CC BY
3
УДК 664.8036:62 DOI 10.24411/0235-2486-2020-10135
Эффективность применения свЧ-энергии и автоклавных корзин с механической герметизацией банок для интенсификации тепловой стерилизации компота из груш для диетического питания
Р.А. Рахманова, соискатель
Дагестанский государственный университет народного хозяйства, г. махачкала М.Э. Ахмедов*, д-р техн. наук; А.Ф. Демирова, д-р техн. наук Федеральный аграрный научный центр республики Дагестан, г. махачкала
Дата поступления в редакцию 20.05.2020 Дата принятия в печать 28.10.2020
* akhmag49@mail.ru © Рахманова Р.А., Ахмедов М.Э., Демирова А.Ф., 2020
Реферат
В статье представлены результаты исследований ресурсосберегаемых технологий производства консервированных компотов из груш для диетического питания. Отмечено, что традиционная пастеризация консервов, осуществляемая в автоклавах, характеризуется множеством недостатков, в числе которых значительная продолжительность тепловых процессов, температурная неравномерность, значительные расходы теплоты и воды, а также сложность осуществления самого процесса из-за необходимости дополнительного создания и поддерживания определенного уровня противодавления в аппарате в процессе тепловой обработки. Предложен новый способ интенсификации процесса пастеризации компотов с использованием нагрева плодов в банках в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, что оказывает положительное влияние как на теплофизические характеристики, так и на микробиологические, снижая уровень их содержания и, следовательно, повышая эффект пастеризации. На основе предварительных лабораторных исследований и оценки получаемого эффекта изучена целесообразность применения для повышения температурного уровня продукта сверхвысокочастотного электромагнитного поля (СВЧ ЭМП). На этой основе разработаны ускоренные режимы пастеризации и предложена усовершенствованная технология производства грушевого компота с использованием двухступенчатого нагрева плодов и плодов, залитых сиропом до герметизации банок в ЭМП СВЧ. Для совершенствования процесса стерилизации предлагается применение автоклавной корзины новой конструкции, обеспечивающей возможность тепловой стерилизации в аппаратах открытого типа без создания противодавления.
Ключевые слова
стерилизация, пастеризация, компот, режим стерилизации, СВЧ-нагрев, качество, продолжительность Для цитирования
Рахманова Р.А., Ахмедов М.Э., Демирова А.Ф. (2020) Эффективность применения СВЧ-энергии и автоклавных корзин с механической герметизацией банок для интенсификации тепловой стерилизации компота из груш для диетического питания // Пищевая промышленность. 2020. № 11. С. 86-89.
The effectiveness of microwave energy and autoclave baskets with mechanical sealing of cans to intensify the thermal sterilization of pear compote for diet
R.A. Rakhmanova, applicant
Dagestan State University of National Economy, Makhachkala
M.E. Akhmedov*, Doctor of Technical Sciences; A.F. Demirova, Doctor of Technical Sciences Federal Agrarian Scientific Center of the Republic of Dagestan, Makhachkala
Received: May 20, 2020 * akhmag49@mail.ru
Accepted: October 28, 2020 © Rakhmanova R.A., M. Akhmedov, Demirova A.F., 2020
Abstract
The article presents the results of studies of resource-saving technologies for the production of canned stewed pears for diet food. It is noted that the traditional pasteurization of canned food carried out in autoclaves is characterized by many shortcomings, including a significant duration of thermal processes, temperature unevenness, significant heat and water consumption, as well as the complexity of the process due to the need for additional creation and maintenance of a certain level of backpressure in apparatus during heat treatment. A new method is proposed for intensifying the process of pasteurization of compotes using fruit heating in banks in an electromagnetic field of an ultrahigh frequency, which has a positive effect on thermophysical characteristics, as well as microbiological ones, reducing their level and, therefore, increasing the pasteurization effect. Based on preliminary laboratory studies and evaluation of the resulting effect, the feasibility of using a microwave electromagnetic field (microwave electromagnetic field) to increase the temperature level of a product has been studied. And on this basis, accelerated pasteurization modes have been developed and an improved technology for the production of pear compotes using two-stage heating of fruits and fruits drenched in syrup before sealing the cans in a microwave EMF has been proposed. To improve the implementation of the sterilization process, it is proposed to use an autoclave basket of a new design, which provides the possibility of thermal sterilization in open-type apparatuses without creating back pressure.
Key words
sterilization, pasteurization, compote, sterilization mode, microwave heating, quality, duration For citation
Rakhmanova R.A., M. Akhmedov, Demirova A.F. (2020) The effectiveness of microwave energy and autoclave baskets with mechanical sealing of cans to intensify the thermal sterilization of pear compote for diet // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost'. 2020. No. 11. P. 86-89.
