CC BY
15
Научная статья/Research Article УДК 664.8.036.3
DOI: 10.36718/1819-4036-2022-6-171 -179
Владимир Владимирович Кондратенко1, Наталья Евгеньевна Посокина2, Анна Ивановна Захарова30
^^Всероссийский научно-исследовательский институт технологии консервирования - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, Видное, Московская область, Россия 1 nauka@vniitek.ru 2technol@vniitek.ru 3zakharova@vniitek.ru
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА РЕЖИМА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОНСЕРВОВ В ТУННЕЛЬНОМ
ПАСТЕРИЗАТОРЕ ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ СОБСТВЕННОЙ ПАСТЕРИЗАЦИИ
Цель исследования - разработка алгоритма расчета режимов пастеризации пищевых продуктов в туннельных пастеризаторах непрерывного действия при постоянной температуре собственно пастеризации, с учетом неоднородности сечения теплового поля по профилю конвейера, для обеспечения минимального воздействия термической обработки на продукт и максимального сохранения питательных свойств продукта. Работу проводили на пастеризаторе туннельного типа ПТТ-01 (Кубаньпищепром). Длина пастеризатора - 25000 мм, скорость ленты - 0,51,5 м/мин, ширина ленты - 2743 мм. Температуру внутри продукта в наименее прогреваемой зоне (геометрический центр банки по вертикальной оси) измеряли с помощью многоканальной многофункциональной системы измерения TrackSense (производитель ELLAB A\S, Дания) и датчиков температуры типа Pro. Упакованный продукт с датчиками располагали по ширине транспортерной ленты на равном расстоянии (~450 мм) друг от друга. Температура в зоне нагрева - 70±1 -80±1 °С, в зоне пастеризации - 97±1 °С, в зоне охлаждения - 80-60 - 40-20 °С. В результате экспериментальных исследований процесса пастеризации были установлены интервалы температур для каждой скорости, при которых осуществлялся наиболее интенсивный нагрев, были определены фактические летальности с учетом минимальной термической нагрузки. Определение зависимости фактической летальности от скорости движения транспортерной ленты позволило найти область значений скорости ленты, удовлетворяющих заданным условиям, обеспечивающим качество и безопасность готового продукта. В результате проведенной работы был разработан алгоритм расчета скорости транспортерной ленты пастеризатора при постоянной температуре собственной пастеризации и описаны последовательные операции.
Ключевые слова: алгоритм расчета, пастеризация, термическая обработка, туннельный пастеризатор, фактическая летальность
Для цитирования: Кондратенко В.В., Посокина Н.Е., Захарова А.И. Алгоритм расчета режима термической обработки консервов в туннельном пастеризаторе при постоянной температуре собственной пастеризации // Вестник КрасГАУ. 2022. № 6. С. 171-179. DOI: 10.36718/1819-4036-2022-6171-179.
Vladimir Vladimirovich Kondratenko1, Natalya Evgenievna Posokina2, Anna Ivanovna Zakharova30
123All-Russian Research Institute of Canning Technology - a branch of the Federal Scientific Center for
Food Systems named after V.M. Gorbatov RAS, Vidnoe, Moscow Region, Russia
1nauka@vniitek.ru
2technol@vniitek.ru
3zakharova@vniitek.ru
© Кондратенко В.В., Посокина Н.Е., Захарова А.И., 2022 Вестник КрасГАУ. 2022. № 6. С. 171-179. Bulliten KrasSAU. 2022;(6):171-179.
ALGORITHM TO CALCULATE CANNED FOOD THERMAL TREATMENT MODE IN A TUNNEL PASTEURIZER AT OWN PASTEURIZATION' CONSTANT TEMPERATURE
The purpose of the study is to develop an algorithm for calculating the modes of pasteurization of food products in tunnel pasteurizers of continuous operation at a constant temperature of the actual pasteurization, taking into account the heterogeneity of the thermal field cross section along the conveyor profile, to ensure the minimum effect of heat treatment on the product and maximize the preservation of the nutritional properties of the product. The work was carried out on a tunnel-type pasteurizer PTT-01 (Kubanpischeprom). The pasteurizer length is 25000 mm, the belt speed is 0.5-1.5 m/min, the belt width is 2743 mm. The temperature inside the product in the least heated zone (the geometric center of the jar along the vertical axis) was measured using a TrackSense multichannel multifunctional measurement system (ELLAB A\S, Denmark) and Pro-type temperature sensors. The packaged product with sensors was placed along the width of the conveyor belt at an equal distance (~450 mm) from each other. The temperature in the heating zone is 70±1 - 80±1 °C, in the pasteurization zone - 97±1 °C, in the cooling zone -80-60 - 40-20 °C. As a result of experimental studies of the pasteurization process, the temperature intervals for each speed were established, at which the most intensive heating was carried out, the actual lethalities were determined, taking into account the minimum thermal load. Determining the dependence of actual lethality on the speed of the conveyor belt made it possible to find the range of values of the belt speed that satisfies the specified conditions, ensuring the quality and safety of the finished product. As a result of the work carried out, an algorithm for calculating the speed of the pasteurizer conveyor belt at a constant temperature of its own pasteurization was developed and sequential operations were described.
