CC BY
13
HayKOBMM BiCHMK ^tBiBCtKoro Ha^OHa^tHoro yHiBepcMTeTy
BeTepMHapHoi Megw^HM Ta öioTexHO^oriw iMem C.3. I^M^Koro
Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies
ISSN 2519-268X print ISSN 2518-1327 online
doi: 10.15421/nvlvet8519 http://nvlvet.com.ua/
UDC 621.78:641
Apparatus for the study of structural-mechanical and thermophysical properties of poultry meat
S.L. Shapoval
Kyiv National University of Trade and Economics, Kyiv, Ukraine
Article info
Received 02.02.2018 Received in revised form
07.03.2018 Accepted 13.03.2018
Kyiv National University of Trade and Economics, Kyoto Str., 19, Kyiv, 02156, Ukraine Tel.: +38-044-513-99-71 E-mail: Shapovalknteu@gmail.com
Shapoval, S.L. (2018). Apparatus for the study of structural-mechanical and thermophysical properties ofpoultry meat. Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies. 20(85), 100-106. doi: 10.15421/nvlvet8519
The design and operating principle of measuring module for determination of structural-mechanical properties and heat conductivity of poultry meat before and after culinary treatment are described in the article. The layout of temperature sensors and heating element is given. The relevance of the research not only the limits of strength of product surface by penetrometer, but also the relaxation efforts and heat conductivity of a product is proved. Calibration curves of penetrometers are plotted. The example of the temperature's fixation of the wall of the measuring indenter by .semiconductor thermometer with rising temperature of the sample by heating indenter is given. The developed module «Rheology» of the apparatus MIG-1.3 allows determining the main structural-mechanical and thermophysical properties of poultry meat. The errors of certain sensors don't exceed ± 1 °C that allows determining the rheological and thermophysical properties of poultry meat samples on the intermediate stages of technological process, when the degustation is impossible. Fixation results of temperature differences' dynamics of indenters' surface point at velocity of heat conduction inside the sample that allows determining heat conductivity and getting an idea of the amount of the free moisture that is formed as a consequence of denaturation of poultry meat's protein. Due to the determined rheological and thermophysical properties it was established the optimal modes of heat treatment of three samples of turkey fillet (temperature, time, air velocity and moisture) and modified mode «steaming» of steam convection oven Convothem. The research of structural-mechanical and thermo-physical properties of turkey fillet after the heat treatment by different temperature conditions was conducted on the developed equipment with the aim of checking structural-mechanical properties of the ready fillet samples. Dynamic of change of running resistance force (relaxation efforts) and temperature change by mechanical deformation of samples were determined under the temperature 20 ± 2 °C. The accordance of study results of rheological and thermophysical properties on the proposed apparatus MIG-1.3 with the technological properties of fillet samples were proved.
Key words: structural-mechanical properties, temperature conductivity, physical methods of meat research, indenter, penmetrometer, turkey fillet.
