CC BY
16
ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 664.8/9.034
Математическая модель процесса насыщения ароматом дыма мяса мускусной утки с применением избыточного давления
Mathematical model of the process of saturation with smoke flavor meat Muscovy duck using excessive pressure
Профессор С.В. Шахов, ассистент И.Н. Сухарев, аспирант С.Ю. Шубкин, студент В.И. Моисеев
(Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. 8(473)255-38-96 E-mail: i.suxarevto,yandex.ru
Professor S.V. Shakhov, Assistant I.N. Sukharev, Graduate Student S.J. Shubkin, Student V.I. Moiseev
(Voronezh state University of engineering technologies) chair of machines and apparatuses of food productions, tel. 8(473)255-38-96 E-mail: i. suxarevi/yandex. ru
Реферат. В последние годы возрос интерес исследователей к копченым изделиям. Одним из перспективных направлений в области копчения является изменение вкуса и аромата продукции при помощи натурального дымного копчения, что обеспечивает увеличение сроков хранения и расширение ассортимента продукции. Разработанная конструкция установки позволяет не только производить процесс копчения в широких диапазонах температур, но и получать однородную и стабильную дымовоздушную смесь, которая насыщает ароматом дыма поры продукта под давлением. То есть основным является давление, которое обеспечивает фильтрование коптильных компонентов сквозь поры продукта для насыщения его ароматом дыма, а пряно-коптильные ароматизаторы, подаваемые под давлением, способствуют осаждению коптильных компонентов на поверхности пор продукта для последующего диффундирования во внутренние поры, тем самым обеспечивая про-капчивание продукта и равномерное распределение фенолов по всему объему. Преимущество предлагаемой установки для получения копченых мясных изделий с применением избыточного давления заключается в том, что имеется испарительный бачок, эжектор с камерой смешивания, где происходит смешивание паров пряно-коптильных ароматизаторов и традиционных дымовоздушных компонентов, очищенных от канцерогенных веществ, которые создают избыточное давление внутри коптильной камеры, тем самым обеспечивая более глубокое проникновение фенолов во внутренние поры продукта и увеличение скорости диффузионных процессов, что приводит к улучшению качественных показателей и увеличению срока хранения готовой продукции. Для решения задач, связанных с обеспечением высокой эффективности копчения, необходима разработка новой математической модели, которая может измерить концентрацию фенолов в поре продукта, и методики расчета, позволяющей прогнозировать количество коптильных компонентов, которые продиффун-дировали по длине поры под действием избыточного давления.
Summary. In recent years the interest of researchers in smoked products increased. One of the perspective directions in the field of smoking is change of taste and flavor of production by means of natural smoky smoking that provides increase in storage lives and expansion of the range of production. The developed construction of installation allows not only to make process of smoking in broad ranges of temperatures, but also to receive a uniform and stable air-flue compound which sates with flavor of smoke of a pore of a product under pressure. That is the main is pressure which provides filtering the koptilnykh of components through product pores for saturation with its flavor of smoke, and spicy kop-tilny the fragrances given under pressure promote sedimentation the koptilnykh of components on a surface of pores of a product for the subsequent diffundirovaniye in internal pores, providing that a prokap-chivaniye of a product and uniform distribution of phenols on all volume. Advantage of the offered
О Шахов C.B., Сухарев И.Н., Шубкин С.Ю., Моисеев В.И., 2017
installation to receiving smoked meat products using excessive pressure is that there is a transpiration tank, the ejector with the mixing camera where there is a mixing of vapors spicy koptilnykh fragrances and the traditional air-flue components cleared of cancerogenic substances which create excessive pressure in the koptilny camera, thereby providing more deep penetration of phenols into internal pores of a product and increase in speed of diffusion processes that leads to improving of quality indicators and increase in storage life of finished goods. Development of a new mathematical model which can measure concentration of phenols in a product pore, and the calculation procedure allowing to predict quantity the koptilnykh of components which prodiffundirovat on pore length under the influence of excessive pressure is necessary for the decision of the tasks connected to support of high performance of smoking.
