Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор патентно-информационной литературы по проблеме производства сухих пищевых добавок из плодово-ягодного сырья 5
1.1 Способы и режимы бланширования .5
1.2 Основные способы сушки и диспергирования плодов и ягод 9
1.3 Физико-механические свойства, хранение, регидратация, использование порошков 25
1.4 Задачи исследований 31
2. Объекты и методы исследований 33
2.1 Объекты исследований 33
2.2 Методы исследований 33
2.3 Статистическая обработка результатов экспериментов .36
3. Экспериментальная часть 39
3.1 Массовая доля ценных компонентов в плодах и ягодах
3.2 Оценка термоустойчивости оксидаз плодово-ягодного сырья 39
3.3 Кинетика процесса дегидратации плодово-ягодного сырья при различных режимах бланширования 57
3.4 Исследование параметров вакуумной сушки .69
3.5 Исследование гранулометрического состава порошков 75
3.6 Исследование отдельных способов обеззараживания плодово-ягодного сырья и сушной продукции .84
3.7 Разработка технологии производства криопорошков 96
3.8 Использование криопорошков при производстве пищевых продуктов .103
4. Опытно-промышленная реализация результатов исследований 105
4.1 Использование криопорошков при производстве пищевых продуктов 105
4.2 Обогащение криопорошков СО2-экстрактами и СО2-шротами 107
4.3 Рекомендации по применению плодово-ягодных криопорошков 109
Заключение 113
Список иллюстративного материала 120
Библиографический список 130
Приложение А Технические условия «Фруктовые криопорошки» (ТУ 9223-002-82549201-13).
Приложение Б Технические условия «Ягодные криопорошки» (ТУ 9223-003-82549201-13)
Приложение В Патент РФ № 2494641. Способ производства криопорошка из тыквы с использованием ЭМП СВЧ и солнечной энергии
Приложение Г Патент РФ на полезную модель № 155139. Гелиосушилка для растительного сырья
Приложение Д Рекомендации Кизлярскому консервному заводу по организации производства криопорошков из плодов и ягод
- Основные способы сушки и диспергирования плодов и ягод
- Кинетика процесса дегидратации плодово-ягодного сырья при различных режимах бланширования
- Разработка технологии производства криопорошков
- Рекомендации по применению плодово-ягодных криопорошков
Основные способы сушки и диспергирования плодов и ягод
Следует отметить, что тепловая обработка плодово-ягодного сырья перед сушкой, или другим видом консервирования, является очень важным технологическим процессом, воздействие которого на качество конечного продукта изучается многими исследователями не одно столетие.
В зависимости от конечного способа сохранения продуктов, тепловая обработка может преследовать одну из следующих целей:
- инактивация ферментов, предотвращающая приобретение неприятных цветовых и вкусовых изменений;
- коагулирование протеинов (с выделением воды), гидролиз протопектина и увеличение количества растворимого пектина;
- удаление горького привкуса и улучшение цвета продукта;
- снижение микробиальной обсеменнности;
- удаление воздуха из межклеточного пространства плодов.
Хороший процесс тепловой обработки должен обеспечивать равномерную подачу тепла каждой единице продукта и одинаковое время их прогрева.
Водяные бланширователи обладают хорошей теплопередачей, достаточно высоким энергетическим КПД (до 60%), однако приводят к большим потерям от выщелачивания растворимых сухих веществ – углеводов, кислот, витаминов.
Паровые бланширователи характеризуются низким выщелачиванием из сырья растворимых сухих веществ, но имеют очень низкий энергетический КПД (5 %) из-за малого коэффициента теплопереноса и утечек пара при вводе и выводе продуктов, так как потери пара на входе и выходе блокируются малоэффективными водяными завесами и гидростатическими затворами. С целью улучшения теплопередачи при бланшировании паром, Н. Gibert и др. предложили новый процесс бланширования, основанный на создании потока взвешенных частиц измельченных ягод и фруктов в вихревом слое насыщенной смеси пара и воздуха. Получены данные, что пероксидазы горошка, кубиков картофеля и моркови инактивируются в течение 1-5 мин бланширования при температуре паровоздушной смеси 75-90 С, то есть раньше, чем при обработке горячей водой [122].
