Во время копчения продукт теряет от 15 до 20% содержащейся в нем влаги (или 25—35% удаляемой влаги). Ход обезвоживания в процессе копчения не изучался. Но так как в копчение колбасы поступают после подсушивания во время осадки, т. е. уже с каким-то влажностным градиентом по сечению образца, можно полагать, что сушка в процессе копчения протекает с самого начала с падающей скоростью. Поэтому скорость сушки зависит не только от влажности и скорости движения дыма, но и еще в большей степени от начальной влажности материала. Так, например, при копчении колбас с начальной влажностью 150% средняя скорость сушки в течение суток до влажности 100% составила около 2 % / ч , а с начальной влажностью от 100 до 75% — 0,8—1,0 % / ч.

Так же и количество влаги, удаляемой во время копчения, находится в зависимости не только от режима и продолжительности копчения, но и от начальной влажности продукта. Оно колеблется в пределах от 20 до 60% к сухому остатку и составляет от 30 до 50% ко всему количеству удаляемой влаги.

В процессе копчения, по мере обезвоживания продукта, возрастает неравномерность распределения влажности в нем. Некоторое представление о распределении влажности дает диаграмма на рис. 57, составленная по данным ВНИИМПа для батона диаметром 50 мм [6]. В диаграмме показана влажность внешнего слоя толщиной 2 мм, среднего такой же толщины на расстоянии 10 мм от поверхности и центрального толщиной 8 мм. Температура копчения 21—23⁰ С, относительная влажность 67—74%, продолжительность копчения 5 суток.

Неравномерность распределения влажности имеет двоякое значение: во-первых, от нее зависит интенсивность развития биохимических, в том числе микробиальных процессов, и, во-вторых, структурно-механические свойства по слоям продукта. Оба фактора влияют на качественные показатели готового продукта, в связи с чем при копчении колбас следует избегать излишней неравномерности распределения влажности.

Химические изменения. Химические изменения составных частей фарша во время копчения очень разнообразны и имеют решающее значение для качества готового продукта. Наиболее важные изменения те, которые приводят к деструкции гистологической структуры тканей и к образованию новой монолитной хорошо связанной структуры, и те, которые обусловливают вкусовые и ароматические свойства продуктов.

Если исключить химическое взаимодействие наиболее реакционноспособных составных частей фарша с некоторыми коптильными веществами, ферментативная природа большинства химических процессов не вызывает сомнений. При этом ферментативным изменениям подвергаются все основные группы веществ, входящих в состав фарша: белковые вещества, липиды, углеводы, экстрактивные вещества.

Какова доля участия в этих процессах тканевых ферментов и ферментов, выделяемых микробами, еще неизвестно. Однако большая роль жизнедеятельности микроорганизмов очевидна. Об этом свидетельствует рост общего числа микробных клеток в фарше, которое увеличивается в несколько раз и достигает нескольких миллионов, а иногда и десятков миллионов в 1 г фарша. Подтверждением может служить также и то, что большинство обнаруживаемых в готовой колбасе микробов обладает протеолитическими, липолитическими, либо сахаролитическими свойствами, а некоторые из них совмещают свойства первых двух.

Следует при этом заметить, что развитие микрофлоры носит селективный характер: количество молочнокислых бактерий возрастает во много раз и к концу копчения они составляют 99% среди других групп бактерий. Уменьшается число групп кокковых и особенно резко — число грамотрицательных палочковых. Число групп грамположительных палочковых форм сохраняется на небольшом колеблющемся уровне. [11]. Следует попутно подчеркнуть, что селективный характер развития микрофлоры хорошо выражен уже во время осадки, предшествующей копчению.

Вполне вероятно, что развитие аромата и вкуса в сырокопченых колбасах связано со способностью развивающейся микрофлоры к денитрификации. Опыты с добавлением в фарш аскорбиновой кислоты, ускоряющей процессы изменения азота нитрата и нитрита, показали, что наряду с улучшением окраски фарша заметно и улучшение аромата сырокопченых колбас.

Под влиянием тканевых и микробиальных протеаз в процессе копчения с заметной скоростью протекает гидролитический распад белковых веществ, начавшийся еще во время осадки. Было обнаружено увеличение доли полипептидного азота с 2,9% до 3,4 — 3,5% к общему азоту фарша [12]. При этом нарастает также и доля остаточного азота. Но, в общем, за время осадки и копчения распадается менее 5% общего количества белков.

Хотя, судя по этим цифрам, гидролизуется сравнительно небольшая часть белковых веществ фарша, этого достаточно для заметного разрушения начальной клеточной структуры сырья. Саркоплазма мышечных волокон набухает и гомогенизируется. На отдельных участках она становится прозрачной. Границы между волокнами становятся различаемыми только по остаткам распавшихся ядер. Поперечная исчерченность мышечных волокон исчезает и обнаруживается лишь у отдельных волокон. При выработке колбас с применением бактериальных культур характер изменений примерно такой же, но они более равномерны по всему объему продукта [4].

Разрушению начальной клеточной структуры составных частей фарша сопутствует образование новой, более монолитной структуры. Она возникает в результате многочисленных коагуляционных связей между частицами, являющимися продуктами деструкции тканей. Специальных исследований по этому вопросу еще нет. Однако изменение некоторых характеристик фарша служит косвенным подтверждением. К концу копчения в 2,5—3 раза уменьшается водосвязывающая способность фарша, почти исчезает его способность к адгезии, в 1,5—2 раза уменьшается пластичность. Вместе с этим возрастает связность и прочность структуры [12].

Наряду с гидролитическим распадом белковых веществ происходит также гидролиз жиров. Скорость и глубина гидролиза жиров зависит от условий выработки колбас. Обычно кислотное число жира к концу копчения возрастает на 1,5—2,0 единицы [4]. Но в случае использования некоторых микробиальных культур оно может быть и больше. Например, при выработке колбас типа венгерской салями с применением специальных плесеней (см. главу III) оно возрастает значительно интенсивнее.

С развитием жизнедеятельности микрофлоры тесно связаны изменения нитратов и нитритов [12]. Уже к концу осадки разрушается до 20%, нитратов и накапливается некоторое количество (около 0,3 мг %) нитритов. Часть азота нитратов восстанавливается до гидроксиламина и аммиака. В некоторых случаях после осадки обнаруживается до 0,03 мг % гидроксиламина.

В период копчения продолжается распад нитратов; к концу копчения разрушается до 40% их начального количества. Возрастает количество нитритов, достигая 1,0—1,8 мг %. Продолжается более глубокое восстановление азота. При этом количество гидроксиламина несколько уменьшается, а иногда он исчезает полностью. Количество аммиака увеличивается до 1,4—1,5% к общему азоту фарша. Возможно, что не все количество аммиака должно быть отнесено за счет восстановления азота нитратов и нитритов. Часть его может образоваться в результате микробиального разложения органических азотистых веществ.

Значение изменений нитратов и нитритов, а также продуктов их восстановления, состоит, по-видимому, как указывалось (см. гл. V), не только в их влиянии на интенсивность и устойчивость окраски фарша. Учитывая тот факт, что денитрифицирующие бактерии располагают двумя типами ферментных дыхательных систем, можно ожидать, что пока в субстрате еще остается некоторое количество нитратов и нитритов, микробиальные процессы сохраняют благоприятное направление. В связи с этим можно рассматривать состояние и скорость изменений системы веществ: нитрат — нитрит — нитрозопигменты — нитроксиламин — гидроксиламин — аммиак, как показатель специфичности хода биохимических изменений фарша в процессе копчения и последующей сушки колбас.

В отличие от сырокопченых колбас штучные соленые изделия из свинины и говядины коптят как холодным (при температуре 18—22⁰ С) так и горячим копчением (при 35—45⁰ С). Повышение температуры копчения примерно вдвое увеличивает его интенсивность, в связи с чем продолжительность его уменьшается примерно в столько же раз.

Но одинаковая степень прокопченности не является свидетельством полной равноценности обоих режимов, так как повышение температуры не только ускоряет развитие некоторых биохимических изменений продукта, но и в какой-то мере меняет их направление. Это связано прежде всего с влиянием температуры на характер жизнедеятельности микрофлоры в продукте: 18—20⁰ С — оптимальная температура для развития психрофильных микроорганизмов, а 35—40⁰ С — для развития мезофилов. При более низкой температуре больше вероятность преимущественного развития микробов — антагонистов гнилостных бактерий. Поэтому при одинаковой степени прокопченности продукты холодного копчения более устойчивы к микробиальной порче.

Ниже в качестве примера приводится режим копчения некоторых соленых изделий из свинины (табл. 104).

Так же, как и при копчении колбасных изделий, распределение коптильных веществ в штучных соленых продуктах обусловлено не только глубиной слоя, но и химической природой составных частей продукта.

Таблица 104

Примерное представление о распределении коптильных веществ к концу копчения может быть иллюстрировано следующими цифрами:

Интенсивность обезвоживания соленостей за счет испарения влаги в процессе копчения зависит от температуры и относительной влажности коптильной среды. По некоторым литературным данным [24], величина таких весовых потерь находится приблизительно в линейной зависимости от температуры и влажностного дефицита среды (т. е. от разности 100—φ). В зависимости от продолжительности копчения весовые потери за счет испарения влаги составляют 8—12% к начальному весу окорока и 10—13% к весу более мелких изделий (например, бекона из грудины). Однако при любом режиме копчения степень обезвоживания недостаточна для получения продукта с высокой стойкостью к микробиальной порче. Поэтому при необходимости его следует досушивать до установленной влажности.

Обжарка — это кратковременная обработка поверхности вареных колбасных изделий перед их варкой коптильным дымом при высоких температурах. В зависимости от толщины стенки оболочки и от размеров образца, температура и продолжительность обжарки меняются. Сосиски обжариваются 40 мин при температуре 70⁰ С, а колбасы в синюгах и пузырях 120 мин при 110⁰ С. При этом вначале обжарки температуру поддерживают на уровне 45—60⁰ С, постепенно повышая ее до максимальной.

В результате обжарки кишечная оболочка и поверхностный слой продукта под оболочкой приобретают повышенную механическую прочность, становятся менее гигроскопичными и более устойчивыми к микроорганизмам, следовательно, повышаются их защитные свойства.

Поверхность колбасных изделий окрашивается в буровато-красный цвет с золотистым оттенком. Продукт приобретает приятный специфический запах и привкус коптильных веществ. Количество их зависит главным образам от отношения поверхности к объему продукта. В сосисках количество фенолов достигает 1,4 мг %, в большинстве колбас составляет около 0,5 мг %. Таким образом обжарка улучшает вкус и аромат продукта и его товарный вид. Это имеет особенное значение для колбас, изготовляемых в кишечных оболочках, которые могут придавать специфичный привкус продукту.

Упрочнение оболочки, уменьшение ее гигроскопичности и повышение стойкости к микрофлоре происходит в результате дубящего действия некоторых составных частей дыма (преимущественно альдегидов) на коллаген оболочки.

Приобретение окраски поверхностью изделий зависит не только от воздействия на нее составных частей дыма, но и от температуры. Сходный результат получается даже в том случае, когда изделия подвергаются сухому нагреву в отсутствии дымовых газов, если температура достаточно высока.

Эффект обжарки и ее продолжительность зависят от свойств и состояния оболочки, температуры, влажности и аэродинамического состояния среды и от концентрации коптильных веществ в ней.

Способность поверхности продукта к адсорбции коптильных веществ становится максимальной, когда она освобождается от избытка влаги. Однако чрезмерное высушивание снижает ее вследствие сужения капилляров в поверхностном слое продукта. Следовательно, для нормального хода обжарки необходимо, чтобы поверхность продукта обладала определенной влажностью.

Но батоны поступают в обжарку, имея температуру иногда ниже точки росы для воздуха в обжарочной камере. Поэтому в самом начале обжарки вместо подсушки может происходить конденсация влаги на поверхности продукта. И лишь после того, как температура поверхности превысит точку росы, начинается подсушивание.

Пока происходит испарение влаги с поверхности, нагрев ее идет очень медленно (1—2 град/мин ) и эффект действия дыма на поверхность невелик. С другой стороны, смешение нагретого воздуха с дымовыми газами приводит к увеличению его относительной влажности за счет влаги, образующейся при неполном сгорании топлива. Вследствие этого, если обработка поверхности дымовыми газами будет начата ранее, чем закончится ее подсушивание, общая продолжительность обжарки возрастет.

Частичное подсушивание оболочки происходит в период осадки или, при отсутствии ее, в промежуток времени между шприцеванием и обжаркой. Однако этого времени для подсушивания недостаточно, и поэтому обжарку следует вести в две фазы: первая — подсушка, вторая — собственно обжарка (обработка дымовыми газами).

Высушивание продукта продолжается и после того, как наступает фаза собственно обжарки. Это существенным образом сказывается на выходах и свойствах готовой продукции. В среднем в период обжарки колбасные изделия теряют в весе за счет испарения влаги: сосиски до 10—12%, вареные колбасы до 4—7%, полукопченые колбасы до 7%.

Скорость испарения влаги во время обжарки имеет двоякое значение: в первой фазе процесса, когда происходит подсушивание поверхности, желательно повышение скорости испарения; во второй фазе, когда идет собственно обжарка, наоборот.

В условиях обжарки повышение температуры на 10⁰ С увеличивает скорость испарения в среднем на 15%. Еще большую роль играет относительная влажность смеси коптильного дыма и воздуха. При ее снижении с 12 до 5% скорость испарения возрастает на 30%. Регулируют скорость испарения изменением температуры и относительной влажности дыма и воздуха в зависимости от технологических требований. Для каждого вида продукта установлена определенная температура обжарки, а относительная влажность дыма и воздуха должна быть не ниже 3%. Иначе оболочка теряет эластичность и легко разрушается. При относительной влажности дыма и воздуха выше 25% обжарка сильно замедляется, поверхность батона долго сохраняет серую окраску. Кроме того, может произойти сваривание коллагена прежде, чем начнется собственно обжарка. Поэтому регулировать скорость испарения в первой фазе обжарки следует в основном за счет изменения скорости движения дыма и воздуха.

Так как коэффициент испарения при направлении движения среды перпендикулярно поверхности больше, чем при параллельном, подсушку выгоднее вести, направляя поток среды перпендикулярно поверхности. Следует, однако, учитывать, что при скорости выше 3—5 м/сек возникает опасность неравномерной сушки и, значит, неравномерной обжарки. Окраска батона, защищенного от непосредственного воздействия дыма и воздуха, может оказаться слабой, а поверхность, которая соприкасается с горячим потоком, может получить ожоги. Кроме того, вследствие слишком интенсивного испарения из глубины батона к его поверхности вместе с влагой диффундируют растворимые в ней вещества, в том числе и нитрит, концентрируясь в наружном слое. Если перед обжаркой фарш не был выдержан достаточное время, образуется окрашенное кольцо по периферии при очень бледной окраске в центре батона.

Рис. 58. Зависимость между густотой дыма и цветом поверхности колбас.

Рис. 59. Зависимость между цветом поверхности и произведением Е τ.

В фазе собственно обжарки важное значение приобретает концентрация воздушно-дымовой смеси, так как она имеет решающее значение для продолжительности этой фазы. Но при чрезмерно большой густоте дыма цвет поверхности становится слишком темным. На рис. 58 приведена диаграмма зависимости цвета поверхности от густоты дыма. Оптимальная густота дыма, выражаемая через экстинкцию ε (светопроницаемость, определяемая с помощью фотоэлектрического дымомера), колеблется в пределах 0,26—0,29 [20].

Конечный результат обжарки (цвет поверхности продукта) может быть выражен, как функция произведения экстинкции на продолжительность обработки продукта дымовыми газами в часах. Зависимость между этим произведением и цветом поверхности показана на диаграмме (рис. 59). Оптимальная величина произведения лежит в пределах 0,085—0,095 и зависит от температуры, относительной влажности и скорости движения коптильной среды. На рис. 60 и 61 приведено графическое выражение зависимости произведения от температуры и от скорости движения коптильной среды [20]. Повышение относительной влажности с 5 до 15% уменьшает произведение незначительно.

Влияние температуры на продолжительность обжарки в пределах 80—120⁰ С и при скорости потока в границах 0,2—8,0 м/сек может быть учтено уравнением [21]:

где

t — температура, ⁰С;

τ — время, мин;

В и п — постоянные для определенного продукта и скорости потока. Оптимальная скорость потока 5—6 м/сек дает наименьшую усушку.

Рис. 60. Влияние температуры t⁰ на произведение Е τ .

Рис. 61. Влияние скорости движения коптильной среды

v

на произведение

Е τ .

При одном и том же значении величины экстинкции дыма изменение величины произведения характеризует изменение продолжительности обработки продукта дымовыми газами, т. е. собственно обжарки. Таким образом, зная величину произведения, легко определить продолжительность собственно обжарки.

Во время обжарки температура в толще изделий с небольшим диаметром повышается до 40—50⁰ С, а с большим — до 30—40⁰ С. В течение какого-то промежутка времени в обоих случаях она находится в пределах, благоприятствующих деятельности ферментов и развитию микроорганизмов (25—35⁰ С). Это способствует цветообразованию. Происходит восстановление метмиоглобина с образованием нитрозомиоглобина при участии тканевых редуцирующих веществ и бактериального фермента нитритредуктазы, стимулирующего превращение нитрита в окись азота.

С другой стороны, в глубине батонов большого диаметра возрастает количество микробов. Если температура обжарки поддерживается на недостаточно высоком уровне, а продолжительность соответственно возрастает, ускоряется распад нитрита до молекулярного азота. Окраска исчезает, фарш становится ноздреватым. При неблагоприятных условиях (несоблюдение температурного режима во время посола, куттерования, осадки) может произойти закисание фарша. Особенно опасна в этом смысле задержка между операциями обжарки и варки.

Применение коптильных препаратов

Различные коптильные препараты применяют с целью замены обработки мясных продуктов коптильным дымом. Использование коптильных препаратов имеет свои преимущества и недостатки. Преимущества в основном сводятся к следующему:

более точно можно регулировать дозировку и состав коптильных веществ, вводимых в продукт, исключая из него нежелательные компоненты (в частности канцерогенные вещества);

упрощается обработка продукта — нет необходимости использовать сложное оборудование для получения и кондиционирования коптильного дыма и собственно копчения.

К недостаткам относятся невозможность одновременного совмещения обработки продукта коптильными веществами с другими технологическими процессами (тепловой обработкой, обезвоживанием и т. д.); необходимость применения в некоторых случаях дополнительных операций, что усложняет технологический процесс в целом.

Ранее было показано, что при обычном копчении коптильные вещества сосредоточиваются во внешнем слое продукта в количествах, достаточных для создания бактерицидной и антиокислительной зоны; в более глубоких слоях их количество остается незначительным. При употреблении коптильных препаратов такого рода эффект получить очень трудно. Если коптильные препараты равномерно распределяются по всему объему в концентрации, присущей внешнему слою, их общее количество будет значительно большим, чем при обычном копчении. При обработке продукта коптильным препаратом с поверхности его следует дозировать с учетом потерь коптильных веществ во внешнюю среду во время последующих этапов технологической обработки (например, сушки). Имея в виду различные физические свойства составных частей препарата, можно ожидать значительных изменений их количественных соотношений к концу технологической обработки.

Компоненты любых коптильных препаратов отличаются высокой химической активностью. Вследствие этого их состав подвержен значительным изменениям, в особенности при высоких концентрациях. Поэтому концентрированные коптильные препараты пригодны для употребления в течение ограниченного времени. Неконцентрированные — содержат лишь незначительное количество (около 3—5%) полезных веществ, и их транспортировка на большие расстояния неэкономична.

Коптильные препараты можно использовать в производстве некоторых мясопродуктов. Показана возможность изготовления сырокопченых колбас при замене копчения введением коптильных препаратов в фарш при его изготовлении, а также защиты от плесневения при их сушке и созревании [16]. Проведены опыты по замене обработки колбас дымом при обжарке коптильными препаратами перед обжаркой [2, 3]. Однако было бы преждевременным считать вопрос о промышленном применении коптильных препаратов решенным. До сих пор еще не установлен оптимальный состав коптильных препаратов, способных заменить коптильный дым; не разработаны методы стабилизации состава концентрированных коптильных препаратов, позволяющие затормозить химическое взаимодействие их составных частей при длительном хранении; не отработана технология применения коптильных препаратов в производственных условиях.

Практически можно пока говорить только об использовании коптильных препаратов в качестве вспомогательного средства для обработки поверхности (либо оболочки) при обжарке вареных колбасных изделий, предотвращения плесневения при сушке сыровяленых колбас, а также для придания аромата копчения путем введения этих препаратов в фарш.

Предложено довольно много типов коптильных препаратов. Рекомендуемые в настоящее время коптильные препараты различаются прежде всего способами их получения, что, собственно говоря, и предопределяет различие в их составе. Пользуются в основном тремя путями их получения: из подсмольной воды, представляющей собой конденсат при сухой перегонке древесины, из отходов лесохимического производства, из коптильного дыма.

Коптильные препараты из подсмольной воды получают, освобождая ее от нежелательных компонентов. Примерами могут служить коптильная жидкость ВНИРО, коптильная жидкость ВНИИМПа В-1.

Коптильную жидкость ВНИРО получают путем удаления из подсмольной воды низкокипящих фракций (метилового спирта, формальдегида и пр.) упариванием до 1/4 исходного объема, с последующей нейтрализацией остатка бикарбонатом натрия, удалением из него всплывающих смол и улучшением ароматических свойств продувкой воздухом при 75⁰ С. Коптильный препарат нашел применение при посоле рыбы [17].

Коптильная жидкость В-1 отличается тем, что из жидкости после удаления смол коптильные вещества извлекают органическим растворителем, который затем удаляют под вакуумом; остаток очищают фильтрованием. Примерный состав коптильной жидкости В-1 (в %) [6]:

Фенолов 0,45—0,50 Смолистых веществ 1,1—1,2 Альдегидов 0,15 Уксусной кислоты 0,4—0,5 Углеводов 0,11

Она не содержит канцерогенных углеводородов и формальдегида и содержит следы ацетона и метилового спирта. Испытана для замены коптильного дыма при обжарке вареных колбас, но промышленного применения не получила.

Примером получения коптильной жидкости из отходов других производств может служить изготовление препарата КВ-1, предложенного институтом народного хозяйства им. Плеханова. Его получают из водного экстракта (кислой воды), получающегося при газификации древесины в генераторе системы Померанцева. Кислую воду упаривают для удаления низкокипящих фракций до удельного веса около 1,3 (температура кипения 125—130⁰ С). Упаренная жидкость и представляет собой коптильный препарат, который применяют после разведения в 7—10 раз.

В составе препарата содержатся (в %,) [13]:

Фенолы 5,7—6,4 Альдегиды и кетоны (в пересчете на карбонильную группу) 0,22—0,27 Кислоты (в пересчете на уксусную) 7,7—9,8 в т. ч. летучие 3,5—4,7 Спирты (в пересчете на метанол) 0,05—0,06 Эфиры (в пересчете на метилацетат) 0,43—1,12 Нерастворимые смолы 7,1—10,1

Препарат не содержит канцерогенных веществ.

Достоинства препарата — простота получения. Основной недостаток — случайный и ничем не обоснованный в технологическом отношении состав. Препарат испытан для замены дыма при обжарке колбасных изделий путем нанесения на поверхность колбас с последующей обработкой их горячим воздухом [2]. Тщательная проверка вкусовых достоинств продукции, вырабатываемой с применением препарата КВ-1, показала, однако, что идентичности вкусовых ощущений с продукцией, вырабатываемой с применением коптильного дыма, она не дает. При оценке вкуса обнаруживается легкий привкус горечи и дегтя.

Коптильная жидкость КВ-1, как показали опыты, проведенные в МТИММПе, оказалась вполне пригодной для легкой обработки поверхности с целью предотвращения плесневения при сушке сыровяленых колбасных изделий.

Теоретически наиболее оправданным является метод получения коптильной жидкости из коптильного дыма. Одним из примеров может служить коптильная жидкость МТИММП. Подсушенную древесину нагревают в слабом токе воздуха, не допуская воспламенения. Из конденсата центрифугированием отделяют нерастворимые смолы, после чего из полученной жидкости путем дестилляции под вакуумом около 500—600 мм рт. ст . выделяют фракции, кипящие в пределах 120—190⁰ С. Жидкость была испытана для замены копчения колбас введением ее в фарш. При дегустации отличия по вкусу и запаху от обычных сырокопченых колбас обнаружено не было [16]. Колбаса хранилась без признаков порчи несколько месяцев. Однако состав препарата не был исследован, вследствие чего вопрос о его промышленном использовании остался нерешенным.

На основе исследований ВНИИМПом предложен коптильный препарат, который, судя по результатам хроматографического анализа и дегустаций, выгодно отличается от других, известных в настоящее время [1]. Препарат готовят из конденсата дыма, получаемого сжиганием древесины в дымогенераторе при температуре 270—320⁰ С. Конденсат освобождают перегонкой от тяжелых углеводородов, смолистых веществ, метилового спирта и других балластных компонентов. Он содержит 1,5—1,7% сухих веществ и характеризуется следующим составом (в %):

Кислоты 1,0—1,5 Фенолы 0,06—0,10 Метиловый спирт Около 0,035 Фурфурол Около 0,060 Сложные эфиры Около 0,10 Карбонильные соединения в моль/100 мл 6,0—10,0

В составе препарата формальдегида и 3,4-бензпирена не обнаружено.

Препарат (в л ) рекомендуется вводить в фарш (на 1 т ) для колбас:

Вареных	4 л
Полукопченых	5—6 л
Сырокопченых	8—10 л

Способы получения коптильных препаратов в настоящее время еще не имеют достаточной теоретической основы. Они еще не обеспечивают полностью того аромата и вкуса, которые имеют продукты при обычном копчении. Слабее выражены также бактерицидные и антиокислительные свойства. Правда, антиокислительные свойства могут быть усилены введением синергистов. Ниже приведены данные, характеризующие влияние аскорбиновой кислоты на антиокислительные свойства одной из коптильных жидкостей (на измельченной свинине, хранившейся 6 месяцев при —17⁰ С) [30].

Перекисное число в мм экв на 100 г жира 1. Контрольный 38 2. С добавлением 0,1% аскорбиновой кислоты  71 3. С добавлением коптильных веществ 20 4. С добавлением аскорбиновой кислоты и коптильных веществ 6

Опыт

[Назад] [Вперед]

Глава VIII

СУШКА МЯСОПРОДУКТОВ

СУШКА, КАК СПОСОБ КОНСЕРВИРОВАНИЯ

Обмен веществ в живых организмах протекает в водной среде. Недостаток воды нарушает его, и, следовательно, замедляет или полностью приостанавливает жизнедеятельность микроорганизмов. Минимальная влажность белковых продуктов, при которой возможно развитие бактерий, равна примерно 25—30%; плесневые грибы могут размножаться при влажности продуктов около 15% и даже на более сухих, если влажность воздуха выше 75%, а температура не ниже 10⁰ С.

Так как при высокой относительной влажности воздуха высушенные продукты могут сорбировать влагу из воздуха и изменяться под действием кислорода, их можно хранить длительное время лишь при одном из двух условий: если относительная влажность воздуха не превышает

допустимого для данного случая максимума, если продукт полностью изолирован от внешней среды. Чаще необходимы оба условия.

Высушенный белковый продукт, будучи хорошо изолированным от внешней среды, может сохраняться неопределенно долгое время. Поэтому сушка относится к способам консервирования, которые могут полностью предотвратить микробиальную порчу белковых продуктов.

Обезвоживание, если оно происходит в условиях, которые сами по себе не могут служить причиной гибели микроорганизмов, не ведет к их отмиранию. Осторожное высушивание под глубоким вакуумом является одним из способов консервирования бактериальных культур, имеющих промышленное значение. Однако с течением времени неспорообразующие микроорганизмы на сухих продуктах или в обезвоженных средах постепенно отмирают. Интенсивность отмирания зависит от условий хранения сухих препаратов. Колбасный фарш, высушенный до влажности 25% и помещенный в герметичную консервную банку под вакуумом, хранили в течение года. Количество микроорганизмов в нем изменялось

следующим образом [11]:

Продолжительность хранения в неделях	Количество микробов в 1 г
о	24300000
3	400000
12	21000
25	750
49	110

Микроорганизмы обладают различной стойкостью к обезвоживанию. Спорообразующие микроорганизмы переносят обезвоживание сравнительно легко. Микроорганизмы, не образующие спор, на обезвоженном продукте отмирают в разные сроки, которые зависят от их биологических особенностей, свойств продукта, а также условий сушки и хранения его. Протей в сухой кормовой муке отмирал через 30

—

45 суток, в то время как кишечная палочка и бактерии паратифозной группы сохранялись и по истечении 5 месяцев [

11

]. Таким образом, хотя высушенные продукты характеризуются сравнительно небольшой микробиальной загрязненностью, но стерильными не являются. Сушка, следовательно, не может быть использована для стерилизации и обезвреживания пищевых продуктов, пораженных вредоносной микрофлорой.

Если она производится при соответствующих условиях (например, под глубоким вакуумом и при достаточно низких температурах), то не вызывает инактивирования биоактивных веществ

—

ферментов, гормонов, витаминов, антибиотиков.

Сушка обладает весьма существенным преимуществом в сравнении с другими способами консервирования: высушенные продукты имеют значительно меньший вес и меньший объем при одинаковом содержании питательных веществ. Это облегчает их хранение и транспортировку.

Однако этот способ имеет и существенные недостатки. Высушенные продукты во многих случаях нельзя использовать без предварительного их обводнения, которое иногда требует длительного времени и особых условий. В процессе сушки вместе с водяными парами улетучиваются во внешнюю среду ароматические и летучие вкусовые вещества. Возможно также химическое взаимодействие составных частей продукта с кислородом воздуха, изменения продукта под влиянием повышенной температуры в процессе

сушки и т. д. Все это требует соблюдения определенных условий сушки применительно к особенностям продукта и осложняет сам процесс. Так как необходимая для устойчивого консервирования степень обезвоживания продукта делает его мало пригодным к употреблению без предварительного обводнения, целесообразно сочетать неполное обезвоживание с другими приемами консервирования — посолом, копчением.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СУШКИ

Значение влажностного состояния материала

В зависимости от влагосодержания материал, будучи в контакте с воздухом, сорбирует или десорбирует влагу до равновесного состояния, характеризуемого равновесной влажностью W_p. Равновесное состояние наступает в момент, когда парциальное давление пара у поверхности материала выравнивается с парциальным давлением пара в окружающем воздухе.

Кривая, выражающая зависимость равновесной влажности материала от относительной влажности воздуха, полученная путем сорбции при постоянной температуре, называется изотермой сорбции, а десорбции — изотермой десорбции. Эти кривые полностью совпадают только в точках, отвечающих крайним значениям относительной влажности воздуха: φ = 0 и φ

= 1. При любых других значениях относительной влажности воздуха равновесная влажность материала, установленная путем десорбции, несколько превышает установленную путем сорбции. Следовательно, равновесная влажность сорбции меньше истинной, а равновесная влажность десорбции больше истинной. Так как для чисто практических целей эта

разница не имеет существенного значения, удобнее пользоваться кривой, занимающей промежуточное положение — изотермой сорбции — десорбции, или кривой равновесия.

На рис. 62 приведены кривые равновесия для некоторых материалов, встречающихся в мясной промышленности.

Равновесная влажность зависит от свойств материала и частично от температуры. Равновесная влажность некоторых материалов (для температур 10—25⁰ С) дана в табл. 105 [22].

Таблица 105

Материалы	Равновесная влажность при относительной влажности воздуха, %
	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Желатин	—	1,6	2,8	3,8	4,9	6,1	7,6	9,3	11,4	—
Клей	—	—	—	7,0	7,5	8,4	9,8	11,0	12,4	—
Колбасный фарш	2,5	3,4	4,5	5,8	7,4	10,0	14,5	—	—	—
Сухое яйцо	—	—	5,0	—	7,1	8,7	11,6	15,4	—	28,2
Сухой яичный белок	—	9,0	10,0	—	13,5	16,0	22,8	31,4	—	66
Говядина сырая рубленая	—	3,5	5,5	7,8	10,2	12,9	15,8	19,2	23,0	—
Кровь распылительной сушки	—	1,90	3,0	4,2	5,4	6,7	8,1	9,7	11,3	—

Для многих коллоидных материалов температура практически не влияет на равновесную влажность. Однако для крови и яйца, а также большинства коллоидных капиллярно-пористых тел (например, мяса) она уменьшается с повышением температуры. Равновесная влажность мясопродуктов уменьшается при тепловой денатурации белков.

Рис. 62. Равновесные кривые:

1

— для коллагена;

2 —

для яичного альбумина.

