Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния теории, технологии и техники влаготепловой обработки пищевого растительного сырья 24
1.1. Пищевое растительное сырье как объект исследований, его свойства и характеристики 24
1.2. Основные сведения о применении влаготепловой обработки пищевого растительного сырья 1.2.1. Классификация и характеристика технологий и техники влаготепловой обработки пищевого растительного сырья... 27
1.2.2. Краткий обзор аппаратурно-технологических схем производства варено-сушеных круп 32
1.2.3. Анализ технологии и техники влаготепловой обработки производства варено-сушеных круп 33
1.2.4. Краткий обзор технологии и техники влаготепловой обработки производства пищевых концентратов на основе картофеля и овощей 51
1.3. Основные закономерности процесса влаготепловой обработки пищевого растительного сырья 59
1.3.1. Динамика изменений внутренней структуры пищевого растительного сырья при влаготепловой обработке 60
1.3.2. Обзор и анализ основных закономерностей кинетики влагопоглощения при влаготепловой обработке капиллярно-пористых коллоидных материалов 67
1.3.3. Основные сведения о применении пульсационных воздействий и перегретого пара в технологических процессах 69
1.4. Системный анализ при разработке ресурсосберегающих технологий производства пищевых концентратов
1.5. Анализ литературного обзора, научная концепция, формулировка цели и основных задач исследований 77
Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования процесса предварительной гидротермической обработки круп 82
2.1. Универсальная опытно-промышленная установка для исследования процесса влаготепловой обработки круп и методика проведения исследований 82
2.2. Исследование кинетики процесса предварительной гидро термической обработки (ПГТО) круп 89
2.2.1. Термограммы и кривые ПГТО круп. Характер влияния скорости и температуры теплоносителя на влаго-содержание круп 89
2.2.2. Влияние интенсивности конденсации пара на влаго-содержание круп 93
2.2.3. Влияние расхода и интенсивности подачи воды на влагосодержание круп 97
2.2.4. Характер изменения коэффициента увлажнения круп
2.3. Механизм влагоприращения процесса ПГТО круп 107
2.4. Определение оптимальных параметров процесса ПГТО круп
Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования процесса влаготепловой обработки картофеля и овощей 111
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследований 111
3.2. Исследование гидродинамики слоя картофеля и овощей при влаготепловом воздействии 119
3.3. Исследование кинетики процесса влаготепловой обработки картофеля и овощей перегретым паром 126
3.4. Обоснование выбора способа и определение рациональных режимов процесса обработки картофеля и овощей 143
3.5. Оценка качества картофеля, свеклы и моркови 147
Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования процесса варки круп при атмосферном давлении 154
4.1. Гидродинамические и кинетические закономерности процесса варки круп 154
4.1.1. Влияние гидродинамического режима слоя крупы на влагоприращение продуктом 154
4.1.2. Исследование влияния технологических параметров на интенсивность протекания процесса влагопогло щения 158
4.2. Обоснование и разработка рационального способа варки круп 182
4.3. Определение рациональных режимов процесса варки круп 186
4.4. Исследование изменений качественных показателей варе ных круп 191
4.4.1. Органолептические и физико-химические показатели качества вареных круп 191
4.4.2. Определение содержания белков, жиров, углеводов и витаминов в вареных крупах 193
4.4.3. Аминокислотный состав вареных круп 195
Глава 5. Основные закономерности тепло- и массообмена и матема тическая модель процесса влаготепловой обработки пище вого растительного сырья 200
5.1. Основные закономерности тепло- и массообмена в процессе влаготепловой обработки пищевого растительного сырья 200
5.1.1. Теплообмен в процессе влаготепловой обработки пищевого растительного сырья 202
5.1.2. Массообмен в процессе влаготепловой обработки пищевого растительного сырья 226 5.2. Уравнение кривой влагопоглощения пищевым растительным сырьем 230
5.3. Обобщенное уравнение кинетики влагопоглощения пищевым растительным сырьем 238
5.4. Математическая модель процесса влаготепловой обработки пищевого растительного сырья 246
Глава 6. Термодинамический анализ эффективности и разработка ресурсосберегающих технологий и технологических схем производства варено-сушеных круп и овощей
6.1. Методики определения тепловой и эксергетической эффективности технологических процессов и аппаратурно-техно-логических схем переработки пищевого растительного сырья.. 250
6.2. Анализ тепловой и эксергетической эффективности технологических процессов влаготепловой обработки при производстве круп, не требующих варки 260
6.3. Разработка ресурсосберегающей технологии и аппаратурно-технологической схемы производства круп, не требующих варки
6.3.1. Сущность разработанной ресурсосберегающей технологии и аппаратурно-технологической схемы производства круп, не требующих варки 266
6.3.2. Сравнительный тепловой анализ ресурсосберегающей технологии и аппаратурно-технологической схемы производства круп, не требующих варки 267
6.3.3. Эксергетический анализ ресурсосберегающей технологии и аппаратурно-технологической схемы производства круп, не требующих варки 267
6.4. Разработка ресурсосберегающих технологий и сравнительный анализ технологических процессов производства сушеных картофеля и овощей 287
Глава 7. Разработка конструкций ресурсосберегающего оборудова ния влаготепловой обработки для производства пищевых концентратов 292
7.1. Методика проектирования технологического оборудования для влаготепловой обработки пищевого растительного сырья 292
7.2. Разработка оборудования для влаготепловой обработки пищевого растительного сырья с активными гидродинамическими режимами слоя 297
7.3. Конструкции варочно-сушильного оборудования для реализации ресурсосберегающих технологий производства пищевых концентратов 299
7.4. Разработка способов автоматического управления влаготепловой обработкой пищевого растительного сырья 316
Выводы и рекомендации 330
Литература
- Динамика изменений внутренней структуры пищевого растительного сырья при влаготепловой обработке
- Исследование кинетики процесса предварительной гидро термической обработки (ПГТО) круп
- Исследование гидродинамики слоя картофеля и овощей при влаготепловом воздействии
- Сравнительный тепловой анализ ресурсосберегающей технологии и аппаратурно-технологической схемы производства круп, не требующих варки
Введение к работе
Актуальность работы. Одно из основных приоритетных направлений реализации «Концепции государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации» в пищеконцентратной промышленности - разработка технологий и оборудования для производства концентратов мгновенного приготовления, переработка которых предусматривает влаготеп-ловую обработку пищевого растительного сырья.
