Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Научные и практические предпосылки создания экологически безопасных, ресурсосберегающих и эффективных технологий производства продуктов из гидробионтов с использованием электромагнитного поля сверхвысокой частоты ... 19
1.1. Основные проблемы традиционных технологий, энерго- и ресурсосбережения, экологические аспекты в рыбоперерабатывающей отрасли 19
1.2. Современные способы и оборудование для размораживания гидробионтов и их влияние на качество обработанного сырья 32
1.2.1. Градиентные способы размораживания 34
1.2.2. Безградиентные способы размораживания 45
1.3. Состояние производства пищевой продукции из двустворчатых моллюсков 57
1.4. Современный уровень технологий обработки пищевого сырья и гидробионтов с использованием ЭМП СВЧ 74
Глава 2. Методологический подход к выполнению исследований. объекты и методы исследований 90
2.1. Программно-целевая модель исследований 90
2.2. Постановка технологических экспериментов 92
2.3. Объекты исследований 98
2.4. СВЧ-установки для обработки гидробионтов 102
2.5. Методы исследований 108
Глава 3. Научные основы обработки пищевого сырья и гидробионтов энергией электромагнитного поля СВЧ 113
3.1. Научно-теоретические основы взаимодействия биосырья и гидробионтов с энергией электромагнитного поля СВЧ 113
3.2. Изучение электрофизшшских характеристик мороженых гидробионтов.. 123
3.3. Диэлектрические характеристики двустворчатых моллюсков 128
Глава 4. Метод дифференцированной оценки совершенства технологий производства и качества пищевой продукции 132
4.1. Метод определения уровней качества обрабатываемых гидробионтов и готовой продукции 132
4.2. Экспертная оценка показателей качества продукции 139
Глава 5. Научно-экспериментальное исследование технологических процессов и обоснование оптимальных условий обработки гидробионтов свч- энергией. математическая модель управления качеством продукции 142
5.1. Размораживание гидробионтов энергией ЭМП СВЧ 142
5.1.1. Исследование особенностей размораживания гидробионтов СВЧ-энергией 144
5.1.2. Определение оптимальных условий процесса размораживания гидробионтов математическим методом планировния эксперимента 158
5.2. Бланширование двустворчатых моллюсков СВЧ-нагревом 173
5.2.1. Исследование тепловой обработки мидий с использованием электромагнитного поля СВЧ 173
5.2.2. Определение оптимальных технологических режимов бланширования мидий методом полного факторного эксперимента 188
5.3. Математическая модель управления качеством продукции в технологических процессах обработки гидробионтов и создание программного обеспечения 196
Глава 6. Исследование закономерностей изменений свойств мышечной ткани рыбы при размораживании энергией ЭМП СВЧ 204
6.1. Свойства белков и липидов мышечной ткани рыбы 204
6.1.1. Азот растворимых саркоплазматических и миофибриллярных белковых фракций, небелковый азот, азот летучих оснований, аминокислотный состав 205
6.1.2. Фракционный состав липидов, фосфолипидов, жирнокислотный состав липидов 221
6.2. Санитарно-микробиологические показатели размороженной рыбы 234
6.3. Микроструктура мышечной ткани размороженной рыбы 238
6.4. Физико-химические, структурно-механические характеристики размороженной рыбы и потери массы сырья 243
6.5. Цвет мышечной ткани и орган олептическая оценка размороженной рыбы 253
6.6. Влияние холодильного хранения и способов размораживания на изменения свойств мышечной ткани рыбы 269
Глава 7. Исследование закономерностей и особенностей изменения свойств мяса мидий при бланшировании СВЧ-нагревом 281
7.1. Свойства белков и липидов бланшированного мяса моллюсков 282
7.1.1. Азот растворимых саркоплазматігческих и миофибриллярных фракций белков, небелковый азот, аминокислотный состав 282
7.1.2. Фракционный состав липидов, фосфолипидов и жирно кислотный состав липидов мяса мидий 293
7.2. Физико-химические, реологические, органолептическпе и технологические
показатели бланшированного мяса мидий 302
Глава 8. Обоснование и разработка эффективных технологий производства продукции из гидробионтов с использованием ЭМП СВЧ 314
8.1. Обоснование технологий производства соленой и копченой
рыбопродукции, консервов из гидробионтов, размороженных СВЧ-
нагревом 315
8.1.1. Технология производства соленой рыбы 318
8.1.2. Технология производства рыбы холодного копчения 322
8.1.3. Технология производства консервов 326
8.2. Обоснование технологий производства продукции из бланшированного мяса мидий с применением СВЧ-энергии 331
8.2.1. Технология производства варено-мороженого мяса мидий 331
8.2.2. Технология производства пресервов 336
8.2.3. Технология производства консервов 337
Экономическая эффективноть использования микроволновых технологий и свч-техники для производства продукции из гидробионтов 342
Выводы 344
Литература
- Основные проблемы традиционных технологий, энерго- и ресурсосбережения, экологические аспекты в рыбоперерабатывающей отрасли
- Постановка технологических экспериментов
- Научно-теоретические основы взаимодействия биосырья и гидробионтов с энергией электромагнитного поля СВЧ
- Метод определения уровней качества обрабатываемых гидробионтов и готовой продукции
Введение к работе
Актуальность проблемы. В создании стабильного обеспечения полноценными продуктами питания населения рыбная промышленность занимает особое место.
В соответствии со стратегией развития рыбного хозяйства России поставлена задача увеличения поставок на внутренний рынок рыбных товаров за счет роста производства с одновременным сокращением экспорта сырьевых ресурсов. Несмотря на существенное снижение среднедушевого потребления рыбных продуктов (с 20,3 кг в 1990 г. до 11 кг в 2003 г.) предполагается, что к 2010 г. и 2015 г. он возрастет, соответственно, до 18 и 19 кг (Шпаченков Ю.А., 1999; Теплицкий В.А., 2001).
