CC BY
30
УДК 664.951
О выборе рациональных параметров процесса конвективной сушки пресноводных видов рыбы
The choice of the objective function when optimizing parameters of drying fish process
Профессор В.А. Наумов, (Калининградский государственный технический университет) кафедра водных ресурсов и водопользования, тел. 8(4012)995-337 E-mail: vladimir.naumov@klgtu.ru
профессор А.Э. Суслов, профессор Ю.А. Фатыхов (Калининградский государственный технический университет) кафедра пищевых и холодильных машин, тел. 8(4012)935-336 E-mail: elina@klgtu.ru
Professor V.A. Naumov, (Kaliningrad State Technical University) chair water resources and water management, tel. 8(4012)995337 E-mail: vladimir.naumov@klgtu.ru
Professor A.E. Suslov, Professor J.A. Fatykhov (Kaliningrad State Technical University) chair food and refrigerating machines, tel. 8(4012)935-336 E-mail: elina@klgtu.ru
Реферат. Проблема выбора рациональных параметров процесса сушки пищевых продуктов является актуальной и в настоящее время. Рациональные параметры определяются технологическими требованиями и качественными характеристиками. Целевой функцией при определении рациональных параметров процесса сушки пищевых продуктов является его продолжительность, зависящая от скорости сушки. Приведены результаты экспериментальных исследований конвективной сушки нескольких видов рыб. Объектами исследования являлись пресноводные виды рыб: плотва, чехонь и окунь. Для обработки результатов экспериментов проведен анализ аппроксимирующих зависимостей скорости сушки исследуемых рыб первого и второго порядка. Установлено, что среднее квадратичное отклонение экспериментальных данных от аппроксимирующей поверхности является более низким при использовании уравнения второго порядка, однако погрешность аппроксимации остается значительной. Возможно определение рациональных условий сушки рыбы отдельно для каждого вида рыбы, для чего построены графики с изолиниями скорости сушки. В исследуемом диапазоне параметров воздуха область наибольших скоростей сушки чехони наблюдалась при максимальной температуре и минимальном влагосодержанин воздуха. Однако при этих экстремальных значениях параметров воздуха происходит снижение скорости сушки для плотвы и окуня. Установлены кинетические зависимости скорости сушки плотвы, окуня и чехони при различных параметрах воздуха в конвективной сушильной установке: при скорости воздуха - 3 м/с, температуре - 20...30 °С и влагосодержании - 7,4... 10,8 г/кгСв . Рациональные параметры воздуха при сушке плотвы: температура - 27...28 °С , влагосодержание - 7,0...8,1 г/кгГР,; чехони: температура - 29....30°С, влагосодержа-ние - 7,0... 8,2 г/кгСв; окуня: температура - 27...29 °С, влагосодержание - 7,8...9,б г/кгсв. Различие рациональных параметров сушки указанных рыб объясняется различной структурой строения этих рыб: консистенцией мышечной ткани, толщиной кожи, размером чешуи.
Summary. The problem of rational parameters choice of process of food products drying is currently relevant. Rational parameters are determined by technological requirements and quality characteristics. The objective function in determining the rational parameters of the food processing is the duration of the process depending on the speed of drying. The article presents the results of experimental studies of the convective drying of several species of fish obtained. The objects of the study were freshwater fish species: roach, sabrefish and ruff. For processing of experimental results the analysis of approximating the dependency of the drying rate of the studied fish the first and second order was performed. It is established that the standard deviation of experimental data from the approximating surface is lower when using a second order equation, but the approximation error remains high. It is possible to determine the rational conditions of drying fish for each fish species, which graphs a contour of the speed of drying. In the investigated
© Наумов В.А., Суслов А.Э., Фатыхов Ю.А., 2017
range of air parameters the high velocity of drying sabrefish was observed with maximum temperature and minimum moisture content of the air. However, these extreme values of parameters of the air decreases the rate of drying for roach and perch. The kinetic dependence of the rate of drying of roach, perch and sabrefish for various parameters of air in convective drying installation were set: when air speed is 3 m/s, temperature 20...30 °C and moisture content of - 7.4.... 10.8 g/kgcia . Rational parameters of air for drying roach: temperature 27...28 °C the moisture content is - 7.0...8.1 g/kgcia; sabrefish: temperature - 29....30 ° C, the moisture content of - 7.0... 8,2 g/kgda; perch: temperature - 27...29 °C, the moisture content of -7,8...9,6 g/kgda- Difference of rational parameters of drying these fish are due to the different structure of these fish: the consistency of muscle tissue, thick skin scales.