Пищевые концентраты, важным компонентом которых являются крупы, овощи и картофель, относятся к группе продуктов питания, пользующихся широким спросом у населения. Однако в переработанном виде потребляется на душу населения в год около 2 % овощей и 1 % картофеля от валового сбора (в индустриально развитых странах - 50 % и более). При этом влаготепловая обработка пищевого растительного сырья занимает до 15...20 % от общей продолжительности производства пищевых концентратов.
Влаготепловая обработка (ВТО) пищевого растительного сырья является одной из основных технологических стадий производства пищевых концентратов на основе варено-сушеных круп, картофеля, свеклы и моркови, определяющей качество и себестоимость продукции. Влаготепловая обработка в виде увлажнения, мойки, гидратации, бланширования, варки пищевого растительного сырья используется при производстве плющеных, «взорванных», варено-сушеных крупяных и овощных продуктов. От режимов проведения ВТО зависят качественные показатели готовой продукции, являющиеся результатом биохимических, физических и коллоидно-химических изменений. Поэтому совершенствование влаготепловой обработки пищевого растительного сырья с целью получения высококачественных продуктов является актуальной задачей, имеющей важное теоретическое и прикладное значение.
Значительный вклад в развитие ВТО и производства пищевых концентратов внесли отечественные и зарубежные ученые ГА. Егоров, АВ. Лыков, ЗА. Кац, В.Н. Гуляев, С.А Гении, О.В. Кузьмина, АН. Остриков, Г.Л. Сироткин, АС. Зелепуга, Е.П. Козьмина, Е.М. Мельников, НА. Bok, М. N. Ramesh, М.Е. Lazar, J. Blahovec и др.
пи: "лнокА.иаля
и- v ііІОТЕКЛ
Ы1ет«р>рг ОЭ 200Чькт&><"
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР ВГТА по темам «Создание и совершенствование ресурсосберегающих технологий при переработке сельскохозяйственного растительного сырья» (№ гос. per. 01970008815), «Исследование процессов тепло- и массо-обмена, повышение эффективности технологического оборудования и энергоиспользования» (№ гос. per. 01960007320) и являлась составной частью планов кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств ВГТА «Исследование гидродинамики, тепло- и мас-сообмена в системах: твердое тело - жидкость, твердое тело - газ при течении в каналах разной геометрической формы» (№ гос. регистра-цииОІ.960.006217).
Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является развитие влаготепловой обработки пищевого растительного сырья и создание ресурсосберегающих технологий производства пищевых концентратов на основе кинетических закономерностей процесса влагоприращения с учетом сбалансированности тепловых и материальных потоков, позволяющих повысить эффективность влаготепловой обработки за счет определения рациональных режимов.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
разработка подходов системного исследования влаготепловой обработки, свойств пищевого растительного сырья (круп, картофеля и овощей); исследование методом дифференциально-термического анализа процесса термолиза овощей для определения зон с различной энергией связи влаги и термического разложения белково-углеводного комплекса;
изучение механизма и исследование внутреннего и внешнего тепло- и массообмена; выявление, основных гидродинамических и кинетических закономерностей ВТО пищевого растительного сырья и разработка на этой основе рационального способа влаготепловой обработки; математическое описание влаготепловой обработки пищевого растительного сырья; систематизация полученных данных и формулировка на их основе теоретических предпосылок и рабочих гипотез по использованию их в производстве;
- экспериментальное исследование процесса влаготепловой
обработки круп, картофеля, моркови и свеклы с целью определения рациональной области изменения технологических параметров;
определение качественных показателей готовой продукции и рациональных технологических параметров для исследуемых видов пищевого растительного сырья; изучение методом тонкослойной хроматографии качественных и количественных изменений углеводного комплекса картофеля и овощей при ВТО;
разработка методик расчета влаготепловой обработки пищевого растительного сырья и создание информационного обеспечения для реализации новых способов производства, повышающих высокую энергетическую эффективность;
определение степени теплового и эксергетического совершенства различных технологий производства варено-сушеных продуктов, выявление их оптимизационных возможностей по рациональному использованию энергетических ресурсов; разработка концепции моделирования перспективных технологий ВТО пищевого растительного сырья, обеспечивающих экономию материальных и энергетических ресурсов за счет сбалансированности тепловых и материальных потоков;
разработка стратегии многоканального управления влаготепловой обработкой пищевого растительного сырья; разработка программно-логических алгоритмов функционирования систем управления с учетом получения готового продукта высокого качества;
разработка конструкций варочных и варочно-сушильных аппаратов и способов управления процессами производства пищевых концентратов; проведение промышленной апробации разработанного оборудования, способов производства и управления.
