Научное обеспечение процесса сушки красного стручкового перца в установке с гибким транспортирующим органом

Стабильное снабжение населения Российской Федерации высококачественными, биологически полноценными, экологически безопасными продуктами питания можно обеспечить, развивая производственный потенциал пищевой промышленности [18, 27, 33].

В улучшении обеспечения населения продуктами питания важная роль принадлежит пищеконцентратной промышленности.

Сегодня трудно представить пищевые производства, которые не использовали бы пряности и приправы. Они позволяют расширить ассортимент продукции, практически не изменяя ее себестоимости и технологии производства. Во всем мире специи приобретают все большее значение, как единственно возможный натуральный компонент, способный придать продукту оригинальный, неповторимый вкус и аромат. Продукт, который содержит натуральные компоненты, всегда будет пользоваться большим спросом [18, 27, 33].

Пряности и приправы — обязательный компонент большинства рецептов: от салатов и первых блюд до десертов. Безусловно, ни пряности, ни приправы не являются продуктами первой необходимости, однако они помогают расширить ассортимент блюд и облегчают процесс их приготовления. В кулинарии пряности и приправы подобны аксессуарам в моде. Они оттеняют вкус блюда, придают ему аромат, подчеркивая его достоинства или маскируя недостатки [18, 27, 33].

Пряности и приправы — натуральные продукты, отличающиеся составом и способом приготовления. Пряности представляют собой высушенные части растений, содержащих пряные и ароматические вещества. К ним относятся семена (мускатный орех и горчица), плоды (перец, ваниль и анис), цветки или их части (каперсы и гвоздика), листья (лавровый лист), кора (корица) и корневища (имбирь). Приправы, в отличие от пряностей, являются смесью нескольких ингредиентов: пряностей и специй (сахар, соль). В зависимости от состава приправы могут иметь самый разный вкус. На протяжении последних нескольких лет отечественный рынок приправ и пряностей активно развивается. В 2004 году расходы населения на покупку сухих приправ выросли на 36% по сравнению с октябрем-ноябрем 2002 года. Увеличению спроса на приправы способствует рост уровня доходов населения, а также интерес к здоровому образу жизни, в котором правильному питанию отводится важная роль [22, 66].

За последние годы существенно расширился ассортимент продукции [38], появились новые виды приправ, в состав которых все чаще включают красный стручковый перец. Он является одной из традиционно используемых в колбасном производстве пряностей, применяется при изготовлении студней, котлет, популярного шпига «По-Венгерски». Хорошо сочетается с мясными, овощными, бобовыми, рисовыми блюдами. Для придания пикантности им сдабривают курицу, свинину, рыбу, морепродукты. Его кладут в сыры, творожные изделия, салаты. Например, корейские салаты не обходятся без молотого или дробленого красного перца. Ликероводочная промышленность использует цельный стручковый перец для производства перцовых водок и настоек. В соусном производстве молотый и дроблёный перец идет на изготовление острых кетчупов, аджик, лечо. В фармацевтической промышленности употребляется для изготовления перцовых пластырей, а также тинктур, экстрактов [10, 21, 32].

Красный стручковый перец выращивают во многих странах — в Индии, Восточной Азии, а так же на Украине, Молдавии, государствах Средней Азиив России — в Нижнем Поволжье, Краснодарском крае. В Россию также поступает красный перец из стран СНГ (Киргизия, Узбекистан, Казахстан). По данным Международного сообщества производителей перца (International Pepper Community — IPC), в июне 2003 г. доля основных стран — экспортеров этого товара в мировых поставках составила (%): Вьетнам — 67, Индонезия — 11, Малайзия — 8, Индия — 7, Бразилия — 6, Шри-Ланка — 1 [63, 64].

За последние годы общее производство овощей в Российской Федерации стабильно увеличивается: в 2003 году оно возросло на 8,9% и составило 10,949 млн. т. [47] (табл. 1).

Таблица 1.

Динамика производства овощей в России (тыс. тонн).

Виды овощей 2002 г. 2003 г. 2004 г.

Всего 10 050 10 949 11 605.

Картофель 1467 1679 1863.

Огурцы 429 430 435.

Морковь 370 340 350.

Кабачки 358 455 467.

Брокколи 215 275 293.

Лук 1118 1286 1332.

Чеснок 42 44 45.

Помидоры красные 1964 2127 2315.

Помидоры зеленые 575 756 832.

Перец красный стручковый 1751 1762 1781.

Салат 228 248 265.

