CC BY
9
1Т ТЕХНОЛОГИИ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
= ТЕМА НОМЕРА
УДК 681.3
Информационная технология управления
процессом тепловой обработки мясопродуктов
Ключевые слова: мясные изделия; мясопродукты; тепловая обработка; информационная технология управления.
Г.В. Семенов, д-р техн. наук, М.А. Беляева, канд. техн. наук, доц. Московский государственный университет прикладной биотехнологии
Изменение социально-политического устройства России и других стран СНГ вызвало реформирование рыночных хозяйственных отношений и развития предпринимательской активности населения, особенно в производстве продуктов питания, при этом стихийно развивается широкая сеть мелких предприятий по кулинарной обработке продуктов с использованием мясного сырья. Эти мясные изделия часто отличаются низким качеством технологии приготовления, антисанитарией, что серьезно подрывает отношение населения к таким точкам питания и дискредитирует их как вид предпринимательской деятельности. Попытки государственного контроля над их деятельностью неэффективны из-за отсутствия системных требований к сертификации, а также научно-практических регламентов по технологии производства продуктов высокого качества и соответствующего аппаратного оформления. Можно утверждать, что рынок «фастфуда» имеет хорошие перспективы и значительный потенциал роста, его объем только в Москве сегодня превышает 40 млн долл. США в месяц (более 480 млн долл. США в год).
Один из основных способов производства мясных изделий - термическая обработка сырья животного происхождения в различных композициях с растительными и минеральными компонентами путем теплового воздействия в различных греющих средах и условиях теплоподвода (варка, обжарка и т.п.). С 50-х годов прошлого века интенсивно разрабатываются электрофизические методы тепловой обработки пищевых продуктов с использованием различных энергетических полей. В технологии производства продуктов питания эффективно используются микроволновые печи камерного типа с режимами СВЧ-на-грева, комбинированные с СВЧ-и последующей ИК-обработкой, режимы «Гриль», при которых продукты подвергают воздействию инфракрасного облучения.
Э Го д2(Х,Го)
= (1 + Е Ко Рп 1м)-
_ Г_ дТ(Х,Го)
дХ2 ди
- е Ко Ьк ■
д2Ц(Х,Го) Г_ дЦ(Х,Го) дХ2 + .V' дХ
(1)
Го = -
Я2
критерий Фурье;
Ко -
гАи _ гстА<2
сё А1 Коссовича;
сёА1
Рп =
5АГ а'тр0АТ
В связи с этим дальнейшее развитие таких электрофизических методов, как электротермия (ВЧ и СВЧ, инфракрасный нагрев, электростатическое поле, ультразвук, импульсная техника) для интенсификации процессов теплообмена и совершенствования аппаратов, в которых осуществляется тепловая обработка, по-прежнему социально значимо и актуально.
Разработана информационная технология управления процессом тепловой обработки мясопродуктов, с применением современных программных средств, позволяющих отслеживать и контролировать основные параметры процесса на основе оптимизации технологических регламентов с максимальным сохранением пищевой и биологической ценности.
Процесс тепловой обработки можно описать системой дифференциальных уравнений тепломассопереноса (1) для обобщенных переменных в критериальной форме при любых условиях: Э Т(Х,Го)
д и
Поснова;
р„а„, АС/
критерии
критерии Лыкова.
Тепловую обработку полуфабриката из говяжьей вырезки, нарезанной тонким куском, например таких, как мясные натуральные, продукт можно считать частью бесконечной пластины. В этом случае коэффициент Г=0 и дифференциальные уравнения (1) принимают вид: для переноса тепла дТ(Х, Го)
д Го = (1 + Б Ко Рп ¿и)
Л /1.\ ./•<■)
дХ
(2)
- еКО¿и
д2Ц(Х,Го) дХ2 ;
для переноса влаги
ди{Х,Го) , д2и(Х, Го)
-= ш--;--
Э Го дХ2
д2Т(Х,Го)
- 1иРп-
(3)
ЭА'2
при граничных условиях: для теплопереноса
дТ(\,Го)
дХ
- + А7, Го-
-(1-е) Ьи Ко К1т (Го) = 0 - для влагопереноса:
ди(ЬГо) + рп дТЦГо)
(4)
дХ
,
(/„-(7
где
А7„, =,
и-г
дх
массообменный
гдеТ = —- безразмерная координата ; т = (/?-/*)/Дг* ~ безразмерная температура; и = {Ь'* -I')/Аи* ~ безразмерное влагосодержание; е - критерий фазового перехода;
критерий Кирпичева; Кд - теплооб-менный критерий Кирпичева;
Г 1Г О _ £ ^ ''
ге-г Кот-- - критерий
Федорова.
Если считать изменение температуры и влаги одинаковым, то при Х=0
критерий
дт(о,го) _ ди(0,го)
дх
дх
= о
(5)
и начальных условиях:
IT TECHNOLOGIES IN FOOD INDUSTRY
Изменение массовых долей ингредиентов биологической ценности (фрагмент)
Аналитическое решение уравнений (2), (3) при условиях (4) - (6) представляется сложными выражениями с разложением в ряд с громоздкими коэффициентами и многостадийными вычислениями, что делают их практически неприемлемыми для вычисления тепловых и влажностных полей и определения оптимальных технологических режимов.
