Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии сушки топинамбура 14
1.1. Комплексная оценка топинамбура как объекта исследования... 14
1.2. Краткий обзор техники и технологии сушки топинамбура ... 25
1.3. Анализ закономерностей процесса сушки топинамбура 41
1.3.1. Обоснование использования импульсного псевдоожиженного слоя для сушки топинамбура 43
1.4. Анализ литературного обзора и задачи исследования 45
Глава 2. Исследование топинамбура как объекта сушки 49
2.1. Исследование фрикционных свойств топинамбура 49
2.2. Исследование форм связи влаги в топинамбуре методом дифференциально-термического анализа 54
2.3. Определение теплофизических характеристик топинамбура... 61
Глава 3. Исследование процесса сушки топинамбура при комбинированных гидродинамических режимах 72
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 72
3.2. Исследование гидродинамики процесса сушки топинамбура 80
3.2.1. Гидродинамические характеристики слоя топинамбура, продуваемого теплоносителем 80
3.2.2. Исследование усадки при сушке топинамбура 85
3.3. Исследование кинетики процесса сушки топинамбура 89
Глава 4. Математическое моделирование процесса сушки топинамбура 100
4.1. Математическая модель процесса сушки частиц топинамбура. 100
4.2. Уравнение теплопроводности для частиц высушиваемого продукта 101
4.3. Алгоритм решения задачи расчета температурного поля частицы топинамбура 103
4.4. Решение задачи теплопроводности без учета внутренних источников теплоты 105
4.5. Решение нестационарного трехмерного уравнения теплопроводности для параллелепипеда с учетом внутренних источников теплоты 107
4.5.1. Локально - одномерная схема для решения многомерной задачи теплопроводности 107
4.5.2. Зональный метод решения задачи нестационарного трехмерного уравнения теплопроводности для параллелепипеда с учетом внутренних источников теплоты 112
Глава 5. Комплексная оценка качества топинамбура «Скороспелка»... 116
5.1. Исследование органолептических и физико - химических показателей качества топинамбура 116
5.2. Исследование аминокислотного состава топинамбура 119
5.3. Исследование влияния режимов сушки на содержание инулина в топинамбуре 120
Глава 6. Разработка конструкции сушилки способа сушки топинамбура 122
6.1. Методика расчета сушилки для топинамбура 122
6.1.1. Исходные данные для расчета 122
6.1.2. Методика расчета 122
6.2. Разработка конструкции аппаратов для сушки топинамбура... 126
6.3. Разработка способа сушки топинамбура 134
6.4. Расчет ожидаемого экономического эффекта от использования сушилки для топинамбура 139
Основные выводы и результаты 148
Литература
- Краткий обзор техники и технологии сушки топинамбура
- Исследование форм связи влаги в топинамбуре методом дифференциально-термического анализа
- Исследование гидродинамики процесса сушки топинамбура
- Уравнение теплопроводности для частиц высушиваемого продукта
Введение к работе
В последние годы в связи с осложнившейся экологической и экономической обстановкой в стране произошел резкий скачок заболеваемости взрос-
хЩ лого населения, подростков, детей такими болезнями века как диабет, язва
желудка, сердечно-сосудистые заболевания и др. В связи с этим для повышения устойчивости организма к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды и сохранения генофонда человечества большое внимание должно уделяться организации профилактического и лечебного питания, созданию продуктов питания нового поколения, призванных задерживать старение организма, связывать, нейтрализовывать и выводить из организма вредные вещества, препятствовать развитию болезней.
^ Ценным сырьем для производства продуктов питания лечебно-профи-
лактического назначения может служить топинамбур. Топинамбур, или земляная груша (Helianthus tuberosus), известен в Европе сравнительно недавно. Он завезен из Америки в 1612 г. По химическому составу клубни топинамбура практически не уступают картофелю. Однако углеводы топинамбура имеют характерное отличие от углеводов картофеля. Спирто- и водорастворимые углеводы
^ клубней топинамбура большей частью представлены фруктозанами, наиболее
ценный из них - инулин, содержание которого составляет свыше 14 %.
Структурные полисахариды клубней топинамбура, входящие в клеточные стенки (пектиновые вещества, гемицеллюлоза, Х-целлюлоза), составляют от 1,56 до 2,88 % на сырую массу. Сумма пектиновых веществ колеблется от 0,56 до 2,18 % на сырую массу, при этом преобладает нерастворимый прото-
* пектин (51,0...75,0 % от их суммы). С пектиновыми веществами связано на-
личие радиопротекторных свойств клубней топинамбура. Клубни и вегетативная масса топинамбура содержат все незаменимые аминокислоты. Выявлено высокое содержание (в % на сухую массу) аргинина - 0,46, валина -1,33, триптофана - 0,82.
