CC BY
0
УДК 664.854 DOI 10.24412/2311-6447-2024-2-223-230
Кинетика процесса сушки абрикосов в сушилке с инфракрасным нагревом
Kinetics of the process of drying apricots in a dryer
with infrared heating
Доцент В.А. Антонова, доцент В.Г. Корнийчук, доцент С.В. Владимиров, доцент Ю.В. Османова
Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Бара-ноского,
lera06_60@mail.ru
Associate Professor V.A. Antonova, Associate Professor V.G. Korniychuk, Associate Professor S.V. Vladimirov, Associate Professor Yu.V. Osmanova
Donetsk National University of, Economics and Trade named after Mikhail Tugan-Baranosky, lera06_60@mail. ru
Аннотация. Рассмотрены вопросы, связанные с процессом сушки абрикосов. Анализ литературных источников показал, что для сушки абрикосов в настоящее время на промышленных предприятиях используется конвективный способ. Однако в последнее время для сушки абрикосов все чаще стали использовать инфракрасное излучение, так как данный способ обладает рядом преимуществ. Поведены экспериментальные исследования на установках конвективной сушки и сушки с использованием инфракрасного излучения. Установлено, что при использовании ИК-нагрева продолжительность сушки снижается в 2 раза по сравнению с конвективной сушкой, при прочих равных технологических параметрах. Определено влияние отдельных технологических параметров на скорость сушки абрикосов при использовании ИК-нагрева. Экспериментально полученные кривые сушки показывают, что с изменением размера кусочков абрикосов с 10x10x20 до 5x5x5 мм, время сушки снижается на 25 %, а изменение температуры сушки в сушильной камере с 50 до 70 °С снижается на 45-55 %о. Полученные результаты могут быть использованы для определения рациональных параметров сушки абрикосов, а также для выбора конструкций и расчета сушильных аппаратов.
Abstract. The article discusses issues related to the process of drying apricots. An analysis of literary sources showed that the convective method is currently used for drying apricots in industrial enterprises. However, recently, infrared radiation has become increasingly used for drying apricots because This method has a number of advantages over other methods. Experimental studies were carried out on convective drying and drying installations using infrared healing. It has been experimentally established that when drying with IR heating, the drying time is reduced by half compared to convective drying, with other technological parameters being equal. The influence of individual technological parameters on the drying rate of apricots when using IR heating was also determined. Experimentally obtained drying curves show that with a change in the size of apricot pieces from 10x10x20 to 5x5x5 mm, the drying time is reduced by 25 %, and the change in drying temperature in the drying chamber from 50 to 70 °C is reduced by 45- 55 %. The results obtained can be used to determine rational parameters for drying apricots, as well as to select designs and calculate drying devices.
Ключевые слова: абрикос, витамины, влага, инфракрасное излучение, кривые сушки, кривые скорости сушки
Keywords: apricot, vitamins, moisture, infrared radiation, drying curves, drying rate curves
Регулярное использование абрикоса в пище человека позволяет снизить риск появления таких сердечно-сосудистых заболеваний, как атеросклероз, гипертония и ишемия. При правильной переработке плодов абрикоса как в домашних условиях, так и на предприятиях пищевой промышленности можно производить компоты, варенья, желе, мармелад и курагу. Абрикосы относятся к скоропортящимся фруктам © В.А. Антонова, В.Г. Корнийчук, С.В. Владимиров, Ю.В. Османова, 2024
из-за своей водянистости. Во время подготовки к консервации все нужные витамины будут практически утеряны из-за термической обработки, которой поддаются плоды. Для сохранения витаминов и сухих веществ целесообразно плоды высушивать [2].
Сухофрукт имеет достаточно много преимуществ перед свежим сочным фруктом. Все дело в том, что концентрация полезных веществ в 100 г сушеного продукта превышает полезность свежего абрикоса в несколько раз. Лишняя влага удаляется, а значит, масса продукта снижается, таким образом, остаются только ценные элементы. В связи с тем, что вода из абрикосов удаляется, калорийность сухого абрикоса возрастает до 232 ккал на 100 г.
