Моделирование и расчет процесса массопереноса при пропитке пористых частиц растительного материала

В настоящее время среди процессов экстрагирования широкое применение получили процессы экстрагирования целевых компонентов из растительного сырья, который в большинстве случаев имеет волокнистую пористую структуру. Согласно теории диффузионного экстрагирования Г.А.Аксельруда, В.М. Лысянского и др. массоперенос целевых компонентов в пористых частицах осуществляется в основном в результате молекулярной диффузии. В химическом производстве появилось соответствующее направление, основанное на максимальную интенсификацию механизма молекулярной диффузии: наилучшее измельчение сырья; повышение температуры процесса; оптимальный выбор экстрагентов и т.д.

Наряду с этим, в общем процессе массопереноса известна интенсифицирующая роль активного гидродинамического режима. Как и для других массообменных процессов (например, сушка, абсорбция), при экстрагировании применяются такие приемы, как механические колебания насадочных элементов, ультразвуковое, вакуумное, вихревое и пульсационное воздействие на взаимодействующие фазы.

Таким образом, для достаточно точного моделирования процессов экстрагирования необходимо применять уравнения диффузии и конвекции (диффузионно-конвективный подход). Однако, на наш взгляд, при моделировании процессов внутри пор сырья, основным математическим аппаратом являются уравнения диффузии и их модификации.

В данной лекции в рамках упрощенной модели бидисперсной структуры растительного материала приведены математическая модель и соответствующий численный метод решения системы уравнений баланса целевого компонента в порах на основе диффузионной модели.

В процессе диффузии целевой компонент сначала переходит из микропоры в макропору, затем из макропоры в основную массу жидкой фазы. Уравнения, описывающие процесс диффузии имеют следующий вид:

+ , (1)

+(1+Г) , (2)

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

В уравнениях (1), (2), начальных и краевых условиях (3)-(8) приняты:

- концентрация жидкой фазы в макропорах;

- концентрация жидкой фазы в микропорах;

- концентрация адсорбированной фазы;

, , - пространственные координаты в микро–и макропорах;

- координата времени;

- исходная концентрация целевой компоненты;

- радиусы микро–и макро пор;

- концентрации в микро- и макро порах;

, , - константы, учитывающие геометрические параметры пор и физико-химические характеристики жидкой и твердой фаз;

- длины микро и макро пор. Бидисперсная поровая структура и обозначения геометрических параметров показаны на рис.1.

	C 0

Рис.1. Поровая структура растительного материала.

Физически уравнения (1), (2) представляют собой массовый баланс жидкой фазы в макро- и микро порах, уравнения (3)-(8)-начальные и краевые условия для безразмерных концентраций жидкой фазы.

Нами данный подход использован для анализа зависимости концентраций от времени и двух координат для микро-и макро пор. Для этой цели задача (1)-(8) решена численно методом конечных разностей с использованием явной схемы по времени и пространственным координатам.

Обозначим значения искомых концентраций в узлах (соответствующих значениям координатных точек в пространстве ), как и . Тогда из уравнений (1) и (2) получим следующие конечно-разностные соотношения:

( -2 + )/ + ( - )/ = - )/ , (1а)

( -2 + )/ =(1+Г)( - )/ . (2а)

Из граничного условия (5) при использовании аппроксимации для производной получим ( -максимальное число деления длины макро поры по разностной схеме):

- =0, т.е. для всех значений :

= . (5а)

Аналогично, для концентрации в микропорах из условия (8) получим:

= . (8а)

Условия (5а) и (8а) могут быть интерпретированы как постоянство концентраций жидкой фазы при переходе из одной поры к другой, т.е. поровая структура сырьевого материала является однородной.

Таким образом, алгоритм численного решения может быть представлен в следующем виде:

1. Из начального условия (3) при , получим

=0, (3а)

т.е. целевой компонент в начальный момент в макропоре отсутствует.

2. Из условия (6) получим

, (6а)

т.е. в начальный момент времени микропора уже пропитана жидкой фазой.