86 11/2020 пищевая ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ISSN 0235-2486
Введение. Плоды груши являются ценным диетическим продуктом, так как в них в гармоничном сочетании содержатся жизненно важные компоненты: сахара, витамины, минеральные, пектиновые и ароматические вещества, а также клетчатка, максимальное сохранение которых в готовом продукте является важнейшей технологической и технической задачей.
Более 60 % сахаров в составе плодов груши составляет фруктоза, которая в основном и обеспечивает их диетические свойства [1].
Анализ технологического цикла производства консервированных компотов для диетического питания показывает, что наиболее существенными по влиянию на качество продукции, в части сохранения в ней максимального количества элементов нутриентного состава, являются такие процессы как бланширование -предварительная тепловая обработка плодов и пастеризация - заключительная тепловая обработка продукции [1, 2].
Стерилизация является одним из самых важных и энергоемких процессов при производстве консервированных продуктов, обеспечивающих микробиологическую безопасность консервов и оказывающих существенное влияние на их качество.
Эти обстоятельства, естественно, требуют изыскания методов для совершенствования технологий, способствующих выпуску качественной продукции и направленных на повышение конкурентоспособности, что также относится к наиболее важным задачам предприятий АПК.
Для реализации этих задач необходимо изыскать новые способы и методы совершенствования и интенсификации процесса пастеризации консервов, являющейся наиболее энергоемкой во всем технологическом цикле.
Пастеризация, осуществляемая по традиционным режимам [1], характеризуется рядом недостатков, к которым наряду с продолжительной термообработкой относятся также и значительные расходы теплоты и воды.
Анализ литературных материалов подтверждает [2, 3, 4, 5], что важными параметрами, влияющими на совершенствование теплообменных процессов, являются температура пастеризации, состояние банок при пастеризации и температурный уровень продукта до пастеризации [6, 7, 8, 9].
При этом наиболее важным параметром, в том числе подтвержденным уравнением тепловой инерции, представленным выражением (1), является уровень начальной температуры продукта.
Из уравнения видно, что с увеличением начальной температуры продукта ТН уменьшается время нагрева т [2].
Важно отметить, что увеличение температуры продукта оказывает положительное влияние наряду с теплофизической стороной процесса также и на микробиологическую, причем высокий температурный уровень продукта до пастеризации
снижает уровень микробной обсеменен-ности и, следовательно, будет способствовать повышению эффекта термообработки [2].
с учетом зависимости пастеризующего воздействия от температурного уровня и учитывая, что эффект этого влияния до 70 °С несущественен, этот этап нагрева целесообразнее сократить, что в целом будет способствовать снижению продолжительности процесса тепловой обработки.
Цель и задача исследований направлены на изучение возможности совершенствования технологии производства грушевого компота для диетического питания на основе интенсификации режимов стерилизации и процесса бланширования с использованием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) и автоклавной корзины новой конструкции с механической герметизацией банок в процессе тепловой обработки [9], тем самым обеспечивающей возможность тепловой обработки консервов в аппаратах открытого типа без создания противодавления.
При этом электромагнитное поле сверхвысокой частоты для предварительной тепловой обработки сырья непосредственно в банках применяется взамен бланширования в технологических жидкостях (вода, 0,1%-ные растворы виннокаменной или лимонной кислот), которое обеспечивает равноценный технологический эффект, что и бланширование в воде или растворах виннокаменной или лимонной кислот при температуре 80-85 °с в течение до 10 мин, но за короткое время и с максимальным сохранением нутриентного состава исходного сырья, а автоклавная корзина новой конструкции обеспечивает возможность тепловой обработки консервов в аппаратах открытого типа без создания противодавления.
Методы. Предварительный нагрев плодов в банках осуществляли в микроволновой печи модели МН 654S; для измерения температуры использовали хромель-копелевые термопары, подключенные к самопишущему потенциометру КСП-4, а режимы стерилизации исследовали на лабораторной установке для изучения теплообменных процессов при пастеризации консервируемой продукции.
Результаты. На основе предварительных экспериментальных результатов и их оценки подтверждена эффективность применения взамен традиционного технологического процесса - бланширования -СВЧ-бланшировки плодов, расфасованных в банки, которая одновременно обеспечивает и повышение температурного уровня продукта перед герметизацией банок и стерилизацией.
Пищевые продукты являются неидеальными электриками, которые с учетом их электрических свойств и при воздействии внешнего электрического поля могут стать проводниками, при этом на-
личие в них свободной воды и определяет их интенсивный нагрев в свЧ-поле.
