Інтенсифікація процесів сушіння рослинних пектиновмісних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

національна академія наук україни

інститут технічної теплофізики

УДК 664.8.047

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСІВ СУШІННЯ РОСЛИННИХ

ПЕКТИНОВМІСНИХ МАТЕРІАЛІВ

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ШАПАР Раїса Олексіївна

КИЇВ - 2004



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики НАН України

Науковий керівник: Снєжкін Юрій Федорович, доктор технічних наук, член - кореспондент НАН України, заступник директора з наукової роботи, Інститут технічної теплофізики НАН України

Офіційні опоненти: Малецька Кіра Дмитрівна, доктор технічних наук, Інститут технічної теплофізики НАН України

Крапивницька Ірина Олексіївна, кандидат технічних наук, Національний університет харчових технологій

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”

Захист відбудеться “__6_“_липня_ 2004 р. о _14__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 в Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розіслано “ 3_“ червня_ 2004 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Чайка О.І.



Анотація

Шапар Р.О. Інтенсифікація процесів сушіння рослинних пектиновмісних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2004.

Дисертація присвячена дослідженням методів інтенсифікації процесів сушіння пектиновмісних матеріалів при розробці енергоефективного способу одержання порошків. В основу способу покладено поетапний процес сушіння. Доведено, що за таких умов організації процесу сушіння зростає ступінь збереження пектинових речовин, ліквідується сезонність роботи технологічної лінії, збільшуються обсяги переробленої сировини, підвищується ефективність та продуктивність технологічного обладнання. За результатами експериментальних досліджень встановлено оптимальні параметри теплоносія під час сушіння, запропоновано ступінчаті режими зневоднення пектиновмісних матеріалів, на підставі яких розроблена і впроваджена технологія одержання пектиновмісних порошків з високою желюючою та комплексоутворючою здатністю.

Ключові слова: пектинові речовини, експериментальні дослідження, поетапний процес сушіння, ступінчаті режими зневоднення, технологія одержання, желе- і комплексоутворююча здатність.



АННОТАЦИЯ

Шапарь Р.А. Интенсификация процессов сушки растительных пектиносодержащих материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2004. порошок сушіння зневоднення пектиновмісний

Диссертация посвящена исследованиям методов интенсификации процессов сушки пектиносодержащих материалов при разработке энергоэффективного способа получения порошков. В основе разработанного способа лежит процесс поэтапной сушки: вначале сушка исследуемых материалов до равновесной с окружающей средой влажности, затем их временное хранение и, во внесезонное время, досушивание до низкой конечной влажности. Результаты экспериментальных исследований позволили установить оптимальные параметры теплоносителя во время сушки, разработать ступенчатые режимы обезвоживания, с помощью которых достигается интенсификация и уменьшаются потери пектиновых веществ, устраняется сезонность работы технологической линии, увеличиваются объемы перерабатываемого сырья, повышаются эффективность и производительность технологического оборудования, снижаются энергозатраты.

На основании результатов исследования процесса охлаждения высушенных материалов установлены режимные параметры его проведения и целесообразность для последующего диспергирования. Установлен химический состав, пищевая и энергетическая ценность пектиносодержащих порошков, их желе- и комплексообразующая способности, разработаны условия восстановления полученных порошков в различных средах с целью дальнейшего их использования при производстве продуктов питания.

Разработанная технология внедрена на двух предприятиях и гарантирует высокую степень сохранности пектиновых веществ при переработке исследуемых материалов.

Ключевые слова: пектиновые вещества, экспериментальные исследования, поэтапный процесс сушки, ступенчатые режимы обезвоживания, технология получения, желе- и комплексообразующая способность.



THE SUMMARY

R Shapar Intensification of the processes of drying vegetable pectin - containing materials. - Manuscript.

Dissertation for the degree of candidate of engineering sciences?specialty 05.14.06 - engineering thermophysics and industrial heat power engineering. Institute of Engineering Thermophysics, National academy of Science of Ukraine, Kyev, 2004.

The dissertation is centered on the study of the drying processes intensification methods with the purpose of developing an energy-effective method for the production of pectin containing powders (PPCP). Experimentally proved PPCP technology is based on the step-wise dehydration regimes and a two-stage drying procedure. The technology implies maximum conservation of pectin substances and thus high jelling power and complexing ability of the final product.

The commercialization of PPCP technology made possible the convertion of production facilities to an-year-round mode of operation, the rise in the quantity of processed raw material as well as the gain in the efficiency and productivity of technological equipment.

Key words: pectin substances, experimental investigations, drying-by-stage procedure, step-wise dehydration regimes, technology of production, jelling power, complexing ability.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найбільш важливим фактором, що впливає на стан здоровя людей, є харчування. Проблема забезпечення населення високоякісними біологічно повноцінними продуктами має велике медичне і соціально-економічне значення. В умовах складної екологічної ситуації спостерігається зростаючий попит на продукти харчування, збагачених пектинами. Відсутність виробництва пектину в Україні обмежує виробництво продуктів харчування на пектиновій основі. На сьогодні потреби у пектині значно перевищують обсяги його імпортних поставок. За таких обставин актуальним є використання пектинів у вигляді пектиновмісних фруктово-овочевих порошків.

Перевага сушених пектиновмісних фруктово-овочевих порошків очевидна. Вони відзначаються високою якістю, транспортабельні, мають тривалий термін зберігання та не потребують великих площ під час зберігання, прості у використанні та технологічні в застосуванні.

В основі переробки пектиновмісної сировини на порошки лежить процес сушіння. Сушіння як один з методів консервування фруктів та овочів складний і енергоємний процес. Питома вага процесів сушіння у сумарному енергобалансі та обсяги збезводнюваної продукції постійно зростають. Світовий багаторічний досвід забезпечення населення продуктами харчування свідчить, що технології та технічні засоби, що здійснюють процес сушіння, постійно удосконалюються і оновлюються. Такі заходи повязані з інтенсифікацією і оптимізацією теплотехнічних умов сушіння для максимального збереження складових частин сировини і одержання кінцевого продукту з певними якісними характеристиками.

