Ю.А. Фатыхов, А.Э. Суслов, А.В. Мажаров, А.С.Бестужев

ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», г. Калининград,Россия

Математическая модель вакуумной сушки рыбной кости

Исследования минерального состава костной ткани гидробионтов показали, что они обладают богатым спектром макро- и микроэлементов, таких как Са, Р, К, Na, Mn, Fe, Cu, Sn, A1 [3,4,5] .

Перспективы ее промышленного использования в качестве ценного источника белковых и минеральных веществ несомненны и подтверждены рядом исследований.

В традиционной рыбной промышленности рыбная кость является вторичным сырьем, отходом, за исключением производства некоторых консервов.

Так как рыбная кость богаче, чем мышечная ткань, макро- и микроэлементами: кальцием в 6,2 раза, магнием в 8 раз, марганцем в 1,1 раза, то наша задача — использовать тонкоизмельченную рыбную кость в пищевых целях в качестве функциональной добавки.

При использовании рыбной кости в качестве пищевой добавки производство становится безотходным.

На основе изученных литературных источников и предварительных экспериментов была подобрана совокупность технологических операций по получению готового пищевого порошка. За исключением ряда необходимых операций способ получения пищевой добавки предусматривает предварительное и тонкое измельчение материала и его сушку до конечной влажности, которая должна соответствовать 3 – 5%. При этом для достижения приемлемых условий тонкодисперсного измельчения продукта и его последующего хранения одной из задач исследования явились выбор способа и разработка режимных параметров процесса сушки материала. Анализ энергоемкости процесса, производительности установки, условий достижения необходимого качества продукта показал, что оптимальным вариантом может быть применение вакуумной сушки.

Принципиальная схема экспериментальной установки для вакуумной сушки представлена на рис.1.

Рис.1. Принципиальная схема экспериментальной сушильной установки

1-сушильная вакуумная камера. 2,3- насосы водяные циркуляционные. 4-греющие плиты (теплообменник). 5-эжектор водяной. 6-бак водосборник. 7-охлаждающий контур сушильной установки. 8-бак расширительный. 9-насос водяной. 10-водонагреватель. 11,12-вакуумный вентиль. 13-холодильная машина.

В качестве объекта исследования были выбраны отварные рыбные кости без прирезей мышечной ткани трески и судака. Выбор их в качестве объектов исследования был обусловлен следующими соображениями:

- данные виды рыб являются основным сырьем на рыбообрабатывающих предприятиях;

- выбранные объекты значительно отличаются по химическому составу.

Наличие в экспериментальных исследованиях образцов с такими различными свойствами позволило сделать обобщение по особенностям процесса вакуумной сушки в зависимости от свойств рыбной кости как объекта сушки.

Для измерения температуры в центр хребтовой рыбной кости без прирезей мышечной ткани устанавливали термометры сопротивления.

Вначале эксперимента измеряли начальную влажность продукта. Рыбную кость раскладывали равномерным одинарным слоем на сетчатые поддоны. Поддоны с рыбной костью устанавливали в вакуумную камеру на греющие плиты. Сушильную камеру герметично закрывали, установку запускали в работу. После выхода в режим (на заданное давление) значения температуры в центре рыбной кости фиксировались через каждые 15 минут.

В процессе сушки по истечении определенного времени вскрывали камеру и измеряли промежуточную влажность рыбной кости, в конце процесса сушки замеряли конечную влажность продукта.

На рис.2 представлены термограммы и кривые сушки кости трески, построенные по экспериментальным данным для различных значений температуры греющей плиты вакуумной сушильной установки. В вакуумных аппаратах затруднен отбор проб исследуемого продукта для определения текущей влажности, поэтому для построения кривых сушки в основу расчета принимали оба значения влажности − начальное и конечное, что позволило распределить погрешность эксперимента на всю длину кривой сушки, снижая ошибку при дальнейшей ее обработке [1]. Из рис.2 видно, что исследуемые зависимости имеют вид, характерный для коллоидных капиллярно-пористых тел, к которым относятся большинство пищевых продуктов. При постоянной величине давления вакуума внутри сушильной камеры термовлагопроводность определяется молекулярной термодиффузией влаги за счет перемещения влаги из-за разной скорости молекул различно нагретых слоев продукта и капиллярной проводимости, возникающей из-за изменения капиллярного потенциала [2].

