Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор 11
1. 1 Состояние и перспективы использования плодов и ягод в пищевом производстве Сибирского региона 11
1.2 Изменение качественных показателей плодов и ягод в процессе хранения и переработки 23
1.3 Формы связи влаги в материале 34
1.4 Способы и технологические особенности консервирования дикорастущего сырья 43
1.4.1 Физические способы консервирования 45
1.4.2 Химические способы консервирования 56
1.4.3 Биохимические способы консервирования 58
1.4.4 Физико-химические способы консервирования 59
1.4.5 Комбинированные способы консервирования 60
1.5 Использование низкотемпературных технологий в переработке дикорастущего сырья 61
Глава 2 Обоснование направлений исследований, их цель и задачи 89
Глава 3 Методы и объекты исследований 95
3.1 Организация выполнения работы 95
3.2 Методы и объекты исследований 98
3.3 Лабораторные стенды для экспериментальных исследований 100
Глава 4 Исследование теплофизических свойств дикорастущих ягод 108
4.1. Исследование теплофизических свойств ягод при конвективной сушке 108
4.2. Исследование теплофизических свойств ягод при сублимационной сушке 119
4.3. Исследование теплофизических свойств ягод при вакуумной сушке 129
4.4. Сравнение теоретических и экспериментальных значений теплофизических свойств ягод 138
4.5. Заключение по четвертой главе 144
Глава 5 Исследование процессов конвективной сушки плодов и ягод 146
5.1. Расчет параметров флюидизации при конвективной сушке ягод 147
5.2. Кинетика конвективной сушки ягод 159
5.3. Анализ влияния конвективной сушки на качественные характеристики ягод 166
5.4. Заключение по пятой главе 176
Глава 6 Вакуумная сушка плодов и ягод 179
6.1. Подбор температуры вакуумной сушки ягод 180
6.2 Подбор остаточного давления вакуумной сушки ягод 193
6.3 Подбор плотности теплового потока вакуумной сушки ягод 200
6.4 Заключение по шестой главе 212
Глава 7 Сублимационная сушка плодов и ягод
7.1. Подбор температуры сублимационной сушки ягод 216
7.2. Влияние предварительного замораживания на сублимационную сушку ягод 232
7.3 Заключение по седьмой главе 244
Глава 8 Анализ энергетической эффективности применения низкотемпературных технологий в процессах сушки 247
8.1 Анализ энергозатрат при конвективной сушке 247
8.2 Анализ энергозатрат при вакуумной сушке 255
8.3 Анализ энергозатрат при сублимационной сушке 260
8.4 Заключение по восьмой главе 285
Глава 9 Практическая реализация результатов исследований
9.1. Разработка технологии обезвоживания дикорастущего сырья 288
9.2. Анализ влияния режимов низкотемпературной обработки на технологический процесс выработки сухих плодов и ягод 294
9.3 Показатели безопасности сухих плодов и ягод 298
9.4. Установление сроков хранения 301
9.5. Экономическая эффективность производства сухих плодов и ягод 307
9.6 Заключение по девятой главе 308
Заключение 311
Список литературы
- Изменение качественных показателей плодов и ягод в процессе хранения и переработки
- Методы и объекты исследований
- Сравнение теоретических и экспериментальных значений теплофизических свойств ягод
- Анализ влияния конвективной сушки на качественные характеристики ягод
Изменение качественных показателей плодов и ягод в процессе хранения и переработки
Сахара в значительной степени влияют на вкусовые свойства дикорастущих ягод и составляют основную долю питательных веществ. По степени интенсивности влияния на такой показатель как «сладость» сахара можно расположить в следующей последовательности: глюкоза, сахароза, фруктоза. По содержанию сахаров дикорастущие плоды и ягоды практически не уступают культурным видам, хотя в последних преобладает фруктоза, а в дикорастущих ягодах – глюкоза [138, 165]. В сибирских ягодах в зависимости от внешних факторов выращивания и сорта содержание сахаров может составлять 512% (таблица 1.3). Глюкоза и фруктоза входят в общую группу редуцирующих сахаров, они способствуют лучшему усвоению пищевых веществ [258, 147, 336]. Помимо вышеперечисленных сахаров в различных ягодах содержится также рибоза, рамноза, манноза [50, 143]. Таблица 1.3 - Содержание сахаров в ягодах, % Вид ягоды Общее содержание сахаров Глюкоза Сахароза Фруктоза Клубника 5,54 1,63 1,83 2,08 Черника 6,52 0,32 2,88 3,32 Ежевика 6,73 0,14 3,28 3,31 Малина 6,01 1,44 2,15 2,42 Смородина черная 7,26 0,84 2,82 3,60 Смородина красная 5,94 0,17 2,66 3,11 Крахмал в ягодах присутствует в незначительных количествах – менее 1%. Его качество зависит от соотношения амилопектина и амилазы. В процессе гидролиза крахмала образуется декстрин, переходящий далее в мальтозу, которая в свою очередь распадается на глюкозу, хорошо усвояемую организмом. В некоторых плодах крахмал заменяет инулин – высокомолекулярный растворимый в воде углерод [130, 164].
