CC BY
30
УДК 664.8/9.0.34 БОГ 10.24411/2311-6447-2019-10016
Исследование процесса электростатического копчения мелкокусковых рыбопродуктов в пересыпающемся слое
Study of the process of electrostatic smoking small-sized fish products in a pouring layer
Доцент И.Н. Сухарев, (Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. +7 908 139-80-67 E-mail: [email protected]
ст. преподаватель С.Ю. Шубкин, доцент С.В. Елецких, ст. преподаватель М.А. Родионова
(Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина), кафедра технологических процессов в машиностроении и агроинженерии, тел. +7 906 686-87-51
Associate professor I.N. Sukharev, (Voronezh State University of Engineering Technologies) Department of Machines and Apparatus of Food Production, tel. 7 908 139-80-67 E-mail: [email protected]
Article Teacher S.Y. Shubkin, Associate Professor S.V. Eletskii, Article Teacher M.A. Rodionova
(I.A. Bunin Elets State University), Department of Technological Processes in Mechanical Engineering and Agro-Engineering, tel. 7 906 686-87-51
Реферат. Потребление рыбы населением России снизилось примерно на шесть килограммов на одного человека по сравнению с рекомендациями Минздрава РФ. Увеличения количества потребляемой рыбы можно достичь за счет разработки прогрессивных процессов и технологий. Применение электрофизических методов в технологии получения готовых продуктов способствует повышению их качества, снижению продолжительности обработки, уменьшения расхода сырья. Внедрение технологии электростатического копчения рыбопродуктов в пересыпающемся слое и оборудования будет способствовать увеличению потребления населением соломки из подкопченной рыбы. Приведены сведения о конструктивном исполнении экспериментальной установки, которая является прототипом промышленных установок для копчения рыбы. Установлены кинетические закономерности процесса копчения рыбопродуктов в слое в несколько рядов в электростатическом поле в пересыпающемся
Summary. Currently, the proportion of fish consumed by the population of Russia has decreased by about six kilograms per person compared to the recommendations of the Ministry of Health of the Russian Federation. An increase in the amount of fish consumed can be achieved through the development of advanced processes and technologies. The use of electrophysical methods in the technology of obtaining finished products helps to improve their quality, reduce processing time, reduce raw material consumption. The introduction of electrostatic technology for smoked fish products in a spill bed and equipment will increase the population's consumption of straws from smoked fish. The article provides information on the design of the experimental installation, which is the prototype of industrial installations for smoking fish in industrial conditions. The kinetic laws of the process of smoking fish products in a layer in several rows in an electrostatic field in an overflowing layer are established.
Ключевые слова: рыбопродукты, электростатическое поле, перемешивание, фенол.
Keywords: fish products, electrostatic field, mixing, phenol.
© Сухарев И.Н., Шубкин С.Ю., Елецких C.B., Родионова M.A., 2019
В последние годы особую популярность приобрели рыбные закуски. При этом лидирующую позицию в рейтингах наиболее потребляемых товаров данной группы занимает рыбная соломка. Перспективным направлением для решения задач обеспечения потребителей оригинальными рыбопродуктами является расширение их ассортимента путем придания аромата натурального дымного копчения, что обеспечивает увеличение сроков хранения [3, 5, 6].
Рыбная соломка в силу своих реологических свойств (сыпучесть, объемная плотность) является неудобным продуктом для проведения процесса копчения. Традиционно рыбную соломку подвергают процессу копчения насыпью на сеточных стеллажах [6]. При проведении процесса копчения в таких условиях частицы данного продукта слеживаются, вследствие чего наблюдается повышение гидравлического сопротивления аппарата, нарушается равномерность распределения коптильной смеси и происходит снижение эффективности насыщения продукта ароматом дыма. С целью интенсификации процесса копчения рыбной соломки следует применять режим постоянного перемешивания с использованием элементов электростатики, что способствует существенной интенсификации осаждения компонентов дыма на поверхности продукта [1, 2].
