ИЗМЕНЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЯГОД ОБЛЕПИХИ ПРИ ЗАМОРАЖИВАНИИ
Авторы:
1.
Кемеровский государственный университет
Кемерово, Кемеровская область, Россия
Кемерово, Кемеровская область, Россия
2.
Кемеровский государственный университет
(Кафедра общей и неорганической химии, Профессор)
Кемерово, Кемеровская область, Россия
Кемерово, Кемеровская область, Россия
3.
ООО «Тулунский мясной двор»
Тип:
Статья
Страницы:
с 108
по 112
Статус:
Опубликован
Получено:
30.06.2016
Одобрено:
30.06.2016
Опубликовано:
30.06.2016
Классификаторы:
УДК 664.8.037.5
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
Теплофизические характеристики, ягоды облепихи, теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость
Аннотация (русский):
Ягоды облепихи играют важную роль в пищевом рационе жителей Сибири. Они являются богатейшим источником витаминов С и Е, содержат значительное количество каротиноидов, различные витамины группы В, F и P, минеральные вещества, а также способствуют поддержанию здоровья и долголетия. Одним из наиболее эффективных методов консервирования плодов и ягод является замораживание. Для разработки эффективных и энергосберегающих технологий низкотемпературного консервирования и хранения плодово-ягодного сырья, в частности ягод облепихи, необходима достоверная и объективная информация об их теплофизических свойствах во всем диапазоне температурного воздействия. К тому же знание теплофизических характеристик необходимо при проектировании и подборе технологического оборудования для осуществления процессов замораживания. Данная работа посвящена исследованиям теплофизических характеристик ягод облепихи различных сортов в свежем и замороженном состоянии. Для определения теплофизических характеристик был выбран первый буферный метод двух температурно-временных интервалов. В статье изложена методика проведения эксперимента и методика обработки экспериментальных данных для определения теплофизических характеристик ягод облепихи при температурах выше криоскопической точки и после окончания процесса замораживания. Приведены измеренные значения теплофизических характеристик пяти сортов ягод облепихи в свежем и замороженном состоянии. Установлено, что значения теплофизических характеристик ягод в наибольшей степени определяются массовой долей содержащейся в них влаги. Колебания в значениях теплофизических характеристик для ягод различных сортов облепихи весьма незначительны, поэтому для теплотехнических расчетов технологических процессов, связанных с температурным воздействием, следует использовать средние значения теплофизических характеристик.
Ягоды облепихи играют важную роль в пищевом рационе жителей Сибири. Они являются богатейшим источником витаминов С и Е, содержат значительное количество каротиноидов, различные витамины группы В, F и P, минеральные вещества, а также способствуют поддержанию здоровья и долголетия. Одним из наиболее эффективных методов консервирования плодов и ягод является замораживание. Для разработки эффективных и энергосберегающих технологий низкотемпературного консервирования и хранения плодово-ягодного сырья, в частности ягод облепихи, необходима достоверная и объективная информация об их теплофизических свойствах во всем диапазоне температурного воздействия. К тому же знание теплофизических характеристик необходимо при проектировании и подборе технологического оборудования для осуществления процессов замораживания. Данная работа посвящена исследованиям теплофизических характеристик ягод облепихи различных сортов в свежем и замороженном состоянии. Для определения теплофизических характеристик был выбран первый буферный метод двух температурно-временных интервалов. В статье изложена методика проведения эксперимента и методика обработки экспериментальных данных для определения теплофизических характеристик ягод облепихи при температурах выше криоскопической точки и после окончания процесса замораживания. Приведены измеренные значения теплофизических характеристик пяти сортов ягод облепихи в свежем и замороженном состоянии. Установлено, что значения теплофизических характеристик ягод в наибольшей степени определяются массовой долей содержащейся в них влаги. Колебания в значениях теплофизических характеристик для ягод различных сортов облепихи весьма незначительны, поэтому для теплотехнических расчетов технологических процессов, связанных с температурным воздействием, следует использовать средние значения теплофизических характеристик.
