Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 7
ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ РОЛЬ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.
Физико-механические процессы. Тепловые процессы. Массообменные процессы.
Технология пищевых производств, изучающая способы переработки сырья в продукты питания, базируется на закономерностях фундаментальных наук – физики, химии, биологии и др. В основе науки о технологических процессах лежат основные законы природы – закон сохранения массы и закон сохранения энергии. Вместе с тем этой науке присущи свои специфические понятия и законы, которым подчиняются технологические процессы, последовательно превращающие сырье в продукты питания. В основе пищевых технологий лежит сложный комплекс физико-химических, биохимических и микробиологических процессов, в результате которых и происходит превращение сырья в пищевые продукты.
Физико–механические процессы
В основе этих процессов лежит механическое воздействие на материал; они определяются законами механики твердых тел и гидравлики.
К этим процессам относятся:
Движущей силой этих процессов является сила механического и гидростатического давления, центробежная сила.
Измельчение. Измельчением принято называть процесс разделения твер дых тел на части действием механических сил. Процесс измельчения очень распространен в пищевой промышленности. На многих предприятиях – мукомольных, пи воваренных, крахмало-паточных, спиртовых – дробится зер но; на сахарных, овощеконсервных и овощесушильных, спир товых и крахмало-паточных заводах измельчению подверга ются картофель и корнеплоды; на кондитерских предприяти ях - какао-бобы; на кофе-цикорных фабриках – различные продукты; на консервных заводах – мясо, рыба и т. д.
Если при измельчении не требуется придавать измельченным частицам определенную форму, процесс называется дроблением. Дробление может производиться путем раздавливания, удара, истирания, раскалывания, разрыва, среза и других действий.
Чаще всего применяется комбинированное воздействие, например сдавливание и срез.
Выбор способа воздействия определяется механическими свойствами измельчаемых материалов и их размерами.
Дробление может быть крупным, средним, мелким и тонким. В пищевой промышленности преобладает мелкое и тонкое дробление.
В пищевой промышленности применяют самые разнообразные дробилки для измельчения пищевого сырья и вспомогательных материалов, но наиболее употребительными являются:
Резательные машины, или резки, применяются в тех случаях, когда частицам измельчаемого материала необходимо придать определенную форму и размеры.
Резание применяется широко в овощеконсервном произ водстве для резки моркови, капусты и других овощей, а так же в сахарной промышленности для резки свеклы.
Существуют разные конструкции машин для резки, Наибольшее распространение получили дисковые и центробежные резки, применяемые в сахарном и овощеконсервном производствах.
Сортирование. На предприятиях пищевой промышленности перерабаты вается большое количество различных сыпучих материалов.
Сыпучим материалом является прежде всего зерно перерабатываемое на мукомольных, крупяных, консервных, спиртовых, пивоваренных заводах, маслозаводах, кофе-цикорных фабриках, заводах пищевых концентратов и ряде других предприятий.
На многих предприятиях – хлебопекарных, кондитерских, макаронных и других – используются продукты переработки зерна: мука, крупа, солод, на крахмало-паточных заводах – крахмал; на сахарных заводах – песок и т.д.
В процессе, обработки сыпучих материалов значительное место занимает разделение (сортирование, или классифика ция) их на фракции, различающиеся определенными физиче скими свойствами – размерами, формой, удельным весом, раз личными аэродинамическими, электрическими, магнитными и некоторыми другими.
Сортирование сыпучих материалов преследует в основном две цели:
Разделение частиц, отличающихся размерами, может осуществляется с помощью сит, имеющих определенные размеры отверстий. При просеивании на ситах частицы, имеющие раз меры меньше отверстий сита, просеиваются (проход), а ча стицы, имеющие большие размеры, остаются на сите (сход).
Сита являются рабочим органом просеивающих машин. На пищевых предприятиях применяется несколько типов сит.
Штампованные, или пробивные, сита изготавливаются обыч но из стального листа, в котором в определенном порядке про биваются отверстия необходимых размеров и формы. Отверстия имеют чаще всего круглую или продолговатую форму.
В числе примесей, засоряющих зерно и другие сыпучие продукты, встречаются металлические примеси — от мельчайших пылинок и до кусков, превышающих размеры продук та. Эти примеси – чаще всего сталь и чугун – попадают в про дукт в результате износа и поломок рабочих органов машин для транспортирования и обработки продукта. Металлические примеси, попадая в машины (главным образом измель чающие) вместе с продуктом, могут вызвать крупную аварию, а попадая в готовую продукцию, представлять опасность для здоровья человека.
Для выделения таких примесей применяют магнитные сепараторы. Продукт пропускается в непосредственной близо сти от системы магнитов, которые притягивают эти примеси. Магнитные сепараторы делятся на две группы: сепараторы со статическими магнитами и электромагнитные сепараторы.
Обработка различных материалов давлением производится в механических устройствах – прессах, штампах и формующих машинах. Обработка материалов давлением может преследовать различные цели.
Отжатие жидкости широко применяется в виноделии, ликерно-водочной и в консервной промышленности для выделе ния соков из плодов и ягод, в производстве растительных ма сел, в кондитерской промышленности для частичного выделе ния масла из какао-бобов и т. д.
Отжатие жидкости из продукта сопровождается разруше нием клеточной структуры материала и выделением жидкости из клеток. Прессованию подвергается определенный слой материала; разрушение клеток, выделение жидкости происходит по всей толщине слоя.
Прессы для отжатия жидкости по режиму их работы делятся на две группы – периодического и непрерывного дейст вия. В прессах периодического действия прессованию подверга ется предварительно приготовленная порция материала.
