
В большинстве пищевых продуктов содержится значительное количество воды, которая входит в растительные и животные ткани и является необходимой составной их частью. Однако избыток воды снижает питательную ценность продовольствия, увеличивает затраты на транспортировку и может вызвать порчу вследствие жизнедеятельности различных микроорганизмов.
Ежегодно в Беларуси собирается значительный урожай овощей, фруктов и ягод. Но до стола потребителя из выращенного доходит не более 30%. Вопросы хранения и переработки, сокращения потерь, сохранения товарного вида были и будут актуальными для каждого производителя и переработчика сельскохозяйственной продукции.
В связи с этим в республике необходимо привлечь внимание к сушеным овощам и фруктам как сегменту рынка, который еще недостаточно развит. Обнаружить в продаже подобную отечественную продукцию крайне сложно. Практически так же обстоят дела и у наших соседей как в ближнем (Россия, Украина, Польша, страны Прибалтики), так и дальнем (Германия, Чехия и др.) зарубежье. От общего объема производства сельхозпродуктов в настоящее время здесь сушится всего 6—8%, в то время как в США таким способом заготавливается около 30% выращенного урожая.
Перед пищевой промышленностью республики в последнее время все острее встает вопрос создания продукта или группы продуктов, которые могли бы стать брэндом Беларуси на мировом рынке продовольствия. На него можно выйти с такими новинками, как фруктово-ягодные (из яблок, слив, груши, клубники и пр.) и овощные (из моркови, свеклы, тыквы, топинамбура и др.) «конфеты» влажностью 12—25%, цукаты — 28—37%, вяленые мясные (говяжий, свиной, куриный) балыки, деликатесная продукция из рыбы, сыр «хрустящий», альбуминовый творог, фиточаи, пчелиное маточное молочко и др.
Основы озоно-воздушной сушки
Воздействие озона на первом этапе сушки на растительные материалы инициирует устьичное движение, регулирующее интенсивность транспирации. Ее усиление, индуцируемое озоном, приводит к резкому снижению оводненности растительной ткани и потере тургорного давления, что обусловливает нарушение регуляторных функций устьиц.
Поскольку влага в пищевых продуктах находится не в простом физическом состоянии, а в связанном, то есть участвует в процессах жизнедеятельности, она имеет различные формы связи, требующие большого количества энергии для их разрушения. Структурная схема механизма действия озона в процесее сушки представлена на рис. 1.
Озон, направленный на поверхность растительного материала, способствует развитию свободнорадикальных процессов, быстро распространяющихся во внутренних тканях, и сводится, по существу, к передаче энергии, высвобождающейся на молекулярных мишенях поверхностного слоя растительного материала, во внутренние ткани и, соответственно, к изменению суммарного энергетического потенциала. При этом часть избыточной энергии расходуется на физико-химические превращения, связанные с изменением структуры клеточных мембран, ионной проницаемости, окислительно-восстановительного потенциала и других свойств клетки. Часть энергии выделятся в виде тепла, что, в свою очередь, отражается на скорости развития последующих процессов.
Известно, что на первой стадии взаимодействия озона с суспензией, он, растворяясь в ее водной фазе, вызывает озонолиз воды. В результате происходит образование гидроксильного радикала –ОН, а высвобождающийся протон водорода способствует изменению поверхностного электрического заряда, что создает условия для связывания дополнительного протона. Это обусловливает сжатие мембранного материала, в результате чего возникает внутриклеточный градиент давления, который «выталкивает» влагу без ее испарения и повышения температуры [1, 2].
В процессе сушки растительных материалов в озоно-воздушной среде под микроскопом отчетливо видны прозрачные пятна накапливающейся межклеточной воды и уменьшенные контуры клеток. Наблюдаемые повреждения, вызванные изменением проницаемости мембран, не являются устойчивыми и восстанавливаются через несколько часов.
Комплексное взаимодействие озона с высушиваемым растительным материалом снижает в нем энергетический уровень связей влаги и вносит определенный вклад в интенсификацию тепломассообмена. Однозначно установлено, что ускорение массообменных процессов происходит за счет повышения влагоотдачи самого материала на основе физико-химических, биохимических процессов и увеличения влагоудерживающей способности сушильного агента.
Сушка в озоно-воздушной среде также препятствует развитию микрофлоры на свежеубранных фруктах и овощах. Эффективность действия озона на биохимические процессы, фитопатогенную микрофлору, агротехнические показатели семенного материала и другие свойства зависит от технологического режима обработки и вида продукции. При концент¬рациях озона 10 мг/м3 и выше интенсивность дыхания уменьшается с самого начала воздействия, что предотвращает процесс самосогревания со всеми вытекающими положительными эффектами: повышается сохранность массы сухого вещества, наступает более глубокое состояние покоя в период хранения.