Keywords: calculation algorithm, pasteurization, heat treatment, tunnel pasteurizer, actual lethality
For citation: Kondratenko V.V., Posokina N.E., Zakharova A.I. Algorithm to calculate canned food thermal treatment mode in a tunnel pasteurizer at own pasteurization' constant temperature // Bulliten KrasSAU. 2022;(6): 171-179. (In Russ.). DOI: 10.36718/1819-4036-2022-6-171-179.
Введение. Пастеризация - это «мягкая» термическая обработка, направленная на уничтожение патогенных микроорганизмов, вызывающих порчу продукта, и инактивацию нежелательных ферментов для обеспечения безопасности пищевых продуктов [1]. На характеристики, определяющие качество пищевых продуктов, значительным образом влияет способ обработки пищевых продуктов [2, 3]. Ключом к удовлетворению требований потребителей и повышению конкурентоспособности является предоставление безопасных, высококачественных продуктов, максимально приближенных по характеристикам к свежим фруктам и овощам [4]. Предприятия пищевой промышленности ищут такие методы обработки, которые смогли бы обеспечить срок годности пищевых продуктов, не влияя на их качество и безопасность [5]. При пастеризации продукт нагревается до температуры ниже 100 °С, что считается относительно «мягкой» термической обработкой. В продуктах с низкой кислотностью (рН > 4,5) пастеризация используется для продления срока годности пищевых продуктов на несколько дней. В продуктах с рН < 4,5 пастеризация продлева-
ет срок годности на несколько месяцев за счет уничтожения микроорганизмов, вызывающих порчу продукта (дрожжи или плесень), и (или) инактивации ферментов [6, 7]. Туннельный пастеризатор, предназначенный для термической обработки укупоренного продукта в потоке, является одним из самых распространенных. В зависимости от конструктивных особенностей пастеризатора пастеризация продукта может осуществляться при заданной постоянной температуре, при этом продолжительность нахождения продукта в каждой зоне задается скоростью движения транспортерной ленты. И наоборот, скорость движения ленты - постоянна, а температура в каждой зоне - переменна [8].
Цель исследования - разработка алгоритма расчета режимов пастеризации пищевых продуктов в туннельных пастеризаторах непрерывного действия при постоянной температуре собственно пастеризации.
Задачи:
- исходя из физико-химических характеристик, провести расчет требуемой летальности продукта;
- провести прогревы продукта при разных скоростях движения транспортерной ленты пастеризатора с использованием контрольной аппаратуры;
- рассчитать фактическую летальность с учетом минимальной термической нагрузки и статистических выбросов;
- рассчитать область значений скорости транспортерной ленты пастеризатора, удовлетворяющей условию Рфакт > Ртреб;
- использовать полученные данные для разработки алгоритма расчета режимов пастеризации.
Объекты и методы. Работу проводили на пастеризаторе туннельного типа ПТТ-01 (Ку-баньпищепром). Длина пастеризатора -25 000 мм, скорость ленты - 0,5-1,5 м/мин, ширина ленты - 2 743 мм. Зона 1 (предварительный нагрев, температура 70-80 °С) - 500 мм. Зона 2 (зона пастеризации 3-й секции по 4 000 мм, температура 95-98 °С) - 12 000 мм. Зона 3 (зона охлаждения 4-й секции по 3000 мм, температура 80-20 °С) - 12 000 мм. Температура подачи воды на охлаждение 16-18 °С. Температуру внутри продукта в наименее прогреваемой зоне измеряли с помощью многоканальной многофункциональной системы измерения TrackSense (производитель ELLAB A\S, Дания) и датчиков температуры типа Pro (стандартный гибкий тефлоновый, 2 измерительных канала) 603123 (логгер 1 и 2), 603125 (логгер 3 и 4), 60309 (логгер 5 и 6), с диапазоном измерений от -100 до 140 °С. Измерительные каналы располагали внутри банки с продуктом, фиксируя их на определенной высоте. Упакованный продукт с датчиками располагали по ширине транспортерной ленты на равном расстоянии (~450 мм) друг от друга. Температура в зоне нагрева (70±1-80±1) °С, в зоне пастеризации (97±1) °С, в зоне охлаждения (80- 60-4020) °С. Для обработки данных использовали считывающую станцию Track Sense PRO 3.1G (645246). Математическую обработку проводили с использованием Table Curve 2D v.5.01 (SYSTAT Software Inc.), MS Excel 2010.