По принципу создания давления прессы делятся на механические и гидравлические.
В пищевой промышленности при помощи формовки пластическим материалам придается необходимая форма. Таким материалом чаще всего является тесто для приготовления хлеба, макаронных изделий, различного печенья и т. д.
Тесто является упруго-пластически-вязким материалом. Это значит, что при небольших усилиях и деформациях оно способно восстановить свою первоначальную форму, т.е., ведет себя, как упругое тело.
Если же увеличить усилия, то оно уже не восстанавливает свою форму и приобретает свойства жидкости. Поэтому для того, чтобы придать тесту необходимую форму, нужно прило жить к нему некоторое усилие для преодоления сопротивления его структуры.
Машины, применяемые для формовки теста, весьма разно образны, как разнообразны цели формовки и свойства фор муемых материалов.
В макаронной промышленности применяют нагнетающие прессы для формования макарон, вермишели, лапши и др. Эти прессы состоят из нагнетающего устройства и формующего – матрицы.
В кондитерской промышленности при производстве печенья и карамели изделия выдавливаются из ленты движущегося материала. В штампующих машинах, применяемых для этой цели, прокатанная лента материала движется по конвейе ру, где из нее вырубаются штампующим механизмом изделия необходимой формы. Во избежание смятия краев изделий необходимо, чтобы в момент штамповки не было относительного движения продукта и штампа. Поэтому в некоторых конструк циях машин в момент удара штампа конвейер останавливает ся, а в других – штамп в момент удара движется вместе с конвейером.
Применяются также ротационные штампующие машины, в которых на валу имеются формочки с рисунком, а тесто запрессовывается в эти формочки рифленым валком, вращаю щимся навстречу валу с формочками.
Прессование зернистых материалов в брикеты (брикетирование) применяется при производстве рафинада, различных концентратов, а также в ряде других отраслей пищевой промышленности. Для того чтобы полученные брикеты были прочными и не рассыпались, необходимо добавлять связующую жидкость или прессовать влажные материалы.
Прессование происходит в специальных формах – матрицах – при помощи штанг – пуансонов. В процессе прессования поступающий в матрицу материал сдавливается пуансоном, образуя брикеты. При этом увеличивается плотность материала; его прочность объясняется взаимным сцеплением отдельных частиц, а также действием капиллярных сил, возникающих вследствие уплотнения частиц в брикеты.
Перемешивание. Перемешивание материалов применяется в пищевой про мышленности для различных целей:
Перемешивание проводится либо в специальных аппаратах, которые называются обычно смесителями, либо непо средственно в аппаратах, где проводятся процессы массо- или теплообмена, биохимические, химические и др. Такие аппараты имеют приспособления для перемешивания, называемые мешалками или ворошителями.
Перемешиванию подвергаются различные материалы – жидкие, газообразные, твердые (сыпучие), причем могут пере шиваться как продукты, находящиеся в одинаковом агрегатном состоянии, например две или более жидкости, так и в разном – жидкости и твердые тела и т.д.
Перемешивание в жидкой среде может быть осуществлено различными способами:
Поточным методом обычно перемешивают две или более жидкости. Этот метод заключается в соприкосновении потоков смешиваемых жидкостей в специальных смесителях.
Механическое перемешивание жидкостей или жидкостей и твердых тел производится с помощью мешалок. Наиболее распространены мешалки трех типов: лопастные, пропеллерные и турбинные.
Пневматическое перемешивание жидкостей или сыпучих материалов, погруженных в жидкость, достигается путем пропускания воздуха или пара через жидкость.
Выходя через мелкие отверстия в трубах, уложенных на дне сосуда, газ или пар разбивается на мелкие пузырьки, которые поднимаясь к верху, увлекают за собой часть жидкости. Таким образом, возникают потоки жидкости, перемешивающие ее.
Перемешивание жидкости таким способом применяется, например, в растительных чанах в дрожжевом производстве. Пневматическое перемешивание замоченного в воде зерна осуществляется при производстве солода.
Перемешивание пластических материалов широко распространено в раз ных отраслях пищевой промышленности. В хлебопекарной, кондитерской и макаронной промышленности перемешиванию подвергаются различные виды теста, в мясной промышленно сти – мясной фарш, в консервной – овощные и мясные фар ши, в молочной – творог и сырковые массы и т.д.
Пластичные материалы имеют высокую вязкость, поэтому для их перемешивания требуются значительные усилия.
Машины для перемешивания пластических материалов делятся на две группы: периодического и непрерывного действия. В машинах периодического действия перемешиваются определенные количества различных компонентов до получения однородной массы, после чего ее выгружают, а аппарат заполняют новыми порциями материала машины непрерывного действия характеризуются тем, что компоненты, подлежащие смешиванию, поступают в них непрерывно и непрерывно получается однородная смесь.
Перемешивание сыпучих материалов применяется в хлебо пекарной промышленности – смешивание отдельных партий муки, перемешивание прораста ющего зерна с целью его аэрации при производстве солода, перемешивание увлажненного зерна в мукомольном произ водстве и т. д.
Наиболее распространенными смесителями являются сме сители шнекового типа. На хлебозаводах применяют шнековые дозировщики-смесители, в которых продукты смешивают ся в нужной пропорции.
Для перемешивания зерна при производстве солода применяются шнековые ворошители, которые могут перемещаться по рельсам вдоль ящика с солодом. При этом вертикальные шнеки вращаются и перемешивают продукт.
