Совершенствование технологии хранения плодов ягодных культур путем интенсификации процесса предварительного охлаждения

На правах рукописи

Хайрутдинов Замир Нурович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ХРАНЕНИЯ ПЛОДОВ ЯГОДНЫХ КУЛЬТУР ПУТЕМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Специальность 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Мичуринск-наукоград РФ – 2013

Работа выполнена на кафедре «Механизация производства и безопасности технологических процессов» ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет» в 2009–2013 гг.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик РАСХН Завражнов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:

- Ильинский Александр Семенович, доктор технических наук, профессор, академик Международной академии холода, ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет»/исследовательско-технологический центр, директор

- Бочаров Владимир Александрович, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент ФГБОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»/ кафедра «Технология хранения и переработки сельскохозяйственной продукции», доцент

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт садоводства им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии (ГНУ ВНИИС им. И.В. Мичурина)

Защита диссертации состоится 21 июня.2013 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 220.041.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», с авторефератом на официальном сайте университета: www.mgau.ru

Автореферат разослан «_____» мая 2013 года и размещен на сайтах www.vak.ed.gov.ru и www.mgau.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 220.041.01,

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент З.Н. Тарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Ягоды являются одним из любимых лакомств для человека. Кроме того, роль ягод, содержащих значительное количество витаминов, минеральных веществ, макро- и микроэлементов, для полноценного питания, поддержания здоровья, высокой работоспособности и выносливости человека неоценима. Ягоды в свежем виде используются при лечении и профилактики различных заболеваний.

В среднем на одного российского потребителя в год приходится 53кг плодов и ягод. Из них 65%-импортная продукция. В США на одного потребителя в год приходится 127кг плодов и ягод, во Франции-135кг. В 2011 году валовой сбор плодов и ягод в России составил около 2,5 млн.т.

Согласно «Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынка сельскохозяйственной продукции, сырья продовольствия на 2013-2020 годы» в России планируется увеличить производство плодов и ягод до 4.1 млн. т ежегодно. Потребность в ягодах для населения нашей страны неуклонно растет, а средств, обеспечивающих сохраняемость данной продукции мало. Чтобы затормозить физиолого-биохимические процессы, предотвратить развитие фитопатогенных микроорганизмов и уменьшить потери влаги ягоды после сбора необходимо быстро и качественно охладить. Предварительное охлаждение ягод - первое и очень важное звено в холодильной цепи доведения продукции до потребителя. Отсутствие или задержка в предварительном охлаждении ягоды исключает возможность кратковременного хранения продукции, усиливает развитие различных физиологических заболеваний. Задача предварительного охлаждения - затормозить обменные процессы в ягоде. Скорость предварительного охлаждения плодов и ягод зависят от их вида. Ягоды, съемная зрелость которых совпадает с потребительской или наступает через сравнительно короткий период, должны предварительно охлаждаться в специальных камерах в течение 1-5 часов до температуры хранения. При этом не все способы предварительного охлаждения ягод позволяют увеличить сроки их хранения и сохранить хорошее качество и пищевую ценность продукции. Существующие способы предварительного охлаждения ягод и технические средства, их обеспечивающие доступны только крупным производителям плодово-ягодной продукции. В малых крестьянских и фермерских хозяйствах потери продукции при хранении до сих пор еще велики. Поэтому для этих хозяйств необходимо компактное оборудование и экономичные технологии хранения ягод.

Применение предварительного охлаждения позволяет продлить сроки питания свежими ягодами человеком.

Степень разработанности темы исследования.

Разработаны классификации современных технологий обработки и хранения плодово-ягодной продукции; хранилищ, оборудования, холодильных камер (секций плодохранилищ), аппаратов для предварительного охлаждения и хранения ягод; видов тары, упаковок и способов упаковывания плодово-ягодной продукции. Теоретически обоснованы закономерности, характеризующие влияние параметров предварительного охлаждения на сроки и товарное качество ягод, проведены экспериментальная и производственная проверки усовершенствованной технологии.

Научная гипотеза: продувка охлажденного воздуха в холодильной камере хранения через тонкий слой ягод и быстрое охлаждение их перед закладкой на хранение является эффективным способом, позволяет увеличить сроки хранения ягод при сохранении их товарного качества и пищевой ценности продукта.

Цель исследований: увеличение продолжительности хранения ягод при сохранении их товарного качества и пищевой ценности за счет интенсификации процесса предварительного охлаждения.

Задачи исследований:

- определить факторы, влияющие на процесс предварительного охлаждения ягод;

- обосновать средства и технологию предварительного охлаждения плодов ягодных культур;

- провести теоретические исследования процесса предварительного охлаждения плодово-ягодной продукции;

- определить оптимальные режимы работы и конструктивные параметры предложенной технологии предварительного охлаждения плодов ягодных культур;

- провести производственную проверку усовершенствованной технологии хранения ягод и определить экономическую эффективность ее применения.

Объект исследований: технологический процесс предварительного охлаждения ягод и технические средства, его обеспечивающие.