Для проведения исследований и изучения процесса насыщения ароматом дыма рыбопродуктов в электростатическом поле с применением режима постоянного
31 1 13 %
и
--Ё
о:
29 ¡1 / 12
п п
ЗЖШ
ЗЕ
в
16/ _]5_>
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки для насыщения ароматом дыма рыбопродуктов в электростатическом поле с применением режима постоянного перемешивания: 1 - камера коптильная; 2 - дьшогенератор; 3 - фильтр; 4 - насос; 5 - ионизатор; б -генератор высоковольтный; 7 - коллектор; 8 - привод; 9 - устройство загрузочное; 10 - устройство разгрузочное; 11 - устройство отвода; 12 - рама стальная; 13 - насадки канальные; 14 - труба перфорированная коническая; 15 - опорный ролик; 16 - преобразователь частотный; 17 - патрубок загрузочный; 18 - лист перфорированный; 19 - термоэлемент; 20 - электроды коронирующие; 21, 22, 23 - трубопроводы; 24 - мультиметр; 25 - термоэлектрический преобразователь; 26 - термоанемометр полупроводниковый; 27 - гигрометр; 28 - измеритель напряженности электростатического поля, 29 - датчик концентрации; 30 - термопреобразователь сопротивления; 31 - измеритель влажности
При проведении исследований установка для насыщения ароматом дыма рыбопродуктов в электростатическом поле с применением режима постоянного перемешивания позволяет поддерживать следующие основные параметры технологического процесса электростатического копчения: температурный диапазон в дымоге-нераторе 430...600 К; напряженность электростатического поля 35...95 кВ/м; частота вращения коптильной камеры 1,5... 15 мин_1;температура коптильной смеси 291...320 К; скорость коптильной смеси 0,15... 1,6 м/с; относительная влажность коптильной смеси 50...90 %.
Основным элементов установки является коптильная камера 1, которая представляет собой барабан, установленный с возможностью вращения при помощи привода 8, состоящего из мотор-редуктора и цепной передачи, а также опорных роликов 15. Регулирование частоты вращения коптильной камеры 1 производится при помощи частотного преобразователя 16.
Коптильная камера 1 снабжена канальными насадками 13, служащими для равномерной подачи дымовоздушной смеси в слой рыбопродукта. По всей длине коптильной камеры 1 располагается перфорированная коническая труба 14, выполняющая роль пассивного электрода, и благодаря которой увеличивается полезный объем камеры за счет уменьшения объема, занимаемого воздухом. Для измерения температуры в коптильной камере служит термопреобразователь сопротивления 30. Контроль влажности в коптильной камере производится путем снятия показаний с измерительного преобразователя влажности 31.
Процесс получения дымовоздушной смеси происходит в дымогенераторе 2. На перфорированный лист 18 подаются подготовленные опилки (древесных лиственных пород) из загрузочного патрубка 17. Подвод энергии для генерации дыма осуществляется при помощи термоэлемента 19. Контроль над температурным режимом пиролиза опилок осуществляется термоэлектрическим преобразователем 25. Электризация и заряд частиц дымовоздушной смеси происходит в ионизаторе 5, снабженном коронирующими электродами 20, подача напряжения на которые осуществляется с высоковольтного генератора 6, позволяющего получать напряжение в диапазоне 15...45 кВ. Для снятия вольт-амперной характеристики установки применяется мультиметр 24. Измерение напряженности электростатического поля производится путем снятия показаний с измерителя 28.
Относительная влажность дымовоздушной смеси контролируется гигрометром 27, установленным на трубопроводе 23. Для определения скорости и температуры дымовоздушной смеси служит полупроводниковый термоанемометр 26.
Для подачи дымовоздушной смеси в коптильную камеру предусмотрен коллектор 7, который неподвижно размещен в разгрузочном устройстве 10 и примыкает к канальным насадкам 13.
В коптильную камеру 1 через загрузочное устройство 9 самотеком направляется рыбопродукт и размещается слоем на поверхности канальных насадок 13, а в дымогенератор 2 через загрузочный патрубок 17 - опилки (древесных лиственных пород), которые попадают на перфорированный лист 18. Затем включают термоэлемент 19 дымогенератора 2 и привод 8 коптильной камеры 1. После чего включают высоковольтный генератор 6, а затем насос 3.
Образовавшаяся дымовоздушная смесь отсасывается насосом 3, проходя при этом фильтр 4, где происходит её охлаждение и очистка от канцерогенных компонентов, после чего направляется в ионизатор 5, в котором дымовоздушная смесь, пройдя зазоры между коронирующими электродами 20, под действием электростатического поля интенсивно ионизируется. Далее ионизированная дымовоздушная смесь посредством коллектора 7 нагнетается в коптильную камеру 1.
