Анализ процесса сушки
При сушке макаронных изделий конвективным способом нагретый сушильный воздух выполняет следующие функции:
- отдает материалу энергию (теплоту), необходимую для превращения воды в
пар;
- поглощает испаряющийся с поверхности изделий пар;
- отводит от поверхности изделий испарившийся пар.
В связи с этим чем выше температура воздуха, тем интенсивнее происходит испарение влаги из материала; чем ниже его относительная влажность, тем интенсивнее он будет поглощать испаряющуюся влагу. Кроме того, интенсивность высушивания зависит от скорости движения воздуха над материалом: чем выше скорости воздуха, тем быстрее отводится от материала испарившаяся влага. Следовательно, основными параметрами сушильного воздуха, определяющими скорость высушивания изделий, являются температура г, относительная влажность φ и скорость движения воздуха V. Естественно, продолжительность сушки определяется и свойствами материала, в частности плотностью и толщиной заготовок макаронных изделий.
Во время высушивания перемещение влаги из внутренних слоев изделий к наружным происходит под влиянием градиента влажности ΔW, т. е. разницы во влажности слоев, возникающей в результате испарения влаги с поверхности изделий и осушения наружных слоев. Градиент влажности направлен к центру высушиваемых изделий, т. е. в направлении, противоположном перемещению влаги, и величина его тем больше, чем интенсивнее происходит осушение наружных слоев (рис. 29 а). Явление перемещения влаги под влиянием градиента влажности называют влагопроводностью или концентрационной диффузией.
При прогреве высушиваемых изделий возникает также градиент температуры Δt, под влиянием которого влага стремится переместиться внутрь материала, т. е. по направлению теплового потока. Это явление называют термовлагопроводностью или термической диффузией.
В самом начале сушки концентрационная и термическая диффузии направлены в противоположные стороны, и направление движения влаги в изделиях зависит от того, какой из двух видов диффузии преобладает. Однако в силу небольшой толщины сырые макаронные изделия довольно быстро прогреваются, происходит выравнивание температуры слоев, и градиент температуры становится практически равным нулю. Поэтому в дальнейшем процессе сушки макаронных изделий при постоянной температуре сушильного воздуха главная роль принадлежит концентрационной диффузии.
Рис. 29. Схема удаления влаги из изделий:
а — при сушке; 6 — при охлаждении
При попадании же изделий в менее теплую среду (например, при их охлаждении) перемещение влаги в толще изделий будет идти как за счет влагопроводности, так и вследствие термо-влагопроводности (рис. 29, б).
Длительность сушки,чВлажность мщтериама, %
Рис. 30. Кривая сушки Рис. 31. Кривая скорости сушки
Процесс сушки макаронных изделий графически изображают и в виде кривой сушки, характеризующей изменение средней влажности изделий во времени. Характерный вид кривой сушки макаронных изделий представлен на рис. 30.
Начальный небольшой участок кривой указывает на прогрев сырых изделий с начальной влажностью Wт. Для этого участка характерно незначительное снижение влажности вследствие того, что концентрационная и термическая диффузии направлены в противоположные стороны.
Затем происходит изменение влажности по прямой линии. Во время этого периода, называемого периодом постоянной скорости сушки, происходит удаление из изделий менее прочно связанной осмотической влаги.
При некотором значении влажности изделий, которое называют критическим Wк, наблюдается снижение скорости удаления влаги и наступает период падающей скорости сушки. В этот период происходит удаление главным образом влаги, адсорбционно связанной и прочно удерживаемой белковыми веществами. В сушильной технике используют также кривые скорости сушки, которые обычно строят методом графического дифференцирования по кривым сушки: скорость сушки в данный момент определяется как тангенс угла наклона касательной, проведенной через точку кривой сушки (рис. 31).
При сушке макаронных изделий воздухом с постоянной сушильной способностью (постоянные температура, влажность и скорость перемещения) влажность высушиваемых изделий постепенно приближается к определенному значению, которое называется равновесной влажностью Wр (см. рис. 30 и 31). Иными словами, сушильному воздуху с определенными параметрами со ответствует определённая равновесная влажность изделий, которая не снизится, сколько бы они ни омывались этим воздухом
Для правильного выбора режимов сушки, стабилизации, охлаждения и хранения макаронных изделий очень важно знать величины их равновесной влажности при разных температурно - влажностных параметрах воздуха. Они определяются по кривым равновесной влажности (изотермам десорбции влаги), которые построены на основании экспериментальных данных тензометрическим (статическим) методом (рис. 32).
