Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние технологии и оборудования для посола рыбы 9
1.1. Рыба как объект посола 9
1.2. Физико-химические изменения рыбы в процессе посола . 16
1.2.1. Диффузия соли в мясе рыбы. Коэффициент диффузии 17
1.2.2. Влияние некоторых факторов на кинетику просаливания рыбы в тузлуке 32
1.2.3. Перемещение влаги в рыбе при посоле. Выход соленой продукции 38
1.2.4. Химия созревания соленых рыбных продуктов 50
1.2.5. Изменение микрофлоры соленой рыбы 55
1.3. Способы посола рыбы 56
1.3.1. Основные способы посола 56
1.3.2. Современные методы получения слабо- и среднесо-леной рыбы 62
1.4. Свойства поваренной соли и их влияние на процесс посола 72
1.5. Механизация процесса посола при обработке рыбы 77
1.6. Обоснование выбранного направления исследований и постановка задач исследовательских работ 101
Глава 2. Методика изучения процессов массопереноса при посоле рыбы 105
2.1. Методика экспериментальных исследований 105
2.1.1. Определение содержания соли в рыбе 105
2.1.2. Определение концентрации солевого раствора у поверхности просаливающихся образцов 109
2.1.3. Экспериментальная установка для посола рыбы слоем 112
2.2. Методика анализа процесса массопереноса при посоле 115
2.3. Методика математической обработки экспериментальных данных 121
2.3.1. Определение функциональных зависимостей между исследуемыми величинами 121
2.3.2. Методы математического решения кинетического уравнения посола рыбы 122
2.3.3. Расчет погрешности экспериментального определения некоторых величин при посоле рыбы 124
Глава 3. Основные закономерности процесса диффузии соли в мясе рыбы при посоле в тузлуке 127
3.1. Математическая модель тузлучного посола рыбы и результаты ее решения 128
3.2. Закономерности кинетики и динамики посола рыбы 131
3.3. Коэффициент диффузии соли в мясе рыбы 140
3.4. Результаты исследования изменения концентрации солево-го раствора у поверхности рыбы 151
3.4.1. Определение эффективной концентрации солевого раствора 151
3.4.2. Результаты экспериментального исследования по граничного слоя тузлука у поверхности рыб 155
3.5. Выводы 160
Глава 4. Определение основных закономерностей при посоле мелкой рыбы и филе в слое 161
4.1. Определение равномерности просаливания рыбы по толщине слоя аналитически и экспериментально 162
4.2. Определение близких к оптимальным режимов для равномерного просаливания рыбы в слоях различной толщины 172
4.3. Выводы 179
Глава 5, Практическая реализация результатов исследований при кон струировании посольного оборудования ., 180
5.1. Выбор конструкции посольной ванны 180
5.2. Производственные испытания посольной ванны МПВ 01.., 185
5.2.1. Протокол технологических испытаний линии для копчения рыбы в слое 192
5.3. Методики расчета продолжительности просаливания 204
5.3.1. Расчет продолжительности просаливания с использованием решения математической модели процесса посола в тузлуке 205
5.3.2. Определение продолжительности посола по уточненной формуле Н.Н.Рулева 209
5.3.3. Расчет продолжительности посола методом сеток 211
5.4. Выводы 218
Глава 6. Общие выводы 220
Список используемой литературы
- Диффузия соли в мясе рыбы. Коэффициент диффузии
- Определение концентрации солевого раствора у поверхности просаливающихся образцов
- Закономерности кинетики и динамики посола рыбы
- Определение близких к оптимальным режимов для равномерного просаливания рыбы в слоях различной толщины
Введение к работе
Значительную долю в уловах российского рыбного флота составляют мелкие и малоценные рыбы. Основные усилия по обработке такого сырья направлены на получение из сравнительно дешевой рыбы деликатесной рентабельной продукции.
Перспективным направлением переработки этих видов рыб является получение копченого филе и копченой мелкой рыбы с малым содержанием соли и добавлением пряностей в различной упаковке (вакуумной и др.). В сегодняшних экономических условиях возникли малые коптильные производства. Анализ существующих механизированных коптильных линий небольшой мощности позволил сделать вывод об отсутствии надежных малогабаритных посоль-ных устройств непрерывного действия для этих линий. Имеющиеся посольные устройства либо громоздки, либо рыба просаливается неравномерно.
Одним из определяющих факторов приготовления из нетрадиционного сырья деликатесной продукции является получение слабо-, среднесоленого полуфабриката и готовой продукции, отличающихся однородностью просаливания. Выпуск рыбы с небольшим содержанием соли возможен благодаря достаточному объему холодильных емкостей в рыбной промышленности.
