Сушка – процесс удаления влаги из твёрдых, жидких и газообразных тел. Сушка применяется при производстве гренок, лапши; для получения стабильных в хранении полуфабрикатов (сушёные мясо, рыба, овощи, грибы) и готовых к употреблению продуктов (вяленая рыба, сыровяленые колбасы, сухари). Кроме того, процесс сушки сопровождает копчение многих продуктов; удаление влаги происходит при выпечке изделий из теста и при обжаривании продуктов.

При удалении влаги из продукта наблюдается сильный консервирующий эффект, т.к. при низкой влажности создаются неблагоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов (ксероанабиоз).

Иногда процесс сушки является негативным: при хранении многих продуктов в атмосфере воздуха происходит испарение влаги с их поверхности, усушка, которая уже была рассмотрена ранее.

Движущей силой процесса сушки является разность влагосодержания в продукте и среде. Однако сушка является не только массообменным, но и теплообменным процессом, поскольку для испарения влаги, содержащейся в продукте в жидком (и тем более в твёрдом) виде требуется подвод тепла. По способу подвода тепла выделяют конвективную сушку (в нагретом воздухе), контактную (при соприкосновении продукта с нагретой поверхностью), СВЧ и радиационную (ИК).

Конвективная сушка может осуществляться при низких и высоких температурах. Сушка при низкой температуре протекает достаточно медленно, хотя в этом случае и не происходит интенсивной денатурации белка, разрушения вкусовых и питательных веществ и т.д. Несмотря на это, денатурационные процессы, всё-таки, происходят, т.к. при удалении воды концентрируются тканевые соки. Кроме того, изменяются гидрофильные свойства и белков, и углеводов. Как следствие, даже холодная сушка обратима (замачиванием) далеко не полностью. Сушка при высокой температуре, наоборот, значительно быстрее, но не всегда она даёт требуемую сохранность компонентов. Ускорить холодную сушку можно при применении вакуума (вакуумная сушка). Но более интересна сублимационная сушка, т.е. сушка уже замороженного продукта (под глубоким вакуумом). При этом влага из продукта удаляется за счёт сублимации льда. Замораживание, будучи проведено должным образом, лишь незначительно нарушает структуру веществ в продукте, а последующее удаление льда из продукта тоже практически не изменяет структуры продукта. Таким образом, продукты сублимационной сушки после замачивания приобретают структуру, близкую к свежим продуктам.

Все влажные материалы (по Лыкову) делятся на 3 группы: эластичные гели (коллоидные тела) – сохраняют свою эластичность при высушивании; хрупкие гели (при высушивании теряют эластичность) и, наиболее распространённые, коллоидные капиллярно-пористые тела, обладающие в различной степени свойствами и тех, и других.

Всю влагу, содержащуюся в продукте, можно разделить на свободную (ведёт себя как чистая вода), связанную (прочно удерживаемую веществами пищевого продукта) и иммобилизованную (промежуточное состояние). Другой классификацией, также используемой при рассмотрении сушки пищевых продуктов, является классификация ак. Петра Александровича Ребиндера. Он предложил разделить всю влагу, содержащуюся в продуктах, разделить на химически, физико-химически- и механически-связанную. Химически-связанная вода входит в состав молекул продукта. К ней относится кристаллогидратная вода и вода гидроксогрупп (например, в углеводах). Такая вода очень прочно связана с продуктом и не удаляется при обычной сушке. Удалить её можно химическими осушителями и при прокаливании. Физико-химически связанная вода включает в себя адсорбционно-связанную и осмотически связанную влагу. Адсорбционно-связанная влага относительно прочно связана с макромолекулами продукта (белками и углеводами) и при сушке удаляется в последнюю очередь. Следует различать влагу монослоя и влагу остальных адсорбционных слоёв; последняя связана с материалом менее прочно. Осмотически связанная влага удерживается в продукте силами осмоса за полупроницаемыми мембранами. Эта форма связи не очень прочная; в ряде случаев осмотически связанная вода проявляет себя почти как свободная вода. Механически связанную воду разделяют на капиллярную и воду, удерживаемую поверхностью продукта. Капилляры в продукте делят на макро- (диаметр более 10^-7 м) и микрокапилляры (менее 10^-7 м). Макрокапиллярная вода по своим свойствам близка к свободной и связана непрочно. Микрокапиллярная вода прочно связана с продуктом и, по энергии связи, её можно поставить между адсорбционно связанной и осмотически связанной. Вода, удерживаемая поверхностью продукта, связана с ним непрочно и удаляется в первую очередь.