Прилад для дослщження структурно-мехашчних та теплофiзичних
властивостеи м'яса птищ
С.Л. Шаповал
Кшвський нацюнальний торгiвельно-економiчний унiверситет, Кшв, Укра'та
У статтi описано конструкцЮ та принцип роботи вимiрювального модуля для визначення структурно-мехатчних властиво-стей та теплопровiдностi м 'яса птищ до та тсля култарног обробки. Наведено схему розташування температурних датчимв та нагрiвального елементу. Доведено актуальтсть до^дження не лише межи мiцностi поверхт продукту пенетрометром, а й релаксащйного зусилля та термопровiдностi продукту. Побудовано градуювальт графiки nенетрометрiв та наведено приклад фтсування температури сттки вимiрювального тдентора напiвпровiдниковим термометром при тдвищент температури зраз-ка нагрiвальним тдентором. Створений модуль «Реолог1я» приладу МЮ-1.3 дозволяе визначати основт структурно-мехатчт та теплофiзичнi параметри м 'яса птищ. Похибки окремих датчимв не перевищують ± 1 °С, що дозволяе визначати реологiчнi та теплофiзичнi властивостi зразмв м 'яса птищ на промiжних стадiях технологiчного процесу, коли дегустащя неможлива. Ре-
зультати фжсацп динамо ранищ температур поверхж iHdeHmopie вказують на швидтсть розповсюдження тепла всередин зразка, що дозволяе визначити теплопровiдность та отримати уявлення про ктьтсть вшьног вологи, що утворилася внаслiдок денатурацп бттв м'яса птищ. За визначеними реологiчними та теплоф1зичними параметрами були встановлеж оптимальш режими термiчноi обробки трьох зразтв фше тдика (температура, час, швидтсть руху повШря, вологкть) та модифтований режим «steaming» пароконвекцiйноi шафи Convothem. З метою перевiрки структурно-механiчних властивостей готових зразтв фше на розробленому обладнанн проведено до^дження структурно-мехажчних та теплоф1зичних властивостей фше тдика тсля термiчноi обробки за рiзних температурних режимiв. За температуры 20 ± 2 °С було визначено динамк змти сили супро-тиву (релаксащйне зусилля) та змн температури при мехажчжй деформацп зразтв. Доведено вiдповiднiсть результатiв дослi-дження реологiчних та теплофгзичних властивостей на пропонованому приладi MIG-1.3 технологiчним властивостям зразтв фше.
Ключовi слова: структурно-механiчнi властивостi, температуропровiднiсть, фiзичнi методи до^дження м 'яса, тдентор, пенетрометр, фте тдика.
Вступ
На сучасному рiвнi розвитку харчово! промисло-восп з'являеться велика кшьшсть нових харчових продукпв з iндивiдуальними фiзичними характеристиками, значения яких необхадно при розрахунку параметрiв технолопчного процесу, особливо для режимiв термiчно! обробки.
У реальних процесах мехашзм передачi теплоти залежить вш структури дослщжуваного матерiалу, теплообмш часто неможливо вщщлити ввд масообмь ну i вологопровадносп (Nikiforov et а1., 2015).
Вплив бюлопчно-активних добавок як пiд час ви-годовування так i у процес первинно! обробки також суттево впливае на фiзичнi властивостi натвфабрика-пв з м'яса птицi (Вой et а1., 2009).
Для дослвдження структурно-мехашчних властивостей м'ясних напiвфабрикатiв використовують переважно пенетрометри. Це швидкий споаб визна-чення консистенцп сировини, яку з певно! причини не можна дегустувати (Prytu1ska, 2006). Проте о^м визначення меж1 мiцностi, пенетрацiя не дозволяе визначити iншi структурно-механiчнi властивосл м'ясно! сировини, такi як релаксащя. Також за допо-могою пенетрац! складно встановити факт змiни структурно-мехашчних властивостей хiмiчними речо-винами.
У розробку модуля «Реолопя» покладенi теорети-чш основи деформаци тiла. Оск1льки пращвники за-кладiв торгiвлi та ресторанного господарства у свош дiяльностi мають справу iз тiлами рiзно! твердосп, то деформацiя е важливою споживчою характеристикою дослвджуваного об'екту.
Перед дослвдженням об'ектiв експериментатор повинен чггко уявляти як1 процеси будуть вщбуватися i якого алгоритму дiй необхвдно дотримуватись пiд час експерименту. Для цього передуам необхiдно ство-рити фiзичну модель дослвджуваного процесу. Фiзич-на модель дае опис явищ на молекулярному рiвнi, що дуже важливо, адже сучаснi цифровi вимiрювальнi блоки фiксувати протiкання процесу в iнтервалi тися-чно! секунди (Shapova1 et а1., 2017).
У процеа термiчно! обробки, внaслiдок денатурацп бiлкiв та iнших безповоротних процесiв, суттево змiнюються структурно-мехaнiчнi та теплофiзичнi влaстивостi натуральних м'ясних нaпiвфaбрикaтiв ^аШпасЬаП et а1., 2005). Iнтенсивнiсть цих змш
залежать вщ частини тушки, вшу, стал, рацюну, вго-дованосп, часу та температури зберпання та шших параметр1в. В бшьшосп випадшв температурна зале-жшсть ф1зичних параметр1в р1зниться не тшьки у парт1ях м'ясно! сировини, а й у окремих зразшв.