Совершенствование процесса посола для получения слабосоленого полуфабриката высокого качества однородного по содержанию соли в заданных пределах и создание малогабаритного посольного оборудования непрерывного действия, позволяющего получать такой полуфабрикат, является актуальной проблемой.
Цепь диссертационной работы - изучение закономерностей процесса ио-сола для его совершенствования в механизированных линиях производства готовых соленых продуктов и полуфабриката для копченых изделий и пресервов.
В механизированных линиях холодного копчения мелкой рыбы и филе для посола чаще всего применяются посольные ванны, где ведут посол рыбы в тузлуке слоем несколько рядов. Распространение тузлучного посола при обработке такого сырья объясняется его высокой технологичностью. Этот способ легко механизируется, имеет меньше ручного труда, может быть контролируемым, обеспечивает наиболее быстрое просаливание до низкой массовой доли соли, позволяет получать соленый полуфабрикат высокого качества. Кроме того, тузлучный посол является прерванным насыщенным посолом, он обусловливает быструю потерю сырого вкуса и более позднее наступление стадии перезревания, что важно для готовой продукции.
Применение механизированных ванн возможно при производстве пресервов и консервов из подкопченой рыбы, пресервов в различных соусах и заливках с внесением ароматизированного масла, коптильной жидкости, ферментного препарата. Изготовление данных видов продукции также позволяет повысить вкусовые качества, улучшить товарный вид малоценной рыбы и востребовано. Посольные ванны используют для изготовления готовой соленой, пряной продукции из мелкой рыбы. Поэтому предлагаемая работа посвящена изучению закономерностей посола рыбы в тузлуке.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана и решена с использованием вариационных методов математическая модель посола рыбы в тузлуке. Найдены аналитические выражения, адекватно описывающие процесс просаливания;
впервые определены значения коэффициента диффузии соли для различных видов рыб и установлен характер их изменения по мере просаливания тканей разных видов рыб. Изучены поля солесодержания в целой рыбе и филе;
изучен пограничный слой тузлука у поверхности просаливающейся рыбы. Найден коэффициент, учитывающий уменьшение концентрации солевого раствора в пограничном слое для некоторых видов рыб;
разработаны методы расчета продолжительности просаливания с использованием решения математической модели процесса посола, по уточненной, на основе проведенных исследований формуле Н.Н.Рулева и методом сеток.
определены близкие к оптимальным режимы посола мелкой рыбы и филе в тузлуке слоем в несколько рядов. Установлено влияние отдельных параметров на равномерность просаливания рыбы по толщине слоя. Показан метод определения необходимой плотности орошения для получения продукта с содержанием соли в указанных пределах при посоле в слое различной толщины.
Практическая ценность; 1) Предложенные методики расчета времени: посола могут быть использованы при проектировании в расчетах технологических процессов. На основе проведенных исследований определены основные параметры для конструирования механизированных посольных ванн: продолжительность посола, толщина слоя рыбы, плотность и температура тузлука, плотность орошения.
2) Разработаны исходные требования на проектирование механизированной посольной ванны МПВ 01-00.000. Посольная ванна изготовлена и прошла успешные промышленные испытания в составе коптильного оборудования конструкции МВИМУ (ныне МГТУ) в коптильном цехе СЇЇК РК "Северная звезда" пос. Белокаменка Мурманской области.
Диффузия соли в мясе рыбы. Коэффициент диффузии
Посол в зависимости от концентрации поваренной соли позволяет получать продукт более или менее стойкий в хранении за счет консервирующего эффекта хлористого натрия, который замедляет развитие бактерий и ферментов самой рыбы и создает условия неблагоприятные для развития гнилостной микрофлоры, приводящей к порче. Но в большинстве случаев посолу подвергают те виды рыб, из которых можно получить не только стойкий в хранении продукт, но и продукт утрачивающий свойства сырой рыбы в процессе посола, т. е. созревающий продукт, который обладает специфическим вкусом и ароматом, определенной консистенцией мяса рыбы, готовый к употреблению без дополнительной кулинарной обработки.
