X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018
СУБЛИМАЦИОННАЯ СУШКА
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Для ускорения процесса применяют искусственную сушку материалов в специальных сушильных установках, так как естественная сушка на открытом воздухе слишком длительный процесс.
Сушка - сложный диффузионный процесс, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала. Поскольку этот процесс сопровождается подводом тепла, он является по существу тепломассообменным. Влагу можно удалять из материалов механическими способами (отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием), химическим способом с помощью осушающих агентов. Однако более полное обезвоживание достигается путем испарения влаги и отвода образующихся паров, т.е. с помощью тепловой сушки. Применяется также комбинированный способ удаления влаги, позволяющий понизить энергозатраты.
По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки: 1) конвективная - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом; 2) контактная - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку; 3) радиационная - путем передачи тепла инфракрасными лучами; 4) диэлектрическая - путем нагревания в поле токов высокой частоты; 5) сублимационная - сушка в замороженном состоянии в вакууме.
Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом: чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. Предложена следующая классификация форм связи влаги с материалом: химическая, физико-химическая и физико-механическая. Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом в определенных (стехиометрических) соотношениях и может быть удалена только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена из материала при сушке. В процессе сушки удаляется, как правило, только влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага, которая, в свою очередь, подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров (капилляров со средним радиусом приблизительно больше и меньше 10° см). Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом, в то время как в микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды. Влага макрокапилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическими способами. Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Первая прочно удерживается на поверхности и в порах материала. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания. Присутствие этих видов влаги особенно характерно для коллоидных и полимерных материалов.
В пищевой промышленности применяют сушильные установки для получения сухофруктов и долго хранящихся обезвоженных овощей, сухого молока и многих других.
Типы сушильных аппаратов. По принципу действия все сушилки классифицируются на аппараты периодического и непрерывного действия; по виду используемого сушильного агента на воздушные, газовые и паровые; по величине давления в сушилке на атмосферные и вакуумные; по способу подвода теплоты к высушиваемому материалу на контактные, конвективные ( воздушные и газовые) и специальные; по направлению движения материала и сушильного агента (в конвективных сушилках) - на противоточные, прямоточные, с перекрестным током; по состоянию слоя высушенного материала в аппарате – с неподвижным, движущимся, взвешенным (псевдоожиженным) и фонтанирующим слоем (распылительные).
Сублимационная сушка пищевых продуктов
Сублимационная сушка основана на способности льда при определенных условиях испаряться, минуя жидкую фазу. Сублимационная сушка имеет следующие преимущества по сравнению с традиционными методами консервирования:
- исключается необходимость холодильного хранения, так как сухие продукты могут длительное время храниться при положительных температурах;
- значительно уменьшается масса продуктов после сушки, следовательно, снижаются расходы на погрузочно-разгрузочные работы и транспортировку продуктов;
- упрощается система реализации продуктов, и удлиняются сроки их реализации;
- вкусовые качества продуктов изменяются незначительно.
Для проведения процесса сублимационной сушки необходимо соблюдение двух обязательных условий:
- наличие основной части влаги в продукте (не менее 70%) в твердом агрегатном состоянии;
- поддержание достаточной разницы парциальных давлений паров воды в продукте и в окружающей среде.
Сублимационная сушка возможна, когда давление паров окружающей среды ниже давления в тройной точке А. При этом лед, минуя жидкую фазу, превращается в пар, который ассимилируется окружающей средой или конденсируется на холодной поверхности испарителя.
В процессе сушки в зону парообразования непрерывно должна подводиться энергия в количестве, достаточном для компенсации теплоты фазового превращения, отнимаемой от продукта. Подвод теплоты в зону парообразования усложняется по мере продвижения этой зоны вглубь продукта. Образующийся слой подсохшего продукта оказывает сопротивление как переходу пара из зоны парообразования к поверхности продукта, так и передаче теплоты снаружи в зону парообразования.
В настоящее время ассортимент продуктов, полученных сублимационной сушкой, достаточно разнообразен и может быть подразделен на несколько групп.