Научная концепция. Разработка и обоснование подходов, принципов и методов интенсификации влаготепловой обработки пищевого растительного сырья, создания ресурсосберегающих технологий на основе выявленных кинетических закономерностей вла-гопоглощения, разработка научно-обоснованных методик расчета и проектирования оборудования для влаготепловой обработки. Научные положения, выносимые на защиту: - обоснование принципа рационального выбора комбинированного влаготеплового воздействия на продукт с использованием
импульсного псевдоожиженного (ИПС) и плотного слоев при осциллированной ВТО пищевого растительного сырья;
разработка комплекса проблемно-ориентированных методов системного анализа и принятия решений, включающего структуризацию процессов влаготепловой обработки пищевого растительного сырья, построение моделей и обоснование рациональных параметров методами математического моделирования;
обоснование принципов интенсификации тепломассообмена при влаготепловой обработке пищевого растительного сырья;
обоснование принципов ресурсосбережения, положенных в основу предлагаемых способов ВТО пищевого растительного сырья; обоснование подходов к варьированию технологических параметров на основе изучения показателей качества готового продукта и оценки энергетической эффективности; разработка структурных схем систем регулирования и управления ВТО;
обоснование принципа рационального сочетания процессов варки и сушки для повышения тепловой и эксергетической эффективности и создания на их основе нового поколения комбинированных варочно-сушильных аппаратов.
Научная новизна. Изучена возможность и доказана перспективность использования осциллированного влаготеплового воздействия для интенсификации влаготепловой обработки пищевого растительного сырья при получении варено-сушеных продуктов, сформулирована и экспериментально подтверждена модель влагоприращения продуктом.
Выявлены, сформулированы и описаны новые гидродинамические и кинетические закономерности процесса влаготепловой обработки круп, картофеля и овощей. Раскрыты механизмы влагопоглощения, взаимосвязанные с качественным изменением веществ и видом связи влаги с материалом.
Обосновано использование эффекта пленочной конденсации пара в периоде прогрева продукта для влагоприращения с целью получения продукта, не требующего варки. Выявлен характер изменения коэффициента увлажнения от параметров влаготеплового воздействия при обработке растительного сырья.
Выявлены температурные зоны, которые соответствуют
различным формам связи влаги с материалом, и преобразования веществ белково-углеводного комплекса.
Получены аналитические выражения для влагоприращения при осциллированной влаготепловой обработке, позволяющие рассчитать продолжительность обработки, температуру и влаго-содержание пищевого растительного сырья.
Предложены физическая и математическая модели влаготепло-вого воздействия на пищевое растительное сырье, предусматривающие взаимодействие материала с жидкой пленкой на поверхности частиц и пульсирующим потоком теплоносителя, осложненное его конденсацией на материале, импульсным распыливанием жидкости над слоем в неактивной фазе пульсирующего потока теплоносителя и нестационарным влагопоглощением материала с одновременным физико-химическим его изменением.
Разработано математическое обеспечение влаготепловой обработки пищевого растительного сырья, сбалансированных тепловых и материальных потоков в технологических процессах производства пищевых концентратов, которое позволяет добиться максимально полного использования энергии теплоносителя.
Предложена стратегия многоканального управления процессами влаготепловой обработки пищевого растительного сырья.
Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 2 авторскими свидетельствами и 14 патентами.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Экспериментальные исследования, результаты математического и физического моделирования, а также анализ работы обжарочных и варочно-сушильных аппаратов позволили разработать концептуальные подходы и методологию создания новых технологий влаготепловой обработки пищевого растительного сырья (Пат. №№ 1711789,2112402,2113132,2118884).
Определены рациональные технологические параметры влаготепловой обработки пищевого растительного сырья (круп, картофеля, свеклы и моркови) на основе сформулированных принципов ресурсосбережения и использования ИПС, обеспечивающие сокращение продолжительности процессов, снижение удельных энергозатрат и повышение качества готовой продукции.
Составлены программно-логические алгоритмы функционирования систем оптимального управления с учетом ограничений по управляемым переменным, обусловленным получением готового продукта высокого качества, позволяющие обеспечить стабильное поддержание заданных технологических режимов.