Пектиновые вещества, входящие в состав плодов и ягод, представляют собой высокомолекулярные соединения углеводной природы и подразделяются на пектин, протопектин и пектовую кислоту [145]. Их соотношение в процессе созревания плодов и ягод меняется [140, 247]. Пектины относятся к неусвояемым углеводам, эти вещества образуют нерастворимые комплексы с токсичными для здоровья солями тяжелых металлов и радиоактивных элементов и способствуют выведению их из организма [283, 5, 83, 269]. В зрелых ягодах вследствие преобладания протопектина над растворимым пектином, их вкусовые свойства снижаются [54, 165].
В присутствии сахаров и кислот пектиновые вещества образуют студни. Пектиновые вещества входят в состав клеток и неклеточных образований. Поскольку пектины содержатся по большей части в кожице, следует большое внимание уделять отходам переработки ягод как ценному сырью для получения этого компонента [54]. Желирующая способность данных веществ используется при производстве различного рода желе. В дикорастущих плодах и ягодах содержание растворимого пектина составляет 0,130,44%, а прото 15 пектина – 0,150,52%. Общее содержание пектиновых веществ в плодах и ягодах варьирует в пределах 0,210,4% [138, 130, 134].
К дикорастущим ягодам Сибирского региона, богатым пектиновыми веществами стоит отнести: рябину, калину, черную и красную смородину, бузину черную, барбарис. Для данного района, где значительная часть населения вовлечена в угольную, химическую и металлургическую промышленность, плоды и ягоды как источник пектиновых веществ имеют существенное значение [226, 83, 269, 82].
Клетчатка и гемицеллюлоза входят в состав стенок плодов и ягод. Несмотря на то, что большая часть клетчатки не усваивается организмом, она играет важную роль в пищеварении, способствуя раздражению стенок кишечника и усилению перистальтики [36, 147]. Суточная норма потребления человеком клетчатки с пищевыми продуктами должна составлять 10-12 г [2, 233, 174].
Органические кислоты наряду с углеводами являются наиболее распространенными соединениями в плодах и ягодах. Они представлены в основном яблочной, лимонной, бензойной, винной, салициловой, щавелевой и другими кислотами. Органические кислоты локализованы строго по отдельным тканям плодов и ягод, причем большее содержание их наблюдается в плодовой мякоти [138, 164]. Многие органические кислоты обладают фитонцидными свойствами, например, кислоты фенольной природы, а отдельные виды кислот обладают радиозащитным действием [89, 269].
В совокупности с другими веществами органические кислоты формируют вкусовые качества плодов и ягод. При этом нелетучие кислоты (яблочная, лимонная, янтарная, винная, щавелевая) определят вкус плодов и ягод, а летучие (уксусная, капроновая, валериановая, муравьиная) – их запах. В плодах калины присутствуют практически все летучие кислоты [176]. Для семейства брусничных, которое включает в себя чернику, характерны фено-кислоты: галловая, протокатехиновая, n-оксибензойная, о-пирокатехиновая [138]. На вкус плодов и ягод влияет не только количественное содержание кислоты, но и их степень диссоциации [290, 165].