R. Baruffardi и др. установили, что при бланшировании моркови в кипящей воде в течение 16 мин потери растворимых сухих веществ составили 84%, а при бланшировании паром - 28% [116]. В аналогичных исследованиях J.M. Aguirre и др. определили, что в образцах морковных хлопьев, высушенных в камерной сушилке при температуре 70 С, за 180 дней хранения (при температуре 16 С и влажности воздуха 60%) потери каротина составили 52%, если сырь бланшировали в кипящей воде, и, соответственно, 33% при бланшировании паром [113]. Ранее А.К. Baloch и др. показали, что потери водорастворимых веществ моркови при бланшировании приводят к увеличению степени разрушения каротиноидов в процессе хранения сушной продукции в 3,3 раза [115].
В.М. Кудинова и Р.Я. Мазитова сообщают, что бланширование моркови увеличивает содержание Р-каротина в порошке на 15-20 % и на столько же снижает содержание нитратов при конвективной сушке [50].
Следует отметить, что в литературе имеется множество противоречивых сведений, касающихся параметров бланширования, поэтому приведем только полярные мнения: AndreottiRodolfo и др. считают, что наилучший способ бланширования моркови - паром в течение 3 мин, а наилучший способ сушки - вакуумный при температуре 80 С [114]. Наоборот, G.M. Ziegler и др. рекомендуют бланширование моркови в кипящей воде в течение 38 мин, с последующим протиранием и сушкой на двухвальцевой сушилке [140]. На рисунке 1.1 приведена схема сушилки-дезинтегратора.
JavedKhalid и др. исследовали влияние бланширования на качество сушной капусты и установили, что бланширование в кипящей воде в течение 3 мин способствует сокращению времени сушки, лучшему сохранению витамина С во время сушки и хранения, а также цветовых и вкусовых характеристик [127]. С другой стороны С.И. Янков сообщает, что при бланшировании яблок их масса увеличивается на 2,2-7,4% за счт насыщения водой капилляров плодовой ткани [112]. Аналогичные наблюдения сделали Г.В.Шлягун и др. отметившие, что бланширование яблок в течение 3 мин в кипящей воде увеличивает продолжительность их сушки примерно на 5% [109].
При оценке этих результатов следует учитывать, что бланширование изменяет водоудерживающую способность овощей и плодов в зависимости от параметров процесса. Например, водоудерживающая способность моркови падает при увеличении времени бланширования в кипящей воде с 3 до 10 мин.
При определении наилучших параметров бланширования плодов и овощей с целью дальнейшего производства быстро восстанавливаемых порошков следует учитывать, в какой степени они обеспечивают гидролиз протопектина и, возможно, частичный гидролиз клетчатки.
D. Plat и др. бланшировали мокрым паром кубики моркови со стороной 8 мм в течение 4 мин, а затем их высушивали. По сравнению с не бланшированной морковью, бланшированные образцы имели после высушивания большее количество пектиновых веществ, маннозы, рамнозы, галактозы, глюкозы, лучшую консистенцию, большие коэффициенты поглощения воды и восстановления структуры тканей [134].
Результаты исследований, полученные Ш.А. Позиным показали, что чем выше титруемая кислотность плодов, тем больше их развариваемость, что обусловлено гидролизом пектиновых веществ под воздействием органических кислот и температуры. На основании полученных данных он разделил сорта яблок, груши, айвы и сливы на три группы: разваривающиеся, полуразваривающиеся и неразваривающиеся и для каждой группы определил оптимальные режимы бланширования. Например, яблоки с кислотностью 0,68 % и выше достаточно бланшировать 4-6 мин при температуре воды 80-85 C, а с кислотностью 0,46 % и менее – 10-15 мин при температуре 100 C [81].