3. Условие (4) означает, что

, (4а)

значит макропора одним концом соединена с основной массой жидкой фазы и переходящая из микропоры целевой компонент непосредственно переходит в экстрагент.

4. Из условия (7) получим, что

=0, (7а)

т.е. концентрация целевого компонента на «дне» микропоры за все время процесса отсутствует.

5. Из уравнения (2а) находим значение концентрации для микропор для нового момента времени, при этом учитываются условия (6а), (7а), (8а):

\

= -2 + )+ , (9)

6. Значения концентрации в макропорах для следующего момента времени вычисляются по формуле:

= + )+ , (10)

где - значение частной производной второго порядка по концентрации на макропорах аналогично формуле (9), - численное значение первой производной,

Численное решение системы (1)-(8) и его сопоставление с известным решением [2] при оптимальных значениях параметров представлено на рис.1. Достаточная гладкость кривой со штриховой линией позволяет найти зависимость концентрации в микро-и макропорах от времени, геометрических и физико-химических параметров в виде аналитических функций для использования в методике расчета экстракторов.

Контрольные вопросы:

1. Объясните физический смысл модели Тарнера процесса экстракции.

2. В чем состоит принцип дискретизации уравнений баланса?

3. Какой вывод можно сделать из сопоставления расчетных и экспериментальных данных?

Лекция 8. Процессы, происходящие при тепловой обработке мяса.

Использование современных методов IT-технологий при реализации моделей процессов пищевой инженерии.

При тепловой обработке мяса и мясопродуктов происхо­дят размягчение продукта, изменения формы, объема, мас­сы, цвета, пищевой ценности, структурно-механических характеристик, а также формирование вкуса и аромата. Харак­тер происходящих изменений зависит в основном от темпера­туры и продолжительности нагрева. Изменение мышечных белков. Тепловая денатурация мышечных белков начинается при 30—35°С. При 65°С денату­рирует около 90% всех мышечных белков, но даже при 100°С часть их остается растворимыми. Наиболее лабилен основной мышечный белок — миозин. При температуре немногим выше 40°С он практически полностью денатурирует. Миоглобин, придающий сырому мясу красный цвет, при денатурации подвергается деструкции. Денатурация миоглоби-на сопровождается окислением ионов двухвалентного железа, входящего в активную группу молекулы этого белка (гем), до трехвалентного. При этом исчезает красная окраска мяса, об­разуется гемин серо-коричневого цвета. Полная денатурация миоглобина наступает при 80°С. Поэтому по изменению окрас­ки мяса можно судить о степени его прогрева.

Так, при температуре 60°С окраска говядины ярко-крас­ная, свыше 60—70°С — розовая, при 70—80°С и выше — серо­вато-коричневая, свойственная мясу, доведенному до кулинар­ной готовности.

Причины аномальной (розоватой) окраски мяса, подверг­нутого достаточной тепловой обработке, могут быть следую­щими: использование мяса сомнительной свежести, в котором накапливается аммиак; свежие мясные продукты в наруше­ние требований технологии разогреты или сварены в хранив­шемся уже бульоне; повышенное содержание нитратов в мясе.

В результате взаимодействия тела с аммиаком или нитра­тами образуется вещество (гемохромоген, нитрозогемохромоген), имеющее розовато-красную окраску.

Гем, в состав которого входит трехвалентное железо, про­являет себя как индикатор: он имеет серовато-коричневую ок­раску в нейтральной и слабокислой среде и красную — в щелочной. Свежесваренный бульон имеет слабокислую среду. Порча бульона может протекать по-разному. При прокисании бульона (сдвиг рН в кислую сторону) порчу легко обнаружить, а при сдвиге рН в щелочную сторону (действие гнилостной микрофлоры) изменения менее заметны. Вареное мясо, разогретое в таком бульоне, может приобрести розовую окраску.

