Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди различных способов консервирования ольшое внимание уделяется процессам обезвоживания пищевого сырья с іспользованием холода, позволяющим организовать производство высокока-ественных концентрированных и порошкообразных продуктов: фруктовых и івощньїх соков, чая, кофе, ферментных препаратов, молочной и подсырной :ыворотки, желчи, пива, виноматериалов и т.д.
Анализ современных представлений о процессах обезвоживания лицевых продуктов показал, что производство быстрорастворимых порошков іри вакуум-выпаривании, распылительной сушке, ультрафильтрации, сопро-юждается потерей низкомолекулярных легкокипящих компонентов и термо-жислительной трансформацией. Одним из перспективных направлений, позволяющим повысить качество порошков и в максимальной степени сохранить эиологически активные вещества и органолептические свойства сырья, является способ комбинированного удаления влаги из жидких пищевых продуктов путем криоконцентрирования и вакуум-сублимационной сушки.
Способ позволяет в 2—2.5 раза сократить общие затраты на произвол--ство при одновременном повышении производительности оборудования.
Несмотря на хорошо известные преимущества низкотемпературного обезвоживания, массовое производство сублимированных продуктов сдерживается по ряду причин, в числе которых— отсутствие высокоэффективных технологий.
Теоретическому и практическому обоснованию этого направления, исследованию механизма и закономерности при обезвоживании жидких пищевых продуктов, созданию новых технологий, разработке и совершенствованию технических средств для их реализации посвящена эта работа, выполненная в 1975...1995Г.Г.
Настоящим исследованиям предшествовали научные изыскания ведущих ученых: ЛА.Бантыш, А.М.Бражникова, А.З.Волынца, В.А.Воскобойникова, Н.И.Гельперина, А.С.Гинзбурга, Э.И.Гуйго, А.А.Ґухмана, Э.И.Каухчешвили, Б.П.Камовникова, А.В.Малюсова, В.Т.Плотникова и др.
Цель работы. Развитие научных основ и создание прогрессивных технологий и оборудования для низкотемпературного обезвоживания жидких пищевых продуктов.
Задачи исследований. Согласно поставленной цели необходимо:
обосновать направления разработки и совершенствования проце сов и технологий низкотемпературного обезвоживания;
раскрыть механизм теплофизических процессов, протекающих пр концентрировании в области низких температур;
обосновать способ криоконцентрирования, сочетающиий достоиі ства направленной кристаллизации и тепломассопереноса в стекающей плe^ ке;
раскрыть закономерности переноса на границе раздела фаз ле/ концентрат и установить влияние теплофизических, массообменных характе ристик, гидродинамических условий на эффективность концентрирования;
изучить закономерности вакуум-сублимационной сушки высококон центрированных жидкостей и обосновать перспективность комбинированной обезвоживания.
Научная концепция. В основу научного решения проблемы создани: конкурентнослособной пищевой продукции положен системный подход к раз работке прогрессивных технологий путем раскрытия закономерностей низко температурного обезвоживания жидких пищевых продуктов.
Научная новизна. На основании анализа физических принципов крио-технологии и достижений в химической технологии, нами обоснованы и предложены новые, более эффективные способы, базирующиеся на молекулярно-кинетической теории затвердевания расплавов и растворов.
Новизна их заключается в том, что вымораживание воды до толщины слоя льда ~ 10мм происходит направленной кристаллизацией на охлаждаемых поверхностях из стекающей пленки при турбулентных режимах (Re > 2000). Сокращение общей поверхности твердой фазы, контактирующей с концентратом позволило резко уменьшить потери компонентов раствора за счет адсорбции и "физического" захвата концентрата.
Выявлены закономерности процессов, условия переноса на границе раздела фаз лед-концентрат, влияние скорости кристаллизации и коэффициента диффузии на эффективность процесса. Исходя из этого обоснованы способы интенсификации, подтвержденные экспериментальными исследованиями.
Установлено, что способ фракционирования кристаллизацией при определенных режимах позволяет регулировать содержание того или иного ком-
тента в твердой фазе и концентрате, получая, таким образом, продукт с за-жными функциональными свойствами. Это создает предпосылки для разра-' >тки перспективных низкотемпературных технологий получения альбумино-,1х и глобулиновых фракций из водных растворов, ферментов, гормонов; мск-очить необратимую локальную денатурацию белка на теплообменных повер-юстях выпарных аппаратах и т.д.
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что за ^т комбинированного обезвоживания жидких пищевых продуктов криокон-ентрированием и сублимацией, можно существенно сократить общие затра->i на производство (в 2—2.5 раза) и одновременно повысить качество быст-орастворимых порошкообразных продуктов.
