Экспериментальное исследование диэлектрических свойств печени сома как объекта микроволновой сушки

Субпродукты рыбного происхождения можно использовать, как базу для выработки ценных компонентов, в частности, функциональной ориентации, которые будут способствовать дополнительной рыночной востребованности пищевых материалов путём повышения их качественных показателей и биологической ценности. Одним из важных субпродуктов считается печень рыбной природы, которая включает ряд низкомолекулярных и ферментных комплексов и может служить базой для дефицитных и, как следствие, дорогостоящих биологически активных добавок [1, 2].

Известно, что рыбья печень богата кальцием, фосфором и железом, которые полезны для развития костей и кроветворения, эффективно лечит анемию, помогает защитить зрение и предотвратить заболевания печени, снижает уровень холестерина в крови, снимает усталость, восстанавливает зрение, улучшает функцию печени и имеет длительный срок хранения [3].

Для организации процессов обезвоживания материалов животного происхождения, в том числе вторичных рыбных ресурсов, используются различные способы организации сушки. В частности, в технологии получения сухой печени известно применение сушки при высокой температуре [4], вакуумной [5] и распылительной сушки [3].

В способе производства питательной и вкусной рыбной кости и куриной печени в виде волокон [4] объектом обезвоживания являются вторичные ресурсы животного происхождения – размягченные рыбные кости и куриная печень, приготовленная на пару. Рыбные кости имеют сильный рыбный запах, куриная печень имеет неприятный запах субпродуктов, при этом продукт изготовлен с использованием особых ароматизаторов и обладает привлекательным запахом, натуральным освежающим и тягучим вкусом, а также бодрящим послевкусием. Процесс на первом этапе включает в себя следующие технологические стадии: размораживание, очистку и промывку костей и печени. Второй этап включает в себя приготовление маринада с использованием таких натуральных специй, как полынь, мята, сафлор, имбирь, лук, лимонник. Третий этап включает маринование рыбных костей и куриной печени в приготовленных натуральных специях в течении 40–80 минут. Далее замаринованные ингредиенты высушивают в течение 15–50 минут. Размягченные, обезвоженные рыбные кости при высокой температуре помещают в контейнер при температуре 116–120 °C на 60–70 минут, а куриную печень на пару готовят при температуре 110 °C в течение 30 минут. Следующим этапом является сушка при высокой температуре. Когда сырье достигнет степени сухости 10–25%, его измельчают в порошок и хранят отдельно. Преимуществом данного способа является то, что продукт безопасен, он не содержит добавок и консервантов, не имеет рыбного запаха, что делает его приемлемым. Однако указанный метод имеет ряд недостатков, среди которых продолжительность проведения процесса сушки.

Известен способ вакуумной сушки вторичных рыбных ресурсов [5]. Для того, чтобы переработать молоки лосося, которые богаты нуклеопротеином, необходимо на первом этапе удалить соединительную ткань и жир из молок. На втором этапе необходимо сырье очистить с применением раствора цитрата натрия. На третьем этапе молоки измельчают в гомогенизаторе со скоростью 8000–10000 об/мин в течение 1–2 минут. На четвертом и пятом этапе влить равный объем раствора NaCl концентрацией 2–3 моль/л, тщательно перемешать, а затем поместить в ледяную баню, а затем отфильтровать рыбьи молоки и осадить надосадочную жидкость с помощью удвоенного количества 95% этанола. На шестом этапе необходимо полученный осадок нарезать на мелкие кусочки, поместить в стакан и гомогенизировать в течение 1–2 минут. Седьмым шагом будет фильтрование и осаждение фильтрата 95%-ым этанолом. Далее проводят промывку 70%-ым этанолом. На заключительном этапе полученную суспензию высушить в вакууме. Преимущество данного способа заключается в том, что использование данной технологии позволяет в полной мере использовать вторичные рыбные ресурсы, превращая отходы в ценный ресурс. Однако вышеописанный метод является довольно сложным, поскольку переработка проводится специфическим методом, который состоит из большого числа операций. Использование этанола для осаждения и промывки несколько снижает безопасность пищевой продукции. Помимо этого, вакуумная сушка является энергозатратной операцией.

Известен способ получения порошка печени трески [3], полученного с помощью распылительной сушки. Метод включает в себя несколько технологических этапов. Первый этап включает в себя размораживание рыбьей печени и ее измельчение до размера небольших ломтиков. На втором этапе начинается процесс маринования, который длится 30–60 минут и для его организации необходимо добавление приправ – перец чили, молотый перец, добавление сахара, шампанского вина, глутамата натрия, соли, воды, соевого соуса, чеснока и зеленого лука. Использование большого количества компонентов также необходимо для удаления рыбного запаха. Следующая технологическая стадия включает в себя приготовление маринованной рыбной печени на пару, ее дальнейшую варку и процеживание. На заключительном этапе необходимо провести операцию по фильтрованию полученной суспензии. Далее суспензия проходит технологическую стадию сушки с помощью распылительной сушилки и упаковку полученного продукта. Преимуществом данного способа является высокое качество приправы при одновременной экономии времени и потребляемой энергии на технологические процессы, что приводит к заметному снижению себестоимости продукции. Однако вышеописанный метод является довольно сложным, поскольку включает большое количество технологических операций.