Пробы макаронных изделий помещают в эксикатор, в нижнюю часть которого наливают раствор серной кислоты определенной концентрации. Изделия периодически взвешивают, пока масса изделий не станет постоянной. Это свидетельствует о том, что изделия достигли состояния равновесия, которому соответствует определенная равновесная влажность продукта. Каждой определенной концентрации серной кислоты соответствует определенная влажность воздуха. Повторяя опыт при различных концентрациях серной кислоты, получают зависимость равновесной влажности продукта от влажности воздуха. Серии опытов проводят при различных температурах, получая изотермы десорбции — кривые равновесной влажности. Они могут быть также получены путем высушивания до постоянной массы изделий в атмосфере воздуха с постоянными значениями температуры и влажности.
Относительная влажность воздуха, %
Рис. 32. Кривые равновесной влажности макаронных издеЛий
При выборе режима сушки макаронных изделий надо использовать соответствующую кривую равновесной влажности. Так, если изделия сушат воздухом температурой 50 влажность воздуха должна быть не выше примерно 80 %. Если же влажность воздуха при этой температуре будет, например, 85 %, то изделия высохнут только до влажности примерно 14,5 %.
Изотермы десорбции влаги из макаронных изделий имеют S образный характер, типичный для коллоидных тел. Нижняя часть кривых, обращенная выпуклой частью к оси влажности и изделий, относится (по классификации форм связи влаги с материалом по А. В. Лыкову) к десорбции мономолекулярного слоя. Характер следующей части кривой указывает на наличие полимолекулярной адсорбции. И наконец, последний участок кривой, выпуклость которого обращена к оси влажности воздуха, указывает на наличие влаги капиллярной конденсации.
Из расположения изотерм десорбции следует, что с повышением относительной влажности воздуха равновесная влажность макаронных изделий возрастает, особенно резко — в интервале влажности воздуха 80...95%. С увеличением же температуры воздуха равновесная влажность снижается.
Для определения равновесной влажности макаронных изделий И. М. Савина предложила следующие формулы:
для интервала относительной влажности воздуха от 10 до 55 %
W= A (0,01 φ) + B
для интервала влажности воздуха от 55 до 100 %
Wр = Dlg [1/ (1-0,01 φ)] + С,
где А, В, D, С— коэффициенты, учитывающие влияние температуры воздуха на величину равновесной влажности макаронных изделий; определяются по таблица 10.
Таблица 10
Значение коэффициентов А, В, D, C
Коэффициент | Температура воздуха, °С | |||
А | 0,27 | 0,25 | 0,22 | 0,20 |
В | 2,0 | 1,5 | 1,0 | 0,5 |
D | 17,21 | 16,90 | 16,55 | 14.92 |
C | 9,36 | 8,9 | 6,05 | 4,83 |
4 Изменение свойств макаронных изделий в процессе сушки, стабилизации и охлаждения
При выборе и разработке режимов сушки необходимо учитывать две основные особенности макаронных изделий как объекта сушки:
при снижении влажности изделий от 29...30 до 13...14 % про исходит сокращение их линейных и объемных размеров (усадка) на 6...8 %; в процессе высушивания изменяются структурно-механические свойства изделий.
Характер изменения структурно-механических свойств высушиваемых макаронных изделий в значительной степени определяется параметрами сушильного воздуха, в первую очередь его
температурой и влажностью.
В настоящее время в зависимости от температуры воздуха используют три основных режима конвективной сушки макаронных изделий:
- традиционные низкотемпературные (НТ) режимы, когда температура сушильного воздуха не превышает 60 °С;
- высокотемпературные (ВТ) режимы, когда температура воздуха на определенном этапе сушки достигает 70...90 °С;
- сверхвысокотемпературные (СВТ) режимы, когда температура воздуха превышает 90 °С.
Рассмотрим особенности изменения структурно-механических свойств макаронных изделий при использовании указанных трех температурных режимов.
При низкотемпературных режимах поступающие на сушку сырые изделия являются пластичным материалом и сохраняют пластические свойства примерно до 20%-ной влажности. При снижении влажности примерно от 20 до 16 % они постепенно утрачивают свойства пластичного материала и приобретают свойства, характерные для упругого твердого материала. При этой влажности макаронные изделия являются упругопластичным телом.
Начиная примерно с 16% - ной влажности макаронные изделия становятся твердым упругим хрупким телом и сохраняют эти свойства до конца сушки.
