Исследование влияния низких температур на процесс разрушения скорлупы фундука

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование влияния низких температур на процесс разрушения скорлупы фундука

Е.Н. Неверов

И.Б. Плотников

Р.Ю. Схаплок

Н.В. Пасечников

Аннотация

Актуальность. Процесс замораживания ореха фундука с помощью жидкого азота сопровождается снижением температуры скорлупы ореха и изменением её структурного состояния, позволяющего разрушаться хрупко или вязко. Чем она ниже, тем выше вероятность того, что материал будет испытывать хрупкое разрушение. Объект исследований. Объектами исследования является орех крупноплодных форм лещины, называемый фундуком. В исследовании использовались орехи, не имеющие механических повреждений, зрелые. Материал и методы. Для определения предела прочности для скорлупы фундука при различных температурах использовался метод испытания материалов при сжатии. Испытания материалов при сжатии выполнялись на универсальной гидравлической испытательной машине марки ПМ-МГ4. Для определения величины деформации использовалась высокоскоростная камера Evercam 1000-8M. Для выявления склонности материала к хрупкому разрушению образцы подвергали динамическому нагружению на специальной установке - копре маятникового типа. Результаты и выводы. Результаты проведённых экспериментов показали, что понижение температуры скорлупы ореха ведет к переходу от смешанного к хрупкому характеру разрушения скорлупы при температурном диапазоне -40… - 80°С. Понижение температуры скорлупы позволяет снизить её предел прочности в среднем на 25-30% в зависимости от размеров ореха. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых способов и технологий, основанных на них, обрушивания орехов фундука. Также значения пределов прочности скорлупы орехов возможно использовать при проектировании и расчете оборудования для обрушивания.

Ключевые слова: скорлупа фундука, фундук, разрушение скорлупы, ядра фундука.

Abstract

гидравлический замораживание орех

Investigation of the effect of low temperatures on the process of destruction of hazelnut shell

E.N. Neverov, I.B. Plotnikov, R. Yu. Skhaplok, N.V. Pasechnikov

Introduction. The process of freezing hazelnuts with liquid nitrogen is accompanied by a decrease in the temperature of the nut shell and a change in its structural state that allows it to break down brittle or viscous. The lower it is, the higher the probability that the material will experience brittle fracture. Object. The objects of the study are the nut of large-fruited forms of hazel, called hazelnuts. The study used nuts that do not have mechanical damage, mature. Materials and methods. To determine the ultimate strength for hazelnut shells at different temperatures, the method of testing materials under compression was used. Compression testing of materials was carried out on a universal hydraulic testing machine of the PM-MG4 brand. To determine the amount of deformation, a high-speed Evercam 1000-8-M camera was used. To identify the tendency of the material to brittle destruction, the samples were subjected to dynamic loading on a special installation - a pendulum - type copra. Results and conclusions. The results of the experiments showed that a decrease in the temperature of the nut shell leads to a transition from a mixed to a brittle nature of shell destruction at a temperature range of -40… -80° C. Lowering the temperature of the shell allows you to reduce its tensile strength by an average of 25-30%, depending on the size of the nut. The obtained results can be used in the development of new methods and technologies based on them for the collapse of hazelnuts. Also, the values of the strength limits of the nutshell can be used in the design and calculation of equipment for collapse.

Key words: food industry, hazelnuts, shell destruction, low temperatures.

Основная часть

Широкое распространение в различных отраслях пищевой промышленности нашли ядра различных орехов. Основной является кондитерская отрасль, где обжаренные ядра орехов применяются при производстве пралиновых конфет, в качестве основы кондитерских масс, начинок и т.п. Однако в последнее время широко применяются и в молочной промышленности, особенно это характерно для сыроделия, где обжаренные измельченные ядра орехов вносятся с целью повышения пищевой ценности ивкусоароматического компонента в плавленые и мягкие сыры. Масла, полученные путем прессования ядер орехов, применяются в пищевой промышленности и нашли применение в косметологии. Систематическое употребление обжаренных ядер орехов позволяет повысить питательную ценность дневного рациона человека.

