На правах рукописи
БЕЛЯЕВА МАРИНА АЛЕКСАНДРОВНА
Многокритериальная оптимизация процессов тепловой обработки мясных полуфабрикатов при ИК-энергоподводе
Специальность: 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств
05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка
информации (по отраслям )
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени доктора
технических наук
МОСКВА 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет прикладной биотехнологии» (ГОУ ВПО МГУПБ)
Научные консультанты:
д-р техн. наук, проф. Геннадий Вячеславович Семенов
д-р техн. наук, проф. Юрий Алексеевич Ивашкин
Официальные оппоненты:
д-р техн. наук, проф. Юрий Михайлович Плаксин
д-р техн. наук, проф. Олег Васильевич Большаков
д-р техн. наук, проф. Игорь Николаевич Дорохов
Ведущая организация – Государственное научное учреждение
Всероссийский научно-исследовательский институт
мясной промышленности им. В.М. Горбатова
Российской академии сельскохозяйственных наук
Защита состоится « ______ »______________________2009 г. в ______часов на заседании Диссертационного совета Д 212.149. 05 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет прикладной биотехнологии» по адресу: 109316, Москва, ул. Талалихина, д. 33, конференц-зал
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета прикладной биотехнологии и веб-сайте МГУПБ www/:msaab.ru
Автореферат разослан « ______ »______________________200 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент В.В. Мотин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
На современном этапе развитие рыночных отношений и предпринимательской активности населения привело к резкому увеличению в стране сетей мелких и средних предприятий общественного питания. Их насчитывается порядка сотен тысяч, и объемы реализации только в Москве превышают 40 млн. долл. США в месяц. Значительный удельный вес в технологии приготовления продуктов питания с использованием мясного сырья занимает тепловая обработка в различных греющих средах и условиях энергоподвода. Для этого широко используются пароконвектоматы, микроволновые печи с режимами СВЧ-нагрева, комбинированные с СВЧ- и последующей ИК-обработкой, режимы «Гриль», при которых продукты подвергают воздействию инфракрасного облучения.
Наряду с предприятиями общественного питания, на мясокомбинатах при производстве мясных продуктов, таких как карбонад, мясные хлебы и другие также широко используется инфракрасный нагрев.
Однако в сложившейся ситуации на пищевых предприятиях среднего и малого бизнеса во многих случаях применяется устаревшее оборудование различных фирм-производителей, либо кустарного производства. При этом режимы тепловой обработки зачастую далеки от рациональных, следствием чего является перерасход электроэнергии и неудовлетворительное качество готовых пищевых продуктов.
В связи с этим становится актуальной и своевременной проблема системных исследований и разработки, научно обоснованных рациональных режимов подвода энергии в процессах термообработки мясных полуфабрикатов, повышения технического уровня аппаратурного оформления, условий эксплуатации, резервов экономии электроэнергии и обеспечение заданного стабильного уровня качества готовой продукции. Поэтому дальнейшее развитие таких электрофизических методов как электротермия (ВЧ и СВЧ, инфракрасный нагрев, электростатическое поле, ультразвук, импульсная техника) для интенсификации процессов теплообмена и совершенствования аппаратов, в которых осуществляется тепловая обработка, является социально значимым и актуальным.
В теорию и практику изучения электрофизических методов в различных пищевых технологиях внесли отечественные ученые Б.М. Азаров, Л.Я. Ауэрман, В.Я. Адаменко, И.Ю. Алексанян, В.С. Баранов, А.С. Большаков, А.А. Буйнов, И.Н. Владавец, М.П. Воларович, Н.А. Воскресенский, А.Н. Вышелесский, А.С. Гинзбург, Н.А. Головкин, А.В. Горбатов, В.С. Грюнер, Э.А. Гуйго, А.И. Жаринов, Ю.С. Заяс, С.Г. Ильясов, Э.И. Каухчшвили, В.В. Красников, С.В. Некрутман, Ю.М. Плаксин, И.А. Рогов, В.И. Хлебников и др.
Интенсивное развитие прикладной биотехнологии, информационных технологий, системного анализа и математических методов создало объективные предпосылки для нового уровня понимания физической природы, аналитического описания и численной реализации процессов тепломассопереноса при тепловой обработке сырья животного и растительного происхождения. Это позволяет научно обосновать возможность получения новых продуктов с заданным составом при использовании нетрадиционных видов воздействия тепла, а также возможность управления процессами на всех стадиях производства пищевых продуктов.
На современном этапе в трудах отечественных и зарубежных ученых (Э.Э. Афанасов, А.А. Артиков, Л.С. Гордеев, И.Н. Дорохов, Ю.А. Ивашкин, В.В. Кафаров, В.П. Мешалкин, В.В. Митин, Н.С. Николаев, И.И. Протопопов, И.А. Рогов, С.А. Рыжов, P. Ваuer, W. Erikson, P.Eykhoff, Q.Hall, F. Krause, R. Madsen, R. Meier, E.Olsen, H. Roberts, E. Shulze и др.) сформулированы общие принципы системного анализа, математического моделирования и оптимизации химико- и биотехнологических процессов, принципы накопления интегрированной базы знаний, развития основ методологии системно-аналитического подхода в прикладной биотехнологии.
В 60-х годах были изданы монографии Г. Карслоу и Д. Егера, А. Фридмана, А.В. Лыкова и А.А. Гухмана, содержащие полное и систематическое изложение феноменологического метода в теории переноса. Значительный вклад в развитие теории термической обработки мяса и мясопродуктов внесли работы А.М. Бражникова
Однако ставшие классическими аналитические методы решения задач тепломассопереноса в виде бесконечных рядов с множеством номограмм и таблиц мало пригодны для анализа и прогнозирования состояния процесса в гетерогенных и многокомпонентных продуктах из-за сложности математических зависимостей и многостадийных вычислений. Приближенные методы решения уравнений тепломассопереноса, позволяющие получить результат в относительно простом виде, связаны с большим количеством допущений и сведением к частным упрощенным случаям.
Вместе с тем процессы теплового воздействия на биохимические изменения в поверхностных и глубинных слоях мясного продукта различны, объективные данные о влиянии тепломассообмена на пищевую и биологическую ценность и динамику послойного распределения изменений биохимического состава продукта в литературе отсутствуют. Проведенные нами исследования показали, что сегодня для обобщенной количественной оценки тепломассообменных процессов и математического описания происходящих при этом распределенных биохимических изменений в объектах обработки более эффективными являются методы системного анализа.
В связи с этим возникает необходимость создания информационных технологий системного анализа состояний и изменений в мясопродуктах в процессах тепломассопереноса с выходом на оптимальные режимы, обеспечивающие максимальное сохранение пищевой и биологической ценности при нагреве. В этом направлении решение проблемы интенсификации современных технологий связано с разработкой компьютерной знание-ориентированной системы на основе численных методов моделирования и оптимизации тепломассообменных процессов при тепловой обработке биосырья в общей структуре технологической системы. Такой подход обеспечивает достижение режимов ресурсосбережения и получения продукта заданного качества с прогнозируемыми показателями пищевой и биологической ценности.
В диссертации обобщены результаты научных исследований за период 1990–2009 гг., выполненные лично автором, а также под его руководством. Работа выполнялась по договору Министерства высшего и среднего специального образования Республики Узбекистан и Министерства образования и науки Российской Федерации по линии международного образования и сотрудничества (постановление Правительства Российской Федерации от 04.11.2003, № 668).