Ключевые слова:
Теплофизические характеристики, ягоды облепихи, теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость
Теплофизические характеристики, ягоды облепихи, теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость
Введение Потребность организма современного человека в необходимом количестве витаминов и минеральных веществ существенно возросла вследствие роста стрессовых и экологически неблагоприятных факторов. Поэтому на сегодняшний день приоритетным направлением современной науки о питании является совершенствование норм физиологических потребностей в пищевых веществах и энергии различных категорий населения страны. Вследствие этого одной из важных задач государства является обеспечение населения пищевыми продуктами, богатыми биологически активными веществами, для поддержания необходимого витаминного и минерального баланса. В Сибири в силу суровых климатических условий, короткого вегетационного периода население не всегда в достаточном количестве обеспечено свежими продуктами растительного происхождения, поэтому местное население прежде всего ориентировано на потребление ягод, видовое разнообразие которых очень большое. Вместе с тем жители Кузбасса потребляют фруктов менее четверти физиологической потребности организма, а ягод и того меньше, это вызывает острую необходимость увеличить их производство [1, 2]. Систематическое употребление в пищу ягод усиливает защитные силы организма, делая его устойчивым против многих болезней, способствует долголетию и высокой трудоспособности. Ягоды используют в пищу в свежем виде, сушеном и замороженном, а также для приготовления варенья, соков, сиропов, настоек, желе, напитков, ликеров, начинок для конфет, тортов и т.д. [2]. Одной из ценнейших ягодных культур Сибирского региона является облепиха. Она содержит богатейший набор компонентов, обладающих физиологической активностью. Ягоды облепихи представляют собой уникальный природный поливитаминный концентрат. Они содержат значительное количество b-каротина и каротиноидов, витаминов С и Е, а также различные витамины группы В, F и P. Ягоды облепихи не только поддерживают нормальный обмен веществ, но и освобождают организм от токсинов, способствуют поддержанию здоровья и долголетия [3]. Замораживание относится к наиболее перспективным методам консервирования. В замороженных продуктах лучше, чем в консервированных любым другим способом, сохраняются основные компоненты, определяющие пищевую ценность, в том числе и такие лабильные, как витамины, полифенолы и др. По органолептическим показателям - вкусу, аромату, цвету, внешнему виду замороженные продукты мало отличаются от свежих. Наиболее эффективно применение консервирования методом замораживания для переработки плодов и овощей. Наиболее результативно быстрое замораживание при температуре минус 30 °С и ниже [2, 4]. Базовыми величинами при расчетах технологических процессов, в которых происходит нагревание, охлаждение или замораживание пищевого продукта, являются теплофизические характеристики, они также необходимы при проектировании и подборе технологического оборудования для осуществления такого рода процессов. Поэтому для разработки эффективных и энергосберегающих технологий низкотемпературного консервирования и переработки ягод облепихи необходима достоверная и объективная информация об их теплофизических характеристиках. Таким образом, целью настоящей работы является определение теплофизических характеристик свежих и замороженных ягод облепихи. Объекты и методы исследований Для исследования нами были выбраны плоды пяти сортов облепихи: Масличная, Дар Катуни, Чуйская, Золотой початок, Пантелеевская. Указанные сорта выращиваются в ГУП «Плодопитомник-1» г. Кемерово. Для исследований выбирались плоды и ягоды, достигшие полной зрелости, здоровые, не имеющие механических повреждений. Плоды облепихи сортировали, удаляли плодоножки, тщательно мыли водопроводной водой и подсушивали. Содержание влаги в ягодах определяли высушиванием до постоянной массы при температуре 105 °С. Содержание растворимых сухих веществ определяли рефрактометрически. Количественное определение сахаров в ягодах проводили феррицианидным методом. Методы двух температурно-временных интервалов относятся к скоростным методам определения теплофизических