CC BY
14
ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 664.8/.9.034
Физико-химические изменения в баранине в процессе копчения в осциллирующем режиме
Physical and chemical changes in mutton in the processes of Smoking in the oscillating mode
Профессор С.В. Шахов, доцент И.Н. Сухарев, студент З.З. Мукимов, студент С.А. Тешаев,
(Воронежский государственный университет инженерных технологий), кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. 89202152165 E-mail: i.suxarev@yandex. ru
Ассистент С.Ю. Шубкин (Елецкий государственный университет им. И. А. Бунина), кафедра технологических процессов в машиностроении и агроинженерии, тел. 89202152165 E-mail: i.suxarev@yandex. ru
Professor S.V. Shakhov, associate Professor I.N. Sukharev, student Z.Z. Mukimov, student S.A. Tishaev,
(Voronezh state University of engineering technologies), Chair of of machines and apparatus of food production, tel. 89202152165 E-mail: i.suxarev@yandex. ru
Assistant S.Yu. Shubkin (Yelets state University. I. A. Bunina), Chair of technological processes in mechanical engineering and Agroengineering, tel. 89202152165 E-mail: i.suxarev@yandex. ru
Реферат. В последние годы возрос интерес исследователей к копченым изделиям, в первую очередь, как к источнику белковой пиши. Поэтому актуальна задача разработки всё новых видов оригинальных копченых продуктов. Одним из перспективных направлений в этой области является расширение ассортимента продукции, путем изменения и улучшения вкуса, аромата и продолжительности хранения при помощи копчения в осциллирующем режиме. Для решения задач, связанных с обеспечением высокой эффективности копчения, необходима разработка способа, обеспечивающего проникновение коптильных частиц внутрь продукта путем устранения лимитирующих факторов на их пути. Представленный способ получения копченой баранины в осциллирующем режиме полностью отвечает современным течениям развития пищевой промышленности. Для решения поставленной задачи, связанной с обеспечением высокой эффективности копчения, необходимо провести исследования физико-химических изменений в баранине в процессе копчения и осаждения коптильных компонентов и их диффузии вглубь продукта в осциллирующем режиме, позволяющие определить количество коптильных компонентов, которые продиффундировали по длине поры в осциллирующем режиме. В результате чего происходит улучшение качества и увеличение продолжительности хранения продукта за счет глубокого проникновения коптильных компонентов, очищенных от канцерогенных веществ. При этом продукт сохраняет сочность, что очень важно для вкусовых характеристик.
Summary. In recent years, the interest of researchers in smoked products, primarily as a source of protein food, has increased. At the same time, the task of developing new types of original smoked products is very important. One of the promising directions in this area is to expand the product range by changing and improving their taste, aroma and storage time by Smoking the product in an oscillating mode. Therefore, to solve the problems associated with ensuring high efficiency of Smoking, it is necessary to develop a method that ensures the penetration of Smoking particles into the product, by eliminating the limiting factors in their path. The presented method for producing smoked lamb in an oscillating mode fully meets modern trends in the development of the food industry. For solving the tasks related to ensuring high performance of Smoking it is necessary to study the physico-chemical changes in the lamb during the Smoking process in an oscillating mode, and deposition of smoke components and their diffusion to the depth of the product in an oscillating mode that allows you to define a number of curing components which
© Шахов С.В., Сухарев И.Н., Мукимов З.З., Тешаев С.А., Шубкин С.Ю., 2019
56
have proliferously along the length of the pores in the oscillating mode. As a result, there is an improvement in the quality and duration of storage of the product due to the deeper penetration of smoky components, purified from carcinogens, deep into the product while the product retains juiciness, which is very important for taste characteristics.
Ключевые слова: копчение, осциллирующий режим, давление, диффузия, диффундирование, баранина, физико-химические изменения, коптильные компоненты.
Keywords: smoking, oscillating mode, pressure, diffusion, diffusing, lamb, physical and chemical changes, Smoking components.
