CC BY
26
УДК 621.384.3/621.365.46
Обоснование инфракрасной сушки соков и выбор генератора излучения
В.М. Попов, д-р техн. наук, профессор; В.А. Афонькина, канд. техн. наук; В.Н. Левинский, зав. лабораторией; А.В. Медведев, бакалавр ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ
В статье представлено понятие сухого сока, основные сферы его применения, его происхождение на российском рынке. Рассмотрено главное сырьё для производства сухого сока, содержание в нём биологически активных веществ после высушивания. Рассмотрена классическая технология производства сухого сока, включающая в себя три основных этапа. Самым важным и сложным является этап сушки. Проанализирован способ вакуумной сушки, как самый распространённый на сегодняшний день. Предложено использование инфракрасного излучения для сушки соков. Отмечены основные плюсы его использования и важность согласования системы «излучатель - приёмник», где «приёмник» - это сырьё, а излучатель - генератор инфракрасного излучения. Рассмотрены известные генераторы излучения, применяемые в сушильной инфракрасной технике. Выбран наиболее приемлемый и эффективный для инфракрасной сушки соков плёночный электронагреватель. Его использование позволит соблюсти условия термолабильности сырья, а при правильном согласовании системы «излучатель - приёмник» максимально сохранить биологически активные вещества при снижении энергетических затрат.
Ключевые слова: сухой сок, инфракрасная сушка, генератор инфракрасного излучения.
Сухой сок - натуральный биологически активный продукт длительного срока хранения, богатый витаминами, клетчаткой, пектином, минеральными веществами.
Сухой сок получается путём физического удаления из сока прямого отжима части содержащейся в нём воды, в целях увеличения содержания растворимых сухих веществ не менее чем в два раза по отношению к исходному соку прямого отжима.
После процесса сушки полученный продукт готов к непосредственному употреблению и может быть использован в качестве природной биологически активной добавки в молочных и кондитерских изделиях, а также в качестве специи для улучшения органолептических показателей обычных блюд.
Материал и методы исследования. На российском рынке сухие соки, как правило, импортного происхождения. Крупнейшими странами-поставщиками сухих соков являются Китай (18 %), Нидерланды (14 %), страны СНГ (11 %), Израиль (10 %), Польша (8 %), Болгария (8 %), 31 % приходится на Испанию, Германию, Иран и другие страны-импортеры (рис. 1).
Сухой сок производят из фруктов (груша, гранат, яблоко, слива, абрикос), ягод (виноград, вишня, черника, чёрная и красная смородина, арбуз), овощей (томаты, кабачки, тыквы, помидоры) и даже из деревьев, к примеру, берёзовый сок.
Основываясь на результатах проведённых опытов [1], можно утверждать, что в конечном продукте после процесса сушки содержатся биологически активные вещества. Доля органических кислот достигает 80 % (клюква), пищевых волокон - до 14 % (тыква), аскорбиновой кислоты - до 300 мг / 100 г (чёрная смородина). Свойства сухих соков неизменно стабильны при длительном сроке хранения. Сок существенно
превышает исходную ягоду по витаминам А и группы В, богат магнием, медью, цинком и марганцем. Фруктовые кислоты воздействуют на человека гораздо меньше после процесса сушки сока, что повышает его ценность [1].
Благодаря высокой концентрации биологически активных веществ, сухой сок превращается в продукт с явно выраженным фармакологическим действием и требует тщательного изучения своих свойств. Высокая концентрация биологически активных веществ в сочетании с возможностью длительного хранения в обычных условиях при комнатной температуре открывает большие перспективы перед сухими фруктовыми, ягодными и овощными соками в плане разработки новых продуктов для детского, диетического и специального питания. Благодаря высокому содержанию биологически активных веществ в сухих соках его можно употреблять круглый год. Такие соки могут храниться без консервантов, ароматизаторов и красителей.
Прочие. 31 %
Болгария 8 %
Нидерланды
14 %
Страны СНГ
11 %
Польша 8 %
Израиль 10 %
Рис. 1 - Структура импорта сухих соков по странам-производителям
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 • № 4 (84)
При увеличении в соке прямого отжима содержания мякоти сухой сок может быть гранулирован и размельчён до порошкообразного состояния. Из сухих порошков можно приготовить как безалкогольные напитки - соки, компоты, кисели, желе для выпечки, пюре, так и алкогольные -коктейли или многими любимый в зимнее время года глинтвейн.
