Совершенствование технологии получения пищевых добавок длительного хранения из обезвоженных растительных плодов

Одной из актуальных задач перерабатывающей промышленности на современном этапе является рациональное использование растительного сырья с максимальным сохранением в нем биологически активных веществ.

Среди приоритетных проблем современной пищевой промышленности особо следует выделить совершенствование технологий производства продуктов питания с профилактическими свойствами.

Весомый вклад в решение проблемы интенсификации сушки растительного сырья внесли известные ученые и специалисты Алексанян И. Ю., Буй-нов А.А., Гинзбург А. С., Данилов O. JL, Кошевой Е. П., Красников В. В., Куц П. С., Леончик Б. И., Лыков А. В., Михайлов Ю. А., Пензин В. В., Рогов И. А., Рудобашта С. П., Рысин А. П., Семенов Г. В., Шаззо Р. И. и другие.

Существенным ресурсом сырья, обладающего такими свойствами, являются растительные плоды, в состав которых входит комплекс биологически активных веществ. К наиболее перспективным видам растительного сырья для производства пищевых добавок относятся выращиваемые в Краснодарском крае плоды абрикоса, алычи, груши и дыни, ввиду того, что они являются наиболее распространенными и популярными у населения видами плодового сырья, содержащими легкоусвояемые углеводы, водои жирорастворимые витамины, макрои микроэлементы, ароматические вещества.

С учетом того обстоятельства, что большая часть Российской Федерации не имеет благоприятных условий для выращивания высоковитаминизирован-ных растительных плодов, все большее значение приобретает проблема их обезвоживания с целью увеличения сроков их хранения и использования.

Однако существующие традиционные способы обезвоживания растительных плодов (естественная, конвективная сушка и др.) малоэффективны и не позволяют в достаточной степени сохранить полезные свойства содержащихся в них биологически активных веществ. Более прогрессивные способы обезвоживания сырья (микроволновая и сублимационная сушка) являются технически сложными и дорогостоящими.

В связи с этим поиск новых эффективных способов обезвоживания растительных плодов с целью продления сроков их хранения и использования максимального сохранения в них биологически активных веществ является актуальным.

Эта проблема могла бы быть решена путем применения щадящих технологических режимов удаления влаги с использованием электромагнитного поля низких и сверхвысоких частот.

Кроме этого, разработка эффективных способов обезвоживания растительного плодового сырья в значительной мере сдерживается наличием на поверхности плодов вязкого защитного кутикулярного воскового покрытия.

В связи с этим возникает настоятельная необходимость в разработке технологических приемов и аппаратурно-технологических решений, позволяющих рационально производить подготовку и обезвоживание растительного плодового сырья.

Работа выполнена в соответствии с «Концепцией Государственной политики в области здорового питания населения РФ на период до 2005 г.» и научно-технической программой Россельхозакадемии «Фундаментальные исследования в области обеспечения населения России здоровым питанием». Шифр темы: 0702.

Целью настоящей работы является совершенствование технологии получения пищевых добавок длительного хранения из обезвоженного растительного сырья.

Выход.

8 В.

— 8 В.

VO u>

Рисунок 3.14 Генератор сигналов модулирующей частоты составляла от 10 до 100 кГц при нестабильности частоты 1%.

При амплитудной манипуляции прямоугольными импульсами их длительность составляла 5−100 ms и длительность паузы между импульсами от 5 до 100 ms.

Неравномерность амплитудно-частотной характеристики в диапазоне от 100 кГц до 280 кГц, от 270 до 750 кГц, от 740 до 2100 кГц, от 3 до 7,5 МГц, от 7 до 22 МГц, от 62 до 80 МГц составляла соответственно 0,5 дБ, 1дБ, 1,5дБ, 2дБ, 1,8 дБ, 1 дБ.

Диапазон изменения напряжения поступающего на излучатель лежал в пределах от 0,1 В до 5,5 В. Величина паразитной амплитудной модуляции ЧМ и ФМ сигнала поступающего на излучатели не превышала 1%.