В процессе созревания плодов и ягод происходит снижение содержания кислоты и одновременное повышение содержания сахаров. Таким образом, наблюдается увеличение сахарно-кислотного коэффициента, что улучшает товарные свойства ягод. Среднее содержание органических кислот в плодах и ягодах составляет от 0,6 до 4,4% [138, 291], это значение определяется активностью ферментов и зависит от степени созревания, климатических условий и т.д. [74, 20].
Физиологическое значение органических кислот в питании человека заключается в том, что они способствуют пищеварению и поддержанию определенного состава микрофлоры кишечника [36, 204].
Азотистые вещества дикорастущих плодов и ягод представлены широким спектром соединений: белками, ферментами, аминокислотами, азотсодержащими гликозидами, нуклеиновыми кислотами, амидами кислот и т.д. [144]. Большая доля азотистых соединений приходится на белки и свободные аминокислоты – порядка 0,110,44%. Содержание последних в плодах и ягодах может составлять от 30 до 300 мг %, при этом преобладающими аминокислотами являются аспарагин и аспарагиновая кислота, триптофан, -аланин. Общее количество азотистых веществ у плодов и ягод снижается по мере их созревания, что обусловлено переходом части свободных аминокислот в альдегиды [134, 74, 143].
К липидам, присутствующим в плодах и ягодах, относятся жиры, фос-фатиды, воски, терпеноиды, некоторые эфирные масла. Отмечается крайне низкое содержание жиров в плодах и ягодах, за исключением маслин, орехов, облепихи [128]. Исключение также составляет кутикула – внеклеточная мембрана, покрывающая стенки эпидермиса [165, 164].
Методы и объекты исследований
В качестве источника излучения выступают керамические или металлические поверхности, либо инфракрасные лампы. Инфракрасная сушка является энергетически эффективной, поскольку около 80% энергии, подводимой к лампам переходит в энергию ИК-излучения и практически без потерь передается влаге высушиваемого продукта. Для обеспечения направленности потока ИК-излучения инфракрасные лампы снабжаются параболическими рефлекторами [33].
Главное достоинство данного вида сушки состоит в относительно высокой скорости удаления влаги из сырья. Это обусловлено тем, что инфракрасное излучение, попадая в капилляры высушиваемого продукта, многократно отражается от стенок и практически полностью поглощается влагой [3, 315]. Кроме того при инфракрасной сушке коэффициент теплообмена больше чем при кондуктивном или конвективном способе сушки.
Сохранность витаминов при данном виде обезвоживания составляет порядка 60-70%, что на 10-20% выше, чем при конвективной сушке [281]. Таким образом, инфракрасная сушка является эффективным методом для обезвоживания фруктов и ягод.
Способ сушки в электромагнитных полях основан на действии высоких и сверхвысоких частот на влагу обезвоживаемого продукта. При данном способе сушки происходит равномерное прогревание продукта по всему объему, глубина проникновения электромагнитных волн составляет 10 см [318]. Области продукта с более высоким влагосодержанием получают больше энергии СВЧ-излучения, в результате чего влажность продукта выравнивается на протяжении процесса сушки. Одной из отличительных черт обезвоживания электромагнитными волнами является тот факт, что в процессе сушки продукта скорость удаления влаги не снижается, поскольку теплопроводность в данном случае не играет ключевой роли [148, 281].
Сушка в СВЧ поле является губительной для кишечных палочек, ста-филококов и других микроорганизмов [288]. Причиной тому – явление так называемого «теплового удара», когда происходит резкое повышение темпе 53 ратуры продукта при одновременном диэлектрическом нагреве белков микроорганизмов [148]. Поскольку сушка электромагнитным излучением проходит при относительно низких температурах - порядка 30-60С, в высушенном продукте сохраняются витамины (особенно витамины С, В1, В2 и В3), минеральные вещества, эфирные масла и другие биологически активные вещества [148, 332].
Также как и инфракрасная сушка, обезвоживание в СВЧ поле является также экологически безопасным, поскольку источником энергопотребления электромагнитных генераторов является только электроэнергия. При этом также отсутствуют потери тепла, так как источником тепла является сам высушиваемый продукт. Из недостатков стоит отметить достаточно низкий КПД (около 60%), в связи с чем данный метод сушки целесообразно проводить для продуктов с низкой влажностью. Кроме того воздействие электромагнитных волн ведет к разрушению клеточных оболочек, выделению клеточного сока и разрушению термолабильных нутриентов растительного сырья. Однако, несмотря на недостатки, сушка в СВЧ поле может с успехом применяться для обезвоживания ягод [141, 314, 127, 126].
