Влияние режимов импульсной инфракрасной обработки и сушки томатов на биотехнические условия нагрева

Введение. Стратегической задачей аграрной политики государства считается увеличение производительности переработки сельскохозяйственных продуктов, в том числе томатов, так как томаты относятся к скоропортящимся продуктам [1]. Выполнение поставленной таким образом задачи вполне вероятно за счет внедрения новейших прорывных технологий переработки томатов, позволяющих многократно уменьшить издержки продукции при их хранении. Решение проблемы комплексной переработки томатного сырья и получение конкурентоспособных товаров базируются на инновационных разработках их изготовления, применении физических, биологических и технологических способов переработки, а также на использовании передовых технических средств.

Томаты, подверженные технологической обработке, имеют значительную биологическую ценность, антиоксидантную активность и имму-нозащитные качества. В данном продукте в высококонцентрированном виде присутствуют биологически активные элементы, определённое содержание ликопина, β -каротина, витамина С , полифенолов и флавоноидов. Высокое значение имеет ликопин, имеющий не только антиоксидантные качества, но и лечебно-профилактические. Ликопин может применяться для изготовления функциональных продуктов питания и биологически активных добавок к пище. Значительную важность представляет в мякоти и кожице томатов ликопин, который позволяет обогащать им другие пищевые продукты [2, 3]. Свежее овощное сырье имеет определенные сроки хранения, вследствие чего для большей сохранности ценных и питательных веществ необходимо разрабатывать щадящие способы консервирования томатов.

В связи с этим весьма актуальной считается задача улучшения методов сушки с наибольшим сохранением физиологически ценных веществ свежих томатов [4]. Для получения сушёных томатов высочайшего качества необходимо производить технологическую обработку соответствующим образом, а именно – с соблюдением биотехнических критериев нагрева, то есть при такой температуре сушильного агента, которая не разрушит витаминных и минеральных качеств томата, а, наоборот, сохранит и приумножит. Все плодоовощное сырье обладает термолабильными свойствами. Томаты в данном случае не исключение. Ведущей предпосылкой нежелательных перемен их состава в процессе сушки, в частности органолептических показателей, считаются реакции меланоидинообразования (Майяра), которые обуславливают неферментативное покоричневение томатов в процессе термической обработки [5].

Цель исследований . Изучение влияния режимов импульсной инфракрасной обработки и сушки томатов на биотехнические условия нагрева.

Объект и методы исследований. Как уже говорилось ранее, томаты обладают термолабильными свойствами. Для большинства таких материалов и пищевых продуктов фактором, лимитирующим длительность их присутствия в сушильной камере, считается максимально допустимая температура нагрева или биотехнические ступени нагрева [2, 6], поэтому для этих продуктов следует использовать разбивку процесса сушки на отдельные зоны. Процесс сушки при этом осуществляется по ступенчатому режиму с постепенным изменением в каждой последующей зоне параметров сушильного агента. Обычно главным параметром сушильного агента, определяющим режим сушки, является его температура, которая в значительной степени обуславливает температуру продукта. Температура продукта считается обобщенным показателем интенсивности протекания массо-обмена и теплообмена. Значение температуры продукта обуславливается, во-первых, температурой сушильного агента, во-вторых, влажностью продукта, определяя, таким образом, в значительной степени и интенсивность протекания химических реакций. Таким образом, поддержание температуры продукта на протяжении всего процесса сушки ниже значения некоторой критической ступени, определяемой биотехническими условиями, позволяет в значительной степени уменьшать ненужные изменения свойств термочувствительных продуктов [7].

На основании исследования динамики становления реакций неферментативного покорич-невения в процессе сушки томатов при разных температурах был разработан ступенчатый режим сушки с различным уровнем энергоподвода. В качестве критического параметра была принята температура продукта. В ходе проведения эксперимента и его анализа определена критическая температура томатов, которая равна 58 °С, следовательно, в дальнейшем процессе сушки уровень данного параметра не должен превышаться [4].