Максимальная влажность, которая может быть достигнута путем сорбции влаги из воздуха — это равновесная влажность при относительной влажности воздуха, соответствующей его полному насыщению водяным паром, т. е. при φ

= 1

. Эта влажность называется гигроскопической W_г. Влажностное состояние материала при его влагосодержании, равном гигроскопическому или меньше его, называется гигроскопическим.

Материал может достигнуть влажности больше гигроскопической только при

непосредственном контакте с капельножидкой влагой. Будучи погруженным в воду, он насыщается до максимального влагосодержания.

Влажностное состояние материала при влагосодержании больше гигроскопического называется влажным состоянием.

Ход сушки тесно связан с влажностным состоянием материала. До тех пор, пока материал находится во влажном состоянии, т. е. пока его влажность больше максимальной гигроскопической, испаряется лишь влага осмотическая и макрокапилляров. Давление пара влаги материала не зависит от его влагосодержания. При этом влага переносится внутри материала в капельно-жидком состоянии.

В реальных условиях сушки, когда в толще материала существует градиент влагосодержания, влагосодержание на поверхности материала всегда меньше среднего. Соответственно этому давление пара влаги на поверхности материала практически остается постоянным лишь до тех шор, пока влагосодержание на поверхности превышает максимальное гигроскопическое. До этого момента испарение влаги с поверхности происходит сходно с испарением со свободной поверхности воды. Поверхность материала все это время остается влажной.

Как только влажность материала (практически влажность его поверхности) станет равной максимальной гигроскопической, давление пара поверхности материала начнет уменьшаться, так как начнется испарение более прочно связанной влаги.

Последовательность испарения и характер переноса влаги находятся в соответствии с изотермой равновесия (рис. 62). Участок изотермы в интервале φ от 0,9 до 1,0 соответствует в основном влаге микрокапилляров (радиусом менее 10

^-5 см

)

и частично (вблизи φ = 1) оставшейся осмотической влаге; это наименее прочно связанная часть гигроскопической влаги; перенос ее в материале происходит частично в жидком, частично в парообразном состоянии.

Участок изотермы в интервале φ от 0,1 до 0,9, обращенный выпуклостью к оси ординат, соответствует той части адсорбционной влаги, которая образует полимолекулярный слой вблизи центров гидратации; эта влага связана с материалом более прочно.

Участок изотермы в интервале

φ ξ

т 0 до 0,1 соответствует той части адсорбционной влаги, которая образует мономолекулярный слой и связана с материалом наиболее прочно; изотерма сорбции на этом участке обращена выпуклостью к оси абсцисс. Перенос адсорбционной влаги происходит в парообразном состоянии.

Соответственно этому последовательность удаления влаги при сушке примерно такова. Вначале удаляется осмотическая влага и влага макрокапилляров. Температура материала в этот период постоянна и близка к температуре мокрого термометра. Затем начинается последовательно удаление влаги микрокапилляров, адсорбционной влаги, образующей полимолекулярный слой, и, наконец, адсорбционной влаги, составляющей мономолекулярный адсорбционный слой. Температура материала начинает повышаться, как только он достигнет гигроскопического состояния. Она выравнивается с температурой греющей среды к началу удаления мономолекулярной адсорбционной влаги.

На практике не наблюдается такой строгой последовательности, так как влага распределяется неравномерно по толщине слоя. Вследствие этого удаление влаги, связанной различными формами связи, частично совмещается по времени. Но если сушку приостановить в подходящий для этого момент, в материале можно оставить в основном только ту влагу, которая удерживается определенной формой связи.

Механизм сушки

Процесс сушки слагается из трех фаз:

парообразования на поверхности сушимого материала или в глубине его;

переноса образовавшихся паров во внешнюю среду через пограничный слой (внешней диффузии);

переноса влаги внутри материала к его поверхности (внутренней диффузии), при этом, если парообразование происходит на поверхности, влага внутри материала перемещается в виде жидкости, а если в глубине, то от поверхности испарения к поверхности материала в виде пара.

Следовательно, ход сушки зависит от скорости фазового превращения влаги, от механизма и скорости перемещения влаги внутри материала и от скорости ее перехода в окружающую среду через пограничный слой. Таким образом, он определяется тепло- и влагообменом внутри материала и вне его — в пограничном слое.

Механизм внешнего переноса влаги зависит от степени разрежения окружающей среды (газа, воздуха). Если она не очень велика, влага переносится через пограничный слой, в пределах этого слоя преимущественно путем диффузии, а за его пределами — конвективным путем. При высоком разрежении (например, в случае сублимационной сушки) пограничный слой практически отсутствует. Влага перемещается свободно (молярный поток) в окружающую среду с более низким парциальным давлением пара.

Пограничный слой образуется в результате трения движущегося газа (воздуха) о поверхность материала. Все основные параметры состояния воздуха в пограничном слое отличаются от соответствующих параметров воздуха остальной части окружающей среды. Пограничный слой оказывает дополнительное сопротивление внешнему переносу влаги и тепла, и тем больше, чем больше его толщина.

В пределах пограничного слоя скорость движения и температура воздуха уменьшаются, а его влагосодержание увеличивается в направлении к поверхности тела. Иначе говоря, пограничный слой характеризуется наличием градиентов скорости и температуры, направленных от поверхности к потоку воздуха, а также градиента влажности с противоположным направлением. Расстояние от точки появления градиента скорости в потоке до обтекаемой поверхности составляет толщину пограничного слоя. Она зависит от состояния поверхности (шероховатости), свойств обтекающего газа (его вязкости) и обратно пропорциональна скорости движения потока воздуха, обтекающего материал.

Градиент влагосодержаний, или градиент парциальных давлений пара, вызывает диффузию пара в направлении от поверхности материала к потоку воздуха. Температурный градиент усиливает перемещение воздуха к поверхности материала. Благодаря этому диффузионный перенос пара через пограничный слой дополняется вытеснением пара воздухом. Это уменьшает сопротивление пограничного слоя на величину, равную разности температур воздуха в потоке и у поверхности материала.

До тех пор, пока влажность поверхности материала остается больше максимальной гигроскопической, испарение влаги происходит с поверхности практически с постоянной скоростью [21]. Интенсивность испарения в этот период

(VIII-1)

где

a

_т — коэффициент влагообмена, кг/ ( м ² • ч • мм рт. ст .);

В — барометрическое давление, мм рт. ст. ;

р _м — парциальное давление пара у поверхности материала, мм рт. ст. ;

р _п — парциальное давление пара в воздухе, мм рт. ст.

Коэффициент влагообмена a

_т

зависит в основном от скорости движения воздуха, отчасти от температуры, направления потока воздуха относительно материала, а также от формы и размеров поверхности испарения.

Интенсивность испарения с поверхности материала в период, когда она находится во влажном состоянии, определяет и интенсивность сушки. Она может быть близкой к интенсивности испарения воды с свободной поверхности, если влажность материала велика, как, например, при сушке желатинового студня (до 900% к сухому веществу).

С момента, когда влажность поверхности материала становится меньше гигроскопической, и зона испарения перемещается на некоторую глубину, интенсивность влагоотдачи в окружающую среду зависит от разности концентраций влаги на поверхности и в окружающей среде. Имея в виду, что влагосодержанию воздуха отвечает равновесная влажность материала, интенсивность

влагообмена может быть выражена уравнением [21]

(VIII-2)

где

b

—

коэффициент влагообмена, м/ч ;

γ₀

— удельный вес сухого вещества материала, кг/м ³;

и _р — равновесное влагосодержание, кг/кг сухого вещества;

и _п — влагосодержание на поверхности материала, кг/кг сухого вещества.

Перенос влаги внутри материала

Перенос влаги в окружающую среду с поверхности материала создает перепад влажности внутри него. В результате начинается перемещение влаги изнутри к поверхности материала, обусловленное возникновением влажностного градиента.

Движущей силой переноса является его потенциал, а форма обусловлена состоянием влаги в материале. Адсорбционная влага перемещается в материале в виде пара, и ее потенциал — парциальное давление пара. Капиллярная влага перемещается либо в виде жидкости (и тогда потенциалом переноса будет капиллярный потенциал), либо в виде пара (и тогда им является его парциальное давление). Осмотическая влага перемещается преимущественно в виде жидкости; потенциалом переноса является осмотическое давление. При интенсивном парообразовании внутри материала, когда объем влаги резко возрастает, потенциалом переноса может быть общее давление внутри материала.

Форма переноса пара через капилляры зависит от диаметра капилляров. В крупных капиллярах влага перемещается путем диффузии. В капиллярах, диаметр которых соизмерим с длиной свободного пробега молекул пара, перенос происходит путем эффузии — в виде молекулярного потока, в котором молекулы движутся независимо друг от друга. Так как длина свободного пробега молекул водяного пара при нормальном давлении и температуре 15⁰ С составляет 0,42·10

^-5 см, в капиллярах радиусом менее 10^-5 см пар будет переноситься путем эффузии даже при обычных условиях сушки. Потенциал эффузии в некоторой степени зависит от температуры, но при сушке это мало заметно. Поэтому его принимают равным давлению пара в материале.

В связи с тем, что с изменением влагосодержания материала изменяется соотношение количеств влаги, связанной с ним различными формами, при его большой влажности влага переносится в виде жидкости, при малой — частью в виде жидкости (до зоны испарения), частью в виде пара (от зоны испарения до поверхности).

При условиях сушки, когда перенос влаги внутри материала вызывается только наличием влажностного градиента (изотермический режим), закон переноса влаги может быть представлен уравнением[21]

(VIII-3)

где

q_т

— плотность потока влаги, т. е. количество влаги, переносимое в единицу времени через единицу поверхности одинакового потенциала;

а_т —

коэффициент потенциалопроводности влагопереноса (аналогичен коэффициенту температуропроводности);

γ

₀ —

вес абсолютно сухого вещества в единице объема влажного материала;

—

градиент влагосодержания в килограммах влаги на 1 кг сухого вещества.

Коэффициент потенциалопроводности влагопереноса

(VIII-4)

где

λ _т — коэффициент влагопроводности кг/ (м

•

ч

•

единица потенциала) (аналогичен коэффициенту теплопроводности);

c_т — удельная влагоемкость материала.

С учетом этого уравнение (

V

Ш-

3

) может быть представлено в виде

(VIII-5)

Коэффициент влагопроводности зависит от свойств материала, его влажности и от температуры.

Влияние свойств материала на коэффициент влагопроводности сказывается в той мере, в какой материал может быть отнесен к одной из основных групп; капиллярно-пористым, коллоидным или коллоидным капиллярно-пористым. Он имеет наибольшую величину для первой группы материалов, наименьшую для второй и промежуточную для третьей.

Влияние влажности материала на коэффициент влагопроводности обусловлено формами связи удаляемой влаги с ним. Он меняется в зависимости от того, какая влага в преобладающем количестве удаляется на данной стадии сушки, так как с этим связаны и вид переноса влаги (жидкость, пар) и прочность ее связи с материалом. Для той части капиллярной влаги, которая перемещается в виде жидкости, коэффициент влагопроводности практически постоянен; для осмотической он увеличивается с уменьшением влажности материала.

Соответственно этому в период, когда перенос влаги происходит в виде жидкости, для коллоидных материалов, в которых преобладает осмотически связанная влага, коэффициент влагопроводности в области больших влагосодержаний (для желатина примерно более 8 кг/кг ) увеличивается до момента, когда практически удаляется вся осмотическая влага. Но для технических расчетов он может быть принят как постоянный и равный его среднему значению.

Для коллоидных капиллярно-пористых материалов коэффициент влагопроводности в области высоких влагосодержаний (несколько больше 1 кг/кг), когда преобладает перенос влаги в виде жидкости, практически постоянен.

С момента, когда начинается перенос влаги в виде пара, коэффициент влагопроводности начинает уменьшаться по мере уменьшения влажности материала.

Коэффициент влагопроводности в сильной мере зависит от температуры. Эта зависимость выражается уравнением

(VIII-6)

где

Т

—

абсолютная температура;

п — показатель степени, зависящий от свойств материала (достигает 10—14)

.

В практических условиях сушки, когда, начиная с момента перехода материала из влажного в гигроскопическое состояние начинается и повышение температуры, на величине коэффициента влагопроводности сказывается влияние обоих факторов:

влажности материала и температуры. Но так как повышение температуры оказывает большее влияние, чем уменьшение влажности, этот коэффициент с определенного момента начинает возрастать. В связи с этим во втором периоде сушки коэффициент влагопроводности вначале уменьшается, а затем

начинает возрастать. В области очень малых влагосодержаний он снова несколько уменьшается.

При неизотермическом переносе влаги, т. е. когда наряду с наличием влажностного градиента в материале возникает и температурный градиент, влажностный поток будет определяться не только градиентом влажности, но также и градиентом температуры [21]. При этом влажностный поток, обусловленный наличием температурного градиента, по направлению будет совпадать с тепловым потоком (от точки с более высокой температурой к точке

с менее высокой температурой).

В основе явления термовлагопроводности так же, как и при обычной диффузии, лежит молекулярное движение частиц. Вследствие возникновения температурного градиента появляется градиент плотности жидкости или пара в материале. Этот градиент обусловливает диффузию частиц жидкости или пара в направлении большей плотности, совпадающем с направлением теплопотока.

В коллоидных капиллярно-пористых материалах термодиффузия дополняется капиллярной термовлагопроводностью и относительной термодиффузией пара и воздуха. Так как при повышении температуры поверхностное натяжение уменьшается, в холодном конце капилляра оно будет больше, чем в теплом

.

Это вызывает перемещение влаги от более теплых частей материала к более холодным (капиллярная термовлагопроводность). В порах материала находится некоторое количество воздуха. Его приведенный молекулярный вес (29) больше молекулярного веса водяного пара (18). В связи с этим воздух будет перемещаться по направлению потока тепла, а водяной пар в противоположном ему направлении (относительная термодиффузия). Это уменьшает термовлагопроводность.

Суммарное влияние влажностного и температурного градиентов учитывается уравнением [21]:

(VIII-7)

где

—

градиент температуры, град/м;

δ

—

коэффициент термовлагопроводности (термоградиентный коэффициент).

Термоградиентный коэффициент показывает величину градиента влажности, создаваемого температурным градиентом, равным 1 град/м. Если градиент влажности выразить в % м, термоградиентный коэффициент будет иметь размерность % /град .

Знак термоградиентного коэффициента зависит от того, как направлен поток, вызываемый термовлагопроводностью, относительно потока, вызываемого влагопроводностью. Если они совпадают

—

термоградиентный коэффициент имеет положительный знак, если нет

— отрицательный.

Термоградиентный коэффициент δ так же, как и коэффициент влагопроводности, зависит от влагосодержания материала. В большинстве случаев он возрастает до некоторого максимума с повышением влагосодержания до величины порядка (0,15— 0,5 кг/кг ), а затем начинает уменьшаться, приближаясь к нулю на границе адсорбционно связанной и свободной влаги. Максимальное значение δ смещается в сторону меньшего влагосодержания с повышением температуры. При очень низкой влажности материала термоградиентный коэффициент становится отрицательным из-за преобладания явления относительной термодиффузии.

Для материалов с большим содержанием осмотической влаги коэффициент δ уменьшается с повышением температуры. Для капиллярно связанной жидкости δ с повышением температуры несколько увеличивается.

Перенос водорастворимых веществ

Перемещение влаги в виде жидкости влечет за собой перенос растворенных в ней веществ в направлении влагопотока. При этом вблизи зоны испарения происходит концентрирование этих веществ вследствие испарения влаги. В большинстве случаев это явление нежелательное. Так, при сушке соленых изделий это может повести к выпадению кристаллической соли на поверхности продукта. При тепловой обработке колбасных изделий, связанной с испарением влаги с поверхности продукта, может образоваться розовое кольцо в результате переноса нитрита. При этом центральная часть на разрезе может оказаться серого цвета.

Избежать этого можно либо путем увеличения потока пара, взамен потока жидкости в материале, либо путем повышения температурного градиента, направленного от поверхности.

Заменить поток жидкости потоком пара можно, уменьшая коэффициент потенциалопроводности при одновременном увеличении интенсивности сушки. Для этой цели можно уменьшить φ воздуха.

Деформация в процессе сушки

В процессе сушки происходит естественное уменьшение размеров образца, вызываемое удалением влаги (если она не находится в твердом состоянии, как это имеет место при сублимационной сушке). Это естественное уменьшение размеров называется усадкой.

В ходе сушки возникает неравномерность распределения влаги по сечению образца, характеризуемая градиентом влажности. Если этот градиент не больше допустимого (т. е. неравномерность распределения влажности не является чрезмерной), усадка равномерна по всему объему и не сопровождается деформацией или разрушением образца.

Зависимость между объемом и влагосодержанием материалов близка к линейной, т. е.

(VIII-8)

где

V —

объем образца при среднем влагосодержании и (влажности W );

V ₀ — объем абсолютно сухого образца;

b

_v — коэффициент объемной усадки, выражающий относительное уменьшение объема образца при изменении его влажности на 1%.

Каждый материал характеризует определенный коэффициент объемной усадки. Последний может быть легко найден из экспериментально полученного графика уравнения (

VIII

-8), которое описывается прямой. Тангенс угла наклона этой прямой и будет численным выражением коэффициента объемной усадки.

Для материалов, высушиваемых в образцах в виде тонких пластин, практический интерес представляет коэффициент линейной усадки

а

.

Зависимость между толщиной или длиной (шириной) образца от влажности также близка к линейной:

(VIII-9)

где

l — линейный размер образца при влажности W ;

l ₀ — линейный размер абсолютно сухого образца;

а — коэффициент линейной усадки, характеризующий относительное уменьшение линейного размера образца при изменении влажности на 1 %.

Коэффициент линейной усадки специфичен не только для природы материала. Он может быть различным для разных линейных размеров образца, если его структура неоднородна в разных измерениях. Например, для кожи коэффициент линейной усадки по толщине равен 0,0023, а по длине и ширине он примерно втрое меньше.

Если в процессе сушки возникает градиент влажности, направленный к центру образца, как это характерно для конвективной сушки, поверхностные слои оказываются более сухими, чем внутренние. Соответственно этому усадка внешних слоев должна быть больше усадки внутренних. В результате в образце возникает объемно-напряженное состояние, вызывающее деформацию растяжения во внешнем слое и деформацию сжатия в центральном. Если возникающие при этом растягивающие напряжения превысят предельно допустимые для внешнего слоя, появляются трещины. Так как различие в размерах усадки зависит от величины влажностного градиента, то трещины образуются, когда перепад влажности превышает допустимую величину, специальную для каждого типа материалов. При меньшем перепаде способность тела к рассасыванию напряжений оказывается достаточной для предотвращения разрушения.

При сушке крупных образцов материалов, в структуре которых преобладает коллоидное состояние (фарш сырокопченых колбас) могут возникнуть другого рода нежелательные явления, вызываемые очень большой неравномерностью распределения влажности. С уменьшением влажности внешнего слоя до уровня, близкого к адсорбционной, резко возрастает его прочность, что при кольцеобразной форме в поперечном сечении образца резко уменьшает его способность к усадке. В практике такого рода изменение состояния внешнего слоя известно под названием “закала”. Но усадка внутренних слоев продолжается по мере уменьшения их влажности. В результате более интенсивного уменьшения объема внутренних слоев по сравнению с внешним между этими слоями может произойти разрыв. Образуются полости, получившие название “фонарей”.

Неравенство в распределении влажности по слоям или между двумя поверхностями при сушке образцов в форме пластин может привести к короблению образца. При этом коробление происходит в сторону меньшей влажности. Это особенно характерно для материалов, поверхности которых имеют разные коэффициенты влагоотдачи вследствие неоднородности структуры. Например, при сушке шкур при равномерном обтекании их воздухом влагообмен со стороны лица происходит более интенсивно, чем со стороны бахтармы. Шкура коробится лицом внутрь. Коробление будет тем больше, чем интенсивнее идет сушка. Чтобы избежать этого, либо уменьшают влагоотдачу с лица, смазывая его маслом, либо сушат шкуру на раме, растянув ее.

СПОСОБЫ СУШКИ

Для обезвоживания многообразных по строению, составу и свойствам мясных продуктов применяют разнообразные способы сушки: конвективную сушку, кондуктивную и сублимационную.

Эти способы отличаются друг от друга механизмом тепло- и влагообмена с окружающей средой и переноса влаги внутри материала. В связи с этим каждому из них присущ определенный режим и оптимальное состояние материала, форма и размеры образцов.

При выборе того или иного способа сушки исходят из возможности изменения состояния и формы продукта с целью большей экономичности и возможности подбора соответствующих условий сушки, не влияющих на качество готового продукта.

К числу нежелательных изменений, которые могут возникать или ускоряться при неблагоприятных условиях сушки, в первую очередь следует отнести:

денатурацию белковых веществ вследствие перегрева (например, крови, сыворотки);

сваривание коллагена в материалах, где он является преобладающим структурным элементом (шкуры, кишки);

оплавление жира;

потерю физиологической активности эндокринно-ферментного сырья или препаратов;

плавление желатинового и клеевого студня;

окисление жира, белковых и других веществ в результате интенсивного воздухообмена, особенно при высоких температурах сушки;

развитие нежелательных микробиальных процессов (плесневение, загнивание);

неравномерное распределение влаги после сушки, сопровождающееся короблением (шкуры), образованием трещин и уплотнением поверхностного слоя (“закал”, “фонари” у сырокопченых колбас).

Некоторые нежелательные изменения связаны с высоким содержанием влаги в материале (денатурация белков, плавление студня и пр.). В этих случаях рекомендуется ступенчатый режим с повышением интенсивности сушки по мере высыхания. Во всех случаях режим сушки должен быть согласован с требованиями к качеству продукции. Следует иметь в виду, что увеличение скорости движения воздуха уменьшает область использования допустимых режимов сушки.

Конвективная сушка

В мясной промышленности конвективная сушка получила широкое распространение для обезвоживания самых различных пищевых и технических продуктов. Ее применяют для более или менее глубокого обезвоживания мясных продуктов с целью увеличения их сроков хранения: колбасных изделий, копченостей. Конвективной сушкой обезвоживают пищевые и технические продукты животного происхождения с целью их консервирования: мясо, яйцо, кровь и кровяную плазму, желатин, клей, шкуры, кишки. По законам конвективной сушки происходит самопроизвольное обезвоживание некоторых мясопродуктов в процессе их технологической обработки (например, при обжарке колбасных изделий) и, в особенности, в период хранения в условиях контакта с внешней средой. В мясной промышленности применяют следующие способы конвективной сушки:

1) в токе теплоносителя (обычно воздуха), которую можно использовать для материалов любой формы и любых размеров;

2) в распыленном состоянии, применяют для текучих материалов;

3) в разрыхленном (кипящем) слое, пригодна для материалов в мелких кусках.

При конвективной сушке тепло подводится за счет теплообмена поверхности материала с сушильным агентом (в частном случае с воздухом). Теплопередающая среда одновременно эвакуирует испарившуюся влагу с поверхности материала.

Поступившие на сушку продукты могут иметь температуру ниже температуры мокрого термометра, отвечающей параметрам воздуха в сушилке, как это обычно бывает, или выше ее (например, колбасы непосредственно после копчения).

В первом случае в начальный период сушки происходит повышение температуры поверхности материала до температуры мокрого термометра. Только с этого момента процесс конвективной сушки считается установившимся, если температура сушильного агента постоянна.

Во втором случае в начальный период сушки влага испаряется за счет тепла самого продукта до тех пор, пока температура поверхности упадет до температуры мокрого термометра. С этого момента процесс конвективной сушки можно считать практически установившимся, если запас тепла, остающегося к этому моменту в продукте, невелик. До тех пор, пока влажность поверхности продукта остается выше гигроскопической, давление пара на его поверхности

практически постоянно и может быть близким к давлению насыщенного пара при температуре поверхности образца, т. е. при температуре мокрого термометра. Поэтому в этот период (первый период) сушка проходит с постоянной скоростью. Вслед за ним начинается период падающей скорости сушки (второй период).

Строго говоря, такого рода случай может иметь место лишь при очень большой влажности материала, когда увеличение концентрации растворенных веществ на поверхности материала вследствие ее обезвоживания не влияет существенно на

уменьшение давления пара материала. В мясной промышленности это может иметь место при сушке желатинового студня и образцов с сильно увлажненной поверхностью. Поэтому первый период сушки правильнее характеризовать по признаку влажного состояния поверхности и отвечающему этому условию постоянству ее температуры. При этом давление пара на поверхности может оставаться постоянным лишь при том условии, что интенсивность внешнего влагообмена не

превышает интенсивности внутреннего влагопотока в виде жидкости. В обратном случае давление пара на поверхности будет снижаться в соответствии с кривой равновесия.

При таких условиях количество влаги, подведенной к поверхности, будет равным количеству влаги, испарившейся в единицу времени с единицы поверхности, а давление пара на поверхности может быть принято постоянным. А так как для первого периода сушки термоградиентный коэффициент практически отсутствует и коэффициент потенциалопроводности постоянен, интенсивность влагопотока q _т также будет постоянной. Тогда (из уравнений VIII-1 и VIII-5):

(VIII-10)

Переходя от среднего влаго

c

одержания к влажности в % к сухому веществу и учитывая, что истинная поверхность образца может отличаться от геометрической, уравнение (VIII-10) для сушки при атмосферном давлении можно представить в виде:

(VIII-11)

где

N — скорость сушки;

a

_т — коэффициент влагообмена;

k — отношение истинной поверхности к геометрической;

F — поверхность образца, м ²;

G_с — вес сухого вещества в образце, кг .

Величина k может быть больше или меньше единицы. Это зависит от формы поверхности и от равномерности контакта ее с потоком сушильного агента. Но она не превышает 1,2. Так, для желатинового студня в границах температур 18—30⁰ С, относительной влажности 0,40—0,90 и скорости воздуха (0,5—6,8 м/сек ) она составляет около 1,03. Для шкуры в границах температуры 25—60⁰ С, относительной влажности 0,30—0,80 и скорости воздуха (0,5—4,0 м/сек ) она достигает 1,15. Величина

F,

уменьшающаяся в ходе сушки в связи с усадкой материала, может быть принята как средняя между ее начальным и конечным значениями.

Коэффициент влагообмена по данным Теплотехнического института для направления потока параллельно поверхности может быть найден из уравнения:

и для направления потока перпендикулярно поверхности из уравнения:

где v — скорость, м/сек .

Потенциалом сушки в первом периоде является психрометрическая разность температур t ^c — t ^м, то есть разность между температурой сухого термометра (т. е. воздуха) и мокрого термометра (т. е. поверхности образца). В связи с этим Г. К. Филоненко для периода постоянной скорости сушки предложено уравнение [38]:

(VIII-12)

В этом уравнении К — коэффициент испарения

(VIII-13)

где v_γ

— весовая скорость воздуха, кг/ ( м ² • ч ).

В уравнении (VIII-12) более ясно выражено влияние температуры и скорости воздуха, а также относительной влажности (хотя и в скрытой форме) на скорость сушки.

Так как в первый период скорость сушки постоянна, она может быть определена как частное от деления количества испарившейся влаги в % к сухому веществу на время. Обычно при расчете исходят из начальной влажности и той средней влажности материала, которую он приобретает в конце первого периода сушки — первой критической влажности:

(VIII-14)

где

W ₁ — начальная влажность, %;

W k₁ — первая критическая влажность, %;

τ — время сушки, ч .

Ход сутки графически принято изображать в виде кривой в координатах время — влажность материала (рис. 63). На этой кривой первому периоду сушки отвечает прямолинейный участок ab. Исходя из уравнения (VIII-14), скорость сушки N при помощи этого графика может быть найдена как тангенс угла наклона φ прямолинейного участка этой кривой.

Продолжительность сушки в первый период, согласно уравнению (VIII-14), равна:

(VIII-15)

где W ₂ — конечная влажность материала, большая или равная первой критической влажности W _к.

Рис. 63. Кривая сушки желатинового студня: температура 31⁰ С, толщина 5 мм.

С момента, когда влажность поверхности материала становится меньше гигроскопической, скорость сушки начинает убывать. Это период падающей скорости (второй период сушки). Падение скорости сушки вызывается многими причинами. Влага испаряется уже не с поверхности, а на некоторой глубине, причем зона испарения непрерывно углубляется по мере уменьшения влажности материала. Коэффициент потенциалопроводности снижается также соответственно уменьшению влажности материала. Температура поверхности начинает расти, приближаясь к температуре окружающей среды. Ее повышение, естественно, приводит к уменьшению теплоотдачи, в связи с чем уменьшается количество тепла, воспринимаемого материалом. Если температура окружающей среды высока, возникающий температурный градиент в материале тормозит перенос влаги к поверхности.

На кривой сушки периоду падающей скорости отвечает криволинейный отрезок bc, асимптотически приближающийся к оси абсцисс. Точка перегиба b на кривой сушки, от которой начинается криволинейный участок, называется первой критической точкой W _к.

Различие в скоростях сушки в первом и втором периоде более отчетливо обнаруживается на кривой скорости сушки, построенной в координатах: скорость сушки ; влажность материала W (рис. 64). На этой кривой периоду постоянной скорости N отвечает прямолинейный отрезок, параллельный оси абсцисс, заканчивающийся в критической точке К, отвечающей критической влажности W _к; периоду падающей скорости отвечает криволинейный отрезок, начинающийся в этой точке и заканчивающийся в точке пересечения с осью абсцисс W _р. (равновесная влажность).

Кривые скорости сушки строятся на основе данных о скорости сушки для некоторого числа точек, намечаемых на криволинейном участке кривой сушки (см. рис. 64). Обычно это делают методом графического дифференцирования, строя касательные к намеченным точкам на кривой сушки (см. рис. 63). Однако этот метод построения кривой скорости сушки весьма приблизителен и дает неточные и ненадежные результаты.

Кривая скорости сушки может быть построена с помощью уравнения, предложенного Н. Ф. Докучаевым и М. С. Смирновым [9]:

(VIII-16)

В этом уравнении а и b постоянные, которые могут быть найдены по кривой сушки (см. рис. 63). Их физический смысл выясняется далее. Уравнение (VIII-16) оказалось пригодным для многих случаев, в том числе для сушки клея и колбасных изделий.

Рис. 64. Кривая скорости сушки.

Скорость сушки во второй период становится сложной функцией многих переменных величин, о которых упоминалось выше. Это весьма затрудняет вывод теоретического уравнения, имеющего общее значение для всех случаев сушки. В связи с этим различными авторами предлагаются различные методы определения скорости и продолжительности сушки во втором периоде. Для практических целей особенно удобно уравнение (VIII-16), которое после интегрирования приобретает вид:

(VIII-17)

где

W н — начальная влажность;

W — влажность в момент τ;

W н— W — удаляемая влажность.

Пригодность этого уравнения для периода падающей скорости легко устанавливается построением графика в координатах: и τ, который должен иметь вид прямой (рис. 65). При помощи такого графика так же легко определяются постоянные: а — как тангенс угла φ наклона прямой, b — как начальная ордината

.

Рис. 65. График сушки плиточного клея в координатах и τ (по данным А. П. Власова).

Однако пока физический смысл постоянных в этом уравнении остается неясным, ход сушки не может быть увязан с условиями сушки. Но значение постоянных а и в можно уяснить путем анализа уравнения (VIII-17), которое может быть преобразовано в форму

Очевидно, при очень больших значениях τ, когда влажность материала приближается к равновесной, отношение становится исчезающе малым. Тогда

(VIII-18)

Физический смысл величины b можно определить из дифференциального уравнения (VIII-16), преобразованного в форму

.

При значении τ = 0, т. е. вначале сушки

(VIII-19)

Отсюда следует, что постоянная b есть величина, обратная начальной скорости сушки, а при наличии периода постоянной скорости нужно ожидать .

Подставив значение а из (VIII-18) и значение b из (VIII-19), после преобразования получим:

(VIII-20)

С учетом значений постоянных

a

и

b

уравнение скорости сушки (VIII-16) приобретает вид

(VIII-21)

Здесь величина N _н представляет собой либо скорость сушки в период постоянной скорости, либо начальную скорость сушки, если с самого начала сушка идет с падающей скоростью. Она является сложной функцией параметров воздуха, влажности и влагопроводности материала, размеров и формы образца.

Как показали подсчеты, это уравнение с небольшими поправками на ошибки эксперимента оказалось пригодным для описания хода сушки клея и колбасных изделий (об этом далее).

В большинстве случаев сушки мясопродуктов период постоянной скорости очень краток, либо вообще отсутствует (исключение составляют сушка материалов с очень высокой начальной влажностью, например желатинового студня). Поэтому зачастую с самого начала сушки оказываются пригодными уравнения (VIII—20).

Общая продолжительность сушки находится путем суммирования продолжительности первого периода и второго периода.

