Введение к работе
Актуальность работы. Рынок фруктовых и овощных чипсов характеризуется стабильно высокими темпами роста. В настоящее время потребность во фруктах и овощах, необходимая для обеспечения населения Российской Федерации, оценивается в
11 млн. тонн, а среднегодовой сбор в стране составляет менее
4 млн. тонн, или 36 % от потребности населения.
В настоящее время получение фруктовых и овощных чипсов осуществляется на конвективных сушилках со стационарными режимами. Это сопряжено со значительными энергозатратами, длительным процессом сушки, низкой интенсивностью удаления влаги и невысоким качеством готового продукта, поэтому необходима разработка новых установок и технологий для получения фруктовых и овощных чипсов.
Потребительские свойства фруктовых и овощных чипсов формируются в процессе сушки. Новые физические, вкусовые и ароматические свойства фруктов и овощей, образующиеся при сушке, обусловлены существенными изменениями состава сырья, происходящими в результате биохимических реакций. При производстве фруктовых и овощных чипсов важно соблюдать технологические параметры, которые способствуют прохождению биохимических процессов, направленных на создание продукта с высоким содержанием термолабильных веществ.
Фундаментальные работы в области радиационной сушки проведены В.В. Красниковым, С.Г. Ильясовым, Ю.М. Плаксиным, Е.П. Тюриным, И.А. Роговым, А.С. Гинзбургом и др., которые разработали физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов.
Цель диссертационной работы: научное обеспечение процесса комбинированной радиационно-конвективной сушки фруктовых и овощных чипсов из персиков, хурмы, груши и тыквы при импульсном энергоподводе и повышение эффективности процесса за счет определения рациональных технологических режимов и повышение качества готовой продукции.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Изучить плоды персиков, хурмы, груши и тыквы как объекты исследования: определить оптические и теплофизические характеристики исследуемых плодов, исследовать формы связи влаги в плодах и выявить температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной формой связи.
Изучить кинетические закономерности процесса комбинированной радиационно-конвективной сушки фруктовых и овощных чипсов при импульсном энергоподводе.
Определить рациональные технологические параметры ступенчатых режимов процесса комбинированной радиационно-конвективной сушки фруктов и овощей.
Разработать математическую модель процесса комбинированной радиационно-конвективной сушки фруктовых и овощных чипсов при импульсном энергоподводе.
Исследовать усадку, трещинообразование и коробление чипсов из персиков, хурмы, груши и тыквы.
Произвести комплексную оценку качества плодов персика, хурмы, груши тыквы, высушенных по предлагаемой технологии.
Разработать конструкцию аппарата, технологию и способы для производства фруктовых и овощных чипсов из персиков, хурмы, груши и тыквы.
Выполнить энергетическую оценку тепловой эффективности и дать технико-экономическую оценку предлагаемой конструкции сушилки.
Провести промышленную апробацию полученных результатов работы.
Научная новизна. Изучены кинетические закономерности процесса комбинированной радиационно-конвективной сушки фруктовых и овощных чипсов при импульсном энергоподводе.
Методом дифференциально-термического анализа установлены формы связи влаги в объектах исследования и выявлены температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной формой связи.
Определены зависимости теплофизических характеристик персиков, хурмы, груши и тыквы от температуры.
Выявлен характер изменения оптических характеристик (коэффициентов проникновения, отражения и поглощения) объектов исследования от длины волны ИК-излучения (при понижении температуры излучателя).
Разработана математическая модель процесса радиационно-конвективной сушки фруктовых и овощных чипсов, состоящая из двух моделей. Первая математическая модель (внешняя задача) описывает период постоянной скорости сушки и связана с испарением свободной влаги с поверхности фруктов и овощей. Вторая математическая модель описывает период убывающей скорости сушки, когда фронт испарения влаги проникает внутрь продукта.
Обоснованы ступенчатые режимы теплоподвода для комбинированной радиационно-конвективной сушки фруктов и овощей в соответствии с формой связи удаляемой влаги, что позволяет добиться равномерного высушивания плодов персиков, хурмы, груши и тыквы и интенсивного испарения влаги с их поверхности.
Исследована усадка, трещинообразование и коробление чипсов из персиков, хурмы, груши и тыквы при радиационно-конвективной сушке.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2423877, 2449544, 2456805, 2461203.
Практическая ценность. Определены рациональные технологические параметры ступенчатых режимов процесса комбинированной радиационно-конвективной сушки фруктов и овощей. Выполнен эксергетический и технико-экономический анализ предлагаемой конструкции для производства фруктовых и овощных чипсов.
Проведено комплексное исследование качественных показателей фруктовых и овощных чипсов, полученных при комбинированной радиационно-конвективной сушке при импульсном энергоподводе. Определена антиоксидантная активность исследуемых проб вытяжки фруктовых и овощных чипсов.
Разработан аппарат и технологическая линия для производства фруктовых чипсов, а также способы производства чипсов из персиков, хурмы, груши и тыквы.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международных, всероссийских научно-технических конференциях: Воронеж, 2009 – 2012; Челябинск, 2009; Махачкала, 2010; Ставрополь, 2010, 2011; Одесса, 2010, 2011; Магнитогорск, 2011; Москва, 2011; Владивосток, 2011; Тамбов, 2012; Алматы, 2012; Краснодар, 2012.
Результаты работы демонстрировались на выставках и были награждены: дипломом межрегионального конгресса «АГРОПРОМ – 2010», Воронеж, 2010; дипломом Воронежского агропромышленного форума, Воронеж, 2010; дипломом III Воронежского агропромышленного форума, Воронеж, 2011, дипломом V Воронежского промышленного форума и 5-й межрегиональной специализированной выставки «Инновационные технологии», Воронеж, 2012.
Соискатель является победителем регионального конкурса «Инженерные технологии XXI века», Воронеж, 2011, награжден грамотой за активное участие на всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Инновационные технологии и технические средства для АПК», Воронеж, 2011; дипломом участника молодежного научно-инновационного конкурса среди студентов, аспирантов и молодых ученых в номинации, Воронеж, 2009. Соискатель является стипендиатом стипендии правительства РФ на 2012-2013 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, в
т. ч. 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, получено 4 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 81 рисунок и 24 таблицы. Список литературы включает 149 наименований, в том числе 36 – на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 140 страницах.
