CC BY
7
УДК 664.8.047 DOI 10.24412/2311-6447-2023-3-194-200
Инновационные технологии переработки сельскохозяйственного сырья в производстве продуктов здорового питания
Innovative technologies for the processing of agricultural raw materials in the production of healthy food
Директор по развитию А.А. Платицын, директор С.В. Шилов, вед. специалист отдела научно-технического развития Н.А. Орлова, ООО «ТБГ», тел. +7-903-949-94-95, plantkit@yandex.ru
профессор В.М. Позняковский Кузбасская государственная сельскохозяйственная академия, тел. +7-905-911-19-47, pvm1947@bk.ru
Development Director A.A. Platitsyn, Director S.V. Shilov, Leading specialist of the Department of Scientific and Technical Development N.A. Orlova, TBG LLC, tel. +7-903-949-94-95, plantkit@yandex.ru
Professor V.M. Poznyakovsky Kuzbass State Agricultural Academy, tel. +7-905-911-19-47, pvm1947@bk.ru
Аннотация. Разработана технология низкотемпературной комбинированной вакуум-импульсной сушки животного сырья с использованием запатентованного оборудования - сушильной камеры. Сущность технологии заключается в комбинации прогрева продукта кондуктометрическим способом, снизу через рубашку рабочей поверхности и сверху - инфракрасным нагревателем, что обеспечивает эффективность энергоподвода и быстрый прогрев сырья. Уменьшается время обработки сырья и, как следствие, минимизируются потери биологически активных веществ. Определен контроль параметров обработки и алгоритм изменения параметров сушки. Установлены режимы сушки говяжьего фарша с определением показателей качества готового продукта. Апробирована двухступенчатая сушка с чередованием конвективной и вакуумной стадии на примере овощного сырья. Используемая технология позволяет предотвратить образование агломератов и обеспечить стабильность питательных веществ. Уменьшаются время реализации процесса сушки, затраты энергии, цена при сохранении качественных характеристик готовой продукции. Разработан и запатентован сушильный вакуумно-импульсный комплекс, работа которого обеспечивается циклограммой технологического процесса автоматически по заданным параметрам. Конструктивное и аппаратурное оформление сушильного комплекса обеспечивается системой автоматизации процесса, суть которого заключается в чередовании этапов (импульсов) вакуумирования и нагрева сырья при атмосферном давлении. Синхронный противофазный процесс обеспечивает испарение влаги на всем протяжении сушки при уменьшении массы и теплоемкости. Наличие обширного списка параметров дает возможность для регулирования процесса сушки. С учетом полученных результатов и проведенных ранее исследований изготовленные продукты можно позиционировать в качестве здорового питания. Они могут быть использованы как продукты массового потребления, так и специализированного назначения для различных групп населения.
Abstract. Innovative technologies for processing agricultural raw materials are considered. A technology has been developed for low-temperature combined vacuum-impulse drying of animal raw materials using patented equipment - a drying chamber. The essence of the technology lies in the combination of heating the product by the conductometric method, from below through the jacket of the working surface and from above - by an infrared heater, which ensures efficient energy supply and rapid heating of raw materials. The processing time of raw materials is reduced and, as a result, the loss of biologically active substances is minimized. The control of processing parameters and the algorithm for changing the drying parameters are determined. The modes of drying ground beef with the determination of the quality indicators of the finished product have been established. A two-stage drying with alternating convective and vacuum stages was tested on the example of vegetable raw materials. The technology used prevents the formation of agglomerates and ensures the stability of nutrients. The drying process implementation time, energy costs, and price are reduced while maintaining the quality characteristics of the finished product. A drying vacuum-impulse complex has been developed and patented, the operation of which is provided by the cyclogram of the technological process, automatically according to the specified parameters. The design and instrumentation
© А.А. Платицын, С.В. Шилов, Н.А. Орлова, В.М. Позняковский, 2023
of the drying complex is provided by a process automation system, the essence of which is the alternation of stages (pulses) of vacuuming and heating of raw materials at atmospheric pressure. The synchronous antiphase process ensures the evaporation of moisture throughout the drying process while reducing the mass and heat capacity. The presence of an extensive list of parameters makes it possible to regulate the drying process. Taking into account the results obtained and previous studies, the obtained products can be positioned as a healthy diet; they can be used both as mass consumption products and for specialized purposes for various population groups.