Следует, однако, иметь в виду, что не во всех случаях бывают оба периода сушки. В практике возможны и другие варианты:

а) из материала с высокой влажностью удаляется небольшое количество влаги (например, усушка при хранении мясопродуктов); в таком случае сушка заканчивается в первом периоде и ее продолжительность или потери влаги рассчитываются по уравнению (VIII-15);

б) сушка начинается при влажности материала меньше критической (например, досушивание сырокопченых колбас); в этом случае расчет производится по уравнению (VIII—20).

В связи с этим большое значение приобретает величина критической влажности, которая, с одной стороны специфична для продукта, а с другой — зависит от условий сушки.

Зависимость величины критической влажности от свойств продукта определяется соотношением количеств влаги, связанной с ним различными формами связи, так как критические точки (точки перегиба) на кривой скорости сушки соответствуют границам влажностного состояния материала. В первый период удаляется наименее прочно связанная влага. Отсюда критическая влажность тем меньше, чем меньше содержит продукт наиболее прочно связанной влаги, и наоборот. Коллоидные материалы (клей, желатин) характеризуются высокой критической влажностью. В вареном колбасном фарше относительное количество наименее прочно связанной влаги больше, чем в сыром. Поэтому для варенокопченых колбас критическая влажность меньше, чем для сырокопченых. Критическая влажность связана со свойствами продукта через такие его характеристики, как гигроскопическая влажность и коэффициент потенциалопроводности [21].

(VIII-22)

где R_т — характерный размер.

Из этого уравнения следует также, что критическая влажность возрастает с увеличением характерного размера образца и скорости сушки. Лишь для очень тонких материалов влияние скорости сушки почти незаметно. Это обстоятельство заставляет при сушке образцов с относительно большими размерами (диаметром, толщиной) согласовывать максимально допустимую скорость сушки в первом периоде с критической влажностью образца. Иначе вместо ускорения сушки произойдет ее замедление. Например, преждевременное образование сухой корочки на поверхности сырокопченых колбас резко уменьшает скорость сушки. Режим сушки в первый период будет оптимальным, когда скорость испарения с поверхности будет равна скорости внутреннего переноса влаги в капельножидком состоянии (см. уравнение VIII-10).

Рис. 66. Примерное распределение влажности по толщине образца в зависимости от времени сушки (время сушки возрастает от τ₁ к τ₆).

Распределение влажности. Характер распределения влажности по сечению образца продукта имеет большое практическое значение. От этого зависит, как уже указывалось, характер деформации образца в процессе сушки и, в конечном счете, качество продукта. Прямое влияние распределение влажности оказывает на неравномерность структурно-механических свойств продукта по сечению образца, поскольку они зависят от влажностного состояния. Это особенно характерно для материалов с коллоидной структурой, обладающих небольшим коэффициентом потенциалопроводности. Примером может служить неоднородная по сечению консистенция сырокопченых колбас, возникающая при плохо регулируемой сушке.

Эта неоднородность косвенным образом усугубляется неравномерным развитием химических и физико-химических процессов в ходе сушки, так как их скорости зависят от содержания влаги в субстрате.

Сам по себе механизм обезвоживания конвективной сушкой неизбежно имеет следствием некоторую неравномерность распределения влажности: уже с самого начала сушки влажность внешнего слоя оказывается меньше влажности внутренних слоев. По истечении некоторого времени она распределяется по сечению образца по закону параболы (рис. 66). При нормальном ходе сушки по мере обезвоживания неравномерность несколько сглаживается.

Перепад влагосодержания между центральным и поверхностным слоями, с одной стороны, и размерами образца и градиент

влажности, с другой, отражены в уравнении:

(VIII-23)

где

— влажностный градиент на поверхности;

W _ц — влажность в центре;

W _пов — влажность в поверхностном слое.

Из этого уравнения вытекает, что степень неравномерности распределения влажности зависит от размеров образца и интенсивности сушки.

Во избежание нежелательных последствий сушку следует вести при таком режиме, который обеспечивает возможно более длительное сохранение влажности внешнего слоя на уровне, необходимом для сохранения его пластичности. При этом условии он будет сохранять способность к рассасыванию возникающих в нем напряжений и к необратимой деформации.

При параболическом распределении влажности по сечению образца предельно допустимый для каждого вида продукции градиент влажности находят экспериментально, пользуясь уравнением (VIII-23). Режим сушки подбирают с таким расчетом, чтобы не допустить превышения установленного градиента влажности, который увеличивается по мере обезвоживания материала в процессе сушки. Поэтому с началом второго периода интенсивность сушки может быть увеличена. Предпочтительно делать это путем повышения температуры сушки.

Выбор режима сушки. Режим сушки (температура, влажность и скорость движения воздуха) влияет на свойства материала, скорость и экономичность процесса. Оптимальный режим сушки это режим, при котором длительность процесса и расход тепла минимальные при сохранении высокого качества продуктов.

Наиболее важным параметром сушки является температура, которая влияет на интенсивность сушки как в первом, так и во втором периодах. Влияние температуры обусловлено, во-первых, тем, что с ее повышением возрастает сушильный потенциал воздуха (психрометрическая разность температур). Во-вторых, резко увеличивается скорость внутреннего переноса влаги, так как возрастает коэффициент потенциалопроводности материала. Повышение температуры, кроме того, приводит к уменьшению его критической влажности, а значит и к увеличению продолжительности первого периода за счет уменьшения второго. Вследствие этого сокращается общая продолжительность сушки. Уменьшение критической влажности объясняется тем, что коэффициент потенциалопроводности возрастает в большей степени, чем интенсивность испарения.

Коэффициент потенциалопроводности в области низких температур с повышением температуры возрастает сравнительно медленно, а высоких температур — очень быстро. Поэтому сушку особенно выгодно вести при высоких температурах (порядка 450—500⁰ С).

Однако при чрезмерном повышении температуры значительно возрастает температурный градиент внутри материала во втором периоде сушки. Это ведет к некоторому замедлению процесса вследствие увеличения термовлагопроводности. В связи с этим высокими температурами пользуются лишь в том случае, если сушимый материал может быть раздроблен на очень мелкие частицы (например, при распылительной сушке).

В некоторых случаях применение высоких температур вообще недопустимо по технологическим соображениям (сушка колбас, копченостей, шкур и пр.). В связи с этим материалы, свойства, размеры и форма которых обусловлены технологическими и товарными соображениями, следует сушить при температурах, не вызывающих нежелательных процессов или качественных изменений.

При сушке сырых продуктов (мясо, сырые изделия из мяса, шкуры, кишки и т. п.) температура сушки должна быть ниже температуры денатурации белков или ниже температуры сваривания коллагена. В тех случаях, когда одновременно с сушкой в продукте развиваются биохимические процессы (например, созревание сырокопченых и сыровяленых колбас в ходе их досушивания), температура сушки должна быть ниже той, при которой микробиальные или ферментативные изменения приобретают нежелательное направление.

Сушку мясопродуктов, прошедших тепловую обработку, можно вести при более высоких температурах, чем сырых. Сушить желатин и клей в студне следует при температурах, ниже температуры плавления студня.

С уменьшением относительной влажности скорость сушки возрастает. Но снижение относительной влажности воздуха требует кондиционирования, что не всегда оправдывается экономически.

Увеличение скорости движения воздуха имеет наибольшее значение в первом периоде сушки. В меньшей степени оно влияет в первой зоне второго периода и почти не имеет значения во второй зоне его, когда процесс сушки регулируется в основном влагопроводностью материала. Так как с увеличением скорости

движения воздуха интенсивность испарения возрастает, в влагопроводность материала остается практически постоянной, увеличивается критическая влажность материала, период падающей скорости начинается раньше. Это обстоятельство также ограничивает возможность

ускорения сушки повышением скорости движения воздуха.

С учетом влияния основных параметров сушки ее наиболее выгодно проводить при переменном режиме. Его можно добиться в зонных сушилках, в которых материал перемещается по мере обезвоживания в зону с другим режимом, обычно с более высокой температурой.

Выбор температуры предопределяет и выбор относительной влажности воздуха на входе в сушилку. Относительная влажность воздуха на выходе из сушилки должна быть по возможности более высокой, но не такой, чтобы на поверхности поступающего в сушилку холодного продукта происходила конденсация влаги.

Скорость движения воздуха не должна превышать максимально допустимого градиента влажности во избежание излишней неравномерности ее распределения в материале. Если это обстоятельство не имеет существенного значения, скорость воздуха подбирают, стремясь не допустить чрезмерного увеличения критической влажности материала.

Сушка в токе воздуха. Ее применяют для многих мясопродуктов. Характерным, хотя и не показательным в смысле экономичности, примером конвективной сушки в токе воздуха является сушка клеевого и желатинового студня в туннельных и канальных сушилках. Студнеобразный клей и желатин нарезают на плитки (пластинки) толщиной для пищевого и фотожелатина 2—4 мм, технического 5—8 мм, для клея 13—14 мм.

Подбор режима сушки клея и желатина в плитках (пластинках) начинают с температуры воздуха на выходе из сушилки. Она должна быть несколько ниже температуры плавления студня — около 20⁰ С для клея и около 25⁰ С для желатина. Температура нагретого воздуха на входе в сушилку при одноступенчатом процессе не должна вызывать плавления студня в ходе самой сушки. В среднем для одноступенчатых сушилок перепад температур воздуха на входе в сушилку и выходе из нее не более 13⁰ С летом и

20⁰ С зимой. С учетом этого температура нагретого воздуха при одноступенчатой сушке принимают: для клея 30—35⁰ С, для желатина 35—40⁰ С.

Относительная влажность воздуха на входе должна быть наименьшей. Практически ее величина зависит от способа подготовки воздуха для сушки. Если канальная или ленточная сушилка снабжена только калорифером для подогрева воздуха, относительная влажность воздуха на входе в сушилку устанавливается сама собою в зависимости от параметров воздуха

на

входе в калорифер и от температуры сушки. Зимой она будет меньше, летом больше. Соответственно этому меняется и продолжительность сушки. Если сушильная установка оборудована аппаратом для кондиционирования воздуха, относительная влажность на входе может быть установлена на любом желательном уровне. Однако необходимо считаться с тем, что кондиционирование воздуха сопряжено с большими затратами холода. Обычно кондиционирование воздуха производят лишь в теплое время года, когда температура внешнего воздуха слишком высока. Воздух при этом охлаждают вначале примерно до 5⁰ С, а затем подогревают до нужной температуры. Иногда для этих целей может быть использована холодная артезианская вода.

Максимальную скорость сушки в канальных и ленточных сушилках целесообразно поддерживать более дешевым приемом: высокой скоростью движения воздуха, согласовывая с ней величину относительной влажности так, чтобы при этом избежать преждевременного образования сухой поверхностной пленки, а значит и преждевременного падения скорости сушки. Обычно скорость движения воздуха принимают от 1,5 до 3,0 м/сек.

Чем больше относительная влажность отработанного (на выходе из сушилки) воздуха, тем экономичнее процесс сушки. Поэтому относительная влажность воздуха на выходе из сушилки должна быть возможно более высокой. Ее верхний предел определяется технологическими соображениями: при соприкосновении отходящего воздуха с холодной поверхностью студня не должно происходить конденсации паров воды из воздуха. Увлажнение студня приводит к частичному оплавлению поверхности и способствует его плесневению и загниванию. Предельная величина относительной влажности при сушке противотоком около 75—80%. В случае превышения этого предела необходимо уменьшать загрузку сушилки.

Воздух, используемый для сушки пищевого и фотожелатина, необходимо очищать от пыли и микроорганизмов. С этой целью при отсутствии аппарата для кондиционирования воздуха устанавливают висциновые фильтры различных конструкций. Такие фильтры не только освобождают воздух от пыли и загрязнений, но и снижают его микробиальную загрязненность примерно на 85%.

На рис. 67 приведена кривая сушки клеевого студня (концентрация товарного клея 5%, влажность 134%, вязкость 2,6⁰ Е) в плитках размером 150 ´

90 мм по результатам опытов А. П. Власова [3]. Режим сушки: температура воздуха — 33—37⁰ С, относительная влажность — 30—40%, скорость движения воздуха 2,2 м/сек.

Практически с самого начала сушка клея идет с падающей скоростью. Уже ко второму часу она уменьшается примерно на 10% в сравнении с начальной. Иначе говоря, период постоянной скорости, если он вообще имел место, продолжался менее одного часа.

Ход сушки, начиная со второго часа, вполне удовлетворительно может быть описан уравнением (VIII—20). На рис. 67 вместе с экспериментальной кривой сушки, изображенной сплошной линией (по данным А. П. Власова), приведена кривая, рассчитанная по уравнению (VIII—20) и показанная пунктиром. Полученная путем расчета величина начальной скорости оказалась равной 7,3% в час (вместо 8,4% в час).

Рис. 67. Кривая сушки плиточного клея.

Основные причины некоторого несовпадения расчетных данных с экспериментальными кроются, во-первых, в том, что в самом начале сушки процесс протекает как неустановившийся, а во-вторых, при подсчетах необходимо принимать во внимание уменьшение величины определяющего размера образца в связи с испарением влаги.

Значительно быстрее протекает сушка гранулированного клея, так как удельная поверхность гранул значительно больше удельной поверхности плиток. При этом ход сушки также может быть описан уравнением (VIII—20) с учетом значительно большей величины начальной скорости, примерно в 5—6 раз больше, чем для плиточного клея ( N _н »

47% / ч ).

По скорости процесс сушки клея при постоянном режиме можно расчленить на три зоны (ступени): начальный период, когда скорость сушки максимальная (до образования сухой поверхностной пленки), среднюю зону, когда средняя скорость сушки еще относительно велика, и конечную зону, когда она минимальна (в основном удаляется адсорбционная влага). В начальный период на поверхности студня еще не сформирована сухая пленка. В этот период удаляется 25—30 % общего количества удаляемой влаги, а продолжительность составляет всего

около 4% общей продолжительности сушки. В средней зоне периода падающей скорости удаляется около 63% всей удаляемой влаги, а продолжительность составляет около 52% общей продолжительности сушки. В конечной зоне периода падающей скорости удаляется всего около 9% всей удаляемой влаги, но продолжительность достигает более 40% всего времени сушки [

3

]. Отсюда следует, что для существенного уменьшения общей продолжительности сушки требуется повышение скорости сушки в средней и, особенно, в конечной зоне периода падающей скорости.

По мере обезвоживания клеевого студня на скорость сушки все меньшее влияние оказывают относительная влажность и скорость движения воздуха и все большее

—

температура сушки. Но она ограничивается температурой плавления студня. Однако температура плавления студня возрастает по мере его обезвоживания, что позволяет вести сушку при переменном температурном режиме.

При постоянном температурном режиме сушки клеевого студня (концентрация 49% и вязкость 2,5⁰ Е) в противотоке его температура менялась следующим образом. Вначале она повышалась и затей оставалась постоянной и близкой к температуре мокрого термометра (около 20⁰ С). В

средней зоне она медленно возрастала примерно до 25⁰ С и продолжала повышаться в конечной зоне, достигая к концу сушки примерно 43⁰ С [

3

]. В начальный период сушки поверхность образца остается влажной. Температура студня в этот период не должна превышать температуры его плавления. Эта температура может быть принята как предельная для воздуха. При этом условии температура студня будет ниже температуры воздуха на психрометрическую разность. С началом формирования на поверхности студня сухой пленки, имеющей более высокую температуру плавления, увеличивается прочность студня. Вместе с этим несколько повышается температура плавления и в глубине образца в связи с увеличением концентрации студня. В конечной зоне сушки температура плавления студня продолжает повышаться соответственно уменьшению его влажности.

Сообразно повышению температуры плавления студня повышается и предельно допустимая температура сушки. На рис. 68 кривая

1

характеризует изменение предельно допустимой температуры студня в ходе сушки, кривая

2 —

предельно допустимые температуры воздуха на каждом этапе сушки, кривая

3 —

фактические значения температуры студня при одноступенчатой сушке [

3

]. Из этой диаграммы следует, что при одноступенчатой сушке на всех ее этапах температура студня оказывается значительно ниже предельно допустимой. Иначе говоря, сушка идет при недостаточном использовании температурного фактора.

В общей сложности продолжительность одноступенчатой сушки плиточного клея достигает 7—12 суток. Продолжительность сушки желатина значительно меньше, так как пластины студня значительно тоньше, а допускаемая температура сушки примерно на 5⁰ С выше. Для пищевого и фотожелатина (толщина пластины 2—4 мм ) она составляет 14—24 ч, для технического (толщина пластины 5—8 мм

) — 2—

4 суток.

Рис. 68. Кривые предельных температур при сушке плиточного клея:

1

— для студня;

2 —

для воздуха;

3 —

фактическая температура воздуха.

Более рационально вести сушку в две и даже три ступени, перемещая материал по мере его обезвоживания в другую зону сушилки с более высокой температурой воздуха (зонные сушилки). При двухступенчатом режиме вначале сушку ведут при более низкой температуре до формирования сухой пленки на поверхности студня. После этого студень, достигающий к этому времени влажности около 30%, перемещают в зону с более высокой температурой, сообразуясь с предельно допустимой температурой для материала. При трехступенчатой сушке предусматривается промежуточная зона. Распределение температур по зонам должно соответствовать кривой

3

предельно допустимых температур воздуха. Переход к двухступенчатой сушке позволяет сократить общую продолжительность процесса примерно на 30%.

Сушка желатинового студня. Отличительной особенностью желатина является очень высокая начальная влажность студня (900—1000%). Вследствие этого для данного процесса характерен длительный истинный период постоянной скорости. Вместе с этим удалению такого большого количества влаги из материала сопутствует очень большая величина объемной усадки и значит большая степень изменения геометрических размеров и формы образцов. Это обстоятельство значительно усложняет математическую интерпретацию кинетики сушки желатина.

Рис. 69. Кривые сушки образцов желатинового студня различной толщины:

1 — 3 мм ; 2 — 5 мм ; 3 — 8 мм (температура 30⁰ С, скорость воздуха 2,8 м/сек (по данным Ф. А. Розенталя)

Как уже было сказано, в канальных сушилках желатиновый студень сушат в виде пластин толщиной 2—8 мм в зависимости от прочности студня. На рис. 69 приведены кривые сушки образцов желатинового студня различной толщины по данным Ф. А. Розенталя

[

27 и 28], по которым можно судить о влиянии толщины на скорость и продолжительность сушки. Характерные параметры сушки приведены в табл. 106.

Таблица 106

Показатели	Толщина образца, мм
	3	5	8
Критическая влажность, %.	523	534	718
Постоянная скорость сушки , % /ч.	530	330	200
Продолжительность сушки, ч	3	4,5	Более 8

Скорость и продолжительность сушки желатина значительно изменяются даже при небольшом повышении температуры

.

На рис. 70 воспроизведены кривые сушки желатина при разных температурах (толщина образца 5 мм, скорость воздуха 2,4 мм

)

по данным Ф. А. Розенталя [27 и 28].

Рис. 70. Кривые сушки желатина при разных температурах.

Характерные параметры сушки приведены в табл. 107.

Таблица 107

Показатели	Температура сушки, 0С
	31	40
Критическая влажность, %	580	340
Постоянная скорость, % / ч	330	460
Продолжительность сушки, ч	4,5	3,6

Сушка сырокопченых колбас. Процесс сушки колбасных изделий и копченостей относится к числу

наименее изученных как по кинетике обезвоживания, так и внутренним изменениям продукта. По этой причине об явлениях, развивающихся во время их сушки, их взаимной зависимости и влиянии на качество продукта пока можно судить весьма приближенно. Так как исходное сырье содержит влаги больше норм, регламентированных техническими условиями для готового продукта, а в ходе изготовления изделия обезвоживаются лишь частично, их на конечной стадии производства высушивают. Продолжительность высушивания зависит от состава продукта, от начальной и конечной заданной влажности и условий сушки.

К числу особенностей сушки колбасных изделий и копченостей относится, во-первых, то, что сушка ведется до влажности, значительно выше равновесной, во-вторых, в процессе сушки развиваются внутренние явления, влияющие на качество продукта и на ход сушки. Собственно сушка сырокопченых колбас, т. е. обезвоживание путем испарения влаги во внешнюю среду (как указано в гл. VII) начинается в период осадки (выдержки батонов при температуре около 2⁰ С в течение 5—7 суток), продолжается во время копчения и заканчивается во время вяленья. В общей сложности еще до начала сушки (вяленья) испаряется 35—45% той влаги, которая должна быть удалена. На досушивание колбасные изделия поступают с влажностью 70—80%, а иногда и несколько более 100% к сухому

веществу, т.е. с влажностью, заведомо меньше критической. Поэтому сушка (вяление) сырокопченых колбасных изделий с самого начала идет при падающей скорости.

Параметры воздуха, которые могут влиять на ход сушки на каждой стадии технологического процесса, подбирают соответственно той основной цели, которая преследуется на каждой из них. В период осадки температура не должна выходить за пределы 2—4⁰ С во избежание развития нежелательных микробиальных процессов. Поддержание относительной влажности на низком уровне с целью ускорения подсушивания колбас при таких низких температурах экономически невыгодно. Она устанавливается естественным путем на уровне 85—90⁰ С. Скорость движения воздуха обусловлена естественной циркуляцией и не превышает 0,1—0,2 м/сек. При этих параметрах скорость сушки очень невелика. Для батонов средней величины она составляет около 0,06% /ч (к сухому веществу). Но так как продолжительность осадки достигает 5—7 суток, общие потери влаги становятся существенными и составляют 7—8% к сухому веществу или 3—3,5% к начальному весу колбасы.

Копчение сырокопченых колбас производят при температуре 18—22⁰ С и скорости движения воздуха в обычных коптильнях в среднем 0,1—0,25 м/сек, иначе резко снижается коэффициент использования дыма. Относительная влажность воздуха может колебаться в значительных пределах в зависимости от температуры и относительной влажности внешнего воздуха, поступающего в коптилку: от 0,2 зимой до 0,7 в летние прохладные дни (в теплые дни копчение при 18—20⁰ С невозможно). Продолжительность копчения 96—120 ч (4—5 суток).

В копчение колбаса поступает влажностью 95—120%. По данным Чехословацкого института механизации пищевой промышленности первая критическая влажность для колбасных изделий превышает 120% [43]. Значит, процесс сушки сырокопченых колбас в период копчения должен протекать с падающей скоростью. Средняя скорость сушки в период копчения при 18—20⁰ С по весьма приближенным подсчетам составляет примерно 0,20—0,25 % /ч. Некоторое представление о ходе сушки в период копчения дает кривая сушки сырокопченой колбасы, приведенная на рис. 71.

Рис. 71. Кривая сушки сырокопченой колбасы в процессе копчения.

Для досушивания (вяленья) сырокопченых колбас установлен следующий режим: температура 12⁰ С, относительная влажность воздуха 75%. Этот режим не имеет строгого научного обоснования, однако длительный практический опыт показал, что он вполне обеспечивает получение высококачественной продукции. Так как в период досушивания концентрация коптильных веществ на поверхности продукта снижается за счет диффузии во внешнюю среду и внутрь продукта, возникает опасность развития плесеней, если относительная влажность воздуха будет выше 75%, а температура выше 10—12⁰ С. Ускорение сушки путем снижения относительной влажности или увеличения скорости

циркуляции воздуха приводит к резкому увеличению неравномерности распределения влажности по толщине продукта, поскольку изменение этих параметров воздуха не увеличивает влагопроводности продукта. Возникает опасность образования “закала”

и “фонарей”, о чем говорилось выше. Таким образом, реальный путь ускорения процесса

—

повышение температуры сушки при условии, что поверхность продукта не заплесневеет и внутренние изменения не повлияют на качество продукта.

Уже во время осадки в фарше начинаются процессы структурообразования. Гистологические исследования показали, что после осадки обнаруживаются некоторые изменения структуры мышечных волокон, появляются гомогенизированные участки. В период копчения в связи с изменениями сарколеммы и саркоплазмы начинает исчезать четкая граница между мышечными волокнами. Увеличиваются размеры гомогенизированных участков и участков, утративших поперечную исчерченность. В период сушки резко уменьшается количество неразрушенных волокон, наблюдается разрушение эндомизия и частью перимизия. Продолжается гомогенизация массы с появлением зернистости ее строения. Словом, налицо типичная картина разрушения структуры мышечных волокон и наиболее тонких соединительнотканных образований.

Причиной этих изменений является деятельность микрофлоры и тканевых ферментов. Пока еще нет достаточных оснований отдать предпочтение какому-либо из этих факторов. Но несомненным является то, что такой процесс возможен лишь при содержании в фарше достаточного количества влаги. Работами ВНИИМПа показано, что

как только влажность фарша снижается примерно до 55% к сухому остатку, а концентрация соли достигает примерно 10%, начинается уменьшение общего количества микроорганизмов. Таким образом, если такая степень обезвоживания будет достигнута преждевременно, разрушение тканевой структуры будет менее полным.

Значение этих изменений состоит в том, что они являются необходимой предпосылкой благоприятного хода вторичного структурообразования; делают продукт более легкоусвояемым;

влияют на органолептические характеристики продукта. Но эти структурные изменения уменьшают скорость сушки, так как нарушение клеточной структуры сопровождается уменьшением влагопроводности. Вместе с этим структурные изменения приводят к увеличению объемной усадки.

Очевидно, ход ферментативных процессов и обезвоживание сырокопченых колбас взаимосвязаны в том смысле, что ускорение сушки без учета влияния этого фактора на развитие ферментативных процессов недопустимо. С другой стороны, развитие ферментативных процессов оказывает влияние на скорость сушки.

С известным основанием, можно полагать, что ускорение сушки сырокопченых или сыровяленых колбас может быть достигнуто повышением температуры при условии, что нежелательные процессы будут подавлены введением специальных бактериальных культур и ферментных препаратов, обеспечивающих желательное направление биохимических процессов при соответствующих условиях. При этом развитие плесеней может быть предотвращено обработкой поверхности фунгицидами, например сорбиновой кислотой, либо периодическим окуриванием колбас слабым дымом.

Биохимические процессы, которые обусловливают деструкцию морфологических элементов тканей и изменение органолептических характеристик продукта, сложны и многообразны и пока еще плохо

изучены.

На всех стадиях производства сырокопченых колбас обнаружено развитие гидролитических и окислительно-восстановительных процессов. Частью они затрагивают основную субстанцию колбасного фарша, частью связаны с изменениями нитратов и нитритов.

Наиболее отчетливо проявляют себя протеолитические процессы. Их развитие характеризуется небольшим уменьшением количества белкового азота и увеличением полипептидного примерно на 50%. Происходит также небольшое, но непрерывное нарастание количества аминного азота и свободных аминокислот. Примерно на 20% возрастает количество аммиачного азота. Протеолитические процессы несомненно лежат в основе ферментативной деструкции морфологических элементов тканей.

Непрерывно происходит гидролитический распад жиров, скорость и глубина которого меняются в зависимости от условий копчения и сушки. Гидролиз жиров способствует улучшению их усвоения организмом.

Накопление аммиака, а иногда и гидроксиламина, по-видимому, частично связано с процессами денитрификации нитрата и нитрита. В ходе денитрификации количество нитрата уменьшается до 50—65% к начальному, что соответствует распаду 23— 28 мг % нитрата. Но количество нитрита в фарше не превышает 2—3 мг %. В расчете на молярную концентрацию распадается около 0,24 ммолей нитрата на 100 г фарша, а количество нитрита составляет всего около 0,02—0,025 ммоля (без учета вступившего в реакцию с коптильными и другими веществами). Значит, большая часть нитрата претерпевает глубокий распад. Но количество аммиака, накапливающегося в ходе сушки, достигает примерно 1,6—1,7 ммоля. Стало быть значительная часть аммиачного азота образуется за счет распада органических азотистых веществ [17].

Биохимические изменения продукта сопровождаются сдвигом рН в кислую сторону. К концу сушки рН снижается до 5,2— 5,6, при применении некоторых бактериальных культур (см. главу III) может дойти до 4,5.

С течением времени и по мере обезвоживания фарша уменьшается его липкость и пластичность. При этом обнаруживается параллельное уменьшение, и содержания в фарше доли солерастворимых белков. Интенсивность обоих процессов наибольшая в период осадки и копчения и уменьшается во время сушки. Водосвязывающая способность фарша возрастает во время осадки и копчения, а во время сушки непрерывно и резко уменьшается.

Уменьшение пластичности, водосвязывающей способности и липкости фарша на фоне уменьшения растворимости белков свидетельствует о развитии коагуляционного взаимодействия между белковыми частицами и об упрочнении связей между ними. Это, в конечном счете, приводит к образованию однородной, монолитной и хорошо связанной

структуры продукта. Каковы оптимальные структурно-механические свойства фарша в готовом продукте, еще не установлено. Несомненно, однако, что они должны быть практически одинаковыми по всему поперечному сечению продукта. Очевидно также, что их развитие тесно связано как со степенью деструкции первоначальной структуры тканей, так и с ходом обезвоживания фарша. Чем больше степень деструкции, тем монолитнее структура продукта. Равномерное распределение влажности в процессе сушки обусловливает однородность его

структуры.

Полная механическая деструкция сырья в самом начале технологического процесса, как это было показано в главе II, сразу же сопровождается вторичным структурообразованием, приближающим структуру тела к типичным гелям. В связи с этим резко уменьшается влагопроводность фарша, следовательно, уменьшается скорость сушки и увеличивается неравномерность распределения влажности. В связи с этим мясо измельчают так, чтобы избежать полной деструкции. Это обстоятельство и обусловливает необходимость ферментативной деструкции в ходе копчения и сушки.

Благодаря этому обеспечивается возможность более быстрой и равномерной сушки продукта по всей его толще.

В процессе сушки в поры фарша, оставляемые испаряющейся влагой, проникает воздух. Пока среда благоприятна для развития бактерий, потребляющих кислород, происходит резкое снижение окислительно-восстановительного потенциала. Но как только развитие бактерий приостанавливается вследствие обезвоживания, окислительно-восстановительный потенциал начинает расти [51].

На сушку (вяленье) сырокопченые колбасы поступают с влажностью около 70—90% (иногда и более 100%), т. е. меньше первой критической влажности. С самого начала сушка идет с падающей скоростью. Сушка заканчивается, когда влажность продукта снижается примерно до

4

0% к сухому остатку. Таким образом, при досушивании должно быть удалено около 30—50% (иногда и более) влаги к весу сухого вещества. Досушивание колбасных изделий производят в специально оборудованных камерах — сушилках.

Имеющиеся в литературе материалы по сушке колбасных изделий приводятся без строгой зависимости их от условий сушки. В то же время скорость сушки сырокопченых колбас даже при сравнительно близких условиях может резко различаться. На рис. 72 приведены кривые сушки двух образцов сырокопченой колбасы примерно при одной и той же температуре (около 12—14⁰ С).

Существенные различия в скорости сушки объясняются многими причинами. Помимо параметров воздуха на скорость сушки влияют: диаметр образца, состав фарша, характер и степень деструкции фарша перед набивкой в оболочку, влагопроводность оболочки, толщина пересохшего внешнего слоя (закал). Систематических исследований, вскрывающих эти зависимости, в литературе еще нет.

Рис. 72. Кривые сушки сырокопченых колбас при досушивании.

Имеющиеся данные позволяют сделать заключение, что с увеличением содержания шпика в фарше скорость сушки увеличивается. Наибольшей влагопроводностью обладают естественные кишечные оболочки, наименьшей — изготовляемые на основе целлюлозы; искусственные белковые оболочки занимают промежуточное место. Копчение густым дымом несколько снижает скорость сушки, очевидно вследствие обильного насыщения внешнего слоя веществами с низкой гидрофильностью.

В опытах МТИММП изучалась сушка сыровяленых колбас с начальной влажностью несколько более 150% (в фарше 25% шпика, оболочка естественная — круга, температура 12⁰ С, относительная влажность около 75%). Ход сушки вполне удовлетворительно следовал уравнению (VIII-20), дополненному величиной

Δ

R _m ,

характеризующей относительное уменьшение определяющего размера (в данном случае радиуса батона) в ходе сушки:

(VIII-24)

Величина

Δ

R _m

может быть найдена из уравнения (VIII

-

24), как относительная линейная усадка определяющего размера (радиуса):

(VIII-25)

В этом уравнении W _н — начальная влажность, W — влажность в момент времени τ, а — коэффициент линейной усадки 0,0040—0,0045.

В опытах величина начальной скорости сушки N _н оказалась равной около 0,5% /ч, или 10—12 % /сутки, равновесная влажность W _р = 12—15%.

Как показали результаты математической обработки некоторых других экспериментальных данных [14, 16], ход сушки сырокопченых колбас после копчения (начальная влажность 80—100%) также с достаточной степенью точности может быть описан уравнением (VIII—24). По приблизительным подсчетам скорость сушки, равная вначале 0,2—0,3

%

/ч

(5—7%

/сутки), к концу сушки падает до 0,02—0,04% /ч.

