Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор патентно-информационной литературы по проблеме производства пищевых добавок из обезвоженного растительного сырья 5
1.1 Теоретические основы сушки плодов и овощей 5
1.2 Научные основы низкотемпературной и сублимационной сушки 23
1.3 Традиционные и новые способы сушки растительного сырья 33
1.4 Задачи исследования 46
Глава 2 Материалы и методы исследования 46
2.1 Схема выполнения диссертационной работы 47
2.2 Характеристика сырья 48
2.3 Методы исследования 53
2.4 Лабораторная аппаратура 61
2.5 Методы планирования эксперимента 62
Глава 3 Экспериментальная часть 68
3.1 Характеристика объектов исследования 69
3.2 Разработка технологии удаления восков с поверхности плодового сырья 74
3.3 Установление режимов удаления влаги из сырья электромагнитными полями низкой частоты 84
3.4 Совершенствование технологии вакуумной СВЧ-сушки сырья 100
Глава 4 Опытно-промышленная апробация результатов исследования 106
4.1 Апробация новой технологии производства обезвоженных плодов 106
4.2 Показатели качества и безопасности обезвоженных пищевых добавок 108
4.3 Рекомендации по применению пищевых добавок длительного хранения 110
Выводы 122
Литература 124
Приложение 135
- Научные основы низкотемпературной и сублимационной сушки
- Традиционные и новые способы сушки растительного сырья
- Разработка технологии удаления восков с поверхности плодового сырья
- Показатели качества и безопасности обезвоженных пищевых добавок
Введение к работе
Одной из актуальных задач перерабатывающей промышленности на современном этапе является рациональное использование растительного сырья с максимальным сохранением в нем биологически активных веществ.
Среди приоритетных проблем современной пищевой промышленности особо следует выделить совершенствование технологий производства продуктов питания с профилактическими свойствами.
Весомый вклад в решение проблемы интенсификации сушки растительного сырья внесли известные ученые и специалисты Алексанян И.Ю., Буй-нов А.А., Гинзбург А.С., Данилов О.Л., Кошевой Е.П., Красников В.В., Куц П.С., Леончик Б.И., Лыков А.В., Михайлов Ю.А., Пензин В.В., Рогов И.А., Рудобашта СП., Рысин А.П., Семенов Г.В., Шаззо Р.И. и другие.
Существенным ресурсом сырья, обладающего такими свойствами, являются растительные плоды, в состав которых входит комплекс биологически активных веществ. К наиболее перспективным видам растительного сырья для производства пищевых добавок относятся выращиваемые в Краснодарском крае плоды абрикоса, алычи, груши и дыни, ввиду того, что они являются наиболее распространенными и популярными у населения видами плодового сырья, содержащими легкоусвояемые углеводы, водо- и жирорастворимые витамины, макро- и микроэлементы, ароматические вещества.
С учетом того обстоятельства, что большая часть Российской Федерации не имеет благоприятных условий для выращивания высоковитаминизирован-ных растительных плодов, все большее значение приобретает проблема их обезвоживания с целью увеличения сроков их хранения и использования.
Однако существующие традиционные способы обезвоживания растительных плодов (естественная, конвективная сушка и др.) малоэффективны и не позволяют в достаточной степени сохранить полезные свойства содержащихся в них биологически активных веществ. Более прогрессивные способы обезвоживания сырья (микроволновая и сублимационная сушка) являются технически сложными и дорогостоящими.
В связи с этим поиск новых эффективных способов обезвоживания растительных плодов с целью продления сроков их хранения и использования максимального сохранения в них биологически активных веществ является актуальным.
Эта проблема могла бы быть решена путем применения щадящих технологических режимов удаления влаги с использованием электромагнитного поля низких и сверхвысоких частот.
Кроме этого, разработка эффективных способов обезвоживания растительного плодового сырья в значительной мере сдерживается наличием на поверхности плодов вязкого защитного кутикулярного воскового покрытия.
В связи с этим возникает настоятельная необходимость в разработке технологических приемов и аппаратурно-технологических решений, позволяющих рационально производить подготовку и обезвоживание растительного плодового сырья.
Работа выполнена в соответствии с «Концепцией Государственной политики в области здорового питания населения РФ на период до 2005 г.» и научно-технической программой Россельхозакадемии «Фундаментальные исследования в области обеспечения населения России здоровым питанием». Шифр темы: 0702.