В абрикосе содержатся многие полезные элементы. Соединение калия и магния поддерживают нормальное кровообращение путем укрепления стенок сосудов, а также развития их гибкости. В сумме эти два элемента оказывают разжижающее действие, благодаря чему плотность крови уменьшается, что улучшает работу сердечной мышцы. Поэтому людям, имеющим проблемы с сердечно-сосудистой системой, следует употреблять абрикосы в любом виде, желательно круглый год.
Совокупность железа и йода позволяет наладить работу отдельных систем. Железо способствует образованию достаточного количества кровяных тел, что помогает в борьбе с малокровием. Йод полезен при заболеваниях щитовидной железы. Благодаря высокому содержанию бета-каротина абрикосы обладают антиоксидантным свойством. Этот элемент способен уберечь организм от раковых заболеваний путем предотвращения преобразования здоровых клеток в злокачественные.
В плодах абрикосов содержится большое количество витамина С. Витамин Е способствует расширению сосудов и регулирует работу нервной системы. Также является главным регенерирующим средством тканей организма, а значит, благодаря этому витамину клетки организма постепенно обновляются.
Сухофрукты абрикоса могут выступать как лекарством, так и профилактическим средством при многих заболеваниях:
- любая степень нарушения пищеварительной системы;
- сбои в работе сердца, а также отклонения в циркуляции крови;
- сбои в работе почек, при которой мочевина не выводится из организма;
- анемия;
- недостаток витаминного запаса в организме, который ослабляет иммунитет;
- плохой вывод токсинов, из-за чего происходит отравление организма.
Главным фактором при использовании процесса сушки является скорость и
высокое качество получаемого продукта после сушки. Главным условием в выборе способа сушки и конструкции сушильной установки является максимальное сохранение всех начальных свойств продукта и получение конечного продукта максимального качества.
Все сушильные установки, применяемые в пищевой промышленности и на предприятиях ресторанного хозяйства, делятся: по способу организации процесса (циклические или непрерывного действия); по состоянию слоя (плотный, неподвижный, пересыпающийся, кипящий и др.); по виду используемого теплоносителя (воздух, газ, пар, топочные газы и др.); по способу передачи теплоты (конвективные, кон-дуктивные, радиационные и др.); по давлению воздуха в сушильной камере (атмосферные, вакуумные, сублимационные и др.) [1].
На сегодняшний день не существует идеальной сушильной уставки, которая будет отвечать всем заданным параметрам при получении конечного продукта, это, в первую очередь, связано со способом сушки и конструкцией, а также с разным способом передачи теплоты. Преимущество конвективных сушилок в том, что процесс сушки происходит в камере, где материал имеет возможность перемешиваться, под воздействием нагретого воздуха. Высушиваемый продукт превращается в однородную
массу, которая находится в постоянном движении, что позволяет равномерно его просушить.
Недостаток конвективных сушилок в довольно больших габаритах, обусловленных объемом испаряемой влаги в 1 м3 их рабочего объема; сушилки, как правило, сложны в обслуживании, а удельные расходы теплоты (на 1 кг испаренной влаги) довольно высоки.
В кондуктивных сушильных установках теплота передается продукту за счет непосредственного соприкосновения продукта с поверхностью. Используются атмосферные и вакуумные сушильные установки. Преимущество кондуктивных сушилок заключается в высокой скорости сушки; непрерывности; регулировке параметров в процессе. Недостаток кондуктивных сушилок в ограниченности применения; высокой металлоёмкости и сложности конструкции; высоких удельных расходах сушильного (греющего) агента, используемого на сушку.
