Способ сушки зеленых растительных материалов с использованием СВЧ-обработки

Предлагаемый способ относится к способам сушки растительных материалов, в частности кормовых и лекарственных трав, специй и цветов, путем удаления из них влаги и может быть использован в сельскохозяйственном производстве и на предприятиях пищевой и фармацевтической промышленности.

Известен способ сушки гранул (патент на изобретение RU №2122164, заявл. 04.02.1996, опубл. 20.11.1998), включающий подачу гранул в вертикальную камеру, предварительную их обработку при движении под действием собственного веса, причем предварительно влагу вытесняют на поверхность гранул с помощью СВЧ-излучения с последующим испарением с поверхности гранул, или в процессе нагрева СВЧ-излучением, или естественного испарения, или обдува воздухом, используемым для охлаждения СВЧ-излучателя.

Недостатком этого способа является то, что в нем не решен вопрос эффективного отвода и испарения влаги, так как использование для этого СВЧ-излучения приводит к увеличению продолжительности его воздействия на высушиваемый продукт, что вызывает повышение степени разрушения каротина. Обдув высушиваемого продукта воздухом, используемым для охлаждения СВЧ-излучателя, вследствие того, что его температура не регулируется, может привести к пересушиванию продукта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ сушки сельскохозяйственных продуктов и устройство для размещения сельскохозяйственных продуктов при их обработке в микроволновой печи (патент на изобретение RU №2063691, заявл. 04.02.1993, опубл. 20.07.1996), включающий сушку продуктов, производимую в два этапа, на первом этапе которой производится частичная отгонка влаги из сырья путем обработки его в микроволновой печи, а досушивание частично обезвоженного продукта производится методом конвективной сушки, а в частности активной вентиляцией, причем обработку в микроволновой печи ведут до остаточной массы продукта 30-90% от первоначальной и далее досушивают продукт до кондиционной влажности в сушилке, обработку в микроволновой печи ведут в течение 5-40 мин при температуре продукта, не превышающей 95°C.

Недостатком этого способа является длительность (в течение 5-40 минут) этапа обработки сельскохозяйственных продуктов СВЧ-излучением, вследствие чего происходит разрушение содержащегося в них каротина. Необходимость перемещения высушиваемых продуктов для проведения второго этапа сушки в другую установку усложняет технологический процесс.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества высушенных зеленых растительных материалов путем предотвращения разрушения содержащегося в них каротина в ходе сушки и последующего хранения.

Для решения поставленной задачи предлагается способ сушки зеленых растительных материалов с использованием СВЧ-обработки, включающий сушку зеленых растительных материалов, осуществляемую в два этапа, на первом из которых производится их обработка СВЧ-излучением, а досушка частично обезвоженных растительных материалов и испарение влаги производится методом конвективной сушки, причем растительные материалы перед сушкой уплотняют до объемной плотности 130-300 кг/м³, в ходе сушки обрабатывают СВЧ-излучением частотой 915 или 2450 МГц с удельной мощностью, обеспечивающей интенсивность нагрева от 1 до 10°C в секунду, до температуры 60-90°C, а досушку и испарение влаги производят потоком подогретого воздуха, обеспечивающим поддержание температуры растительных материалов не выше 60°C.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:

На фиг. 1 показана блок-схема технологического процесса сушки зеленых растительных материалов согласно предлагаемому способу.

На фиг. 2 показаны хроматограммы содержания каротина и прочих пигментов в зеленых растительных материалах до и после СВЧ-обработки согласно предлагаемому способу: а - до СВЧ-обработки; б - после СВЧ-обработки.

На фиг. 3 показан график изменения содержания каротина при хранении зеленых растительных материалов, высушенных предлагаемым и традиционным способами.

Предлагаемый способ сушки зеленых растительных материалов с использованием СВЧ-обработки осуществляют в следующей последовательности (фиг. 1).

Предварительно измельченные до размера частиц не более 10 мм зеленые растительные материалы с исходной влажностью 60-80% загружают в сушильную установку, уплотняют до объемной плотности 130-300 кг/м³ и перемещают в камеру СВЧ-обработки. Затем производят сушку зеленых растительных материалов, на первом этапе которой осуществляют их кратковременную обработку СВЧ-излучением частотой 915 или 2450 МГц с удельной мощностью, обеспечивающей интенсивность нагрева от 1 до 10°C в секунду, до температуры 60-90°C. В результате СВЧ-обработки внутри растительных клеток происходит электроплазмолиз, т.е. коагуляция протоплазмы и увеличение проницаемости их мембран, сопровождающееся выделением влаги в межклеточное пространство, что способствует ускорению процесса ее удаления, связыванию каротина с достижением консервирующего эффекта. Благодаря кратковременности нагрева СВЧ-излучением в растительных материалах не происходит существенного разрушения каротина. Кроме того, внутри частиц растительных материалов создается избыточное давление, приводящее к вытеснению воды и водяного пара по естественным и вновь образующимся капиллярам и порам на поверхность частиц.