Предмет исследований: закономерности взаимодействия охлаждающего воздуха с плодово-ягодной продукцией.

Научная новизна работы:

- Определены факторы оптимизации процесса предварительного охлаждения ягод;

- Обосновано направление совершенствования технологии хранения ягод путем интенсификации процесса предварительного охлаждения;

- Разработана математическая модель, описывающая процесс интенсивного предварительного охлаждения ягод;

- Предложен новый способ сохранения качества плодов ягодных культур и их пищевой ценности в процессе хранения в холодильных камерах.

Теоретическая и практическая значимость работы: результаты научных исследований являются основой для совершенствования существующих и создания новых способов предварительного охлаждения ягод, расчета оптимальных режимов предварительного охлаждения и хранения плодов ягодных культур.

Материалы диссертационной работы целесообразно использовать научным сотрудникам, соискателям и аспирантам, занимающимся исследованиями в области хранения плодово-ягодной продукции; в учреждениях (предприятиях) по производству, хранению сельскохозяйственной продукции и организациях торговли; в учебном процессе для студентов высших и средних учебных заведений по дисциплинам «Холодильная техника и технологии», «Холодильная техника и вентиляция», «Сооружения и оборудование для хранения продукции растениеводства и животноводства»; в докладах и научных статьях.

Методология и методы исследований: методологической основой явились системный подход, математическое и физическое моделирование. В процессе теоретических исследований использовались методы математического анализа, теории сложных систем, тепломассопереноса, методы математического и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с общепринятыми методами планирования многофакторного эксперимента с использованием действующих ГОСТов и ОСТов, частных методик и лабораторных исследований, стандартных контрольно-измерительных приборов и автоматики, компьютерной техники и оригинальной лабораторной установки.

Исследования проводились в 2009-2013 годах в ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет» в соответствии с Программами фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 и на 2011-2015 годы и планами научных исследований университета на кафедре механизации производства и безопасности технологических процессов. Исследования проводились в соответствии с ГОСТ 15101-98 «Порядок выполнения научно-исследовательских работ», ГОСТ Р 50419-92 (ИСО 2169-81) «Фрукты и овощи. Физические условия хранения в охлаждающих складских помещениях. Определения понятий и измерения», ГОСТ Р 50520-93 (ИСО 6665-83) «Земляника. Руководство по хранению в холодильных камерах», СанПиН 42-123-4117-86 «Условия и сроки хранения особо скоропортящихся продуктов», СанПиН 2.3.5.021-94 «Санитарные правила для предприятий продовольственной торговли».

Положения, выносимые на защиту:

• научное и технологическое обоснование эффективного способа предварительного охлаждения ягоды перед закладкой на хранение.
• новый способ интенсификации процесса предварительного охлаждения ягоды.
• математические модели процесса предварительного охлаждения ягоды.
• результаты проверки усовершенствованной технологии хранения плодов ягодных культур в производственных условиях и экономическая оценка эффективности применяемого способа предварительного охлаждения плодово-ягодной продукции.

Степень достоверности и апробация результатов работы: Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований и их согласованием с теоретическими данными, использованием новых методик, современных контрольно-измерительных приборов и автоматики, разработанного нового экспериментального стенда, обработкой экспериментальных данных с помощью компьютерных программ.

Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на заседаниях кафедр технологии переработки и хранения продукции растениеводства, механизации сельскохозяйственного производства и безопасности технологических процессов Мичуринского государственного аграрного университета (г. Мичуринск-наукоград РФ, 2009-2012 гг.), на международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Биологические основы садоводства и овощеводства» (г. Мичуринск-наукоград РФ, 2010 г.), международной научно-практической конференции «Достижения науки и инновации в производстве, хранении и переработке сельскохозяйственной продукции», посвященной 80-летию Заслуженного работника высшей школы РФ профессора Ю.Г. Скрипникова (г. Мичуринск-наукоград РФ, 2011 г.), научные разработки используются в учебном процессе в МичГАУ с 2010 года. Апробация результатов работы проводилась на базе ГУП Учхоз-племзавод «Комсомолец» (г. Мичуринск-наукоград РФ, 2012 г.) и ООО «Навакс» (г. Тамбов, 2012 г.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 5 работ в рекомендуемых ВАК РФ изданиях. Объем публикаций составляет 3,49 п.л., из которых 2,11 п.л. принадлежит лично соискателю.

Структура и объем диссертации: диссертационная работа изложена на 171 страницах машинописного текста, состоит из титульного листа, оглавления, введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 11 таблиц, 52 рисунка, список литературы из 238 наименований: из них 92 на иностранных языках и 12 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена краткая характеристика состояния вопроса, обоснована актуальность темы исследований и основных научных положений, выносимых на защиту.

В первой главе «Анализ технологий предварительного охлаждения, хранения ягод и технических средств, их обеспечивающих. Цель и задачи исследований» отмечены роль и значение ягод в жизни человека, указаны основные свойства ягод, как объектов хранения, и факторы, влияющие на качество и продолжительность их хранения. На основании научных литературных источников проанализирован процесс изменения свойств ягод в послеуборочный период: влияние экзогенных и эндогенных факторов. Представлен анализ известных результатов исследований и технических решений.