характеристик, которые позволяют в одном опыте определять температуропроводность a, теплопроводность l, объемную теплоемкость cV твердых, жидких, сыпучих продуктов при температурах выше и ниже криоскопической точки [5]. Из группы методов двух температурно-временных интервалов наилучшим образом для практического применения подходит первый буферный метод [6]. Принципиальная схема лабораторной установки, предназначенной для экспериментального определения теплофизических характеристик пищевых продуктов первым буферным методом двух температурно-временных интервалов, приведена в статье [7]. Значения величин теплопроводности (l) и температуропроводности (a) объекта исследования определяли, используя систему уравнений: (1) где h - толщина исследуемого объекта, м; hВ - толщина буферного слоя, м; aВ - температуропроводность теплоприемника, м2/с; - постоянная теплоприемника, λВ - теплопроводность теплоприемника, Вт/(м×К); tн - температура нагревателя в установившемся режиме работы, К; t0 - начальная температура, К; t1, t2 - разность значений tн (К) и температуры в буферном слое t (К) в моменты времени t1 и t2 (с). Объемную теплоемкость cV определяли из формулы cV = l/a. Массовую теплоемкость cm определяли по формуле cm = cV /r, где r - плотность ягоды, кг/м3. Результаты и их обсуждение Для проведения исследований свежие ягоды облепихи измельчались. Полученное пюре заливалось в полость лабораторной установки для определения теплофизических характеристик [7] таким образом, чтобы при установке нагревателя не было воздушной прослойки и пузырьков воздуха между поверхностями нагревателя и исследуемого продукта. Методика определения теплофизических характеристик ягод в замороженном состоянии имела некоторые отличительные особенности. Подготовленное измельченное сырье закладывали в цилиндрическую латунную обечайку, внутренние размеры которой соответствовали полости лабораторной установки [7]. Обечайка изготовлена таким образом, чтобы при увеличении объема ягоды вследствие замораживания увеличивалась только высота замороженного цилиндра. Затем измельченную, деаэрированную ягоду замораживали при температуре минус 25 °С, полученную замороженную заготовку выдавливали из обечайки, определяли ее вертикальный размер и размещали ее в измерительной полости установки [7]. До того как замороженную ягоду разместить в измерительной полости, измерительный комплекс выдерживался при температуре 0÷2 °С; после того как заготовка помещалась в измерительной полости, устанавливался нагреватель и лабораторная установка устанавливалась в низкотемпературной каскадной холодильной камере при температуре минус 50 ÷ минус 45 °С. За счет того, что лабораторный комплекс обладает достаточно большой тепловой инерцией, контактирующие с поверхностью нагревателя и рабочей поверхностью теплоприемника торцы замороженного образца сначала подтаивали, затем примораживались к этим поверхностям. Таким образом, между образцом и рабочими поверхностями создавался идеальный тепловой контакт. Термометрическая система выдерживалась при температуре минус 50 ÷ минус 45 °С до установления теплового равновесия в термометрической системе. При определении теплофизических характеристик замороженной ягоды температура поверхности нагревателя термостатировалась при температуре минус 22 ÷ минус 25 °С. Для поддержания температуры нагревателя в указанном температурном диапазоне в цепь термостатирующего устройства включали термистор сопротивлением 5 кОм. При включении нагревателя происходит интенсивный разогрев его рабочей поверхности до заданной температуры. Теплота от нагревателя через исследуемый материал передается теплоприемнику, температура которого повышается. Температура рабочей поверхности нагревателя, буферного слоя и свободной поверхности теплоприемника фиксируется в зависимости от времени. В результате проведения теплотехнического эксперимента были получены термограммы, рис. 1. Систему уравнений (1) относительно l и a решали численными методами. Для определения величин теплопроводности и температуропроводности на кривой 1 выбирали две группы точек с определенным интервалом (рис. 1, группы I и II). Каждая из точек одной группы составляла пару с каждой точкой другой группы. В качестве окончательных величин теплопроводности и температуропроводности исследуемого