В клубнях топинамбура преобладают лимонная и яблочная кислоты (55
% и 27 % соответственно). Обнаружены также фумаровая, янтарная, хинная и
следы шикимовой кислоты. Клубни топинамбура имеют богатый минераль
ный состав. Установлено, что в них не накапливаются тяжелые металлы даже
Щ в случае культивирования на зараженных почвах. Благодаря высокой пищевой
ценности топинамбур с давних пор использовался как продукт питания человека. Однако применение его в пищевой промышленности тормозилось вследствие особенностей строения клубней и их нетехнологичности.
Переработка топинамбура на полноценные продукты питания стала
возможной в настоящее время благодаря выращиванию Майкопской селекци
онной станцией новых сортов топинамбура с правильной грушевидной фор
мой корнеплодов без глазков. С применением этих сортов разработаны рецеп-
4 туры, технология изготовления и нормативная документация на пюреоораз-
ные продукты питания.
Учитывая высокую пищевую ценность консервов из топинамбура, обла
дающего радиопротекторными свойствами, производство продуктов питания
на его основе позволит в значительной степени решить проблему питания на
селения в районах с повышенным фоном радиации.
^* Порошок топинамбура различных фракций, выпускаемый по предло-
женной технологии, изготавливается из свежезамороженных клубней топи
намбура путем резки клубней на чипсы, их сушки и последующего помола до
заданного размера частиц продукта и облучения полученного продукта ульт
рафиолетом. Он предназначается для использования в качестве компонента
при производстве пищевых продуктов и пищевой или биологически-активной
№ добавки.
В последние годы значительно вырос интерес к земляной груше (топинамбуру) как культуре широких возможностей. Ценность ее определяется высокой экологической пластичностью и продуктивностью, экономичностью возделывания, уникальным химическим составом, универсальностью исполь-
зования, устойчивостью к болезням и вредителям, возможностью производства продукции экологически чистым способом.
В отличие от картофеля у топинамбура используется как подземная, так и надземная часть растения. Размеры, масса клубневого гнезда топинамбура и связь клубней со столонами существенно выше, чем у картофеля. Топинамбур - культура многолетняя, хорошо переносит зиму и в отличие от картофеля имеет два срока посадки и уборки. Сроки нахождения клубней картофеля в почве (от клубнеобразования до уборки) до 4-х месяцев, топинамбура - до 11 месяцев. Топинамбур - многолетняя, т. е. «самовоспроизводящаяся» культура, поскольку клубни в почве хорошо переносят зиму. Основное содержание сухих веществ у топинамбура - сахар.
Посадки топинамбура требуют ухода и периодической уборки и посадки. В противном случае в течение 2...3 лет загущаются и теряют урожайность.
Топинамбур не требует применения гербицидов, фунгицидов и инсектицидов. Это в полном смысле «экологически чистое растение». Клубни топинамбура из-за отсутствия в кожуре пробкового слоя при хранении быстро теряют влагу и легко поражаются гнилью. За две недели хранения при комнатной температуре клубни теряют до 60 % веса.
Для центральной России лучшим сортом земляной груши является «Скороспелка» (авторы Устименко-Бакуновский Г.В., Усанова З.И.). Производством оригинальных семян данного сорта и разработкой технологии производства, адаптированной к агроэкологическим условиям региона, занимается Тверская государственная сельскохозяйственная академия. Сорт имеет самое широкое распространение в Нечерноземной зоне России, а также в ряде областей Черноземного Центра, в республике Беларусь и других регионах России и стран СНГ.
В Центральном районе России «Скороспелка» превосходит все другие сорта по клубневой продуктивности, технологичности, скороспелости.
Содержание Сахаров (на сухое вещество) в клубнях топинамбура колеб-
лется от 69,5 до 73,9 %, в надземной массе от 40,0 до 43,9 %, а белка - в клуб
нях до 6,31 %, в листьях до 21,5 %. В состав клубней и надземной массы вхо
дят другие ценные химические вещества (микроэлементы, пектины, амино
кислоты и др.). Благодаря своей технологичности и ценному химическому со-
($ц ставу, сорт «Скороспелка» широко используется для получения диетических
продуктов питания, лечебных препаратов.
Сорт «Скороспелка» представляет большую ценность также как кормо
вая культура. Силос из надземной массы превосходит по питательности куку
рузный, а также из однолетних трав, ботвы кормовой свеклы и хорошо поеда
ется всеми видами животных. Клубни могут использоваться в корм в свежем,
запаренном и силосованном виде для сельскохозяйственных животных и пти
цы.
'* Актуальность работы. Обладая высокой пищевой ценностью, сушеный
топинамбур «Скороспелка», как важный компонент, входит в состав некоторых вторых обеденных блюд, хлеба, вареных колбас и других видов продуктов.
