CC BY
0DOI 10.53980/24131997_2024_2_12
Ф.Я. Рудик, д-р техн. наук, проф., е-mail: rudik.sgau@mail.ru О.С. Фоменко, канд. техн. наук, доц., е-mail: fomenkoos@mail.ru В.С. Куценкова, канд. техн. наук, доц., е-mail: vasilissakutsenkova@yandex.ru
А.Г. Сагингалиева, аспирант
Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии
им. Н.И. Вавилова, г. Саратов
УДК 664.932.22
ПРИНЦИПЫ, ОБЩАЯ СХЕМА И ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МЯСНЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
В статье представлены результаты исследований, касающиеся разработки технологической схемы поточно-технологической линии производства жидких пакетированных бульонов в виде готового продукта быстрого питания. Представлены результаты аналитического обоснования технологических операций и процесса теплопередачи при варке мяса при производстве жидких пакетированных бульонов. Проводимые исследования основывались на теоретическом анализе закономерностей теплопроводности от гидродинамических и емкостных свойств среды и продукта переработки. На основании результатов исследования была разработана замкнутая поточно-технологическая линия, представляющая собой целостную структурированную систему с обоснованием всех входящих в нее операций технологического процесса и их взаимодействие в комплексе при производстве жидкого пакетированного бульона. Оптимизация операций непрерывного технологического процесса производства способна обеспечивать высокую стерильность, качество жидкого бульона и ресурсосбережение.
Ключевые слова: мясокостный бульон, технологическая схема, замкнутая поточно-технологическая линия, теплопередача, качество, ресурсосбережение.
F.Ya. Rudik, Dr. Sc. Engeneering, Prof.
O.S. Fomenko, Cand. Sc. Engеneering, Associate Prof.
V.S. Kutsenkova, Cand. Sc. Engеneering, Associate Prof. A.G. Sagingalieva, P.G. student Saratov State Vavilov Agrarian University, Saratov
HEAT TRANSFER IN MEAT FOOD PRODUCTION: PRINCIPLES, GENERAL OUTLINE AND RATIONALE
The article studies flow chart development for production line of liquid packaged broths in the form of a finished fast-food product. It reports on the results of analytical justification of technological operations and heat transfer process of meat cooking in liquid packaged broths production. The research was based on theoretical analysis of thermal conductivity patterns from hydrodynamic and capacitive properties of medium and processed product. Based on the results of the study, closedflow line was developed, being an integral structured system. It includes all technological process operations and their interaction in complex in liquid packaged broth production. Optimization of continuous process operations ensures high sterility, liquid broth quality and resource economy.
Key words: meat and bone broth, flow chart, closed flow line, heat transfer, quality, resource economy.
Введение
Уровень рентабельности предприятий мясоперерабатывающей промышленности во многом зависит от степени использования сырьевых ресурсов. Высокоэффективных резервов в этом направлении достаточно много, и они направлены на производство продуктов питания,
кормов и всевозможные технические нужды. Одним из высокотехнологичных направлений является производство мясокостных бульонов для обеспечения предприятий общественного питания. Они производятся централизованно на крупных мясоперерабатывающих предприятиях [1-3] со значительными объемами поставки в торговую сеть и потребителю для приготовления на их основе заправочных супов, соусов, первых блюд или в самих предприятиях общественного питания только для собственных нужд.
Другое направление производства жидкого бульона представляет собой навар из мяса, костей и овощей. Он поставляется в жестяных банках, стаканах или чашках из разных типов пластмасс и картонных коробках (в основном Tetra Pak или SIG).
В соответствии с данными ретроспективного анализа рынок жидких охлажденных или замороженных пакетированных бульонов представлен в виде готового продукта быстрого питания. Однако, хотя оно и существует с 2000 г. объемы его производства и употребления снижаются и стали крайне низкими, более популярны сухие суповые концентраты. Это объясняется проблемой длительности хранения, которая, в свою очередь, зависит от развития в продуктах мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов, бактерии группы кишечной палочки (колиформы), патогенных микроорганизмов [4-7]. В жидких бульонах их развитие значительно выше. Это объясняется жидкой средой, благоприятствующей развитию очагов и низкими условиями обеспечения стерильности всех операций технологического процесса производства сырья и бульона. Вторым фактором является высокий уровень импортозависимо-сти: такие компании, как Unilever Foods Со, Oscar A/S, Jamarlin Со и др., вначале продвинули продукт на рынке России, а затем прекратили поставки.
