Разработка технологии низкотемпературного вакуумного обезвоживания ягодного сырья

На правах рукописи

Масленникова Галина Александровна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВАКУУМНОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ЯГОДНОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных и

рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Кемерово - 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (ФГБОУ ВПО «КемТИПП»)

Научный руководитель: Петров Андрей Николаевич,

доктор технических наук, член-корреспондент Россельхозакадемии

Официальные оппоненты: Короткий Игорь Алексеевич,

доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», профессор кафедры «Теплохладотехника»

Курбанова Марина Геннадьевна,

доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт», зав. кафедрой «Технология хранения и переработки сельскохозяйственной продукции»

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита диссертации состоится «­ 22 » марта 2013 г в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.809.01 в ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, 4 лек. ауд., тел./факс (384-2) 39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Минобрнауки РФ ( http://vak.ed.gov.ru ) и ФГБОУ ВПО «КемТИПП» (www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан « 20 » февраля 2013 г

Ученый секретарь диссертационного совета О.В. Кригер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время одной из существенных проблем является обеспечение населения качественными и безопасными продуктами питания. Загрязнение окружающей среды отрицательно сказывается на общем состоянии здоровья населения. К вытекающим отсюда последствиям стоит отнести рост заболеваемости, учащенные случаи патологии новорожденных, а также снижение продолжительности жизни. Другой проблемой является авитаминоз – по данным НИИ питания РАМН у 80-90% населения России наблюдается дефицит витамина С, у 60% снижен уровень витамина А, В1, В2, В6, выявлен также дефицит минеральных веществ. Все это является следствием техногенных, военных, природных и социальных катастроф, несбалансированного и неполноценного питания.

Возникает необходимость в восстановлении структуры и качества питания населения, разработке продукции, обогащенной различными биологически активными веществами, а также в расширении возможностей потребления пищевых продуктов с высокой биологической ценностью и экологической безопасностью. Одним из источников жизненно важных для организма веществ являются ягодные культуры, играющие существенную роль в рационе питания населения.

В силу особенностей климата Сибири употребление ягод в пищу носит сезонный характер, в связи с чем, возникает проблема консервирования данного вида продуктов на длительный период, причем очень важно максимально сохранить пищевую и биологическую ценность консервированного ягодного сырья продолжительное время. Производство плодово-ягодных консервов, сушеных, быстрозамороженных ягод, ягодных концентратов и полуфабрикатов позволяет организовать равномерное обеспечение данной продукцией население в течение всего года, а также создавать резервы на длительное хранение.

Сушка является одним из наиболее перспективных методов консервирования пищевых продуктов. Сухие продукты имеют значительно меньшую массу, продолжительные сроки хранения, не требуют дорогостоящей тары и специальных условий хранения. Недостатком сухих продуктов, изготовленных традиционными способами сушки (конвективной и кондуктивной) является плохая их восстанавливаемость.

Теорию, технику и технологии сушки овощей и фруктов разрабатывали Ю.А. Михаилов, Н.И. Гамаюнов, А.Г. Темкин, А.А. Алексаненко, А.В. Лыков, Д.М. Левин, И.Т. Эльперин, М.С. Смирнов, П.Д. Лебедева, В.В. Красникова, А.С. Гинзбург, С. Ю. Щербаков, М.С. Погорелов, Н.Н Яковлев и другие.

Наиболее перспективными являются методы сушки с использованием низкотемпературных технологий вакуумная и сублимационная. Сухие продукты, полученные с использованием этих технологий, характеризуются малой усадкой, хорошей способностью к восстановлению и продолжительными сроками хранения.

Таким образом, разработка эффективных технологий низкотемпературного обезвоживания – является перспективным направлением развития прикладной науки, которое имеет важное народнохозяйственное значение.

Работа выполнена в рамках Федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».

Цель и задачи исследований.