Значительный вклад в развитие научных концепций повышения эффективности хранения плодово-ягодной продукции сделан такими известными учеными как Балан Е.Ф., Бедин Ф.П., Глущенко Н.А., Гудковский В.А., Завражнов А.И., Ильинский А.С., Моисеева Н.А., Скрипников Ю.Г., Трисвятский Л.А., Фикийн А., Цымбал А.А., Широков Е.П., Шишкина Н.С. и другими. Анализ результатов исследований известных ученых позволил нам систематизировать материал и выполнить классификацию современных технологий обработки, предварительного охлаждения и хранения плодово-ягодной продукции, а также технических средств, их обеспечивающих.

Одним из перспективных направлений повышения товарного качества ягод при хранении их в холодильной камере является способ предварительного охлаждения путем продувки охлаждающего воздуха через слой ягод.

На основании анализа литературных данных и известных технических решений была уточнена цель и сформулированы задачи исследований:

- определить факторы, влияющие на процесс предварительного охлаждения ягод;

- обосновать технические средства технологии предварительного охлаждения плодов ягодных культур;

- провести теоретические исследования процесса предварительного охлаждения плодово-ягодной продукции;

- определить оптимальные режимы работы и конструктивные параметры предложенной технологии предварительного охлаждения плодов ягодных культур;

- провести производственную проверку усовершенствованной технологии хранения ягод и определить экономическую эффективность ее применения.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса предварительного охлаждения ягод» приведено описание и рабочий процесс предварительного охлаждения плодов ягодных культур.

В общем виде модель состояния процессов в камере хранения можно представить в виде динамической системы с параметрами, рисунок 1.

При исследовании модели температурно-влажностного состояния воздушной среды камеры предварительного охлаждения в качестве основных параметров приняты следующие:

t1 0в, t2 0в - температура воздуха на входе и выходе из камеры предварительного охлаждения;

W1в, W2в - влажность воздуха на входе и выходе из камеры предварительного охлаждения;

m' - масса влаги в воздухе на выходе из охладителя;

t' - температура воздуха на выходе из охладителя;

W' - влажность воздуха на выходе из охладителя.

Динамика состояния воздушной среды камеры предварительного охлаждения, как объекта регулирования, может в первом приближении рассматриваться как процесс последовательного преобразования изменений температуры и влажности воздуха в зоне обдува и изменения параметров в зоне размещения ягод, считая при этом, что значения параметров в одной точке зоны достаточно характеризуют состояние в ней всего воздуха.

На рисунке 2 представлена схема распределения воздушных потоков в камере предварительного охлаждения плодово-ягодной продукции, где изображены направления движения потоков воздуха на входе, внутри и на выходе из камеры предварительного охлаждения.

Исходя из этого, и учитывая результаты исследований Еременко С.В. динамические свойства температурно-влажностного состояния воздушной среды камеры предварительного охлаждения, отражающие зависимость управляемых параметров от факторов, обуславливающих их изменение, в общем виде могут быть определены уравнениями теплового баланса и материального баланса влаги:

, (а)

, (б)

, (в)

(г),

где

- температура воздуха в зоне обдува на выходе из охладителя, град С;

- масса влаги в воздухе зоны обдува на выходе из охладителя, кг;

- температура воздуха на выходе из камеры предварительного охлаждения, град С;

- масса влаги в воздухе на выходе из камеры предварительного охлаждения, кг;

- i-ый вид потока холода и тепла, влияющий на изменение состояния воздуха, ккал/с;

- j-ый вид потока влаги, влияющий на изменение состояния воздуха, кг/с;

С1, С2 - приведенные теплоемкости зон камеры предварительного охлаждения, ккал/град.;

t - время; i =1,2…n; j = 1,2…p и т.д. - номера потоков.

Уравнения теплового баланса (1а, в) с детализацией потоков холода и тепла можно представить в следующем виде:

,

где - поток холода, формируемый холодильной установкой, ккал/c;

- потоки тепла через оболочку камеры предварительного охлаждения, соответственно, в зонах обдува и охлаждения, ккал/c;

Qя - поток холода, идущий на изменение температуры массы ягод и устройств их размещения в холодильной камере;

Q1 - поток тепла, вносимый воздухом, поступающим в камеру из внешней среды, ккал/c,

- поток тепла, выносимый из зоны обдува и вносимый в зону охлаждения, ккал/с;

Q2- поток тепла, выносимый воздухом из камеры, ккал/c,

- поток тепла, отводимый от воздуха устройством охлаждения, ккал/c,

- поток тепла, затрачиваемый на испарение влаги, вносимой устройством увлажнения, ккал/c,

Qж - поток тепла, зависящий от жизнедеятельности ягоды, ккал/c.

Модель материального баланса в камере предварительного охлаждения можно представить в следующем виде:

, (а)

(б),

где D1, Dзо, D2 - потоки влаги, соответственно, вносимые и выносимые воздухом, проходящим через соответствующие зоны камеры предварительного охлаждения, кг/c;

- поток влаги, поступающий от устройства увлажнения, кг/c;

- поток влаги, выделяемой в процессе жизнедеятельности ягоды, кг/c.