Проблема глубокой переработки вторичных ресурсов пищевых производств требует своего решения. Она включает экологический и экономический аспекты. Размещение отходов производства на полигонах для твердых бытовых отходов, сброс их в поверхностные водоемы, сжигание наносят ощутимый вред природным ресурсам и в экологическом плане являются неоправданными и неперспективными. В экономическом отношении рациональная переработка вторичных ресурсов позволит получить дополнительно пищевую, техническую продукцию и корма [8-10].
Производство мясных продуктов неизбежно сопровождается накоплением вторичных ресурсов практически на всех этапах выработки продукции. Основная доля их приходится на операции убоя и разделки мяса. На основании текущих статистических данных в большинстве предприятий, перерабатывающих мясо и общественного питания, только порядка 5-10 % мясокостного сырья используется на пищевые цели, а остальное в лучшем случае используется на производство кормов или утилизируется. Ценный биопотенциал вторичного мясокостного сырья обусловлен высокой концентрацией в нем биологически активных веществ (коллагена, аминокислот, жирных кислот, кальция, фосфора и др.). Содержание минерализованного коллагена в данном сырье может достигать 50 % массы и выше. В связи с этим его целесообразно использовать при производстве пищевых продуктов [11-13].
На основании вышесказанного целью работы явилось исследование и разработка технологической схемы поточно-технологической линии производства жидких пакетированных бульонов в виде готового продукта быстрого питания. В задачи исследования входило аналитическое обоснование технологических операций и процесса теплопередачи при варке мяса.
Материалы и методы исследований
Методика исследований основывалась на теоретическом анализе закономерностей теплопроводности от гидродинамических и емкостных свойств среды и продукта переработки. При аналитическом исследовании методическая цель была сконцентрирована на изучении целостности системы, позволяющей структурировать все входящие в нее элементы и обосновать их взаимодействие в комплексе [14].
Результаты исследования и их обсуждение
Литературный и патентный поиски предопределили актуальность рассматриваемой научно-исследовательской темы, связанной с оптимизацией операций технологического процесса в непрерывной замкнутой поточно-технологической линии, обеспечивающей высокую стерильность, качество жидкого бульона и ресурсосбережение [14]. Установлена целостность системы, в соответствии с которой изучались элементы, представленные на рисунке 1.
Рисунок 1 - Технологическая схема производства жидкого пакетированного бульона
быстрого питания
Измельчение мяса осуществляется с целью оптимизации гидромеханического процесса его нагрева. Варка бульонов в пищеварочных котлах относится к многофакторным сложным гидротермическим процессам, являющимся основополагающими при изучении системы «мясо (обрабатываемое сырье) - вода (теплоноситель)» [15].
Изучаемый процесс имеет свои особенности, присущие целевой функции передачи тепла жидкостным носителем в функции времени и глубины продвижения в нагреваемое мясо. Закономерности теплообмена в данном случае основываются на классических исследованиях Ж.В. Фурье, С.Д. Пуассона, В.А. Михельсона, М. Планка и др. авторов [16, 17].
Более близкое научное направление, связанное с возможностью перехода различных видов энергии в тепловую, необходимую для обработки различных материалов, представлено в работах А.Г. Князевой [18].
В соответствии с закономерностями теплопередачи [19] и на основании второго закона термодинамики теплопередача осуществляется на молекулярном уровне за счет обмена энер-
гией между молекулами, атомами и электронами воды (теплоносителя) и мяса (теплоприем-ника). Нагреваемая вода, обладающая повышенной температурой, самопроизвольно переходит в нагреваемое мясо и передает ему свое тепло (рис. 2).