Активность воды как функция содержания влаги в мышцах (по сухой массе) для рыбы с 50 %-м содержанием соли. Верхняя кривая построена по значениям, полученным во время сушки, нижняя - во время увлажнения: о, Д, о - увлажнение соответственно при 35, 25 и 15 С; о- сушка при 25 С
Главным процессом, протекающим при посоле, является процесс просаливания - Диффузионный переход соли в рыбу и диффузионно-осмотический перенос воды из тканей рыбы в тузлук, либо наоборот в зависимости от крепкости посола. Кроме того при посоле происходят другие физико-химические и биохимические изменения: денатурация и гидролиз белков, липидов и экстрактивных веществ, изменение микрофлоры и витаминов.
Диффузия соли в мясе рыбы. Коэффициент диффузии
В основе всех существующих способов посола (сухой, мокрый, смешанный) лежат одни и те же закономерности. При соприкосновении рыбы с солью возникает неуравновешенная система. Эта система стремиться к равновесию концентраций соли и влаги в образующемся или приготовленном тузлуке в зависимости от способа посола. В данной работе исследовался посол рыбы в тузлуке, который широко используется для приготовления соленых полуфабршка-тов и готовой продукции. Разность концентрации соли в рыбе и тузлуке и воды в рыбе и тузлуке является главной движущей силой процесса просаливания. Процесс этот продолжается до тех пор, пока система не уравновесится.
При этом различают несколько этапов просаливания. В начале посола выход воды из рыбы в рассол преобладает над диффузией соли в рыбу. Следствием этого является уменьшение массы рыбы. Выделившаяся из тканей вода разбавляет рассол в слое у поверхности рыбы, что приводит к уменьшению градиента концентрации соли, и скорость проникновения соли в рыбу снижается. При этом происходит миграция влаги из внутренних слоев мышечной ткани в поверхностные. Постепенно скорости выделения воды из рыбы и проникновения в нее соли выравниваются.
Далее по мере просаливания прекращается выделение воды из тканей, концентрация соли в разбавленном поверхностном слое рассола повышается. На данном этапе преобладает диффузия соли во внутренние слои рыбы.
Затем наступает период, когда некоторая часть связанной воды в мышечной ткани переходит в свободную и поглощает дополнительное количество соли, необходимое для выравнивания концентрации раствора соли в рыбе и окружающем растворе. При насыщенном посоле происходит набухание рыбы за счет поглощения тузлука. Явление набухания обычно наблюдается при хранении соленого продукта в тузлуке.
Определение концентрации солевого раствора у поверхности просаливающихся образцов
Для изучения пограничного слоя подвергали посолу филе скумбрии, неразделенные окунь и путассу. Под пограничным слоем понимали тонкий слой солевого раствора у поверхности просаливающейся рыбы, где происходит быстрое изменение концентрации раствора от некоторой величины Са до концентрации тузлука Ср. Образование пограничного слоя особенно характерно для первого периода посола, когда интенсивно протекают процессы массопереноса.
Определение концентрации солевого раствора у поверхности просаливающейся рыбы проводили с помощью специально изготовленного датчика и моста переменного тока (рис. 2,3). Метод основан на том, что электропроводность солевого раствора, как и сопротивление прохождению электрического тока, зависит от концентрации в нем хлористого натрия и температуры. Температуру тузлука поддерживали постоянной во всех экспериментах -18 С.
Главной составной частью изготовленного резистивного датчика (рис, 2.4) был эбонитовый цилиндр, в котором размещались электроды. Устройство датчика позволяло изменять расстояние между электродами и поверхностью объекта посола. Цилиндр с электродами имел резьбу и легко перемещался в корпусе датчика. Датчик подсоединяли к мосту переменного тока.
Толщина пограничного слоя тузлука мала - в пределах нескольких миллиметров и не имеет четкой границы. Измерения сопротивления солевого раствора при прохождении электрического тока проводили на расстоянии 1--2 мм от поверхности просаливающейся рыбы.
В экспериментах использовали электроды из нихрома и меди. Собственное сопротивление нихромовых электродов велико, поэтому они недостаточно чувствительны к изменению сопротивления раствора поваренной соли в зависимости от его концентрации. Дальнейшую работу проводили медными электродами, которые после образования оксидной пленки на своей поверхности практически дальше не окисляются при кратковременной подаче электрического то
Первоначально с помощью данных устройств измеряли сопротивление тузлука известной концентрации. Таким образом, был построен тарировочный график, ПОЗВОЛЯЮЩИЙ по величине сопротивления солевого раствора определять его концентрацию. Далее измеряли сопротивление солевого раствора v поверхности рыбы по времени посола и с помощью тарировочного графика находили эффективную концентрацию тузлука С о в пограничном слое,
Из полученных экспериментальных данных, рассчитывали среднее значение эффективной концентрации тузлука в первый период посола выбранных видов рыб.