Даже при очень мягком режиме копчения и сушки распределение влажности по сечению батона весьма неравномерно вследствие сравнительно низкой влагопроводности сырого фарша. Для образцов в кутизиновой оболочке диаметром 50 мм при режиме копчения

t = 21—23⁰ С и φ = 67—74% и обычном режиме сушки были получены следующие данные о распределении влажности (табл. 108,

1 —

наружный слой 2 мм ., 2 —

средний слой на глубине 10 мм толщиной 2 мм и

3

— центральный слой толщиной 8 мм ; влажность наружного слоя принята за единицу) [16].

Таблица 108

Характер и продолжительность обработки, сутки		Номер слоя
		1	2	3
Копчение	2	1	1,12	1,27
	5	1	1,23	1,37
Сушка	10	1	1,48	1,74
	20	1	1,49	1,67
	30	1	1,50	1,62

Как можно видеть из этих цифр, существенное различие в содержании влаги (в 1,5 раза и более) между внешним слоем и нижележащими слоями сохраняется до окончания сушки. Это обстоятельство заставляет очень осторожно подходить к вопросу об интенсификации сушки, так как неравномерность в распределении влажности влияет на структурно-механические свойства фарша и на глубину развития биохимических процессов в разных слоях по различному. Если сушить образец сплющенной формы, неравномерность меньше, но изменяется товарный вид продукта.

Поскольку в приведенных опытах не было отмечено брака, их результаты с известной приближенностью могут быть использованы для подсчета величины максимально допустимого перепада влажности при сушке сырокопченых колбас согласно уравнению (VIII

-23):

В ходе сушки происходит перераспределение коптильных веществ, сорбированных колбасой при копчении (рис. 73). Концентрация коптильных веществ в наружном слое значительно уменьшается, концентрация во внутренних слоях возрастает, но менее интенсивно [16]. Отсюда следует, что часть коптильных веществ в процессе сушки десорбируется во внешнюю среду. Перенос коптильных веществ в центральную часть продукта происходит с незначительной скоростью. Даже на 10 сутки их концентрация в центральной части продукта в 16 раз меньше, чем в наружном и не достигает уровня, достаточного для получения бактерицидного эффекта.

Рис. 73. Распределение коптильных веществ в процессе сушки сырокопченой колбасы.

Подсушивание (вяленье). Вялению подвергаются разновидности соленокопченых мясопродуктов, изготовляемых из свинины. Продолжительность этого процесса в сутках приведена ниже:

Филей	10
Шейка	10—15
Грудинка	5—7
Окорок сибирский	5—7
Окорок советский	2
Окорок тамбовский и воронежский (для длительной транспортировки)	3

Все эти изделия перед сушкой коптятся в сыром виде при температуре 30—45⁰ С в течение 2—3 суток (грудинка 1—1,5 суток). Филей и шейку коптят и сушат в оболочке. Конечная влажность этих мясопродуктов не должна превышать 45% к весу продукта, или 82% к весу сухого вещества.

Таким образом, общим в сушке копченостей и сырокопченых колбас является: фактическое начало сушки в период копчения, сравнительно высокая влажность продукта по окончании сушки и возможность развития микробиальных и автолитических процессов, как при копчении, так и во время сушки. Весовые потери соленостей за время копчения достигают 9—12%, преимущественно за счет испарения влаги, частично за счет оплавления жира. В отличие от сырокопченых колбас, развитие микробиальных и автолитических процессов в копченостях в значительно меньшей степени отражается на структурных изменениях и сказывается главным образом на их органолептических характеристиках. Это объясняется

сохранением естественной тканевой структуры при изготовлении таких продуктов.

Внутренние изменения, происходящие в копченостях в период их копчения и вяления, так же как и ход процесса их обезвоживания, еще не изучены. Известно только, что после копчения и сушки уменьшается жесткость, и утрачиваются некоторые характерные свойства сырого продукта.

Так же, как и при сушке копченых колбас, с течением времени уменьшается неравномерность распределения коптильных веществ между внешними и внутренними слоями продукта. Часть коптильных веществ десорбируется во внешнюю среду. Эти явления продолжаются и в течение всего времени последующего хранения копченых продуктов (табл. 109) [47].

Ниже приведены данные, характеризующие изменения количества фенолов в беконе, хранившемся при температуре 12⁰ С.

Таблица 109

Время хранения (недели) при 120 С	Количество фенолов (в мг/см 3 ) в слое толщиной 3 мм
	поверхностном	втором
Одна	0,152	0,067
Три	0,112	0,077
Пять	0,087	0,071

Сушка в полувзвешенном состоянии. К числу наиболее рациональных способов сушки мелкокусковых и зернистых материалов (клей и желатин в мелких кусках, в гранулах, измельченное мясо и т. д.) относится сушка нагретым газом, продуваемым через слой материала. В тех случаях, когда качество материала мало изменяется под действием кислорода (клей, желатин), сушку можно вести воздухом. В иных случаях следует пользоваться инертным газом.

В зависимости от скорости движения воздуха и физических свойств частиц сушимого материала слой, через который продувается воздух, может находиться в одном из трех состояний: неподвижном, псевдоожиженном и взвешенном.

С увеличением скорости движения газа, когда подъемная сила становится равной весу частиц материала в слое, он расширяется, пористость его увеличивается, и частицы начинают двигаться внутри слоя. Такое состояние называется псевдоожиженным (“кипящий слой”). Скорость газа, при которой достигается подобное состояние слоя, называется скоростью псевдоожижения.

При дальнейшем ее увеличении до величины, при которой сопротивление одной частицы становится равным весу этой частицы, наступает взвешенное состояние, а скорость, соответствующая ему, называется скоростью витания. За пределами этой скорости происходит вынос частиц из слоя.

Механизм сушки при этом способе такой же, как и при обычной конвективной сушке. Меняются лишь условия тепло- и влагообмена с окружающей средой. Он определяется аэродинамикой обтекания воздуха, его параметрами, геометрическими размерами, формой частиц и величиной свободного объема слоя.

Скорость псевдоожижения может быть найдена из уравнения [21]:

(VIII-26)

где

k —

проницаемость слоя, м

²

, определяемая экспериментально;

μ

—

коэффициент вязкости воздуха, кг/мсек;

γ_н — средний объемный вес ожиженного слоя, кг/м ³.

Состояние слоя и характер движения частиц в нем определяются отношением фактической скорости воздуха к скорости псевдоожижения — и зависят от размеров и формы частиц и размеров слоя.

По достижении достаточной величины отношения

начинается бурное перемешивание частиц, причем у стенок камеры частицы движутся вниз по вертикали, а если это отношение достигает 5 — 6 — винтообразно. Движение воздуха внутри слоя сопровождается образованием вихревых потоков, которые вызывает движение частиц как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. В слое происходит каналообразование и проскок воздуха, усиливающиеся с увеличением отношения

.

Над поверхностью слоя образуется облако частиц, выбрасываемых из слоя, плотность которого возрастает с увеличением

. При больших величинах этого отношения слой разделяется на плотные скопления, движущиеся вверх и вниз.

Слой, образованный частицами неодинаковых размеров, разделяется так, что сверху располагаются частицы меньших размеров, внизу — больших. Неравномерность движения частиц в слое возрастает, если они имеют неправильную форму, а также с увеличением отношения площади сечения слоя к его высоте. При слишком большом сечении слоя местами происходит проскок

воздуха, а на отдельных участках слой сохраняет неподвижность.

Для создания наилучших условий тепло- и влагообмена необходимо возможно более равномерное движение в слое при равномерной его плотности. Поэтому размеры частиц должны быть возможно более однородными, форма правильной (близкой к сферической), а отношение — оптимальным для данных условий сушки. Минимальный свободный объем, достаточный для перевода слоя в псевдоожиженное состояние, составляет 0,4—0,7. Он тем больше, чем меньше размеры частиц и менее правильна их форма.

Ниже приводятся результаты опытов по сушке желатина в частицах различных размеров в псевдоожиженном состоянии [21]. Во избежание слипания частиц желатин был предварительно подсушен в неподвижном состоянии от влагосодержания около 600% до влагосодержания около 350%.

На рис. 74 приведены кривые сушки желатина. На этих кривых нет прямолинейных участков, соответствующих постоянной скорости. Однако измерения температуры желатина показали, что существует период, когда температура желатина оставалась на уровне, близком к температуре мокрого термометра. Температура воздуха в слое оказалась близкой к температуре частиц. Это свидетельствует о почти полном насыщении воздуха водяным паром.

Общая продолжительность сушки желатина с начальной влажностью 600% в полувзвешенном состоянии в зависимости от размеров частиц колебалась в пределах от 3 ч (кубики 5 ´

5 ´

5 см ) до 7,5 ч (кубики 10 ´

10 ´

10 см

).

На рис. 75 приведена схема работы двухзонной сушилки для сушки в кипящем слое. Такие сушилки позволяют осуществить сушку в непрерывном потоке.

Распылительная сушка. При распылительной сушке благодаря высокой дисперсности (диаметр частиц в среднем 50—100 мк ) достигается резкое увеличение удельной поверхности сушимого материала. Сопутствующее распылению уменьшение размеров частиц сводит к минимуму влияние внутренней диффузии на скорость сушки, что особенно важно для коллоидных материалов, какими являются кровь, клей, желатин, яйцо и пр. Небольшие размеры частиц, кроме того, практически

исключают замедляющее влияние термовлагопроводности. Благодаря этому продолжительность сушки в распыленном состоянии исчисляется в секундах.

Рис. 74. Кривые сушки желатина в полувзвешенном состоянии при разной температуре.

Рис. 75. Схема работы двухзонной сушилки для сушки в полувзвешенном состоянии.

Высокая скорость сушки распылением позволяет организовать процесс в непрерывном потоке и полностью механизировать и автоматизировать работу сушильной установки.

При распылительной сушке материал не нагревается до температуры среды вплоть до окончания сушки. Поэтому химически свободная влага удаляется ранее, нежели материал успевает нагреться до опасной температуры. Одновременно с этим резко снижается температура воздуха вблизи обезвоженной частицы. Благодаря этому даже термолабильные вещества (белки, витамины и др.) сохраняют почти в полной мере свои нативные свойства при относительно высокой температуре сушки (130— 180⁰ С). Недостаток распылительной сушки — контакт продукта в состоянии высокой дисперсности

с кислородом воздуха, что может вызвать окисление составных частей продукта. Но продукт, высушенный в распылительной сушилке в токе инертного газа, по качеству мало уступает продукту, высушенному под глубоким вакуумом.

К числу недостатков распылительной сушки при сравнительно невысоких температурах подаваемого воздуха (150⁰ С и ниже) следует отнести также довольно высокий расход пара (1,6—2,6 кг/кг испаренной влаги) вследствие небольшого процента насыщения отработанного воздуха (φ около 20% и температура около 65⁰ С) и низкий коэффициент использования объема сушилки (напряжение объема сушилки 2,8—4,7 кг

/ ( м

³

• ч

).

Повышение экономичности сушки требует предварительного

упаривания подлежащих сушке растворов и устройств для использования тепла отходящего воздуха.

Распылительная сушка складывается из трех последовательно протекающих процессов: распыление жидкости, сушка распыленного материала, отделение высушенного материала от воздуха.

В результате распыления жидкости образуется распыл, состоящий из частиц в большинстве случаев сферической формы с разным диаметром. При любой степени распыления, однако, всегда имеется преобладающая фракция частиц с доминирующим диаметром. Если частицы сгруппировать по классам в соответствии с их диаметром, можно построить кривую распределения, которая характеризует истинное состояние распыла как полидисперсной системы. Вне зависимости от способа и степени распыления различие между частицами состоит только в размерах при достаточной однородности по форме и составу.

Для хода сушки имеет значение не только степень дисперсности, но и степень однородности частиц по размерам: чем ближе частицы друг к другу по размерам, тем лучше идет сушка. Поэтому эффективность распыления оценивается и по степени дисперсности и по однородности размеров частиц (в особенности при сушке термолабильных материалов).

В технологической практике более удобно и вполне допустимо руководствоваться средним размером (диаметром) частиц, рассматривая распыл как монодисперсную, а не как полидисперсную систему. Средний диаметр частиц, образующихся при распылении, колеблется в пределах 20—60 мк.

В мясной промышленности применяются два способа распыления: гидравлический (механический) и центробежный. Гидравлическое (механическое) распыление достигается за счет истечения жидкости из форсунок с большой скоростью, обеспечиваемой высоким давлением (50—200 кг/см

²) .

При турбулентном истечении струя после выхода из форсунки перестает испытывать ограничивающее действие стенок форсунки и подвергается действию радиальной скорости, сдерживаясь до определенного момента только поверхностным натяжением. Вслед за этим статически неустойчивая форма струи разрушается в наиболее тонких участках, образуя капли.

Распад на капли зависит, главным образом, от турбулентности струи, которая возрастает, если струя на выходе из форсунки приобретает вращательное движение. В таком случае жидкость оказывается под воздействием осевой скорости и скорости закручивания. Последняя в наибольшей степени влияет на степень дисперсности. Поэтому гидравлические форсунки конструируют с учетом необходимости придания струевращательного движения. При выходе из такой форсунки вначале образуется пленка, распадающаяся затем на капли. Если скорость движения жидкости достаточно велика, распыление происходит непосредственно у выхода.

При больших скоростях истечения распад образовавшихся капель происходит под действием давления, обусловленного трением среды, если возникающие при этом силы будут превышать силы поверхностного натяжения.

Степень дисперсности и равномерность распыла при гидравлическом распылении зависит от скорости истечения и физических свойств жидкости и среды (их поверхностного натяжения, плотности, вязкости). Влияние вязкости сказывается меньше, чем влияние поверхностного натяжения. Однако при распылении вязких жидкостей оно отражается на степени дисперсности более заметно, поскольку диспергирующие силы по мере удаления капель от форсунки ослабевают, а вязкость вследствие их обезвоживания возрастает.

Максимальный диаметр капель при гидравлическом распылении приближенно определяется по формуле

(VIII-27)

где

a

— поверхностное натяжение, кг/м ;

γ

_в — удельный вес воздуха, кг/м

³;

v —

скорость выхода струи, м/сек ;

g — ускорение силы тяжести, м²/сек ,

k — коэффициент, зависящий от свойств жидкости (вода — 2,5; глицерин — 5).

При прочих равных условиях степень распыления является функцией скорости струи, которая в свою очередь определяется давлением, под которым жидкость подается в форсунку. Ниже приводятся данные, характеризующие влияние давления на характер распыления крови (табл. 110).

Таблица 110

Размер капель, мк	Распределение капель (в %) при давлении, кг/см 2
	20	40	50
До 50	50	58	68
50—100	38	35	27
100—150	9	6	4
Более 150	3	1	1

При гидравлическом распылении сухой продукт получается, как правило, в виде частиц, форма которых приближается к сферической. Гидравлические форсунки компактны и просты по конструкции. При гидравлическом распылении можно получать факел желаемой конфигурации путем незначительных изменений конструкции. Гидравлические форсунки обладают высокой производительностью (от 150 до 4500 кг/ч

).

Однако вследствие небольшого сечения выходного отверстия ( d == 0,5—2 мм ) гидравлические форсунки мало пригодны для распыления вязких и засоренных жидкостей. Регулировать производительность форсунки невозможно, так как с изменением скорости струи меняется дисперсность. Выходное отверстие форсунки быстро срабатывается под шлифующим действием струи.

Рис. 76. Дисковое устройство для распыления:

1

— трубопровод жидкости, идущей на распыление;

2 —

распределительный диск;

3 —

камера;

4 —

конус;

5 —

вывод сушащего воздуха;

6 —

скребковое приспособление; 7 — таз сушильной

башни; 8 — воздухопровод теплого воздуха.

Гидравлическое распыление широко применяется при распылительной сушке клея, желатина, крови.

Центробежное распыление происходит при помощи быстровращающихся дисков с внутренними радиально расположенными каналами (рис. 76). Под действием достаточно большой центробежной силы струи, вытекающие из каналов к периферии диска, образуют сплошную пленку, которая затем распадается с образованием капель. Подобно гидравлическому распылению, в данном случае распад статически неустойчивой формы (пленки) происходит за счет турбулентности потока и сил давления, возникающих в результате трения о воздух.

При распаде за счет турбулентности образуются капли, величина которых обратно пропорциональна квадратному корню из центробежной силы или первой степени окружной скорости. Распад за счет трения о воздух может сопровождаться образованием нитеобразной структуры высушенного продукта, если распыляется вязкий раствор и сушка происходит интенсивно. Величина капель при распаде в результате трения обратно пропорциональна квадрату окружной скорости. Распыл получается более равномерным, если преобладает первый механизм распада струи.

Равномерность распыла зависит также от окружной скорости диска и от его производительности, влияющей на толщину пленки, которая образуется на периферии диска. Минимальная окружная скорость диска, обеспечивающая достаточную однородность распыла

, 60 м

/

сек. Для достижения однородного распыла необходима равномерная подача жидкости на диск и отсутствие вибраций его.

Влияние центробежного ускорения на степень распыления (диаметр капли) может быть учтено уравнением

(VIII-28)

где

n — число оборотов в минуту;

R — радиус диска, м .

Максимальный диаметр капель равен [20]

(VIII-29)

где

R — радиус диска, м ;

G — часовой расход жидкости, кг/ч ;

γ_р — плотность жидкости, кг/м ³;

η — вязкость жидкости, пз ;

l — длина смоченного периметра, м .

Минимальное число оборотов диска 8000—10000 об/мин. Диаметр частиц распыленной крови при этом лежит в пределах 20—100 мк . Но скорость вращения может быть доведена до 30000 об/мин.

При центробежном распылении факел распыла расположен горизонтально (см. рис. 76). Его диаметр определяется дальностью полета капель (практически — диаметр окружности, внутри которой оседает до 95% капель). Так как дальность полета тем больше, чем больше размеры капель, диаметр факела возрастает с увеличением неоднородности распыла. С повышением производительности диска он увеличивается, а с повышением скорости вращения диска уменьшается. Для уменьшения диаметра факела распыла и неоднородности при большой производительности употребляют многоярусные диски. Применение многоярусных дисков позволяет увеличить коэффициент использования объема сушилки и уменьшить расход тепла на сушку (относительная влажность отходящего воздуха возрастает до 40% вместо 20—25% обычных).

Центробежное распыление пригодно для жидкостей любой вязкости, в том числе и для грубодисперсных суспензий и пастообразных текучих материалов. Диски не засоряются и обеспечивают однородный распыл. Производительность диска может быть доведена до 5000 кг/ч и меняться в пределах 25% без заметного влияния на дисперсность и факел распыла.

Недостатки центробежного распыления: сложность привода диска, необходимость тщательного ухода за ним во избежание дебалансировки и широкий факел распыла, требующий повышенных производственных площадей. Центробежное распыление получило широкое применение для сушки самых разнообразных продуктов (крови и ее составных частей, клея, желатина, яйца, суспензий животных тканей в воде и т. д.).

Ход распылительной сушки. Механизм распылительной сушки аналогичен механизму конвективной сушки в других, ранее рассмотренных вариантах (токе воздуха, взвешенном состоянии). Вследствие малых размеров частиц влияние термовлагопроводности, несмотря на высокую температуру воздуха, незначительно. Интенсивность испарения максимальна в период постоянной скорости. В этот период температура частицы близка к температуре мокрого термометра; перемещение влаги внутри частицы мало влияет на интенсивность испарения. Последняя зависит главным образом от внешних условий тепловлагообмена: температуры и влажности воздуха и аэродинамики обтекания частиц воздухом.

В условиях распылительной сушки, несмотря на незначительные размеры частиц, критическая влажность материалов значительно превышает гигроскопическую. Поэтому сушка в большей своей части идет при падающей скорости. Начало периода падающей скорости совпадает с отвердением внешней поверхности капель распыленного раствора.

Процесс сушки в распыленном состоянии продолжается лишь до тех пор, пока частицы материала взвешены в воздухе. Так как этот период невелик, процесс обезвоживания заканчивается ранее, нежели будет достигнута равновесная влажность. Влажность продукта к этому моменту зависит от его состава и находится в прямолинейной зависимости от содержания в нем белковых веществ, как наиболее гидрофильных. В

табл. 111 приведены значения остаточной влажности различных продуктов, высушенных в одинаковых условиях [2].

Таблица 111

Продукты	Содержание белков в сухом остатке, %	Остаточная влажность в % к сухому остатку
Яичный желток	31,2	4,01
Яично-молочный омлет	46,0	5,6
Яичная масса	51,0	6,0
Кровяная сыворотка	89,5	9,0
Дефибринированная кровь	91,0	10,0
Яичный белок	93,4	11,2
Форменные элементы крови	97,7	12,0

Аэродинамика обтекания частиц воздухом, от которой зависит интенсивность испарения влаги, а также возможность и характер отделения высушенного продукта от воздуха, определяются соотношением скоростей и направлений движения частиц и воздуха относительно друг друга.

В момент выхода из распылительного аппарата частицы обладают большой скоростью (100 и более м/сек

) ,

значительно превышающей скорость воздуха. В дальнейшем под действием сил сопротивления скорость каждой отдельной частицы уменьшается и в некоторый момент, когда сила тяжести уравновешивается силой сопротивления, становится постоянной относительно скорости воздуха. Установившаяся скорость равна скорости витания частицы. В зависимости от этого процесс сушки может быть разделен на две фазы: 1) сушка при переменной скорости движения относительно воздуха, 2) сушка при установившейся скорости, равной скорости витания. Длительность первой фазы незначительна и исчисляется в сотых долях секунды.

Скорость витания во второй фазе не остается постоянной и меняется с высыханием и изменением плотности частицы (уменьшаясь или увеличиваясь). Соответственно этому меняется и поведение частицы по отношению к движущемуся воздуху.

Процесс распылительной сушки протекает в основном в фазе установившегося движения частиц. Но характер движения частиц во всей массе распыленного материала очень сложен. Помимо изменения плотности частиц, на него влияют неравномерность сушки, соударения частиц, вызывающие изменения направления скорости или слипание частиц.

Взаимное направление движения частиц и воздуха, обусловленное конструкцией сушилки, в зависимости от направления движения частиц и воздуха сушилки можно разделить на три типа:

с параллельным током, с противотоком, со смешанным током.

Основное достоинство сушки в параллельном токе — возможность применять более высокие температуры, так как температура высушенного материала в данном случае определяется температурой воздуха на выходе из сушилки. Кроме того, при таком токе вероятность попадания невысохших частиц на стенки камеры невелика.

Параллельный ток может быть осуществлен при подаче жидкости и воздуха в трех вариантах: сверху, сбоку и при вращательном движении потока, и снизу. При верхней подаче жидкости и воздуха скорость движения частиц равна сумме скорости витания и скорости движения воздуха. Основная масса сухого продукта остается в нижней части сушилки. Небольшая доля частиц, обладающих малой скоростью витания, уносится с воздухом. При верхней подаче скорость воздуха должна быть больше скорости витания крупных частиц. В этих условиях крупные частицы остаются в камере дольше мелких. Поэтому сушка идет более равномерно, но требуются высокие скорости воздуха, вызывающие увеличение расхода тепла, сухой продукт уносится воздухом и это затрудняет его улавливание. Боковая подача с вращательным движением потока улучшает смешивание распыленного материала с воздухом и делает сушку более экономичной.

При сушке в противотоке увеличивается длительность пребывания частиц во взвешенном состоянии. Это позволяет лучше использовать влагоемкость воздуха, и уменьшает расход пара. Однако при противотоке нельзя значительно повышать температуру, так как это ведет к перегреву материала. Вероятность соударения частиц больше, чем при прямотоке, возможно слипание и укрупнение частиц.

Сушку в противотоке можно вести в двух вариантах: с подачей жидкости сверху и воздуха снизу, с подачей жидкости снизу и воздуха сверху. В первом случае скорость воздуха должна быть меньше скорости витания основной массы частиц. При этом условии почти весь сухой продукт оседает на дно камеры.

Сушка в смешанном токе производится при такой скорости воздуха, чтобы более крупные частицы оседали на дно камеры, а мелкие уносились отработанным воздухом. Благодаря этому удается избежать перегрева мелких частиц. Это позволяет поддерживать более высокую температуру сушки, чем при, противотоке. Смешанный характер тока обеспечивает более высокую степень насыщения отработанного воздуха влагой. При такой сушке, однако, существует опасность слипания частиц.

Схемы работы сушилки при смешанном токе могут быть различными. К ним относятся сушилки с дисковым распылением и работающие по типу циклона. В последнем случае воздух подается тангенциально. Вследствие трения воздуха о стенки камеры поток двигается по винтовой линии, что обеспечивает хорошее перемешивание частиц с воздухом.

Тангенциальный ввод воздуха в сушильную камеру может быть использован с целью повышения экономичности сушки и при параллельном токе. Этим достигается повышение влажности отходящего воздуха (до 40% вместо 15—20%) и понижение его температуры (до 50 вместо 65⁰ С). Однако при винтообразном потоке некоторая доля частиц вступает

в длительный контакт со стенкой камеры, вследствие чего они могут прилипать к стенкам или перегреваться (иногда частицы имеют температуру на 25⁰ С выше, чем при параллельном токе).

В процессе сушки величина частиц распыленного материала может изменяться (возрастая или уменьшаясь) или оставаться неизменной. Это зависит от режима сушки и свойств сушимого материала. При мягком режиме сушки гидрофильных материалов диаметр частиц в период постоянной скорости сушки уменьшается соответственно количеству удаляемой

влаги. Во втором периоде после отвердения внешней поверхности частицы уменьшение незначительное.

При жестком режиме, которым обычно пользуются в практических условиях, внешняя поверхность быстро твердеет, затрудняя переход влаги во внешнюю среду. В результате внутри частицы возникает избыточное давление, частица раздувается и становится пористой. При температуре воздуха 125⁰ С размеры частиц сухого продукта практически не отличаются от размеров капель. При 140⁰ С они несколько больше. Форма частиц приближается к сферической.

Ниже приводятся данные, характеризующие средний диаметр (в мк ) частиц различных видов продуктов, высушенных при температуре около 140⁰ С [2].

Светлый альбумин	112
Черный альбумин	120
Форменные элементы крови	60
Сухое яйцо	134
Яичный
белок	151
Желток	111
Клей	110

Выбор режима сушки. На эффективность распылительной сушки, помимо свойств высушиваемого материала влияют: способ распыления, характер движения частиц материала и воздуха относительно друг друга, концентрация и температура раствора, подаваемого в сушилку, температура воздуха на входе в сушилку и на выходе из нее.

Наиболее экономичен гидравлический способ распыления. Но он пригоден только для жидкостей, не засоренных твердыми примесями или предварительно очищенных от них. Для сушки таких продуктов применим также и центробежный способ распыления. Следует, однако, учитывать, что при этом способе распыления можно вести сушку только в смешанном токе, что ограничивает возможность повышения температуры сушки. Для распыления суспензии (например, взвеси измельченных тканей в воде) пригоден центробежный способ распыления.

Характер относительного движения распыленного материала и воздуха влияет на экономичность процесса сушки и качество готового продукта. Для термолабильных материалов, в особенности для крови и яйца, рекомендуется сушка в параллельном токе. Это допускает применение более высоких температур и делает сушку более экономичной. Для менее чувствительных к нагреву материалов (например, клеевой бульон) используют сушку в смешанном токе даже при сравнительно высоких температурах.

Начальная концентрация раствора в сильной степени влияет на расход тепла и напряжение объема сушилки. Поэтому во всех случаях желательно подавать в сушилку концентрированные растворы. Повышение начальной концентрации в большинстве случаев приводит к увеличению объемного веса сухого продукта, благодаря чему уменьшается объем тары для упаковки

.

Но при сушке вязких концентрированных растворов (клей, желатин), наоборот, объемный вес уменьшается.

Повышение температуры растворов, подаваемых в сушилку, уменьшает их вязкость и этим улучшает распыление и способствует увеличению объемного веса сухого продукта. Одновременно предварительный подогрев повышает экономичность сушки. Однако степень предварительного подогрева ограничивается чувствительностью материала к высоким температурам. В практике мясных предприятий такой подогрев в большинстве случаев допустим лишь в связи с целесообразностью использования тепла отходящего из сушилки воздуха.

Температура воздуха, подаваемого в сушилку, решающим образом влияет на экономичность сушки: чем выше температура, тем меньше расход тепла и больше возможность использования объема сушилки. Верхний предел температуры ограничивается взрывоопасностью и чувствительностью материала к нагреву.

Для белковых материалов верхним взрывобезопасным температурным пределом при сушке нагретым воздухом считают 175—180⁰ С. При сушке очищенными топочными газами или инертными газами (азот, углекислота) этот предел утрачивает свое значение. Устраняется также опасность чрезмерного ускорения окислительных процессов под действием кислорода воздуха.

При сушке особо чувствительных к нагреву продуктов — крови, яйца, желатина — в параллельном токе рекомендуется начальная температура воздуха 175—180⁰ С, в смешанном токе — 160—165⁰ С. Клеевой бульон можно сушить при температурах порядка 350—400⁰ С.

Температура воздуха из сушилки, во-первых, влияет на ход сушки. Чем выше конечная температура воздуха, тем больше интенсивность сушки и коэффициент использования объема сушилки, но вместе с тем увеличивается и расход тепла. Поэтому высокие конечные температуры допустимы лишь при условии использования отходящего тепла для предварительного подогрева раствора в мокром скруббере. Конечная температура воздуха, во-вторых, влияет на продукт. Поэтому она должна быть сообразована с чувствительностью материала к нагреву.

Конечная температура воздуха может колебаться в пределах 65—150⁰ С. Она устанавливается экспериментально, применительно к конкретным условиям сушки и в зависимости от свойств материала. Для таких продуктов, как кровь, яйцо, желатин, допускается температура 65—75⁰ С. Для клея она может быть выше.

Установленная конечная температура воздуха служит показателем, по которому регулируется ход сушки. В случае повышения температуры воздуха на выходе увеличивают подачу материала, в случае понижения — уменьшают.

Сушка крови и сыворотки (плазмы). Путем распылительной сушки из цельной крови вырабатывают пылевидный черный технический альбумин (сухая кровь), применяемый для изготовления фанерного клея, а из сыворотки (плазмы) — светлый пищевой и технический альбумин (сухая сыворотка или плазма). Светлый пищевой альбумин используется в кондитерском производстве взамен яичного белка, технический — в полиграфической, текстильной и др

.

отраслях промышленности. По техническим условиям конечная влажность этих продуктов не должна быть более 10—11%.

В прямоточных сушилках благодаря параллельному движению теплоносителя и частиц крови кровь не перегревается. Но они наименее экономичны. В противоточных сушилках возникает опасность местного перегрева, поэтому при сушке в них крови нельзя пользоваться такими высокими температурами, как в прямоточных.

Сушилки со смешанным движением воздуха и потока распыленной крови экономичнее прямоточных, но кровь высыхает менее равномерно вследствие слипания капель в результате завихрений. Тем не менее, эти сушилки получили наибольшее распространение. Скорость движения воздуха в сушильной камере 0,2—0,4 м/сек.

С учетом начальной влажности исходного сырья путем распылительной сушки должно быть удалено следующее примерное количество влаги (в % к сухому веществу): цельная кровь — 420, сыворотка — 1000, форменные элементы —135.

Удаление таких больших количеств влаги из крови и сыворотки путем исключительно распылительной сушки экономически крайне невыгодно. В связи с этим целесообразно предварительно производить упаривание.

Предварительным упариванием может быть удалено примерно до 60% содержащейся в крови влаги. Во избежание денатурации белков крови выпаривание следует вести при температуре не выше 35—40⁰ С, что требует разрежения в выпарном аппарате до 700—710 мм рт. ст. [2,7] и вызывает известные технические трудности. Чтобы избежать денатурации, требуется поддерживать заданный вакуум на строго определенном уровне. Для этого необходим вакуум-насос, дающий достаточное разрежение, и автоматическая регулировка вакуума. Но и при этом возможна денатурация вследствие местного перегрева. В связи с этим обогревать следует только горячей водой, строго регулируя ее температуру на уровне 60⁰ С. При этом температура греющей поверхности не превышает 50⁰ С, а температура крови — 40⁰ С. Для упаривания крови оказался пригодным прямодействующий трубчатый вакуум-выпарной аппарат с термокомпрессией. Воду следует подогревать в нагревателе с инжектором .

Большей частью подогрев воздуха, подаваемого в сушилку, производят паровыми калориферами. Но калориферы обеспечивают нагрев воздуха лишь до температур 135—140⁰ С, а иногда и меньше. Лучше нагревать воздух топочными газами, получаемыми сжиганием газообразного топлива. Это позволяет вести сушку крови при температуре около 160—170⁰ С и делает ее более экономичной. Относительная влажность отходящего воздуха увеличивается до 30% и более. Соответственно этому напряжение объема сушилки (количество испаряемой влаги в 1 м

³

в ч ) возрастает на 40%, а ее производительность на 16%.