Максимальная мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку, составляла 0,4 Вт. Максимальная потребляемая мощность установки составляет 2 Вт. В качестве резервного источника питания использовались 6 элементов 373.

Напряженность магнитного поля, создаваемого излучателем, представляющим собой соленоид, вычислялась следующим образом. Импеданс излучателя рассчитывается по формуле: где Ra — активное сопротивление катушки, L — индуктивность катушки, f— частота электромагнитных колебаний.

Как известно, величина магнитной индукции соленоида связана с амплитудным значением силы тока I, протекающего по катушке, с числом витков п, площадью поперечного сечения S и индуктивностью катушки L.

Z" = [Ra2 + (27ifL)2],/2,.

73).

В = LI/nS.

74).

Формулу (2) можно записать в виде:

В = LU/nSZH, где U — амплитудное значение напряжения, приложенного к катушке. Зная величину магнитной индукции ЭМП, возможно вычислить.

Н = В/ццо, (76) где ц — магнитная проницаемость вещества,^{-магнитная} проницаемость вакуума.

Расчет напряженности поля на расстоянии равному расстоянию от излучателя до исследуемого объекта производился по следующей формуле:

Н = 1г2/2(Г2 + Ь2)3/2, (77) где b — расстояние от катушки до исследуемого объекта, г — радиус катушки.

В виду того, что сопротивление соленоида возрастает с частотой подаваемых на них электрических сигналов в виду роста индуктивного сопротивления соленоида, то использование катушек индуктивности в качестве излучателей на частотах выше 0,5 МГц становится не целесообразным в виду большого затухания в них сигнала и необходимо использовать дипольные излучатели. Таким образом, в случае использования AM и ЧМ ЭМП, частоты несущих которых лежат в коротковолновой области и выше, необходимо использовать излучатели в виде антенн, которые в зависимости от конструкции обладают различной диаграммой направленности излучения.

Использование высокочастотных AM и ЧМ ЭМП полей позволит сделать излучаемые AM и ЧМ ЭМП узко направленными, что очень важно с экологической и технологической точек зрения, так как позволит стимулировать или ингибировать только отдельные участки технологических циклов.

Совместно с сотрудниками Института масличных культур (ВНИИМК) авторы разработали оригинальную методику оценки влагосодержания внутри семян дыни под воздействием ЭМП НЧ с помощью меченых атомов. В период выращивания дыни в состав удобрений вносился радиоактивный кальций Са45. За поведением мембранных ионных каналов легко наблюдать, поскольку возникающий при движении ионов ток можно измерить, причём даже для одиночного канала. Известно, что каналы спонтанно и с высокой частотой меняют свое состояние от открытого к закрытому. Для калиевого канала характерны импульсы тока амплитудой около 2 пА (2−10 «А) и длительностью в несколько миллисекунд. За этот период через него проходят десятки тысяч ионов. Переход белков из одной конформации в другую изучают методами рентгеновской дифракции, мессбауэровской спектроскопии и ядерно-магнитного резонанса. Белки, таким образом, являются очень динамичными подвижными структурами, а канал, проходящий через белок, не просто жесткая, наполненная водой трубка, а лабиринт быстро двигающихся молекулярных групп и зарядов. Эта динамическая характеристика канала отражается в энергетическом профиле канала. В зависимости от заряда, размеров и степени гидратации иона и его способности связываться со структурами стенок канала энергетический профиль канала варьирует для различных ионов, чем может объясняться избирательность отдельных типов каналов.