Одним из видов орехов, применяемых в пищевой промышленности, является фундук. В нашей стране орех культивируют в Крыму, Закавказье и других районах Кавказа. Соотношение ядра и скорлупы для этих орехов колеблется в пределах 45/55. Ядра фундука имеют богатый аминокислотный и витаминный состав.

В некоторых районах Российской Федерации в некультивированном виде произрастает лещина обыкновенная, или орешник. Орех лещины по внешнему виду, химическому составу, вкусовым и ароматическим качествам сильно похож на орех фундука, но качество ореха лещины, как в свежем, так и в переработанном виде, сильно уступает. Широкое применение данных орехов сдерживается отсутствием высокоэффективной технологии обрушивания, что связано с небольшими размерами относительно фундука и меньшим соотношением ядро / скорлупа. Сложность переработки также связана с трудностями получения цельного ядра при обрушивании [3, 4, 6, 7, 10].

Несмотря на различные способы переработки орехов различных культур, одной из первых стадий является обрушивание - удаление скорлупы и получение цельного ядра. Первичная стадия переработки производится обычно на небольших заготовочных предприятиях, для которых актуальным является вопрос экономической эффективности, для чего затраты на технологические и транспортные процессы должны быть минимальны при максимальной их производительности и гибкости.

Процесс обрушивания орехов - это процесс разрушения скорлупы ореха с последующим его отделением. Процесс разрушения скорлупы ореха включает следующие этапы: появление трещин субмикроскопических размеров, их развитие и окончательное макроскопическое деление скорлупы на части.

Существует несколько способов проведения процесса разрушения (дезинтеграции, диспергирования): резание, раскалывание, раздавливание, разламывание, истирание, свободный и стесненный удар [2].

На практике для разрушения скорлупы орехов нашёл применение способ - раздавливание между двумя вращающимися вальцами, между вальцом и неподвижной поверхностью и т.п. Данный способ применяется в большинстве обрушивающих машин. Однако принимая во внимание, что КПД процесса разрушения не превышает 1-1,5% можно сказать, что эффективность данного оборудования не высока [11, 12].

При рассмотрении теории прочности можем увидеть два направления: разрушение за счет отрыва или скола (в результате действия растягивающих напряжений) и за счет среза (в результате действия касательных напряжений). При отрыве происходит такое разрушение, которое не сопровождается какой-либо заметной предварительной пластической деформацией. При этом разрушению за счет среза такая деформация (иногда достаточно значительная по величине) всегда предшествует. В связи с этим считают, что отрыв сопровождается, как правило, хрупким разрушением, а срез - вязким.

Характер видов разрушений определяется процессом возникновения зародышевой трещины и ее последующим распространением. Исходя из механизма образования трещины, хрупкое и вязкое разрушения принципиально между собой не отличаются.

Но, при детальном анализе можно обратить внимание на то, что при развитии вязкой трещины в состав разрушения включается значительное пластическое течение, а при развитии хрупкой трещины разрушение сопровождается минимальной пластической деформацией. Во время хрупкого отрыва энергия разрушения идет в основном на преодоление сил притяжения между атомами, находящимися с обеих сторон по пути трещины (и, следовательно, на образование дополнительной поверхности раздела). При случае вязкого разрушения составляющую расхода энергии на преодоление сил притяжения между атомами намного превосходят затраты энергии на пластическую деформацию, связанную с процессом разрушения. Таким образом, направленность к развитию пластической деформации при разрушении определяется, как правило, условиями движения дислокаций в области растущей трещины [1].

