CC BY
23
Разработана энерго- и ресурсосберегающая технология приготовления полуфабрикатов из плодоовощного и цитрусового сырья с применением метода дискретно-импульсного ввода энергии (ДИВЭ). Установлено, что диспергировать сырье необходимо за два этапа. Предварительное измельчение до частиц с размером не более 5 мм. Доизмельчение и купажирование в ротор-но-пульсационном аппарате (РПА) до частиц с размером менее 250 мкм. Отработанны режимы обработки массы в РПА. Построена аппроксимирующая функция. Определены физико-химические и биологические показатели готового продукта
УДК 663.86; 538
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГО-И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ
ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ПЛОДООВОЩНОГО И ЦИТРУСОВОГО СЫРЬЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ДИСКРЕТНО-ИМПУЛЬСНОГО ВВОДА ЭНЕРГИИ (ДИВЭ)
А. Н. Ободович
кандидат технических наук ведущий научный сотрудник отдела теплофизических основ
энергосберегающих технологий Института технической теплофизики НАН Украины ул. Желябова, 2а, г. Киев, 03057 Контактный тел.: (044) 424-02-79, тел/факс: (044) 424-32-83
E-mail: [email protected]
Введение
Среди самых важных задач социально-экономического развития Украины на первом месте стоит увеличение выпуска полноценных продуктов питания, повышение их качества, внедрение в производство новых энерго-и ресурсосберегающих технологий при максимальном использовании ценных биологически активных соединений сырья, замены устаревшей части производственных фондов технически новым оборудованием.
В связи с ухудшением экологии окружающей среды повышается роль фруктов, овощей и продуктов их переработки как потенциального источника витаминов, поли-фенольных соединений, аминокислот, микроэлементов.
По существующим технологиям получения соков и пюре в отходы попадают кожура и сердцевина плодов и овощей, которые содержат в 1,5-2 раза больше биологически активных веществ, чем сам сок. При этом на большинстве предприятий эти выжимки, как правило, не используются и становятся кормом для скота. Поэтому исследования направлены на разработку безотходных энерго- и ресурсосберегающих технологий глубокой
переработки растительного сырья в полуфабрикаты повышенной биологической ценности и получения высокодисперсных пюреподобных продуктов.
Целью работы является разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий полуфабрикатов из плодоовощного и цитрусового сырья с применением метода дискретно-импульсного ввода энергии (ДИВЭ). Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
■ разработать технологию и подобрать оборудование для сверхтонкого измельчения и гомогенизации плодоовощного и цитрусового сырья;
■ определить физико-химические, биохимические и микробиологические показатели высокодисперсных суспензий из плодоовощного и цитрусового сырья;
■ разработать технологию концентратов на основе высокодисперсных суспензий из плодоовощного и цитрусового сырья;
■ исследовать биологическую и питательную ценность концентратов.
Исследования проводились в лабораторных и промышленных условиях. В качестве объектов исследований
использовали: малину, смородину, абрикосы, яблоки, груши, морковь, столовую свеклу, апельсины, лимоны.
Для проведения исследований по получению однородных нерасслаивающихся суспензий из плодоовощного и цитрусового сырья было использовано существующее оборудование, а также разработаны новые установки. В основу функционирования нового оборудования был положен принцип дискретно-импульсного ввода энергии [1]. Указанный принцип реализовали в различных модификациях роторно-пульсационных аппаратов (РПА). Для интенсификации процессов в гетерогенных средах все шире применяют устройства роторно-пульсационно-го типа, состоящие из наборов чередующихся неподвижных (статорных) коаксиальных цилиндров (решеток), в стенках которых имеются прорези, обеспечивающие проход обрабатываемой среды. При работе аппарата происходит периодическое совмещение и перекрытие прорезей вращающихся и неподвижных цилиндров, что влечет за собой синхронное изменение скорости движения жидкости через цилиндрические решетки, т. е. возникновение пульсирующего с большой частотой потока. Одновременно в устройстве обеспечивается обработка среды в узких зазорах в условиях воздействия высоких напряжений сдвига и больших срезывающих усилий от удара и истирания об острые кромки и тонкие стенки, от воздействия процессов в пристенных областях, кавитации и др.