Основная цель копчения - это получение продукта с улучшенными вкусовыми свойствами, имеющего специфический вкус и запах и более стойкого при хранении [2], [6]. В процессе копчения в баранине происходят сложные физические и биохимические изменения: нагревание продукта, диффузия влаги и испарение ее с поверхности; осаждение коптильных компонентов и диффузия этих веществ вглубь продукта; денатурация и гидролиз белков, липидов и экстрактивных веществ; уменьшение микрофлоры; разрушение витаминов. Обезвоживание баранины при копчение в осциллирующем режиме не только позволяет увеличить сроки хранения готовых изделий, но и способствует достижению полной кулинарной готовности. В процессе копчения удаляется 18-25 % влаги от начальной массы. Причем удаляется в основном влага макро- и микрокапилляров. Кинетику внутреннего массопереноса можно выразить следующим уравнением [1], [5]:
(1)
где ат - коэффициент диффузии влаги, м2/ч; ро - масса абсолютно сухого вещества в единице влажного тела, кгс.в./м3; V2- оператор Лапласа; Кр - коэффициент молярного фильтрационного переноса влаги; ^ - коэффициент, учитывающий свойства тканей в условиях денатурации; и, О, Р, т - влагосодержание и температура баранины, давление влаги в баранине, время копчения соответственно.
В общем случае выражение (1) описывает скорость изменения влажности в любой точке тела. Плотность потока влаги qm, кг/(м2^ч), в процессе копчения при температурах 40-60 0С выражается следующей зависимостью:
= _ ini^f/ = _ ¥™-Рс
c71i С'ГП-^О
vt/ = ~amP0VU
(2)
где Ат - коэффициент влагопроводности, кг/(м-ч-ед.потенциала); Ст - удельная массоемкость, кг/(кгс.в/ед. потенциала); ро - масса абсолютно сухого вещества в единице влажного тела, кгс.в./м3; \7Л- градиент влагосодержания.
Интенсивность испарения влаги qm,(кг/ м2-ч), с поверхности материала в период постоянной скорости обезвоживания можно выразить уравнением:
где атр- коэффициент влагообмена при сушке влажного материала, отнесенный к разности парциальных давлений, кг/ (м2.ч).кПа; В - барометрическое давление, кПа; Рт - парциальное давление пара жидкости над поверхностью испарения, кПа; Рп - парциальное давление пара в коптильной камере, кПа.
При низкотемпературном копчении скорость движения сушильного агента более 2 м/с не оказывает влияния на интенсивность процесса обезвоживания, в то время как с повышением температуры и давления интенсивность обезвоживания возрастает.
Для баранины кривая кинетики обезвоживания может быть определена из выражения:
где К - коэффициент копчения, 1/ч.
В общем случае К зависит от температуры ^ влажности ф, скорости движения дымовоздушной среды V, влагосодержания и, жирности продукта Сж
Так как влагосодержание и жирность продукта функционально связаны между собой, то справедливо и следующее выражение:
(2)
Если скорость дымовоздушной среды более 2 м/с, можно зависимость (2) записать следующим образом:
Выражение (3) справедливо при одинаковых геометрических размерах продукта. Если геометрические размеры меняются, то
К = [{г, <рМ5/т)
где S/m - удельная поверхность продукта, м2/кг.
Процесс обезвоживания при копчении баранины в осциллирующем режиме может описываться следующим уравнением:
где 02 и 01 - конечная и начальная массы продукта; Кх - коэффициент обезвоживания; п - показатель степени.
Если температура продукта в процессе копчения равна температуре мокрого термометра, скорость удаления влаги может быть выражена следующей зависимостью [2], [4]:
IV = аГАсНОг3 ^
где Ш- масса испаряющейся влаги, кг/с; о - коэффициент испарения, кг/(м2.с); Р - площадь поверхности баранины, м2; Ай - движущая сила процесса испарения, г/ кг.
Коэффициент испарения о в выражении (4) приближенно может быть определен на основании закона Льюиса:
где а - коэффициент теплоотдачи от продукта к воздуху; Сз - теплоемкость влажного воздуха в состоянии насыщения.
Коэффициент теплоотдачи может быть определен из следующего выражения
[3]:
Ми = С1Рг°'Э5Явп
где С1 = 0,25 для 2,5-103 < Re < 1,5-104; Ке - критерий Рейнольдса; Рг - критерий Прандтля (Рг ~ 0,70); п - показатель степени (п = 0,6-0,65).
При копчении в осциллирующем режиме обезвоживание оказывает основное влияние на продолжительность процесса. К этому моменту баранина приобретает специфические свойства копченого изделия (цвет, запах, вкус) и в ней уничтожается до 99 % начального количества микроорганизмов. Причем из оставшихся микроорганизмов 90 % составляют споровые формы.
