Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время перед сельским хозяйством нашей страны стоят задачи увеличения объмов производства, получения продуктов высокого качества и сохранения полученного урожая. Решение данных задач возможно за счт применения инновационных технологий и оборудования. Проблема сохранности урожая и получения продуктов высокой пищевой ценности может быть решена при разработке новейших технологий обработки и сушки корнеклубнеплодов моркови, свклы и топинамбура, применяемых для питания человека. Разработка технологии получения концентрированных саха-росодержащих продуктов обуславливает актуальность данных исследований.
Длительное хранение корнеклубнеплодов в сыром виде приводит к потерям их пищевой ценности. Нормы естественной убыли корнеклубнеплодов при хранении могут достигать 25%. Для сохранения корнеклубнеплодов на длительный период одним из перспективных способов в технологии производства витаминного продукта является сушка. Корнеклубнеплоды, высушенные с применением новых технологий и оборудования, сохраняют до 95% витаминов и микроэлементов и могут быть отнесены к продуктам высокой пищевой ценности.
Применение технологии обработки и сушки корнеклубнеплодов и получение из них муки позволяет повысить концентрацию питательных веществ в 3-5 раз по сравнению с исходным сырьем. Мука, полученная на основе технологии сушки корнеклубнеплодов, имеет высокую питательную ценность. Данная мука может быть использована в технологиях хлебобулочных, мучных и кондитерских изделий.
Реализация инновационных технологий определяется использованием новой элементной базы и оборудования. Анализ развития технологий, применяемых для сушки сельскохозяйственного сырья, показал, что установки, работающие на принципе преобразования электрической энергии в энергию инфракрасного излучения, имеют существенные преимущества и обширный диапазон использования.
Степень разработанности проблемы. Разработкой технологий переработки сельскохозяйственной продукции с использованием электрической энергии занимались многие известные учные. Исследованиями А.С. Гинзбурга, С.Г. Ильясова, В.Н. Карпова, В.В. Красникова, П.Д. Лебедева, А.В. Лыкова, Ю.М. Плаксина, И.А. Рогова, Е.П. Тюрева, А.М. Худоногова, Н.В. Цугленка, В.В. Филатова и других авторов доказано, что применение инфракрасного (ИК) облучения в процессе переработки сырья растительного происхождения позволяет значительно повысить качество готовой продукции. Ранее не рассматривались технологии получения концентрированных продуктов высокой пищевой ценности из сахаросодержащих корнеклубнеплодов с использованием более эффективной импульсной инфракрасной обработки и сушки.
Существует большое разнообразие способов обработки и сушки: естественная, конвективная, сублимационная, СВЧ-сушка, кондуктивная, инфракрасная (ИК). Каждый из этих методов обработки и сушки биологических объектов растительного происхождения имеет свои достоинства и недостатки. Инфра-3
красный метод обработки и сушки по некоторым показателям сопоставим с указанными методами, а по затратам энергии на испарение влаги превосходит их. Технология импульсной инфракрасной сушки влажных продуктов позволяет практически на 100% использовать подведенную к корнеклубнеплоду энергию и значительно сократить продолжительность обработки и сушки. Даная технология обладает высокой эффективностью при температуре 40…60С. При такой сушке максимально сохраняется продукт, не разрушаются клеточные мембраны, сохраняются витамины, исключается карамелизация сахаров. В то же время инфракрасное излучение, обладая стерилизующим эффектом, делает данные продукты пригодными для длительного хранения.
Проведнный обзор существующих и анализ перспективных методов обработки и сушки корнеклубнеплодов определили научную гипотезу, цель и задачи научного исследования.
Научная гипотеза. Для создания эффективной технологии получения концентрированных сахаросодержащих продуктов повышенной ценности предлагается использовать импульсную инфракрасную обработку и удаление влаги из корнеклубнеплодов посредством управления уровнем энергоподвода и цикличностью облучения.