Конструктивно установка состоит из роторно-пуль-сационного узла, насоса, электродвигателя, корпуса и трубопровода для рециркуляции готового продукта. Основным рабочим органом аппарата является роторно-пульсационный узел, который включает установленные на валу двигателя диск с лопатками — своеобразное рабочее колесо центробежного насоса и два статора, между которыми находится ротор. При вращении ротора происходит поочередное совпадение пазов ротора и статоров, что вызывает значительные знакопеременные перепады давления, высокоградиентные течения в зазорах, а также большие градиенты сдвиговых напряжений. Возникают локальные скорости сдвига потока обрабатываемой среды от 30 ■ 103 ■ с-1 до 500 ■ 103 ■ с-1 и частоты импульсов от 3 до 30 кГц.
Для безотходной переработки плодовоовощного и цитрусового сырья с получением биологически ценных концентратов необходимо их сверхтонкое измельчение до частиц размером не более 250 мкм [2]. Это связано с тем, что суспензия, состоящая из частиц мякоти ука-
занного размера, не расслаивается при продолжительном хранении.
Литературные данные свидетельствуют о том, что получить суспензию из любого сырья с размером частиц менее 250 мкм на одном виде оборудования или за один цикл обработки затруднительно [3]. Поэтому нами были проведены исследования по измельчению сырья в две стадии. Первая — предварительное измельчение на роторно-шнековом аппарате, вторая — доизмельчение и купажирование с применением РПА.
При проведении исследований установлено, что размеры частиц плодов, овощей и цитрусовых, получаемых после одноразового прохода через шнековый аппарат, составляли не более 5,0 мм. Для дальнейшего измельчения и гомогенизации, предварительно измельченную массу смешивали с сахарным сиропом, лимонной кислотой и направляли в приемный бункер РПА. Обработку полученной суспензии проводили в режиме рециркуляции за 1-3 цикла. За один цикл обработки в РПА принято время, в течение которого весь объем суспензии едино-разово пройдет через рабочий орган аппарата.
На процесс диспергирования и гомогенизации значительное влияние оказывает скорость сдвига потока, при которой исходная масса обрабатывается в РПА. Скорость сдвига потока массы зависит от зазора между статором и ротором и угловой скорости.
Исследования проводили при обработке среды в РПА со скоростью сдвига потока от 30 ■ 103 ■ с-1 до 100 ■ 103 ■ с-1.
Влияние количества циклов обработки массы в РПА при скорости сдвига потока 30 ■ 103 ■ с-1 на ее дисперсность отражено в табл. 1.
Зависимость гранулометрического состава лимонного концентрата от скорости сдвига потока при обработке массы за 1 и 3 цикла представлена на рис. 1.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что гранулометрический состав перерабатываемой массы зависит от количества циклов обработки и от скорости сдвига потока.
Для получения лимонного концентрата с размером частиц меньше 250 мкм необходимо обрабатывать его за один цикл при скорости сдвига потока 90 ■ 103 ■ с-1 либо за три цикла при скорости сдвига потока 60 ■ 103 ■ с-1.