Аналогичные исследования, проведнные В.А. Шелимановым и др. с морковью показали, что гидролиз протопектина повышается с ростом температуры бланширования. При температуре 130 C происходит наибольшее разрушение клеточных оболочек [108].
Патент РФ на способ производства инстант-порошка предусматривает подготовку растительного сырья, его резку и сушку в поле СВЧ при мощности, обеспечивающей разогрев сырья до температуры внутри кусочков 80-90C в течение не менее часа, что способствует повышению восстанавливаемости полученного из него порошка за счт частичного гидролиза протопектина в растворимый пектин [73].
В то же время искусственное подкисление среды действует несколько иначе, чем естественная кислотность плодов. Г.Ф. Фролова и др. показали, что под-кисление среды при тепловой обработке овощей сказывается двояко на растворимость продуктов деструкции пектиновых веществ:
- понижая молекулярную массу пектина, оно способствует улучшению растворимости; - из-за снижения степени ионизации свободных карбоксильных групп остатков галактуроновой кислоты растворимость ухудшается [102].
Поэтому продолжительность варки свклы, моркови и капусты при подкис-лении среды до рН 3,8 увеличивается и только при более сильном подкислении снижается.
Цитирование результатов исследований по воздействию бланширования на изменение технологических качеств плодоовощного сырья можно многократно продолжить. Однако общего вывода это не изменит: при разработке новых технологий переработки, при использовании новых видов оборудования, при переработке новых видов и сортов овощей, плодов и ягод необходимо проводить заново экспериментальную работу по оптимизации режимов бланширования.
Следует иметь в виду, что процесс бланширования инактивируя ферменты, не обеспечивает уничтожение патогенной микрофлоры. В связи с тем, что впо-следнее время вс большее распространение находят низкотемпературные способы сушки, максимально щадящие нативные свойства продукта, становится вс более актуальной проблема обеззараживания порошкообразных продуктов питания. С этой целью используются различные примы – от санитарной обработки технологического оборудования и сырья [79, 80] до различных способов пастеризации и стерилизации готового продукта [46, 48].
Известен способ безотходной низкотемпературной переработки плодов и ягод в консервы (патент РФ № 2438336), основанный на диспергировании в среде инертного газа свежих или замороженных ягод или плодов в кавитаторе, с добавлением натуральных подсластителей и доведением температуры смеси до 80 оС.
По патенту РФ № 2528719 можно производить быстрозамороженный пюре-образный диетический продукт из простерилизованных плодов. После обработи паром и протирки в продукт добавляют сливочное масло и витамин С.
Кинетика процесса дегидратации плодово-ягодного сырья при различных режимах бланширования
Результаты опытного изучения кинетики процесса сушки наиболее удобно анализировать с помощью построения кривых сушки (координаты – влажность продукта и время), кривых скорости сушки (координаты – скорость сушки и влажность) и температурных кривых (координаты – температура продукта и влажность или температура и время).
Взаимодействие влажного материала с окружающим воздухом может происходить в двух направлениях: - в случае, когда парциальное давление пара у поверхности материала больше, чем парциальное давление в воздухе, будет происходить процесс испарения (сушка);
- если парциальное давление у поверхности материала меньше, чем парциальное давление пара в воздухе материал будет увлажняться за счт поглощения пара из окружающего воздуха (сорбция).
Через некоторое время, когда парциальное давление материала станет равно парциальному давлению пара в воздухе, наступает состояние равновесия. Влажность материала, соответствующая состоянию равновесия, называется равновесной влажностью (А.С. Гинзбург, 1985).
Статика процесса сушки обычно исследуется сушкой материала до постоянной массы, то есть определяются кривые сушки.
Кривые сушки характеризуют изменение влажности материала (W) во времени (т). Влажность материала обычно рассчитывают по отношению к массе абсолютно сухого вещества, остающейся в процессе сушки неизменной.
Возможен простой переход от влажности, рассчитанной по отношению к сухой массе (Gc), к влажности, рассчитанной по отношению к общей массе материала (G).
