Кинетические закономерности гидротермической обработки овощного сырья Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 664.047.3:577.114:678.5.02 DOI 10.29141/2500-1922-2018-3-4-10

Кинетические закономерности гидротермической обработки овощного сырья

А.Х.-Х. Нугманов1*, О.А. Алексанян1, М.А.С. Барзола2

Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань, Российская Федерация, *e-mail: [email protected] 2Государственный университет Св. Елены Пенинсула, г. Гуаяс, Эквадор

Реферат

Исследована кинетика термической обработки продуктов общественного питания, определена ее продолжительность в паровой среде в процессе варки; установлена степень готовности конечных продуктов, в частности овощных - свеклы, моркови и картофеля. Из существующих методов определения готовности продуктов питания рациональным как с физической, так и с механической точки зрения признан метод определения активного сопротивления постоянному току Q в обрабатываемом объекте. В процессе варки замерялся показатель Q до кулинарной готовности образца, рассчитываемый органолептическим путем, в результате чего получена зависимость Q = f(t). Возможность применения данного методического подхода обусловлена тем, что в результате термического воздействия происходит деструкция тканей обрабатываемого объекта, сокращается число неполярных растворимых компонентов, а количество ионов возрастает из-за образования диссоциированных аминокислот и электролитов клеточного сока, высвобождаемых при разрушении клеточных оболочек. В процессе достижения кулинарной готовности структура продукта разрушается, и Q снижается до минимума. Установлена кинетическая зависимость скорости варки: ^ = 1/f(Q). Результаты анализа кинетических кривых варки позволили установить закономерности изменения физико-химических параметров кулинарной готовности пищевого продукта. Сделан вывод о наличии четырех основных этапов процесса варки на пару, для каждого из которых приведены кинетические зависимости = f(Q) в интервалах Q, присущих конкретному продукту. Согласно результатам исследования готовность продукта наступает при Q = 18...25 кОм.

Для цитирования: А.Х.-Х. Нугманов, О.А. Алексанян, М.А.С. Барзола. Кинетические закономерности гидротермической обработки овощного сырья //Индустрия nитания|Food Industry. 2018. Т. 3. № 4. С. 81-87. DO110.29141/2500-1922-2018-3-4-10

Kinetic Principles of the Vegetable Raw Materials Hydrothermal Treatment

Albert H.-H. Nugmanov1*, Oksana A. Aleksanyan1, Miguel A. S. Barzola2

Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russian Federation, *e-mail: [email protected] 2State University Santa Elena Peninsula, Guayas, Ecuador

Abstract

The research concerns the heat treatment kinetics and duration determination of food products in the steam environment in the cooking process. Authors determined the degree of final products readiness, in particular, vegetables - beets, carrots and potatoes. From the existing determining methods of the food readiness, the most physically and mechanically rational is the determination of the active resistance to direct current Q in the processed object. During the cooking process the researchers measured Q till the samples were ready, that was determined organoleptically. As a result, they obtained the dependence Q = f (t). The reasonable application possibility of such methodical approach can be explained as

Ключевые слова:

овощные продукты; гидротермическая обработка; кинетика процесса; степень готовности; проводимость электрического тока

Keywords:

vegetable products;

hydrothermal

treatment;

kinetics of the process; readiness degree; current electric conductance

follows. As a result of thermal exposure, there is a destruction in the tissues of an object, the number of non-polar soluble components decreases, and the number of ions rises due to the formation of dissociated amino acids and electrolytes of cell sap released when cell membranes are destroyed, which leads to a decrease in Q. In the process of achieving culinary readiness, the product structure is significantly destroyed and Q is reduced to a certain minimum. The kinetic dependences of the cooking rate are the following: ^ = 1 / f(Q). Analysis of the kinetic curves of cooking allows to determine patterns of changes in physical and chemical parameters leading to culinary readiness of the food product, and leads to the conclusion that there are four main stages in the steaming process, for each of which the kinetic dependencies are given = f(Q) in the Q intervals inherent in each specific product. The research results analysis showed that the product is ready when the value of this parameter is reached Q = 18 ... 25 kQ.