Водночас, параметри режим1в теплово! обробки е важливим фактором, що впливае на втрати маси i на к1нцеву якiсть готового продукту за рахунок випаро-вування води (Hurskyi et al., 2014).
Ввдома динамiка змiн фiзико-хiмiчних властивостей нашвфабрикапв з птицi дозволяе суттево оптимь зувати режими !х термiчно! обробки та отримати про-дукцiю з максимальним збереженням бюлопчно-цiнних речовин i мiнiмальними втратами вологи, рацiональнiше використовувати енергоресурси та виробниче обладнання (Tischenko et al., 2017).
Мета досл1дження: розробка приладу для визначення динашки змш консистенцп натуральних нашв-фабрикатiв з фше вдика в процесi термiчно! обробки.
Матерiал i методи дослщжень
Прилад М1Г 1.3 було розроблено науковцями ка-федри iнженерно-технiчних дисциплш Ки!вського нацiонального торговельно-економiчного ушверсите-ту у спiвпрацi з ТОВ «1ТМ» (м. Харк1в, Укра!на). Прилад складаеться з рееструючого блоку та набору датчиков, яш разом з допом1жним обладнанням поед-нуються в модулi.
Для отримання даних про змiни реологiчних властивостей м'яса за рiзних температур та режимiв кулшарно! обробки було розроблено модуль «Рео-логiя» до ушверсального вимiрювального приладу MIG-1.3.
Вимiрюльний блок приладу MIG-1.3. дозволяе ви-мiряти фiзичнi параметри: структурно-механiчнi властивосл вздовж i в поперек волокон, теплопроввдшсть, електропровiднiсть i теплоемшсть.
За спiввiдношенням вищезгаданих фiзичних властивостей зразка м'яса можна наближено визначити жиршсть, вологiсть, структуру (походження, вiк тва-рини або птиш), i дати рекомендацп щодо оптимально! технолопчно! обробки.
Принципова схема модуля «Реолопя» приладу MIG-1.3 для визначення температурно! залежностi м'ясно! сировини наведена на рис. 1.
УнГеерсзльний вим1рюеальнии прилад 10-12 ти розрядний
Рис. 1. Установка для комплексного визначення ф1зичних параметр1в м'ясно! сировини
Г-
Датчик складаеться 1з двох стальних цил1ндр1в (ш-дентор1в) 1з загостреним нижшм шнцем. Цилшдри закршлеш на динамометрах 1 можуть рухатися неза-лежно в межах ± 3 мм. В цилшдр1 1 мютиться пл1вко-вий нагр1вальний елемент 1 нашвпроввдниковий термометр невеликих розм1р1в (Shapoval, 2015). Так1 ж температурш датчики орипнально! конструкцп роз-мщено на внутршнш поверхш цилшдра 2.
Алгоритм вим1рювання такий: цил1ндри одночасно занурюють в шматок м'яса до певно! глибини (22 ± 1 мм). Пд час занурення визначаеться сила су-противу тканини. Швидк1сть занурення визначаеться за вщношенням глибини занурення до часу супротиву тканин 1 рахуеться автоматично. Таким чином визна-четься консистенщя м'яса.
Шсля занурення на цилшдр 1 подаеться напруга в 5 ± 0,5 В. Двома амперметрами (рис. 2. А1 та А2) ф1к-суеться сила входного 1 вих1дного струму (на випадок витошв струм1 1з контуру). За вщношенням сили струму до напруги визначаеться електропровщшсть м'яса.
На наступному еташ вмикаеться пл1вковий нагрь вальний елемент (2), ватметр (5) вим1рюе кшьшсть енерги, яка тшла на нагр1вання зразка. Температура всередиш першого динамометра фжсуеться термодатчиком (1).
