CC BY
28
УДК 637.1/.3:664.8.047(045)
иерархическая структура анализа процесса сушки кисломолочных продуктов
М.А. Беляева, д-р техн. наук, профессор; С.А. Малази российский экономический университет имени Г.в. Плеханова, москва
Реферат
В статье представлена разработанная иерархическая структура процесса сушки кисломолочных продуктов при ИК-энергоподводе, рассмотрены принципы моделирования процессов тепломассообмена и динамики изменения биологических компонентов; дальнейшая интенсификация процесса сушки с многоуровневой иерархической структурой связей между элементами и явлениями различной физической природы определяется спецификой и полнотой описания состояния и взаимодействия физических и биологических сред на разных уровнях анализа, начиная от компонентов биологического состояния и пищевой ценности продукта до функционирования и взаимодействия технологических элементов и аппаратов ИК-сушки; предлагаемая иерархическая структура исследования процесса сушки, состоящая из семи взаимосвязанных уровней, определяет все многообразие задач системного анализа физических явлений и процессов в условиях ИК-облучения при различных возмущениях и аппаратурном оформлении; проведено вербальное описание физико-химических, биохимических и тепломассообменных изменений на различных уровнях анализа иерархической структуры процесса сушки кисломолочных продуктов; на основе вербального моделирования процесса сушки определены функции цели на всех уровнях иерархии; формализация физико-химических, биохимических и тепломассообменных изменений на различных уровнях иерархической структуры анализа процесса сушки показывает принципиальную возможность математического описания биохимических изменений под воздействием тепла, начиная с молекулярного уровня и заканчивая теплообменом в рабочей камере среды, что дает возможность разработать проектные и конструктивные решения по созданию сушильного аппарата; методология системного анализа предполагает декомпозицию, параметрическое описание и моделирование технологических элементов процесса и системы в целом на разных уровнях исследования в различных постановках с обобщением и формализацией параметров состояния и функциональных связей между ними, влияющими на глобальный критерий оптимальности технологической системы.
Ключевые слова
иерархическая структура анализа процесса; инфракрасная сушка; кисломолочные продукты; моделирование процесса; пищевая ценность
Цитирование
Беляева М.А., Малази С.А. (2019) Иерархическая структура анализа процесса сушки кисломолочных продуктов // Пищевая промышленность. 2019. № 1. С. 24-27.
Hierarchical structure of the analysis of the drying process of dairy products
M.A. Belyaeva, Doctor of Technical Sciences, Professor; S.A. Malazi Russian economic university after Plekhanov, Moscow
Abstracts
The article discusses the physical model and driving forces of the process of drying dairy products with IR - energy supply, outlines the principles for modeling the processes of heat and mass transfer and the dynamics of the state of biological components, further intensification of the drying process of bio-raw materials and bioproducts with a multi-level hierarchical structure of relations between elements and phenomena of different physical nature is determined by the specific and complete description of the state and interaction of physical and biological media at different levels of analysis from the ingredients of the biological state and nutritional value of the product to the functioning and interaction of technological elements and processing equipment, The proposed hierarchical structure of the research of the drying process, consisting of seven interrelated levels, determines the whole variety of problems of the system analysis of physical phenomena under the conditions of IR-irradiation with various disturbances and the hardware design of the process, a verbal modeling of the drying process was carried out and goal functions were determined at all levels of the hierarchy, the formalization of physicochemical, biochemical, and heat and mass exchange transformations at different levels of the hierarchical structure of the analysis of the drying process shows the fundamental possibility of a mathematical description of biochemical transformations under the influence of heat, starting from the molecular level and ending with heat exchange in the working chamber of the medium. The system analysis methodology involves decomposition, parametric description and modeling of technological elements of the process and the system as a whole at different levels of research in various statements with generalization and formalization of state parameters and functional relationships between them, affecting the global optimality criterion of the technological system.
