CC BY
0А.В. Антипов, канд. техн. наук, академик МАХ, e-mail: a225306@yandex.ru
ООО «НЕД-Центр», г. Москва Ц.Б. Дугаров, канд. техн. наук, доц., e-mail: siden@mail.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
Г.П. Власенко, канд. техн. наук, доц.
НИУ «МЭИ», Россия, г. Москва
УДК 637.026
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ДОСУШИВАНИЯ МЯСНЫХ ПРОДУКТОВ, СУБЛИМИРОВАННЫХ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ
В статье с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) определена максимально допустимая температура досушивания мясных продуктов, сублимированных при атмосферном давлении. Экспериментально определено, что после удаления вымороженной влаги до остаточной влажности 15-17% повышение температуры сушильного агента до + 85оС не оказало влияния на качество сублимированных продуктов после досушивания. При этом определялись такие показатели, как продолжительность процесса, содержание остаточной влаги, коэффициент водопоглощения и влагоудерживающая способность в зависимости от температуры досушивания. Повышение температуры досушивания позволяет значительно сократить продолжительность процесса атмосферной сублимационной сушки.
Ключевые слова: атмосферная сублимационная сушка, влажность, дифференциальная сканирующая калориметрия, тепловое досушивание, денатурация белка.
A.V. Antipov, Cand. Sc. Engineering Ts.B. Dugarov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof. G.P. Vlasenko, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
DETERMINATION OF THE MAXIMUM PERMISSIBLE FINAL DRYING TEMPERATURE OF MEAT PRODUCTS FREEZE-DRIED
AT ATMOSPHERIC PRESSURE
In the article, using differential scanning calorimetry (DSC), the maximum permissible drying temperature of meat products freeze-dried at atmospheric pressure is determined.Experimentally determined that after the removal of the frozen moisture to a residual moisture of 15-17% increase in temperature of drying agent to +85 °C had no impact on the quality offreeze-dried products after final drying. At the same time, the following parameters were determined: the duration of the process, the residual moisture content, the water absorption coefficient, and the water retention capacity, depending on the drying temperature The temperature of the final drying can significantly reduce the duration of the process of atmospheric freeze-drying.
Key words: atmospheric freeze drying, humidity, differential scanning calorimetry, thermal dehydration, protein denaturation.
Введение
Основным требованием, предъявляемым к процессу сублимационной сушки, является получение сухих продуктов, в максимально возможной степени сохраняющих после восстановления свойственные исходному сырью вкус, цвет, аромат. Для обеспечения высокого качества продуктов сублимационной сушки необходимо учитывать основные характеристики объектов сушки - технологические, и массообменные. Также для повышения коммерческой ценности необходимо снижение энергетических затрат при сублимационной сушке для уменьшения стоимости сублимированных продуктов.
Цель исследования
В соответствии с научными принципами технологии сублимационной сушки условия проведения процесса, определяющие оптимальный режим сушки, должны быть выбраны в зависимости от свойств высушиваемого продукта на различных стадиях его обезвоживания. При этом необходимо учитывать специфические особенности процесса сублимации льда в различных условиях сушки.
Материал и методы исследования
Для сублимации влаги из капиллярно-пористых коллоидных тел в вакууме, какими являются мясные продукты, характерно углубление зоны сублимации. Основные закономерности этого процесса при вакуумной сублимационной сушке изучались в [1]. Проведенные исследования позволили установить наличие нескольких зон влажности по толщине сушимого слоя (рис. 1).
В первые часы сушки отмечались три зоны влажности: в первой зоне влажность продукта составляла 87%, во второй - 18%, в третьей зоне - 6%.
Впоследствии появляется четвертый слой, в котором влажность равняется 4%. По зонам влажность распределяется следующим образом: I - 87%, II - 21, III - 10, IV - 4%, т.е. III зона по влажности как бы разделилась на «собственно» III и IV зоны с самой низкой влажностью.
