Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и постановка задачи исследования .
1.1. Теоретические и практические основы сублимационной сушки пищевых продуктов .
1.1.1. Сравнительный анализ способов сушки пищевых продуктов
1.1.2. Технология сублимационной сушки в пищевой промышленности
1.1.3. Конструкция сублимационных сушильных установок .
1.2. Сыры как объект сублимационной сушки .
1.3. Выводы по обзору литературы и постановка задачи исследования .
2. Организация работы и методы исследования .
2.1. Организация работы
2.2. Метдды исследований .
2.2.1. Выбор метода определения содержания влаги в сухом сыре
2.2.2. Методика определения водопоглотительной способности сыра
3. Результаты экспериментального исследования сублимационной сушки мягких сыров .
3.1. Разработка экспериментальной установки для исследования сублимационной сушки мягких сыров
3.1.1. Характеристика мягких сыров как объектов сублимационной сушки ,
3.1.2. Разработка принципиальной схемы экспериментальной установки -
3.1.3. Конструктивные особенности установки и расчет основных рабочих параметров .
3.1.4.1. Технические характеристики разработанной экспериментальной установки . 63
3.1.5. Порядок проведения эксперимента 64
3.2. Исследование процесса сублимационной сушки мягких сыров 67
3.2.1. Изучение возможности предварительного замораживания мягких сыров .' 67
3.2.2. Влияние температуры поверхностного слоя сыра на качество сухого сыра 68
3.2.3: Влияние тепловой нагрузки на процесс сублимацион ной сушки сыров . 71
3.3. Кинетика процесса сублимационной сушки мягких сыров 77
3.4. Влияние состава сыра на продолжительность сушки . 80
3.5. Исследование факторов, влияющих на продолжительность —-сушки и на свойства сухих сыров 82
3.5.1. Влияние степени измельчения и толщины слоя на продолжительность сушки и на свойства сухих сыров . 82
3.5.2. " Влияние массовой доли влаги в сыре на продолжительность сушки 93
3.5.3. Оценка погрешности результатов . 96
3.6. Разработка технологии производства сыров сублимационной сушки 99
3.6.1. Технологическая схема производства сухих сыров 99
3.6.2. Характеристика сухого сыра 101
3.6.3. Хранение сублимированного мягкого сыра Г .г 102
3.6.4. Технико-экономические показатели производства сублимированного сыра
Выводы 111
Список литературы
- Теоретические и практические основы сублимационной сушки пищевых продуктов
- Конструкция сублимационных сушильных установок
- Выбор метода определения содержания влаги в сухом сыре
- Разработка экспериментальной установки для исследования сублимационной сушки мягких сыров
Введение к работе
Проблема питания является одной из важнейших социальных проблем во всем мире. Рацион питания должен быть сбалансированным, в нем должно содержаться необходимое количество белков, жиров, углеводов, а также такие вещества, как микроэлементы, незаменимые аминокислоты, витамины и минеральные соли,
Первостепенная роль в организации питания человека отводится молочным продуктам. Являясь биологически полноценными, они содержат полезные вещества в пропорциях, благоприятных для человека. Это в полной мере относится и к сыру. На долю молочного белка приходится более половины всех сухих веществ сыра.
В последнее время стабилизировалось потребление молока, повышается потребление сыра и снижается потребление масла. Сыр становится одним из наиболее предпочтительных молочных продуктов.
Среди большого разнообразия вырабатываемых сыров особое место занимают мягкие сыры. Сыры этой группы менее требовательны к качеству перерабатываемого молока, эффективны в производстве, имеют упрощенную технологию, дают хороший выход продукта, а также обладают хорошими органолептическими показателями. Технологии их просты и доступны для освоения как на сыродельных, так и на молочных заводах.