Key words
dairy products; hierarchical structure of process analysis; infrared drying; nutritional value; process modeling
24 пищевая ПРОМЫШЛЕННОСТЬ 1/2019
Citation
Belyaeva M.A., Malazi S.A. (2019) Hierarchical structure of the analysis of the drying process of dairy products // Food processing industry = Pisshevaya promyshlennost. 2019. № 1. P. 24-27.
Анализ технологического процесса производства молочных продуктов позволяет разработать иерархическую структуру сушки молочных продуктов, выявляющей различные эффекты взаимодействия элементов и подсистем технологической системы, ее чувствительность к различным возмущениям и возможности управления качеством продукции на разных технологических этапах.
Предлагаемая иерархическая структура исследований и формализованного описания процессов инфракрасной сушки кисломолочных продуктов включает семь взаимосвязанных и соподчиненных уровней. Вербальное описание процессов на всех уровнях [1, 2, 3]:
Первый уровень составляют изменения, происходящие с фосфолипидами, стеринами, летучими жирными кислотами, свободными амино-и жирными кислотами, витаминами, минеральными веществами в процессе сушки, изменение энергии связи молекул и их массовых долей, реакция меланоидинообразова-ния, экзо- и эндотермические эффекты, деструкция; распад белка, в результате чего пептиды, полипептиды распадаются на аминокислоты, вода, сульфгидрильные и кислотные группы, повышение степени дисперсности жировой фазы; возможность частичной дестабилизации жировой фазы и появления свободного жира, происходит частичный гидролиз триацилгли-церинов молочного жира с накоплением летучих жирных кислот, углеводов; изменение фазового состояния, частичный переход в кристаллическое состояние, взаимодействие свободных аминокислот с лактозой, частичная реакция Майара, увеличение концентрации лактозы, переход в насыщенное состояние, переход части кристаллической лактозы в аморфное состояние.
Второй уровень иерархии представляют биохимические процессы, а также химические превращения: третья стадия денатурации белков (нарушение или изменение стабилизирующих сил в нативной структуре), переход белковых фракций в полипептиды и пептиды, плавление липидов, свободный жир находится или на поверхности частицы сухого продукта, или во внутренних капиллярах. Часть белков и свободных аминокислот вступает во взаимодействие с лактозой, происходит частичная реакция майара.
Данный уровень характеризуется фракционными изменениями и денатурацией белков: казеин, соединительные полипептиды и кальций, казеина р, к и к-казеина), сывороточные белки- иммуноглобулины, сывороточный альбумин, р-лактоглобулин. а-лактальбумин,
термостабильный белок, гидролитическими и окислительными процессами с фракционными изменениями липидов в жире; все компоненты продукта взаимодействуют между собой, формируя вкусовые качества продукта и, придавая ему, своеобразный вкус и запах, консистенцию и цвет.
Конечными продуктами распада являются аминокислоты, моноглицериды жирных кислот, а при сушке продукты распада проходят взаимопревращения в несколько этапов - реакция меланоиди-нообразования (Майара) - вкусо- и аро-матообразования [4, 5].
По своему аминокислотному составу, строению, физико-химическим свойствам и биологическим функциям, состояние белков определенным образом влияет на консистенцию продукта, водоудержи-вающую способность, эмульгирующие и адгезионные свойства, цвет, вкус, запах и консистенцию продукта и другие качественные показатели.