6 0 10 12 П 16 16 20 22 Л 26 26 30 32 Л Продолжителоность сушки, ч
2 4 3 г
К///У'У/ У////,-»/),. '2/У/Л
ч. ЛДУЛУ; ^ >,\у\У\ -Г]
Рисунок 1 - Распределение зон влажности по толщине слоя продукта: 1 - замороженный продукт; 2 - продукт с промежуточной влажностью;
3 - продукт с влажностью до 10%; 4 - сухой продукт
При наличии такого сухого слоя на поверхности продукта, чтобы предотвратить его «тепловое повреждение», необходимо снизить интенсивность энергоподвода. Опасность теплового повреждения продукта появляется в период удаления остаточной влаги, когда выходящих водяных паров недостаточно для охлаждения сухого каркаса и он начинает перегреваться.
Причиной значительного перепада остаточной влажности по слою сублимируемого продукта является «краевой» эффект, подробно рассмотренный в публикациях [2].
Для каждого реального объекта сушки существует своя максимально допустимая температура нагрева, определяемая его физико-химическими, биохимическими и структурно-механическими свойствами.
Решающее значение для качества продукта имеют условия проведения сушки на стадии
удаления остаточной влаги: максимальное значение температуры и продолжительность пребывания продукта в условиях повышенной температуры. Продолжительность заключительного периода сушки зависит от свойств продукта, режима обезвоживания и заданного уровня остаточной влаги. Для предотвращения развития реакции меланоидинообразования при хранении высушенного продукта содержание в нем влаги должно составлять не менее 3 и не более 5 %.
В зависимости от характера предварительной обработки и продолжительности сушки допустимая температура мяса и мясопродуктов в период удаления остаточной влаги находится в пределах 40...50 °С. При вакуумной сублимационной сушке с односторонним контактным теплоподводом продолжительность сушки сырого мяса, толщина кусков которого составляет 12.15 мм, достигает 12.15 ч. В этом случае температура продукта на стадии удаления остаточной влаги не должна превышать нижнего температурного предела. Применение двустороннего контакта и радиационного теплоподвода сокращает продолжительность сушки вдвое. Это позволяет повысить температуру для сырого мяса до 50.. ,60°С [3].
Известно исследование процесса атмосферной сублимационной сушки сырого мяса [4].
Главным недостатком такого способа сушки является значительная продолжительность процесса - 12 сут.
Авторами был разработан способ увеличения скорости сублимационной сушки при атмосферном давлении [9, 10]. На рисунке 2 представлена кривая процесса сушки слоя мясного фарша толщиной 10 мм продуванием.
а б
Рисунок 2 - Кривая сушки мясного фарша толщиной 10 мм: а - кривая сушки; б - мясной фарш, сушка продуванием; в - мясной фарш
Продолжительность сушки была сокращена в 20 раз.
После удаления вымороженной влаги остаточная влажность и в том, и в другом случае составляла 15.17 %. При исследовании остаточной влажности по толщине слоя, разницы в значениях не было отмечено, т.е. в мясном фарше в процессе сублимационной сушки удаляется только вымороженная влага. Были проведены эксперименты по досушиванию сублимированного мяса при положительных температурах [4]. Было установлено, что повышение температуры досушивания мяса с промежуточной влажностью до +85 °С не оказало влияния на качество сублимированных продуктов после досушивания.
Таким образом, была обоснована возможность производить досушивание при положительных температурах. Причем в экспериментах были использованы температуры, превышающие регламентные значения температуры досушивания при вакуумной сублимации на 25 °С... 45 °С.
Целью работы было исследование этого феномена. В работе [4] был получен неожиданный результат. Изменение внешних условий сублимационной сушки привело к изменению свойств продукта. Если продукт с промежуточной влажностью выдерживает более высокие температуры без денатурации, то появляется возможность повышения температуры досушивания сублимированных материалов. Это, в свою очередь, позволит значительно ускорить процесс досушивания и сократить энергетические затраты при сублимационной сушке. Для определения допустимой температуры нагрева поверхности сублимированных белковых материалов при атмосферном давлении в МЭИ была проведена сублимационная сушка при атмосферном давлении фарша из сырого мяса на учебно-исследовательском стенде. После достижения заданной влажности (16%) продукт переносился в инфракрасную тепловую сушилку (рис. 3), входящую в комплект стенда.