Таким образом, в роли свободной может выступать вода, удерживаемая поверхностью продукта, макрокапиллярная и, в ряде случаев, осмотически-связанная вода, эти формы связи влаги с материалом удаляются в первую очередь. Не удаляется при сушке химически-связанная вода; адсорбционно-связанная вода удаляется не всегда и не полностью.

Для рассмотрения процессов сушки использование влажности на общую массу (массовой доли воды) ω⁰ не всегда наглядно и удобно для расчётов. Дело в том, что общая масса продукта меняется в процессе сушки, поэтому разность влажностей в один и в другой момент времени практически не будет иметь смысла. Как Вы знаете из курса «Процессы и аппараты пищевых производств», вводится понятие влажности на сухую массу, т.е. отношение массы влаги в продукте к массе сухих веществ. Разность двух влажностей на сухую массу будет пропорционально количеству удалённой влаги, что удобно для расчётов.

При рассмотрении процесса сушки строят кривую сушки, кривую скорости сушки и температурную кривую сушки.

Рисунок 1 – Кривая сушки

Рисунок 2 – Кривая скорости сушки

На кривых сушки можно выделить три периода. Сначала происходит разогрев продукта до постоянной температуры. При холодной сушке этот период очень непродолжителен и им, как правило, пренебрегают. При сушке при высокой температуре этот период может занимать продолжительное время.

Затем начинается период постоянной скорости сушки. В этот период вода интенсивно удаляется с поверхности продукта, причём это – свободная вода. Следовательно, температура поверхности продукта поддерживается постоянной (при постоянных температуре и влажности сушильного агента) и равной температуре мокрого термометра и не поднимается. По мере удаления свободной воды с поверхности (внешняя диффузия), вода подводится из центра продукта (внутренняя диффузия). Если складывается ситуация, когда вода не может быстро подводиться от центра к поверхности (то есть скорость внешней диффузии будет превышать скорость внутренней диффузии), поверхность пересыхает, образуется корочка, и первый период сушки прекращается ещё до удаления всей свободной влаги из центра продукта. Особенно это характерно для горячей сушки при интенсивной термовлагопроводности (термодиффузии влаги), в т.ч. и при выпечке изделий из теста (см. лабораторную работу № 6).

В период постоянной скорости сушки с поверхности (а если не было создано условий для преждевременного образования корочки, то и из центра, подходя к поверхности) продукта удаляются свободная поверхностная вода, макрокапиллярная влага, для ряда продуктов – и осмотически связанная влага. Движущей силой процесса в данный период является разность парциальных давлений пара у поверхности продукта p_ПВ и паров в воздухе p_В.

Точка окончания периода постоянной скорости сушки называется первой критической точкой. После первой критической точки (которую легче всего установить по кривой скорости сушки, К₁ на рисунке 2) начинается период падающей скорости сушки. В этот период энергия связи воды с материалом на поверхности продукта значительна (активность воды значительно меньше 1), т.е. удаляется связанная вода. По мере удаления связанной воды прочность связи воды с материалом увеличивается, и скорость сушки падает. В какой-то момент времени возможно качественное изменение связи воды с материалом (излом на кривой скорости сушки). Эту точку называют второй критической точкой. Возможно также и появление третьей критической точки. Таким образом, после первой критической точки кривая скорости сушки имеет достаточно сложный характер.

Теоретически через бесконечный промежуток времени система «продукт-воздух» достигнет равновесия. Влагосодержание продукта в этом состоянии называют равновесным влагосодержанием. Его величина зависит от параметров сушильного агента (воздуха), прежде всего, от его относительной влажности.

Порядок выполнения работы. Учебная группа разделяется на подгруппы по 1 – 2 человека. Подгруппы получают задание на работу, включающее в себя наименование и способ предварительной обработки (нарезка, разделка) сырья, способ сушки (температура, влажность сушильного агента, наличие циркуляции воздуха, наличие СВЧ или ИК-излучения) и конечную влажность продукта.

Сырьё подвергают нарезке. Морковь нарезают соломкой толщиной 3-5 мм, картофель – кубиками 1х1х1 см, лук нарезают кольцами.

После нарезки или разделки продукт моют проточной водой с температурой не более 15 ºС, оставляют на стекание на 5-10 минут, после чего порция сырья взвешивается на весах с точностью ±1 г.

После нарезки или разделки продукт моют проточной водой с температурой не более 15 ºС, оставляют на стекание на 5-10 минут, после чего порция сырья взвешивается на весах с точностью ±1 г. Кроме того, определяют удельную поверхность сырья теоретически или с использованием миллиметровой бумаги.