При мягких режимах сушки, т. е. при медленном высушивании изделий воздухом с низкой сушильной способностью, перепад по влажности между наружными и внутренними слоями невелик, так как влага из более влажных внутренних слоев успевает переместиться к подсушенным наружным слоям. Темп испарения влаги с поверхности изделий соответствует темпу подвода влаги из внутренних слоев (см. рис. 29, а).
10 15 20 25 30
Влажность макарон,%
Рис. 33. Кривые усадки макарон при режиме
Сушки
1 – мягком, 2 - жестком
Все слои изделий сокращаются приблизительно равномерно: усадка изделий увеличивается прямо пропорционально снижению их влажности (рис 33, кривая /). При жестких режимах сушки, т. е. интенсивном высушивании изделий воздухом с высокой сушильной способностью, перепад по влажности между наружными и внутренними слоями достигает значительной величины вследствие того, что влага из внутренних слоев не успевает переместиться к наружным. При этом более сухие наружные слои стремятся сократить свою длину чему препятствуют более влажные внутренние слои — внутри изделий на границе слоев возникают напряжения, которые называются внутренними напряжениями сдвига. Величина этих напряжений тем значительнее, чем интенсивнее удаляется влага с поверхности изделий, чем в большей степени отстает темп подвода влаги из внутренних слоев и чем больше градиент влажности.
Усадка изделий при жесткой сушке происходит неравномерно (см. рис. 33, кривая 2): в начальный период сушки происходит интенсивная усадка, а затем она постепенно затухает.
Пока высушиваемые макаронные изделия сохраняют пластические свойства, возникающие внутренние напряжения сдвига рассасываются путем изменения формы изделий без разрушения их структуры.
Когда же изделия приобретают свойства упругого материала, возникающие внутренние напряжения сдвига, если они превышают определенное предельно допустимое, критическое значение, приводят к разрушению структуры изделий — появлению на поверхности изделий микротрещин, которые при интенсивном удалении влаги углубляются, соединяются между собой. Высушенные таким образом макаронные изделия очень непрочны, зачастую превращаются в лом или даже крошку.
Таким образом, при низкотемпературном режиме сушки макаронные изделия можно высушивать при жестких режимах, не опасаясь появления в них трещин, примерно до 20%-ной влажности. При достижении продуктом этой влажности во избежание растрескивания необходимо проводить высушивание при мягких режимах, медленно удаляя влагу. Особенно осторожно следует удалять влагу на последних этапах сушки по достижении изделиями влажности 16 % и ниже.
Этот вывод находит практическое применение при сушке изделий в сушилках поточных линий, в которых используются низкотемпературные режимы сушки, где процесс сушки разделен на два этапа — предварительную и окончательную сушку.
Однако и на первом этапе удаления влаги из изделий степень жесткости режима имеет свои ограничения, поскольку чрезмерно быстрое осушение поверхностного слоя сырых изделий сухим воздухом температурой около 60°С может привести к его отслаиванию, к образованию чешуйчатой поверхности изделий, вследствие того что влага не успеет подойти к поверхности из внутренних слоев плотной структуры тестовых заготовок. Кроме того, при таком режиме сушки резкое превращение влаги изделий в пар может привести к образованию пузырьков в толще еще пластичных изделий. Поэтому чем выше температура воздуха и начале сушки, тем выше должна быть его влажность.
На выходе из сушилки макаронные изделия имеют температуру, приблизительно равную температуре сушильного воздуха. Поэтому перед упаковкой их надо охладить до температуры упаковочного отделения, иначе неконтролируемый процесс дальнейшего испарения влаги из теплых упакованных изделий будет продолжаться в упаковке, а при использовании герметичной упаковки, например полиэтиленовых пакетов, произойдет конденсация влаги на внутренней поверхности упаковки.
Предпочтительнее использовать медленное охлаждение в течение не менее 4 ч, в процессе которого изделия омываются воздухом температурой 25...30 °С и относительной влажностью 60...65 %. При этом происходит стабилизация изделий: окончательное выравнивание влажности по всей толще изделий, рассасывание внутренних напряжений сдвига, которые могли остаться после интенсивной сушки изделий, а также некоторое снижение массы остывающих изделий за счет испарения из них 0,5...1,0 % влаги.