Процесс производства сухого сока по классической технологии можно условно разделить на три основных этапа: подготовительный, сушки и завершающий (рис. 2). На подготовительном этапе продукт моют и ополаскивают, затем инспектируют по качеству, удаляя растительный мусор и непригодные для сушки плоды. После этого производят взвешивание продукта, далее его замораживают в морозильной камере либо производят сгущение сока выпариванием в зависимости от того, какой способ сушки в дальнейшем будет применяться. Далее готовый замороженный или сгущённый продукт загружают в прогретую сушильную установку, и наступает самый длительный процесс технологии производства сухого сока - непосредственно сушка, которая ведётся под контролем температуры среднего слоя продукта. После окончания сушки производят выгрузку продукта, взвешивание, расфасовку в герметичные упаковки и последующее хранение.
Самым важным и сложным является этап сушки. В настоящее время в технологиях производства сухого сока используют различные способы обезвоживания, самый распространённый - это вакуумная сушка. Вакуумные установки отличаются выходом продукта высокого качества и быстротой действий, но все это сопряжено с высокими энергетическими затратами и обязательным наличием высококвалифицированных специалистов для контроля процесса [2].
Весьма привлекателен для применения в технологии производства сухого сока способ сушки инфракрасным излучением. Данный способ имеет ряд существенных преимуществ: во-первых, не нуждается в использовании теплоносителя, который загрязняет обрабатываемый материал;
во-вторых, температура материала превышает температуру вблизи теплопередающих стенок, тепловыделение происходит во всём объёме материала; в-третьих, быстрота нагрева не зависит от агрегатного состояния материала, а только от его оптических и диэлектрических свойств. При использовании инфракрасного излучения эффективность сушки возможно увеличить в 2 раза при снижении энергетических затрат в 1,5 раза [2 - 6].
Неоспоримым плюсом инфракрасного излучения являются дезинсекционные свойства, что предотвращает развитие патогенной микрофлоры. Это позволяет в процессе сушки соков с применением инфракрасного излучения не проводить дополнительные обеззараживающие мероприятия.
К тому же, применяя данный способ сушки, нет необходимости производить операцию заморозки или выпаривания, их можно просто исключить из технологии производства сухих соков. Это позволит сэкономить: на покупке оборудования, на котором необходимо производить эти операции; на обслуживании данного оборудования; на затратах электроэнергии данным оборудованием; на трудовых и временных ресурсах [7].
Важным моментом применения инфракрасного излучения для сушки соков является соблюдение условий согласования системы «излучатель - приёмник».
Результаты исследования. Под «приёмником» в этом случае мы подразумеваем сырьё. Оно состоит из воды и сухого вещества, которое в свою очередь обладает набором целевых компонентов. В процессе инфракрасной сушки максимум поглощения водой в тот же момент должен соответствовать максимуму пропускания целевых компонентов продукта (сырья) [8 - 10]. Всё сырьё для производства сухого сока, как правило, обладает свойствами термолабильности.
Термолабильность - это свойство сырья реагировать на повышение температуры разрушением целевых компонентов и ухудшением его качества [11]. Таким образом, для их сохранности нужно
Подготовительный этап
I--------------------1
! Мойка и ополаскивание I
I I
I_________,.__________I
X
Очистка продукта
т.
Взвешивание
I
| Заморозка/выпаривание -—
Этап сушки
Г Прогрев сушильной "1 1 камерной установки !
Загрузка продукта в сушильную установку
Процесс сушки
Завершающий этап
Выгрузка продукта 1 из сушильной установки !
I__________,__________I
Взвешивание
Расфасовка Хранение
Рис. 2 - Технологическая схема производства сухого сока
точно определить, при каких температурах необходимо воздействовать на продукт.
Под «излучателем» подразумевается генератор инфракрасного излучения. Тип излучателя и способ его нагрева определяют форму и материал излучающего тела. В свою очередь излучатель оказывает влияние на конструктивно-технологические параметры сушилки и определяет её размеры, удалённости источника от сырья и параметры воздействия облучением на высушиваемый материал [3, 6, 12].
В сушильной инфракрасной технике в качестве источников излучения используют светлые и тёмные ИК-генераторы. Их классификация представлена на рисунке 3 [11, 13].