Влияние температуры греющей плиты вакуумной сушильной установки видно из сопоставления кривых 1, 2, 3, рис.2. При Т = 70°С процесс сушки рыбной кости характеризуется низкой интенсивностью (кривая 3), что объясняется недостаточным потенциалом термовлагопроводности. Повышение температуры греющей плиты до 90°С также приводит к ухудшению условий сушки исследуемого объекта, так как перегрев его поверхностных слоев приводит к образованию «корки», препятствующей термовлагодиффузии.

Изменение вакуума внутри сушильной установки (1,6 и 2,4 КПа) также не приводит к интенсификации процесса (эти данные в статье не приводятся), поэтому значения влияющих факторов, соответствующих данным кривой 2 (рис.2) следует считать рациональными (близкими к оптимальным) для процесса вакуумной сушки кости трески.

Прямого сопоставления двух исследуемых объектов вакуумной сушки с точки зрения оптимизации процесса сушки по данным рис.2 и рис.3 сделать нельзя, так как исследуемые образцы отличаются химическим составом − прежде всего начальным влагосодержанием и содержанием жира. Высокое содержание жира в костях судака следует признать причиной, вызывающей дополнительные сложности в механизме термовлагодиффузии при сушке. Так как влагосодержание и жирность функционально связаны между собой [2], то при рассмотрении кинетики обезвоживания учитывают только влагосодержание, однако, на наш взгляд, этот вопрос требует дополнительного исследования.

Рис.2. Термограммы (1, 2, 3) и кривые сушки (1¢, 2¢) кости трески

при различных значениях температуры греющей плиты

1 − Т = 90°С; 2− Т=80°С; 3 − Т = 70°С;

1¢ − W(t), Т = 90°С; 2¢ − W(t), Т = 80°С

На рис.3 представлены аналогичные зависимости, характеризующие процесс сушки кости судака. Исходя из аналогичных рассуждений, наиболее рациональным следует признать процесс сушки исследуемого объекта с параметрами, соответствующими кривой 1.

Рис.3. Термограммы (1, 2) и кривые сушки (1¢, 2¢) кости судака

при различных значениях температуры греющей плиты

1 − Т = 90°С; 2− Т = 80°С;

1¢ − W(t), Т = 90°С; 2¢ − W(t), Т = 80°С

На рис.4 представлены кривые кинетики сушки костной ткани трески. Значения текущей влажности материала W^с вычисляли по отношению массы влаги в продукте к массе абсолютно сухого вещества. Естественно, что кривые сушки рыбной кости 1 и 2 имеют характер зависимостей, аналогичный данным рис.2. При этом для них справедливы те же рассуждения о происходящей физике процесса обезвоживания. Кривые 3 и 4 характеризуют закономерности изменения скорости сушки и более наглядно отображают характерные периоды обезвоживания и материала. Период разогрева, который часто исключают из анализа процесса [2], мал по продолжительности и соответствует правой части кривых 3, 4, для которых характерен быстрый рост скорости сушки. Период постоянной скорости обезвоживания (I), для которого , показывает, что при одинаковых свойствах объекта обработки (влажности, жирности) величина N определяется режимными параметрами процесса. В данном случае параметры, соответствующие кривой 4, характеризуют более интенсивный режим обезвоживания материала и, как следует из предыдущих рассуждений, близкий к оптимальному. Период подающей скорости обезвоживания (II) (левая часть рис.4) имеет вид, присущий однородному капиллярно-пористому телу [2] .

Сопоставление кривых кинетики рыбной кости трески с аналогичными зависимостями для целого рыбного сырья показывает их различие, связанное с характером кривых периода подающей скорости обезвоживания, что объясняется различием структур и, свойств сопоставляемых объектов. Рекомендуемые в работе [2] формулы для определения критических влажностей в процессах обезвоживания рыбы, как показали расчеты, не могут быть использованы применительно к закономерностям обезвоживания рыбной кости.

Рис.4. Кривые сушки (1 при Т = 90°С, 2 при Т = 80°С)

и скорости сушки (3 при Т = 90°С, 4 при Т = 80°С) кости трески, р = 2,0кПа

На рис. 5 представлены кривые кинетики сушки костной ткани судака. Сопоставление данных рис.4 и рис.5 показывают их качественной совпадение, за исключением небольших отличий в характере кривых, соответствующих периоду падающей скорости обезвоживания. Как отмечалось выше, вероятно это связано с различием процесса обезвоживания микрокапиллярной осмотически связанной влаги. Количественное различие данных рис.4 и рис.5 связано с различием исследуемых образцов по начальному влагосодержанию и жирности.

