CC BY
4УДК 537.86:634.451
DOI 10.29141/2500-1922-2024-9-4-7
EDN PIMFSI
Моделирование операции микроволнового обезвоживания печени сома на основе выявления ее кинетических закономерностей
А.С. Яснов1, А.Х.-Х. Нугманов2И.Ю. Алексанян1, П.Д. Осмоловский3, И.Р. Муханбетова1
1 Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань, Российская Федерация
2 Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева, г. Москва, Российская Федерация 3Липецкий НИИ рапса - филиал Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур
им. В.С. Пустовойта, г. Липецк, Российская Федерация Н [email protected]
Реферат
Печень рыб обладает уникальными свойствами, что открывает возможности для создания специализированных пищевых ингредиентов. Качество сушеного продукта во многом зависит от условий его обезвоживания. Цель исследования - моделирование микроволновой сушки печени сома при соблюдении температурных ограничений и изучение ее кинетических закономерностей. Объект исследования - печень сома обыкновенного (Silurus glanis). Ключевым аспектом данного исследования является адаптация математической модели переноса тепловой энергии и массы к условиям микроволнового обезвоживания тонкого слоя печени сома для определения температурного распределения и управления параметрами процесса. Представлены план и результаты опытной серии по изучению обезвоживания печени сома, параметры, влияющие на скорость сушки, кривые микроволновой сушки печени сома при толщине высушиваемого слоя 1,5 см и частоте излучения 2,45 ГГц. Определены рациональные режимные параметры проведения микроволновой сушки печени сома в тонком слое: начальная влажность высушиваемого сырья (68 ± 2) %; начальная температура высушиваемого сырья (10 ± 1) °С; толщина высушиваемого слоя (1,5 ± 0,1) см; площадь высушиваемой поверхности должна находиться строго в рамках воздействия поля высокочастотного излучения электромагнитных волн частотой 2450 МГц; мощность микроволнового излучения (180 ± 10) Вт; конечная влажность высушиваемого сырья (5 ± 1) %; конечная температура высушиваемого сырья (85 ± 1) °C; продолжительность обезвоживания (28 ± 1) мин. Сравнение полученных результатов с данными для аналогичных материалов подтверждает их достоверность и возможность успешного применения в инженерной практике пищевой отрасли.
Ключевые слова:
печень сома; сушка; тонкий слой; микроволновый энергоподвод; кинетические закономерности; моделирование; распределение температур
Для цитирования: Яснов А.С., Нугманов А.Х.-Х., Алексанян И.Ю, Осмоловский П.Д., Муханбетова И.Р. Моделирование операции микроволнового обезвоживания печени сома на основе выявления ее кинетических закономерностей // Индустрия питания! Food Industry. 2024. Т. 9, № 4. С. 58-67. DOI: 10.29141/2500-1922-2024-9-4-7. EDN: PIMFSI. Дата поступления статьи: 30 сентября 2024 г.
Catfish liver microwave dehydration modeling based on its kinetic patterns identification
Andrey S. Yasnov1, Albert H.-H. Nugmanov2H, Igor Yu. Aleksanyan1, Pavel D. Osmolovskiy3, Ilmira R. Mukhanbetova1
1 Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russian Federation
2 Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy (RSAU-MTAA), Moscow, Russian Federation
3 Lipetsk Research Institute of Rapeseed- a Branch ofV.S. Pustovoit All-Russian Research Institute of Oil Crops, Lipetsk, Russian Federation H [email protected]
Abstract
Fish liver has unique properties, which opens up opportunities for creating specialized food ingredients. The quality of the dried product largely depends on the conditions of its dehydration. The aim of the study is to simulate microwave drying of catfish liver under temperature restrictions and to study its kinetic patterns. The object of the study is the liver of the common catfish (Silurusglanis). The key aspect of this study is the adaptation of the mathematical
model of heat energy and mass transfer to the conditions of microwave dehydration of a thin layer of catfish liver to determine the temperature distribution and control the process parameters. The article presents the plan and results of an experimental series to study catfish liver dehydration, the parameters affecting the drying rate, the curves of microwave drying of catfish liver at a drying layer thickness of 1.5 cm and a radiation frequency of 2.45 GHz. It has been determined the operating parameters for carrying out microwave drying of catfish liver in a thin layer: initial moisture content of the dried raw material (68 ± 2) %; the initial temperature of the raw material to be dried was (10 ± 1) °C; the thickness of the layer to be dried was (1.5 ± 0.1) cm; the area of the surface to be dried must be strictly within the range of the high-frequency electromagnetic radiation field with a frequency of 2450 MHz; the power of microwave radiation was (180 ± 10) W; the final moisture content of the raw material to be dried was (5 ± 1) %; the final temperature of the raw material to be dried was (85 ± 1) °C; the duration of dehydration was (28 ± 1) min. Comparison of the obtained results with the data for similar materials confirms their reliability and the possibility of successful application in engineering practice in the food industry.
Keywords:
| catfish liver; drying; thin layer; microwave energy supply; kinetic patterns; modeling; temperature distribution
For citation: Yasnov A.S., Nugmanov A.Н.-Н., Aleksanyan I.Yu., Osmolovskiy P.D., Mukhanbetova I.R. Catfish liver microwave dehydration modeling based on its kinetic patterns identification. Индустрия питания|Food Industry. 2024. Vol. 9, No. 4. Pp. 58-67. DOI:
10.29141/2500-1922-2024-9-4-7. EDN: PIMFSI.