Потребительские свойства топинамбура (его аромат и специфический
вкус) формируются в процессе сушки [1, 17, 18, 19]]. Новые физические, вку
совые и ароматические свойства топинамбура, образующиеся при сушке, обу-
'* словлены существенными изменениями состава сырья, происходящими в ре-
зультате биохимических реакций. При производстве сушеного топинамбура очень важно соблюдать параметры, которые способствуют прохождению биохимических процессов, направленных на создание продукта с высокими пищевыми достоинствами, сильным ароматом и приятным вкусом.
Однако традиционная сушка топинамбура воздухом сопряжена со зна-фі чительными энергозатратами и невысоким качеством готового продукта [11, 20,31].
Необходима разработка новых сушильных установок с комбинированными гидродинамическими режимами [2, 8, 16, 26]. Создание таких высокоэффективных установок, обеспечивающих полную автоматизацию и механи-
зацию технологических процессов, позволит изготовить поточно-
механизированные линии, обеспечивающие значительное повышение произ
водительности труда, безотходную переработку топинамбура и улучшение его
качества.
Щ Теоретические основы тепломассообмена в процессах сушки пищевого
растительного сырья и их аппаратурное оформление отражены в работах А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, Б.С. Сажина, В.И. Муштаева, В.В. Куцаковой, Б.И. Леончика, Ю.А. Михайлова и др.
Из зарубежных исследователей, работающих в этом направлении, следует отметить О. Кришера, Т. Хиодо, Р. Тоеи, Т. Масазуку, Т. Сигеру и др.
Развитие теории, техники и технологии тепломассообменных процессов
подготовило условия для научного подхода к разработке новых способов
&' сушки топинамбура и рациональных конструкций сушильных установок,
обеспечивающих наименьшие потери теплоты и электроэнергии.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры процессов
и аппаратов химических и пищевых производств Воронежской государст
венной технологической академии по теме «Исследование гидродинамики,
тепло- и массообмена в системах: твердое тело - жидкость, твердое тело -
'Ч газ при течении в каналах разной геометрической формы» (№ гос. регистра-
ции 01.960.006217).
Цель диссертационной работы: научное обеспечение процесса сушки
топинамбура при комбинированных гидродинамических режимах; повышение
эффективности процесса за счет разработки нового способа сушки и сушиль
ных установок для его реализации, обеспечивающих экономию теплоэнерге-
(1 тических ресурсов при требуемом качестве готовой продукции.
Научная новизна. Обоснована целесообразность использования комбинированных гидродинамических режимов для сушки топинамбура.
Определены гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя топинамбура, позволяющие обеспечить стабильное поддержание задан-
ных технологических режимов.
Установлены кинетические закономерности процесса сушки топинамбура при комбинированных гидродинамических режимах.
Выявлены температурные зоны, соответствующие испарению влаги с
^ различной энергией связи и термическому разложению белково-углеводного
комплекса.
Разработана математическая модель процесса сушки топинамбура в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая процессы тепло- и массопереноса.
Практическая ценность. Разработано программное обеспечение про
цесса сушки топинамбура при комбинированных гидродинамических режи
мах.
Ш
^ Предложен способ сушки топинамбура и оригинальные конструкции
сушильных установок для его реализации.
Проведено комплексное исследование качественных показателей топи
намбура «Скороспелка», высушенного при комбинированных гидродинами
ческих режимах. Установлено, что высушенный топинамбур «Скороспелка»
обладает хорошими потребительскими свойствами и имеет высокую пищевую
^ ценность.
Разработан инженерный метод расчета сушильных установок для топинамбура.
Новизна технических решений защищена семью патентами РФ (№№ 2237224,2215957,2256379,2256135,2252564,2252565,2254001).
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались
V и обсуждались на научных конференциях в Воронежской государственной
технологической академии (с 2003 по 2005 г.г.); III международной научно-технической конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2002 г.); международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2003 г.); международной научно-
практической конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств» (Краснодар, 2002 г.); научно-практической конференции «Качество и безопасность сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов» (Углич, 2004 г.); V международной научно - технической конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2005 г.).
Результаты работы демонстрировались на 17-й межрегиональной выставке «Продторг» (22-24 октября 2003 г.), выставке «Центрагромаш» (14 ноября 2003 г.), IV московском международном салоне инноваций и'инвестиций и награждены дипломами. Соискатель принял участие в конкурсе инновационных проектов в рамках 17-й межрегиональной выставки «Продторг» и награжден дипломом. Соискатель является стипендиатом Президента РФ за 2005-2006 г.г.
Представленная диссертационная работа обобщает новые результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса сушки топинамбура при комбинированных гидродинамических режимах, проведенных непосредственно автором под научным руководством д. т. н., профессора А.Н. Острикова.