Применение озоно-воздушной смеси в качестве сушильного агента влияет на поверхностную микрофлору не только за счет снижения влажности, но и за счет обеззараживающего действия озона, которое зависит от его концентрации и температурного режима сушки. Сохранение и даже улучшение качественных показателей становится возможным при использовании озонированного сушильного агента концентрацией 8—10 мг/м3. При этом количество фитопатогенной микрофлоры снижается в 2,2 раза по сравнению с тепловой. Отмечается уменьшение количества бактерий и плесневых грибов в зависимости от исходной обсемененности и концентрации озона. При концентрациях 10 мг/м3 плесневые грибы начинают исчезать с самого начала сушки.
Следует отметить, что озон практически не вызывает некротических изменений растительного материала. Поврежденные покровные ткани и клеточные мембраны имеют свойство восстанавливаться уже через 3—18 часов после окончания обработки. При концентрации О3 до 40 мг/м3 обработанная продукция не теряет биологической ценности, ее употребление не влечет за собой морфологических и гистологических изменений в организме животных и человека.
Сотрудниками отдела новых технологий Научно-практического центра НАН Беларуси по продовольствию и Научно-практического центра гигиены Министерства здравоохранения Республики Беларусь исследована токсичность контрольного образца сушеной моркови и обработанного озоном опытного образца, сушенного экспресс-методом на Tetrahymena pyriformis. Применение принципа комплексной оценки показало, что оба образца относятся к 4-му классу токсичности (малотоксичные).
Основы вакуумной сушки
На границе раздела двух фаз «жидкость — пар» имеет место равновесное протекание процессов испарения и конденсации. Испарение — процесс превращения жидкости в пар со скоростью, превышающей скорость обратного явления — конденсации. Она бывает пленочной и капельной. При пленочной жидкий конденсат смачивает поверхность и образует на ней непрерывную пленку, которая оказывает значительное сопротивление тепловому потоку. В случае капельной конденсации пары оседают на охлаждаемой поверхности в центрах конденсации в виде капель. При капельной конденсации самая высокая интенсивность теплоотдачи. Для инициирования формирования капелек поверхность охлаждения обрабатывают тонким слоем вещества, которое имеет чрезвычайно низкую смачиваемость жидкостью. Таким образом, при вакуумной сушке происходит 2 фазовых перехода «жидкость — пар» и «пар — жидкость».
Процесс сушки состоит из перемещения пара и влаги к поверхности продукта и испарения в окружающую среду. В вакууме по мере уменьшения давления среды в поверхностном слое слабеют межмолекулярные связи, и те молекулы, силы взаимодействия которых меньше, чем у других, отрываются и диффундируют в среду. При вязкостном режиме они испытывают много столкновений на пути к стенке камеры. Поэтому часть их возвращается обратно, способствуя созданию пограничного слоя, часть остается в пространстве, объединяясь в ассоциации, а часть конденсируется, достигая стенки камеры и отдавая ей тепло конденсации. Температура стенки повышается, часть адсорбированных на ней молекул снова отражается, поэтому стенку необходимо интенсивно охлаждать. Чем ниже температура, тем больше конденсация водяного пара. Для активного испарения необходимо, чтобы относительная влажность среды не увеличивалась, а поддерживалась в соответствии с режимом. Подобное испарение с поверхности продукта вызывает быстрое снижение его влажности до предела гигроскопичности. После этого влага начинает перемещаться к поверхности продукта. По его толщине образуется две зоны: околоповерхностная — диффузионная и внутренняя — капиллярная. По мере высушивания диффузионная зона углубляется.
В результате интенсивного испарения влаги поверхность продукта быстро охлаждается до температуры окружающей среды и образуется пограничный слой, поэтому сушка резко замедляется. Чтобы активизировать процесс испарения при таких условиях, следует либо разрушить пограничный слой над поверхностью, либо максимально уменьшить его толщину. Таким образом, материал при вакуумной сушке надо постоянно нагревать. Способ конвективного нагрева в данном случае отпадает, так как при снижении давления окружающей среды теплопроводность ее снижается. Отсюда вытекает необходимость комбинирования вакуумной сушки с другим способом нагрева. Тепло может передаваться контактным, радиационным или диэлектрическими методами. Его передача материалу при вакуумно-диэлектрическом способе позволяет реализовать эту возможность в полной мере.
При давлении 0,01 МПа среда в вакууме может вместить только 68 г воды в 1 м3 (табл. 1). При этом среда полностью насыщается, и дальнейшая сушка прекращается, поэтому водяной пар из окружающей среды необходимо конденсировать и удалить из камеры. Для этого их следует снабжать системой охлаждения. Особенно важно, чтобы скорость конденсации пара внутри камеры была больше или равной скорости испарения влаги. Согласно фазовым переходам «жидкость — пар — жидкость», сколько тепла тратится на испарение, столько же должно отводиться системой охлаждения от конденсации пара. Некоторые производители ошибочно считают, что вся влага будет конденсироваться на поверхности внутренней стенки камеры, и систему охлаждения не делают. Это приводит к прекращению процесса сушки или к увеличению ее продолжительности в 2—3 раза [3].