Сохранение розовой окраски мяса, подвергнутого тепловой обработке, в любом случае говорит о санитарном неблагополучии. Исключение составляет ростбиф, который готовят с разной степенью прожаренности.

Белки саркоплазмы, представляющие собой концентриро­ванный золь, в результате денатурации и последующего свертывания образуют сплошной гель. Белки миофибрилл (уже находящиеся в состоянии геля) при нагревании уплотняются с выделением влаги вместе с ра­створенными в ней веществами. Диаметр мышечных волокон при варке уменьшается на 36—42%. Чем выше температура нагрева, тем интенсивнее уплотнение волокон, больше потери массы и растворимых веществ.

При жарке мясо прогревается только до 80—85°С в цент­ре изделий, поэтому мышечные волокна уплотняются меньше, чем при варке (при варке температура 95°С). Для доведе­ния мяса до готовности необходимо дальнейшее нагревание денатурированных мышечных белков. В этих условиях проис­ходят более глубокие изменения их — деструкция с образова­нием таких летучих веществ, как сероводород, фосфористый водород, аммиак, углекислый газ и др.

Изменение соединительно-тканных белков. Основные белки соединительной ткани — коллаген и эластин в процессе тепловой обработки ведут себя по-разному. Эластин устойчив к нагреву.

Коллаген при нагревании в присутствии воды, содержа­щейся в мясе, претерпевает следующие изменения: при тем­пературе 50—55°С коллагеновые волокна набухают, поглощая большое количество воды; при 58—62°С резко сокращается длина коллагеновых волокон, увеличивается их диаметр и они становятся стекловидными; процесс этот называется денатурацией или свариванием коллагена; при дальнейшем нагреве происходит деструкция коллагеновых волокон — распад их на отдельные полипептидные цепочки; коллаген превращается в растворимый глютин.

Переход коллагена в глютин — основная причина размягчения мяса. По достижении кулинарной готовности в глютин переходит 20—45% коллагена.

Скорость перехода коллагена в глютин и, следовательно, скорость достижения кулинарной готовности зависят от ряда факторов: вида и возраста животного; особенностей морфологического строения мышцы; температуры; реакции среды и т. д. Те части мяса, в которых коллаген очень устойчив, непригод­ны для жарки.

При повышении температуры распад коллагена ускоряет­ся. Особенно быстро он происходит при температуре выше 100°С (в условиях автоклавирования).

Кислая среда ускоряет распад коллагена. На этом основано маринование мяса, тушение его с кислыми соусами и приправами.

Тепловая обработка производится с целью доведения сырого мясопродукта до состояния, при котором его можно употреблять в пищу без дополнительного нагревания, а также для повышения его стойкости при хранении.
В результате физико-химических изменений, происходящих в процессе тепловой обработки, мясопродукты приобретают специфический вкус, запах, цвет и консистенцию.
Тепловую обработку осуществляют разными способами.
При производстве колбасных продуктов применяют бланширование, варку, жарение, запекание.

