CC BY
169
УДК 664.8.047
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ПЕРЕД СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКОЙ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ
А. В. Антипов, Ц. Б. Дугаров, Г. П. Власенко, В. Д. Данзанов
THE TEMPERATURE OF FREEZING FOOD PRODUCT PRIOR TO FREEZE DRYING AT ATMOSPHERIC PRESSURE
A. V. Antipov, Ts. B. Dugarov, G. P. Vlasenko, V. D. Danzanov
Сублимационная сушка влагосодержащих объектов представляет собой хорошо известный метод получения высококачественных продуктов. Качество сублимированных продуктов определяется:
• сохранением нативных свойств;
• обеспечением возможности быстрого восстановления исходных свойств (инстант-продукты быстрого приготовления);
• возможностью придания новых (отсутствующих у исходного материала) свойств: стойкость в хранении к температурным условиям, стойкость к радиационному облучению;
• созданием материалов с заданными физико-механическими свойствами: порошков с заданной дисперсностью и т.п.
Замораживание влаги в рассматриваемом процессе - обязательный этап, позволяющий создать необходимые условия для дальнейшей сублимации. Главным фактором, определяющим качество получаемых при помощи сублимации материалов, является температура замораживания.
сохранение исходных свойств, создание материалов с заданными физико-механическими свойствами, главный фактор, температура замораживания
Freeze drying moisture-containing objects is a well-known method of obtaining high-quality products. Quality sublimated products is determined by:
• preservation of the native properties;
• provide for rapid restoration of original properties (instant foods);
• the possibility of giving new (absent in the source material) properties: stability in storage to the temperature conditions, the resistance to radiation;
• creating materials with desired physical and mechanical properties: powders with specified dispersion, etc.
The freezing of moisture in the process - a required step to create necessary conditions for the further sublimation. The main factor determining the quality obtained by sublimation of the material, is the temperature of freezing.
maintaining the original properties, creating materials Saganami physical and mechanical properties, the main factor is the freeze temperature
ВВЕДЕНИЕ
Все натуральные пищевые продукты и большинство продуктов их переработки содержат в растворенном состоянии много различных веществ, эвтектические точки которых лежат в широком диапазоне температур (от минус 1 °С до минус 90 °С) [1].
Для подготовки продуктов к сублимационной сушке процесс замораживания осуществляют таким образом, чтобы обеспечить оптимальное соотношение влаги, удаленной в виде твердой и жидкой фазы при сублимационной сушке. Это соотношение является технологическим показателем, который определяет качественные характеристики сублимированного продукта.
Исследователями сублимационной сушки пищевых продуктов [2-4] показано, что для получения продукта высокого качества необходимо удалить из него не менее 75...80% замороженной влаги. Для этого перед процессом сублимационной сушки продукты замораживают до температуры, обеспечивающей вымораживание заданного количества влаги. В процессе сублимационной сушки энергоподвод осуществляют таким образом, чтобы температура замороженного продукта не превысила температуры, обеспечивающей вымораживание заданного количества влаги. На этапе досушивания удаляют невымороженную влагу при такой температуре, которая не влияет на качество сублимированного продукта. Мы поставили перед собой задачу определить оптимальную температуру замораживания перед сублимационной сушкой. Вполне очевидным выглядит тезис о том, что замораживать надо до такой температуры, которая обеспечивает количество вымороженной влаги 75.80% от влаги, содержащейся в продукте.
Однако исследователи процесса замораживания пищевых продуктов обратили внимание на то, что существует гистерезис значений количества вымороженной влаги [5, 6]. Так, при одинаковой температуре в пищевых продуктах может быть разное количество вымороженной влаги. Оно зависит от вектора изменения температуры. При ее повышении значение, при котором выморожено, например 80% влаги, выше, чем следовало ожидать. То есть можно сделать вывод, что существуют условия, при которых количество вымороженной влаги при относительно высоких температурах больше расчетного. Для сублимационной сушки гистерезис температур приобретает наибольший интерес, когда температура сублимации становится управляемой. Возможность повышения температуры сублимации позволяет значительно уменьшить расход энергии на обезвоживание замороженных материалов. В [6] была предложена следующая технология: при замораживании температуру продукта понижали до температуры, обеспечивающей вымораживание 75-80% влаги. Затем температуру продукта повышали, оставляя при этом постоянное количество вымороженной влаги. В [6] температуру замораживания 1;з для соков определяли как 1;з =1^ +1ш , где ^¡п -температура сублимации, 1пп - температура полного переохлаждения.