Розробка технології одержання пектиновмісних порошків набуває особливо актуального значення не тільки через відсутність промислового виробництва пектину в Україні, а й через дефіцит енергоносіїв і необхідність підвищення ефективності та продуктивності технологічного обладнання.

Звязок роботи із науковими програмами. Дисертаційна робота відповідає науковому напрямку відділу нестаціонарного тепломасопереносу у процесах сушіння Інституту технічної теплофізики Національної академії наук України та виконувалась за темами “Розробка енергозберігаючої технології та обладнання для конвективно-вакуумного сушіння матеріалів до низької кінцевої вологості” (номер Державної реєстрації 00100U002346), “Дослідження процесів тепломасообміну в композиційних матеріалах з скороченим терміном регідратації” (номер Державної реєстрації 00100U002595).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є інтенсифікація процесів сушіння рослинних пектиновмісних матеріалів для розробки енергоефективного способу одержання порошків.

Завдання дослідження:

встановити кінетичні закономірності процесу сушіння і досушування пектиновмісних матеріалів;

дослідити процеси тепловологовіддачі та розробити оптимальні теплотехнічні умови сушіння;

встановити режимні параметри процесів диспергування та сепарації;

визначити фізико-хімічні властивості пектиновмісних порошків;

- розробити енергоефективний спосіб одержання пектиновмісних порошків;

розробити технології і рецептури харчових продуктів з використанням пектиновмісних порошків.

Наукова новизна отриманих результатів:

- встановлено вплив умов і параметрів сушіння на вміст пектинових речовин. Доведено, що за умов організації процесу сушіння із перервним циклом виробництва, ступінь збереження пектинових речовин зростає на 18...20 %;

- розроблено оптимальні режими зневоднення. Обгрунтовано доцільність сушіння пектиновмісної сировини з використання ступінчатих режимів зневоднення. Встановлено, що сушінням у такий спосіб досягається високий відсоток збереження пектинових речовин - до 98 %;

- розроблені енергоефективні технології переробки пектиновмісної сировини на сушену продукцію і порошки, які сприяють ліквідації сезонності роботи технологічної лінії, зниженню енерговитрат на 10...15 % у порівнянні з існуючою технологією одержання непектиновмісних порошків.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що одержані експериментальні дані дозволяють встановити оптимальні умови процесів сушіння пектиновмісної сировини, диспергування і сепарації висушених продуктів. Розроблено і впроваджено технологію і енергоощадне обладнання для одержання пектиновмісних порошків на підприємствах "Джерело" (смт. Гребінки) і на ДП "Імпульс" ХК "Укрсільгосппродукт" (м. Переяслав-Хмельницький).

Пектиновмісні порошки з яблук і столових буряків впроваджені при виробництві кисломолочних продуктів на ВАТ "ММЗ № 3" (м. Київ), ТОВ "Агропереробка" (м. Рівне).

За результатами досліджень розроблено НТД на виробництво пектиновмісних порошків та затверджено:

– ТУ У 88.066.019 - 2001. “Порошок яблучний”

– ТУ У 15.3 - 05417118.024 - 2002. “Порошки овочеві”.

На підставі проведених досліджень одержано патенти України на винаходи: „Спосіб одержання харчових порошків з яблук” (№ 66427), „Сирний десерт” (№ 36208), „Йогурт” (№ 37030), рішення про видачу патенту на винахід „Спосіб одержання пектиновмісного порошку з рослинної сировини” (№ 20031211661).

Особистий вклад здобувача. Автором дисертаційної роботи проведено аналіз існуючих технологій і обладнання для виробництва порошків із рослинних матеріалів, проведено комплекс експериментальних досліджень по визначенню оптимальних параметрів проведення основних технологічних процесів: сушіння пектиновмісної сировини, подрібнення і розсіву сушених матеріалів. На підставі отриманих даних узагальнено закономірності кінетики сушіння, розроблено оптимальні режими збезводнювання з метою інтенсифікації процесу. Досліджено відновлюваність сушених пектиновмісних продуктів. Розроблено спосіб, технологічні процеси виробництва пектиновмісних сушених продуктів, затверджено технічні умови.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались і обговорювались на різного рівня науково-технічних і практичних

конференціях: на X Міжнародній конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” (ICCE-99) ДУ ”Львівська політехніка”(м. Львів, 1999 р.), на II Міжнародній конференції “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 2001 р.), на II Міжнародній конференції “Нетрадиционная энергетика в XXI веке” (Ялта, 2001 р.), на 3-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (м. Львів, 2001 р.), на 1-ій міжнародній науково-практичній конференціі “Современные энергосберегающие тепловые технологии (Сушка и термовлажностная обработка материалов” (СЭТТ-2002) (м. Москва, 2002 р.), на III Міжнародній науковій конференції “Нетрадиционная энергетика в XXI веке”, на Міжнародній конференції, присвяченій 100-річчю з дня заснування ОДАХТ (м. Одесса, 2002 р), на науково-практичній конференції ”Наука для молочной промышленности” (м. Київ, 2002 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції ”Вітчизняний та міжнародний досвід поводження з відходами виробництва та споживання” (м. Ялта, 2003 р.), на III Міжнародній конференції “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 2003 р.), на 4-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (м. Львів, 2003 р.), на науково-практичній конференції “Фітотерапія в реабілітації хворих” (м. Київ, 2003 р.)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 36 наукових праць у тому числі 18 статей у наукових профільних виданнях, що затверджені ВАК України, 12 тез доповідей на наукових конференціях, 3 патенти, 1 рішення про видачу патенту на винахід, 2 технічних умов на нові види сушеної продукції.

Структура та об'єм дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шістьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Матеріали викладено на 196 сторінках друкованого тексту. Дисертація містить 78 рисунків (з них 25 окремо на 21 стор.), 11 таблиць (4 окремо на 2 стор.) та додаток (13 стор.). Список використаних джерел включає 189 найменувань (14 стор.).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи, сформульовано мету та основні завдання досліджень, охарактеризовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі розглянуто властивості пектиновмісної сировини як об'єктів сушіння. Зосереджено увагу на термолабільних властивостях пектинових і інших біологічно активних речовин сировини.