Мясо и мясопродукты: говядина, баранина, свинина, мясо птицы и другие, перерабатываются в сыром виде, предварительно сваренными или приготовленными иными способами.
Молочные продукты: творог, молоко и др.
Яйцепродукты: яичный белок, яичный желток.
Овощи: картофель, морковь, свекла, различные виды капусты, петрушка, зеленый горошек, кабачки, лук, грибы, овощные первые и вторые блюда и др. как в сыром виде, так и предварительно сваренные.
Фрукты, ягоды и продукты их переработки: яблоки, абрикосы, персики, сливы, бананы, клубника, малина, фруктовое пюре, плодово-ягодные соки и др.
Быстрорастворимые чай, кофе, пряности.
Весь технологический процесс получения сублимированных продуктов состоит из следующих основных операций:
- отбора и предварительной обработки сырья;
- замораживания;
- сублимационной сушки;
- упаковки высушенных продуктов.
Физико-химические, биохимические и структурно-механические свойства исходного сырья определяют качество и пищевую ценность высушенного продукта, а также особенности технологии его консервирования.
Характер и количественное соотношение веществ, входящих в состав сухого остатка продукта, предопределяют условия его сушки и последующего хранения. Так, температура натуральных продуктов животного происхождения на стадии удаления остаточной влаги должна быть такой, чтобы в процессе сушки не происходили значительные денатурационные изменения белковых веществ. Возможность окисления жиров, некоторых витаминов и других компонентов пищевых продуктов определяет необходимость изоляции большинства сухих продуктов от воздуха в процессе хранения. Уровень содержания редуцирующих веществ в продуктах предопределяет количество воды, которое следует удалять в процессе сушки для предотвращения развития сахаро-аминных реакций при хранении сухого продукта. Необходимо также учитывать бактериальную обсемененность пищевых продуктов, поступающих на сублимационную сушку.
Таким образом, при подборе сырья и определении условий его предварительной обработки обращают внимание на следующие основные факторы:
- высокую биологическую ценность и оптимальные органолептические показатели исходного продукта;
- максимальную степень сохранения структуры и исходного состояния составных компонентов продукта (белков, липидов, витаминов, пигментов, летучих веществ) при замораживании, сушке и последующем хранении;
- оптимальный размер и форму продукта;
- низкий уровень окисления липидной фракции;
- низкую бактериальную обсемененность продукта.
Особенности предварительной обработки поступающего на сублимационную сушку сырья определяются спецификой состава и свойств пищевых продуктов и сводятся в основном к тепловой обработке, нарезке, измельчению, введению добавок, а также биохимическим методам.
Процесс замораживания как первый этап сублимационной сушки существенно влияет на качество продуктов, причем быстрое замораживание способствует максимальному сохранению исходных свойств большинства пищевых продуктов.
Пищевые продукты в зависимости от их состава и свойств замораживают в специальных камерах при атмосферном давлении или непосредственно в сублиматоре за счет интенсивного испарения части влаги в результате непрерывно возрастающего вакуума. В то же время вакуум-замораживание неприемлемо при сублимационной сушке сырого мяса и рыбы в кусках, фруктовых соков, пюре, некоторых видов ягод и фруктов, так как при этом существенно изменяются физико-химические и структурные свойства продукта.
При замораживании пастообразных продуктов (молоко, чай, соки и др.) предусматривается последующее измельчение их в условиях отрицательных температур. Поэтому достаточно эффективно замораживание жидких материалов в распыленном состоянии с последующей сушкой замороженных гранул в тонком слое.
При замораживании продуктов в специальных скороморозильных камерах технологический процесс следует организовать так, чтобы продукт перед началом сублимации не оттаивал.