Удельная поверхность – это отношение полной его поверхности к массе. Массу продукта измеряют на технохимических весах с точностью до 0,01 г. Если продукт имеет строго правильную форму, общую поверхность можно определить, зная размер, по соответствующим формулам:

Неидеальная[1] пластина (параллелепипед со сторонами а, b, h):

F = 2∙a∙b +2∙a∙h+2∙b∙h                                                                 (1)

Неидеальный цилиндр диаметром D и высотой (длиной h):

F = π∙D∙h+π∙D²/2                                                                         (2)

Шар с диаметром D:

F = π∙D²                                                                                                                             (3)

Между тем, для тел с неправильной формой, близкой к пластине или находящейся между пластиной и цилиндром площадь поверхности можно определить экспериментально, используя миллиметровую бумагу. Для этого продукт помещают на миллиметровую бумагу и обводят карандашом, после чего считают площадь поверхности. Полученную цифру умножают на 2.

Удельная поверхность определяется по формуле

s=F/G                                                                                                    (4)

где F – общая площадь поверхности продукта;

     G – масса продукта.

Отдельно отбирают навеску сырья для определения воды и сухих веществ (на приборе Чижовой, на влагомере Kett или при 100-105 ºС). Полученную влажность на общую массу ω^о₀ пересчитывают на сухую массу по формуле

                                                                           (5)

В сушильной камере создают заданные условия сушки, после чего туда помещают продукт, как правило, подвешивая его в центре камеры или распределяя ровным слоем на тарелке.

При проведении СВЧ-сушки используют бытовую микроволновую печь. Сырьё помещают на фарфоровую тарелку ровным слоем. Мощность СВЧ-излучения фиксируют на уровне 90 Вт, а для частичной компенсации неравномерности действия микроволнового поля по мере испарения воды из продукта и во избежание повреждения установки в микроволновую печь помимо сырья помещают стакан, наполненный водой. Масса вносимой воды должна примерно соответствовать массе сырья. По мере нагревания и испарения воды, её меняют (при взвешивании сырья).

При проведении ИК-сушки продукт помещают под ИК-лампу, распределяя ровным слоем.

По мере сушки в определённые периоды времени (например, через 10 минут[2]) измеряют массу продукта (m_i) и рассчитывают влажность на сухую и общую массу. При этом необходимо минимизировать время, которое сырьё находится вне сушильной установки.

,                                                                   (6)

                                                                           (7)

По результатам измерений заполняют таблицу 1

Таблица 1

По данным таблицы 1 строят кривую сушки в координатах ω^с, τ.

Для построения кривой скорости сушки можно провести численное дифференцирование, находя для каждой точки приращение влажности. Между тем, погрешности измерений приведут к резкому изменению значения и, возможно, даже знака производной, поэтому более корректным способом является графическое дифференцирование. Для его осуществления необходимо сначала обратить внимание на кривую сушки, сгладив все неровности, обусловленные погрешностью опыта и средств измерений (см. рисунок 3).

Рисунок 3 – Кривая сушки, построенная экспериментально.

Для графического дифференцирования необходимо выделить на кривой сушки несколько точек, в каждой из которых к кривой надо построить касательную (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – Графическое дифференцирование кривой сушки

Тангенс угла наклона касательной, определённый по катетам, значение которых выражено в единицах по соответствующей оси (противолежащий катет – в процентах влажности на сухую массу, а прилежащий – в единицах времени), и будет значением скорости сушки. Полученные значения сводят в таблицу. Тангенс угла наклона также можно определить с использованием масштабных коэффициентов: сами катеты можно измерять непосредственно (в сантиметрах или в миллиметрах), но их обязательно нужно домножать на соответствующий масштабный коэффициент, показывающий, сколько процентов (по оси ординат) или минут (по оси абсцисс) содержится в одном сантиметре или миллиметре[3].

Таблица 2

τ, мин				....
ωсi %

На основании данных таблицы 2 строят кривую скорости сушки в координатах , ω^с. На графике определяют период постоянной скорости сушки, первую и (если будет выявлена) вторую критические точки.

На основании результатов экспериментов, проведённых подгруппами, использующими одинаковое сырьё, но разную удельную поверхность, разные режимы сушки заполняется таблица.

Таблица 3

По результатам таблицы необходимо сделать развёрнутый вывод о влиянии вида и нарезки сырья, способа и режима сушки на скорость процесса, а также на время достижения первой критической точки.

Вопросы для самопроверки