Наведено огляд методів і обладнання для одержання харчових порошків. Встановлено, що специфіка об'єктів досліджень впливає на вибір теплотехнології виробництва пектиновмісних порошків. Аналіз різних технологій виробництва порошків з рослинної сировини показує перевагу технології з використанням конвеєрних або тунельних сушильних установок. Вона полягає в низьких енерговитратах, раціональному використанні технологічного обладнання, а також у простоті його обслуговування.

Наведено стислий огляд розвитку теорії процесу сушіння, сформульовані задачі досліджень з метою інтенсифікації процесів сушіння рослинних пектиновмісних матеріалів для розробки енергоефективного способу одержання пектиновмісних порошків.

У другому розділі наведено експериментальні установки, описана вимірювальна апаратура і методики проведення досліджень процесів сушіння пектиновмісної сировини, диспергування і сепарації сушених матеріалів. Оцінка похибок вимірів здійснювалась по загальноприйнятій методиці, похибка експерименту сягає до 2,5 %. Аналіз кінетики зневоднювання здійснювався на підставі побудованих кривих сушіння, швидкості сушіння та температурних кривих, диспергування і розсіву - за допомогою диференціальних і інтегральних кривих. Обробку експериментальних даних виконано із використанням стандартних пакетів програми EXCEL. Дослідження хімічних властивостей пектиновмісної сировини під час її переробки і кінцевого продукту проводились за стандартними методиками, складеними на підставі ГОСТівських методів аналізу, дослідження сорбційних властивостей - тензометричним способом визначення рівноважного вологовмісту, відновлюваність за методикою Б.В. Зозулевича, решта методики описані за ходом викладання матеріалу.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень кінетики процесів сушіння і досушування пектиновмісних матеріалів.

Сушіння пектиновмісних матеріалів має бути побудувано таким чином, щоб кінцевий продукт відзначався певними, заздалегідь заданими властивостями - великим вмістом пектинових речовин, желе- і комплексоутворювальною здатністю.

При виробництві пектиновмісних порошків кінцева вологість висушених яблук і столових буряків має бути не більшою 8,0 . За такою вологістю рослинна сировина стає крихкою, її можна диспергувати на подрібнюючих пристроях ударного способу дії та одержувати порошки потрібної дисперсності. Але видалення залишкової вологи, найбільш міцно звязаної з матеріалом, подовжує технологічний процес, внаслідок чого продуктивність сушильного устаткування знижується. Наведені на рис. 1 криві сушіння пектиновмісних матеріалів свідчать про уповільнення процесу при досягненні рівноважної вологості. Як бачимо, в міру зменшення вологості тривалість сушіння зростає. Так, знімання 12 % вологості яблук і 7 % - столових буряків триває 35 і 45 % відповідно до загального часу сушіння. Зрозуміло, що одночасно зі збільшенням тривалості процесу, зростають і енерговитрати. До того ж, зневоднюваний матеріал тривалий час знаходиться під впливом небажаного фактору: температура - час, і це негативно відбивається на пектиновмісних властивостях кінцевого продукту. Інтенсифікація процесу, збільшення продуктивності лінії і уникнення довготривалого теплового впливу можливі за умов організації процесу сушіння з перервним циклом виробництва - першопочатково до рівноважної з навколишнім середовищем вологості (W_рівн.= 15...20 %), потім - тимчасове зберігання сушеного продукту з наступним, у міжсезоння, досушуванням до низької кінцевої вологості (W_к= 6...8 %). За такою схемою виробництва гарантовано максимальний ступінь збереження пектинових речовин, висока якість кінцевих продуктів і зниження енерговитрат.

Відповідно до цього розглянемо процеси сушіння й досушування пектиновмісної сировини.

Відомі різні способи інтенсифікації процесу зневоднювання й встановлення оптимальних параметрів ведення процесу. Вибір оптимальних параметрів процесу сушіння і досушування пектиновмісних матеріалів базується на результатах експериментальних досліджень.

Експериментальні дослідження процесу сушіння проводилися у продувному шарі й обдувному (рух теплоносія відповідно перпендикулярно матеріалу і паралельно), що сприяє використанню отриманих результатів стосовно сушильних установок конвеєрного й тунельного типу. В процесі дослідів змінювали форму і розміри збезводнюваного матеріалу, питоме навантаження на сушильну поверхню, швидкість, вологовміст і температуру теплоносія.

Обробка експериментальних даних показує, що на скорочення тривалості сушіння впливає ступінь здрібнювання вихідної сировини. Зменшення розміру часток досліджуваних матеріалів від кружків до кубиків розміром 101010 мм і 555 мм і соломки розміром 5740 мм інтенсифікує процес сушіння від 10 до 30 %. Однак, можливість інтенсифікації процесу шляхом зниження визначального розміру зразків обмежена технологічними особливостями сировини. Зменшення розмірів зразків матеріалів призводить до утворення великої кількості нестандартної продукції - крихти і часткової втрати соку. У цьому плані переважніше нарізання збезводнюваного матеріалу на кубики і кружальця, де наявність дрібних часточок стосовно загальної маси незначна. Необхідно враховувати також, що у випадку реалізації висушених яблук у вигляді сухофруктів, переважніше нарізати сировину традиційно у виді кружальців.

Досліджена залежність процесу сушіння пектиновмісних матеріалів від розташування зразків у потоці теплоносія, тобто, при русі теплоносія крізь шар матеріалу (продувний шар) і уздовж матеріалу (обдувний шар). Порівняння швидкості й тривалості зневоднювання досліджених матеріалів показує, що за рахунок організації руху теплоносія крізь шар матеріалу (продувний шар) спостерігається інтенсифікація процесу і істотне скорочення тривалості сушіння, а саме, швидкість збезводнення зростає з 4,2 до 10,0 %/хв, а тривалість процесу скорочується на 45 %.