Для численного решения задачи необходимо знать параметры внутреннего переноса энергии и вещества, критерии внутреннего переноса тепла и влаги, суммарный критерий фазового перехода. Считая образец полубесконечным тонким стержнем, (0 <х <<х>) и (6< I) для одномерной задачи получить численное решение критериальных уравнений:
^х +ЕКож+щы>т
Э^о Э^2 дFo
Э U dFo
d2U д N2
+ Рп
д2Т
м1
Lu
(7)
где Ы- параметр толщины образца (безразмерная величина); Т- относительная безразмерная температура. Критериальные уравнения (7) приведены в параметрический вид:
dt е г dU ш
— = aV't +-.-+-
dx с dt р с
— = a„,V2U+am8V2t dx "'
(8)
Аминокислоты, г/100 г белка Математические описания
Треонин Ma = 0,48 - 0,09t - 0,001t2 i i
Серин Ma = 2,205 - 0,066t. + 0,001t2.. i j
Глутаминовая кислота Ma = -11,178 + 1,212t - 0,014t2 j' j
Жирные кислоты, %
Пальмитолеиновая Mq = 7,843 - 0,144 . + 0,002t2. j ' j
Гептадеценовая Mq = 1,974 - 0,107.. + 0,001t2. j ' j
Олеиновая Mq = 36,945 - 0,175 . + 0,005t2. i ' j
Линолевая Mq = 26,706 - 0,874 . + 0,01t2..
Гадолеиновая Mq = 2,307 - 0,069 + 0,001t2. j ' j
Эйкозендиеновая Mq = 1,184 - 0,058 + 0,001t2. ' ' il' il
Витамины, мг %
Рибофлавин (витамин В2) Mv = 2,076 + 0,00207t. - 0,005t2 ij ij
Тиамин (витамин В1) Mv = 0,515 - 0,0066t . - 0,003t2. ij ij
Пиридоксин (витамин В6) Mv = 0,791 - 0,0088t. - 0,00002t2. ij ij
(9)
где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2; X - коэффициент теплопроводности, Вт/м; для массообмена
где t- температура продукта, °К; и - влагосодержание, %; т - время, сек; а, ат - коэффициенты температуропроводности и влагопроницаемости, м2/с; с - удельная теплоемкость продукта, Дж/кг-Т; е - критерий фазового перехода «жидкость-пар»; гп -удельная теплота парообразования, Дж/кг; р - плотность вещества продукта, кг/м3; ш -мощность объемного, равномерно распределенного источника тепла,Вт; 8 - коэффициент термодиффузии, кг/°К.
Таким образом без упрощений с заданной точностью можно исследовать процесс тепловой обработки мясопродуктов с помощью конечно-разностной имитационной модели тепломассооб-менного процесса в цилиндрических координатах [ 1 ].
Граничные условия на боковой и торцевой поверхностях продукта цилиндрической формы для симметричного нагрева записываются условиями третьего и второго рода, для одной четверти осевого сечения цилиндра в конечно-разностной форме: для теплообмена
,а„Л » , /,
,а,/' i N /,<*„
а„й
17
а „А
К
;
- + 1);/ = 1,и-1 (10),
где аи , \ц - коэффициенты влагоотдачи и влагопроводности.
Вместе с изменениями влажности и температуры нагрева продукта происходят массообменные процессы, связанные с изменениями массовых долей биологических компонентов: ами-но - и жирных кислот, витаминов, белковых и липидных фракций. В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии массовых долей компонентов пищевой и биологической ценности от температуры в виде степенных полиномов, фрагмент представлен в таблице.
Объединением уравнения тепломас-сопереноса с уравнениями регрессии получена обобщенная модель процесса тепловой обработки и разработаны на ее основе алгоритмы оптимизации по критериям минимизации потерь пищевой и биологической ценности продукта [1, 2, 3].
Разработан программный комплекс, модули компьютерной системы функционируют в средах Windows 95/NT/ 98/МЕ/2000/ХР/2003,2007, для вывода результатов вычислений на экран были использованы элементы MSFlexGrid c применением приложения Microsoft excel языка программирования VBA, графической среды LabVIEW, интерфейсы написаны в Delphi, основные процедуры - в Object Pascal [1,2,3]
Таким образом, информационные технологии оптимального проектирования процесса тепловой обработки мясопродуктов позволяют автоматизировать и визуализировать процесс, проводить процесс в заданном технологическом интервале нагрева и получать продукты требуемого качества.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беляева М.А. Моделирование и оптимизация управления качеством мясных изделий в процессе тепловой обработки. - М.: ООО «Франтера», 2006.
2. Беляева М.А. Интеллектуальные системы моделирования и оптимизации тепловых процессов/Труды III международной научно-технической конференции AIS'07 CAD-2007, т. 3. -М.: Физматлит, 2007, с. 9 - 20.
3. Беляева М.А., Ивашкин Ю.А., Лукьянов А. Моделирование тепломассо-обменных процессов в прикладной биотехнологии/Материалы Третьей Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008». М. - Тамбов, 2008, с. 113-118.