Для перемешивания сыпучих материалов применяют так называемые барабанные емкости. Например, в пневматических барабанных солодовнях производится перемешивание зерна.
Разделение неоднородных систем. Неоднородными называют системы, образованные двумя или большим числом фаз, которые взаимно нерастворимы друг в друге. Неоднородные системы обладают различной степенью устойчивости и могут быть, как правило, разделены под действием механических сил.
В пищевых производствах многие технологические процессы сопровождаются образованием неоднородных смесей, которые в дальнейшем необходимо разделять. Следует очищать воздух от пыли, образующейся при измельчении твердых материалов, а также моечные растворы, содержащие твердые частицы, отделять кристаллы от маточного раствора и т.п.
Все процессы разделения неоднородных систем по виду движущейся силы относятся к механическим и гидромеханическим. Многообразие самих систем и способов разделения привело к созданию многочисленных аппаратов, в которых осуществляются непохожие друг на друга процессы.
Процессы осаждения под действием силы тяжести. Применя ются там, где система составлена из компонентов, плотность которых существенно различна. Эти способы используются для разделения грубых суспензий и некоторых промышленных пылей.
Применение центробежного поля позволяет существенно уве личить движущую силу. Сила тяжести в этом случае заменяется центробежной силой, пропорциональной скорости и радиусу вращение частицы. Способ применяют для разделения тонких суспензий и мутей, содержащих мелкие частицы, а также эмуль сий.
Для отделения пыли в газовых системах используют электро статическое поле, где осаждение происходит в результате взаи модействия частиц с ионизированным газом.
Процесс разделения неоднородных систем за счет ''просеивания'' их через фильтрующую перегородку носит название фильтрование. Эти процессы используются для разделения жидких и газовых систем.
Если размер частиц больше размера пор, частицы накаплива ются на поверхности фильтрующей перегородки, образуя слой. На практике среди частиц твердой фазы, содержащихся в сус пензии, всегда найдутся такие, размер которых позволяет им проникнуть в любые поры фильтрующей перегородки. Поэтому тип процесса фильтрования определяется, прежде всего, количе ством твердой фазы, содержащейся в исходной смеси. Если кон центрация твердой фазы ничтожна, как, например, в производ стве вин, пива и других напитков, слой осадка практически не образуется, частицы задерживаются в толщине фильтровального картона.
Для организации процесса фильтрован через слой, концентрация суспензии должна быть достаточной для образования слоя. Поэтому производственной технологией предусматривается введение в раствор значительного количества мелкодисперсной твердой фазы, с тем чтобы образовать слой из этих частиц на фильтрующей перегородке. В дальнейшем фильтрование идет через этот слой, частицы за держиваются внутри него или на его поверхности. Толщина такого слоя будет увеличиваться, и его сопротивление будет также возрастать. Это приведет к необходимости удаления или уменьшения толщины слоя для подержания приемлемой скорости фильтрования.
Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по одну и другую сторону фильтрующей перего родки. Эта разность может быть получена за счет силы тяжести — силы гидростатическою давления, что с успехом используется в лаборатории для фильтрования в простой воронке. В промышленных аппаратах сила тяжести существенного влияния на результат процесса не оказывает, и поэтому учитываться не будет. Разности давлении можно добиться за счет создания избыточного давления на стороне неоднородной смеси или за счет создания вакуума со стороны, где собирается газ или жидкость — фильтрат.
На пути превращения сырья в продукты питания существен ное место занимает тепловая обработка, в результате которой изменяется пищевая ценность продуктов, улучшаются их вкусо вые качества. Иногда нагревания и осаждения требуют после дующие операции, например, растительное масло подогревают перед фильтрованием для уменьшения вязкости.
Целый ряд массообменных, химических и биохимических процессов для обеспечения их скорости протекания требуют поддержания определенной температуры, т.е. сопровождаются подогревом или охлаждением. В пищевой промышленности наи более распространены сушка, сорбция и десорбция газов жид костями (процессы сатурации), растворение твердых веществ и кристаллизация. Наконец, к тепловым процессам относятся про цессы фазового превращения — выпаривание и конденсация, также широко применяемые в пищевых производствах. Перенос теплоты осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией, радиацией.
Теплопроводность. Перенос теплоты внутри твердого тела, неподвижной жидкости или газа называется теплопроводностью.
Конвекция. В неподвижной жидкости или газе теплота переносится за счет теплопроводности, в движущейся жидкости появляется еще один механизм переноса теплоты за счет перемешивания. Нагретые частицы жидкости, попадая в окружение холодных частиц, отдают им свою теплоту.
Радиация. Перенос теплоты излучением (радиацией) имеет место в хлебопекарных радиационных печах и радиационных сушилках, применение которых ограничено из-за довольно высокой энергоемкости.
Самый распространенный промышленный теплоноситель – насыщенный водяной пар, обладающий рядом замечательных свойств. Прежде всего, это высокая аккумулирующая способность теплоты и высокие коэффициенты теплоотдачи. Скрытая теплота конденсации насыщенного пара при атмосферном давлении 2260 кДж/кг. Это позволяет при небольшом расходе пара и небольших поверхностях нагрева передавать большое количество теплоты. Так как при неизменном давлении температура конденсации постоянна, легко поддерживать постоянство темпе ратуры теплоносителя аппарате. Главным недостатком водяного пара является значительное возрастание давления при увеличении температуры. Практически насыщенный водяной пар применяют при температуре до 180...190 °С и давлении до 12*105 Па. Перегретый пар редко используют в качестве теплоносителя из-за низких значений коэффициентов теплоотдачи.
