CC BY
26УДК 664.8.039.51
ИССЛЕДОВАНИЕ РАВНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ В МНОГОЯРУСНОМ
ШКАФНОМ УСТРОЙСТВЕ
Завалий А. А., доктор технических наук, доцент; Лаго Л. А., ассистент; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
Исследована равномерность процесса инфракрасной сушки яблок в многоярусном шкафном устройстве для одноканального и двухканального управления тепловым режимом сушки. Приведены результаты определения влажности сырья и сохранения витамина С в процессе сушки, а также данные о сохранении витамина С в сушеных яблоках при их хранении. Получено, что инфракрасная сушка яблок позволяет сохранить в продукте сушки от 50 до 70 % исходного содержания витамина С. Двухканальное управление процессом сушки обеспечивает более высокую равномерность процесса сушки и как результат - повышенное содержание витамина С в продукте сушки. Инфракрасная сушка яблок в многоярусном устройстве и последующее хранение продукта сушки в течение 4-х месяцев в бумажной таре в сухом прохладном помещении обеспечивает сохранение в продукте не менее 40 % исходного содержания витамина С.
Ключевые слова: инфракрасная сушка, яблоки, влажность, аскорбиновая кислота.
THE UNIFORMITY OF INFRARED
DRYING PROCESS OF PLANT RAW MATERIALS RESEARCHING IN A TIERED RACK DEVICE
Zavaliy A. A. Doctor of technical Sciences, Associate Professor; Lago L. A. assistant; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
This research is about the uniformity of the process of infrared drying of apples in a multi-tier cabinet unit for single-channel and two-channel control of the thermal mode of drying. It presents the results of the determination of the moisture content of the raw material and the preservation of vitamin C during the drying process, as well as data on the preservation of vitamin C in dried apples during storage. The result is that infrared drying of apples allows to keep 50-70 % of the initial content of vitamin C in the dried product. The two-channel control of the drying process provides a higher uniformity of the drying process and, as a result, an increased content of vitamin C in the dried product. Infrared drying of apples in a multi-tiered device and the subsequent storage of the dried product for 4 months in a paper container in a dry cool room ensures that at least 40% of the original content of vitamin C is preserved in the product.
Keywords: infrared drying, apples, humidity, ascorbic acid.
115
Введение. Свежие плоды и ягоды являются естественным источником питательных и биологически активных веществ для организма человека. Если первые восполняют энергетические потери человека, то вторые способствуют нормализации и обеспечению функционирования жизненно важных органов. Так, в организме человека аскорбиновая кислота или витамин С участвует в окислительно-восстановительных ферментативных реакциях; положительно влияет на работу эндокринных желез, центральную нервную систему, повышает сопротивляемость организма, мешает образованию канцерогенов, способствует заживлению ран. По данным [1, 2] витамин С обладает антимутационным, противовоспалительным, антиаллергенным, кардиопротективным и сосудорасширяющим эффектом.
Потери биологически активных веществ из-за несовершенства технологий переработки сельскохозяйственного сырья остаются высокими. Оценим объемы потерь витамина С на примере производства яблок в Республике Крым. Согласно данным министра сельского хозяйства Крыма урожай яблок в 2018 году составил 94 тысячи тонн [3]. При потерях 10 % за счет нерационального хранения и отсутствия своевременной переработки масса потерянного урожая составляет 940 тонн. При содержании витамина С в 1 кг свежих яблок 150 мг/кг потери витамина С составляют 141 кг, что при суточной норме потребления человеком витамина С 70 мг/сутки составит 2 миллиона суточных доз витамина С. Приведенные данные говорят о настоятельной необходимости разработки технологий и устройств, позволяющих избежать потерь крайне важных для человека биологически активных веществ растительного происхождения.
Нами для сохранения витаминного состава растительного сырья разрабатываются технологии инфракрасной сушки в компактных многоярусных шкафных устройствах, предназначенных для получения продукта сушки в условиях сельскохозяйственного производства, то есть непосредственно в поле или в саду. В первую очередь устройства предназначены для переработки несортового и некондиционного сырья, которое не может быть реализовано в свежем виде. Переработка такого сырья позволяет получить высушенный продукт, сохраняющий до 80 % от начального содержания витаминов (в пересчете на сухое вещество) [4]. Такой продукт содержит много клетчатки, что положительно влияет на пищеварение и обмен веществ, в нем содержится много биологически активных веществ (БАВ) в концентрированном виде.
