Из книги А.А.Соколова. Физико-химические и биохимические основы технологии мясопродуктов.
Теоретические основы сушки
Значение влажностного состояния материала
Перенос влаги внутри материала
Перенос водорастворимых веществ
Cушка, 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 превышаетдопустимого 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.
Значение влажностного состояния материала
В зависимости от влагосодержания материал, будучи в контакте с воздухом, сорбирует или десорбирует влагу до равновесного состояния, характеризуемого равновесной влажностью Wp. 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].
| 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.
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 Wг. 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 ξт 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
Коэффициент влагообмена aт 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]
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]
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
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]:
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.
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:
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):
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.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]:
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:
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]:
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:
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].
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).
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.
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).
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.
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.
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].
| 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.
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 40% 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.
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:
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.
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.
| Время хранения (недели) при 120 С | Количество фенолов (в мг/см3 ) в слое толщиной 3 мм | |
| поверхностном | втором | |
| Одна | 0,152 | 0,067 |
| Три | 0,112 | 0,077 |
| Пять | 0,087 | 0,071 |
Электропочта - tmeister@mail.ru