Третий уровень иерархии описывает процессы и явления при сушке, происходящие в структурных элементах творожного сгустка кисломолочного продукта, а именно: влага смачивания, находящаяся на поверхности творожных зерен и макропорах; механически связанная влага в макро капиллярах; осмотически удерживаемая влага в сетке геля; адсорбционно связанная влага удерживается молекулярным силовым полем на поверхности раздела фаз (коллоидных частиц с окружающей средой), жир (в виде включений, равномерно распределенных внутри частиц), казеин или пара-казеин (хлопьевидная масса) находится в очень неустойчивом физическом состоянии, сывороточные белки, ферменты, молочные закваски Lactococcus lactis subsp. cremoris (biovar diacetylactis), Lactococcus lactis subsp. lactis Streptococcus thermophilus, углевод (лактоза). Биохимические, физико-химические, микробиологические, тепло-массообменные процессы описываются на уровне объекта исследования- это творожный сгусток кисломолочного продукта: изменение конформации структуры белка- переход из третичной структуры в двоичную; разрушение водородных мостиков и ковалентных связей, приводящих к образованию белковых фракций, денатурация сывороточных белков и выпадение фосфата Са; изменения агрегирования, связывание свободной влаги, гидролиз, происходит изменение этого состояния, характеризующееся сжатием мицелл с выталкиванием жидкости, которая содержалась в них ранее; влага выделяется из зерна, просачиваясь через капилляры на его поверхности; сни-
жение водосвязывающей способности, обезвоживания поверхностных слоев, потери массы; изменение структурно-механических свойств (кажущаяся плотность рь, истинная плотность рр, пористость е); дробление жировых шариков; увеличение жировых шариков и свободного / дестабилизированного/жира; частичное контактирование жировых шариков между собой; частичное расположение молочного жира на внешней поверхности частиц и на поверхности капилляров внутри сухих частиц; изменение фазового состояния лактозы, переход части кристаллической лактозы в аморфное состояние (в аморфной лактозе преобладает р-форма, которая при дальнейшем процессе кристаллизации переходит в а-гидратную форму, аморфное состояние лактозы обуслов-ливает высокую гигроскопичность сухих молочных продуктов), взаимодействие свободных аминокислот с лактозой, частичная реакция майара, увеличение концентрация лактозы, переход в насыщенное состояние; инактивация ферментов, ослабление ферментативной активности; инактивация микроорганизмов [6-11].
Четвертый уровень - это явления и эффекты, имеющие место быть в процессе сушки в слоях кисломолочных продуктов. На данном уровне происходят биохимические, тепло-массообменные процессы (интенсивность теплоотдачи на границе, массоотдачи верхнего слоя в среду рабочей камеры, испарение влаги с поверхностных слоев, внутренний тепломассоперенос), фазовые процессы между частями продукта (между зерновыми творожными образованиями -между зерновыми шариками казеина), физико-химические процессы, разрушение физико-химических связей, теплообмен на уровне белка кисломолочного продукта, конформационные изменения структуры белка (соединительные полипептиды и кальций, казеина р, к и к-казеина),и на уровень иммуноглобулины, сывороточный альбумин и р-лактоглобулин. а-лактальбумин -термостабильный белок. Энергия ИК-излучения падает на поверхность продукта, иК-лучи поглощаются органическими частицами на дискретных частотах, соответствующих внутримолекулярным переходам между уровнями энергии, затем продукт уравновешивается температурой влажного термометра воздуха, путем испарения поверхностной влаги, удаляется влага, из макро - и микрокапилляров и адсорбционная (скорость процесса сушки численно равна скорости испарения влаги, процесс может быть смоделирован с использованием уравнения:
(1)
где Т - время сушки, М - содержание влаги в продукте, т— масса сухого вещества образца (кг), и другие символы являются такими, как определено для уравнения температуры влажного термометра, сухие пятна начинают появляться на поверхности при критическом содержании влаги М, так что продукт больше не ведет себя как свободная водная поверхность, а диффузия влаги внутри продукта начинает ограничивать потерю влаги на поверхности. Поверхность сушки больше не имеет несвязанной воды, удаление влаги ограничивается диффузией изнутри продукта:
¿Т V ' ¿V2
(2)
процесс описывается законом диффузии (Fick's law) [5], содержание влаги M, функция положения х, время T. Изменение содержания влаги в продукте вызывает градиенты влажности, приводящие к перемещению влаги. Постоянная D называется диффузионной массой продукта и является мерой того, насколько быстро будет распространяться влажность через различные материалы, на диффузию влияет температура,.
Во время сушки можно наблюдать значительные изменения структурных свойств, в качестве объяснения наблюдаемых изменений структурных свойств во время сушки можно предположить, что на ранних стадиях сушки творожные сгустки достаточно эластичны, чтобы усаживаться в пространство, оставшееся от испаренной влаги. По мере того как процесс сушки протекает, структурные изменения в кисломолочных продуктах приводят к более жесткой сети, что способствует развитию пористости.