Перспективность использования инфракрасной сушки как способа сохранения БАВ подтверждается исследованиями различных авторов [2, 5]. По данным [6] применение инфракрасного излучения для сушки пищевых продуктов предохраняет полученный продукт от развития микрофлоры.
Целью настоящей статьи является исследование равномерности процесса инфракрасной сушки яблок в многоярусном шкафном устройстве.
Состав и концентрация биологически активных веществ: витаминов, минеральных элементов и органических кислот является одним из главных критериев качества овощей и фруктов. Химический состав свежих яблок (по данным [7]) представлен в таблице 1.
116
Таблица 1. Химический состав 100 г съедобной части яблок
Минеральные вещества (мг %) Витамины (мг %)
Продукты Белки (г Жиры (г ы д о « <и £ № К Са Mg Р Бе Каро тин В1 В2 РР С
Яблоки 0,4 0,4 9,8 26 278 16 9 11 2,2 0,03 0,03 0,02 0,33 10,0
Для оценки качества полученной продукции используют определяющий показатель. Исходя из химического состава яблок (см. таблицу) определяющим показателем качества сушеной продукции может служить количественное содержание витамина С в готовом продукте. По данным различных исследований [8] витамин С (аскорбиновая кислота) самый нестабильный витамин, высокочувствительный как к окислению, так и к температуре, поэтому он легко разрушается при технологической обработке.
Материал и методы исследований. Для исследования равномерности процесса ИК сушки растительного сырья использовали многоярусное шкафное устройство ИК сушки с центральным отражателем [9]. Рабочий объем устройства составляет 0,6 м3, источники теплового излучения - линейные галогеновые лампы накаливания, общая электрическая мощность которых составляет 2700 Вт. Для удаления испаренной из сырья влаги устройство оснащено вытяжным вентилятором мощностью 25 Вт. В устройстве установлены 10 сетчатых лотков размерами 500х1000 мм, на которых размещается подлежащее сушке сырье.
Преимуществами данного устройства перед устройствами-аналогами являются высокая степень равномерности сушки на поверхности лотка или яруса, малые потери энергии, низкие затраты энергии на влагоудаление (не более 1,2 кВтчас на килограмм испаренной влаги), высокая объемная загрузка (расстояние между ярусами составляет 100 мм), высокая надежность устройства, управление температурным режимом сушки релейным регулятором по прямому измерению температуры в поверхностном слое сырья (релейное регулирование создает импульсный режим нагрева сырья в ходе сушки и предохраняет сырье от перегрева).
Исследовали свежие и высушенные яблоки сортов Мельбек, Голден делишес и Ренет Симиренко, собранные в садах Академии биоресурсов и природопользования КФУ им. В. И. Вернадского в 2017 году. Сушку выполняли при температуре сырья 45 оС с гистерезисом релейного регулятора температуры, равным 1 оС.
Отбор средней пробы осуществляли по ГОСТ 26313-2014 [10]; остаточное содержание влаги определяли термогравиметрическим методом путем высушивания образца до постоянной массы по ГОСТ 28561-90 [11]. Определение содержания витамина С осуществляли по ГОСТ 24556-89 [12].
Опыт проводили следующим образом: яблоки предварительно мыли, нарезали на кусочки, толщиной 6±2 мм, после чего отбирали среднюю пробу яблок для определения витамина С и влажности до сушки. Нарезанные яблоки раскладывали в один слой на сетчатых лотках.
117
Для регистрации температуры сырья в ходе сушки на одном из лотков устройства закреплены 5 измерительных преобразователей температуры термопар типа К (хромель-алюмель) с открытыми спаями диаметром 0,35 мм (рис. 1), на которые «накалывали» кусочки яблок. Такой же преобразователь температуры релейного регулятора режима сушки устанавливается в кусочек сырья в центральной части лотка (рис. 2). Данные измерительных преобразователей температуры регистрировались в память персонального компьютера с интервалом 1 раз в секунду.
Рисунок 1. Расположение термопар на лотке
Рисунок 2. Размещение датчика регулирования температуры в дольке яблока
Исследование проводилось для одноканального и двухканального управления тепловым режимом в объеме камеры. Отличие режимов заключалось в том, что при одноканальном управлении источники теплового излучения всех ярусов камеры включались и выключались при достижении заданной температуры в продукте сушки, за которую отвечал датчик температуры, расположенный на 3-м лотке сверху. При 2-х канальном управлении первые 5 ярусов регулировались датчиком, расположенным на 3-м лотке, а остальные (с 6-го по 10-й) - датчиком, расположенным на 6 лотке сверху.
