результате проведенных исследований выявлено значительное изменение высоты слоя культивируемых грибов в течение процесса сушки за счет их усадки: для грибов «Вешенки» от 60 мм в начале процесса до 5...13 мм в конце сушки (рис. 2.7) и для грибов «Шампиньоны» от 70 мм в начале процесса до 5... 7 мм в конце сушки (рис. 2.8) [62]. С возростаниеи температуры перегретого пара относительная усадка увеличивается (рис. 2.9 и рис 2.10), что объясняется увеличением градиента влагосодержания внутри материала, которое обусловлено достижением продуктом более высокой температуры при сушке перегретым паром.
Если построить зависимость относительной усадки 8 от влагосодержания U при различных значениях температуры перегретого пара в логарифмической анаморфозе (рис. 2.11 и рис. 2.12), от отчетливо видны два участка. На первом участке в диапазоне для грибов «Вешенки» - и = 11,0... 1,8 кг/кг и для грибов «Шампиньоны» - и — 10,8...3,8 кг/кг увеличение усадки 8весьма значительно от 0,42 до 0,87 для грибов «Вешенки» и от 0,45 до 0,85 для грибов «Шампиньоны». На втором участке в диапазоне и = 1,8...0,1 кг/кг и и = 3,8...0,1 кг/кг изменение усадки 8незначительно от 0,87 до 0,93 и от 0,85 до 0,96 соответственно для грибов «Вешенки» и для грибов «Шампиньоны».
Уравнения тепло - массопереноса с постоянными коэффициентами
Полученная система уравнений (3.15), (3.16), (3.10)-(3.14) представляет собой математическую модель процесса сушки грибов. В виду того, что коэффициенты тепло- и влагопереноса, также как и термодинамические характеристики приняты постоянными, возможны варианты применения модели: 1. Решение система уравнений процесса сушки в подвижной системе координат. В этом случае система уравнений (3.15), (3.16), (3.10)-(3.14) переводится в подвижную систему координат, а затем преобразуется в классическую систему дифференциальных уравнений, которая может быть решена классическими методами (разделения переменных и интегральных преобразований Фурье и т. д.). 2. Зональный метод расчета полей влагосодержания и температуры. В этом случае нестационарный тепло- и массообмен разбивается на зоны. Для каждой зоны коэффициенты можно принять постоянными. геометрическая форма высушиваемого продукта постоянна; теплофизические и массообменные параметры усреднены; начальное распределение температуры и влагосодержания по объему высушиваемого продукта постоянны; плотность потока теплоты и массы постоянны; разбиение на зоны позволяет достигать требуемой точности расчета температуры и влажности продукта. 3. Применение эффективных коэффициентов тепловлагопереноса (атээ 8эф, Х ф). При наличии молярного переноса пара при сушке (сушка в области низких и средних влагосодержании) капиллярно-пористых и колло идных, капиллярно-пористых материалов, содержащих макропоры (при температуре материала выше 100 С), этом случае учитывается влияние концентрационной и температурной составляющих молярного переноса пара [17, 18]. Расчет можно проводить и по усредненным характеристикам, которые иногда называют эффективными. Однако, такой путь может быть применен только в редких случаях, так как вопрос усреднения параметров обычно ока-зывается чрезвычайно сложным.
При вычислении критериев принимают AT = tcH; Аи-ин-иР, где tc, tH - соответственно температура паровой среды и начальная температура продукта; ин,иР - соответственно начальное и равновесное влагосодержание продукта. Результат аппроксимации расчетных данных реальному эксперименту приведен на рис. 3.2 и 3.3 [59]. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных (рис. 3.2 и 3.3) показывал хорошую сходимость: отклонения расчетных данных от экспериментальных данных не превышало для температуры 12,6 %. и для влагосодержания 0,6 %.
Система уравнений (3.30-3.31) решена методом интегральных преобразований Лапласа. Разработан программный модуль расчета процесса сушки культивируемых грибов перегретым паром атмосферного давления при комбинированных гидродинамических режимах в системе MathCAD (Прил. 2).
Таким образом, полученные результаты моделирования подтверждают характер протекания процесса сушки грибов перегретым паром и могут быть использованы для анализа протекающих физико-химических изменений.
Исследование показателей качества сушеных грибов проводили в соответствие с ТУ 9164-007-00563105-98 «Грибы культивируемые сушеные» [101]. Они были исследованы по органолептическим, физико-химическим и химическим показателям, на содержание витаминов Bi и В2, минеральных веществ и аминокислот. Определение указанных показателей позволяет выявить структурные изменения в грибах, происходящие в процессе их сушки и оценить качество полученного продукта.
Отбор проб проводили по ГОСТ 13341-77 (Овощи сушеные «Правила приема, методы отбора и подготовки»); органолептические показатели, размеры частиц грибов - по ГОСТ 13340.1-77; определение влажности - по ГОСТ 28561-90; определение углеводов - по ГОСТ 8756.13-87 «Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения Сахаров»; определение золы -методом сухого сжижения по ГОСТ 26226-95; определение белка - по методу Кельдаля по ГОСТ 1349.4-93.
Клетчатку определяли методом, который основан на удалении из продукта кислотощелочерастворимых веществ и количественном определении остатка [43].
Сущность метода определения витамина В і основана на кислотном и ферментативном гидролизе связанных форм витамина, очистке гидролизата, окисление тиамина в тиохром и изменении интенсивности флуоресценции. Методика определения витамина Вг включает гидролиз его форм, окисление пигментов мараганцевокислым калием, восстановление рибофлавина и измерение интенсивности флуоресценции до и после восстановления (ГОСТ 8756.21-89 «Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения витаминов Bi и В2»). Содержание минеральных веществ определяли с помощью атомно-абсорбционного спектрофотометра.
