Исследование осциллирующего режима энергоподвода в процессах сушки цукатов из тыквы в микроволновом поле

*Донецкий национальный университет экономики и торговли, г. Донецк; ORCID: , e-mail:

Одним из перспективных направлений развития пищевой промышленности является разработка качественно новых технологий, используемых в производстве биологически ценных продуктов питания с применением растительного сырья. В настоящее время значительно увеличился интерес к изготовлению цукатов из овощей. При технологической переработке тыквы и получении из нее цукатов в значительной степени сохраняются полезные витамины и микроэлементы, поэтому данный вид кулинарных изделий можно отнести к биологически ценным продуктам питания.

Следует отметить, что от качества исходного сырья в значительной степени зависит качество и пищевая ценность производимых цукатов. Технология изготовления цукатов базируется на замещении свободной влаги, находящейся в плодах, сахарным раствором; данное замещение осуществляется в процессе варки плодов в сиропе.

На предприятиях по производству цукатов применяются классические рецепты и современные технологии, что позволяет сохранить полезные вещества, обеспечить вкусовые характеристики и внешний вид изделий, добиться высокого качества выпускаемой продукции, соответствующей всем требованиям безопасности.

Цукаты, произведенные по традиционным технологиям переработки, имеют ряд существенных недостатков:

• –    повышенное содержание сахара (68–72 %) (данный продукт неприемлем для употребления людьми с сахарным диабетом);

• –    изменение внешнего вида готового продукта (снижается его привлекательность);

• –    существенное сокращение содержания витаминной группы (при длительной тепловой обработке).

Особенности технологических процессов изготовления цукатов на различных предприятиях отмечены в работе (Райхель и др., 2017); в научной литературе рассмотрены также вопросы сушки тыквы (Hashim et al., 2014; Ciurzyńska et al., 2013) и определения ее физико-механических свойств (Shirmohammadi et al., 2012; Henriques et al., 2012); в качестве основных недостатков технологической переработки указаны длительность тепловой обработки рецептурных компонентов (сиропа), а также процессов варки и сушки цукатов.

Настоящее исследование направлено на поиск путей интенсификации тепловых процессов при производстве цукатов из тыквы, что должно привести к уменьшению энергоемкости технологического процесса, а соответственно – затрат предприятия, сокращению потерь биологически активных веществ, улучшению вкуса и товарного вида готовой продукции. Интенсификация процесса сушки тыквы возможна при подведении микроволновой энергии (СВЧ). В ходе исследования решались задачи по изучению традиционных технологий производства цукатов из тыквы; выявлению рациональных методов тепловой обработки тыквы, позволяющих сократить их длительность; получению эмпирических зависимостей для расчета конечной массы и влажности продукта.

Материалы и методы

Начальную температуру тыквы и ее температуру после обработки контролировали с помощью инфракрасного термометра Cason СA380 (в соответствии с ГОСТ 16263-70 ¹ данный метод измерения относится к методу непосредственной оценки значения температуры). Контроль температуры после обработки производили непрерывно до окончания периода релаксации.

Время обработки продукта в СВЧ-поле измеряли с помощью секундомера СОППР-2а-3-000 ТУ-25-1894.003-90.

Для контроля размеров кусочков тыквы в ходе их предварительной нарезки применяли штангенциркуль ШЦЦ-1-150-0,01-ТЗ ТУ У.33.2-30291682-001-2004.

Массу продукта (до и после проведения эксперимента) определяли с использованием лабораторных весов Ohaus SPS 6001F. Начальную влажность продукта устанавливали по справочным данным для тыквы столового сорта, конечную влажность рассчитывали по стандартным зависимостям от массы и начальной влажности.

После обработки продукта в СВЧ-поле выявляли период релаксации волн в продукте и убыль его массы на данном этапе. Для этого размещали продукт на лабораторных электронных весах; пирометр устанавливали над ним (в активном состоянии); непрерывно фиксировали изменение температуры и массы кусочков тыквы посредством видеосъемки цифровых табло контрольно-измерительных приборов. Длительность контроля температуры в период релаксации составила 5 мин.

Контроль предельного напряжения сдвига продукта осуществляли на лабораторном пенетрометре в соответствии с ГОСТ 32331-20132 "Смазки пластичные. Определение пенетрации с использованием пенетрометра с конусом на одну четверть и половину шкалы" при комнатной температуре со свободным падением конуса в поверхностный слой тыквы.

Для определения радиуса размещения продукта в камере проводили предварительные эксперименты по визуализации волн в микроволновой печи (Парамонова и др., 2016).

Результаты и обсуждение

Для определения рациональных параметров обработки тыквы в СВЧ-поле (варки и сушки) при изготовлении цукатов были проведены экспериментальные исследования с использованием серийно выпускаемой микроволновой печи LG (модель MH 68070).