Варку продуктов осуществляют в воде, бульоне, молоке, атмосфере насыщенного пара или влажного воздуха.
Под жарением и запеканием понимают нагревание продукта в атмосфере нагретого воздуха без добавления воды или другой жидкости, содержащей воду (бульон, молоко, соус).
В колбасном производстве основным методом тепловой обработки является варка. Жарение применяют при изготовлении очень ограниченного количества мясопродуктов, таких как карбонад, буженина, украинская жареная колбаса.
Запекание практикуется при изготовлении карбонада, буженины и московской шейки. Их запекают в электрических или газовых ротационных, шахтных или печах другого типа. Буженину и карбонад чаще запекают, чем жарят. Термин «запекание» применяют также к тепловой обработке так называемых копчено-запеченных изделий, которые доводят до готовности в процессе копчения.
При тепловой обработке уничтожается большинство вегетативных форм микроорганизмов.
В процессе варки колбасы уничтожается около 99% микробов, находящихся в сырых колбасах.
В процессе обжарки уничтожается значительное количество микробов, при этом Вac. Coli и Вac. Proteus частично сохраняются.
В большинстве случаев после варки в колбасах остаются наиболее устойчивые кокковые формы и спороносные палочки типа Вас. subtilis — mesentericus.
Большая часть патогенных микробов не образует спор, вследствие чего температура варки является для них гибельной.
На обсемененность вареной колбасы влияет первоначальное содержание микробов в фарше: чем больше обсеменен фарш, тем больше сохраняется микробов в готовой колбасе.
Как показали исследования, на микробную обсемененность готовой вареной колбасы влияет сорт жилованного мяса. Показатель микробной обсемененности возрастал по мере понижения сорта мяса и достигал наивысшего значения в колбасах III сорта. Эти колбасы вырабатывают из крови, субпродуктов, мясной обрези, содержащих большое количество соединительной ткани, наиболее обсемененной микроорганизмами.
При выработке ливерных и кровяных колбас, паштетов, зельцев и студней мясопродукты, используемые при их изготовлений предварительно провариваются.
В зависимости от вида и размера мясопродуктов продолжительность варки колеблется в пределах от 2 до 6 ч (рубцы, шкурка, жилки).
Отдельные мясопродукты (печень, мясо) подвергают кратковременной варке в кипящей воде — бланшированию, в результате чего продукты слегка провариваются по всей толщине.
Бланшируют мясопродукты в нарезанном виде, полосами толщиной около 5 см.
Копчености погружают в воду, нагретую до 95° С, для предохранения продуктов от излишних потерь влаги, водорастворимых белков и экстрактивных веществ, при этом в течение 30 мин происходит коагуляция белков в поверхностном слое. Дальнейшую варку производят при +80...+85°С. Продолжительность варки составляет 50—55 минут на 1 кг продукта.
При тепловой обработке большое значение имеет скорость прогревания. Она зависит от теплоемкости и теплопроводности окружающей среды и нагреваемых продуктов, величины удельной поверхности и плотности.
Вследствие низкой теплопроводности мясных продуктов прогревание их в виде больших кусков происходит очень медленно. Ниже приведены числовые значения теплоемкости, теплопроводности и плотности мясопродуктов (табл. 1).

Д. И. Лобанов установил зависимость продолжительности нагревания от различного размера кусков мяса, имеющих форму куба, при нагревании их до 100° С (табл. 2)

