П РО Ц Е С И І А П А Р А Т И Х А РЧ О В И Х ВИ РОБН И Ц ТВ УДК 621.78.061:631.365.004.12 RESEARCH OF STR U C TU R A L C H A R A C TER ISTIC S A N D K IN E T IC S OF D R YIN G PROCESS RAW M A TER IA L IN V IB R A T IO N V A C U U M DRYER A. Sardarov, O. Mayak, G. Shershnev Kharkiv State University o f Food Technology and Trade Key words: D rying mode C oncentrated products Vibration dryers Vegetable pom ace Vegetable raw m aterials Article history: Received 13.11.2018 Received in revised form 06.12.2018 Accepted 21.12.2018 Corresponding author: A. Sardarov E-mail: npnuht@ukr.net ABSTRACT__________________________________________ In the work the process of drying vegetable raw mate­ rials, namely, vegetable excrements of carrots, beets and greenery — parsley, is investigated. Drying experiments were carried out in the newly developed design of a conti­ nuous vibration vacuum dryer with a damping device, which allows to reduce the consumption of electric energy by reducing the load on the central shaft with perforated trays, such constructive solution significantly increases life of the working units of the machine. The kinetics of moisture con­ tent of vegetable excrements and greens was investigated, dependence of the duration of the process on main tech­ nological parameters of the vibration vacuum dryer, namely amplitude and frequency, was determined. The study of qualitative indices of the obtained concen­ trated products, namely, the structural characteristics of dried vegetable cultivars, was conducted. Based on the results of the study, it was found that the use of vibration during drying of the exhaust fumes contributes to the preservation and formation of the statuary characteristics (swelling, solubility and recovery) of the dried product. The specified characte­ ristics made it possible to establish that during heat treat­ ment it is very important to reduce drying time and tempera­ ture. These studies have proven the perspective of producing dried carrot and beet harvested in the proposed way. It allows to regulate qualitative indicators of the final product: color, brightness, consistency, viscosity, physical and chemical pro­ perties. This product can be used in a wide range of food industries, for example: as an additive to juice, as a candy mass filler, as a filling for confectionery products, as a biolo­ gical additive to healthy food. DOI: 10.24263/2225-2924-2018-24-6-15 110 Наукові праці НУХТ 2018. Том 24, № 6 mailto:npnuht@ukr.net PR O CE SSE S A N D EQ U IPM EN T FOR FOOD INDUSTRIES Д О С Л ІД Ж Е Н Н Я С ТР У К Т У Р Н И Х Х А Р А К ТЕ Р И С Т И К І К ІН Е Т И К И П РО Ц ЕС У С УШ ІН Н Я РО С Л И Н Н О Ї С И РО В И Н И У В ІБ Р А Ц ІЙ Н ІЙ В А КУУМ Н ІЙ СУШ АРЦ І А.М. Сардаров, О.А. М аяк, Г.Г. Шершньов Харківський державний університет харчування та торгівлі У статті досліджено процес сушіння рослинної сировни, а саме: овочевих вичавок з моркви, буряку та зелені петрушки. Експеременти проводили в розробленій новій конструкції вібраційної вакуумної сушарки безперервної дії з амортизаційним пристроєм, який дає змогу зменшити витрати електричної енергії за рахунок зменшення навантаження на центральний вал з пер­ форованими лотками. Таке конструктивне рішення суттєво збільшує термін роботи робочих вузлів апарата. Досліджено кінетику зміни вологовмісту ово­ чевих вичавок і зелені, визначено залежність тривалості процесу від основ­ них технологічних параметрів роботи вібраційної вакуумної сушарки — амплітуди та частоти. Проведено дослідження якісних показників отриманих концентрованих