Материалы и методы. Исследование проводилось на орехах фундука, для чего отбирались образцы с одинаковыми размерами и формой. Образцы делились на три группы со следующими средними размерами: 7, 10, 15 мм. Все образцы имели одинаковую начальную влажность 6%, которую предварительно определяли на влагомере модели A&DML-50 и далее образцы помещались в эксикатор.

Температурные режимы исследования групп образцов принимались: 25, 0, -10, - 20, -40, -80, -190°С. Для достижения температур образцов: 0, -10, -20°С их подвергали термостатированнию в течении 2 часов в морозильной камере марки LiebHerrLGT2325. Температура -40°С достигалась в камере марки LiebHerrLGT2325, а для достижения температуры -80°С использовалась морозильная камера марки SUFsg7001 MediLine. Температурный режим -190°С достигался путем термостатирования образцов в среде жидкого азота в течение 20 минут [8].

Испытания материалов при сжатии выполнялся, на универсальной гидравлической испытательной машине марки ПМ-МГ4 (рисунок 1), максимальное развивающее усилие составляет 1 кН. Данная машина используется при испытании образцов элементов конструкций и различных материалов. Частота динамической нагрузки может изменяться от 3 до 12 миллиметров в мин., а допускаемая погрешность показаний при статических нагрузках ±1% от измеряемой нагрузки.

Рисунок 1. Гидравлическая испытательная машина марки ПМ-МГ4

Для определения величины деформации использовалась высокоскоростная камера Evercam 1000-8-M.

Методика экспериментальных исследований состояла в следующем. По пять образцов из каждой группы при заданной температуре помещались на специальное центрирующее приспособление, установленное на испытательной машине в центре стола. При испытании образца деформирование продолжают до разрушения скорлупы. По показанию си - лоизмерителя определяют разрушающую нагрузку скорлупы ореха. Далее определив площадь поверхности разрушенной скорлупы, вычисляют предел прочности на сжатие.

Измерение величины деформации проводилось путем скоростной съемки экспериментального исследования от момента соприкосновения толкателя до момента разрушения скорлупы.

Из полученных пяти образцов каждой группы были вычислены средние значения.

При определении стойкости скорлупы ореха к хрупкому разрушению моделировали экспериментальные исследования в условиях, максимально приближенным к стимулированию такого разрушения. Для этого скорлупу ореха подвергали динамической нагрузке на копре маятникового типа (рисунок 2), в котором они разрушаются в результате удара свободно падающей головки маятника (реализуется эффект скоростного деформирования).

Рисунок 2. Маятниковый копер для динамических испытаний

Методика экспериментальных исследований состояла в следующем. Вначале определялась работа потерь маятника при холостом ходе. Далее образцы укладывались на площадку копра и производилось их разрушение. Затраты энергии на разрушение определялись путем вычитания из значения энергии разрушения, полученной при испытании, значения энергии холостого хода [5, 9].

Результаты и обсуждение. Серия экспериментов позволила определить предел прочности скорлупы фундука различных первоначальных размеров при сжатии. На рисунке 3 представлена диаграмма в координатах F-Alиз которой видно, что, не смотря на различные первоначальные размеры скорлупа представляет собой хрупкий материал.

Figure 3. Compression diagrams of samples of various average diameters

Разрушение скорлупы происходит в местах наибольшей концентрации напряжений путем зарождения и развития трещин, приводящих к разрушению материала. Трещины зарождаются и развиваются в местах несовершенства структуры материала, дефектов, посторонних микроскопических включений, микротрещин и т.д. Чем больше поверхность скорлупы, тем больше вероятность появления таких дефектов. Этим можно объяснить, что предел прочности орехов при сжатии с меньшими размерами имеет большее значение, чем для орехов с большей площадью поверхности.

На рисунке 4 представлена гистограмма значений предела прочности при сжатии образцов со средним диаметром 10 мм при различных температурах скорлупы.