Как видно из изложенного, испарение влаги с поверхности баранины копченой в осциллирующем режиме и ее диффузия к поверхности зависят от нескольких свойств и также от выбора продукта.
На внешний массоперенос коптильных компонентов оказывают влияние гравитация, термофорез и термодиффузия, броуновское движение молекул, а также физические параметры дымовоздушной смеси [1]
V« = + <р2(0) + <Рэ(Я) + <Р4СО + <р5(Р) +
где о - влияние гравитации на скорость осаждения; D - влияние броуновского движения молекул на скорость осаждения; R - влияние термофореза и термодиффузии на скорость осаждения; C - влияние концентрации дыма на скорость осаждения; P - влияние парциального давления дымовоздушной смеси; v - влияние скорости движения дымовоздушной смеси на интенсивность осаждения.
По сравнению с зависимостью интенсивности осаждения от скорости дыма влияние на нее гравитации, броуновского движения, термофореза и термодиффузии в процессе копчения в осциллирующем режиме незначительно, поэтому для практических расчетов эти факторы можно не учитывать. О влиянии скорости потока коптильного дыма на коэффициент массоотдачи фенолов к баранине можно судить из следующего выражения [5]:
одтЕЛ17^-4^15-*1-
Р =
[V
(5)
где v - скорость потока коптильного дыма в камере относительно баранины, м/с; у - коэффициент кинематической вязкости коптильного дыма, м2/с; а - коэффициент молекулярной диффузии фенолов в коптильном дыме, м2/с; l - определяющий размер коптильной камеры, м.
Выражение (5) справедливо при содержании фенолов в коптильном дыме 8-10"6 кг/м3. Из формулы (5) очевидно, что в пропорционален у°>27. То есть чем выше скорость потока, тем выше в при постоянных у, а и 1. Обычно у, а и l постоянны для определенных типов дымогенераторов и коптильных камер, а коэффициент диффузии для фенолов можно определить из следующего выражения [5]:
а= 1^33-10
-ч
з
где Т - температура коптильного дыма, К.
Можно сказать, что и для других компонентов дыма коэффициент массопе-редачи зависит как от скорости потока коптильного дыма, так и от давления то есть в пропорционален Pп. Поэтому чем выше давление, тем выше в при постоянных у, a и I
При увеличении давления на продукт увеличивается число частиц как паровой, так и дисперсной фазы, оседающих на него в единицу времени при постоянном содержании их в дыме. Максимум интенсивности осаждения дымовых частиц наступает примерно при давлении 150-200 кПа. О влиянии концентрации на интенсивность осаждения частиц дыма на поверхность баранины можно судить из выражения [5]:
/ =
1 I кс+п^е е у 4
Б7Я
где k - числовой коэффициент (k = 1); П0 - начальная (средняя) концентрация дыма; а - коэффициент тепловой диффузии частиц; у - коэффициент кинематической вязкости; R - радиус каналов, образованных вертикальными рядами продукта; Ке - критерий Рейнольдса; J - интенсивность осаждения частиц на 1 см2 поверхности.
Интенсивность осаждения увеличивается с увеличением концентрации дыма, с повышением его температуры, скорости, давления и уменьшается с увеличением размера частиц. Увеличение парциального давления способствует интенсификации процесса осаждения коптильных компонентов. На влажную поверхность они оседают более активно.
Внутрь тела продукта проникают в основном только хорошо растворимые в клеточном соке мяса вещества: фенолы, карбонильные соединения, кислоты, альдегиды, спирты и т.п. [4].
Количество диффундирующего вещества можно оценить из следующего выражения (закон Фика):
йс
—
с1х
где а - коэффициент диффузии, м2/ч; Р- поверхность, м2; г - время, ч; градиент концентрации, кг/(кгс.в/м) (изменение концентрации на единицу длины пути диффундирующего вещества); ро - плотность абсолютно сухого вещества в объеме влажного тела, кгс.в./м3.
Коэффициент диффузии зависит от вида продукта, ее физико-химического состава, от размера диффундирующих частиц. Для определенного типа продукта коэффициент диффузии коптильных компонентов, по-видимому, будет зависеть от физико-химического состава продукта.