В работах отечественных учёных по сушке и термообработке сельскохозяйственного сырья В Н. Карпова, Ю.М. Плаксина, В.Г Быкова, С.И. Уразова и др. [14 - 16] под ИК-излучением в основном рассматриваются технологии с применением ИК-ламп и ТЭНов, что сопряжено с рядом трудностей.
Во-первых, эти типы ИК-генераторов являются точечными, что добавляет сложности в конструкции сушилок и отражателей для создания равномерного излучения поверхности обрабатываемого объекта [15]. При использовании точечных ИК-генераторов по причине непопадания части потока излучения на облучаемый объект происходит потеря части энергии. А также происходит возникновение зоны затенения и зоны с «паразитной засветкой», что ведёт к неравномерной сушке сырья, локальным перегревам и, как итог, к снижению качества конечного сухопродукта.
Во-вторых, ТЭНы и лампы, как правило, используются в оптических электроустановках для создания интенсивного потока излучения в инфракрасной области спектра (0,8 - 3 мкм). Такие источники инфракрасного излучения нашли применение в системах обогрева животных и птиц в сельском хозяйстве; для сушки лакокрасочных изделий, для обжига и дистилляции в промышленности; для пастеризации при обработке продуктов питания.
С появлением низкотемпературных гибких плёночных электронагревателей, описанных в работах В.М. Попова, В.А. Афонькиной, Н.Е. Епишкова, Е.Н. Епишкова и др. [2 - 4, 11, 12, 17], появилась возможность рассматривать данный тип плоского ИК-генератора излучения в конструкциях установок для сушки сырья в инфракрасной области спектра (8,5 - 9,5 мкм), а также увеличение плотности потока лучистой энергии за счёт возможности изменения геометрической формы плёночного электронагревателя [8, 9].
По закону смещения Вина (1) рассчитаем диапазон температур поверхностей генераторов инфракрасного излучения ТЭНов, ламп, плёночного электронагревателя и оценим возможность их применения с учётом особенностей сырья, применяемого в технологи производства сухого сока [8, 9, 11]:
2896
Я,
Т
(1)
где Ъмакс - длина волны излучения, мкм;
Т - температура поверхности генератора ИК-излучения, К.
Рис. 3 - Классификация электрических ИК-генераторов
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 • № 4 (84)
Температура поверхности ТЭНов, ИК-ламп соответствует диапазону 600 - 3300 °С, температура поверхности плёночных электронагревателей составляет 35 - 75 °С.
Вывод. Анализ литературы и полученные результаты температурных диапазонов поверхностей наиболее распространённых электрических генераторов ИК-излучения показали, что наиболее приемлемым и эффективным для инфракрасной сушки соков является плёночный электронагреватель. Его использование позволит на уровне 80 - 90 % от исходного содержания сохранить в сырье термолабильные белки, витамины, ю-3 полиненасыщенные жирные кислоты, а также естественный цвет и вкус [18].
Литература
1. Емельянов А.А. Соки натуральные сухие: пасты, гранулы, порошки // Пиво и напитки. 2008. № 2. С. 36 - 39.
2. Попов В.М., Афонькина В.А., Левинский В.Н. К вопросу об инфракрасной сушке томатов // Достижения науки - агропромышленному производству: матер. LV междунар. науч.-технич. конф. Челябинск, 2016. С. 267 - 274.
3. Попов В.М., Афонькина В.А., Левинский В.Н. Применение инфракрасного плёночного электронагревателя в конструкции сушильных установок прессованного чая // Актуальные вопросы агроинженерных наук: теория и практика: матер. национал. науч. конф. Института агроинженерии / Под ред. М.Ф. Юдина. Челябинск, 2018. С. 284 - 290.
4. Применение инфракрасного излучения в технологическом процессе обработки чайного сбора из иван-чая / В.Н. Левинский, В.М. Попов, В.А. Афонькина [и др.] // Актуальные проблемы энергетики АПК: матер. IX междунар. науч.-практич. конф. / под общ. ред. В.А. Трушкина. Саратов, 2018. С. 91- 93.
5. К вопросу комбинированной инфракрасной сушки пищевых продуктов / А.В. Медведев, В.М. Попов, В.Н. Левинский [и др.] // Актуальные проблемы энергетики АПК: матер. X национал. науч.-практич. конф. с междунар. участ. Саратов, 2019. С. 156 - 158.