При вращении коптильной камеры 1 рыбопродукт перемешиваясь, перемещается по длине барабана. При этом ионизированная дымовоздушная смесь через коллектор 7 непрерывно подается только в те каналы, непосредственно над которыми находится рыбопродукт. Под действием электростатического поля ионизированная дымовоздушная смесь интенсивно проходит через слой рыбопродукта, тем самым достигается эффект направленного движения дыма. Отработанная дымовоздушная смесь удаляется из коптильной камеры посредством устройства отвода 11.
На экспериментальной установке был проведен ряд экспериментов, в ходе которых было установлено влияние различных параметров на процесс насыщения рыбопродуктов коптильными компонентами.
Основным веществом, определяющим качество проведения процесса насыщения коптильными компонентами рыбопродуктов, является фенол [8]. Для анализа содержания фенола в готовом рыбопродукте воспользовались флуориметрическим методом с помощью анализатора жидкости «Флюорат-02-ЗМ».
В качестве модельного продукта в экспериментах использовалось копченое мясо толстолобика в виде соломки, полученное с применением электростатического поля и режима постоянного перемешивания. При этом толщина соломки не превышала 5 мм, а длина 80 мм. Данный продукт содержал в 100 г: Белки - 19,5; Жиры -0,9; Углеводы - 0,2; Зола - 1,096; Влага - 78,598. Энергетическая ценность составляет 114,307 ккал на 100 г продукта. Продукт богат витаминами А, В1, В2, Е, РР.
Подвергнутый процессу насыщения коптильными компонентами образец весом 10 г направляли в фарфоровую ступку, которую наполняли дистиллированной водой в соотношении 1:2. После проделанной операции образец измельчали, достигая, таким образом, гомогенной консистенции. Далее образец подвергали гомогенизации на лабораторном гомогенизаторе в течение 5 мин. Полученный образец фильтровали с помощью бумажного фильтра. Значение массовой концентрации фенолов в продукте предположительно составит свыше 0,1 до 1,0 мг/дм3 включительно. При отборе проб для анализа пользовались пипеткой объемом 10 см3. Затем пробу помещали в воронку объемом 100 см3, добавляя 10 см3 экстрагента (бутиловый эфир уксусной кислоты х. ч.). Процесс экстракции происходит в течение 30 с. Далее образец отстаивали и разделяли на слои. Нижний (водный) сливали, а в верхний (органический) дополняли 10 см3 реэкстрагента - 1 %-ным раствором гидроксида натрия. В течение 30 с проводили реэкстракцию. Водный слой отправляли в емкость объемом 100 - 150 см3, после чего прибавляли по каплям раствор соляной кислоты с концентрацией 5 моль/дм3 и перемешивали. Контроль над рН раствора производили при помощи универсального индикатора. Значение рН должно находиться в интервале 3-6. Измерение массовой концентрации фенолов в полученном растворе проводили в режиме «Измерения». Массовая доля фенолов определялась в 60 г продукта. Значение концентрации фенолов в 100 г образца определяли по формуле [8]
¿/•100
X --
а
У
где б. - количество фенола, полученного на флюорате, мг/дм3; а - количество водного экстракта с продуктом.
Находили концентрацию фенолов в пробах, отбор которых производился из середины слоя рыбопродукта, что позволяло оценить качество проникновения коптильных компонентов в результате фильтрации дымовоздушной смеси через слой. В результате проведения исследований кинетики насыщения фенолами мяса толстолобика при различной частоте вращения коптильной камеры были получены кривые, представленные на рис. 2 и 3.
п. мг/кг
Рис.2. Зависимости содержания фенолов в мясе толстолобика от продолжительности процесса копчения при различных значениях частоты вращения коптильной камеры
Анализ кривых, представленных на рис. 2, позволяет сделать вывод об интенсификации процесса насыщения фенолами мяса толстолобика в виде соломки при увеличении частоты вращения коптильной камеры, создавая, таким образом, режим постоянного перемешивания. При частоте вращения ниже 3,5 мин 1 происходит образование режима фильтрующего слоя (неподвижного или плотного движущегося), который, применительно к рыбной соломке, способствует резкому возрастанию в коптильной камере гидравлического сопротивления, препятствующего прохождению коптильных компонентов через слой рыбопродукта, что отражается в нарушении равномерности распределения концентрации фенолов в готовом продукте.