Перед началом сушки регистрировали массу яблок (отдельно по каждому лотку), показание счетчика электрической энергии, время начала сушки, содержание витамина С и влажность в средней пробе. Затем включали источники
118
излучения и вытяжной вентилятор. Через 12 часов после начала сушки брали среднюю пробу яблок с лотка и в ней определяли влажность и содержание витамина С. Среднюю пробу брали с лотков № 1, 3, 5, 7 (лотки считали сверху вниз) и для каждого из них отдельно определяли влажность и содержание витамина С. Фиксировали показание счетчика электрической энергии. Далее взятие проб и определение влажности, содержания витамина С и расхода электроэнергии выполняли каждый час до момента достижения влажности в продукте не более 12 %. С целью оценки процента сохранения витамина С в ходе сушки количество витамина в продукте приводилось к одному показателю - содержание витамина С в сухом веществе.
Результаты и обсуждение. На рис. 3 приведена термограмма процесса сушки в течение первых 5-ти часов. На графике приведены изображения изменения температуры 5-ти датчиков, размещенных в теле ломтиков яблок на лотке. Как следует из термограммы, температура ломтиков яблок, размещенных на поверхности одного лотка, практически одинакова и изменяется пилообразно из-за релейного управления электрическим питанием источников излучения. При заданном регулятором среднем значении температуры 45 °С и гистерезисе температуры 1 °С фактическое значение амплитуды колебания температуры составило 7-8 °С, что объясняется тепловой инерционностью сырья и происходящими в нем сочетанными процессами нагрева-охлаждения, перемещения влаги из внутренних слоев к поверхности и испарения влаги. Характерной особенностью пилообразного изменения температуры является увеличение частоты срабатывания регулятора в ходе сушки, что объясняется уменьшением влажности и, соответственно, теплоемкости долек яблок.
Рисунок 3. Термограмма процесса сушки яблок
На рис. 4 и рис. 5 приведены результаты определения влажности сырья, размещенного на лотках № 1, 3, 5, 7 (нумерация, начиная с верхнего лотка) 10-ти ярусного устройства. На рис. 4 приведены данные влажности для одно-канального управления тепловым режимом сушки по показаниям датчика температуры, размещенного на 3-м ярусе устройства. На рис. 5 приведены данные
119
для двухканального управления, при котором датчики температуры размещались на 3-м и 6-м лотке.
Влажность,
25 20 15 10 5 0
♦ 1-й лоток А 5-й лоток ■ 3-й лоток X 7-й лоток
Ю 12 14 Время сушки, час Рисунок 4. Изменение влажности по лоткам в процессе сушки (однока-нальное управление)
влажиость.% * 1-й лоток а 5-й лоток 40
15 -|— — ВЗ-й лоток X 7-й лоток 30
25 20 15 10
О
* ♦ ♦
X ■ X *
А X !
1 I *
10 12 14 время сушки, час
Рисунок 5. Изменение влажности по лоткам в процессе сушки (двухка-нальное управление)
Как следует из рис. 4, влажность сырья на 7-м лотке самая высокая и после 16 часов сушки достигает 17 %, в это же время влажность на 1-м лотке составляет менее 10 %. После выемки и выдержки продукта сушки в течение 12 часов в бумажной таре влажность продукта сушки составила 13,6 %.
Данные рис. 5 показывают, что разброс значений влажности по лоткам существенно ниже при двухканальном управлении, чем при одноканальном. Так, после 16 часов сушки влажность на 7-м лотке составила 15,5 %, а на 1-м лотке - 9,5 %. После выемки продукта сушки и выдержке в бумажной таре в течение 12 часов влажность продукта сушки составила 12 %.