For citation: Albert H.-H. Nugmanov, Oksana A. Aleksanyan, Miguel A. S. Barzola. Kinetic Principles of the Vegetable Raw Materials Hydrothermal Treatment. Индустрия питания|Food Industry. 2018. Vol. 3, No. 4. P. 81-87. DO110.29141/2500-1922-2018-3-4-10

Актуальность

Обеспечение рынка продовольственных товаров отечественной продукцией, конкурентоспособной на мировом уровне - приоритетный вектор реализации государственной политики и обеспечения продовольственной безопасности России. Доминирующими направлениями развития отечественной пищевой индустрии являются разработка новых или модернизация и стандартизация существующих технологий и оборудования в агропромышленном секторе, а в общественном питании - разработка оригинальных технологий, конструкторских решений, программных продуктов, комплекса объективных количественных методов оценки потребительских ожиданий, что позволит оперативно наладить выпуск востребованной, конкурентоспособной качественной продукции.

Для изучения кинетики гидротермической обработки, в частности процесса варки, при производстве продуктов общественного питания1 необходимо определить степень готовности конечных продуктов, что можно проводить различными традиционными и оригинальными методами. Выбор метода базируется на сравнении его достоинств и недостатков2 с другими методами в зависимости от производственных условий [5; 8].

1Способ определения готовности пищевых продуктов после тепловой обработки: а. с. № 1451594 на изобретение, СССР / Баранов В.С., Тупицын В.А., Жуковская Л.П.; Московский институт народного хозяйства им. Г.В. Плеханова; заяв. 16.07.1986; Устройство для определения степени готовности пищевых продуктов после тепловой обработки: пат. № 173447 РФ, МПК GOIN 33/02, GOIN 27/07, РФ / Краснов В.А., Краснов И.В., Алексанян А.И., Нугманов А.Х.-Х.; заявл. 21.11.2016; опубл. 28.08.2017; Бюл. № 25.

2ГОСТ 31986-2012. Услуги общественного питания. Метод органолептической оценки качества продукции обществен-

ного питания. М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.; ГОСТ Р 567662015. Услуги общественного питания. Продукция общественного питания. Требования к изготовлению и реализации.

Объекты и методы исследования

Объектами изучения являлись овощные продукты (свекла, морковь и картофель) в процессе их варки (в паровой среде) для использования при приготовлении заправочных супов [3; 4; 9].

Свекла столовая - темно-красный корнеплод, содержащий бетацианины, преимущественно бетанин. Технологические требования к столовой свекле регламентированы ГОСТ Р 518112011 «Свекла столовая свежая, реализуемая в розничной торговой сети».

Морковь, как и свекла, также является корнеплодом оранжевого, оранжево-красного (каро-тинового), белого, желтого, черного, фиолетового и розового цвета. Требования к моркови регламентированы ГОСТ Р 51782-2001 «Морковь столовая свежая, реализуемая в розничной торговой сети».

Продовольственный картофель является разросшейся почкой, состоящей из клеток, заполненных крахмалом, покрытой пробковой тканью. На клубневой поверхности размещаются глазки (пазушные почки), которые служат источником молодых побегов. Требования к свежему картофелю регламентированы ГОСТ Р 518082013 «Картофель продовольственный. Технические условия», который разработан на основе UNECE STANDARD FFV-52:2010 Concerning the marketing and commercial quality control of early and ware potatoes (ЕЭК ООН FFV-52:2010) для контроля качества как раннего, так и продовольственного картофеля с целью его реализации в торговой сети.

Из существующих методов определения готовности продуктов питания рациональным с физической и механической точки зрения является определение активного сопротивления в обрабатываемом объекте3. Анализ результа-

3См.: А.с. № 1451594; пат. № 173447 РФ.

тов применения данного метода показал, что продукт приобретает готовность при варьировании значения активного сопротивления постоянному току в диапазоне О = 18...25 кОм в зависимости от вида объекта обработки [1; 2; 10].

