Теория и практика проектирования пищевых систем на основе феноменологического подхода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат наук Нугманов, Альберт Хамед-Харисович

• Нугманов, Альберт Хамед-Харисович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Нугманов, Альберт Хамед-Харисович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 8

ГЛАВА 1. Современное состояние и практическая необходимость развития методологии проектирования пищевых систем и прогнозирование их потребительских свойств. 18

1.1. Перспективы развития инженерных подходов к конструированию и прогнозированию потребительских свойств многокомпонентных пищевых систем. 18

1.1.1. Пищевая комбинаторика. 20

1.1.2. Квалиметрические модели. 24

1.1.3. Аналитические модели оценки качества пищи. 29

1.2. Активность воды, ее влияние на качество продукции общественного питания. 32

1.3. Теоретические и практические основы сбалансированного, адекватного питания. 38

1.4. Современное состояние и перспективы развития критериев энтропийной оценки информационно-технологического состояния пищевых систем. 43

1.4.1. Физическая энтропия. 43

1.4.2. Информационная энтропия. 49

1.4.3. Нечеткая энтропия. 52

1.4.4. Физико-математическая оценка энтропий различного характера с целью нахождения их взаимосвязи. 54

1.5. Оценка влияния состава пищевой продукции на её потребительские свойства с учетом требований к здоровому питанию. 59

1.6. Применение дескрипторно-профильного метода дегустационного анализа при разработке новых блюд и кулинарных изделий. 65

1.7. Выводы. 69

ГЛАВА 2. Объекты, методы исследования и обработки экспериментальных данных. 71

2.1. Объекты исследования. 71

2.2. Методы исследования. 75

2.2.1. Традиционные методы исследования. 76

2.2.2. Оригинальные методы исследования. 79

2.3. Методы анализа и математической обработки экспериментальных данных. 87

2.4. Выводы. 90 ГЛАВА 3. Формирование требований к прогнозированию

потребительских свойств продукции общественного питания на основе энтропийного анализа. 93

3.1. Классификация специфических требований, предъявляемых к продуктам питания. 93

3.2. Компонентные требования, предъявляемые к содержанию различных веществ и химических элементов в пищевых продуктах. 103

3.3. Требования, связанные с органолептическим восприятием кулинарной продукции. 116

3.4. Выводы. 130 ГЛАВА 4. Феноменологические подходы к формированию

методологии прогнозирования потребительских свойств и проектированию пищевых систем. 133

4.1. Методика определения диапазонов варьирования доминирующих факторов и степени доступности пищевой энергии на основе термодинамического анализа и комплекса свойств физико-химических систем. 133

4.1.1. Механизм взаимодействия различных продуктов с водой, частиц или фракций между собой. 134

4.1.2. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии различных частиц или фракций пищевых продуктов с водой, а также между собой.

4.1.3. Сорбционные характеристики овощей и расчет степени доступности их пищевой энергии.

150

4.1.4. Биотестирование для проверки адекватности предлагаемой методики по определению степени доступности пищевой энергии объектов исследования.

165

4.2. Универсальное критериальное уравнение качественной и количественной оценок процесса приготовления многокомпонентной и

4.2.1. Разработка критериального уравнения, описывающего процесс приготовления многокомпонентной и многофазной пищевой смеси (заправочные супы) методами теории подобия. 168

4.2.2. Анализ теплофизических и структурно-механических характеристик пищевых продуктов, входящих в состав заправочных первых блюд. 170

4.2.3. Экспериментальное исследование и обработка результатов экспериментов в виде зависимости между безразмерными комплексами. 180

4.3. Разработка математической модели переноса степени доступности в продукте в процессе его тепловой обработки. 186

многофазной пищевой смеси.

167

4.3.1. Обоснование использования основ теории тепломассопереноса при разработке математической модели, описывающей перенос степени доступности в биоматериале в процессе его кулинарной обработки.

187

4.3.2. Скорость распространения поля степени доступности пищевой энергии.

4.3.3. Плотность потока степени доступности, при движущей

силе равной единице. 191

4.3.4. Математическая модель изменения усвояемости в тепловых и массообменных процессах. 192

4.3.5. Перенос усвояемости в процессе кулинарной обработки. 195 4.4. Выводы. 200 ГЛАВА 5. Изучение процессов производства замороженных

полуфабрикатов и возможности использования пленкообразующих растворов в технологии общественного питания. 202

5.1. Исследование процесса измельчения овощных продуктов. 203

5.2. Исследование процессов гигро- и гидротермической обработки овощных продуктов. 211

5.2.1. Выражения для внешних тепло- и влагопотоков. 211

5.2.2. Температура «мокрого» термометра и постоянная скорость поверхностного фазового перехода (пар-вода). 217

5.2.3. Флегма и флегмовый поток. Механизмы их возникновения и основные свойства. 221

5.2.4. Внутренний теплоперенос в капиллярно-пористых телах. 228

5.2.5. Кинетика гигротермических процессов варки овощных продуктов на пару. 235

5.3. Исследование замораживания овощных пюреобразных продуктов в штрангах. 242

5.3.1. Кондуктивно-конвективный способ охлаждения и замораживания пищевых овощных полуфабрикатов. 243

5.3.2. Теплофизические, физико-химические и структурно-механические свойства овощных пюре как объектов замораживания. 246

5.3.3. Внутренний теплоперенос в капиллярно-пористых телах при охлаждении в экструдере и замораживании в камере морозильника. 265

5.4. Разработка рецептуры и технологии «съедобной» упаковки. 275

5.5. Влияние оригинального защитного покрытия на сроки хранения пищевых биоматериалов в технологии общественного питания. 284

5.6. Выводы. 286 ГЛАВА 6. Разработка технологий приготовления супов и

хранения пюреобразных растительных ингредиентов, адаптированных к методам прогнозирования потребительских свойств. 290

6.1. Разработка рецептур и экспресс-технологии производства супов. 290

6.2. Разработка технологии производства пюреобразных овощных полуфабрикатов. 298

6.3. Модифицированные условные обозначения процессоров для описания технологии организации процесса общественного питания. 313

6.4. Выводы. 318 ГЛАВА 7. Некоторые аспекты практической реализации

результатов исследования. 320

7.1. Требования к практической модификации рецептур многокомпонентных пищевых систем. 320

7.2. Требования к операциям в технологии заправочных супов. 324

7.3. Метод проектирования многокомпонентных пищевых систем

на основе связей между физико-химическими характеристиками. 325

7.3.1. Процедура решения задачи оптимизации. 327

7.3.2. Оптимизация рецептуры блюда по заданному соотношению макронутриентов для индивидуума. 329

7.3.3. Пример расчета необходимого соотношения белков, жиров и углеводов для индивидуума. 333

7.4. Система выбора состава многокомпонентных кулинарных смесей. 335

7.5. Описание программного продукта реализации разработанных

алгоритмов. 339

7.5.1. Оптимизация по калорийности. 339

7.5.2. Оптимизация по химическому составу. 343

7.5.3. Оптимизация по энтропии и расчет степени доступности пищевой энергии. 344

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 346

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ. 348

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 351

ПРИЛОЖЕНИЯ. 371

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теория и практика проектирования пищевых систем на основе феноменологического подхода»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Насыщение продовольственного рынка конкурентоспособной продукцией из отечественного сырья входит в число приоритетных векторов реализации государственной политики. Следует выделить проектные направления, которые необходимо оперативно поддерживать и развивать, в частности: разработка кластерной политики в агропромышленном секторе, модернизация и стандартизация пищевого производства, прогнозирование конкурентоспособности пищевой продукции.

Представление технологии в математически формализованном виде с целью получения новых пищевых композиций, основанное на теплофизическом и термодинамическом (эксергетическом, с учетом энтропии системы) подходе, позволит рационально решить поставленные задачи. Искусственно введенное понятие «энтропии» наряду с «энергией», применяемое для выявления термодинамических закономерностей, стало часто использоваться не только в теплофизике, но и в математическом, в частности, статистическом моделировании, технологиях информации, лингвистике и т.д. На базе анализа положений термодинамики возможно решение задач стабилизации различных фаз и соединений пищевой системы и выявление в ней обобщающих закономерностей энергетического взаимодействия. Определение термодинамической вероятности очередности энергетического перераспределения способствует выявлению механизмов течения технологических процессов в различных пищевых системах и, как следствие, нахождению путей модернизации технологии с опорой на феноменологический подход.

Феноменологический подход не предполагает изучение микромеханизма физических процессов, кроме самых общих, справедливых для всех существующих термодинамических систем. Он применяется для выявления теоретических выводов, основных положений, сконцентрировавших в себе

опыт изучаемых физических явлений, а все выводы, полученные при таком подходе, обладают силой всеобщности.

Феноменологический подход позволяет теоретически описывать наблюдаемые явления (феномены). В физике, к примеру, применение термодинамических принципов для описания взаимодействия макроскопических объектов в процессах теплообмена посредством малого числа макроскопических показателей и их функциональных зависимостей вполне достаточно для решения множества технологических и технических задач. Основополагающие термодинамические принципы общеприняты для описания сложных физических явлений в любых системах, в частности, пищевых.

Актуальность приобретает разработка оригинальных методов, программных продуктов, технологий, в частности, общественного питания и конструкторских решений, влияющих на проектирование и конкурентоспособность пищевых систем, что позволяет быстро переходить на выпуск востребованной продукции, с учетом показателей качества выпускаемого продукта и комплекса количественных методов качественной оценки прогнозируемых потребительских ожиданий.

Степень её разработанности. Научными и практическими аспектами исследуемой проблемы занимались отечественные и зарубежные ученые.

Фундаментальные и прикладные исследования проблем питания и ассимиляции пищи проводились Бражниковым А.М., Липатовым Н.Н., Журавской Н.К., Горбатовым А.В., Уголевым А.М. и др., среди зарубежных учёных значительный вклад в науку о питании внесли Ю. Либих, М. Петтенкофер, К. Фойт, В. Этуотер и Н. Рубнер и др.