Быстрое охлаждение высушенных изделий интенсивной обдувкой в охладителях различных конструкций или остывание их на ленточных транспортерах при подаче на упаковку менее желательны: несмотря на то что готовые изделия за короткое время (около 5 мин) успевают остыть до температуры цеха и последующей усушки их в упаковке не происходит, за такой короткий промежуток времени внутренние напряжения сдвига в нестабилизированных изделиях не только не успевают исчезнуть, но увеличиваются за счет испарения влаги с поверхности изделий и увеличения градиента влажности. И если изделия были подвергнуты жесткой сушке, то растрескивание и превращение их в лом и крошку могут произойти уже после упаковывания.
Таким образом, увеличение внутренних напряжений сдвига при быстром охлаждении изделий обусловлено тем, что резкое снижение температуры поверхностного слоя изделий ведет к быстрому испарению из него влаги. И хотя возникающий при этом градиент температуры направлен в ту же сторону, что и градиент важности, — внутрь изделия, влага не успевает подойти из внутренних слоев к поверхности в силу низкой влагопроводности и потной структуры высушенных изделий (см. рис. 29, б).
При высокотемпературныx и сверхвысокотемпературных режимах сушки, когда температура воздуха превышает соответственно 70 и 90 °С, макаронные изделия остаются в пластическом состоянии вплоть до 1б...13%-ной влажности (в зависимости от температуры). В этом случае критическая влажность изделий Wк (см. рис. 30), т. е. момент перехода материала из пластического состояния в упругое, перехода от постоянной скорости сушки к падающей скорости, снижается практически до величины влажности готовых макаронных изделий. Поэтому возникает возможность использования таких режимов на всем протяжении сушки, значительно сокращая ее продолжительность. Однако в этом случае во избежание растрескивания высушенных изделий особенно тщательно следует проводить стабилизацию и охлаждение изделий — без дальнейшего испарения из них влаги. Для этого температурно-влажностные условия стабилизации и охлаждения высушенных изделий должны соответствовать одинаковой равновесной влажности их, т. е. на уровне 13 %. Например: если стабилизация высушенных изделий осуществляется при 70 °С, то относительная влажность воздуха должна составлять порядка 85 % (равновесная влажность изделий при этих параметрах составляет 13 % —см. рис. 32), и после стабилизации изделия можно сразу охлаждать воздухом в цехе с температурой 20...25 °С и относительной влажностью около 65 %: эти параметры соответствуют той же величине равновесной влажности (13 %), поэтому испарения влаги с поверхности изделий при охлаждении не будет.
На основании вышеизложенного можно заключить, что основной причиной возникновения напряжений внутри высушиваемых макаронных изделий, которые приводят к изменению формы или к образованию трещин в изделиях (в зависимости от соотношения пластических и упругих свойств высушиваемых изделий), является отставание внутреннего переноса влаги от испарения влаги из поверхностных слоев изделий. Это обусловливает возникновение значительного градиента влажности, величина которого может служить мерой опасности растрескивания высушиваемых изделий.
Характер зависимости градиента влажности от двух основных факторов: относительной влажности и температуры сушильного воздуха, приведенный на рис. 34, показывает, что при постоянной температуре повышение влажности воздуха ведет к снижению градиента влажности, а при постоянной влажности воздуха незначительные изменения градиента-влажности возникают при низких и высоких температурах.
Влажность воздуха, % |
________________
0 100
Температура воздуха, °С |
Рис. 34. Зависимость градиента влажности макаронных изделий от температуры и влажности сушильного воздуха
Эти особенности предопределяют выбор оптимальных параметров разных режимов и способов сушки, используемых на практике, которые мы рассмотрим и следующих, подразделах. Сравнивая влияние разных температурных режимов (НТ, ВТ и СВТ) на качество макаронных изделий? надо отметить, что высокотемпературные режимы способствуют улучшению качества изделий по ряду показателей.
Итальянскими, французскими, швейцарскими и немецкими исследователями было выявлено благотворное влияние температур сушки в пределах 70...90 °С на цвет высушенных изделий: в результате тепловой инактивации фермента полифенолоксидазы замедляется или предотвращается процесс ферментативного потемнения и цвет изделий становится более светлым по сравнению с изделиями, полученными в результате традиционной низкотемпературной сушки.
Дальнейшее увеличение температуры сушки (сверхвысокотемпературные режимы) уже не сказывается на улучшении цвета изделии, но возникает опасность неферментативного потемнения изделии в результате протекания реакции Майяра. Для предотвращения этой реакции относительная влажность воздуха при температуре выше 90°С должна быть не меньше 80%.