Целью настоящей работы является совершенствование технологии получения пищевых добавок длительного хранения из обезвоженного растительного сырья.
Научные основы низкотемпературной и сублимационной сушки
Процесс нестационарного тепло - и массопереноса при сушке базируется на совместном рассмотрении уравнений тепло- и влагопереноса в высушиваемом продукте /56,58,60/. Такой процесс описывается системой уравнений движения и неразрывности вязкого несжимаемого потока, конвективно-диффузионного переноса паров влаги в движущемся сушильном агенте и поля температур в агенте в виде: Здесь w,p,C,T- искомые функции скорости, общего статистического давления, концентрации влаги и температуры сушильного агента; V2- оператор Лапласа. В системе уравнений 8-11 взаимное влияние процессов импульса, массы и тепла учитывается взаимосвязью кинематических коэффициентов от потенциалов переноса. Уравнения (8-11) справедливы для турбулентного изотропного течения, если локальные значения некоторых функций w,p,C и Т принимаются как усредненные по времени, а коэффициенты переноса v,D и а принимаются как состоящие из молекулярного и турбулентного коэффициентов переноса импульса, массы и тепла. Процесс испарения влаги с поверхности влажного продукта определяется диффузионно-конвективным переносом тепла и влаги через пограничный слой /60,76,77/.
Тогда, в общем виде, конвективную теплопроводность опишет уравнение а общее поле концентраций, вызванное молекулярной и турбулентной диффузией и конвективным переносом - уравнение Теория пограничного слоя позволяет упростить уравнения (8-11) и решить уравнения (12) и (13), однако и в этом случае теоретически удается решать ограниченный круг задач. При рассмотрении явлений, протекающих при низкотемпературной сушке, предусматривается испарение влаги с поверхности продукта, перемещение находящейся в продукте влаге к его поверхности, парообразование влаги и перенос образовавшегося пара во влажный воздух, используемый как сушильный агент. Внутренний влагоперенос в продукте подчиняется закону Фика; в изобарно-адиабатных условиях протекания процесса сушки, при непрерывном испарении с поверхности продукта в воздух температура влаги тв принимает значение пов, равное тм и тогда потенциалом переноса МаС-сы пара "п становится разность парциальных давлении пара и поверхности жидкости пов п пм, где давление насыщения 1 п соответствует темпера туре адиабатного насыщения воздуха B3S а величину пм определяет м. В обобщенной теории тепломассообмена принимают, что поле температур подобно полю парциальных давлений пара. В условиях низкотемпературной сушки такого подобия не существует /57,84/. В первый период времени температура пов-1 м в дальнейшем П0В остается примерно постоянной, поскольку тепло, подводимое с воздухом, испаряет влагу, не прогревая продукт до температуры испарения влаги. Принимая, что при сушке пар диффундирует в воздух, насыщая его одновременно, не предусматривается проникновение воздуха внутрь продукта. Таким образом, при наличии малых перепадов температур в процессе суш ки расход водяного пара определяется потенциалом АРпод, т.к. рт = " по "п м этому очевидно, что относительную влажность воздуха рш можно принять в качестве параметра, характеризующего осушающую способность воздуха и определяющего скорость сушки. Поскольку Р"п - Рвз, то образующийся пар собирается в пограничном слое; с увеличением wB3 относительно поверхности продукта толщина пограничного слоя уменьшается, что снижает влияние слоя на тепломассообмен и увеличивает скорость сушки.