Ключевые слова: избыточное давление, диффузия, диффундирование, дымовоздушная смесь.
Keywords: excessive pressure, diffusion, diffundirovaniye, air-flue mix.
Одной из основополагающих стадий процесса копчения мяса мускусной утки является диффузия компонентов дыма (нейтральных смол, фенолов, фурфурола и др.) в толщу мяса через систему пор, пронизывающих её. При традиционном способе копчения компоненты дыма диффундируют по всей длине пор. Необходимое время копчения определяется характерным временем процесса диффузии для общей длины пор. Оно зависит как от длины пор, так и от коэффициента диффузии компонентов дыма в пористом теле [1, 3, 5]. Увеличение рабочего давления в процессе копчения приводит к сокращению времени процесса.
С целью экспериментального изучения процесса копчения мускусной утки с применением избыточного давления и пряно-коптильных ароматизаторов использовалась специально спроектированная установка (рис. 1) [2, 4, 6].
Рис. 1. Экспериментальная установка для насыщения ароматом дыма продукта с применением избыточного давления и пряно-коптильных ароматизаторов: 1 - коптильная камера; 2 - дымогенератор; 3 - испарительный бачок; 4 - пульт управления; 5 - клапан сброса давления; 6, 29, 36 - манометр; 7, 28, 37 - терморегулятор; 8 - выходной патрубок; 9 - вентилятор; 10, 32, 39 - нагревательный элемент; 11 - дверца со смотровым окном; 12-16 - кнопки на пульте управления; 17 - подвесной каркас; 18 - железные жалюзи; 19 - входной патрубок; 20, 27, 35, 40 - заслонка; 21 - нагнетающее сопло; 22 - эжектор; 23 - камера смешивания; 24 - насос; 25 - фильтр; 26, 34 - трубопровод; 30 - специальный люк; 31 - перфорированный лист; 33 - поддувало; 38 - заливное отверстие; 41 -пряно-коптильные ароматизаторы; 42 - крючки, 43 - обратный трубопровод
Рассмотрим процесс копчения при повышенном давлении применительно к отдельной поре мяса продукта (рис. 2). В случае протекания процесса при атмосферном давлении Pi, процесс диффузии протекает по длине Li всей поры. При повышении давления от Pi до Р2 внешний воздушный поток с концентрацией компонентов дыма то вдавливается внутрь поры до уровня II-II.
При последующем уменьшении давления от Рз до Pi воздух внутри поры расширяется, и граница II-II перемещается в исходное положение I I. Внутри слоя мяса остаются компоненты дыма, которые продиффундированы на участок ()<x<L¿. Поскольку Lq<L\, необходимое время диффузии при повышенном давлении Р2 должно существенно уменьшиться. Однако при повышении рабочего давления уменьшается коэффициент диффузии компонентов дыма в воздухе D.
i
Рис. 2. Диффузия компонентов дыма в поре
Для оценки влияния повышения давления на интенсивность процесса диффузии компонентов дыма по длине поры рассмотрим этот процесс более подробно. При постановке задачи принимаем следующие допущения:
1) поперечные размеры поры много меньше её длины и неизменны по её длине;
2) диффузия компонентов дыма осуществляется только по длине поры (задача одномерная);
3) все процессы протекают при постоянной температуре, процесс сжатия воздуха в поре при повышении давления считаем изотермическим;
4) массовая доля компонентов дыма на внешней границе поры 1110 остается постоянной на протяжении всего процесса.
Дифференциальное уравнение диффузии компонентов дыма по длине поры имеет вид:
дг ~ 6:^'
где т - массовая доля компонентов дыма; г - время, с; -О - коэффициент диффузии компонентов дыма в воздухе.
При повышенном давлении Р2 коэффициент диффузии определяется соотношением:
Перейдем к безразмерным коэффициентам:
771 — ГПо, 771 X — Рг 771 =--- = 1--(х = — ; р = —.