Целью настоящей работы являлась разработка технологии низкотемпературного вакуумного обезвоживания ягодного сырья.

Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи исследований. Это обусловило необходимость исследования ряда взаимосвязанных проблем, среди которых основные:

- исследовать влияние технологических параметров на характеристики процессов сублимационной и вакуумной сушки ягод;

- анализ изменения активности воды и форм связи влаги с неводными фракциями ягод в процессе сушки;

- изучить влияние процессов сушки на микроструктуру ягод;

- методика расчета удельного количества энергии, необходимой для удаления влаги при различных способах и режимах сушки.

Научная новизна работы:

- определены рациональные режимы вакуумной сушки ягод;

- установлены рациональные режимы процессов предварительного замораживания ягод для их сублимационной сушки;

- выявлены температурные режимы процесса сублимационной сушки ягод;

- проведен анализ активности воды ягод в зависимости от массовой доли влаги;

- получены изотермы сорбции влаги в ягодах;

- Получены новые данные для определения энергии связи влаги по изотермам сорбции и выявлено распределение форм связи влаги с неводными компонентами ягод;

- изучено влияние процессов сушки на микроструктуру ягод;

- разработана математическая модель, описывающая внутренний тепломассоперенос в процессе сушки ягоды при пониженном давлении;

- разработка технологии получения ягодного сырья методом низкотемпературного вакуумного высушивания.

Практическая значимость работы. На основании результатов исследования разработаны технологии вакуумной и сублимационной сушки ягод. Новизна технических решений отражена в заявке на выдачу патента РФ № РФ № 2011122882/13.

Апробация работы. Основные положения диссертации получили одобрение на IV международной научно-практической конференции посвященной восьмидесятилетию факультета технологии молочных продуктов ОмГАУ «Перспективы производства продуктов питания нового поколения» (Омск, 2011); I Международной научной конференция «Шаг в науку» Российская Федерация (Кошехабль, 2010); VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Качество продукции, технологий и образования» (Магнитогорск, 2010); Всероссийской заочной конференции «Актуальные проблемы науки и образования», посвященной 80-летию ГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева», 65-летию Великой Победы, Году учителя в России (Чебоксары, 2010); IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2011); межрегиональной научно-практической конференции: «Инновационные процессы в развитии сферы общественного питания» (Красноярск, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано одиннадцать работ, в том числе три статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложений, подтверждающих практическую значимость результатов.

Содержание работы изложено на 130 страницах, включая 18 таблиц и 71 рисунок. Список литературы включает 150 наименований.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» на кафедре «Бионанотехнология». Весь цикл экспериментальных исследований состоял из пяти взаимосвязанных этапов. Общая схема экспериментальных исследований представлена на рисунке 1. Первый этап работы связан с изучением ягод как объектов сушки. На втором этапе исследованы технологические особенности процесса сушки ягод при остаточном давлении выше и ниже тройной точки воды, произведено математическое описание процесса обезвоживания ягод при пониженном давлении. На третьем этапе произведено исследование активности воды ягод с различной массовой долей влаги. На четвертом этапе осуществлен микроструктурный анализ ягод до и после сушки и визуализацию процессов обезвоживания ягод. На заключительном этапе разработаны технологии производства сухих ягод при остаточном давлении выше и ниже тройной точки кипения воды.

При выполнении исследований использовались как стандартные, так и оригинальные методики исследований технологических, физико-химических, биохимических, микробиологических и статистических методов исследований свойств сырья и готовой продукции.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведены исследования по изучению ягод как объектов сушки. Полученные данные компонентного состава свидетельствуют о биологической ценности ягод как объектов сушки. В результате исследований было также установлено содержание основных органических кислот, а также уровень общей кислотности и рН сока ягод.