Эффективным способом консервирования растительных материалов является сушка конвективно-вакуум-импульсным (КВИ) воздействием, при котором интенсифицируются внешний и внутренний тепло- и массообмен, сокращается длительность процесса и исключается перегрев продуктов не только в 1-м периоде сушки, но и после удаления свободной влаги. При импульсном вакуумировании предварительно нагретого до предельно допустимой температуры материала за счет возникшего мощного градиента давления процесс влагоудаления усиливается в 5—10 раз с миграцией части влаги на поверхность высушиваемого материала и стенки сушильной камеры в виде жидкости, минуя фазовый переход в пар внутри продукта. Активное испарение влаги с поверхности продукта вызывает снижение ее температуры. При импульсном изменении давления в сушильной камере (до Рост.= 100 Па) в предварительно нагретом сырье интенсифицируется не только удаление влаги, но и газов: кислорода из пустот и капилляров, разрушение части межклеточных мембран, что ведет к подавлению окислительно-восстановительных реакций (гибнет часть бактерий), и в итоге комплексного воздействия КВИ-режимов возникает консервирующий эффект. При КВИ-сушке предельно допустимая температура нагрева фруктов, ягод — не выше 56—60, некоторых цветов и трав — не выше 38—40, для овощей — 70—72 °С. Подвод тепла к материалу производится конвекцией.
Длительность КВИ-сушки разнообразных растительных материалов составляет 40—90 мин, процесс ведется без их перегрева, с максимальным сохранением в продуктах качественных характеристик исходного сырья: биологически активных компонентов — витаминов, органических кислот, микроэлементов и пр. Срок хранения консервированных КВИ-воздействием сухих быстровосстанавливающихся продуктов (в воде комнатной температуры за 20—35, при 50 °С — за 10—20 мин) составляет 1,5 года в картонной и более 3 лет — в вакуумной упаковке. Содержание аскорбиновой кислоты снижается всего в 4—8, тогда как при размораживании ягод более чем в 10 раз.
В последние годы на рынке сушилок доминирует два вида вакуумных камер — с циклическим и контактным нагревом. В циклических камерах сначала производится нагрев продукта, а потом его вакуумирование. Весь этот процесс повторяется несколько раз до тех пор, пока продукт не высохнет. При этом передача тепла материалу производится конвективным способом, а в вакуумных камерах с контактным нагревом — пластинами.
Основы СВЧ-сушки
Одним из перспективных направлений в интенсификации сушки является использование энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот (СВЧ). Для СВЧ-нагрева характерно быстрое повышение температуры внутри продукта, в результате чего в нем возникает избыточное давление пара по отношению к давлению среды. Этот градиент резко интенсифицирует процесс сушки, так как перенос пара происходит как путем молекулярной диффузии, так и путем фильтрации через поры и капилляры продукта. Этот вид переноса при СВЧ-нагреве подавляет остальные виды переноса.
В последние годы уделяется повышенное внимание использованию в технологических процессах токов СВЧ. Это объясняется следующим:
• высокой поглощаемостью энергии электромагнитного поля СВЧ продуктами растительного и животного происхождения, являющимися достаточно влажным материалом;
• возможностью со скоростью света подвести и выделить в единице объема мощность, недоступную ни одному из традиционных способов подвода энергии;
• осуществлением бесконтактного избирательного нагрева и получением требуемого распределения температур в продукте, в том числе в режиме саморегулирующегося нагрева;
• мгновенным включением и выключением теплового воздействия, что обеспечивает режим тепловой безинерционности и высокую точность регулирования нагрева;
• практически 100%-м КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую, выделяемую в нагреваемом материале, низкие потери энергии в рабочих камерах;
• использованием в сушке заложенных природой механизмов транспортировки больших объемов жидкости вдоль волокон.
Из проведенного в статье анализа можно сделать вывод, что наиболее оптимальным вариантом является комбинированная сушка, состоящая из предварительной озоно-воздушной обработки продукта и последующей СВЧ-сушки под вакуумом. Над разработкой и созданием инновационной, энергосберегающей технологии сушки пищевых продуктов сейчас работают сотрудники нашего отдела и ОАО «Лидапищеконцентраты». Первый этап лабораторных испытаний процесса вакуумной микроволновой сушки фарша говядины с предварительной обработкой его озоном, проведенный на лидском предприятии, показал, что время сушки при данном способе сократилось на 10% в сравнении с СВЧ-сушкой под вакуумом.
Широкий выбор промышленных озонаторов воздуха предлагает российская производственная компания «Ростехгология»: «Озон-5П» (медицинский, промышленный — 5—8 г/ч с программатором); «Озон-60П» (промышленный — 40 г/ч с программатором) и др. В Республике Беларусь с 1995 г. научно-производственное общество «ИНИТОР» изготавливает озонаторы «ЭРГО». Оборудование прошло весь комплекс испытаний, зарегистрировано, сертифицировано, внесено в реестр и разрешено к применению Министерством здравоохранения Республики Беларусь. Перечень некоторых выпускаемых установок представлен в табл. 2.
ООО «Ингредиент» (Россия) разрабатывает и изготавливает оборудование для микроволнового вакуумного обезвоживания (сушки) сельскохозяйственной и другой продукции.