Предложены способы управления процессом осциллированной влаготепловой обработки продуктов (А.с. № 1584887, Пат. №№. 2112402, 2118884), производства варено-сушеных продуктов (Пат. №2113132).
Разработаны методики расчета процессов влаготеплового воздействия и комбинированного оборудования для ресурсосберегающих аппаратурно-технологических схем.
Выполнен тепловой и эксергетический анализ известных и предлагаемых технологий производства варено-сушеных, круп, картофеля и овощей, подтвердивший высокую энергетическую эффективность разработанных технологий.
Для реализации ресурсосберегающих технологий пищевых концентратов разработаны конструкции оборудования для влаготепловой обработки пищевого растительного сырья (Пат. №№ 2176458, 2179402, № 2186509, 2186510), основанные на выявленных кинетических закономерностях влагоприращения и полном использовании энергии теплоносителя. Предложены комбинированные ва-рочно-сушильные аппараты (Ах. № 1421292, Пат. №№.2169490, 2182805, 2202260, 2202934). Разработан новый тип тороидального оборудования для производства варено-сушеных продуктов (Пат. №№ 2202260,2202934).
Испытаны и промышленно апробированы (Грязинский пище-комбинат, Бирюлевский экспериментальный завод, Давыдовский овощесушильный завод) способы получения варено-сушеных круп, картофеля и овощей (Пат. №№ 1711789, 2118884) и оборудование (Пат. №№ 2169490,2182805,2202934).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на международных форумах, конгрессах, научных, научно-практических конференциях и симпозиумах: (Пловдив, Болгария, 1989 г.); (Воронеж, 1997 г.); (Санкт-Петербург, 1998, 2001 гг.);
(Вологда, 1998 г.); (Орел, 2000 г.); (Минск, Беларусь, 2000, 2004 гг.); (Могилев, Беларусь, 2002 г.); (Москва, 2002, 2003 гг.); (Новосибирск, 2002,2003 гг.); (Краснодар, 2002 г.);
- всесоюзных и межреспубликанских научных, научно-
технических и научно-практических конференциях: (Москва,
1986, 1987, 1988 гг.); (Тбилиси, 1987 г.); (Черкассы, 1987 г.); (Кутаиси, 1988 г.); (Ленинград-Поддубская, 1988 г.); (Казань, 1989 г.); (Киров, 1989 г.).
всероссийских и республиканских научно-технических и научно-практических конференциях: (Воронеж, 1996, 1998 гг.); (Тольятти, 2001 г.); (Москва, 2003 г.); (Уфа, 2003 г.); (Углич, 2003 г.); (Ростов-на-Дону, 2003 г.); (Орел, 2003 г.); (Казань, 2004 г.);.
региональной конференции (Тамбов, 1994 г.); Межрегиональном совете по науке и технологиям РАН (Миасс, 2003 г.)
отчетных научных конференциях ВГТА за 1993-2004 гг.
Результаты работы демонстрировались на Межрегиональных специализированных выставках «Продторг 2001», «Продторг 2002» (г. Воронеж), на VII межрегиональной выставке «Агро-пром» (5-7 июня 2002 г.), областной агропромышленной выставке «Агробизнес Черноземье», в международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2004 г.), разработки участвовали в конкурсе инновационных проектов торгового оборудования (г. Воронеж, ЦНТИ, 2002) и награждены 6 дипломами.
Работа принимала участие в областном конкурсе на соискание премий в области науки и образования и отмечена благодарностью администрации Воронежской области.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 105 работ, в том числе 1 монография, 1 обзор, 32 статьи, получено 2 авторских свидетельства и 14 патентов Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация изложена в двух томах. Первый том состоит из введения, семи глав, основных выводов и результатов, библиографического списка из 345 наименований, в том числе 130 - на иностранных языках, объем 365 страниц машинописного текста, приведены 22 таблицы и 107 рисунков. Второй том состоит из 9 приложений объемом 319 страниц.
Динамика изменений внутренней структуры пищевого растительного сырья при влаготепловой обработке
Научные положения, выносимые на защиту: - обоснование принципа рационального выбора комбинированного вла-готеплового воздействия на продукт с использованием импульсного псевдо-ожиженного (ИПС) и плотного слоев при осциллированной ВТО пищевого растительного сырья; - разработка комплекса проблемно-ориентированных методов системного анализа и принятия решений, включающего структуризацию процессов влаготе-пловой обработки пищевого растительного сырья, построение моделей и обоснование рациональных параметров методами математического моделирования; - обоснование принципов интенсификации тепломассообмена при вла-готепловой обработке пищевого растительного сырья; - обоснование принципов ресурсосбережения, положенных в основу предлагаемых способов ВТО пищевого растительного сырья; обоснование подходов к варьированию технологических параметров на основе изучения показателей качества готового продукта и оценки энергетической эффектив ности; разработка структурных схем систем регулирования и управления ВТО; - обоснование принципа рационального сочетания процессов варки и суш ки для повышения тепловой и эксергетической эффективности и создания на их основе нового поколения комбинированных варочно-сушильных аппаратов. Научная новизна. Изучена возможность и доказана перспективность использования осциллированного влаготеплового воздействия для интенсификации влаготепловой обработки пищевого растительного сырья при получении варено-сушеных продуктов, сформулирована и экспериментально подтверждена модель влагоприращения продуктом.