Это позволяет, не повышая существенно Твз, обеспечить ускорение процесса сушки, при этом низкие температуры воздуха не ухудшают качество высушиваемого продукта, что существенно при сушке продуктов детского питания. В процессе сушки условно выделяют первый период, при котором Tng остается постоянной и влагосодержание продукта уменьшается от WH до Wng, и второй период, в котором Tng повышается и Wng доводится до конечного Wp . При проведении низкотемпературной сушки интенсивность теплового потока относительно невелика, и в первом периоде практически принимается TB3S равная Тм. Согласно рекомендаций А. В. Лыкова /60/, при заданном режиме (Tc, pc,wB3) И характерном размере продукта / скорость сушки в первый период: где р - плотность сухой части продукта; Pfj =/(Тм); При относительном коэффициенте сушки х численно равном 1,8/W0, преобразование уравнений (14) и (15) позволило получить выражение для определения продолжительности низкотемпературной сушки, в виде: Таким образом, низкотемпературную сушку можно обеспечить при обоснованной последовательности процессов подготовки воздуха с продуктом и оборудованием сушильного агрегата. Особенности взаимосвязи параметров продукта и воздуха при низкотемпературной сушке обусловлены следующими условиями: наличием переменных значений параметров воздуха и продукта, равномерностью перемещения продукта через камеру-сушилку и отвода воздуха для обработки в аппаратах сушильной установки /32/. При принятых выше условиях и достижении равновесной влажности продукта Wp, при г - оо, уравнение кинетики сушки продукта описывается зависимостью: где /„,/ - начальное и текущее значения определяющего размера; pmi - текущее значение относительной влажности воздуха в камере. После дифференцирования выражения (17) скорость сушки для периода падающего значения скорости определится как
Традиционные и новые способы сушки растительного сырья
Основным признаком, определяющим способ тепловой сушки, является принцип подвода тепла к высушиваемому продукту.
Из известных способов сушки в плодоовощном сушильном производстве применяют, как описано в разделе 1.1 преимущественно конвективный, кон-дуктивный и радиационный. В последние годы все большее распространение находит вакуумная сушка и ее разновидность - сублимационная сушка.
Информация о том, что интенсивные акустические (и ультразвуковые) колебания способны воздействовать на процессы тепло - массообмена и, в частности, на сушку материалов, появилась более 30 лет назад /21,23/. Интерес к этому вопросу существенно возрос лишь после ряда публикаций зарубежных и отечественных исследователей, в которых были приведены данные по исследованию влияния звука и ультразвука на сушку термочувствительных материалов.
Наиболее важные выводы, которые следовали из указанных работ, состояли в том, что акустические колебания могут не только ускорять процесс сушки без нагревания, но и способствовать обезвоживанию материалов, когда скорость обычной сушки сильно снижается.
Наибольший интерес к акустической сушке проявлялся в конце восьмидесятых и начале 90-х годов прошлого века, и работ, посвященных этому методу, было проведено сравнительно много /105,115,120,121,122/. Систематические исследования воздействия акустических колебаний на процесс обезвоживания с целью выяснения физических закономерностей проводились в Акустическом институте РАН. Судя по опубликованным материалам, исследовательские работы проводились также в США, однако цель этих работ состояла в разработке рациональных конструкций сушильных устройств. В частности, появлялись сообщения, что фирма "Macrosonic" (США) выпускает акустические сушилки предназначенные для сушки небольших порций термочувствительных материалов/105,110/.
Установлено, что сушка в акустическом и ультразвуковом поле происходит без существенного прогрева материала. Именно поэтому это перспективный способ сушки термочувствительных и легко окисляющихся материалов /71,72/.
Анализ теоретических и экспериментальных работ по вопросам акустической сушки показывает, что процесс в первый период определяется в основном скоростью акустических течений, возникающих у поверхности обрабатываемого материала. Особенностью этих течений является малая толщина пограничного слоя (50-100 мкм), в результате чего акустические течения значительно эффективнее обычного конвективного потока. В этот период наиболее эффективными являются низкочастотные акустические колебания. Анализ теоретических и экспериментальных работ по вопросам акустической сушки показывает, что процесс в первый период определяется в основном скоростью акустических течений, возникающих у поверхности обрабатываемого материала. Особенностью этих течений является малая толщина пограничного слоя (50-100 мкм), в результате чего акустические течения значительно эффективнее обычного воздушного потока. В этот период наиболее эффективными являются низкочастотные акустические колебания.
Во второй период процесс интенсифицируется в результате нагрева, обусловленного поглощением звука в порах и капиллярах материала, радиус которых больше толщины пограничного слоя. При сушке материала в слое возможен нагрев обрабатываемого продукта на 20-40 С (в зависимости от уровня звукового давления), однако этого можно избежать, применяя метод взвешенного слоя или пневмотранспортные сушилки. В этом случае наиболее эффективными являются акустические колебания высокой частоты.
Кроме того, обработка материала акустическими колебаниями высокой интенсивности благоприятно сказывается на физико-химических и потребительских свойствах высушиваемого материала.