Научной базой для выполнения работы явились фундаментальные исследования Покровского А.А., Тутельяна В.А., Спиричева В.Б., Панфилова В.А., Храмцова А.Г., Шатнюк Л.Н., Позняковского В.М., Касьянова Г.И., Добровольского В.Ф., Тамовой М.Ю., Попова А.М. и других отечественных и

зарубежных учёных. Анализ работ Гинзбурга А.С., Красникова В.В., Казиахмедова М.Н., Космодемьянского Ю.В., Ильясова С.Г., Рогова И.А., Лыкова А.В., Алексаняна И.Ю. и др. позволил сформулировать научно-методический подход к настоящему исследованию.

Разработкой математических методов системной проработки производственных комплексов, ориентированных на практическую реализацию теоретических подходов с помощью информационных технологий занимались такие отечественные учёные, как Канторович Л.В., Брагин А.А., Иванилов Ю.П., Карпов В.И. и другие.

Следует отметить, что вопросы, связанные с проектированием рецептур пищевых продуктов, обеспечивающих задаваемый уровень адекватности, и прогнозированием их качества на основе анализа и обобщения комплекса свойств и характеристик пищевых систем и их ингредиентов недостаточно проработаны и требуют дальнейшего изучения.

Работа выполнена в рамках реализации «Концепции государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации» на период до 2020 года. В основу значительной части диссертационного исследования, касающихся путей решения задач модернизации, развития и форматизации сетей общественного питания легли основные положения постановления правительства Астраханской области «Стратегия социально-экономического развития Астраханской области до 2020 года».

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является научно-практическое обоснование и совершенствование методического комплекса рационального проектирования пищевых систем и прогнозирование их качества путем изучения, анализа и моделирования физико-химических свойств продуктов и процессов тепломассообмена.

Для реализации цели поставлены следующие задачи:

1) изучить и обосновать выбор перспективных базовых инженерных подходов к проектированию многокомпонентных пищевых систем и

прогнозированию их качества на основе теории сбалансированного и адекватного питания;

2) обосновать выбор объектов и методов исследования, разработать новые методы, позволяющие сформировать значимые требования к прогнозированию потребительских свойств продукции общественного питания, выявить взаимные связи и зависимости между введенными классами требований;

3) исследовать механизм взаимодействия продуктов из растительного сырья с водой, оценить виды и энергию связи влаги с растительным сырьем во взаимосвязи с тепловыми технологическими процессами. Установить зависимости сорбционной активности сырых и имеющих кулинарную готовность растительных материалов от относительной влажности и температуры варочного агента, разработать способ определения степени кулинарной готовности продукта;

4) определить последовательность и термодинамическую вероятность перераспределения энергии в пищевых системах, степень доступности и интенсивность переноса пищевых компонентов и пищевой энергии. Разработать математическую модель эволюции полей температур и усвояемости питательных веществ в продукте при его кулинарной обработке с использованием численно-аналитических методов расчета;

5) получить универсальное для тепломассообменных и гидромеханических процессов критериальное уравнение качественной и количественной оценки готовой продукции в технологии многокомпонентных и многофазных пищевых смесей, выработать модифицированные условные обозначения процессоров для описания технологии приготовления блюд и кулинарных изделий;

6) проанализировать влияние степени измельчения капиллярно-пористой клеточной структуры овощной продукции на технико-экономические показатели протирочного оборудования;

7) разработать ресурсо- и энергосберегающие технологии, позволяющие повысить интенсивность отдельных операций и увязать подсистемы операторной модели технологического потока;

8) выявить взаимосвязь внешнего и внутреннего влаго- и теплопереноса для изучения кинетики и динамики, а также аналитического описания и обоснованного выбора рациональных режимных параметров процесса тепловой обработки овощной продукции в парогазовой или паро-газо-жидкостной среде;

9) повысить эффективность технологии овощных заправочных супов с использованием разработанных методов проектирования, прогнозирования потребительских свойств пищевых систем, а также обосновать способы замораживания пюреобразных овощных продуктов, сушки пленкообразующих растворов и разработать аппараты для их осуществления;

10) Обосновать целесообразность применения биодеградируемых съедобных упаковочных материалов из пленкообразующих растворов для пищевых смесей;

11) Апробировать результаты исследований, выработать рекомендации по их внедрению и практическому использованию.

Научная концепция. В основу создания оригинальных пищевых систем положен феноменологический эксергетический (с учетом энтропии системы) подход к формированию алгоритма проектирования продукции общественного питания и прогнозирования её качества на всех этапах от анализа до синтеза и корректировки конечного продукта.

Научная новизна. Предложены и научно обоснованы три класса требований потребительских свойств продукции общественного питания (компонентный, сатисфакторный и термодинамический). Впервые модифицирован и адаптирован к задаче оценки характеристик компонентного класса существующий аппарат нечеткой энтропии для характеристики содержания отдельных компонентов блюд или продукта с учетом основных

неопределенностей, связанных с долевым содержанием отдельных компонентов. Выявлено превалирующее влияние термодинамической энтропии на усвоение необходимых нутриентов, учитывая, что внутренняя энергия при сохранении параметров продуктов до и после кулинарной обработки (температура, влажность, давление и т.п.) практически не меняется.

Впервые для оценки степени усвоения компонентов пищи использовались функциональные зависимости сорбционных характеристик сырья растительного происхождения, полуфабрикатов и готовой продукции от варьируемых факторов. Установлена возможность применения закономерности взаимодействия различных пищевых смесей с водой, а также частиц или фракций смеси для определения термодинамического энтропийного показателя степени усвоения пищевых продуктов. Получено критериальное уравнение в обобщенных переменных, позволяющее в области подобных тепломассообменных процессов определить кодирующий критерий, являющийся численным эквивалентом качественной потребительской оценки кулинарного блюда.

Разработана математическая модель изменения усвояемости нутриентов в пищевых материалах при тепловой или механической обработке на базе теории тепломассопереноса. Предложен метод расчета эволюции полей усвояемости и температур в процессе варки на пару различных продуктов на основе математического моделирования. Разработана математическая модель проектирования рецептур блюд и кулинарных изделий по критерию выбранного параметра или параметров контроля системы (плотность, энергетическая ценность, себестоимость и др.).

Предложен новый научно обоснованный способ производства биоразлагаемого упаковочного материала, доказана возможность его использования в качестве альтернативы традиционным.

Разработаны математические модели предварительного и окончательного замораживания овощных отварных пюреобразных материалов. Научно

обосновано и экспериментально подтверждено использование разработанного методического комплекса для прогнозирования потребительских свойств, проектирования рецептур блюд и кулинарных изделий и совершенствования традиционных технологий.

Новизна технологических решений подтверждена патентами и свидетельствами о регистрации программных продуктов.

Практическая значимость исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке новых энерго -и ресурсосберегающих технологий, проектировании технологических линий предприятий общественного питания, проведении исследований с целью оптимизации рецептур и рационализации реализуемых в технологии процессов.

Разработанный методический комплекс проектирования состава многокомпонентных пищевых систем позволяет получить блюда и кулинарные изделия, определяющие физиологическую адаптивность рациона нормативным и физиологическим требованиям.

Впервые для предварительного учета флегмового потока жидкой фазы предложен математический аппарат описания внешнего влаго- и теплообмена между капиллярнопористым телом и газо-паро-жидкостной средой.

Разработаны и реализованы способы ведения процессов охлаждения, предварительного и окончательного замораживания овощных отварных пюреобразных материалов и их математические модели, для практического использования которых реализованы численные методы расчета продолжительности процесса и эволюции полей температур в продукте. Разработаны режимные параметры интенсивного замораживания пюреобразных, кусковых, тонкодисперсных продуктов и оборудование для их осуществления.

Для упаковки замороженных полуфабрикатов и декорирования блюд и кулинарных изделий предложена и апробирована водорастворимая биодеградируемая съедобная пленка, обладающая выраженными вкусовыми

характеристиками. Разработана оригинальная конструкция аппарата для ее производства.

Введенный ряд модифицированных процессоров, обозначающих специфические тепловые операции кулинарной обработки сырья и полуфабрикатов, а также хранения и раздачи готовых блюд и кулинарных изделий позволяет наиболее полно схематично описать особенности технологий. Разработанные технологии, где все операции относятся к одному классу, ведут к росту ассортимента продукции и производительности, за счет увязки подсистем операторной модели технологического потока.

На производство продуктов разработаны технико-технологические карты (ТТК) и технические условия (ТУ). Разработанные технологии прошли апробацию в промышленных условиях в ЗАО «Завод Современная Быстрая Кухня» (г. Астрахань), на производственно-технической базе школы шоколада Е.М. Сучковой (ООО «Успех») (г. Москва) и внедрены на ООО НПП «ИнТехПрод» (г. Астрахань), ООО НПП «Биополимер» (г. Астрахань), предприятиях партнерах Национальной ассоциации кулинаров России (г. Москва).

Методология и методы исследования. В основу исследований положен феноменологический подход к формированию алгоритма проектирования продукции и прогнозирования её качества. Для реализации поставленных задач применялись общепринятые и специальные методы сбора, обработки и анализа информации, изучения потребительских свойств и качественных характеристик.

Основные положения, выносимые на защиту. Результаты исследования по применению компонентного, сатисфакторного и термодинамического классов требований к прогнозированию потребительских свойств продукции общественного питания и возможности использования взаимодействия различных пищевых смесей с водой, а также частиц или

фракций смеси между собой, для определения термодинамического энтропийного показателя степени усвоения пищевых продуктов.

Экспериментально-аналитические данные механизма тепломассопереноса и кинетических закономерностей при реализации кулинарных процессов в определенных технологических границах, материалы по физическим характеристикам различных пищевых продуктов. Методы проектирования различных рецептур блюд и кулинарных изделий по критерию выбранного параметра контроля системы с учётом стабилизационного показателя, позволяющего контролировать качество.