Для того чтобы увеличить производительность процесса сушки, нами были использованы импульсные керамические нагреватели, которые основаны на применении импульсной инфракрасной сушки [8]. Преимуществом технологии данной сушки является возможность производить продукты без консервантов, наполнителей, химических и нежелательных ароматических веществ и множества иных добавок. Это объясняется тем, что источник излучения обла- дает своими особенностями. Входящая в состав нихромовая спираль, расположенная в трубке, изготовленной из чистого кварцевого стекла, покрытого многослойным функциональным керамическим покрытием, является источником первичного ИК-излучения. Имеющееся керамическое покрытие гарантирует преобразование полного диапазона ИК-излучения от нагревательного элемента в излучение очень узкого диапазона ближней области ИК-спектра, при этом излучение проходит не в непрерывном режиме, а идет в виде ряда импульсов продолжительностью 10 мк в секунду. Уровень энергии соответствует излучаемому ИК-диапазону [9].

Эффект импульсного преобразования основан на циклических энергетических превращениях, происходящих в системе. Благодаря тому, что керамика аккумулирует тепловое излучение, преобразует его, а далее импульсно «выстреливает» излучение в нужной области спектра, представленный вид излучателей приобретает большую индивидуальность и востребованность в данной сфере деятельности. Длина волны генерируемого излучения находится в пределах 1,7÷5,8 мкм. В результате высокой проникающей способности импульсного ИК-излучения определённой мощности и с соответствующей длиной волны органические и биоорганические молекулы диссоциируют микроорганизмы, споры, грибки с последующим разрушением и уничтожением вирусов [9, 10]. Таким образом, использование особенностей импульсного ИК-излучения позволяет получать продукты длительного хранения за счет обеззараживания продуктов и одновременного удаления влаги [11, 12].

При применении в технологии ИК-обработки и сушки импульсных керамических ИК-излучателей режим управления можно именовать импульсной инфракрасной обработкой с определённым способом энергоподвода. В представленном режиме были исследованы три варианта использования импульсного метода управления ИК-энергоподводом: повторнократковременный энергоподвод (рис. 1), с возрастанием уровня энергоподвода (рис. 2), со снижением уровня энергоподвода (рис. 3).

Рис. 1. Повторно-кратковременный режим управления энергоподводом

Рис. 2. Режим управления с возрастанием уровня энергоподвода

Рис. 3. Режим управления со снижением уровня энергоподвода

При изучении управления режимами энергоподвода с импульсными керамическими нагревателями в процессах переработки томатов были взяты во внимание данные лабораторных и производственно-экспериментальных исследо- ваний, целью которых являлось определение времени работы облучателя в первом цикле, оно определялось по методике, представленной в работе [2]

t

max

t max

1 - е ^т н

-г » Л

⁺ t min

•

- T o

T е ^н .

Основание (1) определяется по формуле

- T o

^{— T} o

t

maх

= t maх

T

— t • е " maх

+ t • е ^тн min

.

где цикл – отношение времени цикла или его ТН части к постоянной времени нагрева корнеплодов. С использованием разработанной аналитической модели, выявленных закономерностей управления облучением обоснованы эффективные дискретные режимы изменения периода работы излучателя, представленные в [7]

•^т 0

T н е    t _max

tm )   tm min     max

^— t min .

f (т )=

I »

T е ^н

t max

— t,

max

t max

— t • min

.

Прологарифмируем выражение (4) по основанию

а

—

Т н

ln ^{t max} t max

— t,

—

max

.

t min

т — Т ln-max   min то = Тн max    max

Так как время сушки материала значительно влияет на максимальную возможную скорость нагрева, то из выражения (6) следует

T 01 = Т н ln      max .min -----,   (7)

t max     н пред.доп .

