CC BY
10
РАЗДЕЛ II. ЭКОЛОГИЯ, БИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
УДК 664.8.037.5:639.422
ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ КРИОГЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ
МИДИИ ТИХООКЕАНСКОЙ
Л.И. Балыкова1, В.А. Иодис2, К.В. Галкин3
1-3Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003
1e-mail: firmametod@mail.ru 2e-mail: dosent.07@mail.ru 3e-mail: ingener0@mail.ru
В данной работе обсуждаются вопросы, связанные с результатами исследований по экологически безопасной низкотемпературной обработке мидии тихоокеанской жидким азотом. Получены новые экспериментальные значения основных параметров процесса замораживания мидии, которые использованы при разработке технологии производства мидии.
Ключевые слова: криогенное замораживание, мидия тихоокеанская, жидкий азот, экспериментальная установка.
Ecologically safe cryogenic technology of pacific mussel processing. L.I. Balykova1, V.A. Iodis2, K.V. Galkin3 (1-3Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatski, 683003)
Results of the research of ecologically safe low-temperature pacific mussel processing by liquid nitrogen are presented. New experimental ranges of main parameters of mussel freezing, used for production setup are given.
Key words: cryogenic freeze, mussel pacific, liquid nitrogen, experimental installation.
Тихоокеанская мидия (Mytilus trossulus) - двухстворчатый моллюск - распространена вдоль азиатского побережья: от острова Хонсю и Южного Приморья до Берингова пролива, включая прибрежья островов Курильских, Командорских, Хоккайдо, Сахалина; вдоль американского побережья - от Берингова пролива до Калифорнии. Мидия широко распространена на шельфе Камчатки и экологически замещает морфологически близкую ей североатлантическую Mytilus edulis.
Отмечается неуклонное наращивание мирового производства мидий. Значительный объем исследований и промышленная марикультура тихоокеанской мидии осуществляется на Дальнем Востоке. В то же время Россия, к сожалению, не относится к числу лидеров в области развития марикультуры.
Хотя российский рынок морских деликатесов находится в стадии роста и рыночная конъюнктура неустойчива, спрос на морские деликатесы, в частности на вареную мидию, постоянно увеличивается.
Мидия тихоокеанская во многих странах мира используется как деликатесный продукт, так и источник ценных биологически активных веществ, обладающих стимулирующе -тонизирующим действием. Среди обнаруженных в мидии веществ наибольший интерес представляют иммуномодуляторы, которые способствуют повышению иммунитета к различным инфекциям. Из тела мидии также выделены различные гормоны - прогестерон, андростерон, тестостерон и др., жирные кислоты, фосфолипиды, белки. Эти вещества успешно применяются в медицине как для лечения внутренних органов, так и для восстановительных процессов в ортопедии и офтальмологии. Мидии могут быть использованы для получения фармакологически значимых препаратов [2, 5].
Учитывая уникальность получаемых веществ, важно сохранить питательные и биологически активные компоненты сырья из мидий. Известно, что одним из перспективных методов сохранения качества пищевых продуктов является замораживание с использованием жидкого и газооб-
разного азота. Основными преимуществами этого метода являются высокая скорость замораживания, максимальное сохранение исходного качества продукта, экологическая безопасность.
Однако, как показал анализ литературных источников, исследования по низкотемпературной обработке жидким и газообразным азотом мидии тихоокеанской не проводились [1, 4].
Цель исследования заключается в разработке технологии низкотемпературной обработки мидии тихоокеанской (МуШш ТгоътЫъ) экологически безопасным криоагентом.
Для определение влияния криогенного замораживания на скорость изменения качественных показателей мидии тихоокеанской нами разработана и смонтирована экспериментальная установка для исследования процессов замораживания жидким и газообразным азотом при температурах среды от минус 70 до минус 196°С, принципиальная схема которой представлена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки:
1 - электродвигатель; 2 - камера замораживания; 3 - манометр; 4 - баллон с азотом;
5 - контрольно-измерительная аппаратура; 6 - персональный компьютер; 7, 10 - вентиляторы; 8 - транспортер; 9 - воздухоохладитель; 11 - форсунки; 12 - ТРВ; 13 - РТО; 14 - компрессор; 15 - конденсатор; 16 - ресивер; 17 - сосуд Дьюара
Главными элементами установки являются: камера замораживания (2), транспортер (8), электродвигатель (1), сосуд Дьюара СДС-30-2 (17), баллон с газообразным азотом (4), одноступенчатая холодильная установка, состоящая из компрессора (14), воздушного конденсатора (15), линейного ресивера (16), регенеративного теплообменника (13), терморегулирующего вентиля (12), воздухоохладителя (9).
Камера замораживания (2) представляет собой теплоизолированный шкаф, выполненный из нержавеющей стали (5ст = 0,5 мм), с толщиной теплоизоляционного слоя (плиты ПСБ-С) 100 мм. В камере установлен транспортер (8), соединенный посредством ременных передач с редуктором и электродвигателем (1). Внутри камеры замораживания установлены три осевых вентилятора (10), обеспечивающих циркуляцию среды и форсуночный коллектор. Конструкцию фор-
сунки (11) представляют собой распылители с коническим седлом и четырьмя отверстиями диаметром d0T = 0,001 м, расположенными под углом 0 и 30° к вертикали.