Диффузию коптильных компонентов обычно изучают на основе проникновения смол в ткани. По диффузии фенолов можно косвенно судить и о проникновении других компонентов дыма в ткани баранины [4], [6].
В процессе копчения фенолы проникают в глубину всего на 8 мм. При увеличении рабочего давления до 198 кПа глубина проникновения увеличивается в два раза, а время копчения сокращается, а затем происходит последующее перераспределение фенолов в продукте. По данным В.И. Курко, глубина проникновения фенолов в продукт зависит от химического состава продукта [3].
где у - глубина проникновения; д, V, Ь, Я - содержание жира, влаги, белка, соли в продукте; а1,а2 ,аз ,оа - коэффициенты (оа- отрицательный коэффициент).
Из уравнения (6) вытекает, что чем больше в продукте содержание жира, влаги, белка, тем интенсивнее происходит диффузия коптильных компонентов. А при большей солености диффузия коптильных компонентов происходит медленнее.
Органические кислоты в основном оказывают влияние на образование вкуса. На аромате копчения сказывается присутствие соединения фуранового типа.
Окрашивание поверхности баранины происходит в большей мере за счет взаимодействия карбонильных соединений дыма со свободными аминогруппами продукта [6]. Скорость насыщения мяса баранины фенольными соединениями максимальна в начале процесса, а затем она замедляется (рис. 1, 2, 3).
В качестве продукта в экспериментах использовалась копченая баранина, приготовленная традиционным способом копчения и в осциллирующем режиме с применением пряно--коптильных ароматизаторов.
В результате исследований кинетики насыщения фенолами и содержания влаги в мышечных тканях баранины при различном давление с использованием экспериментальной установки (рис. 1), были получены кривые, представленные на рис. 2, 3 и 4.
Концентрация фенолов и влаги определялась в пробах внутренних частей продукта, что позволяет оценить качество проникновения коптильных компонентов через толщу продукта.
2 9
Рис. 1. Схема экспериментального устройства для осуществления исследований в осциллирующем режиме: 1 - корпус коптильной камеры; 2 - крышка; 3 - контейнер для продукта; 4 - крышка контейне-ра; 5 перфорированное дно контейнера; 6 - продукт; 7 - манометр; 8 - патрубок для подачи ды-мовоздушной смеси с парми пряно-коптильных ароматизаторов ; 9 - патрубок связанный с камерой смешивания; 10 - клапан сброса давления
Рис. 2. Изменение массовой доли влаги и фенолов в мышечной ткани баранины при традиционном копчении: 1 - содержание влаги, %, в пересчете на общую массу; 2 - содержание фенолов, %, по отношению к максимальному содержанию
Рис. 3. Изменение массовой доли влаги и фенолов в мышечной ткани баранины при давлении 150 кПа: 1 - содержание влаги, %, в пересчете на общую массу; 2 - содержание фенолов, %, по отношению к максимальному содержанию
Рис. 4. Изменение массовой доли влаги и фенолов в мышечной ткани баранины при давлении 198 кПа: 1 - содержание влаги, %, в пересчете на общую массу; 2 - содержание фенолов, %, по отношению к максимальному содержанию
Проанализировав представленные зависимости можно сделать вывод, что интенсификация процесса насыщения фенолами возрастает при увеличении давления. При традиционном копчении (рис. 2) на поверхности появляется слой коптильных компонентов, препятствующий попаданию фенолов во внутренние поры продукта (т.е. снижается проницаемость стенок пор продукта), что понижает скорость осаждения и концентрацию фенолов в продукте. Потеря влаги значительна, что сказывается на органолептических свойствах. При повышении давления (рис. 3 и 4) происходит снижение потери влаги, что положительно сказывается на вкусовых качествах готового изделия. Скорость насыщения продукта фенолами возрастает, то есть время, необходимое для придания продукту полной кулинарной готовности, уменьшается. Можно сделать вывод, что основным является давление, которое обеспечивает фильтрование коптильных компонентов сквозь поры продукта для насыщения его ароматом дыма и способствует осаждению коптильных компонентов на поверхности пор продукта для последующего диффундирования во внутренние поры, тем самым обеспечивая прокапчивание продукта и равномерное распределение фенолов по всему объему.