Разработанные технологии, адаптированные к методам хранения, прогнозирования потребительских свойств, проектирования пищевых систем и пюреобразных растительных ингредиентов. Результаты апробаций разработанного способа производства биоразлагаемого упаковочного материала и возможности его использования в качестве альтернативы традиционным материалам. Способы ведения процессов быстрого замораживания пюреобразных, кусковых, тонкодисперсных продуктов и конструктивные особенности аппаратов для их осуществления.

Степень достоверности и апробации работы. Степень достоверности результатов обеспечивалась базированием проводимых исследований на достижениях фундаментальных и прикладных наук; согласованием новых подходов с традиционными теоретическими закономерностями в товароведении, прикладной математике; метрологическим обеспечением экспериментальных работ; публикациями результатов работы в рецензируемых изданиях. Достоверность полученных материалов подтверждена заключениями, выданными аккредитованной лабораторией ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии Астраханской области», актами проведения экспериментальных работ: на территории Всероссийского научно-исследовательского института овощеводства (ФГБНИ ВНИИО) (Московская область), в промышленных условиях в ЗАО «Завод Современная Быстрая Кухня» (г. Астрахань), на

производственно-технической базе (ООО «Успех») (г. Москва).

Основные положения и результаты исследований доложены на конференциях, симпозиумах и совещаниях различного уровня: VII Международной научно-практической конференции «Проблемы техники и технологии пищевых производств» (2009, г. Барнаул); Международной научной конференции, посвящённой 85-летию АГТУ (2015, г. Астрахань); Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (2015, г. Липецк); XXI Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки» (2015, г. Москва); Международной научно-практической конференции «Инновационная наука: прошлое, настоящее, будущее», (2016, г. Саранск); Международной научно-практической конференции «Научные основы современного прогресса» (2016, г. Магнитогорск); Международной научно-практической конференции «Современные научные исследования: инновации и опыт» (2016, г. Екатеринбург) и др.

ГЛАВА 1. Современное состояние и практическая необходимость развития методологии проектирования пищевых систем и прогнозирование их

потребительских свойств

На данном этапе развития научных знаний в области, связанной с разработкой теории и практики общественного питания, появилось такое научное направление исследований, как «Методология проектирования продуктов питания с заданными свойствами и составом». Целью данного исследования является научное обоснование практического применения программно-аппаратных комплексов, обладающих специальными методиками по разработке сложных многокомпонентных продуктов с заданным комплексом качественных и количественных показателей, базирующихся на принципах сбалансированного и адекватного питания, что очень важно в условиях конкуренции на сырьевом и потребительском рынках.

1.1. Перспективы развития инженерных подходов к конструированию и прогнозированию потребительских свойств многокомпонентных пищевых систем

Конструирование в пищевой индустрии многокомпонентных пищевых систем (МПС) с требуемыми потребительскими свойствами в настоящее время актуально, т.к. оно позволяет рационально использовать пищевые ресурсы, увеличить количество реализуемых продуктов, обладающих заданными свойствами, поднять пищевую и биологическую ценность блюд и кулинарных изделий, её конкурентные преимущества органолептического характера, привлекательные для потребителя [2, 3, 147, 148, 149, 162, 165].

Целенаправленная компоновка пищевой системы для изменения физических показателей (например: калорийности, теплоемкости, плотности, консистенции и т.п.) из набора традиционно используемых варьируемых ингредиентов при сохранении ее потребительских свойств, обеспечивает заданный химический состав.

Разработка нового обобщенного метода проектирования пищевых систем базируется на термодинамическом подходе и теории физического подобия, который отличается простотой и наглядностью при реализации [40, 180]. Следует отметить, что в процессе развития пищевой технологии не обойтись и без использования современных информационных компьютерных методов, которые позволяют решать сложные рецептурные задачи проектирования многокомпонентных пищевых систем, сохраняя оперативность управления производством [7, 9, 31, 32, 130, 162].

В современных литературных источниках по данному направлению всё чаще фигурирует понятие «проектирование» пищевых продуктов [2, 11, 147, 167, 174, 186, 190]. В проектирование пищевых продуктов входит создание рациональных рецептур, которые способны повысить адекватность свойств пищевых материалов желаниям потребителя и требуемым нормам содержания нутриентов и энергоемкости [9, 11, 126, 218, 223]. Такой подход к научным исследованиям дает возможность разработки состава сложных МПС с требуемыми качественными и количественными характеристиками, число которых перманентно расширяется, определяя кроме потребительских, санитарно-гигиенические, технологические, медико-биологические и другие показатели пищевой продукции.

Применение понятия «проектирование» подразумевает компоновку МПС из набора традиционно используемых варьируемых ингредиентов с целью изменения физических показателей самой системы (калорийности, теплоемкости, плотности, консистенции и т.п.) при сохранении её потребительских свойств. Проектирование пищевых систем предполагает моделирование этапов создания МПС требуемого качества путем выявления математических зависимостей одного или ряда ключевых факторов, на базе которых они формируются, от варьируемых параметров, предусматривает компоновку готового конечного продукта и анализ его качественных показателей при оптимальном соотношении исходных ингредиентов для

разработки рецептуры по количественным и качественным параметрам, а также высоким потребительским показателям, соответствующей медико-биологическим требованиям и принципам сбалансированного питания [137].

1.1.1. Пищевая комбинаторика

Экологическая ситуация на сегодняшний день такова, что помимо традиционных функций пища должна не только насыщать энергией, но и защищать организм от проникновения вредных веществ. Именно структура, условия и привычки питания являются основными факторами, определяющими здоровье человека, раскрывают дополнительные возможности его оздоровления. Совершенствуется медико-биологический и химический контроль при получении пищевых продуктов, особое внимание уделяется их сбалансированности.

Одним из направлений в науке о питании, учитывающей защиту организма от экологически вредных воздействий, а также для его оздоровления, является функциональное питание. Термины «функциональное питание» и «функциональные пищевые продукты» появились в Японии в восьмидесятых годах XX века при создании первых продуктов, обогащенных пробиотиками, пребиотиками и синбиотиками, комбинациями тех и других [22, 37, 41, 137, 236, 256, 279].

Функциональная пища - это продукты (или их ингредиенты), которые способствуют укреплению здоровья человека. Среди них - продукты, изначально содержащие полезные вещества и обогащенные специальными добавками продукты. К категории функциональных пищевых продуктов относятся: лечебные продукты; профилактические продукты; тонизирующие напитки; биологически активные добавки и обогащенные продукты [22].

Сегодня проводится масса исследований по изучению функциональных

свойств продуктов питания, что позволяет разработать совершенно новый вид

продуктов, которые благодаря своим оздоровительным свойствам пользуются

все большим спросом [22, 140, 236, 286]. В России они получили

20

распространение в конце XX века в связи с доведением до массового сознания людей необходимости поддержания своего здоровья в сложившейся экологической ситуации и проводимой в стране политики качества и безопасности питания.

Основной целью функционирования пищевой и перерабатывающей промышленности, согласно стратегии ее развития в РФ на период до 2020г., утвержденной в апреле 2012г., является гарантированное обеспечение и устойчивое снабжение населения России качественным продовольствием [234]. Также отмечается, что на развитие отраслей пищевой и перерабатывающей промышленности повлияют факторы, к которым можно отнести, прежде всего, вхождение Российской Федерации в мировое экономическое пространство, что, однозначно, приведет к увеличению рисков снижения стабильного динамичного развития пищевой индустрии на мировом рынке продовольствия. Следовательно, отрасль нуждается во внедрении новых технологий, в частности, нано и биотехнологии, расширяющие возможности производства высококачественных продуктов нового поколения, а также специализированных лечебно-профилактических, геронтологических и других пищевых материалов [22, 173, 286].

В условиях жесткой конкуренции в «борьбе» за потребителя, обусловленной нарастающим развитием мировой индустрии продуктов питания; разрабатываются новые маркетинговые и производственные технологии. С целью сохранения стабильной конкурентоспособности, производитель идет на пересмотр содержания своего продуктового ассортимента, наполняя рынок новыми идеями [101, 173].

Процессу совершенствования имеющихся или созданных принципиально новых рецептур и технологий пищевых продуктов свойствен традиционный подход, основанный на предварительном или экспериментальном выборе видов, количественного содержания и соотношения компонентов в составе рецептуры пищевого продукта [26, 32, 277]. Субъективность этого подхода

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нугманов, Альберт Хамед-Харисович, 2017 год

/ /

2

! / зона / /

/ / —

1 она 2 крзона 1

у .1

-- 4 -20 -: 8 -1 6 -: 4 -1 2 -: о - 8 - 5 - 4 - 2

Рис. 5.3.2.6. Аппроксимирующий график изменения теплоемкости С отварных овощей от средней температуры 1 - свекла; 2 - морковь; 3 - картофель

Определение зависимости плотности от средней температуры овощных

пюре. Плотность овощных пюре в интервале температур от криоскопической до

5°С остается также постоянной, поэтому для этого диапазона достаточно

провести эксперименты по нахождению значений плотности р, (кг/м ) для

картофельного, морковного и свекольного пюре пикнометрическим методом,

подробно описанным во 2-ой главе данной работы. Для интервала температур

256

от -20°С до криоскопической, зависимость плотности от средней температуры овощных пюре также как и у теплоемкости будет определяться аддитивно, т.к. в период от -20°С до криоскопической температуры, плотность в продукте меняется в связи с появлением вымороженной влаги ш, доля которой определяется из зависимостей (5.3.2.1-2).

В таблице 5.3.2.5 для каждого исследуемого продукта дано экспериментально полученное среднее значение плотности р, (кг/м ) для картофельного, морковного и свекольного пюре для заданного интервала температур.

Таблица 5.3.2.5

Среднее значение плотности р, (кг/м3) для картофельного, морковного и

Наименование Рср, (кг/м ) для (-0,5 < *;ср, °С < 5)

Картофельное пюре 1110

Морковное пюре 1054

Свекольное пюре 1033

На рисунке 5.3.2.7 представлена полученная зависимость плотности р отварных овощей (картофеля, моркови и свеклы) от средней температуры 1ср.