Краткий обзор техники и технологии сушки топинамбура
Технологическая схема (рис. 1.3) производства порошка из клубней топинамбура на ООО «Крестьянско-фермерское хозяйство «Топинамбур» включает следующие этапы: подготовку сырья к мойке; мойку, инспекцию, очистці ку клубней от кожицы (не является обязательной), мойку очищенных клубней, инспекцию, резку, сушку, измельчение, фасование, упаковку и маркировку [53,54, 55].
Из овощехранилища топинамбур по ленточному конвейеру 1 поступает в моечную машину 2 с камнеотборником, а затем для окончательной отмывки загрязнений в моечную машину 3. Подготовка клубнеплодов топинамбура к Ф мойке заключается в удалении с их поверхности излишков земли. Удаление земли производится путем пропускания клубней через вальцовые транспортеры. Количество оставшейся на клубнеплодах земли после этого не должно превышать 5 % по отношению к массе отправляемого на мойку топинамбура (контроль осуществляется весовым способом и визуально).
Мойка в процессе подготовки сырья проводится несколько раз, напри мер; до и после очистки плодоовощного сырья. От качества мойки зависит об семененность продукта микроорганизмами. Все виды сырья подвергаются мойке. Сырье моют как в целом, так и в измельченном виде. Качество мойки f зависит от степени загрязненности сырья, количества воды, длительности и интенсивности трения сырья при мойке.
При большой загрязненности сырья используют конвейер-питатель с предварительной замочкой Ш12-КЛШ. Для мойки корнеплодов используют моечные машины Ш12-КПЛ, которые обеспечивают одновременное удаление камней. Для окончательной отмывки тяжелых загрязнений используют моечную щеточную машину РЗ-КМТ.
Мойка осуществляется в проточной воде до полного удаления загрязнений; соотношение воды и клубней 3:1. Расход воды на мойку корнеплодов составляет от 1000 до 5000 кг на 1000 кг топинамбура. Так, при использова Рис. 1.4. Приемный бункер и моечная четырехсекционная НИИ В качестве моеч устаковка А9-КЛ2-А/1 машины четырех Ч секционной установки А9-КЛ2-А/1 (рис. 1.4), в которой в первых трех секциях осуществляется мойка, а в четвертой - душирование).
Благодаря наличию в конструкции аппарата специального отстойника возможно многократное использование уже загрязненной воды для мойки свежих порций клубнеплодов в первых трех секциях установки. Причем бла 28
годаря конструктивным особенностям подобных аппаратов оборотная вода может составлять до 80 % от общего объема используемой воды. Плотный остаток при этом собирается из отстойника и выводится на поля.
Вымытый топинамбур инспектируют на конвейере 4, удаляя подгнившие и поврежденные клубни, и калибруют на три размера: мелкие - проход через отверстия размером 60x60 мм; средние - 70x70 мм; крупные - сход с машины [58].
Из инспекционного конвейера 4 топинамбур поступает на ленточный конвейер 5, подающий его в аппарат для паротермической очистки 6, где он обрабатывается паром при давлении 0,40...0,50 МПа в течение 45...75 с. После этого топинамбур поступает последовательно в барабанные моечно-очистительные машины 7 и 8 (рис. 1.5), куда подается вода под давлением 0,3...0,5 МПа. Длительность выдерживания в ней овощей регулируется углом наклона барабана. Количество полностью очищенных овощей составляет 97...99%.
Из моечной машины посредством ленточного конвейера топинамбур загружается в бункер 9 измельчителя УИК45. Клубни топинамбура режут на кубики с размерами граней до 15 мм, кружочки диаметром до 80 мм и толщиной до 10 мм
Нарезанный продукт поступает на ленту парового бланширователя 10. Бланшировка продукта осуществляется при температуре 95...98 С в течение 4...6 мин. Процесс бланширования представляет собой непродолжительную тепловую обработку до полуготовности с последующим охлаждением. Тепловое воздействие на сырье меняет коллоидное свойство тканей.
Бланшируемая ткань становится более мягкой, клетки ее набухают и вытесняют воздух из межклеточного пространства, протоплазма свертывается и отделяется от клеточных оболочек, которые становятся более проницаемыми. Уничтожается или ослабляется действие некоторых ферментов (которые влияют на изменение окраски сырья под воздействием кислорода воздуха). Это способствует лучшей отдаче влаги при сушке и лучшему восстановлению при кулинарной подготовке овощей [63]. При бланшировании частично уничтожаются микроорганизмы (плесень, дрожжи), происходит закрепление натурального цвета продуктов.