Мягкие сыры имеют весьма малый срок хранения, и поэтому задача длительного их хранения без потери качества является -актуальной. •
Из множества возможных способов консервирования сублимационная сушка отличается тем, что позволяет без снижения качества получить продукты, пригодные для длительного хранения, так как в этом случае происходит вымораживание влаги из продукта при невысоких температурах. Однако сублимационная сушка мягких сыров не изучена. Требования к способу сушки, особенностям процесса, к диапазону изменения параметров определяются специфическими свойствами различных пищевых продуктов. К сожалению, часто сушка приводит к значительным необратимым изменениям состава, структуры и формы консервируемых продуктов. По этой причине сушка становится непригодным способом консервирования для некоторых пищевых продуктов. Для такого чувствительного к термическим воздействиям продукта, как сыр, организация процесса сушки и выбор оптимальных режимов - специфическая и довольно трудная задача.
Таким образом, выбор оптимальных режимов сублимационной сушки мягких сыров, изучение свойств сухого сыра является актуальной проблемой.
Целью настоящей работы является изучение основных закономерностей процесса сублимационной сушки мягких сыров и разработка на этой основе технологии производства сухих сыров.
Для этого сконструирована сублимационная сушильная установка, выбраны рациональные режимы работы установки, выполнены исследования кинетики сублимационной сушки. Выявлено влияние различных факторов на процесс сушки и свойства сухих сыров. Изучены физико-химические, органолептические и микробиологические показатели сухого сыра. Рациональные параметры технологического процесса (степень, измельчения образцов, толщина слоя сыра "выбраны на основе анализа свойств полученного продукта.
В первой главе приведены теоретические и практические основы сублимационной сушки пищевых продуктов рассмотрены, особенности сыров как объектов сублимационной сушки, сформулированы задачи исследования.
Во второй главе диссертации рассмотрена организация работы, а также обоснован выбор использованных методов исследования. В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования сублимационной сушки. Определены рациональные параметры процесса сушки
Для удобства практического использования полученных результатов исследования сублимационной сушки мягких сыров, в работе рассмотрена математическая модель процесса и получены уравнения, связывающие основные технологические параметры сублимационной сушки мягкого сыра с продолжительностью сушки и с качественными характеристиками сыра.
Практическими результатами настоящей работы явились предложенное аппаратурное/ оформление сублимационной установки, детальное рассмотрение особенностей сублимационной сушки определенных видов мягкого сыра в различных стадиях и разработка рекомендаций по выбору технологических параметров сублимационной сушки мягкого сыра.
На основе проделанной работы разработана технология сублимационной сушки мягких сыров.
Теоретические и практические основы сублимационной сушки пищевых продуктов
Питательная ценность сыра обусловлена высокой концентрацией в нем молочных белков, жиров, наличием аминокислот, витаминов, солей кальция и фосфора, микроэлементов, крайне необходимых для нормаль ного развития организма [32, 41, 62, 64]. В связи с сезонным характером заготовок молока и тем, что молочные продукты являются скоропортящимися, большое значение" приобретают вопросы длительного хранения сыра без ухудшения его качества. В свою очередь, качество во многом определяется условиями хранения, способом обработки и видом продукта.
Существуют различные способы увеличения продолжительности хранения сыров. Это добавление консервантов, применение особых видов упаковки, замораживание и хранение при низких температурах, сушка [17,18,50,56,59,76,77,79,81,98,119].
Термическое обезвоживание (сушка) является одним из наиболее распространенных способов консервирования пищевых продуктов, позволяющих длительное время хранить продукты без значительных потерь качества.
Сушка - сложный технологический процесс, включающий нестационарные явШйия переноса тепла и влаги. При? сушке значительно уменьшается масса продукта, что снижает транспортные расходы, затра ты на тару, уменьшает потребность в складских помещениях. Сушеные продукты содержат питательные вещества в наиболее концентрированном виде и не требуют особых условий хранения. Они используются для снабжения армии и флота, космонавтов, различных экспедиций, населения дальних и труднодоступных районов, туристов и т.п.