Выявлены, сформулированы и описаны новые гидродинамические и кинетические закономерности процесса влаготепловой обработки круп, картофеля и овощей. Раскрыты механизмы влагопоглощения, взаимосвязанные с качественным изменением веществ и видом связи влаги с материалом. Обосновано использование эффекта пленочной конденсации пара в пе 19 риоде прогрева продукта для влагоприращения с целью получения продукта, не требующего варки. Выявлен характер изменения коэффициента увлажнения от параметров влаготеплового воздействия при обработке растительного сырья.
Выявлены температурные зоны, которые соответствуют различным формам связи влаги с материалом, и преобразования веществ белково-углеводного комплекса.
Получены аналитические выражения для влагоприращения при осциллированной влаготепловой обработке, позволяющие рассчитать продолжительность обработки, температуру и влагосодержание пищевого растительного сырья.
Предложены физическая и математическая модели влаготеплового воздействия на пищевое растительное сырье, предусматривающие взаимодействие материала с жидкой пленкой на поверхности частиц и пульсирующим потоком теплоносителя, осложненное его конденсацией на материале, импульсным распыливанием жидкости над слоем в неактивной фазе пульсирующего потока теплоносителя и нестационарным влагопоглощением материала с одновременным физико-химическим его изменением.
Разработано математическое обеспечение влаготепловой обработки пищевого растительного сырья, сбалансированных тепловых и материальных потоков в технологических процессах производства пищевых концентратов, которое позволяет добиться максимально полного использования энергии теплоносителя.
Предложена стратегия многоканального управления процессами влаготепловой обработки пищевого растительного сырья.
Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 2 авторскими свидетельствами и 14 патентами.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Экспериментальные исследования, результаты математического и физического моделирования, а также анализ работы оборудования для ВТО, варочных и ва-рочно-сушильных аппаратов позволили разработать концептуальные подходы и методологию создания новых технологий влаготепловой обработки пищевого растительного сырья (Пат. №№ 1711789,2112402, 2113132,2118884). Определены рациональные технологические параметры влаготепловой обработки пищевого растительного сырья (круп, картофеля, свеклы и моркови) на основе сформулированных принципов ресурсосбережения и использования ИПС, обеспечивающие сокращение продолжительности процессов, снижение удельных энергозатрат и повышение качества готовой продукции.
Составлены программно-логические алгоритмы функционирования систем оптимального управления с учетом ограничений по управляемым переменным, обусловленным получением готового продукта высокого качества, позволяющие обеспечить стабильное поддержание заданных технологических режимов.
Предложены способы управления процессом осциллированной влаготепловой обработки продуктов (А.с. № 1584887, Пат. №№ 2112402, 2118884), производства варено-сушеных продуктов (Пат. № 2113132).
Разработаны методики расчета процессов влаготеплового воздействия и комбинированного оборудования для ресурсосберегающих аппаратурно-технологических схем.
Выполнен тепловой и эксергетический анализ известных и предлагаемых технологий производства варено-сушеных круп, картофеля и овощей, подтвердивший высокую энергетическую эффективность разработанных технологий.
Для реализации ресурсосберегающих технологий пищевых концентратов разработаны конструкции оборудования для влаготепловой обработки пищевого растительного сырья (Пат. №№ 2176458, 2179402, № 2186509, 2186510), основанные на выявленных кинетических закономерностях влагоприращения и полном использовании энергии теплоносителя. Предложены комбинированные варочно-сушильные аппараты (А.с. № 1421292, Пат. №№ 2169490, 2182805, 2202260, 2202934). Разработан новый тип тороидального оборудования для производства варено-сушеных продуктов (Пат. №№ 2202260,2202934).
Исследование кинетики процесса предварительной гидро термической обработки (ПГТО) круп
В настоящее время наблюдается тенденция к развитию комбинированных установок, позволяющих последовательно проводить варку и сушку круп. Такие установки дают возможность устранить промежуточные транспортные и погрузочно-разгрузочные операции, уменьшить потери теплоты и автоматизировать процесс управления. В связи с этим представляет интерес установка СВН-1 непрерывного действия для варки и сушки круп [82]. К оборудованию данного типа относится комбинированная установка для гидратации и варки круп «А2-КВА» непрерывного действия [116, 195], состоящая из аппарата для варки круп и установленного над ним аппарата для гидратации.
Известна также установка для термической обработки зерна [72], в которой устройство для варки расположено внутри устройства для сушки и оба выполнены в виде вертикальных винтовых виброконвейеров.
Варочно-сушильный аппарат непрерывного действия [82] для варки и сушки круп предусматривает их обработку в виброкипящем слое.
Однако, эти установки не нашли практического применения в пищекон-центратном производстве поскольку довольно сложны в эксплуатации, имеют невысокую надежность в работе и обладают недостатками, присущими использованию вибрации.