Регулируя процесс парообразования авторам удается добиться и структурного видоизменения высушиваемого капиллярно-пористого тела, и частичного или полного разрушения /114,110/. В случае необходимости или допустимости структурных видоизменений, параметры сушки необходимо выбирать именно так. Структурные изменения сводятся к укрупнению и приданию правильной геометрической формы порам и капиллярам, присутствующим в объекте.
На рисунке 1.3 схематично показана структура капиллярно-пористого материала до сброса давления (А) и после (Б).
Разработка технологии удаления восков с поверхности плодового сырья
Предварительно выполненными исследованиями нами установлено, что воска /28/ и воскоподобные вещества, имеющиеся на поверхности плодов и листьев, в значительной мере защищают их от высыхания, а, следовательно, препятствуют процессу сушки. С участием автора выполнены исследования по удалению значительной части воскоподобных веществ с поверхности плодов абрикосов, алычи, груши и мелкоплодной дыни с целью ускорения процесса их дальнейшего обезвоживания. Способ основан на способности диоксида углерода при температуре выше критической точки (31,1 С) растворять эпикутикулярные воска, смеси жирных гидрокислот, моноеновые, ди- и тригидроксиненасыщенные кислоты, эфиры жирных кислот с высокомолекулярными спиртами и другие соединения Рисунок 3.1 - Схема установки для удаления воска с поверхности плодов. 1-испаритель, 2-фильтр, 3-кассета с сырьем, 4-корпус экстрактора, 5-люк, 6-сборник С02, 7-конденсатор, 8-баллон, 9-ресивер, 10-насос. Кроме эфиров, воска содержат свободные высшие жирные спирты, например цетиловый и другие спирты с четным числом углеродных атомов от С22 до Сзг, а также свободные жирные кислоты с длинной углеводородной цепью от Си до Сз4. Природные воска содержат также вещества, обуславливающие цвет и аромат растений, минеральные соединения. Известно, что около 80% от всех липидов, образующих пленку на поверхности листьев, составляют воска. Обработка поверхности свежих плодов диоксидом углерода снижает рН среды и приводит к снижению микробиологической обремененности продукта, что положительно сказывается на качестве плодов, подвергаемых в дальнейшем высушиванию.
Кроме того, сжатый диоксид углерода способен сорбировать влагу, что ведет к частичному снижению влагосодержания сырья в процессе обработки. На рисунке 3.2 показана принципиальная схема установки для удаления восков с поверхности плодов и получения СОг-экстрактов из ядер косточек абрикосов, алычи и пряных растений. Рисунок 3.2 - Схема установки для СОг-обработки растительного сырья: 1 - СОг-экстрактор для обработки косточек и пряностей, 2 - конденсатор, 3 - сборная емкость для растворителя, 4 - СОг-экстрактор, 5 - сепаратор, 6,9 - сборники экстрактов, 7 - испаритель, 8 - баллон. Удаление кутикулярного слоя диоксидом углерода позволяет исключить применяемые ранее для этой цели органические вещества и щелочи, а также получить в виде дополнительного продукта натуральные воски которые могут применяться для нанесения защитных пленок на продукты длительного хранения. Для удаления восков с поверхности абрикосов, алычи и груш использовали сжатый диоксид углерода давлением 11,2МПа и температурой 45С, продолжительность обработки 5-8 мин. При математическом планировании процесса СОг-экстракции в качестве независимых переменных были выбраны: температура экстракции Х\ и продолжительность экстракции Хг, а зависимыми переменными - выход СОг-экстракта и выход каротиноидов. Локальную область определения факторов установили из предварительных опытов.
Было решено варьировать фактор Х\ на четырех неравностоящих уровнях, а фактор Х2 на трех неравностоящих уровнях. Уровни факторов в натуральном масштабе, а также поставленные им в соответствие уровни Fj приведены в таблицах 3.5, 3.6. Таблица 3.5 - Факторы и уровни их варьирования для изучения выхода CCV Полный факторный эксперимент включал в данном случае 4x3=12 опытов как в первом так и во втором случае. Но результаты опытов получен-ные для нахождения максимального выхода экстракта при температурах 8,16,18 С были использованы для нахождения максимального выхода каротиноидов, таким образом во втором случае было поставлено всего три эксперимента. Определение оптимальных условий получения СОг-экстракта. С учетом числа уровней варьирования факторов эта модель имеет следующий вид: Для расчета коэффициентов регрессии пользовались расширенной матрицей планирования. Коэффициенты регрессии рассчитывали по формуле (гл. 2). Оценки коэффициентов оказались следующими: b0=0,029; bi=0,0028; Ьг=0,00072; Ьц=-0,000093; Ь22=-0,0000035. Остальные коэффициенты оказались статистически незначимыми.