Одним из наиболее распространенных способов сушки продуктов животного происхождения является СВЧ-сушка.

Кроме выявления рациональных режимов влагоудаления при СВЧ или микроволновом энергоподводе [6, 7], особенное внимание следует обратить на механизм и последствия взаимодействия объекта термической обработки с электромагнитным полем для рационального технического исполнения СВЧ - генератора (магнетрона) [8]. Для оценки кинетики микроволновой сушки и ее моделирования необходимо выявить и учитывать ряд характеристик, таких как частота и мощность излучения, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диссипации или диэлектрических потерь, глубина проникновения микроволновой мощности, мощность внутреннего источника тепла в слое.

Цель работы - выявление диэлектрических параметров печени сома в увязке с магнетронами для определения кинетических закономерностей её обезвоживания при СВЧ-энергоподводе, а также построения и решения его математической модели.

Материалы и методы

Объектами анализа послужила печень сома обыкновенного ( Silurus glanis ), как в свежем, так и в обезвоженном при СВЧ - энергоподводе состоянии. В работе применялись как традиционные, так и экспериментальные методы исследования.

Взаимодействие СВЧ - излучения с объектом влагоудаления оценивают посредством ряда показателей и, в частности, его комплексной диэлектрической проницаемости £ , Ф/м [9, 10]:

£ = ^£ 0 ^£ г ; (1)

^£ г = ^£ Г + ^£ г '; ⁽²⁾

tan 5 = ^£ . (3)

^£ г

Здесь £ является данным показателем в вакууме, а £ - комплексным параметром, в котором действительная часть е_г' представляется, как энергия, накапливаемая в объекте облучения при контакте с СВЧ - полем, а произведение е_г ‘, и мнимой единицы i обусловливает трансформацию данной энергии в тепловую. По отношению обозначенных составляющих, то есть тангенсу угла диэлектрических потерь tan8 (3), можно определить поглощательную по отношению к СВЧ - потоку способность объекта облучения и эффективность рассеивания тепловой энергии во внешней среде, то есть tan 8 обусловливает эффективность СВЧ - обработки, а также глубины прохождения СВЧ - потока d (м), как отрезок при прохождении которого плотность СВЧ - потока падает на величину 1/ e по отношению к плотности падающего на поверхность облучаемого материала микроволнового потока:

d p =------’       (4)

2 п f /2 £ yJ1 + tan 5 ²1

где c – скорость света в вакууме, м/с; f – частота излучения, Гц.

£ и d_p печени сома обусловлены ее влажностью W, f, температурой Т , плотностью р , относительным содержанием солей и высотой слоя, которые являются влияющими и варьируемыми факторами при СВЧ - влагоудалении при структурных и биохимических трансформациях [10]. Одной из задач приведенного анализа служит оценка воздействия обозначенных факторов на диэлектрические характеристики печени сома при f = 2,450 ГГц.

Данная f выбрана потому, что она позитивно воздействует на d печень сома, что обусловлено ее высокой исходной долей влаги, поглощательная способность которой соответствует f = 20,0 ГГц, но при этом глубина прогрева пограничного водного слоя меньше 0,0001 м и ниже лежащие прослойки жидких смесей не прогреваются даже при интенсивном поверхностном парообразовании. В случае, когда f = 2,450 ГГц, поглощательная способность водной среды в 4 раза ниже по отношению к f = 20,0 ГГц, однако d в поверхностном водном слое при этом составляет 0,013 м, что обусловливает нагрев большего ареала водной среды, что и позволяет отдать предпочтение данной f [11, 12].

Целевое изучение результатов известных работ в ракурсе диэлектрических характеристик ряда биополимеров приводит к выводу о том, что закономерность варьирования £_г ' и £' в рамках изменения Т от 60,0 до 100,0 °С и W от 95,0 до 5,0% можно принять линейной [2]. При СВЧ - обезвоживании печени сома вырабатывается порошковый материал. При этом изменение диэлектрических характеристик обусловлено в большей степени варьированием W и Т . При такой постановке задачи варьирование £_г' и £_г' для печени сома с различной W можно оценить при начальной и итоговой W , равной 68,0 и 5,0% в рамках варьирования Т от 60,0 до 100,0 °С.