Принимая допущение, что 1пп =10 °С, рассчитывали нижнюю границу температуры замораживания. Верхней границей служила минимальная температура плавления (табл. 1).
Рассмотрим, насколько актуально значение температуры сублимации для вакуумной сублимационной сушки.
Таблица 1 Table 1
Продукт Температура замораживания 1;3 С
Нижняя граница Верхняя граница
Пюре
черносмородиновое -33 -23
яблочное -38 -28
абрикосовое -39 -29
вишневое -53 -43
сливовое -55 -45
Соки натуральные
яблочный -45 -35
виноградный -50 -40
Наши исследования показали, что для реальных условий вакуумной сублимационной сушки необходим учет краевой зоны материала, непосредственно примыкающей к вертикальным стенкам противня [7]. В углах противня замороженный слой продукта получает тепловую энергию от дна и боковой стенки. Таким образом, краевая зона приобретает дополнительную энергию от стенок противня. Зона сублимации прорывается по бокам противня к дну. Когда в краевой зоне она достигает дна противня, в придонной области материала возникает второй фронт сублимации, который начинает движение навстречу первому. В этот момент исчезает градиент температуры в замороженной зоне, так как весь тепловой поток от дна противня расходуется на фазовый переход в зоне сублимации. Скорость обезвоживания очень мала, поскольку кондуктивный поток теплоты к фронту фазового перехода передается через сухой слой, теплопроводность которого почти в 100 раз ниже, чем замороженного. «Краевой эффект» - явление нежелательное, потому что он значительно увеличивает длительность сушки (до 80% общего времени). Влияние краевого эффекта еще более возрастает в условиях кондуктивно-радиационного энергоподвода, так как стенки противня в этом случае нагреваются уже с двух сторон [4].
Следовательно, продукт, обезвоживаемый в вакууме, практически все время сушки находится под воздействием максимально допустимых положительных температур. По слою обезвоженного продукта наблюдается значительный градиент влажности. Термограмма процесса вакуумной сублимационной сушки представлена на рис. 1, места установки термопар (датчики 1, 2, 3) показаны на рис. 2.
Таким образом, поддерживать температуру сублимации в условиях вакуумной сублимационной сушки следует первые 10...20 мин. Далее возникает необходимость сохранения заданной температуры высохшего слоя продукта снизу и сверху слоя, а температура сублимации становится нерегулируемым параметром. Поэтому исследователи вакуумной сублимационной сушки не заостряли внимание на точном значении температуры сублимации.
90 SO 70 60 SO 40 30 ¿0 10 о
-30 -W
II 3 4 S 6 г.час
Рис. 1. Термограмма процесса вакуумной сублимационной сушки Fig. 1. Thermogram of the process of vacuum freeze-drying
Рис. 2. Нагреватель с датчиком температуры: 1, 2, 3 - места установки датчиков температуры в слое продукта Fig. 2. Heater with temperature sensor 1, 2, 3 - the location of the temperature sensors in the layer of the product
Кинетика сушки замороженного продукта при атмосферном давлении другая [3, 4, 8, 9]. В условиях атмосферной сублимационной сушки значение температуры сублимации становится первоочередным фактором.
При конвективной сушке воздухом в продукте практически нет перепада температуры. Парциальное давление водяного пара надо льдом в продукте выше, чем над незамороженной влагой. Поэтому в процессе сублимации при атмосферном давлении, пока не будет удалена вымороженная влага (лед), сушка
ее не происходит. Термограмма и кривая влажности сушки при атмосферном давлении представлены на рис. 3.
Рис. 3. Термограмма и кривые влажности сублимационной сушки при атмосферном давлении: 1 - температура объекта,°С; 2 - количество вымороженной влаги, %. Fig. 3. Thermogram and humidity curves of freeze-drying at atmospheric pressure: 1- the temperature of the object,°C; 2 - the amount of frozen moisture, %
Таким образом, нами была поставлена задача определить точное значение температуры сублимации для широкого ряда продуктов.
Прямая зависимость показателей качества пищевых продуктов от количества вымороженной влаги обусловила наш выбор пищевых продуктов в качестве модели для исследования.
Для изучения фазовых переходов влаги нами был использован электрический метод, основанный на значительном различии электрического сопротивления льда и воды. Измерительную ячейку помещали в камеру, температура в которой изменялась от плюс 20 до минус 60 °С со скоростью 1-50 °С/мин.
