CC BY
29
АКВАКУЛЬТУРА
УДК 597.554
Профессор О.П. Дворянинова, доцент A.B. Соколов, аспирант М.В. Спиридонова,
(Воронеж, гос. ун-т инж. технол.) кафедра управления качеством и машиностроительных технологий, тел. 8(920) 210-27-52 E-mail: [email protected] доцент A.B. Прибытков
(Воронеж, гос. ун-т инж. технол.) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. 8(910) 341-67-37 E-mail: [email protected]
Professor О.P. Dvoiyaninova, Associate
Professor A.V. Sokolov, Post Graduate M.V. Spiridonova,
(Voronezh State University Engineering Technology) chair quality management and machine-building technologies,
tel. 8(920) 210-27-52 E-mail: [email protected]
Associate Professor A.V. Pribytkov
(Voronezh State University Engineering Technology) chair of machines and equipment for food industry, tel. 8(910) 341-67-37 E-mail: [email protected]
Термический анализ вторичных продуктов разделки рыб
Thermal analysis of secondary fish cutting products
Реферат. При глубокой разделке рыбного сырья превалирует выход коллагенсодержащих отходов 38,0-58,0 % в зависимости от видового состава сырья. Эти отходы можно использовать в производстве природных структурообразователей, технологических аспектах. Изучение термодинамических характеристик вторичных продуктов разделки рыб важно для обоснования технологических режимов переработки как самих отходов, так и различных фракций, входящих в их состав. В процессе увеличения температуры наблюдается уменьшение массы образца, связанное с потерей влаги. Зависимость скорости изменения температуры характеризуется эндотермическим эффектом в интервале 463653 К и 453-673 К для плавников и чешуи соответственно, который отражает максимальную скорость дегидратации продуктов, что сопровождается интенсивной потерей массы образцов. Эндотермический эффект на кривой DTA сопровождается изменением массы и эффектом на кривой DTG, что позволяет определить начало и окончание изменения энтальпии. Проведенный анализ полученных данных позволил выделить периоды дегидратации воды и преобразования сухих веществ при термическом воздействии на чешую и плавники, а также выявить
© Дворянинова О.П., Соколов A.B., Спиридонова М.В., Прибытков A.B., 2015
температурные зоны, которые соответствуют высвобождению влаги с различной формой и энергией связи, что позволяет прогнозировать режимные параметры процесса сушки и прожига и выбирать среди них наиболее эффективные.
Summary. At deep cutting of fish raw materials the exit the collagen containing of waste of 38,0-58,0 % depending on specific structure of raw materials prevails. Rather large number of waste allows to use them on production of natural structurant, technological aspects which receiving is in a stage of continuous development. Studying of thermodynamic characteristics of by-products of cutting of fishes is a basis for justification of the technological modes of processing, both waste, and various fractions which are their part. In the course of increase in temperature the reduction of mass of a sample connected with moisture loss is observed. Dependence of speed of change of temperature is characterized by endothermic effect in the range of 463-653 К and 453-673 К for fins and scales respectively which reflects the maximum speed of dehydration of products that is followed by intensive loss of mass of samples. The endothermic effect on curve DTA is followed by change of weight and effect on curve DTG that allows to define the beginning and the end of change of an enthalpy. The carried-out analysis of the obtained data allowed to allocate the periods of dehydration of water and transformation of solids at thermal impact on scales and fins, and also to reveal temperature zones which correspond to release of moisture with various form and binding energy that allows to predict regime parameters of process of drying and a prozhig and to choose among them the most effective.
Ключевые слова: дериватографический анализ, чешуя, плавники, энтальпия, кинетика сушки, вторичные продукты разделки рыб.
Keywords: derivatografic analysis, scales, fins, enthalpy, drying kinetics, by-products of cutting of fishes.
При глубокой разделке рыбного сырья превалирует выход коллагенсодержа-щих отходов 38,0-58,0 % в зависимости от видового состава сырья. Эти отходы можно использовать в производстве природных структурообразователей, технологических аспектах [1].
Изучение термодинамических характеристик вторичных продуктов разделки рыб является важной для обоснования технологических режимов переработки как самих отходов, так и различных фракций, входящих в их состав [2].
Сушка является не только теплофизическим, но и технологическим процессом, в котором связаны процессы переноса теплоты и массы. При этом изменяются структурно-механические, физико-химические, биохимические и другие свойства высушенного материала.
Поэтому повышение эффективности сушильного оборудования и процессов сушки является комплексной задачей, направленной на получение продукции высокого качества, снижение материало-, энерго- и ресурсоемкости техники [3].
В данной работе представлены материалы исследований процесса внешнего и внутреннего тепломассопереноса методом дериватографического анализа в условиях термического воздействия на продукт. Проведение дериватографического анализа позволяет изучить характер связи влаги с выявлением участков, на которых осуществляется преобразование веществ при повышении температуры.
