Виды сушки продуктов

Для начала скажем что же такое сушка. Сушка — термический процесс принудительного удаления жидкости из твёрдых, жидких веществ или их смесей с помощью испарения. Чаще всего в качестве удаляемой жидкости выступают влага или летучие органические растворители.

Пищевые продукты в процессе хранения претерпевают различные микробиологические, биохимические и ферментативные изменения, которые приводят к их порче. Одним из средств подавления роста микроорганизмов и ферментативной активности является удаление влаги путем естественной или искусственной сушки.

Минимальное содержание влаги, при котором развиваются бактерии – 25-30 %, плесневые грибы – 10-15 %. При высушивании сырья влажность чаще всего доводят до 8-20 %, т.е. до уровня, который препятствует развитию микроорганизмов.

Растительное сырье, как объект сушки, характеризуется большим количеством воды и малым содержанием сухих веществ. Основная часть воды находится в свободном виде и только около 5 % связано с клеточными коллоидами и прочно удерживается. Этим объясняется легкость высушивания плодоовощного сырья до влажности 12-14 % и затрудняет удаление остаточной влаги.

Растительное сырье имеет капиллярно-пористую структуру. Химический состав его представлен углеводами, белками, липидами. В небольших количествах содержатся биологически активные вещества, которые определяют вкус и биологическую ценность сырья: полифенолы, витамины, органические кислоты, минеральные вещества. Эти компоненты наиболее подвержены неблагоприятным изменениям при подготовке продукта  к сушке, а также в процессе самой сушки, что и приводит к снижению биологической ценности готового продукта и изменению его свойств при сушке.

Растительное сырье состоит из клеток. Гидрофильные вещества в клетке находятся в виде водных растворов, гидрофобные – в виде эмульсий и коллоидных растворов. Вода в клетке является средой, в которой протекают все реакции. Распределена она неравномерно. Наибольшее количество воды содержится в паренхимных тканях, меньше в покровных и совсем мало - в семенах. Поэтому очищенное, подготовленное к сушке сырье содержит больше воды, чем исходное.

Большую часть сухих веществ растительного сырья составляют углеводы. Они обусловливают вкусовые качества, консистенцию. Исходя из этого, сушка растительного сырья имеет некоторые технологические особенности. Картофель и бобовые из углеводов содержат преимущественно крахмал, овощи и фрукты – моно- и дисахара: глюкозу, фруктозу, сахарозу. Высокое содержание моносахаров приводит при сушке сырья к реакции меланоидинообразования и потемнению продукта. Кроме этого, высокое содержание сахаров в плодах и ягодах приводит к увеличению продолжительности процесса сушки растительного сырья.

Целлюлоза, гемицеллюлоза,– основные компоненты, которые образуют каркас растительной клетки, в воде не растворяются и при сушке практически не изменяются.

Пектиновые вещества – обладают способностью связывать влагу и увеличивают продолжительность сушки.

Белки при сушке денатурируют, частично гидролизуются, изменяется аминокислотный состав сушеной продукции.

Полифенольные вещества обладают высокой биологической активностью, играют роль в формировании вкуса, цвета, запаха. При технологической обработке часто являются причиной ферментативного потемнения.

Органические кислоты легко растворяются в воде и при мойке (особенно очищенного и нарезанного сырья) наблюдаются значительные их потери.

Витамины являются очень лабильными и чувствительны к изменению температуры и воздействию кислорода. Это необходимо учитывать, как при подготовке растительного сырья к сушке, так и в процессе самой сушки.

Минеральные вещества при сушке практически все сохраняются. Но во избежание их потерь нельзя долго держать в воде очищенное и нарезанное сырье.

Таким образом, растительное сырье представляет собой сложный структурный объект сушки и обезвоживание его без потерь пищевых качеств является очень трудной задачей.

Рассмотрим некоторые виды сушки продуктов.

Конвективная сушка продуктов является одним из наиболее распространённых способов сушки. Развитие подобного оборудования - довольно перспективное направление.

В промышленных масштабах осуществляется сушка овощей, фруктов, мяса, рыбы и других продуктов. Технологические особенности данного процесса позволяют сохранить свойства исходного продукта. Дополнительно ставится задача получения новых качеств в готовом продукте. Для достижения этих целей необходимо соответствующее оборудование.

Для получения сушёных фруктов, овощей, мяса, лекарственных трав, рыбы существует несколько основных способов. Как уже было отмечено выше, наиболее распространённым из них является конвективная сушка.

