CC BY
20
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ
УДК 664.8
Карима Норкулова,
доктор технических наук, профессор, проректор, Жасур Сафаров,
кандидат технических наук, заведующий кафедрой, Шахноза Султанова,
старший преподователь, младший научный сотрудник, Шерзод Ахмедов, младший научный сотрудник, Ботир Жумаев,
старший научный сотрудник, соискатель,
Ташкентский государственный технический университет имени Абу Райхана Беруни, г. Ташкент
ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ БИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПРОЦЕССАХ СУШКИ
В работе анализируется процесс сушки продуктов с целью получения экспериментальных результатов исследования распределения тепла внутри сушимого продукта. Получены результаты по оптимизации расхода энергии при сушке путем использования дискретной (прерывистой) сушки. Представлены кривые распределения инулина для клубней топинамбура, имеющие определенный слой. Показана существенная сепарация элемента инулина послойно. Представлены полученные аналитические результаты прикладных исследований с помощью методов математической физики.
S u m m a r y
The work analyzes the process of drying the product to obtain experimental results of heat distribution studies in the dried product. Results on the optimization of energy consumption during drying by the use of a discrete (intermittent) drying. inulin distribution curves are presented for the Jerusalem artichoke tubers having a specific layer. The essential element of the separation of inulin in layers. Presented received the analytical results of applied research with the help of mathematical physics methods.
Ключевые слова: микроэлементы, инфракрасная излучения, сушка, биологические активных веществ, перераспределения. Keywords: microelements, infrared radiation, drying, biologically active substances, redistribution.
Технологический процесс сушки продуктов основан на том, что инфракрасное излучение определенной длины волны активно поглощается водой, содержащейся в продукте, но не поглощается тканью высушиваемого продукта, поэтому удаление влаги возможно при невысокой температуре (40-60оС), что позволяет практически полностью сохранить витамины, биологически активные вещества, естественный цвет, вкус и аромат подвергающихся сушке продуктов [1-8].
Сушка — один из наиболее широко используемых основных методов сохранения продовольственных продуктов, в соответствии с которым уменьшается содержание воды до уровня, при котором содержание микробов и ухудшение качества сильно минимизированы [4-9]. Сушка также способствует сокращению производственных потерь и расширяет сроки хранения, таким образом делая сезонные продукты доступными в течение года. Однако физические, химические и биохимические преобразования, происходящие во время сушки продукта, представляют одну из главных проблем, которые могут привести к качественному обесцениванию продукта [7-9], так как максимальные температуры, используемые при сушке продовольственных продуктов, не доста-
точно высоки, чтобы инактивировать ферменты. Применение высокой температуры, воздействующей на фрукты и овощи с целью высыхания, нацелено на остановку ферментативной деятельности и уход от нежелательного изменения сенсорных и пищевых свойств во время высыхания и хранения, улучшая качество продукта [10-11].
Вода затрагивает физическую природу и свойства еды сложным способом из-за взаимодействий с их растворами, коллоидами и рассеянными частицами. Влага в продукте отражает доступность воды для разрушительных реакций и микробиологического роста, и это — одна из главных переменных контроля в продовольственной технологии сохранения [10-12].
Влага из толщи влажного материала перемещается к поверхности раздела фаз за счет массопроводности. От поверхности раздела фаз влага передается в ядро газового потока за счет конвективной диффузии.
Как показывает опыт, при сушке влажных тел в большинстве случаев скорость сушки существенно меняется с изменением влажности материала. Существует три типичных периода сушки. В начале процесса скорость сушки оказывается постоянной, не зависящей от влажности мате-
риала. В этот (первый) период постоянной скорости сушки испарение влаги из материала происходит так же, как и со свободной поверхности жидкости. Скорость процесса лимитируется конвективной диффузией паров воды от поверхности раздела фаз в ядро газового потока.
Второй период сушки — период уменьшающейся скорости -характеризуется тем, что процесс сушки лимитируется массо-проводностью внутри влажного материала, а конвективная диффузия паров жидкости от поверхности раздела фаз в ядро газового потока не оказывает существенного влияния на процесс сушки.
Скорость сушки в третьем периоде приближается к нулю, в этот момент влажность материала становится равной равновесной влажности, что показывает завершение процесса сушки.
До настоящего времени процесс сушки овощей и фруктов был исследован для различных продуктов с целью определения скорости сушки, влияния внешних факторов, таких как температура, излучение, акустические волны в период сушки, качества продукта, производительности оборудования. Были получены результаты по положительному воздействую низкого вакуума на скорость сушки и качество сушимого продукта.
МСХЖ — 60 лет!
- 51
МЕЖДУНАРОДНЫЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ № 5/2016
ш
SCIENTIFIC SUPPORT AND MANAGEMENT OF AGRARIAN AND INDUSTRIAL COMPLEX
n/n0 (мг/см3)
х=0
х= l
Рис. Перераспределение элемента инулина в изотропной массе топинамбура в результате различных режимов сушки:
1: t=80 0C, P=-0,8 атм; 2: t=S0 0C, P=-0,8 атм; 3: t=80 0C, P=1 атм; 4: t=45 0C, P=1 атм
3
2
1
На рисунке представлена зависимость концентрации от глубины расположения кристаллизованных веществ в слое высушенного продукта.
Первый график, при ¡=80 0С, Р=-0,8 атм, является наиболее выгодным режимом сушки, если она преследует цель — накопить те или иные вещества на поверхностном слое. Действительно, в этом режиме диффузионный перенос слабо конкурирует с процессами капиллярного переноса и с процессами кристаллообразования, при которых происходит рост скелета за счет роста кристаллов.