Чистая вода широко используется в качестве теплоносителя. К достоинствам воды как теплоносителя следует отнести доступ ность и дешевизну, сравнительно высокие, но значительно мень шие, чем у конденсирующего пара, значения коэффициентов теплоотдачи. К недостаткам этого теплоносителя относятся срав нительно небольшая удельная теплоемкость и связанная с этим аккумулирующая способность теплоты.
Повышение температуры воды выше 100 С связано с резким увеличением давления, поэтому перегретая вода за редким ис ключением в качестве теплоносителя не используется.
Топочные газы широко используются в схемах утилизации теплоты на предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов достигает 1000...1800 С при атмо сферном давлении, что позволяет использовать промежуточный теплоноситель для обогрева в теплообменных аппаратах. В каче стве промежуточного теплоносителя можно использовать воздух или минеральное масло. К недостаткам топочных газов как теп лоносителей относят наличие в них включений, вызывающих загрязнение поверхности теплообмена и низкий коэффициент теплоотдачи.
Минеральное масло (цилиндровое, компрессорное) — один из распространенных промежуточных теплоносителей для проведе ния тепловой обработки пищевых продуктов при высокой (до 800 °С) температуре, например обжаривания кофе и какао-бобов. Масло можно нагревать до более высоких температур, как отмечалось выше; в топках печей или с помощью электрических нагревателей. Масла — сравнительно дешевые теплоносители, но обладают относительно низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, частично разлагаются в процессе эксплуатации, об разуя на нагреваемой поверхности слой кокса, ухудшающий теплообмен.
При кипении растворов концентрация растворенных веществ увеличивается за счет превращения в пар части растворителя. Процесс концентрирования растворов называется выпариванием.
Превращение жидкости с ее свободной поверхности в пар называется испарением.
В пищевой промышленности обычно выпаривают водные растворы: свекловичный сок, барду, молоко и т.п. Поэтому образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром, является насыщенным водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной степени зависит рентабельность производства.
Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и тем пературы, при которых осуществляется процесс.
При этом скрытая теплота парообразования тем выше, чем ниже давление.
Расход энергии на выпаривание под вакуумом выше, чем при выпаривании при атмосферном или избыточном давлении. Од нако термолабильность растворов в пищевой промышленности ограничивает допустимую температуру кипения. Так, например, растворы красящих веществ, содержащиеся в экстрактах, полу ченных из растительного сырья, разлагаются при нагревании до 50...60 °С. Аскорбиновая кислота и другие витамины и биологически активные вещества, содержащиеся в растворах, при нагревании также разлагаются. Вот почему в пищевой промышленности широко используется выпаривание под вакуумом
Химические процессы
В основе ряда пищевых технологий лежат химические превращения. К ним относятся получение патоки, кристаллической глюкозы путем кислотного гидролиза крахмала, различных жиров способом гидрогенизации и переэтерификации, инвертного сахара путем кислотного гидролиза сахарозы. Важная роль отводится этим процессам на отдельных стадиях производства хлеба, мучных кондитерских изделий, сахара, шоколада, растительных масел, прессованных дрожжей, а также при хранении продуктов.
В зависимости от агрегатного состояния взаимодействующих веществ химические реакции могут быть гомогенными и гетерогенными. В гомогенных системах реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе: газовой (Г), жидкой (Ж) или твердой (Т); в гетерогенных — в разных фазах. На практике .наиболее часто встречаются следующие гетерогенные системы: Г— Ж, Г—Т, Ж—Т. В некоторых случаях такие системы могут быть трехфазными, например Г-Ж—Т. Г—Т—Т. Реакции в гомогенных системах протекают обычно быстрее, чем в гетерогенных; механизм технологического процесса проще и управлять им легче, поэтому на производстве, если это возможно., стремятся перевести твердые вещества в жидкое состояние, например, путем растворения.
Основные факторы, влияющие на скорость всех реакций, — это концентрация реагирующих веществ, температура, наличие катализатора.
Влияние концентрации. Увеличение концентрации взаимодействующих веществ — один из самых распространенных приемов интенсификации процессов. Зависимость скорости химических реакций от концентрации определяется законом действия масс. Согласно этому закону скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, стоящему перед формулой вещества в уравнении реакции.
Влияние температуры. Температура — важный фактор, опреде ляющий скорость реакции. С повышением температуры скорость реакции возрастет, что связано с увеличением константы скорости реакции. Согласно правилу Вант-Гоффа повышение температуры на 10 °С увеличивает скорость реакции в 2...4 раза (в среднем в 3 раза) Это правило приближенное и применимо к реакциям, протекающим в области температур от 0 до 300 С и в небольшом температурном интервале.
Для протекания химических реакций необходимо разорвать внутримолекулярные связи в молекулах реагирующих веществ. Если сталкивающиеся молекулы обладают большой энергией и ее достаточно для разрыва связей, то реакция пойдет; если энергия молекул меньше необходимой, то столкновение будет неэффективным и реакция не пойдет.
При повышении температуры количество активных молекул увеличивается, число столкновений между ними возрастает, в результате чего растет скорость реакции. С увеличением концентрации реагирующих веществ общее число столкновений, в том числе эффективных, также возрастает, в результате увеличивается скорость реакции.
