CC BY
40
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10721 УДК 66 047:637.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМНОЙ СУШКИ ДЛЯ ГИДРАЛИЗАТОВ СЫВОРОТОЧНЫХ БЕЛКОВ
М. Г. КУРБАНОВА1, доктор технических наук, доцент (e-mail: library@ksai.ru)
К. А. ШЕВЯКОВА2, аспирант
кемеровский государственный сельскохозяйственный институт, ул. Марковцева, 5, Кемерово, 650056, Российская Федерация
2Кемеровский государственный университет, ул. Красная, 6, Кемерово, 650000, Российская Федерация
Резюме. Подбирали оптимальные параметры вакуумного обезвоживания для достижения наибольшей эффективности процесса сушки гидролизатов сывороточных белков. Определяли максимально допустимую температуру нагрева и величину остаточного давления на 12 образцах гидролизатов. Образцы предварительно подвергали сгущению на ультрафильтрационной установке до содержания сухих веществ 60 %. Температура нагрева составляла 40, 50, 60 и 70 °С (в каждом варианте - по 3 образца). По результатам наблюдений построены кривые зависимостей изменения относительной массы гидролизатов, температуры в камере и продукте, а также плотности теплового потока от температуры нагрева. Температура в камере достигала заданного значения соответственно через 30, 50, 70 и 90 мин., продукта - через 50, 80, 90 и 100 мин. Наиболее глубокое удаление влаги из гидро-лизата наблюдали при температуре 50 °С, при этом конечное содержание влаги в продукте составляло 4,7 %, длительность процесса - (220±15) мин. С увеличением температуры из-за большой скорости сушки образовывался подгоревший слой, который препятствовал свободной миграции влаги из глубоких слоев на поверхность. По результатам органолепти-ческой оценки качества гидролизата наибольшее количество баллов получил продукт, высушенный при температуре 50 °С (37 баллов). При уменьшении и увеличении температуры вкус и запах ухудшались. Наименьшие удельные затраты энергии наблюдали при давлении 9...10 кПа. При повышении остаточного давления скорость удаления влаги из продукта снижалась. Обезвоживать гидролизат сывороточных белков целесообразно при температуре в камере 50 °С и величине остаточного давления 9.10 кПа, что обеспечивает наиболее рациональное соотношение качества полученного продукта, длительности сушки и удельных энергозатрат. Ключевые слова: гидролизат сывороточных белков, аминокислоты, белоксодержащие добавки, вакуумная сушка. Для цитирования: Курбанова М.Г., Шевякова К.А. Исследование параметров вакуумной сушки для гидрализатов сывороточных белков // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 7. С. 86-90. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10721.
Рацион современного человека включает недостаточно полноценного белка. Перспективный путь решения этой проблемы - производство пищевых продуктов, обогащенных белоксодержащими компонентами, оказывающими многостороннее действие на организм: концентратов, изолятов и гидролизатов белков [1].
Один из перспективных способов консервирования продукции - сушка, позволяющая резко сократить расходы на хранение и транспорт продукции, а также обеспечивающая длительную сохранность продуктов [2]. В пищевой промышленности все большее распространение получает вакуумная сушка. Этот способ предполагает удаление влаги при давлении ниже атмосферного, но выше тройной точки воды. С понижением остаточного давления в сушильной камере понижается температура кипения воды в результате
насыщения водяных паров, находящихся в продукте. Соответственно, снижается разрушающее действие температуры на термолабильные компоненты, что улучшает качество сухого продукта [3].
Для достижения наибольшей эффективности вакуумной сушки необходимо экспериментальное ис-
100 . 95 90 85 80 75 70 65 60
б)
100 95 % 90
<в 85 I
я 80 х
§ 75 н
о 70 о
J 65 60
в)
100
8? 95
§ 90 я
2 85
5 80
I 75
s
о
о 70 ° 65 60
г)
20 40 60 80 100 120 140 160 18 Время, мин
200 220 240 260
20 40 60
100 120 140 160 18 Время, мин
200 220
20
40
60
80 100 120 Время, мин
140 160 18
20
40
60 80 100 Время, мин
120 140 160
Рис. 1. Зависимость изменения относительной массы гидролизатов (%) от температуры нагрева: а - 40 0С; б - 50 0С; в - 60 0С; г - 70 0С.
