CC BY
8
Scientific Research of the Union of Scientists in Bulgaria - Plovdiv,
series B. Natural Sciences and Humanities, Vol. XVII, ISSN 1311-9192, International Conference of Young Scientists, 11 - 13 June 2015, Plovdiv
СИЛИ НА РЯЗАНЕ НА ПЛОДОВЕ И ЗЕЛЕНЧУЦИ Мариана Ботева, С. Василев, Иван Михайлов Университет по хранителни технологии, катедра Техническа механика и машинознание 4002 гр. Пловдив, Р. България
[email protected], [email protected], [email protected],
CUTTING FORCES FOR FRUITS AND VEGETABLES Mariana Boteva, Simeon Vasilev, Ivan Mihaylov University of Food Technology 4002 Plovdiv, Bulgaria [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract. The forces needed for cutting fruits and vegetables are of great importance for the design and operation of cutting assemblies in food industry.The current study is focused on the research of the forces required to cut three experimental materials: Granny Smith apples, Libero beet and Sampson pumpkin. The results show that the feeding speed and the rotation frequency of the disc knife influence the cutting force the most. The highest value of cutting force is those obtained by cutting pumpkins, and the lowest - by cutting apples. The differences between the forces required to cut apples, beet and pumpkin are in good accordance with plants' tissue structure and morphology.
Key words: cutting force, feeding speed, rotation speed, pumpkin, beet, apple
Въведение. Ябълките, червеното цвекло и тиквата са три продукта, широко използвани за директна консумация или след преработване. Като суровини за хранителната промишленост както и в ресторанти и хранителни блокове към хотелски вериги [2,3] те се подлагат многократно на рязане, като от тиквата и червеното цвекло се произвеждат супи, сосове, естествени оцветители на макаронени изделия и брашнени смески, от тиква и ябълки - смесени нектари, сладка, от червеното цвекло - салати, консерви и т. н. [4]. Чрез рязането се придава желаната форма и размери на плодовете и зеленчуците [5], като най-голямо влияние върху процеса оказва вида на режещото устройство, формата на режещия ръб на ножа, големината на подавателната и работната скорост. От значение са и условията на отглеждане на продуктите, степента на узряване, продължителността и начина им на съхраняване и т. н. Те оказват влияние върху морфологията и консистенцията на плодовете и зеленчуците, които от своя страна са фактор за формирането на големината на силата на рязането им.
Материали и методи. За провеждане на експериментите са избрани три продукта: зелени ябълки сорт „Грени Смит", като представител на плодовете, едроплодна тиква сорт „Самсон", представител на зеленчуците и червено цвекло сорт „Либеро", представител на кореноплодните зеленчуци.
Ябълките „Грени Смит" са брани един ден преди провеждането на експериментите и са от района на град Пловдив. Избрани са здрави ябълки с големина над средната с диаметър 100 mm.
Тиквите сорт „Самсон" са от района на град Пловдив и са престояли една седмица след брането. Избрани са здрави зеленчуци със средна големина с диаметър 350 mm. Червеното цвекло е сорт „Либеро", закупено от производител от региона на град Пловдив. То е престояло четири дни след брането. Избрани са здрави кореноплодни зеленчуци, без наранявания, със средна големина с диаметър 120 mm.
Експериментите за определяне влиянието на големината на подавателната и работната скорост на рязане върху силите на рязане на ябълка, тиква и червено цвекло са проведени с образци с размери: дължина 100 mm, ширина 60 mm и дебелина 10 mm, изготвени от месестата част на продуктите. Използвани са три подавателни скорости: 0,05; 0, 083 и 0, 125 m/s, със седем различни работни скорости (честота на въртене) на режещия инструмент за всяка подавателна скорост: 111,45; 162,25; 212,65; 263; 311,75; 363;8; 413,9 min-1. Преди всеки експеримент изпитваният образец се закрепва неподвижно върху носещата платформа на опитен стенд за изследване рязането на хранителни продукти [1]. Режещият инструмент е дисков нож с гладък режещ ръб, заточен двустранно под ъгъл 15°. Посоката на подавателната и работната скорост съвпадат (прилага се методът на попътно рязане).
Резултати и обсъждане. На фиг.1 е показана графичната зависимост на силата на рязане на трите хранителни продукта в зависимост от честотата на въртене на дисковия нож при подаване 0,05 m/s. Трите графики са логаритмични криви, като за тиквата и червеното цвекло графиките са идентични, равномерно отместени една спрямо друга за целия обхват на честотите. При рязане на ябълка за малките честоти на въртене на ножа силата на рязане се приближава до тази на червеното цвекло, след което бързо намалява и за честота на въртене 413,9 min-1 разликата между силите на рязане на двата продукта е 45 N.
Подобни са кривите и при подаване 0,083 m/s - фиг.2, като отчетените сили на рязане са с по-високи стойности, а графиката на силата на рязане на ябълка се приближава към тази на червеното цвекло.
При рязане на тиква и червено цвекло с подавателни скорости 0,05 и 0,083 m/s над честота около 260 min-1 силите намаляват по-плавно, но почти постоянни стойности те може да достигнат за честоти на дисковия нож над 400 min-1 , където ще се получи най-благоприятният им режим на рязане.