Диффузионное равновесие ионов. Диффузия различных ионов через мембранные каналы должна была бы привести к устранению различий в концентрациях между внеи внутриклеточной средами. Однако, такие различия сохраняются, следовательно, должно существовать некое равновесие между диффузией и другими процессами транспорта через мембрану. Нужно рассмотреть пути, с помощью которых такое равновесие устанавливается. В случае ионов на диффузионное равновесие влияет их заряд. Диффузия незаряженных молекул обеспечивается разностью концентраций dc, и, когда концентрации уравниваются, собственно транспорт прекращается. На заряженные частицы дополнительно влияет электрическое поле. Например, когда ион калия выходит из клетки по градиенту своей концентрации, он несёт один положительный заряд. Таким образом, внутриклеточная среда становится более отрицательно заряженной, в результате чего на мембране возникает разность потенциалов. Внутриклеточный отрицательный заряд препятствует выходу из клетки новых ионов калия, а те ионы, которые всё же выйдут из клетки, ещё больше увеличат заряд на мембране. Поток ионов калия прекращается, когда действие электрического поля компенсирует диффузионное давление вследствие разности концентраций. Ионы продолжают проходить через мембрану, но в равных количествах в обоих направлениях. Следовательно, для данной разности концентраций ионов на мембране существует равновесный потенциал Ejon, при котором поток ионов через мембрану прекращается. Равновесный потенциал может быть легко определён с помощью уравнения Нернста: R-T. Внеклеточная концентрация иона.

Ьш =— m-, (7 о) z • F Внутриклеточная концентрация иона где Rгазовая постоянная, Табсолютная температура, zвалентность иона (отрицательная для анионов), a F — число Фарадея. Если подставить в уравнение константы, то при температуре тела (Т = 310 К) равновесный потенциал для ионов калия Ек равен:

Ек =-6мВ • lg.

Если.

К внутр к+ знешн.

К*.

79).

— = 39 (для мышечных тканей), то.

К.

Ек = -6мВЛ%Ъ9 = -6мВЛ£9 = -91мВ.

Действительно, было обнаружено, что все клетки имеют мембранный потенциалв мышечных клетках млекопитающих его уровень составляет около -90 мВ. В зависимости от условий и относительных концентраций ионов клетки могут иметь мембранный потенциал в пределах от-40 до-120 мВ. Для клетки в приведённом выше примере потенциал покоя, равный примерно -90 мВ, показывает, что потоки ионов калия через мембранные каналы находятся приблизительно в равновесии. Это неудивительно, поскольку в покоящейся мембране открытое состояние калиевых каналов наиболее вероятно, т. е. мембрана наиболее проницаема для ионов калия. Мембранный потенциал, однако, определяется потоками и других ионов.

Существует так называемая пассивная диффузия ионов и образующийся вследствие этого мембранный потенциал при заданных внутрии внеклеточных концентрациях ионов. Однако в результате этого процесса концентрация ионов внутри клетки стабилизируется не автоматически, поскольку мембранный потенциал несколько более электроотрицателен, чем Ек, и намного — по сравнению с En3 (около +60 мВ). Благодаря диффузии внутриклеточные концентрации ионов, по крайней мере калия и натрия, должны уравниваться с внеклеточными. Стабильность градиента ионов достигается посредством активного транспорта: мембранные белки переносят ионы через мембрану против электрического и (или) концентрационного градиентов, потребляя для этого метаболическую энергию. Наиболее важный процесс активного транспорта — это работа Na/K-Hacoca, существующего практически во всех клеткахнасос выкачивает ионы натрия из клетки, одновременно накачивая ионы калия внутрь клетки. Таким образом обеспечивается низкая внутриклеточная концентрация ионов натрия и высокая — калия. Градиент концентрации ионов натрия на мембране имеет специфические функции, связанные с передачей информации в виде электрических импульсов, а также с поддержанием других активных транспортных механизмов и регулирования объёма клетки. Поэтому неудивительно, что более 1/3 энергии, потребляемой клеткой, расходуется на Na/K-Hacoc, а в некоторых наиболее активных клетках на его работу расходуется до 70% энергии.

На транспортировку трёх ионов натрия из клетки и одновременно двух ионов калия в клетку используется энергия одной молекулы АТФ, т. е. суммарно за один цикл из клетки удаляется один положительный заряд. Таким образом, Na/K-Hacoc является электрогенным (создаёт электрический ток через мембрану), что приводит к увеличению электроотрицательности мембранного потенциала приблизительно на 10 мВ. Транспортный белок выполняет эту операцию с высокой скоростью: от 150 до 600 ионов натрия в секунду. Аминокислотная последовательность транспортного белка известна, однако ещё не ясен механизм этого сложного обменного транспорта. Данный процесс описывают с использованием энергетических профилей переноса белками ионов натрия или калия. По характеру изменения этих профилей, связанных с постоянными изменениями конформации транспортного белка (процесс, требующий затраты энергии), можно судить о стехиометрии обмена: два иона калия обмениваются на три иона натрия.