Аналіз результатів експериментальних досліджень свідчить, що вплив швидкості руху теплоносія на процес сушіння пектиновмісних матеріалів має суттєве значення. Зі збільшенням швидкості теплоносія від 1 до 2 м/с інтенсивність процесу зневоднювання зростає на 30 %, до 3 м/с - на 40 %. В міру видалення вологи з матеріалу вплив швидкості руху теплоносія на процес зневоднювання зменшується. Враховуючи, що збільшення швидкості руху теплоносія приводить до зростання потужності вентиляційного обладнання сушильної установки, швидкість руху теплоносія доцільно підтримувати на оптимальному рівні 1,5…2,0 м/с. Така швидкікість руху забезпечує необхідну інтенсивність сушіння і відносно невеликі енерговитрати під час зневоднювання.

Характер кривих показує, що сушіння яблук у продувному шарі протікає в періоді постійної і спадної швидкостей. На кривих швидкостей сушіння у точках перегину відзначаються критичні вологовмісти. Зневоднення до першої критичної вологості, як бачимо, здійснюється при постійній швидкості вологовіддачі. Використання продувного шару можливе на стрічкових сушильних установках. Збільшення питомого навантаження на сушильну поверхню від 20 до 50 кг/м² приводить до зниження величини W_кр1 від 375 до 220 % та збільшення тривалості процесу сушіння майже вдвічі. Максимальна швидкість сушіння зі збільшенням питомого навантаження матеріалу зменшується від 10,8 до 6,0 %/хв. Збільшення питомого навантаження (висоти шару) матеріалу зменшує швидкість сушіння головним чином у першій стадії сушіння. У результаті усадки матеріалу в міру його висихання висота шару зменшується і матеріал легше продувається теплоносієм. Тому у стрічкових сушарках процес організовують так, щоб на початку стадійного процесу сушіння висота матеріалу, була по можливості, мінімальною, а на наступній стадії - висоту матеріалу збільшують механічно. В міру збільшення питомого навантаження зменшується величина критичного вологовмісту і збільшується тривалість періоду постійної швидкості. При питомому навантаженні на сушильну поверхню g = 50 кг/м² (9 шарів) період постійної швидкості складає 38%, при g = 34 кг/м² (6 шарів) - 25%, g = 20 кг/м² (3 шари) - 15% загальної тривалості процесу сушіння.

Температура сушильного агента є найбільш легко регульованим і визначальним параметром процесу сушіння. Підвищенням температури сушильного агента досягається інтенсифікація зневоднення, час теплового впливу зводиться до мінімуму і це забезпечує економічність процесу. При виборі теплового режиму необхідно враховувати гранично-допустиму температуру конкретного матеріалу. Звідси випливає, що параметри теплоносія не повинні бути постійними протягом усього процесу сушіння, а мають змінюватися по ходу процесу відповідно до закономірностей переносу теплоти і вологи в конкретному матеріалі.

Результати експериментальних досліджень свідчать, що максимальний ступінь збереження пектинових речовин при сушінні до рівноважної з навколишнім середовищем вологості спостерігається при зневодненні пектиновмісних матеріалів в режимі високовологого високотемпературного теплоносія: t = 120 °С, d = 100 г/кг сухого повітря впродовж 40 хв. Через більш високу температуру матеріалу сильніше порушується цитоплазменна оболонка і збільшується клітинна проникність, волога з внутрішніх шарів інтенсивніше рухається до поверхні - зростає масоперенос. Температура матеріалу не перевищує температуру “мокрого” термометра. При досягненні досліджуваними матеріалами критичного вологовмісту подальше зне-воднення здійснюється при зниженні параметрів теплоносія: t до 80 °С, d до 10 г/кг сухого повітря. Тривалість періоду постійної швидкості складає 30 % загального часу сушіння, процес скорочується на 20 % у порівнянні з низькотемпературним сушінням. Сушіння у такий спосіб сприяє не тільки інтенсифікації процесу і, як наслідок, економії енергоносіїв, а й зменшенню втрат пектинових речовин, про що свідчать дані, наведені на рис. 4.

Крім інтенсифікації внутрішнього масопереносу в цьому режимі відбувається інактивація ферментної системи, біохімічні і колоїдно-хімічні зміни пектинових речовин, а саме, нерозчинні форми пектину переходять у розчинні (до 25 %), і желеутворювальна здатність пектиновмісних порошків зростає.

Доцільність використання ступінчатих режимів зневоднення підтверджується не тільки вмістом пектинових речовин, а й дослідженнями відновлюваності сушених пектиновмісних матеріалів. Оцінка відновлюваності здійснювалась за допомогою коефіцієнта набухання (К_н). Властивість матеріалу відновлюватися залежить від багатьох факторів, насамперед, від виду і хімічного складу сировини, його структури, фізико-хімічних властивостей, а також від ступеня тих змін, які він зазнав під час сушіння. Висока відновлюваність висушених матеріалів свідчить про вірно обрані режими сушіння. З огляду на результати, наведені на рис. 5, можна сказати, що найбільшу здатність зв'язувати вологу мають яблука, зневоднені за ступінчатим режимом - у них величина К_н максимальна. Вологість відновлених яблук дорівнює: 76,6 %, 75,3 та 74,2 % відповідно. Така ж тенденція зберігається і при відновлюванні сушених столових буряків. Як бачимо, повного відновлювання сушеного матеріалу не спостерігається. Пояснюється таке тим, що під час сушіння пектиновмісних матеріалів здійснюється перехід протопектину у розчинну форму, спостерігається усадка матеріалу, деформується структура паренхимних тканин, стискуються вільні міжклітинні простори та звужуються капіляри, по яким волога всмоктується під час набухання. Через тепловий вплив зчиняється необоротна коагуляція протоплазми клітин і денатурація речовин, які здатні у нормальному стані зв'язувати вологу та набухати.

Отже, організацією ступінчатих режимів сушіння, поряд з інтенсифікацією процесу і зменшенням втрат пектинових речовин, досягається максимальна відновлюваність сушених матеріалів, поліпшення органолептичних і фізико-хі-мічних показників і якості висушеного продукту.