Приоритет в создании основ теории сушки принадлежит русским ученым. Г.В. Рихман в 1740-1750 годах опубликовал свои работы по испарению воды со свободной поверхности. Существенный вклад в раз витие науки внесли современные исследователи: А.В. Лыков, Г.К. Фило ненко, П.Д. Лебедев, Ю.А. Михайлов, Б.М. Смольский, А.С. Гинзбург, М.Ю. Лурье и другие [60, 61,85, 87, 88,27,28, 31]. , Для молочных продуктов, в том числе сыра, обычно используются - следующие способы сушки: -конвективная сушка; - кондуктивная сушка; - сушка при пониженном давлении (вакуумная); - распылительная сушка.
Конвективная сушка. проводится при непосредственном соприкосновении продукта и сушильного агента. В качестве последнего используется нагретый газ, который охлаждается по мере увеличения содержания влаги. Техническая реализация такой сушки вО многом определяется требуемой производительностью, свойствами, структурой, формами и размерами высушиваемого материала [28, 60]. Конструкция/Конвективных сушилок с неподвижным слоем материала не отличается особой сложностью.
Различные сыры сушатся в камерных конвективных сушилках в потоке воздуха с температурой (35 -45) С в течение 5 - 6 часов. ..Обычно в этой сушилке сыр теряет только от 9 до 13 % влаги. Из-за большой остаточной влажности высушенный сыр невозможно хранить1 длительное время при обычных температурах [105, 132].
Другие способы конвективной сушки более совершенны , и эффек-, тивны. Это сушка дисперсных материалов в псевдоожиженном или аэрофонтанном слоях, сушка в виброкипящем слое и сушка, совмещенная с транспортировкой высушиваемого материала (в пневмотрубе). Во всех этих способах с сушильным агентом соприкасаются небольшие частицы материала, что значительно увеличивает поверхность соприкосновения, и процесс сушки существенно интенсифицируется. Состояние псевдоожижения достигается либо в специальных камерах с решетками, либо в вихревых камерах, в которых газ движется по криволинейной траектории.
Схема конвективной сушилки псевдоожиженного слоя приведена на рис. 1.1.
К сожалению, такие сушилки позволяют сушить только монодисперсный материал. Конструкция предъявляет строгие требования""к поддержанию скорости v движения воздуха. Возможен также перегрев материала у поверхности решетки.
Кондуктивная сушка - сушка при соприкосновении продукта с греющей поверхностью - применяется относительно редко, так как при этом способе трудно исключить возможный перегрев на некоторых участках поверхности. Материал, предназначенный для сушки, помещают на полые металлические плиты или противни, обогреваемые теплоносителем (вода, водяной пар, органические теплоносители). Тепло в этом случае передается в основном теплопроводностью. Недостатком этого метода является то, что вследствие низкой теплопроводности высохшего слоя существенно затрудняется1 подвод тепла в зону испарения.
Сыр мало пригоден для сушки в кондуктиБных сушилках, прежде всего из-за высокой термочувствительности. В противапшеяшость кондуктивной сушке для молочных и других продуктов, чувствительных к воздействию температуры, перспективно обезвоживание в вакууме
Конструкция сублимационных сушильных установок
В настоящее время технология сублимационной сушки непрерывно совершенствуется. Она получает все большее распространение ив пищевой промышленности. На основе сублимационных процессов разрабатываются новые способы консервирования, выпускаются оригинальные продукты питания.
Фирма «Сикали» выпускает сублимированный тертый сыр («Швейцарский», «Пармазан» и др.), сыр с приправами, основы для приготовления соусов [87].
Во Франции запатентован способ и устройство для сублимационной сушки гранулированных пищевых продуктов, чувствительных к нагреванию. Фирма JBatell Development Corporation разработала способ и аппарат для сушки, в котором жидкие пищевые продукты могут быть заморожены в диспергированном состоянии и сублимированы практиче-ски. одновременно [87,89].
В США получают все большую популярность готовые обеденные блюда сублимационной сушки. Восстановление этих блюд происходит в течение 60 секунд при заливке горячей водой [114, 132]. Разработан также способ приготовления высушенных сублимацией кристаллов обезжиренного сгущенного молока с сахаром [121, 122]. Запатентован продукт из сублимированного сыра и кукурузных хлопьев [125]. Полученный хрустящий пищевой продукт употребляется без восстановления водой.