Автор выражает глубокую признательность Президенту Московского государственного университета прикладной биотехнологии академику РАСХН, д.т.н., профессору И.А. Рогову за содержательные консультации и поддержку при выполнении данной научно-исследовательской работы; ректору академику РАСХН, д.т.н., профессору Е.И. Титову за моральную поддержку и созданные условия при выполнении диссертационной работы; проректору по научной работе д.т.н, профессору Г.В. Семенову и заведующему кафедрой «КТиС» д.т.н., профессору Ю.А. Ивашкину за научные обсуждения и консультации в процессе работы над диссертацией, а также сотрудникам кафедры «ТОПО» и «КТиС» за конструктивную помощь при выполнении научной работы.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является многокритериальная оптимизация тепломассообменных процессов с учетом массовых превращений компонентов пищевой и биологической ценности мясных полуфабрикатов, прогнозирования качества готовых продуктов на основе системного анализа, компьютерных технологий и разработки практических решений по конструкциям высокоэффективных тепловых аппаратов, управлению режимными параметрами процесса термического воздействия.
Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:
- развитие физической модели тепломассообмена в процессах инфракрасных тепловых воздействий с учетом массовых превращений показателей пищевой и биологической ценности биопродукта;
- разработка иерархической структуры системных исследований процессов тепловой обработки мясных полуфабрикатов при ИК-энергоподводе;
- экспериментальные исследования физико-химических показателей, микробиологических явлений и эффектов, микроструктуры, закономерностей тепломассообмена по уровням иерархии в мясных полуфабрикатах в сравнительном анализе при ИК- и СВЧ-нагревах;
- математическое описание массовых превращений показателей пищевой и биологической ценности как функции тепловых воздействий и создание на этой основе расширенной модели тепломассообменных процессов с учетом изменений массовых долей биологических компонентов;
- экспериментальные исследования технологических критериев эффективности тепловой обработки мясных полуфабрикатов;
- разработка критериев многоуровневой оптимизации минимизации потерь пищевой и биологической ценности: амино- жирных кислот и витаминов;
- разработка алгоритмов математического моделирования и многокритериальной оптимизации процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов на различных уровнях иерархии оценок;
- разработка структурно-параметрической модели прогнозирования качества готового продукта при оптимальных параметрах ИК-энергоподвода с учетом параметров биосырья, технологии и особенностей аппаратурного оформления процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов;
- разработка информационной технологии и компьютерной системы поддержки принятия оптимальных решений в управлении процессом тепловой обработки мясных полуфабрикатов;
- разработка рекомендаций и технических решений по проектированию оптимальных процессов тепловой обработки мясных продуктов и высокоэффективных аппаратов ИК-нагрева.
Концептуальная направленность диссертации состоит в разработке оптимальных режимных параметров процесса, обеспечивающих максимальное сохранение пищевой и биологической ценности готовых продуктов при ИК-нагреве.
На защиту выносятся:
- физическая модель процесса ИК-нагрева, описывающая тепломассообмен и изменения массовых долей биологических компонентов мясных полуфабрикатов;
- иерархическая структура комплекса изменений физико-химических, микробиологических, тепломассообменных процессов в мясных полуфабрикатах при ИК-нагреве;
- результаты комплексных экспериментальных исследований физико-химических закономерностей качественных показателей процесса тепловой обработки на различных уровнях иерархической структуры, а именно: изменение амино- и жирнокислотного составов, витаминов, минеральных веществ и микроструктуры в сравнительном анализе при ИК- и СВЧ-нагревах, исследование полей температур, влажности мясных полуфабрикатов и мясных рецептурных композиций с растительными добавками, кинетики процесса нагрева и обезвоживания с целью прогнозирования режимов тепловой обработки в заданном интервале для получения продукта требуемого качества;
- система критериев многоуровневой оптимизации пищевой и биологической ценности мясных полуфабрикатов;
- модели и алгоритмы многокритериальной оптимизации тепло-массообменных процессов ИК-обработки мясных полуфабрикатов;
- методология структурно-параметрического анализа и прогнозирования качества готовых продуктов при оптимальных режимах тепловой обработки мясных полуфабрикатов с использованием инфракрасного энергоподвода;
- информационная технология и программная реализация режимных параметров процесса во взаимосвязи с технологическими критериями качества и критериями по минимизации потерь пищевой и биологической ценности;
- рекомендации по рациональным режимным параметрам и аппаратурному оформлению процессов производства мясных полуфабрикатов с применением инфракрасного энергоподвода.
Научная новизна
- разработана методология иерархического многоуровневого системного анализа тепломассообменных процессов и изменений массовых долей ингредиентов, определяющих пищевую ценность продукта, и компонентов, определяющих биологическую ценность, при инфракрасной тепловой обработке мясных полуфабрикатов;
- предложена физическая модель тепломассопереноса с учетом изменений массовых долей биологических компонентов мясных полуфабрикатов при инфракрасных тепловых воздействиях и на ее основе разработана расширенная математическая модель тепломассообменных процессов во взаимосвязи с массовыми превращениями ингредиентов пищевой и компонентов биологической ценности мясных полуфабрикатов при тепловой обработке;
- получены полиномные зависимости, описывающие динамику биохимических изменений амино- и жирнокислотного составов, витаминов, белковых и липидных фракций мясных полуфабрикатов в процессе тепловой обработки;
- разработаны критерии многоуровневой оптимизации по оценке потерь пищевой ценности: белков, жиров, влаги; белковых и жировых фракций мышечной ткани; биологической ценности: аминокислот, жирных кислот и витаминов;
- разработаны алгоритмы имитационного моделирования и многокритериальной оптимизации процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов для различных уровней системного анализа с минимизацией изменений белковых и жировых фракций мышечной ткани, амино- и жирокислотного составов, микроэлементов и витаминов при инфракрасном энергоподводе;
- разработаны структурно-параметрическая модель, информационная технология анализа и прогнозирования процесса ИК-обработки мясных полуфабрикатов как большой многофакторной технологической системы;
- разработана компьютерная экспертная система проектирования оптимального процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов по критериям минимальных потерь ингредиентов пищевой и компонентов биологической ценности.
Практическая значимость и реализация результатов работы
- оптимальные режимы процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов и мясных композиций в условиях ИК-облучения, учитывающие влияние тепломассообменных процессов на пищевую и биологическую ценность мясных изделий;
- рекомендации по конструкции печи с инфракрасными излучателями с варьированием различных вариантов тепловой обработки;
- программный комплекс компьютерной системы моделирования, оптимизации и управления качеством мясных полуфабрикатов в процессе тепловой обработки по параметрам пищевой и биологической ценности с учетом тепло-массообменных процессов в рабочей камере ИК-печи.
Оптимальные режимные параметры тепловой обработки мясных полуфабрикатов и конструкция ИК-печи внедрены на Выхинском колбасном заводе «Рус-Агро-Люкс-М», на OOO «Андреевские колбасы», Можайском, Таганском и Сергиево-Посадском мясокомбинатах.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований защищены патентами Российской Федерации и внедрены в учебный процесс по подготовке специалистов по направлениям: 240901 – Биотехнология; 260100 – Технология продуктов питания; 260301 – Технология мяса и мясных продуктов; 260303 – Технология молока и молочных продуктов; 230102 – Автоматизированные системы обработки информации и управления.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на III, IV, V, VII Международных научных конференциях «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2004, 2005, 2006, 2008); на 5-ом Международном симпозиуме по химии природных соединений (Ташкент, 2003); на ХVI и ХХ Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2003; Ярославль, 2007); Международной научно-технической и практической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения» (Ташкент, 2003); Международной конференции «Инновация – 2003» (Ташкент, 2003); в Центральном доме ученых Российской Академии наук (Москва, декабрь, 2004); на Всероссийской научно-практической конференции «Качество и безопасность сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов» (Углич, 2004); на II и III– й Всероссийской конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика» (Санкт-Петербург, 2005, 2007); на II, III, IV Международных научно-технических конференциях AIS`06, 07, 08 CAD «Интеллектуальные системы» и «Интеллектуальные САПР» (Дивноморское, 2006, 2007, 2008); на Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEV и технологии National Instruments» (Москва, 2007, 2008); на II- й Международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (Воронеж, 2007); на Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» в рамках Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2008); на V Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009); на III-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008 (Москва-Тамбов–2008).