Изучение аминокислотного состава в грибах проводили методом капиллярного электрофореза на приборе «Капель-105». Их разделение и определение основано на электрокинетических явлениях - электроосмосе и электромиграции заряженных частиц.
Исследование культивируемых грибов методом дифференциально-термического анализа
Дифференциально-термический анализ эффективно используется для получения информации о кинетике процесса термолиза различных пищевых продуктов. Сушка грибов является одной из важнейших стадий технологического процесса производства пищевых концентратов. От режима сушки грибов зависят пищевая ценность и качественные показатели готовой продукции, являющиеся результатом структурно-механических, биологических и физико-химических преобразований веществ [61].
Технологические режимы сушки грибов зависят от содержания в них воды. Для эффективной реализации процесса сушки грибов необходимо изучить характер связи влаги с определением участков, на которых осуществляется преобразование веществ при повышении температуры.
Установлено существенное влияние технологических режимов на изменения углеводов, денатурацию белка, окисление липидов, изменение витами Ш нов и органических кислот [24]. Процесс сушки грибов включает сложные ре акции преобразования веществ, в каждой из которых можно выделить следующие стадии: подвод теплоты к поверхности, влагоперенос по объему продукта и биохимические реакции его компонентов.
Лимитирующими стадиями, определяющими скорость осуществления сложных реакций, является внутренняя диффузия влаги в продукте. Поэтому задача оценки реакционной способности и определения кинетических параметров может быть поставлена на основе построения надежных кинетических моделей, отражающих особенности реализации процесса сушки грибов во времени.
В качестве объекта исследования использовали частицы грибов «Шампиньоны» и «Вешенки» с овальным поперечным сечением и размерами 1,0x2,0х 10,0 мм, которые предварительно отсортировывали с целью выравнивания гранулометрического состава и обеспечения однородности структуры продукта.
Исследование закономерностей теплового воздействия на исследуемые виды грибов осуществляли методом неизотермического анализа на деривато-графе системы «Паулик - Паулик - Эрдей» в атмосфере воздуха с постоянной скоростью нагрева 3 С/мин. до 300 С.
Исследования осуществляли в кварцевых тиглях с общей массой навески для образца грибы «Шампиньоны» - 510 мг и грибы «Вешенки» - 580 мг. В качестве эталона использовали AI2P3, прокаленный до 2800 С. Применяемые для количественной обработки методом неизотермической кинетики термоаналитические кривые одновременно регистрируют изменения температуры, массы образца, скорости изменения температуры или энтальпии и изменения массы (кривые ТА, TG, DTA и DTG). Регулировочное устройство давало возможность равномерного нагревания печи, а достижение линейности программы нагрева печи обеспечивало воспроизводимость кривых ТА, TG, DTA и DTG.
Выбор режимов записи дериватограмм определялся с учетом методики [61]. Были выбраны следующие режимы снятия дериватограмм: чувствительность гальванометра DTA — 1/10; чувствительность гальванометра DTG — 1/5; чувствительность гальванометра TG - 500 мг; скорость изменения температуры нагрева печи - 3 С/мин.; максимальная температура нагрева 300 С.
В процессе сушки грибы претерпевают значительные физико-химические изменения, в результате которых высвобождается вода, определяющая характер протекающих внутри продукта преобразований веществ. За счет испарения влаги и разложения углеводов, клетчатки и других органических соединений их масса снижается в интервале 80...92 %. Стенки клеток грибов состоят из плотного слоя фунгина (заменяющего клетчатку), трудно поддающегося разрушению при тепловой обработке. При сушке происходит ослабление прочности структуры вследствие частичного гидролиза клетчатки, гемицеллюлозы и других сложных углеводов, из которых состоят стенки клеток и межклеточные перегородки. Изменениям подвергаются и органические кислоты.
Количественную оценку форм связи влаги в продукте осуществляли по экспериментальным кривым (рис. 4.7, 4.8), полученным методом термогравиметрии. На кривой изменения температуры ТА по зависимости (-Igcc) от вели-чины 10 /Т, приведенной ниже (рис. 4.10), определены участки, которые соответствуют высвобождению влаги с различной формой и энергией влаги: АВ — нагрев и удаление слабосвязанной воды, ВС - разрушение связи «вода-вода», CD - удаление адсорбционно связанной влаги и частичное разложение вещества, DE - разложение вещества с выделением газообразных составляющих и удаление химически связанной влаги.
Для получения данных о механизме влагоудаления на основе полученных кривых, определения температурного интервала и массовой доли влаги, десорбированной примерно с одинаковой скоростью, использовали кривую в координатах «(-Iga) - (l(f/T)». Зависимость (-iga) от величины (1(?/Т) (рис. 4.10) выполнена для интервала 298...473 К. На кривых (рис. 4.10) отчетливо видны четыре линейных участка для каждого из исследованных видов грибов, что свидетельствует о ступенчатом выделении воды или продуктов реакции. При температуре до 303...305 К происходит нагрев и удаление слабосвязанной воды, находящейся в межпоровом пространстве грибов. При температуре 308...310 К осуществляется разрушение связи «вода - вода», а при 347...353 К удаляется адсорбционно связанная влага и происходит частичное разложение вещества. В интервале температур для грибов «Шампиньоны» - 403...473 К и грибов «Вешенки» - 395...473 К наблюдается разложение веществ с выделением газообразных составляющих и начало удаления химически связанной воды. Каждой из ступеней дегидратации соответствует процесс выделения воды с различной энергией связи. Кривые изменения массы исследуемых продуктов при температуре 417...422 К имеют характерную точку перегиба, показывающую изменение механизма деструкции.