Аналіз результатів експериментальних досліджень досушування пектиновмісних матеріалів з W_pівн= 15…20 % до W_к= 6...8 % показує, що процес проходить тільки в періоді падаючої швидкості і вирішальним фактором його проведення є контроль температури матеріалу і тривалість теплового впливу, що витікає із аналізу температурних кривих та якісних показників кінцевого продукту. Отже, уникнення втрат пектинових речовин можливе за умов, якщо температура пектиновмісних матеріалів у процесі досушування не перевищує критичну. Виконання такої умови досягається веденням процесу досушування у двостадійному режимі - на першій стадії з температурою теплоносія не вище 100°С і на другій - не вище 70°С. Досушування пектиновмісних матеріалів у зазначеному режимі сприяє досягненню максимального ступеня збереження поживних речовин сировини, у т.ч. і пектинових, скороченню тривалості процесу на 10…12 % у порівнянні з одноступінчатим.

Аналіз результатів експериментальних досліджень вакуумного досушування досліджуваних матеріалів у порівнянні з сушінням за атмосферним тиском показує, що в разі досушування під вакуумом спостерігається інтенсифікація процесу і, як наслідок скорочення тривалості сушіння на 27…30 %. На жаль, використання вакуумного досушування обмежено через високу вартість сушильного обладнання.

Порівняльний аналіз висушених матеріалів за вмістом пектинових речовин в разі одноетапного процесу збезводнення до низької кінцевої вологості і двоетапного - першопочатково до рівноважної з навколишнім середовищем вологості і наступним досушуванням до низької кінцевої вологості, показав перевагу останнього. Як бачимо, за умов організації процесу сушіння із перервним циклом виробництва, вміст пектинових речовин на 18...20 % вищий як для яблук, так і столових буряків.

Таким чином, з метою мінімізації втрат пектинових речовин і скорочення енерговитрат розроблено ступінчаті режими ведення процесу зі зміною параметрів теплоносія і поетапний процес зневоднення пектиновмісних матеріалів. Одержана в

такий спосіб сушена продукція характеризується високим вмістом не тільки пектинових речовин, а й вуглеводів, органічних кислот та інших біологічно-активних речовин, що і дає підставу використовувати двоетапний процес сушіння пектиновмісних матеріалів.

На підставі досліджень усадки пектиновмісних матеріалів під час сушіння одержані об'ємні і лінійні коефіцієнти усадки досліджуваних матеріалів: для яблук об'ємний коефіцієнт становить _v= 4,1510^-3, для столових буряків _v = 4,8510^-3; лінійний - _l = 1,38 10^-3 та _l = 1,6110^-3 відповідно.

У процесі сушіння пектиновмісних матеріалів має місце таке явище, як адгезія. Результати досліджень по визначенню адгезійних властивостей пектиновмісних матеріалів показують, що адгезія між робочою сушильною поверхнею і зразками починає виявлятися після досягнення матеріалом температури 55…65 °С, вологості менш ніж 50...60 % і зовсім відсутня при збезводнюванні матеріалів на сушильній поверхні із фторопласту.

Високий вміст цукрів і пектинових речовин надає висушеним матеріалам пластичності. При наступному здрібнюванні вони схильні до злипання, грудкування і налипання на робочі поверхні диспергуючих пристроїв. Враховуючи таке, був досліджений процес охолодження висушених матеріалів, за результатами якого установлено оптимальні режими їхнього охолодження. Показано, що найбільший вплив на процес охолодження має швидкість руху охолоджувального повітря. Через велику гігроскопічність сушених матеріалів, охолодження матеріалу необхідно здійснювати повітрям з відносною вологістю не більше 10 % на протязі 15...20 хв до температури не більше 20 єС. Розроблені параметри захищені патентом.

У четвертому розділі наведено результати аналітичних досліджень кінетики сушіння пектиновмісних матеріалів.

Представлення узагальненої кривої кінетики сушіння у напівлогарифмічній системі координатах W - Nф підтверджує, що при зневодненні пектиновмісних матеріалів до рівноважної вологості спостерігається перший і другий періоди сушіння. Другий період складається з 2-х частин. Точки перегину відповідають критичним вологовмістам. Кожна ділянка характеризується відносним коефіцієнтом сушіння, що обчислюється по наступній формулі:



Відносний коефіцієнт при досушуванні обчислюється за формулою:

На підставі одержаних величин критичних вологовмістів та обчислених відносних коефіцієнтів розраховано тривалості процесів сушіння і досушування досліджених матеріалів. Загальна тривалість процесу сушіння до рівноважної вологості дорівнює:

(1)

Тривалість процесу досушування від W_рівн.= W'_п до W_к:

(2)

Множник, що стоїть в дужках у формулах (1) і (2) постійний для конкретного матеріалу при незмінних величинах початкового і кінцевого вологовмістів і не залежить від режиму сушіння. Отже, величина обернено пропорційна швидкості сушіння в перший період або максимальній швидкості процесу досушування досліджуваних матеріалів і дорівнює:

- при зневоднюванні до рівноважної з навколишнім середовищем вологості для яблук - = 746/N, для столових буряків - = 1800/N;

- при досушуванні до низької кінцевої вологості для яблук - = 28/N, для столових буряків - = 23/N.

Експериментально одержано коефіцієнти, які дозволяють розрахувати максимальну швидкість сушіння пектиновмісних матеріалів. Одержані результати дають змогу розрахувати тривалість процесу збезводнювання досліджених матеріалів стосовно сушильних установок тунельного і стрічкового типу.

За даними кінетики вологообміну виявлено кінетику теплообміну. Розраховано температурний коефіцієнт сушіння

= f(W)

та число Ребіндера

Rb = f (W)

котре показує відношення кількості теплоти на нагрівання матеріалу до кількості теплоти на випаровування волого з нього.