Публикации
По результатам исследований опубликовано 117 научных и методических работ, 86 из которых представлены в автореферате, в том числе 3 монографии, научные статьи и материалы, изданные в научных периодических международных и российских журналах «Химия природных соединений», «Пищевая промышленность», «Мясная индустрия», «Хранение и переработка сельхозсырья», «Вопросы питания», «Системы управления и информационные технологии», «Известия ВУЗов. Пищевая технология», отраслевом журнале «Все о мясе», трудах международных и всероссийских конференциях. Новизна технических и технологических решений отражена в патентах и официальных регистрациях программ для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, девяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 461 наименование, из них 54 зарубежных, основных обозначений и сокращений. Работа изложена на 377 стр. основного текста, содержит 57 таблиц, 119 рисунков и приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы создания высокоэффективных инфракрасных технологий, интенсифицирующих процесс тепловой обработки мясных полуфабрикатов и мясных композиций, дан анализ применения инфракрасного нагрева в пищевом производстве, сформулирована цель исследования, показана необходимость многокритериальной оптимизации тепломассообменных процессов с учетом изменений биологических компонентов мясных продуктов.
В первой главе дан анализ существующих проблем оптимизации и интенсификации процессов получения высококачественных продуктов питания. Проанализированы способы, современное оборудование и аппараты для тепловой обработки пищевых продуктов, в том числе мясных продуктов.
Логика построения системных исследований отражена на рис.1.
Рис. 1. Схема проведения системных исследований тепловых процессов
Проведена систематизация аппаратов для тепловой обработки мясопродуктов с применением ИК-энергоподвода. Дан анализ существующих моделей оптимизации, прогнозирования и управления качеством изделий. Рассмотрены физические и численные методы исследования процессов тепломассообмена в пищевых продуктах, системные исследования в области интенсификации тепловых процессов.
Сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрена методология системного анализа тепловой обработки мясных полуфабрикатов, иерархическая структура тепло-массообменных процессов и биохимических массовых превращений. При этом процесс тепловой обработки с его физическими элементами (рис. 2) представляется в виде структурно-параметрической модели и системы взаимосвязанных параметров, взаимодействующих элементов и подсистем и в то же время в виде подсистемы некоторой внешней технологической системы, рассмотрение которой сводится к следующим этапам:
1. Описание внешней системы (внешней среды, инфраструктуры), в которую исследуемый процесс входит в качестве составного элемента.
2. Разработка крупноблочной модели матрицы технологической системы, каждый блок которой описывает параметры состояния функциональных подсистем и их локальные и общие цели.
3. Детализация элементов крупноблочной матрицы, в которой каждый диагональный блок может быть разделен на более мелкие составные элементы или подсистемы с детализацией внешних факторов, и их влияний на элементы и подсистемы;
4. Составление параметрических моделей структурных элементов системы в виде набора векторов входных и выходных факторов и параметров состояния и заполнение главной диагонали структурно-параметрической матрицы системы векторами параметров состояния и наблюдения.
5. Определение сопоставимых характеристик связей и взаимодействия между элементами, блоками и подсистемами большой системы методами факторного анализа, планирования эксперимента, экспертных оценок и другими, в зависимости от глубины априорных данных о природе вещей.
| ИК-излучатель (мощность излучения, длина волны) |
| тепловой поток (плотность, интенсивность лучистого потока) |
| Тепломассоперенос (теплоотдача, теплопроводность, массопроводность, массотдача) |
| Биохимические превращения (белки, жиры, белковые и жировые фракции, амино- и жирные кислоты, витамины) |
Рис. 2. Физическая модель и элементы процесса тепловой ИК-обработки
Такой подход к сложной технологической системе позволяет составить иерархическую структуру тепломассообменных процессов и массовых превращений на девяти взаимосвязанных уровнях.
Первый уровень – это изменения, происходящие с амино- и жирными кислотами, витаминами, минеральными веществами в процессе тепловой обработки; изменения массовых долей ингредиентов, связанные с денатурацией: – переходом полипептидных цепей в моноструктуры; изменение энергии связи молекул и их массовых долей, реакция меланоидинообразования, экзо- и эндотермические эффекты, деструкция; распад глютамина, в результате чего пептиды, полипептиды распадаются на аминокислоты, воду, сульфгидрильные и кислотные группы; углеводы – на моносахариды (глюкозу, рибозу); моно-, ди-,триглицериды жирных кислот – на жирные кислоты.
Второй уровень иерархии представляют влияние процессов тепловой обработки на биохимические и микробиологические процессы, а также химические превращения: денатурация белков (саркоплазматических и миофибриллярных), переход белковых фракций в полипептиды и пептиды, плавление липидов; гидролиз компонентов мяса, в результате которого нуклеиновые кислоты распадаются на пириновые и пиримидиновые основания (нуклеотиды), белок – хромопротеид на глобин-гемовые группы, миозин на Н-меромизин, L-меромизин, актин на F-актин, Г-актин, липиды жировой ткани на моно-, ди-, триглицериды.
Третий уровень иерархии описывает процессы и явления при тепловой обработке, происходящие:
- в структурных элементах органелл клеток животного и растительного происхождения, а именно: ферментах, витаминах, макроэнергетических соединениях, нуклеиновых кислотах, белках, липидах, фосфолипиде, миоглобине, глобулин-Х, миогене, низкомолекулярных веществах, гликогене, в белковых фракциях: толстых нитях миозина, тонких нитях – актине, тропомиозине, нуклеопротеидах, АТФ-азе, миокиназе, рибонуклеазе, дезоксирибонуклеазе, фосфатазе, катепсинах, мембране (бислое), углеводах;
- в ДНК и РНК, содержащихся в органеллах и мембранах (биохимические, физико-химические, микробиологические, тепломассообменные процессы на уровне органелл клеток: изменение конформации структуры белка; переход из третичной структуры в двоичную; разрушение водородных мостиков, ковалентных связей, приводящих к образованию белковых фракций; инактивация ферментов, микроорганизмов, разрушение витаминов, транспорт через клеточные мембраны; а также повышение температуры в элементах клетки, гидратация, энерговыделение и поглощение от сорбционного взаимодействия и разрушения связей.
Четвертый уровень – это явления и эффекты, имеющие место при тепловой обработке в клетках животного и растительного происхождения. На данном уровне происходят биохимические, фазовые процессы, массообмен клеточного вещества с клеточной мембраной, растворение веществ, физико-химические процессы, разрушение физико-химических связей, теплообмен на уровне клетки, конформационные изменения структуры клетки, мембранные эффекты, изменение свойств оболочки клетки и содержания иммобилизованной влаги, специфические эффекты, связанные с поглощением и выделением теплоты.