Для определения стабилизированного О овощные продукты до и после термической обработки нарезали кубиками с гранью 20 мм. Варка на пару осуществлялась в камере «ПАРОВАРКА 4НОМЕ». Исследуемый образец, в который предварительно вводились соединенные с омметром для замера О два плоских электрода на расстоянии 10 мм друг от друга, помещался в пароварочную камеру. В процессе варки замерялось О до кулинарной готовности образца, определяемой органолептическим путем, и по результатам замера строилась графическая зависимость О = Дт).

Возможность применения данного методического подхода обоснована вышеуказанными авторским свидетельством № 1451594 и патентом № 173447 РФ. В результате термического воздействия происходит деструкция тканей объекта, сокращается число неполярных растворимых компонентов, а количество ионов возрастает из-за образования диссоциированных аминокислот и электролитов клеточного сока, высвобождаемых при разрушении клеточных оболочек, что и ведет к снижению значения О. Результаты исследования и их обсуждение В процессе достижения кулинарной готовности структура продукта существенно разрушается, и О снижается до определенного минимума, О, кОм:

картофель...........25 ± 2;

морковь ................23 ± 3;

свекла ...................18 ± 2.

Замеры О проводили на экспериментальной установке (схема приведена на рис. 1).

Рекомендуемый метод определения кулинарной готовности материала сравнительно прост и доступен. Независимо от варьируемого при смене вида сырья исходного О при достижении его заданного минимального значения продукт можно считать готовым к употреблению. Обработка опытных данных (картофель, морковь, свекла) позволила получить кривые варки на пару (рис. 2).

При изучении кинетических закономерностей процесса варки [4; 5; 9] целесообразно установить степень влияния варьируемых внутренних факторов и граничных условий на интенсивность технологического процесса, которая определяется скоростью изменения О за бесконечно малый промежуток времени ± , V кОм/мин.

С целью математической аппроксимации кривых разваривания (см. рис. 2) и кинетических

ИНДУСТРИЯ

food industry

Т. 3 № 4 2018

б к; 1 !Н

4 » №

0 0 0 0 0 0 0

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для замера О: 1 - паровая камера; 2 - паровоздушная среда; 3 - электроды; 4 - образец; 5 - регулятор расстояния между электродами; 6 - омметр Fig. 1. Pattern of the Experimental Equipment for Measuring О: 1-Steam Chamber; 2-Steam-Air Medium; 3-Electrodes; 4-Sample;5 - Distance Regulator Between Electrodes; 6-Ohmmeter

кОм

i

Л

- 5 1 Э 1 5 2 0 2 5 3 3 5

Картофель

Морковь

Свекла

Рис. 2. Кривые варки на пару при атмосферном давлении Fig. 2. Steam Cooking Graph at Atmospheric Pressure

кривых варки (^т = f(ß)) получены зависимости т = f(ü) в различных интервалах Q (табл. 1).

В результате дифференцирования т = f(ü) и по -сле математического преобразования Ц = f(ß) получим кинетическую зависимость скорости варки от Д а именно: ^ = 1//(Д). Из-за отрицательного значения ^ при снижении Q при варке , йт г ЙЯ г г

целесообразно вместо значения -¡¡- использовать его модуль

И Н ДУСТРИЯ Процессы и аппараты пищевых производств

ПИТАНИЯ industry F°°d Manufacture Processes and Equipment

Таблица 1. Зависимости т = f(n) для различных интервалов П, кОм Table 1. Correlation of т = f(n) for Different Intervals П, kilohm

