ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ СУХИМИ РАСТИТЕЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Представлены результаты экспериментально-аналитических исследований кинетики влагопоглощения сухими растительными материалами. В целях уменьшения негативного влияния сорбции рекомендовано выполнить герметизацию 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. Установлены зависимости сорбционной активности сухих растительных материалов от внешних климатических условий, в частности от относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон для расчета рациональных промежутков времени при выполнении технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др.

Ключевые слова:
сушка растительного сырья, кинетика влагопоглощения, гигроскопические свойства растительных материалов
Текст
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.
Список литературы

1. Алексанян И. Ю. Инновационные технологии переработки сырья растительного происхождения / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Л. М. Титова // Инновационные технологии АПК России - 2014: материалы II конф. в рамках Междунар. науч.-технол. форума «Биоиндустрия - основа зеленой экономики, качества жизни и активного долголетия». М., 2014. С. 12-18.

2. Алексанян И. Ю. Инновационные технологии переработки сырья растительного происхождения / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Л. М. Титова // Материалы V Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты». Воронеж, 2015. С. 115-119.

3. Пат. РФ № 2309607. Способ получения пектина и других продуктов из пектиносодержащего сырья / Алексанян И. Ю., Аристов П. М., Максименко Ю. А., Синяк С. В.; заявл. 24.01.2006; опуб. 10.11.2007.

4. Алексанян И. Ю. Термодинамика внутреннего массопереноса в полимерных системах / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, В. Н. Лысова // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 3. С. 57-60.

5. Максименко Ю. А. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии плодоовощных продуктов с водой / Ю. А. Максименко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2012. № 1. С. 41-45.