Общим признаком известного варочного оборудования является осуществление варки круп в плотном слое с периодическим перемешиванием продукта в течение всего процесса. Однако данный способ характеризуется значительной продолжительностью процесса, лимитирующей другие технологические стадии производства крупяных концентратов и обусловливающей снижение качества готового продукта. Вместе с тем, активное перемешивание продукта обеспечивает более равномерную обработку по всему объему крупы и препятствует слипанию и комкованию ее частиц [67]. Гидродинамический режим движения теплоносителя в варочных аппаратах должен быть обусловлен адгезионными свойствами, соответствующей порозностью слоя, величиной удельной нагрузки крупы на решетку и характером тепломассообмена.
В результате проведенного анализа способов ПГТО и варки круп были выявлены наиболее характерные тенденции совершенствования технологии.
В последнее время значительное внимание уделяется возможности использования перегретого пара на одной из стадий производства крупяных концентратов. Так в способе производства крупяных концентратов [82] влаготеп-ловую обработку крупы проводят под избыточным давлением в две стадии, на первой из которых продукт обрабатывают перегретым паром в течение 3...5 минут, а на второй - насыщенным паром в течение 8... 13 минут. Аналогичное применение перегретого пара предложено в способе производства толокна [72].
По способу варки зерновых [82], обеспечивается конденсация отработанного после варки пара с получением горячей воды, содержащей экстрагированные из крупы компоненты, и направление этой воды на предварительный обогрев и замачивание исходного сырья.
Для зерновых продуктов увлажнение осуществляется с целью повышения эффективности производства плющеных, взорванных, экструдированных и др. продуктов [160, 221]. По способу [140] увлажнение злаковых и бобовых культур осуществляют замачиванием в воде с температурой 18...40 С в течение 2.. .4 ч до влажности 16.. .25 % и подвергают ИК-излучению при температуре на поверхности продукта 200...300 С с дальнейшим плющением и повторной обработкой ИК-излучением. Способ и устройство для увлажнения зерновых продуктов [161] предусматривает обработку в турбулентном потоке. В камере увлажнения имеются 3 горизонтальные ротора с лопастями, оси вращающихся валов которых расположены в вершинах равностороннего треугольника.
Заслуживают внимания также способы производства варено-сушеных круп, предусматривающие: вспучивание продукта; воздействие на крупу переменным электромагнитным полем и ксеротермическую обработку; одностадийную ПГТО, совмещенную с варкой при производстве гречневой крупы, не требующей варки [10]; двухстадийную варку с выдержкой продукта в конце процесса; переменную обработку крупы паром и воздухом и использованием для варки риса перегретого пара температурой 373,6.. .423,0 К без добавления воды [82, 72].
Наибольшее распространение в нашей стране и за рубежом получили способы, основанные на механическом воздействии (плющении). Плющение продукта предполагает его увлажнение. Цель плющения - уменьшение толщины крупинок и частичный разрыв ткани эпидермиса крупы, что способствует быстрому удалению влаги при сушке и набуханию при восстановлении.
Наиболее характерной является технологическая схема производства пищевых концентратов, предложенная фирмой «Pressindustria» (Италия) [168]. По этой технологии можно получать варено-сушеные крупы и овощи, входящие в рецептуру овощных супов быстрого приготовления. В соответствии с разработанной схемой целая или дробленая крупа после сухой очистки подвергается гидратации и варке, которая осуществляется в паровом варочном аппарате непрерывного действия. Однако недостатком круп, полученных методом двукратной сушки с промежуточным плющением, является значительное уменьшение объемной массы и хрупкая консистенция готового продукта.
Для производства варено-сушеных круп технологическая схема [82] предусматривает после сухой очистки увлажнение крупы перед двухступенчатой варкой. Крупа равномерно увлажняется впрыскиванием воды в толщу продукта на ленточных увлажнителях и поступает в аппарат предварительной варки для обработки отработанным паром, выходящим из основного варочного аппарата. Крупа, полученная таким способом, имеет высокую степень желатинизации крахмала (98 %) и хорошую усвояемость. Линии по производству крупяных продуктов автоматизированы; применены микропроцессоры, с которых ведется управление оборудованием и контроль за соблюдением рецептур, рабочих параметров обработки, учет используемого сырья и готового продукта.
Для получения продукции высокого качества в технологических процессах за рубежом все чаще применяется ГЕТТО. Процесс ПГТО изменяет как физические свойства зерна, способствуя повышению технологических достоинств, так и его химический состав. Например, увлажнение риса перед его пропариванием способствует проникновению внутрь ядра не только воды, но и ряда растворимых веществ, в том числе витаминов В/, В2, РР и Е, повышающих питательную ценность риса. Изучение плотности различных круп пикно-метрическим методом с вакуумированием показывает, что плотность зерна при увлажнении, что особенно важно для производства «взорванных» продуктов, снижается и происходит разрыхление первоначальной плотной структуры. Исследования по влиянию температуры на изменение структуры пшеницы при увлажнении показывают, что данное разрыхление структуры находится в прямой зависимости от степени увлажнения и температуры.