Поскольку потоки тепла через оболочку камеры предварительного охлаждения по сравнению с другими потоками тепла весьма малы, то они не оказывает существенного влияния на переходные процессы изменения температуры воздуха в камере. Поэтому при построении модели состояния ее воздушной среды как объекта системы управления ими можно пренебречь. С учетом этого и того, что , уравнения (2) и (3),могут быть записаны в отклонениях следующим образом:

(4)

.

В условиях заданного режима работы камеры предварительного охлаждения имеют место малые отклонения от заданного уровня значений температуры и влажности воздуха в зоне размещения ягоды, поэтому ограничимся моделью объекта в первом приближении, определив линейную интерпретацию уравнений (4).

Модель теплообменных процессов в камере предварительного охлаждения имеет вид динамической системы с входными воздействиями, преобразуемые в выходные параметры апериодическими звеньями, имеющие между собой перекрестные связи.

Изменение температуры воздуха практически не влияет на температуру теплообменной поверхности нагревательного устройства и можно считать, что поток тепла зависит только от управляющего воздействия U1 и пропорционален ему, а именно

=1 U1, (5)

где 1 –коэффициент пропорциональности.

Вносимый в камеру с воздухом из внешней среды и выносимый с воздухом из зоны обдува потоки тепла пропорциональны теплосодержанию воздуха этих потоков, а именно

, , где (6)

, - теплосодержание (энтальпия) воздуха, соответственно, вносимого в зону обдува и удаляемого из нее, ккал/кг;

L - темп прохождения (расход) воздуха через камеру, кг/с.

В общем виде теплосодержание влажного воздуха является нелинейной, но гладкой функцией его температуры и влагосодержания, а именно . Исходя из этого можно записать

, . (7)

Определяя эти функции в линейном приближении разложением их в ряд Тейлора относительно установившихся значений переменных и ограничиваясь при этом первым членом разложения, получим

Вносимые в зону размещения ягоды с воздухом из зоны обдува и выносимые с воздухом из холодильной камеры потоки тепла пропорциональны теплосодержанию воздуха этих потоков. Определяя их в линейном приближении, по аналогии будем иметь

,

где , [ккал/градс]; , [ккал/кгс];

Iк - теплосодержание (энтальпия) воздуха, удаляемого из холодильной камеры.

Считая, что температура оболочек ягод и средств их размещения одинаковые, для потока тепла, идущего на нагрев массы ягод и средств их размещения можно записать:

Qя (t) = я Fя (к (t) – я (t)),

где я - средняя по множеству температура оболочек ягод, град;

я - приведенный по массе ягод и средств их размещения коэффициент теплопередачи, ккал/градм2с;

Fя - общая поверхность ягод и средств их размещения, м2.

Изменения теплового потока происходят под влиянием жизнедеятельности ягод. Теплообменные и другие процессы подчиняются биологическим закономерностям. В течение цикла охлаждения происходят изменения потребления или генерирования тепла ягодой, выделения или потребления влаги, изменения газообменных процессов и др., совершенствуются механизмы саморегуляции тепло- и массообменных процессов ягоды с внешней средой. Все эти процессы являются функцией этапа охлаждения ягоды, то есть времени хранения. Изменения теплового потока формируются под влиянием явных тепловыделений ягод и потока скрытого тепла, расходуемого на испарение выделяемой ими влаги и пропорционального её количеству.

Следовательно,

(9)

где r – теплота парообразования, Wя   изменения выделений влаги ягодой.

С учетом (18), (20), (23) уравнение (4) примет вид

(10)

Таким образом, интенсификация процесса предварительного охлаждения как необходима, так и возможна в соответствии с теоретическими исследованиями и использованием математической интерпретации задаваемых режимных параметров самого процесса.

Решая систему дифференциальных уравнений, получим теоретические графики зависимостей температуры от времени охлаждения при различных значениях скорости воздуха, рисунок 3.

В ходе проведенного теоретического исследования процесса предварительного охлаждения установлено:

1. Модель температурно-влажностного состояния камеры предварительного охлаждения имеет вид динамической системы с тремя входными воздействиями, преобразуемыми в выходные параметры апериодическими звеньями, имеющими между собой перекрестные связи.

2. Интенсификация процесса предварительного охлаждения как необходима, так и возможна в соответствии с теоретическими исследованиями и использованием математической интерпретации задаваемых режимных параметров самого процесса.

3. Математическая модель показывает, что интенсифицировать процесс предварительного охлаждения ягод в холодильной камере хранения возможно путем продувки охлажденного до температуры воздуха +1,1 °С через слой ягод. При этом интенсифицируется процесс теплопереноса в охлаждаемой системе.

Основными параметрами, влияющими на эффективность процесса предварительного охлаждения являются: температура воздуха в камере хранения, температура ягод, влажность воздуха в камере хранения, влажность ягод, скорость воздуха в камере.