Результаты и их обсуждение. Расчет режимов пастеризации осуществлялся с целью гарантированного достижения промышленной стерильности обрабатываемого продукта, поэтому в качестве основного граничного условия принимали следующее:
Рфакт — Fтреб.,
где Fфакт - фактическая летальность, определяемая на основе кинетики прогреваемости продукта, мин; Fтреб - требуемая летальность, определяемая микробиологическими методами на основе кинетики гибели тест-культуры микроорганизмов в среде, имитирующей обрабатываемую, мин.
В случае с пастеризацией в теплообменнике туннельного типа, с фиксированной температурой собственной пастеризации, вариативность теплового взаимодействия определялась скоростью движения конвейера. В этой связи подход к определению режимов пастеризации в данных условиях необходимо проводить с учетом неоднородности сечения теплового поля по профилю конвейера.
При расчете фактической летальности, исходя из физико-химических показателей исследуемого пищевого продукта, определяли следующие параметры: Fтр - требуемая летальность; Треф - температура, принятая в качестве базисной; z - температурный параметр термоустойчивости микроорганизмов.
Для исследуемого продукта были взяты следующие параметры: Fтр = 10 мин, Треф = 85 °С, г = 8,3 [9].
После определения требуемой летальности были проведены прогревы продукта в пастеризаторе при различной скорости движения транспортерной ленты (0,25; 0,3; 0,4 м/мин).
На рисунках 1-3 представлены графики изменения температуры продукта от продолжительности пастеризации при заданных скоростях.
О
о
ев СР
£ СР и
85 80 75 70 65 60 55
и
Н 50
45
40
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600
Продолжительность, с
Логгер 1 Логгер 2 Логгер 3 Логгер 4 Логгер 5 Логгер 6
Рис. 1. Зависимость температуры продукта от продолжительности пастеризации при скорости движения транспортерной ленты V = 0,4 м/мин
о
о ев
р
¡а
р е
С
е
Н
85 80 75 70 65 60 55 50 45 40
I I I I I I I || I I I I I I I I || I I I I I I I | I I I I I I I || I I I I I I I I || I I I I I I I | I I I I I I I || I I I I I I I I || I I I I I I I | I I I I
+
+
+
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Продолжительность, с Логгер 1 ^—Логгер 2 ^—Логгер 3 ^—Логгер 4 ^—Логгер 5 ^—Логгер 6
Рис. 2. Зависимость температуры продукта от продолжительности пастеризации при скорости движения транспортерной ленты V = 0,3 м/мин
85
80
75
^ 70
ев
£ 65
Й
л
ё 60
и
н
55
50
45
40
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I ММ
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
Продолжительность, с Логгер 1 Логгер 2 Логгер 3 Логгер 4 Логгер 5 Логгер 6
Рис. 3. Зависимость температуры продукта от продолжительности пастеризации при скорости движения транспортерной ленты V = 0,25 м/мин
Из графиков зависимости температуры видно, что для скорости 0,25 м/мин наиболее интенсивный нагрев осуществлялся в интервале температур 70-83 °С, для скорости 0,3 м/мин -от 75 до 83 °С, а для скорости 0,4 м/мин - от 76 до 83 °С. Оперируя фактической летальностью для каждого из логгеров и для каждого варианта скорости из-за значительной разнородности по профилю конвейера при разных скоростях, возникла необходимость включить в рассмотрение статистический аппарат.
Значение фактической летальности рассчитывали по формуле [10, 11]
Тнач Тпр-Треф
Кеф = | 10^"^ТПР ,
(1)
Ткон
где Треф - температура, принятая в качестве базисной; Тпр - температура продукта, для которого вычисляют величину. Данные по фактической летальности приведены в таблице 1.