В процессе осциллирующего режима энергоподвода мощность магнетрона составила 900 Вт. Микроволновая печь была установлена в соответствии с руководством по эксплуатации (рис. 1). Для дополнительного контроля потребляемой микроволновой печью мощности включение в сеть осуществлялось через измерительный комплекс К-50.

Рис. 1. Общий вид экспериментального стенда: 1 – микроволновая печь;

2 – контрольно-измерительная аппаратура; 3 – пирометр; 4 – весы лабораторные Fig. 1. General view of the experimental stand: 1 – microwave oven; 2 – instrumentation;

3 – pyrometer; 4 – laboratory scales

Продукт на СВЧ-обработку подавался после предварительного бланширования в пароконвектомате, что позволило учесть в процессе экспериментальных исследований напряжение сдвига продукта, которое определяли с помощью пенетрометра. Обработанную в пароконвектомате тыкву после определения напряжения сдвига разрезали на кубики (размер боковой грани кубика 10 мм).

Для каждых 10 порций продукта массой 40–50 г предварительно в СВЧ-поле уваривали сахарный раствор: сахар смешивали с водой в пропорции 1 : 1, после чего осуществляли его СВЧ-варку в течение 2 мин.

Подготовленный к варке в СВЧ-поле продукт направляли на контроль массы и температуры, после чего помещали в сахарный сироп, масса и температура которого также были определены. После установления суммарной массы и начальной температуры емкость с кусочками тыквы в сахарном сиропе помещали в микроволновую печь. По результатам СВЧ-варки тыквы в сахарном сиропе было отмечено, что карамелизация сахарного сиропа в микроволновом поле происходила уже через 3 мин его обработки, а через 4 мин сироп приобретал насыщенный коричневый цвет, характерный запах карамели и тягучую консистенцию, что ограничивало время варки кусочков цукатов в микроволновом поле.

Уваренные кусочки извлекали из емкости и помещали на сетчатую поверхность для стекания избытка сахарного сиропа. По окончании стекания сиропа также осуществляли контроль массы и температуры продукта, после чего порция кусочков тыквы размещалась на плоскости в один слой и поступала на обработку в микроволновую печь.

Обработка продукта в микроволновой печи осуществлялась в течение 1 мин, после чего проводили контроль температуры и массы продукта в период релаксации по описанной выше методике. Количество циклов обработки в осциллирующем режиме зависело от свойств сырья и определялось степенью готовности продукта и в целом не превышало 6 мин. Данного времени было достаточно для эффективного подсушивания кусочков тыквы с сохранением ими структуры.

По результатам проведенных экспериментальных исследований процессов сушки вареных кусочков тыквы в СВЧ-поле при осциллирующем энергоподводе были построены графики изменения массы (рис. 2), влажности (рис. 3) и скорости сушки (рис. 4).

Шести режимам, представленным на графиках, соответствуют следующие данные:

• 1)    т СВЧ = 420 с, т рел = 1 560 с, т нач = 0,0994, ю нач = 80,2 %, т _сдв = 52 767,5 Па;

• 2)    т СВЧ = 360 с, т рел = 1260 с, т нач = 0,0735, ю нач = 78,5 %, т _сдв = 4150,1 Па;

• 3)    т СВЧ = 420 с, т рел = 1560 с, т нач = 0,0775, ю нач = 80,1 %, т _сдв = 34 493,6 Па;

• 4)    т СВЧ = 540 с, т рел = 2160 с, т нач = 0,0719, ю нач = 79,9 %, т _сдв = 19 506,3 Па;

• 5)    т СВЧ = 420 с, т рел = 1 560 с, т нач = 0,0609, ю нач = 79,4 %, т _сдв = 6 655,3 Па;

• 6)    т СВЧ = 420 с, т рел = 1 560 с, т нач = 0,0714, ю нач = 80,2 %, т _сдв = 4 799,5 Па.

Полученные данные свидетельствуют о том, что начальная влажность продукта и режимы его предварительной обработки оказывают существенное влияние на скорость потери влаги продуктом в процессе СВЧ-сушки. Так, учитывая минимальное время обработки в пароконвектомате (5 мин при температуре t = 120 °С), следует отметить, что после пяти серий подвода энергии (обработка - 1 мин, релаксация – 5 мин) удалось достичь уровня влажности 27,28 %, в то время как для остальных режимов обработки потребовалось более длительное время сушки для достижения данного значения. Данное явление можно объяснить расширением каналов для выхода влаги из кусочков продукта с максимальным сохранением их целостности, в то время как более длительная обработка паром (этап предварительного бланширования) приводит к "склеиванию" слоев продукта и ухудшению условий выхода влаги из него.