Такое поведение явно зависит от различных факторов, которые определяют структурные свойства высушенного продукта [9-12].
Пятый уровень составляют процессы, протекающие при сушке в продукте, биохимические процессы, теплообменные (излучение, теплопроводность), массообменные (испарение, конденсация, диффузия, мас-соперенос), фазовые процессы (твердая -жидкая - газообразная (пар), объемно-физические превращения, структурно-механические свойства, реологические.
Во время ИК-сушки одновременно происходят поглощение тепла продуктом путем преобразования ИК-излучения в тепло; отдача тепла и испарение влаги с поверхности в окружающую среду [1].
Математическая модель процесса ИК-сушки основана на следующих предположениях: образец высушенного материала рассматривается как частица, в которой теплопроводность является одномерной; объемное поглощение ИК-излучения
внутри образца пренебрегается из-за унификации поглощающих микрообластей в одной общей площади, перпендикулярной направлению излучения; воздух между продуктом и ИК-излучателями полностью прозрачен для излучения из-за плохого содержания водяного пара, который поглощает иК-излучение; излучение (теплота), испускаемое высушенным продуктом, абсолютно поглощается окружающей средой; массоперенос является одномерным (от высушенной поверхности до воздуха) и регулируется диффузией, испарение влаги происходит на всей внешней поверхности материала и зависит от содержания влаги в образце, от поглощения инфракрасного тепла и от свойств конвекции между продуктом и окружающей средой; распределение влажности и температуры внутри образца равномерны; скорость сушки воздуха постоянна и ее распределение равномерное; высушенный продукт представляют собой усадочные частицы; передача тепла между высушенными частицами (и возможной контактной диффузией) незначительна. На рис. 1 показано распределение поглощенного теплового потока, потери проводимости (Qcand), конвективные потери тепла (Qmnv), радиационный теплообмен в окружающую среду (QA), испарение влаги №ь ), QE - тепловой поток излучением в окружающую среду, Та - температура воздуха, Тт1 - температура верхней поверхности образца, Тт2 - температура нижней поверхности образца.
Потеря воды, возникающая во время сушки, приводит к существенным структурным изменениям в материале, которые приводят к текстурированию кисломолочного продукта на микроструктурном уровне; уменьшению размера творожного сгустка, что обычно определяется как явление усадки; увеличению пористости продукта, пористость непосредственно зависит от исходного содержания воды; увеличению объемной плотности; изменению текстуры, текстура сухого творога зависит от процессов сушки, состава и структуры казеина. интенсивная сушка приводит к деформации или растрескиванию, что приводит к жесткой консистенции, увеличению объема и образованию корочки на поверхности. Медленная скорость сушки приводят к однородности структуры и уплотнению продукта с уменьшенной скоростью повторной гидратации [1, 13].
Шестой уровень характеризует нагревательные инфракрасные элементы, конструкцию шкафа и опытный образец, в основе положен процесс тепломассообмена между образцом и нагревательными элементами конструкций.
Седьмой уровень описывает процесс сушки в технологической среде: взаимосвязь между продуктом как гетерогенной биосистемы, аппаратом
и воздушной средой камеры. Рассматривая явления и эффекты этого уровня, можно зафиксировать реальную динами—ческую обстановку в аппарате и проанализировать теплообмен внутри камеры.
Системный анализ предполагает формализацию описаний процессов от макро- до микроуровней и интеграцию их в математическую модель технологической системы для определения оптимальных режимов ее работы.
Основой иерархической структуры системного анализа является процессы теплообмена в камере и в облучаемом продукте, вербальное моделирование процессов между элементами продукта (зерновыми творожными образованиями и зерновыми шариками казеина), на микро- и макромолекулярном уровнях. Макроуровень описывает технологическую среду и содержит модели состояния окружающей среды рабочей камеры, конструктивных элементов и динамики. При этом модели вышестоящего уровня раскрывают порядок взаимодействия элементов смежного нижестоящего уровня, и поведение каждого элемента подсистем может быть смоделировано как дискретные переходы из одного состояния в другое. Рис. 2 отражает входные параметры и выходные целевые функции перехода на вышестоящий уровень:
2(1+1), Y(l+1), х(|+"- ьй параметр входа, выхода и состояния уровня
Превалирующее влияние на энергоемкость процесса и качество готового продукта, его пищевую и биологическую ценность, органолептические свойства и т. п. оказывают процессы первого, второго, шестого и седьмого уровней декомпозиции.