Для выявления диэлектрических характеристик использовался опытный стенд для анализа диэлектрика посредством способа резонаторных возмущений [13, 14] при f = 2,450 ГГц. Стенд скомпонован из «СВЧ - анализатора» с СВЧ - излучателем и приемником, системой накопления данных USB и стального «коаксиального зонда открытого типа». Для размещения образца реализовывали трубки из полипропилена диаметром 0,012 и длиной 0,075 м. Для заданных f и объёмов проб £ определялась посредством программного продукта (Measurement Kit, Vials v3.01).

С целью выявления £_г' , и £_г " обезвоженного образца примем во внимание то, что он является композицией частиц с воздушной средой, то есть необходимо воспользоваться соотношением смешения данных составляющих порошка, опираясь на их параметры в чистом виде. В варианте обезвоженной печени сома применяли следующее соотношение:

\j ^£ m = ^Х1 '^l + x 2 у/^£2 , ⁽⁵⁾

где £_т - диэлектрические характеристики для смеси, а £ и £ для воздушной ( £ » 1)

и вещества, при этом x и x соответствуют их объемным долям в навеске.

Трансформируя (5) при £ ® 1 имеем:

^£ г

V ^£ т - ^Х1

С целью определения x и x целесообразно найти насыпную р порошка печени сома на основе объёмов частиц и пустот, которые снижают р по сравнению с истинной и физической. Для определения р 100,0 мл диспергированной печени сома при W = 5,0% помещали в ёмкость и взвешивали при известной её массе, вычитая которую определяли массу образца, отнеся которую к его объёму находили р . Зная р и р_н находили X j и x ₂. Определение Т в объёме образа при тепловом воздействии СВЧ - излучением посредством термопар затруднительно по причине вероятности непосредственного воздействия СВЧ - потока на термодатчик в тонком слое печени сома, что обусловливает целесообразность моделирования теплопереноса.

При этом в дифференциальном уравнении теплопереноса необходимо учесть ф - мощность внутреннего источника тепла в единице объёма образца, Вт/м³ при СВЧ - воздействии [15].

ф = 5,55 х 10 ^{- 12} £ 'tan д fE ², (7)

где E – напряженность внешнего поля, В/м, изменяющаяся при варьировании мощности магнетрона N , Вт.

Результаты и обсуждение

Данные по р обезвоженной печени сома представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Данные по р обезвоженной печени сома

Table 1.

Data on р dehydrated catfish liver

Эксперимент	Масса образца, г	Объём образца, мл	р н , г/мл
1	38,50	100,0	0,3850
2	37,40		0,3740
3	36,00		0,3600
4	35,90		0,3590
5	34,20		0,3420
Средняя величина			364,0 кг/м3

Из таблицы 1 следует то, что средняя величина массы 100 мл образца составляет 36,40 г, а объём чистого материала будет: 36,40/0,7460 = 48,790 мл, при этом объём пустот с воздушной средой найдем, как:

100,0 - 48,790 = 51,210 мл. Тогда x = 0,51210, а х ₂ = 0,48790.

Опытные данные по £ ' , £_г" и tan д печени сома при W = 68,0 и 5,0%, f = 2,450 ГГц Т от 60,0 до 100,0 °С сведены в таблицах 2, 3.

'                          ''

Опытные данные по £ , £_г и tan д сырой печени сома

Таблица 2.

Table 2.

'                          ''

Experimental data on £_г , £_г and tan д of raw catfish liver

Т , ℃	£ г	tan д	£ г
60,0	73,120	0,1940	14,190
70,0	70,890	0,2030	14,390
80,0	68,140	0,2230	15,190
90,0	67,280	0,2300	15,470
100,0	65,270	0,2490	16,250

Таблица 3.

Опытные данные по £_г , £_г и tan д сухой печени сома

Table 3.

Experimental data on £_г , £_г and tan д of dry catfish liver

Т , ℃	£ m	£ г	tan д	£ г
60,0	6,140	16,230	0,2590	4,200
70,0	5,860	15,300	0,3090	4,730
80,0	5,690	14,740	0,3360	4,950
90,0	5,370	13,690	0,3740	5,120
100,0	5,320	13,530	0,3860	5,220

На рисунках 1 и 2 показаны закономерности изменения £_г , и £ печени сома при W от 0,050 до 0,680 кг/кг и Т от 60,0 до 100,0 °С.

Из рисунка 1 видно, что £ увеличивается при любой Т , что обусловлено ростом доли влаги в свободном состоянии в печени сома и, как следствие, стремлением £_г к показателю воды £ = 80 . £ тоже повышается при росте W (рисунок 2), причём £ уменьшается с ростом Т (рисунок 1), а £_г увеличивается (рисунок 2), что определяется долей влаги в свободном состоянии.

Приведённые на рисунках 1 и 2 закономерности изменения диэлектрических характеристик линейно описаны уравнениями 8–12 описаны для £ при W от 0,050 до 0,680 кг/кг и для Т , равной 60,0; 70,0; 80,0; 90,0 и 100,0 ℃.

