CC BY
105
1500 rev/min, feed forage components 3.5 kg/s. To feed mixtures compression screw briquetting press is designed , the optimal parameters are the following: the length of the channel forming head 65 mm depth: 12.81 mm extrusion channels, the number of channels is 6 pressing; angular velocity of rotation of the screw 1 to 36,63, the angle of the pressing channel 55 degrees ... 74o, humidity of preformed mass weight is 36 ... 38% . Production tests technological line has shown that it can improve the nutritional value of diets for cattle to 16.4 k.ed., issued homogeneity of the feed mixture is 92 ... 94 %, and lower unevenness of the feed mixture issuing 8 ... 10 %.
Keywords: feeding mix, nutrients, sequential processing line, soya beans, germinator, sprouting conditions, compression, wafer crumbliness, power density, mix, precision of dosage.
УДК631; 633/635:613.26+664.8
ИНФРАКРАСНАЯ СУШКА САХАРОСОДЕРЖАЩИХ КОРНЕПЛОДОВ ДЛЯ ПИТАНИЯ БОЛЬНЫХ САХАРНЫМ ДИАБЕТОМ
И.В. АЛТУХОВ, кандидат технических наук, доцент
Иркутская ГСХА
E-mail: altukhigor@ yandex.ru
Резюме. Анализ современного состояния технологии применения ИК-нагрева в сельском хозяйстве показал, что оптимизация термической обработки пищевых продуктов с сохранением максимального содержания активно действующих веществ требует применения системного подхода к изучению причинных и функциональных взаимосвязей элек-тротехнологических и временных параметров ИК-обработки, влияющих на качественные показатели сахаросодержащих корнеплодов на всех этапах. Решение проблемы эффективного управления процессом ИК-сушки корнеплодов моркови, свеклы и топинамбура достигнуто путем теоретически полученной и экспериментально подтвержденной закономерности управления ИК-энергоподводом, позволяющей сократить время процесса влагоудаления на 16.20%. Применение импульсных керамических преобразователей излучения, работающих в режиме понижения уровня энергоподвода, в технологии сушки сахаросодержащих корнеплодов обеспечи-ваетуменьшение энергозатрат, по сравнению с нихромовыми излучателями, до 20,9%. Определены постоянные времени нагрева корнеплодов топинамбура и свеклы в зависимости от влагосодержания и геометрических размеров. Так, при начальном влагосодержании 80% и размерах 30x5x5 мм постоянная времени нагрева сырья из корнеплодов топинамбура составляет 130 с, свеклы - 113 с. Это позволяет на основе известных закономерностей провести согласование параметров излучения и продукта. Исследования на факультете биотехнологии и ветеринарной медицины ИрГСХА по кормлению мышей с аллоксановым диабетом продуктами высокой биологической активности на основе смеси из порошков топинамбура, свеклы и моркови показали, что при систематическом употреблении добавок уровень сахара в крови грызунов снижается.
Ключевые слова: сахаросодержащие корнеплоды, инфракрасная сушка, активно действующие вещества, методы нагрева.
В профилактике и комплексном лечении больных сахарным диабетом важное значение имеет фитотерапия, обладающая рядом преимуществ, по сравнению с синтетическими лекарственными препаратами. Одно из главных преимуществ такого лечения - возможность длительного применения без побочных действий.
Морковь, топинамбур и свекла - продукты, в которых содержание сахаров варьирует от 8 до 16%. В их сухом веществе величина этого показателя увели-
чивается в несколько раз. Причём такие сахара легко усваиваются организмом человека.
Сахаросодержащие корнеплоды при сушке инфракрасными лучами интенсивно прогреваются. После определенной критической точки это приводит к длительному воздействию высокой температуры, что вызывает ухудшение технологических свойств продукта. Значительный температурный градиент, направленный противоположно градиенту влагосодержания, замедляет перемещение влаги из внутренних слоев к поверхности, что также отрицательно влияет на его качество.