Способ производства рисовой крупы [82] предусматривает обработку очищенного от примесей зерна раствором перманганата калия при концентрации 0,2...0,4 % в течение 20...25 с последующим отволаживанием в течение 4...6 мин и дополнительную обработку 0,4...0,6 %-ым водным раствором щавелевой кислоты - 3.. .4 мин с продолжительностью отволаживания 6,5... 8,0 ч. Увлажнение и отволаживание обработанного зерна проводят в несколько этапов. Далее зерно пропаривают при давлении пара 0,06...0,06 МПа в течение 4...5 мин, а сушку осуществляют в две стадии: теплоносителем температурой 35...40 С до влажности зерна 19...20 % и теплоносителем температурой 50...60 С до требуемой влажности. При осуществлении этого способа удается сохранить цвет ядра исходного риса и увеличить на 10 % усвояемость белков.
Известны способы производства быстроразваривающегося риса: с его вымачиванием в воде при температуре 20...25 С в течение 1 ч, варкой - 4...6 мин, сушкой горячим воздухом температурой 140... 150 С в центробежной сушилке в псевдоожиженном слое; с его промывкой, замачиванием в воде на 10... 15 ч до содержания влаги 30...34 %, смешиванием с поверхностно-активными веществами в количестве 0,1... 1,0 %, желатинизированием в течение 5...30 мин паром при температуре 100... 140 С и избыточном давлении 0,103...0,368 МПа с дальнейшим выдерживанием риса при температуре 20... 100 С до достижения влажности 18...35 % [82].
При этом обезвоживание можно осуществлять также с добавлением рисовой муки или крахмала, поглощающих избыток воды. Необходимо отметить, что при содержании влаги менее 18 % крупинки разрушаются при прессовании; более 35 % - прилипают одна к другой и к стенкам аппарата [72].
Исследование гидродинамики слоя картофеля и овощей при влаготепловом воздействии
Анализ кривых влагосодержания круп в псевдоожиженном слое (рис. 2.4, кривые 5 и 6) показывает уменьшение влагоприращения круп. Вследствие интенсивного теплообмена в кипящем слое пар конденсируется на поверхности крупинок только в период прогрева, незначительного по продолжительности. Распыливание влаги над слоем продукта также не способствует увеличению влагосодержания, так как происходит срыв и унос пленки конденсата с поверхности зерен при скорости потока пара выше 0,7 м/с.
Анализ кривых влагоприращения рисовой и гречневой круп в плотном слое без перемешивания (рис. 2.4, кривые 7 и 8) и с перемешиванием (рис. 2.4, кривые 1-4) показывает, более низкое насыщение продукта влагой.
Исследования показали, что применение плотного слоя без перемешивания характеризуется рядом недостатков. Так, в частности, в процессе обработки паром без распиливания воды крупа в нижней части слоя, прилегающей к газораспределительной решетке, имеет более низкое влагосодержание, чем крупа в верхней части слоя, в которой конденсация протекает более интенсивно. При подаче воды в слой образуется неоднородно увлажняемый по высоте слоя продукт, сильно переувлажненный в верхней части слоя, что отрицательно сказывается на равномерности увлажнения и степени готовности продукта.
Данное явление приводит к необходимости возрастания продолжительности влаготеплового воздействия. Однако в результате длительной тепловой обработки происходят нежелательные явления, например, образуются сильно окрашенные соединения Сахаров с белковыми веществами - меланоидины, на что указывает потемнение круп. Сахара и белковые вещества, вступившие в реакцию меланоидинообразования, не усваиваются организмом, поэтому эти реакции нежелательны, как и гидролиз жира. Это ведет к образованию перекисей и распаду их на вещества, придающие продукту неприятный запах и прогорклый привкус [82].
Кратковременный подогрев продукта паром в неподвижном слое способствует клейстеризации крахмала крупинок только на поверхности. Пар не успевает проникнуть к центру крупинки, белки не денатурируют, наружная часть крупинок как бы расплывается и они слипаются. Дальнейший процесс варки становится затруднительным, качество готового продукта снижается, поэтому для совершенствования процесса влаготепловой обработки требуется применение активного взрыхляемого слоя продукта.
Наиболее интенсивно влагоприращение происходит в плотном слое с механическим перемешиванием. Это объясняется более равномерным распределением распыливаемой воды по поверхности крупинок и всего обрабатываемого слоя, а также увеличением поверхности контакта межфазового массо-обмена. Для достижения равномерного влагосодержания по объему слоя необходимо было проводить механическое перемешивание через 45...60 с после начала ПГТО при начальном влагосодержании крупы ОД4...0,15 кг/кг.
Изменение влагоприращения круп при влаготепловой обработке в зависимости от интенсивности конденсации пара в отсутствии распыливания воды представлено на рис. 2.5. Меньшее влагосодержание гречневой крупы при одинаковой интенсивности конденсации обусловлено более низкой насыпной плотностью и структурой продукта. Незначительное расхождение интенсивности конденсации пара для рассматриваемых круп объясняется влиянием насыпной плотности и порозности слоя, обусловливающих различную площадь поверхности конденсации, при одинаковом перепаде температур и равном влагоприращении крупами в периоде прогрева.