За счет наложения электростатического поля (Е = 40 кВ/м) (рис. 3), происходит увеличение концентрации фенолов в пробах рыбопродуктов, однако наблюдается и влияние фактора режима постоянного перемешивания на накопление фенолов в продукте. Таким образом, режим постоянного перемешивания обеспечивает основную функцию - фильтрацию коптильной смеси через слой рыбопродукта, обеспечивая насыщение его ароматом дыма, а элементы электростатики играют вспомогательную роль - способствуют направленному движению и осаждению коптильных компонентов на поверхность продукта с последующей его диффузией внутрь.
п, мг/кг 1 55 50 4.5 4,0 35 30 25 20 15 10 5
° 40 80120160 200 240280320 360 400 Ш
—— г, с
Рис.3. Зависимости содержания фенолов в мясе толстолобика от продолжительности процесса копчения при различных значениях частоты вращения коптильной камеры с использованием электростатического поля
Проводя анализ кривых, представленных на рис. 4, можно сделать вывод об образовании экстремума, показывающего максимум концентрации фенолов в мясе толстолобика при частоте вращения коптильной камеры порядка 5,5 мин4. Такое явление можно объяснить тем, что при более высоких частотах происходит повышение порозности слоя рыбопродукта и начинает сказываться эффект так называемого «проскока». Таким образом, можно заключить, что время нахождения частиц коптильных компонентов в зоне коронного разряда становится меньше времени, необходимого для того, чтобы частица приобрела значение величины своего предельного заряда. Нельзя не отметить и тот факт, что происходит увеличение потока частиц коптильных компонентов, проходящих с большой скоростью через слой рыбопродукта, не успевая должным образом осесть на поверхности продукта.
п, мг/кг 1 55 50 45 40
35\
30!
25 20 15 10 5 О
23456789 10 12
-)
— со, мин
Рис. 4. Зависимости содержания фенолов в мясе толстолобика от частоты вращения коптильной камеры при различных значениях напряженности электростатического поля
Процесс копчения с применением элементов электростатики включает в себя два основных физических процесса - это осаждение коптильных веществ на поверхности продукта и их дальнейшая диффузия в его толщу.
Основной диффузионной характеристикой принято считать коэффициент диффузии Д м2/с [8]. С целью определения коэффициента диффузии фенолов в мясе толстолобика было принято решение следовать методике, основанной на принципе отслеживания продолжительности перемещения границы, для которой характерно фиксированное значение концентрации фенолов. В качестве индикатора концентрации фенолов использовалась следующая смесь: 20 мл 0,025 %-ного раствора углекислого натрия (рН 10,5), 0,5 мл 2 %-ного водного раствора 4-аминоантипирина и 0,25 мл 8 %-ного водного раствора железосинеродистого калия. Даже весьма незначительное количество веществ фенольной группы оказывает влияние на данный раствор, который меняет свой цвет от светло-жёлтого к желто-коричневому.
Коэффициент диффузии определялся для фенолов в одном рыбопродукте. За образец было взято мясо толстолобика, нарезанное в виде соломки. Данный рыбопродукт подвергали процессу насыщения ароматом дыма под воздействием электростатического поля с применением режима постоянного перемешивания при строго стабилизированных технологических режимах. За счет проведения такого рода операций обеспечивалась постоянная начальная концентрация фенолов у поверхности образца, что позволяло достичь стабильности граничных условий в каждом опыте. С целью исключить эффект температурной диффузии предусматривалось термостатирование. Исходя из технологических условий ведения процесса копчения, выбирался диапазон температур - 290...315 К.
Индикаторным раствором на основе 4-амино-антипирина пропитывалась хроматографическая бумага с предварительно нанесенной миллиметровой шкалой для определения расстояния. После проведения такого рода подготовительных операций бумага помещалась на рабочую поверхность компьютерного сканера. Разрезанный рыбопродукт размещали сверху на бумаге.