Акустический метод сушки заключается в удалении влаги из продукта путем воздействия на него ультразвукового излучения большой интенсивности. В результате такого воздействия происходит экстрагирование влаги. Сушка осуществляется циклически: акустическая волна выбивает влагу на поверхности продукта, после чего оставшаяся влага равномерно распределяется по капиллярам и процесс повторяется снова [329]. Основными достоинствами такого вида сушки является отсутствие повышения температуры в процессе обезвоживания, что исключает негативное действие высоких температур на термолабильные компоненты растительного сырья, а также достаточно высокие скорости сушки продукта [185, 289].
Для совершенствования методов сушки вышеуказанными способами используют обезвоживание в условиях вакуума, что позволяет проводить процесс при более низкой температуре и получить продукт с большей степенью сохранности наивных свойств [281].
Вакуумная сушка представляет собой метод обезвоживания при давлении ниже атмосферного, но выше тройной точки воды. Источником тепла при этом могут служить инфракрасные лампы нагрева, греющие поверхности или СВЧ-генераторы [326, 29, 337]. Процессы сушки в вакууме аналогичны процессам, протекающим при кондуктивной или инфракрасной сушке. При этом пониженное давление способствует увеличению интенсивности испарения влаги с продукта за счет повышения коэффициента массообмена, который в первом приближении обратно пропорционален давлению [320, 310, 255]. Вакуумная сушка может с успехом использоваться для обезвоживания ягодного сырья [229, 221, 251, 11]. Из недостатков данного вида обезвоживания можно отнести достаточно большие энергозатраты и высокую стоимость оборудования [71].
Сублимационная сушка (лиофилизация) является одним из самых прогрессивных и эффективных методов сушки в пищевой промышленности и позволяет получить готовую продукцию, максимально приближенную по качественным показателям к нативному сырью [14, 325, 327, 331]. Сущность данного способа сушки заключается в удалении влаги из продукта при давлении ниже тройной точки воды (менее 611,6 Па). В основу сублимационной сушки положен тот факт, что при таком давлении влага в продукте может присутствовать только в двух агрегатных состояниях – твердом и газообразном. Влага в продукте при этом переходит в кристаллическую фазу и сублимирует в окружающую среду. Одна из специфических особенностей сублимационной сушки заключается в том, что сублимация влаги не вызывает заметных изменений в структуре продукта, что благоприятно сказывается на его качественных показателях [15, 37, 323]. Кроме того, поскольку большая часть влаги удаляется из продукта в замороженном состоянии, исключается негативное термическое воздействие на компоненты продукта.
Сравнение теоретических и экспериментальных значений теплофизических свойств ягод
Улучшению снабжения населения нашей страны плодово-ягодной продукцией может способствовать не только дальнейшее увеличение объемов производства и сокращения потерь продукции, но и также за счет разработки эффективных технологий переработки в продукты длительного хранения. Одной из таких технологий является сушка.
Обезвоживание по сравнению с другими способами консервирования обладает рядом преимуществ: во-первых ввиду объемной усадки продукта после удаления из него влаги сокращается необходимый объем для хранения и транспортировки, и, как следствие – снижаются экономические затраты. Во-вторых, данный способ консервирования является полностью экологически-безопасным, поскольку отсутствуют какие-либо вносимые в продукт консерванты. В-третьих, сушка дает возможность получить сухой продукт, который может в дальнейшем перемалываться в порошок и использоваться в качестве биологически-ценных добавок к другим продуктам.
Сушка как метод консервирования особенно актуален для северных регионов нашей страны ввиду суровых климатических условий. Использование обезвоживания дает возможность сгладить сезонность данной продукции в районах короткого вегетационного периода.
Выбор тех или иных способов сушки должен опираться, прежде всего, на требования к качеству готового продукта. При разработке инновационных способов обезвоживания и модернизации уже существующих стремятся создать большую движущую силу миграции молекул воды из центра к периферии и в окружающую среду и при возможности сохранить низкие температурные режимы.