Рисунок 4. Гистограмма значений предела прочности при сжатии образцов со средним диаметром 10 мм при различных температурах скорлупы

Полученные значения позволяют утверждать, что при понижении температуры предел прочности скорлупы ореха снижается. При значениях температур 25°С и 0°С значения предела прочности близки и максимальны относительно других диапазонов температур. Предел прочности при температурах -10°С и -20°С также одинаковы и незначительно меньше предела прочности при более высоких температурах. Более значительное снижение прочности скорлупы достигается при температурах от -40°С до -80°С. При этом внутри этого температурного диапазона изменение предела прочности изменяется не значительно.

С понижением температуры процесс разрушения происходит практически без предварительной деформации, что говорит об увеличении хрупкости до максимального значения при моделируемых условиях в экспериментальной установке это значение достигается при температуре -190°С, а предел прочности при сжатии скорлупы ореха составляет 5,4 МПа. При этом можем наблюдать значительную разницу в пределе прочности скорлупы ореха без заморозки и замороженного, порядка 3,5 МПа, что составляет 40%.

На рисунке 5 представлена гистограмма значений предела прочности при сжатии образцов при температуре -190°С с различными средними диаметрами.

Рисунок 5. Гистограмма значений предела прочности при сжатии образцов при температуре -190°С с различными средними диаметрами

Полученные значения позволяют утверждать, что при понижении температуры значения предела прочности при сжатии снижаются, несмотря на разницу в размерах образцов. При этом значения пределов прочности при снижении температуры будет заметно ниже с увеличением диаметра ореха, на что существенное влияние оказывает площадь поверхности, таким образом, при диаметре ореха 15 мм предел прочности составляет 2,8 МПа, а среднее значение при выбранных диаметрах орехов составляет 5,4 МПа.

Если принять, что при высоких и средних температурах при сжатии наблюдается смешанное разрушение, суть которого в том, что протекающее на начальном этапе вязкое разрушение затем завершается переходом материала в хрупкое состояние. Это происходит при условии, что постепенно растущее напряжение превысит а_крит и вязкая трещина станет хрупкой и на заключительном этапе разрушение происходит по классическому хрупкому механизму То разрушение при пониженных температурах носитклассических хрупкий характер. Исходя из этого можно сказать, что скорлупа ореха обладает хладноломкостью, то есть склонна к проявлению (или усилению) хрупкого разрушения при понижении температуры.

Для определения значение диапазона температур хрупкого перехода была поставлена серия экспериментов на маятниковом копре, как способе наибольшим образом стимулирующем хрупкое разрушение.

На рисунке 6 представлена гистограмма значений ударной вязкости для образцов со средним диаметром 10 мм при различных температурах.

Рисунок 6. Гистограмма значений ударной вязкости для образцов со средним диаметром 10 мм при различных температурах

Из полученных результатов можно утверждать, что переход в чисто хрупкое состояние скорлупы ореха происходит при температурном диапазоне -40… - 80°С. Об это косвенно свидетельствуют пределы прочности скорлупы в данном диапазоне температур. Близкие значения ударной вязкости и предела прочности скорлупы при температурном диапазоне от -40 до -80°С позволяют сделать вывод, что для снижения затрат на процесс разрушения и повышения его КПД достаточно понизить температуру скорлупы ореха до -40°С, что будет достаточно для перехода ее в чисто хрупкое состояние.

Результаты проведённых экспериментов показали, что понижение температуры скорлупы ореха ведет к переходу от смешанного к хрупкому характеру разрушения скорлупы при температурном диапазоне -40. - 80°С.

Понижение температуры до -40°С ведет к снижению прочности скорлупы, но не более чем на 5-8%. Снижение температуры скорлупы от -40°С и вплоть до -80°С дает снижение предела прочности на 30-35% в независимости от размеров образцов. Снижение температуры скорлупы до -190°С позволяет снизить предел прочности до минимальных значений, но данные температуры сложно достичь и снижается экономическая эффективность процесса обрушивания. Кроме того, при температурах скорлупы ниже - 40°С процесс разрушения сопровождается наименьшим количеством мелкой фракции и максимальной сохранностью ядра.