Paper submitted: September 30, 2024
Введение
Внутренности рыб, представляющие собой основную категорию рыбных субпродуктов, вызывают значительный интерес с точки зрения разработки продуктов с добавленной стоимостью. Они являются ценным источником различных соединений, необходимых для пищевой промышленности. Печень рыб обладает уникальными химическими свойствами, что открывает возможности для создания специализированных пищевых ингредиентов. Однако в настоящее время ее часто смешивают с другими субпродуктами, что приводит к производству рыбной муки или масла, а в худшем случае - к утилизации [1; 2].
Очевидно, что на качество сушеного продукта в значительной степени влияют условия обезвоживания. Более высокая температура материала во время сушки приводит к ряду необратимых биологических или химических реакций, а также структурным, физическим и механическим модификациям, включая изменение окраски, образование корочки, снижение вкусовых качеств, инактивацию бактерий и ферментов, потерю питательных веществ и аромата, а также изменения формы и текстуры. В этом случае может возникнуть нежелательный вкус, цвет, разрушение витаминов и потеря незаменимых аминокислот. Однако эти свойства свежих продуктов можно сохранить, если проводить сушку при определенных температурных условиях [3; 4], в частности, при влагоудалении внутренних органов, кожи из сырьевых мясных продуктов1.
1 Способы сушки мясных продуктов. URL: https://lektsia. com/3x2a20.html (дата обращения: 11.08.2024); Изменения при сушке и вялении. URL: https://bstudy.net/619410/estestvo-znanie/izmeneniya_sushke_vyalenii (дата обращения: 11.08.2024).
При этом температуру (Т) обезвоживания поддерживают на уровне Т белковой денатурации [5]. Величина такой Тобычно известна, нижний ее предел находится в рамках 30-35 °С, в интервале 60-65 °С денатурация идет быстро, и к 80 °С в сырье денатурирует около 90-95 % белков. Рыбное сырье рекомендуется термически обрабатывать при температуре окружающей среды не выше 80-85 °С при условии, что температура объекта сушки не будет превышать 70 °С в течение 30 мин [5; 6].
Анализ литературных источников показал, что перспективным способом консервации печени сома служит обезвоживание при использовании энергии микроволнового или сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения. Для выявления рациональных режимов микроволновой сушки необходимо исследование ее кинетических закономерностей при соблюдении температурных ограничений, что по причине тонкого слоя печени сома можно обеспечить путем моделирования данного процесса, что и послужило целью исследования.
Адаптация математической модели переноса тепловой энергии и массы к условиям микроволнового обезвоживания тонкого слоя печени сома для определения температурного распределения и управления параметрами процесса является ключевым аспектом данного исследования. Сравнение полученных результатов с данными для аналогичных материалов подтверждает их достоверность и возможность успешного применения в инженерной практике пищевой отрасли [7; 8].
Объекты и методы исследования
Объектом изучения принята печень сома обыкновенного (Silurus glanis), при этом исследованию подвергали как сырую печень, так и высушенную при воздействии микроволнового излучения.
Кинетические закономерности протекания влагоудаления из печени сома выявляли посредством вероятностно-статистических способов планирования постановки опытных серий в рамках технологических лимитов и обработки полученных результатов.
Эксперименты по сушке проводили с использованием микроволновой печи Samsung MS-23J5133AT/BW максимальной мощностью (N) 800 Вт, работающей на частоте f) 2450 МГц. Перед экспериментами печень сома доставали из морозильника и оставляли при комнатной температуре в эксикаторе до достижения температуры сырья не выше 5 °C. Затем отбирали приблизительно 40-45 г размороженной печени, взвешивали с использованием цифровых весов с точностью 0,001 г. Процесс удаления влаги с микроволновым энергоподводом осуществляли при N = 90; 180; 270 и 360 Вт, поскольку при высокой N появляется вероятность критического повышения Т продукта. Периодичность замеров массы при обезвоживании составляла 180 с для при 90 Вт, 120 с при 180 Вт, 60 с при 270 и 360 Вт. Сушку заканчивали, когда содержание влаги в печени составляло около 5 %. Высушенную печень охлаждали в эксикаторе и упаковывали в пакеты из полиэтилена низкой плотности. Все эксперименты по сушке повторяли пять раз, а средние значения влажности использовали для получения кривых обезвоживания.
Экспериментальный стенд для исследования кинетики микроволнового высушивания навесок печени сома показан на рис. 1. В нем обеспечена регулировка режимных показателей (мощность излучения и толщина высушиваемого слоя) в необходимых диапазонах.
Что касается рациональной толщины высушиваемого слоя печени сома, то она должна соответствовать значению глубины проникновения микроволновой мощности, которая определяется как глубина dp (м), на которой мощность снижается до величины 1/е мощности, попадающей на поверхность обрабатываемого материала. Величина dp для объекта сушки ранее уже была выявлена и получены математические зависимости этого параметра для диапазона температур от 60 до 100 °C. В связи с этим достаточно определить максимально возможную температуру, которую может иметь высушиваемое сырье и при которой будет фиксироваться минимальное количество потерь полезных веществ, а по ее значению выявить рациональную толщину высушиваемого слоя печени сома.