Например, конвективная сушка во взвешенном слое основывается на интенсификации процесса уноса влаги из вещества вследствие омывания его сушильным агентом, движущимся через продукт с определенной скоростью. При сушке пищевых продуктов в вакууме также стремятся создать большую температурную движущую силу между сушильным агентом и веществом путем подбора оптимального остаточного давления с учетом температуры кипения, условий конденсации, подсоса газов в камеру и т.д. Обезвоживание при давлении ниже тройной точки воды предусматривает удаление большей части влаги из продукта путем сублимации, а оставшаяся часть удаляется путем подвода теплоты извне.
Анализ литературных данных показал, что в плодах и ягодах содержится широкий спектр термолабильных компонентов, что обуславливает необходимость в использовании невысоких температур сушки. Такие методы сушки, как конвективная, вакуумная и сублимационная являются наиболее перспективными для производства сухих плодов и ягод с точки зрения, как качества продукта, так и технико-экономических показателей.
Правильно подобранные режимы сушки, основанные на научных исследованиях, позволяют получить продукт высокого качества, сохраняющий свои органолептические и физико-химические свойства, при этом технологический процесс будет характеризоваться оптимальными энергетическими затратами. Разработка технологических режимов обезвоживания продуктов питания известными способами, а также поиск методов интенсификации процесса удаления влаги имеют важное научную и практическую значимость. Отличия в характере воздействия на продукт различных способов сушки обуславливают необходимость анализа влияния разнообразных факторов технологического процесса на свойства готового продукта.
При конвективной сушке во взвешенном слое основными технологическими факторами, влияющими на характер процесса удаления влаги, являются температура сушильного агента и скорость движения воздуха, которая должна подбираться таким образом, чтобы обеспечивать явление флюидиза-ции, но при этом исключать унос продукта.
Для осуществления эффективного процесса вакуумной сушки производят подбор остаточного давления, температуры нагрева, плотности теплового потока и способа энергоподвода. В последнее время разрабатывают различ 93 ные комбинированные способы подвода теплоты к продукту – например, с одновременной сушкой микроволновым полем и инфракрасными нагревателями, либо путем ступенчатого и импульсного подвода теплоты.
При сублимационной сушке важным фактором является предварительное замораживание продукта, которое может осуществляться как в скороморозильных камерах, так и непосредственно в самой сушильной камере путем самозамораживания влаги, находящейся в нем. Температура нагрева и способ энергоподвода на этапе досушивания продукта также влияет на эффективность процесса. Как правило, при сублимационной сушке температуру досушивания продукта устанавливают в невысоком диапазоне для исключения денатурации термолабильных компонентов.
Обезвоженные плоды и ягоды сохраняют большую часть витаминов и биологически активных веществ, что предопределяет их как ценное сырье для различных отраслей промышленности: молочной, хлебобулочной, кондитерской и др. Плодово-ягодные порошки в пищевой промышленности позволяет значительно расширить ассортимент выпускаемой продукции и повысить ее органолептические характеристики.
В молочной промышленности плодово-ягодные порошки применяются в качестве наполнителей для йогуртов, сырков, молочных десертов, творожных кремов и т.д. В хлебобулочной промышленности сухие плоды и ягоды используются для обогащения муки, повышения вкусовых характеристик продукта, для продления сроков свежести выпечки, в качестве разрыхлителей. При этом немаловажным фактором является отсутствие в плодово-ягодных порошках аллергенов. Данный вид продукции применяется в кондитерской промышленности в качестве натуральных красителей и ароматизаторов, для улучшения желирующих свойства мармелада, в качестве стабилизаторов жиров. В последнем случае плодово-годное сырье вводят в жировые компоненты в соотношении 1:50. Кроме того, сухие плоды и ягоды вводят в качестве добавок в различные напитки, желе, печенье, пряники, вафли, жевательные резинки и т.д. [75]
Анализ влияния конвективной сушки на качественные характеристики ягод
Наблюдается линейная зависимость между теплоемкостью и содержанием влаги продукта. Расчетная теплоемкость всех исследуемых ягод различается не более чем на 5% и составляет порядка 36823837 Дж/(кгК) для свежих ягод (за исключением ирги) и 12681291 Дж/(кгК) для сухой ягоды с содержанием влаги 5%.