Следовательно, для достижения максимального экономического эффекта обрушивания фундука необходимо снижение температуры его скорлупы до температуры -40°С.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых способов и технологий обрушивания орехов фундука. Так же значения пределов прочности скорлупы орехов, возможно, использовать при проектировании и расчете оборудования для их обрушивания.

Библиографический список

1. Выскребенец А.С., Петров В.К. Совершенствование технологии и оборудования для разрушения скорлупы различных видов орехов // Научно-технический вестник Поволжья. Владикавказ: Северо-кавказский горно-металлургический институт, 2012. С. 193-195.

2. Шмалько Н.А., Смирнов С.О. Способ очистки зерна амаранта от примесей // Техника и технология пищевых производств. 2017. Т. 46. №3.

3. Effect of fe impregnation on CO2-assisted pyrolysis of hazelnut shell / R. Liu, C. Li, J. Zheng, L. Liao, Y. Zhang // Fuel. 2022. V. 324. 1244514.

4. Effects of different processing methods on the lipid composition of hazelnut oil: A lip - idomics analysis / J. Sun, X. Feng, C. Lyu, S. Zhou, Z. Liu // Food Science and Human Wellness. 2022. V. 11 (2). P. 427-435.

5. Effect of low oxygen on quality attributes of `Barton' pecan nuts after long-term storage at different temperatures / S.R. Ribeiro, Q.M. Ribeiro, B. Klein, I. Duarte dos Santos, S. Forgiarini, J.J. Hamann, A.J. Cichoski // Scientia Horticulturae. 2020. V. 263. 109098.

6. Goksu A.G., Јakir B., Gulseren І. Industrial utilization of bioactive hazelnut peptide fractions in the manufacture of functional hazelnut paste: ACE-inhibition and allergy suppression // Waste and Biomass Valorization, 2022. V. 13 (8). P. 3561-3572.

7. Identification of TIFY gene family in walnut and analysis of its expression under abiotic stresses / X. Liu, F. Yu, G. Yang, X. Liu, S. Peng // BMC Genomics. 2022. V. 23 (1). 190 p.

8. Interaction of oxygen and moisture content on `Barton' and `Jackson' pecan storage / F.R. Thewes, V. Both, A. Brackmann, E.E. Schultz, Pasquetti Berghetti, M.R. Soldateli, F.J. Wendt // Postharvest Biology and Technology. 2021. V. 179. 111584.

9. Low temperature facile synthesis of ZnO nuts and needle like microstructures / T.V.K. Karthik, V.R. Lugo, A.G. Hernandez, J.L.N. Jimenez, D. Sanchez-Campos, H.G. Pozos, D.M. Anaya, E. Cerecedo-Saenz // Materials letters. 2019. V 246. P. 56-59.

10. Microwave-assisted extraction of antioxidant compounds from by-products of turkish hazelnut (corylus avellana L.) using natural deep eutectic solvents: Modeling, optimization and phenolic characterization / M. Bener, F.B. §en, A.N. Onem, B. Bekde§er, S.E. Јelik, M. Lalikoglu, R. Apak // Food Chemistry. 2022. V. 385. 132633.

11. Studying the sublimation of carbon dioxide / E.N. Neverov, I.A. Korotkiy, E.V. Korot - kaya, A.N. Rasshchepkin // Periodico Tche Quimica. 2021. V. 18. №37. P. 1-12.

12. The design of the device for the solid carbon dioxide production / E.N. Neverov, I/ A. Korotkiy, A.N. Rasshchepkin, M.I. Ibragimov, A.N. Grinyuk // International Conference on Production and Processing of Agricultural Raw Materials - Equipment and Facilites of Agricultural Processing. 2021. P. 072022.

Размещено на Allbest.ru