Отсюда возникает необходимость в прерывном облучении, то есть в сочетании нагрева с охлаждением [3]. При таком комбинированном методе сушки общий нагрев невелик, а период паузы используется не только для охлаждения, но и для удаления влаги. Так как испарение происходит в основном в поверхностных слоях, то в период паузы температура на поверхности тела резко падает и температурный градиент меняет свое направление (температура, как и влагосодержа-ние, внутри тела больше, чем на поверхности его). В этом случае температурный градиент не замедляет, а ускоряет подвод влаги к поверхности, в результате влагосодержание в центре тела в период паузы уменьшается.
Цель представленного этапа работы - определение рациональных режимов инфракрасной сушки в технологии получения продукта высокой биологической активности.
Условия, материалы и методы. Больший эффект можно получить от применения прерывного облучения с использованием импульсных керамических излучателей со снижающимся уровнем энергоподвода (рис. 1). Их использование позволяет сократить время процесса влагоудаления на 16.. .20% и снизить энергозатраты, по сравнению с нихромовыми излучателями, на 20,9%.
Источником первичного инфракрасного (ИК) излучения в таком нагревательном элементе служит обычная нихромовая спираль. Она находится в трубке, изготовленной из чистого кварцевого стекла с многослойным функциональным керамическим покрытием. С целью улучшения спектральных характеристик импульсного керамического преобразователя излучения они приближены к параметрам излучения абсолютно
ГІП-
^тах ^тіп
# -Т .и
тах н пред.доп"
Рисунок. Импульсно-прерывный метод управления с понижением уровня энергоподвода в каждом последующем цикле.
черного тела, что позволяет согласовать излучательную способность нагревательного элемента со спектром наибольшего поглощения энергии объекта сушки.
Это обеспечивает преобразование полного спектра ИК-излучения от нагревательного элемента в излучение очень узкого диапазона ближней области ИК спектра. При этом оно происходит в виде ряда импульсов длительностью 10...3000 мкс. Плотность излучения энергии в импульсе достигает 120.350 Вт/см2.
Эффект импульсного преобразования связан с циклическими энергетическими превращениями происходящими в системе. Отличительная особенность представляемых систем - наличие ионов й с переменной валентностью, причем основная матрица проявляет полупроводниковые свойства и формирует ширину спектрального пика импульса.
Так как система имеет определенный исходный энергетический потенциал, то при прохождении электрического тока она поглощает энергию всего ИК спектра, используя ее для активизации своей электронной структуры и повышения исходного энергетического состояния. При достижении уровня энергетического барьера (насыщения) происходит импульсный выброс энергии, после которого система возвращается в исходное состояние. Уровень энергии при этом соответствует излучаемому ИК-диапазону. Ширина спектрального пика такого импульса находится на уровне 1.2,5% от излучаемой длины волны, что обеспечивает высокий КПД процесса.
Другими словами, функциональное керамическое покрытие работает как своеобразный (в зависимости от количества той или иной стабилизирующей добавки) перестраиваемый по длине волны излучения лазерный источник. Абсорбируя тепловое излучение в ИК-диапазоне, керамика аккумулирует его, преобразует, а затем импульсно «выстреливает» достаточно узкополосное излучение в нужной области спектра.
При этом длина волны генерируемого ИК-излучения варьируется в диапазоне 1,7.58 мкм. Уникальное свойство получаемого таким образом ИК-излучения -возможность очень точного селективного воздействия непосредственно на молекулярные связи в любых веществах и различных агрегатных состояниях, поскольку в указанном спектральном диапазоне лежат частоты колебание всех межатомных и межмолекулярных связей. Например, благодаря высокой проникающей способности модулированного ИК-излучения достаточной мощности с соответствующей длинной волны органические и биоорганические молекулы диссоциируют, микроорганизмы, споры, грибки, а также вирусы разрушаются и уничтожаются. При этом скорость
передачи тепла в случае использования излучателей на основе функциональной керамики более чем в 30 раз выше, по сравнению с любым типом существующих сегодня нагревателей.