В настоящее время решение поставленной задачи затруднено из-за физического и морального старения основных производственных фондов и, прежде всего, устаревшего технологического оборудования и техники рыбообрабатывающих предприятий и судов, износ которых составляет 55-83% (Ерухимович В.Б., Шпаченков Ю.А., 1996; Теплицкий В.А., 2001). Темпы обновления основных фондов существенно замедлились и на сегодня они не обеспечивают даже простое воспроизводство (Шпаченков Ю.А., 1999).
Необходимость продовольственной независимости страны, удовлетворения потребности людей в полноценных и эколопгческн чистых пищевых продуктах, а также значительное снижение вылова гидробионтов и недопроизводство продуктов питания выдвигают в число важнейших проблем максимально эффективное использование биоресурсов на основе разработки нового поколения прогрессивных технологий и техники.
Повышенное внимание в рыночных условиях к качественному аспекту продовольствия подводит к необходимости оптимизации технологий и основных технологических процессов при производстве пищевых продуктов с заданным уровнем качества.
Развитие марикультуры, прежде всего, культивирование и производство пищевой продукции из двустворчатых моллюсков (мидий, гребешка, устриц) и водорослей имеет важное значение для продовольственной безопасности государства и сохранения генофонда населения, испытывающих острейший дефицит в натуральных лечебно-профилактических продуктах питания, содержащих комплекс биологически активных веществ (БАБ), макро- и микроэлементы и витамины.
В настоящее время развитие промышленной марикультуры сдерживается неэффективностыо перерабатывающих мощностей, базирующихся на устаревших технологиях высокотемпературной обработки моллюсков с большой долей постоянно растущих материальных затрат на электроэнергию, топливо, пар, воду и ручной труд, повышающих себестоимость готовой продукции и увеличивающих антропогенную нагрузку на окружающую среду.
Многовидовой состав рыбы, моллюсков, ракообразных и других гидробионтов, их особенности и свойства требуют совершенствования существующих и создания новых эффективных технологий производства пищевых продуктов, способных обеспечить энерго- и ресурсосбережение при значительной интенсификации технологических процессов обработки.
Проводимые научные исследования по обеспечешпо наиболее полного сохранения исходных свойств гидробионтов при производстве продуктов питания показывают, что решение этой проблемы существенно зависит от сокращения технолопгческих процессов обработки сырья. Сокращение продолжительности традиционных методов обработки рыбы и морепродуктов во многих процессах достигло определенного предела возможности и не может быть интенсифицировано. Для дальнейшего развития производства необходимо разрабатывать прогрессивные экологически безопасные технологии обработки гидробионтов, обеспечивающие высокую производительность, снижение потерь сырья, повышение выхода и качества готовой продукции, значительное сокращение потребления воды и электроэнергии.
Проведенные расчеты показывают, что экономия ресурсов в отрасли дает в 2-3 раза больший эффект, чем увеличение добычи гидробиологического сырья (Сысоев Н.П., Котов Н.А., 1987).
Загрязнение окружающей среды и, прежде всего, источников водоснабжения представляет собой реальный фактор, оказывающий существенное негативное влияние на здоровье населения и экономическое развитие государства. Вода является одним из основных «рабочих инструментов» во многих технологических процессах рыбоперерабатывающих производств и ингредиентом в выпускаемых продуктах питания, что часто является следствием их недоброкачественности из-за привнесенных водой при обработке сырья вредных и токсических веществ.
Неэффективное использование электрической и тепловой энергии во многих отраслях промышленности, в том числе и рыбной, привело на грань энергетического кризиса. Энергоемкость промышленной продукции в Российской Федерации в два-три раза выше, чем в развитых индустриальных странах (Коган Ю.Н., 1989; Теплицкий В.А., 2001).
При создании высокоэффективных технологий, обеспечивающих выпуск качественной пищевой продукции, необходимым условием является всестороннее изучение особенностей и закономерностей изменений свойств сырья животного происхождения и гидробионтов от режимных параметров их обработки на основных этапах производства: замораживания, размораживания, посола, копчения, бланширования и стерилизации.
Большой вклад в решение этой важной проблемы внесли: Артюхова С.А., Андреев М.П., Бражников A.M., Быков В.П., Воскресенский Н.А., Журавская Н.К., Косой В, Д., Курко В.И., Лагунов Л.Л., Макарова Т.Н., Мижуева С.А., Леванидов И.П., Рогов И.А., Сафронова Т.М., Семенов Б.Н., Шендерюк В.И., Lover M.R., Cormell 1.1., Moral А. и другие ученые.
Применяемые в отрасли традиционные технологии размораживания гидробионтов имеют ряд существенных недостатков, снижающих качество готовой продукции, и требуют принципиально новых подходов для их совершенствования. С учетом того, что свыше 70% пищевой рыбной продукции ежегодно изготавливается из мороженого сырья, объем которого составляет более 2,2 млн. тонн, эта проблема становится особенно актуальной.
С середины 70-х годов из разрабатываемых принципиально новых электрофизических методов обработки с/х сырья и гидробионтов наиболее перспективным направлением развития технологий является использование СВЧ-нагрева, позволяющего создать высокотехнологичные процессы и существенно интенсифицировать этапы производства, максимально сохранять исходные свойства перерабатываемого сырья и направленно формировать качественные показатели готовой продукции, обеспечивать ресурсосбережение и экономическую стабильность предприятий пищевых отраслей.
Быстрое развитие СВЧ-энергетики, создание СВЧ-техники и оборудования позволило более чем в 100 технологических процессах производства продуктов питания использовать микроволновый нагрев.
Фундаментальные теоретические и практические исследования в области СВЧ-технологий и оборудования развиты в работах: Рогова И.А., Адаменко В.Я., Архангельского Ю.С., Большакова С.А., Вонволера М.А., Жаринова А.И., Жукова Н.Н., Короткова В.К., Лысова Г.В., Мамыкина В.К., Некрутмана СВ., Остапенкова A.M., Федорова Н.Е., Хлебникова В.И., Шаталова А.Л., Baldwin R.E., Bengtsson N.E., Hamm R., Mudgett R.E., Neisel N., Jason A.C., Koch K., Okress E., Pham Q.T., Rosenberg U., Schiffmann R.F., Schwan H.P., Taoukis P., Vyncke W., Yowell К. и других ученых.