Таблица№2

В процессе нагревания протекают также физико-химические изменения: инактивация ферментов, удаление из мяса значительного количества воды, денатурация и коагуляция белков, превращение коллагена в желатин.
При погружении мяса в холодную воду и дальнейшем нагревании часть растворимых белков и экстрактивных веществ из поверхностных слоев мяса переходит в воду в количестве, не превышающем 0,1% от его массы.
Перешедшие в воду растворимые белки в процессе варки коагулируют и образуют хлопья (пену, всплываю- • щую на поверхность).
При погружении мяса в кипящую воду благодаря быстрой коагуляции белков в поверхностном слое количество растворимых белков, переходящих в воду, резко снижается. Поэтому в колбасном производстве продукты погружают в кипящую воду или нагретую до 95°С.
При температуре 60° С в говяжьем мясе денатурируется около 90% внутриклеточных белков. Внутриклеточные белки мышечной ткани — актомиозин, миоген, миоальбумин, глобулин X, миоглобулин коагулируют и становятся нерастворимыми, при этом масса мяса уменьшается на 20—40% преимущественно за счет выделения воды, ранее связанной белками. Миозин наиболее чувствителен к нагреванию, особенно быстрая денатурация его происходит в присутствии солей. При нагревании мяса до 50°С все белки глобулиновой природы теряют растворимость.
При производстве вареных и полукопченых колбас уже при обжарке начинается тепловая денатурация белков — один из наиболее важных видов структурной перестройки белковых молекул под влиянием нагревания, изменений среды и ряда других воздействий. При денатурации общая внешняя форма молекул изменяется сравнительно мало, однако в молекуле происходят изменения пространственного расположения части звеньев цепи и перегруппировка ряда внутримолекулярных связей (порядка носкольких десятков и аналогичных связей), которые сопровождаются заметным изменением ряда физических, химических и биологических свойств белковых молекул. При денатурации нарушается упорядоченность строения нативной исходной белковой молекулы и она несколько разрыхляется, разрыхление составляет около 100 см на 1 моль.
Нативный белок имеет специфическую конфигурацию.
При денатурации конфигурация белковой молекулы может быть изменена без глубокого химического разрушения, например, путем сильного изменения pH и при воздействии тепла.
При этом наблюдается частичное развертывание молекулы, которое приводит к высвобождению части связанной воды.
Следовательно, нагревание мяса ведет к отделению жидкости в результате денатурации белка, что в основном и определяет потери при варке. Потери зависят также от режима варки и pH среды. Потери увеличиваются при понижении pH, повышении температуры и продолжительности варки. На гидратацию и потери влияют такие растворимые вещества, как соль, а также фосфаты.
В процессе обжарки и варки образуется NO-миохром из NO-миоглобина, в результате чего вареные колбасные изделия сохраняют розовую, окраску.
При варке несоленого мяса без добавления к нему нитрита при 65—70° С происходит денатурация миоглобина, который переходит в гематин, и мясо приобретает коричневато-серый цвет.
При варке мясо теряет часть минеральных солей и водорастворимых витаминов.
Процесс варки не вызывает значительного разрушения витаминов мяса. Наиболее характерные для мяса витамины B1 (тиамин, аневрин), В2 (рибофлавин), РР (никотиновая кислота) и пантотеновая кислота устойчивы к действию температуры 75—100°С.
Потери витаминов при технологической обработке различны (табл.3).

Таблица№3

Кратковременная жарка в масле сопровождается наименьшими потерями витаминов.
Размягчение мяса в процессе варки зависит главным образом от превращения коллагена в желатин. При этом понижается механическая прочность соединительной ткани.
Коллаген превращается в желатин при температуре около 70°С. По мере повышения температуры процесс заметно ускоряется, особенно при 100° С и выше.
Некоторое количество образующегося при варке желатина переходит в бульон, но основная масса его остается в мясе. В вареном и жареном мясе межклеточные пространства заполнены набухшим желатином.
Ввиду того, что желатин более доступен действию - протеолитических ферментов, тепловая обработка способствует лучшему усвоению коллагена организмом. -
При длительной варке усиливается извлечение экстрактивных веществ в воду, происходит разрушение соединительнотканных оболочек, связывающих мышечные пучки, мясо становится волокнистым и безвкусным.
По данным некоторых исследователей при варке мяса образуется сероводород, даже в тех случаях, когда сырое мясо не дает положительной реакций на H2S. Наиболее интенсивное образование сероводорода наблюдается в первые 2 ч варки.
При варке мяса выплавляется и переходит в воду значительная часть жира, при этом некоторая часть его эмульгируется, что может вызвать помутнение бульона. При варке костей эмульгируется до 14% общего количества выплавленного жира.
Эмульгирование жира увеличивается с повышением количества воды, в которой варится мясо, температуры и продолжительности варки.
При длительной варке осаливание жира может развиваться настолько интенсивно, что жир приобретает неприятный вкус и запах, наиболее часто это явление наблюдается при варке костей и жирного мяса, что в первую очередь отражается на качестве бульона.
В процессе тепловой обработки изменяются вкус и запах мясопродуктов, что связано с изменением экстрактивных веществ.
При нагревании из них образуются вещества, обуславливающие вкус и аромат готового продукта.
Вкус и аромат связан о водорастворимыми белками.
Специфический вкус и аромат различных видов мяса (свиного, говяжьего, бараньего или куриного) обусловлен летучими, жирорастворимыми соединениями, образующимися из липидов мяса. Это подтверждается относительным постоянством нелетучих компонентов в мясе всех видов. Между тем как в летучих веществах баранины, свинины, говядины или курятины, подвергнутых тепловой обработке, имеются значительные различия. Например, типичный запах баранины бывает обнаружен только в бараньем жире.
В создании мясного вкуса участвуют такие нелетучие вещества, как инозиновая и глутаминовая кислоты, карнозин и другие.
Очень разбавленные растворы глутаминовой кислоты отличаются сладковатым вкусом.
Из летучих веществ основное значение придается карбонильным соединениям.
Большое значение в отношении улучшения вкуса колбасных изделий, особенно бульона, придается моноглютаминату натрия (кислой натриевой соли глутаминовой кислоты), которую добавляют в количестве 0,1—0,5%.
В процессе варки вследствие превращения при нагревании в слабокислой среде креатина в креатинин увеличивается количество креатинина за счет уменьшений креатина.
Наибольшие количественные и качественные изменения мясопродуктов при варке происходят главным образом в результате выделения воды, при этом потери массы достигают 25-40% и находятся в зависимости от температуры и продолжительности процесса.
Потери массы при варке мяса характеризуются данными (табл.4).

