Исследование параметров вакуумной сушки для гидролизатов из вторичных сырьевых ресурсов переработки кальмара

Современные тенденции в области питания свидетельствуют о возрастающем дефиците полноценного белка в рационе различных групп населения [1–3]. Одним из перспективных направлений решения данной проблемы является создание пищевых продуктов, обогащенных белковыми компонентами, в том числе гидролизатами, полученными из вторичных сырьевых источников [4, 5]. Особое внимание исследователей привлекают гидролизаты, получаемые из вторичных сырьевых ресурсов переработки кальмара. Данный вид сырья характеризуется доступностью, относительно низкой стоимостью и благоприятным аминокислотным профилем [4, 6].

Сушка гидролизатов представляет собой эффективный способ, позволяющий минимизировать затраты на хранение и транспортировку, а также гарантировать стабильность продукта в течение длительного времени [7–9]. В современной пищевой технологии все более широкое применение находит метод вакуумной сушки, основанный на удалении влаги при давлении ниже атмосферного. Снижение давления в рабочей камере приводит к уменьшению температуры кипения воды [10], что обеспечивает проведение процесса в щадящем температурном режиме, критически важном для сохранения термолабильных компонентов белковых гидролизатов [11].

При переработке гидробионтов важнейшей задачей является комплексное использование сырья, не допускающее потери ценных компонентов, а также вовлечение в производство отходов, содержащих биологически активные вещества, и максимальное сохранение нативных свойств сырья.

Современным решением очистки кальмаров является ферментативное обесшкуривание с использованием специализированных протеолитических препаратов (например, Профитекс Фиш Скин Люкс) [12]. Особенностью данного метода, помимо высокой производительности, энергоэффективности и низких трудозатрат, является образование в процессе реакции жидкого побочного продукта – раствора гидролизованных белков кожи и частично внутренностей («бульона») [13]. Этот продукт, обладающий насыщенным цветом и ароматом морепродуктов, представляет собой не отход, а ценное сырье для дальнейшей глубокой переработки [14].

Однако для его практического применения необходима дальнейшая оптимизация процесса сушки. Цель настоящей работы заключалась в определении оптимальных режимов вакуумной сушки, обеспечивающих максимальную эффективность процесса применительно к гидролизатам, полученными из раствора гидролизованных белков кожи и частично внутренностей кальмара.

В качестве объектов исследования использовали вторичный сырьевой ресурс – раствор гидролизата, полученный в результате промышленного обесшкуривания командорского кальмара ( Berryteuthis magister ). В процессе гидролиза применяли протеолитический ферментный препарат «Профитекс Фиш Скин Люкс».

Исследования проводились на базе Института высокотемпературной электрохимии УрОРАН и Единого лабораторного комплекса УрГЭУ.

На первом этапе исследований изучали влияние температуры на процесс сушки. Образцы высушивали при температурах 60 и 70 °C, поддерживая остаточное давление на уровне 10 ± 0,5 кПа при толщине слоя материала 20 мм. На втором этапе исследований подбирали оптимальную величину остаточного давления. С этой целью сушку осуществляли при температуре 60 °С, варьируя остаточное давление в камере: 5 ± 0,5 кПа, 8 ± 0,5 кПа и 10 ± 0,5 кПа.

Экспериментальные исследования проводились на специализированном стенде, конструкция которого обеспечивала возможность регулирования параметров вакуумной сушки в заданных диапазонах. В состав установки входили следующие основные элементы: герметичная сушильная камера, оснащенная инфракрасными нагревателями; вакуумный насос для создания разреженной среды; десублиматор, предназначенный для улавливания паров влаги; холодильная машина, обеспечивающая функционирование десублиматора; а также комплекс контрольно-измерительных приборов, позволяющих контролировать температуру и давление.

С целью повышения энергетической эффективности процесса и сокращения продолжительности сушки исходный гидролизат подвергался предварительному концентрированию. Данная операция реализовывалась на ультрафильтрационной установке, позволяющей довести содержание сухих веществ до 30%.

Оценка влияния различных режимов сушки на органолептические характеристики гидролизата (ГБГ) проводилась по шкале, предусматривающей оценку четырех ключевых показателей: внешнего вида, консистенции, вкуса и запаха [11]. Каждый параметр оценивался по пятибалльной системе, что позволяло получить интегральную характеристику с максимально возможной суммой 20 баллов.

Определение массовой доли влаги образцов выполнялось гравиметрическим методом, основанным на измерении потери массы при высушивании. Данный подход обеспечивал необходимую точность и воспроизводимость результатов при сопоставлении различных режимов обработки.