При графическом дифференцировании скорость сушки определяют как тангенс угла наклона касательной, проведнной через данную точку кривой сушки, соответствующую определнной влажности материала.
В конце процесса кривая сушки по асимптотеснижается коси абсцисс, что затрудняет проведение касательной к кривой сушки. Поэтому рассчитывают среднюю скорость сушки за небольшие промежутки времени.
К объектам исследований относитсяфруктовая мякоть, представляющая собой коллоидные капиллярно-пористые тело. Анализируя графики скорости суш-ки,возможно условно выделить период постоянной скорости сушки и падающей скорости сушки.
К особенностям кривых сушки фруктовой мякотиотносится отсутствие периода постоянной скорости, из-за чегосложно применитьклассические методы расчта и прогнозирования времени сушки.
Внесенные в табличную форму кривые сушки абрикосов и хурмы при заданных режимах бланширования оптимизировали с помощью метода наименьших квадратов, получив уравнение вида
Если проанализировать данную зависимостьто можно отметить, что для режима сушки совпадающего с температурой сушильного агента Т = constп, появляется начальный участок с квазипостоянной скоростью удаления влаги, длина которого увеличивается по мере снижения температуры.
Участок квазипостоянной скорости при 100 С равняется времени 2-2,2 ч, по истечении которого скорость удаления влаги снижается и становится меньше скорости при температуре Т=90С.
В случае сушки продукта при температуре сушильного агента Г=100С и более двух часов, процесс будет экономически невыгодным, так как при меньшем значении температуры скорость убыли влаги выше. То же самое происходит относительно режимов с температурами 90-60C. Наиболее протяжнный участок квазипостоянной скорости убыли влаги можно отнести к реперной точке зависимости продолжительности сушки от температуры и считать ее оптимальной при данной температуре.
Зависимость— = /(т) подчеркивает целесообразностьступенчатого измене ния температуры сушильного агента через определенные интервалы времени. Снижая температуру в заданных промежутках временит100, т90 и т.д, можно экспериментально определить оптимальный режим, соответствующий минималь-нойпродолжительности сушки Т.
Примером сушки капиллярно-пористых материалов на рисунке 3.1 служит изменение абсолютной влажности нарезанной на ломтики тыквы при различных температурах. Графики показывают, что продолжительность сушки при температуре 90 С практически в два раза меньше продолжительности сушки при температуре 70 С. Автором установлено, что несмотря на минимальную продолжительность сушки, но при повышенной температуре продукт темнеет. Поэтому, как показано на рисунке 3.2 следует сушить ломтики тыквы при температурах 70 и 80 C, при которых высушиваемый продукт получает приятный светлокремовый оттенок. Как влияют режимы бланширования на кинетику процесса сушки кубиков тыквы показано на рисунке 3.3. Кривые сушки строили с учетом ступенчатого изменения температуры. Установлено, что увеличение времени бланширования до 4 минут незначительно ускоряет сушку. Отмечена идентичность кривых сушки при бланшировании в СВЧ-поле и паром. Но бланширование паром предпочтительней из-за меньшей затратности. На рисунке 3.4 представлены кривые скорости сушки кубиков тыквы при различном времени бланширования в СВЧ-поле.
Для всех кривых характерно увеличение скорости сушки в момент начального прогрева высушиваемого материала. Исследование влияния режимов бланширования и способов нарезки яблок показаны на рисунках 3.5 и 3.6 при паровой бланшировки и в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. Для сушки готовили нарезанные на столбики яблоки 25 мм сечением 4х4 мм, столбиками 35 мм сечением 4х4 мм и кубиками с гранью 6 мм. На основании результатов исследований сделан вывод о целесообразности обработки и сушки яблок, нарезанных кубиками.
Разработка технологии производства криопорошков
Исследовательская работа проводилась в соответствии с требованиями Закона Республики Дагестан от 20 июля 2011 года № 46 Об утверждении республиканской целевой программы «Развитие садоводства в республике Дагестан на 2011 - 2016 годы», отечественными нормативными актами, а также тематическим планом НИР кафедры технологии продуктов питания и экспертизы ДагГТУ (2010-2020 гг.).