Влияние катализатора. Катализатор—это вещество, которое резко изменяет скорость реакции. В присутствии катализаторов реакции ускоряются в тысячи раз, могут протекать при более низких температурах, что экономически выгодно. Велико значение катализаторов в органическом синтезе—в процессах окисления, гидрирования, дегидрирования, гидратации и др. Чем активнее катализатор, тем быстрее идут каталитические реакции. Катализаторы могут ускорять одну реакцию, группу реакций или реакции разных типов, т.е. они обладают индивидуальной или групповой специфичностью, а некоторые из них пригодны для многих реакций. Например, ионы водорода ускоряют реакции гидролиза белков, крахмала и других соединений, реакции гидратации и т. д. Существуют каталитические реакции, в которых катализатор является одним из промежуточных или конечных продуктов реакции. Эти реакции идут с малой скоростью в начальный период и с возрастающей — в последующий.
Катализаторами преимущественно служат металлы в чистом виде (никель, кобальт, железо, платина) и в виде оксидов или солей (окись ванадия, окись алюминия), соединения железа, магния, кальция, меди и т.п. Неорганические катализаторы термостабильны, и реакции с ними протекают при сравнительно высоких температурах.
Присутствие в среде, где протекает реакция, посторонних веществ оказывает на катализатор различное влияние, одни нейтральны, другие усиливают действие катализатора, третьи его ослабляют или подавляют. Вещества, отравляющие катализатор, называются каталитическими ядами.
В зависимости от того, находится ли катализатор в той же фазе что и реагирующие вещества, будучи равномерно распределенным, в реакционной среде, или образует самостоятельную фазу, говорят о гомогенном или гетерогенном катализе. В гетерогенном катализе реагирующие вещества, как правило, находятся в жидком или газообразном состоянии, а катализатор — в твердом, при этом реакция протекает на границе двух фаз, т. е. на поверхности твердого катализатора. Например, каталитическая реакция гидрирования жиров — трехфазная: катализатор — металлический никель — образует твердую фазу, водород — газообразную, а жир — жидкую. Поэтому в данном случае речь идет о гетерогенном катализе.
При гетерогенном катализе большое значение имеют способ получения катализатора, условия проведения процесса, состав примесей и т.д. Катализаторы должны обладать значительной селективностью, активностью и сохранять эти свойства длительное время.
Большинство каталитических реакций положительно, т. е. в присутствии катализатора их скорость возрастает. Однако встречается отрицательный катализ, когда катализатор замедляет скорость реакции. В данном случае катализатор называют ингибитором, Если ингибитор тормозит процесс окисления, его называют антиокислителем или антиоксидантом.
Получение и хранение самых разнообразных пищевых продуктов сопровождаются протеканием химических процессов. Одни из них связаны с реакциями гидролиза, другие – с окислительно-восстановительными реакциями (меланоидинообразованием, сульфитацией, окислением и др.).
Гидролиз. Это реакция разложения сложных веществ (белков, жиров, углеводов) до более простых под действием кислот и щелочей с присоединением молекул воды.
Сахароза при нагревании с кислотами гидролизуется, образуя инвертный сахар (смесь равных количеств глюкозы и фруктозы)
С12Н22О11 + Н2О = С6Н12О6 + С6Н12О6
Характерная особенность сахарозы — исключительная легкость ее гидролиза: скорость процесса примерно в тысячу раз больше, чем скорость гидролиза, при этих же условиях таких дисахаридов как мальтоза или лактоза.
Гидролиз крахмала — процесс каталитический. В качестве катализатора при гидролизе крахмала применяют минеральные кислоты, обычно хлороводородную кислоту. На скорость реакции оказывают влияние примеси, содержащиеся в крахмале. Реагируя с кислотой, они понижают ее концентрацию в растворе, в результате чего скорость реакции уменьшается. Наиболее сильно связывают кислоту фосфаты и аминокислоты.
Меланоидинообразование. Это сложный окислительно-восстанови-тельный процесс, включающий в себя ряд реакций, которые протекают последовательно и параллельно. В упрощенном виде сущность этого процесса можно свести к следующему. Низкомолекулярные продукты распада белков (пептиды, аминокислоты), содержащие свободную аминно группу (- NН2), могут вступать в реакцию с соединениями, в состав которых входит карбоксильная группа =С=О, например, с различными альдегидами и восстанавливающими сахарами (фруктозой, глюкозой, мальтозой), в результате чего происходит разложение как аминокислоты, так и реагирующего с ней восстанавливающего сахара. При этом из аминокислоты образуются соответствующий альдегид, аммиак и диоксид углерода, а из сахара — фурфурол и оксиметилфурфурол. Альдегиды обладают определенным запахом, от которого зависит в значительной степени аромат многих пищевых продуктов. Фурфурол и оксиметилфурфурол легко вступают в соединение- с аминокислотами, образуя темноокрашенные продукты, называемые меланоидинами. Белки тоже могут вступать во взаимодействие с сахарами, но менее активно, чем аминокислоты, так как содержат меньше свободных аминных групп.
Образование меланоидинов — основная причина потемнения пищевых продуктов в процессе их изготовления, сушки и хранения. Особенно интенсивно эта реакция протекает при повышенных температурах во время выпечки хлебобулочных и мучных кондитерских изделии; в процессе уваривания сахарных растворов при производстве сахарного песка; при сушке солода; при самосогревании зерна; в процессе тепловой обработки вин; при приготовлении ирисных и помадных масс типа крем-брюле. Реакция меланоидинообразования сопровождается потемнением получаемых продуктов (фруктово-ягодного пюре, соков, повидла, хлеба), которое наблюдается при длительном нагревании этих продуктов при высокой температуре, а также при их фасовании в горячем виде и хранении при повышенной температуре.