Экспериментальное получение кинетических кривых сушки пищевых материалов является реальной базой для уточнения сложных механизмов внутренних термодинамических и физико-химических процессов в капиллярно-пористых средах; для получения теплофизических характеристик исследуемых материалов для дальнейшего развития аналитической теории расчета процессов тепломассопереноса при сушке, а также для разработки, расчета и проектирования сушильного оборудования [3, 4].
Объектами исследования были чешуя и плавники горбуши и толстолобика. Исследование закономерностей теплового воздействия на чешую и плавники осуществляли методом неизотермического анализа на синхронном термоанализаторе
STA 449 FI Jupiter в атмосфере воздуха с постоянной скоростью нагрева 2,5 К/мин до 1074 К.
Прибор фиксирует изменение массы вещества и температуры при контролируемой температурной обработке в определенной газовой среде. Исследования осуществляли в платиновородиевых тиглях с общей массой навески - 40 мг. Применяемые для количественной обработки методом неизотермической кинетики термоаналитические кривые одновременно регистрируют изменения массы образца, скорости изменения температуры или энтальпии и скорости изменения массы (кривые TGA, DTA и DTG).
Количественную оценку связи влаги в материале осуществляли по экспериментальным зависимостям изменения массы образца TGA, скорости изменения температуры DTA и скорости изменения массы DTG (рис. 1), полученным методом термогравиметрии [5].
В процессе увеличения температуры наблюдается уменьшение массы образца (кривая TGA), связанное с потерей влаги. Зависимость скорости изменения температуры DTA характеризуется эндотермическим эффектом в интервале 463-653 К и 453-673 К для плавников и чешуи соответственно, который отражает максимальную скорость дегидратации продуктов, что сопровождается интенсивной потерей массы образцов.
Оценку массы кинетически неравноценных молекул воды в продуктах осуществляли по экспериментальным кривым TGA методом неизотермического анализа. Участок кривой изменения массы TGA, соответствующий процессу дегидратации (рис. 1), преобразуется в зависимость степени превращения вещества а от температуры Т.
лп.
дс«
— - /г ——
\ \ / ■ у
Щ
V 1 щ ъм< :
тг *
ICC »
к
ЛТГ«'
au «е-
s 1 \ / J у /
fМО ^ l4-»*i ч.
ш ш ш ш ш ш ш
Температура
а
ДТГ^Умин) ДСК/мВт
«пеюгмбла Ли ffl'O С ЗиЗС.
\ ^ ^JA |||£ТГ|амг I Па ИКС
V Ли> ST4 С \/ 1 ■ X Ita w 1-е ие массы -4Ы11 Пп 6М2 С л
V i : \ """" л/ \J i J Пни 321 ГС ! 15 11 (7№ J С)
/ ---- IV^S.l с IV'-- .
;пг дек «л»
100 203 ХС 400 ДО 60С 7DÛ
Температура ГС
Рис. 1. Экспериментальные зависимости изменения массы образцов ТйА, скорости изменения температуры БТА и скорости изменения массы ОТО: а - плавники толстолобика; б - плавники горбуши; в - чешуя толстолобика; г - чешуя горбуши
в
г
На кривой ТСтА при определенных значениях температуры находят изменения массы Дт,, соответствующие количеству выделившейся воды при температуре Т (рис. 1). Степень превращения а рассчитывается как:
Д 7П1
а =
Дттах
Полученная зависимость степени превращения вещества а от температуры Т (рис. 2) имеет вид, отражающий сложный характер взаимодействия воды и сухих веществ у чешуи и плавников, и предполагает разную скорость дегидратации (таблица) .
Для получения данных о механизме влагоудаления на основе полученных кривых, определения температурного интервала и массовой доли влаги, десорбирован-ной примерно с одинаковой скоростью, использовали кривую в координатах (-^а)-(103/Т). Зависимость -1 ga от величины 103/Т выполнена для интервала 313-693 К. На рис. 3 видны три линейных участка для чешуи и плавников, что свидетельствует о ступенчатом выделении воды. Каждой из ступеней дегидратации соответствует процесс выделения воды с различной энергией связи.
Плавники толстолобика
Плавники горбуши
/
/ /
/
У /
313 из '13 ш 51; '«; «I! «з тц
т. к
«1 и> ?е «15 м
Чешуя толстолобика
Ш 363 413 463
.43 «13 № '13 Т. К
Чешуя горбуши
/
/ <
/
/
311 3»3
461 III Ч> «11
Рис. 2. Зависимость степени превращения а вещества от температуры Т исследуемых чешуи и плавников толстолобика и горбуши
Таблица
Интервалы температур линейных участков для чешуи и плавников
Линейные участки Интервал температур для плавников, К Интервал температур для чешуи, К
№ 1 313-429 313-401
№ 2 429-529 401-518
№ 3 529-673 518-673
На участке № 1 происходит нагрев и удаление свободной воды (механически и осмотически связанной влаги), имеющей невысокую энергию связи с образцами. Высвобождается вода, образующая сетку из ассоциатов молекул воды, связанных между собой водородными связями. При этом десорбция капиллярной воды характеризуется более низкими величинами энергии активации по сравнению с водой, высвобождающейся на второй ступени процесса. На участке № 2 осуществляется десорбция осмотической влаги образцов. Участок № 3 характеризуется высвобождением адсорбционной влаги, а по мере приближения значения температуры к верхней границе интервала - удалением внутренней осмотической и адсорбционной влаги плавников и чешуи, при этом вероятно частичное разложение вещества. С повышением температуры более 673 К происходит существенная деструкция веществ и обугливание образцов.