Теплопоток <3, Вт
Передача теплопотока Q теплоносителя с температурой 11 за счет теплопередачи тепла ¿2 протекает до определенного периода насыщения по закономерности
М = 11 = *;2. (1)
И он продолжается до момента выравнивания температур, равной насыщенности при Ь = 12 = Т [19].
¿0, = кТйР, (2)
где k - коэффициент теплопередачи, Вт/Км2; dF - насыщаемая теплом элементарная площадь мяса м2, размерами которой можно управлять, а также скоростью и продолжительностью нагрева.
На основании выражения (2) следует, что распределение тепла в обрабатываемом мясе в период т осуществляется в координатах Т = (X, Y, Z, т) [19, 20]. Данные представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 - Поля распространения температуры и теплоемкости в объеме мяса
Процесс переноса тепла и воды в глубь куска мяса происходит за счет молекулярной диффузии в насыщаемом твердом теле. Этот процесс, в свою очередь, обусловливает создание переменных полей концентраций С = f (X, Y, Z, Т).
Продолжительность массопередачи, нагрева и выравнивания температуры в куске мяса, обладающего волокнистым, препятствующим продвижению теплоносителя строением, обусловливается закономерностью Фурье, которую для нашего случая можно охарактеризовать прямо пропорциональной зависимостью времени нагрева к его линейным размерам. На этом основании исходя из первого закона массопередачи Фика молекулярная диффузия, хаотичная и замедленная на первой стадии нагрева жидкости, по мере повышения тепла приобретает направленное из зоны высоких концентраций (теплоносителя) в зону низких (мясо) и насыщает его теплом:
йМ = (3)
йМРйт у '
где — - градиент концентраций в направлении диффузии; dт - продолжительность диффузии,
ч; т = f (V, Т), она функционально зависит от объема мяса V м3 и температурного поля Т °С.
Характер изменения тепла в воде при нагреве и его передачи мясу изучался на примере изменения теплоемкости, характеризующей зависимость подаваемого количества тепла для получения единичного изменения температуры обрабатываемого мяса:
С = —. (4)
ат 4 '
В свою очередь, количество теплоты, затрачиваемое при гидротермической обработке мяса, есть отношение теплоемкости (4) к массе мяса, т:
Суд = —. (5)
уд т М 4 '
Расчетами установлен характер изменения температуры воды при ее нагреве. Данные представлены на рисунке 4.
^ Температура воды, °С Рисунок 4 - Динамика изменения температуры воды при нагреве
Из графика следует, что удельная теплоемкость воды зависит от прилагаемого температурного поля, она снижается при нагреве от 0 до 37-40 °С и повышается при последующем нагреве при незначительном изменении интенсивности нагрева. Теплопроводность же воды повышается более интенсивно при 0 °С составляет 0,560 Вт/(м°С), а при 100 °С - 0,684 Вт/(м°С) увеличивается приблизительно на 0,3 % на каждые 10 °С нагрева.
Заключение
Исходя из исследования закономерности гидротермического состояния теплоносителя (воды), при производстве мясного бульона в электрическом пищеварочном котле с целью повышения производительности и снижения энергозатрат нагрев воды следует проводить в два этапа:
- нагрев воды в бойлере (НБ) от 15 до 70 °С и перелив и варка в пищеварочном котле (ПК) от 70 до 98 °С. Это способствует повышению производительности в 2 раза и снижению энергопотребления Э = НПК (12,8 кВт), НБ (4,00 кВт) = 8,80 кВт и позволяет сократить время варки бульона;
- обрабатываемая теплоносителем поверхность мяса должна оптимизироваться выражением:
dF = (t™.—н.тЖ , (6)
где dF - элементарная обрабатываемая теплоносителем площадь поверхности мяса, м2; tr.T.— текущая температура теплоносителя в переменный период dx, °С; tH.T - начальная температура теплоносителя, °С.
Библиография
1. Мглинец А.И., Акимова Н.А., Дзюба Г.Н. Технология продукции общественного питания. -СПб.: Изд. дом «Троицкий мост», 2010. - 736 с.