При производстве ряда пищевых продуктов создают специальные условия для реакции меланоидинообразования. В хлебопечении, например, для получения пшеничного хлеба приятного вкуса, аромата, с румяной корочкой технологический процесс необходимо вести таким образом, чтобы к моменту выпечки в тесте содержалось определенное количество сахара (около 2...3 % к массе сухих веществ муки) и необходимое количество аминокислот, которые могут вступать в химическое взаимодействие.
Дегидратация. Одна из реакций, протекающая в процессе меланоидинообразования, связана с дегидратацией и разложением сахаров при нагревании. В то же время эта реакция может протекать самостоятельно под воздействием высоких температур на сахара (сахарозу, глюкозу, фруктозу), вызывая ряд их превращений. Характер этих превращений различен и зависит от условий нагревания (степени и продолжительности теплового воздействия), реакции среды и концентрации сахара. Моносахариды, в частности глюкоза, при нагревании в кислой или нейтральной среде дегидратируют, т. е. разлагаются с выделением одной или двух молекул воды и образованием ангидридов глюкозы. Эти соединения являются реакционноспособными и могут соединяться друг с другом или с неизмененной молекулой глюкозы и образовывать так называемые продукты конденсации (реверсии). При длительном тепловом воздействии отщепляется третья молекула воды и образуется оксиметилфурфурол, который при дальнейшем нагревании может распадаться с разрушением углеводного скелета и образованием муравьиной, левулиновой кислот и окрашенных соединений. В общем виде схему химических изменений сахарозы можно представить в следующем
Сульфитация. При производстве ряда пищевых продуктов реакция меланоидинообразования нежелательна, например при получении сахара-песка. Существуют и другие причины, например, при переработке овощей и плодов потемнение происходит за счет протекания биохимических процессов и образования меланинов. С образованием меланинов связано потемнение очищенных и нарезанных яблок, картофеля при непродолжительном хранении на воздухе. Для предотвращения потемнения пищевых продуктов их сульфитируют, т.е. обрабатывают диоксидом серы или его производными, чаще всего Н2SО3. Диоксид серы как химический агент вызывает обесцвечивание многих растительных красящих пигментов и может быть использован для улучшения внешнего вида готового продукта. Диоксид серы получают путем сжигания серы в специальных печах, пропуская через них воздух.
При сульфитации продукта идет образование сернистой кислоты, которая является сильным восстановителем
S02 + Н2О = Н2SО3.
Частично сернистая кислота переходит в серную:
H2SO3 + Н2О = Н2S04 + 2Н.
Выделяющийся при этом водород оказывает обесцвечивающее действие. Органические красящие вещества всегда содержат непредельные хромофорные группы (— С = С—- ), при восстановлении их сернистой кислотой по месту разрыва двойных связей присоединяется водород, в результате окрашенные вещества превращаются в бесцветные лейкосоединения. Эффект обесцвечивания может достигать 30 %.
Сульфитации подвергают диффузионный сок при его очистке в сахарном производстве, овощи и плоды при их переработке. Кратковременная, в течение нескольких минут, обработка картофеля, абрикосов, яблок перед сушкой позволяет улучшить внешний вид готового продукта, предотвратить его потемнение.
Диоксид серы, сернистая кислота и ее соли так же выполняют и роль антисептика, вызывая глубокие изменения в клетках микроорганизмов, особенно молочнокислых и уксуснокислых бактерий. Действие ее на микроорганизмы связано с восстанавливающими свойствами: являясь акцептором кислорода, сернистая кислота задерживает дыхание микроорганизмов, а реагируя с промежуточными продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, а также с ферментами, нарушает обмен веществ. Все это ведет к гибели микрофлоры.
Сернистая кислота оказывает влияние на растительную ткань сульфитированных продуктов. Под ее влиянием происходит коагуляция протоплазмы клеток нарушается тугор и сок частично выходит в межклеточное пространство, в результате чего ткань плода размягчается.
Являясь сильным восстановителем, сернистая кислота препятствует окислению химических веществ плодов. Блокируя ферменты, катализирующие необратимое окисление витамина С, сернистая кислота способствует его сохранению.
Вступая в соединение с красящими веществами плодов, сернистая кислота вызывает сильное обесцвечивание продукта. Все плоды и ягоды, имеющие красную, синюю и другую окраску (вишня, слива, малина, черная смородина и т. п.), после сульфитации теряют свой первоначальный цвет.
Окисление. Этот процесс играет большую роль при хранении жиров, масел и жиросодержащих продуктов. Жиры при длительном хранении приобретают неприятные вкус и запах — прогоркают, что связано как с химическими превращениями под действием света и кислорода воздуха, так и с действием некоторых ферментов. Наиболее простой случай прогоркания, часто наблюдаемый при хранении коровьего масла и маргарина, заключается в омылении жира и появлении в свободном виде масляной кислоты, которая придает продукту неприятный запах, свойственный этой кислоте.
Наиболее распространенный тип прогоркания жиров — прогоркание, обусловленное окислением ненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха. При этом кислород присоединяется по месту двойных связей, образуя пероксиды
O O
R – C = CR1 + O2 R C C R1
H H H H
В результате дальнейшего разложения перекисей жирных кислот образуются альдегиды, придающие жиру неприятные запах и вкус.
