CC BY
73
УДК 634.74: 544.03 А.Н. Расщепкин
ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОДОВ И ЯГОД ПРИ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКЕ
A.N. Rasshchepkin
DYNAMICS OF CHANGES IN THE THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF FRUITS AND BERRIES DURING FREEZE-DRYING
Расщепкин А.Н. - канд. техн. наук, доц. каф. теплохладотехники Кемеровского технологического института пищевой промышленности (университета), г. Кемерово. E-mail: [email protected]
Знания о теплофизических свойствах необходимы при расчете технологических процессов, сопровождающихся изменением температуры объекта во времени, а также при проектировании и подборе соответствующего оборудования. Целью настоящей работы являлось исследование динамики теплофизиче-ских свойств плодов и ягод в процессе сублимационной сушки. В качестве объектов исследования были выбраны ирга, жимолость и брусника. Расчетным путем определены такие теплофизические свойства, как теплоемкость, температуро- и теплопроводность, а также плотность при различном содержании влаги в продукте. Для свежезамороженных плодов и ягод на начальном этапе сублимационной сушки плотность для ирги, брусники и жимолости составляла 982, 984 и 911 кг/м3 соответственно. К концу сублимационной сушки плотность ягод снижалась для жимолости, ирги и брусники на 47, 34 и 22 % соответственно. Наблюдается линейная зависимость между теплоемкостью и содержанием влаги продукта. Величина теплоемкости свежезамороженных и сухих плодов и ягод лежала в интервалах 2032+2144 кДж/(кгК) и 1123+1141 кДж/(кгК). Теплопроводность свежезамороженных дикорастущих ягод составляла 1,90+1,97 Вт/(мК) для жимолости и брусники и 1,70 Вт/(мК) для ирги. При сублимационной сушке до достижения содержания влаги 5 % теплопроводность обезвоженных ягод находилась в интервале 0,156+0,162 Вт/(мК). Для брусники и ирги наибольшая температуропроводность наблюдалась на начальном
Rasshchepkin A.N. - Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof., Chair of Heating Ventilation and Air Conditioning, Kemerovo Technology Institute of Food Industry (University), Kemerovo. E-mail: [email protected]
этапе сушки при наибольшем содержании влаги и составляла (9,04+9,84)10-7 м2/с. Что касается ягод жимолости, то для них максимум температуропроводности приходится при содержании влаги порядка 60 % и составляет 10,57 •Ю-7 м2/с. По полученным зависимостям теплофизических свойств от содержания влаги были получены уравнения регрессии.
Ключевые слова: ирга, жимолость, брусника, теплофизические свойства, плотность, сублимационная сушка.
Knowledge of thermophysical properties is necessary in the calculation of technological processes, accompanied by changes in the temperature of the object in time but also in the design and selection of appropriate equipment. The aim of this work was to study dynamics of thermal properties of fruit and berries in the freeze-drying process. As objects of the study were selected shadberry, honeysuckle and cowberry. Thermophysical properties such as heat capacity, temperature and thermal conductivity, and density at various moisture contents in the product were determined by calculation. For fresh frozen fruit and berries at the initial stage of freeze-drying density to saskatoon, cranberry and honeysuckle it was 982, 984 and 911 kg/m3 respectively. By the end of the sublimation drying, the density of the berries decreased to honeysuckle, amelanchier, and cranberries in 47, 34 and 22 %, respectively. There was a linear relationship between heat capacity and moisture content of the product. The magnitude of the heat capacity of frozen and dried fruits and berries was in the intervals 2032+ 2144 kJ/(kgK) and 1123+1141 kJ/(kgK). The
Технические науки
thermal conductivity of frozen wild berries amounted to 1.90+1.97 W/(mK) for honeysuckle and cowberry and 1.70 W/(m-K) for Saskatoon. When freeze-dried to achieve moisture content of 5% the thermal conductivity of dehydrated berries was in the range of 0.156+0.162 W/(m'K). For cranberries and saskatoon the highest conductivity was observed at the initial stage of drying when the greatest moisture content and was (9.04+9.84)' 10-7 m2/s. as for the berries of the honeysuckle, the maximum of the thermal conductivity when the moisture content of about 60% to 10,57 •10-7 m2/s. According to the obtained dependencies of thermal properties on moisture content were obtained from the regression equation.