Цель работы – разработать технологию производства сухих сахаросо-держащих корнеклубнеплодов с использованием импульсной инфракрасной обработки и сушки для получения качественных концентрированных продуктов повышенной пищевой ценности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– провести анализ существующих технологий и оборудования, применяемых для обработки и сушки сельскохозяйственной продукции, и определить основные требования для данного процесса;
– разработать модели процессов ИК-энергоподвода в технологии обработки и сушки сахаросодержащих корнеклубнеплодов и определить эффективные технологические режимы в соответствии с биотехническими условиями нагрева сырья;
– разработать алгоритмы и методики экспериментальных исследований
импульсной инфракрасной обработки и сушки сахаросодержащих корнеклуб
неплодов для нахождения эффективных режимов управления ИК-
энергоподводом;
– провести исследования по определению эффективных режимов и технологических параметров импульсной инфракрасной обработки и сушки, влияющих на сохранность витаминов и микроэлементов;
– разработать оборудование для импульсной инфракрасной сушки саха-росодержащих корнеклубнеплодов и выполнить экспериментальные исследования технологических параметров системы управления ИК-энергоподводом;
– провести технико-экономический анализ режимов импульсной инфракрасной обработки и сушки сахаросодержащих корнеклубнеплодов и эффективности применения продуктов высокой пищевой ценности.
Объект исследования. Технология, оборудование и режимы импульсной инфракрасной обработки и сушки для получения концентрированных сахаро-содержащих продуктов повышенной пищевой ценности с сохранением витаминов и микроэлементов.
Предмет исследования. Взаимосвязь качественных показателей концентрированных сахаросодержащих продуктов высокой пищевой ценности с технологическими режимами импульсной инфракрасной обработки и сушки.
Научную новизну представляют:
– технология и модели эффективных режимов импульсной инфракрасной обработки и сушки сахаросодержащих корнеклубнеплодов, позволяющие определить технологические параметры процессов получения концентрированных сахаросодержащих продуктов, с учтом конструктивных характеристик излучателей и теплофизических свойств обрабатываемого сырья;
– энергосберегающая технология, включающая импульсную инфракрасную обработку и сушку сахаросодержащих корнеклубнеплодов для получения продуктов повышенной пищевой ценности;
– алгоритмы и методики экспериментальных исследований электротехнологических параметров импульсной инфракрасной обработки и сушки сахаро-содержащих корнеклубнеплодов, позволяющие установить эффективные режимы управления ИК-энергоподводом;
– теплофизические характеристики сахаросодержащих корнеклубнеплодов, определяющие технологические параметры инфракрасной сушки различными ИК-излучателями;
– алгоритм выбора оптимальных технических параметров керамических излучателей и обоснования эффективных импульсных режимов для получения непрерывного температурного поля в камере;
– система формирования и оценки технологического комплекса переработки корнеклубнеплодов, определяющая энергетическую и экономическую эффективность технологии.
Методы исследования. Решение поставленных задач базируется на новых теоретических положениях и экспериментальных данных технологии обработки и сушки пищевых продуктов, биофизики, термодинамики необратимых процессов, тепломассообмена, автоматического управления, математической статистики, математического моделирования, информационных технологий.
Эффективные режимы импульсной ИК-обработки и сушки корнеклубнеплодов определены посредством теоретических и экспериментальных исследований. Основные параметры процессов термообработки корнеклубнеплодов соответствовали технологическим требованиям и были исследованы на специально разработанных экспериментальных установках лабораторного и производственного типов, в которых использовались современные измерительные приборы и разработанные в лаборатории «Энергосбережение в электротехнологиях» алгоритмы и методики исследований.
Количество и качество активно действующих веществ, витаминный состав в корнеклубнеплодах и продуктах высокой пищевой ценности определя-
лись в Иркутской межобластной Ветеринарной лаборатории и испытательной лаборатории ФГБУ «Центр агрохимической службы «Иркутский»».
