Исследование коэффициента сопротивления испарения различных сортов яблок и груш, выращенных в южных регионах Казахстана

За последние десятилетия, как у нас, так и за рубежом,из-за ухудшения экологических условий окружающей среды значительно изменились составы сырья для производства пищевых продуктов [1,2]. Поэтому многие ученые и ведущие специалисты, занимающиеся созданием технологии производства новых видов пищевых продуктов, рекомендуют обогащать их составы биологически активными добавками, что позволяет придавать этим пищевым продуктам различную функциональную направленность [3,4].

Одним из перспективных видов сырья для производства биологически активных добавок растительного происхождения являются фрукты и ягоды, которые при систематическом употреблении положительно влияют на обмен веществ, пищеварение, повышение умственной и физической работоспособности, а также активируют внутренние ресурсы организма, что приводит его к естественному здоровому состоянию [5,6].

В Республике Казахстан в результате поддержки малого и среднего бизнеса увеличилось количество крестьянских хозяйств, занимающихся выращиванием фруктов и ягод.

Как известно фрукты и ягоды являются сезонным и относятся к скоропортящимся продуктам. Поэтому для равномерного, в течение года, обеспечения потребности пищевой промышленности и населения, многие крестьянские хозяйства выращенные фрукты и ягоды хранят в холодильнике. К сожалению, в процессе их хранения из-за сушки в конце срока хранения качество снижается.

Одним из способов сохранения исходного качества сырья является сушка.

В настоящее время в пищевой промышленности используются различные виды сушки [7,8,9]. Каждый метод имеет свои особенности и преимущества. С точки зрения максимального сохранения питательных веществ и витаминов в продукте оптимальным является вакуум-сублимационная сушка [10]. Этот метод считается самым совершенным, но и довольно дорогостоящим, хотя его можно применять для сушки абсолютно любых пищевых продуктов.

В последние годы инфракрасная сушка нашла широкое применение для сушки пищевых продуктов [11]. Однако высокая температура и длительность сушки значительно снижают витаминный состав и вкусовые качества продукта. По нашему мнению, с точки зрения максимального сохранения исходного качества сырья, следующим после вакуум-сублимационной сушки является сушка продуктов в вакууме при температуре не выше 40ºС. Преимуществом этого способа сушки по сравнению с традиционными конвективными сушками является то, что герметичность сушильной камеры дает гарантию против загрязнения продукта пылью из окружающего воздуха и окисления его кислородом воздуха. Кроме того, при сушке продуктов в вакууме при пониженной температуре не так нарушается его витаминный состав.

Для определения оптимального режима сушки в вакууме при температуре не выше 40ºС необходимо располагать закономерностью испарения влаги с поверхности исследуемого продукта.

Известно, что поверхность продукта не всегда покрыта пленкой чистой воды, и при его сушки в испарении участвует лишь некоторая ее часть. Кроме того, в процессе сушки продукта поверхность испарения влаги непрерывно перемещеться в глубину, образуя в высушенном слое трещины, щели, каналы и капилляры, по которым молекулы пара оторвавшейся от поверхности испарения, совершают сложный путь, преодолевая сопротивление сухого слоя и дополнительное гидравлическое сопротивление[ 12].

В настоящее время влияние сопротивление сухого слоя на динамику испарения влаги в процессе сушки учитывается с помощью ко эффициента сопротивления испарению.

Анализ научно-технической литературы показывает, что в настоящее время изучению коэффициента сопротивления испарению посвящены незначительные количества исследований, и они в основном определены для сырья и готовой продукции животного происхождения [13,14,15], а для сырья растительного происхождения, например, для фруктов и ягод, выращенных в условиях Казахстана, не установленны.

Данная работа посвящена изучению ко эффициента сопротивления испарению различных сортов яблок и груши при их вакуумной сушке при температуре не выше 40ºС.

Материалы и методы исследований

Объектами исследования служили сорта яблок: Байтерек(№1), Саркыт (№2) и Сая (№3) и сорта груши: Сыйлык (№1), Жаз-дык (№2) и Нагима (№3) свежесобранные в 2021 году, зимного созревания.

Активность воды определяли с помощью анализатора активности воды -AQUALAB 4TE.

Относительная влажность воздуха в камере измерялась с помощью прибора для измерения температуры и влажности TESTO 635-2.

Для измерения массы продукта в процессе сушки использовали лабораторные электронные весы марки - CAS MWP-300H.

Методика определения коэффициента сопротивления испарению – μ и активности воды - а w . Перед сушкой каждый противень с высушиваемым продуктом взвешивается, и показание электронного веса заносится журнал, затем из этого продукта производится забор некоторой части для определения показателя активность воды. Для изучения закономерности динамики испарения влаги с поверхности продукта в процессе сушки, время от времени, останавливая установку, вынимаются противни с продуктом и взвешиваются. Полученные данные изменения массы продукта записываются в журнал. Далее из этого продукта также производят забор некоторой части для определения активности воды соответствующей к этому моменту времени сушки. Эксперименты по взвешиванию противней с продуктом и определения показателя активности воды продолжают до тех пор, пока разница массы противня с продуктом между предыдущим взвешиванием не достигнет постоянной массы или разница должна быть не более сотой доли.

Далее, зная опытные данные динамики испарения влаги с поверхности продукта и закономерности изменения показателя активности воды по уравнению предложенному в работе [16] академиком НАН РК Чомановым У.Ч. и доцентом Шигисовым А.У., определяются числовые значения коэффициента сопротивления испарению.

Методика определения влажности продукта в процессе сушки. Влажность продукта в текущий момент времени рассчитывают по выражению:

W n =

G - ( G - G „) ^{н н n} 100%, G н

где: W n – влажность в момент замера, %;

G н – начальная масса высушиваемого продукта, г;

G n – масса высушиваемого продукта в

Результаты и их обсуждение

Результаты исследования динамики испарения влаги с поверхности продуктов представлены на рисунке 1.