Плавники толстолобика Плавники горбуши
А
1 1
/ С ^ а
/х у*»» 3 км« «и
А
в/ 1
/
/ 1=673 К ч 3 Т;=52 К/518К 01 к ТА= 13К
1.« 1,б» 1,19 2м9 2-^9 :.»? :.»
их»т
1,49 1,63 >' 2,09 2.29 2,49 2,69 2,89 3,09
1000/Т
Чешуя толстолобика
Плавники горбуши
«пк Ь-н
1.4« 1.49 |.|9 ¿.о* :.49 ].п
А
В \ 1
/ Г
/ )=673К 3 Т;=52 К.-518К Тг=429К/' 101 К ТА= 13К
1.49 1.69 1.89 2,09 2,29 2,49 2,69 2.89 3.09
1000/Т
Рис. 3. Зависимость (-1да) от величины 103/Т при нагревании со скоростью 2,5 К/мин
Эндотермический эффект на кривой DTA сопровождается изменением массы и эффектом на кривой DTG, что позволяет определить начало и окончание изменения энтальпии.
Проведенный анализ полученных данных позволил выделить периоды дегидратации воды и преобразования сухих веществ при термическом воздействии на чешую и плавники, а также выявить температурные зоны, которые соответствуют высвобождению влаги с различной формой и энергией связи, что позволяет прогнозировать режимные параметры процесса сушки и прожига и выбирать среди них самые эффективные.
ЛИТЕРАТУРА
1. Антипова, Л.В. Эффективность применения вторичных рыбоперерабатывающих ресурсов для производства функциональных продуктов массового потребления [Текст]/ Л.В. Антипова, О.П. Дворянинова // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология - 2002. - № 5-6. - С. 24-26.
2. Дворянинова, О.П. Биотехнологический потенциал вторичных продуктов разделки рыб как основа импортозамещения [Текст] / О.П. Дворянинова, А.В. Соколов, Д.А. Сьянов, А.З. Черкесов // Известия Международной академии аграрного образования - 2015. - № 23. - С. 148-152.
3. Антипова, Л.В. Подбор сырьевой композиции и исследование процесса конвективной сушки продуктов глубокой переработки рыб при производстве сухих основ для бульонов [Текст] / Л.В. Антипова, О.П. Дворянинова, А.В. Соколов, А.В. Прибытков, М.В. Бобрешова // Рыбное хозяйство. - 2014. - № 5. - С. 96-99.
4. Дворянинова, О.П. Перспективы развития нового производства при переработке малоценных рыбных продуктов [Текст] / О.П. Дворянинова, А.В. Соколов / / Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания - 2014. - № 1 (1). - С. 61-65.
5. Котова, Д.Л. Термический анализ ионообменных материалов [Текст] / Д.Л. Котова, В.Ф. Селеменев. - М.: Наука, 2002. - 156 с.
REFERENCES
1. Antipova, L.V. The effectiveness of secondary fish processing resources for functional products of mass consumption [Text] / L.V. Antipova, O.P. Dvoryaninova / / News of higher educational institutions. Food technology - 2002. - № 5-6. - P. 24-26.
2. Dvoryaninova, O.P. Biotechnological potential of secondary products as a basis for cutting fish import [Text] / O.P. Dvoryaninova, A.V. Sokolov, D.A. Sianov, A.Z. Cher-kesov / / Proceedings of the International Academy of Agricultural Education - 2015. -№ 23. - P. 148-152.
3. Antipova, L.V. Selection of raw material composition and research of process of convective drying of deep processing of fish products in the manufacture of dry bases for soups [Text] / L.V. Antipova, O.P. Dvoryaninova, A.V. Sokolov, A.V. Pribytkov, M.V. Bobreshova // Fisheries. - 2014. - № 5. - P. 96-99.
4. Dvoryaninova, O.P. Prospects for the development of new production in the processing of low-value fish products [Text] / O.P. Dvoryaninova, A.V. Sokolov / / Technology of food processing industry AIC - healthy food - 2014. - № 1 (1). - P. 61-65.
5. Kotova, D.L. Thermal analysis of ion-exchange materials [Text] / D.L. Kotova, V.F. Selemenev. - Moscow, 2002 - 156 p.