Развиваются методы адсорбционной сублимации [108], сублимационной сушки пищевых продуктов (например, молока, сливок и др.) микроволновой обработкой [130,131].
Основная проблема микроволновой сублимационной сушки заключается в высокой стоимости этих установок и в повышенном их энергопотреблении. К тому же увеличение температуры материала в какой-либо зоне при микроволновом нагреве приводит к увеличению поглощения тепла в этой зоне и к интенсивному выделению паров воды. В некоторых случаях из-за этого материал как бы «взрывается».
Ведутся также разработки способов и оборудрванад\.:для;:. сублима-ционной сушки в ФРГ, Франции, Японии, Китае [112, 89, 107, 111,116, І20].
Теория и технология сублимационной сушки пищевых продуктов развивается и в нашей стране. Значительный научный вклад в эту область внесли А. В. Лыков, А.С. Гинсбург,. А.А. Гухман, Э.Н. Гуйго, ВТ. Поповский Н.С. Максимовская, К.П, Щумский и др. [60, 61, 30, 85, 86, 88].
В экспериментальных и теоретических работах, выполненных в МТИММП ив-МИХМе(г. Москва), в ЛТИХП (г. Санкт-Петербург), в ГТА (г. Воронеж) [50, 20, 3, 65, 66, 67, 5], найдены близкие к оптимальным режимы сублимационной сушки пищевых продуктов, в том числе молочных (молоко, творог, сыр). Изучением закономерностей процессов сушки творога и сыра занимались: П.Ф. Крашенинин, A.M. Макарьин, Н.Г. Алексеев, Т.Е. Кокшарова и другие [55, 56, 3, 62,50,54].
Производство сухого сыра впервые освоено в сороковые годы в Германии, позднее в США, в Чехословакии, во Франции, в Японии и в Китае. В нашей стране за последние годы разработаны новые диетические молочные продукты сублимационной сушки [97,,77]. Ведутся также работы по совершенствованию аппаратуры для сублимационной сушки [1,7,15,30,42,115].
Одной из самых важных характеристик высушиваемого материала является содержание воды. В [60] со ссылкой на работы П.А. Ребиндера приводится классификация форм связи воды и влажного материала. Согласно этой классификации, в общем случае вода может находиться в : - следующих формах связи с материалом: - химическая связь (связь в точных количественных соотношениях); - физико-химическая связь (адсорбционная и осмотическая связь); - физико-механическая связь, которая в свою очередь может быть разделена на следующие формы: - структурная связь образования гелей; - связь в микрокапиллярах; - связь в макрокапиллярах; : -. - поверхностная связь (связь смачивания).
Энергия связи молекул воды и материала в предложенной классификации уменьшается. Наиболее высокая энергия связи при химической форме, когда вода изменяем -свою структуру и исчезает как самостоятельное соединение, входя в состав вещества.
Выбор метода определения содержания влаги в сухом сыре
Теоретические и экспериментальные исследования выполнены в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности.
Общая схема проведения исследований представлена на рисунке 2.1.
Эксперимент состоял из четырех взаимосвязанных этапов. Первый этап заключался в разработке конструкции, расчете основных технических характеристик, монтаже и наладке экспериментальной установки. Предложена установка периодического действия с использованием двухстороннего обогрева при помощи кварцевых ламп и позволяющая сушить сыр в неподвижном слое методом сублимации. На этом этапе контролировали давление в сублиматоре, температуры поверхностей конденсатора, равномерность нагрева.
На втором этапе проводили предварительные опыты, цель которых -исследование основных режимов сублимационной сушки мягких сыров. В этих экспериментах выявляли основные факторы, влияющие на процесс, а также определяли допустимые диапазоны изменения факторов, в пределах которых возможно получение продукта без потерь качества при минимальных затратах энергии. На этом этапе исследовали также особенности процесса замораживания мягких сыров, подвергаемых сублимационной сушке. Сравнивали продолжительность сушки сыра, предварительно замороженного в холодильной камере и замороженного непосредственно в сублиматоре вследствие понижения давления ниже тройной точки воды.