Порівняння числа Ребіндера, одержаного для яблук з числом Ребіндера, одержаного для столових буряків, показує, що характер його зміни в процесі сушіння не залежить від виду матеріалу. Зі збільшенням температури теплоносія число Ребіндера по абсолютній величині збільшується. На початку процесу сушіння здійснюється прогрівання матеріалу і число Rb змінюється. В першому періоді процесу сушіння теплота витрачається на випаровування вологи з матеріалу, на що вказує величина числа Rb. Від першого критичного вологовмісту W_к1 = (320...430 %) до другого W_к2 = (100...120 %) температура матеріалу плавно зростає і разом з нею зростає число Rb. При досягненні другого критичного вологовмісту температура матеріалу різко збільшується і різко збільшується величина Rb. Це доказує, що в другому ступені сушіння, особливо на заключній стадії, теплота, в основному, витрачається на нагрівання матеріалу, а не на випаровування вологи з нього. Тому на початку процесу сушіння температура теплоносія може бути високою (t 100 °C), і це не призведе до погіршення якості матеріалу. При досягненні матеріалом критичного вологовмісту для запобігання різкому підвищенню температури матеріалу і втрат пектинових і біологічних речовин необхідно знижувати температуру теплоносія. Зниження температури теплоносія призводить до зниження числа Ребіндера, тобто до зниження теплового навантаження на матеріал.

За допомогою числа Rb установлюється зв'язок між тепло- і вологообміном, що є основним рівнянням кінетики сушіння:

У п'ятому розділі представлено результати досліджень процесів диспергування, сепарації та фізико-хімічні властивості висушених пектиновмісних матеріалів.

Оптимальна величина кінцевої вологості в разі одержання харчових порошків дорівнює 6…8 %. Це та вологість, коли матеріал втрачає пружно-пластичні властивості і перетворюється в крихке тіло.

Результати експериментальних досліджень свідчать, що найбільший вплив на процес диспергування чинить швидкість ротора диспергатора. Диференціальні криві розподілу часток показують, що яблучний порошок незалежно від швидкості ротора має виразний максимум, який відповідає наймовірнішому діаметру часток. Зі збільшенням швидкості ротора мікромлину функція розподілу маси, яка відповідає найімовірнішому розподілу збільшується, тобто подрібнення часток є більш рівномірним. Максимальне його значення відповідає швидкості ротора 70 м/с, мінімальне - 20 м/с, максимум розподілу яблучного порошку приходиться на 0,05 мм, бурякового - на 0,08 мм. Максимальне значення функції розподілу бурякового порошку значно нижче, ніж яблучного, але також відповідає швидкості ротора 70 м/с.

Аналіз одержаних даних щодо продуктивності мікромлину (рис. 8) показує, що вона лінійно зростає зі збільшенням швидкості ротора, а значення споживаної потужності N_сп. різко зростає, починаючи з V = 50 м/с. При збільшенні швидкості ротора з 50 до 70 м/с продуктивність подрібнення яблук і буряків зростає на 25...27 %, в той час як споживана потужність в обох випадках зростає майже вдвічі. Такі дані свідчать про те, що збільшення швидкості ротора більш ніж 50 м/с недоцільно через великі витрати електроенергії. До того ж, з інтегральних кривих розподілу часток витікає, що при зміні швидкості ротора мікромлина з 50 до 70 м/с збільшується вихід дрібнодисперсного порошку всього на 5...10 % (залишок на ситі 0,25 знижується від 32 до 22 % для яблук і від 40 до 35 % для столових буряків).

Отже, оптимальною робочою швидкістю ротору під час подрібнення пектиновмісних матеріалів є швидкість 50 м/с.

Подрібнені пектиновмісні порошки складаються з суміші частинок різних розмірів і форми, які визначають їхні фізико-хімічні та технологічні властивості. Досвід використання досліджуваних порошків, мікроструктурний аналіз показують, що розміри частинок порошків, які використовуються при виробництві продуктів харчування не повинні перебільшувати 0,25 мм.

Результати досліджень режимних параметрів процесу сепарації пектиновмісних порошків у вигляді інтегральних і диференціальних кривих показують, що процес сепарації практично не залежить від навантаження на сито, а залежить від часу розсіву. Аналіз одержаних даних показує, що збільшувати час сепарації понад 3 хв недоцільно, бо якщо час розсіювання збільшити від 2 до 5 хв, то кількість дрібнодисперсної фракції збільшиться тільки на 2…5%.

Вихід дрібнодисперсної фракції порошків за оптимальними режимами диспергування і сепарації складає: для яблучного - 65…68 %, для бурякового - 62…65 %.

Основним критерієм оцінки якості висушених пектиновмісних продуктів є їхні органолептичні показники і хімічний склад. Пектиновмісні порошки мають високі органолептичні показники, властиві свіжій натуральній сировині, та відповідають вимогам розроблених і затверджених ТУ.

До хімічного складу яблучного і бурякового порошків у концентрованому вигляді входить весь комплекс біологічно-активних речовин сировини. Це такі важливі для організму людини речовини, як вуглеводи (глюкоза, фруктоза, сахароза), органічні кислоти (яблучна, лимонна, винна, щавлева), вітаміни, азотисті речовини. Слід відзначити високий вміст пектинових речовин у досліджених порошках: у яблучному він становить 7,0 ... 12,0 %, у буряковому - 6,0 ... 10,0 % (на 100 г СР). Для порівняння наведемо, що, наприклад, у рідкому пектиновому екстракті вміст пектинових речовин становить 0,5 ... 3,5 %, у пектиновому концентраті - 2,5 ... 3,5 %.

Найважливішими властивостями пектинових речовин є їхня желе- і комплексоутворювальна здатність. Проведені дослідження показують, що на желеутворювальні властивості пектиновмісних порошків суттєво впливає наявність розчинного пектину, а на комплексоутворювальні - протопектину. Результати досліджень показали, що желеутворювальна здатність яблучного порошку на 8...12 % вища за буряковий.

На рис. 9 показано результати досліджень по зв'язуванню іонів металів дослідженими порошками. Дані, представлені на діаграмі свідчать про достатньо високий відсоток зв'язування дослідженими порошками іонів важких металів - вищий за 50 %. Ступінь зв'язування іонів свинцю порошками з яблук і столових буряків майже однаковий і вищий за пектин яблучний на 7...5 % відповідно. Іони церію краще зв'язує яблучний порошок, ніж буряковий. Ступінь зв'язування іонів цирконію як яблучним, так і буряковим порошками однаковий.