Рисунок 3 - Тепловая сушилка для досушивания сублимированных продуктов
Досушивание производилось до заданной конечной влажности (менее 5%) при различной температуре нагрева поверхности в период удаления остаточной влаги.
Основными компонентами мяса разных видов животных являются (в %): вода - 48-80, белки - 15-22, жиры - 1-37, экстрактивные вещества - 1,5-2,8 и минеральные вещества - 0,7-1,5.
В данном случае интересовала устойчивость к температурному воздействию мышечных белков мяса. По питательным и вкусовым достоинствам мышечная ткань - наиболее важный компонент мяса. Основным структурным элементом мышечной ткани является мышечное волокно. Длина его колеблется от 2 до 160 мм, а толщина - от 10 до 150 мм, что зависит от вида животного, его возраста, упитанности. В мышечном волокне различают сарколемму (наружную оболочку), саркоплазму, миофибриллы и ядра. Саркоплазма (жидкая часть) содержит
белки в растворенном состоянии, миофибриллы представляют собой сложную студнеобразную белковую систему. Наиболее важный белок мышечной ткани как по биологическим особенностям, так и по содержанию (около 40%) - миозин. Он содержит около 20 аминокислот, в том числе все незаменимые. Денатурация мышечных белков сырого мяса проходит быстро при нагревании до 60...65 °С. При этом денатурируется около 90 % растворимых белков. Наиболее быстро денатурируется основной белок мышц - миозин. Уже при температуре 60 °С становятся нерастворимыми около 90% всех белков. В дальнейшем денатурация замедляется. При денатурации происходит уплотнение белкового студня мышечных волокон, увеличивается их плотность и выпрессовывается значительное количество воды с растворенными в ней веществами. При этом диаметр мышечных волокон сокращается (при 65° С мышечные волокна говядины уменьшаются в диаметре на. 12. 16%). Однако потеря воды тканями мяса при тепловой обработке обусловлена главным образом механическим воздействием, возникающим при денатурации соединительнотканных белков.
Процесс денатурации лучше всего отражен в исследованиях белковых систем мышечных волокон с помощью ДСК. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) является самым прямым и наиболее эффективным методом регистрации процесса тепловой денатурации белка [5, 6]. В последнее время этот метод интенсивно применяется многими исследователями для изучения белков. Применение метода ДСК позволяет получить информацию о изменениях, происходящих в белках при тепловой денатурации белка. Мышечные белки на протяжении многих лет были одним из излюбленных объектов для калориметрических исследований. Достаточно сказать, что один из основоположников современной сканирующей калориметрии П.Л. Привалов начинал свою научную деятельность именно с изучения методом ДСК-тепло-вой денатурации мышечных белков - стержневой части миозина, тропомиозина, актина и тро-понина С [7, 8].
С помощью дифференциального сканирующего калориметра (рис. 4), входящего в состав стенда, были проведены исследования температуры денатурации белков сырого мяса после сублимационной сушки.
Рисунок 4 - Дифференциальный сканирующий калориметр DSC 131
Установлено, что температура денатурации белков сырого мяса сдвигается в сторону увеличения на 30 °С, т.е. денатурация белков начинается после достижения температуры белков мяса 90 °С.
Результаты исследования и их обсуждение
Сочетание метода ДСК с другими методами и подходами, характеризующими качественные изменения белков мяса, позволяет рассмотреть денатурационные изменения с разных позиций и выявить погрешности в эксперименте.
126
Для проверки данных, полученных с помощью ДСК, были использованы физические методы определения качества сублимированного сырого мяса:
Определение влагоудерживающей способности (ВУС)
Метод основан на выделении воды из навески исследуемого материла путем прессования и на определении количества оставшейся воды в навеске по площади «влажного» пятна.