Устанавливали зависимость процесса сублимационной сушки от выбранных режимов работы установки, таких как тепловая нагрузка поверхности продукта, температура образцов сыра, величина и характер изменения мощности нагревателей. Исследовали кинетику процесса сублимационной сушки сыра.
На третьем этапе исследований выполнен анализ основных факто ров, влияющих на продолжительность сушки и на свойства сухих сыров. Устанавливали зависимость параметров процесса сублимационной сушки мягких сыров и их качества от степени измельчения образцов и толщины слоя сыра. Качество готового продукта оценивали по органолептическим показателям в баллах (приложение 1) и по конечному содержанию влаги в сыре. _ Изучали влияние массовой доли влаги в сыре на время сушки и свойства конечного продукта. Для этого вырабатывали сыры с содержанием влаги от 53 до 68 % по технологии мягких кислотно-сычужных сыров. Продолжительностью сушки считалось время, проходящее с момента установления в сушильной камере вакуума до момента, когда температура в середине слоя сыра станет близкой температуре на поверхности сыра.
В ходе опытов контролировали и поддерживали на заданном уровне вакуум в сушильной установке, температуру рабочей поверхности де-сублиматора, мощность, потребляемую нагревателями.
С целью получения более полной информации о влиянии отдель- ных факторов на процесс сушки и свойства сухого сыра был поставлен двухфакторный эксперимент.
Уровень варьирования исследуемых факторов следующий: -относительная поверхность образцов (Х\) изменялась от 3000 до 800 м /м (диаметр гранул от 1 - 2 мм до 5 - 6 мм с шагом 1 мм и длиной 1,5 диаметра); 46 - толщина слоя засыпки сыра (Х2) изменялась от 0,010 до 0,030 м через каждые 0,005 м. Функциями отклика явились продолжительность сушки (Уі) и консистенция сухого сыра (Уг). Результаты двухфакторного эксперимента обрабатывали методом регрессионного анализа [16, 34, 100].
На основе результатов эксперимента и математического моделирования процесса на четвертом этапе разработана технология сублимационной сушки мягких сыров. Обоснован выбор режимов работы сушильной установки, позволяющих получить продукт хорошего качества.
На этом этапе контролировали качество и микробиологические показатели конечного продукта. Определяли массовую долю влаги, жира, поваренной соли, активную кислотность рН, проводили органолептиче-скую оценку сухого сыра. Разработана нормативная документация на сухой сыр, полученный методом сублимации.
Изучали также возможность хранения сухого сыра при различных режимах: при пониженных температурах (3 ± 2) Си при нормальных температурах (23 ± 2) С и относительной влажности воздуха не более 75%.
Предложенные технические и технологические варианты организации производства сухого сыра оценили экономическими методами. Выбор объекта исследования. Для сушки выбраны «Адыгейский» (ТУ 10-02-847-90), «Кемеровский» (ТУ 9225-028-02068315-97) и «Семейный»(ТУ 9225-024-02068315-97) сыры.
Разработка экспериментальной установки для исследования сублимационной сушки мягких сыров
В начальной стадии процесса сублимационной сушки с помощью вакуум-насоса из установки интенсивно откачивается воздух. Вода, содержащаяся в продуктах, при уменьшении давления испаряется с большой скоростью, что приводит к уменьшению температуры продукта. В результате почти вся влага в продукте превращается в лед. Процесс, описанный выше, называется самозамораживанием.
Для сокращения времени сушки и для уменьшения затрат "энергии . возможно предварительное замораживание в холодильной камере при атмосферном давлении. . В опытах сравнивали два различных способа организации сублимационной сушки: - с предварительным замораживанием образцов; - без предварительного замораживания, т.е. с самозамораживанием. Сравнивали образцы «Адыгейского» сыра с гранулами размером 2 - 3 мм. Исследуемые образцы сушили при одинаковых режимах. Замораживание проводили в морозильной камере при температуре минус 20 С. По литературным данным, при этой температуре не проис ходит заметного изменения качества сыра [18, 71, 72, 98].
