2.3 Механическая связь

Механически связанная влага самая слабая, удерживается за счет заполнения макро- и микрокапилляров. Растительные ткани имеют в зависимости от размера пор микро- или макрокапиллярное строение. Поэтому эту влагу также называют капиллярно-связанной.

Капиллярно-связанная влага обусловлена поверхностным натяжением и капиллярным давлением. Под действием давления происходит поднятие влаги в капиллярах. Высота поднятия воды зависит от радиуса капилляра: при радиусе 10 ^-1 см, высота подъема равна 1,5 см; при 10 ^-6 см – высота подъема 1,5 км. В зависимости от размера капилляры делятся микрокапилляры (радиус меньше 10 ^-7 м) и макрокапилляры (радиус больше 10 ^-7 м).

Капилляры с меньшим радиусом имеют меньшее поверхностное давление, чем более широкие, поэтому вода в них поднимается на большую высоту. В процессе сушки вода из макрокапилляров перемещается в более мелкие и оттуда испаряется. При этом уровень влаги в крупных капиллярах уменьшается, а в мелких – остается постоянным.

Вода, находящаяся в микрокапиллярах, отличается от свободной меньшей вязкостью и поверхностным натяжением и большей теплоемкостью. Температура замерзания такой влаги меньше 0⁰С. Энергия связи в микрокапиллярах определяется по уравнению (1.4):

А = 2*σ*V₀/r (1.4)

где: σ - поверхностное натяжение на границе воды с паровоздушной смесью, Н/м;

V₀ – удельный объем кг/м³;

r – радиус капилляра, м

Это уравнение указывает на увеличение энергии связи с уменьшением радиуса капилляров.

Механически связанная влага практически не отличается от свойств свободной воды, ее можно рассматривать как свободную влагу, которая при сушке легко удаляется в первую очередь.

Свободная влага находится на поверхности продуктов, в крупных порах и макрокапиллярах, она легко удаляется механическим путем (отжатием, прессованием).

Контрольные вопросы

1 Какую основную цель преследует процесс сушки, как способ консервирования?

2 В чем особенность заключается особенность растительного сырья как объекта сушки?

3 Как изменяются сухие вещества продуктов при сушке?

4 Что такое свободная и связанная влага, чем они отличаются?

5 Какими свойствами обладает связанная влага?

6 Какие существуют формы связи влаги с материалом?

7 Что такое химически связанная влага?

8 Какими свойствами обладает адсорбционно связанная влага?

9 Чем обусловлена осмотически связанная влага?

10 Что такое капиллярно-связанная влага, как она удаляется при сушке?

1. 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ

1 Изотермы сорбции и десорбции

2 Кривая сушки и ее анализ

3 Факторы, влияющие на процесс сушки

4 Изменение продуктов в процессе сушки

1 Изотермы сорбции и десорбции

Количественное соотношение воды и сухих веществ в продукте оказывает существенное влияние на выбор параметров сушки и на условия хранения сухого продукта. Если в продукте, предназначенном для сушки, содержится много белков, то максимальная температура сушки не должна вызывать их денатурацию. Количество в продукте сахаров определяет количество воды, которое можно удалить при сушке, чтобы не происходило реакций меланоидинообразования при хранении.

С биологической точки зрения решающей характеристикой продуктов является не количественное содержание в них воды, а ее состояние. Состояние влаги в продукте (способность материала удерживать воду) характеризуется равновесным влагосодержанием.

Равновесное влагосодержание – то, при котором давление водяного пара над продуктом будет равно парциальному давлению водяного пара в окружающей среде. При этом температура продукта равна температуре окружающего воздуха.

Равновесное влагосодержание определяет способность продукта удерживать влагу и играет большую роль при сушке. По значению этого показателя определяют связь влаги с материалом; потенциальную возможность воздуха, как сушильного агента; условия хранения высушенных продуктов; вид тары для упаковки сушеных продуктов. Значение равновесного влагосодержания входит в уравнение продолжительности сушки, так как удаление влаги при сушке происходит только до равновесного влагосодержания, которое соответствует определенным параметрам сушильного агента.

Удаляемая влага при сушке (W_у) определяется как равность влагосодержания продукта (W) и равновесная влажность (W_р):

W_у = W - W_р (1.5)

Равновесное влагосодержание зависит от влажности и температуры воздуха и способа достижения его равновесия. Графически зависимость между равновесным влагосодержанием продукта и влажностью воздуха при определенных постоянных значениях температуры называется изотермой сорбции или десорбции продукта.

Если равновесие достигнуто путем поглощения влаги из окружающего воздуха, то получается изотерма сорбции. Если же равновесие достигнуто при отдаче влаги продуктом окружающему воздуху, то образуется изотерма десорбции (сушка).