0
0
0
следование этого процесса с целью подбора наиболее благоприятных технологических режимов, обеспечивающих оптимальное сочетание скорости и степени сохранности необходимых нативных свойств сывороточного гидролизата [4]. Один из основных параметров вакуумной сушки - температура. Ее повышение влияет на процесс неоднозначно: с одной стороны влага из вещества удаляется быстрее, с другой - чрезмерное термическое воздействие значительно снижает качество готового продукта [5].
Цель исследования - подбор оптимальных параметров вакуумного обезвоживания для достижения наибольшей эффективности процесса сушки гидролизатов сывороточных белков.
Условия, материалы и методы. Объектами исследования служили образцы гидролизатов сывороточных белков (ГСБ). При изучении каждого из параметров эксперимент проводили в трехкратной повторности. Схема опыта по определению оптимальной температуры сушки предусматривала вари-
Рис. 2. Зависимость изменения температуры в камере и продукте от температуры нагрева ( -«— в камере; -■- - в продукте): а - 40 0С; б - 50 0С; в - 60 0С; г - 70 0С.
Рис. 3. Зависимость изменения плотности теплового потока от температуры нагрева: а - 40 0С; б - 50 0С; в -60 0С; г - 70 0С.
Рис. 4. Скорость изменения массы гидролизатов при различной температуре в камере: -•- - 40 0С; -■— 50 0С; -л- - 60 0С; -■- - 70 0С.
анты с нагревом до 40, 50, 60 и 70 °С при остаточном давлении 9...10 кПа. На втором этапе исследований подбирали величину остаточного давления в камере. Для этого гидролизаты высушивали при температуре 50 °С, плотности теплового потока 5,5 кВт/м2 и
Рис. 5. Результаты органолептической оценки ГСБ при
различной температуре в камере:----40 0С;- - 50
0С;---- 60 0С;.....- 70 0С.
остаточном давлении в камере 4...5 кПа, 9...10 кПа и 14.15 кПа. Для вакуумной сушки использовали лабораторную установку «Иней-6М», включавшую сушильную камеру, вакуумный насос «2TW-1C», десублиматор, холодильную машину, систему регулирования и измерения.
Для снижения энергозатрат на сушку ГСБ предварительно подвергали сгущению на ультрафильтрационной установке MES UF Milk под давлением 0,1.0,5 МПа до уровня содержания сухих веществ 60 %. Для анализа влияния сушки на качественные показатели проводили органолептическую оценку внешнего вида, консистенции, вкуса и запаха ГСБ после сушки по 10-балльной шкале.
Результаты и обсуждение. Процесс вакуумной сушки можно условно разделить на 3 этапа:
на первом включается вакуумный насос, понижающий давление в камере до заданного значения. Продолжительность этапа - 15 мин., относительная масса продукта при этом практически не меняется, температура незначительно снижается;
после выхода установки на рабочий режим включаются инфракрасные лампы нагрева - начинается второй этап. При этом повышается температура
Рис. 6. Изменения относительной массы гидролизата в процессе вакуумной сушки при различном остаточном давлении: а - 4.5 кПа; б - 9.10 кПа; в - 14.15 кПа.
Рис. 7. Изменения температуры гидролизатов в процессе вакуумной сушки ( - в камере, -■— в продукте) при различном остаточном давлении: а - 4...5 кПа; б - 9...10 кПа; в - 14.15 кПа.
гидролизата и скорость снижения его относительной массы. Наибольшей скорости снижение масса достигает через 60 мин. после начала сушки -19,5.24,1 %/ч. при температуре в камере от 40 до 70 °С. Плотность теплового потока на втором этапе держится на установленном уровне до тех пор, пока
температура в камере не достигнет необходимого значения;
на третьем этапе скорость удаления влаги из продукта снижается, происходит его досушивание.