Ключевые слова: сушка рыбы, оптимизация, целевая функция, продолжительность, влагосодер-жание, энергосбережение.
Keywords: drying fish, optimization, the objective function, duration of drying, moisture content, energy saving.
Проблема выбора рациональных параметров (которые не всегда верно называют оптимальными) процесса сушки пищевых продуктов остается актуальной и в настоящее время [1-6]. Параметры процесса конвективной сушки рыбы, в первую очередь, определяются соображениями технологии, чтобы полученный продукт обладал необходимыми вкусовыми качествами. За критерий рациональности, как правило, выбирают время процесса (скорость сушки) [1-3], хотя предлагаются и иные критерии [7-8].
Исследованы рациональные условия процесса конвективной сушки нескольких видов рыбы с точки зрения уменьшения времени процесса. Были проведены исследования зависимости времени сушки рыбы от температуры I и влагосодержа-ния воздуха с! при конвективной сушке (табл. 1).
Таблица 1
Результаты опытов по конвективной сушке
t d Плотва Чехонь Окунь
°c Гвл / КГсух.возд AW,% i, ч Y AW, % г, ч Y AW, % г, ч Y
20 7,4 137,8 146 0,943 133,3 138 0,965 140,1 130 1,077
20 9,1 138,4 122 1,134 130,3 130 1,00 170,3 124 1,373
20 10,8 135,5 152 0,891 133 148 0,898 122,5 148 0,827
25 7,4 170,3 101 1,686 133,3 130 1,025 216,6 115 1,883
25 9,1 163,6 102 1,603 152,1 120 1,267 244,4 121 2,019
25 10,8 144,8 111 1,304 133,3 125 1,060 184,6 137 1,347
30 7,4 157,1 90 1,754 157,1 88 1,785 177,3 88 2,014
30 9,1 127,8 88 1,452 122,5 90 1,360 150,8 75 2,010
30 10,8 163,6 100 1,636 144,8 110 1,316 269,5 136 1,982
Многочлен аппроксимации первого порядка для скорости сушки:
у = %(1,сГ) = аш +аи -( + а21 -с1
Среднее квадратическое отклонение экспериментальных данных от аппроксимирующей поверхности первого порядка (табл. 2):
EXi =100
л, »
——ЕЕ
п1+п2 2 y=1 А-=1 v
V
j*
Таблица 2
Коэффициенты многочлена аппроксимации первого порядка и среднее квадратнческое отклоненне
г Вид рыбы ао; ап а2; £н
% в ч % в ч/°С % в ч / (г/ кг) %
1 Плотва 0,3089 0,0625 -0,0541 12,8
2 Чехонь 0,3015 0,0533 - 0,0491 11,3
3 Окунь 0,0703 0,0910 - 0,0802 16,2
Многочлен аппроксимации второго порядка для скорости сушки:
2,
У = /¡0,(1) = % +Ьу ■ / + ¿2/ ■Л + Ьц + -Г+Ь% -(3
• ()
Среднее квадратнческое отклонение экспериментальных данных от аппроксимирующей поверхности второго порядка (табл. 3):
£2г = ЮО •
1
"1 "2 ' -ЕЕ
Щ+п2-3 ^
1 —
У
.//'/Л>
Таблица 3
Коэффициенты многочлена аппроксимации второго порядка и среднее квадратнческое отклонение
2
Л
7 Вид рыбы Ьог Ъи Ъи Ьз; Ь41 Ъ51 £2,-
% в ч % в ч/°С % в ч / (г/ кг) % в ч/(г/кг-°С) %ВЧ/(°С)2 % в ч/(г/кг)2 %
1 Плотва -6,478 0,539 0,167 - 1,941-Ю-3 -9,173-Ю-3 -9,458-10-з 9,9
2 Чехонь -0,830 -0,046 0,462 - 0,0118 4,133-Ю-з -0,0118 9,6
3 Окунь -11,21 0,438 1,517 6,412-10-3 -8,10-Ю-з -0,0970 7,6
Среднее квадратнческое отклонение при аппроксимации второго порядка ниже, чем при аппроксимации первого порядка. Далее используем второй порядок аппроксимации.
