Оптические и терморадиационные характеристики пенослоя томатной пасты с добавлением раствора ихтиожелатина

Томатная паста занимает одно из ключевых мест среди концентрированных продуктов переработки томатов, широко применяется в качестве полуфабриката при производстве соусов, кетчупов, супов, консервированных и кулинарных изделий [1–3]. Производство сухой томатной пасты открывает возможности для снижения транспортных затрат, увеличения срока хранения, расширения ассортимента пищевых продуктов с применением данного ингредиента. Мировой объём производства томатного порошка методом распылительной сушки неуклонно растёт [4, 5], однако данный метод сопряжён со значительными энергозатратами [6] и термическим повреждением каротиноидов [7] и аскорбиновой кислоты [8].

Перспективным методом обезвоживания пастообразных и вязких пищевых продуктов является пеносушка – технология, основанная на предварительном диспергировании продукта с последующим обезвоживанием пенослоя. Развитая удельная поверхность тепломассообмена пенослоя обеспечивает ускорение влагоудаления и снижение температуры сушки, что способствует сохранению термолабильных биологически активных веществ (каротиноидов, ликопина, аскорбиновой кислоты [4]). Томатная паста не обладает выраженной пенообразующей способностью, в ряде исследований в качестве пенообразователей и стабилизаторов применялись различные ингредиенты: яичный альбумин, карбок-симетилцеллюлоза, ссоевый белок и др. [4, 9, 10]. При этом применение ихтиожелатина (биополимера с минимальной аллергенностью, получаемого из отходов рыбопереработки) в данном качестве не описано, что определяет научную новизну настоящей работы.

Применение ИК-излучения в качестве источника энергоподвода при пеносушке обеспечивает интенсификацию теплообмена, снижение температурных градиентов и улучшенное сохранение качества по сравнению с конвективной сушкой [10–12]. Перспективность радиационного энергоподвода при обезвоживании томатных продуктов подтверждена экспериментально [13, 14]. Так, ИК-сушка томатов до конечной влажности 10–12% в осциллирующем режиме позволяет сохранить витамин C и минеральный состав продукта при сокращении времени процесса [14].

Рациональная реализация процесса конвективно-радиационной пеносушки вспененной томатной пасты требует комплексного исследования оптических и терморадиационных характеристик обезвоживаемого материала, прежде всего – понимания характера зависимостей распределения объёмной плотности поглощённой энергии излучения W , Вт/м³, по глубине пенослоя для различных генераторов ИК-излучения [10]. Для вспененной томатной пасты с добавлением раствора ихтиожелатина в качестве пенообразователя и стабилизатора такие данные в открытых источниках отсутствуют.

Цель работы – исследование оптических и терморадиационных характеристик пенослоя томатной пасты с добавлением раствора ихтио-желатина в качестве пенообразователя и стабилизатора, как исходных данных для совершенствования процесса пеносушки продукта при конвективно-радиационном энергоподводе.

Дяченко В.П. и др. Вестник ВГУИТ, 2026, Т. 88, №. 2, С. 267-274 Объекты и методы

Объектом исследования является аэрированная (вспененная) томатная паста с добавлением раствора ихтиожелатина в форме пластин (пенослоя) толщиной h = 0,002 м и h = 0,004 м во влажном (гелеобразном) и обезвоженном (сухом) состоянии. Использовали томатную пасту по ГОСТ 3343–2017 с содержанием сухих веществ 28%. Раствор ихтиожелатина получали по методике, приведённой в работе [15]. Образцы для исследований готовили путём взбивания томатной пасты с добавлением раствора ихтиожелатина до получения устойчивой пенной структуры с максимальной кратностью пены и последующего формования пластин заданной толщины. Для получения сухих образцов, пластины сушили при конвективно-радиационном энергоподводе. Диапазон влажности объекта исследования 0,10 ≤ w ≤ 0,78 кг/кг определён с учётом литературных данных (для нижней границы) [10, 14], верхняя граница определена эмпирически.

Экспериментальные данные о направленнополусферических спектральных характеристиках образцов (спектрах отражения R λ ,% и пропускания T λ ,%) получены на спектрофотометре UV-Vis-NIR Cary 5000 (Varian, США) с приставкой интегрирующей сферы DRA-2500 в спектральном диапазоне 800 ≤ λ ≤ 2500 нм. Гелеобразные образцы предварительно помещались в кварцевую кювету. Выбор спектрального диапазона обусловлен техническими характеристиками спектрофотометра и согласуется с диапазонами аналогичных исследований других пищевых и биополимерных материалов [10]. В таблице 1 представлены основные параметры исследований.