Научно обоснованы пути интенсификации внешнего и внутреннего зпломассопереноса при циклическом изменении давления парогазовой сре-ы в сублимационной камере в периоде падающей скорости сушки.
Установлен и обоснован диапазон концентрации жидкостей, при кото-ом удельная объемная производительность оборудования становится макси-іальной; показано, как влияет повышение содержания растворимых веществ а теплопроводность высохшего слоя и его паропроницаемость в вакууме.
Практическая значимость работы и реализация научных результатов, 'азработанз технология криоконцентрирования жидких пищевых продуктов іастительного и животного происхождения.
Получены аналитические зависимости для расчета скорости кристал-іизации в жидкостях и потерь водорастворимых веществ при их сгущении, а акже продолжительности замораживания.
Разработана технология низкотемпературного обезвоживания, позво-іяющая сохранить биологическиактивные вещества и низкомолекулярные лег-:окипящие. компоненты. По этой технологии получены быстрорастворимый іай, натуральный пищевой краситель из свекольного сока, молочная сыворот-:а, порошкообразный цикорий.
Результаты исследований использованы при разработке новой техно-югии получения виноградного меда из концентрата виноградного сока при -іизких температурах, позволяющей сохранить в неизменном виде вещества полифенольного комплекса (катехины, флавонолы и др.), сохранить которые при других режимах не представляется возможным.
Консервирование женского молока открывает большие возможно для создания региональных банков грудного молока и новых видов детског диетического питания. По разработанной нами технологии и режимам вы ботана опытная партия сукого женского молока и проведена его апробаци одной из клиник г. Киева.
Разработана технология комплексного извлечения ценных компон тов при переработке термочувствительного растительного и лекарственні сырья с использованием жидкой двуокиси углерода.
Обоснованы приоритетные области применения разработанной техі логии, предложены пути интенсификации криоконцентрирования, замора» вания, сублимационной сушки и повышения эффективности работы обору; вания.
Разработаны исходные требования, технические задания, проекти конструкторская документация на ряд экспериментальных и опытно-промы ленных установок для крмоконцентрирования и модификацию вакуум-сублик ционных камер.
Разработанные способы низкотемпературного обезвоживания прош. промышленную апробацию и внедрены на Детчинском экспериментальнс комбинате.
На основании обобщения теоретических и экспериментальных да ных, полученной новой информации о факторах, влияющих на обезвоживав жидких пищевых продуктов (коэффициенты диффузии, теплопроводности, п ропроницаемости, диапазона концентрирования и др.) обоснованы напрзвл ния дальнейшего совершенствования предлагаемой технологии.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результат исследований докладывались и обсуждались на 6-й Всесоюзной научно-те: нической конференции по вакуумной технике, Казань, 1976г.; секциях ГКН СМ СССР "Разработка методов сублимационного и криогенного консервирс вания пищевых продуктов и биологических материалов", Москва, 197" 1978г.г., Семипалатинск, 1983г.: Всесоюзной конференции по холоду, Таи кент, 1977г.; Международных конгрессах по холоду, Венеция, 1979г., Пари» 1983г.; Республиканской научно-технической конференции, Бухара, 1982г.;
ой Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка процессов ілучения комбинированных продуктов питания, Москва, 1984г.; 1-ой Всесо-зной научно-технической конференции "Разработка процессов получения імбинированньїх мясопродуктов", Москва, 1982г.; 2-ой Всесоюзной конфе-. інции "Механизмы криоповреждения и криозащиты биологических объек-ів", Харьков, 1984г.; 2-ой Всесоюзной конференции "Новые источники пневого белка", Тбилиси, 1986г.; Всесоюзном совещании "Синтез и примене-ле пищевых добавок", Могилев, 1985г.; Всесоюзной научно-практической знференции "Искусственный холод в отраслях АПК", Кишинев, 1987г.; Меж-ународной конференции "Научно-технический прогресс в перерабатываю-іих отраслях АПК", Москва, 1995г.; 1-ом Международном симпозиуме "Но-ые и нетрадиционные растения и перспективы их практического использова-ия", Пущина, 1995г.; Научно-георетичесшх конференцияхРАСХН, Углич. 995г„ 1996г.; IV Международном симпозиуме "Экология человека: пищевые
і-
эхнологии и продукты", г.Видное, 1995г.
. Публикации, использованные для доклада. 83 научные публикации, в-.ч. 17 авторских свидетельств, 4 положительных решения на выдачу патентов, правочник по оборудованию пищеконцентратного производства, 2 моногра->ии.