Результаты и обсуждение

Процесс вакуумной сушки раствора гидролизованных белков кожи кальмара условно разделяли на три последовательных этапа. На первом этапе вакуумный насос обеспечивал снижение давления в камере до требуемого уровня. Продолжительность данного периода составляла около 15 мин, при этом относительная масса образца оставалась практически неизменной, а температура незначительно понижалась.

о4 100

0  20 40  60  80 100 120 140 160

Время, мин / Time, min

(b)

Время, мин / Time, min

(a)

Рисунок 1. Кинетика сушки гидролизатов при различных температурах: (a) — 60 °C; (b) — 70 °C

Figure 1. Kinetics of drying hydrolysates at different temperatures: (a) — 60 °C; (b) — 70 °C

о 60

На втором этапе, после выхода установки на стационарный режим, активировались инфракрасные нагреватели [11], что сопровождалось повышением температуры материала и интенсивным снижением его массы. Третий этап характеризовался замедлением скорости удаления влаги и завершающим досушиванием продукта. Динамика изменения относительной массы гидролизатов в зависимости от температуры представлена на рисунке 1.

В ходе экспериментального исследования установлено, что выход температуры в рабочей камере на заданные значения происходил через 80 и 90 мин соответственно для режимов 60 и 70 °C. Температура внутри продукта достигала аналогичных значений через 90 и 100 мин (рисунок 2).

0  20 40 60 80 100 120 150

Время, мин / Time, min

(a)

^^^^^ж t в камере t in the chamber

«■■■ж» t в продукте t in the product

Время, мин / Time, min

(b)

Рисунок 2. Зависимость изменения температуры в сушильной камере и продукте от температуры нагрева (а) – при температуре 60 °C, (b) – при температуре 70 °C

Figure 2. Dependence of temperature change in the drying chamber and product on the heating temperature (a) – at a temperature of 60 °C, (b) – at a temperature of 70 °C

Исследование динамики удаления влаги из гидролизата при различных температурных параметрах показало, что наиболее активное обезвоживание зафиксировано при нагреве материала до 60 °C. Конечная влажность 5,1% достигалась за 160 ± 5 мин (таблица 1).

Повышение температуры до 70 °C отрицательно сказывалось на эффективности сушки. Ускоренное испарение влаги с поверхностных слоев приводило к образованию пересушенной и частично подгоревшей корки, которая выступала в роли барьера, препятствующего дальнейшей миграции жидкости из внутренних областей материала. В результате формировался градиент влажности, при котором удаление воды из глубинных слоев существенно затруднялось, а общая продолжительность процесса возрастала.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика режимов вакуумной сушки гидролизатов

Table 1.

Comparative characteristics of vacuum drying modes for hydrolysates

Показатель Indicator	Температура в камере Temperature in the chamber, °C
	60	70
Длительность сушки, мин Drying time, min.	160 ± 5	180 ± 5
Массовая доля влаги, % Mass fraction of moisture, %	5,1 ± 0,1	5,00 ± 0,05
Удельные затраты энергии, кВт·ч/кг удаленной влаги Specific energy consumption, kW·h/kg of moisture removed	3,44 ± 0,15	3,62 ± 0,10

Экспериментально установлено, что увеличение температуры выше оптимального значения 60 °C не только не ускоряет процесс обезвоживания, но и создает дополнительные технологические сложности, связанные с перегревом поверхности и формированием плотного поверхностного слоя, замедляющего процесс массопереноса.

Дифференцирование кривых изменения относительной массы по времени позволило получить зависимости скорости сушки от продолжительности процесса (рисунок 3). Максимальные значения скорости удаления влаги наблюдались в интервале от 40 до 100 мин от начала процесса и составляли от 12 до 23% в час в зависимости от температурного режима.

Повышение температуры от 60 до 70 °C сопровождалось сокращением продолжительности сушки на 12,5%, однако удельные энергетические затраты возрастали на 5% (таблица 1). Данное явление объясняется увеличением теп-лопритока через элементы теплоизоляции и необходимостью поддержания более высокого градиента температур в системе.

Время, мин / Time, min

«■■■■шв 60 °С ^^^м 70 °С

Рисунок 3. Кинетика изменения массы гидролизатов в процессе вакуумной сушки при различных температурах

Figure 3. Kinetics of changes in the mass of hydrolysates during vacuum drying at different temperatures

Результаты органолептической оценки показали, что наивысшую суммарную оценку (17,2 балла) получил образец, высушенный при температуре 60 °С (рисунок 4). Повышение температуры до 70 °С приводило к заметному ухудшению органолептических характеристик, что, вероятно, связано с денатурацией и деструкцией термолабильных аминокислот и пептидов, а также с образованием соединений, придающих продукту неприятный запах.