Сублимационная сушка производится при глубоком вакууме. Она позволяет получать пищевые продукты высокого качества. Ее преимущество в отсутствии воздействия высоких температур на продукт. Метод позволяет получать сухие ткани, препараты, продукты и т. п. без потери их структурной целостности и биологической активности. При сублимационной сушке большинство белков не подвергается денатурации и может длительно сохраняться при умеренном охлаждении (около 0 °С); после сушки материал при увлажнении восстанавливает свои первоначальные свойства. Недостаток состоит в необходимости тщательной подготовки материала к сушке; создании глубокого вакуума для полноты высыхания; длительности сушки; достаточно высоких энергозатратах; высокой стоимости оборудования и его эксплуатации.
При использовании радиационного метода сушки теплота для испарения влаги в продукте подводится термоизлучением. Генератором, излучающим теплоту, являются специальные лампы или же нагретые керамические или металлические поверхности [2].
Преимущества радиационного метода сушки (ИК-сушки): безинертность, так как средневолновые излучатели выходят на заданный режим менее чем за минуту; отсутствие необходимости проведения подготовительного разогрева сушильного устройства; сокращенное время действия, так как нагрев осуществляется без промежуточного носителя; нагрев отдельных зон материала (при использовании других методов сушки такая особенность невозможна); оптимальное потребление электроэнергии в зависимости от свойств обрабатываемого материала. Основным недостатком ИК-сушки является требование к толщине слоя материала, что ограничивает производительность сушилок.
На донецких предприятиях пищевой промышленности распространенным методом получения сушеных пищевых продуктов является конвективный метод, это, в первую очередь, связано с простотой конструкции сушильной установки. При использование данного метода теплота передается продукту за счет конвекции [3].
Мировые тенденции показывают, что большое распространение при сушке пищевых продуктов получило инфракрасное излучение. Главным достоинством инфракрасного излучения является сушка при достаточно низких температурах. Эта особенность позволяет сохранить в продукте максимальное количество полезных веществ. Кроме того, данный способ использует осмотический метод удаления влаги из продукта, что позволяет сохранить структуру клетки. Два этих достоинства позволяют применять инфракрасное излучение при сушке овощей и фруктов. При правильных температурных режимах и времени сушки можно добиться максимальной сохранности полезных веществ в продукте, а также при необходимости восстановить высушенный продукт практически до первоначального объема [3].
На первом этапе исследований были проведены эксперименты по определению влияния на скорость сушки метода сушки (конвективная сушка и ИК-сушка), раз-
(д^) АПК-продуктъ1~зсЬрового питания^№ 2, 2024
мера продукта и температуры сушки. В качестве материала для сушки выбран абрикос Армения. Эксперименты проведены в лаборатории кафедры технологии и организации производства продуктов питания имени А.Ф. Коршуновой ДонНУЭТ (рис. 1).
Стенд состоит из циркуляционного воздушного контура 13, изготовленного из прямоугольной металлической трубы, контур которой выполнен в виде овала. С помощью шибера 5 можно менять направление движения воздуха, что позволяет создавать при необходимости как замкнутый, так и разомкнутый контур.
Для движения воздуха по необходимому контуру установлен центробежный вентилятор 1, который смонтирован в левом нижнем углу контура. Нагрев воздуха происходит с помощью нагревательного электрического элемента (калорифера) 11, который состоит из нихромового нагревателя и керамического стержня. Температура воздуха в контуре регулируется с помощью регулятора силы тока (ЛАТРа) 12.
220У
Рис. 1. Схема сушильной установки с циркуляционным контуром: 1 - центробежный вентилятор; 2 - многоточечный переключатель; 3, 4, 5,1 0 - шибер; 6 - милливольтметр; 7 - циферблатные весы ВНЦ-2; 8 - рабочая камера; 9 - фторопластовая подложка; 11 - нагревательный племен; 12 - регулятор мощности (ЛАТР); 13 - воздушный контур; IIIIII - термопары
В верхней горизонтальной части воздушного контура конструкцией предусмотрена сушильная камера 8, конструктивно имеющая форму параллелепипеда с размерами В х Н х L = 90 х 100 х 190 мм.
В конструкции лабораторной установки предусмотрены три термопары: I термопара расположена на входе воздуха в вентилятор; II термопара - перед сушильной камерой; III термопара - после сушильной камеры.