Зависимости W = f ( x, w ) рассчитывались методом усреднённых оптических и терморадиационных характеристик [10]. Исходными данными для расчёта служили направленнополусферические терморадиационные характеристики продукта, а также спектральные характеристики генераторов излучения, приведённые в литературных источниках [10]. В расчётах рассмотрены пять генераторов излучения: кварцевая галогенная трубка КГТ-220–1000 (КГТ), нихромовая спираль в кварцевой трубке (НС), металлическая плитка (МП), плитка газового инфракрасного излучения (ПГИИ), трубчатый электронагреватель (ТЭН).

Таблица 1.

Основные параметры исследований оптических и терморадиационных характеристик пенослоя томатной пасты с добавлением раствора ихтиожелатина

Table 1.

The main parameters of the study of optical and thermoradiation characteristics of a foam layer of tomato paste with the addition of an ichthyogelatin solution

Параметр | Index	Значение Value
Влажность продукта w, кг/кг Product moisture content w, kg/kg	0,10 ≤ w ≤ 0,78
Спектральный диапазон λ, нм Spectral range λ, nm	800 ≤ λ ≤ 2 500
Глубина оптически тонкого слоя x, м Optically thin layer depth x, m	0,000 ≤ x ≤ 0,004
Плотность теплового потока с одной стороны пенослоя Eп, Вт/м² (общая E, Вт/м²) Heat flux density on one side of the foam layer Eп, W/m² (total E, W/m²)	840 (1680)

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 представлены спектры направленно-полусферического отражения R λ , % и пропускания T λ , % пенослоя вспененной томатной пасты с ихтиожелатином при двух значениях толщины ( h = 0,004 м и h = 0,002 м) и двух крайних значениях влажности ( w = 0,10 кг/кг и w = 0,78 кг/кг). Наблюдаемая закономерность (уменьшение пропускательной способности и рост отражательной способности при увеличении толщины слоя) характерна для оптически тонких слоёв пищевых и биополимерных материалов и соответствует результатам аналогичных исследований других капиллярно-пористых коллоидных тел [10].

Анализ спектральных кривых (рисунок 1) показывает, что при увеличении влажности продукта от w = 0,10 до w = 0,78 кг/кг наблюдается существенный рост пропускательной способности пенослоя (в диапазоне λ ≈ 800–1400 нм), что обусловлено увеличением доли воды, поглощающей ИК-излучение в коротковолновой части ближнего ИК-диапазона. При λ более 1500 нм пропускательная способность снижается практически до нуля при любой влажности вследствие интенсивного поглощения излучения водой и органическими компонентами томатной пасты [4]. Данное поведение аналогично установленному для желатинового пенослоя [16], однако характеристики исследуемого продукта отличаются по абсолютным значениям вследствие присутствия каротиноидов и других компонентов томатной пасты.

Рисунок 1. Кривые направленно-полусферических терморадиационных характеристик пенослоя томатной пасты с добавлением раствора ихтиожелатина толщиной h = 0,004 м (–) и h = 0,002 м (- – -) при w = 0,10 кг/кг (а) и w = 0,78 кг/кг (b)

Figure 1. Curves of directional hemispherical thermoradiation characteristics of a foam layer of tomato paste with the addition of a solution of ichthyogelatin with a thickness of h = 0.004 m (–) and h = 0.002 m (- – -) at w = 0.10 kg/kg (a) and w = 0.78 kg/kg (b)

Сопоставление спектральных характеристик пропускательной способности пенослоя с относительной интенсивностью излучения различных генераторов (рис. 2) позволяет сделать следующие выводы.

Максимум относительной интенсивности излучения КГТ (2 ~ 800 - 1200 нм при 220 В) совпадает с областью наибольшей прозрачно- сти пенослоя в диапазоне влажности 0,10 ≤ w ≤ 0,78 кг/кг. Данный эффект означает, что излучение КГТ проникает вглубь слоя наиболее равномерно, что обеспечивает объёмный характер нагрева и снижает риск перегрева поверхностных слоёв продукта.

Для длинноволновых генераторов (МП, ПГИИ, ТЭН) максимумы интенсивности приходятся на область 2 > 2000 нм, где пропуска-тельная способность пенослоя близка к нулю: излучение поглощается преимущественно в по- верхностном слое, что ведёт к неравномерному нагреву материала по толщине [10].