Показатели качества и безопасности обезвоженных пищевых добавок
Хлеб является одним из важнейших продуктов питания, пищевая ценность которого имеет первостепенное значение. Пищевые вещества хлеба хорошо ус ваиваются, поэтому его можно рассматривать как продукт, через потребление которого можно оказывать положительное воздействие на здоровье.
Современные технологические приёмы обработки зерна проводят к не всегда оправданной рафинации муки. В частности некоторые витамины, минеральные соли, пищевые волокна, специфические липиды (жиры) зерновых в значительном количестве остаются в отходах.
Анализ фактического питания населения России свидетельствует о недостаточных уровнях потребления витаминов Bj, В2, Вб, РР, С, а также ряда микро- и макроэлементов (в частности железа, кальция, калия, цинка, йода и др.), пищевых волокон. Наиболее эффективным способом ликвидации имеющихся дефектов в питании является обогащение продуктов массового потребления, среди которых хлебу и хлебобулочных изделиям принадлежит главенствующую роль.
Администрацией Краснодарского края принята региональная целевая программа «Здоровье через хлеб». Фрукты обезвоженные и продукты их переработки, СОг-экстракты, шроты белковые являются доступными, дешевыми и экологически чистыми добавками, повышающими пищевую ценность хлеба и хлебобулочных изделий. Перечисленные пищевые добавки из обезвоженных растительных плодов можно принять при производстве хлеба и хлебобулочных изделий из муки пшеничной, ржаной и смеси ржаной и пшеничной как в комплексе, так и отдельными компонентами.
Предложена следующая последовательность технологических операций при приготовлении хлеба «Полезный» из смеси муки ржаной обдирной и пшеничной первого сорта с полученными пищевыми добавками. Принципиальная схема приготовления хлеба из смеси муки ржаной и пшеничной с добавками: Ржаная закваска — Тесто— Разделка— Формовка— Расстойка—»Выпечка
Производственная рецептура хлеба на 100 кг муки: закваска - 51,0 кг, мука ржаная обдирная - 34,0 кг, мука пшеничная первого сорта - 50,0 кг, дрожжи хлебопекарные прессованные - 0,5 кг, соль поваренная пищевая - 1,5 кг, сахар-песок 3,0 кт, композиционная пищевая добавка из обезвоженных плодов абрикоса груши и алычи - 6,0 кг (1:1:4), СОг-экстракт из ядер косточек абрикоса и алычи -0,05 кг (2:3), шрот белковый - 4,0 кг.
Пищевые добавки необходимо вносить на стадии замеса теста, предварительно смешивая их с мукой. Тесто в отличие от контрольного образца (без добавок), более эластичное, сухой на ощупь. Установлено, что продолжительность брожения теста сокращается на 20-30 минут.
В обезвоженных пищевых добавках содержится пектин (в алыче, груше), который обладает хорошей водопоглащающей способностью, поэтому влажность хлеба с этими добавками выше, чем контрольного образца, пористость мякиша равномерная, тонкостенная. Кроме того, пектин выводит из организма радионуклиды, что очень важно для районов с повышенным радиационным фоном.
Учитывая, что в пищевых добавках содержится значительное количество Сахаров, его применение позволяет сократить закладку сахара на 10 %, в отличие от рецептур, не содержащих пищевых добавок. Фактическое содержание сахара в изделиях соответствует нормам технической документации.
Применение СОг-экстрактов из ядер косточек абрикоса, алычи позволяет не только обогатить хлебобулочные изделия биологически активными веществами, жирорастворимым комплексом витаминов, но и способствует предотвращению заболевания хлеба «картофельной болезнью», так как в них содержится природные антиоксиданты.
По органолептическим показателям (дегустационные карты) хлеб «Полезный» должен соответствовать следующим требованиям указанным в таблице 4.4. Разработана рецептура булочки «Фруктовая» из муки пшеничной высшего сорта с обезвоженными пищевыми добавками. Принципиальная схема производства