Keywords: saskatoon, honeysuckle, lingonb-erry, thermophysical properties, density, freeze-drying.
Введение. При расчете технологических процессов линий пищевых производств, сопровождающихся охлаждением, нагреванием и замораживанием, а также при подборе и проектировании соответствующих аппаратов необходимо знать об изменениях теплофизических характеристик продуктов [1, 2]. К числу таких характеристик относят теплоемкость, тепло- и температуропроводность.
В процессе сублимационной сушки происходит ряд изменений по температурным полям в продукте, поскольку в данном случае имеют место как процессы замораживания, так и сублимации и нагрева (на этапе досушивания) [3]. Поэтому для моделирования процессов сублимационного обезвоживания пищевых продуктов, с целью разработки эффективной технологии сушки, необходима достоверная информация об изменениях теплофизических свойств продукта в процессе удаления из него влаги в соответствующем температурном диапазоне.
Цель работы. Исследование динамики изменения теплофизических показателей продукта в процессе сублимационного обезвоживания.
В качестве объектов исследования выступали плоды и ягоды ирги, жимолости и брусники.
Результаты и их обсуждение. Теоретические значения теплофизических характеристик определялись расчетным путем исходя из соответствующих характеристик отдельных компонентов, входящих в состав исследуемых плодов и ягод.
Поскольку в реальных условиях в процессе удаления влаги внутри ягод формируются воздушные микропустоты, в значительной степени влияющие на теплофизические характеристики, то при расчете также учитывался данный фактор по величине усадки продукта в процессе сублимационной сушки, который был определен экспериментально и составлял от 4 до 9 % для различных видов ягод.
Плотность плодов и ягод определяли по следующей формуле [4]:
р=±**/±Пг> (1)
к=1 / к=1 Нк
где хк- массовая доля компонента;
Н- плотность компонента.
Результаты расчетов изменения плотности плодов и ягод по мере сублимационной сушки представлены на рисунке 1.
На начальном этапе сублимационной сушки для свежезамороженных плодов и ягод плотность для ирги, брусники и жимолости составляла 982, 984 и 911 кг/м3 соответственно. К концу сублимационного обезвоживания плотность ягод снижалась: для жимолости, ирги и брусники на 47, 34 и 22 % соответственно.
Удельную теплоемкость ягод рассчитывали по формуле в соответствии с правилом аддитивности
п
с = Х( СХк), (2)
к=1
где Ск - теплоемкость компонента.
Графики теплоемкости плодов и ягод изображены на рисунке 2.
Наблюдается линейная зависимость между теплоемкостью и содержанием влаги продукта. Величина данного параметра свежезамороженных и сухих плодов и ягод находилась в интервалах 2032-2144 кДж/(кг-К) и 11231141 кДж/(кг-К).
Рис. 1. Расчетная плотность ирги, жимолости и брусники при сублимационной сушке
Рис. 2. Расчетная теплоемкость ирги, брусники и жимолости при сублимационной сушке
Для определения коэффициента теплопро- ности для пищевых продуктов [5]. В данном слу-водности был также использован метод адди- чае использовалась формула Лихтнекера
тивности. Для расчета данной величины этот метод обеспечивает достаточную степень точ-
к=1
Технические науки
где Яэф - эффективный коэффициент теплопроводности продукта;
Як - коэффициент теплопроводности компонента;
Ук - объем, занимаемый компонентом;
V- полный объем продукта.