Значения фактической летальности, мин
Таблица 1
Скорость движения транспортерной ленты, м/мин Номер логгера
1 2 3 4 5 6
0,40 9,831 11,180 10,785 10,260 10,428 8,921
0,30 18,420 17,687 16,481 17,305 16,119 14,590
0,25 20,011 16,553 16,319 16,702 15,757 13,525
В каждый момент времени т определяли температурную нагрузку по формуле
Я = • -1) . (2)
Яо = 0.
Суммарная температурная нагрузка в процессе обработки при постоянной скорости
n
Q = Х 9,.
7 = 1
(3)
±Д = t
где £ - стандартное отклонение; т - количество логгеров.
Затем определяли верхнюю и нижнюю границу среднего значения суммарной температурной нагрузки:
ор=о,+д. (5)
^ср я-'ср
QQp = Qp-Д.
-ср
(6)
Среднее значение суммарной температурной нагрузки Qср рассчитывали по формуле из
, °2, °3, °4, , Об, а дельту - по формуле
£
(0,05;т-1) --(4)
^т'
Установили граничные условия, при которых оставляли только те суммарные нагрузки, которые удовлетворяли условию ОСр < < Овср,
из отобранных О у определяли логгер, для которого температурная нагрузка была минимальной.
По данным этого логгера при заданной скорости определяли Fфакт на момент окончания обработки.
18 g 16
л н о о К л к
14 12
S 10
н
<и §
и о <и сг s
ё св
О 2
Ю-
/
.V'
/
—-я?
/
0
2
I........I........I........I........I........I.....I I I ji I I
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
Продолжительность, с 0,25 м/мин .....0,30 м/мин 0,40 м/мин
Рис. 4. График изменения фактической летальности с учетом термической нагрузки
8
6
4
Таблица 2
Значения фактической летальности с учетом статистических выбросов, мин
Скорость движения транспортерной ленты, м/мин Фактическая летальность
0,40 10,260
0,30 16,119
0,25 16,553
Для точного расчета данной величины на основе полученных данных была найдена функция, адекватно аппроксимирующая результаты. Функция имела вид
г \Р и
где Ко = а-Оорг = ь; Р = с .
Значения коэффициентов а, Ь, с приведены в таблице 3.
К = К
о
\иор( )
(7)
Значение коэффициентов
Таблица 3
Коэффициент Значение Стандартное отклонение
а 16.67042281 8.41205е-12
Ь 0.321693167 5.96817е-13
с 8.527800107 6.73306е-11
Построив график зависимости фактической летальности от скорости движения транспортерной ленты (рис. 5), находим область значений скорости ленты, удовлетворяющих заданным условиям. При этом максимальное значе-
18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
ние скорости ленты начинается с 0,385 м/мин и ниже (область значений скорости ленты, удовлетворяющих набору фактической летальности, выделена голубым цветом).
я
я
Л
н о о я
Л
ч
ей
н и
4
5
и о и ЕТ К
£ ей
е
0,20 0,24 0,28 0,32 0,36 0,40 0,44 0,48 Скорость движения транспортерной ленты, м/мин О Эксперимент О Оптимум
Рис. 5. Зависимость фактической летальности консервов от скорости транспортерной ленты
Заключение. На основании проведенной работы был выработан алгоритм расчета скорости транспортерной ленты пастеризатора при постоянной температуре собственной пастеризации. Данный алгоритм состоит из последовательных операций.
1. Расчет требуемой летальности исходя из физико-химических и других характеристик продукта.
2. Прогревы продукта при разных скоростях движения транспортерной ленты пастеризатора с использованием датчиков контроля температуры внутри банки в наименее прогреваемой зоне.
3. Расчет фактической летальности для каждого исследуемого случая.
4. Определение фактической летальности с учетом минимальной термической нагрузки и статистических выбросов.
5. Нахождение функции, адекватно аппроксимирующей данные зависимости фактической летальности от скорости движения транспортерной ленты пастеризатора.
6. Построение графика зависимости фактической летальности от скорости движения транспортерной ленты и нахождение области значений скорости, удовлетворяющей условию Рфакт > Fтреб.
Список источников
1. Lopes R.P., Mota M.J., Delgadillo I., Sarai-va J.A. Pasteurization: Effect on Sensory Quality and Nutrient Composition // Encyclopedia of Food and Health. 2016. P. 246-263.
2. Priyadarshini A., Rajauria G., O'Donnell C.P., Tiwari B.K. Emerging food processing technologies and factors impacting their industrial adoption // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2019. № 59. P. 3082-3101.