Ключевые слова: способы сушки, животное и растительное сырье, оборудование, эффективность, продукты для массового и специализированного питания
Keywords: drying methods, animal and vegetable raw materials, equipment, efficiency, products for mass and specialized nutrition
Современные технологии переработки сельскохозяйственных ресурсов и производства продуктов здорового питания определены государственной политикой как приоритетные в «Программе фундаментальных научных исследований РФ на период 2021-2030 гг.» [6].
Разработана технология низкотемпературной комбинированной вакуум-импульсной сушки животного сырья с использованием запатентованного оборудования, производимого ООО «Технологии без границ», г. Бийск. Сушильная камера (рис. 1) представляет собой герметичную вакуумируемую камеру с крышкой. Технология комбинированной сушки включает комбинацию прогрева продукта снизу кондукто-метрическим способом через рубашку рабочей поверхности и сверху инфракрасным нагревателем, который нагревает сырьё излучением [2, 3].
Датчики для сбора информации при сушке исследуемых материалов (температура и давление) располагаются на поверхности крышки и нижней поверхности сушильной камеры. Оборудование, создающее вакуум в камере, состоит из вакуумного, водокольцевого насосов и клапанов управления давлением.
Рис. 1. Схематичное изображение сушильной камеры: 1 - герметичная крышка; 2 - рабочая поверхность столешницы; 3 - инфракрасные нагреватели; 4 - прямоуголъный фланец с уплотнительной прокладкой; 5 - нагревательная рубашка; б, 7 - штуцеры подачи теплоносителя; 8 - штуцер вакуумирования
Кондуктивный обогрев сырья, при котором реализуется непосредственный способ передачи энергии от нагревателей к поверхности сырья, является одним из решений повышения эффективности энергоподвода. Показано преимущество этого способа для быстрого прогрева сырья [9]. Установлено, что интенсивный нагрев сырья следует проводить в определенной последовательности изменения параметров. Опытным путем подтверждено, что вакуумная сушка имеет преимущества в уменьшении времени обработки сырья и, как следствие, минимизации потерь биологически активных компонентов в сырье при сушке. Рассматриваемая технология обеспечивает наилучшие физико-химические и органолептические показатели [10]. Определяющим фактором в технологии становится контроль параметров обработки при сушке сырья, поэтому необходимо проведение исследований по организации сушильного процесса и разработке алгоритма изменения параметров, влияющих на
рассматриваемый процесс.
Проведение исследований по определению условий сушки сырья животного происхождения представляется актуальным, поскольку открывает возможности создавать блюда и кулинарные изделия быстрого приготовления. Исследования проводили на образцах сырого говяжьего фарша с начальной влажностью 70,5 %.
Процесс сушки на предлагаемом оборудовании изучали при последовательных циклах обработки мясного сырья и определении параметров и циклов управления сушильной камерой. Бланшированное сырье загружали на рабочую поверхность столешницы, далее производили запуск процесса сушки. В процессе сушки последовательно реализовывали автоматические операции: закрытие крышки, вакуумиро-вание камеры, кондуктивный нагрев через нагревательную рубашку, инфракрасный нагрев материала сверху, создание дополнительного разрежения и отвод паров влаги в вакуумную магистраль, отключение энергоподвода и выравнивание давления в камере до атмосферного, окончание сушки.