При получении пищевой продукции важно, чтобы наружный воздух, поступающий в калорифер, был хорошо очищен. Для этой цели перед калорифером устанавливают фильтры — серию рам с натянутым фланелевым или шерстяным материалом, проходя через который, воздух очищается. Часто очищают воздух с помощью висциновых фильтров (пустотелые кольца или клетчатые рамы, смазываемые вискозином).

Сушка крови и сыворотки в распылительных сушилках обеспечивает получение продукта с большим (более 85%) содержанием растворимых белков при значительном его выходе (до 18%).

Сушка яйцепродуктов. Путем распылительной сушки обезвоживают цельное яйцо (смесь белка и желтка — меланж), яичный белок и яичный желток в отдельности. С применением распылительной сушки вырабатывают сухой омлет — смесь меланжа с молоком. Сухие яйцепродукты используются в кондитерском, хлебопекарном производстве и в других отраслях пищевой промышленности. Их предназначают также для питания людей в условиях длительного отрыва от баз снабжения. Примерный состав сухих яйцепродуктов в % приведен в табл. 112 [2].

Таблица 112

Составные части	Яйцепродукты
	яйцо	белок	желток
Белковые вещества	43,2	73,4	35,1
Липиды	40,9	0,3	53,2
Прочие органические вещества	5,8	8,5	2,8
Минеральные вещества (по золе)	3,6	5,2	3,4
Вода	6,4	12,6	5,0

С учетом начальной влажности исходного сырья путем сушки должно быть удалено следующее примерное количество влаги (в % к сухому веществу):

Цельное яйцо	275—280
Белок	595—600
Желток	95—100

Для сушки яйцепродуктов используются сушилки с гидравлическим и дисковым распылением.

В процессе сушки часть микрофлоры, содержащейся в сырье, отмирает. Однако остается значительное количество жизнеспособных микроорганизмов. Так, например, после сушки остается от 1% до 35%

Salmonell

к их начальному количеству (если они были в сырье). С целью снижения микробиальной загрязненности готового продукта рекомендуется исходное сырье перед сушкой подвергать пастеризации.

В процессе сушки яйцепродукты подвергаются различным изменениям. Они обусловлены: изменениями коллоидного состояния составных частей в связи с обезвоживанием, частичным окислением некоторых составных частей, удалением легко летучих соединений с водяным паром и непосредственным воздействием высокой температуры.

Даже при очень осторожном высушивании яйца над фосфорным ангидридом обезвоживание желтка сопровождается необратимыми изменениями его состояния, хотя коллоидные свойства белка меняются незначительно. После обезвоживания распылительной сушкой растворимость белка снижается на 2,0—2,5%. Вязкость растворов высушенного белка понижена. Пеновзбиваемость белкового раствора уменьшается в соответствии с растворимостью.

Высокая температура во время сушки вызывает разрушение карбонатов яйца, из него удаляется углекислота. С водяными парами улетучивается часть летучих органических кислот. Все это в конечном итоге приводит к повышению рН яйца: при исходном рН 7,2—7,6, рН после восстановления сухого яйца достигает 7,6—8,6

[29].

Большинство витаминов яйца в процессе сушки почти не разрушается. Но некоторые из них, особенно легко окисляющиеся, частично теряются. После сушки немного уменьшается содержание витаминов А, Д и

B₁ [29].

Влияние чрезмерно высокой температуры сушки может сказываться на изменении вкуса и запаха сухого яйца и на структуре яичного порошка. Нормально высушенный яичный порошок обладает ярко-желтой окраской, специфическим приятным вкусом, в воде распределяется равномерно. Но иногда запах сухого яйца может иметь оттенок пригорелого, яйцо приобретает горьковатый привкус. В структуре порошка обнаруживают комочки, многочисленные застывшие жировые капельки. Вероятность таких дефектов тем больше, чем выше температура сушки. Поэтому распылительную сушку яйцепродуктов ведут при относительно невысоких температурах: температура воздуха на входе в сушилку 135—155⁰ С, на выходе — 55—70⁰ С.

Однако изменения при сушке яйцепродуктов не столь велики, как при последующем их хранении. Объясняется это главным образом окислением составных частей сухих яйцепродуктов кислородом воздуха, адсорбированным тонкодисперсными частицами в процессе сушки, часть которых к тому же оказывается полыми. Существенное значение для изменений некоторых свойств сухого яйца имеет содержащаяся в его составе глюкоза. Изменения коллоидных свойств белка и желтка отчасти обусловлены развитием коагуляционных явлений.

Окислительные изменения затрагивают в первую очередь липидную фракцию. В результате при хранении сухих яйцепродуктов постепенно ухудшается их вкус и запах [29]. Появляется “лежалый”, а иногда и рыбный привкус. Уменьшается содержание каротиноидов. Окисляются некоторые витамины. Окислительные процессы резко ускоряются с повышением температуры. Так, количество витамина А при 0⁰С снижалось на 60% через 9 месяцев хранения, а при 37⁰ С это происходило уже через 3 месяца. Содержание витамина Д при 10⁰ С в течение 9 месяцев почти не менялось, а при 37⁰ С оно уменьшалось почти на 30%. При 20—30⁰ С через 9 месяцев теряется 50—100% витамина В

₁

а при 9⁰ С его количество меняется мало. Окисление ускоряется на свету, в особенности желтка. Окислительные изменения составных частей яйцепродуктов резко замедляются при хранении их в атмосфере инертного газа (например, азота), либо в атмосфере углекислоты.

Остающаяся в составе яйца глюкоза в значительной мере обусловливает ухудшение некоторых свойств сухих яйцепродуктов при их хранении. В ее присутствии яйцо постепенно приобретает красно-коричневый оттенок. Белок сухого яйца темнеет и в конечном итоге может почернеть. В сухом яйце появляются вещества с коричневой окраской. Растворимость белков снижается более быстрыми темпами. Быстрее ухудшается вкус яйца.

При исследовании этих явлений было обнаружено исчезновение части свободной глюкозы и уменьшение количества аминного азота. Отсюда вытекает вероятность реакции конденсации между редуцирующими группами моносахарида и свободными аминогруппами белков и аминогруппами аминокислот.

С целью предотвращения этих нежелательных процессов яйцепродукты обессахаривают перед сушкой ферментацией, в ходе которой происходит окисление глюкозы до глюконовой кислоты. Яичный меланж обрабатывают либо ферментными препаратами (например, препаратом, содержащим глюкозидазу, каталазу и перекись водорода), либо микробиальными препаратами (например, дрожжами). Ферментирование предотвращает потемнение продукта, способствует сохранению запаха и вкуса, замедляет падение растворимости белка [56]. Так, если в неферментированном продукте после двухмесячного хранения при 40⁰ С растворимость белка уменьшилась вдвое, то в ферментированном она сохранилась на уровне 98% к начальной.

На растворимость сухого яйца влияет время, в течение которого продукт сохраняет высокую температуру после сушки. Так, растворимость яйца, сохранявшего температуру 80⁰ С в течение 1 ч, упала на 10%, а сохранявшего эту температуру 4 ч — на 20%. Это вызывается перераспределением расплавленного жира в сухом порошке.

В высушенном яйце, по-видимому, не приостанавливаются некоторые ферментативные процессы. Об этом свидетельствует наличие зависимости между влажностью яйца и скоростью накопления свободных жирных кислот. В течение 40 недель хранения высушенного продукта количество свободных жирных кислот изменялось следующим образом (в %) [29]:

Содержание влаги	2,6	4,5	8,5
Количество свободных жирных кислот	1,8	2,40	4,6

Сходным образом влажность продукта влияет на интенсивность изменения фосфорсодержащих фракций (табл. 113).

Таблица 113

Фракции, мг/см 3	Изменение количества фосфатов через 24 недели при 370 С и влажности, %
	2,5	8,4	11,0
Ортофосфаты	0,104	0,146	0,190
Кислоторастворимые фосфаты	0,144	0,240	0,319

Сушка желатина и клея. Сушка желатинового и клеевого бульонов методом распыления, помимо общих достоинств этого метода, имеет еще и то преимущество, что исключает необходимость в предварительной желатинизации бульонов.

При сушке в распыленном состоянии желатиновый и клеевой бульоны распыляются тем или иным способом до капелек размером 0,01—0,04 мм. Структура сухого продукта при распылительной сушке зависит от концентрации и вязкости бульона, способа распыления и температуры сушки. Вследствие высокой вязкости концентрированных бульонов при высокой температуре сушки, когда влага испаряется прежде разрушения струй, продукт приобретает вид ваты, состоящей из волокон не толще 20 мк. При меньшей концентрации (для клея менее 30%) продукт получается в виде объемистого порошка. В таком виде он удобнее для последующей обработки.

И в том и в другом случае продукт обладает рыхлой структурой и очень небольшим объемным весом (40—60 кг/м

³

). Такой продукт нетранспортабелен, при хранении слеживается в плотные комья, при растворении в воде всплывает. Поэтому сухой порошок желатина или клея прессуют в брикеты диаметром до 8 см и толщиной 3—4 см

,

а затем дробят до размеров 1—5 мм. Такой продукт обладает способностью растворяться вдвое быстрее, чем полученный высушиванием в канальной сушилке [15].

Желатиновый бульон рекомендуется подавать на сушку с концентрацией не выше 12—13%. Начальная температура воздуха 150—170⁰ С, температура на выходе 65⁰ С. Желатин, высушенный при этом режиме, содержит влаги около 15% и по качественным показателям не отличается от желатина, высушенного в канальной сушилке [27, 28]. Но сушка при столь относительно низких температурах мало экономична. Напряжение объема сушилки составляет всего около 3 кг

/( м

³ •ч ). Поэтому для сушки желатина рекомендуются распылительные сушилки с утилизацией тепла отходящего воздуха на подогрев бульона, поступающего в сушилку.

Клеевой бульон целесообразно предварительно концентрировать не менее, чем до 30%. Его можно сушить при значительно более высоких температурах — 350⁰ С и выше, используя для подогрева воздуха топочные газы. При таком варианте сушки расход топлива уменьшается в 3 и более раза, а напряжение объема сушилки повышается до 15—16 кг

/( м

³ •ч

) .

Клей распылительной сушки при употреблении газообразного топлива по качественным показателям отвечает техническим условиям [19].

Усушка. Сходным с процессом сушки и протекающим по тем же законам является самопроизвольно возникающее явление усыхания пищевых продуктов в ходе их выработки и при хранении. Усушка при любых обстоятельствах должна быть сведена к минимуму. В то же время, в условиях контакта с воздухом она неизбежна, если влажность продукта выше равновесной при данной температуре и относительной влажности воздуха. Величина усушки зависит от свойств и состояния продукта, от параметров окружающего воздуха и изолированности продукта от него.

Таким образом, исключая продукты, высушенные до влажности меньше равновесной, все остальные в зависимости от условий и продолжительности хранения высыхают, теряя то или иное количество влаги. При кратковременном хранении процесс высыхания протекает при неустановившемся режиме, поэтому почти не поддается математическому исчислению. Но при длительном хранении зависимости между условиями хранения и скоростью обезвоживания продукта могут быть математически описаны с точностью, достаточной для технических целей.

Рис. 77. Кривые равновесной влажности яйца и яичного белка при 18⁰ С:

1

— белок;

2

— яйцо.

Это относится к обезвоживанию яиц и мороженых мясопродуктов при длительном хранении.

Усушка при хранении яиц. Значительная доля площади пор в общей площади поверхности яйца является причиной того, что испарение влаги в процессе хранения яиц протекает с относительно большой скоростью. Вследствие этого величина усушки при хранении яиц имеет значительные размеры. При очень длительном хранении, в особенности при высоких температурах, яйцо может высохнуть практически до равновесной влажности (рис. 77). В табл. 114 приведены примерные сроки хранения куриных яиц, в течение которых они высыхают до равновесной влажности [29].

В связи с этим величина весовых изменений яиц при хранении может рассматриваться как наиболее характерный признак “старения” яйца, т. е. глубины тех изменений, которые снижают его качество при хранении. Наглядное представление об этом дает изменение объема (но не диаметра и высоты) пуги, который увеличивается пропорционально количеству испарившейся влаги. В связи с этим уменьшается удельный вес яйца, по которому можно судить о

степени изменения качества яиц.

Таблица 114

Температура хранения, 0С	Сроки хранения в месяцах при относительной влажности, %
	50	80
0	60	96
12	26	42
25	12	20

Испарение влаги в течение первого и довольно длительного периода протекает практически с постоянной скоростью. Пои температуре, близкой к 0⁰

С

,

скорость лишь через 10 месяцев уменьшается до 90%, а при 15⁰ С до 88% к начальной. Таким образом, при обычных сроках хранения яиц изменение величины усушки по времени можно считать постоянным.

Основное влияние на скорость испарения влаги имеет проницаемость скорлупы. Этим объясняется стремление хранить яйца либо в водных подщелоченных растворах, либо покрывая их поверхность тонким слоем масла. Некоторое влияние на скорость испарения имеют размеры яиц: чем

они крупнее, тем меньше скорость испарения.

До тех пор пока испарение идет с постоянной скоростью, величина усушки пропорциональна разности парциальных давлений пара яйца и воздуха, или, иначе говоря, влажностному дефициту воздуха (100 — φ). На рис. 78 в графическом виде изображена зависимость суточной величины усушки яйца от влажностного дефицита воздуха.

Скорость испарения, следовательно, и величина усушки зависят от температуры хранения. Эта зависимость довольно сложна. Примерное представление о ней дает кривая зависимости (рис. 79) для яйца среднего веса при относительной влажности воздуха 80%. Влияние температуры на величину усушки в период хранения иллюстрирует рис. 80.

Потери влаги белком и желтком яйца происходят неравномерно. В начальный период хранения теряет влагу только белок. Влажность желтка, наоборот, даже немного увеличивается за счет белка вследствие более высокого осмотического давления в желтке. Лишь после достижения равновесного состояния начинается также и обезвоживание желтка. Наглядное

представление об этом дает рис. 81.

Рис. 78. Влияние относительной влажности воздуха на величину суточной усушки яйца при разной температуре.

Рис. 79. Влияние температуры на величину суточной усушки яйца.

Рис. 80. Зависимость величины усушки яиц от температуры хранения.

Рис. 81. Распределение влажности между белком и желтком по мере высыхания яйца.

Усушка при хранении мороженого мяса. Так как почти вся влага в мороженом мясе, способная испаряться, находится в твердом состоянии, процесс протекает аналогично сублимации льда. Поэтому механизм внутреннего перемещения влаги в основном такой же, как при сублимационной сушке. Но механизм тепло- и влагообмена с окружающим воздухом в принципе не отличается от механизма тепло- и влагообмена при конвективной сушке.

Наилучшими условиями хранения мороженых продуктов следует признать такие, которые могут обеспечить равновесное состояние теплообмена и влагообмена продукта с внешней средой. Это, однако, невозможно по двум причинам: а) вначале температура замороженного продукта, поступающего на хранение, неодинакова по толщине, причем во внешнем слое она ниже температуры воздуха в камере. Вследствие этого тепло переходит из внешней среды в продукт; б) поверхность охлаждающих приборов всегда имеет более низкую температуру, чем окружающий воздух, что приводит к конденсации на ней влаги, испаряющейся с поверхности продукта. Так как в связи с испарением температура поверхности снижается, приближаясь к температуре мокрого термометра, переход тепла из окружающей среды в

продукт продолжается и после выравнивания температуры в толще продукта.

В связи с тем, что в мороженых продуктах почти вся влага находится в кристаллическом состоянии, и, следовательно, практически не способна к диффузии, на поверхности образуется постепенно утолщающийся губчатый, частично обезвоженный слой за счет сублимации льда вначале с поверхности, а затем на некоторой глубине. Этот слой содержит различное количество влаги, которое зависит от температуры и относительной влажности воздуха (при обычных условиях хранения в нем остается около 30% воды). На разрезе отчетливо заметна граница между этим слоем и остальной частью замороженного мяса, содержащего даже вблизи границы нормальное количество воды (около 70%).

Образующиеся в результате сублимации водяные пары диффундируют сквозь губчатый слой и переходят в окружающий воздух. В губчатом слое при этом в основном сохраняется первоначальная структура и, так как заметной усадки не наблюдается, объем пор, освобождающийся вследствие сублимации льда, заполняется воздухом вследствие обменной диффузии. Пересыхание поверхностного слоя и воздействие на него кислорода воздуха ведут к необратимым изменениям вкуса, запаха, цвета, внешнего вида и других свойств продукта. Следовательно, испарение влаги с поверхности замороженного продукта не только изменяет вес, но и существенно ухудшает качество продукта в первую очередь в поверхностном высыхающем слое. Этот слой после варки остается суховатым и жестким и почти лишен вкуса мяса.

Поверхностное высыхание при температурах ниже криоскопической точки протекает по типу психрометрического (адиабатического) испарения, когда в состоянии равновесия температура поверхности устанавливается ниже температуры окружающего воздуха, а упругость водяного пара над поверхностью выше упругости пара в окружающем воздухе (если он не насыщен). При этих условиях интенсивность испарения влаги в поверхности продукта по Д. Г. Рютову [30] может быть выражена уравнением

(VIII-30)

где

b

— коэффициент испарения г /( м ³ • ч • мм рт. ст. );

F — эффективная (участвующая в испарении) поверхность, составляющая около 0,4 общей геометрической поверхности мяса в штабеле (для говядины 12, для свинины 11, для баранины 20 м ² /т );

p _в — упругость насыщенных водяных паров в воздухе камеры ( мм рт. ст. );

φ — относительная влажность воздуха (в долях единицы) — 0,95, 0,98 (в жаркое время года — около 0,90).

Коэффициент испарения b

зависит от состояния поверхности продукта и, следовательно, характеризует влияние свойств продукта на интенсивность испарения. Для говядины I категории он составляет 3,0—3,9, для говядины II категории 5,1 г/ ( м ² • ч • мм рт. ст. ). Безразмерная величина М — психрометрический фактор. Для температур от —4 до —21⁰ С:

(VIII-31)

где

t _в — температура воздуха, ⁰С;

v — скорость движения воздуха у поверхности продукта, м/сек .

Величина М колеблется между 1,05 и 1,25 в зависимости от интенсивности теплообмена.

Влага, испаряющаяся с поверхности продукта, конденсируется на поверхности охлаждающих приборов, отдавая им теплоту сублимаций. Отсюда максимально возможное количество испаряющейся влаги в камере должно соответствовать конденсирующей способности поверхности охлаждения. С учетом того количества влаги, которое поступает из других источников (с воздухом извне,

от людей, от устанавливаемых в камере увлажнителей), и в соответствии с законом конденсации количество конденсирующейся влаги составит

(VIII-32)

где

W — количество влаги, поступающей от других источников, г/ч ;

Q — суммарное количество тепла, поглощаемого охлаждающими приборами путем конвекции, излучения и за счет конденсации влаги, ккал/ч ;

r — скрытая теплота сублимации льда, ккал/г ;

— соотношение Льюиса с поправкой для случая конденсации на трубах (b

₀ — коэффициент конденсации, г/ ( м ³ • ч • мм рт. ст. );

α

_к — коэффициент теплоотдачи за счет конвекции от воздуха к охлаждающей поверхности, ккал/ ( м ² • ч • град. );

α

_л

—

коэффициент излучения, ккал / ( м ² • ч • град .);

t ₀ — температура охлаждающей поверхности, ⁰С;

p ₀ — упругость насыщенных водяных ларов при температуре поверхности, мм рт. ст.

Интенсивность усушки с учетом всех факторов, влияющих на интенсивность испарения, может быть найдена решением уравнений (30) и (32) путем исключения величины φ:

(VIII-33)

Пользуясь уравнением (33), можно контролировать размеры усушки за какой-либо отрезок времени, например за месяц. Для этого нужно найти величину Δ

G

, подставив в уравнение среднемесячные значения переменных величин, и, выразив величину G в тоннах, подсчитать % усушки:

Уравнение (VIII-33) позволяет проследить влияние внешних факторов на величину усушки. Многочлен в этом уравнении — коэффициент радиационной активности охлаждающих приборов. Чем больше величина этого коэффициента, тем меньше интенсивность усушки. Коэффициент радиационной активности зависит от особенностей устройства и работы приборов охлаждения; он тем больше, чем меньше теплоотдача конвекцией преобладает над теплоотдачей излучением. При —18⁰ С численные значения этого коэффициента для:

Потолочной однорядной батареи (18 труб)	1,58
Потолочной пучковой батареи (6х8 труб)	1,30
Воздухоохладителя из ребристых труб	1,06
Мокрого воздухоохладителя	1,00

Отсюда следует, что наиболее подходящими приборами охлаждения для камер хранения являются однорядные потолочные и пристенные батареи. Батареи нужно располагать так, чтобы тепло от наиболее нагретых стен и потолка поглощалось батареями за счет радиации. Это уменьшает конвекцию в камере.

Размер усушки, как следует из уравнения (VIII-33

), зависит от уровня притока тепла в камеру извне. Каждая калория тепла, проникающего в камеру, уносит 0,2—0,3 г влаги. При надежной изоляции холодильника от внешней среды, например, теплозащитной рубашкой, усушка практически зависит только от теплопритоков, связанных с эксплуатацией камер, а также теплопритоков из соседних камер, если температурный перепад превышает 1⁰ С. Следует, однако, учитывать, что при перепаде температур между камерой и теплозащитной рубашкой холодильника более 0,5⁰ С на поверхности стенки камеры происходит конденсация инея.

При соблюдении определенных конструктивных условий и тщательном регулировании режима эксплуатации таких камер внешние теплопритоки сводятся к минимуму; обеспечивается равномерное распределение температур по объему камеры (разность не превышает 0,2—0,5⁰ С) и минимальная конвекция воздуха в камере (скорость циркуляции не выходит за пределы 0,02—0,06 м/сек

) .

Благодаря этому величина усушки снижается в несколько раз по сравнению с усушкой в обычных камерах, а при автоматизации регулирования режимов хранения может быть уменьшена до величины, близкой к 0,03% в месяц.

Интенсивность усушки существенным образом зависит от температуры. Снижение температуры на 10⁰ С уменьшает усушку почти вдвое. Но одновременно необходимо соответственно усиливать и изоляцию, чтобы избежать увеличения теплопритока вследствие роста разности температур в камере и снаружи.

Из уравнения (

VIII

-34) очевидно, что абсолютное количество влаги, испаряемой продуктом в пределах одной камеры, зависит главным образом от конденсирующей способности приборов охлаждения. В то же время испаряющая способность мороженых мясопродуктов велика. Поэтому абсолютные потери веса продуктом в пределах одной камеры мало зависят от коэффициента загрузки камеры. Отсюда следует, что относительная величина усушки тем больше, чем меньше коэффициент загрузки камеры.

Интенсивность усушки уменьшается по мере увеличения продолжительности хранения. Соответственно этому величина усушки за один и тот же промежуток времени тем меньше, чем дольше хранился продукт. Так, усушка говядины I категории за каждый последующий месяц хранения составила (39):

Месяц хранения	1	3	5	6
Усушка, %	0,63	0,36	0,24	0,13

Упаковка мясопродуктов в картонную тару значительно снижает усушку. Однако одним из наиболее радикальных способов борьбы с высыханием мороженых продуктов является применение паронепроницаемых оболочек. Кроме того, использование таких оболочек позволяет резко повысить санитарный уровень хранения и транспортировки мясопродуктов. Интенсивность усушки продуктов в оболочках может быть также вычислена с помощью уравнения (VIII-33), но вместо коэффициента испарения b

в него необходимо подставить коэффициент паропроницаемости γ, который можно определить из выражения:

где

γ

₁

; γ

₂

и т. д. — коэффициенты паропроницаемости слоев упаковочных материалов, г / ( м ³ • ч • мм рт. ст. ). Существенное снижение усушки (более чем в 10 раз) достигается применением таких материалов, которые имеют коэффициент паропроницаемости менее 0,02. При этом должна быть достигнута полная герметизация упаковки. Однако и при этих условиях все же может происходить высыхание, если пленка не плотно прилегает к продукту. Достаточно самой незначительной разности температур (несколько сотых градуса) между поверхностью продукта и пленки, чтобы между ними начался влагообмен. Вследствие этого свободное пространство внутри упаковки с течением времени заполняется ледяными кристаллами за счет высыхания продукта.

Плотного прилегания можно достигнуть, если пользоваться термопластическими пленками. Продукт, упакованный в такую пленку, погружают в теплую воду, под действием которой она сжимается. Рекомендуется после этого производить вакуумирование внутреннего объема. Менее трудоемким является покрытие продукта тонким слоем затвердевающей массы погружением или пульверизацией. Пригодными для хранения мороженых мясопродуктов (в частности битой птицы) оказались синтетические пленки из полиэтилена, сарана, полиамида.

В американской практике удовлетворительный результат дала обработка поверхности мяса погружением в расплавленный синтетический воск. Этот воск плавится при температуре около —3⁰ С и легко отделяется от мяса.

В связи с тем, что на интенсивность усушки влияют очень многие факторы, предельно допустимые нормы усушки колеблются в значительных пределах в зависимости: от климатических условий (северная, средняя и южная зоны), времени года (I, II, III и IV кварталы года), способа охлаждения (трубное, воздушное охлаждение), температуры хранения, емкости холодильника, вида и особенностей продукта, наличия или отсутствия упаковки.

Кондуктивная сушка

При кондуктивной сушке тепло передается материалу нагретой поверхностью, с которой он непосредственно контактируется; испаряющаяся влага эвакуируется движущимся воздухом, либо за счет перепада давлений водяных паров, создаваемого искусственно (с помощью конденсатора и вакуум-насоса). Сушимый материал наносится тонким слоем на гладкую поверхность вращающегося полого барабана, обогреваемого паром, и по мере высыхания снимается с нее с помощью скребков.

При кондуктивной сушке тепло передается непосредственно от греющей поверхности кондуктивным путем без промежуточных тепловых сопротивлений. Поэтому сушка идет с большой интенсивностью и расход тепла небольшой. Недостаток кондуктивной сушки — опасность перегрева материала при соприкосновении с нагретой поверхностью и громоздкость сушилки.

Кондуктивная сушка в мясной промышленности находит применение для высушивания жидких материалов, например, крови (под вакуумом), желатинового и клеевого бульонов и пр. Она особенно выгодна при сушке клеевого бульона, так как отпадает необходимость предварительной желатинизации бульонов. Кондуктивный нагрев обычно используется при сублимационной сушке.

Факторы, определяющие скорость и механизм кондуктивной сушки, производительность сушилки и качество готового продукта: температура греющей поверхности, толщина слоя, плотность контакта и параметры воздуха.

Кондуктивная, как и конвективная сушка, протекает в три периода: прогрева, постоянной скорости и падающей скорости. Период прогрева занимает около 7—10% общей продолжительности сушки. Преобладающим является период постоянной скорости и поэтому определяет интенсивность и длительность процесса в целом. (Средняя интенсивность сушки составляет 55—80% интенсивности в первом периоде).

Температура материала неодинакова по толщине материала и наиболее высока в контактном слое (прилегающем к греющей поверхности), который может перегреваться.

Механизм кондуктивной сушки меняется с изменением температуры слоя, так как в зависимости от нее испаряется влага либо на поверхности слоя (или вблизи от нее), либо во всей толщине его. При низких температурах (для атмосферной сушки порядка 65—80⁰ С в зависимости от толщины) испарение

влаги происходит на поверхности слоя (или вблизи нее). Перенос влаги происходит в основном в виде жидкости. Уменьшение влагопотока в период падающей скорости зависит от теплопроводности материала. Движущие силы влагопотока — температурный и влажностный градиенты.

Плотность влагопотока определяется уравнением (VIII-7). При этом в контактном слое влага переносится за счет термовлагопроводности, поскольку температурный градиент направлен от греющей поверхности к поверхности слоя. В результате переноса влаги возникает влажностный градиент, направленный в обратную сторону, который препятствует ее движению из контактного слоя. В связи с этим влага в контактном слое перемещается в виде пара и с небольшой интенсивностью. В слоях, расположенных ближе к поверхности, оба градиента совпадают по направлению, благодаря чему увеличивается интенсивность влагопотока.

Температура в период постоянной скорости в каждом данном сечении слоя одна и та же, но распределение ее по толщине слоя неравномерно: наиболее высокая температура в контактном слое, а в направлении к поверхности она понижается. Кривая распределения температур по толщине слоя близка к прямой. При температуре греющей поверхности 100, 110 и 140⁰ С температурный перепад в слое материала толщиной 0,16 мм составил соответственно 7, 24 и 48⁰ С. При невысоких температурах греющей поверхности (65—80⁰ С для атмосферной сушки), когда парообразование происходит на поверхности, температура контактного слоя близка к температуре греющей поверхности (21). В зависимости от толщины

слоя температурный перепад между греющей поверхностью и контактным слоем колеблется в пределах от десятых долей градуса (толстый слой) до 1,5—2⁰ С (слой около 0,2 мм

) .

С началом периода падающей скорости температура материала незначительно снижается, а затем начинает возрастать, приближаясь к температуре греющей поверхности. Падение температуры вызывается уменьшением теплопотока за счет уменьшения коэффициента теплопроводности. Последующее ее повышение обусловлено уменьшением влагосодержания материала. Оно

начинается в контактном слое и, с некоторым запозданием во времени, распространяется в направлении к поверхности.

Температура контактного слоя повышается с увеличением толщины материала. В особенности резко она возрастает при переходе толщины за пределы 0,

2 мм. Температурный градиент по толщине слоя большой и увеличивается в зависимости от толщины слоя материала и интенсивности сушки.

Скорость кондуктивной сушки при низких температурах греющей поверхности и небольших толщинах слоя материала, практически не зависит от толщины слоя.

Она определяется температурой поверхности, поскольку парообразование происходит вблизи нее.

При более высоких температурах греющей поверхности механизм сушки меняется: пар образуется внутри материала, включая контактный слой. В результате этого и резкого увеличения объема влаги возникает градиент общего давления, избыточного в сравнении с атмосферным, даже если температура материала значительно ниже 100⁰ С (при нормальном барометрическом давлении).

Переносится влага внутри материала к поверхности под влиянием градиента общего давления в основном в виде пара

(VIII-34)

где

—

количество пара;

— градиент давления пара по толщине слоя, м/мм рт. ст.;

—

коэффициент переноса пара в материале, кг/ ( м • ч • мм рт. ст .).

Так как давление пара в капиллярах является функцией влагосодержания, это уравнение может быть приведено к общему уравнению влагопроводности (см. VIII-7), в котором коэффициенты влагопроводности и термовлагопроводности относятся к водяному пару.

Давление пара в капиллярах является функцией температуры. Отсюда скорость контактной сушки в сильной мере зависит от температуры, особенно в период постоянной скорости. Для тонкого слоя она возрастает приблизительно пропорционально температуре греющей поверхности.

При интенсивной сушке скорость сушки в первом периоде приблизительно обратно пропорциональна квадрату толщины слоя. Падение скорости сушки с увеличением толщины слоя обусловлено возрастанием сопротивления скелета слоя переносу пара к поверхности. В общем, скорость контактной сушки в первом периоде на 1—2 порядка больше скорости конвективной сушки.

Распределение влажности по толщине материала меняется в ходе сушки. Однако в течение всего процесса влажность минимальна в контактном слое, максимальна в центре и имеет промежуточное значение на поверхности. С началом второго периода влажность в контактном слое близка к нулю. Неравномерность распределения влажности сглаживается по мере высушивания материала.

Интенсивность кондуктивной сушки и влагосъем (напряжение по влаге) в сильной мере зависят от структуры материала и форм связи влаги с ним [24]. Поэтому продолжительность сушки колеблется в значительных пределах: от 25—40 сек для материалов с хорошо развитой системой капилляров до 120—180 сек для коллоидных материалов при толщине слоя 0,1—0,2 мм. Напряжение по влаге в зависимости от параметров сушки колеблется в пределах 10—40 кг/ ( м ² • ч ), принимая в расчет, что активная поверхность сушки составляет около 75% номинальной.

Сушка мяса. Сушка мяса в токе воздуха при повышенных температурах неизбежно сопровождается окислением его составных частей. Это практически исключается при кондуктивной сушке под вакуумом, которая поэтому может быть рекомендована для производства обезвоженного мяса в промышленном масштабе.

Из числа испытанных способов кондуктивной сушки мяса наиболее приемлем следующий. Мясо, освобожденное от жировой ткани, измельчают на волчке до размеров кусочков 3—4 мм. В таком виде оно распределяется тонким слоем на поверхность вращающихся навстречу один другому нагретых барабанов в сушилке. Между барабанами оставляется зазор около 3 мм, попадая в который, мясо сдавливается и прилипает к поверхности. Скорость вращения барабанов подбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить необходимую степень обезвоживания мяса. При температуре поверхности барабана около 150⁰ С для этого достаточно 40 сек. Высушенное мясо снимается с поверхности барабана скребками. Сушка может быть ускорена предварительной бланшировкой в воде при 75⁰ С в течение 30 мин.

