Актуальные проблемы переработки рыбного сырья при производстве сушеной продукции

Водные объекты – это незаменимый продукт питания, который обеспечивает потребность человека в белках животного происхождения, широкой гамме витаминов, различных микроэлементов и биологически активных веществ [1]. Рыбное хозяйство поставляет на мировой рынок морские и пресноводные организмы (гидробионты) в количестве, которое составляет половину объема производства продукции теплокровных животных. За счет рыбы и рыбных продуктов на 20–30 % обеспечивается потребность населения в белках животного происхождения [1; 2]. При этом ежегодно для фуражных целей используется около 28 млн т рыбы ¹ .

Гидробионты являются скоропортящимся продуктом. В связи с этим для их сохранности применяют различные способы консервирования. Одним из таких способов является получение сушеных продуктов, которые пользуются спросом как продукт питания (снеки, закуски и т. д.) и кормовой продукт (комбикорма для крупного рогатого скота, акваферм и т. д.).

К недостаткам процесса сушки относят достаточно высокие энергозатраты и продолжительность. В связи с этим ведущие перерабатывающие предприятия стремятся использовать прогрессивные способы сушки рыбного сырья (вакуумная, инфракрасная и др.).

Перспективным способом консервирования является вакуумная сушка, которая способна обеспечивать высокую сохранность термолабильных витаминов за счет снижения температуры процесса. При этом значительно возрастает продолжительность сушки по сравнению с другими способами (радиационная, конвективная и др.).

Целью исследования является интенсификация процесса вакуумной сушки рыбного сырья за счет предварительного порообразования с целью увеличения площади поверхности испарения влаги.

Материалы и методы

В качестве основного сырья при проведении исследований использовали фарш из размороженного и вручную разделанного на филе бычка азовского (снеки) и фарш из неразделанной свежей кильки черноморской.

Отбор проб сырья, полуфабрикатов и готового продукта, а также подготовку к анализу проводили в соответствии с ГОСТ 7636-85 ² и ГОСТ 31339-2006 ³ .

Начальную влажность сырья определяли методом высушивания пробы при температуре 100…105 °С по ГОСТ 7636-85.

Для анализа структуры пористого и высушенного рыбного сырья использовали коммерческую компьютерную программу GEL-IMAGE-ANALYZER (GIA), разработанную Берлинским техническим университетом и адаптированную для решения поставленных задач. В соответствии с классификацией, принятой в анализе изображений, микрофотографии пористого и сушеного рыбного сырья относятся к системам с контурным изображением, где отображаются границы силуэтного изображения в виде замкнутой незаурядной линии с точками одинаковой яркости, цвета и интенсивности закрашивания. Использовалась селекция объектов по принадлежности к одному из структурных элементов, составляющих продукт и поры. Применение соответствующих цветовых фильтров позволило разделить анализируемые образцы с высокой степенью достоверности.

Основной материал исследований

В мировом рыбном хозяйстве нарастает тенденция уменьшения промышленных квот и наращивания темпов развития аквакультуры [3]. За последние 20–25 лет общая мировая промышленная добыча гидробионтов в океане практически стабилизировалась и находится в пределах 80–90 млн т в год, тогда как основной прирост добычи водных биологических ресурсов обеспечивается только за счет аквакультуры.

Согласно оценке Производственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (ФАО), к 2030 г. для сохранения современного потребления продовольствия на душу населения понадобится дополнительно 40 млн т рыбы и морепродуктов в год. Удовлетворить такой спрос можно только за счет развития аквакультуры [1].

Рыба и рыбопродукты обладают большой гаммой витаминов и биологически активных веществ. В пищевой и перерабатывающей промышленности из-за применения термических способов консервирования количество полезных веществ уменьшается на 70–80 %.

Как было сказано ранее, сушеные рыбные продукты нашли широкое применение в пищевой промышленности в качестве снеков-закусок, а в перерабатывающей промышленности – в качестве добавок к комбикормам.