090070050030010-■990- Р, кг/л, 3

J

Л

3 1 кр

-Л 0 -1 3 -1 6 -1 4 -1 2 -1 0 - 3 5 4 г < *г 1 <

Рис. 5.3.2.7. График изменения плотности р отварных овощей от средней температуры 1ср:

1 - картофель; 2 - морковь; 3 - свекла

Для практического удобства при расчете плотности р эмпирически полученную кривую р(;) = f (;) можно разбить на три зоны, причем в первой и

257

в третьей из них изменение с от средней температуры представить линейно, а во второй зоне - полиномом третьей степени. В таблице 5.3.2.6 для каждого исследуемого продукта в различных зонах дана аппроксимирующая зависимость.

Таблица 5.3.2.6

Аппроксимация эмпирически полученного изменения плотности р, (кг/м ) отварных овощей от средней температуры tс

Наименование Диапазон изменения

-0,5 < tcp < 5 -8 < tcp < -0,5 -20 < tcp < -8

Морковное пюре р = 1054 р = 0,306t3 + 5,94t2 +39t + 1071 p = 0,251 + 985

Свекольное пюре р = 1033 р = 0,29613 + 5,74t2 +38t + 1050 p = 0,251 + 964

Картофельное пюре р = 1110 p = 0,316t3 + 6,04t2 + 39,2t + 1127 p = 0,167t + 1039

На рисунке 5.3.2.8 представлена зональная аппроксимированная зависимость удельной теплоемкости с отварных овощей (картофеля, моркови и свеклы) от средней температуры

p, кг/л ■3

-H »

1050- * i- 1 —<

1030- юн a j..... 3 она 2

2............ 30 на 7

»-

3 (кр °c

4 i- tcp

-j 0 -1 S -1 6 -l 4 -1 2 -1 0 - 5 - 5 4 - l \ ¿ i

Рис. 5.3.2.8. Аппроксимирующий график изменения плотности р отварных овощей от средней температуры 1 - картофель; 2 - морковь; 3 - свекла

Определение зависимости коэффициента теплопроводности от средней

температуры овощных пюре.

Коэффициент теплопроводности X, (Вт/(м К)) для заданного интервала

я

температур определяется через зависимость:« = —, где значения а, с и р для

заданного интервала температур уже известны. В таблице 5.3.2.7 для каждого исследуемого продукта дано расчетное значение теплопроводности X, (Вт/(м К)) для картофельного, свекольного и морковного пюре для выбранных значений температур.

Таблица 5.3.2.7

Расчетное значение теплопроводности X, (Вт/(м К)) для картофельного,

СС X, (Вт/(м К)) для картофельного пюре X, (Вт/(м К)) для свекольного пюре X, (Вт/(м К)) для морковного пюре

5 0,47 0,51 0,5

4 0,48 0,518 0,51

3 0,49 0,525 0,52

1 0,504 0,539 0,53

0 0,511 0,546 0,538

-0,5 0,515 0,55 0,541

-0,8 0,568 0,612 0,6

-1 0,63 0,618 0,68

-2 0,89 0,99 0,97

-3 1,085 1,24 1,19

-4 1,265 1,48 1,4

-5 1,497 1,74 1,66

-5,3 1,586 1,82 1,76

-5,8 1,623 1,89 1,77

-6 1,626 1,895 1,774

-8 1,65 1,91 1,795

-10 1,674 1,92 1,817

-12 1,698 1,93 1,838

-14 1,72 1,95 1,86

-16 1,74 1,96 1,88

-18 1,77 1,97 1,9

-20 1,79 1,98 1,92

На рисунке 5.3.2.9 представлена полученная зависимость теплопроводности X, (Вт/(м К)) для свекольного, морковного и картофельного пюре от средней температуры tср.

.....о.. (И/ п/ м К )

Г

л

0:80:60:4-

п о <р С Гер

0-19-18-1 7-1 6-1 5-1 4-1 3-1 2-1 1-1 0- ? - 3 - 1 - 5 - 5 - 4 - 5 - 2 . : ; 6

°с

Рис. 5.3.2.9. График изменения теплопроводности X, (Вт/(м К)) для выбранных значений температур овощных пюре от средней температуры 1ср: 1- свекла; 2 - морковь; 3 -

картофель

Для удобства расчёта теплопроводности X, (Вт/(м К)) полученную расчётным способом кривую Л^) = f(t) можно разбить на три зоны и представить их линейно. В таблице 5.3.2.8 для каждого исследуемого продукта в различных зонах дана аппроксимирующая линейная зависимость.

Таблица 5.3.2.8

Аппроксимация кривых изменения коэффициента теплопроводности Л, (Вт/(м К)) отварных овощей от средней температуры 1с

Наименование Диапазон изменения

-0,6 < < 5 -5,5 < < -0,6 -20 < < -5,5

Морковное пюре Я = -0,009г + 0.545 Я = -0,247Г + 0.4 Я = -0,011* + 1.7

Свекольное пюре Я = —0,0125t + 0.57 Я = -0,269Г + 0.42 Я = —0,0055t + 1.87

Картофельное пюре Я = -0,0Ш +0.525 Я = -0,2Ш + 0.399 Я = -0,013Г + 1.528

На рисунке 5.3.2.10 представлена зональная аппроксимированная зависимость коэффициента теплопроводности X, (Вт/(м К)) для свекольного, морковного и картофельного пюре от средней температуры ?ср.

Определение удельной теплоты льдообразования для исследуемых овощных пюре. Решение задачи определения продолжительности размораживания связано с определенными трудностями. Одной из сложностей получения аналитического решения является то, что теплота льдообразования зависит от температуры и вида объекта [152, 169, 238].

-■■2- Я 0 Зт/(м К), 1

1:8- 2

она 3 3 она 2 <р зоне и ОИ р *

(М 9-18-17-16-15-14-: 3-1 2-1 1-1 0- } - § - 7 - б 5 - 4 - 3 - 1 -1 ■

Рис. 5.3.2.10. Аппроксимирующий график изменения коэффициента теплопроводности X, (Вт/(м К)) овощных пюре от средней температуры 1ср: 1 - свекла;2 - морковь; 3 -

картофель

Учитывая, что исследуемые продукты относятся к высоковлажным, то удельную теплоту льдообразования при различных температурах приближенно можно вычислить по формуле [127, 153]:

¿ = 335 + 2.12*;, (5.3.2.9)

где Ь - удельная теплота льдообразования, (кДж/кг); t - температура замороженного продукта, °С. На рисунке 5.3.2.11 представлена зависимость удельной теплоты льдообразования Ь, (кДж/кг) для картофельного, морковного и свекольного пюре от средней температуры 1ср.

I, (кДж/к. .........450-

300-

, °С

0 -1 8 : 6 -1 4 -1 2 -1 0 i 5 4 2

Рис. 5.3.2.11. График зависимости удельной теплоты льдообразования Ь, (кДж/кг) для картофельного, морковного и свекольного пюре от средней температуры 1ср

Фазовый переход воды из одного агрегатного состояния в другое при замерзании значительно меняет ее теплофизические характеристики, вследствие кардинальных различий между ТФХ воды и льда. Комплекс характеристик сухого скелета продукта при замерзании подвергается несущественному изменению, т.е. практически их можно считать константой. Исходя из этого, главной причиной варьирования теплофизических характеристик продуктов в условиях заморозки является смена агрегатного состояния воды, содержащейся в них. При морозильной обработке исследуемых образцов изучалось изменение таких ТФХ как: удельной теплоемкости, коэффициента теплопроводности и температуропроводности, а также их плотность.

При замораживании величина удельной теплоемкости пищевых продуктов снижается вследствие того, что теплоемкость льдообразной и водной структур различаются почти в два раза, а коэффициент теплопроводности растет. Это можно объяснить тем, что величина теплопроводности образующейся льдообразной структуры ориентировочно в четыре раза выше, чем у водной. Безусловно, коэффициент теплопроводности продуктов, подвергаемых заморозке, растет при уменьшении значения температуры замерзания, ввиду того, что вес вымороженной жидкой фазы возрастает со снижением температуры.

Величина коэффициента температуропроводности пюреобразной овощной продукции вследствие её заморозки также увеличивается, в основном за счёт роста данного коэффициента у воды при её фазовом переходе в лёд ориентировочно в восемь раз.

Плотность исследуемых материалов в процессе замерзания понижается за счёт увеличения объема влаги находящейся в объектах, вследствие изменения её агрегатного состояния, но порядок этого отклонения в сравнении с ТФХ продуктов в таких же условиях крайне незначительна.

Аналитическое определение коэффициента теплоотдачи а в условиях симметричного теплоотвода низкотемпературным воздухом. Эффективность процесса замораживания напрямую связана с теплообменными условиями, и, главным образом, с величиной теплоотдачи с поверхности продукта ( а). В рассматриваемом варианте теплообмен осуществляется между продуктом и низкотемпературным воздухом (-25°С), в морозильной камере со скоростью конвекции около 5 м/с (рис. 5.3.1.1).

Коэффициент теплоотдачи аналитически можно определить, используя критериальное уравнение Нуссельта [38, 39, 151, 259]:

Ыи • Л

а = (5.3.2.10)

где Ыи - критерий Нуссельта; Я - коэффициент теплопроводности для воздуха, Вт/мК; й - определяющий геометрический размер, м.

Согласно справочным данным, в качестве определяющего размера принимают тот размер, который задаёт развитие процесса: для омывания гладкой трубы круглого сечения - диаметр трубы; для течения жидкости или газа по каналу некруглого сечения - эквивалентный диаметр канала; при продольном омывании ряда объектов - высота этого ряда и т.п. [95, 151]. В нашем случае для вертикального цилиндрического штранга эквивалентным диаметром при продольном омывании объекта будет диаметр штранга.

В справочной литературе [56, 285] для такого режима движения газообразной среды для определения значений коэффициентов теплооотдачи рекомендуется следующее критериальное выражение [13, 214, 232]:

Ыи = 0,0296 Де0'8 Рг0-43, (5.3.2.11)

Л

где Яе = а)в-с1/ув - критерий Рейнольдса (с учетом, что Яе > 10 ); а)в -скорость движения воздуха в аппарате, м/с; Р г = Ср в ■ рв / Я в — критерий

Л

Прандтля; ув - кинематическая вязкость воздуха, м/с; Ср - удельная теплоёмкость воздуха, кДж/кгК; Яв - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м К; рв - динамическая вязкость воздуха (рв = ув ■ рв), Па с; рв - плотность

воздуха кг/м .