Пятый уровень составляют процессы, протекающие при тепловой обработке в тканях мяса, в растительных компонентах, биохимические процессы, процессы внутреннего тепломассопереноса; а также коллоидные, микробиологические процессы, технологическим результатом которых являются: гидролиз, массообмен, теплообмен между компонентами, агрегирование, связывание свободной влаги, коагуляция и деградация тканей.
Шестой уровень описывает происходящие вследствие тепловой обработки биохимические процессы, внутренний тепломассоперенос, коллоидные, микробиологические процессы в рецептурно-ингредиентном составе мяса.
Седьмой уровень представляют тепломассообменные, биохимические, микробиологические, фазовые процессы, рассматриваемые в элементарном выделенном объеме (слой или ячейка биологической среды продукта), процессы, происходящие как внутри ячейки, так и в компонентах растительного происхождения, а также между ячейками, теплоотдача на границах ячеек, массоотдача верхнего слоя в среду рабочей камеры, процессы, обеспечивающие структурирование мясных систем.
Восьмой уровень характеризует превращение полуфабриката в продукт в результате теплообменных, массообменных, фазовых, микробиологических процессов, а также объемно-физических превращениях, технологическим результатом которых являются изменение структурно-механических свойств, рост объема, изменение давления, плотности, снижение водосвязывающей способности и содержания микроорганизмов.
Девятый уровень отражает процесс тепловой обработки в технологической среде: взаимосвязь между продуктом как гетерогенной биосистемы, аппаратом и воздушной средой камеры. Рассматривая явления и эффекты этого уровня, можно зафиксировать реальную динамическую обстановку в аппарате и проанализировать теплообмен внутри камеры.
Предлагаемая иерархическая структура системных исследований технологического процесса тепловой обработки, состоящая из девяти взаимосвязанных уровней, определяет многообразие задач системного анализа физических явлений в условиях ИК-облучения с формализацией множества параметров состояния элементарных процессов и функциональных связей между ними на разных уровнях и последующим построением обобщенной модели процесса тепловой обработки мясных изделий с учетом массовых превращений и конструктивных особенностей аппаратурного оформления.
При формализованном описании процесса используется принцип структурной декомпозиции, последовательное выделение системных объектов на разных иерархических уровнях с параметрическим описанием процесса в виде множества параметров состояния и причинно-следственных связей и отношений различной физико-химической и биологической природы. Априорная информация о физико-химических и биологических объектных особенностях нами формализована в виде взаимных влияний эффектов и явлений в локальном объеме (тонкий слой, ячейка, микроуровень), а также в масштабе аппарата в целом (макроуровень).
В результате многоуровневого анализа процесса тепловой обработки мясопродуктов предложено структурно-параметрическое описание технологической системы в виде упорядоченного в матричной форме множества параметров и причинно-следственных взаимосвязей между ними. Это позволяет идентифицировать и прогнозировать состояние системы на разных уровнях и технологических этапах.
В третьей главе рассматривается общее решение задач моделирования тепломассопереноса. Существующие аналитические и численные методы полного описания динамики распределенных параметров тепломассообмена на основе системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса для обобщенных переменных в критериальной форме при любых условиях делают их практически неприемлемыми для вычисления тепловых и влажностных полей и определения оптимальных технологических режимов. Аналитическое решение уравнений при любых условиях представляется сложным разложением в ряд значений температуры, влажности и многостадийными вычислениями.
Для численного решения задачи необходимо знать параметры внутреннего переноса энергии и вещества, критерии внутреннего переноса тепла и влаги (температуропроводность, термоградиентный критерий Поснова, суммарный критерий фазового перехода). В случае представления тонкослойных мясных изделий в виде пластины, т.е. при условиях ( 0 < х < и d< l), считая образец полубесконечным тонким стержнем, можно воспользоваться методикой И.А. Рогова и С.В. Некрутмана для одномерной задачи. Критерии внутреннего переноса тепла и влаги можно рассчитать по кривым изменения температуры и влагосодержания.
Наряду с аналитическим решением критериальных уравнений для пластины, для мясопродуктов цилиндрической и прямоугольной форм можно использовать систему дифференциальных уравнений тепломассопереноса в параметрическом виде:
( 1 )
где t – температура продукта, К; – время, с; U – влагосодержание, %; 
– коэффициенты температуропроводности и влагопроницаемости, м2/c; 
– критерий фазового перехода «жидкость – пар»; 
– удельная теплота парообразования, Дж/кг; 
– удельная теплоемкость продукта, Дж/кг·К; – мощность объемного, равномерно распределенного источника тепла, Bm; – плотность вещества продукта, кг/м3;
– коэффициент термодиффузии, кг / К.
эта общепризнанная система позволяет без упрощений с заданной точностью исследовать процесс тепловой обработки мясопродуктов с помощью конечно-разностной имитационной модели тепломассообменного процесса в цилиндрических координатах: r - радиус, z - высота нагреваемого тела продукта:
( 2 )
где ti,j,k, Ui,j,k – температура и влагосодержание в i, j-й точке нагреваемого тела в k-й момент времени; h = h2/ (4·a) – шаг по времени, с; h – шаг пространственной сетки, м.
Граничные условия на боковой и торцевой поверхностях продукта цилиндрической формы для симметричного нагрева записываются условиями третьего и второго рода, для одной четверти осевого сечения цилиндра в конечно-разностной форме имеют вид:
– для теплообмена:
( 3 )
где 
– коэффициент теплоотдачи, Вт/м·K; – коэффициент теплопроводности, Вт/м·K;
– для массообмена:
( 4 )
где 
, 
– коэффициенты влагоотдачи (массоотдачи) и влагопроводности.
Для мясопродуктов неопределенной конфигурации можно использовать ячеечный метод в различных постановках задач моделирования и оптимизации тепломассообменных процессов при тепловой обработке мясных изделий как сложной биологической среды на основе их структурно-параметрического и математического описаний на разных уровнях системного анализа.
Проводимый нами в качестве следующего этапа системный анализ эффективности процесса и возможностей интенсификации тепловой обработки биопродуктов животного происхождения, в первую очередь, базируется на математическом описании процессов 1, 2, 8 и 9-го уровней структуры технологической системы.
На основе теплового баланса процесс тепловой обработки можно описать ячеечным методом послойного моделирования температурных и влажностных полей внутри нагреваемого продукта в зависимости от плотности лучистого потока:
Q общ = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5, ( 5 )
где Qобщ – энергия, сообщаемая облучаемому материалу, Дж; Q1– теплота, затрачиваемая на нагрев материала, Дж; Q2 – теплота, затрачиваемая на испарение влаги, Дж; Q3 – отдача тепла нагреваемым материалом в окружающее пространство, Дж; Q4 – расход тепла на плавление жира, Дж; Q 5 – расход тепла на конструкцию, Дж.
Для разработки ячеечной модели объект исследования – мясной полуфабрикат (например, бифштекс рубленый) высотой z, разбивается по высоте на элементарные объемы – ячейки или условно принятые слои с заданным шагом z. Изменение температуры t по высоте продукта z и по времени рассматриваем как функцию t = f ( z, ) для элементарных объемов или ячеек ti,j = f ( z, ), определяемую из уравнения динамики нагрева в дифференциальной форме:
d Qi,j / d = Q i,j – Q i, ( j - 1) ( 6 )
где Qi,j – количество тепла, входящего в j-ю ячейку в i-й момент времени, Дж/с;
Q i, (j - 1) – количество тепла, выходящего из j–1-й ячейки, Дж/с.