Для скрининга и детального изучения антидиабетических препаратов, созданных на основе высушенных с использованием ИК-излучателей корнеплодов, на факультете биотехнологии и ветеринарной медицины ИрГСХА были проведены эксперименты на половозрелых крысах-самцах с аллоксановым диабетом (модель инсулинзависимого сахарного диабета), в патогенезе которого ключевую роль играет прогрессирующая гибель р-клеток поджелудочной железы. были проведены. Оценку результатов осуществляли на основании регистрации потребления корма и воды, а также уровня глюкозы в крови.
Результаты и обсуждение. По мере удаления влаги уровень подводимой энергии необходимо снижать и поддерживать рабочую температуру, не превышающую предельно допустимых значений для того или иного вида растительного сырья. Время работы облучателя в первом цикле определяется из выражения:
(1)
где Тн - постоянная времени нагрева; ?тах - предельно допустимая температура для корнеплодов; У доп - предельно допустимая скорость нагрева для корнеплодов.
Наосновании изложенного мы выбрали закономерность регулирования ИК-энергоподвода в технологии сушки корнеплодов, которую можно представить в виде ряда Маклорена с показателем степени, учитывающим влагосодержание растения и постоянную времени нагрева:
[(-1)п~1-хп]
, х х2 х3 .
= 1-----------+--------------------+ ... + і
1! 2! 3!
п!
(2)
где х = Т/Тн - отношение времени цикла или его части к постоянной времени нагрева корнеплодов.
Постоянная времени нагрева определяется как время, в течение которого превышение температуры продукта достигло бы установившегося значения, если бы не было отдачи теплоты в окружающую среду (адиабатический процесс). Практически при наличии теплоотдачи за время равное постоянной времени нагрева превышение температуры продукта достигает значения, равного 0,632 от установившегося.
Для всех методов термообработки постоянная времени нагрева зависит от физических и геометрических характеристик высушиваемого сырья, а не от подводимой мощности и численно равна отношению теплоемкости тела к его теплоотдаче:
Т =
О
(3)
где С - теплоемкость продукта, Дж/0С; Qпр - теплоотдача продукта, Дж/°С-с.
Уравнение (3) можно представить в следующем виде:
Т =
Q
с-М a F
(4)
Таблица. Постоянная времени нагрева корнеплодов
где с - удельная теплоемкость продукта, Дж/кг-°С; М - масса продукта, кг; а - коэффициент теплообмена продукта, Дж/(м2-°С-с); F - площадь внешней поверхности продукта, м2.
Массу продукта можно представить как:
М = р-У, (5)
где р - плотность продукта, кг/м3; V - объем продукта, м3.
Тогда уравнение для постоянной времени нагрева будет иметь вид:
Тн = ^-~ (6)
а Г
Обозначим отношение V/Fпараметром а и запишем выражение для постоянной времени нагрева так:
Тн=^-а. (7)
а
По своей сути а представляет собой обобщенный показатель геометрической характеристики продукта.
Форма части корнеплодов, нарезанных на промышленной овощерезке, имеет вид прямоугольного параллелепипеда длиной 25.40-10-3 м, шириной 3. 6 -10-3 м и толщиной 3.6 -10-3 м, при этом V будет равно 2,25.14,4 -1°-7 м, F - 3,18.10,32 -1°-4 м, V/F - 0,7... 2,6 -10-3 м.
На основании этих данных мы рассчитали постоянную времени нагрева для корнеплодов в зависимости от их влажности (см. табл.).