Коэффициент водопоглощения - показатель, определяющий количество воды в миллилитрах, удерживаемое 1 г сушеного мяса после его отжатия.
Результаты исследований представлены в таблице. На рисунке 5 представлены данные таблицы, отображенные в виде графика.
Таблица
Результаты исследования процесса досушивания мясного фарша с промежуточной влажностью
Объект Температура Продолжитель- Содержание Коэффициент Влагоудержи-
исследо- сушки, °С ность процесса, влаги, % водопоглоще- вающая
вания мин ния способность
Фарш говяжий 55 30 5,0 3,38 40,6
сырой
60 25 4,7 3,21 40,2
65 20 4,1 3,15 40,0
70 15 3,8 3,1 39,8
75 13 3,1 3,1 39,6
80 10 2,7 3,08 39,4
85 8 2,4 3,04 39,0
90 5 2,4 2,4 30,7
Рисунок 5 - График обработки результатов, приведенных в таблице
Анализ полученных данных показывает, что:
1. Применение теплового досушивания позволяет получить продукт сублимационной сушки при атмосферном давлении, сопоставимый по качеству с продуктом вакуумной сублимационной сушки.
2. Сочетание процесса продувания слоя плотно упакованных частиц с процессом досушивания при положительных температурах позволяет обеспечить продолжительность процесса сушки слоя толщиной 10 мм, сопоставимой с продолжительностью сушки в условиях вакуумной сублимационной сушки.
3. Денатурация белков мясного фарша при промежуточной влажности (менее 20%) начинается на 20.25 °С выше, чем денатурация белков сырого мяса.
4. Использование данных дифференциального термического анализа позволяет значительно повысить температуру досушивания (до 85 °С).
5. Повышение температуры досушивания до 85 °С сокращает продолжительность процесса досушивания в 6 раз.
6. Повышение температуры досушивания с 55 до 85 °С позволяет получить регламентированную остаточную влажность продукта в пределах 5% влажности для вакуумной сублимационной сушки, которая обеспечивает продолжительные сроки сохранения качества.
7. Применение высоких температур досушивания позволяет получить остаточную влажность более 3%, что обеспечивает высокое качество сублимированного продукта.
8. Повышение температуры досушивания обеспечивает высокую скорость досушивания и сокращение энергетических затрат.
Экспериментальные исследования качественных характеристик животного сырья показывают разницу между температурой денатурации, полученной на ДСК, и реальными температурами. Это можно объяснить погрешностями в измерениях температуры денатурации на ДСК (некоторой инерционностью калориметра) и градиентом влажности по гранулам мясного фарша при досушивании.
По окончании опытов определяли органолептические показатели мясопродуктов, приготовленных из сублимированного сырья вакуумной сублимационной сушки и сублимационной сушки при атмосферном давлении.
Установлено, что продукты атмосферной сублимационной сушки нежнее по консистенции и обладают более выраженным ароматом. При температуре досушивания продукта 85 °С и выше его качество ухудшается: происходят значительные потери веществ аромата и увеличение веса. В отдельных случаях наблюдалась усадка гранул фарша. Следовательно, максимально допустимой температурой поверхности продукта является температура 60-80 °С, при которой не наблюдаются тепловые повреждения продукта.
Заключение
Таким образом, обнаружен и исследован феномен повышения температурной устойчивости белков мяса говядины при сушке сублимированных продуктов с влажностью менее 20%. Допустимая температура начала денатурации белков мяса с промежуточной влажностью составляет 80 °С.
Библиография
1. Поповский В.Г., Бантыш Л.А., Ивасюк Н.Т. и др. Сублимационная сушка пищевых продуктов растительного происхождения / под ред. В.Г. Поповского. - М.: Пищевая пром-сть, 1975. - 335 с.
2. Камовников Б.П., Антипов А.В., Семенов Г.В. и др. Атмосферная сублимационная сушка пищевых продуктов. - М.: Колос, 1994. - 255 с.