При обработке массы по первому варианту производительность аппарата меньше на 20 %, чем по второму. Это связано с тем, что для достижения скорости сдвига потока 90 ■ 103 ■ с-1 необходимо выдерживать зазор между
Таблица 1
Влияние количества циклов обработки массы в РПА при скорости сдвига потока 30 ■ 103 ■ с-1 на ее дисперсность
Вид сырья Массовая доля продукта, в %; на сите с диаметром отверстий, мкм
500 250 180 160 120 < 120 500 250 180 160 120 < 120
При одном цикле диспергирования При трех циклах диспергирования
Абрикосы 1,2 3,5 3,7 0,8 5,8 85,0 0 1,0 2,2 1,0 4,5 91,3
Груши 0,6 1,2 0,8 1 4,4 93,0 0 1,0 1,2 0 2,1 95,7
Малина 2,2 3,5 3,7 3,9 9,6 87,1 0 1,0 2,0 0,7 3,4 92,9
Смородина черная 2,2 7,4 4,8 3,5 3,8 78,3 0,2 1,3 2,3 1,7 2,0 93,7
Яблоки 0 0 2,4 1,8 1,6 94,2 0 0 0,1 1,7 0,1 98,1
Свекла 1,2 3,3 0 0 4,5 91,0 0 1,2 0,4 0 1,0 97,4
Морковь 1,0 8,4 2,2 2,1 2,8 85,2 0 1,0 2,8 0 1,8 94,4
Апельсины 1,1 5,9 2,2 2,8 2,0 86,0 0 2,5 1,3 2,1 1,8 92,3
Лимоны 1,2 6,1 2,4 2,5 1,7 86,1 0 2,7 1,6 2,0 1,6 92,1
\
> V 1
\
\ Ч 2 1 |Ч
3 t гч
30-10 40-10 50-10 60-10 70-10 80-10 90-10 у, С
Рисунок 1. Зависимость гранулометрического состава лимонного концентрата от скорости сдвига потока при 1 и 3 циклах обработки 1 — 1 цикл; 2 — 2 цикла; 3 — 3 цикла; п — количество частиц больше 250 мкм
статором и ротором 0,35 мм, что снижает напорные характеристики аппарата. Для достижения скорости сдвига потока 60 ■ 103 ■ с-1 зазор между статором и ротором должен составлять 0,50 мм, что увеличивает напорные характеристики аппарата и повышает его производительность. Однако для достижения поставленной цели при этом обработку массы необходимо проводить за три цикла, что увеличивает продолжительность процесса. Поэтому в зависимости от всего технологического процесса приготовления лимонного концентрата обработку массы в РПА можно проводить как по первому, так и по второму варианту.
В результате математической обработки экспериментальных данных была построена аппроксимирующая функция, показывающая процентное содержание частиц с размером более 250 мкм (п %) от скорости сдвига потока перерабатываемой массы и количества циклов обработки в РПА.
\Ь(к)
п = а(к)
\ь
+ с(к),
ч104)
Ь(к) = d2дk2 + d2,2k + d2,з,
а(к) = dl,lk2 + dl,2k + dl,з, с(к) = dз,lk2 + dз,2k + dз,з.
¿у ] = 1 ] = 2 ] = 3
; = 1 6,1560 -31,2743 60,1219
; = 2 -0,4100 1,0500 -0,9600
; = з -1,1869 12,6735 -28,8148
d1, d2, d3 — коэффициенты квадратных полиномов, вычисленные по экспериментальным данным методом наименьших квадратов.
Результаты математической обработки свидетельствуют о том, что отклонение аппроксимирующей кривой от экспериментальных данных лежит в пределах 5-7 %.
Смесь предварительно измельченного плодоовощного или цитрусового сырья с сахарным сиропом и лимонной кислотой, обработанную на РПА, назвали концентратом. Исходя из органолептических показателей и процессов расслаивания во времени, были предложены следующие физико-химические показатели (табл. 2).
Внешний вид концентрата — густая подвижная масса. Цвет, аромат и вкус свойственные свежему сырью.
Таблица 2
Физико-химические показатели концентратов
Наименование показателя Норма Методы контроля
Массовая доля растворимых сухих веществ, % 50 ± 2 ГОСТ 2856.2-90
Массовая доля сахаров, % 48 ГОСТ 8756.13-87
Массовая доля титруемых кислот (в перерасчете на лимонную кислоту), % 0,6-1,9 ГОСТ 25555.0-82
Активная кислотность, рН 2,5-4,5 ГОСТ 26188-84
Посторонние примеси: — минеральные — растительные — другие Не допускаются Не допускаются Не допускаются ГОСТ 25555.3-82 ГОСТ 26323-84 Визуально
Гранулометрический состав 100 % частиц размером меньше 250 мкм Ситовой анализ
Для подтверждения биологической ценности концентратов были проведены исследования по содержанию в них витаминов, углеводов, пектинов, клетчатки, органических кислот (табл. 3).