Рис. 1. Опытный стенд: 1 - зона сушки; 2 - весовое устройство;
3 - термометр; 4 - микроволновая печь;
5 - емкость для навески; 6 - навеска;
7 - термодатчик; 8 - подвесное приспособление Fig. 1. Experimental stand:
1 - drying zone; 2 - weighing device; 3 - thermometer; 4 - MV oven; 5 - container for attachment; 6 - attachment;
7 - thermal sensor; 8 - hanging device
Распределение Т по высоте тонкого слоя печени сома возможно выявить аналитически, решив совместно уравнения тепло- и массопере-носа в частных производных. Можно упростить решение, заменив уравнение массопереноса математическим описанием кинетических кривых обезвоживания [8-10], что и реализовано в данной работе.
Решение комплексного уравнения теплопе-реноса с учетом экспериментальных кинетических закономерностей, а также параметров процесса и объекта сушки выполнено методом конечных разностей. Допускаем, что при обезвоживании наблюдается двухсторонний энергоподвод к бесконечной тонкой пластине печени сома высотой h. Координатой в координатной сетке считаем глубину слоя по неизменной в процессе сушки высоте h (м), т.е. x = 0, ..., h, пренебрегая незначительной усадкой образца печени сома (x, отвечающая одной из поверхностей слоя, - xn = 0; x для противоположной границы слоя равна его высоте xk = 0,015).
Второй координатой в сетке принимаем влажность печени сома W (кг/кг), заменив ее на долю сухого остатка C, чтобы скорость сушки приобрела положительное значение и исходила из начала координат (W = 1 - С), причем С зависит от продолжительности операции т. Допускаем, что ввиду объемного микроволнового энергоподвода к тонкому слою печени сома с неизменна по высоте слоя в фиксированный момент времени (исходная Cn = 0,32, итоговая Ck = 0,95).
При наличии внутреннего источника энергии в случае микроволнового энергоподвода соот-
ношение теплопереноса в одномерном вариан- В табл. 1 представлена информация о всех ве-
те [8] выглядит следующим образом:
дТ _ а Э2 Т | ЛР Э С ЭС дх2 Эх
ш
V + дс
Эх
(1)
где а - температуропроводность печени сома, м2/с; Эс/Эт - интенсивность влагоудаления, с-1; г - энергия фазового превращения, Дж/кг; р - плотность печени сома, кг/м3; с, - объемная теплоемкость печени сома, Дж/(м3-К); ш - плотность тепловой энергии от внутреннего источника тепла, Вт/мз.
Для решения (1) обозначим граничные условия:
-X(7)^ = a(Tsr-Tn0B)l
(2)
где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); Тг -для окружающей воздушной среды в микроволновой печи, К; Тпов - для поверхности навески, К.
Величина ш определяется из следующего соотношения [8]:
ш = 5,55 • 10-12 Ег' tanô fE2,
(3)
где £г' - диэлектрическая проницаемость, которая соответствует энергии, запасенной в образце при подведении электрического поля; [ - его частота колебаний, Гц;£ - его напряженность, В/м, зависящая от его N tanб - тангенс угла диэлектрических потерь.
личинах, входящих в соотношение (3), что позволит оперативно рассчитать количество выделяемого тепла в единице объема высушиваемого материала.
Результаты исследования и их обсуждение
В итоге за рациональную толщину высушиваемого слоя печени сома h принимаем значение 1,5 см, соответствующее температуре материала 70 °С.
В качестве варьируемого фактора, обусловливающего интенсивность влагоудаления, после предварительных экспериментов осталась лишь N микроволнового излучения, которая менялась в диапазоне от 90 до 360 Вт. Величины параметров, определяющих интенсивность удаления влаги из печени сома, приведены в табл. 2.
В процессе реализации опытных серий за целевую функцию принят удельный выход сухой печени сома Y, кг/(м2-ч), определяемый следующим образом:
v-M. т~ xF'
(4)
где М - масса образца печени сома, кг; т - длительность обезвоживания, ч; F- площадь рабочей поверхности печени сома, м2.
Данные по Y показаны в табл. 3.
Анализ полученных результатов позволяет заключить, что при мощности излучения 360 Вт
Таблица 1. Значения величин, необходимые для расчета ш Table 1. Values of quantities required to calculate ш
90 180
f МГц
2 450 2 450
900 1 400
Ег' = 88,238 W + 10,888 Ег' = 88,238 W + 10,888
tanô = Ег''/Ег'
Ег'' = 15,333 W + 3,9633 Ег'' = 15,333 W + 3,9633
Таблица 2. Параметры, влияющие на скорость сушки печени сома Table 2. Parameters Affecting the Drying Catfish Liver Speed
N, Вт
Ег
W„, кг/кг f, МГц N, Вт h, см Wk, кг/кг
90
0,68 2 450 180 1,5 0,05
270
360
Таблица 3. План и результаты опытной серии по изучению обезвоживания печени сома Table 3. Plan and results of experimental series on studying dehydration of catfish liver
N, Вт т, мин Y, кг/(м2-ч)
90 42 21,95
180 28 32,70
270 17 54,89
360 Очаговое подгорание продукта
Примечание. Характеристики используемой чашки Петри: площадь - 0,00283 м2, объем - 0,000042 м3, высота -15 мм. Масса одновременной загрузки сырья - 0,0435 кг.