2. Антонова Р.П. Технология приготовления блюд и кулинарных изделий. - СПб.: ПРОФИКС, 2007. - 194 с.
3. Величко Н.А., Машанов А.И., Речкина Е.А. и др. Технология мяса и мясных продуктов. - М.: ИНФРА-М, 2024. - 270 с.
4. Ребезов М.Б., Мирошникова Е.П., Богатова О.В. и др. Физико-химические и биохимические основы производства мяса и мясных продуктов. Т. 2. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ (НИУ), 2011. - 133 с.
5. Самышин А.В., Рудик Ф.Я., Моргунова Н.Л. и др. Повышение срока годности мясокостных бульонов электрофизическими методами обработки // Аграрный научный журнал. - 2019. - № 4. -С. 90-92.
6. Доржиева В.В., Ханхалаева И.А., Битуева Э.Б. и др. Исследование качества и безопасности производства комбинированного мясопродукта с использованием барьерной технологии и принципов ХАССП // Вестник ВСГУТУ. - 2019. - № 4 (75). - С. 32-39.
7. Лескова С.Ю., Мерзляков А.А, Пурбуев А.В. и др. Многокомпонентный рассол для создания функциональных мясопродуктов // Вестник ВСГУТУ. - 2023. - № 1 (88). - С. 14-21. - DOI 10.53980/24131997_2023_1_14.
8. Углов В.А., Шелепов В.Г., Бородай Е.В. и др. Перспективы использования вторичных ресурсов мясоперерабатывающих отраслей на основе патентных исследований // Инновации и продовольственная безопасность. - 2020. - № 3 (29). - С. 39-46.
9. Лескова С.Ю., Жаргалова А.Ц., Данилов М.Б. и др. Перспективы рациональной переработки аборигенного крупного рогатого скота // Вестник ВСГУТУ. - 2022. - № 3 (86). - С. 14-20. - DOI 10.53980/24131997_2022_3_14.
10. Дондокова Е.Б., Гаврилова Л.М., Углова Н.П. Приоритетные направления развития мясного подкомплекса России // Вестник ВСГУТУ. - 2012. - № 2 (37). - С. 32.
11. Глотова И.А., Галочкина Н.А., Болтыхов Ю.В. Функциональные коллагенсодержащие субстанции на основе вторичных продуктов животноводства // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2012. - № 4 (328). - С. 16-19.
12. Литовкин А.Н., Глотова И.А., Кривцова О.Ю. Вторичные продукты убоя птицы как сырье для функциональных препаратов животных белков // Современные наукоемкие технологии. - 2014. -№ 5-1. - С. 189.
13. ЗабалуеваЮ.Ю., ДаниловаЛ.В., Маламуд Д. Б. и др. Влияние биотехнологической обработки на физико-химические и структурно-механические характеристики деликатесных изделий из мяса птицы // Вестник ВСГУТУ. - 2023. - № 4 (91). - С. 5-13. - DOI 10.53980/24131997_2023_4_5.
14. Щедровицкий Г.П. Принципы и общая схема методологической организации системно-структурных исследований и разработок. - М.: Наука, 1981. - С. 193-227.
15. Ковалёв Н.И., КуткинаМ.Н., Кравцова В.А. Технология приготовления пищи. - М.: Деловая литература, 2003. - 465 с.
16. Jones E.Z. What is thermodynamic process? // Science, Tech, Math. Thought Co. - 2020. - URL: https://www.thoughtco.com/thermodynamic-process-2699424.
17. Белозёрцев В.Н., Благин Е.В. Термодинамика. - Самара: Изд-во СГАУ, 2014. - 88 с.
18. Князева А.Г. Теплофизические основы современных высокотемпературных технологий. -Томск: Изд-во Томского политехнического ун-та, 2009. - 356 с.
19. Котовский В.Н. Теплопередача. - М.: Изд-во Московского гос. техн. ун-та гражданской авиации, 2015. - 76 с.
20. Цветков Ф. Ф., ГригорьевБ.А. Тепломассообмен. - М.: Изд. дом МЭИ, 2005. - 550 с.