Дмнамом^тр 1 0,05. .3 Н Т - 0.005С
¥1
Рис. 2. Будова модуля «реолопя» для комплексного визначення ф1зичних параметр1в м'ясно! сировини
1 - температурний датчик; 2 - нагр1вальний елемент (плш-ка); 2.1-2.6 - температурш датчики; 3 - подiлка, що вказуе на межу занурення шдентор1в; 4 - вольтметри; 5 - ватметр
Змши тeмпeрaтyри зрaзкa фiкcyютьcя тeрмoдaтчи-кaми (2.1-2.6), причoмy дaтчики (2.2) тa (2.6) мютять-cя з прoтилeжнoгo бoкy i рiзниця ïx пoкaзникiв тa знaчeнь тeрмoмeтрiв (2.3) i (2.5) вкaзye нa швидкють рoзпoвcюджeння тeплa.
Ocкiльки рoзмiри зрaзкa м'яca знaчнo пeрeвищy-ють рoзмiри дaтчикa, тo ввaжaтимeмo, щo тeплo рoз-пoвcюджyeтьcя нeрiвнoмiрнo лишe зa рaxyнoк нeрiв-нoмiрнoï cтрyктyри м'яca (Rudavska et al., 2002). От-жe, зaфiкcyвaвши швидкicть змiни тeмпeрaтyри пoвe-рxнi цилiндрa 2 вiднocнo тeмпeрaтyри вceрeдинi циль ндрa 1, мoжнa визнaчити тeплoпрoвiднicть зрaзкa.
Пюля визнaчeння тeплoпрoвiднocтi, aвтoмaтичнo визнaчaeтьcя eлeктрoпрoвiднicть, щo пoв'язaнo зi
змiнoю eлeктрoфiзичниx влacтивocтeй пicля чacткoвoï дeнaтyрaцiï бшшв.
Пiд чac витягyвaння iндeнтoрiв, знaючи плoщy ïx зaнyрeнoï пoвeрxнi тa cилy cyпрoтивy, визнaчaeтьcя кoeфiцieнт тeртя м'яca дo нeржaвiючoï cтaлi.
Грaдyювaння дaтчикiв прилaдy М1Г 1.3 зджню-вaлocя шляxoм вcтaнoвлeння зaлeжнocтi шгазнишв aнaлoгoвo-цифрoвoгo пeрeтвoрювaчa (АЦП) вимiрю-вaльнoгo блoкy ввд знaчeнь дeфoрмyючoï стли a6o тeмпeрaтyри (Shapoval et al., 2017). Зaлeжнicть пoкaз-никiв АЦП ввд знaчeнь cили для динaмoмeтрiв вдо-брaжeнa нa грaдyювaльник грaфiкax (риc. 3).
220
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
мН
1 1 1
1 1 1
1 J 1 jS^ 1 oô. А ЦП
9 000 10 000 11 000 12 000 13 000 14 000 15 000 16 000 17 000
a)
мН ------------ - ----
oô. АЦП
800 700 600 500 400 300 200 100 0
40 000
45 000
50 000
55 000
60 000
б)
Рис. 3. Вшш прoгрaми «Лaбoрaтoрiя М1Г 1.3». Грaдyювaльний грaфiк мoдyля «Сгрyктyрo-мexaнiчнi влacтивocтi» a) динaмoмeтрa з нaгрiвaчeм, б) динaмoмeтрa бeз нaгрiвaчa
Градуювальний графiк динамометра без на^вача (рис. 3б) е прямою з рiвнем достовiрностi апроксима-цп R2 = 0,999. Оск1льки данi динамометра передають-ся до вимiрювального блоку через аналоговий сигнал, який легше спотворюеться, то градуювальник графiк динамометра 1 з вбудованим плiвковим на^вачем мав суттевi ввдхилення вiд прямо!. Це пов'язано iз впливом на^вального елементу на показники АЦП.
З метою зменшення впливу плiвкового на^вача на градуювальний графiк було обрано сшввщношення значень одиниць АЦП та мН, на якт мали найменше ввдхилення вiд прямо!. Внаслiдок такого корегування рiвень достовiрностi апроксимацi! градуювального графiка динамометра 1 склав R2 = 0,992.