В соответствии с планом НИР осуществлены следующие разработки:
- исходные данные на комплект оборудования для тонкого размола ягод, фруктов в среде жидкого азота;
- структурная схема промышленной линии по производству фруктовых и ягодных криопорошков (рисунок 3.16);
- методические рекомендации по производству порошков с применением криогенной технологии;
- методические рекомендации по обеспечению микробиологической стабильности криопорошков;
- технические условия «Фруктовые криопорошки» (ТУ 9223-002-82549201-13) (приложение А);
- технические условия «Ягодные криопорошки» (ТУ 9223-003-82549201-13) (приложение Б).
При разработке перечисленных документов были использованы результаты исследований по отработке основных технологических параметров солнечной и СВЧ-сушки и измельчения высушенных плодов и ягод в среде жидкого азота, изложенные в предыдущих разделах.
Процесс производства криопорошков из всех видов растительного сырья начинается с традиционных для других технологий подготовительных операций - примки, первичной обработки и закладки сырья на хранение.
Поступающее на переработку со склада или из транспортного средства сырь подвергают инспекции, выбраковке и мойке, после чего его передают на технологическую линию.
На рисунке 3.17 приведена аппаратурно-технологическая схема промышленной линии по производству криопорошков.
Прошедшее обработку на подготовительных участках сырь с помощью транспортных тележек передатся на бланширователь, где оно обрабатывается водяным паром. Далее продукт высушивается в электровакуумной сушилке, сушный полуфабрикат поступает на инспекционный транспортр и загружается в криомельницу. Полученный порошок подвергается просеиванию в рассеве и поступает в расфасовочно-упаковочный автомат, где осуществляется упаковка готового порошка в герметичную тару. Часть порошка, не удовлетворяющего требуемым параметрам дисперсности, направляется на повторный размол.
Рекомендации по ведению процесса сушки и криоизмельчения подробно изложены в рекомендациях по производству плодоовощных порошков с применением криогенной технологии, разработанных при личном участии автора.
Камера для сушки имеет вид горизонтально расположенного цилиндрического корпуса, который установлен на опорной раме. Имеющаяся в торце стенка корпуса представляет собой герметично закрывающуюся круглую дверь. Внутри камеры имеются рельсы, по которым могут двигаться этажерки с противнями. Боковые стороны внутри корпуса снабжены электронагревателями, а сама камера трубопроводами соединена с вакуум-насосом и конденсатором.
В период сушки периодически включают вакуум-насос для откачки паров воды. Режимы сушки регулируются на пульте управления и устанавливаются экспериментально для каждого вида сырья. В момент достижения в сырье заданной влажности нагревательные элементы и вакуум-насос отключаются и давление в камере, с помощью сбросного клапана, снижается до атмосферного. Контроль за ходом процесса вакуумной сушки оценивают как абсолютную влажность высушиваемого сырья.
Значение начальной абсолютной влажности зависит от видов сырья и находится в интервале 1700-700 %. В первом периоде гелиосушки температура сырья остается на уровне 50-60 оС и несколько возрастает во втором периоде.
Мы подготовили рекомендации по производству криопорошков для Кизлярского консервного завода, где сказано, что при организации процесса сушки необходимо предупреждать чрезмерный поверхностный перегрев сырья, следить, чтобы не происходила карамелизация сахаров. При перегреве поверхностных слоев следует уменьшить температуру теплоносителя. Первый этап гелиосушки можно осуществлять в импульсном режиме, за счет периодического включения и выключения тепловентилятора. На втором этапе СВЧ-сушки, температура в камере и внутри продукта контролируется с помощью радиационного пирометра, позволяющего измерять температуру поверхности. Удаление водяных паров из сырья осуществляется с помощью вакуум-насоса и конденсатора.