продуктів, зокрема структурних характеристик висушених овочевих вичавок. На підставі отриманих результатів встановлено, що застосування вібрації в процесі сушіння вичавок сприяє збереженню та формуванню стуктурних характеристик (набухання, розчинність і відновлення) сушеного продукту. Визначені характеристики дали змогу встановити, що під час теплової обробки дуже важливо зменшити тривалість процесу сушіння й температуру. Дані дослідження довели перспективність виробництва суше­ них вичавок з моркви та буряку запропонованим способом. Це дає змогу регулювати якісні показники кінцевого продукту: колір, яскравість, консистен­ цію, в ’язкість і фізико-хімічні властивості. Розроблений продукт можна вико­ ристовувати в широкому спектрі харчової галузі (добавка в сік, наповнювач цукеркової маси, начинка для кондитерських виробів, біологічна добавка до оздоровчого харчування, пряно-ароматичний продукт). Ключові слова: режим сушіння, концентровані продукти, вібраційні су­ шарки, овочеві вичавки, сушена зелень. Постановка проблеми. Сушіння — енергоємний процес, що потребує понад 20% енергії, яка використовується харчовою промисловістю. Енерге­ тична ефективність процесу та якість готового продукту є двома ключовими факторами в сушінні продуктів харчування. Питання енергоспоживання та попит на якісне сухе харчування, яке має тривалий термін зберігання, ще більше спонукають вчених розробляти нові технології виробництва продуктів харчування [1]. Слід зазначити, що вирішення питань розробки нових технологій нероз­ ривно пов’язане з удосконаленням апаратурного оформлення та створенням нових апаратів, в яких досягається значна інтенсифікація процесу тепло- та масообміну [2]. Scientific Works o f NUFT 2018. Volume 24, Issue 6 111 П РО Ц Е С И І А П А Р А Т И Х А РЧ О В И Х ВИ РОБН И Ц ТВ Аналіз останніх досліджень і публікацій. У [3] вивчено вплив режимів сушіння на червоний буряк з точки зору бетаїнової дисперсії та поліфенолу, зміни мікроструктури. П роцес супроводжувався застосуванням комбінованих методів сушіння (конвекцією і СВЧ сушінням), призводить до кращого збере­ ження вмісту біоактивних сполук. Результати показали, що комбіновані методи сушіння призвели до суттєвого збереження фітохімічного вмісту порівняно з традиційними методами. У [4] представлені результати експериментальних досліджень, на підставі яких встановлені оптимальні параметри сушіння та розроблені ступеневі режими зневоднення, які гарантують високий ступінь збереження пектинових і біологічних речовин. У [5] визначено кінетику вакуумного сушіння. Результати показали, що сушіння при температури 70°С сприяє зменш енню тривалості сушіння, а також збереженню якості готового продукту. У [6] розроблено системний підхід для вибору оптимальних параметрів сушіння. Цей п ідхід може забезпечити прості вказівки для вибору робочих параметрів вібраційних сушарок для сушіння рослинної сировини. У [7] проведені дослідження параметрів якості, пов’язані з зміною кольору внаслідок часу і температури зберігання. Важливість параметрів якості для зміни кольору оцінювалася відносно один одного: реакція деградації цукрів та реакції деструкції аскорбінової кислоти виявилася важливою для зміни кольору готового продукту під час зберігання. Але залишилися невирішенні питання залежності якісних показників готового продукту від основних параметрів обробки сировини. У [8] розроблена нова методика сушіння, в основі якої комбінація ультра­ звукового та дегідратаційного вакууму. Це скорочує час висихання й підви­ щ ує якість скибочок моркви. Моркву сушили за допомогою ультразвукового