После соответствующих математических подстановок и преобразований получаем математическое описание процесса теплообмена в элементарной ячейке:
t i,j = [( q i · F·z ·r + m ·F·r ·(t i,j-1 - ti,j+1) + mя· cm · zi, j·r ·(t i,j-1 - ti,j+1)] /
(2 m ·F·r + mя ·cm · z·r ), ( 7 )
где t i,j – температура j-й ячейки в i-й дискретный момент времени, K; qi – плотность лучистого теплового потока, Вт/м; F – площадь поверхности элементарной ячейки, м; r z – высота ячейки, мм; – время тепловой обработки, с; z – высота продукта, м; m – теплопроводность мяса, Вт/м ·К ; cm – теплоемкость мяса, Вт/кг·K; mя – масса ячейки, кг.
Ячеечная модель, описывающая влажностные поля в условно многослойном мясном изделии, отражает уменьшение средней влажности в j-м слое образца до равновесной, вследствие испарения влаги преимущественно из поверхностных слоев.
Процесс влагопереноса в элементарной ячейке j-го слоя нагреваемого изделия описывается уравнением:
dU i,1 /d = (– ·F·(U1 – Up) + kDt·( U i,1 – U i,2)) / (mя · (1 – U1 2 )) ; ( 8 )
где – коэффициент массоотдачи, кг/с·м2; U1 – начальная концентрация влаги в поверх-
ностном слое изделия, %; Up – равновесное влагосодержание над поверхностью материала, %; kDt – коэффициент массообмена, кг/с; mя – масса ячейки, кг; F – площадь поверхности продукта, м2.
Коэффициент зависит от энергии и характера связи влаги с материалом, а также от теплофизических характеристик материала.
Изменение концентрации влаги в центре U i, j м и нижнем слое U i,1 мясного изделия описывается уравнениями:
dU i j / d = ( kDt · ( U i, j – 1) - 2·Ui.j + Ui,j + 1))) / mя ·(1 – U j2 ) ; j = 2,n-1 ( 9 )
dU i,n / d = ( 2· kDt ·( U i,n-1 – U i,n )) /m я·(1 – Un2 )
где Ui,j-1,Uij+1– концентрация влаги предыдущего и слоев последующего мяса, %.
Дальнейшие аналитические исследования и интенсификация тепловой обработки биопродуктов с сохранением их пищевой и биологической ценности, качества и безопасности связаны с расширением понятия тепло-массовых превращений, включающем изменения массовых долей биологических компонентов продукта в процессе нагрева и построением расширенной ячеечной модели тепломассопереноса. Эта модель не учитывает геометрию продуктов и преемственна для описания мясопродуктов разной конфигурации, наиболее универсальна для численного просчета и оптимизации температурно-влажностных полей.
В четвертой главе рассматриваются вопросы влияния инфракрасного нагрева на биохимический состав мясных изделий. на основе экспериментальных исследований автора и литературных данных смоделирована динамика изменения биологических компонентов.
Изменения влажности и температуры в ходе нагрева продукта приводят к изменениям массовых долей биологических компонентов: амино- и жирных кислот, витаминов, белковых и липидных фракций. В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, описывающие изменения массовых долей компонентов пищевой и биологической ценности от температуры в виде степенных полиномов, фрагментарно представленных в табл. 1. Анализ регрессионных уравнений показывает, что в большинстве случаев зависимость массовых долей биологических компонентов от температуры является нелинейной параболической и унимодальной в определенном диапазоне изменения температуры.
Математические описания процессов теплообмена (7) и массобмена (8) (9) с регрессионными уравнениями табл. 1, составляют обобщенную модель первого уровня иерархической структуры системного анализа.
Обобщенные модели первого и второго уровней иерархии конечно-разностным методом разрабатываются аналогично, как и ячеечному методу, объединением (1) (4) с уравнениями регрессии (табл. 1) для первого уровня иерархии и математическими описаниями фракционных изменений белков, липидов для второго уровня иерархии.
Таблица 1
Изменение массовых долей компонентов биологической ценности
| Аминокислоты, г/100 г белка | Математическое описание |
| Треонин |  |
| Серин |  |
| Глутаминовая кислота |  …………………………………. |
| Жирные кислоты, % | |
| Пальмитолеиновая |  |
| Гептадеценовая |  |
| Олеиновая |  |
| Линолевая |  |
| Гадолеиновая |  |
| Эйкозендиеновая |  …………………………………. |
| Витамины, мг % | |
| Рибофлавин (витамин В2) |  |
| Тиамин (витамин В1) |  |
| Пиридоксин (витамин В6) |  ………………………………………. |
Примечание:
Ма, Мq, Mv – изменение массовых долей биологических компонентов, соответственно аминокислот, жирных кислот, витаминов,%; t i,j - изменение температуры по слоям и по времени мясного продукта, К.
Алгоритм моделирования процессов тепломассопереноса (рис. 3, а; 3,б) на основе изложенной математической модели (1) (4) и уравнений регрессии массовых долей сводится к последовательному вычислению температурных ti,j,k, влажностных U i,j,k и параметрических полей bi,j,k, qi,j,k, 
в узловых точках сетки осевого сечения цилиндра i = 0,n ; j = 0,m для k +1-го момента времени = k·h, где h – шаг по времени, при заданных начальных условиях t i,j,0, U i,j,0.
При этом сначала по уравнениям (2) (3) определяются значения параметров в точках боковой и торцевой поверхностей и осей симметрии, после его по уравнениям (4) вычисляются параметрические поля внутри сетки, т.е. в узлах 
Рис. 3, а. Блок-схема имитационного моделирования процесса тепло-массообмена при тепловой обработке полуфабрикатов цилиндрической формы (начало)
Рис. 3, б. Блок-схема имитационного моделирования процесса тепломассообмена при тепловой обработке мясных полуфабрикатов цилиндрической формы (окончание)
При разработке расширенной модели тепломассопереноса ячеечным методом алгоритм упрощается. По уравнениям (5) (9) определяется распределение температуры и влаги по слоям, а затем в этих же слоях изменение биологических компонентов мясного продукта.
На рис. 4 отражены результаты моделирования, отражающие изменения температуры, влаги и массовых долей биологических компонентов, на примере аминокислоты – валина методом конечных разностей на поверхности, боковой части и в центре мясного продукта ( в диссертации приведены для некоторых биологических компонентов).
а)
б) 
в) 
Рис. 4. Изменения температуры, влажности и биологических компонентов на примере аминокислоты (валин) во времени в процессе тепловой обработки мясных полуфабрикатов
( а – изменение температуры греющей среды, на поверхности продукта, боковой части и в центре; б – изменение влажности на поверхности, боковой части и центре полуфабриката; в – изменение аминокислоты (валин) на поверхности, боковой части и в центре мясного полуфабриката)
Полученные результаты можно представить как «поля денатураций» белков, «поля гидролитического и окислительного распада» фракций липидов по высоте продукта и во времени, «поля аминокислот», «жирных кислот» и «витаминов». В связи с этим, вместе с существующим понятием градиента температуры нами предложены новые термины, такие как «градиент аминокислот, жирных кислот и витаминов».
Системное рассмотрение различных физико-химических и биотехнологических явлений и эффектов позволило вскрыть особенности движущих сил и тепломассообменных потоков в камере печи и обоснованно применить декомпозиционно-агрегативный принцип к построению расширенной модели 1, 2, 8 и 9-го уровней иерархии.
Закономерности денатурационных превращений индивидуальных белков существенны и зависят от денатурации в составе сложных структур, каковыми являются ткани животных. Тепловая денатурация зависит от температуры, кислотности среды (рН), продолжительности и интенсивности нагрева.
