CC BY
36
УДК 664.8.047:536.24
Ю. А. Максименко, Ю. С. Феклунова, Е. В. Андреева
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ СУХИМИ РАСТИТЕЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Представлены результаты экспериментально-аналитических исследований кинетики вла-гопоглощения сухими растительными материалами. В целях уменьшения негативного влияния сорбции рекомендовано выполнить герметизацию всех расходных и накопительных емкостей, транспортных элементов, узлов дозирования, смешения и т. п. Длительное хранение продукции необходимо осуществлять в герметичной упаковке или в помещениях при поддерживании соответствующей влажности воздуха. Установлены зависимости сорбционной активности сухих растительных материалов от внешних климатических условий, в частности от относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон для расчета рациональных промежутков времени при выполнении технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др.
Ключевые слова: сушка растительного сырья, кинетика влагопоглощения, гигроскопические свойства растительных материалов.
Введение
В настоящее время активно развиваются технологии переработки сырья растительного происхождения, в частности технологии производства сухих дисперсных плодоовощных материалов и пищевых волокон [1, 2]. Общеизвестно, что сухие плодоовощные продукты обладают высокой степенью гигроскопичности. Следовательно, очевидна целесообразность исследований для определения рациональных промежутков времени, необходимых для выполнения следующих после сушки технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др. Оперативность выполнения технологических операций зависит также от климатических условий и, в частности, относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон.
Объекты исследования
В качестве объектов исследований были приняты: яблоко (сорт «Антоновка»); тыква (сорт «Волжская серая 92»); морковь (сорт «Витаминная»); кабачок (сорт «Ролик») и пищевые волокна, полученные из данных продуктов по технологии в соответствии с патентом РФ № 2309607 [3].
Экспериментальные образцы: сухое сырье - кубики со стороной 5 мм, полученные конвективной сушкой; порошок, полученный конвективной сушкой пюре (размер частиц пюре 100 мкм); порошок, полученный распылительной сушкой пюре (размер частиц пюре 1-30 мкм); пищевые волокна, полученные конвективно-радиационной сушкой во взвешенном состоянии (размер твердых частиц 1-1,5 мм).
Планирование и проведение экспериментов
В качестве целевой функции логично использовать влажность исследуемого продукта Wчp, кг/кг. при текущих значениях времени сорбции В ходе экспериментов определялась зависимость Жчр(т) при текущих значениях времени сорбции т, мин. Диапазон изменения влажности - от конечной влажности продукта, достигаемой в процессе сушки Жчк, кг/кг, до конечной влажности продукта, рекомендованной для последующего длительного хранения Wк, кг/кг.
На основе анализа результатов экспериментально-аналитических исследований гигроскопических характеристик растительных материалов [4, 5] принимаем Wчк = 0,05 кг/кг. В табл. 1 приведены сведения по конечной влажности ряда плодоовощных продуктов, границы изменения целевой функции Wчp, кг/кг.
Таблица 1
Значения влажности экспериментальных образцов при исследовании кинетики влагопоглощения
Продукт Влажность продуктов
кг/кг Wк, кг/кг
Яблоко 0,05 0,075
Тыква 0,05 0,065
Морковь 0,05 0,07
Кабачок 0,05 0,1
К варьируемым факторам, влияющим на скорость протекания процессов влагопоглоще-ния, следует отнести исходную температуру продукта Гпрод, К; температуру воздуха Тв, К, и относительную влажность фв воздуха в помещении.
В соответствии с требованиями нормативных документов (ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны и СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений), в зависимости от периода года и категории работ, температура Тв = 12- 30 °С, влажность воздуха фв = 40-75 %.
Очевидно, что для экспериментальных исследований кинетики влагопоглощения сухими плодоовощными продуктами и определения зависимости для расчета рациональных
временных периодов по дальнейшей переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и т. д. целесообразно использовать наиболее благоприятные для сорбционных процессов условия: температура Тв = 12 °С = 275 К, влажность воздуха фв = 75 % = 0,75. При температуре Тв > 275 К и влажности воздуха фв < 0,75 сорбционные явления будут протекать медленнее, что не требует изменения промежутков времени для осуществления дальнейших технологических операций.
Исследования проводились на экспериментальной установке для определения гигроскопических свойств методом Ван Бамелена [4, 5]. В ходе экспериментов образцы выдерживались над водным раствором серной кислоты в эксикаторе (фв = 0,75) при постоянной температуре (Тв = 275 К) и периодически извлекались из эксикатора и взвешивались на аналитических весах до достижения массы, соответствующей Wк (табл.).
Результаты экспериментов и их анализ
На основе результатов экспериментов были построены графики кинетики влагопоглоще-ния сухих плодоовощных продуктов (рис. 1). Характер кривых влагопоглощения типичен для большинства пищевых продуктов [5]. В области допустимого влагопоглощения = Wчк - Wк влага в материале представлена только влагой мономолекулярной адсорбции [4]. Поглощаемая влага в продукте адсорбируется на поверхности мицелл и сухого скелета с переходом в связанное состояние и далее находится в продукте в виде энергетически прочных гидратных комплексов.