В процессе сушки реализуется метод двухступенчатой конвективной вакуум-импульсной сушки, предполагающий два этапа процесса обезвоживания. На первом этапе происходит удаление поверхностной влаги конвекцией, температура продукта при этом повышается до установленного значения. После удаления свободной влаги из продукта происходит переключение на вакуумирование, вызывающее градиент давления, который, в свою очередь, приводит к возникновению молярного движения парогазовой смеси внутри продукта, что позволяет снизить температуру продукта и избежать разрушения термолабильных компонентов (в данном случае аминокислот). Как правило, на практике, один цикл сушки на данном оборудовании занимает до 20 мин в зависимости от свойств продукта. Задачей исследований являлось регулирование времени вакуумирования, мощности и времени инфракрасных нагревателей, глубины вакуума. В результате подобраны режимы сушки фарша говяжьего с последующим определением показателей качества готового продукта. Установлены оптимальные режимы работы сушильной камеры для сушки говяжьего фарша: температура рубашки - 75 °С, переход на вакуум - 250 с. Оптимальное количество циклов сушки - 6. При этом варьируется мощность нагревателей с установлением следующих параметров мощности: 80 % - 60 с, 75 % - 240 с, 70 % - 300 с, 65 % - 300 с, 60 % - 240 с.
В результате получен сушеный говяжий фарш, который исследовали на физико-химические показатели с определением органолептической оценки качества. Работа выполнена на базе учебно-научного центра коллективного пользования «Сервисная лаборатория комплексного анализа химических соединений» (Москва), Кемеровского государственного медицинского университета, Бийского технологического института (филиала) Алтайского государственного технического университета. Результаты исследований физико-химических и органолептических показателей представлены в табл. 1 и на рис. 2.
Таблица 1
Физико-химические и органолептические показатели сушеного говяжьего фарша
Показатели Значение
Содержание влаги, % 4,63
Массовая доля общей/ водонерастворимой / водорастворимой золы, % 6,2 / 1,6 / 4,6
Массовая доля жира, % 10,1
Массовая доля белка, % 69,7
Устойчивость к окислению (метод устойчивого окисления) (Индукционный период),ч:мин 2:01
Органолептические показатели мяса и продуктов первичного распада белков в бульоне Мясо - сумма баллов 35 (макс 45) Бульон - сумма баллов 29 (макс 36)
Степени набухания 2,72
Время разваривания 5 мин
Экстрактивность, % 14,17
а) б)
Рис. 2. Внешний вид сушеного фарша (а) и разваренного (б)
Предлагаемая комбинированная технология низкотемпературной вакуумно-импульсной сушки продуктов животного происхождения позволяет получить сушеные продукты для блюд быстрого приготовления с высокими качественными характеристиками.
Другой инновационной технологией переработки сельскохозяйственного сырья является двухступенчатая сушка, первой ступенью которой является конвективная сушка, второй - вакуумная сушка с чередованием конвективной и вакуумной стадий, которая апробирована на примере овощного сырья. Использование этого способа доминирует над другими видами, так как исключает образование агломератов в первом периоде и позволяет сохранять питательные вещества во втором периоде сушки. При этом уменьшаются время реализации процесса и затраты энергии, сохраняются качественные характеристики высушиваемого сырья, снижается цена готового продукта. Рассматриваемый способ сушки в настоящее время получает распространение и требует проведения комплекса научных исследований и промышленных испытаний. Вследствие этого совершенствование технологии и средств двухступенчатой конвективно-вакуумной импульсной сушки (КВИС) является актуальной задачей, представляет научный и практический интерес [1].
Продукты, не подвергающиеся быстрой микробиологической порче, желательно высушивать за 24 ч. Если время сушки более 24 ч, то возникают риски изменения структуры, вкуса, цвета, аромата и сушеный продукт попадает в класс низкокачественных.
Результаты проведенных исследований показали, что для получения сушеных продуктов премиум-качества температура сушки должна быть ниже 45 °С. Это возможно, если используется:
- вакуумно-импульсная сушилка (средней длительности, низкотемпературная сушка, 30-45 °С);
- сублимационная сушилка (средней длительности, низкотемпературная сушка, -10 °С).