Результати досліджень адсорбційних властивостей у вигляді ізотерм адсорбції водяної пари пектиновмісних порошків показують, що їм притаманна висока гігроскопічність і це вимагає надійного захисту від впливу навколишнього середовища (t і ц). Волога каталізує хімічні реакції, які призводять до змінювання кольору продуктів, виникнення не властивих запахів, збільшення тривалості відновлювання, зростання активності ферментів. Отже, одразу ж після подрібнення порошки необхідно негайно пакувати у герметичну вологонепроникну тару. Для забезпечення мікробіологічної стійкості при тривалому збереженні вологість пектиновмісних порошків не повинна перевищувати 8 %. При такій вологості порошок має найкращі технологічні властивості. При використанні, в разі непередбачених ситуацій, щоб уникнути втрати технологічних властивостей, порошки допускається тримати в не упакованому вигляді не більш 8...10 годин. При цьому відносна вологість повітря в приміщенні не повинна бути вищою за 60 %, а температура - не більшою за 20 °C.

У шостому розділі представлена технологія і технологічна лінія виробництва пектиновмісних сушених продуктів і порошків, що забезпечують одержання про-дукту високої якості з максимальним збереженням пектинових речовин і цінних природних властивостей сировини під час її переробки.

В основу технології покладено двоетапний процес сушіння пектиновмісної сировини - спочатку до рівноважної з навколишнім середовищем вологості, потім досушування до низької кінцевої вологості. Така організація процесу дає змогу раціонально використовувати технологічну лінію і здійснювати її роботу впродовж року в залежності від термінів дозрівання різних сільськогосподарських культур.

Процес сушіння це лише одна з ступенів технологічного процесу одержання порошків з пектиновмісної сировини. До технологічного процесу виробництва порошків входить підготовка сировини до сушіння, сушіння, диспергування, розсів та пакування готової продукції. Якісну продукцію можна отримати за умов правильно організованого всього процесу переробки.

На підставі розробленої технології на підприємствах “Джерело” і “Імпульс” впроваджений технологічний процес, обладнання і налагоджено виробництво пектиновмісних порошків. Послідовність технологічного процесу на підприємствах однакова. Відмінністю є обладнання, яким укомплектовані технологічні лінії.

На підприємстві “Джерело” установлена технологічна лінія ЛПП - 20. Ділянка сушіння представлена багатозонною стрічковою сушильною установкою АГСО. Агрегат гігротермічної обробки і сушіння (АГСО) виконано у виді двосекційного металевого корпуса. Перша секція поряд із температурними зонами має зону високотемпературної високовологої обробки (поз. 2), друга - зону охолодження (поз 7). Кожна секція установки має механізм регулювання швидкості руху сушильних стрічок, а система контролю і паропостачання установки дозволяє підтримувати в ній заданий режим, контрольований на пульті керування: швидкість руху теплоносія від 1,5 до 3,0 м/с, його температуру від 20 до 140 єС, вологовміст від 10 до 400 г/кг сухого повітря. Конструкція установки дозволяє здійснювати високотемпературний високовологий метод зневоднювання, багатостадійні режими сушіння, створюючи в кожній секції чи зоні оптимальний температурний режим. На початковій стадії сушіння пектиновмісних матеріалів процес можна інтенсифікувати підвищенням температури, вологовмісту, швидкості теплоносія, регулюванням висоти шару матеріалу і збільшенням швидкості руху стрічки.

Переробка пектиновмісної сировини на підприємстві “Імпульс” здійснюється на технологічній лінії ЛТО - 2 з сушильною установкою тунельного типу СУМ - 2 (поз. 9). Корпус сушарки - тунель, що складається з двох сушильних зон і зони охолодження. Наявність у конструкції сушарки двох автономних ізольованих зон дає змогу в залежності від виду сировини автоматично підтримувати необхідний тепловологий режим. Для сушіння використовується чисте повітря, яке нагрівається у теплогенераторі (поз.11) природним газом. Нагріте повітря подається в сушильну

зону, де справа наліво омиває матеріал укладений на піддони, установлені на візку, що знаходиться в першій напівзоні. Потім у просторі між стіною сушильної установки і бічними поверхнями візків теплоносій змінює свій напрямок на 180 ° і, рівномірно розподіляючись по висоті візка, обдуває матеріал зліва направо у наступній напівзоні. Після цього теплоносій через бічні рециркуляційні канали надходить до вентилятора. Частина відпрацьованого теплоносія викидається назовні, замість нього підсмоктується така ж кількість свіжого повітря.

Таким чином, у міру проходження візків з матеріалом по сушильним зонам, змінюється напрямок обдування матеріалу і це створює додаткові умови для рівномірного сушіння матеріалу. Рух теплоносія і матеріалу в сушильній установці здійснюється по протитечійно-перехресній схемі з частковою його рециркуляцією. Прийнята схема рециркуляції теплоносія в зонах з частковим викидом відпрацьованого повітря і підсмоктуванням свіжого дозволяє створювати і підтримувати розроблені тепловологі режими в зонах сушарки відповідно до виду збезводнюваного матеріалу: температуру теплоносія 20…140 єС, швидкість його руху 1,5...2,0 м/с.

Отже, конструктивні особливості обох, вищеописаних сушильних установок дозволяють інтенсифікувати процес зневоднення, реалізувати розроблені параметри сушіння. Можливість в одній сушильній установці проводити декілька технологічних процесів одночасно (бланшування, дезодорація, сушіння, охолодження) виділяє їх в один ряд із кращим закордонним сушильним устаткуванням.

Для диспергування висушених матеріалів обидві лінії укомплектовані дробарками, обладнаними охолоджувальними сорочками. Здрібнений порошкоподібний матеріал надходить на сепарацію, де відбувається відділення дрібнодисперсної фракції порошків, після чого подається на ваги-дозатор, потім зашивається на мішокзашивочній машині і направляється до складу готової продукції.

