EXPERIMENTAL AND ANALYTICAL STUDY OF KINETICS OF MOISTURE ABSORPTION BY DRY VEGETABLE MATERIALS
Abstract and keywords
Abstract (English):
The paper presents the results of experimental and analytical studies of the kinetics of moisture absorption by dry vegetable materials. In order to reduce the negative effect of sorption it is recommended to seal all consumable and storage tanks, transport elements, parts of batching, mixing, etc. Long-term storage of the products must be carried out in sealed containers or rooms while maintaining the appropriate humidity. The dependences of the sorption activity of dry vegetable materials on the external climatic conditions, in particular, on relative humidity and temperature of the air of working areas for computation of rational time intervals when performing the technological operations in processing, transportation, packaging, packing, etc.

Keywords:
drying of vegetable raw materials, kinetics of moisture absorption, hygroscopic properties of plant materials
Text
Введение В настоящее время активно развиваются технологии переработки сырья растительного происхождения, в частности технологии производства сухих дисперсных плодоовощных материалов и пищевых волокон [1, 2]. Общеизвестно, что сухие плодоовощные продукты обладают высокой степенью гигроскопичности. Следовательно, очевидна целесообразность исследований для определения рациональных промежутков времени, необходимых для выполнения следующих после сушки технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др. Оперативность выполнения технологических операций зависит также от климатических условий и, в частности, относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон. Объекты исследования В качестве объектов исследований были приняты: яблоко (сорт «Антоновка»); тыква (сорт «Волжская серая 92»); морковь (сорт «Витаминная»); кабачок (сорт «Ролик») и пищевые волокна, полученные из данных продуктов по технологии в соответствии с патентом РФ № 2309607 [3]. Экспериментальные образцы: сухое сырье - кубики со стороной 5 мм, полученные конвективной сушкой; порошок, полученный конвективной сушкой пюре (размер частиц пюре 100 мкм); порошок, полученный распылительной сушкой пюре (размер частиц пюре 1-30 мкм); пищевые волокна, полученные конвективно-радиационной сушкой во взвешенном состоянии (размер твердых частиц 1-1,5 мм). Планирование и проведение экспериментов В качестве целевой функции логично использовать влажность исследуемого продукта W`p, кг/кг. при текущих значениях времени сорбции В ходе экспериментов определялась зависимость W`p(τ) при текущих значениях времени сорбции τ, мин. Диапазон изменения влажности - от конечной влажности продукта, достигаемой в процессе сушки W`к, кг/кг, до конечной влажности продукта, рекомендованной для последующего длительного хранения Wк, кг/кг. На основе анализа результатов экспериментально-аналитических исследований гигроскопических характеристик растительных материалов [4, 5] принимаем W`к = 0,05 кг/кг. В табл. 1 приведены сведения по конечной влажности ряда плодоовощных продуктов, границы изменения целевой функции W`p, кг/кг. Таблица 1 Значения влажности экспериментальных образцов при исследовании кинетики влагопоглощения Продукт Влажность продуктов W`к, кг/кг Wк, кг/кг Яблоко 0,05 0,075 Тыква 0,05 0,065 Морковь 0,05 0,07 Кабачок 0,05 0,1 К варьируемым факторам, влияющим на скорость протекания процессов влагопоглощения, следует отнести исходную температуру продукта Тпрод, К; температуру воздуха Тв, К, и относительную влажность φв воздуха в помещении. В соответствии с требованиями нормативных документов (ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны и СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений), в зависимости от периода года и категории работ, температура Тв = 12- 30 °С, влажность воздуха φв = 40-75 %. Очевидно, что для экспериментальных исследований кинетики влагопоглощения сухими плодоовощными продуктами и определения зависимости W`p(τv) для расчета рациональных временны́х периодов по дальнейшей переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и т. д. целесообразно использовать наиболее благоприятные для сорбционных процессов условия: температура Тв = 12 °С = 275 К, влажность воздуха φв = 75 % = 0,75. При температуре Тв > 275 К и влажности воздуха φв < 0,75 сорбционные явления будут протекать медленнее, что не требует изменения промежутков времени для осуществления дальнейших технологических операций. Исследования проводились на экспериментальной установке для определения гигроскопических свойств методом Ван Бамелена [4, 5]. В ходе экспериментов образцы выдерживались над водным раствором серной кислоты в эксикаторе (φв = 0,75) при постоянной температуре (Тв = 275 К) и периодически извлекались из эксикатора и взвешивались на аналитических весах до достижения массы, соответствующей Wк (табл.). Результаты экспериментов и их анализ На основе результатов экспериментов были построены графики кинетики влагопоглощения сухих плодоовощных продуктов (рис. 1). Характер кривых влагопоглощения типичен для большинства пищевых продуктов [5]. В области допустимого влагопоглощения W`p = W`к - Wк влага в материале представлена только влагой мономолекулярной адсорбции [4]. Поглощаемая влага в продукте адсорбируется на поверхности мицелл и сухого скелета с переходом в связанное состояние и далее находится в продукте в виде энергетически прочных гидратных комплексов. Процесс влагопоглощения сопровождается значительным выделением тепла - теплоты гидратации (набухания) [4]. На основе анализа экспериментальных данных (рис. 1 и 2) можно сделать вывод, что увеличение степени измельчения плодоовощных продуктов приводит к сокращению времени влагопоглощения за счет увеличения сорбционной поверхности материала. а Рис. 1. Кинетика влагопоглощения сухих плодоовощных продуктов: а - тыква: -■- - пищевые волокна; -♦- - порошок, полученный сушкой пюре (средний характерный размер частиц 100 мкм); -●- - порошок, полученный распылительной сушкой пюре (размер частиц 1-30 мкм) б Рис. 1. Продолжение: б - морковь: -■- - сухое сырье (кубики со стороной 5 мм); -♦- - порошок, полученный сушкой пюре (средний характерный размер частиц 100 мкм); -●- - порошок, полученный распылительной сушкой пюре (размер частиц 1-30 мкм) Для математического описания процесса влагопоглощения паров влаги исследуемыми продуктами были получены функциональные зависимости W`p, кг/кг, от времени процесса τv, мин: , (1) где a`, b`, c`, d`, e` - эмпирические коэффициенты (табл. 2). Величина достоверности аппроксимации R2 = 0,999. Таблица 2 Значения эмпирических коэффициентов функциональной зависимости влажности продукта от времени процесса влагопоглощения Дифференцированием функциональной зависимости (1) по времени процесса τ можно получить зависимость для скорости процесса влагопоглощения dW`p(τ)/dτ: В качестве примера на рис. 2 представлены зависимости скорости влагопоглощения от времени процесса. Характер кривых скорости влагопоглощения типичен для большинства пищевых продуктов, и зависимость скорости процесса от времени носит экстремальный характер. В первый период влагопоглощения скорость процесса стремительно возрастает, достигая максимального значения (рис. 2), при котором сорбционные центры продукта активно взаимодействуют с молекулами воды, при этом на поверхности мицелл и сухого скелета образуется мономолекулярный слой адсорбционно-связанной влаги. Далее, после экстремальной точки, кривая монотонно убывает, что свидетельствует о снижении скорости процесса влагопоглощения при постепенном заполнении сорбционных центров и уменьшении свободной энергии системы материал - вода. Рис. 2. Зависимости скорости влагопоглощения от времени процесса: -♦- - порошок из яблок, полученный сушкой пюре (средний характерный размер частиц 100 мкм); -●- - сухие пищевые волокна из тыквы Визуальные наблюдения процесса влагопоглощения плодоовощными продуктами показывают, что их гигроскопичность проявляется в тенденции к аутогезии частиц во влажной атмосфере (φв = 75 %) с образованием комков. Заключение В целях уменьшения негативного влияния сорбции целесообразной является герметизация всех расходных и накопительных емкостей, транспортных элементов, узлов дозирования, смешения и т. п. Длительное хранение продукции необходимо осуществлять в герметичной упаковке или в помещениях при поддерживании соответствующей влажности воздуха. На основе полученных зависимостей можно определить допустимые интервалы времени в случае негерметичного проведения технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др.
References