Для определения коэффициента теплопроводности был также использован метод аддитивности. При расчете теплопроводности данный метод обеспечивает достаточную степень точности для пищевых продуктов [142]. В данном случае использовали формулу Лихтнекера: п ЯэфГ = AkVk (4.3) к1 где Лэф - эффективный коэффициент теплопроводности продукта; Лк- коэффициент теплопроводности компонента; Vk объем, занимаемый компонентом; V - полный объем продукта. Результаты расчетов теплопроводности отражены в графиках, представленных на рис. 4.74.9.
Между теплопроводностью и содержанием влаги также наблюдается линейная зависимость. Схожие значения теплопроводности между жимолостью и брусникой, а также между ягодами черной смородины, по всей видимости, обусловлены приблизительно одинаковым содержанием влаги и количеством образующегося воздуха микропор в процессе сушки. При содержании влаги 45% коэффициент теплопроводности для жимолости и брусники составляет 0,312 Вт/(мК), для ирги - 0,318 Вт/(мК). Для ягод черной смородины и облепихи для различных сортов это значение составляет соответственно 0,3110,312 Вт/(мК) и 0,3310,346 Вт/(мК). 0,6 0,5 ї 4 4ей а1 0,2OJ 0,3040,3020,3 У ОД 0 45 45,2 45,4 45,6 ( ) 10 20 ЗО 40 50 60 70 Содержание влаги, % 80 Ирга —Жимолость Брусника Рисунок 4.7 – Расчетная теплопроводность ирги, брусники и жимолости при конвективной сушке
На рис. 4.104.12 представлены графики температуропроводности исследуемых ягод. Из полученных графиков следует, что для некоторых видов ягод характерно определенное значение содержания влаги, при котором наблюдается максимум температуропроводности. Это объясняется тем, что по мере удаления влаги из ягодного сырья происходит снижение теплопроводности, теплоемкости и плотности, при этом скорость изменения последнего параметра для большинства видов ягод по мере удаления влаги снижается. Чем больше исходное значение плотности ягоды и, соответственно, более линейная зависимость между плотностью и содержанием влаги, тем менее выражен максимум температуропроводности. при конвективной сушке д. t/00 m. о - - У 1 8 "са1 1J-CD 1,6 "1,5 -1 А 0 10 20 30 40 50 60 70 80 9Содержание влаги, % Масличная І Дар Катуни А Чуйская X Золотой Початок 1 Пантелеевская Рисунок 4.12 – Расчетная температуропроводность ягод облепихи при конвективной сушке
Наибольшее значение температуропроводности для жимолости наблюдается при содержании влаги 3040%, для ирги – при 4050% влаги, для облепихи – при 2030% влаги. Что касается брусники и черной смородины, то для данных видов ягод наибольший коэффициент температуропроводности наблюдается при содержании влаги свыше 80%.
На основании зависимостей, представленных на рис. 4.14.12 были получены следующие математические уравнения, позволяющие определить теплофизические характеристики ягод в процессе конвективной сушки:
Для оценки степени достоверности уравнений 4.8 и 4.9 были рассчитаны средние и максимальные значения отклонений для исследуемых сортов черной смородины и облепихи, представленные в таблице 4.1
В общем случае погрешности усредненных уравнений для облепихи выше, чем для черной смородины вследствие большего разброса расчетных значений теплофизических характеристик. Наибольшие средние и максимальные погрешности наблюдаются для плотности и температуропроводности, поскольку для данных характеристик графики зависимостей имеют нелинейный характер. Для черной смородины средние погрешности уравнений 4.8 не превышают 3%, а максимальные погрешности составляют менее 4%. Что касается ягод облепихи, то для них средние значения погрешностей уравнений 4.9 находятся в интервале (0,16,4)%, а максимальные – в диапазоне (0,510,3)%.
При сублимационной сушке влага их продукта удаляется в замороженном состоянии, поэтому в процессе обезвоживания структура сухого каркаса 120 ягод сохранялась в большей степени, чем при конвективной или вакуумной сушке. Ввиду этого лучше сохранялась форма плодов и ягод и, соответственно, количество образующихся воздушных пустот было больше, что в свою очередь влияло на теплофизические свойства. Величина объемной усадки при сублимационной сушке составляла от 4 до 9 % для различных видов ягод.