Теоретические основы консервирования рыбного сырья сушкой

 

Консервирование рыбы сушкой является, наряду с консервированием рыбного сырья посолом, одним из наиболее древних способов обработки, не потерявшим своей актуальности и значимости до наших дней.

Сушка рыбы – сложный комплексный нестационарный процесс переноса тепла и влаги в ней, вызывающий целый ряд ее физических, биохимических и микробиологических изменений. В основу этого способа обработки рыбы положен известный и наиболее широко применяемый принцип консервирования – анабиоз, а именно его разновидность – ксероанабиоз.

Основным консервирующим фактором выступает обезвоживание продукта, обусловливающее торможение в нем биохимических и ферментативных процессов, а также прекращение жизнедеятельности большей части микроорганизмов, вызывающих порчу. Теоретически удаление из продукта всей содержащейся в нем влаги обеспечило бы неограниченный срок его хранения, однако получить абсолютно сухой продукт на практике невозможно.

Задачей научного обоснования технологии сушки рыбы является разработка методов управления процессами, которые протекают в объекте сушки, с целью получить продукт высокого качества с определенными органолептическими, физико-химическими и структурно-механическими показателями. Поэтому решение актуальных задач в области сушки должно базироваться как на изучении свойств материала (продукта) – объекта сушки, так и на научном обосновании методов и режимов процесса.

Основную роль в создании теории сушки сыграли работы академика П.А. Ребиндера, академика С.М. Липатова, академика А.В. Лыкова, Ю.Л. Кавказова, А.С. Гинзбурга и др.

Большая часть пищевых материалов, несмотря на все существующие между ними различия, обусловленные их природой (продукты животного или растительного происхождения), в том числе и рыба, рассматривается в теории сушки как коллоидные капиллярно-пористые материалы, обладающие термолабильностью и значительной влагоинерционностью, для которых характерен быстрый нагрев до предельных температур при сравнительно малой влагоотдаче.

Во влажных материалах, к которым относится рыба и продукты ее переработки, существуют различные формы и виды связи влаги, причем в условиях «глубокой» сушки приходится удалять влагу, достаточно прочно связанную с твердым «скелетом» продукта.

Академик П.А. Ребиндер предложил классифицировать связь влаги с материалом по величине энергии связи воды с сухим веществом на три основные группы:

- химически связанную (ионная связь и вода в кристаллогидратах);

- физико-химически связанную (адсорбционная, осмотическая и структурная вода, содержащаяся в клетках и микрокапиллярах);

- механически связанную (влага смачивания, содержащаяся в капиллярах и микрокапиллярах).

На удаление механически связанной или структурно-свободной воды затрачивается только теплота фазового перехода, на удаление иммобилизованной или физически связанной воды – наряду с энергией фазового перехода затрачивается также энергия на преодоление капиллярных сил, а на удаление химически связанной воды – энергия на преодоление электростатических ионных связей, что представляет особые трудности. Испарение воды происходит тогда, когда ее молекулам сообщается тепловая энергия, превышающая энергию связи молекул между собой или с молекулами какого-либо другого вещества. Энергия связи молекул химически связанной воды значительно больше их собственной кинетической энергии. Для преодоления этой связи необходимо нагревать продукт до температуры, превышающей температуру кипения воды (прокаливать), что приводит к глубокой денатурации белков, снижая их биологическую и пищевую ценность.

Особенно трудно удалить не только химически связанную, но и всю иммобилизованную воду из продуктов повышенной жирности. Если не поднимать температуру, то удаление всей влаги потребует продолжительного нагревания, во время которого неизбежно произойдет глубокое окисление жиров, что недопустимо. В связи с этим при выборе режима сушки необходимо учитывать не только свойства воды, но также и химический состав высушиваемого продукта.

Принято классифицировать сушку на конвективную (или в потоке нагретого газа), контактную (при соприкосновении с нагретой поверхностью), сублимационную (в вакууме), высокочастотную (диэлектрическим нагревом) и радиационную (ИК-излучением).

В зависимости от температуры, при которой осуществляется сушка, принято различать холодную, горячую и полугорячую сушку.

Холодная сушка проводится при температуре сушильного агента - воздуха от 20 до 40 ° С, горячая сушка – при температуре выше 80 ° С. В последнем случае происходит не только испарение влаги, но и тепловая денатурация белков, особое значение при этом придается возможно более полному гидролизу неполноценных в пищевом отношении и трудно перевариваемых соединительнотканных белков. Полугорячая сушка происходит при температуре воздуха от 40 до 70 ° С. При этой температуре денатурируют саркоплазматические и миофибриллярные белки продуктов, белки соединительной ткани остаются без изменения.

В зависимости от содержания влаги в продукте после технологической тепловой обработки, принято различать сушеную и вяленую продукцию (для рыбной продукции еще и провесную). Деление это весьма условно, поскольку величина остаточного содержания влаги, соответствующая перечисленным видам продуктов варьируется значительно для разных видов пищевых продуктов.

В процессе сушки в тканях продукта происходят сложные процессы, результатом которых являются гистологические, физико-химические и биохимические изменения.

Удаление влаги из продукта вызывает уменьшение объемов тканей и изменение их структуры (усадка). Сушка тормозит ферментативный распад белков. У продуктов, подвергшихся сушке, практически не наблюдается изменений форм азота, однако в них ускоряются изменения жировой ткани. В жирах активно протекают гидролитические и окислительные процессы, в результате растет кислотное число, падает йодное, при длительном хранении начинают накапливаться продукты глубокого окисления жира – альдегиды и кетоны, альдокислоты и др.