продукт имеет очаговое подгорание, в связи с чем этот параметр исключается из дальнейшего исследования. Во время сушки печени при мощности излучения 180 и 270 Вт датчик контроля температуры, находящийся внутри рабочей камеры, фиксировал предельное значение температуры в ней на уровне 90-100 °С, однако исключать вариант, в котором мощность излучения была 180 Вт, на данном этапе исследования нерезонно, так как продолжительность обезвоживания составляет менее 30 мин, а за это время, как было отмечено ранее, есть вероятность, что температура объекта сушки не превысит 70 °С. Итак, на этой стадии исследования остаются только два варианта мощности излучения при проведении процесса сушки, а именно 90 и 180 Вт.
Сравнение представленных результатов (см. табл. 3) с данными других исследований, к примеру [11; 12], приводит к выводу об адекватности авторских данных, не входящих в конфликт с известными. На рис. 2 представлены кривые СВЧ-сушки при двух вариантах мощности излучения - 90 и 180 Вт.
Выявление механизма влагопереноса в печени сома осуществляется на основе изменения интенсивности сушки при варьировании продолжительности. Кривые скорости обезвоживания показаны на рис. 2 и 3.
Для упрощения получения искомых кинетических зависимостей ^(1 - \Ш))/(т = /(1 - Ш) получены функции т = /(С), где С = (1 - Ш) - концентрация сухих веществ в печени сома, которые показаны на рис. 4, и их математические аппроксимации для мощности излучения 90 Вт (5) и 180 Вт (6) соответственно:
т = 23431 С3 - 44597С2 + 29666С - 5564,4; (5) т = 16794С3 - 31744С2 + 20776С- 3848,5; (6)
2 500
500 1 000 1 500 2 000 Продолжительность сушки, с -90 Вт -180 Вт
Рис. 2. Изменение влажности печени сома в зависимости от продолжительности микроволновой сушки (толщина высушиваемого
слоя 1,5 см, частота излучения 2,45 ГГц) Fig. 2. Change in the moisture content of catfish liver depending on the duration of microwave drying (thickness of the drying layer 1.5 cm, radiation frequency 2.45 GHz)
у = 23 431 Л3 - 44 597 x2 + 29 666 х- 5 564,4
и
0
1 л с; а* н s X с; о ч о а.
Содержание сухих веществ, кг/кг
- 90 Вт Полиномиальная (90 Вт)
180 Вт Полиномиальная (180 Вт)
Рис. 3. Изменение содержания сухих веществ i печени сома в зависимости от продолжительности микроволновой сушки Fig. 3. Changes in dry matter content in catfish liver depending on the duration of microwave drying
где т - продолжительность сушки, с; С - содержание сухих веществ в печени сома, кг/кг.
При взятии производной от т = /(С) имеем (т /dC = /(С) и далее dC/dr = 1//(С), показанную на рис. 4 для двух вариантов проведения процесса.
Ниже представлены искомые уравнения, описывающее кривую скорости обезвоживания печени сома: dC/(к = 1//(С), для двух вариантов проведения процесса - при мощности излучения 90 Вт (7) и 180 Вт (8):
dÇ ск
70 293 С2 - 89194 С+29 666'
1
dC ___
(к 50 382 С* -63 488 С+ 20 766'
(7)
(8)
где dC/(k - скорость сушки, 1/с; С - содержание сухих веществ в исследуемой печени сома, кг/кг.
0,0014 Ji 0,0012
s 0,0010
э 0,0008
и
g. 0,0004 3 0,0002 0,0000
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Содержание сухих веществ, кг/кг
-90 Вт — 180 Вт
Рис. 4. Кривые скорости микроволновой сушки печени сома при высоте слоя 1,5 см и частоте излучения 2,45 ГГц Fig. 4. Curves of the microwave drying rate of catfish liver at a layer height of 1.5 cm and a radiation frequency of 2.45 GHz
Анализ приведенных кривых позволяет заключить, что процесс сушки характеризуется постепенным снижением содержания влаги с течением времени. Как видно из рис. 4, увеличение мощности микроволновой печи привело к значительному увеличению скорости сушки, следовательно, время сушки сократилось.
Другое наблюдение состоит в том, что на кинетических кривых присутствуют две стадии [1315], первая из которых отвечает повышению dC/dт до пика при отведении воды в свободном состоянии от образца. Во втором периоде после достижения максимальной скорости наблюдается ее падение, в том числе из-за снижения содержания влаги в объекте сушки; кроме того, снижение скорости сушки может быть связано с уменьшением пористости образцов в результате сжатия, которое увеличивает сопротивление движению воды на поверхность.
На кривых скорости микроволновой сушки печени сома наблюдается отсутствие постоянной скорости обезвоживания, что связано с превалированием одного вида связи влаги с сухим остатком над другим. Обнаружено, что при ми-
кроволновой сушке увеличение уровня мощности приводило к сокращению времени обезвоживания, необходимого для достижения конечного содержания влаги в образцах печени рыбы, причем увеличение мощности в два раза давало выигрыш в скорости только в 1,7 раза. Результаты эксперимента показали, что при более высоких уровнях мощности микроволновой печи внутри продукта выделяется больше тепла, что приводит к большей разнице давления пара между центром и поверхностью образцов и, следовательно, не только увеличивает скорость сушки, но и приводит к резкому ухудшению качественных показателей высушиваемого материала.