Сверху на лабораторной установке установлены циферблатные весы ВНЦ-2 (с точность измерения 2 г) 7. Весы соединены со штоком, в нижней части которого находится кольцо. На кольцо крепится платформа 9 с продуктом, который необходимо высушить. Платформа изготовлена из фторопласта (марка Ф-4). Для изменения расхода теплоносителя - горячего воздуха, в конструкции за нагревательным элементом установлен шибер 10.
Поскольку инфракрасная сушка применяется сравнительно недавно, данные о существующих установки часто отсутствуют или недостаточны, а предлагаемые методики их расчета не имеют достоверных коэффициентов и практической проверки. Поэтому рекомендуется постановка предварительных опытов, в которых следует предусматривать:
- разработку и создание лабораторного стенда или модели сушилки;
- проведение опытов по сушке материала.
Опыты должны установить необходимое время, режим сушки и расстояние от излучающей лампы к материалу, шаг установки ламп, их количество, удельные расходы теплоты, температуру изделия, воздухообмен и ряд других параметров, с помощью которых можно разработать конструкцию сушилки и получить технико-экономические показатели. Во время проведения опытов желательно создавать условия, воспроизводящие работу будущей сушилки.
С целью изучения процесса сушки с ИК-нагревом был создан экспериментальный стенд. Возникающие в процессе сушки пары удаляют вытяжным вентилятором. В состав экспериментального стенда (рис. 2) входит вакуумная камера, внутри которой на поддоне помещается образец материала. Для измерения массы используют аналитические весы с точностью измерения ±0,001кг. Для измерения времени протекания эксперимента используют ручной секундомер с точностью измерения ±0,1 с.
Рис. 2. Схема стенда сушильной установки с ИК нагревом: 1 - греющая спираль; 2 - емкость с продуктом; 3 - термопара; 4 - милливольтметр; 5 - решетка; 6 - цилиндрический корпус; 7 - регулятор температуры; 8 - тумблер
При исследовании процесса инфракрасной сушки абрикоса предусматривалось создание различных режимов сушки, определение времени сушки слоя продукта в зависимости от температуры, размера кусков абрикоса, а также изменение влажности продукта со временем сушки.
Влажность материала определяли по ГОСТ 10856-96. По полученным данным строили графики кривой сушки и кривых скорости сушки. На рис. 3 представлены кривые сушки и кривые скорости сушки абрикосов в конвективной сушилке с замкнутым контуром и в сушилке с ИК-нагревом при температуре сушки 60 °С.
100 200 300 № 500 600 700 800 900
Л/ % 11ГС
0.15
0.1
Рис. 3. Кривые сушки и кривые скорости сушки абрикосов в конвективной сушилке с замкнутым контуром (кривые 1 и 1') и в сушилке с ИК-нагревом (кривые 2 и 2) при температуре сушки 60 °С
На рис. 4 представлены кривые сушки и кривые скорости сушки абрикосов в сушилке с ИК-нагревом в зависимости от размера кусков. Кривые сушки и кривые скорости сушки (кривые 1 и 1') куски размером 10х10х20 мм. Кривые сушки и кривые скорости сушки (кривые 2 и 2') куски размером 5х5х5 мм при температуре сушки 60 °С. На рис. 5 представлены кривые сушки и кривые скорости сушки абрикосов в сушилке с ИК-нагревом в зависимости от температуры сушки. Размер кусков 5х5х5 мм, температуру сушки варьировали от 50 до 70 °С.
1пп тп 1лл /т спп спп 7пп огт сую
О 15 30 1,5 60 75 90 105120135 1501651801952Ю22521.0255285300 Рис. 4. Кривые сушки и кривые скорости сушки в сушилке с ИК-нагревом при температуре сушки 60 °С: 1, 1' - размер кусков 10*10*20 мм; 2, 2' - размер кусков 5*5*5 мм
Анализ данных кривых сушки и кривых скорости сушки показал, что для их математического описания с достаточно высокой степенью точности может быть использована модель, предложенная академиком А.В. Лыковым, предусматривающая замену действительной кривой скорости сушки во втором периоде прямой [4]. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать следующие выводы:
- процесс удаления влаги протекает практически в 2 периода - постоянной и убывающей скорости, участки которых четко прослеживаются на кривых сушки;
- начальная стадия процесса - прогрев материала - на графиках практически не просматривается.