В рыбной промышленности с середины 80-х годов используются высокоэффективные экологически безопасные технологии и СВЧ-оборудование для размораживания, сушки и пастеризации гидробионтов. Разработаны и апробированы в производстве на экспериментальном и промышленном оборудовании ряд технологий, которые позволяют многократно сократить процесс обработки и потери сырья, расход энергии и воды, повысить выход и качество готовой продукции по сравнению с применяемыми традиционными технологиями. Безградиентный метод обработки гидробионтов электромагнитным полем СВЧ позволяет достаточно точно и оперативно регулировать и контролировать в довольно узких температурных пределах технологический процесс обрабатываемого сырья.
Однако широкому внедрению прогрессивных ресурсосберегающих технологий и СВЧ-техники в отечественной промышленности препятствует ряд нерешенных проблем, первоочередной из которых является отсутствие организаций по разработке и изготовлению технологического СВЧ-оборудования при освоенном выпуске широкого спектра СВЧ-источников питания.
Широкое применение СВЧ-энергоподвода при изготовлении продуктов из гидробионтов требует коренного пересмотра концепции переработки объектов водного промысла, которая должна состоять в изыскании прогрессивных электротехнологий, направленных на максимальное сохранение свойств перерабатываемого сырья, формирование заданных качественных показателей готовой продукции при существенном снижении затрат на сырьевые, топливо-энергетические и материальные ресурсы.
Для решения этих вопросов необходима информация о влиянии микроволнового нагрева на изменения электрофизических, структурно-механических характеристик, качественных показателей обрабатываемого сырья, функционально-технологических свойств готовой продукции, которая позволит разработать комплексные технологии производства продуктов питания и соответствующую нормативную документацию.
Решению обозначенных и некоторых других проблем посвящена данная работа, выполненная в соответствии с отраслевой КЦП «Пелагиаль» и Государственной целевой НТП «Марикультура», подтверждающими ее актуальность.
Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось разработка научных и практических основ создания высокоэффективных ресурсосберегающих технологий переработки гидробионтов в продукты питания с использованием энергии электромагнитного поля СВЧ, обеспечивающих значительную интенсификацию технологических процессов обработки, повышение качества и пищевой ценности продукции, улучшающих экологическую и экономическую результативность и стабильность производства.
Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи:
- провести системный анализ современного состояния теории и практики в области технологии производства пищевых продуктов из сырья животного происхождения и гидробионтов с использованием СВЧ-энергии с целью определения формализации постановки задач по созданию новых эффективных технологий с применением СВЧ-нагрева, повышающих ресурсосбережение и качество продуктов питания из объектов морского промысла и марихозяйств;
- разработать программно-целевую модель исследований и создания технологий производства высококачественных пищевых продуктов из гидробионтов с использованием ЭМП СВЧ;
- проанализировать научно-теоретические аспекты взаимодействия биосырья и гидробионтов с энергией ЭМП СВЧ и определить основные характеристики процесса;
- разработать аналитический метод определения диэлектрических характеристик (s ,tgS,e") гидробионтов в области отрицательных температур и определить рабочие частоты ЭМП СВЧ для обработки рыбы и двустворчатых моллюсков;
- разработать метод дифференцированной оценки степени совершенства технологий производства и качества продукции на основе критериальных значений и сформулировать обобщенный формализованный показатель качества пищевых продуктов;
- получить сравнительные характеристики кинетики процесса размораживания гидробионтов и бланширования двустворчатых моллюсков в зависимости от их технохимических свойств градиентным и безградиентным способами для подготовки оптимизации процессов;
- определить рациональные условия проведения процессов диэлектрического размораживания гидробионтов и СВЧ-бланширования двустворчатых моллюсков методом математического планирования эксперимента;
- разработать математическую функциональную модель управления качеством продукции и программное обеспечение для прогнозирования эффективности процессов обработки гидробионтов с использованием СВЧ-энергоподвода в условиях производства на ЭВМ;
- исследовать закономерности изменения свойств комплекса биохимических, физико-химических, структурно-механических, органолептических и других показателей гидробионтов при размораживании на воздухе, в воде, энергией ЭМП СВЧ и влияния их на формирование качественных характеристик готовой продукции;
- обосновать и разработать технологии соленой, копченой и стерилизованной продукции из гидробионтов с использованием энергии ЭМП СВЧ;
- исследовать взаимосвязь закономерностей изменения свойств биохимических, физико-химических, реологических и органолептических показателей мяса мидий при бланшировании в воде, паром, СВЧ-нагревом и влияние их на качество готовой продукции;
- разработать комплексные технологии производства варено-мороженого мяса мидий, консервов и пресервов из культивируемых моллюсков на основе применения энергии ЭМП СВЧ;
- разработать нормативную документацию на производство продукции из гидробионтов с использованием ЭМП СВЧ, исходные требования на проектирование СВЧ-оборудования.
Научная новизна. Разработаны научные и практические основы создания эффективных ресурсосберегающих технологий производства пищевых продуктов из гидробионтов с использованием энергии электромагнитного поля СВЧ, базирующиеся на видовых и технохимических особенностях сырья, специфичности и закономерностях СВЧ-энергоподвода, обеспечивающего по сравнению с традиционными технологиями существенное снижение температурного градиента, сокращение продолжительности процессов обработки (в 4-15 раз и более) и всего производственного цикла при значительном повышении качества продукции с регулируемыми функционально-технологическими свойствами.
Разработаны классификации способов размораживания гидробионтов и обработки двустворчатых моллюсков с учетом вида подводимой энергии и характера воздействия на биосырье.