вакууму та вакуумної сушки при 65°С та 75°С. На швидкість процесу суттєво вплинули техніка і температури сушіння, але використання комбінованих методик ускладнють проведення процесу та сприяють збільшенню витрат на виробництво. Вібраційні сушарки широко застосовуються для сушіння сировини або готової продукції завдяки перевагам при перемішуванні та швидкості пере­ бігу тепло- і масообмінних процесів [9]. Експериментальні дослідження про­ водились на сушарці з фторопластом у лабораторних умовах. Вміст вологості в процесі сушіння вимірювали, використовуючи відібрані частинки як еталон. Виявлено, що застосування вібрації при сушінні сировини впливає на зміну вологості, але раціональні робочі параметри обробки та їх кореляція з показниками якості не наведені, що не дає змогу прогнозувати властивості готового продукту. Все це дає підстави стверджувати, що доцільним є проведення досліджень впливу робочих параметрів сушіння на якісні характеристики суш ених про­ дуктів і встановлення взаємозв’язку між обраними режимами та показниками якості. Для переробки сировини було обрано устаткування з використанням вакуумної технології, яка дає змогу суттєво знизити температуру кипіння в робочі камері (до 45°С), що забезпечує збереження термолабільної речовини 112 Наукові праці НУХТ 2018. Том 24, № 6 PR O CE SSE S A N D EQ U IPM EN T FOR FOOD INDUSTRIES і, як наслідок, підвищення якості та харчової цінності отриманих продуктів. Крім того, для інтесифікації процесу зневоднення запропоновано використо­ вувати низькочастотні коливання. Одним із критерієв якості суш ених про­ дуктів є ступінь набухання, розчинності та відновлюваності, тому дослідж е­ ння мають будуть спрямовані в цьому напрямі. Метою статті є дослідження впливу технологічних параметрів процесу сушіння на тривалість процесу та якісні характеристики висушеного про­ дукту (набухлість, розчинність і відновлюваність). Для досягнення мети потрібно вирішити такі завдання: - проаналізувати способи й технологічні аспекти виробництва суш ених напівфабрикатів із рослинної сировини, визначити напрямки удосконалення процесів та апаратів, що використовуються для реалізації процесу сушіння; - розробити вібраційну вакуумну сушарку з амортизаційною пружиною безперервної д ії для сушіння рослинної сировини; - дослідити вплив технологічних параметрів (амплітуди та частоти) про­ цесу сушіння на тривалість процесу та на якісні характеристики суш ених продуктів (набухлість, розчинність і відновлюваність). Матеріали і методи. Для забезпечення постійного безперервного сушіння, а також для підвищення якості готових продуктів була розроблена вібраційна вакуумна сушарка безперервної д ії з амортизаційною пружиною (рис. 1). Рис. 1. В ібраційна вакуум на суш арка безперервної дії для суш іння овочевої сировини: 1 — опори; 2 — запірний клапан; 3 — горловина; 4 — робоча камера; 5 — робочий вал; 6 — каркас для лотків; 7 — лотки з отворами змінного перетину; 8 — суцільне зварне з ’єднання; 9 — клапан для видалення надлиш кового тиску; 10 — манометр; 11 — затискач; 12 — криш ка апарату; 13 — дозую чий клапан; 14 — завантаж увальний бункер; 15 — ущ ільню вач; 16 — вібратор; 17 — трубопровід системи вакуумування; 18 — патрубок для подачі теплоносія; 19 — парова оболонка; 20 — патрубок для відведення конденсату; 21 — амортизаційна пружина Scientific Works o f NUFT 2018. Volume 24, Issue 6 113 П РО Ц Е С И І А П А Р А Т И Х А РЧ О В И Х ВИ РОБН И Ц ТВ Реалізація сушіння в апараті здійснюється таким чином: вичавки з моркви із завантажувального бункера дозуються клапаном на лотки з отворами змінного