На рис. 5 представлен результат расчета величины ш для установленной мощности, соответственно 90 и 180 Вт.
Реализация математической модели микроволновой сушки печени сома в тонком слое толщиной 1,5 см в виде дифференциального уравнения проводилась в среде MathCad Professional.
На рис. 6 показаны скорости продвижения фронта Т.
160 ООО
140 ООО
\ 120 000 со
3 100 000 80 000
60 000
\
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 с, кг/кг
а
375 000
325 000
"2 275 000 со
3 225 000 175 000 125 000
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 с, кг/кг
б
Рис. 5. Кривые изменения ш в зависимости от концентрации сухого остатка в печени сома при мощности излучения 90 Вт (а) и 180 Вт (б) Fig. 5. Curves of change in ш depending on the concentration of dry residue in the liver of catfish at a radiation power of 90 W (a) and 180 W (b)
а б
Рис. 6. Скорость продвижения фронта Т в печени сома при N = 90 Вт (а) и 180 Вт (б) Fig. 6. The speed of the T front advancement in the liver of the catfish at N = 90 W (a) and 180 W (b)
Анализ результатов, представленных на рис. 6, показывает, что в результате обезвоживания при любой применяемой мощности продукт достигает предельной температуры в 70 °С, однако время ее достижения разное, однако надо отметить, что это не имеет принципиального значения для конечного качества высушенной продукции, так как и в обоих случаях продолжительность нахождения сырья в перегретом состоянии не превышает 30 мин, что является допустимым. При этом перепады Т при сушке не выходят за рамки 2 °С, что обусловливает ее «бережный» режим
и сохранность качественных параметров высушенной печени сома.
Для более точного анализа результатов на рис. 7 показаны полученные данные по Т (К) в слое в табулированной форме и рассчитанные средние значения Т (°С) по слою.
Как видно из рис. 7, для слоя высушиваемой печени вне зависимости от мощности микроволнового излучения ее средняя по слою Т плавно повышается вследствие интенсивного прогрева слоя печени сома по отношению к интенсивности парообразования, снижающего Т печени сома.
180 Вт
68 %
283 298.44
283 296.333
283 294.898
283 293.975
283 293.459
283 293.293
283 293.459
283 293.975
283 294.898
283 296.333
283 298.44 0 мин
10
22
Влажность 5 %
302.949 309.673 314.956 320.709 326.563 332.163 337.031 340.366 341.356
304.114 309.181 316.459 321.469 328.332 334.159 339.571 343.253 344.494
304.376 309.627 316.638 322.628 329.261 335.79 341.419 345.52 346.901
304.277 310.197 316.63 323.304 329.993 336.832 342.758 347.098 348.634
304.118 310.595 316.647 323.593 330.474 337.411 343.563 348.034 349.676
304.05 310.733 316.662 323.667 330.639 337.598 343.83 348.345 350.023
304.118 310.595 316.647 323.593 330.474 337.411 343.563 348.034 349.676
304.277 310.197 316.63 323.304 329.993 336.832 342.758 347.098 348.634
304.376 309.627 316.638 322.628 329.261 335.79 341.419 345.52 346.901
304.114 309.181 316.459 321.469 328.332 334.159 339.571 343.253 344.494
302.949 309.673 314.956 320.709 326.563 332.163 337.031 340.366 341.356
Продолжительность 42 мин
31 37 43 49 56 62 68 72 73
°С
180 Вт
68 %
283 298.072 303.509 310.53
283 296.027 304.498 310.166
283 294.714 304.474 310.705
283 293.908 304.138 311.218
283 293.474 303.836 311.514
283 293.337 303.721 311.605
283 293.474 303.836 311.514
283 293.908 304.138 311.218
283 294.714 304.474 310.705
283 296.027 304.498 310.166
283 298.072 303.509 310.53 0 мин
22 31 38
10
Влажность
316.353 322.844 329.327
317.769 323.778 331.09
317.929 324.841 332.084
318.071 325.33 332.807
318.238 325.517 333.216
318.31 325.565 333.343
318.238 325.517 333.216
318.071 325.33 332.807
317.929 324.841 332.084
317.769 323.778 331.09
316.353 322.844 329.327 Продолжительность 45 51 59 °С
5 %
7 8 9 10
335.979 342.471 348.489 353.098
338.159 345.26 351.803 356.893
339.772 347.301 354.347 359.806
340.788 348.728 356.12 361.881
341.362 349.559 357.175 363.118
341.55 349.831 357.525 363.528
341.362 349.559 357.175 363.118
340.788 348.728 356.12 361.881
339.772 347.301 354.347 359.806
338.159 345.26 351.803 356.893
335.979 342.471 348.489 353.098
66 74 81 28 мин 86
0
1
2
3
5
6
8
9
10
0
1
2
3
5
6
8
9
10
0
1
2
3
5
6
Рис. 7. Данные по Т (К) в слое и рассчитанные средние по слою Т (°С) Fig. 7. Data on T (K) in the layer and calculated averages for the T (°С) layer
Следует отметить, что после проведения подробного исследования микроволновой сушки печени сома в тонком слое осталось только два наиболее рациональных способа ее проведения, и для выбора одного из двух вариантов последним критерием остается продолжительность операции. Очевидно, что таким вариантом резонно принять проведение процедуры обезвоживания, продолжительность которого составляет 28 мин. Правильность такого выбора будет проверена дополнительно проведенными сравнительными исследованиями технохимической характеристики рыбной печени сома обыкновенного в нативном и высушенном состоянии. С целью недопущения перегрева высушиваемого продукта продолжительность обезвоживания можно сократить на 5-8 мин, а досушивание осуществить с использованием конвективного подвода энергии при допустимых температурных условиях.