Барабанная мосчио-очистительная машина
При технологической подготовке топинамбура и овощей к сушке, в процессе обезвоживания, а также при хранении сушеных продуктов может происходить их потемнение. Для предотвращения этого явления топинамбур и овощи обрабатывают растворами сернистой кислоты или ее солей, а также газообразным сернистым ангидридом. Обработка сульфитными растворами способствует более полному сохранению витамина С в сушеном продукте, увеличивает сроки хранения и позволяют лучше сохранить внешний вид, пищевые и вкусовые качества сушеной продукции.
Топинамбур рекомендуется обрабатывать в течение 1...3 мин 0,1 %-м раствором бисульфита натрия (NaHSOj), который хорошо растворяется в холодной воде. Ни сама соль, ни ее растворы не имеют запаха, поэтому обработку клубней можно проводить в цехе на оборудовании, установленном в технологической линии. После обработки клубни не темнеют на воздухе в течение 6...8 ч, и их можно дочищать на конвейере без ванночек с водой.
Химическая промышленность выпускает бисульфит натрия в виде W 30...36 % раствора и в виде порошкообразной соли - пиросульфита натрия (Na2S205). Эту соль чаще всего используют в производстве [64].
При растворении пиросульфита натрия в воде образуется бисульфит натрия. Водный раствор его при температуре выше 65 С разлагается с выделением сернистого ангидрида. Содержание сернистого ангидрида в топинамбуре после его обработки незначительно. В готовых блюдах из сушеного топинамбура, подвергавшегося обработке бисульфитом натрия, сернистый ангидрид отсутствует.
Таким образом, обработка очищенных клубней раствором бисульфита натрия полностью исключает хранение топинамбура в воде в процессе дочи-стки. Это облегчает условия труда и улучшает санитарное состояние в отделении дочистки, уменьшает расход воды.
Исследование форм связи влаги в топинамбуре методом дифференциально-термического анализа
Сушеный топинамбур является важной пищевой добавкой при производстве функциональных продуктов питания. От правильности выбора режи ф ма сушки зависят пищевая ценность и качественные показатели готовой продукции, являющиеся результатом структурно-механических, биологических и физико-химических преобразований веществ. Для эффективной реализации процесса сушки топинамбура необходимо изучить характер связи влаги с определением участков, на которых осуществляется преобразование веществ при повышении температуры.
В качестве объекта исследования использовали кубики топинамбура размером 6x6x6 мм, которые предварительно отсортировывали с целью выравнивания гранулометрического состава и обеспечения однородности структуры продукта.
Исследование закономерностей теплового воздействия на растительные продукты осуществляли методом неизотермического анализа на дериватогра фе системы «Паулик - Паулик - Эрдей» [43] в атмосфере воздуха с постоянной скоростью нагрева 3 С/мин до 300 С.
Дифференциально-термический анализ позволяет установить направление и величину изменения энтальпии, связанной с изменением влагосодержа-ния топинамбура в результате его нагрева. Исследования осуществляли в кварцевых тиглях с общей массой навески для образца - 500 мг. В качестве эталона использовали А120з, прокаленный до 2800 С. Применяемые для количественной обработки методом неизотермической кинетики термоаналитические кривые одновременно регистрируют изменения температуры, массы 4к образца, скорости изменения температуры или энтальпии и изменения массы (кривые ТА, TG, DTA и DTG на рис. 2.4). Регулировочное устройство давало возможность равномерного нагревания печи, а достижение линейности программы нагрева печи обеспечивало воспроизводимость кривых ТА, TG, DTA и DTG, Выбор режимов записи дериватограмм определялся с учетом методики [7]. Были выбраны следующие режимы снятия дериватограмм: чувствительность гальванометра DTA - 1/10; чувствительность гальванометра DTG - 1/5; чувствительность гальванометра TG - 500 мг; скорость изменения температу {% ры нагрева печи - 3 С/мин.; максимальная температура нагрева 300 С.
В процессе теплового воздействия частицы растительных продуктов претерпевают значительные физико-химические изменения, в результате которых высвобождается вода, присущая конкретному продукту и определяющая характер протекающих внутри продукта преобразований веществ. За счет испарения влаги и разложения Сахаров, клетчатки и других органических со Щ единений (лизин, метионин) их масса снижается на 65...73 %. При этом происходит ослабление прочности структуры вследствие частичного гидролиза клетчатки, целлюлозы и других сложных углеводов, из которых состоят стенки клеток и межклеточные перегородки.
Кинетической характеристикой процесса является температура начала термолиза Ті (отклонение от базовой линии кривой DTA на рис. 2.4). Температу ф pa Т2 соответствует точке наибольшего отклонения данной кривой. Участок возрастания кривой DTA, начиная с пика, соответствует выравниванию температурного поля образцов топинамбура до нового квазистационарного состояния, нарушенного ранее тепловым эффектом превращения [7].