перетину, які закріплені в корпусі для лотків та приєднанні суціль­ ним зварним з’єднанням до робочого вала. Робочий вал під’єднується до вібратора, що створює механічні коливання, а знизу закріплений в аморти­ заційній пружині, яка дає змогу зменшити витрати електричної енергії за раху­ нок зменшення навантаження на центральний вал з перфорованими лотками. Таке конструктивне рішення суттєво збільшує термін експлуатації робочих вузлів апарата. Нагрівання робочої камери здійснюється за допомогою подачі пари в парову оболонку через патрубок та вимірюється манометром, а надлиш­ ковий пар виводиться клапаном. Вивантажування висушеного продукту здій­ снюється за допомогою запірного клапана, через горловину, тому що сушар­ ка працює в безперервному режимі, а продукт покидає апарат періодично, а саме накопичується до зазначеної маси, після чого спрацьовує запірний клапан. Такий принцип дає змогу зберегти вакуум в апараті. Робоча вакуум камера герметизується металевими ущільнювачами та затискачами, що фіксують кришку апарата. Одними з показників якості, що визначають споживчі та технологічні властивості сушеної продукції, є ступінь її розчинності та ступінь набухання в змочувальній рідині. Ступенем набухання називають відношення маси во­ логого продукту тв (після набухання протягом часу т) до початкової маси сухого продукту mc . Визначється за формулою: mQ = - L .100%. (1) mc Ступінь розчинності зразків визначався за формулою: m„ m — m D = - ^ -100% = - ^ ----- н -100%, (2) mK тн де mp — маса розчинної за час т частини зразка, кг; mM — маса нерозчинної за час т частини зразка, кг. Ступені розчинності та набухання визначались для овочевих вичавок, висушених в експериментальній вібраційній вакуумній сушарці за умов різних режимів обробки сировини, а саме: зі зміною амплітуди (А, м) та частоти (ѵ, Гц). Визначена кількість сировини ( mc) заливалась визначеною кількістю води і витримувалась протягом т = 15 хв. Після цього воду зливали та визначали масу вологого продукту ( m ^. Вологий зразок поміщали в сушильну шафу, висушували та визначали його масу. Отримана маса являє собою масу нерозчинної за час т частини продукту ( mM). Маса розчинної за час т частини зразка визначалась як різниця між початковою масою ( mc ) та масою нерозчинної за час т частини зразка ( mM). Викладення основних результатів дослідження. З метою визначення впливу основних технологічних параметрів сушіння, амплітуди, частоти ко­ 114 Наукові праці НУХТ 2018. Том 24, № 6 PR O CE SSE S A N D EQ U IPM EN T FOR FOOD INDUSTRIES ливань і вакууму в апараті на швидкість перебігу процесу були проведені експерименти з сушіння рослинної сировини та визначення вологовмісту в суш ених продуктах. Результати експериментальних досліджень кінетики сушіння рослинної сировини залежно від параметрів сушіння наведені на рис. 2— 4. Експери­ менти проводили за умов різних технологічних параметрів сушіння, які вка­ зані в табл. 1. Таблиця 1. Реж ими суш іння овочевих ви ч авок Н айменування А мплітуда, м Частота, Г ц Тиск, М П а Режим 1 0 0 0,09 Режим 2 0,005 6 0,09 Режим 3 0,005 8 0,09 На рис. 2 представлені результати експерименту кінетики сушіння вичавок з моркви за умов різних параметрів сушіння. Так, процес сушіння вичавок при режимі 3 триває 82 хв, а при режимі 2 — 96 хв, тривалість процесу сушіння при режимі 1 проходить 118 хв, що на 45% більше, ніж при режимі 3. На рис. 3 представлені результати експерименту кінетики сушіння вичавок з буряку за умов різних параметрів сушіння. Scientific Works o f NUFT 2018. Volume 24, Issue 6 115 П РО Ц Е С И І А П А Р А Т И Х А РЧ О