Передача тепла продукту при конвективной сушке осуществляется с помощью нагретого сушильного агента. Обычно это воздух или перегретый пар. Также могут применяться инертные газы, топочные газы или иные носители тепла. Температура сушильного агента выше температуры высушиваемого продукта. Тепловая энергия передаётся объекту сушки. При этом из него испаряется вода. Её пары уносятся сушильным агентом. В конвективной сушке выделяют:

- конвективную сушку в  слое. Здесь применяются туннельные, камерные, петлевые, шахтные, ленточные, турбинные и валковые сушильные  установки;

- конвективную сушку с  сопловым обдувом;

- конвективную сушку в  полувзвешенном и взвешенном состоянии. Используются барабанные сушилки, сушилки с кипящим слоем, пневматические трубы-сушилки, сушилки с вихревым потоком, распылительные сушилки.

Все установки для сушки продуктов конвективным методом имеют общие принципы работы и довольно простую конструкцию. Удельные затраты энергии такого оборудования довольно высоки. Они могут составлять от 1,6 до 2,5 кВт·ч/кг. Такое энергопотребление усугубляется ещё и тем, что в процессе сушки имеются потери тепла вследствие нагрева самой установки и окружающей среды. При необходимости увеличения производственной мощности сушильного оборудования нужно увеличивать температуру теплоносителя (сушильного агента). В результате есть риск перегреть высушиваемый продукт, что особенно актуально на заключительной стадии сушки, когда большая часть влаги из продукта уже удалена. Следующим недостатком, сильно влияющим на качество готового продукта, является то, что влага испаряется только с поверхности высушиваемого продукта. В результате на этой поверхности образуется плёнка затрудняющая теплообмен. Продукт теряет цвет, вкус и аромат его изменяются, степень восстановления готового продукта снижается. Это в свою очередь сказывается на качестве продукции. Для конвективной сушки характерны высокая температура и значительная продолжительность всего процесса сушки. Результатом этого могут стать окислительные процессы, снижающие содержание витаминов и других полезных веществ в готовом продукте. Плюс первичная микрофлора не уничтожается полностью.

Рис. 1 Конвективная сушильная установка

Принципиальная схема сублимационной сушильной установки, состоящей из сушильной камеры (сублиматора), охлаждаемого конденсатора и вакуум-насоса, соединенных в замкнутую вакуумируемую систему, представлена на рисунке 2.

После предварительного охлаждения конденсатора до заданной отрицательной температуры влажный продукт загружают в сублиматор, систему герметизируют и приводят в действие вакуум-насос.

Содержание первого периода работы установки – периода вакуумирования системы до заданного низкого давления—зависит от состояния загружаемого продукта, подлежащего сушке (замороженный, или с положительной температурой). Если в сублиматор помещен влажный продукт с положительной температурой, при вакуумировании системы происходит интенсивное испарение влаги с его поверхности. При отсутствии теплоподвода к продукту теплота, необходимая дли испарения, отбирается от самого продукта, происходит его охлаждение, а затем замораживание не содержащейся в нем свободной влаги и дальнейшее охлаждение замороженного продукта до отрицательной температуры, при которой устанавливается равновесие между давлением пара над поверхностью испарения и давлением в окружающем вакуумированном объеме. Этот процесс принято называть самозамораживанием продукта.

 Если в сублиматор помещают предварительно замороженный продукт, начальный период вакуумирования объема может сопровождаться сублимацией льда с открытой поверхности лишь при условии, что давление пара в окружающей среде меньше давления пара, соответствующего температуре продукта, до установления равновесия.

В том и другом случае дальнейший процесс сублимации льда возможен только при нарушении этого равновесия. Поэтому, после того как будет достигнут нужный вакуум в системе и установится соответствующая ему отрицательная, температура продукта, начинают подводить к продукту тепло, за счет которого осуществляется процесс сублимационной сушки. При подведении тепла сначала происходит сублимация льда из зоны, непосредственно прилегающей к открытой поверхности продукта. Интенсивность сублимационной сушки (количество влаги в килограммах, удаляемой с 1 кв.м. высушиваемого продукта в час) определяется количеством тепла, воспринимаемого этой зоной продукта, условиями удаления пара от поверхности продукта и его исходными свойствами.

В дальнейшем зона сублимации постепенно углубляется в толщу продукта, и образующийся пар на пути к открытой поверхности преодолевает сопротивление уже высохшего слоя.

