способ копчения пищевых продуктов

Формула изобретения

Способ копчения пищевых продуктов путем подачи в коптильную камеру потоков дымовоздушной смеси и ее отвода, отличающийся тем, что подачу дымовоздушной смеси осуществляют с помощью, по крайней мере, одного газоструйного преобразователя, через который подают в объем камеры дымовоздушную смесь в режиме бегущей волны акустических колебаний, образованных путем преобразования энергии потока дымовоздушной смеси в упругие колебания и сопутствующие им циркуляционные потоки дымовоздушной смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области техники, связанной с созданием технологических процессов горячего и холодного дымового копчения пищевых продуктов и применением акустических (ультразвуковых) колебаний в технике, а именно к способам интенсификации процесса копчения при помощи акустических колебаний. Изобретение может быть использовано для создания современной материально-технической базы в пищевой промышленности и в сельском хозяйстве.

Копчение - это процесс обработки пищевых продуктов органическими компонентами, образующимися при неполном сгорании (пиролизе) древесины с целью достижения бактериального и антиокислительного эффектов.

Копчение следует рассматривать, как процесс динамической адсорбции компонентов коптильного препарата на поверхности продукта и естественной последующей диффузии их в массу продукта за счет разности концентраций на поверхности и в толще продукта. Процесс копчения - самопроизвольный, причем довольно длительный и трудоэнергоемкий.

Наиболее широко используемым на практике является способ копчения в камерных коптильных установках [1]. Способ копчения в установках камерного типа осуществляется в специальных небольших камерах периодического действия, где в одном объеме выполняют все стадии обработки (подсушку, собственно копчение, проваривание и т.д.).

На качество готового продукта оказывают влияние качество исходного сырья и коптильного дыма, а также технологические параметры процесса в коптильной камере: скорость подачи дымовоздушной смеси, ее температура, плотность дыма, способы подачи дымовоздушных потоков и т.д.

Известны способы копчения, в которых предприняты попытки оптимизировать указанные параметры. Так, способ копчения рыбы (авторское свидетельство СССР №654235, А 23 В 4/04 от 17.02.77), заключающийся в том, что в камеру подают и отводят дымовоздушную смесь по всей плоскости ее сечения перпендикулярно продольной оси рыбы, причем в процессе копчения подачу и отвод дымовоздушной смеси периодически изменяют на противоположные с продолжительностью единичного цикла 30-120 с, а скорость подачи смеси обеспечивают 0,5-6,0 м/с. Известен способ копчения и сушки пищевых продуктов (авторское свидетельство СССР №749373, А 23 В 4/04 от 16.08.76). Он заключается в том, что на размещенные в камере вращающиеся стеллажи с продуктом конвективно воздействуют теплоносители, причем для стабилизации температурного поля и интенсификации процесса теплоноситель подают вдоль оси стеллажей, а избыток его отводят в верхней периферийной части последних, при этом скорость наиболее удаленной от центра вращения точки стеллажей составляет 4-5 м/с.

Недостатками известных способов копчения являются:

- низкая производительность процесса, связанная с низким тепло- и массообменном между дымовоздушной смесью и продуктом копчения;

- высокие энергозатраты и затраты коптильного агента по причине низкой производительности процесса;

- отсутствие равномерности распределения потока дымовоздушной смеси по высоте, длине и ширине клети, что приводит к неравномерности прокопчивания продукта, размещенного в различных местах пространства камеры.

Перечисленные недостатки, в целом, приводят к низкому качеству производимого продукта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ копчения пищевых продуктов по патенту РФ №2080793 [3], принятый за прототип. Согласно этому способу подачу дымовоздушной смеси осуществляют одновременно по верхней и нижней плоскостям коптильной камеры периодически изменяющимися потоками, а отвод дымовоздушной смеси производят по всей плоскости боковых стенок. В рассматриваемом способе потоки образуют зону сильной завихренности дыма, формируя турбулентные потоки, что приводит к более равномерному протеканию процесса по всему объему камеры. Известный способ позволяет частично устранить перечисленные выше недостатки известных способов и повысить качество конечного продукта, а некоторые из них усугубляет. Так обеспечение турбулентности дымовых потоков увеличивает массообмен между дымовым агентом и поверхностью коптящегося продукта, однако эффективность диффузии во внутренние слои продукта при этом не увеличивается. С другой стороны, необходимость обеспечения турбулизации приводит к еще большему расходу дымового агента и необходимости увеличения энергозатрат на обеспечение процесса турбулизации. Таким образом, незначительное увеличение производительности процесса и качества конечного продукта приводит к увеличению энергозатрат и затрат коптильного газа. Кроме того, установившиеся турбулентные потоки способствуют образованию «застойных зон» в коптильной камере, что приводит к неравномерности протекания процесса для различных участков объема камеры.