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СУХИХ ЯГОД В УСЛОВИЯХ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Исследование ягод как объектов сушки

- массовая доля влаги - витаминный и микроэлементный состав - содержание органических кислот - органолептические показатели - теплофизические свойства

Технологические особенности процесса сушки ягод при остаточном давлении выше и ниже тройной точки воды

- качественные показатели сухих ягод - продолжительность процесса сушки - кинетика процесса сушки - скорость сушки - микроструктура ягод - математическое описание процесса обезвоживания при пониженном давлении

Исследования активности воды ягод с различной массовой долей влаги

- исследование активности воды ягод до и после сушки - исследование активности воды ягод в зависимости от массовой доли влаги

Микроструктурный анализ ягод до и после сушки Визуализация процессов обезвоживания ягод

- исследование микроструктуры ягод до и после сушки - исследование микроструктуры ягод в зависимости от технологических режимов сушки - визуализация процессов обезвоживания ягод при остаточном давлении выше и ниже тройной точки воды - визуализация процесса сушки при различных технологических параметрах

Разработка технологий производства сухих ягод

- регламент выработки - химический состав - пищевая и биологическая ценность

Практическая реализация результатов исследований

Рис. 1 - Общая схема экспериментальных исследований

Технологические особенности процесса вакуумной сушки ягод

Подбор температуры сушки. По данным, полученным в ходе экспериментов, были построены графики изменения относительной массы (рис. 2) и температуры ягод смородины (рис. 3) в процессе сушки.

	В первые 15 минут установка выходит на рабочий режим, при этом работает холодильная машина и вакуумный насос, понижающий давление в камере от атмосферного до 4-5 кПа. На первом этапе происходит удаление влаги, находящейся в макрокапиллярах продукта. Относительная масса ягоды в данный период сушки уменьшается незначительно до 95 % от первоначальной. За счет понижения остаточного давления в камере температура на поверхности продукта резко падает до 14-16 ОС. Продолжительность первого этапа составляет около 15-20 мин. На втором этапе, характеризующемся постоянной скоростью сушки, включаются инфракрасные лампы нагрева, происходит удаление основной части влаги в продукте - осмотически-связанной и влаги микрокапилляров. Продолжительность второго периода сушки составляет 100 минут. На третьем этапе удаляется влага моно- и полимолекулярной адсорбции. Данный вид связи наиболее прочный и при дальнейшей сушке удаляется крайне медленно. На рисунке 4 представлены графики изменения скорости сушки смородины при различных температурах в камере. Кривые скорости сушки отражают наличие трех этапов сушки. На первом этапе происходит постепенное увеличение скорости
Рис. 2 - График изменения относительной массы смородины при температурах в камере: 1 - 80єС; 2 - 70єС; 3 - 60єС
Рис. 3 - График изменения температуры ягод смородины при температуре в камере: 1 - 80 єС; 2 - 70 єС; 3 - 60є С
Рис. 4 - Графики скорости сушки смородины при температуре в камере: 1 - 80є С; 2 - 70 єС; 3 - 60єС

сушки, обусловленное включением инфракрасных ламп нагрева. При темпера-

турах 60, 70 и 80єС скорость сушки достигла максимального значения в 0,95; 1,01 и 1,08%/минут соответственно. Второй этап обезвоживания, характеризующийся постоянной скоростью сушки, на рис. 4 отражен горизонтальной линией. На третьем этапе сушки скорость сушки стремится к нулю. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики эффективности сушки.

Таблица 1 - Сравнительные характеристики эффективности сушки черной

смородины в зависимости от температуры сушки

Температура в камере, ОС	60	70	80
Продолжительность сушки, мин	210±5	207±5	174±5
Массовая доля влаги, %	7,9±0,1	4,9±0,1	3,0±0,1
Удельные энергозатраты, кВт/кг удаленной влаги	3,45±0,05	3,76±0,05	4,19±0,05
Органолептическая оценка (максимальная оценка 40 баллов)
Запах	13	12	7
Консистенция	13	11	9
Цвет	8	8	7
Итого	34	31	23