При вакуумной сушке влияющими факторами процесса являются температура греющих плит (теплообменников) сушильной установки Т и давление внутри камеры аппарата Р.

В качестве параметра оптимизации выбираем темп обезвоживания продукта, характеризующий скорость удаления влаги за процесс:

, (1)

где ; − начальная и конечная влажность продукта, отнесенная к сухой массе, %;

t − продолжительность сушки, мин.

При этом ставится задача, при каких параметрах процесса будет обеспечена максимальная ее продолжительность и максимальная производительность установки по готовому продукту. Ограничением конечного влажность продукта и его качество.

Рис.5. Кривые сушки (1 при Т = 90°С, 2 при Т = 80°С)

и скорости сушки (3 при Т = 90°С, 4 при Т = 80°С) кости судака, р = 2,4кПа

При определении вида уравнения регрессии исходили из предпосылки, что если поверхность, на которой находится точка оптимального соотношения режимных параметров сушки криволинейна, то варьируя факторами можно получить возможность с минимальной ошибкой аппроксимировать эту поверхность полиномом второго порядка [4]:

, (2)

где y − обобщенный параметр оптимизации;

b₀, b_i, b_il, b_ii − коэффициенты регрессии;

x_i, x_l − кодированные значения факторов.

В соответствии с известным методом планирования был реализован полный факторный эксперимент типа 3².

Реализация плана экспериментов и обработка полученных данных, проведенная с помощью компьютерной программы DataFit Ver. 9.0.59, позволила получить следующие уравнения регрессии, адекватно описывающие влияние факторов на темп вакуумной сушки.В натуральных значениях факторов:

Для трески V = -7,9098 + 1,1071Т + 0,1763Р – 7,750∙10^-3ТР – 9,8958∙10^-2Т² – 9,3333 10^-4Р² (3) Для судака V = 1,3285 – 0,6071Т – 1,0258∙10^-2Р + 1,187∙10^-3ТР + 0,1635Т² + 6,1667 10^-5Р² (4)

Полученные уравнения регрессии позволяют предсказать значение функции отклика для заданных условий реализации процесса вакуумной сушки рыбной кости.

Заключение

Предложен и обоснован способ получения тонкоизмельченной рыбной кости, которая может использоваться в качестве обогащенной функциональной пищевой добавки.

Разработана экспериментальная вакуумная сушильная установка для сушки рыбной кости. Обоснована методика проведения экспериментов на ней.

Получены и обработаны экспериментальные данные по кинетике сушки маложирной (трески) и жиросодержащей (судака) рыбной кости. Установлены рациональные параметры процесса сушки исследуемых объектов.

Получено уравнение регрессии, описывающее влияние режимных параметров вакуумной сушки на темп обезвоживания продукта.

Список литературы

1. Антипов С.Т., Воронин А.А., Кумицкий А.С. и др. Исследование процесса вакуум-сублимационного обезвоживания пищевых продуктов при различных способах энергоподвода. Вестник МАХ, вып. 2, с.44-47, 2007.

2. Баранов В.В., Бражная И.Э., Гроховский В.А. и др. Технология рыбы и рыбных продуктов: под ред. А.М.Ершова. СМб, ГИОРД, 944 с., 2006.

3. Безусов А.Т., Флауменбаум Б.Л., Добробабина Л.Б. Рыбная костная ткань как источник ценных бытовых и минеральных веществ. Химические превращения пищевых параметров: всесоюз.конф., Калининград, КГТУ, с. 136, 1991.

4. Палагина В.М., Волошина О.В., Набокова А.А. и др. Продукты функционального питания на основе вторичного сырья рыбопереработки. Рыбная промышленность, №1, с. 28-30, 2005.

5. Фатыхов Ю.А., Мажаров А.В., Соловьев А.В. Способ получения функциональной пищевой добавки из рыбной кости. Интенсификация технологических процессов и оборудования пищевых производств: межвуз.сб. научн.тр. Калининград, КГТУ, с.41-45, 2009.