Самозамораживание и сублимация происходили при температуре минус (12 ± 2) С. Это ниже криоскопической температуры изучаемого сыра (таблица 3.2).; Таким образом, уровень достигаемых температур почти тот же, что и при предварительном замораживании, поэтам в данных опытах трудно ожидать качественного различия результатов.
Графики изменения температуры в ходе сушки образцов с предварительным замораживанием и без него приведены на рис. 3.2 и 3.3.
Анализ показывает, что время сушки сыра в опыте с предварительным замораживанием сократилось на (15 ± 5) минут по сравнению со временем сушки сыра, высушенного без предварительного замораживания.
Это позволило сделать вывод, что вариант предварительного замораживания мягких сыров экономически не оправдан, так как при этом время сушки сокращается незначительно, а затраты на организацию процесса замораживания существенны. Учитывая это, большинство опытов в настоящей работе проводили без предварительного замораживания.
Для определения максимально допустимой температуры поверхности" сыра проводили исследования по сушке мягких сыров при различной температуре, Диапазон изменения температуры поверхности сыра от 20 до 60 С (через каждые 10С). По окончании опытов определяли качественные показатели сухого сыра (таблица 3.4).
Эксперименты показали, что при температуре 60 С резко снижается качество продукта. Цвет сыра изменяется, появляются признаки пригорания, начинает вытапливаться жир, наблюдается усадка. Консистенция оставалась однородной в виде мелких рассыпающихся частиц. Следует учитывать, что на практике возможна неравномерность и местные превышения температуры, поэтому мощность нагревателей должна быть подобрана так, чтобы средняя температура поверхности сыра была на (1-0 -г 15) С ниже предельно допустимой температуры.
Таким образом, предельно допустимой температурой поверхности сыра, при которой не наблюдается тепловых повреждений продукта, яв-ляется температура до 50 С. На основании этого в опытах максимальную температуру поверхности сыра поддерживали равной (40+3) С.
Важной характеристикой режимов сушки является максимальная тепловая нагрузка поверхности сыра. Выбранная нагрузка должна обеспечивать как можно меньшую продолжительность сушки, одновременно сохраняя высокое качество продукта.
Для исследования влияния допустимой тепловой нагрузки на качество сыра и длительность сушки проведены эксперименты при следующих значениях нагрузки: 1,0; 1,67; 2,00; 2,33 и 3,33 кВт/м2. Изменение режимов осуществляли изменением мощности нагревателей. Лампы могут работать либо с постоянной нагрузкой при пониженном напряжении питания, либо при полном напряжении питания в импульсном режиме.
Импульсное питание ламп позволяет поддерживать стабильный спектральный состав излучения в любых режимах. В этом случае питание ламп производится через специальное автоматическое устройство, которое изменяет длительность импульсов при изменении мощности нагревателей. Организация такого режима в условиях производства наиболее предпочтительна, так как температура на поверхности продукта поддерживается автоматически.
В данных исследованиях в большинстве опытов реализовывали ступенчатый режим энергоподвода, при котором в зависимости от степени нагрева поверхностных слоев сыра тепловая нагрузка на поверхности изменяется от максимальной до минимальной (минимальную тгагрузку принимали равной 0,3 кВт/м2).
Продолжительность сушки зависит, в первую очередь, от количест ва удаленной влаги в период максимального энергоподвода. Как показа ли опыты, тепловая нагрузка в большей степени влияет на длительность периода сублимации и в меньшей степени - на длительность периода удаления остаточной влаги. Экспериментально было установлено, что при тепловой нагрузке свыше 2,7 кВт/м2 поверхность сыра быстро перегревается и начинает пригорать, в то время как в середине сдоя сыр остается замороженным. Регулирование температуры изменением мощности становится затрудни тельным, так как для снижения температуры требуется просто выклю чить нагреватели. При этих нагрузках наблюдается также плавление мо лочного жира и изменение цвета образцов (появление гранул кремового цвета).