Представленная декомпозиция процессов позволяет эффективно организовать параллельно-последовательное выполнение этапов исследования с нисходящей стратегией качественного и количественного анализа процессов сушки на разных уровнях и восходящего синтеза разработки технологической системы и аппаратурного оформления процесса в условиях
Рис. 1. Распределение поглощенного теплового потока
26 ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ 1/2019
Рис. 2. Структурная схема многоуровневого параметрического описания процесса на трех смежных, и уровнях
ИК-облучения и других существующих способах нагрева [1-3].
Разработанная иерархическая структура исследования технологического процесса сушки, состоящая из семи взаимосвязанных уровней, определяет все многообразие задач системного анализа процессов в условиях ИК-облучения, а также определяет нисходящую стратегию качественного и количественного анализа процесса сушки молочных продуктов и восходящий синтез эффективного ап—паратурного оформления процесса инфракрасной сушки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ивашкин, Ю.А. Системный анализ и исследование операций в прикладной биотехнологии. - М.: МГУПБ, 2005. - 200 с.
2. Беляева, М.А. Системный анализ технологий и бизнес-процессов в мясном произ-водстве/М.А. Беляева. - М.: изд-во РЭУ им. Г.В. Плеханова, 2017. - 386 с.
3. Беляева, М.А. Многокритериальная оптимизация тепловой обработки мясных полуфабрикатов с использованием современных электрофизических методов нагрева/М.А. Беляева. - М.: Русайнс. - 244 с.
4. Daud, W. R. W. (2014). Drum dry-ers/W.R. W. Daud. - Handbook of Industrial Drying. - New York: Marcel Dekker, 2014. - 249-257 p.
5. Enriquez-Fernandez, B. E. Physical properties of concentrated milk and its influence on powder milk characteristics and spray dryer design parameters/B.E. Enriquez-Fernandez [et al.] // Journal of Food Process Engineering. - 2013. - P. 87-94.
6. Sadek, C. Buckling and collapse during drying of a single aqueous dispersion of casein micelle
droplet/C. Sadek [et aL] // Food Hydrocolloids. -2016. - № 52. - P. 161-166.
7. Mujumdar, A.S. Fundamental principles of drying/A.S. Mujumdar, S. Devahastin. - Guide to Industrial Drying - Principles, Equipments and New Developments. - Mumbai: Three S Colors Publications, 2008. - 1-21 p.
8. Boekei, M.A. Kinetic Modeling of Reactions in Food. Sections 5.4 and 5.5. Boca Raton: CRC Press, 2009
9. Krishnamurthy, K. Infrared heat in food processing, an overview/ K. Krishnamurthy [et al.] // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. - 2008. - № 7. P. 1-12.
10. Sadek, C. Mechanical properties of milk protein skin layers after drying: Understanding the mechanisms of particle formation from whey protein isolate and native phosphocaseinate/C. Sadek [et al.] // Food Hydrocolloids. - 2015. - № 48. - P. 8-16.
11. Fox, P.F. Production and Utilization of Milk/P.F. Fox [et al.] // Dairy Chemistry and Biochemistry. - Springer International Publishing: Switzerland, 2015. - vol. 1. - 1-19 p.
12. Fang, Y. Functionality of milk protein concentrate: Effect of temperature/Y. Fang [et al.] Biochemical Engineering Journal. - 2012. -№ 62. P. 101-105.
13. Atti, C. Infrared drying/C. Atti. - Handbook of Industrial Drying, 3rd ed., vol. 1: New York, 2007. - 423-437 p.
14. Беляева, М.А. Иерархическая структура процесса тепловой обра-ботки мясных изде-лий/М.А. Беляева // Хранение и переработка сельхозсырья. -2004. - № 2. - С. 21-22.