Неравномерность сушки по высоте многоярусного устройства объясняется более интенсивным тепловым воздействием на сырье на верхних ярусах, так как к тепловому потоку излучения источников добавляется теплота вентилирующего воздуха, поднимающегося в устройстве снизу вверх и нагревающегося от сырья и элементов конструкции внутреннего объема устройства. Низкая интенсивность насыщения влагой воздуха в сочетании с его нагревом приводит к тому, что влажность вентилирующего воздуха в устройстве снижается при его движении через лотки (в отличие от конвективных устройств, где влажность воздуха растет при движении по устройству). Более высокая равномерность влажности при двухканальном управлении объясняется более равномерной подачей тепловой энергии, так как подача энергии теплового излучения на лотки верхней группы выполняется реже из-за дополнительного подогрева сырья на этих лотках нагретым вентилирующим воздухом.
На рис. 6 и рис. 7 представлены данные определения сохранения витамина С для одноканального и двухканального управления тепловым режимом сушки соответственно. На графиках указаны линии регрессии (линия 1 на рис. 6 и линия 2 на рис.7), коэффициент корреляции которых не превышает 0,02. Это свидетельствует о том, что сохранение витамина С не зависит от заданного теплового воздействия, если сырье имеет влажность меньше 17 %. Двухканаль-
120
ное управление обеспечивает более высокий процент сохранения витамина С в продукте сушки, что связано, по нашему мнению, с большей равномерностью процесса сушки по высоте многоярусного устройства.
12 14 Время сушки, час
Рисунок 6. Сохранение витамина С в процессе сушки (одноканальное управление)
11 12 13 14 15 Время сушки, час
Рисунок 7. Сохранение витамина С в процессе сушки (двухканальное управление)
На рис. 8 представлены данные определения сохранения витамина С в сушеных яблоках с течением времени при хранении продукта сушки в бумажной таре в помещении при температуре 16-18 °С и влажности 45-65 % для од-ноканального и двухканального режимов сушки. На графике (рис. 8) указаны линии регрессии (линия 1: у = -4,511-х + 69,889, коэффициент корреляции 0,75; линия 2: у = -3,7377х + 54,758, коэффициент корреляции 0,87). Достаточно высокие значения коэффициентов корреляции линий регрессии свидетельствуют об устойчивом снижении содержания витамина С в продукте сушки при его хранении. Темп снижения содержания витамина С для обоих режимов сушки практически одинаков, то есть сохранность витамина С определяется его содержанием в начале срока хранения.
121
2 4 Период хранения, месяц
Рисунок 8. Сохранение витамина С в сушеных яблоках с течением времени
Выводы. 1. Инфракрасная сушка яблок позволяет сохранить в продукте сушки от 50 до 70 % исходного содержания витамина С.
2. Двухканальное управление процессом сушки обеспечивает более высокую равномерность процесса сушки и как результат - повышенное содержание витамина С в сушеных.
3. Инфракрасная сушка яблок в многоярусном устройстве и последующее хранение продукта сушки в течение 4-х месяцев в бумажной таре в сухом прохладном помещении обеспечивает сохранение в продукте не менее 40 % исходного содержания витамина С.
Список использованных источников:
1. Yong Hong Lee Drying characteristics and product quality of lemon slices dried with hot air circulation oven and hybrid heatpump Dryers/ Yong Hong Lee, Siew Kian Chin, Boon Kuan Chung / Internal J. Sci. Eng., Vol. 8 (1) 2015: 69-74, January 2015.
2. Попов В. М., Афонькина В. А. Результаты исследований качественных показателей процесса ИК - сушки томатов по содержанию аскорбиновой кислоты // Международный научно-исследовательский журнал. - 2017. -№ 09 (63). - Часть 3. - С. 58-62.
References:
1. Yong Hong Lee Drying characteristics and product quality of lemon slices dried with hot air circulation oven and hybrid heatpump Dryers / Yong Hong Lee, Siew Kian Chin, Boon Kuan Chung / Internat. J. Sci. Eng., Vol. 8 (1) 2015: 69-74, January 2015.
2. Popov V. M., Afonkina V. A. The results of studies of quality indicators of the process of infrared - drying of tomatoes on the content of ascorbic acid // International Scientific Research Journal. - 2017. - № 09 (63). -Part 3. - P. 58-62.
122
3. В Крыму завершен сбор урожая яблок. Крымская правда. [Электронный ресурс] URL: https://c-pravda.ru/ news/2018-12-09/v-krymu-zavershen-sbor-urozhaya-yablok (дата обращения: 2019-02-13).
4. Завалий А. А. Разработка и тепловое моделирование устройств инфракрасной сушки термолабильных материалов / А. А Завалий, Ю. Ф. Снеж-кин. - Симферополь: ИТ «Ариал», 2016. - 263 с.