6. Попов В.М., Афонькина В.А., Левинский В.Н. Проблемы проектирования инфракрасных установок для высоковлажного сырья // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2018. № 3 (47). С. 84 - 88
7. Инфракрасная сушка высоковлажных материалов / В.М. Попов, В.Н. Левинский, В.А. Афонькина [и др.] // Современные
тенденции технологического развития АПК: матер. междунар. науч.-технич. конф. Института агроинженерии. Челябинск, 2019. С. 236 - 241.
8. Попов В.М., Афонькина В.А., Левинский В.Н. Исследование и согласование оптических свойств ИК-излучателей и спектральных характеристик яичного порошка // АПК России. 2019. № 4 (26). С. 558 - 562.
9. Исследование зависимости между оптическими свойствами ИК-излучателей и спектральных характеристик томата / В.М. Попов, В.А. Афонькина, В.Н. Левинский [и др.] // Актуальные вопросы агроинженерных и сельскохозяйственных наук: теория и практика: матер. национал. науч. конф. Института агроинженерии, Института агроэкологии. Троицк, 2019. С. 93 - 98
10. Левинский В.Н., Попов В.М., Афонькина В.А. Система автоматического управления инфракрасной сушильной установки высоковлажного биологического сырья цилиндрического типа // Наука и образование: опыт, проблема, перспективы развития: матер. междунар. науч.-практич. конф. Красноярск, 2018. С. 121 - 125.
11. Афонькина В.А. Инфракрасная сушка термолабильного сырья на примере зелёных культур: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 2014. 29 с
12. Определение энергоэффективности машины цилиндрического типа для инфракрасной сушки высоковлажного биологического сырья в сравнении с аналогом / В.М. Попов, В.Н. Левинский,
B.А. Афонькина [и др.] // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2018. № 2(46).
C. 131 - 139.
13. Сравнительный анализ ИК-излучателей, применяемых в конструкции инкубаторов / В.М. Попов, В.А. Афонькина, В.Н. Левинский [и др.] // Актуальные вопросы агроинженер-ных и сельскохозяйственных наук: теория и практика: матер. национал. науч. конф. Института агроинженерии, Института агроэкологии. Троицк, 2019. С. 99 - 103.
14. Карпов В.Н., Ракутько С.А. Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК. СПб., 2010. 100 с.
15. Плаксин Ю.М. Научно-технические основы пищевой технологии при ИК-энергподводе: дис. ... д-ра техн. наук. М.:МГАПП, 1993.
16. Пат. 100353 RUH05B 3/36. Плёночный электронагреватель; № 2010115793 / Полевой Б.Г., Попов В.М; заявл. 20.04.2010, опубликован. 10.12.2010. Бюл. № 34.
17. Пат. 84660 RUH05B 3/36 Плёночный электронагреватель; № 2009106508/22 / Епишков Н.Е., Глухов С.В., Епишков Е.Н.; заявл. 24.02.2009; опубликован. 10.07.2009.
18. Вакуумная инфракрасная сушка - технология щадящей переработки растительного и животного сырья / Л.Б. Ратникова, П.Е. Влощинский, Г. И. Широченко [и др.] // Вестник Сибирского университета потребительской кооперации. 2012. № 1(2). С. 96 - 100.
Попов Виталий Матвеевич, доктор технических наук, доцент Афонькина Валентина Александровна, кандидат технических наук, доцент Левинский Василий Николаевич, заведующий лабораторией Медведев Андрей Витальевич, бакалавр
ФГБОУ ВО «<Южно-Уральский государственный аграрный университет» Россия, 457100, Челябинская область, г. Троицк, ул. Гагарина, 13 E-mail: ntc-es@mail.ru; afva82@mail.ru; lv_74rus@mail.ru; med0711@mail.ru
The rationale for infrared drying of juices and choice of the radiation generator
Popov Vitaly Matveyevich, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor
Afonkina Valentina Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Levinsky Vasily Nikolaevich, Head of Laboratory
Medvedev Andrey Vitalyevich, bachelor
South Ural State Agrarian University
13, Gagarin St., Troitsk, Chelyabinsk region, 457100, Russia
E-mail: ntc-es@mail.ru; afva82@mail.ru; lv_74rus@mail.ru; med0711@mail.ru
The article presents the basic concept of dry juice, its main applications, and its origin on the Russian market. The main raw materials for the production of dry juice, the content of biologically active substances in it after
drying are considered. The classical technology of dry juice production, which includes three main stages, is considered. The most important and difficult stage is drying. The method of vacuum drying, as the most common today, is considered. The use of infrared radiation for drying juices is proposed. The main advantages of its use and the importance of matching the "emitter - receiver" system, where the "receiver" is a raw material, and the emitter is an infrared radiation generator, are noted. The well-known radiation generators used in drying infrared technology are considered. The most suitable and effective film electric heater for infrared juice drying was selected. Its use will allow to observe the conditions of thermal stability of raw materials, and with the correct coordination of the "emitter - receiver" system, to preserve biologically active substances as much as possible while reducing energy costs.
