Разработка технологий для переработки клубней топинамбура и плодов шиповника с сохранением биологически активных веществ

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. По оценкам продовольственной и сельскохозяйственной организации при ООН, в 2050 году для удовлетворения спроса на продовольствие годовой объем мирового производства сельскохозяйственных культур и продукции животноводства должен возрасти на 60% по сравнению с уровнем 2006 года1. В мире ежегодно из-за порчи образуются потери зерновых продуктов на 30%, корнеплодов, фруктов и овощей на 40-50%, масличных культур, мяса и молочных продуктов на 20% и рыбы на 35% 2. В годы независимости особое внимание уделяется выращиванию и эффективному развитию отрасли, перерабатывающей сельскохозяйственную продукцию. Вследствие проведенных в этом направлении программных мероприятий, в том числе, по обеспечению качественной переработки продукции сельского и лесного хозяйств, ощутимые результаты достигнуты в производстве импортозамещающей и экспортоориентированной пищевой и фармацевтической продукции. В 2015 году в стране выращено 200,3 т клубней топинамбура и 199,2 т плодов шиповника3. Одним из широко распространённых методов переработки этих продуктов считается их сушка. Сегодня важной задачей мирового масштаба является разработка техники и технологии переработки продукции сельского и лесного хозяйств, в том числе топинамбура и шиповника, особое внимание уделяется совершенствованию способов переработки сырья путём применения новых технологий, с учётом результатов научных исследований в этой сфере, ориентированных на сохранение биологически активных веществ в составе готовой продукции. Следует обосновать соответствующие научные решения и рекомендации, направленные на совершенствование способов сушки и разработки технологии получения высококачественных продуктов, в том числе необходимо: разработать технику и технологию переработки топинамбура и шиповника с сохранением биологически активных веществ в составе конечных продуктов, разработать математическую модель распределения микроэлементов в процессе сушки, исследовать и формализовать процесс теплообмена с учетом изменения тепла при инфракрасном (ИК) нагреве и нелинейных явлений передачи тепла, а также изучить активность тепла в продукте в ходе сушки, разработать вакуум-сушильную установку с ИК нагревом и мельницу для получения порошка из высушенного продукта. Актуальность и востребованность темы диссертации подтверждается реализацией научных исследований в этом направлении. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных Постановлением Президента Республики Узбекистан ПП-1047 от 26 января 2009 года «О дополнительных мерах по расширению производства продовольственных товаров и насыщению внутреннего рынка» и ПП-1633 от 31 октября 2011 года «О мерах по дальнейшему совершенствованию организации управления и развитию пищевой промышленности республики в 2012-2015 годах», а также другими нормативно-правовыми документами, принятыми в данной сфере. Целью исследования является совершенствование технологии переработки клубней топинамбура и плодов шиповника с использованием вакуумной сушилки с ИК-нагревом, обеспечивающей повышение энерготехнологической эффективности установки и сохранение биологически активных веществ. Научная новизна исследования заключается в следующем: определена кинетика процесса сушки клубней топинамбура и плодов шиповника в вакуумной-сушильной установке с ИК-нагревом; обоснована модель движения влаги в капиллярах пор и процесса распределения микроэлементов в продуктах за счет управления процессом сушки при получении высококачественной продукции; определена передача тепла и влаги во внутренних слоях материала в условиях низкого вакуума с ИК-нагревом и выявлены специфические особенности нелинейного распространения тепла в условиях дискретных режимов процесса сушки; обосновано сравнительный анализ методов обработки изотерм сорбции и десорбции целесообразность выбора метода ортогональной регрессии в виде уравнения Поснова; разработана конструкция мельницы с охлаждающей системой для получения порошка из сахаросодержающих продуктов; определено давление вакуума и оптимальная температура сушки в вакуумной установке с ИК-нагревом для сушки клубней топинамбура и плодов шиповника с сохранением биоактивных веществ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основе проведённых исследований по докторской диссертации на тему «Разработка технологий для переработки клубней топинамбура и плодов шиповника с сохранением биологически активных веществ» представлены следующие выводы: 1. В результате анализа современного состояния теории и практики сушки и тепловой активации клубней топинамбура и плодов шиповника выявлены тенденции их дальнейшего развития и совершенствования, что дало возможность выдвинуть инновационные идеи. В качестве одного из наиболее эффективных способов сушки продуктов клубней топинамбура и плодов шиповника выступает обезвоживание в вакууме с ИК-нагревом. 