Температура в камере достигала значений 40, 50, 60 и 70 0С через 30, 50, 70 и 90 мин. соответственно, температура продукта - через 50, 80, 90 и 100 мин. (рис. 1, 2, 3).
Продифференцировав изменение относительной массы гидролизатов по времени, получили скорость сушки (рис. 4).
Наиболее глубокое удаление влаги из гидролизата наблюдали при температуре 50 °С. При таком режиме ее конечное содержание в продукте составляло 4,7 %. При более высоких температурах вследствие большей скорости сушки образовывался подгоревший слой, который препятствовал миграции влаги из глубоких слоев на поверхность и последующему ее удалению в окружающую среду.
При увеличении температуры от 40 до 70 °С длительность сушки сокращалась на 38 %, однако удельные энергозатраты возрастали на 32 % (табл. 1). Стоит отметить, что при повышении температуры в камере рос и теплоприток через теплоизоляцию, что снижало общую энергоэффективность удаления влаги.
S 1
0
б)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 Время, мин
0
м 6
Г 5
; 4
! 3 ! 2 : 1 ; 0
V
Ï
0 10 20 30 40 50
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Время, мин
1
1 1
1
5
в)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150160170180190 200 210 220 230 240 250 260 270 28С Время, мин
6
5
4
3
2
6
5
4
3
2
Рис. 8. Скорость изменения массы гидролизатов при рис. 9. Изменение плотности теплового потока в процессе
t=50 °С и остаточном давшнии в камере: -•- - 4...5 кПа; -■- - вакуумной сушки гидролизатов при различном остаточном 9.10 кПа; -*- - 14.15 кПа. давлении: а - 4.5 кПа; б - 9.10 кПа; в - 14.15 кПа.
Таблица 1. Показатели вакуумной сушки гидро-лизатов при различной температуре
Показа- Температура в камере °С
тель 40 50 60 70
Длительность сушки, мин. 260±15 220±15 180±15 160±15
Содержание влаги, % 4,9±0,1 4,7±0,1 5,0±0,1 5,2±0,1
Удельные
затраты энергии, кВт/кг
удаленной влаги 2,87±0,15 3,11±0,15 3,45±0,15 3,78±0,15
Наибольшую органолептическую оценку в 37 баллов получил ГСБ, высушенный при температуре 50 °С. При сушке с меньшей температурой, вследствие увеличения длительности процесса, несколько ухудшался вкус и запах. При увеличении температуры до 60 и 70 °С качество полученного продукта заметно снижалось, что может быть связано с влиянием высоких температур на термолабильные компоненты обезвоживаемых гидролизатов (рис. 5).
Для оптимизации процесса вакуумной сушки продуктов кроме рациональной температуры необходимо знать еще и величину остаточного давления. От нее зависит кинетика и продолжительность процесса, а также качественные показатели готового продукта и энергозатраты.
С повышением остаточного давления в сушильной камере происходило снижение скорости удаления влаги из продукта. Так, продолжительность вакуумной сушки при остаточном давлении 14.15 кПа составляла (280±15) мин., что на 20 % больше, чем
при 9.10 кПа и на 35 %, чем при 14.15 кПа. При давлении в камере 4.5 кПа и 9.10 кПа наибольшую скорость сушки наблюдали через 60 мин. после начала процесса, при давлении 14.15 кПа - через 80 мин. (рис. 6, 7, 8, 9).
Вакуумная сушка при меньшем остаточном давлении характеризовалась более глубоким удалением влаги из продукта, что обусловлено повышенным градиентом давления. Конечное содержание влаги в гидролизате при сушке с остаточным давлением 14.15 кПа составляло 4,9 %, при 4.5 кПа - 4,5 %.
Наименьшие удельные затраты энергии наблюдали при давлении 9.10 кПа. В случае его понижения энергозатраты значительно возрастали, поскольку увеличивалась нагрузка на вакуумный насос, а при более высоком давлении повышение удельных энергозатрат было обусловлено увеличением продолжительности процесса обезвоживания (табл. 2).