Так, при СВЧ-сушке печени сома в тонком слое толщиной 1,5 см в течение 20 мин при мощности 180 Вт влажность высушиваемого материала достигнет значения 15 % (см. рис. 2), а его температура будет близка к 70 °С (см. рис. 7). В этом случае достаточно провести экспериментальное исследование по конвективному досушиванию печени до достижения в ней конечной влажности 5 % при температуре сушильного агента 80 °С с целью выявления продолжительности этой процедуры. Анализ полученных данных приводит к выводу, что наиболее рациональной продолжительностью конвективного досушивания печени сома в тонком слое толщиной 1,1 см (с учетом усушки) от начальной влажности 15 % до конечной 5 % является 90 мин.
В итоге в качестве рациональных режимных параметров проведения микроволновой сушки печени сома в тонком слое следует принять следующие:
• начальная влажность высушиваемого сырья (68 ± 2) %;
• начальная температура высушиваемого сырья (10 ± 1) °С;
• толщина высушиваемого слоя (1,5 ± 0,1) см;
• площадь высушиваемой поверхности должна находиться строго в рамках воздействия поля
высокочастотного излучения электромагнитных волн частотой 2450 МГц;
• мощность микроволнового излучения (180 ± 10) Вт;
• конечная влажность высушиваемого сырья (5 ± 1) %;
• конечная температура высушиваемого сырья (85 ± 1) °С;
• продолжительность обезвоживания (28 ± 1) мин.
В качестве рациональных режимных параметров проведения конвективно-микроволновой сушки печени сома в тонком слое следует принять следующие:
• начальная влажность высушиваемого сырья (15 ± 1) %;
• начальная температура высушиваемого сырья (70 ± 2) °С;
• толщина высушиваемого слоя (1,1 ± 0,05) см;
• температура сушильного агента (80 ± 2) °С;
• скорость сушильного агента (2,5 ± 0,5) м/с;
• конечная влажность высушиваемого сырья (5 ± 1) %;
• конечная температура высушиваемого сырья (75 ± 1) °С;
• продолжительность обезвоживания (90 ± 3) мин. Вывод
Таким образом, выявлено, что перспективным способом консервации печени сома служит обезвоживание с использованием энергии микроволнового излучения.
Для определения рациональных режимов микроволновой сушки проведено исследование ее кинетических закономерностей при соблюдении температурных ограничений, что обеспечивается путем моделирования данного процесса вследствие тонкого слоя печени сома. Выполнена адаптация математической модели к печени сома и процесса микроволновой сушки, а также ее решение.
Сравнение представленных результатов с известными для подобных материалов данными показывает их адекватность и непротиворечивость, поэтому их можно успешно применять в инженерной практике пищевой индустрии.
Библиографический список
1. Цибизова М.Е. Научное обоснование и методология переработки водных биологических ресурсов Волжско-Каспийского рыбохозяй-ственного бассейна: дис. ... д-ра техн. наук: 05.18.04. М., 2014. 406 с. EDN: https://www.elibrary.ru/fdxifp.
2. Bechtel, P.J.; Oliveira, A.C.M. Chemical characterization of liver lipid and protein from cold-water fish species. Journal of Food Science. 2006. Vol. 71, Iss. 6. Pp. S480-S485. DOI: https://doi.org/10/mVj.1750-3841.2006.00076x
3. Kilic, A. Low temperature and high velocity (LTHV) application in drying: Characteristics and effects on the fish quality. Journal of Food Engineering. 2009. Vol. 91, Iss. 1. Pp. 173-182. DOI: https://doi.org/10.1016/jjfoodeng.2008.08.023.
4. Ortiz-Viedma, J.; Lemus-Mondaca, R.; Vega-Galvez, A., et al. Influence of air-drying temperature on drying kinetics, colour, firmness and biochemical characteristics of Atlantic salmon (Salmo salar L.) fillets. Food Chemistry. 2013. Vol. 139, Iss. 1-4. Pp. 162-169. DOI: https://doi. org/10.1016/j.foodchem.2013.01.037.
5. Семенов Г.В. Сушка сырья: мясо, рыба, овощи, фрукты, молоко. М.: МарТ, 2002. 112 с. ISBN: 5-241-00110-7.
6. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 471 с.
7. Pham, N.D.; Khan, M.I.H.; Karim, M.A. A mathematical model for predicting the transport process and quality changes during intermittent microwave convective drying. Food Chemistry. 2020. Vol. 325. Article Number: 126932. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.126932.
8. Максименко Ю.А., Алексанян И.Ю., Нугманов А.Х.Х. и др. Гидромеханическое оборудование химических и пищевых технологий. Астрахань: АГТУ, 2020. 116 с. EDN: https://www.elibrary.ru/scjrgo.