Разработан и научно обоснован аналитический метод расчета диэлектрических характеристик (s ,tg5,s ) мороженых гидробионтов на частоте 433, 915 и 2400 МГц. Получены аналитические уравнения зависимости диэлектрических характеристик гидробионтов в области отрицательных температур от основных факторов. Установлены закономерности изменений диэлектрических характеристик рыбы в процессе размораживания ЭМП СВЧ.
Исследованы и установлены особенности различий тeплoфизичecкиx, и электрофизических характеристик составных частей двустворчатых моллюсков {Mytilus galloprovincialis, Mytilus ediilis), влияющие на динамику процесса бланширования мидий конвективными способами и СВЧ-нагревом, изменения функционально-технологических свойств и качество пищевой продукции.
Установлен на основе феноменологического подхода и экспериментально-аналитического исследования механизм воздействия ЭМП СВЧ на лнгамент, аддуктор и биссусную железу мидий при щадящем бланшировании.
Разработан и научно обоснован новый метод дифференцированной оценки степени совершенства технологий производства и качества пищевой продукции на основе формализованного расчета критериев качества, позволяющий на всех этапах технологической обработки гидробионтов количественно устанавливать уровень изменений единичных и комплексных показателей качества и их значимость, определять оптимальные условия процессов обработки, обеспечивающие изготовлеіше продуктов питания с заданными функциональными свойствами.
Разработана, научно обоснована и предложена модель управления качеством продукции, основанная на взаимосвязи эффективного критерия качества и оптимизации режимных параметров технологического процесса обработки гидробионтов.
Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для прогнозирования и оценки эффективности процессов обработки гидробионтов с использованием СВЧ-энергоподвода в условиях производства на ЭВМ.
Научно и экспериментально установлены закономерности изменений от способа и скорости обработки и взаимосвязи происходящих биохимических, физико-химических, структурно-механических, органолептических и других трансформаций в сырье, показывающие, что при СВЧ-нагреве:
- высокая скорость размораживания обуславливает сохранение функциональных свойств гидробионтов, целостность макроструктуры мышечной ткани рыбы и на клеточном уровне, что позволяет получать высококачественное размороженное сырье и готовую продукцию;
- щадящий объемный нагрев существенно снижает степень денатурационных и гидролитических изменений белков мышечной ткани рыб и мидий, значительно сокращает уровень деструкции наиболее важных незаменимых аминокислот - метионина, лейцина, изолейцина, фенилаланина, а-также цистеина;
- многократно снижается степень гидролиза и окисления липидов гидробионтов при высоком уровне сохранения эссенциальных полиненасыщенных биологически активных жирных кислот со-3 в полуфабрикатах и готовой продукции;
- стабильно сохраняется цветовой тон, яркость и насыщенность цвета мышечной ткани рыбы и мяса моллюсков, повышающих качество и улучшающих товарный вид пищевой продукции;
- увеличивается выход из единицы сырья качественных продуктов питания повышенной пищевой ценности от 2-6% до 38-45%.
Научные положения, выносимые на защиту:
- научные и практические основы создания эффективных технологий производства продукции из гидробионтов с использованием энергии ЭМП СВЧ;
- аналитический метод определения диэлектрических характеристик гидробионтов в области отрицательных температур на частоте 433, 915 и 2400 МГц и оценка динамики их изменения при размораживании гидробионтов СВЧ-энергией;
- метод дифференцированной оценки степени совершенства технологий производства и качества пищевых продуктов на основе формализации и обобщения критериев качества;
- модель управления качеством в технологических процессах производства пищевой продукции из гидробионтов и алгоритмическое программное обеспечение для его реализации на производстве;
- механизм специфического эффекта бланширования мидий ЭМП СВЧ;
- закономерности изменения комплексных показателей качества мышечной ткани рыбы при размораживании и мяса мидий при бланшировании градиентными (вода, воздух и пар) и безградиентными (СВЧ) способами;
- эффективные технологии производства высококачественных пищевых продуктов (рыбных консервов, соленой и копченой рыбопродукции, пресервов и консервов из мяса черноморских мидий), базирующиеся на использовании СВЧ-нагрева.
Практическая значимость работы. На основании результатов научных и экспериментальных исследований разработаны: технология размораживания рыбы в блоках СВЧ-энергией на СВЧ-установке А1-ФДВ, технология размораживания мелкой рыбы и мяса криля СВЧ-нагревом, технологии производства копченой и соленой продукции, консервов с применением СВЧ-энергии.
Разработаны принципиально новые комплексные технологии производства пищевой продукции из культивируемых мидий на основе применения СВЧ-нагрева: варено-мороженого мяса мидий, пресервов и консервов из мяса черноморских мидий, исключающие использование традиционных теплоносителей (пар, воду и воздух).
Предложена формула и номограммы для расчета оптимальных параметров размораживания гидробионтов в промышленном СВЧ-агрегате А1-ФДВ и бланширования мидий в СВЧ-установке.
Предложен аналитический метод расчета электрофизических характеристик {s ,tg5,s") гидробионтов в области отрицательных температур на частоте 915 и 2400 МГц.
Разработано алгоритмическое программное обеспечение для прогнозирования и оценки эффективности процессов обработки гидробионтов с использованием СВЧ-энергоподвода в условиях производства.
Результаты исследований использованы при разработке и создании экспериментальной СВЧ-установки конвейерного типа, обеспечившей решение проблем трудоемких операций при бланшировании двустворчатых моллюсков, при разработке исходных требований на проектирование опытно-промышленных СВЧ-агрегатов многофункционального назначения для эффективной обработки гидробионтов.
Результаты исследований включены в монографию, энциклопедию, учебное пособие и используются в научной и учебной практике.