Все вышеперечисленные недостатки снижают экономическую эффективность процесса и приводят к ухудшению параметров качества готового продукта.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующих способов копчения, создание способа копчения, способного улучшить качественные характеристики конечного продукта и оптимизировать технологические параметры процесса копчения за счет интенсификации процессов массопереноса и за счет повышения равномерности распределения дымовоздушной смеси по всему объему камеры.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном способе копчения пищевых продуктов, заключающемся в подаче в коптильную камеру потоков дымовоздушной смеси и отводе отработанного дыма в атмосферу, подачу дымовоздушной смеси осуществляют с помощью, по крайней мере, одного газоструйного преобразователя, через который подают в объем камеры дымовоздушную смесь в режиме бегущей волны акустических колебаний, образованных путем преобразования энергии потока дымовоздушной смеси в упругие колебания и сопутствующие им циркуляционные потоки дымовоздушной смеси.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на которой схематично показана конструктивная схема коптильной установки, предназначенной для реализации предложенного способа.

На чертеже показано, что контейнер 1 с материалом, подвергаемым копчению, помещают в технологический объем коптильной камеры 2. В процессе реализации способа с помощью ультразвукового газоструйного преобразователя 3 подают дымовоздушную смесь в камеру 2, получаемую в генераторе 4, одновременно создавая упругие колебания во внутреннем объеме коптильной камеры и обеспечивая интенсивную рециркуляцию потоков в газовой среде камеры.

Для обеспечения практической реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий. В зависимости от объема коптильной камеры, размещают на ее внутренней поверхности один или несколько газоструйных преобразователей 3. Диаметр сопла преобразователя определяется требуемым расходом дымовоздушной смеси необходимым для копчения продукта. Дымовоздушную смесь под давлением 2-3 атм подают через сопло газоструйного преобразователя во внутренний объем коптильной камеры. При этом кинетическая энергия потока дымовоздушной смеси преобразуется в энергию акустических колебаний, распространяемых по всему внутреннему объему камеры 2 до поверхности обрабатываемого продукта. Продолжительность обработки варьируется в широких пределах и определяется размерами продукта и требуемой степенью прокопченности.

В зависимости от физико-химических свойств продукта, геометрические размеры преобразователя подбираются таким образом, чтобы обеспечить интенсивность механических колебаний ультразвуковой частоты в интервале от 70 до 170 дБ при частоте колебаний от 1 до 50 кГц.

Пример реализации способа. Копчение тушек сельди проводили при температуре 28-32°С, при скорости дымовоздушной смеси 5-6 м/с. Подачу дымовоздушной смеси осуществляли с помощью газоструйного генератора Гармтановского типа с диаметром сопла 2 мм, создавая в коптильной камере акустические колебания интенсивностью 120 дБ при частоте 12,5 кГц. Общая продолжительность процесса - 1,5 часа (в пять раз меньше, чем в прототипе). Качество продукта соответствовало нормативным документам.

Для обоснования технического результата предложенного способа - повышения эффективности процесса копчения рассмотрим данные классической теории адсорбции газов и диффузии.

Физическая адсорбция вызывается силами молекулярного взаимодействия [4]. Благодаря тепловому движению, частицы, характеризуемые различными признаками (химической природой, импульсом, энергией, массой), перемешиваются. Поэтому, по принципу Ле-Шателье-Брауна [4], в системе частиц, выведенной из состояния термодинамического равновесия, самопроизвольно протекают процессы молекулярного переноса в направлении к восстановлению равновесия. В конечном счете, эти процессы можно представить как разновидности диффузии частиц.