С целью получения достоверных данных проводили серию экспериментов с каждым видом сырья.
Для исследования посола рыбы слоем в несколько рядов использовали экспериментальную установку, моделирующую процесс (рис. 2.5). Установка позволяла проводить посол слоя рыбы в неподвижном тузлуке, посол с рециркуляцией тузлука и орошением просаливающейся рыбы, посол в неподвижном тузлуке с периодическим перемешиванием слоя рыбы.
В состав экспериментальной установки входили посольная ванна, расходный бак с тузлуком, насос, соединительные трубы, устройство для орошения просаливающегося слоя рыбы. Для посола рыбы слоем ванну 1 заполняли тузлуком заданной плотности. В перфорированный контейнер с крышкой. 4 размещали слой рыбы 8 и погружали в посольную ванну. Для рециркуляции тузлука и орошения рыбы насосом 6 солевой раствор из посольной ванны перекачивался в расходный бак 5, где тузлук подкреплялся и самотеком через устройство для орошения 7 поступал на крышку контейнера.
Закономерности кинетики и динамики посола рыбы
Площадь поверхности AF, через которую происходит диффузия соли ІЗ мясо рыбы (рис. 2.6). Допускаем, что толщина филеЯчика 21 несравнимо мала по сравнению с его длиной а и шириной .
Для мяса рыбы с некоторыми допущениями р0 гсринимали равной 250 кг/м3 (из справочных данных). Для процесса посола V9ra = VSC- градиент солесодержания на поверхности просаливающегося образца. В работе V5C находили путем графического дифференцирования кривых изменения солесодержания по толщине рыбы Sc =f(x).
По методу В.Д.Ермоленко коэффициент диффузии соли в мясе рыбы рассчитывали по формуле (Ермоленко, 1962; Гинзбург, 1985): а- 1_ !гЛ2_1 Tory, где -—- скорость изменения среднего солесодержания образца, (кгс/кгсух EVc. dx Ее определяли с помощью графического дифференцирования кривых изменения среднего солесодержания объекта посола по времени St =/(V; R,r- соответственно половина толщины всего образца и среднего слоя образца, м; SC(T) -среднее солесодержание образца, кге/кгсух.в; Slc (г) - солесодержание среднего слоя образца, кгс/кгсух.в.
Рис. 2.6. Графические пояснения к применению закона дотенциалопроводностш и метода В.Д.Ермоленко для вычисления коэффициента диффузии соли в мясе рыбы:
Голова, хвост, внутренности, хребтовая кость отброшены, Га часть рыбы 1. которая использовалась для: получения слоев, изображена Е виде пластины 2. п - нормаль к изопотеяциаль-ной поверхности (по сояесодержанию), AF -площадь, через которую происходит диффузия соли. I, II - два симметричных филейчика, один из которых использован для послойного анализа, другой для определения средней солености образца. Считаем, что диффузия протекает одинаково (симметрично) с обеих сторон рыбы. В случае филе каждая из половин (со стороны кожи и со стороны среза) рассматривалась отдельно.
3 - средний слой образца, R - полоЕйна толщины всего образца, г - половина ТОЛЩИНЫ среднего слоя образца. В случае филе каждая из половин рассматривается отдельно и соответственно для каждой из половин определяется средний слой, половина толщины отдельно взятой половины и половина толщины ее среднего слоя
Касательные к кривым при графическом дифференцировании строили методом хорд (Фролов, 1978).
При расчете коэффициента диффузии для филе рыбы по любому из вышеназванных способов филе условно разделялось на две симметричные части со стороны кожи и среза, и расчет коэффициента проводился отдельно для каждой из частей (часть при этом рассматривалась как целый образец), а затем вычислялся средний в целом для образца.
В ходе экспериментов были получены поля со л есо держания внутри целой рыбы и филе. Их характер отличен. Для анализа диффузии соли в мясе рыбы строили кривые изменения градиента солесодержания на поверхности продукта по времени посола — =f(z). Градиенты солесодержания на поверхности об dx разцов убывают по мере просаливания для всех видов рыб.
Зависимость коэффициента диффузии от степени просаливания, времени и температуры посола, жирности рыбы отражали графически: D =f(S), D = f(y\ D = f(t) и D = f( K). Определяли функциональные зависимости между исследуемыми величинами. Изучение характера изменения коэффициента диффузии соли в мясе рыбы дает возможность проследить изменение диффузионных свойств тканей рыбы в процессе посола. При постоянной температуре посола коэффициент диффузии будет изменяться за счет изменения реологических СВОЙСТВ тканей рыбы. Изменение реологических свойств связано в первую очередь с изменениями белков под действием хлористого натрия и их водоудержи-вающей способности. Согласно теории Крина, наименьших значений коэффициенты диффузии должны достигать при критической концентрации соли в тканях рыбы.