На защиту выносятся:
– технология и модели эффективных режимов импульсной инфракрасной обработки и сушки сахаросодержащих корнеклубнеплодов, позволяющие определить технологические параметры процесса получения концентрированных сахаросодержащих продуктов повышенной пищевой ценности с учтом технических характеристик излучателей и свойств сырья;
– методика и алгоритм экспериментальных исследований электротехнологических параметров импульсной инфракрасной обработки и сушки сахаро-содержащих корнеклубнеплодов;
– технология импульсной инфракрасной обработки и сушки сахаросо-держащих корнеклубнеплодов, позволяющая получать концентрированные продукты повышенной пищевой ценности;
– теплофизические характеристики корнеклубнеплодов, позволяющие определить технологические параметры процесса инфракрасной сушки;
– алгоритм выбора технических и конструкционных параметров сушильной установки при использовании импульсных керамических излучателей;
– система формирования и оценки технологического комплекса переработки корнеклубнеплодов, определяющая энергетическую и экономическую эффективность технологии.
Практическая значимость и реализация работы. Разработанные технология и оборудование импульсной инфракрасной обработки и сушки, внедренные на аграрных предприятиях Иркутской области, позволили получить концентрированные продукты высокой пищевой ценности длительного хранения с наименьшими энергозатратами.
Утверждена нормативно-техническая документация: ТУ 9164-001-00492919-15 «Топинамбур сушенный»; ТУ 9512-002-00492919-15 «Мука пищевая из сушенных корнеклубнеплодов». Мука, полученная из высушенных корнеклубнеплодов, применялась на хлебопекарных предприятиях «АО» «Сибирская нива» и «ИП» Сердкина И.В. для получения хлебобулочных и кондитерских изделий. Испытания, проведнные на предприятиях Иркутской области, показали, что данная технология и оборудование позволяют получать концентрированные продукты высокой пищевой ценности.
Технология и оборудование используются в учебном процессе кафедры энергообеспечения и теплотехники Иркутского ГАУ им. А.А. Ежевского при изучении дисциплин: электротехнология, теплотехника, энергосбережение.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований являются основой для получения концентрированных продуктов и изготовления оборудования, обеспечивающего минимальные энергозатраты.
Достоверность результатов работы. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в работе, базируются на теоретических положениях и научных принципах, разработанных ведущими учеными по фундаментальным и прикладным аспектам электротехнологии в пищевых производствах и перерабатывающей отрасли сельского хозяйства. Достоверность полу-
ченных результатов подтверждена теоретическими разработками и производственными испытаниями предложенного технологического оборудования.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях ИрГСХА (Иркутск, 2000-2014); научно-практической конференции КрасГАУ «Энергосбережение – важнейший резерв развития АПК» (Красноярск, 2009); ежегодной научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 2010); всероссийской научно-практической конференции ИрГТУ «Повышение эффективности и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2010); международной научно-практической конференции МГСХУ «Engineering problems in agriculture and industry» (Улан-Батор, 2010); круглом столе «Инновационная деятельность и развитие АПК», в рамках выставки «Агропромышленная неделя – 2010» (Иркутск, 2010); межвузовской конференции Башкирского ГАУ «Энергообеспечение и энергосбережение на предприятиях АПК» (Уфа, 2011); международной научно-практической конференции МГАУ им. В.П. Горячкина «Инновационные энергосберегающие технологии в АПК» (Москва, 2012); международной научно-практической конференции Саратовского ГАУ им Н.И. Вавилова «Актуальные проблемы энергетики АПК» (Саратов, 2013, 2014).
Результаты исследований прошли всероссийский уровень апробации на выставках: «Агропромышленная неделя – 2009, 2010, 2015» (Иркутск, СибЭкс-поЦентр, 3 диплома и 1 благодарственное письмо), XIII Российская агропромышленная выставка «Золотая Осень – 2011» (Москва, ВВЦ, диплом и золотая медаль), «НТТМ – 2013 (Иркутск, Дом офицеров, диплом)».
Диссертационная работа выполнена по тематическим планам-заданиям на выполнение научно-исследовательских работ по заказу Минсельхоза России по теме «Технология переработки сельскохозяйственного сырья растительного происхождения инфракрасным нагревом» (тема 27К, номер государственной регистрации в ВНТИЦ 01201372470).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 49 печатных работ, в том числе 17 работ – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, одна монография и три патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из 310 наименований, приложений. Ее объем составляет 440 страниц машинописного текста, содержит 167 рисунков и 47 таблиц.