Одним из перспективных и малоисследованных способов сушки [4–11] является вакуумная сушка, применение которой позволяет снизить температуру процесса до 50…55 °С и значительно сохранить термолабильные витамины исходного сырья. Как известно из теории сушки, процесс испарения влаги при сушке в первую очередь происходит со свободной поверхности [11]. Таким образом, увеличение площади поверхности испарения дает возможность интенсифицировать процесс сушки.

Проведя анализ литературных источников [5–9; 12], нами была выдвинута гипотеза, что проведение "микровзрывов" (порообразования) в прогретом до 55 °С исходном сырье за счет резкого сброса давления позволит значительно увеличить площадь поверхности испарения влаги.

Результаты первой серии исследований подтвердили выдвинутую гипотезу и показали возможность интенсификации процесса вакуумной сушки за счет измельчения рыбного сырья до состояния фарша и предварительного порообразования путем резкого сброса давления [12]. Процесс рассматривался на примере получения чипсов из фарша бычка азовского и кормового гранулированного продукта из мелкой несортовой рыбы и рыбных отходов [12].

К получаемым продуктам были предъявлены дополнительные требования: для снеков – обеспечение требуемых потребительских качеств (вкус, цвет, консистенция); для кормовой продукции – обеспечение требований стандарта к плавающим гранулированным кормам (корма для форели – более 180 мин нахождения на водной поверхности без разрушения структуры гранулы).

Принцип работы экспериментальной установки

Первая серия экспериментов была проведена на специально разработанной установке [13], внешний вид и схема которой представлена на рис. 1.

Исходное сырье в виде фарша из бычка азовского для снеков и кормовой смеси по разработанной рецептуре [12] для гранул корма (таблица) загружали в перфорированную пластину 3, которую размещали на термовесах 2 в рабочей камере 1. На водяной бане 4 рабочую камеру с образцами нагревали до 55 °С.

В это время в ресивере 6 вакуум-насосом 5 снижали давление до абсолютного значения 5…10 кПа. После прогрева ресивер соединяли через кран с рабочей камерой, давление в системе выравнивалось на отметке 10…15 кПа, происходил "микровзрыв" – порообразование. Далее проводили вакуумную сушку при постоянной температуре 50…55 °С.

Рис. 1. Внешний вид и схема исследовательской установки:

1 – рабочая камера; 2 – термовесы; 3 – перфорированная пластина с исследуемыми образцами;

4 – водяная баня; 5 – вакуум-насос; 6 – ресивер; 7 – выключатель; 8 – контрольная лампа;

9 – терморегулятор; 10 – экран термовесов; 11 – экран показаний температуры в рабочей камере;

12 – датчик измерения температуры; 13 – кран игольчатый Fig. 1. The appearance and the scheme of the research plant:

1 – processing chamber; 2 – thermobalance; 3 – perforated plate with study samples;

4 – water bath; 5 – vacuum pump; 6 – receiver; 7 – switch; 8 – monitor lamp;

9 – temperature control device; 10 – thermobalance screen; 11 – temperature reading screen in the processing chamber; 12 – temperature gauge; 13 – needle cock

Таблица. Расчетные данные по составу кормовой смеси для гранул корма Table. The estimated data on the feed mixture composition for feed pellets

Компонент	Содержание, %	Норма закладки для получения 10 кг смеси, кг	Норма закладки для получения 10 кг готового продукта, кг
Килька черноморская	68,0	6,80	12,36
Шрот соевый	2,0	2,00	0,36
Шрот рапсовый	2,0	2,00	0,36
Соль поваренная	1,5	1,50	0,27
Мука известковая	2,0	2,00	0,36
Жмых соевый	24,5	2,45	4,45
Всего	100,0	10,00	18,16

Результаты и обсуждение

При проведении первой серии экспериментов выполнялась сушка одинаковых образцов продуктов тремя способами: 1 – сушка при атмосферном давлении; 2 – сушка при давлении 10 кПа; 3 – сушка с предварительным порообразованием при давлении 10 кПа. Далее исследовался срез полученных продуктов цифровым микроскопом BresserLCDMicro с четырехкратным увеличением. На фотографиях приведены срезы снеков для сушки при атмосферном давлении (рис. 2, а), сушки снеков под вакуумом

(рис. 2, б), порообразования и сушки снеков под вакуумом (рис. 2, в). Анализ срезов показал, что пористый продукт имеет значительно больше пор, заполненных воздухом, т. е. можно видеть отличие пористого продукта от высушенного. Материал гранул корма имел аналогичную структуру.