Количественную оценку кинетически неравноценных молекул воды в продукте осуществляли по экспериментальным кривым, полученным методом термогравиметрии. Участок кривой изменения массы, соответствующий процессу дегидратации, преобразовывали в зависимость степени изменения массы или превращения вещества от температуры. Для этого через каждые 5 С на кривой TG при определенных значениях температуры находили изменение массы W/ образца, соответствующее количеству высвобождающейся воды при температуре Г/. Степень изменения массы {а) рассчитывали как отношение массы ті к общему количеству воды, содержащейся в продукте (т), определяемому из кривой TG в конце процесса дегидратации. тельно, кривые зависимости степени превращения вещества от температуры позволяют изучить различные, кинетически неравноценные формы связи влаги и предполагают разную скорость дегидратации.
Для получения данных о механизме влагоудаления на основе полученных кривых, определения температурного интервала и количества влаги, де-сорбированного примерно с одинаковой скоростью, использовали кривую в координатах «(-Igoc) - (1(?/T)v . Зависимость ( lga) от величины (1(?/Т) (рис. 2.5) выполнена для интервала 298.. .458 К.
На рис. 2.6 отчетливо видны три линейных участка для топинамбура, что свидетельствует о ступенчатом выделении воды. При температуре 338 К осуществляется разрушение связи «вода - вода» [2, 12], а при 393 К удаляется адсорбционно связанная влага. В интервале температур - 393...458 К наблю-% дается разложение веществ в топинамбуре с выделением газообразных составляющих и начало удаления химически связанной воды. Каждой из ступе -\ga от 1000/Т N ней дегидратации соответствует процесс выделения воды с различной энергией связи. Кривая изменения массы исследуемого продукта при температуре 393...398 К имеют характерную точку перегиба, показывающую изменение механизма деструкции.
Дериватограмма топинамбура (рис. 2.4) имеет характеристические температуры ступеней гидратации, деструкции веществ и температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений, определяемые пиками эндо-т термических эффектов, сопровождающихся испарением влаги и возможным отделением газообразных фракций (табл. 2.3).
Эффект на кривой DTA сопровождается изменением массы (кривая TG) и эффектом на кривой DTG, что позволяет определить начало и окончание из менения энтальпии [7].
На кривой DTA наблюдается значительный эндотермический минимум при температуре 393 К (табл. 2.3, рис. 2.4), который соответствует процессам дегидратации продукта и сопровождается потерей массы образца, а также связан с преобразованием веществ топинамбура и началом возникновения газообразных фракций. Рассмотрим более подробно виды связи влаги в исследуемом растительном продукте.
Исследование гидродинамики процесса сушки топинамбура
Стационарный слой измельченных кубиков с размером граней 6x6x6 топинамбура представляет собой систему с весьма сложными и многообразными геометрическими характеристиками. Слой рассматривали как однородную изотропную среду, основными обобщенными характеристиками которой являются порозность є и удельная поверхность зернистого слоя а [2, 14, 20]. Остальные параметры слоя (распределение кубиков по размерам и форме, укладка слоя и др.) в меньшей степени влияют на гидравлическое сопротивление слоя. Порозность стационарного слоя кубиков топинамбура с размером граней 6x6x6 мм определяли по формуле [2, 3, 95]: є - 1 (Рнас Рт) (З-1) где рт - плотность кубиков топинамбура с размером граней 6x6x6 мм (рт = 1050 кг/м3); рнас - насыпная плотность слоя топинамбура {рнас = 590.. .630 кг/м3).
Порозность стационарного слоя кубиков топинамбура изменялась в диапа зоне є = 0,43 8... 0,400. Удельную поверхность слоя а для частиц топинамбура кубической фор мы определяли из уравнения [2]: а = ЛР8Ъ/(Нс к{(\-е)2), (3.2) где АР - гидравлическое сопротивление слоя, Па; - порозность слоя топинам бура; На, - высота слоя топинамбура, м; v- скорость теплоносителя, м/с; ju - ди намическая вязкость теплоносителя, Па-с; kj - константа Козени-Кармана (т. к. интервал дисперсности частиц (dmea/dmin) 2, то kj = 4 [2]). Щ Вводя соответствующий коэффициент экранировки кп = 0,93 [2], учиты вающий исключение из активного тепло- и массообмена части поверхности частиц вследствие контакта с окружающими его кубиками, определяли эффективную удельную поверхность топинамбура: а =акп. (3.3)
Отклонение конечной удельной поверхности а к от начальной удельной поверхности а0 для топинамбура было значительным, что указывает на значительную усадку продукта при сушке перегретым паром (табл. 3.1).
В результате обработки экспериментальных данных была определена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления, как функция Я =f(ReJ Я = 192,37/Re 222. (3.4) Анализ изменения гидравлического сопротивления слоя топинамбура в процессе сушки указывает на экспоненциальное уменьшение АР, которое обусловлено уменьшением влагосодержания продукта. На рис. 3.3 а, б, в приведено изменение гидравлического сопротивления слоя топинамбура от времени при различных значениях температуры теплоносителя.