Если проанализировать второй график процесса, где температура держится на уровне ¡=60 0С, а давление Р=-0,8 атм, то очевидно снижение уклона спада кривой по сравнению с первым режимом.
Результат анализа объясняется снижением интенсивности ИК-облучения, которое поддерживает внутри камерную температуру до величины, не превышающей 60 0С. Второй режим выгодно применять для тех обезвоживаемых материалов, где требуется понижение температуры сушки.
Третья кривая, отраженная на рисунке — это кривая получения продукта при 1=80 0С, Р=1 атм. Отсюда видно, что процесс сушки протекает при нормальном атмосферном давлении, причем результат достигается сравнительно медленно, что связано с отсутствием объемного кипения внутри топинамбура.
Заметим, что градиент перераспределения инулин в процессе сушки при сравнительно малых температурах близок к постоянному значению (рис., кривая 4). Также граничные условия позволяют исследовать коррекцию задания теплопроводности. Но эти процессы несколько
взаимосвязаны и причем нелинейными механизмами. В частности, при непрерывном режиме перераспределение температуры вследствие облучения поверхности и испарения является нестационарным. Но при достаточном уровне влажности или малой облученности наступает некое временное равновесие, позволяющее считать производную от температуры равной нулю. Единица объема материала получает за единицу времени энергию облучения, равную в пересчете на количество энергии жидкости, которая претерпевает фазовое превращение. Такое состояние описывается с помощью уравнения:
(ки)х + а10в-°* = 0 , (1)
где к — коэффициент теплопроводности; и — температура; 10 — интенсивность падающих инфракрасных волн; а — коэффициент затухания инфракрасных волн.
Уравнение (1) описывает процесс стационарности фазы температурного поля при установлении равновесия между потерей и приемом энергии, без учета объемного кипения. Если учитывать этот фактор получим:
(ки)х - Лш(1 + ув) + а10в-°* = 0 , (2)
где X — коэффициент испарения; т — количество жидкости испарения с единицы объема; в — функция Хевсайда, определяемая как в=в(и-и*). Здесь и* — температура кипения жидкости для данной единицы объема. Исходя из того, что произведение Хт пропорционально разнице давлений, которая в свою очередь пропорциональна температуре, имеем Хт~Х*и [13-14].
Такой подход позволяет также считать, что коэффициент Х*у~п соответствует значению плотности объекта по испаренной влаге.
INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL № 5/2016
Выводы. Проведены эксперименты по перераспределению кристаллизованных веществ послойно в процессе сушки. В частности, получены кривые распределения инулина для топинамбура, имеющие определенный слой. Эксперименты показали существенную сепарацию элемента инулина послойно.
Литература
1. Doymaz I. The kinetics of forced convective air-drying of pumpkin slices. Journal of Food Engineering, 2007. v. 79, n.1, p. 243-248.
2. Akpinar E.K., Bicer Y. Modelling of the drying of eggplants in thin-layers International Journal of Food Science and Technology, 2005. v. 40, n. 3, p. 273-281.
3. Mujumdar A.S. Drying Fundamentals. In BAKER, C. G. J. (Ed.). Industrial Drying of Foods. Baker: Blackie Academic & Professional, 1997. p. 7-30.
4. Chantaro P., Devahastin S., Chiewchan N. Production of antioxidant high dietary fiber powder from carrot peels. Food Science and Technology, 2008. v. 41, n. 10, p. 1987-1994.
5. Wolfe K.L., Lui R.H. Apple peels as a value-added food ingredient. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2003. v. 51, n. 6, p. 1676-1683.
6. Park KJ., Yado M.K., Brod, F.P. Obtengo das isotermas de sorgáo e modelagem matemática para a pera bartlett (Pyrus sp.) com e sem desidratagáo osmótica, Ciencia e Tecnologia de Alimentos, 2001. v. 21, n. 1, p. 73-77.
7. Van Den Berg C., Bruin S. Water activity and its estimation in food systems: theoretical aspects. In: ROCKLAND L.B., STEWART G.F. (Eds.). Water activity: influences on food quality. New York: Academic Press, 1981.
8. Lucídio M.F., Ana Karla R.G., Maria A.M., Elen C.F. Moisture sorption isotherms of fresh and blanched pumpkin (Cucurbita moschata). Food Science and Technology (Campinas). 2011. vol. 31 n. 3 Campinas July/Sept.
9. Норкулова К.Т., Сафаров Ж.Э., Фахрутди-нов Р.Р. Ускорения процесса сушки // Вестник ТашГТУ. 2012. № 1-2. С. 98-101.
10. Норкулова К.Т., Умаров В.Ф., Маматку-лов М.М. Функциональные продукты питания и способы сушки сельхозсырья // Международный сельскохозяйственный журнал. 2008. № 5. С. 48-49.
11. Норкулова К.Т., Фахрутдинов Р.Р., Сафаров Ж.Э., Маматкулов М.М. Обеспечение равномерного инфракрасного облучения при сушке плоского слоя // Химическая технология. Контроль и управление. Ташкент. 2012. № 1. С. 16-19.
12. Норкулова К.Т., Сафаров Ж.Э. Исследование сорбционных и десорбционных свойств тыквы // Международный сельскохозяйственный журнал. 2014. № 6. С. 38-39.
13. Владимиров В.С. Уравнения математической физики. М.: Наука ФИЗМАТЛИТ, 1981. 512 с.
14. Свешников А.Г., Тихонов А.Н. Теория функций комплексной переменной. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 336 с.
jasursafarov@mail.ru
www.mshj.ru