В верхней части камеры находятся специальные отверстия для завода хромель-копелевых термопар от измерительных приборов. Экспериментальная установка может работать в двух режимах:
- режим № 1 - замораживание в среде жидкого и газообразного азота;
- режим № 2 - замораживание в воздухе при температуре минус 25°С.
В режиме № 1 для снижения расхода криоагента предусмотрено включение холодильной машины, которая охлаждает воздух внутри камеры до температуры минус 25°С. Затем закрывается запорный вентиль, холодильный агент собирается в линейном ресивере (16), полностью удаляясь из воздухоохладителя (9). После этого газообразный азот из баллона (4) под давлением 0,2-0,4 МПа (контроль давления осуществляется по манометру (3)) подается при помощи запорного вентиля в сосуд Дьюара (17). Из сосуда жидкий азот поступает по трубопроводу в камеру замораживания, где распыляется с помощью форсунок (11).
При достижении в зонах аппарата стационарного режима, подлежащий замораживанию продукт укладывают на транспортер (5). С помощью привода конвейера, редуктора и электродвигателя (1) обеспечивается перемещение замораживаемого продукта. При этом продукт проходит через три зоны замораживания.
Первая зона - предварительного охлаждения продукта парами криогенного хладоносителя.
Во второй зоне продукт подвергается непосредственному орошению жидким азотом.
В третьей зоне происходит выравнивание температуры по толщине продукта. После выхода продукта из аппарата он подвергается упаковке и укладке, после чего поступает на хранение в холодильную камеру «Sanyo MDF-U3086S». Отвод отработанных паров криогенного хладоноси-теля осуществляется через вытяжное устройство (7).
В режиме № 2 до начала процесса замораживания включается холодильная машина. Когда в зонах аппарата температура воздуха падает до минус 25°С, подлежащий замораживанию продукт укладывают на транспортер (5). С помощью привода конвейера, редуктора и электродвигателя (1) происходит перемещение продукта и его замораживание за счет конвективного теплообмена с холодным воздухом.
Измерение температуры в процессе замораживания проводилось при помощи многоканального измерителя-регулятора температуры ИРТ-4.
Обработку экспериментальных данных выполняли с помощью персонального компьютера -процессора электронных таблиц Excel в Windows XP. Скорость потока парожидкостной смеси измеряли с помощью электронного анемометра марки CFM master 86915, расход азота - с помощью электронных весов марки ПВ-100. Для определения массы продукта предусматривались электронные весы марки ПВ-15.
Экспериментально полученные данные сравнивали с аналитическими, полученными по известной методике [4].
При замораживании мидии в створке, уложенной в один слой, ее рассматривали как пластину ограниченных размеров.
Процесс замораживания разбивался на три стадии:
- I стадия - охлаждение поверхности мидийной мантии от плюс 10 до минус 1,5 °С при вынужденной конвекции среды;
- II стадия - понижение температуры мидийной мантии, орошаемой жидким азотом, до минус 1,5°С в термическом центре моллюска;
- III стадия - понижение температуры термического центра мидии от минус 1,5 до минус 25°С при вынужденной конвекции среды.
Для всех стадий замораживания процесс являлся нестационарным.
Продолжительности каждой стадии при меняющихся ^ср и 5 представлены в табл. 1. Анализ данных показал, что продолжительность замораживания т зависит от толщины слоя продукта 5 и 4р. Это позволило обосновать значения ^ср и 5 для проведения экспериментальных исследований.
Исследования проводили при температуре ^ср минус 70, минус 100, минус 120°С для мидии в створке и для варено-мороженого мяса мидии при разных толщинах продукта 5. В качестве контрольных вариантов рассматривали замораживание мидий при температуре 4р = - 25°С и толщине слоя продукта 5 от 0,01 до 0,02м.
Продолжительность замораживания моллюска
Номер Температура Продолжительность Продолжительность Продолжительность Общая
варианта среды ґСр, °С I стадии, с II стадии, с III стадии, с продолжительность т, с
Толщина слоя продукта 0,010 м
Вариант № 1 -70 170 70 181 421
Вариант № 2 -100 71 60 98 229
Вариант № 3 -120 56 57 72 185
Толщина слоя продукта 0,014 м
Вариант № 4 -70 194 121 360 675
Вариант № 5 -100 83 107 192 382
Вариант № 6 -120 61 100 144 305
Толщина слоя продукта 0,02 м
Вариант № 7 -70 340 222 742 1304
Вариант № 8 -100 102 197 383 682
Вариант № 9 -120 68 187 287 542
В процессе проведения экспериментов определяли изменение температур в центре слоя t4 = fr), на поверхности tH = f(r), паро-газовой среды ^р = f(r), створок моллюска tCT = f(r).
На рис. 2 представлены графические зависимости изменения температуры во времени при замораживании мидии в створке, при условии 5 = 0,02 м, ^р = - 120°С. Для других вариантов замораживания мидии в створке характер графических зависимостей аналогичен.