(a)                                                               (b)

Рисунок 2. Относительная интенсивность излучения R2M,% различных генераторов (---) в сопоставлении со спектром пропускания Т2,% пенослоя (-) при w = 0,78 кг/кг (а) и w = 0,10 кг/кг (b)

Figure 2. Relative radiation intensity R₂^H ,% of different generators (---) in comparison with the transmission spectrum

T₂ ,% of the foam layer (-) at w = 0.78 kg/kg (a) and w = 0.10 kg/kg (b)

Данный вывод согласуется с результатами исследований, описанных в работе [16] в отношении ихтиожелатинового пенослоя и подтверждает общую закономерность, описанную в монографии [10]: для пеносушки пищевых продуктов с высокой начальной влажностью наиболее рациональным является применение коротковолновых генераторов типа КГТ, обеспечивающих равномерный объёмный прогрев.

По результатам обработки экспериментальных спектрофотометрических данных методом усреднённых характеристик получены аппроксимирующие зависимости оптических характеристик пенослоя – отражательной способности оптически полубесконечного слоя Rx (w) и коэффициента эффективного ослабления потока излучения L(w), м⁻¹:

Rm(w) = a • w + b,

L (w) = a • w5 + b • w4 + a2 • w3 + b • w2 + a3 • w + b, где a, b, ai-as, bi-bs - коэффициенты, значения которых для выбранных пяти генераторов излучения представлены в таблице 2.

Дяченко В.П. и др. Вестник ВГУИТ, 2026, Т. 88, №. 2, С. 267-274

Таблица 2.

Значения коэффициентов уравнений оптических характеристик R , и L , м^-1, пенослоя томатной пасты с добавлением раствора ихтиожелатина для различных генераторов излучения

Table 2.

Values of the coefficients of the equations of the optical characteristics R, and L, m_i, of the foam layer of tomato paste with ichthyogelatin for different radiation generators

Коэффициент Coef	КГТ	НС	МП	ПГИИ	ТЭН
R ,
a	-0,2550	-0,0784	-0,0655	-0,0877	-0,0410
b	0,3891	0,1127	0,0997	0,1261	0,0687
L , м⁻¹
ai	0,5656	-12,8328	-14,2098	-15,1396	7,6301
bi	-0,6905	-31,7731	-33,0546	-31,0427	-10,2851
ai	-4,5249	102,6628	113,6784	121,1172	-61,0412
bi	5,5238	254,1844	264,4372	248,3417	82,2809
аз	4,8239	-240,1609	-255,6498	-279,0178	132,3321
bi	88,9643	-497,0824	-531,6531	-474,3818	-161,1592

Для расчёта распределения объёмной плотности поглощённой энергии излучения по глубине оптически тонкого пенослоя при двустороннем подводе теплового потока плотностью En = 840 Вт/м2 использована модель, предложенная в работе [10] и изображенная на рисунке 3.

exp ( -L (w, 0.004 - x) ■ (0,004 -x))-

+840 ■ £ ((0.004 - x), w)------    -----7

1- у* (w,(0,004-A'))

w2 (w, (0,004-x))      , ,               . .

----------------exp (L (w, (0,004 - x)) ■ (0,004 - x

Рисунок 3. Модель для расчета функции W = f ( x, w ), Вт/м ² распределения объёмной плотности поглощённой энергии излучения по глубине оптически тонкого пенослоя при двустороннем подводе теплового потока плотностью E_n = 840 Вт/м2

Figure 3. Model for calculating the function W = f ( x, w ), W/m ² of the distribution of the volumetric density of absorbed radiant energy by the depth of an optically thin foam layer with a two-sided supply of heat flux with a density of E n = 840 W/m2

В составе указанной модели у ( w, x ) = R , ( w ) exp(- L ( w, x ) x ), R,. ( w ) - это отражательная способность оптически полубесконеч-ного слоя, L ( w, x ), м⁻¹ является коэффициентом эффективного ослабления потока излучения по мере его распространения в слое.

На рисунке 4 представлена трёхмерная графическая интерпретация зависимости W = f ( x, w ) для излучателя КГТ в диапазоне влажности 0,10 ≤ w ≤ 0,78 кг/кг и глубины 0,000 ≤ x ≤ 0,004 м. Форма поверхности W = f ( x, w ) демонстрирует характерное для оптически тонких слоёв при двустороннем облучении параболическое распределение с максимумами у обеих поверхностей слоя и минимумом в центральной части слоя.