5. Witrowa-Rajchert, D., Rzaca, M., 2009, Effect of Drying Method on the Microstructure and Physical Properties of Dried Apples, Drying Technology, 7, P. 903-909.
6. Залётова Т. В. Влияние видов предварительной обработки на качество сушеных яблок / Т. В. Залётова: дисс. канд. техн. наук. - Нижний Новгород, - 2013.
7. Химический состав российских пищевых продуктов: Справочник / Под ред. член-корр. МАИ, проф. И. М. Скурихина и академика РАМН, проф. В. А. Тутельяна. - М.: ДеЛи-принт, 2002. - 236 с.
8. Кузьмин А. А Стабильность витаминов в кормах и питьевой воде / А. А Кузьмин. - URL:http://zodorov. ru/stabilenoste-vitaminov-v-kormah-i-piteevoj-vode.html. (дата обращения: 2019-01-14).
9. Сушильное устройство: пат. 157342 Рос. Федерация : МПК51 F26 В9/06 (2006.01) F26 В3/30 (2006.01) / Завалий А. А., Снежкин Ю. Ф., Рутен-ко В.С.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского». - 2015113581/06; заявл. 13.04.2015; опубл. 27.11.2015.
3. In Crimea, the harvest of apples has been completed. Crimean truth. [Electronic resource] URL: https://c-pravda.ru /news/2018-12-09/v-krymu-zavershen-sbor-urozhaya-yablok (access date: 2019-02-13).
4. Zavaliy A. A. Development and thermal modeling of infrared drying devices for thermolabile materials / A. A. Zavaliy, Yu. F. Snezhkin. - Simferopol: IT «Arial», 2016. -263 p.
5. Witrowa-Rajchert, D., Rzaca, M., 2009, Effect of Drying Method on the Microstructure and Physical Properties of Dried Apples, Drying Technology, 7, P. 903-909.
6. Zaletova T.V. Effect of pretreat-ment types on the quality of dried apples
/ T. V. Zaletova: diss. Cand. technical sciences - Nizhny Novgorod, - 2013.
7. Chemical Composition of Russian Food Products: A Handbook / Ed. correspondent member MAI, prof. I. M. Skurikhin and academician of RAMS, prof. V.A. Tutelyan. - M .: DeLiprint, 2002. - 236 p.
8. Kuzmin A. A. Stability of vitamins in feed and drinking water / A. A. Kuzmin. - URL: http://zodorov.ru/stabi lenoste-vitaminov-v-kormah-i-piteevoj-vode.html. (the date of the appeal: 201901-14).
9. Drying device: Pat. 157342 Ros. Federation: MPK51 F26 B9 / 06 (2006.01) F26 B3 / 30 (2006.01) / Zavaliy A. A., Snezhkin Yu. F., Rutenko V. S.; applicant and patent holder of FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal Uni-versity» - 2015113581/06; declare 04/13/2015; publ. 11.27.2015.
10. GOST 26313-2014. Fruit and vegetable processing products. Accep-
123
10 ГОСТ 26313-2014. Продукты переработки фруктов и овощей. Правила приемки и методы отбора проб. -М.: Стандартинформ, 2015. -10 с.
11 ГОСТ 28561-90. Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения сухих веществ или влаги. - М.: Стандартинформ, 2011. - 9 с.
12 ГОСТ 24556-89. Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения витамина С. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. - 11 с.
Сведения об авторах:
Завалий Алексей Алексеевич -доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой общетехнических дисциплин Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: zavalym@mail.ru, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
Лаго Людмила Анатольевна - ассистент кафедры общетехнических дисциплин Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: luda_ lago@mail.ru, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
tance rules and sampling methods. - M.: Standardinform, 2015. - 10 p.
11. GOST 28561-90. Products of processing fruits an d vegetables. Methods for determination of dry matter or moisture. - M.: Standardinform, 2011. - 9 p.
12. GOST 24556-89. Products of processing fruits and vegetables. Methods for the determination of vitamin C. -M.: IPK Publishing house of standards, 2003. - 11 p.
Information about the authors:
Zavaliy Alexey Alekseyevich - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, the head of the department of General technical disciplines of Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: zavalym@ mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernad-sky Crimean Federal University» Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Lago Ludmila Anatolievna - assistant of the Department of General Technical Disciplines, of Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: luda_lago@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
124