Р авновесное влагосодержание определяется экспериментально по изотермам сорбции и десорбции, так как различные формы связи влаги с материалом и разнообразие структур продуктов не позволяют определить его аналитическим путем. При определении равновесной влажности продукт выдерживают в воздушной среде с постоянной влажностью и температурой до равновесного состояния.

Изотермы сорбции и десорбции для картофеля представлены на рисунке 1.1. Изотермы сорбции и десорбции растительных продуктов имеют S-образный характер. Для одного и того же продукта они совпадают только при очень малых и очень больших значениях относительной влажности воздуха, при других значениях – не совпадают. При этом образуется площадь гистерезиса.

Изотермы сорбции располагаются выше, чем изотермы десорбции и равновесное влагосодержание при одинаковом значении относительной влажности воздуха при десорбции больше, чем при сорбции.

Причины гистерезиса для растительных продуктов заключаются в том, что в капиллярно-пористых материалах в капиллярах содержится воздух. Это уменьшает смачиваемость капилляров при сорбции. Поэтому, если предварительно выдержать сухой материал в глубоком вакууме перед сорбцией, то площадь гистерезиса уменьшается или исчезает совсем, и кривая сорбции приближается или совпадает с кривой десорбции.

Характер изотерм зависит от вида связи влаги с материалом. Для капиллярно-пористых материалов S-образные изотермы сорбции и десорбции сначала в области малых значений (φ = 10-20 %) обращены выпуклостью к оси абсцисс. Это соответствует мономолекулярной адсорбции. При реальной сушке материала влага, связанная мономолекулярной адсорбцией, не удаляется. Затем выпуклость кривой обращена к оси ординат (φ = 60-80 %). На этом участке происходит полимолекулярная адсорбция. В дальнейшем изотерма плавно переходит к пологой кривой, наклоненной к оси абсцисс. Это соответствует переходу к осмотически и кипиллярно-связанной влаге. На пологом участке происходит поглощение воды макрокапиллярами при непосредственном соприкосновении материала с водой. Равновесное влагосодержание, которое соответствует максимальной степени насыщения воздуха парами воды (φ = 100 %) называется гигроскопическим влагосодержанием. С повышением температуры значение гигроскопического влагосодержания уменьшается.

Гигроскопическое состояние пищевых продуктов охватывает значительный диапазон влажности и на удаление этой влаги приходится значительная часть времени сушки, т.к. в этот период удаляется наиболее прочно связанная влага. Значение гигроскопического влагосодержания приведено в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Гигроскопическое влагосодержание для плодов и овощей

Наименование продуктов	Гигроскопическое влагосодержание, %
Картофель	50-130
Морковь	47-80
Лук	53-90
Свекла столовая	80-100
Зеленый горошек	47-82
Яблоки	42-74
Абрикосы	63-80
Хурма	40-110

На основании экспериментальных данных выведены зависимости для определения равновесного влагосодержания некоторых продуктов.

Для круп и бобовых при производстве пищеконцентратов равновесное влагосодержание определяется по уравнению 1.6:

W_р = (K₁ – K₂*t)* (1.6)

где: К₁ и К₂ – константы круп и бобовых до и после гидротермической обработки. Значение констант приведено в таблице 1.2.

Уравнение 6 действует в пределах относительной влажности воздуха от 20 до 70 % при температурах воздуха от 10 до 90 ⁰С.

Таблица 1.2 – Значения констант для круп и бобовых

Наименование продуктов	Значения К1	Значения К2
Крупа гречневая	1,10	0,007
Крупа пшеничная	1,05	0,006
Крупа перловая	1,15	0,008
Горох плющеный	0,93	0,007
Крупа рисовая	1,22	0,0065
Крупа пшено	1,17	0,0055

Для картофеля равновесное влагосодержание определяется по уравнению 1.7.

W_р = 1,65* (1.7)

Равновесное влагосодержание для овощных порошков распылительной сушки определяется по формуле 1.8.

W_р = (а + b*φ)² (1.8)

Значения коэффициентов а и b для порошков приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Значения коэффициентов а и b для порошков

Наименование продуктов	Значение коэффициентов
	а	b
Шпинат	1,2	0,0354
Зеленый горошек	1,4	0,0347
Кабачки	1,05	0,056

Основные компоненты плодов и овощей – сахароза, крахмал, пектин и клетчатка оказывают различное влияние на связь влаги с материалом. Величина равновесного влагосодержания при одинаковой относительной влажности и температуре воздуха наибольшая у пектина (а, следовательно, наибольшая и энергия связи), несколько меньшая у крахмала и самая меньшая у сахарозы. Поэтому влага наиболее прочно связывается пектином, затем крахмалом, клетчаткой и сахарозой. Содержание этих компонентов в растительных материалах оказывает существенное влияние на продолжительность процесса сушки.