Исследование гигроскопических свойств порошкообразных полуфабрикатов концентрата квасного сусла, солодового экстракта ячменя и экстракта цикория

Магомедов М.Г., Саранов И.А., 2015

При хранении в продуктах питания происходят процессы миграции влаги, которые, в результате фазовых превращений (стеклования, кристаллизации, растворения), приводят к размягчению, уплотнению (слеживанию), расслаиванию, набуханию или растрескиванию [1, 3].

На сегодняшний день современная пищевая промышленность активно производит и использует в производстве быстрорастворимые порошкообразные полуфабрикаты, которые, из-за своего химического состава и высокой дисперсности, обладают высокой гигроскопичностью, а поэтому имеют склонность к слеживанию при контакте с окружающим воздухом.

Большой популярностью у потребителей пользуются быстрорастворимые напитки на основе экстракта цикория, концентрата квасного сусла, а в кондитерском производстве набирает популярность солодовый экстракт ячменя в жидком или порошкообразном виде. Для нахождения оптимальных условий производства, хранения и инстантирования данных порошкообразных полуфабрикатов необходимо найти зависимость равновесной влажности (W p ) порошкообразных продуктов (полуфабрикатов) от относительной влажности воздуха (φ).

Для нахождения данной зависимости был использован экспрессный метод и экспериментальная установка кафедры ТХКМ и ЗП ФГБОУ ВО ВГУИТ, представленная на рисунке 1 [3].

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки для исследования процессов в порошкообразных полуфабрикатах

сорбции и десорбции

Принцип проведения эксперимента основан на том, что через стаканчик с высокопористыми днищем и крышкой, наполненный порошкообразным продуктом, пропускается воздух с избыточным давлением и заданной температурой и влажностью. Таким образом, происходит псевдоожижение порошкообразного материала, которое ускоряет процессы влаго-обмена между ожижающим агентом и продуктом (сорбции и десорбции влаги).

Поддержание заданных температурных и влажностных характеристик воздуха и периодический контроль убыли или прироста массы, позволяют построить изотермы сорбции и десорбции влаги полуфабрикатом.

В начале эксперимента навески исследуемых порошкообразных материалов массой 10-15 г. помещались в стаканчики 11 с высоко- пористыми перегородками. Затем стаканчики 11 фиксировали клапанами 10 в распределительной ячейке 9, которая располагается в герметичной рабочей камере 4 из органического стекла.

Для построения изотермы сорбции, воздух в камере максимально осушали (φ=10-15 %), прокачивая мембранным компрессором 1 через адсорбционную колонну 3, заполненную индикаторным силикагелем ГОСТ8984-75.

Затем, порошкообразные материалы с известной влажностью максимально осушали, перекачивая осушенный воздух мембранным компрессором 1 через распределительную ячейку 9 и создавая псевдоожижение порошков в стаканчиках с высокопористыми перегородками.

Стаканчики периодически взвешивались на аналитических весах 12 с третьим классом точности.

После достижения равновесного влагосо-держания порошка, влажность воздуха в камере увеличивали на 5 % при помощи увлажнителя воздуха 17, состоящего из емкости для воды, ультразвукового распылителя и вентилятора.

До достижения равновесного влагосодержа-ния, вновь создавалось псевдоожижение материала в стаканчике, но уже увлажненным воздухом.

Каждый раз после достижения равновесного влагосодержания материала, влажность воздуха в камере увеличивали на 5 % вплоть до 85 – 90 % так как, при этой влажности наступает состояние насыщения и течения конденсированной фазы влаги в порах исследуемых материалов.

Расход сжатого воздуха измерялся ротаметром 8 марки РС-5 8.

В адсорбционную колонну 3 воздух направлялся с помощью клапанов 6, 7 и 20.

Рабочая камера имеет вид герметичного бокса из органического стекла, с форкамерой 13

и аварийной магистралью 14, с помощью которых обеспечивается непрерывный режим проведения экспериментов, во время замены исследуемых образцов.

Относительную влажность и температуру воздуха контролируют цифровым гигромет-ром/термометром 15, 16 марки SH-153. Манометр 21 (марки ТНМП – 100) показывает давление в рабочей камере. Температурную зависимость сорбции водяных паров материалом, позволяет исследовать контур поддержания постоянной температуры, который состоит из контактного термометра 16, подающего сигнал на термостат (STH0024 версии 3.0) 18, управляющий нагревательным элементом 19.

Полученная по результатам исследования изотерма сорбции для исследуемых порошкообразных полуфабрикатов, идентична S – образным изотермам сорбции для типичных коллоидных капиллярно-пористых тел (рисунок 2).