Под действием СВЧ-поля происходит ориентация молекул, и под воздействием определенного сопротивления молекул и совершаемой при преодолении этого сопротивления работы, которая в итоге превращается в теплоту и обеспечивает процесс нагрева.
СВЧ-энергия имеет ряд существенных преимуществ, к которым в первую очередь можно отнести интенсивный, равномерный и объемный нагрев [3, 4, 5].
Вследствие этого нагрев продукта до нужного уровня температуры реализуется быстрее по сравнению с другими способами.
Поэтому для предварительной тепловой обработки - бланшировки, предусмотренной в технологии компотов, предназначенной для придания сырью определенной мягкости, эластичности, удаления из тканей сырья воздуха, а частично и для инактивации ферментов и подавления микрофлоры, осуществляемой контактным способом в различных технологических жидкостях, разработан и предложен способ обработки расфасованных в стеклобанки плодов СВЧ-энергией до укупоривания банок [3].
Применение такого способа предварительной тепловой обработки плодов позволяет наряду с достижением высокого качества продукции, обеспечиваемой исключением 20%-ных потерь биологически активных компонентов, имеющих место при традиционном способе предварительной тепловой обработки в технологических жидкостях, и экономию более 80 мДж теплоты на 1 тубу компота, расходуемой на осуществление традиционного способа бланшировки, после которой плоды подвергаются охлаждению в проточной воде.
При этом существенно сокращается и продолжительность режимов пастеризации, так как начальная температура продукта в зависимости от продолжительности СВЧ-обработки может иметь разные значения.
Графики нагрева и летальности режима компота грушевого диетического питания в литровой стеклобанке по традиционному режиму 25 - 35 - 25 показаны на рис. 1. 100
Продолжительность режима составляет 85 мин, при этом оценка достигаемого эффекта стерилизующего воздействия показывает, что он обеспечивает требуемый уровень промышленной стерильности, но имеет место объемная неравномерность, которая определяется степенью промышленной стерильности термообработки - Пст, вычисляемой отношением значения стерилизующего эффекта пристеночного и серединного слоев продукта в банке к требуемому его уровню (150-200 условных минут) [2], для данного режима составляет соответственно для пристеночного слоя Пст=300,4/ (150-200) =1,5 и для серединного слоя Пст=179,2/ (150200) = 1,0, что говорит о том, что продукт в периферийной зоне получает излиш-
Рис. 1. Графики нагрева (1, 2) и летальности (3, 4) в центре (1, 3) и у стенки банки 1-82-1000 (2, 4) при пастеризации компота грушевого для диетического питания по традиционному режиму
Рис. 2. Графики нагрева (1, 2) и летальности (3, 4) в центре (1, 3) и у стенки банки 1-82-1000 (2, 4) при пастеризации компота грушевого в автоклаве с предварительным нагревом плодов в ЭМП СВЧ
нюю 50%-ную тепловую нагрузку, что, естественно, ухудшает пищевую ценность компота.
Нами разработаны новые режимы пастеризации компота грушевого для диетического питания при разных начальных температурах, обеспечиваемых СВЧ-бланшировкой плодов в банках, некоторые из них, при 60 и 90 °С, приведены на рис. 2 и 3.
При этом, в отличие от традиционного режима, разрабатываемые режимы не содержат такого параметра процесса пастеризации, как противодавление, предназначенное для предотвращения срыва крышек с банок в процессе термообработки, так как возможный срыв крышек предотвращается механическим прижатием банок, обеспечиваемым новой конструкцией самой автоклавной корзины [10].
Графики нагрева и летальности режима компота грушевого для диетического питания в литровой стеклобанке с применением СВЧ-бланшировки плодов в банках и автоклавной корзины с механической геометизацией банок по режиму йо 15 " " ~5 показаны на рис. 2.
IDO
Графики нагрева и летальности режима компота грушевого диетического питания в литровой стеклобанке с применением СВЧ-бланшировки плодов в банках и автоклавной корзины с механической герметизацией банок по режиму 15 - 25 показаны на рис. 3. ' 100
Продолжительность режимов по данному методу сокращается соответственно на 15 мин при начальной температуре продукта 60 °С и на 45 мин при начальной температуре продукта 90 °С.
Оценка достигаемого эффекта стерилизующего воздействия показывает, что разработанные режимы термообработки обеспечивают требуемый уровень промышленной стерильности, в том числе обеспечивая и относительную равномерность температурного режима в пристеночной и серединной областях, которую можно объяснить высокой начальной температурой продукта перед термообработкой.