1. Aleksanyan I. Yu. Innovacionnye tehnologii pererabotki syr'ya rastitel'nogo proishozhdeniya / I. Yu. Aleksanyan, Yu. A. Maksimenko, L. M. Titova // Innovacionnye tehnologii APK Rossii - 2014: materialy II konf. v ramkah Mezhdunar. nauch.-tehnol. foruma «Bioindustriya - osnova zelenoy ekonomiki, kachestva zhizni i aktivnogo dolgoletiya». M., 2014. S. 12-18.

2. Aleksanyan I. Yu. Innovacionnye tehnologii pererabotki syr'ya rastitel'nogo proishozhdeniya / I. Yu. Aleksanyan, Yu. A. Maksimenko, L. M. Titova // Materialy V Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Innovacionnye pischevye tehnologii v oblasti hraneniya i pererabotki sel'skohozyaystvennogo syr'ya: fundamental'nye i prikladnye aspekty». Voronezh, 2015. S. 115-119.

3. Pat. RF № 2309607. Sposob polucheniya pektina i drugih produktov iz pektinosoderzhaschego syr'ya / Aleksanyan I. Yu., Aristov P. M., Maksimenko Yu. A., Sinyak S. V.; zayavl. 24.01.2006; opub. 10.11.2007.

4. Aleksanyan I. Yu. Termodinamika vnutrennego massoperenosa v polimernyh sistemah / I. Yu. Aleksanyan, Yu. A. Maksimenko, V. N. Lysova // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2011. № 3. S. 57-60.

5. Maksimenko Yu. A. Termodinamika vnutrennego massoperenosa pri vzaimodeystvii plodoovoschnyh produktov s vodoy / Yu. A. Maksimenko // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. 2012. № 1. S. 41-45.