Отклонение расчетных данных по формуле (3.4) от экспериментальных не превышало ± 28 % (рис. 3.4). При движении теплоносителя сквозь слой высушиваемого топинамбура его температура и насыщение влагой снижаются [4, 44]. Это меняет вязкость теплоносителя. Значения критерия Re» вычисленные с учетом варьирования всех входящих в него величин в процессе сушки топинамбура, изменялись в диапазоне от 140 до 1000. В области движения теплоносителя с преобладанием сил инерции (Деэ 2000) коэффициент гидравлического сопротивления Я зависит от скорости теплоносителя, удельной поверхности слоя продукта, которая является функцией влагосодержания [31, 44, 90, 96].
Таким образом, полученные данные позволяют правильно подойти к организации процесса сушки топинамбура при комбинированных гидродинамических режимах. %
В качестве объекта исследования использовали топинамбур, который предварительно очищали, сортировали и разрезали на кубики 5x5x5...8x8x8 мм. Процесс сушки топинамбура перегретым паром атмосферного давления, воздухом и паровоздушной смесью исследовали в импульсном псевдоожи-женном слое в следующих диапазонах изменения технологических параметров: температура пара 333...453 К; скорость теплоносителя на входе в слой 0,8...8,0 м/с; удельная нагрузка продукта на решетку 15...30 кг/м .
В результате проведенных исследований выявлено значительное изменение высоты слоя топинамбура в течение процесса сушки за счет его усадки: от 35 мм в начале процесса до 6...8 мм в конце сушки (рис. 3.5).
Топинамбур, высушенный при оптимальных технологических режимах, имел коэффициент объемной усадки /? = 0,66. Коэффициент объемной усадки зависел от структуры материала и вида связи влаги с ним [72, 97, 99].
С повышением температуры перегретого пара относительная усадка уменьшается (рис. 3.8), что объясняется увеличением градиента влагосодер-жания внутри материала, которое обусловлено достижением продукта более высокой температуры при сушке перегретым паром. 1,
Если построить зависимость относительной усадки 8 от влагосодержания U при различных значениях температуры перегретого пара в логарифмической анаморфозе (рис. 3.9), то отчетливо видны два участка. На первом участке в диапазоне изменения U= 5,5... 1,1 кг/кг изменение усадки весьма значительно: от 0,10 до 0,75. На втором участке в диапазоне изменения U = 1,1...0,1 кг/кг изменение усадки незначительно: от 0,75 до 0,78. Очевидно, это объясняется замедлением процесса нарушения капилляров продукта, что существенно уменьшает скорость сушки и развитие объемно-напряженного состояния.
Уравнение теплопроводности для частиц высушиваемого продукта
Содержание сухих веществ в топинамбуре составляет 25...30 %, среди них особенно много веществ углеводного комплекса (до 15 %). В состав протеина входят все незаменимые аминокислоты. В отличие от других овощей в топинамбуре повышенное содержание белка (до 3,2 % на сухое вещество) и накапливается до 16... 18 % инсулина-полисахарида, легко усваиваемого организмом. Гидролиз этого полисахарида приводит к безвредному для диабетиков сахару - фруктозе [3, 39]. Поэтому потребление топинамбура положительно влияет на обмен веществ при заболевании сахарным диабетом. Клубни содержат мало клетчатки (около 4 %) и богатый набор микроэлементов. Особенно много в них калия (4,1 г) и кремния (содержание этого элемента в клубнях в пересчете на сухое вещество достигает 8 %). Потребительские свойства топинамбура формируются в процессе сушки. Новые физические, вкусовые и ароматические свойства топинамбура, образующиеся при сушке, обусловлены существенными изменениями состава сырья, происходящими в результате биохимических реакций [35, 38, 74, 75].
Исследование показателей качества топинамбура проводили в соответствии с ТУ 9164-001-17912573-2001 «Порошок из клубней топинамбура» [46]. Он был исследован по органолептическим, физико-химическим и химическим показателям, а также по показателям минеральных веществ и аминокислот. Определение указанных показателей позволяет выявить структурные изменения в топинамбуре, происходящие в процессе его сушки и оценить качество полученного продукта.
Отбор проб проводили по ГОСТ 13341-77 (Овощи сушеные «Правила приема, методы отбора и подготовки»); органолептические показатели, размеры частиц топинамбура - по ГОСТ 13340.1-77; определение влажности - по ГОСТ 28561-90; определение углеводов - по ГОСТ 8756.13-79 «Продукты переработки плодов и овощей». Методы определения Сахаров»; определение золы - методом сухого сжижения по ГОСТ 26226-95; определение белка - по методу Кьельдаля поГОСТ1349.4-93.