В качестве модельных растворов применяли водные растворы солей поваренной соли, хлористого магния, калия и кальция различных концентраций. Исследование фазовых переходов влаги проводили на пищевых продуктах: мясных, молочных и растительного происхождения, в биологических материалах [10, 11]. Наличие фазовых переходов влаги определяли по резкому изменению электрического сопротивления исследуемой системы.
В биологических материалах, являющихся многокомпонентными растворами, имеется эвтектическая температурная зона, в пределах которой происходит постепенное вымораживание влаги. Границы этой зоны определяются по характерному изменению зависимости электрического сопротивления материала от температуры R=f(t), что показано на рис. 4. Температуру замораживания ^.эвт можно рассматривать как максимальную температуру затвердения. Достижение такой температуры является необходимым и достаточным фактором при замораживании продукта перед сублимацией. Она может служить нижним пределом при определении температурной зоны замораживания.
1,ш. W о t,°C
- +
Рис. 4. Зависимость изменения электрического сопротивления материала от температуры Fig. 4. The dependence of the electrical resistance material from the temperature
При выборе температуры замораживания 1ВЭВТ перед сублимацией мы основывались на том факте, что минимальная температура плавления, значения которой найдены опытным путем, отличается от максимальной температуры затвердения и значительно выше ее. Это обусловлено тем, что в процессе
замораживания промежуточные эвтектические смеси переохлаждаются, задерживая дальнейшую кристаллизацию, поэтому систему необходимо охладить до более низкой температуры, чем при замораживании без переохлаждения.
Величина предельной температуры переохлаждения определяется свойствами переохлаждаемого материала и тел, соприкасающихся с ним. Так, в опытах, проведенных Г. Б. Чижовым [12], дистиллированная вода в широкой литровой колбе переохлаждалась до минус 4 °С, а предельная температура переохлаждения геля агара в колбе была минус 6,6 °С.
Таким образом, можно сказать, что замораживание необходимо производить до ^.ЭВТ, а сушку - в зоне от ^.ЭВТ до tв.Эвт. В этом случае она осуществляется только методом сублимации. Если температуре дают подняться выше ^.ЭВТ , то при сушке происходит частичное выпаривание влаги промежуточных эвтектических смесей. И так как эти смеси содержат все ценные вещества продукта (витамины, компоненты аромата, красители и т. д.), очень важно ограничить промежуточное плавление.
За температуру нижней границы зоны сублимации принимается минимальная температура плавления ^.ЭВТ, устанавливаемая опытным путем. Также опытным путем мы определяли и температуру верхней границы зоны сублимации tв.эвт из условия, что это максимальная температура, при которой не отмечаются изменения качества после сублимационной сушки.
ВЫВОДЫ
Таким образом, нами были определены температура замораживания перед сублимационной сушкой и температура сублимации в процессе сублимационной сушки для ряда продуктов (табл. 2).
Исследования производились путем сублимационной сушки в вакууме и при атмосферном давлении [13-15]. Необходимо отметить, что температуру сублимации при вакуумном обезвоживании практически невозможно было поддерживать с точностью более 5 °С. Поэтому точные значения температуры относятся в основном к сублимационной сушке при атмосферном давлении. В настоящее время положение о том, что значение разности температур ^.эвт и tв.эвт обусловлено эффектом переохлаждения, подвергается сомнению, и назрела необходимость исследования явления гистерезиса температуры замораживания продуктов перед сублимационной сушкой при атмосферном давлении. В этом направлении и проводится работа на кафедре «Тепломассообменные процессы и установки» ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» и в Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления.
Таблица 2. Table 2.
Продукт Температура замораживания, °С Температура сублимации, °С
Картофельное пюре -20 - 10
Творог диетический -20 - ! 1
Молоко и кефир нежирные -14 -11
Хлорелла -20 -12
Мясной фарш из нежирного мяса, мясо разрезанное вдоль волокон, мясо разрезанное вдоль волокон -18 -10
Пюре черной смородины -23 -15
Перец красный -25 -18
Чеснок -25 -18
Лук репчатый -25 -18
Яблоки -25 -18
Клубника -25 -18
Морковь -25 -18
Коллаген (1-2% раствор) -30 -20
Гидролизах хлореллы -30 -22
Гидролизаты мясные и рыбные -30 -25
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Сублимационная сушка пищевых продуктов растительного происхождения / В. Г. Поповский [и др.]; под ред. В. Г. Поповского. - Москва: Пищевая промышленность, 1975. - 335 с.
2. Гуйго, Э. И. Сублимационная сушка в пищевой промышленности / Э. И. Гуйго, Н. К. Журавская, Э. И. Каухчешвили. - 2-е изд., доп. и перераб. -Москва: Пищевая промышленность, 1972. - 434 с.