Результаты расчетов теплопроводности приведены в виде графиков на рисунке 3.
Между теплопроводностью и содержанием влаги также наблюдается линейная зависимость. Схожие значения теплопроводности между различными плодами и ягодами, по всей видимости, обусловлены приблизительно одинаковым содержанием влаги и количеством образующегося воздуха микропор в процессе суш-
ки. Теплопроводность свежезамороженных плодов и ягод составляла 1,90-1,97 Вт/(м-К) для жимолости и брусники и 1,70 Вт/(м-К) для ирги. При сублимационной сушке до достижения содержания влаги порядка 5 % теплопроводность обезвоженных плодов и ягод находилась в интервале 0,156-0,162 Вт/(м-К).
Расчетная температуропроводность определялась по следующей формуле:
Я
а = —. (4)
ср
На рисунке 4 представлены графики температуропроводности исследуемых плодов и ягод.
Рис. 3. Расчетная теплопроводность ирги, брусники и жимолости при сублимационной сушке
Из полученных графиков следует, что для некоторых видов продукта характерно определенное значение содержания влаги, при котором наблюдается максимум температуропроводности. Это объясняется тем, что по мере удаления влаги из плодово-ягодного сырья происходит снижение величин теплопроводности, теплоемкости и плотности, при этом скорость изменения последней характеристики для
большинства видов плодов и ягод по мере удаления влаги снижается. Чем больше исходное значение плотности продукта и, соответственно, больше линейная зависимость между плотностью и содержанием влаги, тем менее выражен максимум температуропроводности.
Для брусники и ирги наибольшая температуропроводность наблюдалась на начальном этапе сушки при наибольшем содержании влаги и
составляла (9,04+9,84)-10-7 м2/с. Что касается ягод жимолости, то для них максимум темпера-
туропроводности приходится при содержании влаги порядка 60 % и составляет 10,57 10-7 м2/с.
Рис. 4. Расчетная температуропроводность ирги, брусники и жимолости при сублимационной сушке
По графикам, представленным на рисунках 1-4, были получены следующие уравнения: Для ягод ирги:
р = 0,03x„2 + 2,3775x + 635,83; R = 0,9996; c = 12,824xs + 1076,7; R = 1; 2 = 0,0221xs + 0,0522; R2 = 1;
a = 1-10"5x/ -0,0035x„2 + 0,2843xs + 0,8885;R2 = 0,9999.
Для ягод жимолости:
р = 0,0449x„2 + 1,1893xs + 479,77; R2 = 0,9994; c = 12,786x + 1054,5; R2 = 1; 2 = 0,0221xs + 0,0442; R2 = 1;
a = 2-10-5x3 -0,005x 2 + 0,3898x + 1,0932;R2 = 0,9997.
(5)
ческую ценность для работников пищевой промышленности. Полученные результаты исследований могут быть полезны при разработке соответствующих технологий переработки плодово-ягодного сырья.
Литература
1
(6)
Для ягод брусники:
р= 0,0099xe2 + 1,811xe + 759,26; R2 = 0,9996; c = 12,726xs + 1064,7; R2 = 1; 2 = 0,0221xs + 0,0473; R2 = 1; a = - 0,0012 x„2 + 0,1962x + 1,0381; R2 = 0,9978.
(7)
Выводы. Таким образом, расчетным путем были определены основные теплофизические показатели при сублимационной сушке плодов и ягод, а также получены соответствующие уравнения, которые имеют теоретическую и практи-
Короткий И.А. Теплофизические характеристики ягод облепихи // Вестник КрасГАУ. -2008. - № 2. - С. 287-290.
2. Короткий И.А. Применение метода двух температурно-временных интервалов для определения теплофизических характеристик твердых, жидких и сыпучих материалов // Техника и технология пищевых производств. - 2009. - № 2. - С. 37-41.