Сублимационная сушка

При сублимационной сушке влага испаряется при температурах ниже температуры замерзания воды, тепло передается влажному материалу кондуктивным путем, либо путем термоизлучения, влага эвакуируется за счет искусственно создаваемого перепада давлений водяного пара. Сублимационную сушку применяют при невозможности обеспечить другими методами и способами сушки продукт со строго определенными качественными показателями.

В процессе сублимационной сушки осмотическая и капиллярная влага удаляется при температуре ниже точки замерзания влаги, содержащейся в материале. Поэтому термолабильные вещества не претерпевают существенных изменений, а микробиальные процессы тормозятся. Вымороженная влага не содержит растворимых в ней веществ. Вследствие этого внутренний перенос растворимых веществ отсутствует, а сублимация льда не сопряжена с заметным уносом с паром растворимых летучих составных частей продукта. Сублимация предварительно вымороженной влаги не сопровождается существенной усадкой материала и значительными изменениями его структуры и коллоидных свойств составных частей. Благодаря этому сухой продукт легко обводняется и после обводнения по своей структуре, составу и свойствам близок к исходному.

Конечная влажность продукта, обезвоживаемого методом сублимации, определяется влиянием остаточной влаги на те нежелательные изменения его, которые возможны при длительном хранении. В большинстве случаев, чем меньше остается влаги в продукте, тем лучше.

В мясной промышленности сублимационная сушка находит применение для обезвоживания лечебных препаратов из кровяной сыворотки, эндокринных и ферментных препаратов (например, пепсина); она начинает приобретать широкое распространение и для получения сухого мяса и сухих продуктов, вырабатываемых из мяса. Сублимационная сушка служит радикальным способом консервирования эндокринно-ферментного сырья.

Недостатки сублимационной сушки — большая длительность процесса, сложность аппаратуры и трудность осуществления сушки в непрерывном потоке.

Механизм сушки. При достаточно низких давлениях сопротивление окружающей среды настолько незначительно, что кристаллическая решетка частиц льда легко распадается и вода переходит из твердой непосредственно в парообразную фазу. Параметрическое равновесие лед — пар воды наступает при давлении пара 4,58 мм рт. ст. и температуре 0,0098⁰ С. Поэтому явление сублимации для чистой воды возможно при более низком значении этих параметров.

Такие условия могут быть созданы как при атмосферном давлении, так и под вакуумом. Однако в первом случае не исключаются окислительные изменения продукта под действием кислорода воздуха. Вследствие этого сублимационная сушка пищевых продуктов при атмосферном давлении не получила распространения. Но в технологической практике такие случаи могут встречаться. Примером может служить усыхание мороженых мясопродуктов при хранении.

Так как в воде, содержащейся в мясопродуктах, растворено некоторое количество различных веществ, параметрическое равновесие наступает при более низком значении температуры, чем для чистой воды, а именно при криоскопической температуре тканевой жидкости. Этой температуре отвечает давление насыщенного пара 4,2 мм рт. ст. Но при —1,2⁰ С вымерзает только

около 30% влаги, содержащейся в тканях, и лишь при —15⁰ С оно более 85%. Этой температуре соответствует давление насыщенного пара 1,24 мм рт. ст. Так как качество высушенного продукта зависит от доли влаги, удаляемой путем сублимации, то по технологическим соображениям сублимационную сушку следует вести при давлении, близком к 1 мм рт. ст.

Если сублимационная сушка производится без предварительного замораживания продукта, процесс протекает в три фазы: самозамораживание продукта вследствие бурного испарения части влаги, находящейся в жидком состоянии, сублимация льда, удаление остаточной незамерзающей части влаги.

При самозамораживании, длящемся около 10 мин, температура продукта вначале снижается примерно в линейной зависимости от времени. Происходит переохлаждение продукта. Затем температура скачкообразно повышается вследствие выделения теплоты кристаллизации, удерживаясь некоторое время на постоянном уровне, после чего снова снижается. Механизм переноса влаги в фазе самозамораживания не отличается от перемещения при обычной вакуумной сушке и зависит от способа нагрева.

В фазе самозамораживания удаляется 10—15% влаги продукта. Это повышает экономичность сублимационной сушки. Вымерзает влага быстро и равномерно, кристаллы льда получаются небольших размеров и не вызывают существенных разрушений тканей. Выделяющаяся при самозамораживании теплота кристаллизации расходуется на испарении части влаги, содержащейся в материале.

Однако в некоторых случаях бурное парообразование в период самозамораживания сопровождается явлением, напоминающим вспенивание материала, если доля капилляров в его структуре невелика (например, при самозамораживании печени, поджелудочной железы)

.

Но в наибольшей мере отрицательное значение самозамораживания проявляется в том, что в этой фазе испарение влаги происходит из жидкого состояния. Это частично сводит на нет преимущества сублимационной сушки, так как приводит к ухудшению качества обезвоженного продукта. Например, при самозамораживании подвергаемого сушке мяса, теряется около 20% общего количества компонентов, влияющих на аромат и вкус. Ухудшается гидратация мяса. Но мясо, замороженное предварительно при

—

40⁰ С в течение 1 ч, хорошо оводнялось после хранения [52]. Оводняемость мяса, обезвоженного с самозамораживанием, не превышает 50% [33]. В большинстве случаев, поэтому сублимационную сушку мясопродуктов рекомендуется производить после предварительного замораживания.

Вслед за фазой замораживания начинается собственно сублимация. В случае предварительного замораживания продукта сублимация становится первой фазой сушки. Механизм переноса влаги в фазе собственно сублимации имеет свои особенности. Испарение влаги происходит на гранях кристаллов. Поэтому чем больше кристаллов и мельче их размер, тем больше поверхность испарения, а значит тем интенсивнее сублимация.

Удаление влаги из продукта сопровождается углублением зоны испарения. Перенос образовавшихся паров происходит по капиллярам и каналам через обезвоженный слой продукта, толщина которого возрастает по мере обезвоживания материала. Таким образом, сопротивление внутреннему переносу зависит от размеров освобождающихся от влаги капилляров и каналов, а также их числа и нарастает по мере обезвоживания продукта.

Испарение влаги в глубоком вакууме сопровождается резким увеличением ее объема (при давлении 4 мм, рт. ст. в 200 тыс. раз, при 0,1 мм рт. ст. —

в 10 млн. раз). Молекулы пара, поэтому свободно перемещаются во внешнюю среду.

При тех давлениях, которые применяются в сублимационных сушилках, величина свободного пробега молекул водяного пара составляет 10^-3—3•10^-3 см. Диаметр большинства пор и капилляров пищевых продуктов лежит в границах 10

^-3—10^-13

, т. е. меньше длины пути свободного пробега молекул пара или равен ему. Поэтому внутренний перенос воды происходит не диффузионным, а эффузионным путем, движение молекул пара совершается независимо друг от друга в виде молекулярного пучка. Средняя скорость движения равна скорости, которую молекулы приобретают при отрыве от кристаллов льда.

Так как давление насыщенного пара поверхности материала — функция ее температуры, а давление насыщенного пара на поверхности конденсатора — функция температуры этой поверхности, интенсивность сублимационной сушки пропорциональна разности этих температур. Ее можно увеличивать, повышая температуру материала, либо понижая температуру в конденсаторе. По технологическим соображениям предпочтительнее второй путь. Однако сушка при очень низких температурах в конденсаторе экономически невыгодна. Поэтому очень низкими температурами (порядка —70⁰ С) пользуются при сушке лишь дорогостоящих биоактивных препаратов.

В фазе сублимации давление пара в сублиматоре очень близко к давлению насыщенного пара льда. Движущей силой внешнего переноса влаги в отличие от других способов сушки является разность парциальных давлений поверхности материала и поверхности конденсатора, на которой конденсируются пары удаляемой влаги. Конденсатор при этом играет роль своеобразного насоса. В условиях низких давлений, когда вероятность соударений молекул пара у поверхности материала ничтожна, пограничный слой практически отсутствует. Отсюда интенсивность сушки, близкую к интенсивности испарения льда, можно выразить уравнением

(VIII-35)

где

а_т

—

коэффициент влагообмена;

р _м — давление паров поверхности материала;

р_к — давление паров поверхности конденсатора.

Коэффициент влагообмена уменьшается с повышением общего давления в сублиматоре. Поэтому интенсивность сушки падает с увеличением парциального давления остаточных газов (воздуха) в сублиматоре. Обычно оно не превышает 0,008 мм рт. ст. и зависит от работы вакуум-насоса.

В большинстве случаев сублимационную сушку осуществляют, придерживаясь оптимально-рентабельного режима: температура сублимации —10⁰ до —20⁰ С, температура конденсации —30 до —40⁰ С [10]. В качестве холодильного агента для охлаждения конденсатора применяют аммиак.

Огромный объем влаги, испаряющейся при низких давлениях, устремляется в окружающую среду, создавая интенсивное и сложное движение в направлении к конденсатору. Неупорядоченный характер потока снижает скорость его движения и тем больше, чем длиннее путь. Это уменьшает интенсивность сушки. Поэтому канал, соединяющий сублиматор с конденсатором, должен быть, возможно коротким и с большим сечением. Иногда с помощью специального насоса создают направленное движение потока в конденсатор, что дополнительно ускоряет сушку.

В фазе удаления остаточной незамерзшей влаги интенсивность сушки падает, так как удаляется адсорбционная влага. Частично это обусловлено уменьшением интенсивности теплообмена вследствие высыхания продукта. К началу этой фазы температура продукта близка к 0⁰ С и повышается в течение всего периода удаления остаточной влаги, приближаясь к концу сушки к температуре греющей поверхности. По существу механизм сушки в этот период не отличается от механизма обычной сушки под вакуумом, хотя влага переносится эффузионным путем. Потенциалом сушки остается разность парциальных давлений на поверхности материала и конденсатора. Но в этой последней фазе сушки скорость процесса существенным образом зависит от толщины материала.

Усадка. Этот процесс при сублимационной сушке имеет существенное технологическое значение. От ее величины зависит изменение начальной структуры коллоидных и капиллярно-пористых коллоидных материалов и, следовательно, пористость сухого продукта. Уменьшение пористости отрицательно влияет на обратимость свойств сухого продукта при его обводнении.

Величина усадки находится в прямой зависимости от того количества влаги, которое удаляется в процессе сушки путем испарения из жидкого состояния, а не путем сублимации, что имеет место в фазе самозамораживания и в последний период сушки.

Количество влаги, удаляемой в период самозамораживания, при прочих равных условиях тем больше, чем глубже переохлаждение. В свою очередь глубина переохлаждения зависит от скорости испарения и температуры конденсации: при большей скорости охлаждения и более низкой температуре конденсации глубина переохлаждения меньше.

Доля влаги, не вымерзающей при самозамораживании или при предварительном замораживании, уменьшается с понижением температуры материала. Стало быть, усадка зависит от температуры материала при сублимационной сушке. Наименьшая величина усадки имеет место при предварительном замораживании продукта.

Нагрев. При современной технике скорость сублимационной сушки, как процесса тепловлагообмена, определяется не столько интенсивностью удаления испаряющейся влаги, сколько интенсивностью подвода тепла. Расчеты, произведенные на основании экспериментальных данных, показывают, что при достаточной интенсивности подвода тепла скорость сушки может быть увеличена в несколько раз. Поэтому резко уменьшить продолжительность сублимационной сушки можно в основном интенсификацией нагрева продукта.

В условиях глубокого вакуума при конвективном нагреве в продукт поступает ничтожно малая доля тепла, необходимого для испарения влаги. Поэтому практически приемлемыми способами нагрева можно считать кондуктивный, радиационный и диэлектрический, либо их комбинации.

Кондуктивный нагрев, осуществляемый контактом продукта с металлической обогреваемой поверхностью, страдает существенными недостатками. При таком нагреве, во-первых, в теплообмене участвует не вся поверхность сушимого продукта, а только та ее часть, которая контактирует с греющей поверхностью. Во-вторых, нарастающий в процессе сушки обезвоженный слой, обращенный к поверхности нагрева, обладает незначительной теплопроводностью (при атмосферном давлении 0,03 ккал/ ( м ² • ч • град ), под вакуумом и того меньше). По этой причине перенос тепла внутрь продукта в зону испарения происходит с небольшой скоростью. Продолжительность сушки кусочков мяса толщиной 12

,5 мм, на плитах внутри которых циркулирует горячая (60—70⁰ С) вода, достигает 15—20 ч.

Теплоподвод кондуктивным путем может быть интенсифицирован увеличением поверхности контакта продукта с греющей поверхностью. Для сушки кускового мяса ВНИХИ разработана система обогрева электротоком с применением пластин из никелированной латуни, с заостренными стержнями на поверхности [25]. Между поверхностями пластин и кусков помещается алюминиевая контактная сетка для улучшения влагообмена. Нагрев двусторонний. Куски мяса накалываются на стержни и перед сушкой замораживаются. Пластины с замороженным мясом вставляются между электрическими нагревателями, работа которых автоматически регулируется. Экспериментальная проверка показала, что продолжительность сушки кусков мяса толщиной 20 мм до влажности 3—5% может быть снижена до 7—8 ч.

Оригинальный способ нагрева при сушке мяса был с успехом испытан в Новой Зеландии. Куски замороженного мяса размерами 80 ´

80 ´

15 мм погружались в расплавленный и нагретый до 70⁰ С жир и высушивались под глубоким вакуумом. Продолжительность сушки до влажности 5% около 4 ч. В процессе сушки температура мяса не превышала 50⁰ С. Жир после сушки удалялся из мяса центрифугированием [61].

Двусторонний радиационный обогрев обеспечивает равномерное распределение тепла по всей поверхности продукта и внедрение его на некоторую глубину [10]. Глубина проникновения лучистой энергии инфракрасной части спектра (длина волны от 0,8 мк до 400 мк ) зависит от длины волны теплового излучения, которая в свою очередь, обусловлена температурой излучающей поверхности. При относительно низких температурах поверхности (до 500⁰ С) длина волны основной части излучения не более 4 мк. Глубина проникновения для пищевых продуктов не более 1,0—1,5 мк. Поэтому для обогрева продукта при сублимационной сушке более эффективны излучатели с

коротковолновой радиацией (около 0,8 мк ) для основной (максимальной) доли излучения. Для такой цели пригодны малогабаритные цилиндрические электрические лампы накаливания с температурой нити 2000—3000⁰ С. Лампы равномерно размещаются в кожухе из органического стекла, образуя нагреватель. Равномерный прогрев при помощи таких нагревателей требует одинаковой толщины слоя обогреваемого продукта. Продолжительность сушки может быть снижена до 6—7 ч.

Наиболее совершенным при сублимационной сушке является диэлектрический нагрев. Он обеспечивает быстрый и одновременный прогрев продукта на всю глубину. При этом путем подбора частоты тока можно селективно нагревать кристаллы льда, практически исключив опасность перегрева обезвоженной части продукта. Диэлектрический нагрев позволяет свести продолжительность сушки к минимуму при сохранении высокого качества продукта. Скорость сушки при таком нагреве пропорциональна количеству подведенной энергии, вследствие чего продолжительность процесса значительно меньше, чем при других способах [46]. Но современные высокочастотные генераторы очень сложны и обладают небольшим коэффициентом полезного действия. Экономия, достигаемая уменьшением продолжительности сушки, не окупает тех затрат, которые связаны с применением диэлектрического нагрева, кроме того, в условиях глубокого вакуума имеется опасность электрического пробоя, что может привести к порче продукта. Применение диэлектрического нагрева в настоящее время может быть оправдано лишь при обезвоживании материалов высокой стоимости, если другие способы не обеспечивают надлежащего качества.

Сушка отдельных видов мясопродуктов. Обезвоженные мясопродукты представляют собой наиболее ценные питательные концентраты из числа известных в настоящее время. Об этом можно судить по примерному среднему составу сырого мяса (в %), обезвоженного до влажности 3%:

Азотистые вещества (в основном белки)	87
Липиды (в основном жиры)	5,8
Минеральные вещества (по золе)	4,2
Вода	3

При этом в составе мяса, обезвоженного методом сублимации, практически полностью сохраняются витамины [36, 55], вкусовые и ароматические вещества, а само мясо после оводнения становится вполне пригодным для употребления в пищу при любой кулинарной обработке.

Обезвоженное мясо имеет удельный вес всего около 0,33 и весьма транспортабельно. Современные технические средства обеспечивают достаточную экономическую эффективность этого вида сушки. Как показали опыты, усвояемость обезвоженного сублимацией мяса незначительно меньше, чем мороженого. Поэтому производство мяса, обезвоженного методом сублимации в сыром виде, в настоящее время приобретает важное народнохозяйственное значение. Наряду с этим известное значение имеет также и производство изделий из мяса, обезвоженных в готовом к употреблению виде.

Качество обезвоженного мяса зависит от трех факторов: его состава и свойств перед обезвоживанием, условий и степени обезвоживания и условий его последующего хранения.

Состав мяса имеет двоякое значение: во-первых, он определяет пищевую ценность обезвоженного продукта; во-вторых, от количества некоторых компонентов зависит характер изменений мяса в процессе хранения. Поэтому для производства обезвоженного мяса следует использовать высококачественное свежее мясо, содержащее минимальное количество неполноценных белков. Для сублимационной сушки пригодно мясо всех видов сельскохозяйственных животных и птиц.

Содержание жира в мясе, предназначенном для обезвоживания, должно быть минимальным. В процессе обезвоживания не исключена возможность частичного расплавления жира, и заполнения им части пор и капилляров. Вследствие этого может уменьшаться способность мяса к обводнению перед его употреблением. Скорость окисления жира в мясе зависит от его количества. Поскольку жиры могут храниться и транспортироваться в чистом виде без специальной подготовки, их недостаточное количество в мясе можно легко компенсировать при изготовлении первых и вторых блюд.

Ухудшение свойств мяса, как в процессе обезвоживания, так и при хранении может явиться результатом реакций конденсации между амино- и иминогруппами белков и свободных аминокислот и белков, с одной стороны, и карбонильными группами редуцирующих сахаров и других соединений — с другой. В результате может произойти снижение гидрофильности белков и увеличение

жесткости обводненного мяса, а также ухудшение вкуса, вызываемое продуктами взаимодействия глюкозы с некоторыми аминокислотами. Интенсивность развития этих процессов зависит от содержания влаги в обезвоженном мясе. Поэтому рекомендуется сушка мяса до влажности не более 2—3%. Повышение влажности приводит к ухудшению качества мяса [60].

Обезвоживание путем сублимации не уничтожает микроорганизмов. Более того, оно используется для консервирования бактериальных препаратов. В процессе длительного хранения часть микрофлоры отмирает, но полного отмирания никогда не отмечалось. Следовательно, на сублимационную сушку можно направлять только мясо и мясопродукты, абсолютно доброкачественные в санитарном отношении.

Обезвоживание путем сублимации не инактивирует ферментов, а деятельность некоторых из них не приостанавливается даже при глубоком обезвоживании.

Так, в обезвоженном мясе в условиях полной изоляция от внешней среды с заметной скоростью развивается гидролитический распад жиров. При этом скорость гидролиза выше, чем при хранении топленого жира, что свидетельствует об участии в нем ферментов. Количество расщепляющегося гликогена возрастает с увеличением влажности обезвоженного мяса. Активность ферментов проявляется даже при влажности 3% [53].

Быстрое и достаточно полное обезвоживание мяса практически фиксирует тот уровень развития автолитических изменений, который был достигнут в нем к моменту обезвоживания. При очень глубоком обезвоживании активность ферментов, хотя и не утрачивается, но скорость большинства ферментативных процессов резко снижается. И хотя в период очень длительного хранения ферментативные процессы могут приводить к каким-то незначительным изменениям свойств мяса, первоначальный уровень автолиза практически сохраняется до того момента, когда мясо прекращают хранить. Если

мясо обезвожено в начальной стадии автолиза, при оводнении мяса и после него происходит интенсивное развитие гликолитических процессов, сопровождающееся сдвигом рН в кислую сторону и такими изменениями свойств мяса, которые характерны для посмертного окоченения.

Наихудшие показатели водосвязывающей способности и жесткости мяса обнаруживаются при обезвоживании после 24-часового автолиза (при 4⁰ С), т.е. в состоянии посмертного окоченения. Но и в том случае, если мясо обезвоживают на более ранних стадиях, развитие автолитических процессов в ходе оводнения и после него приводит к сходным результатам.

Обезвоживание мяса после длительного автолиза в охлажденном состоянии приводит к некоторому, но недостаточному улучшению его свойств после оводнения. Наилучшие свойства по показателям жесткости и водосвязывающей способности мясо имеет в том случае, если его обезвоживать сразу после убоя животного, предотвратив возможность развития посмертного окоченения во время оводнения. Это может быть достигнуто путем резкого снижения запасов гликогена в мышцах животного перед убоем. Отсутствие гликогена практически снимает возможность развития гликолитических процессов в мясе, а значит и посмертного окоченения в его обычной форме. Такой эффект можно получить, например, инъекцией адреналина в кровь животного заблаговременно перед убоем, как об этом упоминалось в главе III.

С уровнем развития автолиза некоторые исследователи связывают интенсивность окислительных изменений в обезвоженном мясе. Спустя некоторое время после убоя животного в мясе обнаруживаются свободные радикалы, которых нет непосредственно после убоя [54]. После обезвоживания их концентрация значительно увеличивается. В присутствии кислорода она больше, в вакууме уменьшается. Свободных радикалов в мясе тем больше, чем больше в нем содержится липидов.

Скорость сублимационной сушки приблизительно обратно пропорциональна квадрату толщины слоя, через который происходит перенос паров влаги к поверхности продукта. Поэтому толщина кусков обезвоживаемого мяса должна быть по возможности наименьшей. С учетом удобств кулинарной обработки мяса перед употреблением толщину кусков принимают в пределах 15—20 мм.

В ходе самой сушки наибольшую опасность в смысле ухудшения прочностных свойств и водосвязывающей способности мяса могут представлять тепловая денатурация белков и изменение их коллоидного состояния, связанное с количеством той влаги, которая удаляется из жидкого состояния. Для уменьшения этих, изменений режим сушки следует подбирать с таким расчетом, чтобы температура мяса в фазе удаления остаточной влаги не превышала 40—50⁰ и чтобы не менее 85—90% влаги выделялось из твердого состояния.

На основании результатов исследований, произведенных МТИММП [10], для сырого мяса может быть рекомендован следующий режим сублимационной сушки:

Предварительное быстрое замораживание	До минус 1,50 С
Остаточное давление в системе	0,1—1,0 мм рт. ст.
Температура конденсации	Минус 30—350 С
Температура мяса в фазе сублимации	До минус 150 С
Температура мяса к концу сушки	Не более 400 С

Упаковка и хранение. Основные изменения, приводящие к ухудшению свойств обезвоженного мяса, развиваются при хранении. Они могут быть обусловлены действием внешних и внутренних факторов.

К числу внешних факторов, вызывающих наиболее резкое ухудшение качества мяса, относится кислород воздуха, окисляющий многие составные части обезвоженного мяса, в том числе жиры и белковые вещества. При хранении обезвоженного мяса скорость окислительных процессов очень велика вследствие контакта мяса с кислородом на огромной поверхности. Величина поверхности обусловлена сильно развитой пористостью продукта.

Окисление жира приводит к его прогорканию. В начальной стадии это ухудшает органолептические характеристики мяса, а затем делает мясо непригодным в пищу. Даже в том случае, если мясо хранится в герметичной таре и в атмосфере инертного газа, но небольшое количество воздуха было сорбировано мясом перед его упаковкой, отмечается значительный рост перекисного числа и уменьшение йодного числа жира. Так, при хранении обезвоженного утиного мяса перекисное число жира увеличилось через 6 месяцев на 25% и через 12 месяцев на 50% в сравнении с начальным; йодное число уменьшилось соответственно до 88,2 и 82,6 при начальной величине 93,4 [37].

Основными акцепторами кислорода в белках являются радикалы цистина, гистидина, метионина, тирозина и триптофана. По-видимому, окисление блокирует цепи, образованные этими радикалами, вследствие чего снижается водосвязывающая способность мяса. Возможно, что с этим же связано небольшое снижение пищевой ценности при длительном хранении мяса.

Ухудшение качества мяса вследствие окислительных изменений, вызываемых кислородом воздуха, обусловливает необходимость применения таких способов упаковки обезвоженного продукта, которые сводили бы к минимуму возможность этих изменений. Это может быть достигнуто при условии заполнения пор продукта инертным газом (азотом, аргоном), если впустить его в сублиматор по окончании сушки и хранения продукта в герметичной таре под вакуумом или в атмосфере этого газа.

Полная герметизация достигается упаковкой продукта в стеклянную либо металлическую тару. Но такая тара тяжела и неудобна в обращении. Лучше употреблять мягкую тару, изготовленную с применением полимерных материалов. Однако, как показали результаты исследований, проведенных в МТИММП, даже наименее проницаемые полимерные материалы, а также их комбинации в многослойных вариантах, не обеспечивают желательной герметизации. С течением времени через них проникает и воздух и водяные пары, в особенности, если упаковка произведена под вакуумом, поскольку это создает перепад давлений по обе стороны стенки тары. Наилучший результат был достигнут при упаковке обезвоженного мяса в атмосфере инертного газа в тару, изготовленную из трехслойного материала: полиэтилен, алюминиевая фольга (толщиной 60—80 мк ), лак. Мясо сохраняется без существенных изменений в течение года и более.

Изменения, вызываемые внутренними причинами, еще не полностью изучены. Наиболее известны: изменение растворимости белков, сопровождающееся уменьшением водосвязывающей способности мяса и увеличением его жесткости, и реакции конденсации между аминосоединениями и карбонильными соединениями (меланоидинообразования). Последние приводят к некоторому ухудшению органолептических показателей и, по-видимому

,

снижающие растворимость белков. В обоих случаях скорость изменений увеличивается с повышением температуры хранения и влажности обезвоженного продукта.

О характере изменения растворимости белковых фракций мяса дает представление табл. 115 (для утиного мяса, обезвоженного до влажности около 10%, хранившегося в атмосфере азота) [37].

Таблица 115

Белковые фракции	Растворимость (в % к белковому азоту)
	в воде	в растворе NaCl
		0, 14 М	1 М	0, 05 М
После обезвоживания	29,1	4,0	37,2	29,7
После 12 месяцев хранения	23,2	4,4	28,1	44,3

Непосредственно после обезвоживания изменений растворимости обнаружено не было.

Относительно причин снижения растворимости белков единого мнения нет. Некоторые исследователи оценивают снижение растворимости как свидетельство денатурации белков. Однако этому противоречит факт сохранения активности ферментов, поскольку одним из признаков денатурации является потеря белками физиологической активности. Правда, АТФ-азная активность миозина с течением времени снижается [50]. Но сублимационная сушка с успехом применяется для хранения многих ферментов.

Кроме того, в процессе хранения число свободных сульфгидрильных групп уменьшается, в то время как при денатурации оно возрастает. Очевидно, связывать уменьшение растворимости белков только с представлением о денатурации, как о следствии изменения конфигурации нативных белковых молекул, нет достаточных оснований. Более вероятно, что потеря растворимости обусловлена образованием надмолекулярных белковых структур с возникновением либо химических, либо коагуляционных связей, достаточно прочных для того, чтобы не разрушаться водой и электролитами. Уже в ходе самой сушки в мясе возрастает количество свободных ионов щелочноземельных металлов [49]. Это может рассматриваться как предпосылка агрегационных явлений. Известную роль играет также реакция меланоидинообразования [52].

В ходе самой сушки цвет мяса либо совсем не меняется, либо становится серовато-красным. Существенные изменения цвета происходят при хранении. Их интенсивность зависит от контакта с кислородом воздуха, окисляющим гемовые пигменты. При хорошей изоляции мясо сохраняет розоватый оттенок, в контакте с воздухом становится серым.

Интенсивность изменений, приводящих к ухудшению качества мяса, возрастает с повышением температуры хранения, в особенности при повышенной влажности [60]. Но при очень малой влажности (около 1%), хорошо упакованное мясо мало изменялось в течение года, хотя температура была выше 30⁰ С.

Обводнение мяса. Обводнение (регидратация) обезвоженного мяса является необходимым условием его использования в пищу. Способ и условия обводнения существенным образом влияют на жесткость мяса и то количество воды, которое оно поглощает при этом.

Степень регидратации мяса, т. е. его влагосодержание после обводнения относительно влагосодержания до сушки, в зависимости от состава мяса, условий сушки, хранения и обводнения лежит в границах 85—90%.

Зависимость степени регидратации от времени обводнения выражается гиперболической кривой. С наибольшей скоростью регидратация протекает вначале, а затем скорость ее уменьшается, приближаясь к нулю. Так, в течение первых 10 мин степень гидратации составляет около 60—65%, через 20 мин достигает 75—80%, а через 60 мин почти не увеличивается [32]. При хороших условиях сушки и хранения мяса для восстановления его свойств достаточно 40—45 мин. Изменение температуры в пределах 20—40⁰ С существенно не влияет на ход регидратации.

Минимальная величина гидратации мяса имеет место при рН 5,0—5,5. С повышением рН жидкости она увеличивается. При обработке обезвоженного мяса чистой водой происходит разбавление концентрации электролитов, содержащихся в мясе. Вследствие этого регидратация уменьшается. Поэтому регидратацию рекомендуется производить в присутствии различных солей. Например, удовлетворительный результат был получен при обводнении мяса раствором, содержащим 0,75% триполифосфата и 0,3% хлористого натрия в отношении 1:10 [48]. С успехом применялся раствор, содержащий 1% хлористого натрия и 0,1—0,15 пирофосфата натрия [32].

Максимальное количество прочно связанной влаги при таких способах регидратации, достигаемое примерно через 4 ч , приближается к количеству, характерному для мороженого мяса. Количество слабо связанной влаги оказывается меньшим [48]. По всей вероятности, это связано с тем, что в капиллярах остается защемленный воздух. При регидратации под вакуумом количество слабо связанной влаги увеличивается, но мясо все же сохраняет повышенную жесткость, в особенности, если в нем много соединительной ткани. Поэтому обводнение мяса рекомендуется вести в присутствии протеолитических ферментов, способных воздействовать на соединительную ткань (см. главу III).

[Назад] [Вперед]

[Назад] [Вперед]

Глава IX

НОВЫЕ МЕТОДЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЯСОПРОДУКТОВ

ОБРАБОТКА ИОНИЗИРУЮЩИМИ ИЗЛУЧЕНИЯМИ

Ионизирующие излучения обладают сильным бактерицидным действием, обеспечивающим при достаточной дозировке полную стерилизацию за очень короткое время (десятки секунд). Практический интерес для этих целей имеют лучи: катодные, рентгеновские и радиоактивные гамма-лучи.

Катодные лучи представляют собою поток быстрых электронов. Они обладают сравнительно невысокой проникающей способностью, и при необходимости обрабатывать материал на сравнительно большую глубину требуются катодные лучи очень высоких энергий, когда их действие может вызвать опасность, наведенной радиоактивности и сделать продукт непригодным для употребления. Поэтому катодные лучи ограниченно пригодны для целей предохранения пищевой продукции от порчи.

Рентгеновские лучи — коротковолновая электромагнитная

радиация с непрерывным спектром в диапазоне волн 0,2—20 Ǻ

,

граничащая в коротковолновой части с гамма-лучами, а в длинноволновой с ультрафиолетовыми. Наибольшей проникающей способностью обладают “жесткие” рентгеновские лучи (лучи с наиболее короткими волнами). Их проникающая способность достаточна для практических целей, если интенсивность излучения высока (при 10 мэв до 12 см ). Неудобство представляет сложность рентгеновской установки.

Из числа радиоактивных излучений практическое значение имеют гамма-лучи, обладающие высокой жесткостью и, следовательно, большей проникающей способностью (около 10 см

).

В качестве источников гамма-лучей могут быть использованы радиоактивные изотопы кобальта (кобальт-60), цезия (цезий-137) и других элементов, а также радиоактивные отходы атомных реакторов. Последний источник дешевле, но пользоваться им труднее, так как приходится иметь дело с большим числом радиоактивных изотопов, имеющих различные спектры излучения.

Характер действия ионизирующих излучений на продукт зависит от энергии излучения и от дозы облучения (количества излучения, поглощенного веществом). Для оценки дозы относительно данного облучаемого вещества принято пользоваться единицами, эквивалентными рентгену. В настоящее время дозу облучения чаще выражают в безотносительных единицах — рад (1 рад равен

100

эрг/г

).

Небольшие энергии излучения вызывают возбуждение молекул и образование активных радикалов. При энергиях до 10000 эв происходит отрыв электронов и образование ионов. Излучения более высоких энергий затрагивают ядро и вызывают наведенную радиоактивность. В условиях практического применения ионизирующих излучений приходится, таким образом, сталкиваться с явлениями возбуждения молекул и ионизации частиц.