В случае однородной среды диффузию можно ускорить, увеличивая градиент плотности диффундирующего вещества и коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии имеет статистический смысл, как среднее значение интеграла спектральной плотности квадрата амплитуд тепловых колебаний. Ультразвуковые колебания, увеличивая амплитуду, неизбежно приводят к увеличению коэффициента диффузии и, как следствие, к интенсификации процесса адсорбции [5].

Интенсификация диффузионных процессов на границе разделов фаз связана с необходимостью преодоления влияния свободной поверхностной энергии, т.е. избыточного (по сравнению с однородной структурой) взаимодействия частиц в пограничном слое. Эта задача, также, решается с помощью воздействия упругими колебаниями, которые турбулизируют пограничный слой, уменьшая его толщину, и интенсифицируют процесс межфазового массопереноса [6].

Упругие волны в твердых телах не только интенсифицируют переходы отдельных частиц, но при достаточно большой интенсивности могут вызывать относительное скольжение отдельных участков кристаллической решетки, т.е. привести к обмену местами огромного количества атомов, тем самым спровоцировать эффект «псевдомолярного» переноса.

Согласно [5], упругие колебания проникают внутрь макрокапилляров и создают эффект бурных, мелкомасштабных турбулентных течений, которые существенным образом меняют характер переноса, стирая грань между явлениями молекулярного и молярного переноса.

Ультразвуковые колебания сопровождаются образованием микро- и макровоздушных потоков и течений [6], что способствует равномерному распределению коптильного агента по объему камеры, стабилизации температуры, и, как следствие, более равномерному протеканию процесса копчения.

Многократные отражения звуковых волн от стенок коптильной камеры могут приводить к образованию «стоячих» волн и образованию «застойных зон» с низким уровнем звукового давления. Для исключения указанных явлений необходимо использовать широкополосные излучатели с плавающей частотой, описанные в [7, 8]. Постоянное изменение мощности и частоты колебаний будет приводить к непрерывному изменению контуров воздушных течений и исключит неравномерность протекания процесса.

Таким образом, благодаря создаваемым газоструйными излучателями при подаче дымовоздушной смеси акустическим колебаниям, которые воздействуют на обрабатываемый продукт, достигается равномерность распределения дымовоздушной смеси по всему объему камеры и стабилизация температуры. За счет интенсификации процессов массопереноса в акустических полях обеспечивается повышение производительности, что приводит к сокращению длительности процесса, снижению энергоемкости, повышению экономичности и улучшению потребительских качеств обрабатываемого объекта.

Предлагаемый способ можно использовать на всех типах коптильного оборудования: камерного, туннельного, башенного и других типов. Причем акустическое воздействие оптимизирует не только стадию собственно копчения, но и стадии предварительной и заключительной обработки сырья, в частности, засолку, подсушку и проваривание.

В настоящее время Бийским технологическим институтом (филиалом) АлтГТУ ведутся работы по созданию промышленного образца коптильного оборудования по представленному способу. В 2004 году планируется начать мелкосерийное производство.

Список литературы

1. Мезенова О.Я., Ким И.Н., Бредихин С.А., Производство копченых пищевых продуктов. - М.: Колос, 2001.

2. Г.И.Касьянов, С.В.Золотокопова, И.А.Палагина, О.И.Квасенков, Технология копчения мясных и рыбных продуктов. - М.: МарТ, 2002.

3. Патент РФ №2080793, МПК А 23 В 4/44 (прототип).

4. Кельцев Н.В., Основы адсорбционной техники. 2-е изд., перераб. и доп. - М., Химия, 1984.

5. Г.А.Кардашев, П.Е.Михайлов, Тепло-массообменные акустические процессы и аппараты. М.: Машиностроение, 1973.

6. Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д.Розенберга. Ч. IX. М.: Наука, 1970.

7. Авторское свидетельство №1789301, 1993 г.

8. Широкополосные ультразвуковые газоструйные излучатели. НТ сборник «Передовой производственный опыт». - М.: 1991, №6, с.25-27.