О - та ш0 ?!
Из уравнения (*) получим:
Эт д1 т.
>
р0 =
где 1 - диффузионное число Фурье, выраженное через коэффициент диф-
фузии I)] для начального давления Р\.
На рис. 3 представлены распределения безразмерной массовой доли компо-
■ Р
нентов дыма по длине поры для разных моментов времени при ' =5. В расчетах учтены первые 100 слагаемых ряда.
На рис. 4 представлено полное решение уравнения и приближенное реше-
р0 Г ь
ние для регулярного режима для =0,1 и ' =2.
т!<цо гЫоахй гЫаио
тИом
/ / / / 'У У _ —
/; _ / : а
тМ.хЬ) т/ЫхЫ
02
0.4 ОЬ
Кб
03
Рис. 3. Распределение безразмерной массовой доли компонентов дыма по длине поры: 1 - Ро=0; 2 - Ро=0,01; 3 - Ро=0,1; 4 - Ро=1; 5 - Ро=10
Рис. 4. Распределение безразмерной массовой доли по длине капилляра: 1 - полное решение; 2 - приближенное решение для регулярного режима
Далее найдем массу компонентов дыма, продиффундировавших в область 0<х<Ь2, которая в конечном итоге останется в слое мяса мускусной утки после уменьшения давления от рабочего Ро до атмосферного Р\:
М = Т±$Р ^тах,
где Р\ - плотность воздуха при давлении Р\; й - площадь поперечного сечения поры.
В безразмерных переменных получим:
М = Р
М =
м
где _ 5е3размерная масса компонентов дыма в слое мяса птицы.
Знаменатель этого выражения равен максимально возможной массе, когда процесс диффузии закончится, и массовая доля компонентов дыма в слое везде будет равна то.
На рис. 5 представлены зависимости безразмерной массы от числа Фурье
Ко, рассчитанные по формулам для
; Р_
=3.
Влияние повышения давления на массу компонентов дыма, продиффундировавших в слой мяса, в наибольшей степени проявляется при значениях
М
Ко =0,2...0,3 (рис. 6). Увеличение безразмерной массы почти в 2 раза происходит при увеличении рабочего давления Ра до 10 бар. При значениях Ро >1, влияние рабочего давления Рз на массу проявляется слабо.
0 Го > 0,5(Р' > 0,15)
Рассмотренные решения практически совпадают при и .
Рис. 5. Зависимость безразмерной массы продиффундировавших компонентов дыма от Ко." 1 - полное решение, 2 - приближенное решение для регулярного режима
MNj*L 0011
мьi*l оо$)
MS pH 0 11 MNpN il :< MK|*I I)
--
........ ...... ——
- ----—Т" "
рЫ
Рис. б. Зависимость безразмерной массы продиффундировавших компонентов дыма от отношения рабочего давления к начальному: 1 - Ро=0,01; 2 - Ро=0,05; 3 - Ро=0,1; 4 - Ро=0,2;5 - Fo=i
Как следует из рис. 6, "от ' при Fo =0,1 - концентрация компонентов дыма на участке I II поры (рис. 2) в результате диффузии существенно уменьшается, что приводит к соответствующему уменьшению массового потока компонентов дыма в области 0-1.
Предлагаемый способ копчения мясных изделий с применением избыточного давления и пряно-коптильных ароматизаторов позволяет:
- повысить качество приготовления пищевых продуктов;
- увеличить длительность хранения готовой продукции;
- обеспечить равномерное распределение коптильных веществ по всей толще продукта;
- насытить ароматом дыма продукт по всему объему;
- повысить качественные показатели готовой продукции;
- повысить скорость приготовления копченых пищевых продуктов;
- сократить количество канцерогенных соединений в копченой продукции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шокина, Ю.В. Комплексный подход к применению коптильных сред, получаемых с использованием ИК-дымогенератора [Текст] / Ю.В. Шокина, А.Ю. Обухов, O.A. Кирилюк // Рыбпром. - 2010. - № 3. - С. 98-102.