Таблица№4

При варке наиболее существенным изменением является резкое уменьшение влагоудерживающей способности, отражающей денатурацию белков саркоплазмы и миофибрилл.
При варке мяса в кипящей воде наибольшие изменения наблюдаются в первые 30 мин. В течение этого времени извлекается большая часть белков, экстрактивных и минеральных веществ. Потери массы при варке находятся в обратной зависимости от размера куска мяса.
При варке окороков, которая продолжается 4—6 ч, потери достигают 18—20%, а при варке кусков свинины массой 0,4—0,5 кг — 30-35%.
Условия при варке колбасы отличаются большим своеобразием, в связи с тем что мясо претерпело физико-химические изменения в процессе посола и обжарки, и, кроме того, фарш представляет собой смесь, состоящую из: говядины, свинины, шпика, в которую добавлено значительное количество воды, а в отдельные виды некоторое количество муки, фосфата и других добавок.
Благодаря изменениям, которые происходят в натуральной оболочке в процессе обжарки, она становится менее влагонроницаемой. Вследствие этого и коагуляции белков в поверхностном слое батона потери при варке колбас, подвергнутых обжарке, ничтожны по сравнению с потерями мяса при варке в воде даже большими кусками.
При варке колбас во влажном воздухе наблюдалось даже некоторое увеличение массы по сравнению с массой после обжарки.

Вышеназванные процессы в полной форме невозможно описать математическими методами. Однако, методы современных информационных технологий позволяют проводить систематические численные эксперименты по достаточно строгим математическим моделям распространения тепла при нагревании сырых продуктов. Остановимся на уравнении теплопроводности. В качестве коэффициента теплопроводности возьмем значения из таблицы1, например, 0,4540; 0,5560; 0,1500; 0,148. Подставляя их в уравнение теплопроводности, решим конечно-разностную схему для каждого из них в период, необходимых для полной сварки. Для решения этой задачи можно поступить таким образом:

1. Составить программу на одном из алгоритмических языков и провести необходимые расчеты на компьютере с разными значениями времени варки и значений коэффициентов теплопроводности.
2. Использовать одну из распространенных компьютерных математических систем (КМС), например, MATCAD/

Каждый из этих подходов имеет свои достоинства и недостатки. Так, при необходимости проведения серийных расчетов для широкого спектра исходных данных и обеспечения прозрачного установления адекватности численных результатов с экспериментальными, целесообразен 1-подход, а для проведения разовых расчетов-2-подход.

Контрольные вопросы:

1. Какими особенностями обладает процесс варки мяса?

2. Приведите характерные значения /числовые значения/ теплоемкости, теплопроводности и плотности мясопродуктов

3. Какие разделы КМС необходимы для проведения численных экспериментов при исследовании процесса переработки мяса и молока?