Одна и та же доза облучения может быть достигнута при большой энергии излучения и малом времени облучения или при малой энергии излучения и большом времени облучения. Но эффект действия не будет равнозначным, поскольку характер изменений вещества находится в зависимости от энергии излучения.

По сравнению с другими способами предохранения продуктов от порчи ионизирующие излучения обладают следующими преимуществами:

а) незначительные общие химические изменения продукта;

б) небольшой подъем температуры облучаемого продукта (в пределах нескольких градусов);

в) обработка продуктов за короткий срок на желательную глубину (от поверхностного воздействия до значительной толщины облучаемого слоя);

г) возможность организации непрерывно-поточной обработки;

д) использование любых видов герметичной упаковки.

Наряду с этим имеются и существенные недостатки: возникновение таких химических изменений, которые могут ухудшить вкус, запах, консистенцию, опасность образования вредных соединений во время облучения и после него; развитие ферментативных процессов во время хранения.

Предотвратить нежелательные изменения в полной мере пока не удалось, поэтому широкое применение ионизирующих излучений в промышленном масштабе задерживается.

Действие облучения на составные части мясопродуктов

Имея в виду различную стойкость составных частей продукта к ионизирующим излучениям, их действие разделяют на прямое

и косвенное. К первому относятся химические изменения пищевых веществ или микроорганизмов под непосредственным воздействием энергии излучения, ко второму — изменения в результате воздействия на них активных радикалов, образующихся при прямом действии на менее стойкие вещества. В пищевых продуктах доля изменений, вызываемых косвенным

действием, составляет около 80%.

При облучении пищевых продуктов, содержащих в большинстве случаев много влаги, преобладает косвенное действие ионизирующих излучений, обусловленное возникновением активных частиц в результате изменений (радиолиза) воды. Прямое действие характерно для сухих продуктов и жиров.

Глубина изменений под влиянием ионизирующих излучений возрастает с повышением энергии излучений и дозы облучения.

Под действием ионизирующих излучений на воду образуются ионизированные молекулы и активные радикалы:

Таким образом, в результате радиолиза воды появляются свободные активные радикалы Н и ОН, обладающие высокой реакционной способностью. Эти радикалы могут реагировать друг с другом, образуя активные молекулы, или вступать во взаимодействие с другими составными частями продукта, вызывая их нежелательные изменения. В присутствии кислорода возможно образование активного гидроперекисного радикала:

Этот радикал легко вступает во взаимодействие с составными частями продукта.

Очень чувствительны к прямому действию ионизирующих излучений жиры. Свободные радикалы жирных кислот в присутствии кислорода образуют перекиси этих кислот и могут вызвать возникновение цепных реакций полимеризации и реакций типа аутоокисления. Характер и интенсивность изменений жиров в значительной мере зависит от влияния присутствующих в продукте других веществ, в частности антиокислителей. В облученных топленых жирах усиливается образование перекисных соединений и вторичных продуктов окисления — карбонильных соединений (альдегидов, кетонов). Появляются типичные признаки окислительной порчи.

Интенсивность этих изменений зависит от дозы облучения. При небольших дозах (до 2 • 10

⁴

рад) они незаметны, но уже при дозе 10

⁵

рад отмечается накопление перекисных и карбонильных

соединений. При облучении свиного жира дозой 10

⁶

рад обнаружено уменьшение количества триеновых жирных кислот при одновременном увеличении диеновых [60]. Облучение в вакууме или в инертном газе даже при больших дозах (порядка 1,2 • 10

⁶

рад) сопровождается лишь незначительным увеличением перекисного числа, но количество карбонильных соединений довольно велико. Признаки окислительной порчи интенсивно развиваются в процессе хранения облученных жиров. Накопление перекисей в таком жире делает его токсичным для мышей [10

].

Изменениям жиров предшествует разрушение содержащихся в них естественных антиокислителей — каротина и токоферола, которое начинается при меньших дозах облучения.

В целом характер и интенсивность изменений облученных жиров зависят от влияния присутствующих в них других веществ. Антиокислители тормозят развитие этих изменений. Так, добавление к свиному жиру бутилоксианизола резко замедляет рост перекисного и карбонильного чисел после облучения жира дозой 1,7 • 10

⁵

рад.

Белковые вещества значительно более стойки к прямому действию ионизирующих излучений. Косвенные изменения белков выражаются, с одной стороны, в перегруппировке части звеньев полипептидных цепей и структурными изменениями, характерными для денатурационных явлений (понижение растворимости, агрегация и др.); с другой, происходит частично деполимеризация белковых частиц и нуклеопротеидов. При этом возможно образование аномальных низкомолекулярных веществ с токсическими свойствами. Характер изменений зависит от рН среды. Вблизи изоэлектрической точки эффект облучения почти полностью выражается в агрегировании белковых молекул в результате взаимодействия образующихся макрорадикалов. Удаление рН от изоэлектрической точки увеличивает вероятность внутримолекулярных изменений белков [68]. При дозе 5 млн.

рад обнаруживаются пептиды, содержащие цистин, лизин, глицин, аланин, глютаминовую кислоту [36]. Облучение коллагена большими дозами снижает температуру его сваривания [48].

Некоторые водорастворимые животные белки при облучении выделяют вещества с специфическим запахом “облучения”. Возможно, что это связано с наличием в их составе содержащих серу аминокислот. При дозах до 2 млн. рад изменения водорастворимой фракции белков мяса мало заметны; при дозе в 5 млн. рад наблюдаются явные изменения миогена и миоглобина; изменения фракций миоальбуминов и глобулинов при этом относительно невелики [38].

Облучение средними дозами (близко к 10

⁶

рад) вызывает переход миоглобина в оксимиоглобин и коричневый метмиоглобин. Это сопровождается изменением цвета мяса: посерением, появлением вишнево-красной, либо коричневой окраски. В атмосфере инертного газа облучение может приводить к обратному переходу метмиоглобина в оксимиоглобин. При большой интенсивности облучения миоглобин может превращаться в производные с зеленой окраской, являющиеся продуктами его взаимодействия с сероводородом. Облучение сопровождается быстрым распадом гликогена. Наиболее интенсивным изменениям при облучении подвергается фракция низкомолекулярных водорастворимых соединений мяса. Значительную роль играет, по-видимому, распад глютатиона и цистина, сопровождающийся образованием сероводорода, меркаптанов и других соединений серы [36]. Эти вещества принимают участие в развитии запаха облучения. Распад глутатиона и развитие запаха облучения под вакуумом замедляются [24].

Свободные аминокислоты также изменяются. При этом затрагиваются не только аминогруппы и карбоксильные группы, но также и ароматические и имидазоловые кольца аминокислот. Продуктами изменений могут быть кетокислоты и альдегиды, обладающие сильным запахом, а также аммиак. Серосодержащие аминокислоты окисляются иногда до образования сероводорода и других сернистых соединений.

Общие размеры химических изменений перечисленных веществ при облучении продуктов даже дозой до 2 млн. рад не выходят за пределы порядка нескольких микромолей на грамм [40]. Следствием этих изменений являются главным образом изменения цвета, вкуса и запаха, а иногда и консистенции. Степень изменения зависит от дозы облучения.

Весьма чувствительны к облучению некоторые водорастворимые витамины. Очень легко изменяются аскорбиновая кислота, витамин В

₁₂

, тиамин. При дозе 1,2 млн. рад исчезает около 60% тиамина. Ниацин, рибофлавин и пиридоксин более устойчивы. Все же при дозе 1,8 млн. рад распадается до 10% рибофлавина и 25% пиридоксина. Степень распада зависит от дозы облучения [8, 13].

Распад витаминов, естественно, приводит к снижению биологической ценности мясопродуктов, помимо этого, у некоторых из них (например, тиамина) он сопровождается образованием веществ с неприятным запахом.

Очень устойчивы к действию излучений ферменты. Заметное изменение ферментной активности наблюдается лишь при дозе около 1 млн. рад. Но и при дозе 2 млн. рад активность их еще велика. Даже такие дозы облучения, которые в 10 раз превышают стерилизующие, недостаточны для полной инактивации ферментов

[26, 40].

Деятельность мышечных катепсинов в процессе хранения облученных мясопродуктов рано или поздно приводит к протеолитической порче. Она находит свое выражение в появлении специфического запаха и постороннего горького привкуса, в ухудшении консистенции и внешнего вида мяса вследствие выпадения кристаллов образующегося при гидролизе белков тирозина, плохо растворимого в воде [28, 38, 48]. Интенсивность протеолитической порчи резко возрастает с повышением температуры хранения [39].

Действие на микроорганизмы

Инактивирование микроорганизмов в продуктах, содержащих влагу, происходит преимущественно за счет косвенного действия, под влиянием продуктов радиолиза воды. Степень инактивирования зависит в большей мере от дозы облучения, чем от мощности. Логарифм числа уцелевших микробов пропорционален дозе облучения. Низкие дозы вызывают ограниченные изменения, выражающиеся в уменьшении интенсивности дыхания и деления. Высокие дозы приводят к повреждению и гибели клеток, которые наступают лишь спустя некоторое время.

Устойчивость микроорганизмов к облучению зависит от тех же биологических особенностей, которые определяют устойчивость к нагреву. По данным Научно-исследовательского консервного и овощесушильного института смертельная доза для вегетативных форм бактерий не превышает 0,5 млн. рад, для плесеней — 1 млн. рад. Но и после дозы облучения 0,5 млн. рад иногда обнаруживают рост кокков [3]. Споры устойчивее вегетативных клеток в 4—5 раз. Устойчивость микроорганизмов

уменьшается в присутствии кислорода и воды и с понижением рН. Температура в пределах от —10 до —0,5⁰ С мало влияет на чувствительность микроорганизмов к облучению. При 0⁰С она возрастает примерно вдвое и мало меняется вплоть до 50⁰ С, когда начинается тепловая денатурация белков. Более высокие температуры резко снижают устойчивость микроорганизмов к облучению. Органические вещества оказывают защитное действие. Некоторые микроорганизмы при повторных облучениях дают более устойчивое потомство.

Умеренные дозы облучения до 0,5 млн. рад [69] дают эффект, напоминающий пастеризацию. При этом более длительный срок хранения достигается преимущественно за счет уменьшения скорости размножения выживших клеток и спор в облученном продукте.

Стерилизующие дозы, обеспечивающие снижение количества микроорганизмов до условно заданной величины (техническая стерильность), лежат в пределах 1—2 млн. рад. Полное обеспложивание требует, по-видимому, значительно более высоких доз. В частности, например, если стоит задача гарантировать продукт от возможного развития в нем ботулинуса, доза облучения должна быть не менее 4—5 млн. рад [69].

Таким образом, для некоторого удлинения срока хранения мясопродуктов (пастеризации) достаточны дозы облучения до 0,5 млн. рад, для технической стерилизации необходимы дозы 1—2 млн. рад или более.

Ионизирующие излучения оказались пригодными для обезвреживания мяса от гельминтов. Доза 0,4—0,5 млн. рад уничтожает цистицерки (финны) [60], трихинеллы в свинине погибают при более низких дозах облучения [57].

Одна и та же доза облучения, достаточная для получения желательного эффекта, может быть достигнута при более высокой интенсивности излучения и в течение меньшего промежутка времени, либо при меньшей интенсивности, но в течение большего промежутка времени.

В первом случае преимуществом является сокращение времени стерилизации. В этой связи рекомендуется мощность облучения до 100 тыс. рад/мин и не менее 30 тыс. рад/мин [25]. Очень высокая интенсивность облучения приводит к более глубоким изменениям продукта (вплоть до возникновения наведенной радиоактивности) и, следовательно, она не должна превышать предела, специфичного для того или иного продукта.

Облучение мясопродуктов

Под действием ионизирующих излучений возможны изменения цвета, запаха, вкуса и консистенции мясопродуктов. Степень и характер изменений зависят от дозы облучения. Изменения запаха и вкуса трудно обнаруживаются при дозе менее 50 тыс. рад, они незначительны при дозах 50—100 тыс. рад, заметны при дозах 500 тыс. рад. И ясно выражены при дозах 1

—

2 млн. рад. Изменения цвета становятся заметными при дозе облучения около 1,8 млн. рад, а консистенции — при дозах более 3 млн. рад. Запах и вкус меняются менее интенсивно при облучении мяса птиц и свинины и больше при облучении баранины, сосисок, ветчины

[51, 60]. Вареные мясопродукты подвержены меньшим изменениям, чем сырые [42, 47, 58, 61]. Так, например, изменение вкуса вареного куриного мяса обнаруживается лишь при дозе 250 тыс. рад. По-видимому, это объясняется меньшим содержанием влаги в вареных мясопродуктах, а отчасти потерей растворимости водорастворимыми белками.

Появление постороннего запаха и привкуса в облученных мясопродуктах связано, как указано выше, с накоплением в них соединений серы, карбонильных соединений и летучих оснований, количество которых тем больше, чем больше доза облучения. В облученных мясопродуктах в период хранения значительно увеличивается содержание сероводорода и меркаптанов, появляются сульфиды, отсутствующие в необлученном мясе (например, диметилсульфид, изобутилмеркаптан). Резко возрастает содержание аммиака и органических оснований, в том числе метиламина и этиламина. Накапливается очень много самых различных карбонильных соединений: альдегидов, кетонов, альдегидо- и кетокислот, которые образуются частью за счет разрушения жиров, а частью за счет разрушения веществ, растворимых в воде [13, 19, 46, 51].

При облучении дозами 1,8—2,8 млн. рад говядины, свинины и телятины изменения органолептических характеристик мяса хорошо коррелировались с изменением содержания сульфидных и карбонильных соединений [65]. В анаэробных условиях хранения обнаружено уменьшение количества низкомолекулярных азотистых веществ и высокомолекулярных веществ из липидной фракции, что может быть принято как свидетельство развития реакций конденсации между карбонильными и аминными группами [64].

В соленых мясопродуктах облучение даже умеренными дозами вызывает восстановление нитратов, снижение количества нитритов, частичный распад нитрозопигментов, изменение окраски и появление постороннего запаха; увеличивается число свободных сульфгидрильных групп [54].

Изменения свойств мясопродуктов менее заметны при прерывистом облучении с сохранением размеров дозы. Но такое облучение резко увеличивает общую продолжительность обработки.

Перевариваемость белков мяса пепсином и панкреатином даже при сравнительно больших дозах облучения (до 4,5 млн. рад) изменяется незначительно. Но потери части витаминов и уменьшение количества высоконенасыщенных (триеновых) жирных кислот несколько уменьшают биологическую ценность мясопродуктов, облучаемых большими дозами (более 1 млн. рад).

Многочисленные эксперименты на крысах, собаках, обезьянах показали физиологическую безвредность облученных мясопродуктов, если энергия излучений не превышает 10—12 млн. эв. Скармливание крысам мяса, облученного дозой 1,5 млн. рад и хранившегося 4 месяца, не вызывало токсических явлений [2]. Испытания безвредности на людях еще только начаты. Питание людей мясопродуктами, облученными дозой 2 млн. рад, в течение 2 лет не отразилось на состоянии их здоровья [51].

Существенные изменения органолептических характеристик мясопродуктов, вызываемые облучением, ограничивают возможности их промышленного применения. По существу, в настоящее время можно говорить пока лишь о практическом использовании ионизирующих излучений для целей пастеризации. Облучение дозами 0,5 млн. рад позволяет удлинить срок хранения мясопродуктов при температурах, близких к 0⁰С, примерно в 5 раз. При этом продукт остается годным в пищу, но качество его в период хранения все же несколько снижается. Возможность пастеризации ионизирующими излучениями проверена на хорошо упакованном фасованном мясе, битой птице, полуфабрикатах, сосисках, колбасах и пр.

Ориентировочные стерилизующие дозы, обеспечивающие значительно больший срок хранения (при умеренном начальном микробиальном загрязнении продукта), составляют (в млн. рад) для: говяжьего фарша 1,3—1,8, свиного фарша 1,0, ветчины 1,8.

Так как жиры чувствительны к действию ионизирующих излучений и способны образовывать токсические продукты распада [10], мясо рекомендуется освобождать от жировой ткани. При одних и тех же условиях хранения говядина, содержащая 20% жира, оказалась с запахом осаливания, тогда как обезжиренная сохранила нормальную органолептику [2].

Дозы, достаточные для стерилизации мяса, недостаточны для инактивирования тканевых ферментов. В процессе хранения в мясе нарастает количество свободных аминокислот и в их числе плохо растворимого тирозина. Поэтому при длительном хранении облученного сырого мяса возникает опасность ухудшения качества за счет автолитических изменений.

Она больше для говядины, меньше для свинины и еще меньше для битых кур. Интенсивность протеолитических изменений возрастает с повышением температуры. Если в мясе, облученном дозой 2 млн. рад и хранившемся при 0—4⁰, накопление аминокислот было незначительным [37], то в мясе, хранившемся при 20⁰, происходило заметное отложение кристаллов тирозина на поверхности и чрезмерное отделение мясного сока. Запах и вкус при хранении ухудшались. Спустя 250 суток хранения, оно

было признано непригодным в пищу

[47].

Практическое решение вопроса о стерилизации мясопродуктов облучением связано, таким образом, с необходимостью инактивирования мышечных катепсинов. Исследования в этой области еще не дали окончательных результатов.

Наиболее простым способом инактивации катепсинов является нагрев. Для этого достаточно прогреть продукт при 70—76⁰ С в течение 10 мин [42]. Мясо, упакованное в герметические пакеты с активированным углем, облученное дозой 4,8 млн. рад и прогретое для инактивации ферментов, сохранило пригодность в пищу после 2-летнего хранения при 20⁰ С [58]. Еще лучше, если облучение прогретого мяса производится при низких температурах, обеспечивающих вымерзание воды [65]. Нагрев одновременно уменьшает опасность ухудшения запаха и вкуса под влиянием облучения, а также тормозит распад витаминов, однако продукт приобретает свойства вареного. К тому же при

тепловой обработке мясо отделяет часть питательных веществ с бульоном.

Активность тканевых протеаз зависит от величины рН. Повышение рН до 6,8—7,2 уменьшает их активность и замедляет развитие протеолитической порчи мяса. Повышенный рН в мясе может быть достигнут путем резкого снижения запасов гликогена в мышцах животного перед убоем. Это может быть сделано либо путем предубойной

адренализации животных (см. главу III), либо их предубойным облучением. Опыты по облучению птиц и кроликов дозами около 1 млн. рад показали, что оно, сопровождаясь увеличением концентрации адреналина в тканях, приводит к значительному снижению запасов мышечного гликогена. Протеолитические процессы в мясе замедляются в 2—3 раза [27].

Способы защиты стерилизуемых продуктов от нежелательных последствий облучения еще несовершенны. В тех случаях, когда причиной вредных последствий является кислород, рекомендуется стерилизовать продукт под вакуумом или в атмосфере инертного газа. Вероятность вторичных химических процессов за счет действия на продукт активных свободных радикалов может быть уменьшена за счет их локализации. Это может быть достигнуто замораживанием стерилизуемого продукта, вследствие чего замедляется диффузия свободных радикалов, поскольку большая часть воды вымерзает. Некоторый эффект дает предварительная бланшировка, сопровождающаяся, как известно, уменьшением содержания воды в продукте. Одним из приемов защиты является блокировка активных радикалов добавлением веществ — акцепторов активных радикалов. Следует, однако, оговориться, что этот прием эффективен лишь в смысле защиты от косвенного влияния облучения, так как достигается торможение лишь вторичных процессов, вызываемых только действием радикалов, а не действием самих излучений.

В качестве веществ — акцепторов активных радикалов рекомендуются аскорбинаты, аналоги и амиды аскорбиновой кислоты, никотиновая кислота, соединения с сульфгидрильными группами в молекуле (например, цистеин), бутилоксианизол, триполифосфаты [13, 45, 70], а также пищевые продукты и смеси, в составе которых содержатся такие акцепторы — томат-пюре, коптильные вещества. Хороший эффект был получен с применением смеси аскорбиновой кислоты с коптильными веществами.

Однако вопрос о предохранении мясопродуктов от нежелательных изменений при облучении еще нельзя считать удовлетворительно решенным. Некоторые добавки дают заметный эффект лишь в случае облучения небольшими дозами (например, аскорбинаты при дозах до 0,5 млн. рад). Другие необходимо вводить в продукт в чрезмерно больших количествах (например, дозировка нитрита 0,01% и более). Коптильные вещества хотя и не ухудшают, но все же изменяют вкус и запах мяса. Мясо, содержащее нитрит, после варки имеет не присущий вареному мясу красный цвет.

При практическом использовании для упаковки облучаемых продуктов полимерных материалов следует иметь в виду, что при больших дозах облучения (1 млн. рад и более) некоторые материалы сами могут изменяться с образованием посторонних запахов и разрушаться при последующем хранении [25

].

ОБЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМИ ЛУЧАМИ

Ультрафиолетовые лучи (УФЛ) — невидимая часть световых лучей с длиной волны 60—400 ммк. Особенностью УФЛ является их способность вызывать в облучаемом теле химические изменения, т. е. фотохимический эффект, достаточно ясно выраженный при длинах волны УФЛ менее 290 ммк. Возникновение фотохимического эффекта в клетках микроорганизмов и в теле вирусов при соответствующих условиях может сопровождаться их инактивацией и отмиранием. Отмирание обусловлено главным образом адсорбцией УФЛ нуклеиновыми кислотами и нуклеопротеидами, которая сопровождается разрывом водородных связей и денатурационными изменениями этих веществ. Наиболее эффективным действием на микроорганизмы обладают лучи длиной волны 255—280 ммк. Более короткие волны сильно поглощаются воздухом и их действие дает желательный эффект лишь на очень небольших расстояниях. К тому же под влиянием этих лучей образуется в больших количествах озон, который хотя и способствует уничтожению микробов, но в то же время вызывает нежелательные изменения продукта.

Для каждого вида микроорганизмов наиболее опасна определенная длина волны в указанном интервале. Также различно и количество лучистой энергии, необходимой для уничтожения того или иного вида микроорганизмов. Чувствительность микроорганизмов к действию УФЛ уменьшается с увеличением размеров клеток. Отсюда стойкость плесеней к действию УФЛ значительно больше чем у бактерий. Но и различные плесени по разному относятся к облучению. Не все клетки даже одной и той же культуры одинаково стойки к действию УФЛ: 70—80% клеток погибают при минимальной затрате лучистой энергии, а для уничтожения остальных 20—30% требуется в 3—4 раза больше [5].

Стерилизующий эффект облучения зависит от микробиальной загрязненности продукта и стадии развития микроорганизмов. При небольших количествах микрофлора погибает быстрее

и при меньшей затрате энергии. Бактерии, споры и плесени уничтожаются легче на начальных стадиях развития.

Теоретически фотохимический эффект облучения УФЛ определяется количеством энергии (т. е. произведением интенсивности облучения на время). Однако при подавлении или уничтожении микроорганизмов этого не наблюдается. Одно и то же количество энергии излучения при высокой интенсивности и короткой экспозиции дает значительно меньший смертельный эффект, чем при низкой интенсивности, но большей экспозиции. В связи с этим для уничтожения микробов при коротких экспозициях требуется в несколько раз больше энергии. Менее интенсивное облучение при большей его продолжительности, кроме того, уменьшает вероятность развития на поверхности, продукта микрофлоры, попадающей извне во время облучения.

Если бактерии или споры подвергают многократному мгновенному действию УФЛ, то для их уничтожения потребуется значительно больше энергии, чем при непрерывном облучении той же продолжительности. Однако, если каждый промежуток времени облучения достаточно велик, разница в расходе энергии становится небольшой. Так как химические изменения продукта под влиянием УФЛ при дробном облучении меньше по своим масштабам, в практике предпочитают именно такой порядок облучения.

Под действием УФЛ происходит не только денатурация белков, но и разрушение двух- и трехмерных структурных решеток белковых частиц до отдельных полипептидных цепей. Сложные белковые молекулы протеидов: мио- и гемоглобина, липопротеидов, нуклеопротеидов разрушаются. В присутствии кислорода УФЛ вызывают переход оксимиоглобина в метмиоглобин. При достаточно длительном облучении разрушение белковых веществ может быть очень глубоким, вплоть до распада полипептидных цепочек и разрушения аминокислотных радикалов в белках. Наименее устойчивы цистин, триптофан, тирозин, пролин. Происходит накопление аминного азота и аммиака

;

в облученных белковых веществах обнаруживаются свободные сульфгидрильные группы. Облучение раствора желатина сопровождается уменьшением его вязкости, понижением электропроводности и набухания. Длительное облучение инактивирует ферменты. Описанные изменения происходят также и в пищевых продуктах на глубине проникновения в них УФЛ, т. е. на глубине до 0.1 мм.

Особенно сильно УФЛ действуют на жиры, стимулируя их окисление. Влияние УФЛ на изменения жиров носит двоякий характер: прямой и косвенный. Прямое влияние заключается в ускорении процесса окисления жиров, происходящего под действием кислорода воздуха. Косвенное — в образовании под влиянием УФЛ с достаточно короткой волной озона, энергично окисляющего жир.

Таким образом, дозировка лучистой энергии и порядок облучения должны быть подобраны так, чтобы, с одной стороны, воспрепятствовать развитию микрофлоры на всей поверхности продукта, а с другой — избежать нежелательных изменений продукта. Само собой разумеется, что техника и приемы применения УФЛ должны быть достаточно экономичными.

Под действием УФЛ происходит отмирание микроорганизмов только в поверхностном слое продукта, глубина которого определяется проникающей способностью УФЛ и не превышает 0,1 мм. Следовательно, употреблять УФЛ для предотвращения микробиальной порчи продуктов можно лишь в тех случаях, когда продукт в глубине практически стерилен, либо развитие микробов в толще предотвращено или существенно замедленно. В связи с ограниченной проникающей способностью УФЛ на режим облучения существенным образом влияет характер поверхности продукта. Шероховатость, мельчайшие неровности и складки хорошо защищают споры и клетки от действия УФЛ. В связи с этим продукты, обладающие гладкой поверхностью (например, вареные колбасы), лучше сохраняются с помощью УФЛ.

Точные режимы хранения мясопродуктов в условиях облучения УФЛ еще не разработаны. Мясо, хранившееся при 3—5⁰ С и относительной влажности до 80% и облучаемое в течение 1 ч каждые сутки, на 8 сутки было без признаков порчи, за исключением мест, недосягаемых для УФЛ. Вареные колбасы хранили при температуре 18⁰ С и относительной влажности воздуха около 100% в течение 9 суток при облучении в первые сутки однократно 30 мин, а в последующие 1,5 ч. После хранения в течение указанного срока лишь на теневой стороне батонов были обнаружены отдельные колонии. Изделия оказались вполне пригодными в пищу [5].

Возможность задержки развития микрофлоры на поверхности мяса с помощью УФЛ позволяет использовать это для ускорения созревания мяса путем его выдержки при повышенных температурах. При дробном облучении мяса УФЛ говядина, хранившаяся при 13—14⁰ С, приобретала свойства созревшего мяса через 3—4 суток и не имела признаков порчи.

УФЛ можно использовать для стерилизации воздуха, воды и рассола в тонком слое, так как эти материалы хорошо проницаемы для УФЛ. Ежесуточное облучение воздуха в помещении объемом 65 м

³

в течение 9 ч лампами ультрафиолетового излучения общей мощностью 40 вт снизило количество микробов в нем на 99%. В помещениях, где производится облучение продуктов УФЛ, количество микроорганизмов в несколько раз меньше обычного.

При практическом использовании УФЛ на холодильниках следует учитывать, что лучи ламп должны достигать наиболее низко расположенных частей полутуши. Поскольку интенсивность облучения обратно пропорциональна квадрату расстояния, высота расположения ламп должна быть согласована с их количеством. При высоте расположения подвесного пути над полом 3,2 м необходима одна лампа на 2,25 м

²

площади пола, а при высоте 2,4 м — одна такая лампа на 2,8 м

²

площади пола. Следует иметь в виду, что УФЛ опасны для человека, действуя на кожу, в особенности на глаза. Во время облучения грызуны покидают помещение.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Ультразвук способен переносить значительные количества энергии: от нескольких ватт до десятков ватт на 1 см

²

излучающей поверхности. Применяя фокусирующие системы, можно сосредоточить в центральной части фокального УЗ-пятна большую энергию порядка нескольких квт/см

².

Интенсивность распространения УЗ в гомогенной среде зависит от длины волны УЗ и плотности среды. С возрастанием частоты УЗ и уменьшением плотности среды интенсивность распространения уменьшается и увеличивается поглощение энергии УЗ средой. Поглощение энергии препятствует распространению УЗ. При этом часть энергии УЗ превращается в тепло, часть расходуется на разрушение среды.

Так как величина поглощения энергии УЗ обратно пропорциональна плотности среды, газообразные среды мало пригодны в качестве переносчиков УЗ. Материалы с небольшой плотностью (некоторые высокомолекулярные вещества, порошки) имеют больше свойств изоляторов, чем переносчиков УЗ. Хорошими переносчиками являются жидкости и металлы. В некоторых жидкостях УЗ, кроме больших переменных давлений, вызывает явление кавитации.

В гетерогенных средах УЗ, переносимый непрерывной средой, отражается поверхностью раздела фаз, если прерывистая среда (например, дисперсные частицы) обладает большей плотностью, чем звукопереносящая среда. Сила отражения зависит от разницы в звуковой жесткости звукопроводящей и отражающей

сред (на поверхности раздела газ — плотная среда УЗ отражается почти полностью). Отражение звука тормозит его распространение. На пограничной поверхности, которая отражает УЗ, возникает звуковое давление. Звуковое давление, возникающее на достаточно большой поверхности, способно вызывать эффект переноса частиц жидкости.

Таким образом, при озвучивании гетерогенных систем можно ожидать последствий следующего рода: деструкции компонентов систем вследствие возникновения больших звуковых давлений и кавитации, усиления диффузионного переноса частиц (в том числе и между отдельными компонентами системы), увеличения интенсивности перемешивания, преобразования энергии УЗ в тепловую, отражения УЗ от более плотных поверхностей в виде своеобразного “эха”.

Последствия озвучивания. Наиболее характерным следствием озвучивания дисперсных систем является изменение их структуры. В зависимости от свойств системы и условий озвучивания может происходить либо пептизация компонентов системы, либо, наоборот, агрегирование и коагуляция. В большинстве случаев, однако, происходит пептизация, т. е. увеличение дисперсности гелей и золей. В связи с этим озвучивание таких сложных дисперсионных систем, как животные ткани, всегда сопровождается большей или меньшей степенью их разрушения.

Диспергирующее действие УЗ делает возможным его использование для получения как лиофильных (например, белково-водных), так и лиофобных (например, жир—вода) устойчивых дисперсионных систем.

Однако нужно иметь в виду, что озвучивание высокополимерных систем в водной среде сопровождается их деполимеризацией. Так, например, озвучивание коллагеновых волокон сопровождается вначале разрушением фибрилл, образованием продукта, сходного с глютином, а затем разрушением его до полипептидов с различным частичным весом. Тиксотропные гели после озвучивания утрачивают склонность к тиксотропии и разжижаются. Озвучивание разрушает нуклеиновые кислоты [56]. В присутствии кислорода оно приводит к разрушению ферментов и к потере ими активности [41]. При достаточной мощности ультразвука химически изменяются и разрушаются аминокислоты; возможен переход одних аминокислот в другие, например, серина в глицин [50]. Крахмал деполимеризуется до декстринов, а при достаточно интенсивном и длительном озвучивании — до моносахаридов.

Разрушительное действие УЗ может вызывать резкие изменения структуры тканей. Так, озвучивание мяса при частотах 1—1000 кгц в рассоле сопровождается разрывом мышечных волокон и размягчением мяса на глубину проникновения УЗ [10, глава V]. При озвучивании крови (частота 100 кгц ) происходит вначале гемолиз, затем разрушение форменных элементов и обесцвечивание крови. Озвучивание кости при мощности УЗ 3 вт/см

²

сопровождается разрушением ее структуры, а при мощности 4 вт/см

²

могут возникать переломы.

При умеренной интенсивности и небольшой продолжительности озвучивания можно вызвать коагуляцию тонких суспензий (например, таких, которые образуются при извлечении гормонов из животных тканей). Озвучивание аэрозолей сопровождается их быстрой коагуляцией, что может быть использовано для очистки газов от примесей.

При известных условиях под действием УЗ могут возникать свободные радикалы, способные вызывать химические изменения озвучиваемых веществ. Так, в присутствии кислорода воздуха в озвучиваемой водной системе вследствие кавитация образуются активные радикалы типа Ĥ

O₂

, окисляющие боковые и концевые полярные группы белковых молекул. Озвучивание в этих условиях некоторых протеолитических ферментов приводило к утрате ими ферментативной активности. При частотах УЗ, не вызывающих кавитации, и в отсутствии кислорода потери активности ферментами не отмечалось.