и% 900800700600500400300200-Ю0-
0 15 30 15 60 75 90 Ю5120135 150165 Ю01952Ю2252W255270285300
Рис. 5. Кривые сушки и кривые скорости сушки в сушилке с ИК-нагревом при температуре сушки: 1, 1' - температура сушки 70 °С; 2, 2' - температура сушки 60 °С; 3, 3' - температура сушки 50 °С
Критическая точка, характеризующая переход от периода постоянной скорости к периоду падающей скорости сушки, определяется влагосодержанием абрикосов около 150-200 %, причем положение этой точки слабо зависит от установленного режима сушки [4]. Все графические зависимости имеют качественную аналогию, но существенно отличаются численными значениями характеристических точек процесса сушки. При сушке с ИК-нагревом продолжительность сушки 9 000 с, а при конвективной сушке в сушилке с замкнутым контуром 18 000 с. Уменьшается время сушки при использовании ИК-нагрева на 50 % прочих равных условия. При изменении размеров кусков абрикосов с 10*10*20 до 5*5*5 мм время сушки при прочих равных условиях снижается на 25 %о. Изменение температуры сушки при ИК-нагреве с 50 до 70 °С снижается на 55 %, а с 60 до 70 °С снижается на 45 %.
Полученные результаты могут быть использованы для определения рациональных параметров сушки абрикосов, а также для выбора конструкций и расчета сушильных аппаратов. Из полученных данных следует, что с целью снижения времени сушки абрикосов и получения качественного продукта рационально процесс проводить в сушилках с ИК-нагревом при минимально возможном размере кусков и температуре порядка 60 °С.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шевцов, С.А. Научное обеспечение энергосберегающих процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья при переменном тепло-отводе: дисс. д-ра. техн. наук: 05.18.12 / Шевцов Сергей Александрович. - Воронеж, 2015. - 488 с. - Текст: непосредственный.
2. Борисов, В.И. Процессы и аппараты пищевых производств: учебное пособие / В.И. Борисов, М.А. Березин. - Саранск: Красный Октябрь, 2013. - 122 с. - Текст: непосредственный.
3. Попов, И.А. Инфракрасный способ сушки плодов абрикоса различных сортов / И.А. Попов, А.М. Жуков, В.И. Манжесов. - Текст: непосредственный // Теория и практика инновационных технологий в АПК. - 2022. - С. 86-94
4. Поперечный, А.Н. Инновационные перспективы переработки растительного пищевого сырья / А.Н. Поперечный, В.Г. Корнийчук. - Текст: непосредственный // Инновационные перспективы Донбасса. - 2015. - С.103-110.
REFERENCES
1. Shevtsov S.A. Scientific support of energy-saving processes of drying and heat-moisture processing of food plant raw materials with variable heat removal: thesis... Doctor of Technical Sciences: 05.18.12 / Shevtsov Sergey Aleksandrovich. - Voronezh, 2015.
- 488 p.
2. Borisov V.I., Berezin M.A. Processes and apparatus of food production: textbook.
- Saransk: Red October, 2013. - 122 p.
3. Popov I.A. Infrared method for drying apricot fruits of various varieties / I.A. Popov, A.M. Zhukov, V.I. Manzhesov // Theory and practice of innovative technologies in the agro-industrial complex. - Voronezh, 2022. - pp. 86-94
4. Poperechny A.N. Innovative prospects for processing plant food raw materials / A.N. Poperechny, V.G. Korniychuk // Innovative prospects of Donbass. - Donetsk: DonNTU, 2015. - P.103-110.