Решением системы уравнений (5.3.2.10-5.3.2.11) получено общее

выражение для определения коэффициентов теплоотдачи:

а =

п тп/- 10,57 ~0,43 „0,43 ,,0,8

0,0296-Ав -рв' -0)в-

уО,37.5о,2

С использованием полученного уравнения, в котором величины теплофизических характеристик воздуха (Лв, Ср в, рв, ув) зависят от его температуры и являются табличными данными [35, 57, 155], рассчитан коэффициент теплоотдачи в зависимости от температуры воздуха (^р), скорости его циркуляции (&>в) и диаметра штранга (5).

0,0296-0,01961а57-10140'43-1,657а43-50'8 , ,

а —-^-г;-— 6 6» 8 6.

0,000008481°'37-0,003°'2

Аналитическое определение коэффициента теплоотдачи а в условиях симметричного теплоотвода при кондуктивном охлаждении. Для определения коэффициента теплоотдачи а при вынужденном движении среды внутри труб в ламинарном режиме целесообразно использовать критериальное уравнение [128]:

/Рг \0'25

Ыи = 0,17 Де0'33 рг°'43Сг011-^1 , (5.3.2.12)

\гТс т/

где критерий Грасгофа Ог учитывает влияние на теплоотдачу естественной конвекции, которая при движении пюреобразных, частично замороженных продуктов очевидно отсутствует. Таким образом, для нашего случая:

,рт. ,0,25

Ыи = 0,17 Деж0'33 Ргж0'43 ' , (5.3.2.13)

где Я е — й)ж- (I / уж - критерий Рейнольдса; &>ж - скорость движения жидкости в теплообменнике, м/с (для нашего случая оож « 0, 0 1. . .0 , 1 м/с); Рг — Сж ■ МжАж — критерий Прандтля, Ргж - для штранга пюре внутри трубки, и для пюре в пограничном слое у стенки , при расчете которого все величины берутся при средней температуре внутренней поверхности стенки трубки; уж -

л

кинематическая вязкость пюре, м /с; Сж - удельная теплоёмкость пюре,

кДж/кг К; Яж - коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/м К; -динамическая вязкость пюре (дж = уж ■ рж), Па с; рж - плотность жидкости кг/м3. В качестве характерного размера при движении внутри труб принимается их диаметр й. Необходимо отметить, что для решения поставленных инженерных задач в условиях симметричного теплоотвода при кондуктивном охлаждении овощного штранга диаметром 0,003м можно с достаточной точночтью принять однородные граничные условия 1 -го рода, то есть на границе принять температуру равной температуре стенки.

5.3.3. Внутренний теплоперенос в капиллярно-пористых телах при охлаждении в экструдере и замораживании в камере морозильника

Заморозка пюреобразных продуктов в виде тонкого штранга происходит в три этапа:

• первым этапом является охлаждение овощного пюре, имеющего начальную температуру 20°С, при его прохождении в канале экструзионного аппарата, жидким хладагентом, поступающим в рубашку экструдера до 3°С;

• вторым этапом является замораживание формующего овощного штранга в фильерах кожухотрубного теплообменника, являющегося частью экструдера до криоскопической температуры;

• третьим этапом является дальнейшее охлаждение замороженного продукта конвективным способом, при температуре воздуха не ниже -22°С, до температуры штранга, равной -5°С.

При охлаждении и замораживании жидких или пюреобразных продуктов

теплообмен на границе задается граничными условиями 2-го рода: — Я ^ =

а( tcт — ^ов) . Для инженерных расчетов при равностороннем охлаждении внутри труб граничные условия можно задать в виде однородных граничных условий 1-го рода:

то есть принять температуру поверхности штранга постоянной и равной температуре стенки. Начальные условия для данной

задачи устанавливаются с учётом равномерного распределения температуры в начальный момент времени соответствующий тнач, в виде: п р и : т = тнач; Ь = Ь0, т. е . t (х) = Ь0 = — 2 2 °С .

Охлаждение в канале экструзионного аппарата (первый этап). Охлаждение в канале экструзионного аппарата происходит по следующей схеме, представленной на рисунке 5.3.3.1. Продукт, имеющий температуру 20°С поступает в экструзионный аппарат и при помощи вращения шнека перемещается до фильеры экструдера. Во время перемещения продукт охлаждается до средней температуры в слое продукта 3°С.

Необходимо решить задачу продолжительности процесса охлаждения, т.е. решить задачу переноса тепла теплопроводностью. Для упрощения решения задачи переноса тепла теплопроводностью берут модельные тела канонической (простой геометрической) формы, в частности, цилиндра (в нашем случае его диаметр 0,1м), и условиями равномерного всестороннего

_ _ . ч дТ(х,т) д2Т(х,т)

теплопереноса, тогда приемлемо уравнение (5.2.4.5): ——— = а———, где

значения времени охлаждения в экструдере и зависимость температуропроводности от средней температуры исследуемых образцов представлены в таблице 5.3.3.1.

Рис. 5.3.3.1. Охлаждение в канале экструзионного аппарата: 1 - криотермостат; 2 -овощное пюре; 3 - полый вал шнека; 4 - рубашка экструдера; 5 - шнек

Дифференциальное уравнение переноса тепла имеет бесконечное число решений. С целью получения единственного решения для конкретного

процесса, необходимо замкнуть его описание, что возможно при решении данного уравнения совместно с начальными и граничными условиями, к примеру, условиями симметрии, зависимости теплофизических свойств образца от режимных параметров и т. п.

Для расчета эволюции полей температур внутри исследуемого продукта необходимо решить дифференциальное уравнение 5.2.4.5. Решить уравнение позволит метод разностных схем (здесь схема Эйлера), кратко описанный в разделе 2, второй главы.

Таблица 5.3.3.1

Значения времени охлаждения в экструдере и температуропроводности

исследуемых образцов

Наименование а, м2/с т, сек

Картофельное пюре а-107 = -0.01.8t + 1.311 185

Морковное пюре а ■ 107 = -О.ОШ + 1.41 165

Свекольное пюре а-107 = -0.0178Г + 1.361 175

Во всех замерах на первом этапе начальными условиями являются начальная температура 20°С (293.15К); конечная температура 3°С (276.15К) на границе температура изначально минимальная и со временем не меняется -22°С (251.15К). Ниже представлены геометрические модели эволюции полей температур внутри штрангов картофельного, морковного и свекольного пюре в процессе их охлаждения в экструзионном аппарате (рис. 5.3.3.2-4).

Рис. 5.3.3.2. Геометрическая модель эволюции полей температур внутри картофельного

штранга при охлаждении в экструдере

морковное пюре

температура, °С

Рис. 5.3.3.3. Геометрическая модель эволюции полей температур внутри морковного

штранга при охлаждении в экструдере

Рис. 5.3.3.4. Геометрическая модель эволюции полей температур внутри свекольного

штранга при охлаждении в экструдере

Замораживание формующего овощного штранга в фильерах кожухотрубного теплообменника, являющегося частью экструдера до криоскопической температуры, (второй этап). Замораживание формующего овощного штранга в фильерах кожухотрубного теплообменника происходит по следующей схеме, представленной на рисунке 5.3.3.5. Продукт, имеющий температуру 3°С, поступает в фильерную часть экструзионного аппарата при помощи давления, создаваемого вращением шнека. Пюреобразная масса продавливается в формующие каналы фильеры экструдера и во время перемещения по каналу пюре охлаждается до криоскопической температуры в слое продукта. Необходимо решить задачу продолжительности процесса замораживания.

свекольное пюре

О

штранга, мм

температура, °С

Рис. 5.3.3.5. Замораживание формующего овощного штранга в фильерах кожухотрубного теплообменника: 1 - криотермостат; 2 - овощное пюре; 3 - элемент кожухотрубного теплообменника; 4 - формирующийся штранг; 5 - овощной штранг

Для комплексного описания процесса в определенных технологических рамках желательно знать пространственно-временное температурное распределение внутри слоя. Эмпирическое определение температурных вариаций по глубине слоя существенно затруднено вследствие особенностей механизма энергопереноса. Численная величина времени замерзания т овощной массы в фильере и взаимозависимость между температуропроводностью а и усредненным температурным показателем изучаемых объектов ниже приведены в табулированном виде 5.3.3.2.

Таблица 5.3.3.2

Значения времени замораживания т и температуропроводности а исследуемых образцов в фильере

Наименование а, м2/с т, сек

Картофельное пюре а - 107 = -I.469t-b0.52 5,4

Морковное пюре а - 107 = -I.398t-b0.51 4,8

Свекольное пюре а - 107 = -I.306t-b0.52 5

Расчёт скорости продвижения нестационарных термополей ведется на основе составления и системного решения дифференциальных уравнений теплопереноса, что вызывает существенные трудности без весомых допущений, вследствие того что коэффициенты в уравнении не постоянны и зависят от ряда влияющих факторов. Наиболее приемлемым будет применение числено-аналитических методов, посредством которых появляется возможность расчёта эволюции термополей. Разработанный программный продукт возможно

оперативно использовать в инженерных целях при варьируемых режимных и конструктивных параметрах.