В И Х ВИ РОБН И Ц ТВ Так, сушіння вичавок при режимі 3 триває 104 хв, при режимі 2 — 112 хв. Тривалість процесу сушіння при режимі 1 проходить 146 хв, що на 40% більше, ніж при режимі 3. На рис. 4 представлені результати експерименту кінетики сушіння петруш­ ки за умов різних параметрів сушіння. Так, сушіння петрушки при режимі 3 триває 76 хв, при режимі 2 — 88 хв. Тривалість проходження процесу сушіння при режимі 1 проходить 108 хв, що на 42% більше ніж при режимі 3. Проведені дослідження дали змогу підтвердити ефективність використан­ ня вібрації в процесах сушіння рослинної сировини. Також слід зазначити, що вичавки з буряку за однакових параметрів про­ цесу сушаться на 26% довше, що характеризується фізико-хімічним складом сировини, а саме: вмістом у буряку пектину, що впливає на процес та з ’язує вологу в продукті. Результати експериментальних досліджень ступеня набухання та розчин­ ності овочевих вичавок після процесу сушіння у вібраційній вакуумній су ­ шарці безперервної д ії при різних параметрах сушіння представлені в табл. 2. Таблиця 2. Д инам іка набухання та розчинності ви ч авок з овочевої сировини залежно від реж имів суш іння Дослідження Буряк Морква Режим 1 Режим 2 Режим 3 Режим 1 Режим 2 Режим 3 Ступінь набухання Q ± 0,01, % 9,8 17,4 22,3 14,6 19,9 24,2 Ступінь розчинності Ш 0,01, % 0,11 0,47 0,61 0,54 0,54 0,64 О днією з основних якісних характеристик оброблених вичавок є ступінь розчинності, показник якого характеризує наявність у зразках продукту активних корисних компонентів, які, незважаючи на термін обробки в про­ цесі сушіння, збереглись. На рис. 5 та 6 представленні графіки кінетики процесу відновлення морквя­ них і бурякових вичавок відповідно. 116 Наукові праці НУХТ 2018. Том 24, № 6 PR O CE SSE S A N D EQ U IPM EN T FOR FOOD INDUSTRIES Рис. 5. К інетика процесу в ідновлення м орквяних вичавок: 1 — реж им 1; 2 — реж им 2; 3 — реж им 3 За результатами дослідження кінцевий вологовміст зразків згідно з кривою 3 та кривою 2 відрізняється від кривої 1 в два рази, що зумовлено пористістю структури вичавок, але, як видно з представлених графіків кінетики процесу набухання, криві за умов вібрації (2 та 3) мають однаковий характер. Рис. 6. К інетика процесу в ідновлення ви ч аво к з буряку: 1 — реж им 1; 2 — реж им 2; 3 — реж им 3 Експериментальні дослідження довели перевагу методів обробки сирови­ ни під впливом вібрації, що визначило вибір параметрів процесу, а саме: режиму 3 (А = 0,005 м, v = 8 Гц). У результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень було доведено, що параметри сушіння суттєво впливають на тривалість про­ цесу та якісні показники отриманих сушених продуктів. Згідно з результатами дослідження кінетики процесу відновлення сушених вичавок кінцевий вологовміст зразків, висушених під дією вібрації, відріз­ няється від зразків, висушених без вібрації майже на 1 0 0 %, що зумовлено пористістю структури сушених вичавок, зневоднених під дією вібрації. Теоретично встановлений і експериментально підтверджений оптимальний режим вібрації для вібраційно-вакуумного сушіння при вакуумі в робочій камері 0,09 МПа: амплітуда вібрації — А = 0,005 м, частота вібрації — v = 8 Гц. При цьому тривалість сушіння становить 82 хв, 104 хв та 76 хв для вичавок з моркви, буряку та петрушки відповідно (за результатом кінцевого вологовмісту). Scientific Works o f NUFT 2018. Volume 24, Issue 6 117 П РО Ц Е С И І А П А Р А Т И Х А РЧ О В И Х ВИ РОБН И Ц ТВ Висновки На підставі проведених дослідж ень впливу основних технологічних пара­ метрів сушіння на якість суш еної рослинної сировини (вичавок з моркви та буряку, петрушки): 1. Визначено способи й технологічні аспекти виробництва суш ених напів­ фабрикатів із рослинної сировини, напрямки удосконалення процесів та апаратів, що використовуються для реалізації процесу сушіння. 