Следовательно, в ходе лабораторных экспериментальных исследований необходимо:

- установить закономерности изменения температуры ягод в процессе предварительного охлаждения;

- провести биохимический анализ состояния ягод за весь период хранения в холодильной камере при различных способах предварительного охлаждения;

- на основании полученных данных об использовании технологического процесса предварительного охлаждения ягод определить оптимальные значения факторов для сохранения товарного качества и пищевой ценности продукта.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» дано описание лабораторной установки, макета камеры предварительного охлаждения и методики проведения опытов.

Исследования проводились в соответствии с ГОСТ 15101-98 «Порядок выполнения научно-исследовательских работ», ГОСТ Р 50419-92 (ИСО 2169-81) «Фрукты и овощи. Физические условия хранения в охлаждающих складских помещениях. Определения понятий и измерения», ГОСТ Р 50520-93 (ИСО 6665-83) «Земляника. Руководство по хранению в холодильных камерах».

В задачу экспериментальных исследований процесса предварительного охлаждения ягод входила проверка теоретических положений и оптимизация параметров экспериментального устройства.

Для обработки результатов экспериментальных исследований использовались компьютерные программы: Microsoft Word, Excel, Statistica 6, Lab WIEV 8.20.

В соответствии с поставленной задачей работа выполнялась по следующей программе:

- описание экспериментальной установки для проведения исследований; постановка задач;

- определение свойств продукта в течение всего периода хранения в холодильной камере: органолептических, структурно-механических и биохимических;

- определение характеристик технологических параметров процессов, влияющих на свойства растительных продуктов в течение всего периода хранения в холодильной камере;

- выбор физических законов, наиболее достоверно описывающих протекающие процессы или явления;

- разработка математической модели и ее упрощение с учетом принятых допущений;

- решение задач оптимизации процесса предварительного охлаждения ягод;

- проведение опытных испытаний.

Для проведения экспериментальных исследований были разработаны специальные методики на основе методов планирования многофакторного эксперимента.

В соответствии с этапами работ для этих целей использовались специально разработанные модельный и лабораторно-исследовательский стенды, рисунок 4.

Исходные данные: ягода: земляника садовая, смородина красная и черная; тара: мелкоячеистая пластиковая 400250150 мм; высота слоя ягод: до 150 мм; средний вес ягоды в таре: 3650 г; способ предварительного охлаждения и хранения ягод: воздушное охлаждение+активная вентиляция; температура ягод в момент загрузки в холодильную камеру хранения: tя=+26,6 °С; температура воздуха в камере хранения перед закладкой ягоды на хранение: tв=+19,6 °С; расчетное время предварительного охлаждения ягоды: T=60 мин. (до выхода на режим хранения); начальная влажность воздуха в камере хранения до закладки ягоды на хранение: Wв=85%; влажность ягоды в момент закладки на хранение: Wя=95%; диапазон скоростей движения воздуха в камере хранения, регулируемый при помощи шиберного устройства: V=2–8 м/с.

1 - модель камеры хранения; 2 - холодильная установка; 3 - вентиляторы; 4 - увлажнитель воздуха; 5 - штабеля с грузом; 6 - блок управления работой установки; 7 - анемометр; 8 - лабораторно-исследовательский стенд для измерения остальных показателей холодильной камеры хранения; 9 - датчики; 10 - компьютер

Рисунок 4 - Экспериментальная модель для исследования основных параметров предварительного охлаждения ягоды

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты биохимического анализа ягод земляники садовой и смородины черной за период предварительного охлаждения и кратковременного хранения, а также результаты изучения изменения свойств ягод в процессе предварительного охлаждения. Особенностью изучения способа предварительного охлаждения ягод путем введения операции продувки с помощью вентиляторов охлажденного воздуха через слой ягод является то, что сами вентиляторы могут располагаться как напротив штабеля с продукцией, что приводит к равномерному распределению всего воздушного потока через слой ягод, так и непосредственно в промежутках между штабелями с продукцией (рекомендуемая ширина промежутков 30-50см). При этом малогабаритные всасывающие вентиляторы создают вихревые воздушные потоки внутри штабелей с продукцией. Воздух проходит через весь слой ягод, устраняя «застойные» зоны. Особенностью данной операции является также то, что все промежутки между штабелями с продукцией по периметру закрываются тонкой пленкой ПВХ, оставляя только отверстия для вентиляции воздуха, рисунок 5.

В данной диссертационной работе сравнивались два способа предварительного охлаждения ягоды: «охлаждение» и «охлаждение+активная вентиляция», и изучалось их влияние на состояние ягоды за весь период хранения ягоды. При этом, в ходе исследований проводился систематизированный биохимический анализ состояния ягоды в процессе предварительного охлаждения и хранения ягоды. Основной задачей являлось снижение физиологической активности ягоды. В результате были получены нижеследующие данные проведенных опытов и сделаны выводы.