2. Разработанная и внедренная математическая модель перемещения влаги в капиллярных порах исследуемых материалов показала необходимость учета внутреннего перераспределения растворенных веществ, а также подтверждает закономерности динамики процесса сушки при заданных начальных условиях с сопутствующими явлениями сорбции и десорбции во внутренних структурах стенок капиллярных каналов. Предложены нелинейные функциональные связи между давлением внутри капилляров, гидродинамической скоростью движения, температурой, а также плотностью исследуемого материала. 3. Предложена параметрическая идентификация корреляционных коэффициентов математической модели и осуществлена обработка экспериментальных статистических данных. 4. Выявлена зависимость мощности облучения от расстояния между обезвоживаемым объектом и излучателями, а также между излучателями и определены способы обеспечения равномерного распределения инфракрасного облучения в объеме обезвоживаемых продуктов с помощью элементов-отражателей соответствующей конфигурации в вакуум-сушильной установке с ИК-нагревом. 5. Предложены характеристики сорбции и десорбции клубней топинамбура: показана удельная поверхность капилляров, составляющая 18,38 м2/г, при этом суммарный объём пор для топинамбура в условиях вакуумной ИК-сушки составляет 0,440 см3/г. Для плодов шиповника характеристики сорбции и десорбции: подтвержденная удельная поверхность капилляров составляет 12,30 м2/г, при этом суммарный объём пор составляет 0,390 см3/г. 6. По результатам исследования теплотехнических и сорбционных свойств высушиваемой продукции определены: допустимая температура, время сушки и конструкции вакуум-сушильной установки с ИК-излучением. Разработана методика расчета промышленной вакуум-сушильной установки с ИК-излучателем на основе результатов экспериментальных исследований на лабораторной установке. 7. Показано, что для процесса ИК-сушки плодов необходимо оптимизировать величину подводимой мощности так, чтобы плоды быстро обезвоживались. Установлена оптимальная толщина слоя продукции, составляющая около 2-2,5 мм, оптимальная длина волн 3 мкм, при этом время обезвоживания продукции составляет допустимую величину, а температура плодов не превышает 65-70 °C, вакуум при этом составляет -0,8 атм. 8. В результате экспериментального исследования влияния вибрации на технологический процесс сушки установлено, что эффективность обезвоживания возрастает до 4-5% в условиях непрерывного нагрева - при определенной частоте и амплитуде. Показано, что сохранность инулина в составе измельчённой массы из клубней топинамбура при способе вакуумной ИК-сушки составляет до 45,4 мг%, а долек из клубней топинамбура до 38,75 мг% и при этом сохранность аскорбиновой кислоты в составе мякоти плодов шиповника при вакуумной ИК-сушке составляет до 0,77 мг%. В составе же фракции семян плодов шиповника содержится аскорбиновая кислота при вакуумной ИК-сушке до 4,0 мг%. 9. В результате исследований установлено, что использование способа вакуумной сушки с ИК-нагревом и отражателя при температуре не выше 60-70 °C позволяет сэкономить электроэнергию на 10-12%, а полноценный состав витаминов и других биологически активных веществ (инулин и аскорбиновая кислота) в конечном продукте составляет до 80-90%. 10. Модернизирована технологическая линия получения порошка из топинамбура с применением вакуумной сушильной установки с ИК нагревом и молотковой мельницы. Разработан и внедрен аэродинамический сепаратор для разделения на фракции (мякоть, семена, пух) измельченных плодов шиповника. На основе полученных результатов рекомендован к внедрению в промышленность разработанный технологический регламент на производство порошка из клубней топинамбура сорта «Мужиза» и плодов шиповника. 11. Разработки и рекомендации диссертации по технологии переработки клубней топинамбура и плодов шиповника при сохранении биологически активных веществ внедрены в Государственном акционерном концерне «Узфармсаноат» и предприятиях, входящих в систему Министерства сельского и водного хозяйства (справка Государственного акционерного концерна «Узфармсаноат» от 11.30.2015 года №МД-06/1868 и Министерства сельского и водного хозяйства от 10.09.2015 года №06/14-893). В результате применения технологии сушки в вакууме с ИК-излучением производительность повысилась в 1,2 раза, в среднем за год общая экономическая эффективность составила 233 млн. сум.