Bibliography
1. Mglinets A.I., Akimova N.A., Dzyuba G.N. Technology of public catering products. - St. Petersburg: Publishing House "Troitskiy Most", 2010. - 736 p.
2. Antonova R.P. Technology of preparation of dishes and culinary products. - St. Petersburg: Publishing House PROFIX, 2007. - 194 p.
3. Velichko N.A., Mashanov A.I., Rechkina E.A. et al. Technology of meat and meat products. - M.: Publishing House INFRA-M, 2024. - 270 p.
4. Rebezov M.B., Miroshnikova E.P., Bogatova O.V. et al. Physico-chemical and biochemical founda tions of the production of meat and meat products. Vol. 2. - Chelyabinsk: South Ural State University (National Research University), 2011. - 133 p.
5. Samyshin A.V., Rudik F. Ya., Morgunova N.L. et al. Increasing shelf life of meat and bone broths using electrophysical processing methods // The Agricultural Scientific Journal. - 2019. - N 4. - P. 90-92.
6. Dorzhieva V.V., Khankhalaeva I.A., Bitueva E.B. et al. Research of production quality and safety of combined meat products using barrier technology and HACCP principles // ESSUTM Bulletin. - 2019. - N 4 (75). - P. 32-39.
7. Leskova S.Yu., Merzlyakov A.A., Purbuev A.V. et al. Multi-component brine for creating functional meat products // ESSUTM Bulletin. - 2023. - N 1 (88). - P. 14-21. - DOI 10.53980/24131997_2023_1_14.
8. Uglov V.A., Shelepov V.G., Boroday E.V. et al. Prospects for secondary resources use in meat processing industries based on patent research // Innovations and Food Safety. - 2020. - N 3 (29). - P. 39-46.
9. Leskova S. Yu., Zhargalova A.Ts., Danilov M.B. et al. Prospects for rational processing of native cattle // ESSUTM Bulletin. - 2022. - N 3 (86). - P. 14-20. - DOI 10.53980/24131997_2022_3_14.
10. Dondokova E.B., Gavrilova L.M., Uglova N.P. The main approaches of development of meat sub-complex of Russia // ESSUTM Bulletin. - 2012. - N 2 (37). - P. 133-137.
11. GlotovaI.A., GalochkinaN.A., Boltykhov Yu.V. Functional collagen-containing substances based on secondary animal products // Izvestia vuzov. Food technology. - 2012. - N 4 (328). - P. 16-19.
12. Litovkin A.N., Glotova I.A., Krivtsova O. Yu. Secondary products of poultry slaughter as raw materials for functional animal protein preparations // Modern high technologies. - 2014. - N 5-1. - P. 189.
13. Zabalueva Yu.Yu., Danilova L.V., Malamud D. B. et al. The effect of biotechnological processing on physical, chemical and structural mechanical characteristics of delicatessen poultry products // ESSUTM Bulletin. - 2023. - N 4 (91). - P. 5-13. - DOI 10.53980/24131997_2023_4_5.
14. Shchedrovitskiy G.P. Principles and general scheme of methodological organization of system-structural research and development. - M.: Publishing House "Nauka". - 1981. - P. 193-227.
15. KovalyovN.I., KutkinaM.N., Kravtsova V.A. Food Engineering. - M.: Publishing House "Business literature". - 2003. - 465 p.
16. Jones E.Z. What is thermodynamic process? // Science, Tech, Math. Thought Co. - 2020. -URL: https://www.thoughtco.com/thermodynamic-process-2699424.
17. Belozyortsev V.N., Blagin E.V. Thermodynamics. - Samara: SSAU, 2014. - 88 p.
18. Knyazeva A.G. Thermophysical foundations of modern high-temperature technologies. - Tomsk: Tomsk Polytechnic University Publishing House, 2009. - 356 p.
19. Kotovsky V.N. Heat transfer. - M.: Moscow State Technical University of Civil Aviation, 2015. -
76 p.
20. TsvetkovF.F., GrigorievB.A. Heat and mass transfer. - M.: MPEI Publishing House, 2005. - 550 p.