В начальный период охлаждения наблюдается интенсификация процесса дыхания ягод, повышение испаряемости влаги, увеличение концентрации клеточного сока. При способе хранения земляники садовой «охлаждение+активная вентиляция» кислотность ягоды после окончания хранения в холодильной камере была ниже, чем при способе хранения земляники садовой «охлаждение» на 0,45%, смородины черной - на 0,25%, рисунок 6.

После предварительного охлаждения ягод наблюдается вторичный синтез веществ в клетках ягод. Крахмал распадается на сахара и они начинают активно расходоваться на дыхание ягод.

Рисунок 6 - Зависимость кислотности ягод земляники садовой
и смородины черной от способов предварительного охлаждения

За счет снижения влажности материала во время хранения в холодильной камере содержание сухих растворимых веществ увеличилось. При способе хранения земляники садовой «охлаждение+активная вентиляция» содержание сухих растворимых веществ в ягоде после окончания хранения в холодильной камере была выше, чем при способе хранения земляники садовой «охлаждение» на 1%, смородины черной - на 0,35%.

Экстремальные условия, которые создаются в холодильной камере, требуют от ягод дополнительного расхода защитных веществ – антиоксидантов, в том числе и аскорбиновой кислоты. При хранении земляники садовой с активной вентиляцией содержание аскорбиновой кислоты в ягоде после окончания хранения в холодильной камере была выше, чем при хранении земляники садовой только с охлаждением на 5 мг/100 г, смородины черной - на 11 мг/100 г, рисунок 7.

Рисунок 7 - Зависимость содержания аскорбиновой кислоты в ягодах земляники садовой и смородины черной от способов предварительного охлаждения

За весь период хранения ягод в холодильной камере наблюдалось плавное снижение общего содержания сахаров, которые расходовались на дыхание ягод и другие энергетические процессы.

При способе хранения земляники садовой «охлаждение+активная вентиляция» общее содержание сахаров в ягоде после окончания хранения в холодильной камере была выше, чем при способе хранения земляники садовой «охлаждение» на 0,4%, смородины черной - на 0,3%, рисунок 8.

Процесс предварительного охлаждения ягоды при экспериментальных исследованиях рассматривался как кратковременный с последующим соблюдением рабочего режима хранения в холодильной камере.

В результате опытов установлено, что наиболее целесообразно предварительное охлаждение проводить в течение 60 минут. Качество плодов при дальнейшем хранении в камере сохраняется максимально возможное время.

Рассмотрим изменения показателей среды и ягоды в камере предварительного охлаждения в течение первых 60 минут.

Анализ графической зависимости показывает, что в течение 60 минут предварительного охлаждения температура воздуха в камере хранения снизилась с +19,6 °С до +1,1 °С, т.е. за данный промежуток времени достигнута температура рабочего режима хранения ягоды земляники садовой. В случае активной вентиляции температура ягод снижается на 15 минут раньше, чем без вентиляции.

Рисунок 8 - Зависимость общего содержания сахара в землянике садовой
от способов предварительного охлаждения

Рисунок 9 - Зависимость температуры ягод земляники садовой
в камере хранения от времени предварительного охлаждения
с активной вентиляцией и без нее.

Для определения влияния продолжительности охлаждения ягоды земляники садовой на влажность воздуха в камере хранения построен график зависимости этих показателей, рисунок 10.

Рисунок 10 - Зависимость влажности воздуха в камере хранения
от времени предварительного охлаждения ягоды земляники садовой
при различных скоростях движения воздуха

Рисунок 11 - Зависимость температуры воздуха в камере хранения
от времени предварительного охлаждения ягоды земляники садовой
при различных скоростях движения воздуха

Анализ графической зависимости показывает, что влажность воздуха в камере хранения в течение 60 минут при скорости движения воздуха V=2 м/с снизилась с 95% до 83%, при V=5 м/с - с 95% до 81,5% и при V=8 м/с - с 95% до 80,5%. Анализ кривых позволяет сделать вывод, что чем выше скорость продувки воздуха в камере хранения, тем ниже влажность воздуха в процессе предварительного охлаждения ягоды земляники садовой.

Установлено, что увеличение скорости продувки воздуха ведет к интенсификации процесса предварительного охлаждения.

За 60 минут предварительного охлаждения при V=2 м/с температура воздуха в камере хранения снижалась с +19,6 °С до +1,1 °С медленнее, чем при V=5 м/с и V=8 м/с.

Поверхность, представленная на рисунке 12, описывает изменение температуры внутри камеры от времени охлаждения ягоды при фиксированном значении влажности воздуха, равном 90%. Опытами было выявлено, что лучшей скоростью движения воздуха внутри камеры считается скорость 8 м/с.

Как видно из графика, процесс охлаждения более интенсивен в интервале времени от 0 до 40 минут. Это связано с более активным выделением тепла от продукта и отводом его в атмосферу, а на участке 40–60 минут – температура плавно приближается к температуре установившегося режима хранения. Дальнейшее охлаждение продукта является нецелесообразным и приводит к перерасходу электроэнергии.