Рисунок 4. Результаты органолептической оценки гидролизатов при различной температуре в камере Figure 4. Results of organoleptic evaluation of hydrolysates at different temperatures in the chamber

Помимо температурных параметров, ключевым фактором, определяющим результативность вакуумной сушки, выступает величина остаточного давления в рабочей камере. Данный показатель оказывает комплексное воздействие на технологический процесс, влияя на скорость удаления влаги, общую продолжительность обработки, качественные характеристики получаемого продукта, а также на уровень энергетических затрат.

Экспериментальные исследования позволили выявить зависимость между величиной остаточного давления и интенсивностью обезвоживания (таблица 2).

Таблица 2.

Показатели вакуумной сушки гидролизатов при различном остаточном давлении (t = 60 °C)

Table 2.

Characteristics of vacuum drying of hydrolysates at different residual pressures (t = 60 °C)

Показатель Indicator	Остаточное давление, кПа Residual pressure, kРа
	5 ± 0,5	8 ± 0,5	10 ± 0,5
Длительность сушки, мин Drying time, min.	130 ± 15	150 ± 10	160 ± 15
Массовая доля влаги, % Mass fraction of moisture, %	4,80 ± 0,10	4,95 ± 0,05	5,10 ± 0,10
Удельные затраты энергии, кВт·ч/кг удаленной влаги Specific energy consumption, kW кВт·h/kg of moisture removed	3,80 ± 0,15	2,92 ± 0,15	3,44 ± 0,15

При увеличении остаточного давления наблюдалось замедление процесса удаления влаги из материала. В частности, при поддержании давления на уровне 10 ± 0,5 кПа и толщине слоя 20 мм продолжительность сушки достигала 160 ± 15 минут. Данный показатель на 7% выше по сравнению с режимом, где остаточное давление составляло 8 ± 0,5 кПа, и на 19% превышал значения, зафиксированные при давлении 5 ± 0,5 кПа, что согласуется с результатами аналогичных исследований в отношении сывороточных белков [15] и плодово-ягодного сырья [16, 17].

Установленная закономерность объясняется снижением движущей силы процесса мас-сопереноса. При более высоком остаточном давлении уменьшается градиент давления между высушиваемым материалом и окружающей средой, что приводит к замедлению диффузионных процессов и, как следствие, к увеличению продолжительности обработки [9, 11].

Экспериментальные исследования показали наличие обратной зависимости между величиной остаточного давления в системе и степенью обезвоживания продукта. Понижение давления сопровождалось более интенсивным удалением влаги из гидролизата. При поддержании остаточного давления на уровне 10 ± 0,5 кПа конечная влажность продукта достигала 5,1%. Снижение давления до 5 ± 0,5 кПа способствовало уменьшению данного показателя до 4,8%.

Заключение

Анализ энергетической эффективности процесса выявил наличие оптимального режима, обеспечивающего минимальные удельные затраты энергии. Наилучшие показатели зафиксированы при остаточном давлении 8 ± 0,5 кПа. Отклонение от данного режима в сторону уменьшения давления до 5 ± 0,5 кПа приводило к существенному росту энергопотребления – увеличение составило 12,5%. Подобная динамика объясняется

Повышение давления до 10 ± 0,5 кПа также негативно сказывалось на энергетической эффективности. Удельные затраты энергии возрастали на 5% относительно оптимального режима. Причиной данного явления выступает увеличение нагрузки на вакуумное оборудование, вынужденное компенсировать возросшие потери через неплотности технологической системы при более высоком остаточном давлении.

Таким образом, экспериментально установлено, что режим вакуумной сушки при остаточном давлении 8 ± 0,5 кПа является наиболее энергоэффективным, обеспечивая необходимую степень обезвоживания при минимальных удельных затратах энергии. Отклонение параметров процесса в сторону как повышения, так и понижения давления сопровождается увеличением энергопотребления, что необходимо учитывать при оптимизации технологических режимов производства.

На основании проведенных экспериментальных исследований установлено, что наиболее рациональным режимом вакуумной сушки раствора гидролизованных белков кальмара является температура 60 °С при остаточном давлении 10 ± 0,5 кПа. Данный режим обеспечивает оптимальное соотношение качественных характеристик получаемого продукта (органолептические показатели на уровне 17,2 балла, остаточная влажность 5,1%), продолжительности процесса (160 мин) и удельных энергозатрат (2,92 кВт·ч/кг удаленной влаги). Полученный сухой гидролизат может быть рекомендован для использования в качестве белковой добавки при производстве продуктов специализированного и функционального назначения.