Высушенные плоды и ягоды по транспортеру передают на операцию крио замораживания и криоизмельчения. Изготовленная с участием В.В.Ломачинского вращающаяся криомельница загружается сырьем и заливается жидким азотом. При температуре минус 196 оС становится чрезвычайно хрупким и легко измельчается в пыль. Перед загрузкой криомельницы необходимо проверять состояние внутренней поверхности барабана и поверхности шаров. Обязательно производить их очистку в случае налипания порошка. В случае налипания продукта на контактные поверхности, необходимо выяснить причины этого. Как правило, это связано с повышенной влажностью измельчаемого сырья.
При переходе на новый вид сырья санитарная обработка оборудования обязательна. Дробление и рассев, фасование и укупорка порошков должны осуществляться в специально оборудованном помещении с кондиционером. Параметры воздуха: температура – 18-23 C, относительная влажность – 10-12%.
Степень измельчения сушного продукта производится в соответствии с требованиями покупателя и, как правило, находится в пределах 50 мкм.
Учитывая, что оптимальная загрузка барабана, соотношение жидкого азота и продукта, время помола у разных видов сырья могут различаться, рекомендуется определять наилучшие технологические параметры процесса измельчения экспериментальным путем. При этом следует иметь в виду, что с увеличением массы загружаемого в криомельницу продукта, возрастает продолжительность помола.
Рекомендации по применению плодово-ягодных криопорошков
Натуральные пищевые добавки, полученные из экологически чистого фруктового сырья, могут найти применение во многих отраслях пищевой промышленности (рисунок 4.19).
Основное назначение таких добавок – коррекция последствий нерационального питания населения многих регионов России в постреформенный период.
С учетом того обстоятельства, что хлеб и фруктовые продукты являются наиболее потребляемыми в России продуктами, появилась возможность компенсировать микронутриентную недостаточность за счет использования биологически активных добавок.
Санитарно-эпидемиологические требования к производству, хранению, транспортировке и реализации новых БАД соответствуют основным пунктам Технического регламента Таможенного союза.
Совместно с сотрудниками КубГТУ разработаны рекомендации по применению плодоовощных порошков для обогащения пищевых продуктов. Апробация новой технологии проведена на технологическом оборудовании Кизлярского консервного завода. Разработан проект технической документации «Фруктовые криопорошки» (ТУ 9223-002-82549201-13) и «Ягодные криопорошки» (ТУ 9223-003-82549201-13).
На основании представленных выше данных были проведены производственные испытания новой технологии получения высококачественных криопо-рошков из плодового и ягодного сырья.
Можно сравнить условия и себестоимость сушки нарезанной тыквы в вакуумной сушильной камере, серийно выпускаемой заводом ООО Техстанко(Санкт-Петербург);в инфракрасной сушильной камере ООО Эко-сибирь (Иркутск) с себестоимостью сушки тыквы в гелиосушилке ДагГТУ.
Для сушки нарезанных кусков тыквы толщиной 50 мм от начальной влажности Wн= 86% до конечной влажности Wк= 8% определен комплексный затратный показатель сушки тыквы в сушилке «Техстанко» – 2640 руб/м3, в сушилке «Эко-Сибирь» – 1520 руб/м3, в гелио и СВЧ-сушилке ДагГТУ – 985 руб/м3 (1кВтч =3,76 руб).
Таким образом, при сушке плодового и ягодного сырья в комбинированной гелио и СВЧ-сушилке себестоимость значительно ниже, по сравнению с сушкой в вакуумной и ИК-сушилках. В комбинированной сушилке обеспечивается более высокое качество высушивания сырья. Этому способствует низкая температурная нагрузка на сырье. Наличие небольшой, но производительной гелио камеры для предприятий перерабатывающих плоды и ягоды является экономически целесообразным. В таблице 4.5 приведены микробиологические показатели плодовых криопорошков.
Промышленное освоение новой технологии позволит получить суммарный экономический эффект от производства и применения криопорошков в новых видах продукции в размере от 18 до 20 тыс. руб. на 1 тонну готовой продукции.