момент замера, г;

Продолжительность сушки, τ, час

а)

б)

Рисунок 1- Динамика испарения влаги с поверхности сортов: яблоки (а) и груши (б)

Анализ рисунка 1 показывает, что динамика испарения влаги с поверхности продукта неодинакова: на начальном этапе имеет максимальное значение, а затем в отрезке времени между 2,0...6,0 ч испаряется в среднем с незначительной разницей одинаковое количество влаги. Далее в отрезке между 6,0...11,0 ч. темп испарения монотонно снижается.

Как видно из рисунка 1, для яблок в первый четыре часа сушки динамика испарения влаги с поверхности продукта в среднем составляет 2,71 г, а в последующие два часа времени она монотонно снижается до 2,31г. Такая же картинка динамики испарения влаги наблюдается и для груш. Например, первый четыре часа сушки динамика испарения влаги в среднем составляет 3,41 г, в последующие два часа времени сушки динамика испарения уменьшается до 2,78г. Такая разница динамики испарения влаги в продуктах объясняется структурным строением и формой связи влаги в продукте. После достижения 6,0 часов времени сушки динамика испарения влаги в обоих исследованных продуктах имеет монотонно снижающий характер.

Результаты исследования изменения влажности в процессе сушки (кривкая сушки)

На основе экспериментальных данных динамики испарения влаги были построеныза-висимости между средней влажностью материала и продолжительностью сушки (иными словами кривая сушки). Результаты исследования характера приведены на рисунке .2

а)                                                       б)

Рисунок 2- Кривая сушки сортов: яблоки (а) и груши (б)

Анализ рисунка 2 показывает, что при вакуумной сушки как яблок, так и груш наблюдается общеизвестная в теории сушки пищевых продуктов закономерность: т.е. сушка состоит из двух периодов. В первом периоде сушки за равные промежутки времени испаряется одинаковое количество влаги, т.е. период постоянной скорости сушки (влажность в конце периоде составлял для сортов яблок в среднем 27,1±2,1 %, а для груш 30,1±2,5). После достижения гигроскопической влажности W кр (для сортов яблок составил 27,1%, а для груш 30,0%) продукта характер испарения влаги меняется. Для сортов яблок первый период сушки составляет 5,45...6,10 часов, а для груши 6,12...6,25 часов. Продолжительность второго периода сушки для сортов яблок составляет 4,15...3,50 часов, а для груш 4,35...4,48 часов.

Результаты исследования коэффициента сопротивления испарения. Располагая опытными данными динамики испарения влаги с поверхности продукта и закономерностями изменения показателя активности воды были определены значения коэффициента сопротивления испарению влаги в про- цессе сушки сортов яблок и груши. Результаты представлены на рисунке 3.

Анализ рисунка 3 показывает, что в первом периоде сушки как в яблоках, так и в грушах в результате перемещения зоны испарения влаги в толщу продукта коэффициент сопротивления испарению монотонно повышается. По достижении критической влажности W кр в высушиваемом слое продукта характер кривой коэффициента сопротивления испарению изменяется. Например, если, в интервале изменения удельной влажности от 1,0 до 0,8 коэффициент сопротивления испарению увеличивается на 7%, то в отрезке изменения удельной влажности от 0,8 до 0,7 коэффициент сопротивления испарению повышается 14,68%, а в интервале удельной влажности от 0,7 до 0,6 коэффициент сопротивления испарению увеличивается 39,84%.

Как видно из рисунка 3, резкое увеличения коэффициента сопротивления испарению происходит во втором периоде сушки продукта и в конце процесса сушки его значение достигается для яблок в среднем 2,10, а для груш 2,30.

а)

Рисунок 3 –Зависимость коэффициента сопротивления испарению от активности воды: для сортов яблок (а) и для сортов груш (б).

б)

Результаты математической обработки экспериментальных данных с применением программы "Excel-2003" позволили описать зависи-

µ =

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что заметное увели- мость коэффициента сопротивления испарению от активности воды уравнением следующего вида:

0,924 / а wт                                         (2)

чение значений коэффициента сопротивления испарению происходит после первого периода сушки, т.е. после удаления свободной воды в продукте. Это вывод доказывает о существовании в высушенном слое трещин, щелей, каналов и капилляров, которые препятствуют свободному движению молекул пара оторвавшихся от поверхности испарения вызывающие повышение значения коэффициента сопротивления испарения.

Заключение, выводы

На основании проведенных исследований можно сделать выводы о том, что при сушки, как сортов яблок, так и груш наблюдаются известны в теории сушки закономерности, т.е. периоды сушки. Например, для сортов яблок первый период сушки составляет 5,45...6,10 часов, а для сортов груш 6,12...6,25 часов. Продолжительность второго периода сушки для сортов яблок составляет 4,15...3,50 часов, а для сортов груш 4,35...4,48 часов. Граница между периодами постоянной и падающей скорости сушки, т.е. критическая влажность для сортов яблок составляет 27±2,1%, а для груш 30,1±2,5%. Результаты исследования показали, что коэффициент сопротивления испарения для сортов яблок: Байтерек, Саркыт и Сая составляет µ =2,03±0,07, для сортов груш: Сыйлык, Жаздык и Нагима составляет µ =2,3±0,05.

Авторы выражают признательность за финансовую поддержку проекта «Разработка технологии переработки перспективных сортов плодовых, ягодных культур и винограда отечественной селекции с целью получения биологически активных веществ и плодовоягодных порошков для использования в пищевой промышленности» в рамках программно-целевого финансирования Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан (BR10764977).