При оценке характеристик сублимационной сушилки для производства пищевых продуктов необходимо учитывать, что затраты на приобретение этого оборудования до 10 раз выше, а качество продуктов сопоставимо с продуктами, полученными на вакуумно-импульсных сушилках и энергоэффективных камерных атмосферных сушилках. Таким образом, самые низкие энергозатраты при сушке возможны только при эксплуатации вакуумно-импульсных и камерных конвективных сушилок.
Разработанный комплекс сушильный вакуумно-импульсный КСВИП-2К-5 (далее КСВИП) предназначен для сушки как растительного, так и сырья животного происхождения (рис. 3).
Рис. 3. Общий вид комплекса сушильного вакуумно-импульсного Конструкция сушильной камеры вакуумно-импульсного комплекса защищена патентом РФ № 195054 [4]. Циклограмма технологического процесса сушки, который проводится в сушильных камерах К1 и К2 для наглядного представления, формализована и представлена ниже в виде трёх формул (1), (2), (3).
Процесс сушки (ПС) выполняется автоматически по заданному параметрами сценарию. В полном варианте состоит из предварительной процедуры и основного процесса:
ПС = ПП + ОП, (1)
где ПС - процесс сушки; ПП - предварительная процедура; ОП - основной процесс. Предварительная процедура описывается условной формулой: ПП = «В Б1» + «В Б2» + «В Б3» + «Б (воздух/пар)» (2) где «В Б1», «В Б2», «В Б3» - условно называемые «вакуум перед бланшированием», этапы стадийного вакуумирования предварительной процедуры; «Б (воздух/пар)» -условно называемый «бланширование», этап предварительной процедуры, в ходе которого производится нагрев сырья с использованием воздуха, нагреваемого калориферами внутри камеры или подаваемого в сушильную камеру пара и осуществляется бланширование. В зависимости от выбранного технологического режима этапы стадийного вакуумирования и бланширования могут быть включены или пропущены в циклограмме процесса сушки при соответствующих настройках параметров.
Основной процесс описывается условной формулой:
ОП = [«В»+«П»] х N1 + [«В»+«А»] х N2 + [«В»+«П»] х Ю+«Вк»+«Ак» где «В» - условно называемый «вакуум», этап вакуумирования много раз входит в состав основного процесса; «П» - условно называемый «пар», этап нагрева сырья с использованием подачи пара в сушильную камеру; N1 - количество повторений последовательности [«В»+«П»]; «А» - условно называемый «Атмосфера», этап нагрева сырья конвективным способом, при помощи воздуха, нагреваемого калориферами внутри сушильной камеры; N2 - количество повторений последовательности [«В»+«А»]; N3 - количество повторений последовательности [«В»+«П»].
В зависимости от выбранного технологического режима блоки [«В»+«П»] и [«В»+«А»] могут быть включены или пропущены в циклограмме процесса сушки. При любом технологическом режиме завершает основной процесс блок окончания технологического процесса, который состоит из двух этапов: «Вк» - условно называемый «вакуум конечный» - этап удаления остатков пара перед окончанием процесса сушки и «Ак» условно называемый «атмосфера конечный» - этап сброса вакуума перед окончанием процесса сушки (под вакуумом открыть крышку сушильной камеры не представляется возможным).
Конструктивное и аппаратурное оформление сушильного комплекса КСВИП спроектировано с учётом синхронной противофазной работы камер (К1 и К2). Система автоматизации реализует процесс сушки в камерах К1 и К2 синхронно про-тивофазно. Суть вакуумно-импульсного процесса заключается в чередовании этапов (импульсов) вакуумирования, в ходе которых идёт интенсивное удаление влаги
198
и охлаждение сырья, и этапов (импульсов) нагрева сырья при атмосферном давлении (конвективно) воздухом либо подаваемым в камеру паром. Синхронный противофазный процесс реализован так, что в К1 вакуум - в К2 атмосфера/пар и наоборот, в К1 атмосфера/пар - в К2 вакуум.