Определение близких к оптимальным режимов для равномерного просаливания рыбы в слоях различной толщины
Разделом между первым и вторым периодами принято, как и у других исследователей, например, РШ.Рулева, достижение критической концентрации соли в мясе рыбы. Первый период посола длится от начала просаливания до достижения солености мяса рыбы около 8 % и характеризуется интенсивными массообменными процессами, когда скорости поступления в рыбу соли и извлечения из рыбы влаги достаточно велики и резко надают по времени посола. Во втором периоде скорость просаливания гораздо ниже и изменяется незначительно. Достижение критической концентрации сол:и в мясе рыбы 12 % (или солености 8 %) вызывает коагуляцию тканевых коллоидов, что изменяет диффузионные свойства мяса рыбы.
Из рисунка 3.9 видно, что в первый период посола происходит резкое уменьшение коэффициента диффузии у всех изученных видов рыб. После достижения рыбой солености 7-9 % коэффициент диффузии незначительно возрастает по мере просаливания.
Согласно теории посола Крина (схожей со многими другими теориями посола) (Уитон, Лосон, 1989) мышечная ткань рыбы, будучи погруженной в раствор поваренной соли низкой концентрации, впитывает влагу и набухает, а при погружении в тузлук с более высокой концентрацией соли происходит высаливание белков и мышечная ткань, наоборот, теряет влагу. Следовательно, существует некоторая критическая концентрация соли, ниже которой происходит впитывание влаги и набухание, а выше которой влага теряется. Установлено, что она приблизительно равна 8 %.
Потеря влаги и поглощение соли мышечной тканью рыбы связаны обратно пропорциональной зависимостью. Это доказывает, что обмен соли и влаги в мышцах рыбы происходит на ограниченном участке, Этот процесс можно представить в виде "фронта", движущегося через ткани рыбы. Водно-солевой обмен происходит на этом "фронте" после достижения критической концентрации соли. Затем "фронт" продвигается вперед по мере достижения критической концентрации в каждой точке.
Тогда можно предположить, что коэффициент диффузии по мере просаливания рыбы должен уменьшаться, достигая минимума при определенной концентрации соли, а при дальнейшем увеличении концентрации возрастать. Уменьшение коэффициента диффузии можно объяснить сопротивлением, которое оказывают диффузии набухшие ткани, т. е. их гидратацией. Это уменьшает эффективную площадь, на которой происходит диффузия. Поскольку концентрация соли, при которой коэффициент диффузии минимален, и критическая концентрация соли, по-видимому, равны, увеличение коэффициента диффузии может выражаться в увеличении площади диффузии в результате высаливания белков.
Характер изменения коэффициентов диффузии, установленный в ходе экспериментов, подтверждает положения "фронтальной" теории Крина. Значения коэффициентов минимальны при критической солености 7-9 %, когда по предположению Крина, площадь диффузии также минимальна, а дальнейшее увели чение коэффициентов диффузии с ростом солености, скорее всего, говорит об увеличении площади диффузии в результате коагуляции белков.
Таким образом, экспериментально были определены значения коэффициентов диффузии в различные периоды посола для разных по химическому составу, форме и размерам промысловых рыб, что позволяет применять решение математической модели на практике.
Экспериментальное исследование изменения коэффициента диффузии в процессе посола позволяет проследить изменение диффузионных свойств тканей рыбы и дополняет некоторые положения теории: посола.
Как указывалось ранее, коэффициент диффузии соли в мясе рыбы зависит от температуры посола, химического состава сырья, состояния поверхности и мяса рыбы.
Для установления влияния температуры соляного раствора на величину коэффициента диффузии были выполнены посолы путассу в тузлуке плотностью 1.20 г/см3 с температурами 9, 18, 25, 30 С. Проведение экспериментов, определение коэффициента диффузии, выполнение измерений, определений и расчетов изложены в главе 2.
Влияние химического состава сырья на величину коэффициента диффузии соли в мясе рыбы было найдено путем анализа значений коэффициентов диффузии определенных в диссертации для различных видов рыб: мойвы, путассу, скумбрии, окуня, сайды, угря. Данные объекты исследования весьма разнообразны по содержанию жира.