Анализ полученных данных показал, что с увеличением толщины продукта от 0,01 до 0,02 м продолжительность процесса замораживания увеличивается в 2,7^3 раза, а с понижением ^р от минус 70 до минус 120°С продолжительность процесса замораживания снижается более чем в два раза. Расхождение аналитических и экспериментальных результатов не превышало 17,2%. Продолжительность каждой стадии процесса замораживания вареных мидий представлена в табл. 2 и на рис. 3. Анализ полученных данных при замораживании вареных мидий показал следующее:
- с понижением ^р от минус 70 до минус 100°С наблюдается сокращение продолжительности замораживания мидии т до температуры минус 25°С в центре в 1,31 раза при возрастании скорости процесса в 1,45 раза (табл. 2);
- с понижением температуры среды от минус 100 до минус 120°С наблюдается сокращение продолжительности замораживания образца до температуры минус 25°С в центре (табл. 2) в 1,23 раза при возрастании скорости процесса в 1,14 раза.
Скорость замораживания для контрольного варианта была ниже, чем для остальных вариантов, и составила 0,0037 м/ч, что соответствует по классификации МИХ медленному замораживанию.
Процесс замораживания по варианту № 12 имеет наивысшую скорость замораживания, которая равна 0,33 м/ч (табл. 2).
^°о
25
0 0
-25
-75 -100 -125 -150
-175 -200
Рис. 2. Экспериментальные зависимости температуры от времени для варианта № 9:1 - ^ = /(т); 2 - гп = /(т); 3 - гСр = /(т); 4 - = /(т);
I стадия - а - б, II стадия - б - в, III стадия - в - г
1а б Z1 в т, мин
)0 1: )0 2: з: )0 „ 4: /2 )0 5: )0 " ■ ■ ■ ■ -6: №..... 7: )0 г
‘••-S.. "•"Ми,
"Н«н
, і 1 1 и ,3
\
\
L
Продолжительность процесса замораживания вареных мидий
Номер варианта Скорость замораживания, м/ч Температура среды II стадии, °С Продолжительность I стадии, с Продолжительность II стадии, с Продолжительность III стадии, с Общая продолжительность замораживания, с
Вариант № 10 0,2 -70 94 180 210 484
Вариант № 11 0,29 -100 75 123 171 369
Вариант № 12 0,33 -120 49 110 141 300
Контрольный вариант 0,0037 -25 1030 6920 1830 9780
По классификации МИХ это соответствует сверхбыстрому замораживанию, а значит, позволяет уменьшить негативное воздействие процесса замораживания на качественные показатели вареного моллюска [3, 4].
Определены также значения удельного расхода жидкого азота.
Анализ полученных данных показал, что минимальный удельный расход азота, равный
I,04 кг/кг, наблюдался для варианта № 10, когда 4р = - 70°С, что соответствовало большему перегреву паров азота. Однако расход жидкого азота для варианта № 12 выше в 1,05 раза, чем для варианта №
II, но при этом существенно сокращается продолжительность процесса, в 1,23 раза, а скорость замораживания увеличивается в 1,14 раза.
Рис. 3. Экспериментальные зависимости температуры от времени для варианта № 12: 1 - 1ц = /(т); 2 - 1п = /(т);
Ър = /(т); I стадия - а - б, II стадия - б - в, III стадия - в -
Таким образом, замораживание по варианту № 12 при 4р = -1200С обеспечивает наилучшие условия замораживания вареной мидии, что позволяет увеличить выход готового продукта на 28%, сократить продолжительность технологического процесса в 12 раз и снизить потери при размораживании продукта.
На основании проведенных исследований разработаны технологические инструкции по производству мидии тихоокеанской мороженой ТИ № 001-2009 к ТУ ОСТ 15-158-95 «Мидия тихоокеанская мороженая» и ТИ № 002-2009 к ТУ ОСТ 15-158-95 «Мидия тихоокеанская варено-мороженая». Проведенная на предприятии «ИП Шевцов В.С.» промышленная апробация технологий показала их высокую эффективность при реализации в промышленных условиях.
Литература
1. Алмаши Э., Эрдели Л., Шарой Т. Быстрое замораживание пищевых продуктов. -М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1981. - 408 с.
2. Балыкова Л.И., Иодис В.А. Исследование по замораживанию мидии тихоокеанской с использованием жидкого азота // Белые ночи: Материалы юбилейных науч. чтений, Санкт-Петербург, 3-4 июня 2008 г. Т.1 - СПб.: МАНЭБ, 2008. - С. 406-411.
3. Богданов В.Д., Карпенко В.И., Норинов Е.Г. Водные биологические ресурсы Камчатки: Биология, способы добычи, переработки. - Петропавловск-Камчатский: Новая книга, 2005. - 264 с.
4. Венгер К.П., Выгодин В.А. Машинная и безмашинная системы хладоснабжения для быстрого замораживания пищевых продуктов. - Рязань: Узоречье, 1999. - 143 с.
5. Иодис В.А. Экологически безопасная технология переработки мидии тихоокеанской // Вестник МАНЭБ. - 2008. - Т. 13, № 3 (приложение). - С. 216-220.