Экспериментальные данные по влагоприращению круп с равномерной подачей воды на протяжении процесса влаготепловой обработки (рис. 2.5 и 2.6) показывают, что до г= (720...780) с, особенно при т= (420...480) с, образуется избыточное количество непоглощенной влаги на поверхности продукта по сравнению с другими интервалами времени осуществления процесса. Так, например, через 420 с в слое перловой крупы (#=35,71 кг/м , Gj=17,08-10" кг/с, G2=l,7-10 6 м3/с, рис. 2.6) образуется избыточной непоглощенной влаги в виде свободной жидкости не менее AG = 0,306 кг, т.е. 50 % от количества воды, распыливаемой за это время. Это обусловлено доминирующим влиянием на процесс влагоприращения внутреннего влагопереноса внутри частиц продукта.
Сравнительный тепловой анализ ресурсосберегающей технологии и аппаратурно-технологической схемы производства круп, не требующих варки
Продолжительность периода прогрева определяется в основном температурой и скоростью перегретого пара, в меньшей степени - начальным вла-госодержанием ин, и удельной нагрузкой продукта на решетку q, что подтверждается экспериментально (рис. 3.8 - 3.10). Так, например, при обработке картофеля с удельной нагрузкой на решетку q = 25 кг/м повышение температуры перегретого пара с 413 до 433 К (рис. 3.8) уменьшает т0 почти в 2 раза. Еще больше влияет на продолжительность периода прогрева скорость перегретого пара: увеличение v с 0,8 до 8,0 м/с уменьшает т0 в 1,9 раза. Это объясняется характером взаимодействия с пленкой конденсата на поверхности частиц продукта. При скоростях пара более 0,7 м/с его динамическое воздействие превышает силу тяжести конденсатной пленки на поверхности продукта так, что она частично срывается с поверхности теплообмена и увлекается вверх.
Конденсат, образующийся на поверхности частиц продукта, не оказывает существенного влияния на перераспределение влаги внутри них, так как картофель, морковь и свекла имеют высокое начальное влагосодержание и их капилляры заполнены влагой. Теплота, выделившаяся при конденсации пара, проходит к поверхности частицы через пленку конденсата и осуществляется лишь путем теплопроводности Как показывает анализ кривых влагосодержания и скорости изменения влагосодержания (рис. 3.8 - 3.10) продолжительность периода постоянной скорости значительно сокращается за счет быстрого прогрева овощей до высоких температур (рис. 3.11 - 3.13). При этом период постоянной скорости наступает раньше момента достижения продуктом начального влагосодержания. Продолжительность периода постоянной скорости составляет: для картофеля 4,8...7,8 мин; для свеклы 2,4...4,7 мин; для моркови 4,7...5,4 мин.
Быстрое высушивание кубиков моркови, картофеля и свеклы объясняется двумя факторами. При использовании в качестве теплоносителя перегретого пара между ним и высушиваемым продуктом не образуется, как при сушке воздухом, газового слоя, препятствующего выходу влаги из продукта. Кроме того, испаряемый пар турбулизирует пограничный слой, повышая интенсивность тепло- и массообмена. Следовательно, диффузия влаги к поверхности продукта и передача тепла от пара к продукту осуществляются относительно легко.
Дифференциально-термический и термогравиметрический анализы эффективно используются для получения информации о кинетике процесса термолиза различных пищевых продуктов. Влаготепловая обработка (мойка, бланширование) с последующей сушкой являются одними из важнейших стадий технологического процесса производства пищевых концентратов из растительных продуктов. От режима влаготепловой обработки и сушки сырых растительных продуктов зависят пищевая ценность и качественные показатели готовой продукции, являющиеся результатом структурно-механических, биологических и физико-химических преобразований веществ.
Технологические режимы влаготепловой обработки и сушки сыпучих пищевых растительных продуктов зависят от содержания в них воды. Для эффективной реализации процесса влаготепловой обработки и сушки необходимо изучить характер связи влаги с определением участков, на которых осуществляется преобразование веществ при повышении температуры.
Установлено существенное влияние тепловлажностных режимов на клей-стеризацию крахмала, денатурацию белка, окисление липидов, изменение витаминов и органических кислот, в частности, определены диапазоны изменения температуры клейстеризации крахмала [182]. Характерной особенностью термического разложения углеводов в процессе влаготеплового воздействия является меланои-динообразование. Эти изменения обусловливаются сложным характером макрокинетики процесса. Процессы влаготепловой обработки и сушки растительных продуктов включает серию сложных реакций 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 всех 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 влаготепловой обработки во времени [263].
В качестве объекта исследования использовали частицы в виде кубиков картофеля сорта «Столовый — 19», свеклы «Бордо - 237» и моркови «Нантская -4» с поперечным сечением и размерами 6,0x6,0x6,0 мм, которые предварительно очищали от остатков оболочки и отсортировывали с целью выравнивания гранулометрического состава и обеспечения однородности структуры продукта.
Исследование закономерностей теплового воздействия на растительные продукты осуществляют методом неизотермического анализа на дериватогра-фе системы «Паулик - Паулик - Эрдей» [207] в атмосфере воздуха с постоянной скоростью нагрева 3 С/мин до 300 С.