При отсутствии кислорода воздуха процесс не идет, таким образом, при хранении жира в вакууме он не прогоркает. Присутствие в жирах солей металлов, особенно меди, которые являются катализаторами, увеличивается скорость окисления. На интенсивность реакции окисления жиров влияет степень ненасыщенности жирных кислот, чем ненасыщенность выше, тем быстрее жир окисляется. Наличие в жире белковых и слизистых веществ также ускоряет порчу жира, поэтому при получении жиров стремятся в максимальной степени избавиться от этих примесей.
В то же время присутствие в жирах и жиросодержащих продуктах антиоксидантов снижает скорость их окисления. Наиболее активными естественными антиокислителями являются токоферолы (витамин Е). Медленное окисление какао-масла, кунжутного масла и длительное хранение халвы, особенно тахинной, приготовленной на основе кунжута и продуктов его переработки, объясняется наличием в этих маслах природных антиокислителей. При производстве и очистке жиров антиокислители частично удаляют, что резко снижает стойкость жиров при хранении. Аналогичные процессы протекают при тепловой обработке пищеконцентратов, в результате которой жиры легко прогоркают. Добавление к ним антиокислителей позволяет значительно увеличить сроки хранения.
Животные жиры, как правило, очень бедны токоферолами, поэтому введение в состав жиров антиокислителей резко повышает стойкость их к прогорканию.
В последние годы синтезирован ряд веществ, обладающих антиокислительным действием. К ним относятся производные фенолов — бутилоксианизол, бутилокситолуол и др. Введение этих соединений в малых количествах (0,01 % к массе жира) резко замедляет процесс прогоркания жира. Фенолы и их производные входят в состав коптильной жидкости, содержатся в древесном дыме, поэтому копченые продукты, как правило, обладают стойкостью при хранении.
Использование смесей антиокислителей даст больший эффект, чем применение отдельного антиоксиданта. Суммарное действие смеси веществ, превышающее действие каждого компонента в отдельности, называется синергизмом. Подобным действием обладают также вещества, не являющиеся антиокислителями. К таким веществам относятся лимонная, аскорбиновая, виннокаменная кислоты, фосфатиды, сульфгидрильные соединения и др.
Массообменные процессы
В пищевой промышленности широко применяются процессы массообмена. Наиболее часто встречаются экстрагиро вание и экстракция, абсорбция и адсорбция, перегонка и ректи фикация, растворение и кристаллизация и, наконец, сушка.
Различные вещества могут находиться в неодинаковых фазо вых состояниях. Например, вода может представлять собой твер дую фазу — лед. При обычном давлении и температуре выше 0 ºС вода находится в виде жидкости. При более высокой темпе ратуре вода превращается в пар, переходит в паровую фазу. Газы — сильно перегретые пары соответствующих веществ. Раз личные фазы могут вступать во взаимодействие друг с другом. При этом взаимодействии происходит обмен веществами, рас творенными в фазах.
Когда мелко изрезанную сахарную свеклу (стружку) промыва ют, сахар, содержащийся в клеточной жидкости, переходит в воду. Этот переход обусловлен разностью концентрации сахара в клеточной жидкости и воде. Скорость перехода сахара из струж ки в воду будет уменьшаться по мере увеличения концентрация сахара в воде и снижения его концентрации в стружке. Наконец эти концентрации станут равными и процесс прекратится.
Движущей силой массообменных процессов является раз ность концентраций.
При растворении сахара в воде вещество (сахар) переходит из твердой фазы в жидкую. При очистке жидкостей или газов с помощью активированного угля вещество переходит из жидкой или газовой фазы в твердую. При разбавлении растворов проис ходит переход вещества из одной жидкой фазы в другую.
Массообменные процессы принято классифицировать по агрегатному состоянию и характеру взаимодействия фаз.
В основе представлений о массопередаче лежит понятие равновесия фаз. Это равновесие, например концентрация растворенного вещества в двух взаимодействующих фазах, зависит от температуры и давления. Массоперенос начинается, если кон центрация вещества во взаимодействующих фазах отличается от равновесной. Чем больше это различие, тем выше скорость пере носа. Зная концентрацию компонента в фазах и условия равно весия, можно определить направление процесса.
Адсорбция. Процесс поглощения одного или нескольких компонентов из смеси газов, паров или жидких растворов поверхностью твердого вещества — адсорбента называется адсорбцией. Процесс адсорб ции подобно процессу абсорбции избирателен, т.е. из смеси поглощаются только определенные компоненты. Как и при абсорбции, поглощенное вещество может быть выделено из адсор бента, например, при нагревании. Этот процесс регенерации — обновления абсорбента называется десорбцией.
Процессы абсорбции и адсорбции внешне похожи. Разница между ними заключается в том, что в одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом — только по верхностью твердого поглотителя — адсорбента.
В пищевой промышленности адсорбция применяется при очистке водно-спиртовых смесей в ликероводочном производст ве, при очистке и стабилизации вин, соков и других напитков. В свеклосахарном производстве адсорбцией обеспечивается основ ная очистка диффузионного сока в процессе его сатурации, а также обесцвечивания сахарных сиропов перед кристаллизацией.
Количество поглощаемого вещества зависит от площади по верхности поглотителя. Поэтому адсорбенты обладают чрезвы чайно развитой поверхностью, что достигается за счет образова ния большого количества пор в твердом теле.
Активированный уголь является самым распространенным адсор бентом. Его получают сухой перегонкой дерева с последующей активацией — прокаливанием при температуре около 900 °С. Активированный уголь получают также из костей животных и других углеродсодержащих материалов. Размеры кусков активи рованного угля в зависимости от марки лежат в пределах от 1 до 5 мм. Активированный уголь лучше поглощает пары органичес ких веществ, чем пары воды. Недостатками активированных углей являются их небольшая механическая прочность и горю честь.