Изучение аминокислотного состава в топинамбуре проводили на аминокислотном анализаторе «Т 339» методом ионообменной хроматографии на они-тах. Органолептические и физико-химические показатели топинамбура, приготовленного по заводской (сушка горячим воздухом с температурой 333...363 К в течение 4,0...6,0 ч) и предлагаемой технологиям, приведены в табл. 5.1.
Определение токсичных элементов не выявило превышения допустимых уровней их содержания в топинамбуре: свинец - не более 0,5 мг/кг, мышьяка -не более 0,2 мг/кг, кадмий - не более 0,03 мг/кг; ртуть не более 0,02 мг/кг, медь -не более 5,0 мг/кг, цинк - не более 250 мг/кг. Результаты исследований показали, что высушенный топинамбур соответствует требованиям СанПиН 2.3.2.1078-01 п. 6.6.1 «Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов» [10,73].На рис. 6.1 представлен фронтальный вид сушилки; на рис. 6.2 - механизм образования «бегущей волны»; на рис. 6.3 - объемное изображение взаимодействия механизма образования «бегущей волны» и ленты, на рис. 6.4 - объемное изображение центральной стойки.
Сушилка (рис. 6.1) включает корпус 1 с четырьмя стойками 2, бункер загрузки 3 с ротационным питателем 4, вентилятор 5, калориферы 6, секционированные патрубки 7 для подвода теплоносителя, патрубок 8 для отвода отработанного теплоносителя, наклонный лоток 9 для выгрузки высушенного продукта из сушилки. Внутри корпуса 1 сушилки установлена гибкая перфорированная лента 10, которая одним концом жестко крепится к торцевой стенке корпуса в зоне загрузки, а ее второй конец крепится с помощью пружин к выгрузочному наклонному лотку 9.
В обеих фронтальных сторонах корпуса сушилки выполнены продольные пазы 11, между которыми крепится копир 14, выполненный по замкнутому контуру. С гибкой перфорированной лентой 10 взаимодействует механизм образования «бегущей волны» 12 (рис. 6.2). Механизм 12 состоит из двух одинаковых (установленных по обе стороны сушилки: левой и правой) рам 13, соединенных осями 15. В состав каждой рамы входят три опорные стойки (левая 17, центральная 18, правая 19). К наружному краю прямоугольной рамы жестко крепится трос 20.
Трос 20 натянут на двух блоках 21 и 22, предназначенных для перемещения троса 20, а, следовательно, и для перемещения механизма 12. Блок 21 приводится во вращение при помощи реверсивного электродвигателя 23.
Центральная стойка 18 крепится непосредственно к раме 13. Внутри стойки 18 выфрезерован паз, по которому может перемещаться в вертикальной плоскости подшипниковый узел (рис. 6.4). В состав подшипникового узла входят: ось 31, подшипник 32 и корпус подшипника 33. На одном конце оси 31 находится подшипник 16, а другой конец оси 31 двигается по копиру 14, принуждая подшипниковый узел опускаться в конце рабочего хода и подниматься в начале.
Боковые края гибкой перфорированной ленты 10 контактируют с подшипниками 26,16, 28 опор 17,18 и 19, придавая ей при этом форму «бегущей волны» (рис. 6.3). Разная длина опорных стоек 17 и 19 и возможность регулирования шага между ними при их контакте с гибкой перфорированной лентой 10 дают возможность регулировать форму «бегущей волны» за счет изменения амплитуды и шага. Во избежание попадания высушиваемого материала под подшипники 26 и 28 последние имеют эластичные защитные кожухи 29.
К краям гибкой перфорированной ленты 10 также прикреплен гибкий материал для герметичности сушилки.
Остановимся подробнее на принципе работы механизма 12 образования «бегущей волны», а также характере его взаимодействия с гибкой перфорированной лентой 10.
Как видно из рис. 5.3 и рис. 5.1, на которых показано взаимодействие механизма образования «бегущей волны» 12 с лентой 10, усилия, передаваемые от подшипников 26, 28, 16 на ленту 10 и направленные на растяжение последней, минимальны. В то же время основные усилия направлены в поперечном направлении по отношению к ленте 10 и расходуются на образование «бегущей волны» и перемещение материала вместе с нею. Высоты стоек сделаны изменяющимися (за счет их фиксации в отверстиях 30 и 34 болтами 25 и 27 при работе). Аналогично можно изменять расстояние между стойками 17 и 19. Все это позволяет быстро и оперативно производить переналадку работы сушилки при высушивании различных видов материалов, отличающихся начальной влажностью, гранулометрическим составом, адгезионными и другими физико-химическими свойствами. Конструкция сушилки позволяет изменять соответственно форму «бегущей волны».