9. Алексанян И.Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов животного и растительного происхождения: дис. ... д-ра техн. наук: 05.18.12. М., 2001. 266 с. EDN: https://www.elibrary.ru/qdlier.
10. Максименко Ю.А. Развитие научно-практических основ и совершенствование процессов сушки растительного сырья в диспергированном состоянии: дис. ... д-ра техн. наук: 05.18.12. Астрахань, 2016. 502 с. EDN: https://www.elibrary.ru/uvevfe.
11. Kipcak, A.S.; Ismail O. Microwave drying of fish, chicken and beef samples. Journal of Food Science and Technology. 2020. Vol. 58, Iss. 1. Pp. 281-291. DOI: https://doi.org/10.1007/s13197-020-04540-0.
12. Kipcak, A.S. Microwave drying kinetics of mussels (Mytilus edulis). Research on Chemical Intermediates. 2016. Vol. 43, Iss. 3. Pp. 1429-1445. DOI: https://doi.org/10.1007/s11164-016-2707-4.
13. Филоненко Г.К., Гришин М.А., Гольденберг Я.М. и др. Сушка пищевых растительных материалов. М.: Пищевая промышленность, 1971. 440 с.
14. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1975. 527 с.
15. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 11-е изд. М.: ТИД Альянс, 2005. 753 с. ISBN: 5-98535-005-3. EDN: https://www.elibrary.ru/qndvfv.
Bibliography
1. Tsibizova, M.Ye. Nauchnoye obosnovaniye i metodologiya pererabotki vodnykh biologicheskikh resursov Volzhsko-Kaspiyskogo rybokhozyayst-vennogo basseyna: dis. ...d-ra tekhn. nauk: 05.18.04 [Scientific substantiation and methodology of processing aquatic biological resources of the Volga-Caspian fishery basin: dis. ... Doctor of Technical Sciences: 05.18.04.]. M., 2014. 406 Pp. EDN: https://www.elibrary.ru/fdxifp. (in Russ.)
2. Bechtel, P.J.; Oliveira, A.C.M. Chemical characterization of liver lipid and protein from cold-water fish species. Journal of Food Science. 2006. Vol. 71, Iss. 6. Pp. S480-S485. DOI: https://doi.org/10.111Vj.1750-3841.2006.00076x
3. Kilic, A. Low temperature and high velocity (LTHV) application in drying: Characteristics and effects on the fish quality. Journal of Food Engineering. 2009. Vol. 91, Iss. 1. Pp. 173-182. DOI: https://doi.org/10.1016/jjfoodeng.2008.08.023.
4. Ortiz-Viedma, J.; Lemus-Mondaca, R.; Vega-Galvez, A., et al. Influence of air-drying temperature on drying kinetics, colour, firmness and biochemical characteristics of Atlantic salmon (Salmo salar L.) fillets. Food Chemistry. 2013. Vol. 139, Iss. 1-4. Pp. 162-169. DOI: https://doi. org/10.1016/j.foodchem.2013.01.037.
5. Semenov, G.V. Sushka syr'ya: myaso, ryba, ovoshchi, frukty, moloko [Drying raw materials: meat, fish, vegetables, fruits, milk]. M.: MarT, 2002. 112 p. ISBN: 5-241-00110-7. (in Russ.)
6. Lykov, A.V. Teoriya sushki [Drying Theory]. M.: Energiya, 1968. 471 Pp. (in Russ.)
7. Pham, N.D.; Khan, M.I.H.; Karim, M.A. A mathematical model for predicting the transport process and quality changes during intermittent microwave convective drying. Food Chemistry. 2020. Vol. 325. Article Number: 126932. DOI: https://doi.org/10.1016/jj.foodchem.2020.126932.
8. Maksimenko, YU.A.; Aleksanyan, I.YU.; Nugmanov, A.H.-H. i dr. Gidromekhanicheskoye oborudovaniye khimicheskikh i pishchevykh tekhnologiy [Hydromechanical equipment for chemical and food technologies]. Astrakhan': AGTU, 2020. 116 Pp. EDN: https://www.elibrary.ru/scjrgo. (in Russ.)
9. Aleksanyan, I.YU. Razvitiye nauchnykh osnov protsessov vysokointensivnoy sushki produktov zhivotnogo i rastitel'nogo proiskhozhdeniya: dis. ... d-ra tekhn. nauk: 05.18.12. [Development of scientific foundations of high-intensity drying processes of animal and plant products: dis. ...
Doctor of Technical Sciences: 05.18.12.]. M., 2001. 266 p. EDN: https://www.elibrary.ru/qdlier. (in Russ.)
10. Maksimenko, YU.A. Razvitiye nauchno-prakticheskikh osnov i sovershenstvovaniye protsessov sushki rastitel'nogo syr'ya v dispergirovannom sos-toyanii: dis. ... d-ra tekhn. nauk: 05.18.12 [Development of scientific and practical foundations and improvement of drying processes of plant raw materials in a dispersed state: dis. ... Doctor of Technical Sciences: 05.18.12.]. Astrakhan', 2016. 502 Pp. EDN: https://www.elibrary.ru/uvevfe. (in Russ.)