Реализация результатов исследования. Разработаны и утверждены:
ТИ «Размораживание рыбы в блоках СВЧ-энергией на установке А1-ФДВ»; ТИ «Размораживание рыбы СВЧ-нагревом»; ТИ «Размораживание мелкой рыбы и мяса криля СВЧ-нагревом»; ТИ «Производство соленой рыбы с использованием СВЧ-энергии»; ТИ «Производство рыбы холодного копчения с использованием СВЧ-энергии»; ТИ «Производство консервов из варено-мороженого мяса криля с использованием СВЧ-энергии»; изменение №1 к ТИ №1 по производству рыбных консервов и пресервов; ТИ «Производство варено-мороженого мяса мидий с использованием СВЧ-нагрева»; ТИ «Производство пресервов из черноморских мидий с применением СВЧ-нагрева»; ТРІ «Производство консервов из черноморских мидий с использованием СВЧ-нагрева».
Разработанные технологии производства продукции с применением размораживания гидробионтов СВЧ-энергией в СВЧ-агрегате А1-ФДВ реализованы на Аршинцевском рыбообрабатывающем заводе ПО «Керчьрыбпром». На Аршинцевском РОЗ внедрена в промышленную эксплуатацию отечественная СВЧ-установка А1-ФДВ для размораживания гидробионтов. В СВЧ-агрегате А1-ФДВ разморожено более 720 т рыбы и гидробионтов, из которых выработано более 610 т соленой, вяленой и холодного копчения рыбы, пресервы, соответствующие требованиям ГОСТ, ОСТ и ТУ.
На основании результатов исследований, технологических и конструкторских решений нами совместно с Московским институтом химического машиностроения разработана и изготовлена экспериментальная СВЧ-установка конвейерного типа для тепловой обработки культивируемых мидий производительностью 30 кг/ч. На Производственном научно-технологическом центре «Керчьмоллюск» на СВЧ-установке проведены комплексные исследования по тепловой обработке мидий. Выпуск опытных и промышленных партий пресервов, консервов и варено-мороженого мяса мидий осуществлен в условиях ПНТЦ «Керчьмоллюск». По результатам исследований и производственных испытаний разработаны исходные требования на проектирование опытно-промышленной СВЧ-установки конвейерного типа для обработки культивируемых мидий.
Апробация работы. Основные результаты исследований и материалы диссертации доложены на: Пятой научно-технической конференции «Применение СВЧ-энергии в энергосберегающих технологических процессах» (Саратов, 1986); конференции молодых ученых «Оценка и освоение биологических ресурсов океана» (Владивосток, 1988); Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Пути интенсификации технологических процессов и оборудования в отраслях агропромышленного комплекса» (Москва, 1988); Шестой Всесоюзной научно-технической конференции «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья» (Москва, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности» (Владивосток, 1989); Второй Всесоюзной научной конференции «Проблемы индустриализации общественного питания страны» (Харьков, 1989); Третьей Всесоюзной научно-технической конференции «Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств» (Москва, 1990); Всесоюзном семинаре АН СССР «Новые применения миллиметровых волн в народном хозяйстве» (Саратов, 1991);
научно-технической конференции «Технические средства океанического промышленного рыболовства» (Керчь, 1991); конференции-семинаре «СВЧ-электроника в народном хозяйстве» (Москва, 1993); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы применения СВЧ-энергни» (Саратов, 1993); Тринадцатой Международной конференции по постоянным магнитам (Суздаль, 2000); Третьей Международной конференции «Повышение качества рыбной продукции - стратегия развития рыбопереработки в XXI веке» (Калининград, 2001); Международной научно-технической конференции «Прибрежное рыболовство - XXI век» (Южно-Сахалинск, 2001); Четвертой Международной научно-технической конференции «Пища. Экология. Человек». (Москва, 2001); Первой Международной конференции «Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки» (Москва, 2002); научно-практической конференции «О приоритетных задачах рыбохозяйственной науки в развитии рыбной отрасли России до 2020 г.» (Москва, 2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 60 работ, в том числе монография, учебное пособие, научные стаьи и материалы в энциклопедии, теоретических, научно-практических изданиях, периодических журналах, трудах всесоюзных и международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 350 с, содержит 101 табл., 26 рис., 503 литературных источника. В приложениях приведены результаты экспериментальных исследований, нормативная документация, исходные требования на СВЧ-агрегаты, акты производственных проверок разработанных технологий, документы о выпуске продукции с использованием СВЧ-энергии и внедрении разработок, протоколы дегустаций и документы отдельных аналитических исследований, документы об экономической эффективности.
Основные проблемы традиционных технологий, энерго- и ресурсосбережения, экологические аспекты в рыбоперерабатывающей отрасли
Непрерывное увеличение потребления населением планеты всех видов невозобновляемых продовольственных и энергетических ресурсов привело к созданию их прогрессирующего дефицита и экологическим проблемам, устранение которых тесным образом связано с разработкой и освоением нетрадиционных новейших и эффективных технологий производства продуктов питания.
Мировое сообщество все больше тревожат последствия экологического стресса - ухудшение качества почв, водного режима, состояния атмосферы и лесов, экономическое развитие в будущем. За последние десятилетия проблемы экологии, как фактора выживания всего человечества, вышли на первый план (Доклад МКОСР, 1989).
Развитие научно-технического прогресса с неизбежностью приводит к усилению воздействия человека на природу, к нарушению эколопгческого равновесия. Увеличивающийся рост промышленных выбросов является причиной загрязнения природной среды вредными веществами, которые вызывает губительные нарушения в идущих природных циюпгческих процессах.
Основные факторы экологической опасности для государства -гипертрофированное развитие природоэксплуатирующих отраслей промышленности, повсеместное использование устаревших и неэффективных технологий и оборудования, моральный и физический износ основных производственных фондов, отсутствие стратегии развития ЭКОНОМИЮ1 экологического равновесного природопользования, отсутствие у населения эколопгческого сознания.
Одна из основных проблем в рыбной промышленности, как и пищевых отраслях, заключается в недостаточном применении малоотходных и безотходных экотехнологий. Действующие в отрасли технологии обработки гидробионтов не соответствуют требованиям современности и международным стандартам по многим критериям: неэффективному энерго- и ресурсопотреблению, расточительному водоиспользованию и очистке промышленных стоков, оказывающих негативное воздействие на природную среду.