Действие УЗ на микроорганизмы зависит от условий озвучивания и свойств среды. При достаточной интенсивности и высоких частотах УЗ в невязких средах бактерии вначале претерпевают существенные изменения (например, патогенные утрачивают вирулентность). В дальнейшем они погибают вследствие разрушения под влиянием кавитации. В вязких средах с высоким звуковым сопротивлением этого не происходит, так как большая часть энергии УЗ преобразуется в тепловую. При низких частотах и небольшой интенсивности УЗ и кратковременном озвучивании развитие микрофлоры ускоряется.

В ультразвуковом поле происходит значительное ускорение диффузионного обмена между гелями и клеточными структурами, с одной стороны, и окружающей жидкостью — с другой. Благодаря этому, УЗ может быть использован для ускорения переноса веществ из среды в гель (например, для ускорения посола) и из геля в окружающую среду (для ускорения экстракции).

Использование УЗ для ускорения переноса веществ из окружающей среды в материалы особенно заманчиво в тех случаях, когда переносимые вещества нерастворимы, поскольку УЗ способствует их тонкому диспергированию. Однако зачастую применение УЗ для подобных целей наталкивается на непреодолимые трудности, так как обработке подвергаются материалы с плохой звукопроницаемостью, такие, как, например, животные ткани. При озвучивании мяса в рассоле большая часть энергии УЗ преобразуется в тепловую в поверхностном слое мяса, температура которого повышается

на 20⁰ С и более. Таким образом, по существу ускоряется лишь одна фаза диффузионного обмена — перенос соли из рассола во внешний слой, причем частью за счет повышения температуры. Кроме того, УЗ вызывает деструкцию поверхностного слоя. Очевидно, что практическую значимость имеет ускорение диффузионного переноса лишь в тех случаях, когда обрабатываются тонкослойные материалы.

Иначе обстоит дело с использованием УЗ для ускорения экстракции из тонкоизмельченных материалов. В этом случае ускоряющее влияние УЗ распространяется практически на весь объем частиц материала, из которого производится экстракция. Разрушительное действие УЗ, если оно не затрагивает структуры извлекаемого вещества, в известных пределах может иметь положительное значение, способствуя ускорению экстракции. При кратковременном действии УЗ разрушение клеток и переход содержимого в окружающую среду может происходить прежде, чем извлекаемое вещество (фермент, гормон) может быть разрушено УЗ.

Возможности промышленного использования УЗ еще мало исследованы. В лабораторных условиях показана возможность его использования для ускорения процессов экстракции, ослабления удерживаемости щетины, извлечения костного жира. Исследовалась возможность использования фокусированного УЗ для отделения мяса от кости. Однако практических результатов пока не получено.

Как показали исследования, промышленное значение может иметь использование УЗ, получаемого при помощи гидродинамического генератора для приготовления водно-жировых эмульсий любых концентраций и различной консистенции (см. главу II)

[

28, 29]. Хорошие результаты дает применение УЗ для очистки и обезжиривания металлических поверхностей сложной формы (частота УЗ от 20 до 500 кгц, интенсивность 3—6 вт/см

² ),

например, для очистки троллеев, а также для получения ароматических эмульсий из специй [12].

Практическое применение получило свойство УЗ по различному отражаться разными материалами. Оно использовано в приборе для определения упитанности свиней по толщине шпика. Ультразвуковые колебания, посылаемые излучателем через слой шпика, отражаясь мышцами, возвращаются и возбуждают сигнал в аппарате. О толщине шпика судят по времени от момента посылки до момента возвращения УЗ—импульса. Ошибка измерений не выходит за пределы нескольких процентов.

ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ

Гидромеханические импульсы в виде больших переменных давлений, достаточных для разрушения мягких и твердых животных тканей, могут быть возбуждены быстрым движением рабочего органа машины в жидкой или вязко-пластичной среде. При достаточно высоких скоростях движения рабочего тела относительно среды могут возникать кавитационные явления. Этот принцип возбуждения и использования гидромеханических импульсов нашел применение в аппаратах для извлечения жира из жировой ткани и кости и в машинах для тонкого измельчения мяса.

Импульсный метод извлечения жира

В аппарате для извлечения жира импульсным методом гидромеханические импульсы возбуждаются быстро вращающимися билами, свободно закрепленными на роторе, и через жидкую среду (воду) передаются обрабатываемому материалу.

Рис. 82. Схема возникновения гидромеханических импульсов

Механизм возбуждения импульсов может быть уяснен из схемы (рис. 82). При движении твердого тела в жидкости позади него создается область пониженного давления, куда устремляются струи жидкости, отрывающиеся от краев тела. В результате возникают мощные мгновенные давления — импульсы типа гидравлических ударов, которые передаются на поверхность обрабатываемого материала и вызывают разрушение его наименее прочных структурных элементов. При достаточной мощности импульсы вызывают разрушение связей, удерживающих жировые клетки в ткани, и самих клеток. Разрушение сопровождается переходом жира в среду даже при температурах ниже температуры его плавления. При скорости движения рабочего тела относительно жидкости более 50 м/сек действие гидромеханических импульсов дополняется возникновением кавитации.

Эффект действия импульсов зависит от прочности материала, от их величины и числа. Величину импульсов в свою очередь определяет кинетическая энергия движущегося тела, а их число — частота повторности движения тела в единицу времени. В аппаратах для извлечения жира импульсы возбуждаются вращательным движением стальных бил, расположенных внутри кожуха (рис. 83), в который подается жиросырье (обычно кость) и вода. В таком аппарате величина импульсов определяется окружной скоростью и массой вращающихся бил, а число импульсов — количеством бил и их оборотов в единицу времени. Необходимое для обезжиривания кости число импульсов — около 2000 в секунду. Оно достигается в аппарате с числом бил 50 при оборотах ротора до 3000 в минуту. Окружная скорость достигает 60—70 м/сек

[17].

Кроме числа и мощности импульсов, на степень обезжиривания влияет продолжительность воздействия импульсов на сырье, т. е. время пребывания сырья в аппарате. Оно зависит от начальных размеров образцов и от величины отверстий решетки, через которую обезжиренное сырье выводится с водой из аппарата. Начальный размер образцов кости — до 50 мм. Размеры отверстий выходной решетки показаны на рис. 83. Количество воды, подаваемой в аппарат, должно быть в 3—4 раза больше веса сырья, иначе затрудняется разгрузка аппарата.

Достоинства импульсного метода извлечения жира — простота конструкции, возможность непрерывно-поточной организации производства и извлечения жира при низких температурах. Это оказывает положительное влияние на качество жира и кости как сырья для клея. Степень обезжиривания кости — 83—93% (с учетом промывки кости от жира). Остаток жира в сырье — 2—5% к весу обезжиренной

кости. Недостаток метода

в сложности отделения жира от водно-жировой массы, сильно засоренной белками и остатками кости. Небольшие размеры образцов обезжиренной кости затрудняют выварку из нее желатина и клея.

Рис. 83. Рабочий механизм аппарата для импульсного извлечения жира:

1

— ротор;

2 —

била

; 3 —

выходная решетка;

4 —

отверстия решетки;

5

— кожух.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОТОКА

Копчение в электрическом поле

В электрическом поле высокого напряжения с постоянным знаком может быть резко ускорена первая фаза собственно копчения — осаждение коптильных веществ на поверхности продукта. Если продукт поместить между двумя отрицательно заряженными электродами и подсоединить его к положительному электроду или заземлить, то при напряжении порядка 25—40 кв ионизированные электротоком частицы коптильных веществ приобретают направленное движение со скоростью около 2 м/сек и оседают на поверхности продукта. Время, необходимое для осаждения нужного количества коптильных веществ в этих условиях, исчисляется в минутах (в среднем 5 мин ). В дальнейшем одна часть осажденных на поверхности продукта коптильных веществ проникает в толщу продукта путем диффузии, а другая — испаряется во внешнюю среду. В тех случаях, когда достаточна лишь поверхностная обработка продукта коптильными веществами (предохранение продукта от порчи с поверхности, придание продукту специфического запаха и вкуса), этот способ дает значительный выигрыш во времени. В иных случаях он ограниченно пригоден при сохранении такой операции, как последующая сушка, поскольку во время обработки обезвоживания не происходит. Но и в этом случае удовлетворительный эффект достигается при правильной геометрической форме продукта.

В СССР и за рубежом, проводились испытания по применению электрического тока высокого напряжения для поверхностной обработки пищевых продуктов [33]. Они показали, что отсутствует полная идентичность в составе фенолов, переносимых в продукт при обычном копчении и электрокопчении. Нет также полного сходства и в органолептических характеристиках продукта. Вкус и запах продукта, обработанного электрокопчением, уступают вкусу и запаху продукта обычного копчения. При получении дыма из опилок продукт, выработанный с применением электрокопчения, обладает посторонним слегка жгучим привкусом [14]. Эти различия обусловлены особенностями механизма осаждения коптильных веществ на поверхности продукта при электростатическом копчении.

Ввиду сложности и дороговизны оборудования, а также потому, что применение электростатического поля ускоряет лишь один из этапов обработки и поэтому не приводит к существенному сокращению технологического процесса в целом, электрокопчение в мясной промышленности распространения не получило.

НАГРЕВ ЭЛЕКТРОТОКОМ

Высокочастотный нагрев

Высокочастотный нагрев

—

это нагрев за счет тепла, возникающего вследствие индуктирования вихревых токов или колебательных движений заряженных частиц (полярных молекул, атомов, ионов, электронов) в материале в быстропеременное электрическое толе.

Возрастание кинетической энергии частиц при этом воспринимается как тепло.

Работами ВНИИМП в СССР [33, 31], а также зарубежными исследователями доказана возможность использования токов высокой частоты для варки различных мясопродуктов. Однако техника ее еще недостаточно отработана.

Нагрев с помощью токов высокой частоты (ТВЧ) имеет ряд преимуществ перед другими способами нагрева. В частности, он позволяет сократить продолжительность тепловой обработки до времени, исчисляемого в минутах. Это может иметь решающее значение для перехода к поточной организации производства.

В зависимости от электрофизических свойств материалы подразделяют на несколько групп:

1. Материалы с высокой электропроводностью или проводники (удельное электрическое сопротивление порядка единиц и десятков мком • см

);

2.

Материалы с низкой электропроводностью или полупроводники (удельное сопротивление от десятых долей до нескольких тысяч ом

•см

);

для этих материалов характерно сильное влияние температуры на электропроводность, которая резко возрастает с повышением температуры (в десятки и тысячи раз). К таким материалам могут быть отнесены и некоторые пищевые продукты, содержащие незначительное количество электролитов;

3. Изоляторы или диэлектрики

—

вещества с очень малой электропроводностью.

Соответственно электрофизической характеристике материала, а также в зависимости от размеров и формы материала подбирают способ нагрева токами высокой частоты и частоту самого тока. Известны два способа высокочастотного нагрева:

индукционный и диэлектрический.

Индукционный нагрев. Индукционным нагревом пользуются главным образом для материалов с высокой электропроводностью (металлы, графит, расплавы, электролиты).

При индукционном нагреве вихревые токи сосредоточиваются в поверхностной части материала, так как электромагнитные волны затухают по мере удаления их от поверхности. Поэтому тепло выделяется неравномерно по толщине и главным образом в поверхностном слое различной толщины.

Выравнивание температуры в материале достигается выдержкой за счет его теплопроводности.

Диэлектрический нагрев. При диэлектрическом нагреве тепло в материале возникает вследствие колебании заряженных частиц в быстропеременном электрическом поле. Под действием электрического поля возникает явление поляризации. Поляризация исчезает по прекращении действия электрического поля. В переменном поле поляризация устанавливается и исчезает дважды в течение каждого периода частоты тока. Установление, так же как и исчезновение поляризации, может сопровождаться превращением электрической энергии в тепловую. Если в диэлектрике имеются заряженные частицы, ориентация или смещение которых требует значительного времени (время релаксации), максимум поляризации будет отставать от максимума напряженности электрического поля. Это отставание называется сдвигом фаз между напряжением поля и поляризацией. Сдвиг фаз обусловливает величину релаксационных диэлектрических потерь электрической энергии, за счет которых и совершается нагрев материала. Если релаксация намного превышает период изменения электрического поля, то поляризация не успевает сколько-нибудь заметно развиться, отсутствуют релаксационные потери электричества и нагрев. Отсюда следует, что диэлектрический нагрев тесно связан с возникновением сдвига фаз, который, в свою очередь, обусловлен периодом частоты тока и временем релаксации. А время релаксации зависит от природы заряженных частиц, входящих в состав материала. В связи с этим различают несколько видов поляризации, в том числе электронную, ионную и ориентационную.

Электронная поляризация выражается в смещении среднего положения электронов относительно среднего положения атома (или иона). Время релаксации лежит в пределах 10^-14—10^-15 сек .

Ионная поляризация вызывается смещением положительных и отрицательных ионов в материале. Время релаксации при поляризации ионного смещения 10^-12—10^-13 сек.

Так как с повышением температуры тепловое движение ионов (разбрасывание) усиливается, то поляризуемость диэлектрика уменьшается. Поэтому время для тепловой ионной поляризации релаксации сильно зависит от температуры и колеблется в пределах 10^-2—10^-7 сек.

Ориентационная поляризация присуща диэлектрикам, в структуре которых имеются полярные молекулы (диполи).

Она

выражается в том, что под влиянием внешнего электрического поля возникает преимущество одного направления ориентации молекул в сравнении с другим.

Если связь между диполями сильна, их ориентация ограничивается поворотом на небольшой угол, соответственно направлению электрического поля. Тепловое движение молекул в данном случае выражается лишь в колебании их около некоторой оси и при повышении температуры их смещения не происходит. Поэтому величина поляризации не зависит от температуры. Такого рода поляризация характерна для твердых диэлектриков. Время релаксации при такой поляризации порядка 10^-13 сек .

Если диполи связаны между собой слабо, тепловое движение усиливает дезориентацию диполей, степень поляризации зависит от температуры (обратно пропорциональна абсолютной температуре). Такого рода поляризация характерна для газообразных и жидких диэлектриков (в частности для воды) и лишь в незначительной степени для некоторых твердых. Время релаксации зависит от свойств диэлектрика и внешних условий (величины и строения молекул, вязкости, температуры, частоты тока и др.) и колеблется в пределах 10^-10—10^-2 сек.

Величина полной поляризации диэлектрика определяется суммарным эффектом всех перечисленных видов поляризации и обусловливает его диэлектрическую проницаемость.

По мере повышения частоты тока те виды поляризации, время релаксации для которых оказывается больше периода тока, не успевают устанавливаться и не участвуют в суммарном эффекте. Поэтому полная поляризация диэлектрика падает, падает также и обусловленная ею диэлектрическая проницаемость. При наиболее высоких частотах тока в диэлектриках устанавливается только электронная поляризация, а диэлектрическая проницаемость принимает наименьшее значение.

Величина диэлектрических потерь, а значит и количество тепла, генерируемого токами высокой частоты, зависит от электрофизических свойств материала и параметров тока

(IX-1)

где

Р

—

величина диэлектрических потерь, вт

;

и

—

напряжение на пластинах конденсатора, в

;

ω — частота тока, гц;

А — площадь пластин конденсатора, см

²;

h —

расстояние между пластинами, см

.;

tg

δ

—

тангенс угла потерь;

ε

—

диэлектрическая проницаемость материала.

Тангенс угла потерь и диэлектрическая проницаемость — электрофизические свойства материалов и определяются особенностями их строения и состава. Наряду с этим они зависят и от частоты тока, поскольку она определяет характер поляризации. Их произведение, называемое коэффициентом поглощения, характеризует интенсивность нагрева при данных параметрах тока. Наличие в составе материала компонентов с разным коэффициентом поглощения предопределяет селективный характер нагрева материала в целом.

Величина диэлектрических потерь зависит от напряжения поля. Однако чрезмерное увеличение напряжения вызывает явление пробоя: электрического, теплового (резкое повышение температуры) или химического пробоя (электролиз). При одной и той же затрате энергии на нагрев напряжение поля должно быть тем меньше, чем выше частота тока.

Частоту тока приходится выбирать, сообразуясь с величиной угла потерь. Она должна быть не менее 500 кгц и тем больше, чем меньше угол потерь. Для невязких жидкостей (вода, спирт) диэлектрические потери на образование тепла проявляются лишь в сантиметровом диапазоне волн, в вязких жидкостях

— и при низких частотах. В твердых диэлектриках с полярными молекулами, или слабо связанными ионами с различным временем релаксации, диэлектрические потери имеют место и при средних частотах. В полимерах возможна ориентационная поляризация как отдельных полярных радикалов, так и более или менее длинных цепочек. В связи с этим диэлектрические потери имеют два температурных максимума при одной и той же частоте.

Особенности нагрева белково-электролитных систем и тканей токами высокой частоты. В растворах электролитов, обладающих значительной электропроводностью, диэлектрические потери на нагрев вызываются в большей степени свойствами ионов, чем полярных молекул. Большое значение приобретает нагрев за счет индукционных вихревых токов.

При действии токов высокой частоты на гетерогенные системы, различные фазы этих систем нагреваются по-разному. Если одна фаза греется больше чем другая, происходит выравнивание температур за счет теплопередачи. Чем больше степень дисперсности дисперсной фазы, тем быстрее выравнивается температура. Если дисперсионная среда обладает малой теплопроводностью, а степень дисперсности незначительна, возникает сильный местный перегрев.

Наличие в растворе электролита небольших количеств (1—2%) аминокислот (исключая гликокол) заметного влияния на ход нагрева не оказывает. Величина рН растворов при этом остается практически неизменной. В растворах хлористого натрия в присутствии гликокола после обработки токами высокой частоты рН сдвигается на 0,1—0,6 в щелочную сторону.

Желатин в небольших количествах (2—5%) не влияет заметно на скорость нагрева электролитов; 8—20% желатина значительно снижают ее. Нагрев желатина при этом происходит за счет теплопередачи.

Мышечная ткань при частотах 1—50 Мгц является скорее полупроводником, чем диэлектриком. Удельное сопротивление настолько низко, что падение напряжения внутри незначительно. Электронагрев ее почти не зависит от частоты. Жировая ткань, напротив, проявляет свойства диэлектрика. Поэтому нагревание мяса обусловлено не только диэлектрическими потерями за счет поляризации, но и потерями, вызываемыми движением электрических зарядов, меняющим направление с изменением внешнего поля (при частоте порядка нескольких мгц

) .

Соленые и копченые мясопродукты ведут себя, как электролиты. При этом в жировой ткани больше тепла генерируется в слоях, поперечных направлению поля, а в мышечной — больше в совпадающих с направлением поля. Сопротивление мышечной ткани в такой продукции при промышленной частоте тока или близкой к ней сравнительно мало отличается от сопротивления при высоких частотах. Поэтому нагрев ее токами низкой частоты (конечно, при контакте с электродами) столь же эффективен. Сопротивление жировой части падает с повышением частоты тока.

Так как электрофизические свойства составных частей мясопродуктов не одинаковы, время, необходимое для их нагрева, различно. Жировая ткань, например, нагревается быстрее мышечной. К тому же электрофизические свойства тканей зависят от содержания в них воды и соли. Поэтому нагрев мясопродуктов идет неравномерно, как при индукционном, так и при диэлектрическом способах. Неравномерность при диэлектрическом нагреве уменьшается с увеличением частоты тока, так как проводимость жирной части существенно возрастает, а нежирной

части изменяется мало. При необходимости можно пользоваться комбинацией индукционного и диэлектрического способов нагрева.

В табл. 116 приводятся примерные величины диэлектрической проницаемости некоторых мясопродуктов для средних значений частоты тока (при температурах 20⁰

С и частоте 1,5—12 мгц

)

(по данным ВНИИМП) [30].

Таблица 116

Продукты	Влажность. %	Тангенс угла потерь	Диэлектрическая проницаемость	Коэффициент поглощения
Говядина несоленая	75,8	0,07	20,3	1,42
Говядина соленая	73,8	0,05	13,5	0,68
Шпик несоленый	3,4	0,09	8,7	0,78
Шпик соленый	4,8	0,08	15,8	1,26
Фарш отдельной колбасы	67,6	0,06	18,5	1,11
Фарш сосисок	69,2	0,06	11,9	0,71
Фарш ливерной колбасы	55,1	0,18	17,7	1,46

Наиболее подходящая частота тока при нагреве подсоленных мясопродуктов 8—10 Мгц. Анодное напряжение при этой частоте около 8000 в. Коэффициент перехода электрической энергии в тепловую — до 56%, но при усовершенствовании техники нагрева может быть доведен до 70%.

Работами ВНИИМП [31] установлена возможность практического применения ТВЧ для варки соленых мясопродуктов (без кости) и колбасных изделий. Эта возможность подтверждается также и работами зарубежных исследователей.

Хотя нагрев ТВЧ имеет ряд преимуществ перед нагревом теплопередачей, его практическое применение по ряду причин в настоящее время ограничено. Для генерирования ТВЧ требуются сложные и дорогостоящие установки, высокочастотный нагрев неприменим для одновременного нагрева больших количеств продукции, его трудно осуществить при обработке неоднородных по составу и сложных по форме материалов. Поэтому высокочастотный нагрев пока может быть рекомендован для небольших количеств ценной продукции, качество которой существенным образом снижается при нагреве теплопередачей.

Стерилизация токами высокой частоты. При обработке продукта токами высокой частоты основным стерилизующим фактором также является нагрев. Однако в данном случае воздействие тепла на микроорганизмы происходит не только путем теплоотдачи от окружающей среды (продукта), но также, в известной мере, и в результате образования тепла в самих клетках под действием высокочастотного переменного поля.

Преимущество стерилизации токами высокой частоты перед обычным способом стерилизации заключается в быстроте и равномерности нагрева продукта и клеток микроорганизмов. Благодаря этому наряду с резким сокращением времени прогрева продукта до нужной температуры уменьшается также и время нагрева, необходимое для обезвреживания спор. Колебательные движения частиц, вызываемые токами высокой частоты в теле микроорганизмов

,

сопровождаются не только выделением тепла, но и поляризационными явлениями в клетках, влияющими на их жизненные функции. Поэтому при стерилизации токами высокой частоты отмирание микроорганизмов происходит не только за счет их нагрева, но во многих случаях и в результате прямого воздействия токов высокой частоты. Благодаря этому при одних и тех же температурных условиях стерилизующий эффект под действием токов высокой частоты часто выше, чем при нагреве теплопередачей. Некоторые виды микроорганизмов, выживающие при обычном нагреве, при высокочастотном нагреве до той же температуры отмирают. Резкое сокращение времени теплового воздействия при применении токов высокой частоты допускает стерилизацию при значительно более высоких температурах. Все вместе взятое позволяет сократить время обработки консерва до нескольких минут.

Оптимальным условием стерилизации высокочастотным нагревом является такая частота тока, при которой нагрев микробов идет очень быстро, а нагрев продукта медленно. При этом условии обеспечивается наименьшая степень изменений продукта.

В СССР возможность использования токов высокой частоты для промышленной стерилизации некоторых видов консервов была установлена еще в 1936 г. В настоящее время нагрев ТВЧ применяют для стерилизации плодовых консервов и растительных соков. Так как реакция среды этих продуктов кислая, для их стерилизации достаточен нагрев всего до 100⁰ С. Стерилизуемые плоды загрязнены микроорганизмами только с поверхности, вследствие чего для получения нужного эффекта требуется фактически прогреть только жидкость, находящуюся в банке. Таким образом, в обоих случаях дело облегчается тем, что требуется нагреть жидкую однородную среду, а это не вызывает особых затруднений. Нагрев до 100⁰ С не сопряжен с возникновением в банке высоких

давлений. Поэтому стерилизация таких консервов не требует противодавления. Плодовые консервы и соки стерилизуют в стеклянных банках, пользуясь токами высокой частоты от 300 Мгц. Продолжительность стерилизации килограммовой банки около 60 сек.

Применение токов высокой частоты для стерилизации мясных консервов связано с техническими трудностями. Для стерилизации мясных консервов необходима более высокая температура. Поэтому требуются специальные меры для создания противодавления во избежание разрушения тары.

Состав мясных консервов очень разнороден. Составные части их (жир, белок, вода) прогреваются по-разному (селективный нагрев), вследствие чего отмирание спор идет с неодинаковой скоростью в зависимости от того, где они находятся. Однако исследования показали принципиальную возможность применения токов высокой частоты для стерилизации мясных консервов. Так, консервы “Тушеная говядина” в стеклянной таре могут быть стерилизованы в течение 3 мин.

Выпаривание. При обычном нагреве, в особенности для вязких жидкостей, необходим значительный температурный градиент. Поэтому даже упаривание в вакууме сопряжено с опасностью превышения допустимого предела нагрева материалов. При диэлектрическом нагреве температурный градиент сводится к минимуму и температура упариваемой

жидкости по всей толще определяется глубиной вакуума. Этот способ нагрева особенно эффективен для биологических материалов. При испытании на растворах пенициллина установка мощностью 2 квт позволила упаривать 3 л воды в час. Высокочастотный нагрев в данном случае имеет и еще одно преимущество: нагреватели помещаются снаружи, а не внутри выпарного аппарата.

Нагрев сопротивлением

Экспериментально доказана возможность нагрева различных мясопродуктов теплом, выделяющимся за счет сопротивления материала при прохождении через него электрического тока [4]. При этом электрическая энергия преобразуется в тепловую согласно закону Ленца—Джоуля:

(IX-2)

где

I —

сила тока, а

;

R —

сопротивление, ом

;

τ

— время, сек.

Если выразить время в часах, а мощность Р = I ² R

в киловаттах, то продолжительность нагрева будет равна

(IX-3)

Так же, как и при диэлектрическом нагреве, в данном случае тепло выделяется практически одновременно в каждой точке продукта. Поэтому продукт нагревается в течение коротких промежутков времени по всему объему. Различие в температуре в разных точках к моменту нагрева до 70⁰ С в центре не выходит за пределы 2—3⁰С. Продолжительность нагрева зависит от свойств (сопротивления) продукта и плотности тока, т. е. силы тока, приходящейся на единицу площади электрода — пластины, через которую ток подводится к материалу.

Так как контакт между поверхностями электрода и материала (например, фарша) не является идеальным, при большой плотности тока в плоскости контакта возникает местный перегрев, вплоть до пригорания материала. Поэтому плотность тока не должна превышать определенной величины (около 0,13 а

/

см

² ) .

При этом условии сила тока, от которой зависит количество тепла, отдаваемого током продукту, можно повысить только увеличив площадь контакта электрода с продуктом. По этой причине продолжительность нагрева будет тем меньше, чем больше площадь электрода. Значит при нагреве продуктов, имеющих форму параллелепипеда, выгоднее контакт электрода с продуктом иметь

по граням с наибольшей площадью. При этих условиях продолжительность нагрева мясопродуктов весом до 1 кг до 70⁰ С не превышает 3—5 мин.

Сопротивление мясопродуктов, а значит и время нагрева, зависят от их состава. Сопротивление увеличивается с уменьшением содержания влаги и соли в продукте и, в особенности, с увеличением содержания жира в продукте. Например, сопротивление ливерного фарша с различным содержанием жира составило [4]:

Содержание жира, %	4,9	7,9	18,3
Сопротивление, ом	4,7	6,0	8,1

Электронагрев сопротивлением экономичен и прост в применении. Он пригоден для тепловой обработки таких мясопродуктов, которые могут быть заключены в форму (например, фаршевые изделия — мясные хлебы, паштеты). Электродами могут служить две боковые противоположные электропроводящие стенки формы. Остальные стенки должны быть выполнены из изолятора. В таком варианте нагрев сопротивлением легко реализуется в автоматических установках непрерывного действия соответствующей конструкции.

Недостаток электронагрева сопротивлением в опасности нежелательных изменений продукта, вызываемых возникновением электролиза. В таких случаях применение тока промышленной частоты недопустимо, необходим ток повышенной частоты.

ПЕРЕЭТЕРИФИКАЦИЯ ЖИРОВ

Кислотные радикалы в молекулах глицеридов при повышенных температурах способны обмениваться местами как внутри молекул, так и между ними. Происходит переэтерификация глицеридов. Путем переэтерификации можно:

1) достигнуть перегруппировки кислотных радикалов в молекулах глицеридов и этим самым изменить физические свойства жира;

2) увеличить долю тугоплавких насыщенных глицеридов в жире с целью их отделения от жира для повышения его качества.

С заметной скоростью переэтерификация протекает при температурах порядка 250—300⁰ С, когда становится возможным процесс термического разложения. Поэтому переэтерификацию ведут в присутствии катализаторов, дающих возможность применять более низкие температуры [1, 39].

Первый вариант переэтерификации, так называемую ненаправленную переэтерификацию, производят в жидкой фазе. При этом происходит среднестатистическое перераспределение кислотных радикалов между молекулами глицеридов и внутри них. Радикалы жирных кислот распределяются между молекулами глицеридов равномерно, а число одинаковых радикалов в каждой молекуле определяется долей жирной кислоты в составе жира. Допустим, если какая-либо жирная кислота составляет более 1

/3

их общего количества, ее радикал будет находиться в составе жидкого глицерида. При такой переэтерификации образование молекул полностью насыщенных глицеридов возможно лишь в том случае, если доля насыщенных кислот превышает

2/3

. При ненаправленной переэтерификации одного и того же жира, независимо от типа катализатора, в конце переэтерификации, когда достигается равновесное состояние, всегда будет

иметь место одно и то же среднестатистическое распределение кислотных радикалов. Степень, в какой достигается это распределение, зависит только от продолжительности процесса. В табл. 117 приведены данные, характеризующие распределение кислотных радикалов до

переэтерификации и после нее в сравнении с среднестатистическим распределением. Символами обозначены: П

₃

— полностью насыщенные, П

₂

Н — динасыщенномононенасыщенные, ПН

₂

— диненасыщенномононасыщенные, Н

₃

— полностью ненасыщенные моноглицериды

[18]:

Таблица 1

17

Распределение глицеридов, мол. %	П 3	П 2 Н	ПН 2	Н 3
До переэтерификации	2,9	25,3	53,3	18,5
После переэтерификации	4,3	27,3	45,5	22,9
Среднестатистическое	5,3	26,5	43,9	24,3

Ненаправленная переэтерификация нашла применение для улучшения структуры свиных жиров. Природный свиной жир содержит до 50% радикалов насыщенных кислот, но мало (до 10%) насыщенных глицеридов. Он затвердевает в крупных лучистых кристаллах и по своей пластичности мало пригоден для выпечки кондитерских и пекарских изделий с большим содержанием сахара. Он слишком мягок при повышенной температуре и слишком тверд при пониженной, недостаточно тормозит диффузию газов из теста, вследствие чего изделия получаются менее объемными (“пышными”).

Его переэтерификация сопровождается перераспределением кислотных радикалов: 1) уменьшением динасыщенных и увеличением полностью насыщенных глицеридов, а также перемещением насыщенных радикалов из b

-положения в γ-положение. Это делает молекулярные структурные элементы кристаллической решетки более однородными, а кристаллическую структуру более тонкой.

В качестве катализаторов переэтерификации применяют сплавы щелочных металлов (калия и натрия, 0,2—0,5%), метилаты щелочных металлов (0,2—0,3%) и др. . Хороший результат дает применение метилата натрия в виде суспензии. Переэтерификацию ведут при температуре 100—120⁰ под вакуумом или в инертном газе. Жир не должен содержать воды и свободных жирных кислот во избежание их взаимодействия с катализатором. После переэтерификации жир очищают от примесей [62,66].

Ненаправленная переэтерификация улучшает пластичность жира, однако, недостаточно. Для получения жира с желательными свойствами к нему добавляют около 10% гидрированного хлопкового масла.

Ненаправленная переэтерификация может быть использована также для получения новых жировых продуктов из различных комбинаций животных и растительных жиров. При этом разновидности исходных жиров, их количественное соотношение могут быть подобраны, исходя из желательного вероятного среднестатистического распределения радикалов жирных кислот в этерифицированном жире.

Направленную переэтерификацию ведут при температурах немного ниже точки плавления исходного жира. Образующиеся в процессе переэтерификации полностью насыщенные триглицериды выходят из жидкой фазы, т. е. из сферы реакции, в осадок. Это направляет ход реакции переэтерификации в сторону образования насыщенных глицеридов. В результате направленной переэтерификации в жире возрастает содержание тринасыщенных и триненасыщенных глицеридов, а количество смешанных уменьшается. Переэтерифицированный жир получается вполне пригодным для применения в кондитерском и пекарском производстве без добавок.

Направленная переэтерификация жира может быть применена для улучшения состава жира. Накапливающиеся насыщенные глицериды могут быть отделены тем или иным способом. Например, переэтерификацию можно вести в смеси жира с нейтральным растворителем (пентан, гексан, бензол), в котором тугоплавкие глицериды растворяются лучше, чем в жидких глицеридах.