Процесс влагопоглощения сопровождается значительным выделением тепла - теплоты гидратации (набухания) [4]. На основе анализа экспериментальных данных (рис. 1 и 2) можно сделать вывод, что увеличение степени измельчения плодоовощных продуктов приводит к сокращению времени влагопоглощения за счет увеличения сорбционной поверхности материала.
WD, кг/кг
а
Рис. 1. Кинетика влагопоглощения сухих плодоовощных продуктов: а - тыква: -■- - пищевые волокна; -♦- - порошок, полученный сушкой пюре
(средний характерный размер частиц 100 мкм); -•- - порошок, полученный распылительной сушкой пюре (размер частиц 1-30 мкм)
Wp, кг/кг
б
Рис. 1. Продолжение: б - морковь: -■- - сухое сырье (кубики со стороной 5 мм); -♦- - порошок, полученный сушкой пюре (средний характерный размер частиц 100 мкм); -•- - порошок, полученный распылительной сушкой пюре (размер частиц 1-30 мкм)
Для математического описания процесса влагопоглощения паров влаги исследуемыми продуктами были получены функциональные зависимости Жчр, кг/кг, от времени процесса т„, мин:
Wp \ \) = а ^ ч 4 + ЬЧ3 + с^2 + й ^ ч + е\ (1)
где а4, Ь\ с\ й\ е4 - эмпирические коэффициенты (табл. 2). Величина достоверности аппроксимации Я2 = 0,999.
Таблица 2
Значения эмпирических коэффициентов функциональной зависимости влажности продукта от времени процесса влагопоглощения
Продукт а-106 6-106 с-106 <Г-10б е-106
Яблоко
Сухое сырье, пищевые волокна 0,036 -3,398 83,561 387,556 49 813,886
„ „ „ __■ частицы 100 мкм Порошок, полученный сушкой пюре <Г ч „„ частицы 1-30 мкм 0,113 -7,093 108,082 907,925 49 752,914
0,119 -6,443 66,436 1484,103 50 051,842
Тыква
Сухое сырье, пищевые волокна 0,058 -3,790 63,186 442,383 49 936,749
___. частицы 100 мкм Порошок, полученный сушкой пюре частицы 1-30 мкм -0,030 1,420 -37,405 1 113,636 50 008,658
-0,241 10,828 -184,168 2 020,582 50 075,805
Морковь
Сухое сырье, пищевые волокна 0,028 -2,314 49,296 487,267 49 912,933
___■ частицы 100 мкм Порошок, полученный сушкой пюре ч „„ частицы 1-30 мкм 0,066 -4,346 67,379 758,906 50 046,901
0,038 -2,307 16,560 1 237,381 49 984,942
Кабачок
Сухое сырье, пищевые волокна 0,001 -0,353 20,869 718,185 49 696,071
^^ частицы 100 мкм Порошок, полученный сушкой пюре ч „„ частицы 1-30 мкм -0,019 1,238 -24,946 1 484,431 49 617,130
-0,024 1,829 -61,090 2 309,859 49 586,490
Дифференцированием функциональной зависимости (1) по времени процесса т можно получить зависимость для скорости процесса влагопоглощения йWчp(т)/йт:
йWp ХЧ) / й т = 4 • а т3 + 3 • 2 + 2 • с т + й ^
В качестве примера на рис. 2 представлены зависимости скорости влагопоглощения от времени процесса. Характер кривых скорости влагопоглощения типичен для большинства пищевых продуктов, и зависимость скорости процесса от времени носит экстремальный характер. В первый период влагопоглощения скорость процесса стремительно возрастает, достигая максимального значения (рис. 2), при котором сорбционные центры продукта активно взаимодействуют с молекулами воды, при этом на поверхности мицелл и сухого скелета образуется мономолекулярный слой адсорбционно-связанной влаги. Далее, после экстремальной точки, кривая монотонно убывает, что свидетельствует о снижении скорости процесса влагопоглощения при постепенном заполнении сорбционных центров и уменьшении свободной энергии системы материал - вода.
dWp(T)/dt
Рис. 2. Зависимости скорости влагопоглощения от времени процесса: -♦- - порошок из яблок, полученный сушкой пюре (средний характерный размер частиц 100 мкм); -•- - сухие пищевые волокна из тыквы
Визуальные наблюдения процесса влагопоглощения плодоовощными продуктами показывают, что их гигроскопичность проявляется в тенденции к аутогезии частиц во влажной атмосфере (фв = 75 %) с образованием комков.
