STUDY OF THERMAL PAPAMETERS OF FAR EASTERN SEA CUCUMBER WHEN FREEZING
Rubrics: TECHNOLOGY OF HYDROCOLE PROCESSING
Authors:
1.
Far Eastern State Technical Fisheries University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Food Technology)
Vladivostok, Vladivostok, Russian Federation
Vladivostok, Vladivostok, Russian Federation
2.
Far East State Technical University of Fisheries
3.
Far Eastern State Technical Fisheries University
(Department of Refrigeration, Air Conditioning and Heating Engineer, Senior Lecturer)
Vladivostok, Vladivostok, Russian Federation
Vladivostok, Vladivostok, Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 145
to 152
Status:
Published
Received:
05.12.2016
Accepted:
25.12.2016
Published:
25.12.2016
Subject area:
UDK 664.97
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
Language:
Russian
Keywords:
sea cucumber, cryotreatment, cryoscopic temperature, chilled water, complete the specific heat, the coefficient of thermal conductivity
Abstract (English):
The aim of the work is to study the changes in the parameters of thermal capacity and conductivity of Far Eastern sea cucumber when freezing. The object of the study was the Far Eastern sea cucumber ( Stichopus japonicus ), caught in the Bay of North Bay Slavyanka (Khasan District, Primorsky Kray). The dependences of change in the total specific heat capacity and thermal conductivity when freezing the Far Eastern sea cucumber, were established. In the process of temperature reduction from cryoscopic to 268 K and water transformation into the crystalline state there is an increase in total specific heat capacity by 26 times, then this parameter decreases (at 223 K) by 43 times and becomes closer to the (specific) ice heat capacity. It was found that in the process of freezing the thermal conductivity coefficient of the Far Eastern sea cucumber increases with the proportion of frozen water. When the temperature drops from 271.6 to 223 K its value is increased by 4.5 times and strives for the thermal conductivity coefficient of ice. This is due to the fact that the Far Eastern sea cucumber has a high water content, more than 90%. The mathematical equations describing the dependence of the total specific heat capacity and thermal conductivity coefficient on the amount of frozen water, which is dependent on the freezing temperature, were derived. With precise value of thermal parameters of raw material the technology, based on the principles of cryoprocessing, becomes more effective.
The aim of the work is to study the changes in the parameters of thermal capacity and conductivity of Far Eastern sea cucumber when freezing. The object of the study was the Far Eastern sea cucumber ( Stichopus japonicus ), caught in the Bay of North Bay Slavyanka (Khasan District, Primorsky Kray). The dependences of change in the total specific heat capacity and thermal conductivity when freezing the Far Eastern sea cucumber, were established. In the process of temperature reduction from cryoscopic to 268 K and water transformation into the crystalline state there is an increase in total specific heat capacity by 26 times, then this parameter decreases (at 223 K) by 43 times and becomes closer to the (specific) ice heat capacity. It was found that in the process of freezing the thermal conductivity coefficient of the Far Eastern sea cucumber increases with the proportion of frozen water. When the temperature drops from 271.6 to 223 K its value is increased by 4.5 times and strives for the thermal conductivity coefficient of ice. This is due to the fact that the Far Eastern sea cucumber has a high water content, more than 90%. The mathematical equations describing the dependence of the total specific heat capacity and thermal conductivity coefficient on the amount of frozen water, which is dependent on the freezing temperature, were derived. With precise value of thermal parameters of raw material the technology, based on the principles of cryoprocessing, becomes more effective.
