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

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.

________________

0 100

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:

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