11. Kipcak, A.S.; Ismail O. Microwave drying of fish, chicken and beef samples. Journal of Food Science and Technology. 2020. Vol. 58, Iss. 1. Pp. 281-291. DOI: https://doi.org/10.1007/s13197-020-04540-0.
12. Kipcak, A.S. Microwave drying kinetics of mussels (Mytilus edulis). Research on Chemical Intermediates. 2016. Vol. 43, Iss. 3. Pp. 1429-1445. DOI: https://doi.org/10.1007/s11164-016-2707-4.
13. Filonenko, G.K.; Grishin, M.A.; Gol'denberg, YA.M. i dr. Sushka pishchevykh rastitel'nykh materialov [Drying of food plant materials]. M.: Pish-chevaya promyshlennost', 1971. 440 p. (in Russ.)
14. Ginzburg, A.S. Osnovy teorii i tekhniki sushki pishchevykh produktov [Fundamentals of the theory and technology of drying food products]. M.: Pishchevaya promyshlennost', 1975. 527 p. (in Russ.)
15. Kasatkin, A.G. Osnovnyye protsessy i apparaty khimicheskoy tekhnologii [Basic processes and apparatuses of chemical technology]. 11-ye izd. M.: TID Al'yans, 2005. 753 p. ISBN: 5-98535-005-3. EDN: https://www.elibrary.ru/qndvfv. (in Russ.)
Информация об авторах / Information about Authors Яснов
Андрей Сергеевич
Yasnov,
Andrey Sergeevich
Тел./Phone: +7 (960) 853-86-64 E-mail: [email protected]
Аспирант
Астраханский государственный технический университет
414056, Российская Федерация, г. Астрахань,ул. Татищева, 16/1
Postgraduate Student
Astrakhan State Technical University
414056, Russian Federation, Astrakhan, Tatishchev St., 16/1
ORCID: https://orcid.org/0009-0002-1728-0718
Нугманов
Альберт Хамед-Харисович
Nugmanov,
Albert Hamed-Harisovich
Тел./Phone: +7 (499) 976-33-13 E-mail: [email protected]
Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии хранения и переработки плодоовощной и растениеводческой продукции Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К. А. Тимирязева 127434, Российская Федерация, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49
Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Storage and Processing Technology of Fruit, Vegetable and Plant Products Department
Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy (RSAU-MTAA) 127434, Russian Federation, Moscow, Timiryazevskaya St., 49 ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4093-9982
Алексанян Игорь Юрьевич
Aleksanyan, Igor Yurievich
Тел./Phone: +7 (8512) 61-44-69 E-mail: [email protected]
Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологических машин и оборудования
Астраханский государственный технический университет
414056, Российская Федерация, г. Астрахань, ул. Татищева, 16/1
Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Technological Machines
and Equipment Department
Astrakhan State Technical University
414056, Russian Federation, Astrakhan, Tatishchev St., 16/1
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5494-1226
Осмоловский Павел Дмитриевич
Osmolovskiy, Pavel Dmitrievich
Тел./Phone: +7 (985) 423-05-67 E-mail: [email protected]
Кандидат сельскохозяйственных наук, младший научный сотрудник лаборатории селекции и семеноводства рапса
Липецкий НИИ рапса - филиал Всероссийского научно-исследовательского
института масличных культур им. В.С. Пустовойта
398037, Российская Федерация, г. Липецк, ул. Боевой проезд, 26
Candidate of Agricultural Sciences, Junior Researcher of the Rapeseed Breeding and Seed
Production Laboratory
Lipetsk Research Institute of Rapeseed - a Branch of V.S. Pustovoit All-Russian Research Institute of Oil Crops
398037, Russian Federation, Lipetsk, Boevoy Proezd St., 26 ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1131-1552
Муханбетова Ильмира Руслановна
Mukhanbetova, Ilmira Ruslanovna
Тел./Phone: +7 (937) 602-05-52 E-mail: [email protected]
Аспирант
Астраханский государственный технический университет
414056, Российская Федерация, г. Астрахань, ул. Татищева, 16/1
Postgraduate Student
Astrakhan State Technical University
414056, Russian Federation, Astrakhan, Tatishchev St., 16/1
ORCID: https://orcid.org/0009-0007-6667-9190
Вклад авторов:
Яснов А.С. - проведение эксперимента, обработка данных эксперимента, полученных в ходе исследования; Нугманов А.Х.-Х. - научное руководство, разработка концепции научного исследования, контроль над проведением научного исследования;
Алексанян И.Ю. - обоснование концепции исследования, контроль над проведением научного исследования; Осмоловский П.Д. - обработка данных эксперимента, полученных в ходе исследования, подготовка научной статьи под требования журнала;
Муханбетова И. Р. - обзор литературных источников, их анализ. Contribution of the Authors:
Yasnov, Andrey S. - conducting an experiment, processing experimental data obtained during the study;
Nugmanov, Albert H.-H. - scientific supervision, development of the scientific research concept, control over the scientific research conduct;
Aleksanyan, Igor Yu. - research concept substantiation, control over the conduct of scientific research;
Osmolovskiy, Pavel D. - experimental data processing obtained during the research, preparation of a scientific article according to the requirements of the journal;
Mukhanbetova, Ilmira R. - literary sources review, their analysis.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors declare no conflicts of interests.