Поскольку работа Na/K-Hacoca представляет собой многоступенчатую химическую реакцию, она, подобно всем химическим реакциям, в значительной степени зависит от температуры.

На рисунке 3.15 приведена авторадиограмма семян дыни. ч.

Рисунок 3.15 — Авторадиограмма семян дыни, а — контрольный образец, б — образец обработанный в ЭМП НЧ Как видно из рисунка 3.15 в образцах семян дыни, обработанных ЭМП НЧ, влага переместилась к поверхности зерна, о чем свидетельствует увеличенная каемка, образованная переместившимся вместе с влагой радиоактивным кальцием Са45.

Автором предложено осуществить последующее удаление влаги из плодов (после СОг-обработки) в две стадии. I стадия обезвоживания сырья производится путем воздействия на него электромагнитным полем низкочастотного диапазона (12−100 Гц).

Для осуществления этого способа плоды абрикоса, алычи, груши и дыни помещаются в устройство для сушки, представляющее собой заземленную стальную емкость, в которой находится излучатель расположенный так, чтобы максимальное число линий магнитной индукции электромагнитного поля пронизывало объем емкости с исследуемым продуктом. Оптимальная частота обработки для различных видов плодов и полуфабрикатов определялась по методике М. Г. Барышева. Для плодов абрикосов она составила 14,25 Гц, для алычи 13,44 Гц, для груш 39,22 Гц, для ломтиков дыни 49,65 Гц при длительности обработки 10 мин и напряженности поля 1200А/м.

При воздействии электромагнитного поля с указанными параметрами на плоды происходит перераспределение энергии тепловых колебаний в системе ион-белок, соответственно происходит активация или ингибирование переноса протонов за счет изменения конформации ЬГ-канала и изменения высоты акти-вационных барьеров связывания Н* с белками и другими ингредиентами. В результате воздействия ЭМП на клетки плодов, они (за счет имеющейся у них энергии) высвобождают протоны во внеклеточную среду и количество воды, находящейся во внеклеточной среде, уменьшается.

3.4 Совершенствование технологии вакуумной СВЧ-сушки сырья.

При взаимодействии влажных материалов с полями высокой частоты (частота поля f =3−104 — 3−105 Гц) возникает комплекс явлений, позволяющих интенсифицировать теплотехнологические процессы. Однако метод оказывается эффективным только при условии преодоления многочисленных технических трудностей (конструкция электродов, изменения электрофизических свойств объекта обработки, нестабильность работы генератора и др.) и стабилизации выхода и качества продукции.

Существенный технологический результат при использовании токов высокой частоты можно получить для ряда процессов, среди которых основное место занимают тепловые и массообменные (нагревание, стерилизация, размораживание, сушка, сваривание полимеров и др.).

Характерной особенностью СВЧ-сушки, кроме объемного нагрева, является выделение энергии в материале пропорционально массовой доле влаги, которая уменьшается, что приводит к уменьшению фактора диэлектрических, потерь и соответственно выделяемой энергии.

Удельная мощность (Вт/см3), необходимая для нагрева и испарения влаги, оценивается балансовым соотношением:

Рэ = 4,7(р/х)[с (0, — 02 — 6,) + r (W/GM)], (80) где р — плотность материала, кг/м3- х — продолжительность нагрева, сс — удельная теплоемкость материала, Дж/(кг-°С) — 01, 02 — начальная и конечная температуры,°Сг — теплота парообразования, Дж/кгW — количество удаленной влаги за время х, кг/сGM — масса материала, кг/с.