Определение аминокислотного состава концентратов позволяет сделать вывод, что в них в значительных количествах содержатся следующие жизненно важные аминокислоты: пролин, фенилаланин, аланин, лейцин, аспарагин.
Приведенные данные исследований свидетельствуют о том, что предлагаемые концентраты являются пищевыми продуктами повышенной биологической и питательной ценности. Анализы по определению в концентратах токсичных элементов и патогенных микроорганизмов показали, что их содержание не превышает норм, установленных Минздравом Украины.
Концентраты из плодоовощного и цитрусового сырья являются полуфабрикатом для приготовления кондитерских изделий и безалкогольных напитков. На них разработаны технические условия [4].
п — количество частиц более 250 мкм, (%). а, Ь, с — коэффициенты, зависящие от количества циклов обработки. Вычисляются в виде квадратичного полинома.
к — количество циклов обработки (ед.).
Выводы
Проведенные исследования по разработке энерго-и ресурсосберегающей технологии полуфабрикатов из
Таблица 3
Содержание сахаров, пектина, витаминов, клетчатки, органических кислот в плодоовощных и цитрусовых концентратах
Исследуемые вещества Единица измерения Концентраты
Апельсиновый Лимонный Яблочный Черносмородиновый Морковный
Фруктоза г/100 г 23,5 20,19 25,75 20,05 19,90
Глюкоза г/100 г 22,85 19,81 24,07 20,92 20,07
Сахароза г/100 г 7,75 9,31 5,18 14,03 15,03
Пектин г/100 г 0,93 1,26 0,82 0,59 0,21
Клетчатка г/100 г 0,69 1,24 0,30 1,40 0,71
Органические кислоты г/100 г 0,64 1,92 0,33 1,21 0,10
Витамины: С мг/100г 47,6 39,0 17,80 197,2 5,00
А мг/100г 0,07 0,01 0,05 0,03 0,45
В1 мг/100г 0,01 0,03 0,01 0,02 0,05
В2 мг/100г 0,02 0,02 0,03 0,02 0,06
РР мг/100г 0,41 0,35 0,30 0,30 0,90
плодоовощного и цитрусового сырья с применением метода ДИВЭ позволяют сделать следующие выводы.
Высокодисперсные суспензии из плодоовощного и цитрусового сырья эффективно получать путем предварительного измельчения до частиц с размером 1-5 мм и обработке полученной массы с применением РПА при скорости сдвига потока (60-90) ■ 103 ■ с-1 за 1-3 цикла. С целью получения концентратов нерасслаивающихся
во время хранения, с высокими органолептическими показателями, необходимо готовить купаж с добавлением сахарного сиропа и лимонной кислоты до содержания сухих веществ 50 % и массовой доли титруемых кислот 0,6-1,9 % в пересчете на лимонную.
Концентраты содержат большое количество пектина, клетчатки, витаминов С, РР, А, В1, В2, органических кислот, минеральных веществ, аминокислот.
Литература
1. Долинский А. А. Басок Б. И., Гулый И. С. и др. Дискретно-импульсный ввод энергии в теплотехнологиях. — Киев: ИТТФ НАНУ, 1996. — 206 с.
2. Самопал В. В., Ободович А. Н., Кислая Л. В., Маринченко В. А. Приготовление полуфабрикатов из цитрусового сырья для безалкогольной и кондитерской промышленности / Тезисы докладов II всесоюзной конференции «Проблемы индустриализации общественного питания». — Харьков, 1988. — С. 139-140.
3. Самопал В. В., Ободович А. Н., Кислая Л. В. Переработка цитрусовых плодов в концентрат для безалкогольных напитков. — Киев: Киевский технологический институт пищевой промышленности. — 1990. — 5 с. — Рук. Деп. в УкрНИИНТИ 14.08.90, № 1284 — Ук 90.
4. Пасты высокодисперсные и концентраты из фруктового и овощного сырья. ТУ У 15.3-05417118-027 — 2003.