п/п Показатель Значение

Картофель

1 Диапазон О Зависимость 90 < Q < 120 - 0,0000719Q3 - 0,0165Q2 + 1,248Q + 36,93

2 Диапазон О Зависимость 60 < Q < 90 - 1,0033Q + 5,94

3 Диапазон О Зависимость 37< Q < 60 - 0,0000719Q3 - 0,0165Q2 + 1,248Q + 36,93

4 Диапазон О Зависимость 21 < Q < 37 - 0,001Q3 - 0,154Q2 + 7,40Q + 123,42

Морковь

1 Диапазон О Зависимость 58 < Q < 69 - 0,00076Q3 - 0,105Q2 + 4,89Q + 87,4

2 Диапазон О Зависимость 32 < Q < 58 - 0,21Q + 20,72

3 Диапазон О Зависимость 22 < Q < 32 53,68 • 0,959"

4 Диапазон О Зависимость 20 < Q < 22 - 0,73 • ln(1,367Q - 25,973)

Свекла

1 Диапазон О Зависимость 40 < Q < 48 - 0,00359Q3 + 0,3224Q2 - 9,97Q + 131,24

2 Диапазон О Зависимость 25 < Q< 40 - 0,64Q+44,1

3 Диапазон О Зависимость 20 <Q < 25 57,958 • 0,971"

4 Диапазон О Зависимость 18 < Q < 20 -1,6 • ln(0,625Q - 11,25)

Кинетические кривые варки картофеля, моркови и свеклы показаны на рис. 3.

Анализ кинетических кривых варки [6; 7] дает возможность определить закономерности изменения физико-химических параметров, что приводит к кулинарной готовности пищевого продукта. Результаты анализа позволяют сделать вывод о наличии четырех основных этапов в процессе варки на пару.

Первый этап - прогрев продукта, обусловливающий разрушение клеточных оболочек, частичную потерю жидкости и неполярных растворимых веществ в поверхностном слое образца при возрастании числа ионов. В целом это вызывает снижение О и ускорение процесса варки.

Второй этап - разрушение клеточных оболочек в слоях образца, где температура мокрого термометра Тм = 330,5 К (57,4 °С); при этом влага продвигается не во внешнюю среду, а в продукт при его увлажнении и практически неизменном количестве неполярных растворимых веществ.

кОм/мин

30

25

20

15

10

Зон a 3 Зона / 1

3c \ >на 4 v

\ \

>• кОм

20 40 60 80 100 120

140

Рис. 3. Кинетические кривые варки картофеля на пару Fig. 3. Cooking Kinetic Curves of Steamed Potato

кОм/мин

► кОм

Рис. 4. Кинетические кривые варки моркови на пару Fig. 5. Cooking Kinetic Curves of Steamed Carrot

Перманентное же возрастание некоторого числа ионов приводит к равномерному снижению Q и стабильности скорости процесса варки.

Третий этап - максимальное стекание поверхностного слоя флегмы вследствие выделения клеточного сока, совмещенного с конденсацией пара при незначительной потере жидкой фазы с высоким содержанием неполярных веществ. В итоге слой флегмы насыщается неполярными веществами, а клеточные оболочки разрушаются по всему объему материала, что ведет к медленному снижению как Ц так и скорости варки.

► кОм

15 20 25 30 35 40 45

Рис. 5. Кинетические кривые варки свеклы на пару Fig. 5. Cooking Kinetic Curves of Steamed Beet

Четвертый этап - незначительный массо-обмен между образцом и окружающей средой при максимальном повышении температуры по всему объему образца, это приводит к окончательному разрушению клеточных оболочек, падению Q до значений, соответствующих кулинарной готовности, а скорости варки - до нуля.

Кинетические зависимости = /(fi) для четырех этапов процесса в интервалах Ц присущих каждому конкретному продукту, представлены в табл. 2.