Для сушки в поле токов высокой частоты характерна высокая: скорость подвода энергии, а, следовательно, и интенсивность парообразования в продукте. При этом скорость парообразования может превышать скорость переноса пара, что приводит к возникновению градиента давления. Перенос вещества осуществляемся не только за счет градиентов влажности и температуры, но и за счет градиента давления при наличии внутренних источников теплоты. Этим отличается механизм переноса теплоты и массы при высокочастотном нагреве.

Общее уравнение А. В. Лыкова, характеризующее плотность потока влаги в материале и при высокочастотной сушке, имеет вид q м = -am ро Vu — am ро 5 V 0 — kp Vp, (81) где qm — плотность потока влаги, кг/(м с) — ат — коэффициент диффузии влаги, м3/сРо — плотность сухого материала, кг/м3- Vu — градиент влагосодержания, м4- 8 — коэффициент термовлагопроводности,°С м" 1;

V0 — градиент температуры, °С м" 1- кр — коэффициент переноса влаги, обусловленный градиентом общего давления, кг/(м с-Па);

Vp — градиент общего давлений, Па-м" 1.

При нагреве гомогенного продукта в поле токов высокой частоты при равномерном прогреве вещества по всему объему иногда можно считать, что градиенты температуры и влажности стремятся к нулю. Тогда общее уравнение применительно к данному случаю значительно упроститься,.

Яш = -kp Vp. (82).

Таким образом, определяющую роль может играть избыточное давление в материале как результат интенсивного энергоподвода за счет внутренних источников, однако при этом требуются значительные затраты энергии, а иногда следует учитывать возможность разрушения материала.

Поэтому высокочастотный энергоподвод следует комбинировать с более дешевыми и доступными методами, например радиационным или конвективным. Тогда свободная влага с поверхности может удалятся при меньших затратах энергии. Такие процессы можно проводить, например, при импульсном подводе высокочастотной энергии.

Электромагнитные излучения, частота которых f =3 • 109- 3 — 10″ Гц, называют сверхвысокочастотными (СВЧ).

При их воздействии на пищевые и другие влажные материалы появляется возможность успешно решать ряд ответственных теплотехнологических задач (нагревание, варка, сушка, стерилизация, пастеризация, сублимация и др.).

СВЧ-энергоподвод позволяет реализовать безотходные и энергосберегающие технологии в пищевой промышленности, значительно увеличить выпуск готовой продукции без больших капитальных затрат, улучшить санитарно-гигиенические условия труда.

В нашей стране и за рубежом разработаны и эксплуатируются СВЧ-аппараты периодического и непрерывного действия, предназначенные для использования в различных отраслях пищевой промышленности, а также в общественном питании и в быту.

Для разработки и эксплуатации установок СВЧ-нагрева необходимо обосновать параметры технологического процесса, иметь сведения об электрофизических свойствах продуктов и основах расчета процесса.

Несмотря на преимущества СВЧ-энергоподвода не следует отвергать традиционные методы теплотехнологии. Рациональное их сочетаниенаиболее плодотворный и конструктивный путь.

Эффективность СВЧ-аппаратов зависит от четкого определения сферы их использования в общей технологической цепи, от срока работы генератора СВЧ-магнетрона, а также уровня подготовки обслуживающего персонала.

При СВЧ-энергоподводе появляется возможность концентрировать энергию в малых объемах материала. Варьируя при этом геометрией и напряженностью электрического поля, можно создать условия, при которых температура в центре изделия будет выше, чем на его поверхности. Часто это позволяет по-новому организовать и интенсифицировать технологические процессы, не осуществляемые при использовании традиционных методов.

При тепловой обработке пищевых продуктов изменяются их диэлектрические свойства, что, в свою очередь влияет на развитие процессов тепломассопереноса. Особенно резко этот эффект заметен при фазовых переходах, наблюдаемых, например, при замораживании мяса, рыбы и других продуктов, когда фактор потерь лавинообразно возрастает в десятки раз. В связи с этим возникают сложные задачи управления процессом.