Построенные на основе результатов проведенных исследований кривые дают возможность определить то, как основные параметры ведения процесса копчения в осциллирующем режиме воздействуют на его интенсивность, а также оптимальные интервалы регулировки входных факторов для статистического анализа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Комплексный подход к применению коптильных сред, получаемых с использованием ИК-дымогенератора [Текст] / Ю.В. Шокина, А.Ю. Обухов, О.А. Ки-рилюк // Рыбпром. - 2010. - № 3. - С. 98-102.
2. Салаватулина, Р.М. Рациональное использование сырья в колбасном производстве. [Текст] - 2-е изд. / Р.М. Салаватулина. - СПб.: ГИОРД, 2005. - 248 с.
3. Установка дымогенерации в среде инертного газа для копчения продуктов питания [Текст] / С.Т. Антипов, С.В. Шахов, О.В. Мальцева, А.Г. Картавый // Техника и оборудование для села.- 2011.- № 4.- С. 31-32.
4. Шахов, С.В.. Анализ процесса дымообразования [Текст] / С.В. Шахов, О.В. Мальцева, И.Н. Сухарев, С.Ю. Шубкин // Матер Международной науч прак конф «Системный анализ и моделирование процессов управления качеством в инновационном развитии АПК». - 2015. - С. 404-406.
5. Шубкин, С.Ю., Разработка установки для электростатического копчения пищевых сред с индуктивным подводом энергии при дымогенерации в среде инертного газа [Текст] / Шахов С.В., Ткачев О.А. Сб докл конф «Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок - прорыв в будущее» -2013. - С.83-85.
6. Шахов, С. В. Установка с внутренней подачей дыма для получения копченых экструдированных продуктов [Текст] / С.В. Шахов, И.Н. Сухарев, С.Ю. Шубкин, О.В. Мальцева, А. А. Ракитянский // Мясная индустрия. - 2015. - № 5. - С. 44-46.
REFERENCE
1. Kompleksnyy podkhod k primeneniyu koptil'nykh sred, poluchaemykh s ispol'zovaniem IK-dymogenerator [An integrated approach to application the koptil-nykh of the environments received with use an IK-smoke generator of] Yu.V. Shokina, A.Yu. Obukhov, O. A. Kirilyuk. - Rybprom - 2010. - No. 3. - Page 98-102.
2. Salavatulina, R. M. Ratsional'noe ispol'zovanie syr'ya v kolbasnom proizvod-stve. - 2-e izd [Rational use of raw materials in sausage production. - 2nd prod.] R. M. Salavatulina. - SPb.: GIORD, 2005. - 248 pages.
3. Ustanovka dymogeneratsii v srede inertnogo gaza dlya kopcheniya produktov pitaniya [Installation of a dymogeneration in the environment of inert gas for smoking of food] S. T. Antipov, S. V. Shakhov, O. V. Maltseva, A.G. Kartavy // Tekhnika i obo-rudovanie dlya sela 2011. No. 4. Page 31-32.
4. Shakhov, S. V. Analiz protsessa dymoobrazovaniya [The analysis of process of smoking] S. V. Shakhov, O. V. Maltseva, I.N. Sukharev, S.Yu. Shubkin // Materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Sistemnyy analiz i modeliro-vanie protsessov upravleniya kachestvom v innovatsionnom razvitii APK» - // Voronezh, state. un-t инжен. technologist. - Voronezh, 2015. - Page 404-406.
5. Shubkin S.Yu., Shakhov S.V., Tkachyov O. A. Razrabotka ustanovki dlya el-ektrostaticheskogo kopcheniya pishchevykh sred s induktivnym podvodom energii pri dymogeneratsii v srede inertnogo gaza [Development of installation for electrostatic smoking of food environments with an inductive supply of energy at a dymogeneration in the environment of inert gas the] Sbornik dokladov konferentsii «Innovatsionnye tekhnologii na baze fundamental'nykh nauchnykh razrabotok - proryv v budushchee» - Voronezh, 2013. - Page 83-85.
6. Shakhov, S. V. Ustanovka s vnutrenney podachey dyma dlya polucheniya kop-chenykh ekstrudirovannykh produktov [Installation with internal giving of a smoke for receiving smoked extruded products] S. V. Shakhov, I.N. Sukharev, S.Yu. Shubkin, O. V. Maltseva, A. A. Rakityansky/M: Myasnaya industriya - 2015. - No. 5. - Page 44-46.