Самый распространенный в пищевой промышленности способ тепловой сушки – конвективный. В этом способе осуществляется конвективный перенос теплоты от нагретого сушильного агента к материалу. В качестве сушильного агента наиболее широко применяется воздух. Сушильный агент выполняет и вторую, не менее важную по сравнению с переносом теплоты, задачу – поглощает образовавшийся водяной пар и выводит его из рабочего объема сушилки. Таким образом, интенсивность процесса зависит от скорости переноса теплоты при нагреве материала, испарения влаги и от скорости переноса массы этой влаги в сушильный агент.

Другие способы тепловой сушки, например, кондуктивный или контактный, или сушка в инфракрасных лучах, как правило, комбинируют с конвективным способом. Поэтому подробно остановимся именно на конвективном способе тепловой сушки пищевых продуктов и материалов, и рассмотрим его кинетику.

При конвективной сушке влага удаляется из продукта за счет испарения с его поверхности. На смену испарившейся с поверхности из глубины продукта под действием градиента концентрации (парциальных давлений) перемещается следующий поток влаги. Однако эта привычная картина значительно искажается в случае, когда сушке подвергаются коллоидные капиллярно-пористые материалы – пищевое сырье и продукты его переработки. Из-за свойственных только им специфических особенностей нагрева в них возникает помимо влажностного еще и температурный градиент, направленный к поверхности материала или продукта. В результате влага начинает перемещаться от более нагретых поверхностных слоев к менее нагретым - внутри. Это явление получило название термовлагопроводности. Таким образом, в высушиваемом продукте возникает два потока влаги. Первый – под действием градиента концентраций

(84)

 

и второй – под действием градиента температуры

 

(85)

 

где и - коэффициенты массопередачи в этих процессах, зависят от структуры материала и вида связи влаги с материалом.

 

Суммарный поток перемещающейся влаги равен разности этих двух величин и зависит от величины действующих градиентов

. (86)

Чтобы избежать отрицательного действия на процесс сушки градиента температуры, на практике стараются понизить температуру сушильного агента, или прибегают к прерывистым режимам сушки с кратковременным обогревом и затем периодом релаксации – охлаждения.

Для характеристики процесса сушки принято пользоваться графиками изменения влажности материала. Кривая сушки показывает изменение влажности по времени (рис. 14).

Как видно из графика, весь период сушки от начальной влажности до конечной (которая, как правило, известна и является для пищевых продуктов величиной, регламентируемой соответствующими нормативными документами) можно разбить на три основных периода.

Первый - краткий период подогрева материала, когда его влажность практически не меняется, второй – период постоянной скорости сушки, когда кривая сушки имеет вид наклонной прямой, и третий – период убывающей скорости сушки от точки . Точка называется критической точкой и фиксирует на графике момент, когда количество влаги, поступающей к поверхности материала, становится меньше, чем может испариться с его поверхности. Как правило, такой момент наступает, когда заканчивается удаление из материала влаги одной формы связи, и начинается процесс удаления влаги другой, более прочной формы связи с материалом. Влажность материала в третьем периоде асимптотически приближается к равновесной в данных условиях влажности.

 

	W, %

0 0 0 000000

1 2 3

t= const φ = const

τ

К

wк wр

wкр

wн

 

 

Рисунок 14 - Кривая сушки рыбы (характеризует процесс кинетически)

Кривая скорости сушки (рис.15) может быть получена графическим дифференцированием кривой сушки. Период подогрева на этом графике изображается вертикальной прямой (w_н = const). Период постоянной скорости - горизонтальная прямая до критической точки . Характер изменения скорости сушки в третьем периоде зависит от структурных особенностей материала. Так, прямолинейный характер изменения скорости сушки (кривая 1) имеют грубопористые материалы, например чайный лист. Кривая 2 соответствует сушке сухарей.

Практически продолжительность периода подогрева материала ничтожно мала по сравнению с другими периодами сушки. Поэтому продолжительность сушки зависит от скорости в периоды постоянной и падающей скорости обезвоживания.

 

К

0 Wp Wкр Wн W, %

dW/dτ

 

Рисунок 15 - Кривая скорости сушки (характеризует динамику процесса)

Период постоянной скорости сушки. На этом этапе свободная влага удаляется из материала путем испарения с его поверхности. Движущую силу этого процесса можно выразить разностью парциальных давлений пара в поверхностной пленке материала и водяного пара в окружающем воздухе . Экспериментально получено эмпирическое уравнение для скорости сушки в период постоянной скорости:

, (87)

 

где - скорость воздуха над материалом;

- плотность воздуха.

 

Анализ уравнения (87) показывает, что скорость сушки на первом этапе зависит в основном от параметров сушильного агента. Проинтегрировав уравнение (87) в пределах изменения влажности от до и времени от 0 до , получим

. (88)

 

Период падающей скорости сушки. Характеризуется сложными кинетическими законами для различных материалов. Этот период начинается после удаления свободной влаги с поверхности материала, поэтому скорость сушки начинает зависеть от скорости перемещения влаги внутри материала к его поверхности. Движущую силу процесса в период падающей скорости сушки выражают разностью между влажностью материала и равновесной влажностью .

По аналогии с основным кинетическим уравнением скорость сушки на втором этапе можно записать так

 

, (89)

 

где - коэффициент сушки, зависящий от интенсивности влагопереноса.

 

Начальная влажность материала на этом этапе соответствует критической влажности , а конечная влажность бывает задана технологической схемой процесса.

Уравнение (89) можно проинтегрировать для простейшего случая прямолинейного изменения скорости. На рис. 16 кривая скорости сушки заменена прямой . Эту замену провели так, что площади между прямой и кривой сверху и снизу прямой равновелики.

Приведенной критической точке соответствует влажность . Проинтегрировав уравнение (89) в пределах от до заданной конечной влажности продукта , получим

. (90)