3. Технология мяса и мясных продуктов. Ч. 1: учеб. пособие для студентов специальности 270900 «Технология мяса и мясных продуктов» всех форм обучения. - Кемерово, 2004. - 130 с.
4. Джамаль М.А., Камовников Б.П., Антипов А.В. и др. Исследование процесса производства сублимированных мясопродуктов при атмосферном давлении // Пути интенсификации производства и применения холода в отраслях АПК: тез. докл. - М., 1985.
5. Потехин С.А. Переходные состояния и доменная организация белков: автореф. дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 03.00.02 / С.А. Потехин. - Пущино, 1999. - 46 с.
6. Левицкий Д.И. Применение метода дифференциальной сканирующей калориметрии для структурно-функциональных исследований мышечных белков (обзор) // Успехи биол. химии. - М., 2004. - Т. 44. - С. 133-170.
7. Привалов П.Л. Энергетика белковых структур // Биофизика. - 1985. - Т. 30, вып. 4. -С. 722-735.
8. Потехин С.А., Трапков В.А., Привалов П.Л. Стадийность тепловой денатурации спиральных фрагментов миозина // Биофизика. - 1979. - Т. 24, вып. 1. - С. 46-50.
9. А.С. 1672170 СССР, МКИ F26B5/06. Способ получения тонкодисперсного коллагенового порошка /Антипов А.В., Бабицкая Н.А., Дугаров Ц.Б., Истранов Л.П., Абоянц Р.К., Истранова Е.В. -Заяв. 11.09.1989; опубл. 23.08.1991. - Бюл. № 31 - 3 с.
10. Дугаров Ц.Б. Исследование и разработка процесса обезвоживания замороженных биоматериалов при атмосферном давлении: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Ц.Б. Дугаров. - М., 1990. - 16 с.
Bibliography
1. Popovsky V.G., Bantysh L.A., Ivasyuk N.T. et al. Freeze-drying of food products of plant origin / Under the editorship of V.G. Popovskiy. - M.: Food industry, 1975. - 335 p.
2. Kamovnikov B.P., Antipov A. V., Semenov G. V. et al. Atmospheric freeze- drying of food products. -M.: Kolos, 1994. - 255 p.
3. Technology of meat and meat products. P. 1. Textbook for students majoring 270900 "Technology of meat and meat products" all forms of education. - Kemerovo, 2004. - P. 130.
4. Jamal M.A., Kamovnikov B.P., Antipov A.V. et al. Study of the production process of freeze-dried meat products at atmospheric pressure // The ways of production intensification and cold application in the sectors of agriculture: abstracts. - M., 1985.
5. Potekhin S.A. Transition States and the domain organization of proteins: Thesis for a degree of Doctor of Phys.-Math. Sciences: 03.00.02 / S.A. Potekhin. - Puschino, 1999. - 46 p.
6. Levitsky D.I. The application of the method of differential scanning calorimetry for structural-functional studies of muscle proteins (review). Success of Biol. chemistry // Success of Biol. chemistry. - Vol. 44. - M., 2004. - P. 133-170.
7. PrivalovP.L. Energetics of protein structures // Biophysics. - 1985. - Vol. 30, Is. 4. - P. 722-735.
8. Potekhin S.A., Trapkov V. A., Privalov P. L. Stages of thermal denaturation of myosin spiral fragments // Biophysics. - 1979. - Vol. 24, Is. 1. - P. 46-50.
9. A.S. 1672170 USSR, MKI F26B5/06. Method of producing the fine collagen powder / Antipov A.V., Babitskaya N.A., Dugarov C.B., Istrana L.P., Aboyantz R.K., Istranova E.V. - Stated 11.09.1989; publ. 23.08.1991. - Bull. N 31. - 3 p.
10. Dugarov C.B. Research and development process of dehydration of frozen biological materials under atmospheric pressure: abstract. ... Thesis for a degree of Cand. of Tech. Sciences / C.B. Dugarov. - M., 1990. - 16 p.