Уравнение теплопереноса в общем виде при одномерной постановке задачи [128] имеет вид:

ср(х, I, Ж) — = — (^Л(х, I, IV) — J + £Г(Х, I, №)р(х, — + I, IV),

где функции ср , Я, г, р, и - теплофизические параметры, dL/dт -дифференциальное изменение относительного содержания вымороженной

воды, поставленное вместо (изменение влажности при фазовом переходе

вода - пар) в классическом уравнении, так как при размораживании присутствует фазовый переход вода - лёд. В этом уравнении можно подставить

вместо ^ дифференциальное изменение среднего по слою содержания

дЪ

вымороженной воды —, а также с достаточной точностью принять

коэффициент фазовых превращений £ = 1 , т.к. перенос влаги в процессе размораживания происходит, в основном, в виде жидкости при относительной изотропности структуры. Учитывая изотропность (равномерность L по слою) структуры при замораживании, ср , Я, г, р практически не зависят от х, и если вынести за знак дифференциала, разделив уравнение на

получим:

ас -П., . г(УУ,Ф(УУ,*)д1 , №(УУ,Х,1)

- = а( с_(№() - + (5.3.3.1)

где а ( Ж, = - коэффициент температуропроводности.

Целесообразно провести дифференциальное преобразование правой части уравнения (5.3.3.1) для замораживания. Вследствие отсутствия в нашем случае внутреннего источника тепла w=0, последнее слагаемое правой части можно исключить, а второе слагаемое привести со знаком минус, так как при льдообразовании тепло поглощается, а не выделяется, как при размораживании

(таянии). Сократив плотность во втором слагаемом (далее знаки среднего и варьируемые параметры будем опускать), получим:

^ _ дЧ г дЬ

дт дх2 с дт'

(5.3.3.2)

Перенеся второе слагаемое правой части в левую, с обратным знаком,

после выноса за скобку — получим:

с^ / г дЬ\ дт \1+~с"д1;) =

г дЬ\ д2г дх2'

(5.3.3.3)

После математических преобразований:

^ _ а д2г

дт ~ 1 , г д1_ дх2 " 1 +

(5.3.3.4)

дЬ

Подставив экспериментально функциональные зависимости: с, Я, г, р, — =

/ (Ж, в уравнения (5.3.3.4), получим математическую модель переноса тепла в объекте с учетом фазового перехода (вода - лёд). Следует учесть при

составлении модели, что влияние ^ и теплоты льбообразования г начинается

при условии, когда температура в продукте ниже криоскопической.

Ниже представлены геометрические модели эволюции полей температур внутри штрангов картофельного, морковного и свекольного пюре в процессе их заморозки в фильерах экструзионного аппарата (рис. 5.3.3.6-8).

Рис. 5.3.3.6. Геометрическая модель эволюции полей температур внутри картофельного

штранга при прохождении фильеры

морковное пюре

штранга, мм

Рис. 5.3.3.7. Геометрическая модель эволюции полей температур внутри морковного

штранга при прохождении фильеры

свекольное пюре

Рис. 5.3.3.8. Геометрическая модель эволюции полей температур внутри свекольного

штранга при прохождении фильеры

Охлаждение замороженного продукта конвективным способом (третий этап). Замораживание готового овощного штранга в камере морозильника происходит конвективным способом по схеме, представленной на рисунке 5.3.3.9. Овощной штранг, имеющий криоскопическую температуру -0,7...-0,9°С поступает в камеру морозильного аппарата из фильеры, где охлаждается до температуры -5°С в слое продукта. Необходимо решить задачу продолжительности процесса замораживания. При построении модели полагаем, что в ходе конвективного замораживания осуществляется равномерный отвод энергии по всей внешней поверхности цилиндрического штранга (гранулы) малого по сравнению с длиной диаметра.

Рис. 5.3.3.9. Охлаждение замороженного продукта конвективным способом: 1 - воздушный криотермостат; 2 - овощное пюре; 3 - камера морозильника; 4 - овощной штранг

При замораживании теплообмен на границе задается граничными условиями 2-го рода:

-Л(!/|/, г) — - «(¿возд - ¿х=0(пов)).

(5.3.3.5)

На основе расчета, представленного в пунктах 5.3.2,. коэффициент

л

теплоотдачи а от штранга воздушному хладагенту равен 66 Вт/(м К). В данном случае теплоотдача зависит от формы и размеров поверхности нагрева (или охлаждения), температуры этой поверхности, температуры среды, коэффициента объемного расширения и других ее физических свойств. Решением уравнения (5.3.3.4) при краевых условиях (5.3.3.5) является функция t = f (х, т, \¥) , подставив в которую Ь = f (т, \¥) получим искомую функцию.

Подставив экспериментально функциональные зависимости: с, Л, г,р, ^ =

f (У\/, €) в уравнения (5.3.3.4), получим математическую модель переноса тепла в объекте с учетом фазового перехода (вода - лёд), так как на третьем этапе,

при составлении модели, влияние ^ и теплоты льбообразования г начинается

при условии, когда температура в продукте ниже криоскопической.

Значения времени охлаждения замороженных пюре в камере т и коэффициента теплоотдачи а представлены в таблице 5.3.3.3, а зависимость температуропроводности от средней температуры исследуемых продуктов остается в границах замораживания в фильере экструдера.

Значения времени охлаждения замороженных пюре т и коэффициента теплоотдачи а с поверхности штранга у исследуемых образцов в камере _дозамораживания_

Наименование а, Вт/м2К т, сек

Картофельное пюре 66,8 16,8

Морковное пюре 66,8 16,8

Свекольное пюре 66,8 15,6

Ниже представлены геометрические модели эволюции полей температур внутри штрангов картофельного, морковного и свекольного пюре в процессе их заморозки в камере морозильного аппарата (рис. 5.3.3.10-12).

Рис. 5.3.3.10. Геометрическая модель эволюции полей температур внутри картофельного

штранга при охлаждении в морозильной камере

морковное пюре

Рис. 5.3.3.11. Геометрическая модель эволюции полей температур внутри морковного штранга при охлаждении в морозильной камере

свекольное пюре

штранга, мм

Рис. 5.3.3.12. Геометрическая модель эволюции полей температур внутри свекольного штранга при охлаждении в морозильной камере

5.4. Разработка рецептуры и технологии «съедобной» упаковки

В настоящее время проводятся научные исследования, целью которых является создание биоразлагаемого упаковочного материала, по эксплуатационным характеристикам и цене не уступающего полиэтилену и способного его заменить в упаковке товаров широкого ассортимента. В области пищевой промышленности перспективны разработки композиций для производства тары и упаковки, которые могут употребляться вместе с продуктом. Одной из современных тенденций развития пищевой промышленности является увеличение выпуска полуфабрикатов и готовых замороженных блюд.

Аналитики считают, что постоянный спрос на продукцию уже сформирован и в дальнейшем будет увеличиваться. В настоящий момент изделия упаковываются в полиэтилен, так как он наиболее полно отвечает требованиям к условиям хранения продуктов. Однако, по приведенным выше причинам, необходимо использовать альтернативные материалы, заменяющие полиэтилен в упаковке замороженных полуфабрикатов, что согласуется с приоритетной политикой России в сфере снабжения населения качественными продовольственными продуктами и основами безотходной переработки сырьевых материалов.

Существуют специфичные гидрофобные полимерные композиции пленок Vivos Edible Delivery Systems, в виде пакетов, легко растворимых в воде [193]. Полимерный материал предназначен для упаковывания следующих продуктов: растворимый кофе, мюсли, чай и т.д. Упаковка, произведенная из пленок Vivos, растворяется и высвобождает все содержимое при контакте с горячей или холодной водой, но ее использование ограниченно узким ассортиментом продовольственных товаров, здесь рассматриваются продукты, обладающие низким влагосодержанием. Это является следствием того, что полимерный материал гидрофобен при комнатных температурах, т.е. растворим в холодной воде. Поэтому исключается возможность применения пленки для замороженного и охлажденного сырья и полуфабрикатов.

Известны также экологически безопасные композиции съедобной упаковки для пищевых продуктов, составленные из полисахаридов [183]. В исходную рецептуру для производства упаковочного пленочного материала, как правило, входят следующие ингредиенты, влияющие на структурирование пленки: модифицированный кукурузный крахмал, дистиллированная вода, глицерин, сорбит, альгинат натрия, карригинан и др. Область его применения, представленная разработчиками, распространяется на продовольственные продукты, лекарства, товары медицины, корма для животных и т.д.

Пригодный для пищи материал может быть произведен предприятиями в виде тарной формы (мешки, ящики и т.п.) и заменять классическую тару, но и быть компонентной частью продукта, выпускаемой пищевой промышленностью. Он может придать товару нужный цвет, вкус и скорректировать калорийность. Участие в составе нескольких полисахаридов меняет в лучшую сторону физико-механические свойства упаковки, например, прочностные свойства на растяжение и разрыв, но изменение плотности, толщины упаковки негативно влияет на её употребление в пищу, если это допустимо. Значительная устойчивость к воздействию воды, липидов серьезно снижает область применения данной пленки теми упаковочными материалами,

что не приемлемы для употребления в пищу, связанные с проблемами пережевывания и смачивания слюной, несмотря на то, что ее компонентный состав в принципе это не исключает.

Цементирующим компонентом композиции упаковочного материала может стать кукурузный модифицированный крахмал с низкой биологической ценностью, т.к. в нём низкое содержание белка и золы, но достаточный уровень калорийности. Помимо этого, частое употребление кукурузного крахмала приведет к сбою в кислотно-щелочном балансе человека из-за возрастания бактериального брожения и снижения рН. К негативным последствиям можно отнести индивидуальную непереносимость к нему, которая, как правило, приводит к осложнениям.

Для широкого ассортимента пищевых полуфабрикатов, прошедших низкотемпературную обработку, целесообразно создание упаковочного материала, обогащенного витаминами, минералами и обладающего низкой энергетической ценностью, биоразлагаемым и растворимым в воде и обладающим необходимым вкусовым свойством. Это создаст условия для простоты и удобства применения полуфабриката в процессе доведения его до готовности, а именно повысит точность дозировки при конструировании блюда, снизит объёмы отходов, позволит спроектировать сбалансированное по содержанию макронутриентов блюдо, практически не повлияв на его энергетическую ценность.

Производство упаковочной плёнки с целевой вкусовой направленностью основы (мясной или куриный бульон, сахарный сироп; фруктовый или овощной сок), позволит получить конечное блюдо из полуфабриката с минимальными затратами (например, для производства компота из полуфабриката, упакованного пленкой, в основе которой сахарный сироп и замороженные ягоды, ограничиться только операцией варки в кипящей воде). Интенсивность и удобство производства позволит экономить человеко-часы на фабрике-кухне, предприятиях общественного питания и в домашних условиях.