2. Розроблено конструкцію вібраційної вакуумної сушарки безперервної дії з амортизаційною пружиною, яка дає змогу зменшити витрати електрич­ ної енергії за рахунок зменшення навантаження на робочий вал з перфорова­ ними лотками та дослідж ено вплив робочих параметрів (амплітуда та часто­ та) сушарки на кінетику сушіння рослинної сировини. 3. Досліджено вплив технологічних параметрів (амплітуди та частоти) процесу сушіння на тривалість процесу та на якісні характеристики суш ених продуктів (набухання, розчинність і відновлюваність). Результати дослідж е­ ння зміни вологовмісту з плином часу за умов різних режимів сушіння рослинної сировини доводять ефективність застосування вібрації при реалі­ зації процесу. Експериментальні дослідження відновлюваності овочевих вичавок довели перевагу обробки сировини під впливом вібрації, що підтвердило вибір параметрів процесу (амплітуда— А = 0,005 м, а частота v = 8 Гц). Отже, запропонований спосіб сушіння рослинної сировини в розробленій сушарці дає змогу суттєво підвищити якість отриманих суш ених продуктів і використовувати їх як збагачувачі кулінарної, хлібопекарної, кондитерської продукції та для оздоровчого харчування. Література 1. K iptelaya L., Zagornlko A ., Zagornlko A. Im provem ent o f equipm ent for m anufacture o f vegetable convenience foods. Eastern-european jo urna l o f Enterprise Technologies. 2015. Vol. 2, N o 10(74). Р. 4— 8. 2. Potapov V., Plevako, V., Kostenko, S., Pedorich, I., A rkhipova, V. “Physical and A nalytical M odeling o f Infrared Frying in ARJM -0.07-1 A pparatus” . Industria l Technology and Engineering. 2016. Vol. 3(20), P. 54— 61. 3. N istor O., Seremet L., A ndronoiu D ., R udi L., Botez E. Influence o f different drying m ethods on the physicochem ical properties o f red beetroot (Beta vulgaris L. var. Cylindra). F ood Chemistry. 2017. Vol. 236/1. P. 59— 67. 4. Снеж кин Ю .Ф ., Ш апарь Р.А. О собености процесса суш ки пектиносодерж ащ их м а­ териалов. П ромы ш леная т еплот ехника 2006. № 28/3. С. 25— 27. 5. D em archi S., Irigoyen R., G iner S. V acuum drying o f rosehip leathers: M odelling o f coupled m oisture content and tem perature curves as a function o f tim e w ith sim ultaneous time- varying ascorbic acid retention. Journa l o f F ood Engineering. 2018. Vol. 233. P. 9— 16. 6. B izm ark N ., M ostoufi N ., Sotudeh-G harebagh R., E hsani H. (). Sequential m odeling o f fluidized bed paddy dryer. Journal o f Food Engineering. 2010. Vol. 101/3. P. 303— 308. 7. Q uality changes o f pasteurised orange ju ice during storage: A kinetic study o f specific parameters and their relation to colour instability / S. W ibowo, T. Grauwet, J.S. Santiago, J. Tomic, L. Vervoort, M. Hendrickx, A. V an Loey. F ood Chem istry. 2015. Vol. 187. P. 140— 151. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodchem .2015.03.131. 8. C hen Z., Guo X ., Tao W u A novel dehydration technique for carrot slices im plem enting ultrasound and vacuum drying m ethods, U ltrasonics Sonochemistry. 2016. Vol. 30. P. 28— 34. 9. Pla, R. K am yar D ., H ashem ian N ., M ehdizadeh H., M oshgbar M. M oisture soft sensor for batch fluid bed dryers: A practical approach. Pow der Technology. 2018. Vol. 326/15. P. 69— 77. 118 Наукові праці НУХТ 2018. Том 24, № 6 https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.03.131