Из рисунка 13 видно, что с увеличением скорости движения воздуха и уменьшением влажности воздуха в камере хранения, температура ягоды снизилась с +26,6 °С до +14,5 °С. Дальнейшее увеличение скорости движения воздуха приводит к снижению влажности воздуха в камере, что означает резкое падение температуры ягоды и выход на режим хранения. В результате исследований выявлено, что оптимальная влажность составляет 90%.

В свою очередь режим хранения можно регулировать при помощи установленных увлажнителей воздуха и применением шиберного устройства для регулирования скорости движения воздуха.

Для определения влияния продолжительности охлаждения ягоды земляники садовой на температуру ягод при различных скоростях движения воздуха построен график зависимости этих показателей. Вид зависимости представлен на рисунке 14.

Рисунок 14 – Зависимость температуры ягод земляники садовой от времени предварительного охлаждения при различных скоростях движения воздуха

Рисунок 15 - Зависимость температуры ягод земляники садовой от скорости движения воздуха при различном времени охлаждения

Анализ графической зависимости показывает, что за 60 минут предварительного охлаждения температура ягоды при V=2 м/с снижалась с +26,6 °С до +1,1 °С медленнее, чем при V=5 м/с и V=8 м/с. Поэтому с целью ускорения процесса скорость воздуха целесообразно увеличивать до 8 м/с, рисунок 15.

В пятой главе «Экономическая оценка эффективности применяемого способа предварительного охлаждения ягод» сравнивались два способа предварительного охлаждения плодов ягодных культур: «охлаждение» (существующая технология) и «охлаждение с активной вентиляцией» (предлагаемая технология). При анализе этих способов использовались такие показатели как: средняя масса ягод до и после хранения в холодильной камере, потери продукции, изменение кислотности, общего содержания сахаров, цвета, запаха и другие. Расчет эффективности хранения ягод проведен на примере земляники садовой.

В результате проведенных расчетов дополнительная прибыль от внедрения предлагаемой технологии составит 7237 рублей на 1000 кг продукции. Срок окупаемости дополнительно вложенных капитальных вложений соответственно - 1,5 сезона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ отечественных и зарубежных научных исследований показывает, что в целях сокращения потерь продукции после сбора ягоду необходимо в кратчайшие сроки охладить. Быстрое и качественное предварительное охлаждение ягоды является приоритетной задачей для производителей такой скоропортящейся продукции.

2. Наиболее экономичной и доступной технологией предварительного охлаждения, хранения ягод для производителей плодово-ягодной продукции является воздушное охлаждение. Такую технологию можно осуществлять в специальных холодильных камерах хранения или секциях стационарных плодохранилищ. Степень охлаждения ягоды зависит от используемого способа и режима предварительного охлаждения.

3. Эффективность сохранения ягод зависит от основных режимных показателей предварительного охлаждения. Установлено, что наибольшее влияние на процесс предварительного охлаждения ягод оказывают следующие показатели: начальная температура воздуха в камере хранения tв (°С), скорость воздуха V (м/с), влажность продуваемого воздуха Wв (%),температура tя (°С), и влажность ягод Wя (%).

4. Оптимальный режим предварительного охлаждения ягоды: для земляники садовой – температура охлаждающего воздуха - +1,1°С, влажность воздуха-90%, средняя скорость воздуха-8 м/с, время охлаждения-60 минут; для смородины черной и красной - температура охлаждающего воздуха - +1,0°С, влажность воздуха-95%, средняя скорость воздуха-8 м/с, время охлаждения-60 минут. При этом температура ягоды будет колебаться от +2C до +4C, что соответствует требованиям ГОСТов.

5. В результате исследований процесса предварительного охлаждения ягод выявлена взаимосвязь между уровнем интенсивности дыхания и содержанием сахарозы в ягоде. Содержание сухих растворимых веществ увеличивается за счет снижения влажности материала. Содержание витамина С, при интенсификации процесса предварительного охлаждения, практически не изменяется.

Предлагаемый способ предварительного охлаждения позволил сохранить ягоды земляники садовой 10 суток (рекомендуемый - 7 суток), смородины черной – 14 суток (рекомендуемый - 12 суток). При этом хорошо сохраняются товарные показатели и пищевая ценность ягод.

6. При хранении в течение 10 суток поражение ягод земляники садовой серой гнилью при способе «охлаждение» составило 19% от всей массы продукции, а при способе хранения «охлаждение+активная вентиляция» за тот же период времени - 9-10%, т.е. почти в 2 раза меньше. Поражение ягод смородины черной серой гнилью при способе хранения «охлаждение» в течение 14 суток составило 16% от всей массы продукции, а при способе хранения «охлаждение+активная вентиляция» за тот же период времени всего 9%.

7. Дополнительная прибыль от внедрения предлагаемой технологии составит 7,237 рублей на 1кг продукции. Срок окупаемости дополнительно вложенных капитальных вложений соответственно составит 1,5 года.

Цели и задачи, поставленные в данной диссертационной работе, выполнены. Научная гипотеза о том, что способ продувки охлажденного воздуха в холодильной камере хранения через тонкий слой ягод является эффективным для хранения плодово-ягодной продукции и позволяет в конечном итоге увеличить сроки хранения ягод при сохранении их товарного качества и пищевой ценности продукта подтвердилась.