С целью решения этой задачи был проведен цикл комплексных исследований, результатом которых стала разработка и экспериментальное обоснование состава композиции для получения съедобной упаковочной плёнки с высокими эксплуатационными характеристиками, содержащей связующую систему из растительных полисахаридов и вкусовой основы (либо воды), натурального консерванта, причем основным компонентом является вкусовая основа.

Компонент, влияющий на вкус, подбирается в зависимости от предназначения разрабатываемого упаковочного материала, а именно от типа полуфабриката или готового блюда, предварительно охлажденного (замороженные фрукты и ягоды - сахарный сироп или натуральный сок, охлажденные мясные продукты - вода и т.д.). В итоге, состав композиции будет представлен гидрогелем, т.е. поперечно сшитым природным полимером, который содержит большое количество воды, не растворяясь в нём.

Техническая задача заключается в проектировании композиции и разработке способа производства упаковочной плёнки с приемлемыми эксплуатационными свойствами, допустимой к употреблению в пищу и имеющей заданный вкус, обладающей низкой энергетической ценностью и насыщенной микроэлементами, быстрорастворимой в подогретой воде и устойчивой к отрицательным температурам, регулируемым сроком хранения. Техническим результатом разрабатываемой технологии является производство биоразлагаемой плёнки, деградируемой в воде в интервале температур от 80 до 95°С, правильно структурированной, достаточной пластичности и прочности для конкретного использования, наделенной вкусовыми качествами, определяемыми её назначением и регулируемым сроком хранения.

Достижение технического результата связано с проектированием композиции упаковочного материала, который прошел апробацию и имеет следующий компонентный состав, масс % (табл. 5.4.1):

Таблица 5.4.1

Состав композиции для получения съедобной упаковочной плёнки с высокими _эксплуатационными характеристиками__

Вкусовая основа (мясной, куриный бульон, сахарный сироп, фруктовый сок, вода) 95.. .96%

Альгинат натрия 1,2...2%

Глицерин 1,5.2%

Раствор водный 4%-ый витамина С 0.0,03%

Усилители вкуса (эфирные масла укропа/чеснока, специи сухие измельченные, плодово-ягодные экстракты, соль и др.) остальное

Главным ингредиентом композиции является вкусовая основа, которая выбирается в зависимости от назначения упаковки, т.е. от вида полуфабриката или готового охлажденного блюда. Плёнкообразующим компонентом в композиции является только альгинат натрия, доля которого в составе не превышает 2%, в отличие от прототипа, в котором с той же целью применяются несколько полисахаридов (альгинат натрия, карригинан, крахмал). Это приводит к негативным изменениям свойств упаковки (например, неприемлемая «резиноподобная» консистенция, особые условия хранения), увеличению себестоимости.

Предел содержания альгината натрия в композиции до 2% для производства плёнки, пригодной для использования и стойкой к маслам и воде до пороговой температуры (80°С), объясняется его свойством адсорбировать воду массой, превышающей почти в 300 раз собственной массы. Следует отметить, что альгинат натрия (Е401) - разрешенная добавка к применению в пищевой промышленности.

Усилители вкусовых рецепторов и пищевые красители (эфирные масла укропа/чеснока, специи сухие измельченные, плодово-ягодные экстракты и др.), являющиеся частью состава композиции, относятся к натуральным компонентам.

Упаковочный материал, производимый из плёнкообразующего раствора,

заданного состава, инертен по отношению к упакованной в него замороженной

продукции, т.е. не влияет на её потребительские качества, перенос элементов

материала в продукт и т.п. и не разрушается от его воздействия. При

279

смачивании плёнки водой, имеющей температуру не менее 80°С начинается процесс биодеструкции материала упаковки, выражающийся в его растворении в определенном количестве жидкости. Таким образом, имеющие место отличия проектируемой упаковки от прототипа позволяют добиться улучшенных результатов, в частности, комфортного практического использования и возможности употребления в пищу, в случае её не полной растворимости.

Биодеградируемую и водорастворимую съедобную плёнку для упаковывания полуфабрикатов производят следующим образом. Альгинат натрия в количестве от 1,2 до 2% от общей массы пленки соединяют с водой (бульоном, сиропом в зависимости от назначения плёнки) в количестве 95-96% при быстром непрерывном перемешивании и подогреве до получения однородного геля.

При перемешивании в раствор добавляют предварительно измельченные специи, эфирные масла (в зависимости от требуемого рецептурой вкуса готового изделия) и остальные компоненты в заданной доле, а также пластификатор (глицерин), процентное соотношение которого минимально и находится в пределах от 1,2 до 2% от общей массы. Длительность процесса перемешивания до достижения однородной консистенции находится в пределах 40-60 минут. Готовый раствор должен иметь однородный цвет, не иметь сгустков и обладать выраженным запахом добавленных вкусовых ингредиентов. Полученный гель охлаждают до температуры 35-40 С, после чего у него повышается вязкость, необходимая для равномерного наполнения композиции в рабочую емкость сушильного аппарата (рис. 5.4.1.).

Удаление влаги из плёнкообразующего раствора можно реализовать различными методами. Например, применима сушка конвективным способом при температуре сушильного агента 65-70°С при условии распределения композиции тонким слоем на силиконовом противне. Когда влажность материала достигнет значения 15%, плёнка легко удаляется из формы и досушивается потоком сушильного агента (воздухом) до конечной влажности

8-10%. Время сушки - в пределах 4-х часов в зависимости от толщины слоя пленки и его композиционного состава.

Возможно также обезвоживание контактным способом (например, в двухвальцовой сушилке), при этом подготовленный гель наносится на поверхность горячих вальцов тонкой плёнкой, где её толщина зависит от размера зазора между вальцами. Продолжительность сушки материала зависит от одного неполного оборота вальцов. Для исключения налипания и подгорания объекта сушки поверхность вальцов должна быть выполнена из пищевого силикона. Применение в качестве контактной поверхности металлических и стеклянных материалов не желательно, т.к. исходный раствор обладает выраженным к ним адгезионным свойством. Досушивание упаковки до необходимого значения влажности осуществляется также в струе горячего воздуха.

Однако существующие способы не полностью решают вопрос выбора эффективных режимов влагоудаления с высокой степенью исходного содержания влаги. На рисунке 5.4.1 представлено предлагаемое устройство.

Рис. 5.4.1. Принципиальная схема оригинальной сушильной установки: 1 - камера отвода воздуха; 2 - приёмник-дозатор; 3 - ИК излучатели; 4 - сушильная камера; 5 - отражатели; 6 - устройство подачи дополнительного сушильного агента; 7 - направляющая

\

1

дополнительный

сушильный

агент

Устройство работает следующим образом.

Исходный продукт, подвергаемый сушке, подается штуцером для ввода сырья в узел дозирования - 2, установленный в сушильной камере. В сушильной камере осуществляется комбинация прямоточного контакта и дополнительной перекрестной подачи сушильного агента в щелевые зазоры через перфорацию - 6. Продукт через узел дозирования - 2, перемещается и попадает под действие излучателей - 3 и отражателей - 5, высыхает и отбирается через узел выгрузки по направляющим - 7.

Предлагаемое устройство позволяет организовать ИК-сушку гелей посредством использования ИК генераторов (КГТ (КИ, КГ)-220-1000) с интенсивностью излучения, определяющей напряжение на генераторах - Л=1,35 мкм, плотностью теплового потока Ер=3,23 кВт/м2, что позволяет осуществить равномерный прогрев продукта, получить лист продукта заданной длины и толщины, предотвращает потери продукта, благодаря отсутствию контакта влажного сырья с внутренней поверхностью сушильной камеры.

Благодаря вводу воздуха через перфорацию в нижней части цилиндра сушильной камеры осуществляется равномерная подача воздуха в одинаковые щелевые зазоры в перфорированном днище цилиндра сушильной камеры. Благодаря отводу воздуха через штуцер в верхнем конусе сушильной камеры обеспечивается непрерывность процесса сушки, что позволяет увеличить производительность сушильного аппарата и выход готового продукта.

Готовый к использованию определенного размера пласт представляет собой эластичную пленку, пространственная форма которой зависит от рабочей конструкции элемента формовки сушильного аппарата. Структура поверхности гладкая, без дефектов, материал легко деформируется. При изгибе образование трещин практически не отмечается, форма плёнки остаётся неизменной. При применении специй, возможно наличие поверхностных неровностей. Форма упаковки из плёночного полуфабриката может быть представлена в виде пакетов и обёртки, тогда кромки плёнки соединяют плавлением, при

пульсирующем подводе тепла к ее поверхности.

Согласуясь с предлагаемой технологией, есть возможность получить различную толщину плёночного пласта в диапазоне от 20 мкм до 1 мм. Данный интервал поперечного размера материала определен посредством толщиномера «Константа К5» защитных покрытий любого типа по ГОСТ Р 51694.

Л

Полученный показатель прочности на растяжение равен 2,0 МПа (кгс/см ), который был получен в соответствии с ГОСТ 14236-8, с 1 применением для этого разрывной машины ИР 56074-3 по ГОСТ 7855-84.

Энергетическая ценность 100 г пленки находится в пределах от 7 до 25 ккал, значение которой находится в зависимости от вкусового компонента, применяемого при её изготовлении. Микробиология разработанной водорастворимой плёнки представлена в табулированном виде (табл. 5.4.2.).

Стойкость материала пленки к температурам ниже 0°С позволяет применять её для упаковывания полуфабрикатов, блюд и продуктов, готовых к употреблению, прошедших консервацию холодом.