Заключение
В целях уменьшения негативного влияния сорбции целесообразной является герметизация всех расходных и накопительных емкостей, транспортных элементов, узлов дозирования, смешения и т. п. Длительное хранение продукции необходимо осуществлять в герметичной упаковке или в помещениях при поддерживании соответствующей влажности воздуха. На основе полученных зависимостей можно определить допустимые интервалы времени в случае негерметичного проведения технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексанян И. Ю. Инновационные технологии переработки сырья растительного происхождения / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Л. М. Титова // Инновационные технологии АПК России - 2014: материалы II конф. в рамках Междунар. науч.-технол. форума «Биоиндустрия - основа зеленой экономики, качества жизни и активного долголетия». М., 2014. С. 12-18.
2. Алексанян И. Ю. Инновационные технологии переработки сырья растительного происхождения / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Л. М. Титова // Материалы V Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты». Воронеж, 2015. С. 115-119.
3. Пат. РФ № 2309607. Способ получения пектина и других продуктов из пектиносодержащего сырья / Алексанян И. Ю., Аристов П. М., Максименко Ю. А., Синяк С. В.; заявл. 24.01.2006; опуб. 10.11.2007.
4. Алексанян И. Ю. Термодинамика внутреннего массопереноса в полимерных системах / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, В. Н. Лысова // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 3. С. 57-60.
5. Максименко Ю. А. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии плодоовощных продуктов с водой / Ю. А. Максименко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2012. № 1. С. 41-45.
Статья поступила в редакцию 26.04.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Максименко Юрий Александрович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; amxs1@yandex.ru.
Феклунова Юлия Сергеевна — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; старший преподаватель кафедры «Технологические машины и оборудование»; 1305julia@mail.ru.
Андреева Елена Викторовна — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; старший преподаватель кафедры «Инженерная экология и природообустройство»; amxs1@yandex.ru.
Yu. A. Maksimenko, Yu. S. Feklunova, E. V. Andreeva
EXPERIMENTAL AND ANALYTICAL STUDY OF KINETICS OF MOISTURE ABSORPTION BY DRY VEGETABLE MATERIALS
Abstract. The paper presents the results of experimental and analytical studies of the kinetics of moisture absorption by dry vegetable materials. In order to reduce the negative effect of sorption it is recommended to seal all consumable and storage tanks, transport elements, parts of batching, mixing, etc. Long-term storage of the products must be carried out in sealed containers or rooms while maintaining the appropriate humidity. The dependences of the sorption activity of dry vegetable materials on the external climatic conditions, in particular, on relative humidity and temperature of the air of working areas for computation of rational time intervals when performing the technological operations in processing, transportation, packaging, packing, etc.
Key words: drying of vegetable raw materials, kinetics of moisture absorption, hygroscopic properties of plant materials.
1. Aleksanian I. Iu., Maksimenko Iu. A., Titova L. M. Innovatsionnye tekhnologii pererabotki syr'ia rastitel'nogo proiskhozhdeniia [Innovative technologies of processing vegetable raw materials]. Innovatsionnye tekhnologii APK Rossii - 2014. Materialy II konferentsii v ramkakh Mezhdunarodnogo nauchno-tekhnologicheskogo foruma «Bioindus-triia - osnova zelenoi ekonomiki, kachestva zhizni i aktivnogo dolgoletiia». Moscow, 2014. P. 12-18.
2. Aleksanian I. Iu., Maksimenko Iu. A., Titova L. M. Innovatsionnye tekhnologii pererabotki syr'ia ras-titel'nogo proiskhozhdeniia [Innovative technologies of processing vegetable raw materials]. Materialy V Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Innovatsionnye pishchevye tekhnologii v oblasti khraneniia i pererabotki sel'skokhoziaistvennogo syr'ia: fundamental'nye iprikladnye aspekty». Voronezh, 2015. P. 115-119.
3. Aleksanian I. Iu., Aristov P. M., Maksimenko Iu. A., Siniak S. V. Sposob polucheniia pektina i drugikh produktov iz pektinosoderzhashchego syr'ia [A process for preparing pectin and other pectin products from raw materials]. Patent RF, no. 2309607, 2006.
4. Aleksanian I. Iu., Maksimenko Iu. A., Lysova V. N. Termodinamika vnutrennego massoperenosa v polimernykh sistemakh [Thermodynamics of internal mass transfer in polymer systems]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2011, no. 3, pp. 57-60.
5. Maksimenko Iu. A. Termodinamika vnutrennego massoperenosa pri vzaimodeistvii plodoovoshchnykh produktov s vodoi [Thermodynamics of internal mass transfer at interaction of fruit and vegetable products with water]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2012, no. 1, pp. 41-45.
Maksimenko Yuriy Aleksandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Technological Machines and Machinery"; amxs1@yandex.ru.
Feklunova Yuliya Sergeevna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Senior Lecturer of the Department "Technological Machines and Machinery""; 1305julia@mail.ru.
Andreeva Elena Victorovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Senior Lecturer of the Department "Engineering Ecology and Environmental Engineering""; amxs1@yandex.ru.
REFERENCES
The article submitted to the editors 26.04.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