Результати та Тх обговорення
Для апробацп модуля «реолопя» було проведено серш експерименпв з визначення меж1 мщносп та теплопровщносп фше шдика р1зного часу зберйання.
У процес роботи приладу даш рееструються у десяти незалежних вшнах програми «Лаборатория М1Г 1.3» з можлив1стю подальшого експорту !х до табличного процесора (наприклад MS Excel). Синхрошзова-но лише перюд вим1рювання (0,05 с) та час експери-менту (75 с).
Приклад реестраци змш температури термометром 2.3 шд час нагр1вання фше вдика наведено на рис 4.
Рис. 4. В1кно програми «Лаборатор1я MIG-1.3». Динамша температури стшки вдентора 1
Дрiбнi нерiвностi графiка (до 1°С) пояснюються електромагнiтними перешкодами, стрибки значень температури понад 1 °С вказують на змiни штенсив-носп процесiв тепло i масопереносу в продукт! Так нерiвномiрностi нагрiву в дiапазонi 60...70 °С, пояснюються денатуращею бiлкiв та супутнiми процеса-ми. Стрибок температури до 100 °С викликаний, ймо-вiрно, закипанням незв'язано! вологи на поверхш iндентора 1 i проходженням перегргто! рвдини через неоднорiдностi структури фiле iндика, що викликало короткочасний на^в локально! дiлянки поверхнi вдентора 2.
Загалом, результати фшсацп динамши рiзницi температур поверхнi iнденторiв вказують на швидк1сть розповсюдження тепла всередиш зразка, що дозволяе визначити теплопроввдшсть та прогнозувати кiлькiсть видшено! внаслiдок денатурацп бiлкiв вологи.
На наступному етапi було проведено дослвдження трьох зразк1в фiле iндика рiзного термiну зберiгання та, за результатами, ошшшзовано параметри !хньо! термiчно!' обробки.
Багато харчових продуктiв мiстять вологу в кшь-костi 70-90% ввд загально! маси, тому для правильного розумшня процесу релаксацi!' енерги в них треба враховувати характер сил, що дшть мiж мшрочастин-
ками (Fedyshyn et al., 2013) (щд релаксащею енергп розумшть перехвд системи в р1вноважний стан).
Wn = f(x) (1)
де: Wn - волопсть зразка, %; x - швидшсть релак-саци, F - сила, Н.
Силу, що д1е мгж вузлами структурно! решгтки, визначають першою похвдною в1д потенцшно! енергп по координат!.
dW F =__n
dx
(2)
тобто сила, що д1е м1ж вузлами структурно! решгтки, визначаеться тангенсом кута нахилу дотич-но! до потенщально! криво!. При цьому найб1льше притягання мгж атомами в1дпов1дае потенц1йн1й ям1 на д1лянц1 x2x3. Аналог1чн1 потенщальш крив1 можна отримати для молекулярних решгток.
Потенц1альн1 крив1 дозволяють довести, що несктнченне зближення молекул рвдини неможливе (д1лянка xx), так як виникають неск1нченно велик1 сили ввдштовхування. Потенц1альн1 крив1 дозволяе отримати MIG-1.3 з досить великою точшстю.
Для перев1рки запропонованого методу було обрано три зразки ф1ле шдика, що збер1галися за умови +5 °С протягом 24, 48 та 72 годин. Шсля досл1джень
ТЕмпература °С
я я ■Р5 о о» та о о» Й го
и
го
00 (Л
о
О к» о
х
и
о»
я я м
о о» та о
о» Й го
я
го
ЧО
о
о
О
Температура
я я
к
й К
■С ш
8 гь
3.
О ^
* Я
с
теплоф1зичш параметри м'яса птищ, похибки окре-мих датчишв не перевищують ± 1 °С i дозволяють визначати реолопчш та теплофiзичнi властивостi зразшв м'яса птицi на промiжних стадiях технолопч-ного процесу, коли дегустащя неможлива.
Пiсля дослiдження приладом MIG-1.3 трьох зраз-кiв фiле iндика рiзного термiну зберiгання були опти-мiзованi технологiчних параметрiв !хнього приготу-вання. Дослвдження консистенцп готових зразшв методом встановлення швидкостi релаксацп вказало на незначш розбiжностi !х структурно-мехашчних властивостей.