Клубника 141 144 145.

Дыни 543 460 470.

Арбузы 849 943 1012.

К сожалению, российские овощеводы даже при постоянном увеличении производства перца, не могут пока удовлетворить растущий спрос на свою продукцию. Импорт перца неуклонно продолжает свой рост.

Российские предприятия продолжают очень мало уделять внимания переработке овощей. В 2001 году переработано не более 35% российских овощей. Из них сушатся лишь 2,8%.

Все это позволяет иностранной продукции почти полностью оккупировать полки супермаркетов крупных российских городов. Китайские, польские, болгарские, венгерские, немецкие, испанские, украинские консервированные овощи не встречают никакого сопротивления со стороны наших производителей. По оценке в 2005 году в Россию было завезено около 240 000 тонн консервированных овощей.

Если в развитых странах годовое потребление выращиваемых овощей составляет около ста пятидесяти килограммов на одного человека, то в Рос сийской Федерации оно не превышает девяносто килограммов. Очевидно, что производство овощей в целом не удовлетворяет спрос нашего населения. Овощеводство во многих хозяйствах убыточна, что не способствует популярности и широкому ее развитию. Во многом это связано с отсутствием прогрессивных технологий, обеспечивающих высокое качество готовой продукции на основе внедрения новой техники, способствующей экономии исходного сырья, энергии, материаловвысоко эффективных машин и аппаратов, обеспечивающих полную автоматизацию и механизацию технологических процессов [24, 77, 79, 80].

Актуальность работы. Обладая высокой пищевой ценностью, сушеный стручковый перец, как важнейший компонент, входит в состав приправ, обеденных блюд, пиццы, мясных деликатесов и других видов продуктов. Этим объясняется его большой спрос на рынке.

Потребительские свойства сушеного стручкового перца (его аромат и специфический вкус) формируются в процессе сушки [43, 73]. Новые физические, вкусовые и ароматические свойства перца, образующиеся при сушке, обусловлены существенными изменениями состава сырья, происходящими в результате биохимических реакций. При производстве сушеного перца очень важно соблюдать параметры, которые способствуют прохождению биохимических процессов, направленных на создание продукта с высокими пищевыми достоинствами, сильным ароматом и острым вкусом.

Однако традиционная сушка перца сопряжена со значительными энергозатратами и невысоким качеством готового продукта [25, 86].

Необходима разработка новых сушильных установок с плотным пересыпающимся гидродинамическим режимом [1, 2, 4, 5, 26, 30, 41, 65, 70, 74]. При этом повышается качество готового продукта и снижаются энергозатраты [35, 36]. Создание таких высокоэффективных установок, обеспечивающих полную автоматизацию и механизацию технологических процессов, позволит изготовить поточно-механизированные линии, обеспечивающие значительное повышение производительности труда, безотходную переработку красного стручкового перца и улучшение его качества.

Теоретические основы тепломассообмена в процессах сушки пищевого растительного сырья и их аппаратурное оформление отражены в работах А. В. Лыкова, А. С. Гинзбурга, Б. С. Сажина, Б. И. Леончика, Ю. А. Михайлова, А. Н. Острикова и др.

Из зарубежных исследователей, работающих в этом направлении, следует отметить О. Кришера и др.

Развитие теории, техники и технологии тепломассообменных процессов подготовило условия для научного подхода к разработке новых способов сушки красного стручкового перца и рациональных конструкций сушильных установок, обеспечивающих наименьшие потери теплоты и электроэнергии.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств Воронежской государственной технологической академии по теме «Исследование гидродинамики, теплои массообмена в системах: твердое тело — жидкость, твердое тело — газ при течении в каналах разной геометрической формы» (№ гос. регистрации 01.960.6 217).

Цель диссертационной работы: научное обеспечение процесса сушки красного стручкового перца на сушилке с гибким транспортирующим органомповышение эффективности процесса за счет разработки нового способа сушки и сушильных установок, обеспечивающих экономию теплоэнергетических ресурсов при требуемом качестве готовой продукции.

Научная новизна. Обоснована целесообразность использования плотного пересыпающегося гидродинамического режима для сушки красного стручкового перца.

Определены гидродинамические характеристики плотного пересыпающегося слоя красного стручкового перца, позволяющие обеспечить стабильное поддержание заданных технологических режимов. и.

Разработана математическая модель динамики движения красного стручкового перца в плотном пересыпающемся слое в сушилке с гибким транспортирующим органом.