2. Салаватулина, P.M. Рациональное использование сырья в колбасном производстве [Текст] / P.M. Салаватулина. - 2-е изд. - СПб., 2005. - 248 с.
3. Антипов, С.Т. Установка дымогенерации в среде инертного газа для копчения продуктов питания [Текст] / С.Т. Антипов, С.В. Шахов, О.В. Мальцева, А.Г. Картавый // Техника и оборудование для села.- 2011.- № 4,- С. 31-32.
4. Шахов, С.В. Анализ процесса дымообразования [Текст] / С.В. Шахов, О.В. Мальцева, И.Н. Сухарев, С.Ю. Шубкин // Матер. Междунар. науч.-практ. конф. «Системный анализ и моделирование процессов управления качеством в инновационном развитии АПК», 2015. - С. 404-406.
5. Шубкин, С.Ю. Разработка установки для электростатического копчения пищевых сред с индуктивным подводом энергии при дымогенерации в среде инертного газа [Текст] / С.Ю. Шубкин, С.В. Шахов, О.А. Ткачев / / Сб. докл. конф. «Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок - прорыв в будущее».- 2013. - С.83-85.
6. Шахов, С. В. Установка с внутренней подачей дыма для получения копченых экструдированных продуктов [Текст] / С.В. Шахов, И.Н. Сухарев, С.Ю. Шубкин, О.В. Мальцева, А. А. Ракитянский / / Мясная индустрия. - 2015. - № 5. - С. 44 -46.
REFERENCE
1. Shokina Yu.V., Obukhov A.Yu., Kirilyuk O.A. Kompleksnyy podkhod k prime-neniyu koptil'nykh sred, poluchaemykh s ispol'zovaniem IK-dymogenerator [A comprehensive approach to Smoking environments derived by the use of IR-smoke generator] Rybprom, 2010, No 3, pp. 98-102 (Russian).
2. Salavatulina R.M. Ratsional'noe ispol'zovanie syr'ya v kolbasnom proizvodstve. - 2-е izd. [Rational use of raw materials in the production of sausages], Sankt Peterburg, 2005, 248 pp. (Russian).
3. Antipov S.T., Shakhov S.V., Mal'tseva O.V., Kartavyy A.G. Ustanovka dymogen-eratsii v srede inertnogo gaza dlya kopcheniya produktov pitaniya [Installation of smoke generation in the inert gas environment for Smoking food] Tekhnika i oborudo-vanie dlya sela, 2011, No 4, pp. 31-32 (Russian).
4. Shakhov S.V., Mal'tseva O.V., Sukharev I.N., Shubkin S.Yu. Analiz protsessa dymoobrazovaniya [Analysis of the process of smoke generation] Sistemnyy analiz i modelirovanie protsessov upravleniya kachestvom v innovatsionnom razvitii APK: Mater. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., Voronezh, 2015, pp. 404-406 (Russian).
5. Shubkin S.Yu., Shakhov S.V., Tkachev O.A. Razrabotka ustanovki dlya el-ektrostaticheskogo kopcheniya pishchevykh sred s induktivnym podvodom energii pri dymogeneratsii v srede inertnogo gaza [Development of the installation for electrostatic Smoking of food media with an inductive supply of energy at the smoke generation in the inert gas environment] Innovatsionnye tekhnologii na baze fundamental'nykh nauchnykh razrabotok - proiyv v budushchee: Sb. dokladov konferentsii, Voronezh, 2013, pp. 83-85 (Russian).
6. Shakhov S.V., Sukharev I.N., Shubkin S.Yu., Mal'tseva O.V., Rakityanskiy A.A. Ustanovka s vnutrenney podachey dyma dlya polucheniya kopchenykh ekstrudiro-vannykh produktov [Installation with internal flow of smoke to obtain a smoked extruded products] Myasnaya industriya, 2015, No 5, pp. 44-46 (Russian).