Перспективи подальших дослгджень. За визначе-ними реологiчними та теплофiзичними параметрами можна встановлювати оптимальнi способи обробки (зашкання, тушкування, маринування тощо) а також режими термiчно! обробки (температура, час, швид-кiсть руху повгтря, вологiсть) для напiвфабрикатiв з яловичини та свинини, що буде метою подальших дослвджень.
References
Nikiforov, Ju.B., Svetlov, Ju.V., & Kaloshin Ju.A. (2015). Jeffektivnaja teploprovodnost' pishhevyh materialov i produktov razlichnoj struktury. Tehnologii XXI veka v pishhevoj, pererabatyvajushhej i legkoj promyshlennosti. 19. Rezhim dostupu: http ://www.mgutm. ru/jurnal/tehnologii_21veka/eni9_ chat1/section1/10.pdf (in Russian). Bou, R., Codony, R., Tres, A., Decker, E.A., & Guardiola, F. (2009). Dietary strategies to improve nutritional value, oxidative stability, and sensory properties of poultry products. Critical reviews in food science and nutrition. 49(9), 800-822. doi: 10.1080/10408390902911108 Prytulska, N.V. (2006). Suchasni problemy prodovolchoi bezpeky Ukrainy v umovakh hlobalizatsii. Tovary i rynky. 1, 119-127 (in Ukrainian). Shapoval, S.L., Romanenko, R.P., & Forostiana, N.P. (2017). Diahnostyka fizychnykh vlastyvostei
kharchovykh produktiv: monohrafiia. Kyiv. (in Ukrainian).
Wattanachant, S., Benjakul, S., & Ledward, D.A. (2005). Effect of heat treatment on changes in texture, structure and properties of Thai indigenous chicken muscle. Food chemistry. 93(2), 337-348. doi: 10.1016/j.foodchem.2004.09.032
Hurskyi, P.V., Pertsevyi, F.V., Bidiuk, D.O., & Obozna, M.V. (2014). Doslidzhennia vplyvu retsepturnykh komponentiv na temperaturu teplovoi obrobky pasty zakusochnoi. Visnyk Kharkivskoho natsionalnoho tekhnichnoho universytetu silskoho hospodarstva imeni Petra Vasylenka. 152, 256-260. Rezhym dostupu: http://repo.sau.sumy.ua/handle/123456789/2661 (in Ukrainian).
Tischenko, V.I., Bozhko, N.V., & Pasichnyi, V.M. (2017). Optimization of the recipes of meat loaves using hydrobionts. Scientific Messenger of LNU of Veterinary Medicine and Biotechnologies. 80, 38-42. doi: 10.15421/nvlvet8008
Shapoval, S.L. (2015). Datchyk dlia doslidzhennia teplofizychnykh vlastyvostei kharchovykh produktiv. Tehnologicheskij audit i rezervy proizvodstva. 4(21), 45-49. doi: 10.15587/2312-8372.2015.38141 (in Ukrainian).
Rudavska, H.B., Tyshchenko, Ye.V., & Prytulska, N.V. (2002). Naukovi pidkhody ta praktychni aspekty optymizatsii asortymentu produktiv spetsialnoho pryznachennia: Monohr. K.: Kyiv. nats. torh.-ekon. un-t (in Ukrainian).
Fedyshyn, Ya.I., Hembara, T.V., & Fedyshyn, T.Ia. (2013). Optymalne upravlinnia teplofizychnym protsesom sterylizatsii za minimizatsiieiu priamykh pytomykh teplovykh vytrat iz zabezpechenniam kharchovoi tsinnosti. Naukovyi visnyk Lvivskoho natsionalnoho universytetu veterynarnoi medytsyny ta biotekhnolohii imeni S.Z. Gzhytskoho. 15, 1(3), 191197. Rezhym dostupu: http://nbuv.gov.ua/UJRN/ nvlnu_2013_15_1%283%29_34 (in Ukrainian).