Таблица 2. Показатели вакуумной сушки гидро-лизатов при различном остаточном давлении
Показатель Остаточное давление, кПа
4...5 I 9...10 I 14...15
Длительность сушки, мин. 180±15 220±15 280±15 Содержание влаги, % 4,5±0,1 4,7±0,1 4,9±0,1 Удельные затраты энергии, кВт/кг удаленной влаги 4,21±0,15 3,11±0,15 3,44±0,15
Выводы. По результатам проделанной работы можно сделать вывод о том, что обезвоживать гидролизат сывороточных белков целесообразно при температуре в камере 50 °С и величине остаточного давления 9. 10 кПа, что обеспечивает наиболее рациональное соотношение качества полученного продукта, длительности сушки и удельных энергозатрат.
Литература.
1. Зилова И. С. Белковые компоненты в специализированных пищевых продуктах для питания спортсменов // Вопросы питания. 2014. № 83. С. 133.
2. Храмцов А. Г. Инновации в переработке и использовании молочной сыворотки//Переработка молока. 2014. № 2 (173). С. 68-69.
3. Курбанова М. Г., Ермолаев В. А. Исследование гигроскопических свойств и активности воды молочно-белковых концентратов // Вестник Красноярского ГАУ. 2011. № 8. С. 233-236.
4. Бабакин Б. С., Лепихина О. Е. Современное состояние и перспективы развития вакуумной сублимационной сушки // Холодильная техника. 2005. № 11. С. 56-59.
5. Ермолаев, В.А. Одно-, двух- и трехступенчатая вакуумная сушка молочных продуктов // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2010. № 5. С. 100-105.
INVESTIGATION OF PARAMETERS OF VACUUM DRYING FOR HYDROLYSATES
OF SERUM PROTEINS
M. G. Kurbanova1, K. A. Shevyakova2
'Kemerovo State Agricultural Institute, ul. Markovtseva, 5, Kemerovo, 650056, Russian Federation 2Kemerovo State University, ul. Krasnaya, 6, Kemerovo, 650000, Russian Federation
Abstract. Optimal parameters of vacuum dehydration were selected to achieve the greatest efficiency of the drying process of hydrolysates of serum proteins. The maximum permissible heating temperature and the residual pressure were determined on the example of 12 samples of hydrolysates. Samples were preliminarily subjected to condensation in an ultrafiltration unit to the content of dry matter of 60%. The heating temperature was 40, 50, 60 and 70 C; there were three samples in each variant. Based on the results of the observations, the curves of the dependences of the change in the relative mass of the hydrolysates, the temperature in the chamber and of the product, and the density of the heat flux on the heating temperature were plotted. The temperature in the chamber reached the set value, respectively, in 30, 50, 70 and 90 minutes, the product temperature - in 50, 80, 90 and 100 minutes. The deepest removal of moisture from the hydrolysate was observed at a temperature of 50 C, with the final moisture content in the product of 4.7%, the duration of the process was (220 ± 15) min. With increasing temperature, due to the high drying rate, a burnt layer formed, which prevented free migration of moisture from the deep layers to the surface. Based on the results of an organoleptic evaluation of the quality of the hydrolysate, the product that was dried at the temperature of 50 C received the highest score (37 points). With a decrease and increase in temperature, the taste and smell worsened. The lowest specific energy consumption was observed at a pressure of 9-10 kPa. When the residual pressure was increased, the rate of moisture removal from the product decreased. Dehydration of hydrolysate of serum proteins is advisable at a temperature in the chamber of 50 C and a residual pressure of 9-10 kPa, which provides the most rational ratio of the quality of the product obtained, the drying time and the specific energy consumption. Keywords: hydrolysate of serum proteins; amino acids; protein-containing additives; vacuum drying.
Author Details: M. G. Kurbanova, D. Sc. (Tech.), assoc. prof. (e-mail: library@ksai.ru); K. A. Shevyakova, post graduate student. For citation: Kurbanova M. G., Shevyakova K. A. Investigation of Parameters of Vacuum Drying for Hydrolysates of Serum Proteins. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 7. Pp. 86-90 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10721.