Таблица 2. Зависимости — = /(П) для различных продуктов, кОм Table 2. Correlation of =/(i2) for Different Products, kiloohm

п/п Показатель Значение

Картофель

1 Диапазон О 91 <П < 120 1

Зависимость —0,0002157Л22 + 0,033Л - 1,248

2 Диапазон О 60 < П < 91

Зависимость 30,3

3 Диапазон О 35 < П < 60 1

Зависимость 1 —0,0002157Л22 + 0,033Л - 1,248

4 Диапазон О 21,7 < П < 35 1

Зависимость 1 —0,003ß22 + 0,308Л - 7,4

Морковь

1 Диапазон О 53,5 < П < 69 1

Зависимость 1 -0,00228Ш2 + 0,21,ß - 4,89

2 Диапазон О 33 < П < 53,5

Зависимость 4,76

3 Диапазон О 22 <12 < 33 1

Зависимость 1 -2,24 ■ 0,959ß

4 Диапазон О 19 < П < 22

Зависимость 1,367П - 25,973

Продолжение табл. 2 Table 2 (concluded)

п/п Показатель Значение

Свекла

1 Диапазон О 34,6 <П< 47,5 1

Зависимость 1 -0,01077Л2 + 0,6448Л - 9,97

2 Диапазон О 28,5 < Л < 34,6

Зависимость 1,5625

3 Диапазон О 20 < Л < 28,5 1

Зависимость 1 1,70564 ■ 0,971л

4 Диапазон О 18 < П < 20

Зависимость 0,625/2 - 11,25

Выводы

На скорость варки воздействует множество факторов, что значительно затрудняет получение обобщенной функциональной зависимости. Факторами, в наибольшей степени влияющими на интенсивность процесса, является: природа вещества; содержание влаги в веществе и характер ее связи с сухим скелетом материала; структура, физико-химический состав и тепло-физические характеристики материала. Кроме того, на продолжительности варки сказываются геометрические размеры и форма кусочков

продукта. При росте соотношения площади поверхности образца и его объема F/V, а также при уменьшении его габаритных размеров скорость варки увеличивается. Неравномерность проварки материалов зависит от технологичности аппаратурного обеспечения, соотношения объемов материала и рабочей камеры, а также от условий контакта продукта с теплоносителем.

Результаты исследования показали, что готовность продукта наступает при достижении значения параметра О = 18.25 кОм.

Библиографический список

1. Белов Н.В., Волков Ю.С. Электротехника и основы электроники: учеб. пособие. СПб.: Лань, 2012. 432 с.

2. Ермуратский П.В., Лычкина Г.П., Минкин Ю.Б. Электротехника и электроника. М.: ДМК «Пресс», 2013. 416 с.

3. Жубрева Т.В. Совершенствование технологии полуфабрикатов высокой степени готовности из картофеля, моркови и свеклы: дис. ... канд. техн. наук. М.: Московский ин-т народного хозяйства им. Г.В. Плеханова, 1984. 183 с.

4. Нугманов А.Х.-Х. Научно-практические подходы к конструированию многокомпонентных пищевых систем в технологии общественного питания: монография. Астрахань: ИП «Сорокин Роман Васильевич», 2016. 96 с.

5. Нугманов А.Х.-Х., Ермолаев В.В., Алексанян И.Ю. Термические условия обработки пищевых продуктов на предприятиях общественного питания // 52-я науч.-практ. конф. ППС АГТУ (Астрахань, 15-19 апреля 2008 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2008. С. 231.

6. Позняковский В.М. Гигиенические основы питания, качество и безопасность пищевых продуктов: учебник. 5-е изд., испр. и доп. Новосибирск: Сибирское унив. изд-во, 2007. 455 с.

Bibliography

1. Belov, N.V.; Volkov ,Yu.S. Electrical engineering and electronics basics: textbook. SPb.: Lan', 2012. 432 p.

2. Ermuratskii, P.V.; Lychkin, G.P.; Minkin, J.B. Electrical engineering and electronics. M.: DMK "Press", 2013. 416 p.

3. Jubreva, T.V. Technology improvement of semifinished potato, carrot and beet products of high readinesss degree: dis. ... kand. tech. sciences'. M.: Moscow Institute of National Economy. G.V. Plekhan-ov. 1984. 183 p.

4. Nugmanov, A.H.-H. Scientific and practical approaches to the multi-component food systems development in catering technology: mo-nography. Astrakhan: IP "Sorokin Roman Vasilyevich", 2016. 96 p.