Критическое состояние окружающей среды наряду с другими факторами отрицательно влияет на репродуктивность и здоровье населения. По данным РАМН 36% всех случаев заболеваний, более 38% отклонений в физическом развитии человека спровоцировано загрязнением окружающей среды. В 42-х случаях из ста оно является причиной утраты трудоспособности и в 19-ти -сокращения продолжительности жизни (Государственный доклад...., 1998). Известный педиатр академик АМН Таболин В.А. констатирует замедление темпов развития детей. Сегодня лишь 10% детей практически здоровы. От 40 до 50% хронически больные дети, а еще 40% имеют те или иные отклонения в состоянии здоровья.
На здоровье населения во многом влияет качество продуктов питания, вызывающее тревогу по гигиеническим регламентам. По данным Санитарно-эпидемиологической службы России, в 1996-1998 гг. превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) по нитрозоаминам отмечено в 17,2% образцов исследованных продуктов. Самые высокие частота и уровни содержания нитрозоаминов определены в рыбопродуктах - более чем в 90%. Из-за превышения содержания ПДК токсігческих и ядовитых веществ более 10% пищевых продуктов и 40% продуктов детского питания были признаны опасными для здоровья (Государственный доклад...., 1998).
Наблюдается тенденция увеличения удельного веса рыбной продукции, не отвечающей гигиеническим нормативам по санитарно-микро биологическим показателям, с 3,4% (1998 г.) до 10,5% (2000 г.). Ежегодно возрастает количество проб рыбной и пищевой продукции с наличием гельминтов, вызывающих заболевание дифиллоботриозом (Мансурова Л.В., Солодовник Т.М., Стром Ф.К., 2001).
Постановка технологических экспериментов
На втором этапе исследований определяли оптимальные условия воздействия ЭМП СВЧ на процесс размораживания гидробионтов на базе математического планирования эксперимента методом крутого восхождения с выходом за пределы области, обозначенной планом, с учетом ограничений по качественным показателям обработанного сырья. Параметром оптимизации процесса обработки выбирали показатель эффективности размораживания -обобщенный критерий качества, позволяющий достаточно точно оценить комплексный уровень качества обработанного сырья.
Размороженные по оптимальным режимным параметрам образцы рыбы направляли на комплексное исследование биохимических, физико-химических, структурно-механических, органолептіпіеских и других показателей, по результатам которых рассчитывали обобщенный критерий качества и оценивали эффективность параметрических режимов СВЧ-технологий.
На третьем этапе экспериментов исследования по размораживанию стандартных блоков рыбы осуществляли в промышленном СВЧ-агрегате А1-ФДВ, смонтированном и введенном в опытную эксплуатацию на Аршинцевском рыбообрабатывающем заводе ПО «Керчьрыбпром».
После исследования температурных профилей размороженных блоков рыбы в отобранных образцах определяли ВУС, органолептику и потери массы, на их основе рассчитывали критерий качества и устанавливали методом полного факторного эксперимента оптимальные режимные параметры размораживания гидробионтов в СВЧ-установке А1-ФДВ. Всю размороженную рыбу направляли на изготовление соленой, копченой, вяленой, стерилизованной продукции и пресервов в соответствии с действующей нормативной документацией.
При производстве контрольных партий соленой и копченой продукции по традиционной технологии совмещенное размораживание и посол рыбы осуществляли в перфорированных контейнерах в посольных емкостях в циркулирующих тузлуках. Экспериментальные образцы рыбных блоков размораживали в СВЧ-агрегате А1-ФДВ и обрабатывали в соответствии с требованиями технологических инструкций.
Равномерность посола в мясе рыбы оценивали по формуле: mm ,. У max , . где. c» - минимальная концентрация соли в мясе і-вида рыбы, %; ,тач сЛ/ максішальная концентрация соли в мясе і-вида рыбы, %; Rv - коэффициент равномерности просаливания і-ой рыбы при j-ом способе обработки. С учетом продолжительности процессов выравнивания (перераспределения соли) и отмачивания фиксировали содержание соли в мясе контрольных партий рыбы и определяли равномерность просаливания полуфабриката по объему тела рыбы. В экспериментальных и контрольных образцах определяли биохимические, физико-химические и органолептические показатели с последующим вычислением критерия качества.
Опытные и контрольные образцы соленого полуфабриката совместно направляли на холодное копчение в соответствии с ТИ, по окончанию отбирали пробы и производили органолептическую и физико-химическую оценку качества продукции.
После определения оптимальных условий размораживания блоков кильки и варено-мороженого мяса криля в СВЧ-агрегате А1-ФДВ, установленных методом крутого восхождения, образцы подвергали исследованию по физико-химическим, биохимическим и органолептическим показателям с вычислением интегрированного критерия качества. Из опытных партий размороженного мяса криля и кильки изготавливали консервы в соответствии с действующей нормативной документацией. Готовые консервы подвергали органолептическои оценке, биохимическому и физико-химическому анализу, по результатам которых рассчитывали обобщенный критерий качества.
После обработки результатов экспериментов и тщательного анализа переходили к разрабатыванию частных технологий производства пищевой продукции из гидробионтов с использованием энергии ЭМП СВЧ.
Методика исследования процесса бланширования мидий СВЧ-энергией. Для изучения особенностей и механизма воздействия ЭМП СВЧ на мидию в процессе тепловой обработки на первом этапе эксперименты проводили в СВЧ-установке «Электроннка-ЗС». Каждую серию экспериментов проводили только на живых культивируемых моллюсках одной съемной партии.
Отобранные по размерно-массовому ряду мидии подвергали СВЧ-нагреву при непрерывных режимах в течение 1,5-10 мин. В каждом опыте фиксировали динамику процесса нагрева, выход мяса мидий и степень его бланширования, колігчество ослабленного и легко удаляемого биссуса и свободно отделившегося мяса моллюсков от створок.
Контрольные партии мидий бланшировали в воде и паром по действующей технологической инструкции, а также на голландской комплексно-механизированной линии FRANKEN В V.