На всём протяжении процесса сушки влага из сырья испаряется, его масса и теплоёмкость уменьшаются, поэтому импульсы нагрева и вакуумирования ближе по окончании процесса становятся всё менее длительными и чередуются всё чаще. Разработанная в рамках данной работы система автоматизации имеет обширный список параметров, предусматривает эту особенность и предлагает широкий выбор возможностей для технологического регулирования процесса сушки.
Этапы нагрева (атмосфера/пар) и вакуумирования определяются соответствующими параметрами, окончание этапов определяется достижением (выполнением) соответствующих условий. В любом случае заранее понятно, что длительности этапов нагрева и вакуумирования не зафиксированы по времени и не равны, следовательно, синхронизация и переключение состояний возможны в момент достижения (выполнения) соответствующих условий окончания этапов в камерах К1 и К2.
В результате проведенных исследований по совместным режимам работы двух камер сушильного комплекса установлено, что существует оптимальный уровень вакуумирования, при котором интенсивность испарения влаги из материала, а следовательно, и производительность сушилки, достигают максимума. После проведения атмосферной конвективной стадии целесообразно при запуске стадии «В» часть вентиляторов оставить включенными при полной работе вакуумных насосов. На стадии «В + П» периодически, по мере надобности, подается пар в калориферы, чтобы нагреть сырье до требуемой температуры и получить продукт с заданными качественными характеристиками.
Разработанные технологии переработки сельскохозяйственного сырья дают возможность получать готовую продукцию с высокой пищевой ценностью, усвояемостью и безопасностью, что позволяет ее позиционировать в качестве здорового питания [7, 8]. Она может быть использована не только как продукт массового потребления, но и как продукт специализированного питания для армии, космического питания и туризма [4, 5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Джум Т. А. Перспективы использования порошков фруктов и овощей в общественном питании//Т. А. Джум, Е. В. Щербакова, А. В. Христюк. - Научный журнал КубГАУ, -2017.- № 128(04). - С. 1 - 14.
2. Пат. №195054 РФ, МПК F26B 9/06 (2006.01), F26B 3/04 (2006.01), F26B 5/04 (2006.01F26B 3/04. Камера сушильной установки [Текст]/Платицын А.А., Шилов С.В. заявитель и патентообладатель ООО «Технологии Без Границ». - № 2019133538, заявл. 22.10.20190; опубл. 14.01.2020.
3. Пат. №202055 РФ, МПК F26B 3/04. Сушильная камера для сушки пищевых продуктов [Текст] / Платицын А.А., Шилов С.В. заявитель и патентообладатель ООО «Технологии Без Границ». - № 2020135233, заявл. 27.10.2020; опубл. 28.01.2021.
4. Платицин, А.А. Инновационные способы переработки плодов и овощей для производства продуктов массового и специализированного питания / А.А. Платицин, В.М. Позняковский // Актуальные научно-технические средства и сельскохозяйственные проблемы : материалы V национальной научно-практич. Конф. - Кемерово, 2020. - С. 391-394.
5. Платицын, А.А. К вопросу качества плодоовощных сухих продуктов с дальнейшим формированием на их основе продуктов специализированного питания / А.А. Платицын, В.М. Позняковский, Н.А. Орлова // «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности»: Матер. 12 . Науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, 22-24 мая 2019 года. - Бийск: Изд-во АлтГУ, 2019. - С. 535-540.
>. Программа фундаментальных научных исследований РФ на период 20212030 гг., утверждена Распоряжением Правительства № 3684-р от 31.12.2020 г.
7. Сергун, В.П. Здоровьесберегающие технологии переработки сырьевых ресурсов Сибири: наука и практика / В.П. Сергун, В.Н. Буркова, А.А. Иванов, В.М. По-зняковский // Монография. - Москва: ИНФРА-М, 2021. - 508 с.