Мышечное волокно мяса состоит из саркоплазматических и миофибриллярных белков: миозина, миоглобина, актина и тропомиозина, миогена, миоальбумина, глобулина Х, актомиозина, имеющих свою собственную изоточку и температуру денатурации, в связи с этим для расчета константы скорости денатурации для каждой белковый фракции определяется с учетом ограничения по температуре и кислотности среды, при которых начинается процесс денатурации каждой индивидуальной фракции белка: миозин, актин, тропомиозин, миоглобин.
Математические описания изменения массовых долей белковых фракций мяса в процессе денатурации были разработаны на основе закона сохранения масс и представляют собой экспоненциальные зависимости изменения массовых долей денатурированных фракций белков от константы скорости денатурации и времени. Скорость денатурационных изменений получена в виде двухфакторных регрессионных уравнений, в которых за факторы приняты кислотность среды и температура.
В процессе тепловых воздействий происходят изменения липидов, глубина которых отрицательно сказывается на качественных показателях изделий, образуются свободные жирные кислоты, моно- и диглицериды, глицерин. Поэтому необходимо подобрать такие режимы тепловой обработки, при которых будет оптимальное соотношение этих компонентов.
При разработке математических описаний по изменению массовых долей фракций липидов за функцию было принято изменение массовых долей, за переменную – температура, в диапазоне t = 20 145 С.
Обобщенная ячеечная математическая модель на втором иерархическом уровне анализа для элементарного объема нагреваемого тела с учетом конструктивных особенностей режима нагрева получается путем объединения регрессионных уравнений по изменению массовых долей фракционных белков, липидов, констант скоростей денатурации с математическими описаниями тепломассопереноса (7) (9) и имеет вид:
t i,j = [( q i · F·z ·r + m ·F·r ·(t i,j-1– ti,j+1) + mя· cm · zi, j·r ·(t i,j-1 – ti,j+1)] /
(2 m ·F·r + mя ·cm · z·r ),
K1i = 0.00836 – 0,001402. pH + 5,5. 10-7. 
;
K2i = -0,278 + 7,325.10-2. pH – 3,482.10-5. 
;
K3i = 2,537.10-3 – 1,493.10-4. ti,j + 2,198.10-5. 
;
K4i=2,537. 10-2 – 9,172.10-3. pH + 3,157. 10 -5. 
;
К5i = - 0.3837 + 0.0016405. 
;
К6i = - 0,966 + 0,904. рН - 0,9742. 
; ( 10 )
mnдi= mисхH- (mисхH – mдH). е -Kni· ;
m7 = 0,472+0,130 ·t i – 0,002 · 
;
m8 = 3,52-0,179 ·ti,j + 0,004 ·
;
m9 = 3,234 -0,088 ·t i,j + 0,002 ·
;
m10 = 2,246 +0,033 · ti,j - 0,001· 
;
m11 = 2,035 + 0,02 ·
;
m12 = 83,717 +0,025 · ti,j - 0,001· 
;
mж = - 8,5716 + 0,01714 · + 0,1208 ·
.
где К1- К6 константы скорости денатурации актина, тропомиозина, миозина, миоглобина, нуклеиновых кислот, фермента кислой фосфатазы, %/с; mnдi – массовая доля денатурированного актина, тропомиозина, миозина, миоглобина, нуклеиновых кислот, фермента кислой фосфатазы, %; n – номер фракционного белка; mисхн – массовая доля исходного белкового компонента мяса при = 0, %/с; mдн – начальная массовая доля денатурированного белкового компонента при = 0, %; рН – кислотность среды; m7 - m12 – массовые доли фракций липидов в жире: фосфолипиды, моноглицериды, диглицериды, холестерин, свободные жирные кислоты, триглицериды, %; mЖ – массовая доля расплавленного жира, %.
Ячеечная модель не учитывает геометрию продукта и описывает изменение температуры, влагосодержания и массовых долей ингредиентов пищевой и биологической ценности продукта в отдельных точках одного измерения, давая приближенную оценку состояния процесса тепломассопереноса в элементарном слое. Поэтому ячеечный метод можно использовать для описания процессов в продуктах сложной конфигурации, например, при запекании мясных полуфабрикатов с нечеткими геометрическими формами.
В пятой главе рассматриваются вопросы моделирования технологического процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов и результаты комплексных экспериментальных исследований критериев эффективности процесса тепловой ИК-обработки на основе планирования и статистической обработки результатов.
На примере тепловой обработки кускового полуфабриката из говяжьей вырезки, бифштекса рубленного и мясных полуфабрикатов в тесте разработаны обобщенные модели на основе планирования эксперимента в виде греко-латинских квадратов 4х4, 5х5 и с учетом значимости частных функций:
А =1/4,075·[(3,0625+0,201·Х1–0,008·Х1)·(4,1125–4,8·Х2+30·Х2)·
(-0,9625+0,124375·Х4–0,00034·Х4)] ( 11 )
Q = 1/0,20975·[(0,14025–0,00029·Х1+0,00039·Х1)·(0,0395+2,472·Х2–7,4·Х2) ·(0,49135–
0,08893·Х3+0,00639·Х3)] ( 12 )
=1/12,75·[ (8,625–0,0045·Х1+0,025·Х1)·(2,5+143,5·Х2–45·Х2) ·
(29,6–5,38·Х3+0,375·Х3)] ( 13 )
П =1/17,16875·[(21,71875–1,24525·Х1+0,005875·Х1)·(3,10625+175,125·Х2–4,175·Х2) ·(32,49625 – 4,82938·Х3+0,342188·Х3) ·(–102,096 +1,379813·Х4+0,00392·Х4)] ( 14 )
где А – органолептическая оценка, балл; Q – энергозатраты на процесс, кВт·ч/кг; – продолжительность ИК-обработки, мин; П – потери массы, %; Х1 – расстояние от образца до излучателей, см; Х2 – толщина образца, мм; Х3 – плотность теплового потока, кВт/м; Х4 – начальная температура в камере, С.
Оптимальный переменный режим ИК-обработки с двухсторонним обогревом для говяжьего бифштекса рубленного выведен из полиноминальных зависимостей с учетом критериев значимости каждой функции на основе разработанных обобщенных уравнений:
Y1 = [(20,24 – 1,9414 · Х1 + 0,13928 · Х12) · (98,799 – 48,958 · Х2 + 10,139 ·
Х2 2 – 0,8854 · Х2 3+ 0,0276 · Х2 4) · (40,76 – 2,5414 · Х3 +0,0607 · Х3 2) ·
(21,32 – 0,03 · Х4) · (13,748 – 0,32 · Х5 + 0,1214 · Х2)] /14,324 ( 15 )
Y2 = [(0,1852 + 0,2215 · Х1 - 0, 051 · Х1 2+ 0,0031· Х13)·( –4,088+2,624 · Х2 – 0,545 · Х2 2+ 0,0477 · Х2 3- 0,00149· Х2 4 ) · (–14,21 + 2,02· Х3 – 0,0926 · Х3 2+ 0,00139 · Х3 3) · (2 – 0, 017 · Х4 + 0,000044 · Х42) · (0,36 + 0,02 · Х5 + 0,026 · Х5 2 – 0,001 · Х5 3 – 0,0017· Х54 )]/0,3874 ( 16 )
Y3 =[(4,858–0,019 · Х1) · (4,64 + 0,012 6 · Х2 ) · ( 5,03–0,013· Х3 ) · (2,32 + 0,0244 · Х4 – 0,0000607 · Х4 2 ) · (4,7 + 0,00033 · Х5 + 0,032 · Х52 –
0,00058 · Х5 3– 0,00197 · Х5 4 )] /4,744 4 ( 17 )
Y4 = [(45,6 – 5,59 · Х1 + 0,464 · Х12) · (35,6 – 0,39 · Х2 ) · (411,67 – 54,19 · Х3 + 2,55 · Х3 2 -0,039 · Х3 3) ·(5,73· 10-7+6,74·10-7·Х4+6,66·10-7Х42 +4,42 · 10-5Х43 – 3,32 · 10-7· Х44+ 6,59·10-8· Х45) · (31,68 – 0,32 · Х5 + 0,09 · Х5 2)]/32,484 ( 18 )
где Y1 – продолжительность тепловой обработки, мин; Y2 – энергетические затраты, кВт·ч/кг; Y3 – органолептическая оценка, балл; Y4 – потери массы, %; Х1 – плотность теплового потока на 1- й стадии, кВт/м2; Х2 – плотность теплового потока на 2-й стадии, кВт/м2; Х3 – толщина образца, мм; Х4 – начальная температура в камере, °С; Х5 – начальная температура продукта, °C.