DxW'l м2/с 2,0
18
1.6
и
12
1.0 0.8
291 2% 297 300 303 306 309 312 315
- Т.к
Рис. 5 - Зависимость коэффициента диффузии фенолъных веществ в толщу мяса толстолобика от температуры: -•- - под воздействием электростатического поля с применением режима постоянного перемешивания; -А - - традиционный способ
Анализируя полученную зависимость коэффициента диффузии от температуры (рис. 5), приходим к выводу, что она носит линейный характер. По всей видимости, это можно объяснить тем, что рассматриваемый в ходе проведения эксперимента температурный диапазон относительно невелик, не оказывает существенного влияния ни на структуру, ни на агрегатное состояние исследуемого продукта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Антипов С.Т., Мальцева О.В., Шахов C.B. Совершенствование процесса электростатического копчения твердых сыров с индуктивным подводом энергии при дымогенерации [Текст] / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 2011. - С. 176.
2. Антипов С. Т., Шахов C.B., Китаев С.Ю. Модернизация дымогенератора установки для копчения и термической обработки рыбных продуктов [Текст] / Прогрессивные технологические процессы обработки рыбы и морепродуктов: межвуз. сб. науч. тр. - Калининград: Калининградский гос. технич. унив. - 2002. -С. 41-44.
3. Бондаренко В.А., Миргородская О.Н. Российский рынок снековой продукции: реалии и возможные перспективы [Текст] / Экономика и предпринимательство. - 2015. - № 9-1 (62-1). - С. 920-923.
4. Бочкарев, В.В. Теоретические основы технологических процессов охраны окружающей среды [Текст] / Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 318 с.
5. Воробьев В.И., Валуйская К.Б. Рыбные снеки - продукт функционального назначения [Текст] / В сборнике: Инновации в индустрии питания и сервиса (HoReCa) / / Материалы научно-практической конференции. А.Б. Кондратенко (отв. ред.); Западный филиал РАНХиГС. - 2016.
С. 22-26.
6. Зотова A.B. Инновационные технологические решения в производстве снековой продукции [Текст] / Научные труды Кубанского государственного технологического университета. - 2017. - № 5. - С. 224-233.
7. Ким Г.Н. Экологическая безопасность производства копченых рыбных продуктов [Текст]. - Москва: Колосс, 2007. - 325 с.
8. Остриков А.Н., Шевцов A.A., Дмитриев Ю.А. Аналитическое исследование задачи диффузии компонентов коптильного дыма при холодном копчении рыбы [Текст] / В сборнике: Материалы XL отчетной научной конференции за 2001 год, 2002. - С. 193-195.
REFERENCE
1. Antipov S. Т., Maltseva О. V., Shakhov S. V. Improving the process of electrostatic smoking of hard cheeses with inductive supply of energy during smoke generation [Text] / Voronezh, state technol. Acad. - Voronezh, 2011 .- P. 176.
2. Antipov S. Т., Shakhov S. V., Kitaev S. Yu. Modernization of the smoke generator of a plant for smoking and heat treatment of fish products [Text] / Progressive technological processes for processing fish and seafood: interuniversity. Sat scientific tr -Kaliningrad: Kaliningrad state, tech. univ. - 2002. - P. 41-44.
3. Bondarenko V.A., Mirgorodskaya O.N. The Russian market of snack products: realities and possible prospects [Text] / Economics and entrepreneur ship. - 2015. - No. 9-1 (62-1). - P. 920-923.
4. Bochkarev, V.V. Theoretical foundations of technological processes of environmental protection [Text] / Tomsk: Publishing house of Tomsk Polytechnic University, 2012. - 318 p.
5. Vorobyov V.l., Valuyskaya K.B. Fish snacks - a product of functional purpose [Text] / In the collection: Innovations in the Food and Service Industry (HoReCa) / / Materials of a scientific and practical conference. A.B. Kondratenko (ed.); Western branch of RANEPA. - 2016. - P. 22-26.
6. Zotova L.V. Innovative technological solutions in the production of snack products [Text] / Scientific works of the Kuban State Technological University. - 2017. - No. 5. - P. 224-233.
7. Kim G.N. Ecological safety of the production of smoked fish products [Text]. -Moscow: Colossus, 2007. - 325 p.
8. Ostrikov A.N., Shevtsov A.A., Dmitriev Yu.A. An analytical study of the problem of diffusion of smoke smoke components during cold smoking of fish [Text] / In the collection: Materials XL of the scientific conference report for 2001, 2002. - P. 193-195.