Результаты научных исследований являются основой для совершенствования существующих и разработки новых способов предварительного охлаждения ягод, расчета оптимальных режимов предварительного охлаждения и хранения плодов ягодных культур.

Материалы диссертационной работы целесообразно использовать научным сотрудникам, соискателям и аспирантам, занимающимся исследованиями в области хранения плодово-ягодной продукции; в учреждениях (предприятиях) по производству, хранению сельскохозяйственной продукции и организациях торговли; в учебном процессе для студентов высших и средних учебных заведений; в докладах и научных статьях.

Тема исследований имеет перспективы дальнейшей разработки по нескольким направлениям:

1. Исследования в области обработки, предварительного охлаждения и хранения плодово-ягодной продукции.
2. Совершенствование существующих и разработка новых способов предварительного охлаждения и хранения плодово-ягодной продукции.
3. Применение современных технологий, оборудования и материалов для увеличения сроков хранения ягод при сохранении их товарного качества и пищевой ценности.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации:

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Хайрутдинов З.Н. Экспериментальная холодильная установка для исследования процессов хранения плодов и ягод/ А.И.Завражнов, З.Н. Хайрутдинов // «Вестник Мичуринского государственного аграрного университета», научно-производственный журнал. - 2010. - № 2. -С.139-140.
2. Хайрутдинов З.Н. Учебная холодильная установка для хранения сельскохозяйственной продукции/ А.И.Завражнов, З.Н. Хайрутдинов // «Вестник Мичуринского государственного аграрного университета», научно-производственный журнал. - 2011. - № 1. - С.235-236.
3. Хайрутдинов З.Н. Совершенствование технологии хранения плодов ягодных культур путем интенсификации процесса охлаждения/ З.Н. Хайрутдинов // «Вестник Мичуринского государственного аграрного университета», научно-производственный журнал.-2011.- № 1.-С.244-245.
4. Хайрутдинов З.Н. Теплофизические и органолептические характеристики плодово-ягодной продукции для оптимальных режимов предварительного охлаждения и хранения/ А.И.Завражнов, З.Н. Хайрутдинов // «Вестник Мичуринского государственного аграрного университета», научно-производственный журнал.-2012.-№ 2.-С.200-202.
5. Хайрутдинов З.Н. Исследования свойств плодово-ягодной продукции в процессе предварительного охлаждения и хранения/ А.И.Завражнов, З.Н. Хайрутдинов, С.В. Дьячков //«Вестник Мичуринского государственного аграрного университета», научно-производственный журнал. - 2012. - № 2. - С.190-192.

Статьи в других изданиях и материалах конференций

6. Хайрутдинов З.Н. Применение экспериментальной холодильной установки для исследования процессов хранения плодов и ягод/ А.И.Завражнов, З.Н. Хайрутдинов // Инновационные технологии производства, хранения и переработки плодов и ягод: материалы всеросс. науч. - практ. конф., 4-я Всеросс. выставка «День садовода-2009».-Мичуринск-наукоград РФ. - 2009. - С.124-125.
7. Хайрутдинов З.Н. Эффективные виды упаковки для хранения пищевой продукции в свежем и консервированном виде/ З.Н. Хайрутдинов //научно-производственный и информационный журнал «Консервная промышленность сегодня: технологии, маркетинг, финансы». - Москва. - 2011. - №9. - С. 39-42.
8. Хайрутдинов З.Н. Результаты научных исследований по совершенствованию технологии хранения плодов ягодных культур путем интенсификации процесса охлаждения/ З.Н. Хайрутдинов //материалы междунар. науч.-практ. конф. «Достижения науки и инновации в производстве, хранении и переработке сельскохозяйственной продукции», посвященной 80-летию Заслуженного работника высшей школы РФ профессора Ю.Г. Скрипникова.-Мичуринск-наукоград РФ. - 2011. - С. 230-231.
9. Хайрутдинов З.Н. Передовой опыт агробизнеса фермерских хозяйств Финляндии по производству, хранению и переработке плодово-ягодной продукции/ З.Н. Хайрутдинов //научно-производственный и информационный журнал «Консервная промышленность сегодня: технологии, маркетинг, финансы».- Москва.- 2012.-№5.-С. 65-68.
10. Хайрутдинов З.Н. Классификация современных технологий обработки и хранения плодово-ягодной продукции и технических средств, их обеспечивающих/ А.И.Завражнов, З.Н. Хайрутдинов //Инновационные технологии производства, хранения и переработки плодов и ягод: материалы всеросс. науч.-практ. конф., 7-я Всеросс. выставка «День садовода-2012». - Мичуринск-наукоград РФ. - 2012. - С.124-125.

Автор выражает благодарность, почтение и глубокую признательность научному руководителю: Человеку Мира, выдающемуся ученому международного уровня, заслуженному деятелю науки и техники РФ, академику Российской академии сельскохозяйственных наук, Президенту МичГАУ, доктору технических наук, профессору Завражнову Анатолию Ивановичу!