Зазначимо, що обидві лінії характеризуються невеликими витратами теплоти на 1 кг випареної вологи і високим річним обсягом переробки пектиновмісної сировини: : на технологічній лінії ЛПП - 20 він складає 5000...6000 тон, на технологічній лінії ЛТО - 2 - 1100..1200 тон. Порівняльний аналіз існуючих сушарок тунельного і конвеєрного типу показав перевагу розглянутих вище установок за показниками витрат енергії і теплоти на 1 кг випареної вологи.

Отже, універсальність описаних технологічних ліній дає змогу зневоднювати практично всю рослинну сировину, ритмічно завантажувати виробництво протягом року різними видами овочів і фруктів. А якщо врахувати, що обсяги зневодненої продукції збільшуються та ліквідується сезонність роботи сушильного обладнання і можливість цілорічної переробки сільськогосподарської сировини, у т.ч. і висушених на інших об'єктах виробництва, то перевага поетапного сушіння стає економічно доцільним і очевидним, що і підтверджує енергоефективність розробленого способу одержання пектиновмісних порошків. Впроваджений на підприємствах спосіб гарантує високу якість продукції і відповідність її вимогам розроблених і затверджених ТУ У 88.066.019 - 2001. “Порошок яблучний” та ТУ У 15.3 - 05417118.024 - 2002. “Порошки овочеві”.

Проведені дослідження показали, що пектиновмісні порошки технологічні і прості у використанні і вдало поєднуються з іншими харчовими інгредієнтами. Вони поповнюють дефіцит не тільки пектинових речовин, а й цукрів, барвних речовин, вітамінів, кислот.

Для використання у продуктах харчування були встановлені оптимальні кількісні співвідношення вихідних компонентів, маса і умови відновлювання та внесення пектиновмісних порошків. Відзначено, що високий ступінь дисперсності порошків (розмір часток менш 0,25 мм) сприяє їхньому рівномірному розподілу і повному відновлюванню в масі продукту. В залежності від виду продукту та технологічних можливостей пектиновмісні порошки додають як у сухому вигляді, так і попередньо відновленому. Температурні параметри відновлювання досліджуваних порошків не виходять за межі температурних режимів, які використовуються при виробництві, і тому етап відновлювання легко вписується у схему технологічного процесу.

Впровадження пектиновмісних порошків при виробництві молочних продуктів здійснювалось на ВАТ "ММЗ № 3" (м. Київ) і ТОВ "Агропереробка" (м. Рівне). Результати впроваджень показують, що наявність пектинових речовин і клітковини, яким властива висока гідрофільність і здатність до структуроутворення дає змогу застосовувати пектиновмісні порошки як стабілізатори при виробництві кисломолочних продуктів - йогуртів і сиркових десертів, в основі дії яких покладено желеутворювальні властивості досліджених порошків. До того ж внесення пектиновмісних порошків надає продуктам антиоксидантних і радіопротекторних властивостей, завдяки чому вони можуть застосовуватися в лікувально-профілактичних цілях.

На підставі результатів досліджень розроблено рецептури і технологію на виробництво йогурту і сиркових десертів, які захищені патентами України.

Використання досліджених порошків має позитивні результати і у борошняних виробах, знову ж таки, завдяки наявності пектинових комплексів і біологічно активних речовин. Вологоутримуюча властивість порошків дає змогу довше зберегти свіжість борошняних виробів, запобігаючи їх висиханню, інтенсифікує виробництво. При виробництві кондитерських виробів на основі досліджуваних порошків виготовлюють желе, начинки, сиропи, помадки. Доданням порошків досягається певний смак і колір готових продуктів.

Пектиновмісні порошки забезпечують привабливі споживчі властивості продуктам харчування, сприяють їх конкурентоспроможності за рахунок використання натуральних інгредієнтів вітчизняного виробництва і зменшують закупівлю імпортних пектинових речовин, смакових, ароматичних та стабілізуючих систем. А головне, що до харчових продуктів водночас із дослідженими порошками, окрім пектинових речовин, додаються вітаміни, кислоти, вуглеводи, макро- і мікроелементи. Щоденне вживання таких продуктів підсилює захисні сили організму і сприяє його оздоровленню.



ВИСНОВКИ

1. Обґрунтовано актуальність переробки пектиновмісної сировини на сушену продукцію і порошки та перевага поетапності процесу сушіння.

2. Встановлено і узагальнено закономірності кінетики сушіння і досушування пектиновмісних матеріалів, розроблено оптимальні режими збезводнювання з метою інтенсифікації процесу. Доведено, що за умов організації процесу сушіння із перервним циклом, ступінь збереження пектинових речовин зростає на 18...20 %.

3. Визначено вплив високовологого високотемпературного теплоносія і поетапного збезводнювання на ступінь збереженості пектинових речовин. Встановлено, що сушінням за ступінчатими режимами досягається високий відсоток збереження пектинових речовин - до 98 %.

4. На підставі досліджень кінетики волого- і теплообміну отримано формули для розрахунків тривалості процесів сушіння і досушування, розрахункове рівняння для максимальної швидкості сушіння. Доказана доцільність використання ступінчатих режимів зневоднення пектиновмісної сировини для максимального збереження пектинових і інших біологічно активних речовин, економії енергоносіїв.

5. Встановлено оптимальні режими процесів диспергування та сепарації.

6. Визначено хімічний склад, харчову і енергетичну цінність пектиновмісних порошків, їх желе- і комплексоутворювальну здатності, розроблено оптимальні умови відновлювання порошків.

7. Досліджено гігроскопічні властивості пектиновмісних порошків і встановлено умови забезпечення мікробіологічної стійкості і стабільності складових під час тривалого збереження.

8. Розроблено і затверджено технологічні інструкції і технічні умови на порошок яблучний і овочеві (у т.ч. і із столових буряків).

9. Розроблено і впроваджено технологічні процеси поетапного виробництва пектиновмісних порошків на промислових підприємствах. Встановлено, що переробка сировини у такий спосіб сприяє збільшенню обсягів переробленої сировини, ліквідації сезонності роботи технологічної лінії, підвищенню ефективності виробництва, зниженню енерговитрат на 10...15 %.

...