3. Влияние низкотемпературной тепловой обработки на жирнокислотный состав и карбонильные соединения в мясе индейки, упакованном под вакуумом / В.В. Насонова [и др.] // Все о мясе. 2020. № 4. С. 42.
4. Katiyo W., Yang R., Zhao W.J. Effects of combined pulsed electric fields and mild temperature pasteurization on microbial inactivation and physicochemical properties of cloudy red apple juice (Malus pumila Niedzwetzkyana
(Dieck)) // Journal of Food Safety. 2017. № 37 (4). P. e12369.
5. Peng J., Tang J., Barrett D.M., Sablani S.S., Anderson N., Powers J.R. Thermal pasteurization of ready-to-eat foods and vegetables: Critical factors for process design and effects on quality // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2017. № 57 (14). P. 2970-2995.
6. Deak T. Chapter 17 - Thermal Treatment // Food Safety Management. 2014. P. 423-442.
7. FeatherstoneS.Microbiology of canned foods // A Complete Course in Canning and Related Processes. 2015. № 2. P. 3-25.
8. Ramesh M.N. Handbook of Food Preservation. 2007.
9. Tucker G., Featherstone S. Essentials of Thermal Processing. 2011.
10. Friso D. A New Mathematical Model for Food Thermal Process Prediction // Modelling and Simulation in Engineering. 2013. P. 1-8.
11. Миграция зоны наименьшего прогревания в гетерофазной модельной пищевой системе при стерилизации / В.В. Кондратенко // Вестник КрасГАУ. 2021. № 11. С. 188-197.
References
1. Lopes R.P., Mota M.J., Delgadillo I., Saraiva J.A. Pasteurization: Effect on Sensory Quality and Nutrient Composition // Encyclopedia of Food and Health. 2016. P. 246-263.
2. Priyadarshini A., Rajauria G., O'Donnell C.P., Tiwari B.K. Emerging food processing technologies and factors impacting their industrial adoption // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2019. № 59. P. 3082-3101.
3. Vliyanie nizkotemperaturnoj teplovoj obrabotki na zhirnokislotnyj sostav i karbonil'nye soedineniya v myase indejki, upakovannom pod vakuumom / V.V. Nasonova [i dr.] // Vse o myase. 2020. № 4. S. 42.
4. Katiyo W., Yang R., Zhao W.J. Effects of combined pulsed electric fields and mild temperature pasteurization on microbial inactivation and physicochemical properties of cloudy red apple juice (Malus pumila Niedzwetzkyana (Dieck)) // Journal of Food Safety. 2017. № 37 (4). P. e12369.
5. Peng J., Tang J., Barrett D.M., Sablani S.S., Anderson N., Powers J.R. Thermal pasteuriza-
tion of ready-to-eat foods and vegetables: Critical factors for process design and effects on quality // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2017. № 57 (14). P. 2970-2995.
6. Deak T. Chapter 17 - Thermal Treatment // Food Safety Management. 2014. P. 423-442.
7. FeatherstoneS.Microbiology of canned foods // A Complete Course in Canning and Related Processes. 2015. № 2. P. 3-25.
8. Ramesh M.N. Handbook of Food Preservation. 2007.
9. Tucker G., Featherstone S. Essentials of Thermal Processing. 2011.
10. Friso D. A New Mathematical Model for Food Thermal Process Prediction // Modelling and Simulation in Engineering. 2013. P. 1-8.
11. Migraciya zony naimen'shego progrevaniya v geterofaznoj model'noj pischevoj sisteme pri sterilizacii / V.V. Kondratenko // Vestnik KrasGAU. 2021. № 11. S. 188-197.
Статья принята к публикации 14.03.2022 / The article accepted for publication 14.03.2022. Информация об авторах:
Владимир Владимирович Кондратенко1, заместитель директора по науке, кандидат технических наук
Наталья Евгеньевна Посокина2, заведующая лабораторией технологии консервирования, кандидат технических наук
Анна Ивановна Захарова3, старший научный сотрудник лаборатории технологии консервирования Information about the authors:
Vladimir Vladimirovich Kondratenko1, Deputy Director for Science, Candidate of Technical Sciences Natalya Evgenievna Posokina2, Head of the Laboratory of Canning Technology, Candidate of Technical Sciences
Anna Ivanovna Zakharova3, Senior Researcher, Laboratory of Canning Technology