£=90,3020W + 11,7150;(8)

£=88,2380W + 10,8880;(9)

£=84,7620W +10,5020;(10)

£ =85,0630W + 9,43680;(11)

£=82,1270W + 9,42370;(12)

Для при тех же условиях имеем.

£ ”=15,8570W + 3,40710;(13)

£ "=15,3330W + 3,96330;(14)

£ ”=16,2540W + 4,13730;(15)

£ "=16,4290W + 4,29860;(16)

£ ”=17,5080W + 4,34460;(17)

Рисунок 1. Зависимость £_г от W и Т печени сома

Рисунок 2. Зависимость £_г от W и Т печени сома

Figure 1. Dependence of £_г on W and Т of catfish liver

Figure 2. Dependence of £ on W and Т of catfish liver

На рисунке 3 представлены закономерности варьирования d в см при Т от 60,0 до 100,0 °С при крайних в процессе обезвоживания W печени сома. При меньшей W d растёт.

Соотношения 18 и 19 описывают закономерность варьирования d (см) при изменении Т при обозначенных выше условиях.

d p = - 0,00510T + 1,49380; (18) d_p=-0,01170T + 2,51320; (19)

Анализ варьирования диэлектрических характеристик способствует выявлению механизма поглощения и трансформации СВЧ - энергии в тепловую для печени сома при влагоудалении.

В таблице 4 показаны результаты опреде-

Рисунок 3. Закономерности варьирования d при изменении Т и W для печени сома

Figure 3. Patterns of variation of d with changes in Т and W for catfish liver ления а печени сома.

Таблица 4.

Данные для определения а внутреннего источника тепла

Table 4.

Data for determining а of the internal heat source

N, Вт	f , МГц	E, В/м	^ г	tan 6 = £ ” / £'
90,0	2450,0	900,0	£ = 88,2380 W + 10,888 0	£ '= 15,3330W + 3,9633 0
180,0	2450,0	1400,0

На рисунках 4 и 5 показаны закономерности изменения а при мощности магнетрона

90,0 и 180,0 Вт от относительного содержания сухих веществ печени сома.

Рисунок 4. Закономерность варьирования а в печени сома при 90 Вт

Figure 4. Pattern of а variation in catfish liver at 90 W

Рисунок 5. Закономерность варьирования а в печени сома при 180 Вт

Figure 5. Pattern of а variation in catfish liver at 180 W

Заключение

Экспериментально определены диэлектрические характеристики печени сома обыкновенного (Silurus glanis) как объекта микроволновой сушки. Методом резонаторных возмущений на частоте 2,45 ГГц в диапазоне температур от 60 до 100 °C измерены диэлектрическая проницаемость и её мнимая часть (через тангенс угла диэлектрических потерь) для сырой печени с влажностью 68 % и высушенного продукта с влажностью 5 %, а также определена насыпная плотность сухого порошка — 364 кг/м³.

Установлено, что диэлектрическая проницаемость печени сома возрастает с увеличением влагосодержания при всех исследованных температурах, что обусловлено ростом доли свободной влаги и приближением свойств системы к свойствам воды. С повышением температуры действительная часть проницаемости снижается, тогда как диэлектрические потери увеличиваются. В диапазоне влажности от 0,05 до 0,68 кг/кг зависимости диэлектрической проницаемости и её мнимой части от влагосодержания при фиксированных температурах (60, 70, 80, 90 и 100 °C) с достаточной точностью описываются линейными уравнениями (8)–(17).

Показано, что глубина проникновения микроволновой мощности возрастает по мере снижения влажности материала; соответствующие зависимости от температуры приведены в уравнениях (18)–(19). Выбор рабочей частоты 2,45 ГГц обоснован тем, что при более высокой частоте (20 ГГц) прогревается лишь поверхностный водный слой толщиной менее 0,0001 м, тогда как при 2,45 ГГц глубина проникновения в поверхностном слое достигает 0,013 м, что обеспечивает нагрев большего объёма материала.

На основе измеренных характеристик рассчитана мощность внутреннего источника тепла в слое печени сома при мощности магнетрона 90 и 180 Вт (таблица 4, рисунки 4–5). Полученные диэлектрические зависимости и значения мощности внутреннего источника тепла служат исходными данными для построения и решения математической модели тепломассопереноса при СВЧ-обезвоживании печени сома, а также для обоснованного выбора режимных параметров и технического исполнения магнетронов.

Дальнейшие исследования целесообразно направить на верификацию построенной модели и определение рациональных режимов СВЧ-сушки, обеспечивающих сохранение биологически активных компонентов получаемого порошкового продукта.

Работа выполнена в рамках государственного задания Федерального агентства по рыболовству (тема № 126030418352-7).