После этого частично обезвоженные зеленые растительные материалы влажностью 20-25% перемещают в камеру конвективной сушки сушильной установки, где осуществляют второй этап сушки, в ходе которого производят их досушку до конечной влажности 10-15% и удаляют потоком нагретого воздуха воду с поверхности частиц, а водяной пар за пределы установки, причем температуру растительных материалов поддерживают на уровне не выше 60°C.

По достижении требуемой конечной влажности растительных материалов 10-15% сушку прекращают, а растительные материалы выгружают из сушильной установки.

Для реализации предлагаемого способа используют сушильную установку, включающую загрузочный бункер, уплотняющий механизм, последовательно расположенные камеру СВЧ-нагрева с СВЧ-генератором и камеру конвективной сушки с вентилятором и нагревательными элементами, транспортирующий механизм для перемещения зеленых растительных материалов внутри установки, а также систему вентиляции для удаления водяного пара.

Предлагаемый способ поясняется следующим примером.

Предварительно измельченную до размера частиц не более 10 мм зеленую массу люцерны влажностью 70-75% с исходной температурой 20-25°C загружают в сушильную установку. Зеленую массу уплотняют посредством уплотняющего механизма до объемной плотности 200-300 кг/м³ и перемещают в камеру СВЧ-обработки. Затем осуществляют ее обработку СВЧ-излучением частотой 2450 МГц с удельной мощностью, обеспечивающей интенсивность нагрева 5-6°C в секунду, в течение 10 секунд. Конечная температура обрабатываемой зеленой массы люцерны составляет 70-80°C, а остаточная влажность - 20-25%. Зеленую массу перемещают в камеру конвективной сушки сушильной установки и производят ее досушку и испарение выделившейся влаги. Их осуществляют потоком подогретого воздуха температурой 50-60°C, обеспечивающим поддержание температуры растительных материалов не выше 60°C. В ходе конвективной сушки производят досушку частиц зеленой массы, удаляют потоком нагретого воздуха воду с поверхности ее частиц, а водяной пар через систему вентиляции за пределы установки. Продолжительность конвективной сушки зеленой массы люцерны составляет 10-15 мин, а ее конечная влажность 10-15%. Снижение содержания каротина в высушенной зеленой массе люцерны по сравнению с исходным составляет 5-8%. Высушенную зеленую массу люцерны выгружают из сушильной установки.

Выбор диапазона изменения параметров процесса сушки зеленых растительных материалов и очередность и содержание этапов предлагаемого способа обусловлены следующими факторами.

Использование предварительно измельченных до размера частиц не более 10 мм зеленых растительных материалов обосновано тем, что при таком размере частиц обеспечивается их эффективное уплотнение до объемной плотности 130-300 кг/м³.

Уплотнение предварительно измельченных зеленых растительных материалов перед сушкой до объемной плотности 130-300 кг/м³ обосновано тем, что это способствует повышению эффективности воздействия СВЧ-излучения как по снижению значения коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН), так и по повышению производительности процесса сушки в целом. Это позволяет сократить продолжительность действия СВЧ-излучения, предотвратить перегрев материалов и снизить, тем самым, потери каротина, что подтверждается результатами экспериментальных исследований. Снижение объемной плотности растительных материалов ниже 130 кг/м³ увеличивает значение КСВН до 2,0 и более, что приводит к снижению КПД СВЧ-генератора и создает угрозу выхода его из строя, а увеличение их объемной плотности выше 300 кг/м³ вызывает механическое выделение сока из растительных материалов, что приводит к снижению содержания в них каротина.

Применение кратковременной обработки растительных материалов СВЧ-излучением частотой от 915 до 2450 МГц с удельной мощностью, обеспечивающей интенсивность нагрева от 1 до 10°C в секунду, до температуры 60-90°C обосновано тем, что при кратковременном (не более 1 мин) интенсивном нагреве до данной температуры практически не происходит разрушения каротина, в частности потому, что под действием СВЧ-излучения нагревается в основном содержащаяся в растительных материалах вода, а температура веществ в твердом состоянии, в частности каротина, практически не изменяется.

Принятые значения параметров СВЧ-обработки обеспечивают протекание в растительных клетках процесса электроплазмолиза, что является необходимым условием их эффективного обезвоживания.

Интенсивность нагрева от 1 до 10°C в секунду обоснована тем, что интенсивность нагрева менее 1°C в секунду не вызывает электроплазмолиз в их клетках и не обеспечивает выделение влаги из зеленых растительных материалов, а интенсивность нагрева более 10°C в секунду вызывает их пересушивание и подгорание.