где Т н – постоянная времени нагрева; t max – максимально допустимая температура нагрева; t min – минимальная температура; V пред.доп. – предельно допустимая скорость нагрева.

Результаты исследований и их обсуждение. В результате теоретических исследований были найдены закономерности управления прерывным облучением. Характеристика этих закономерностей укладывается в теорию степенных рядов. Длительность работы облучателя для второго и последующих циклов определяется по формуле

^T раб = exP^{( — Т} цикл / ^Т н ),       (8)

с

С _М

излучение , т = 10 k, k = 1,2, ..., , (9)

пауза ,      т = 2 k , k = 1,2, . ,

Постоянная времени нагрева это и есть время, в течение которого превышение температуры корнеклубнеплода достигло бы конечного, установившегося уровня, если бы не было отдачи тепла в окружающую среду. Поскольку процесс сушки протекает в изолированной камере и практически нет отдачи тепла в окружающую среду, то значение постоянной времени нагрева становится определяющим при выборе режима ИК-энергоподвода. Она не зависит от подводимой мощности и численно равна отношению теплоемкости тела к его теплоотдаче [2]

Т

н

С

Qпр

где С – теплоемкость продукта, Дж/°С; Q пр – теплоотдача продукта, Дж/°С·с.

При наличии теплоотдачи за время, равное постоянной времени нагрева, превышение температуры продукта достигает значения, равного 0,632 от установившегося [2]. Теплоемкость материала зависит от теплоемкости сухого вещества и воды. Удельная теплоемкость сухих веществ растительного сырья лежит в пределах 0,733–1,55 Дж/(кг·°С).

В связи с тем, что теплоемкость воды С = 4,1868·10³ Дж/(кг·°С) намного выше теплоемкости сухих веществ, теплоемкость томатов при сушке значительно уменьшается.

Теплоемкость влажных материалов определяем из выражения:

С св. • (100 — ш ) + С н 2 О -ш = С с . в .. - 100 + С н 2 О • U 100                100 + U

где С с.в . – теплоемкость сухих веществ материала; С _{Н О} – теплоемость воды, Дж/(кг·°С); ω – влажность материала, %; U – влагосодержание материала, %.

Уравнение для определения постоянной нагрева можно представить следующим образом:

Т

С = с ⋅ М Q пр = α ⋅ F

где с – удельная теплоёмкость томатов, Дж/кг∙°С; М – масса томатов, кг; α – коэффициент теплоотдача, Дж/м² ∙°С∙с; F – площадь внешней поверхности продукта, м².

Или записать в следующем виде:

Т Н = ^{с ⋅} ρ ⋅ ^V .          (13)

α F

Обозначив отношение V параметром σ, F получим выражение для постоянной времени нагрева, которое примет вид

Т Н = ^{с ⋅} ρ ⋅ σ .          (14)

α

Используя представленные выражения, произвели расчет постоянной времени нагрева для томатов в зависимости от их влажности и геометрических параметров (табл.).

Постоянная времени нагрева томатов

Исходное сырье	Содержание влаги w , %	Обобщенный показатель V ·10-3, м F	Постоянная времени нагрева Т , с
Томаты	10	1 -5,6	78 - 262
	20		91 - 381
	30		98 - 345
	40		104 - 364
	50		122 - 408
	60		139 - 452
	70		144 - 492
	80		158 - 568

Выводы . Применение представленной технологии определения постоянной времени нагрева дает возможность обнаружить эффективные режимы для обработки и сушки томатов на основании теплофизических свойств и геометрических параметров продуктов. Определенный режим со снижающимся уровнем энергоподвода позволяет реализовывать биотехнические условия нагрева и получать продукты с высококачественными показателями. Изучение режимов импульсной инфракрасной обработки и сушки томатов показало, что зависимость изменения влагосодержания и температуры продукта от уровня энергоподвода полностью отражает условия биотехнического нагрева при снижении уровня энергоподвода, а длительность сушки занимает меньше времени.