Критерии значимости: tr1 = 4,29; tr2 = 6,84; tr3 = 6,75; tr4 = 7,59 подтверждают адекватность полученных обобщенных регрессионных уравнений.
По разработанным режимам ИК-обработки кусковых полуфабрикатов из говяжьей вырезки и модельных фаршевых систем, включающих компоненты растительного происхождения, были проведены физико-химические исследования, результаты которых приведены в табл. 2 – 5.
Определение аминокислотного состава проводили у 4-х образцов кускового мяса из вырезки говяжьего мяса 1 категории, влажностью 66,6 %, имеющей широкое кулинарное назначение: 1-й образец – воздействие ИК-энергии на расстоянии 20 см от излучателей; 2-й – 10 см; 3-й – 5 см; 4-й – СВЧ-нагрев.
Таблица 2
Аминокислотный состав белков мяса, % от белка
| Аминокислота | I вариант ИК-нагрев 20 см до излучателя | II вариант ИК-нагрев 10 см до излучателя | III вариант ИК-нагрев 5 см до излучателя | IV СВЧ-нагрев (µ=2450 МГц) |
| Аспарагин | 2,21 | 2,13 | 1,86 | 0,44 |
| Тирозин | 5,39 | 2,61 | 6,26 | 1,74 |
| Серин | 0,79 | 1,87 | 1,18 | 0,41 |
| Глутамин | 8,94 | 1,90 | 1,53 | 0,60 |
| Пролин | 2,69 | 3,07 | 5,18 | 0,61 |
| Глицин | 1,36 | 1,29 | 3,62 | 0,50 |
| Аланин | 1,13 | 1,73 | 3,20 | 0,40 |
| Цистин | - | 2,12 | 1,75 | 0,53 |
| Гистидин | 1,13 | 4,15 | 1,71 | 1,46 |
| Аргинин | 3,93 | 3,92 | 19,98 | 2,00 |
| Заменимые аминокислоты | 27,57 | 24,79 | 46,27 | 8,69 |
| Валин | 1,22 | 3,81 | 2,76 | 1,47 |
| Метионин | 0,49 | 2,08 | 2,01 | 1,14 |
| Изолейцин | 1,15 | 2,14 | 1,66 | 0,92 |
| Лейцин | 2,9 | 2,08 | 1,96 | 1,03 |
| Фенилаланин | 3,83 | 2,92 | 6,14 | 1,59 |
| Лизин | 1,34 | 1,9 | 5,58 | 0,86 |
| Треонин | 0,49 | 1,88 | 1,43 | 0,42 |
| Незаменимые аминокислоты | 11,42 | 16,81 | 21,54 | 7,43 |
| Всего | 38,99 | 41,6 | 67,81 | 16,12 |
Из табл. 2 следует, что сумма незаменимых аминокислот составляет: 1 образец – 11,42 %; 2 – 16,81 % ; 3 – 21,54 % ; 4 – 7,43 %, в III варианте содержание незаменимых аминокислот таких как лизин, фенилаланин больше; во II – сохраняются из незаменимых аминокислот больше треонин – 1,88 %, по сравнению с другими режимами, валин – 3,81 %, метионин – 2,08 %, изолейцин – 2,14 %, лейцин – 2,08 %, фенилаланин – 2,92 %. Таким образом, оптимальным, с точки зрения сохранения незаменимых аминокислот, является третий вариант ИК-нагрева.
Таблица 3
Состав жирных кислот, %
| Кислота | Образец 1 Жировая ткань говяжьего мяса до тепловой обработки | Образец 2 ИК-нагрев | Образец 3 СВЧ-нагрев |
| Лауриновая 12:0 Миристиновая 14:0 Миристолеиновая14:1 Изомиристиновая14:0 Пентадекановая 15:0 Пальмитиновая 16:0 Пальмитоминовая16:1 Маргариновая 17:0 Гептадеценовая 17:1 Изомаргариновая 17:0 Стеариновая 18:0 Олеиновая 18:1 Линолевая 18:2 Линоленовая 18:3 Другие кислоты Насыщенные Ненасыщенные | 0,3 3,2 0,9 0,9 0,4 24,1 2,3 2,2 1,7 0,8 21,7 33,7 5,4 1,9 0,5 53,6 45,9 | 1,0 3,2 1,6 1,6 0,5 19,4 3,8 2,9 2,8 1,7 19,7 28,5 7,0 5,9 0,4 50,0 49,6 | 0,4 3,2 1,0 1,0 сл, 23,3 2,5 2,3 1,6 1,2 22,4 31,2 6,1 3,6 0,2 53,8 46,0 |
Анализируя и сопоставляя результаты содержания жирных кислот до и после тепловой обработки, приведенные в табл. 3, отмечаем, что при ИК-нагреве происходит увеличение гептадеценовой, маргариновой, пальмитоминовой, изомиристиновой и лауриновой, изомаргариновой. В обоих вариантах наблюдается увеличение содержания ненасыщенных жирных кислот: линолевой и линоленовой, разница при этом составляет линолевой 0,7 % при СВЧ-нагреве, при ИК – 1,6 %, линоленовой 1,7 % при СВЧ-нагреве и 4 % – при ИК-нагреве, уменьшение олеиновой кислоты на 2,5 и 5,2 % соответственно.
Таким образом, для практической реализации наиболее приемлем ИК- нагрев в предлагаемом режиме. Готовое говяжье мясо сохраняет в максимальной степени пищевую ценность и биологические компоненты, необходимые организму человека.
Пищевая ценность продуктов характеризуется содержанием в них не только белков, жиров, углеводов, витаминов, но и макро- и микроэлементов. Анализируя результаты по определению минеральных веществ, отметим, что при ИК-нагреве содержание железа составляет 0,000648 г/100 г, при СВЧ-нагреве – 0,000626, до нагрева 0,00076; при ИК-нагреве микро- и макроэлементы сохраняются лучше, чем при СВЧ-нагреве.
С целью изучения гистологических изменений при ИК-нагреве в кусковом мясе из говяжьей вырезки были исследованы четыре образца: 1-й образец – до обработки; 2-й – после ИК-облучения в течении 5 мин; 3-й –после ИК-облучения в течении 10 мин; 4-й – после СВЧ-энергии.