При проведении собственно сублимационной сушки для получения высококачественного продукта необходимо удалить 75-90% влаги при отрицательной температуре в центральной зоне продукта. Оставшаяся часть наиболее прочно связанной влаги удаляется при положительных температурах продукта. Допустимый уровень температуры продукта в период сублимации и удаления остаточной влаги определяется его свойствами и продолжительностью процесса сушки. Пищевые продукты достаточно высокого качества могут быть получены при умеренно низких температурах сублимации - от -10 до -30°С. Так, при сушке большинства овощей достаточная температура сублимации находится на уровне -10°С. При сушке ягодных и фруктовых соков вследствие высокого содержания в них сахара в зоне сублимации должна поддерживаться температура от -20 до -30°С. Температура продуктов животного происхождения в период сублимации влаги не должна быть выше -15 -20°С. Длительность этого периода сушки составляет 50-60% полного времени сушки, а количество удаляемой влаги - 40-50%.
На стадии удаления остаточной влаги наиболее важными факторами обеспечивающими высокое качество продукта, являются продолжительность воздействия повышенной температуры и ее максимальное значение. Для каждого вида пищевых продуктов существует температурный предел устойчивости к нагреву. В границах этого температурного предела могут быть подобраны оптимальные соотношения температуры продукта и продолжительности нагрева, при которых длительность процесса сушки будет наименьшей при минимальных изменениях в продукте. Так, в зависимости от свойств продукта и продолжительности процесса сушки допустимый уровень температур материала в период удаления остаточной влаги находится в пределах от 40 до 80°С. Длительность этого периода составляет 30-40%, а количество удаляемой влаги - 20-30% общего ее количества.
Оценка пищевой ценности продуктов сублимационной сушки по органолептическим, физико-химическим показателям, степени перевариваемости и усвояемости показывает их незначительные отличия от исходных продуктов. При этом достаточно хорошо сохраняются полиненасыщенные жирные кислоты, незаменимые аминокислоты, витамины, минеральные вещества и другие важные показатели пищевой ценности продуктов. Хорошо сохраняются также присущий продуктам аромат и вкус. В то же время продукты сублимационной сушки имеют пористую структуру и поэтому обладают высокой абсорбционной способностью. Обезвоженные продукты животного и растительного происхождения интенсивно поглощают кислород из окружающей среды, причем особенно интенсивно в начальный период хранения. Абсорбция газообразного кислорода может привести к интенсивному развитию окислительных процессов, следствием чего является снижение органолептических показателей и пищевой ценности продуктов.
Кроме того, продукты сублимационной сушки активно адсорбируют из окружающей среды влагу, что стимулирует развитие реакций потемнения, приводящих к снижению качества продукта в процессе хранения. Адсорбционную способность продукта можно уменьшить прессованием его до упаковки. Процесс прессования необходимо проводить в условиях, исключающих контакт продукта с кислородом воздуха. Прессование высушенных продуктов позволяет также увеличить их объемную массу и коэффициент использования тары.
Сублимированные продукты сразу же после получения должны быть герметично упакованы. Упаковка должна изолировать продукт от кислорода воздуха и действия света, предотвращать сорбцию влаги высушенным продуктом из окружающей среды, защищать от механических повреждений, предохранять от потери естественного запаха и приобретения посторонних. Наиболее приемлема для этих целей тара из полимерных материалов, основными преимуществами которой являются относительно высокие барьерные свойства, небольшая масса и жесткость, хороший внешний вид и низкая стоимость. Наиболее оптимальным вариантом при этом являются полимерные материалы на основе алюминиевой фольги, кэшированной полимерными пленками. Продукты следует упаковывать сразу же после сушки в условиях пониженного содержания кислорода и влаги.
Кислород из упаковки удаляют различными методами: физическими, химическими или биохимическими. Из физических методов в производственной практике наибольшее распространение получило однократное вакуумирование упаковки с последующим введением в нее азота. К достаточно эффективным химическим методам относится удаление кислорода из упаковки в результате реакции взаимодействия его с водородом, протекающей с участием катализатора, в качестве которого используется палладии. Можно также упаковывать продукты в специальных герметизированных камерах с инертным газом, где этим управляет микропроцессор.
Нами были исследованы процессы сушки свежих грибов различными способами: конвективная, радиационная, сублимационная и естественным; составлен тепловой и материальный баланс сушки; исследована способность к набуханию высушенных образцов.