В течение некоторого времени замедляющее действие этого сопротивлении компенсируется увеличением действительной поверхности испарения за счет углубления зоны сублимации, поэтому интенсивность процесса сушки не изменяется. Затем в ходе сушки толщина слоя подсохшего продукта над зоной сублимации увеличивается, сопротивление этого слоя подводу тепла в зону сублимации и удалению пара из нее также увеличивается, процесс парообразования замедляется, и интенсивность сушки снижается.

Режим и скорость перемещения пара по капиллярам высохшего слоя зависят от их размеров, формы и расположения, температуры продукта и разрежения в системе. Перемещение пара, вероятно, сопровождается адсорбцией части его высохшим слоем, обладающим высокой гигроскопичностью, с последующим вторичным выделением пара за счет затраты дополнительной теплоты десорбции, подводимой к поверхностным слоям.

Вследствие уменьшения самоохлаждения продукта при снижающейся интенсивности парообразования температура продукта начинает повышаться. Зона сублимации, углубляясь, достигает центрального слоя продукта, и, наконец, возгоняется весь лед, содержавшийся в образце.

Завершение процесса сублимационной сушки происходит, когда температура всего продукта становится положительной. К этому времени в продукте остается главным образом связанная влага, для удаления которой требуется повышенный расход энергии. Однако подвод тепла в толщу подсохшего, ставшего пористым, продукта затруднен. Поэтому последний период процесса – досушивание материала до заданной конечной влажности – происходит при снижении скорости сушки и непрерывном повышении температуры продукта.

Теплоподвод прекращают после того, как материал во всем объеме нагреется до наибольшей, допустимой для него температуры. Опытом установлено, что при повышении температуры продуктов к концу периода удаления остаточной влаги до 30…60˚С (в зависимости от свойств продукта) качество их не ухудшается.

Сушку заканчивают по достижении заданной влажности продукта (обычно около 2%). После этого нарушают вакуум в системе, и готовый продукт выгружают для упаковки.

Радиационная сушка делится на два вида – инфракрасная и микроволновая сушка.

Инфракрасные сушильные установки – устройства, работающие в инфракрасном диапазоне световых волн, предназначенные для быстрого высушивания изделий покрытых, например: краской, лаком или слоем грунта.

Грубо говоря, инфракрасный излучатель – это тот же самый бытовой обогреватель с открытой спиралью накала, но ИК-сушка по сравнению с обогревателем отличается геометрией и конструкцией. Инфракрасные сушильные установки, как правило, изготавливаются с использованием более эффективных ИК-излучателей, которые помещаются в специальный направляющий (зеркальный) прожектор. ИК-сушки более технологичны и просты в эксплуатации по сравнению с сушильными аппаратами, использующими конвективный метод сушки.

Технология микроволновой сушки продуктов на сегодняшний день не имеет аналогов в мире. Это тот редчайший случай, когда серьезная оборонная технология, минуя науку и многочисленные отрасли хозяйства, начала применяться в бытовой технике и только потом завоевала различные области промышленности. Сегодня с помощью микроволнового излучения решаются многие серьезные задачи не только пищевой, но и легкой, химической и деревообрабатывающей промышленности, а также многих отраслей животноводства и растениеводства. Микроволновое оборудование широко применяется для быстрой сушки и безтемпературного консервирования овощей, фруктов, зелени, мяса, рыбы, зерна и других продуктов, а также для получения натуральных пищевых красителей. В сфере производства стройматериалов микроволновые технологии используются при изготовлении кирпича, для склеивания и сушки древесины; в легкой промышленности микроволновая сушка продуктов нашла свое применение в процессе высушивания овечьей шерсти и хлопка-сырца; в фармакологии с помощью микроволнового оборудования сушатся лекарственные растения.

В настоящее время метод микроволновой сушки является неотъемлемой частью многих технологических процессов. Заключается он в интенсивном воздействии на продукт или иной материал электромагнитного излучения сверхвысокой частоты - СВЧ. Уникальность этого метода состоит в том, что при воздействии СВЧ-излучения разогревается одновременно весь продукт, а не только его поверхность, поэтому при сушке микроволновым методом происходит не только удаление влаги из продукта, но и выравнивается влажность по всему объему. Простота использования микроволнового оборудования позволяет существенно сократить и удешевить технологический процесс сушки, что, в свою очередь, снижает себестоимость готового продукта.