Результаты проверки эффективности добавки, изготовленной из высушенных с использованием ИК-излучателей корнеплодов, показали, что уровень глюкозы в крови крыс на 3 день после ведения аллоксана достоверно превосходил величину этого показателя у интактных особей в 3,2 раза, в моче - в 5,7 раз. В течение последующих дней наблюдений количество сахара в крови животных этой группы оставалось стабильно высоким (15,9 ммоль/л), практически не изменяясь (±0,38 ммоль/л) на 7 день исследования и достигая максимального значения на 28 день (16,5 ммоль/л). Введение в рацион здоровых животных
Материал Постоянная времени нагрева (Т ), с
Морковь 10 56...262"
2O 61...281
3O 68...313
4O 74...344
5O 82...378
6O 89...412
7O 98...452
SO 118...547
Топинамбур 1O 73...316
2O 81...352
3O 89...387
4O 97...422
5O 105...457
6O 114...492
7O 122...527
SO 130...562
Свекла 1O 52...190
2O 61...222
3O 69...254
4O 78...286
5O 86...318
6O 96...350
7O 104...382
SO 113...414
продукта на основе высушенных и измельчённых до состояния муки моркови, свёклы и топинамбура вызвало умеренное снижение уровня глюкозы в крови, у крыс с аллоксановым диабетом он уменьшился на 5 ммоль/л.
Вывод. Полученные значения постоянной времени нагрева позволяют осуществлять выбор эффективных энергосберегающих режимов управления процессом ИК-сушки корнеплодов, которые, в свою очередь, обеспечивают сокращение времени процесса влагоу-даления и снижение энергозатрат, а также повышение качества получаемого продукта благодаря уменьшению температуры нагрева корнеплодов при сушке. Использование изготовленной с применением предлагаемой технологии добавки на основе высушенной муки моркови, свеклы и топинамбура в кормлении крыс с аллоксановым диабетом обеспечило снижение уровня глюкозы в крови исследуемых животных на 5 ммоль/л.
Литература.
1. Поморцева Т.И. Технология хранения и переработки плодоовощной продукции. М.:ИРПО,2001. 136 с.
2. Плаксин Ю.М. и др. Основы теории инфракрасного нагрева: Монография. М.:МГУПП, 2007. 168 с.
3. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 471 с.
4. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением/пер. с анг. М.: Мир, 1975. 934 с.
NFRARED DISCRETE DRYING OF SUGAR-CONTAINING ROOT CROPS FOR USE AS DIETARY
SUPPLEMENTS FOR DIABETICS
I.V. Altukhov
Summary. Analysis of the current state of technology use infrared heating in agriculture showed that the optimization of the thermal processing of food products with retention of the maximum content of active substances requires the use of a systematic approach to the study of causal and functional relationships of electrotechnological and temporal parameters of infrared treatment affecting the quality parameters of sugar roots at all stages of processing. Solving the problem of effectively managing infrared drying of carrot , beet and Jerusalem artichoke achieved by theoretically derived and experimentally confirmed laws controlling the IR energy supply , which allows to reduce process time dripping by 16-20%. Adapted technique of successive and interrelated stages of theoretical and experimental studies have allowed to optimize the system of management of flash converters ceramic radiation drying technology of sugary roots at which the loss of biologically active substances are not more than 5.4%. The efficiency of use of pulsed ceramic transducers of radiation operating at lowering energy supply mode was researched. Reduction of energy consumption compared with nichrome emitters is 20.9%. First time the constants of heating time roots of Jerusalem artichoke and beet depending on the moisture content and the geometric dimensions were defined. For example heating time constant of roots of Jerusalem artichoke with initial moisture content of 80% and 30 x 5 x 5 mm is 130 seconds and beets with the same parameters - 113 seconds. This fact allows to carry out the harmonization of radiation parameters and product parameters based on the known laws. Studies at the Faculty of Veterinary Medicine and Biotechnology of Irkutsk State Agricultural Academy of nutrition of mice suffering from alloxan diabetes by products of high biological activity based on a mixture of powders of Jerusalem artichoke , beet and carrot have shown that the systematic use of additives in the blood of rodents sugar level decreases . Product was found perspective. Keywords: roots, infrared drying, active substances, methods of heating.