Исследованиями проф. П. Ризмини и д-ра Дж. Далбона (Италия) выявлено положительное влияние высокотемпературной сушки и на варочные свойства макаронных изделий: сокращается время варки до готовности, снижается клейкость сваренных изделий, улучшается их консистенция. При этом улучшающее воздействие высоких температур сушки на варочные свойства проявляется в большей степени при изготовлении изделий из продуктов помола мягкой пшеницы, чем твердой.
Для выявления механизма такого действия указанными авторами были исследованы структуры срезов замороженных проб сырых, сухих и сваренных изделий, сфотографированных электронным микроскопом.
В полученных микрофотографиях срезов сырых изделий из крупки и хлебопекарной муки видны целые гранулы крахмала и кусочки оболочек зерна пшеницы, равномерно распределенные в клейковинном геле.
На микрофотографиях сколов сухих изделий, высушенных при традиционных режимах, наблюдается, как и на микрофотографиях сырых изделий, целостность гранул крахмала, распределенных в клейковинном геле (матрице). Это говорит о том, что мо время традиционной сушки при температуре не выше 60 °С структура крахмальных гранул не изменяется и денатурации белков не происходит.
На микрофотографиях срезов тех же изделий после варки наблюдаются полное разрушение внутренней структуры гранул крахмала и образование фиксированной решетки из коагулированных белков, причем в изделиях из крупки твердой пшеницы решетка не имеет разрывов, а в изделиях из хлебопекарной муки она неоднородна, с разрывами. Это объясняется тем, что в изделиях из хлебопекарной муки связующая способность клейковины ниже, чем в изделиях из крупки твердой пшеницы, поэтому при варке клейстеризующиеся зерна крахмала в изделиях из хлебопекарной муки частично разрывают не успевшую еще зафиксироваться белковую решетку.
На микрофотографиях же сколов сухих изделий как из крупки, так и из хлебопекарной муки, высушенных при высокотемпературных режимах, можно наблюдать образовавшуюся фиксированную белковую решетку, в которую заключены гранулы крахмала. Иначе говоря, структура макаронных изделий, высушенных при высокотемпературном режиме, подобна структуре сваренных изделий. Причем и в изделиях из хлебопекарной муки белковая решетка не имеет разрывов, поскольку высокие температуры при сушке способствуют ее фиксированию, а отсутствие избытка влаги ведет не к набуханию зерен крахмала, а только к разрушению их внутренней, структуры.
Уменьшение клейкости изделий, полученных высокотемпературной сушкой, обусловлено тем, что фиксирующаяся в процессе сушки белковая матрица прочно удерживает клейстеризующиеся во время варки зерна крахмала. В противоположность этому фиксирование белковой матрицы в изделиях, традиционной низкотемпературной сушки происходит только во время варки изделий параллельно с набуханием крахмальных гранул, которые могут нарушить целостность еще не сформировавшейся белковой матрицы, частично перейти в варочную жидкость, придать клейкость сваренным изделиям и ухудшить их консистенцию.
Наконец, надо отметить, что условия, создаваемые при традиционной сушке макаронных изделий, практически соответствуют оптимальным условиям для развития различных микроорганизмов. Исследования показывают, что при температуре сушки в пределах 30...50 °С в 1 г изделий может содержаться до 106 и выше колоний микроорганизмов, среди которых могут быть опасные для организма человека сальмонеллы и стафилококки, не погибающие при варке изделий. Сушка же при температур 70 °С снижает этот показатель до 102 ...103 кол/г, причем в большей степени при увеличении влажности воздуха. А при температуре сушки 80...90 °С и относительной влажности воздуха около 80 % происходит практически полная пастеризация макаронных изделий.
Контрольные вопросы:
1. Какие существуют основные формы связи влаги в сырых макаронных
изделиях?
2.Какие основные факторы определяют скорость сушки макаронных
изделий?
3.Что такое равновесная влажность макаронных изделий и как определяют
ее величину?
4.Как изменяются свойства сырых макаронных изделий в процессе
высушивания?
5.Чем отличаются низкотемпературный, высокотемпературный и
сверхвысокотемпературный режимы конвективной сушки макаронных
изделий друг от друга?
6. В чем отличия мягкого режима сушки от жесткого?
Литература
1. Медведев Г.М. «Технология макаронного производства».- М.:Колос,2000.
2. Чернов М.Е. Макаронное производство.-М.: Издательство «Мир»,1994г.
3. Чернов М.Е. Оборудование предприятий макаронной промышленности.-
М.: Пищевая промышленность,1978г.-232с.
Лекция 10
Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 2451;