Для широкого промышленного использования СВЧметодов необходимо применение стабильного источника СВЧ-энергии — магнетрона. К настоящему времени разработаны магнетроны большой мощности, со значительным ресурсом и КПД, превышающем 75%. При минимальных геометрических размерах они обеспечивают мощность до десятков кВт.

Особый интерес для дальнейшего развития СВЧ-технологий представляет проблема изучения механизма влияния СВЧ-излучений на свойства материалов.

Например, на механизм поглощения СВЧ-энергии биологическими объектами существенное воздействие оказывает вода. Она вносит определяющий вклад в диэлектрические потери СВЧ-энергии в биологической ткани. Установлено, что доля поглощения Н20 на частоте 1 ГТц составляет 50% общих потерь энергии микроволн, на частоте 10 ГТц — 40%, а на частоте 30 ГТцоколо 98%.Релаксация дипольных молекул воды и колебания свободных зарядов в СВЧполе наиболее наглядно определяют тепловой эффект электромагнитного излучения. При этом в результате нагревания клеток и тканей организма происходят изменения физико-химических свойств биологических структур, кинетики биофизических и биохимических процессов в организме.

Рисунок 3.16 — Схема устройства вакуумной СВЧ-установки для сушки плодового сырья: 1 — клапан для напуска воды, 2 — ручной клапан для напуска воздуха, 3 — автоматичекий клапан для напуска инертного газа, 4 — мотор-редуктор, 5 — магнетрон, 6 — блоки питания магнетронов, 7 — инжекторный насос, 8 — водяной насос.

Основной особенностью СВЧ-нагрева в дециметровом и частично в сантиметровом диапазонах является его объемный характер. Время разогрева объекта по всему объему в этом случае значительно меньше, чем при нагреве традиционными способами, сильно зависящими от конвекции. По этой причине СВЧ-нагрев биологического объекта вызывает изменения, которые не наблюдаются при других формах подвода теплоты. Однако влияние воды на биологическое воздействие СВЧ-излучений не исчерпывается тепловыми эффектами. Теоретические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что вода определяет и нетепловые эффекты, когда общая температура облучаемого объекта меняется несущественно. Это связано с особенностями структурной организации воды, гид-ратирующей молекулярные компоненты в биологических системах. Вторая стадия обезвоживания плодового сырья осуществлялась на вакуумной СВЧ-установке «Альтернатива-М» конструкции ООО «Компания русские традиции». Устройство вакуумной СВЧ-установки показано на рисунке 3.16.

Переменное электромагнитное поле сверхвысокой частоты возбуждается в основной камере четырьмя микроволновыми генераторами на основе магнетронов, между катодом и анодом которых приложено напряжение постоянного тока до 4 тыс.В. Анодное напряжение создает электрическое поле, в котором энергия движущихся электронов преобразуется в энергию электромагнитного поля микроволнового диапазона с частотой 2450 МГц и длиной волны 15 см.

Глава 4 Опытно-промышленная апробация результатов исследования.

4.1 Апробация новой технологии производства обезвоженных плодов.

Комплексная технологическая линия обезвоживания плодового сырья при щадящих технологических режимах с целью создания высоковитаминизиро-ванных продуктов длительного хранения показана на рисунке 4.1.

Доставка.

Приемка >- сырья Хранение J.

Рисунок 4.1 — Схема технологической линии сушки плодового сырья.

Промышленная переработка абрикосов, алычи, груш и дынь на натуральные пищевые добавки позволяет получать высококачественные продукты, пригодные для потребления независимо от сезона созревания плодов.

Производство сухих плодовых и дынных продуктов и их смесей рекомендуется организовать на действующих овощесушильных предприятиях.

Экспериментальные партии сухих продуктов выработаны в сушильном цехе ООО «Компания Русские Традиции» (г. Краснодар). В таблице 4.1 приведен химический состав пищевых добавок полученных по различным технологиям обезвоживания растительного сырья. Наиболее распространенным способом обезвоживания растительного плодового сырья является конвективная сушка, но как видно из таблицы 4.1 содержание биологически активных веществ в пищевых добавках, полученных по этой технологии, значительно ниже, чем в исходном сырье.