Рис. 2. График изменения массы тыквы в процессе СВЧ-сушки (энергоподвод и релаксация) при осциллирующем режиме Figure 2. Graph of changes in pumpkin mass during microwave drying (energy behavior and relaxation) in oscillating mode

Максимальная скорость сушки продукта соответствовала непосредственному подведению энергии в СВЧ-поле и в зависимости от влажности продукта составляла от 0,16 до 0,05 кг/с при влажности продукта, приближающейся к 30 %. В период релаксации продукта скорость сушки снижалась до нуля в конце периода.

В результате регрессионного анализа исследуемых факторов были выявлены наиболее значимые величины, оказывающие влияние на конечные массу и влажность продукта, и построены модели для осциллирующего энергоподвода:

т кон = —7,48^10 ^-6 т свч + 0,575т рел + 0,0002т_{ш ч} - 3,4910^—X ,_B - 0,01,                 (1)

ю кон = -0,0248т свч + 497,525т рел + 5,437т_Ш ч - 7,69940^—X ,_B - 368,968,               (2)

где τ _СВЧ – общее время СВЧ-обработки продукта в камере, с; τ _рел – общее время релаксации продукта, с; т нач - начальная масса продукта, кг; т _сдв - предельное напряжение сдвига продукта, Па.

Релаксация

Рис. 3. График изменения влажности тыквы в процессе СВЧ-сушки (энергоподвод и релаксация) при осциллирующем режиме Fig. 3. Graph of the pumpkin humidity in the microwave drying (energy behavior and relaxation) in oscillating mode

Рис. 4. График изменения скорости сушки тыквы в процессе СВЧ-сушки (энергоподвод и релаксация) при осциллирующем режиме Fig. 4. Graph of the rate of pumpkin drying in the microwave processing (energopitanie and relaxation) in oscillating mode

Данные регрессионного анализа зависимости конечной массы и влажности продукта от общего времени СВЧ-обработки продукта в камере (Х1), общего времени релаксации продукта (Х2), начальной массы продукта (Х3) и предельного напряжения сдвига продукта (Х4) представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1. Регрессионный анализ модели, используемой для расчета конечной массы продукта Table 1. Regression analysis of the model for the final product mass

Регрессионная статистика
Множественный R		0,997
R-квадрат		0,993
Нормированный R-квадрат		0,967
Стандартная ошибка		0,001
Наблюдения		6
Дисперсионный анализ
–	df	SS	MS	F	Значимость F
Регрессия	4	0,00014	3,54882^10 —5	37,0851	0,1225
Остаток	1	9,5694^10 -7	9,569440 -7	–	–
Итого	5	0,00014291	–	–	–
–	Коэффициент	Стандартная ошибка	t-статистика	P-значение	Нижние 95 %	Верхние 95 %
Y-пересечение	–0,0107	0,0725	–0,1476	0,9067	–0,9318	0,91
Переменная X1	-7,47640 -6	1,558^10 —6	–4,797	0,13	-2,73^10 -5	1,23^10 -5
Переменная X2	0,5746	0,078	7,3417	0,086	–0,42	1,569
Переменная X3	0,00018	0,0009	0,1917	0,879	–0,012	0,0119
Переменная X4	-3,49540 -7	5,516^10 -8	–6,3356	0,0997	-1,0510 -6	3,51-10 "7

Таблица 2. Регрессионный анализ модели, используемой для расчета конечной влажности продукта Table 2. Model regression analysis for final product moisture

Регрессионная статистика
Множественный R		0,9998
R-квадрат		0,9996
Нормированный R-квадрат		0,9980
Стандартная ошибка		0,5643
Наблюдения		6
Дисперсионный анализ
–	df	SS	MS	F	Значимость F
Регрессия	4	809,857	202,464	635,866	0,030
Остаток	1	0,318	0,318	–	–
Итого	5	810,175	–	–	–
–	Коэффициент	Стандартная ошибка	t-статистика	P-значение	Нижние 95 %	Верхние 95 %
Y-пересечение	–368,968	41,817	–8,823	0,072	–900,299	162,362
Переменная X1	–0,025	0,001	–27,605	0,023	–0,036	–0,013
Переменная X2	497,525	45,148	11,020	0,058	–76,130	1071,180
Переменная X3	5,437	0,533	10,210	0,062	–1,329	12,204
Переменная X4	–0,001	0,000	–24,197	0,026	–0,001	0,000

Заключение

В результате проведенных экспериментальных исследований установлены рациональное время и температура бланширования крупно рубленной тыквы, время карамелизации сахарного раствора в СВЧ-поле, определены условия сушки в СВЧ-поле для проведения дальнейших исследований в непрерывном режиме энергоподвода. В результате обработки полученных данных построены модели для расчета конечной массы и влажности продукта и подтверждена эффективность использования СВЧ-методов для интенсификации процессов сушки тыквы в линии производства цукатов.