15. Singh, R. P. Dehydration/ R. P. Si ngh, D. R. Heldman. - Introduction to Food Engineering. - Elsevier Inc, 2014. - 675-708 p.
REFERENCES
1. Ivashkin, Ju.A. Sistemnyj analiz i issledo-vanie operacij v prikladnoj biotehnologii. - M.: MGUPB, 2005. - 200 s.
2. Beljaeva, M.A. Sistemnyj analiz teh-nologij i biznes-processov v mjasnom proiz-vodstve/M.A. Beljaeva. - M.: izd-vo RJeU im. G.V. Plehanova, 2017. - 386 s.
3. Beljaeva, M.A. Mnogokriterial'naja optimi-zacija teplovoj obrabotki mjasnyh polufabrikatov s ispol'zovaniem sovremennyh jelektrofizicheskih metodov nagreva/M.A. Beljaeva. - M.: Rusajns. -244 s.
4. Daud, W. R. W. (2014). Drum dry-ers/W.R. W. Daud. - Handbook of Industrial Drying. - New York: Marcel Dekker, 2014. - 249-257 p.
5. Enriquez-Fernandez, B.E. Physical properties of concentrated milk and its influence on powder milk characteristics and spray dryer design parameters/B.E. Enriquez-Fernandez [et al.] // Journal of Food Process Engineering. - 2013. -P. 87-94.
6. Sadek, C. Buckling and collapse during drying of a single aqueous dispersion of casein micelle droplet/C. Sadek [et al.] // Food Hydrocolloids. - 2016. - № 52. - P. 161166.
7. Mujumdar, A.S. Fundamental principles of drying/A.S. Mujumdar, S. Devahastin. - Guide to Industrial Drying - Principles, Equipments and New Developments. - Mumbai: Three S Colors Publications, 2008. - 1-21 p.
8. Boekel, M.A. Kinetic Modeling of Reactions in Food. Sections 5.4 and 5.5. Boca Raton: CRC Press, 2009
9. Krishnamurthy, K. Infrared heat in food processing, an overview/K. Krishnamurthy [et al.] // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. - 2008. - № 7. P. 1-12.
10. Sadek, C. Mechanical properties of milk protein skin layers after drying: Understanding the mechanisms of particle formation from whey protein isolate and native phosphocasein-ate/C. Sadek [et al.] // Food Hydrocolloids. -2015. - № 48. - P. 8-16.
11. Fox, P.F. Production and Utilization of Milk/P.F. Fox [et al.] // Dairy Chemistry and Biochemistry. - Springer International Publishing: Switzerland, 2015. - vol. 1. - 1-19 p.
12. Fang, Y. Functionality of milk protein concentrate: Effect of temperature/Y. Fang [et al.] Biochemical Engineering Journal. - 2012. -№ 62. P. 101-105.
13. Atti, C. Infrared drying/C. Atti. - Handbook of Industrial Drying, 3rd ed., vol. 1: New York, 2007. - 423-437 p.
14. Beljaeva, M. A. Ierarhicheskaja struk-tura processa teplovoj obra-botki mjasnyh izdelij/M.A. Beljaeva // Hranenie i pererabotka sel'hozsyrja. -2004. - № 2. - S. 21-22.
15. Singh, R. P. Dehydration/ R. P. Singh, D. R. Heldman. - Introduction to Food Engineering. - Elsevier Inc, 2014. - 675708 p.
Авторы Authors
Беляева Марина Александровна, д-р техн. наук, профессор, Belyaeva Marina Aieksandrovna, Doctor of Technical Sciences, Professor,
Малази Самуэль Али Malazi Samuehl Ali
Российский экономический университет имени Г. В. Плеханова, Russian economic university Plekhanov, 36, Stremyanny Lane, Moscow,
117997, Москва, Стремянный пер., д. 3б, Belyaevamar@mail.ru 117997, Belyaevamar@mail.ru