Силикагели. Этот адсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стек ло) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Размер гранул силикагеля лежит в пределах от 0,2 до 7 мм. Суммарная поверхность 1г силикагеля 400...770 м2. Силикагели эффективно поглощают пары органических веществ, а также влагу из воздуха и газов. Поэтому гранулы силикагеля иногда используют при упаковке на хранение приборов и мате риалов, боящихся влаги. В отличие от активированного угля силикагель негорюч и обладает большой механической прочнос тью.
Цеолиты. Это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп периодической системы Д. И. Менделеева. Встречаются в природе и добываются карьер ным способом. В промышленности чаще применяют синтетичес кие цеолиты, обладающие весьма однородной структурой, с раз мерами пор, которые можно сравнить с размерами крупных молекул. Поэтому цеолиты обладают свойствами микрофильтрационных мембран.
Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и поэтому используются для глубокой осушки газов и воздуха с незначительным содержанием влаги. Гранулы промышленных цеолитов обычно имеют размеры от 2 до 5 мм.
Иониты. Это природные и искусственные адсорбенты, дейст вие которых основано на химическом взаимодействии с очищае мыми растворами. Процессы с применением ионитов следует отнести к хемосорбции — адсорбции, сопровождаемой химичес кими реакциями. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анио нами, называются анионитами. Иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называются катионитами. Существует группа аморфных ионитов, способных к анионному и катионному обменам одновременно. Наибольшее распространение в промышленности получили ио нообменные смолы. Так, в сахарорафинадном производстве с помощью ионообменных смол осуществляют обесцвечивание си ропов. Смолы применяют также в некоторых случаях при обра ботке воды.
В качестве естественных адсорбентов в пищевой промышлен ности, например для осветления вин, используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин. С этой же целью при меняют рыбий клей (желатин) и другие вещества.
Экстракция - процесс избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из растворов или твердых тел с помощью жидкого растворителя - экстрагента.
Если вещества извлекаются из жидких систем, процесс называют жидкостной экстракцией. В микробиологических производствах с помощью экстрагента извлекают молочную кислоту и антибиотики из ферментативных растворов. При этом экстрагент и жидкость, содержащая извлекаемые компоненты, должны об ладать различной плотностью и не должны растворяться. Благо даря этим свойствам образованная неоднородная система легко разделяется.
В пищевых производствах экстрагированию чаще подвергают сырье растительного происхождения, например семена маслич ных культур, сахарную свеклу, фрукты и т.п. По физическим свойствам это сырье относится к твердым телам.
Растительное сырье перед экстрагированием дробят или раз резают на мелкие кусочки или стружку. При этом часть клеток на вновь образованной поверхности повреждается, и внутрикле точное вещество сразу переходит в экстрагент. Подавляющая часть клеток в куске остается целой, а извлекаемое вещество диффундирует через клеточные мембраны в экстрагент. Прене брегая количеством вещества, перешедшего из разрушенных кле ток, можно считать, что вещество из растительного сырья в экстрагент переносится за счет диффузии.
Простейший процесс экстрагирования можно осуществить, заполнив аппарат подготовленным сырьем и жидким экстраген том. В этом процессе концентрация вещества и в сырье непрерыв но уменьшается, а в экстрагенте увеличивается. Процесс неста ционарен и закончится, когда концентрации сравняются. Ско рость процесса значительно возрастает при перемешивании.
Другой тип процесса реализуется при фильтровании экстрагента через неподвижный слой сырья. Процесс этот также неус тановившийся и при определенной продолжительности может закончиться практически полным извлечением веществ из сырья.
В процессах третьего типа сырье и экстрагент непрерывно перемещаются в противотоке. При этом в каждом сечении аппарата устанавливается постоянная разность концентрации, что соответствует стационарному режиму. Таким образом, в аппара тах непрерывного действия осуществляются процессы третьего типа.
В общем виде процесс экстрагирования растительною сырья можно разбить на четыре стадии:
В зависимости от вида перерабатываемого сырья отдельные стадии процесса могут отсутствовать вовсе, но чаще от скорости переноса на одной из стадий зависит скорость процесса в целом.
Сушка. Удаление влаги из материалов (продуктов, изделий) при их подготовке к переработке, использованию или хранению называ ют сушкой. Этот процесс чрезвычайно широко распространен в пищевой промышленности и других отраслях народного хозяйст ва. Сушка обеспечивает сохранность зерна в сельском хозяйстве, увеличивает сроки хранения изделий (сухари, сахар).
Сушка также может быть включена в технологический про цесс для придания перерабатываемым полуфабрикатам и издели ям (пастиле, зефиру) определенного качества.
Различают сушку конвективную (в потоке нагретого газа), контактную (при соприкосновении с нагретой поверхностью), сублимационную (в вакууме), высокочастотную (диэлектричес ким нагревом), радиационную (ИК - излучением).
Удаление влаги из материала может быть осуществлено раз личными способами. Наименее энергоемким способом является механический: прессование или отжим в центрифугах. Этот спо соб позволяет удалить лишь ту часть влаги в материале, которая заполняет поры и капилляры тела, так называемую несвязанную влагу. Для полного удаления влаги применяют тепловые способы сушки, основанные на превращении влаги, содержащейся в мате риале, в пар с последующим удалением этого пара. Физико-хими ческие способы сушки основаны на применении водопоглощающих средств (силикагель, концентрированная серная кислота, хлорид кальция). Эти способы промышленного распространения не получили и используются в лабораторной практике.