3. Методика расчета процесса атмосферной сублимационной сушки продуктов / А. В. Антипов [и др.] // Холодильная техника. - №11. - 1989. - 35с.
4. Сублимационная сушка тонкодисперсных порошков при атмосферном давлении А. В. Антипов [и др.] // Холодильная техника. - №9. - 1989. - 38с.
5. Камовников, Б. П. Вакуум-сублимационная сушка пищевых продуктов (Основы теории, расчет и оптимизация) / Б. П. Камовников, Л. С. Малков, В. А. Воскобойников. - Москва: Агропромиздат, 1985. - 288 с.
6. Атмосферная сублимационная сушка пищевых продуктов / Б. П. Камовников [и др.]. - Москва: Колос, 1994. - 255 с.
7. Антипов, А. В. Совершенствование процесса сублимационной сушки мясных и молочных продуктов на основе разработки методов и технических средств выравнивания полей тепло- и массопереноса: автореф.... канд. техн. наук / Антипов Алексей Васильевич; Московский технологический ин-т мясной и молочной промышленности. - Москва, 1983. - 23 с.
8. Дугаров Ц. Б. Исследование и разработка процесса обезвоживания замороженных биоматериалов при атмосферном давлении: автореф. дис. канд. техн. наук / Дугаров Цыден Батожаргалович. - Москва, 1990. - 16 с.
9. Атмосферная сублимационная сушка как метод консервирования продуктов / А. В. Антипов [и др.] / / Проблемы динамики и прочности современных машин : междунар. науч.-практ. конф. : материалы. - Улан-Удэ, 2016.- 93с.
10. Баранчиков, А. Е. Под ред. Кауля А.Р. Криохимический метод синтеза неорганических материалов / А. Е. Баранчиков, А. Н. Баранов / Под ред. А. Р. Кауля. - Москва: МГУ. - 2011. - 46 с.
11. Короткий, И.А. Исследование температур замораживания свиной крови / И. А. Короткий, Е. В. Короткая, Д. Е. Федоров // Техника и технология пищевых производств. - 2013. - №3.
12. Чижов, Г. Б. Вопросы теории замораживания пищевых продуктов / Г. Б. Чижов. - Москва: Пищепромиздат, 1956. - 140 с.
13. Антипов, А. В. Сублимационная сушка как метод консервирования продуктов / А. В. Антипов, Ц. Б. Дугаров // Мясные технологии . - 2011. -№12 (108). - С. 48-51.
14. Битуева, Э. Б. Резервы увеличения производства мясопродуктов / Э. Б. Битуева, Ц. Б. Дугаров, А. В. Антипов // Мясные технологии. - 2016.-№3(159). - С. 18-23.
15. Антипов, А. В. Промышленные аккумуляторы холода /А. В. Антипов, Ц. Б. Дугаров // Молочная промышленность. - 2016. - № 7. - С. 14-16.
REFERENCES
1. Popovskiy V. G., Bantysh L. A., Ivasyuk N. T. i dr. Sublimatsionnaya sushka pishchevykh produktov rastitel'nogo proiskhozhdeniya [Sublimatsionnaya drying food vegetable proiskhozhdeniya]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost', 1975, 335 p.
2. Guygo E. I., Zhuravskaya N. K., Kaukhcheshvili E. I. Sublimatsionnaya sushka v pishchevoy promyshlennosti [Freeze-drying in the food industry]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost', 1972, 434 p.
3. Antipov A. V., Ur'yash O. B., Babitskaya N. A., Dugarov Ts. B. Metodika rascheta protsessa atmosfernoy sublimatsionnoy sushki produktov [Method of calculation process of atmospheric freeze drying]. Kholodil'naya tekhnika, 1989, no. 11, 35 p.
4. Antipov A. V., Dugarov Ts. B., Babitskaya N. A., Ur'yash O. B. Sublimatsionnaya sushka tonkodispersnykh poroshkov pri atmosfernom davlenii [Freeze drying of fine powders at atmospheric pressure]. Kholodil'naya tekhnika, 1989, no. 9, 38 p.
5. Kamovnikov B. P., Malkov L. S., Voskoboynikov V. A. Vakuum -sublimatsionnaya sushka pishchevykh produktov (osnovy teorii, raschet i optimizatsiya) [Sublimatsionnaya vacuum drying foods (foundations of the theory, calculation and optimization)]. Moscow, Agropromizdat, 1985, 288 p.