сорта ягоды принимали средние значения l и a, которые были определены для каждой пары точек. Рис. 1. Экспериментальные зависимости для определения теплофизических характеристик ягод облепихи сорта «Дар Катуни»: 1 - разность температур между нагревателем и буферным слоем; 2 - теоретическая зависимость разности температур между нагревателем и буферным слоем; 3 - температура поверхности нагревателя; I - точки, координаты которых подставляются в первое уравнение системы (1); II - точки, координаты которых подставляются во второе уравнение системы (1) Определенные с помощью изложенной методики значения теплофизических характеристик исследованных сортов ягод облепихи в свежем и замороженном состоянии приведены в табл. 1 и 2. Таблица 1 Теплофизические характеристики свежих ягод исследованных сортов облепихи Сорт ягод а∙107, м2/с ( ±5 %) l, Вт/(м×К) ( ±5 %) cV ×10-6, Дж/(м3∙К) ( ±5 %) r, кг/м3 ( ±2 %) cm, Дж/(кг×К) ( ±5 %) Масличная 1,65 0,58 3,52 932 3772 Дар Катуни 1,61 0,59 3,660 957 3829 Чуйская 1,64 0,59 3,60 943 3815 Золотой початок 1,60 0,58 3,56 960 3711 Пантелеевская 1,62 0,59 3,64 968 3762 Таблица 2 Теплофизические характеристики замороженных ягод исследованных сортов облепихи Сорт ягод а∙107, м2/с ( ±5 %) l, Вт/(м×К) ( ±5 %) cV ×10-6, Дж/(м3∙К) ( ±5 %) r, кг/м3 ( ±2 %) cm, Дж/(кг×К) ( ±5 %) Масличная 10,92 2,06 1,89 871 2166 Дар Катуни 10,64 2,07 1,95 884 2201 Чуйская 10,84 2,08 1,92 862 2226 Золотой початок 10,31 1,99 1,93 873 2211 Пантелеевская 10,54 2,05 1,94 887 2193 На теплофизические характеристики ягод в наибольшей степени способны повлиять такие физико-химические показатели, как массовая доля влаги, сахаров, растворимых сухих веществ, значения которых для исследованных сортов ягод облепихи приведены в табл. 3. Таблица 3 Физико-химические показатели ягод облепихи Сорт Массовая доля влаги, % ( ±0,1%) Массовая доля сахаров, % ( ±0,02%) Растворимые сухие вещества, % ( ±0,1) Масличная 87,4 2,56 7,0 Дар Катуни 87,8 5,32 9,3 Чуйская 88,4 3,51 9,2 Золотой початок 82,1 3,99 8,5 Пантелеевская 87,0 5,55 10,2 Как видно из полученных данных, массовая доля влаги в исследованных сортах облепихи в среднем составила 86,5 %, на долю сахаров приходится от 37 % (сорт «Масличная») до 57 % (сорт «Дар Катуни») от общего содержания растворимых сухих веществ. Из результатов, приведенных в табл. 1 и 2, видно, что значения теплофизических характеристик ягод в наибольшей степени определяются массовой долей содержащейся в них влаги. При замораживании ягод теплофизические характеристики значительно изменяются: температуропроводность в среднем возрастает в 6,5 раза, теплопроводность возрастает в 3,5 раза, теплоемкость уменьшатся в 1,7 раза. Колебания в значениях теплофизических характеристик для ягод различных сортов облепихи весьма незначительны, поэтому для теплотехнических расчетов технологических процессов, связанных с температурным воздействием, следует использовать средние значения теплофизических характеристик. Для свежих ягод облепихи: a = 1,62×10-7 м2/с; l = 0,59 Вт/(м×К); cm = 3777 Дж/(кг×К). Для замороженных ягод облепихи: a = 10,65×10-7 м2/с; l = 2,05 Вт/(м×К); cm = 2199 Дж/(кг×К).
1. Губанов, И.А. Энциклопедия природы России. Пищевые растения: справ. издание / И.А. Губанов. - М., 1996. - 556 с.
2. Короткий, И.А. Исследование и разработка технологий замораживания и низкотемпературного хранения плодово-ягодного сырья Сибирского региона: дис. … д-ра техн. наук: 05.18.04: защищена 04.06.2009 / Короткий Игорь Алексеевич. - Кемерово, 2009. - 410 с.
3. Кошелев, Ю.А. Облепиха: монография / Ю.А. Кошелев, Л.Д. Агеева. - Бийск: НИЦ БПГУ им. В.М. Шукшина, 2004. - 320 с.
4. Большаков, С.А. Холодильная техника и технология продуктов питания / С.А. Большаков. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 304 с.
5. Волькенштейн, В.С. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. - Л.: Издательство «Энергия», 1971. - 145 c.
6. Короткий, И.А. Применение метода двух температурно-временных интервалов для определения теплофизических характеристик пищевых продуктов и материалов / И.А. Короткий, Е.В. Короткая // Известия вузов. Пищевая технология. - 2008. - № 2-3. - С. 109-111.
7. Короткий, И.А. Теплофизические характеристики ягод облепихи // Вестник КрасГАУ. - 2008. - № 2. - С. 287-290.