Рисунок 2. Изотерма сорбции-десорбции порошкообразных полуфабрикатов концентрата квасного сусла, солодового экстракта ячменя и экстракта цикория

По данным изотермам можно определить формы связи влаги в исследуемых порошкообразных продуктах и полуфабрикатах

Участки графиков, где кривые выпуклостью обращены к оси равновесной влажности (Wp), определяют влагу связанную мономоле- кулярной адсорбцией. В этой зоне содержится та влага, которая связана химически (силами адсорбции) [1, 2, 4]. Она не обладает свойствами свободной влаги, располагается на поверхности частиц в виде молекулярного слоя.

Влага, связанная силами полимолекуляр-ной адсорбции, определяется прямолинейным участком, который следует после участка мо-номолекулярной связанной влаги. Сорбирование такой влаги, также как и химически связанной, сопровождается экзотермическим эффектом, но уже меньшим [6].

Участки графиков, где кривые выпуклостью обращены к оси относительной влажности воздуха (φ), определяют влагу, связанную капиллярно. Данная влага поглощается без тепловых эффектов [5].

Данные эксперименты проводились при относительной влажности воздуха φ от 15 до 85 % и температуре t = 22 ºC.

Формы связи влаги, для исследуемых порошкообразных полуфабрикатов, сведены в таблицу 1.

Т а б л и ц а 1

Формы связи влаги в исследуемых продуктах и полуфабрикатах по равновесной влажности

Исследуемый порошкообразный продукт	Мономолекулярная связь	Полимолекулярная связь	Капиллярная связь
Концентрат квасного сусла	0-17	17-57	57-85
Экстракт цикория	0-19	19-66	66-85
Солодовый экстракт ячменя	0-18	18-73	73-85

В результате обработки опытных данных в среде статистического пакета MS EXCEL получены статистические модели в виде уравнения множественной регрессии, описывающие гигроскопические свойства порошкообразных полуфабрикатов концентрата квасного сусла (1), экстракта цикория (2), солодового экстракта ячменя (3).

W p =5E-05φ³-0,0052 φ²+0,197 φ+0,37 (1) R² =0,996

W p =5E-05 φ³-0,006 φ² +0,258 φ+0,3 (2) R²=0,98

W p =3E-05 φ³-0,0035 φ²+0,168 φ+1,57 (3) R² = 0,98

В данных уравнениях, величина коэффициента множественной регрессии (R), показывающая проценты изменения равновесной влажности полуфабрикатов, которые объясняет данная модель [7].

Номограмма, расположенная в левой части рисунка 2, представлена для теоретического определения энергию связи влаги с порошкообразными полуфабрикатами [6].

Полученные данные о формах связи влаги в исследуемых порошкообразных полуфабрикатах, позволяют рационально подобрать равновесную влажность, которой необходимо добиться в процессе дегидратации, для того, чтобы порошкообразный продукт не слеживался при рекомендованных условиях хранения и не подвергался порче.

Для этого необходимо подобрать такие режимы дегидратации, при которых будет выполняться условие полного отсутствия свободной влаги (капиллярно связанной влаги) в исследуемых продуктах и полуфабрикатах (таблица 1).

Проведенные исследования также позволяют рекомендовать условия хранения, при которых порошкообразные полуфабрикаты не будут слеживаться, терять сыпучесть и подвергаться порче. Рекомендуемая влажность помещения (φ) для хранения порошкообразного полуфабриката концентрата квасного сусла – не выше 50 %, для порошкообразного экстракта цикория – не выше 54 %, для порошкообразного солодового экстракта ячменя – не выше 58 %.

Для удаления влаги, связанной полимолекулярно, потребуются повышенные затраты энергии на преодоление растущей энергии связи влаги с продуктом (рисунок 2). Дегидратация с удалением такой влаги позволит нивелировать возможные кратковременные нарушения условий хранения и целостности упаковки. Для осуществления процессов инстантирования агломерацией, необходима равномерная паровлажностная обработка порошкообразных продуктов или полуфабрикатов для накопления достаточного количества капиллярной влаги.

В исследуемых порошкообразных полуфабрикатах, на участках с капиллярно связанной влагой (таблица 1), определены равновесные влажности (W p ), при которых в материалах начинают образовываться агрегаты и агломераты: для концентрата квасного сусла – 6,5 %, для экстракта цикория – 5,9 %, для солодового экстракта ячменя – 6,3 %.

На основе проведенных исследований, обоснованы условия хранения порошкообразных продуктов и полуфабрикатов: концентрата квасного сусла, солодового экстракта ячменя и экстракта цикория, рекомендованы оптимальные влажностные характеристики данных продуктов и полуфабрикатов, как для последующего хранения, так и для осуществления процессов инстантирования.