В образцах до тепловой обработки (рис. 5) мышечные волокна имеют преимущественно спрямленную форму, реже встречаются волокна с умеренной низкоамплитудной извилистостью. На поперечном срезе мышечные волокна имеют более или менее округлую форму. Большинство мышечных волокон характеризуется достаточно четко выраженной поперечной исчерченностью, однако встречаются участки с преобладанием продольной исчерченности. Ядра в мышечных волокнах располагаются субсарколеммально, имеют овальную форму и отчетливо выраженный хроматин. Мышечные волокна преимущественно сохраняют свою целостность и количество поперечных трещин в них незначительное.
Между отдельными мышечными волокнами располагается нежная сеть соединительнотканных волокон и клеточный элемент эндомизий – первичный компонент каркаса мышцы. Ядра клеток соединительной ткани характеризуются преимущественно вытянутой формой. Группы мышечных волокон формируют первичные пучки, окруженные более толстой прослойкой соединительной ткани – перимизием, выраженность его в анализируемых образцах небольшая.
Форма мышечных волокон 2-го и 3-го образцов (рис. 6, 7) сохраняется аналогичной исходному контрольному образцу и может быть как линейной, так и слабо извитой. В одних участках (преимущественно) может выявляться поперечная исчерченность, в то время как в других – продольная. Количество поперечно-щелевидных нарушений целостности мышечных волокон увеличивается в прямой зависимости от близости к элементам термического воздействия. Увеличение времени воздействия также приводит к интенсификации деструктивных процессов в мышечной ткани. Ядра мышечных волокон и клеток соединительной ткани сохраняют структурные особенности кускового мяса до тепловой обработки.
Форма мышечных волокон в образце спрямленная или извитая, причем деформированных волокон больше, чем в предыдущих образцах.
Ядерные структуры практически не проявляются. Значительная часть мышечных волокон фрагментируется и характеризуется большим количеством нарушений целостности сарколеммы, поперечно-щелевидных разрывов и образованием коротких фрагментов. Длина этих фрагментов нередко меньше диаметра самих мышечных волокон.
В 4-м образце (рис. 8) элементы соединительнотканного каркаса мышцы также реагируют на тепловое воздействие: волокнистый коллагеновый компонент набухает, клеточные структуры практически исчезают и не обнаружива-
ются при исследовании в световом микроскопе. Значимого разрыхления пучков коллагена и разрывов отдельных коллагеновых волокон не обнаружено. Значительная часть мышечных волокон фрагментируется и характеризуется значительным количеством нарушений целостности сарколеммы. Таким образом, технологические температурные воздействия во 2- й и 3- й экспериментальной группах (рис. 6, 7) носят более щадящий характер по сравнению с СВЧ-воздействием.
Были исследованы микроструктура модельной фаршевой системы, включающая компоненты растительного происхождения. При качественном анализе системы были выявлены мышечные волокна умеренно изогнутые, с отчетливо выраженной исчерченностью, с редкими поперечными трещинами и разрывами. Клеточные ядра достаточно дифференцированы и имеют типичную структуру. Жировая ткань обнаруживается в незначительном количестве ассоциировано с фрагментами рыхлой соединительной ткани. Помимо животных компонентов в составе фарша присутствуют растительные добавки, крупные частицы слоев ламинарии, фрагменты моркови, клюквы и частицы вкусо-ароматических растительных компонентов (рис. 9).
Частицы ламинарии характеризуются различной клеточной структурой в зависимости от того, где данный фрагмент был локализован. Основными микроструктурными признаками являются наличие целлюлозных стенок, узкоцилиндрическая форма клеток и то, что они собраны в вытянутые пучки.
В более глубоких слоях клетки мелкие, вытянуто эллиптические. В центральной зоне встречаются крупные, плохо окрашиваемые клетки с центрально расположенным достаточно плотным цитоплазматическим материалом, содержащим белковые и углеводные компоненты. Добавленные в фарш частицы ламинарии и, в меньшей степени, моркови в условиях жарки котлет изменяют свои микроструктурные характеристики, что происходит за счет значительного содержания в них растительных оболочек, осуществляющих в готовом продукте роль пищевых волокон.
В процессе ИК-обработки котлет (рис. 10,11) происходят деструктивные изменения в элементах мышечной, жировой и соединительной тканях, в меньшей степени в растительных компонентах. При этом наблюдается набухание мышечных волокон, их фрагментация и частично гомогенизация при распаде ядерных структур и фибриллярных белковых комплексов. Из продуктов деструкции образуются мелкозернистые белковые массы. Однако их количество в фаршевой системе недостаточно высокое. Образование этих масс способствует формированию характерной общей структурной компоновки. Сравнительный анализ готовых продуктов, приготовленных в разработанном режиме и СВЧ-нагревом (рис. 12) показывает, что разработанный ИК-режим носит щадящий характер.
В табл. 4 приведены результаты исследований физико-химических показателей модельных фаршевых систем, включающие компоненты растительного происхождения при технологическом режиме: начальная температура продукта 20 С; плотность лучистого потока q = 7,8 кВт/м. Анализируя экспериментальные данные табл. 4, можно отметить, что содержание лизина по сравнению с СВЧ-нагревом увеличивается на 0,67 %, гистидина на 0,64 %, потери глутаминовой кислоты составляет при ИК-нагреве 0,01 %, а при СВЧ-нагреве – 1,44 %, потери глицина при ИК-нагреве 0,14 % и при СВЧ-нагреве – 0,42 %, потери аспарагиновой кислоты и валина при ИК-нагреве –0,01 и 0,02 %, при СВЧ-нагреве – 0,62 и 0,45 %, потери цистина при ИК-нагреве меньше, чем при СВЧ-нагреве – 0,01 %, а при СВЧ – 0,08 %, потери триптофана остаются одинаковыми.
Исследование процесса обработки пищевых продуктов в режиме ИК- нагрева позволяет получить готовый продукт высокого качества при учете целого ряда особенностей, присущих данному виду энергоподвода.
Таблица 4
Сравнительный анализ аминокислотного состава белкового компонента модельных фаршевых систем с добавками растительного происхождения
| Аминокислота | До тепловой обработки | После СВЧ-нагрева (2450 мГц) | После ИК-нагрева q= 7,8 кВт/м, =1,1 мкм, Тк=180 С |
| Лизин | 8,48 | 7,91 | 8,58 |
| Аргинин | 3,94 | 3,72 | 3,87 |
| Гистидин | 6,24 | 5,48 | 6,12 |
| Аспарагиновая кислота | 7,91 | 7,29 | 7,90 |
| Треонин | 4,87 | 4,56 | 4,77 |
| Серин | 4,16 | 3,82 | 4,04 |
| Глутаминовая кислота | 19,11 | 17,67 | 19,10 |
| Пролин | 3,62 | 3,26 | 3,32 |
| Глицин | 4,47 | 4,05 | 4,33 |
| Аланин | 5,64 | 5,70 | 6,08 |
| Цистин | 1,16 | 1,08 | 1,15 |
| Валин | 5,15 | 4,70 | 5,13 |
| Метионин | 2,96 | 2,62 | 2,90 |
| Изолейцин | 4,85 | 4,65 | 4,87 |
| Лейцин | 8,21 | 7,66 | 8,23 |
| Тирозин | 3,49 | 3,24 | 3,50 |
| Фенилаланин | 3,99 | 3,80 | 4,08 |
| Триптофан | 0,31 | 0,30 | 0,30 |
| Массовая доля влаги,% | 76,0 | 69,80 | 68,0 |
| Массовая доля белка,% на асв | 60,4 | 66,0 | 59,7 |