3. Короткий И.А., Расщепкин А.Н., Федоров Д.Е. Подбор температурных режимов сублимационной сушки ягод облепихи // Государство, академическая наука и высшая школа:
Те хн и ч е с к и е н а у к и
современное состояние и тенденции развития: сб. науч. ст. - Уфа, 2015. - С. 141-144.
4. Короткий И.А. Исследование и разработка технологий замораживания и низкотемпературного хранения плодово-ягодного сырья Сибирского региона: дис. ... д-ра техн. наук: 05.18.04. - Кемерово, 2009. - 410 с.
5. Латышев В.П., Цирульникова Н.А. Стандартизация данных о теплофизических свойствах пищевых продуктов и материалов // Холодильная техника. - 1986. - № 4. - С. 4647.
Literatura
1. Korotkij I.A. Teplofizicheskie harakteristiki jagod oblepihi // Vestnik KrasGAU. - 2008. - № 2. -S. 287-290.
2. Korotkij I.A. Primenenie metoda dvuh temperaturno-vremennyh intervalov dlja
opredelenija teplofizicheskih harakteristik tverdyh, zhidkih i sypuchih materialov // Tehnika i tehnologija pishhevyh proizvodstv. - 2QQ9. -№ 2. - S. 37-41.
3. Korotkij I.A., Rasshhepkin A.N., Fedorov D.E. Podbor temperaturnyh rezhimov sublimacionnoj sushki jagod oblepihi // Gosudarstvo, akademicheskaja nauka i vysshaja shkola: sovremennoe sostojanie i tendencii razvitija: sb. nauch. st. - Ufa, 2Q16. - S. 141-144.
4. Korotkij I.A. Issledovanie i razrabotka tehnologij zamorazhivanija i nizkotemperaturnogo hranenija plodovo-jagodnogo syr'ja Sibirskogo regiona: dis. ... d-ra tehn. nauk: Q6.18.Q4. -Kemerovo, 2QQ9. - 41Q s.
б. Latyshev V.P., Cirul'nikova N.A. Standartizacija dannyh o teplofizicheskih svojstvah pishhevyh produktov i materialov // Holodil'naja tehnika. -1986. - № 4. - S. 46-47.
УДК 637.35.04 Е.А. Равнюшкин
МИКРОСТРУКТУРНЫЙ И ПОРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЯГКИХ СЫРОВ
E.A. Ravnyushkin
MICRO STRUCTURAL AND POROMETRIC ANALYSIS OF SOFT CHEESES
Равнюшкин Е.А. - асп. каф. теплохладотехники Кемеровского технологического института пищевой промышленности (университета), г. Кемерово. E-mail: [email protected]
Ravnyushkin E.A. - Post-Graduate Student, Chair of Heating Ventilation and Air Conditioning, Kemerovo Technology Institute of Food Industry (University), Kemerovo. E-mail: [email protected]
Данная работа направлена на изучение микроструктуры мягких сыров и ее изменения после баровакуумной сушки. В качестве объектов исследования были выбраны следующие сыры: «Адыгейский», «Рокфор» и «Русский ка-мамбер». Представлены фотографии микроструктуры сыров, полученные с помощью электронно-сканирующего микроскопа до и после обезвоживания. Проанализировано расположение и размер отдельных компонентов сыра по полученным фотографиям. Установлены размеры жировых глобул, которые для свежего продукта составили: до 500 мкм у сы-
ра «Адыгейский», до 200 мкм у сыра «Рокфор» и до 250 мкм у сыра «Русский камамбер». Проанализировано влияние сушки на микроструктуру мягких сыров. Обнаружено, что наибольшим изменениям подвергается структура сыра «Русский камамбер». После обезвоживания у данного сыра структура становится хаотичной, образуется множество беспорядочно расположенных микропустот, жировые глобулы образуют крупные конгломераты без четко выделенных границ. Проведен поромет-рический анализ на анализаторе удельной поверхности и пористых систем, получена со-