Keywords:
sea cucumber, cryotreatment, cryoscopic temperature, chilled water, complete the specific heat, the coefficient of thermal conductivity
sea cucumber, cryotreatment, cryoscopic temperature, chilled water, complete the specific heat, the coefficient of thermal conductivity
Введение Среди тихоокеанских водных биологических объектов промысла и марикультуры особое место занимает дальневосточный трепанг, относящийся к типу иглокожих, классу голотурий. Благодаря своему уникальному химическому составу трепанг издавна используется народами Юго-Восточной Азии как омолаживающее средство, которое, как считается, продлевает человеку жизнь, за что получил название «морской женьшень». Биологически активным действием обладают такие химические соединения, содержащиеся в трепанге, как белки, тритерпеновые гликозиды, гексозамины, липиды и минеральные вещества, которые действуют раздельно или в комплексе, обеспечивая высокую фармакологическую ценность получаемых из него продуктов [1, 2]. На наш взгляд, при переработке трепанга рациональной является технология, основанная на принципах криообработки, когда сырье сразу после вылова подвергается замораживанию, криоизмельчению и сублимационной сушке и превращается в готовый концентрированный продукт, не испытывая воздействия высоких температур, минуя превращение твердой ледяной фазы в жидкую на какой-либо стадии производства [3]. Данная технология максимально эффективна при четком знании теплофизических свойств сырья. В связи с этим целью исследования являлось изучение теплофизических свойств дальневосточного трепанга, таких как теплоемкость и теплопроводность, в процессе его замораживания. Материалы и методы исследования Объект исследования - дальневосточный трепанг (Stichopus japonicus), выловленный в бухте Северной залива Славянка (Хасанский район, Приморский край). Свежевыловленный трепанг замораживался воздушным способом в морозильной камере, оборудованной холодильной установкой АМЕ-L-3х2ЕС2 на базе трех полугерметичных поршневых компрессоров 2ЕС-22-40С фирмы Bitzer (Германия). Измерение температуры осуществлялось с помощью датчиков WT-1, WT-5 (диапазон измерений: -70…300 °С, точность: ± 0,1 °С) [4]. Для обработки экспериментальных данных и расчетов использовалась программа Microsoft Office Excel 2007, для построения графиков - программа CurveExpert 1.4, для аппроксимации кривых с выводом формул - программа CurveExpert Professional 2.3. Определение удельного коэффициента теплоемкости Расчет удельной теплоемкости пищевых продуктов как многокомпонентных веществ выполняется по закону аддитивности [5]: , где - удельная теплоемкость компонентов; - массовая доля компонентов. Рассмотрим тело дальневосточного трепанга как двухкомпонентную смесь, содержащую W частей воды и (1 - W) частей сухих веществ с соответствующей удельной теплоёмкостью для каждого компонента. Теплоемкость продукта в диапазоне значений температуры до начала льдообразования определяется выражением , где = 4,19 кДж/(кг·К) - теплоемкость воды; = 1,137 кДж/(кг·К) - удельная теплоемкость сухих веществ трепанга [6]. Поскольку при отрицательных значениях температуры часть воды ω в трепанге переходит в лед, теплоемкость которого сл, то теплоемкость замороженного трепанга вычисляется по формуле , (1) где = 2,1 кДж/(кг·К). При замораживании трепанга теплота льдообразования будет отводиться от единицы массы при понижении ее температуры, которое определяется как (2) где кДж/кг - удельная теплота льдообразования; W = 0,908 - общее содержание воды в трепанге, кг/кг; t - температура замороженного трепанга, °С. Если в выражении (2) принять изменение температуры на один градус, то количество тепла получит размерность и смысл составной части полной удельной теплоемкости и запишется в виде , (3) где - количество вымороженной воды при начальной температуре; - количество вымороженной воды при конечной температуре. Сумма расчетной теплоемкости замороженного трепанга и теплоты льдообразования даст полную удельную теплоемкость: cп = + . (4) По формуле (4) рассчитаем полную удельную теплоемкость дальневосточного трепанга. Для этого необходимо определить количество вымороженной воды при различных значениях температуры, используя формулу Д. Г. Рютова [4]. По формулам (1) и (3) определим теплоемкость замороженного трепанга и теплоту льдообразования. Получившиеся значения полной удельной теплоемкости дальневосточного трепанга изобразим в виде графика (рис. 1). Рис. 1. Зависимость полной удельной теплоемкости от количества вымороженной воды Анализ графика на рис. 1 позволяет выделить два участка. На первом участке заметен рост полной удельной теплоемкости трепанга, что связано с интенсивным льдообразованием, сопровождающимся выделением теплоты, обусловливающий известный период замедления снижения температуры, описанный в работе [4]. В процессе снижения температуры от криоскопической до 268 К и переходе воды в кристаллическое состояние происходит увеличение полной удельной теплоемкости в 26 раз. Увеличение полной удельной теплоемкости заканчивается при вымораживании примерно 63 % воды. На втором участке полная удельная теплоемкость снижается (при температуре 223 К) в 43 раза, стремясь к теплоемкости льда, т. к. именно она является доминирующим фактором дальнейшего процесса замораживания. Аппроксимируя кривую (рис. 1) с помощью программы CurveExpert Professional 2.3, получим формулу . (5) Данная формула может быть использована для расчета зависимости полной удельной теплоемкости трепанга от количества вымороженной воды с коэффициентом корреляции 0,98. Используя формулу (5), рассчитаем полную удельную теплоемкость дальневосточного трепанга при различных значениях температуры (табл. 1) и сравним ее с данными исследований других авторов [7-9]. Таблица 1 Зависимость полной удельной теплоемкости некоторых продуктов от температуры Температура, К Полная удельная теплоемкость сn, кДж/(кг·К) Мидия Треска Трепанг Икра морского ежа 271 38,5 118,2 90,97 3,494 269 30,8 21,5 93,67 82,94 267 10,5 9,8 47,77 42,53 265 10,8 6,2 25,1 20,19 263 11,1 4,8 13,74 9,28 253 7,5 2,8 2,52 4,39 223 4,2 1,9 2,3 2,27 173 2,5 1,5 2,1 1,9 Анализ данных табл. 1 позволяет сделать вывод, что для всех представленных образцов сырья имеет место увеличение полной удельной теплоемкости в промежутке значений температуры 271…269 К, при дальнейшем понижении температуры сп снижается. Различия в значениях полной удельной теплоемкости у мидий связаны с особенностями их химического состава, прежде всего с содержанием в них воды: для мидий оно равно 42,3 % [7]; для трески - 80,4 % [8], для трепанга - 90,8 %; для икры морского ежа - 71,8 % [9]. Низкое значение сп у икры морских ежей при температуре 271 К объясняется низкой криоскопической температурой, характерной для данного сырья. Определение теплопроводности При значениях температуры ниже криоскопической, когда в продукте происходит процесс льдообразования, его теплопроводность значительно возрастает, т. к. теплопроводность льда в 4 раза больше теплопроводности воды. Увеличение теплопроводности продукта при понижении температуры практически заканчивается с окончанием процесса вымерзания воды, если пренебречь дальнейшим несущественным изменением теплопроводности льда и других компонентов продукта. Коэффициент теплопроводности продукта в диапазоне отрицательных значений температуры зависит от количества вымороженной воды и находится по приближенному уравнению [8]: , (6) где - коэффициент теплопроводности продукта до начала замораживания, Вт/(м·°С); - изменение теплопроводности продукта в интервале значений температуры от начала замерзания tн.з до температуры tз, соответствующей завершению льдообразования. При рассмотрении тела трепанга как двухкомпонентной смеси, содержащей частей воды и (1 - W) частей сухих веществ, с соответствующими коэффициентами теплопроводности и λс.в теплоемкость продукта в диапазоне значений температуры до начала льдообразования определяется выражением , где = 0,597 Вт/(м ·К) - коэффициент теплопроводности воды; = 0,098 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности сухих веществ трепанга [6]. Коэффициент теплопроводности можно рассчитать по формуле на основе моделей О. Кришера [5]: , (7) где = 2,22 Вт/ (м · К) - коэффициент теплопроводности льда в интервале значений температуры 273…208 К; - коэффициент скважистости, зависящий от количества вымороженной воды и химического состава продукта. Структуру замороженного продукта можно рассматривать как дисперсную систему, состоящую из пор льда с коэффициентом теплопроводности , и субстанции, включающей незамороженную воду, сухие вещества с коэффициентом теплопроводности, приблизительно равным значению до начала замерзания. Тогда коэффициент скважистости принятой структуры будет определяться выражением , где - плотность льда, кг/м3; - плотность продукта до начала замерзания, кг/м3; - массовая доля сухих веществ в теле трепанга. Если учесть, что в процессе замораживания массовая доля сухих веществ остается постоянной, а величина плотности практически не изменяется, то . Используя формулу (7), рассчитаем коэффициент теплопроводности дальневосточного трепанга и построим график его зависимости от количества вымороженной воды (рис. 2). Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности от количества вымороженной воды На рис. 2 видно, что теплопроводность дальневосточного трепанга медленно растет с увеличением доли вымороженной воды и стремится к теплопроводности льда. Это связано с высоким (более 90 %) содержанием воды в теле трепанга. Данная зависимость близка к линейной, поэтому, аппроксимируя данные графика с помощью программы CurveExpert Professional 2.3, получим . (8) Данная формула может быть использована для расчета теплопроводности дальневосточного трепанга с коэффициентом корреляции 0,99. Формула (8) соответствует уравнению (6), вследствие чего можно сделать вывод, что для дальневосточного трепанга Вт/(м·К). Это значение несколько выше, чем приводимые в некоторых работах для продуктов с содержанием воды 70-80 %, где оно составляет Вт/(м·К) [7]. Такое увеличение изменения теплопроводности в зоне интенсивного льдообразования можно объяснить высоким содержанием воды в трепанге и особенностью структуры его тела, выражающейся в большой пористости. Значения коэффициента теплопроводности некоторых пищевых продуктов из моллюсков в интервале значений температуры от 271,6 до 223 К в зависимости от коэффициента скважистости и количества вымороженной воды представлены в табл. 2 [7, 9]. Таблица 2 Значения коэффициента теплопроводности некоторых пищевых продуктов в интервале значений температуры 271,6-223 К Температура, К Мидия тихоокеанская Икра морского ежа Дальневосточный трепанг ω, кг/кг Вт/(м·К) ω, кг/кг , Вт/(м·К) ω, кг/кг , Вт/(м·К) 271,6 0 0 0,4 0 0 0,456 0 0 0,551 273 0,25 0,14 0,56 0 0 0,456 0,292 0,309 0,892 269 0,63 0,35 0,8 0,334 0,266 0,752 0,632 0,643 1,346 267 0,7 0,39 0,8 0,602 0,470 1,006 0,746 0,749 1,532 265 0,78 0,43 0,9 0,713 0,556 1,132 0,802 0,801 1,637 263 0,85 0,47 0,95 0,805 0,622 1,231 0,836 0,832 1,706 253 0,92 0,5 0,99 0,912 0,701 1,363 0,905 0,893 1,859 243 0,95 0,52 1,02 0,952 0,728 1,41 0,927 0,913 1,916 233 0,97 0,53 1,04 0,976 0,745 1,442 0,939 0,923 1,947 223 0,99 0,54 1,05 0,993 0,757 1,471 0,945 0,929 1,965 Из данных табл. 2 следует, что коэффициент теплопроводности мидии тихоокеанской, икры морского ежа в процессе замораживания изменяется аналогично коэффициенту теплопроводности дальневосточного трепанга. Значение трепанга несколько выше коэффициента теплопроводности мидии и икры морского ежа, причем это характерно для всех исследуемых значений температуры замораживания. Следует добавить, что данными табл. 2 подтверждается более высокая пористость структуры дальневосточного трепанга по сравнению с пористостью мидии тихоокеанской и икры морского ежа. Заключение Таким образом, в ходе исследования получены следующие результаты: - установлены закономерности изменения полной удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности при замораживании дальневосточного трепанга. В процессе снижения температуры от криоскопической до 268 К и переходе воды в кристаллическое состояние происходит увеличение полной удельной теплоемкости в 26 раз, затем этот показатель снижается (при температуре 223 К) в 43 раза и приближается к теплоемкости льда; - установлено, что в процессе замораживания коэффициент теплопроводности дальневосточного трепанга растет с увеличением доли вымороженной воды. При снижении температуры от 271,6 до 223 К его значение увеличивается в 4,5 раза и стремится к коэффициенту теплопроводности льда. Это обусловлено тем, что дальневосточный трепанг имеет высокое содержание воды, более 90 %; - выведены математические зависимости, описывающие взаимосвязь полной удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности от количества вымороженной воды, которая является зависимой от температуры замораживания.
1. Levin V. S. Dal'nevostochnyy trepang. Biologiya, promysel, vosproizvodstvo. SPb.: Goland, 2000. 200 s.
2. Ayushin N. B., Kim A. G., Sluckaya T. N. Himicheskiy sostav i soderzhanie biologicheski aktivnyh veschestv v myshechnoy tkani trepanga Stichopus japonicus. // Izv. vuzov. Pischevaya tehnologiya. 2014. № 4 (340). S. 35-37.
3. Bogdanov V. D., Nazarenko A. V., Simdyankin A. A. Kriotehnologiya suhogo pischevogo koncentrata iz goloturiy // Nauch. tr. Dal'rybvtuza. 2016. № 38. S. 64-68.
4. Bogdanov V. D., Simdyankin A. A., Nazarenko A. V. Issledovanie processa zamorazhivaniya dal'nevostochnogo trepanga pri ego krioobrabotke // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Rybnoe hozyaystvo. 2016. № 2. S. 130-135.
5. Erlihman V. N., Fatyhov Yu. A. Konservirovanie i pererabotka pischevyh produktov pri otricatel'nyh temperaturah. Kaliningrad: KGTU, 2004. 248 s.
6. Gingzburg A. C., Gromov M. A., Krasovskaya G. I. i dr. Teplofizicheskie harakteristiki pischevyh produktov i materialov. M.: Pisch. prom-st', 1980. 224 s.
7. Iodis V. A. Razrabotka tehnologii nizkotemperaturnoy obrabotki midii tihookeanskoy (Mytilus trossulus) zhidkim azotom: dis. … kand. tehn. nauk. Petropavlovsk-Kamchatskiy, 2009. 171 s.
8. Rogov I. A., Babakin B. S., Fatyhov Yu. A. Krioseparaciya syr'ya biologicheskogo proishozhdeniya. Ryazan': Nashe vremya, 2005. 288 s.
9. Gokonaev M. V. Sovershenstvovanie tehnologii proizvodstva morozhenoy ikry morskih ezhey: dis. … kand. tehn. nauk. Petropavlovsk-Kamchatskiy, 2006. 156 s.