На фиг.3 са дадени графичните зависимости на силата на рязане на трите продукта от честотата на въртене на инструмента при подаване 0, 125 m/s, като силите при рязане на ябълки и рязане на тиква имат еднакви стойности при честота на инструмента 230 min-1. Над тази честота на въртене на дисковия нож силите на рязане на ябълки са по-малки в сравнение с тези при рязане на тиква и червено цвекло.
Фиг.1. Зависимост на силата на рязане F, N от честотата на въртене на дисковия нож n, min-1 при рязане на тиква, червено цвекло и ябълка с подаване 0,05 m/s.
Фиг.2. Зависимост на силата на рязане Р, N от честотата на въртене на дисковия нож п, шт-1 при рязане на тиква, червено цвекло и ябълка с подаване 0,083 ш/з.
Фиг.3. Зависимост на силата на рязане Р, N от честотата на въртене на дисковия нож п, шт-1 при рязане на тиква, червено цвекло и ябълка с подаване 0,125 ш/з.
Разликите в големините на силите на рязане при изследването на ябълка, червено цвекло и тиква се дължат на различията в тяхната структура и морфология. Механичните свойства на паренхимната тъкан на плодовете и зеленчуците се влияят основно от тургора, размера на клетките, формата, големината и здравината на клетъчните стени, междуклетъчната адхезия [6].
Съдържанието на вода в ябълките е средно 85%, в червеното цвекло - 83 %, в тиквата - 91% [4]. Големините на получените различни стойности на силата на рязане съответстват на тургора на трите продукта, т. е. той предизвиква най-голяма твърдост на тиквата, по-малка - на червеното цвекло и най-малка - на ябълката.
Ябълките притежават силна междуклетъчна адхезия, клетките са по-здраво прикрепени една към друга в сравнение с тези на тиквата и червеното цвекло и затова при рязане не се „приплъзват" една спрямо друга, а се разделят през клетъчните стени [4]. Причината за получената най-малка сила при тяхното рязане е наличието на междуклетъчна система от празни пространства, която за изпитвания сорт Грени Смит е 25% [4].
Върху физичните храктеристики на паренхимната тъкан - твърдост, еластичност и т. н. основно влияние оказва съдържанието на пектинови вещества . Най-голямо количество сухо вещество (до 26,8%), от което 14% пектин, се съдържа в тиквите. В червеното цвекло
сухото вещество е 15,7%, а съдържанието на пектин 1%; в ябълките Грени Смит - 11%, от които 1% пектинови вещества. Получените сили на рязане съответстват на съдържанието на пектина в трите хранителни продукта.
С повишаване съдържанието на целулоза и хемицелулоза консистенцията на плодовете и зеленчуците става по-груба, от което съпротивлението им на срязване нараства. Количеството на целулоза и хемицелулоза в тиквите е 4,2 в червеното цвекло - 0,6 0,8%, в ябълките - 0,6% [4].
Изводи.
За трите подавания на продукта: 0,05; 0,083 и 0,125 m/s най-големи стойности на силата на рязане са получени при рязане на тиква. Формата на графиката и в зависимост от честотата на дисковия нож е аналогична с формата на графиката на силата на рязане на червено цвекло и за трите подавания.
Графиките на силите на рязане на ябълки в сравнение с тези на другите два продукта са доста по-„стръмни". При малки честоти на въртене (в началото на диапазона на изменение на честотите - 111 min-1) за скорости на подаване 0,05 и 0,083 m/s стойностите на силите на рязане на ябълки почти съвпадат с тези на червеното цвекло, а при подаване 0,125 m/s те съвпадат с тези при рязане на тиква.
Най-голямата сила на рязане на тиква е 172.6 N, на червено цвекло 162.5 N и на ябълки 174 N , получени при честота на въртене 111.45 min-1 и подаване 0,125 m/s. Най-малките получени сили на рязане са съответно за тиква 115 N, за червено цвекло 101 N, за ябълка 54.7 N, при подаване 0,05 m/s и честота на въртене на ножа 413.9 min-1.
Получените най-големи сили на рязане на образците от тиква се дължат на по-голямата плътност на паренхимната тъкан, което е следствие на по-голямата дебелина на клетъчните стени, повишеното съдържание на целулоза, хемицелулоза и пектинови вещества, в сравнение с плътността на червеното цвекло и ябълките.
Литература.
1. Ботева М., С. Василев, И. Михайлов - Стенд за определяне силите на рязане на хранителни продукта, 23-та международна научна конференция, 6 - 7 юни 2013 г., Съюз на учените, Стара Загора, Международно научно on-line списание „Наука и технологии", изд. Съюз на учените - Стара Загора, Volume III, Number 4, 2013: Technical studies, ISSN 1314-4111.
2. Петкова Е., Реинженерингови модели в туристическата дейност, Автореферат, Пловдив, 2010 г.
3. Петкова Е., Хотелиерски операции, София, 2013, 264 стр.
4. Танчев С. и кол., Следберитбени технологии на плодове и зеленчуци, Академично издателство на ВИХВП - Пловдив, 2002.
5.Petkova E., Operationalization of Hotel Activities, The Bulgarian Chamber of Education, Science and Culture, Journal of Science and Research, Vol. 1 (5), 2013, p. 83-102.
6. Fellows P. J., Food processing technology, Principles and practice, CRC Press. U. K., 1996
7. Toivonen PMA, Brummell DA (2008) Biochemical bases of appearance and texture changes in fresh-cut fruit and vegetables. Postharvest Biol Technol 48:1-14.