Установлены кинетические закономерности процесса сушки красного стручкового перца в плотном пересыпающемся слое.

Выявлены температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной энергией связи и термическому разложению термолабильных веществ.

Практическая ценность. Разработан способ сушки красного стручкового перца и оригинальные конструкции сушильных установок для его реализации.

Проведено комплексное исследование качественных показателей красного стручкового перца, высушенного на сушилке с гибким транспортирующим органом в плотном пересыпающемся гидродинамическом режиме. Установлено, что высушенный красный стручковый перец обладает хорошими потребительскими свойствами и имеет высокую пищевую ценность.

Разработан инженерный метод расчета сушильных установок для красного стручкового перца.

Новизна технических решений защищена тремя патентами РФ (№ 2 215 957, 2 234 650,2237224).

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались: на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2002 по 2005 гг.) — II международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2002 г.) — III международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2003 г.) — IV международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2004 г.) — III международной научно-технической конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2002 г.) — международной научно-практической конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств» (Краснодар, 2002 г.).

Результаты работы демонстрировались на 17-й межрегиональной выставке «Продторг» (22−24 октября 2003 г.), выставке «Центрагромаш» (14 ноября 2003 г.), IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций и награждены дипломами. Соискатель принял участие в конкурсе инновационных проектов в рамках 17-й межрегиональной выставке «Продторг» и награжден дипломом. Получена золотая медаль на выставке «Воронежпродэкс-по» (20 апреля 2005 г.).

Представленная диссертационная работа обобщает новые результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса сушки красного стручкового перца в сушилке с гибким транспортирующим органом, проведенных непосредственно автором под научным руководством д. т. н. профессора А. Н. Острикова.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Проведены на основании системного подхода комплексные теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых разработана технология сушки красного стручкового перца в плотном пересыпающемся слое, обеспечивающая высокую эффективность процесса, экономию теплоэнергетических ресурсов и хорошее качество готовой продукции.

2. Исследована кинетика процесса термолиза красного стручкового перца, что позволило выявить температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной энергией связи.

3. Методом нестационарного теплового режима (метод B.C. Волькенштейн) определены теплофизические характеристики красного перца для интервала температур 293.353 К. Из полученных уравнений видно, что зависимости коэффициентов теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости от температуры носят линейный характер. Влажность оказывает большее влияние на исследуемые коэффициенты, чем температура.

4. Исследованы основные гидродинамические закономерности процесса сушки красного стручкового перца при плотном пересыпающемся гидродинамическом режиме при использовании в качестве теплоносителя нагретого воздуха. Установлен характер изменения пропускной способности сушилки от ее конструктивных параметров: с увеличением амплитуды волны и угла наклона ленты пропускная способность сушилки возрастает практически линейно. Пропускная способность сушилки с увеличением высоты слоя перца возрастает нелинейно и в определенный момент становится постоянной. Разработана математическая модель динамики движения красного стручкового перца в плотном пересыпающемся слое.

5. Для оценки распределения потока воздуха использовались фотографии спектров потока (метод Идельчика И.Е.): по диаграммам скоростей в отдельных сечениях определили закон распределения скоростей потока. Установлено, что распределение скоростей воздушного потока в продольной плоскости подчиняется тригонометрическому закону. Это позволило обосновать целесообразность выравнивания поля скоростей теплоносителя и рациональные соотношения формы транспортирующего органа и размеров сушилки.

6. Изучен механизм и основные кинетические закономерности процесса сушки красного стручкового перца при плотном пересыпающемся гидродинамическом режиме. Выявлено, что основными факторами, влияющими на протекание процесса сушки перца, являются: температура воздуха, скорость воздуха и скорость гибкой транспортирующей ленты.

7. Определены следующие рациональные режимы сушки красного стручкового перца: температура воздуха 353.373 Кскорость воздуха 0,7.2,0 м/судельная нагрузка на ленту 2,7 — 3,1 кг/м2.

8. Проведено комплексное исследование качественных показателей красного стручкового перца, высушенного нагретым воздухом, при плотном пересыпающемся гидродинамическом режиме. Установлено, что стручковый перец обладает хорошими потребительскими свойствами.

9. Разработаны оригинальные конструкции аппаратов для сушки красного стручкового перца. Проведены производственные испытания способа сушки красного стручкового перца на ООО «Завод Мивок», которые подтвердили высокую эффективность разработанных технологических режимов. Ожидаемый экономический эффект от его промышленного внедрения составит 82,7 тыс. р./год.