Степень промышленной стерильности термообработки -Пст - для разработанных режимов составляет соответственно 1,12 и 1,0, при начальной температуре 60 °С и 1,0 при начальном температурном уровне 90 °С, которые подтверждают относительную равномерность термообработки.
На этой основе предложена усовершенствованная тех-
Продолжительность, мин Рис. 3. Графики нагрева (1, 2) и летальности (3, 4) в центре (1, 3) и у стенки банки 1-82-1000 (2, 4) при пастеризации компота грушевого в автоклаве с предварительным нагревом плодов в ЭМП СВЧ
Рис. 4. Усовершенствованная технология грушевого компота для диетического питания с применением двухэтапного нагрева плодов в СВЧ-поле и нового режима пастеризации
88 11/2020 ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ISSN 0235-2486
2 3 4
Рис. 5. Содержание витамина С, мг% в исходном сырье и компотах, стерилизованных по разным режимам: 1 - в исходном сырье, 2 - по традиционному режиму, 3 - при начальной температуре продукта 60 °С, 4 - при начальной температуре 90 °С
нология производства компота грушевого для диетического питания по следующей схеме (рис. 4):
Для оценки пищевой ценности компота грушевого для диетического питания было определено содержание витамина С, мг% в исходном сырье и компотах, пастеризованных по разным режимам (рис. 5).
Обсуждение. По этой схеме (рис. 4) консервируемые плоды обрабатывали в СВЧ-устройстве [11], где с помощью магнетрона возбуждается электромагнитное поле частотой 2400±50 МГц после резки, очистки и фасовки. После воздействия СВЧ-энергии в банки заливали сироп температурой 98 °С, повторно подвергали СВЧ-нагреву, после герметизировали банки и стерилизовали в автоклавах по новым ускоренным режимам с применением автоклавных корзин новой конструкции, без создания противодавления в аппарате (рис. 2, 3).
Результаты доказывают, что данные методы предварительного одно- и двухступенчатого нагрева плодов в ЭМП СВЧ обеспечивают сокращение продолжительности режимов тепловой стерилизации, экономию тепловой энергии и повышение качества готовой продукции.
Предлагаемое техническое решение по СВЧ-нагреву плодов способствует увеличению температуры продукта более чем на 20...45 °С при одновременной экономии теплоты за счет предотвращения потерь теплоты на охлаждение сиропа, который варят при 100 °С, а по традиционной технологии заливают при 80 °С.
Для обеспечения возможности использования предлагаемых технических решений разработаны новые конструкции аппарата нагрева плодов в банках в ЭМП СВЧ [11] и автоклавной корзины с механической герметизацией банок при тепловой
обработке [10], которая обеспечивает возможность реализации пастеризации консервов без создания противодавления в аппарате, что существенно упрощает сам процесс и обеспечивает возможность экономии тепловой энергии и охлаждающей воды.
Заключение. Результаты исследований можно рекомендовать для использования на предприятиях перерабатывающей промышленности как обеспечивающие высокое качество продукции, экономию тепловой энергии и повышение производительности стери-лизационного оборудования.
Научные исследования выполнены при поддержке Гранта Главы Республики Дагестан 2019 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сборник технологических инструкций по производству консервов. - Пищевая промышленность. - 1977. - Т. 2.
2. Флауменбаум, Б.Л. Основы консервирования пищевых продуктов. - Легкая и пищевая промышленность. - 1972. - 260 с.
3. Ахмедов, М.Э. Способ консервирования компота из яблок/М.Э. Ахмедов, Т.А. Исмаи-лов. Патент РФ № 2318389- МПК А 23 L 3/00. Бюл. № 7, 2008.
4. Ахмедов, М.Э. Интенсификация технологии тепловой стерилизации консервов «Компот из яблок» с предварительным подогревом плодов в ЭМП СВЧ // Известия вузов. Пищевая технология. - 2008. - № 1. - С. 15-16.
5. Ахмедов, М.Э. Способ консервирования компота из груш и айвы/М.Э. Ахмедов, А.Ф. Демирова, М.М. Ахмедова. Патент РФ № 2545047. Бюл. № 9. 20.03.2015
6. Ахмедов, М.Э. Использование СВЧ-энергии для интенсификации тепловой стерилизации компотов/М.Э. Ахмедов, А.Ф. Демирова, М. М. Ахмедова // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2013. - № 5. - С. 20-22.
7. Касьянов, Г.И. Инновационная технология стерилизации плодового и овощного сы-рья./Г.И. Касьянов, А.Ф. Демирова, М.Э. Ахмедов // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2014. - № 6. -С. 57-59.