6. Kamovnikov B. P., Antipov A. V., Semenov G. V., Babaev I. A. Atmosfernaya sublimatsionnaya sushka pishchevykh produktov [Atmospheric freeze drying food]. Moscow, Kolos, 1994, 255 p.
7. Antipov A. V. Sovershenstvovanie protsessa sublimatsionnoy sushki myasnykh i molochnykh produktov na osnove razrabotki metodov i tekhnicheskikh sredstv vyravnivaniya poley teplo- i massoperenosa. Avtoreferat diss. kand. tekhn. nauk [Improving the process of freeze-drying of meat and dairy products based on the development of methods and means of leveling the fields of heat and mass transfer. Abstract. of dis. cand. tehn. sciences]. Moscow, Moskovskiy tekhnologicheskiy institut myasnoy i molochnoy promyshlennosti, 1983, 23 p.
8. Dugarov Ts. B. Issledovanie i razrabotka protsessa obezvozhivaniya zamorozhennykh biomaterialov pri atmosfernom davlenii. Avtoref. dis. kand. tekhn. nauk [Research and development process of dehydration of frozen biomaterials at atmospheric pressure. Abstract of dis. cand. tehn. sciences]. Moscow, 1990, 16 p.
9. Antipov A. V., Dugarov Ts. B., Uladaev A. V., Khiltukhinov O. Zh. Atmosfernaya sublimatsionnaya sushka kak metod konservirovaniya produktov [Atmospheric freeze drying as a method of food preservation]. Problemy dinamiki i prochnosti sovremennykh mashin. Materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Problems of dynamics and durability of modern machines. Proceedings of the international scientific-practical conference]. Ulan-Ude, 2016, 93 p.
10. Baranchikov A. E., Baranov A. N. Kriokhimicheskiy metod sinteza neorganicheskikh materialov [Cryochemical method for the synthesis of inorganic materials]. MGU, khimicheskiy fakul'tet, 2011, 46 p.
11. Korotkiy I. A., Korotkaya E. V., Fedorov D. E. Issledovanie temperatur zamorazhivaniya svinoy krovi [Research freezing temperatures pig's blood]. Tekhnika i tekhnologiyapishchevykhproizvodstv, 2013, no. 3.
12. Chizhov G. B. Voprosy teorii zamorazhivaniya pishchevykh produktov [Problems in the theory of freezing foods]. Moscow, Pishchepromizdat, 1956, p. 140.
13. Antipov A. V., Dugarov Ts. B., Babitskaya N. A., Ur'yash O. B. Sublimatsionnaya sushka tonkodispersnykh poroshkov pri atmosfernom davlenii [Freeze drying of fine powders at atmospheric pressure]. Kholodil'naya tekhnika, 1989, no. 9, 38 p.
14. Bitueva E. B., Dugarov Ts. B., Antipov A. V. Rezervy uvelicheniya proizvodstva myasoproduktov [Provisions increasing the production of meat products]. Myasnye tekhnologii, 2016, no. 3 (159), pp. 18-23.
15. Antipov A. V., Dugarov Ts. B. Promyshlennye akkumulyatory kholoda [Industrial batteries are cold]. Molochnayapromyshlennost', 2016, no. 7, pp. 14-16.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Антипов Алексей Васильевич - ООО «НЕД-Центр», г. Москва; кандидат технических наук, технический директор; E-mail: [email protected]
Antipov Aleksei Vasilevich - OOO "NED-Ltd", Moscow; PhD, Technical Director;
E-mail: [email protected]
Дугаров Цыден Батожаргалович - Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ; кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологические машины и оборудование. Агроинженерия»;
E-mail: [email protected]
Dugarov Tsyden Batozhargalovich - East-Siberian state University of technologies and management, Ulan-Ude; PhD; associate professor of the department «Technological machines and equipment. Agroengineering»; E-mail: [email protected]
Власенко Галина Павловна - Национальный исследовательский университет
«МЭИ», г. Москва; кандидат технических наук, доцент кафедры «Тепломассообменные процессы и установки»; E-mail: [email protected]
Vlasenko Galina Pavlovna - National Research University "Moscow Power Engineering Institute", Moscow; PhD; associate professor of the department «Heat and mass transfer processes and installations»; E-mail: [email protected]
Данзанов Виктор Дашиевич - Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ; кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технологические машины и оборудование. Агроинженерия»; E-mail: [email protected]
Danzanov Viktor Dashievich - East-Siberian state University of technologies and management, Ulan-Ude; PhD, associate professor, Head of the Department «Technological Machines and Equipment. Agroengineering»; E-mail: [email protected]