Рисунок 4. Поверхность W = f ( x, w ), Вт/м³ для пенослоя томатной пасты с добавлением раствора ихтиожелатина в диапазоне 0,10 ≤ w ≤ 0,78 кг/кг и 0,000 ≤ x ≤ 0,004 м при нагреве КГТ и Е п = 840 Вт/м

Figure 4. Surface W = f ( x, w ), W/m³ for a foam layer of tomato paste with the addition of a solution of ichthyogelatin in the range of 0.10 ≤ w ≤ 0.78 kg/kg and 0.000 ≤ x ≤ 0.004 m when heated by KGT and Е п = 840 W/m

При сокращении влажности от 0,78 до 0,10 кг/кг наблюдается уменьшение значений W . Данный эффект обусловлен снижением поглощательной способности продукта по мере сокращения количества влаги в нем. Сравнение кривых W = f ( x ) при w = const для пяти генераторов излучения (рисунок 5) показывает, что излучатель КГТ обеспечивает минимальную неоднородность распределения поглощённой энергии по глубине пенослоя. Для длинноволновых генераторов (НС, МП, ПГИИ, ТЭН) отношение значений W у поверхности и в центре пенослоя существенно выше, что свидетельствует о концентрации поглощения в поверхностных зонах и сопряжено с риском перегрева поверхности при высокой интенсивности подводимого потока.

Установленный характер зависимостей W = f ( x, w ) для пенослоя томатной пасты с добавлением раствора ихтиожелатина качественно совпадает с аналогичными зависимостями, полученными для пенослоя ихтиожелатина [16] и других биополимерных материалов [10] и, вероятно, обусловлен специфическим оптическим поведением материала томатной пасты

Таким образом, полученные зависимости W = f ( x, w ) количественно характеризуют процесс поглощения ИК-излучения пенослоем исследуемого продукта и могут быть использованы при моделировании нестационарных температурных полей в обезвоживаемом материале, как компонент системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса [10]. Применение излучателей КГТ (220 В) при конвективнорадиационной пеносушке вспененной томатной пасты с ихтиожелатином следует признать наиболее рациональным в сравнении с рассмотренными генераторами, поскольку в данном случае обеспечивается минимальная неоднородность нагрева по толщине слоя во всём диапазоне влажности продукта, что снижает вероятность термического повреждения каротиноидов и аскорбиновой кислоты в процессе влагоудаления [4].

О 0,0005   0,001   0,0015   0,002   0,0025 0,003   0,0035 X, М            0     0,0005   0,001   0,0015   0,002   0,0025   0,003   0,0035 X,

(a)                                                               (b)

Рисунок 5. Кривые W = f ( x ) для влажного при w = 0,78 кг/кг (а) и сухого при w = 0,10 кг/кг (b) пенослоя томатной пасты с добавлением раствора ихтиожелатина при нагреве различными генераторами и E п = 840 Вт/м²

Figure 5. Curves W = f ( x ) for wet at w = 0.78 kg/kg (a) and dry at w = 0.10 kg/kg (b) foam layer of tomato paste with the addition of ichthyogelatin solution when heated by different generators and E п = 840 W/m²

Заключение

Экспериментально-аналитическим методом получены и проанализированы оптические и терморадиационные характеристики оптически тонкого пенослоя томатной пасты с добавлением раствора ихтиожелатина. Получены аппроксимирующие зависимости оптических характеристик R ∞ ( w ), L ( w ), м⁻¹, W = f ( x, w ), Вт/м³, для пяти генераторов ИК-излучения (табл. 2) при двустороннем энергоподводе с суммарной плотностью подаваемого на продукт теплового потока E = 1680 Вт/м², справедливые в спектральном диапазоне 800 ≤ λ ≤ 2500 нм и в диапазоне влажности продукта 0,10 ≤ w ≤ 0,78 кг/кг.

По результатам сравнительного анализа полученных зависимостей, а также сопоставления эмиссионных характеристик генераторов и спектральной пропускательной способности пенослоя подтверждена целесообразность применения излучателей КГТ (220 В) для обеспечения наиболее равномерного прогрева продукта по толщине слоя во всём рассматриваемом диапазоне влажности. Полученные зависимости применимы для последующего моделирования нестационарных температурных полей в процессе конвективно-радиационной сушки пено-слоя томатной пасты с добавлением раствора ихтиожелатина в качестве пенообразователя и стабилизатора. Результаты настоящего

Дяченко В.П. и др. Вестник ВГУИТ, 2026, Т. 88, №. 2, С. исследования формируют научную основу для разработки технологии и оборудования для переработки томатной пасты в томатный порошок с использованием отечественного биополимерного пенообразователя из отходов рыбопереработки.

В части исследования оптических свойств работа выполнена с использованием оборудования

ЦКП «Структурная диагностика материалов» Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ «Курчатовский институт» при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания НИЦ «Курчатовский институт»