Сохранность каротина при СВЧ-обработке зеленых растительных материалов объясняется также коагуляцией протоплазмы в их клетках и удерживанием связанных частиц каротина клеточными мембранами при удалении через них влаги в процессе сушки (Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов / И.А. Рогов, А.В. Горбатов. - М.: Пищевая промышленность, 1974. - 584 с.). В результате воздействия СВЧ-излучения на растительную ткань биологическая деятельность протоплазмы клеток нарушается, что способствует увеличению проницаемости их мембран. Электроплазмолиз, в отличие от термоплазмолиза, при интенсивном температурном воздействии не вызывает полного разрушения клеточных стенок, но способствует разрыву протоплазмы клеток на крупные частицы, которые легко задерживаются клеточными стенками при истечении через них воды. При СВЧ-обработке происходит прекращение метаболической активности растительных клеток, в результате чего погибшие клетки биологически не препятствуют процессу высушивания (Бородин И.Ф. Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве / И.Ф. Бородин, Г.А. Шарков, А.Д. Горин. - М.: ВНИИ-ТЭИагропром, 1987. - 56 с.). Благодаря этому исключается переход каротина в выделяемый сок, а скорость влагоотдачи из растительных материалов существенно повышается.

Использование на втором этапе сушки конвективного нагрева растительных материалов обосновано тем, что при СВЧ-обработке по мере снижения влажности обрабатываемых материалов степень поглощения СВЧ-излучения уменьшается, что снижает эффективность сушки и увеличивает ее продолжительность, поэтому на заключительном этапе используется конвективная сушка. Также применение конвективной сушки нагретым воздухом обусловлено необходимостью эффективного удаления с поверхности частиц растительных материалов выделившейся воды и отвода водяного пара за пределы установки.

Поддержание температуры растительных материалов при их досушке нагретым воздухом на уровне не выше 60°C обосновано тем, что при таком температурном режиме не происходит значительного снижения содержания в них каротина. Также это обосновано тем, что использование потока подогретого воздуха с температурой, обеспечивающей поддержание температуры растительных материалов на уровне не выше 60°C, достаточно для эффективного удаления воды и водяных паров из камеры конвективной сушки сушильной установки, а ее повышение сверх этого уровня приводит к непроизводительным затратам энергии.

Предлагаемый способ сушки зеленых растительных материалов с использованием СВЧ-обработки прошел экспериментальную проверку в ФГБНУ СКНИИМЭСХ. В результате был определен оптимальный диапазон значений параметров процесса сушки растительных материалов и последовательность и содержание его этапов.

В ходе экспериментальных исследований, проведенных методом хроматографии в тонком слое сорбента, были получены хроматограммы содержания пигментов, в том числе каротина, в зеленых растительных материалах, в частности в люцерне, до и после сушки предлагаемым способом (фиг. 2). Они показали, что СВЧ-обработка зеленых растительных материалов в принятом диапазоне значений параметров привела к существенным изменениям в их биохимическом составе. В частности, сравнение хроматограмм, полученных до (фиг. 2а) и после СВЧ-обработки (фиг. 2б), показало, что в растительных клетках после обработки верхняя полоса оранжево-желтого цвета, соответствующая каротину с преобладанием β-каротина, сместилась к желтому цвету, соответствующему каротину с преобладанием менее химически активного α-каротина.

Согласно общим представлениям об электроплазмолизе (Исмаилов Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ-излучений / Э.Ш. Исмаилов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 144 с.), изменения в биохимическом составе клеток растительных материалов также связаны с коагуляцией протоплазмы клеток их ткани под действием СВЧ-излучения и удерживанием связанных частиц, включающих каротин, клеточными стенками при удалении влаги из клеток в процессе сушки. Полученные в результате электроплазмолиза изменения в клетках растительных материалов, а именно изомеризация каротина, вызывающая переход β-каротина в α-каротин, уменьшают его доступность к выведению из клетки вместе с выделяемой влагой и окислению его кислородом воздуха, что снижает потери каротина при хранения высушенных растительных материалов.

Были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых химическим путем определялась массовая доля каротина в зеленых растительных материалах, в частности люцерне, до и после сушки, производимой различными способами. В ходе исследований было установлено, что заявляемый способ сушки обеспечивает более высокую сохранность каротина в растительных материалах, чем другие известные способы. Проведенный химический анализ показал, что массовая доля каротина в высушенных согласно предлагаемому способу растительных материалах непосредственно после сушки по сравнению с первоначальной уменьшилась незначительно (на 4-5%). Причем высокая степень сохранности каротина обеспечивается не только непосредственно после окончания сушки, но и при хранении высушенных растительных материалов. Результаты проведенных экспериментальных исследований сохранности каротина после сушки и при последующем хранении растительных материалов, в частности люцерны, приведены в таблице и на фиг. 3.

Использование изобретения позволит усовершенствовать сушку зеленых растительных материалов и предотвратить излишнее разрушение содержащегося в них каротина как в ходе сушки, так и в ходе последующего хранения высушенных растительных материалов.