Экспериментально-аналитическими исследованиями изучали механизм воздействия ЭМП СВЧ на лигамент, аддуктор (мускул-замыкатель) и биссусную железу живых мидий.
Из бланшированного в СВЧ-поле по рациональным режимам мяса мидий отбирали пробы и производили оценку по выходу продукта, ВУС, предельному напряжению сдвига и органолептике. Методом дифференцирования определяли комплексный критерий качества бланшированного мяса моллюсков, по которому конкретизировались параметры обработки мидий ЭМП СВЧ.
На следующем этапе экспериментов методом Бокса-Уилсона определяли оптимальные условия процесса бланширования мидий СВЧ-энергией с учетом ограничений по качественным показателям обработанного мяса моллюска. Комплексный показатель эффективности бланширования, состоящий из показателей выхода мяса и критериев качества ослабления и отделения биссуса от мяса мидий и мяса моллюсков от створок, являлся параметром оптимизации процесса обработки.
Научно-теоретические основы взаимодействия биосырья и гидробионтов с энергией электромагнитного поля СВЧ
Электромагнитное поле, обладающее электромагнитной энергией, представляет собой взаимосвязанные переменные электрическое поле и магнитное поле. Взаимная связь электрического и магнитного полей обусловлена тем, что всякое изменение одного из них приводит к появлению другого: переменное электрическое поле, порождаемое ускоренно движущими зарядами (источником), возбуждает в смежных областях пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает в прилегающих к нему областях пространства переменное электрическое поле и т.д. Электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн или электромагнитных колебаний с конечной скоростью, зависящей от свойств среды (Вайнштейн Л.А., 1988).
Пространственно-временные изменения электромагнитного поля в различных средах и в вакууме описываются системой уравнений Максвелла -основными уравнениями классической электродинамики (Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., 1982; Бредов М.М., Румянцев В.В., Топтыгин И.Н., 1985; Григорьев А.Д., 1990):
Данные уравнения связывают пространственное изменение напряженности электрического поля Е и его индукции D в среде с изменением магнитной индукции В и напряженности магнитного поля в среде Н.
Уравнение (3.1) выражает закон возбуждения магнитного поля полным током и второе уравнение (3.2) - закон о возбуждении электрического поля, преобразующегося во времени в магнитное поле (/ - плотность электрического тока, А/м ).
Уравнение (3.3) показывает, что источником индукции электрического поля являются свободные заряды с плотностью р, последнее (3.4) уравнение выражает отсутствие в природе источников магнитных зарядов.
Уравнения 3.3 и 3.4 дополняются уравнениями связи в сплошных средах, где векторы индукции пропорциональны соответствующим векторам напряженности: Б = є0-є-Е; В = /Ло-м-Н, (3.5) где: 0 - электрическая постоянная; ц э - магнитная постоянная; є - относительная диэлектрическая проницаемость среды; JJ, - относительная магнитная проницаемость среды.
Относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды являются электрическими характеристиками, обуславливающими аккумулирование энергии электрического и магнитного полей в сплошной среде, где распространяется поле, и одновременно рассеяние энергии поля в этой среде, то есть преобразование энергии поля в тепловую и другие виды энергии.
Важным следствием, вытекающим из уравнений (3.1) и (3.2), является соотношение, выражающее баланс энергии тока и электромагнитной энергии: H?f\lv = -j[E-H]ds-JEjdv (3.6) Ct ) S у Ю ГЛ dt
Произведение Ej выражает удельную мощность, отдаваемую полем движущимся частицам, величина П=[Е Н] интерпретируется как плотность потока энергии электромагнитного поля.
В класыгческой электродинамике плотность потока электромагнитной энергии в поле описывается вектором Пойнтинга:
Второе слагаемое правой части уравнения (3.9) представляет собой удельную мощность тепловых источников, в котором 0 = О,5«О s cviEl} (Вт/м3) отображает необратимое преобразование энергии ЭМП во внутреннюю тепловую энергию среды.
Мощность потерь, поглощаемая единицей объема диэлектрического материала, трактуемая по теореме Умова-Пойнтинга как уравнение энергетического баланса, определяется по уравнению (Рогов И.А., Некрутман СВ., 1976; 1986):
Эффективность преобразования энергии переменного ЭМП в тепло (уравнение 3.10) обусловлена рабочей частотой и квадратом напряженности электромагнитного поля, изменяющимися диэлектрическими характеристиками обрабатываемого продукта и не зависит от теплопроводности диэлектриков, имеющих низкие значения. Эта особенность является наиважнейшим отличием и преимуществом диэлектрического нагрева, априори ускоряющего процесс нагревания материала по сравнению с кондуктивным и конвективным нагревом.
В общем электромагнитном спектре волн СВЧ-диапазон занимает область О 1 1 -j с частотами от 3 10 до 3.10 Гц с длиной волны от 1 до 10 м и располагается между высокочастотным (ВЧ) и инфракрасным (ИК) диапазонами излучения.
Из шіфокого спектра электромагнитного излучения в пищевых технологиях в разной степени освоены диапазоны от высокочастотного до оптического (табл. 3.1) (Исмаилов Э.Ш., 1987). Для промышленного применения международными соглашениями разрешен ряд частот: 433, 896, 915, 2375, 2450, 5800, 22125 МГц, из которых в пищевых отраслях производства в основном используются 915 и 2450 МГц.
Биологические системы, в том числе и пищевые продукты, являются диэлектриками с ограниченной проводимостью. Потери обусловлены движением свободных ионов (потери проводимости) и молекулярным вращением (диэлектрические потери). При прохождении электромагнитных полей через биологическую среду и взаимодействия с ней происходит преобразование энергии, результатом которого является ослабление электромагнитного поля и увеличение кинетической энергии молекул
биологической среды, то есть повышение температуры (Schwan Н.Р.; 1971, 1976). Уровень ослабления и степень поглощения электромагнитного поля зависит от диэлектрических свойств биологического объекта, и они меняются в зависимости от частоты воздействующей электромагнитной энергии.