На рис. 1 показано, что погрешность аппроксимации экспериментальных данных с помощью поверхности второго порядка довольно значительная. Поэтому определять по эмпирической зависимости (*) точку экстремума (максимальной скорости сушки) не имеет смысла. Но можно найти область с рациональными условиями сушки для каждого вида рыб. Для этого построены графики с изолиниями скорости сушки (рис. 2-4).
Из рис. 2 видно, что в исследованном диапазоне параметров область наибольших скоростей сушки чехони наблюдалась при максимальной температуре и минимальном влагосодержании воздуха (правый нижний угол рис. 2). Однако рис. 3 и 4 показывают, что возможно снижение скорости сушки рыбы как при увеличении температуры, так и при снижении влагосодержания воздуха параметров.
у
1 °
1.6 1.3 1
0.7 0 4
* - * « ■ * У 1.9 1.6 1.3 1 0.7 04 - • - ---! ■ — ^ ■
чс % а Л ' / 3 * в ' т ' ™ ' ™
■ ч * о 1 V У * 9* А
1 \ г // // > —• У
Ч 'У / /
г У
10 Г КГ
18 20 22 24 26 28 30 ГС
б
Рис. 1. Зависимость ско- рости сушки окуня (точки экспериментальные данные,
линии - результаты расчета по формуле (*): а - от влагосодержания воздуха при различной температуре, °С: 1 - t = 20; 2 - t = 25; 3 - t = 30; б - от температуры воздуха при различном влагосодержании, г/кг: 1 с1 = 7,4; 2 - й = 9,1; 3 с? = 10,8
а
Л
г кт
1(4
1 иш
Щ А
Л
_1_11
Л I г кг I
1СУ-1
20
20
22
24
26
28
ГС
Рис. 2. Результаты расчета скорости сушки чехони в зависимости от влагосодержания и температуры воздуха по формуле (*)
Рис. 3. Результаты расчета скорости сушки окуня в зависимости от влагосодержания и температуры воздуха по формуле (*)
Так, область наибольших скоростей сушки окуня (рис. 3) наблюдалась при температуре воздуха выше 27 °С и влагосодержании от 7,5 примерно до 10 г/кг. Как выше, так и ниже указанного влагосодержания величина У снижалась. По рис. 4 можно проследить тенденцию снижения скорости сушки плотвы при температуре воздуха выше примерно 29 °С.
Л
Ш
' ж.
НИ Ш
ПН .Г 1С шя
20
26
28
I' С
Рис. 4. Результаты расчета скорости сушки плотвы в зависимости от влагосодержания и температуры воздуха по формуле (*)
Таким образом, исследования показали, что для каждого вида рыбы можно установить область рациональных параметров воздуха при конвективной сушке °С и ф. Установлены кинетические зависимости скорости сушки в процессах сушки плотвы, чехони и окуня при различных параметрах воздуха в сушильной установке: скорости 1...3 м/с, температуре 20...30 °С и влагосодержании 7,4... 10,8 г/кгс.в.
Рациональные параметры воздуха при сушке плотвы: температура - 27... 28 °С, влагосодержание - 7,0...8,1 г/кг св.; чехони: температура - 29...30 °С, влаго-содержание -7 ,0...8,2 г/кг с.в.; окуня: температура - 27...29 °С, влагосодержание -7,8...9,6 г/кг св. Это объясняется различной структурой строения этих рыб (консистенцией мышечной ткани, толщиной кожи, размером чешуи).