8. Касьянов Г.И. Перспективы обработки пищевого сырья электромагнитным полем низкой частоты // Известия вузов. Пищевая технология. - 2014. - № 1. - С. 35-38.
9. Ахмедов, М.Э. Автоклавная корзи-на/М.Э. Ахмедов, А.Ф. Демирова, Г.Д. Догеев [и др.] // Патент РФ на полезную модель № 183292. Опубл. 17.09.2018.
10. Ахмедов, М.Э. Аппарат для пастеризации плодовых консервов в электромагнитном поле сверхвысокой частоты/ М.Э. Ахмедов, Г.Д. Догеев, А.Ф. Демирова. Патент на полезную модель № 187602. 20.07.2018.
REFERENCES
1. Sbornik tekhnologicheskih instrukcij po proizvodstvu konservov [List of technological instructions for cans productions]. Pischevaya promyshlennost' [Food processing industry]. 1977. 431 р. (In Russ.)
2. Flaumenbaum BL. Osnovy konservirovaniya pishchevyh produktov [Basics of food canning]. Legkaya i pischevaya promyshlennost [Light and food industry]. 1972. 260 р. (In Russ.)
3. Akhmedov ME, Ismailov TA. Sposob konservirovaniya kompota iz yablok [Method of preserving compote from apples]. Russia patent RU 2318389 С2. 2008.
4. Akhmedov ME. Intensifikaciya tekhnologii teplovoj sterilizacii konservov «Kompot iz yablok» s predvaritel'nym podogrevom plodov v EMP SVCH [Intensification of the technology of thermal sterilization of canned food «Compote of apples» with pre-heating of fruits in the microwave EMF]. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya. 2008. No. 1. P. 15-16 (In Russ.).
5. Akhmedov ME, Demirova AF, Akhmedo-va MM. Sposob konservirovaniya kompota iz grush i ajvy [The method of preserving compote from pears and quinces]. Russia patent RU 2545047С2.2015.
6. Akhmedov ME, Demirova AF, Akhmedo-va MM. Ispol'zovanie SVCH-energii dlya intensifikacii teplovoj sterilizacii kompotov [The use of microwave energy to intensify the thermal sterilization of compotes]. Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya [Storage and processing of agricultural raw materials]. 2013. No 5. P. 20-23 (In Russ.).
7. Kas'yanov GI, Demirova AF, Akhmedov ME. Innovacionnaya tekhnologiya sterilizacii plodovogo i ovoshchnogo syr'ya [Innovative sterilization technology for fruit and vegetable raw materials]. Doklady Rossijskoj akademii sel'skohozyajstvennyh nauk [Reports of the Russian Academy of Agricultural Sciences]. 2014. No 6. P. 57-59 (In Russ.).
8. Kas'yanov GI. Perspektivy obrabotki pishchevogo syr'ya elektromagnitnym polem nizkoj chastity [Prospects for processing food raw materials with a low frequency electromagnetic field]. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya [University News. Food technology]. 2014. No 1. P. 35-38 (In Russ.).
9. Akhmedov ME, Demirova AF, Dogeev GD, Alibekova MM, Rakhmanova RA. Avtoklavnaya korzina [Autoclave basket]. Russian patent na poleznuyu model RU 183292 U1. 2018.
10. Akhmedov ME, Dogeev GD, Demirova AF, Alibekova MM, Rakhmanova RA. Apparat dlya pasterizacii plodovyh konservov v elektromagnitnom pole sverhvysokoj chastity [Apparatus for pasteurization of canned fruit in an ultra-high frequency electromagnetic field]. Russian patent na poleznuyu model RU 187602 U1.2018.
Авторы
Рахманова Регина Арметовна, соискатель
Дагестанский государственный университет народного хозяйства, 367008, г. Махачкала, ул. Джамалутдина Атаева, д. 5, armet1975@mai1.ru Ахмедов Магомед Эмиинович, д-р техн. наук, Демирова Амият Фейзудиновна, д-р техн. наук
Федеральный аграрный научный центр Республики Дагестан, 367008, г. Махачкала, пр-т Акушинского, научный городок, akhmag49@mai1.ru, uma.demirova@mai1.ru
Authors
Regina A. Rakhmanova, applicant
Dagestan State University of National Economy, 5, Jamalutdin Ataev str., Makhachkala, 367008, armet1975@mai1.ru Magomed E. Akhmedov, Doctor of Technical Sciences, Amiyat F. Demirova, Doctor of Technical Sciences
Federal Agrarian Scientific Center of the Republic of Dagestan, Scientific Town, Akushinskiy avenue, Makhachkala, 367008, akhmag49@mai1.ru, uma.demirova@mai1.ru
