Розробка процесів холодильної технології плодів манго методами теплофізичного моделювання

Математична модель процесів респірації та транспірації, що протікають при зберіганні плодів, ягід, овочів в умовах МГС побудована у вигляді диференційних рівнянь хімічної кінетики з використанням гіпотези про фермент-субстратний комплекс та гіпотези про ізобарно-ізоентальпійне протікання процесу випаровування води (транспірації) з поверхні продукту в МГС. Проведено экспериментальне хроматографічне дослідження МГС при зберіганні плодів манго, що дозволило визначити ряд параметрів математичної моделі. Апробація моделі проведена на прикладі плодів манго і ягід чорниці з використанням як своїх, так і експериментальних даних інших авторів.

На лабораторному стенді методом ядерного магнітного резонансу одержано дані для масової частки вимороженої води у плодах манго при температурах до мінус 45 єС, а методами низькотемпературної скануючої калориметрії встановлено, що фазові перетворення «склована вода - рідинна вода -кристалічний лід» при розморожуванні м'якоті манго протікають при температурах мінус 60 - 50 єС. Ці та експериментальні дані інших авторів з теплофізичних властивостей переохолодженої води використані для розробки термодинамічних властивостей манго у діапазоні температур мінус 40 єС - плюс 40 єС з аргументованою похибкою.

Математична модель процесів охолодження і заморожування плодів та м'якоті манго сформульована у вигляді нелінійної крайової задачі теплопровідності, алгоритм її розв'язку побудовано на базі її кінцево-різницевої апроксимації. Проведена апробація моделі та багатоваріантні розрахунки режимів охолодження і заморожування плодів манго та їх м'якоті.

Розроблені техніко-технологічні рекомендації для впровадження розроблених технологій у виробництво.

Ключові слова : Манго, Респірація, Транспірація, Охолодження, Заморожування, Теплофізичні властивості.

Нгуен Вьет Зунг. Разработка процессов холодильной технологии плодов манго методами теплофизического моделирования. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.13 - «Технология консервированных и охлажденных пищевых продуктов». Одесская государственная академия холода. -Одесса, 2008.

Диссертация посвящена экспериментально-теоретическому исследованию ряда свойств плодов манго и разработке процессов двух альтернативных технологий их холодильного хранения - в свежем виде, в условиях формирования ими модифицированной газовой среды (МГС, индивидуальная упаковка), и процесса замораживания отдельных плодов либо мякоти манго, расфасованной в контейнеры.

Математическая модель процессов респирации и транспирации, протекающих при хранении плодов, ягод, овощей в условиях МГС построена в виде дифференциальных уравнений химической кинетики с использованием гипотезы о фермент-субстратном комплексе и гипотезы об изобарно-изоэнтальпийном протекании процесса испарения воды (транспирации) с поверхности продукта в МГС. Проведено экспериментальное хроматографическое исследование дыхания плодов манго при хранении в МГС, позволившее определить ряд параметров математической модели. Апробация модели проведена на примере плодов манго и ягод черники с использованием как своих, так и экспериментальных данных других авторов.

На лабораторном стенде методом ядерного магнитного резонанса получены данные о массовой доли вымороженной воды в плодах манго при температурах до минус 45 єС, а методами низкотемпературной сканирующей калориметрии установлено, что фазовые превращения стеклованная вода -жидкая вода -кристаллический лед при размораживании мякоти манго протекают при температурах минус 60 - 50 єС. Эти и экспериментальные данные других авторов по теплофизическим свойствам переохлажденной воды использованы для разработки термодинамических свойств манго в диапазоне температур минус 40 єС - плюс 40єС с аргументированной погрешностью.

Математическая модель процессов охлаждения и замораживания плодов и мякоти манго сформулирована в виде нелинейной краевой задачи теплопроводности, алгоритм ее решения построен на базе ее конечно-разностной аппроксимации. Проведена апробация модели и многовариантные расчеты режимов охлаждения и замораживания плодов манго и его мякоти.

Разработаны технико-технологические рекомендации для внедрения разработанных технологий в производство.

Ключевые слова: Манго, Респирация, Транспирация, Охлаждение, Замораживание, Теплофизические свойства.

Nguyen Viet Dung. Development of technological refrigerating processes for mango fruits by thermo physical modeling methods. - Manuscript. Thesis submitted in fulfillment of the requirements for a candidate of science (engineering) degree by specialty 05.18.13 - «Technology of preserved and cooled foodstuffs». Odessa State Academy of Refrigeration. -Odessa, 2008.

The thesis is aimed to develop the theoretical bases for processes of mango fruit refrigerating storage by two alternative technologies: (1) fresh type under conditions of the modified atmosphere packaging (MAP), and (2) freezing process of separate fruits or canned mango pulp, based on theoretical and experimental study of various properties of the fruit.

The mathematical model of respiration and transpiration processes of fruits storing under the MAP conditions has been composed as set of the simultaneous differential equations of the chemical kinetics based on assumptions of hypothesis about enzyme-and-substrate reaction complex (a Michaelis-Menten type equation) as well as isobaric-and-isenthalpic proceed of water evaporation process (transpiration) from a product surface under MAP. Parameters applied for modeling actual respiration process in the mango storing under MAP condition have been experimentally determined by the GC (gas chromatograph). The verification of model of respiration-transpiration processes under MAP has been carried out for mangos and blueberries by using own obtained experimental database, as well as referred from other researches.

Experimental data on temperature dependence of the frozen water mass fraction in mango fruits during freezing processes under different temperatures up to a minus 45єС had been received by the nuclear magnetic resonance method carried out in the laboratory of the Institute for Cryobiology and Cryomedicine, Ukraine National Academy of Science, Kharcov, Ukraine. The experimental results showed that there were no significant difference in temperature dependence of the frozen water mass fraction in mango fruits during defrosting processes in 3 cases: (1) fresh fruit defrosted right after freezing, (2) fruit frozen and stored for 1 month in freezer before defrosting, and (3) fruit frozen and stored for 1 month by liquid nitrogen before defrosting. The phase transformations of the system: glass water - supercooled water - crystal ice during defrosting of mango pulp under temperatures of minus 60 - 50єС has been determined using low-temperature scanning differential calorimetric methods. The results showed that the continuation of crystallization as not significant in both cases of storing the fruit in freezers and by liquid nitrogen. These and other experimental data referred from other authors on thermal properties of the supercooled water have been used for developing models of thermodynamic properties of mango within a range of temperatures between minus 40єС - plus 40єС with the argued error. (The errors of prognostication are appraised as ± 8% for CP-Effective thermal specific heat, ±10% for л-Thermal Conductivity, ±5% for -density ).

The mathematical model of cooling and freezing processes of mango fruits and pulp had been developed in the form of a heat conductivity problem with nonlinear boundary condition. The algorithm of the solution is designed on the basis of numerical method with finite-differential approximation. The model verification had been carried out by a multivariable calculation of cooling and freezing conditions of mango fruits and its pulp (Error of temperature field during the mango cooling by air was 0,5-1,5oC, calculation error for freezing time of mango pulp was nearly 7%).

Technological recommendations based on research outcomes for application in food processing industry have been proposed.

Keywords: Mango, Respiration, Transpiration, Cooling, Freezing, Thermal properties.