Key words: dry juice, infrared drying, infrared radiation generator.
-♦-
УДК 631.365.22
Математическая модель процесса сушки семян амаранта в инфракрасной сушильной установке
А.А. Давыдова, аспирантка; И.Х. Масалимов, канд. техн. наук;
Х.Т. Каримов, канд. техн. наук; Ш.Ф. Файзрахманов, ст. преподаватель
ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ
Исследования проведены с целью разработки математической модели для оптимизации процесса сушки семян амаранта. В качестве объекта исследований выступили физические процессы, проходящие при сушке семян амаранта. В статье приводится математическое описание сушки семян амаранта в инфракрасной сушильной установке. Разработана технологическая схема сушки семян амаранта, в основу которой заложен инфракрасный нагрев, позволяющий ускорить процесс сушки, не повреждая семенной материал без потери качества семян. Согласно разработанной схеме процесс сушки состоит из трёх этапов: первый - инфракрасный нагрев, второй - отлёжка и третий - охлаждение материала атмосферным воздухом. Разработана математическая модель, основанная на балансе энергии нагрева, влаги и воздуха в сушильной установке, позволяющая определить: диапазон необходимой мощности инфракрасных излучателей, равный <2ик = 2,8 - 8,6 кВт, зависящей от начальной влажности материала, продолжительности нагрева и необходимой конечной влажности; количество воздуха в камере удаления влаги и охлаждения, позволяющее охладить зерно и поглотить влагу, испаряемую в процессе охлаждения Ьх = 997 - 2991 кг/час; диапазон мощности вентилятора, равный Мв = 1 - 3 кВт.
Ключевые слова: сушка амаранта, установка сушильная, режим температурный, влажность материала, нагрев инфракрасный, модель математическая.
В зернохранилища часто поступает зерно с высокой влажностью, что делает его непригодным для длительного хранения и перевозок, усложняет контроль за ними вызывая излишние затраты труда и материальных средств. Также это отрицательно сказывается на технологических свойствах зерна. Избыток влаги и тепла от самосогревания зерна создаёт благоприятные условия для развития микроорганизмов и вредителей [1 - 4].
Правильно организованная и своевременно проводимая сушка с применением высокопроизводительных аппаратов и установок имеет важное значение для ускорения темпов подготовки зерна к хранению.
Для снижения потерь, обеспечения сохранности и качества высушиваемого зернового материала, снижения энергозатрат необходимо создать зерносушилки, обеспечивающие снижение влажности зерна до кондиционного значения (10 - 16 %) в установленные сроки, исходя из природно-климатической зоны (различный разброс по влажности требует дифференцированных режимов сушки и технического варьирования
конструкции зерносушилок). Зерносушилки должны обеспечивать непрерывность процесса сушки, качество товарного (продовольственного) зерна, а также сохранение производительности при работе с различным семенным материалом
[5 - 9].
Цель исследования: разработка математической модели для оптимизации процесса сушки семян амаранта. Объектом исследования были физические процессы, происходящие при сушке семян амаранта.
Материал и методы исследования. Учитывая то, что воздух при ИК-нагреве не является теплоносителем, он оказывает значительное влияние на эффективность теплообмена излучением. Чем меньше перепад температур между воздухом и облучаемой поверхностью, тем меньше температурный градиент в материале и равномернее его нагрев. Большой температурный градиент внутри высушиваемого зерна зачастую становится причиной его разрушения и появления трещин. Поэтому в установках для радиационной сушки перепад температур воздуха и высушиваемого материала должен быть ограничен [4].