Позднее классическую теорию поглощения микроволновой энергии биологической средой Schwan Н.Р. (1978) сформулировал следующим образом: «Среди установленных воздействий на биологические системы наиболее важным является нагрев, но возможно и прямое взаимодействие электромагнитного поля с мембранами и биологическими жидкостями». Однако все потери электромагнитной энергии происходят из-за потери проводимости, молекулярного движения и биополимерного вращения.
Многие пищевые продукты кроме диэлектрических компонентов содержат в себе и электролиты. Появление ионной проводимости существенно измеїшет частотные характеристики, причем часто ионная проводимость играет более существенную роль, чем релаксационные явления (Рогов И.А., Адаменко В.Я., Некрутман СВ. и др., 1981).
Дисперсия трех видов белков: гемоглобина, яичного и сывороточного альбумина, лежит в интервале частот 107-109 Гц. Аминокислоты и небольшие Q in пептиды имеют дисперсию в области 10-10 Гц. Это свидетельствует о взаимодействии ряда молекул биологического происхождения с электромагнитными полями на СВЧ в диапазоне 10 Гц. Три вида взаимодействия являются вероятными на молекулярном уровне: - взаимодейстзие электромагнитного поля с ограшгченными участками пептидных цепей белков, вызывающее вращение подгрупп (дипольно-радикальная поляризация и дипольно-сегментарная поляризация); - взаимодействие ЭМ поля с водой, связанной с поверхностью белка; - взаимодействие ЭМ поля с другими небольшими полярными молекулами, такими как фермент-субстрат или детергенты, связанные с поверхностью белков.
Метод определения уровней качества обрабатываемых гидробионтов и готовой продукции
При разработке и совершенствовании технологий и техники основой принятия решений является объективная оценка качества продукции.
Повышение качества продуктов питания в условиях рыночной экономики на основе современных методов оценки уровня качества - одна из важнейших государственных социально значимых задач обеспечения безопасности и пищевой полноценности продукта.
Большой научный вклад в области оптимизации управления качеством пищевых продуктов внесли: Ивашкин Ю.А., Протопопов И.И., Бородин А.В., Шутов С.А., Артюхова С.А., Семенов Б.Н., Дунченко Н.И., Федоренко Г.Н., Skott S. и другие ученые.
Методы контроля качества основаны на инструментальном измерении и органолептическом анализе определенных (единичных, групповых и комплексных) показателей качества, характеризующих свойства пищевой продукции. Существующие стандарты и нормативная документация на рыбную продукцию и консервы содержат, в основном, требования к органолептическим показателям качества, которые составляют от 70 до 100% общего числа признаков, находящихся в иерархической и динамической зависимости (Сафронова Т.М., 1985; 1998). Применяемые методики органолептической оценки качества продукции не всегда позволяют достаточно объективно охарактеризовать состояние и свойства продукта, а главное - решить проблему управления качеством в процессе производства.
В настоящее время активно ведутся разработки в области оценки технологического уровня производства, качества и пищевой ценности продуктов питания: моделирование проектируемых пищевых продуктов в виде комплекса критериев и ограничений на основе информационных технологий (Ивашкин Ю.А., 1999; Ивашкин Ю.А., Юдина СБ., Никитина М.А. и др.,-2000), метод энтропийных алгоритмов (Федоренко Г.Н. и др., 2001), метод экспертных оценок на основе использования информационно-матричной модели по 15-ти балльной шкале (Дунченко Н.И. и др., 2001), метод оптимизации технологии стерилизованной продукции из гидробионтов, основанный на статистической обработке экспериментальных данных и экспертных оценок о влиянии различных факторов на качество продукции (Артюхова и др., 1996).
Основной целью проводимых многочисленных исследований является поиск простых формульных выражений, достаточно точно описывающих механизм происходящих явлений и позволяющих находить адекватное выражение в качестве. Предлагаемые в литературе методы дают возможность оценивать и сравнивать качество различных видов продукции через линейную зависимость качества от показателей, но не позволяют отразить реальность происходящих процессов и дифференцированно управлять качеством на этапах производства продуктов питания.
Идеальная технология - это ритмично поступающее качественное сырье и вспомогательные материалы, высокий технический уровень технологического оборудования и оптимальные режимные параметры всех технологических процессов производства, в совокупности дающие наивысшую результативность. Вместе с тем основным критерием результативности остается качество выпускаемой продукции.
Поскольку качественные показатели, характеризующие единичные и комплексные признаки и свойства качества продукта, многообразны и разнородны, в целях возможной сопоставимости между собой и значимости каждого из шгх, была поставлена задача выработать единый подход к обобщенному численному значению качества пищевого продукта.
Каждый частный показатель состояния продукта имеет свой физический смысл и свою размерность. Для объединения их необходимо ввести безразмерную однотипную шкалу, отражающую уровень качества продукта по обобщенному признаку. Выбор правила комбинирования исходных частных значений качества продукта неформализован и единого правила нет. Наиболее естественный путь - формализация множества значений частных показателей состояния продукта, выбор стандартной шкалы и обобщение результатов.
Для сопоставления между собой и оценки значимости каждого частного показателя мера качества выражается: КЧ-- -- -, (4.1) где: K,jZ - критерий качества при і-технологическом процессе, j-способе и z-режііме обработки через частный показатель G; GijZ - частный показатель продукта при і-технологическом процессе, j-способе и z режиме обработки; G - показатель состояния биосырья до і-го процесса обработки.
Многие частные показатели объединены по групповым (видовым) характеристикам качества: биохимическим, физико-химическим, структурно-механическим и органолептическим и могут быть выражены аддитивными свертками через безразмерный показатель. При этом критерий качества будет К 1 (К - max).
Для расчетов критериев качества в видовых блоках или группах выбираются наиболее характерные и значимые частные показатели, демонстрирующие существенный уровень изменений в процессе, или при том или ином способе обработки сырья, полуфабриката или продукта.