Таблица 5.4.2

Микробиологические характеристики водорастворимой биодеградируемой

съедобной плёнки

Наименование показателя Плёнка после 2-х часов хранения Плёнка после 10 суток хранения Плёнка после 100 суток хранения

КМАФАнМ, КОЕ/г, не более 3010 5 301 05 301 06

Масса плёнки (г, см 3 ), в которой не допускаются: БГКП Патогенные, в том числе и сальмонеллы 25 25 25

Дескриптор цвета плёнки связан с вкусовым ингредиентом (бульоны - от светло-песочного до коричневого оттенка; ягодные соки (малина, красная смородина) - красный, чистая вода или сахарный сироп - прозрачный и т.п.). Дескриптор запаха зависит от преобладания пахнущего компонента входящго в структуру.

Окончательное разложение плёнки воде при температуре 80 и в

зависимости от её рецептурного состава находится в диапазоне от 2 до 10 минут. Раствор, который получается при её деградации - однородный, ему присущи вкус бульона, сока или его отсутствие в случае использования воды в качестве основы её производства.

5.5. Влияние оригинального защитного покрытия на сроки хранения пищевых биоматериалов в технологии общественного питания

Биодеградируемая, растворимая в воде плёнка, приемлемая для употребления в пищу при правильной эксплуатации, сохраняет свой товарный вид, т.к. её структура не подвергается разрушению под действием холода и света. Основным показателем, определяющим устойчивость предлагаемого полимерного материала к биодеградации, связана с размером молекул. Учитывая, что олигомеры или мономеры потенциально подвержены проникновению микроорганизмов в структуру полимера и являются для них источником углерода, композиция плёнки с большой молекулярной массой практически исключает эту вероятность.

Разрушение полимера связано с биохимическими процессами (разложение микроорганизмами) и воздействием физико-химического характера (термическое и фотоокисление, термолиз). Они понижают молекулярный вес полимера, доведя его до уровня мономеров, отсюда можно заключить, что биодеградация упаковки характеризуется снижением молекулярной массы с проникновением в структуру кислорода, содержащего функциональные группы (радикалы). В местах разлома полимера и по всей его толщине колонизируются в большом количестве бактериальные клетки и споры грибков.

Срок эксплуатации готового продукта составляет около 90 суток, если

температурный режим находится в пределах -18°С и около 50 суток при -10°С.

Более точная информация о сроках применения связана со свойствами товара,

подлежащего упаковке и с количественной составляющей консерванта

композиции, например, витамина С, влияющего на снижение окислительных

284

процессов при хранении. Срок эксплуатации, в зависимости от окислительных процессов, следующий: если плёнка не включает в состав указанный консервант срок, то время ее хранения - 45 суток при температуре -18°С, 30 суток при -10°С, а биодеградация в почве завершится в период от одного до двух месяцев. Введение в состав 4%-го водного раствора витамина С в количестве 0,03 % от общей массы позволит увеличить срок хранения плёнки до 90 суток при температуре -18°С, 50 суток при -10°С, а биодеградация в почве завершится в период от двух до четырех месяцев.

Итак, снижение доли антиоксиданта в композиции плёнки приводит к сокращению срока её хранения и интенсификации биодеградации в почве. Повышение доли водяного раствора в композиции выше 0,03% приводит к негативным изменениям структурно-механических характеристик конечного полимерного материала и существенно воздействует на вкусовые показатели.

В компосте биоразложение упаковки проходит в интервале от одного до четырех месяцев, за счёт нахождения в её структуре полисахаридов, распадающихся с выделением воды и углекислого газа. Также ускорению биологического распада способствуют природные явления, такие как осадки в виде дождя и снега и т.п. Гидрофильная биоразлагаемая пищевая плёнка в полном объеме может применяться как аэратор и удобрение для растений.

Изменение структуры плёнки с течением времени показано на рисунке 5.5.1, на котором видно, что композиция гидрогеля после сушки имеет достаточно равномерное распределение влаги в ячейках природного полимерного каркаса, состоящего из полисахаридов, что обеспечивает как высокие прочностные свойства плёнки, отмеченные ранее, так и её эластичность. После 8 недель хранения в образце происходит укрупнение отдельных водных ячеек, вызванное явлениями диффузии и растворения. Вода постепенно «растягивает» каркас, образуя волны, при этом поверхность плёнки становится неровной, а значения показателей механической прочности плёнки падают незначительно.

Рис. 5.5.1. Микрофотографии изменения структуры пленки с течением времени при температуре хранения 20°С и относительной влажности воздуха 30%. а) - 1 день; б) -

8 недель; в) - 15-недель; г) - 6 месяцев

В образце плёнки после 15 недель хранения видно значительное укрупнение капель воды, которые постепенно разрывают структуру полисахаридного каркаса. После 6 месяцев хранения структура плёнки, видимо, ухудшается, прочностные показатели значительно снижаются, как за счёт увеличения концентраторов напряжения, так и биодеградации полисахарида ввиду постепенного окисления на воздухе, выражающейся также в заметном потемнении образца.

Таким образом, посредством проведения комплексного исследования и анализа свойств доказана возможность использования разработанной упаковочной плёнки в качестве альтернативы полиэтиленовым пакетам, что позволит значительно снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду за счёт уменьшения количества опасных отходов и позитивно отразится на экологической обстановке в целом.

5.6. Выводы

1. На основании экспериментальных исследований выявлена эмпирическая зависимость для расчёта мощности на привод аппарата для тонкого измельчения, показаны полученные значения удельного

энергетического показателя (критерий Бонда) для измельчаемых

растительных продуктов (сырые и отварные - свекла, морковь и картофель).

2. Дано обоснование применению разработанной методики расёета мощности на привод аппаратов не только для тонкого измельчения, которое является частью технологической цепи производства вареных пюреобразных замороженных полуфабрикатов, но и для среднего и мелкого измельчения, что, однако, требует дополнительных исследований для определения поправочных коэффициентов в формулу 5.1.6.

3. Точное математическое описание внешнего влаго- и теплообмена между капиллярнопористым телом и газо-паро-жидкостной средой необходимо составлять учитывая флегмовый поток жидкой фазы влаги, всегда направленный от поверхности тела в окружающую среду. Флегмовый поток может содержать «чистый» конденсат влаги среды, смесь конденсата с соковой влагой тела или концентрированный (частично выпаренный) сок, в зависимости от текущего состояния тела и параметров среды. В двух последних случаях тело теряет экстраактивные компоненты, содержащиеся в соковой влаге.

4. Расчеты и прямые наблюдения и позволяют считать, что в начальной стадии термообработки на поверхности образцов осуществляется конденсация пара из среды, которая продолжается в течение периода времени, пока температура поверхности остается ниже температуры «точки росы». Текущий контроль изменения массы образцов фиксирует её прирост до достижения на поверхности объекта температуры мокрого термометра, с последующим наступлением автомодельного режима без изменения массы.

5. Отрицательное значение свидетельствует о том, что поток влаги направляется не во внешнюю среду и не от центра образца к поверхности, а в обратную сторону, т.е. происходит увлажнение продукта до достижения температуры мокрого термометра и, следовательно, обратный фазовый переход: пар-вода, т. е. не испарение и подсушка, а конденсация влаги на поверхности образца и её продвижение от периферии к центру образца с

возможным образованием флегмового слоя.

6. Рекомендуемая математическая модель процесса варки и метод её решения позволяют оперативно расчетным путём определять изменение температуры материала в объёме образца с течением времени, без экспериментальных замеров температуры, и определять время варки для получения готового продукта по достижении заданной температуры в центре объекта.

7. Степень готовности продукта определяется предлагаемым простым и доступным способом, при достижении величины активного сопротивления заданного конечного значения, независимо от начального (в сыром продукте) значения, которое варьируется в отличие от конечного, в зависимости от вида продукта.

8. Анализ кривых скорости варки исследуемых объектов в паровоздушной среде показывает, что этот процесс можно разделить на четыре основные стадии: первая стадия варки характеризуется прогревом материала с разрушением мембран и разрыхлением оболочек клеток в поверхностном слое объекта; вторая стадия характеризуется разрушением мембран и разрыхлённых оболочек клеток в тех слоях объекта, где достигается температура мокрого термометра; третья стадия характеризуется наличием и стеканием максимального флегмового слоя на поверхности объекта за счет конденсации пара и выделения из продукта клеточного сока; четвертая стадия характеризуется минимальным массообменом между объектом и паровоздушной средой и достижением максимально возможной температуры во всех слоях объекта исследования.

9. Разработана опытно-измерительная установка, позволяющая термостатировать продукт и определять изменение его теплоемкости при температурах ниже криоскопической.

10. Эмпирически получены необходимые режимные показатели процесса заморозки пищевых овощных штрангов, численные значения которых

свидетельствуют об адекватности (в пределах 8-10%) разработанных математических моделей и обоснованности величины предельной температуры заморозки ^кон = -5°С) в случае применения низкотемпературного воздуха в качестве хладагента.

11. На основе анализа специфических особенностей теплопереноса в процессе замораживания с учетом свойств материалов разработаны математические модели охлаждения и замораживания, идентичные экспериментальным данным. Для реализации моделей рекомендованы численные аналитические способы расчета времени заморозки, продвижения термических поверхностей, в результате чего даны практические инженерные рекомендации.

12. Проведен анализ существующих технических решений производства биоразлагаемой упаковки для пищевых материалов и представлены доказательства применения оригинальной технологии плёнки в качестве частичной замены массово применяемых полимерных изделий. Стойкость разработанного материала при криохранении допускает его использование, в том случае, когда требуется упаковка для полуфабрикатов или технологически готовых блюд, подвергаемых складированию в морозильные камеры.

13. Рациональное соотношение компонентов полимерной пленки сводит к минимуму поверхностное взаимодействие материала упаковки с продукцией, т.е. отсутствует миграция структурных элементов полимера в продукт, не вызывая негативных изменений его потребительских свойств. Время использования биоразлагаемой съедобной пленки достигает 90 дней при -18 °С хранения и 50 дней при -10 °С.

Подведенные итоги исследования процессов переноса тепловой энергии и массы, лежащие в основе производства замороженных полуфабрикатов и биоупаковки в технологии общественного питания, а также инженерные рекомендации по внедрению рациональных режимов их ведения, весомы не только для пищевой, но и для сопутствующих ей индустриальных отраслей.