5. Nugmanov, A.H.-H.;Ermolaev, V.V.; Aleksanyan, I.Yu. Thermal conditions of food processing at the public catering enterprises. 52- prakt. conf. Arkhangelsk State t=Technical University (Astrakhan, April 15-19, 2008). Astrakhan: publishing house of ASTU, 2008. P. 231.

6. Poznyakovskiy, V.M. Food hygienic bases, food products quality and safety: textbook. 5-e izd., ispr. and dop. Novosibirsk: Siberian University publishing house, 2007. 455 p.

food industry

7. Рогов И.А., Дунченко Н.И., Позняковский В.М. и др. Безопасность продовольственного сырья и пищевых продуктов: учеб. пособие. Новосибирск: Сибирское унив. изд-во, 2007. 227 с.

8. Семенихин О.А. Моделирование процессов гигро- и гидротермической обработки капиллярнопористых коллоидных материалов (разработка методов оптимизации и интенсификации): дис. ... канд. техн. наук. Воронеж: Воронежская гос. технол. акад., 1998. 168 с.

9. Харин В.М., Агафонов Г.В. Внешний влаго- и теплообмен капиллярно-пористого тела с газопаровой средой // Теоретические основы химических технологий. 1999. Т. 33. № 2. С. 144.

10. Электрические измерения / под ред. В.Н. Малиновского М.: Энергоатомиздат, 1987. 240 с.

7. Rogov, I.A.; Dunchenko, N.I.; Poznyakovskiy V. M. and others. Safety of food raw materials and food products: textbook. Novosibirsk: Siberian University publishing house, 2007. 227 p.

8. Semenikhin O.A. Processes modeling of hygrothermal and hydrothermal treatment of capillary and spongy colloidal materials (development of optimization and intensification methods): dis. ... cand. tech. sciences. Voronezh: Voronezh State Technol. Akad., 1998. 168 p.

9. Kharin, V.M.; Agafonov, G.V. External moisture and heat transfer in a capillary and spongy body with the vapor medium. Theoretical foundations of chemical technology. 1999. Vol. 33, № 2. P. 144.

10. Electrical measurements. ed. by V.N. Malinowski. M.: Energoatomiz-dat, 1987. 240 p.

Информация об авторах / Information about Authors

Нугманов Альберт

Хамед-Харисович

Nugmanov,

Albert Hamed-Harisovich

Тел./Phone: +7 (512) 614-191 E-mail: [email protected]

Доктор технических наук, доцент, доцент кафедры технологических машин и оборудования Астраханский государственный технический университет 414056, Российская Федерация, г. Астрахань, ул. Татищева, 16

Doctor of Technical Science, Associate Professor, Associate Professor of the Technological Machinery

and Equipment Department

Astrakhan State Technical University

414056, Russian Federation, Astrakhan, Tatishcheva St., 16

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0994-9469

Алексанян

Оксана Александровна

Aleksanyan, Oksana Aleksandrovna

Тел./Phone: +7 (512) 614-191 E-mail: [email protected]

Аспирант кафедры кафедры технологических машин и оборудования, сотрудник компании ООО «Газпром добыча Астрахань»

Астраханский государственный технический университет 414056, Российская Федерация, г. Астрахань, ул. Татищева, 16

Postgraduate of the Technological Machinery and Equipment Department, Officer of the LLC

"Gazprom Dobycha Astrakhan"

Astrakhan State Technical University

414056, Russian Federation, Astrakhan, Tatishcheva St., 16

Барзола

Мигель Антонио Сальватьерра

Barzola, Miguel Antonio Salvatierra

Тел./Phone: : +7 (8512) 614-191 E-mail: [email protected]

Профессор

Государственный университет Св. Елены Пенинсула Эквадор, г. Гуаяс, Ла-Либертад, ул. Либертад-Санта-Елена

Professor

State University Santa Elena Peninsula

Ecuador, Guayas, La Libertad, Via Libertad-Santa Elena

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0376-5530