а

б

Рис. 2. Срезы высушенных снеков (четырехкратное увеличение):

а – сушка при атмосферном давлении; б – вакуумная сушка при давлении 10 кПа;

в – порообразование и сушка при давлении 10 кПа

Fig. 2. The sections of the dried snacks (fourfold increase):

a – drying under the atmospheric pressure; б – vacuum drying under the pressure 10 kPa;

в – pore forming and drying under the pressure 10 kPa

в

Исследование структуры снеков и гранул, полученных различными способами, позволили определить среднее относительное количество пор во внутреннем объеме готового продукта путем обработки микрофотографий срезов с использованием специальной компьютерной программы (GIA) (рис. 3). Как показано на графике, во время получения смесей способом порообразования и сушки при давлении 10 кПа поры занимают 35...38 % внутреннего объема продукта, тогда как при сушке при давлении 10 кПа – 18...21 %, а при условии сушки при атмосферном давлении – лишь 11...13 %.

сушка при атмосферном вакуумная сушка при давлении порообразование и сушка при давлении                     10 кПа                 давлении 10 кПа

Рис. 3. Зависимость среднего относительного количества пор во внутреннем объеме готового продукта от способа получения сушеных продуктов Fig. 3. Dependence of the average relative amount of pores in the internal volume of the finished product on the method of manufacturing dried products

Во время сушки в случае возникновения пор увеличивается площадь поверхности испарения влаги. Основываясь на данных, полученных во время экспериментальных исследований, по размерам образованных пор проведен расчет дополнительной площади испарения. Результаты расчетов приведены на рис. 4, а (снеки) и 4, б (кормовая продукция).

Анализ результатов первой серии экспериментов и данных на рис. 4 показал, что увеличение поверхности испарения влаги происходит постепенно как при порообразовании, так и во время сушки. Проведение порообразования перед процессом сушки позволяет увеличить площадь испарения влаги, и как следствие, уменьшить энергозатраты за счет уменьшения продолжительности процесса [14].

Сушка при атмосферном давлении

Вакуумная сушка при давлении 10 кПа

Порообразование и сушка при давлении 10 кПа

Сушка при атмосферном давлении

Вакуумная сушка при давлении 10 кПа

б

Порообразование и сушка при давлении 10 кПа

Рис. 4. Изменение площади поверхности испарения (S) влаги во время порообразования и сушки при производстве снеков (а) и гранулированных кормов (б):

• 1    – начальная площадь поверхности испарения; 2 – увеличение площади поверхности испарения за период порообразования; 3 – увеличение площади поверхности испарения за период сушки Fig. 4. Change of the moisture evaporation surface area (S) in the process of pore forming and drying when producing snacks (a) and pelleted feeds (б):

• 1 – the initial area of the evaporation surface; 2 – augmentation of the evaporation surface area in the period of pore forming; 3 – augmentation of the surface area evaporation for the period of drying

Заключение

В результате проведенного литературного обзора показано, что рыба и морепродукты являются незаменимыми продуктами питания как для человека, так и для животных. При этом весь объем выращенной аквакультурой и добытой промыслом рыбы и морепродуктов требует переработки на пищевые и фуражные цели энергоэффективными способами консервирования.

Авторами выдвинута гипотеза, что предварительное порообразование перед вакуумной сушкой позволит увеличить площадь поверхности испарения влаги.

Результаты первой серии экспериментов на разработанной установке подтвердили выдвинутую гипотезу.

Дальнейшие исследования будут направлены на получение экспериментальных данных и теоретических расчетных данных рациональных параметров получения сушеных пористых рыбопродуктов при температуре не более 55 °С, а также проверке сохранности термолабильных витаминов исходного сырья при производстве сушеной продукции по предложенному способу.