ЛИТЕРАТУРА
1. Особенности массопереноса при сушке рыбы [Текст]/ Суслов А.Э. [и др.] // Известия вузов. Пищевая технология. - 2007. - № 2. - С. 56-57.
2. Dalvand, М. J. Determining the influence of drying conditions on EHD drying process / M. J. Dalvand, S. S. Mohtasebi, S. Rafiee / / ARPN Journal of Agricultural and Biological Science. - 2012. - V. 7, No 6. - P. 396-401.
3. Наумов, В.А. Граничные условия при конвективной сушке рыбы [Текст] / В.А. Наумов, А.Э. Суслов, Ю.А. Фатыхов // Вестник МГТУ. - 2015,- Т. 18, № 4. - С. 647-653.
4. Toujani, М. Experimental study and mathematical modeling of silverside fish convective drying / M. Toujani, L. Hassini, S. Azzouz, A Belghith / / Journal of Food Processing and Preservation. - 2013. - V. 37, No 5. - P. 930-938.
5. Mujaffar, S. Modeling the drying behavior of unsalted and salted Catfish (Arius sp.) slabs / S. Mujaffar, C.K. Sankat // Journal of Food Processing and Preservation. -2015.-V. 39, No 6.-P. 1385-1398.
6. Marine, S.S. Traditional methods offish drying: An explorative study in Sylhet, Bangladesh / S.S. Marine, P.P. Barman, R. Begum [etc.] // International Journal of Fishery Science and Aquaculture. - 2015. - V. 2, No 1. - P. 28-35.
7. Hasan, M.M. Comparison of organoleptic and chemical characteristics of some traditional and improved dried fish products / M.M. Hasan, M.G. Rasul, H.J. Ferdausi [etc.] // Research Journal of Animal, Veterinary and Fishery Sciences. - 2016. - V. 4, No 2.-P. 1-6.
8. Наумов, В.А. О выборе целевой функции при оптимизации параметров процесса сушки рыбы [Текст] / В.А. Наумов, А.Э. Суслов, Ю.А. Фатыхов // Известия КГТУ. - 2016. - № 43. - С. 132-142.
REFERENCES
1. Suslov A.E. Osobenosty massoperenosa pri sushke riby [Features of a mass transfer when drying fish] Izvestiy vuzov. Pischevay tehnologiy, 2007, No 2, pp. 56-57 (Russian).
2. Dalvand, M. J. Determining the influence of drying conditions on EHD drying process, ARPN Journal of Agricultural and Biological Science, 2012, V. 7, No 6, pp. 396 -401
3. Naumov V.A., Suslov A.E., Fatykhov J.A. Granichnie uslovia pri konvektivnoi sushke riby [Boundary conditions at convective drying of fish] Vestnik MGTU, 2015, T. 18, No 4, pp. 647-653 (Russian).
4. Toujani М. Experimental study and mathematical modeling of silverside fish convective drying, Journal of Food Processing and Preservation, 2013, V. 37, No 5, pp. 930-938.
5. Mujaffar S. Modeling the drying behavior of unsalted and salted Catfish (Arius sp.) slabs, Journal of Food Processing and Preservation, 2015, V. 39, No 6, pp. 1385-1398.
6. Marine S.S. Traditional methods offish drying: An explorative study in Sylhet, Bangladesh, International Journal of Fishery Science and Aquaculture, 2015, V. 2, No 1, pp. 28-35.
7. Hasan M.M. Comparison of organoleptic and chemical characteristics of some traditional and improved dried fish products, Research Journal of Animal, Veterinary and Fishery Sciences, 2016, V. 4, No 2, pp. 1-6.
8. Naumov V.A., Suslov A.E., Fatykhov J.A. О vibore celevoi funkcyi pri optimi-zacyi parametrov processa sushki riby [About the choice of criterion function by optimization of parameters of process of drying of fish] Izvestya KGTU, 2016, No 43, pp. 132-142 (Russian).