8. Тохириён, Боисджони. Биологически активные растительные ингредиенты и их комплексы для производства продуктов здорового питания / Б. Тохириён, В.М. Позняковский // Монография. - Курск: Изд-во ЗАО «Университетская книга», 2018. - 217 с.
9. Wawrzyniak, Pawel, Zbicinski, Ireneusz & Sobulska, Mariia. (2017). Applications: Drying of materials. CRC Handbook of Thermal Engineering, Second Edition, 1306 - 1337. Publisher: CRC Press.
10. Xu, P., Peng, X., Yang, J., Li, X., Zhang, H., Jia, X., Liu, Y., Wang, Z. & Zhang, Z. (2021). Effect of vacuum drying and pulsed vacuum drying on drying kinetics and quality of bitter orange (Citrus aurantium L.) slices. Journal of Food Processing and Preservation, 45, e16098. https://doi.org/10.1111/jfpp.16098.
REFERENCES
1. Jum T. A. Prospects for the use of fruit and vegetable powders in public catering//^ A. Jum, E. V. Shcherbakova, A.V. Hristyuk. - Scientific journal of KubGAU, -2017.- № 128(04). - Pp. 1-14.
2. Pat. No. 195054 of the Russian Federation, IPC F26B 9/06 (2006.01), F26B 3/04 (2006.01), F26B 5/04 (2006.01F26B 3/04. Drying unit chamber [Text]/Platitsyn A.A., Shilov S.V. applicant and patent holder of Technologies Without Borders LLC. - No. 2019133538, application 22.10.20190; publ. 14.01.2020.
3. Patent No. 202055 of the Russian Federation, IPC F26B 3/04. Drying chamber for drying food products [Text] / Platitsyn A.A., Shilov S.V. applicant and patent holder of Technologies Without Borders LLC. - No. 2020135233, application 27.10.2020; publ. 28.01.2021.
4. Platycin, A.A. Innovative methods of processing fruits and vegetables for the production of mass and specialized food products / A.A. Platycin, V.M. Poznyakovsky // Actual scientific and technical means and agricultural problems : materials of the V National Scientific and Practical. Conf. - Kemerovo, 2020. - pp. 391-394.
5. Platitsyn, A.A. On the issue of the quality of fruit and vegetable dry products with further formation of specialized nutrition products based on them / A.A. Platitsyn, V.M. Poznyakovsky, N.A. Orlova // "Technologies and equipment of chemical, biotechno-logical and food industry": Materials of the 12th All-Russian Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists with international participation, May 22-24, 2019. - Biysk: AltSU Publishing House, 2019. - pp. 535-540.
6. The program of fundamental scientific research of the Russian Federation for the period 2021-2030, approved by Government Decree No. 3684-r dated 31.12.2020.
7. Sergun, V.P. Health-saving technologies for processing raw materials of Siberia: science and practice / V.P. Sergun, V.N. Burkova, A.A. Ivanov, V.M. Poznyakovsky // Monograph. - Moscow: INFRA-M, 2021. - 508 p.
8. Tohirien, Boisjoni. Biologically active plant ingredients and their complexes for the production of healthy food products / B. Tohirien, V.M. Poznyakovsky // Monograph. - Kursk: Publishing house of CJSC "University Book", 2018. - 217 p.
9. Wawrzyniak, Pawel, Zbicinski, Ireneusz & Sobulska, Mariia. (2017). Applications: Drying of materials. CRC Handbook of Thermal Engineering, Second Edition, 1306 - 1337. Publisher: CRC Press.
10. Xu, P., Peng, X., Yang, J., Li, X., Zhang, H., Jia, X., Liu, Y., Wang, Z. & Zhang, Z. (2021). Effect of vacuum drying and pulsed vacuum drying on drying kinetics and quality of bitter orange (Citrus aurantium L.) slices. Journal of Food Processing and Preservation, 45, e16098. https://doi.org/10.1111/jfpp.16098.
