ANALYSIS OF PARAMETERS INFLUENCING PERIOD OF VEGETABLE SEMI-FINISHED PRODUCTS FREEZING WITH COMBINED METHOD
Authors:
1.
Kemerovo State University
Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Russian Federation
2.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
3.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
Type:
Article
Pages:
from 108
to 113
Status:
Published
Received:
23.10.2017
Accepted:
23.10.2017
Published:
23.10.2017
Subject area:
UDK 664.8.037.1:635
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Vegetable semi-finished products, freezing period, freezing parameters, regression equations, regression analysis
Abstract (English):
The combined method of freezing combines the product convectional freezing and subsequent contact storage on a cooled metal plate. This method is used to freeze vegetable semi-finished products that have been pre-packed in a vacuum package. Advantages of the combined method are the absence of product shrinkage, loss of aromatic properties, and reduction of temperature fluctuations during the process, sparing operating conditions in the packing area. Freezing period is an important characteristic of the process. The prediction of the freezing period is the most difficult task in thermophysics, since there are many parameters affecting the freezing process. The article presents the results of the research revealing the degree of temperature influence inside the freezing chamber, the rate of air movement and the layer thickness of the product to be frozen in the package. It has been proved that the freezing period of the vegetable mix is more influenced by the temperature in the chamber t, the thickness of the frozen product δ and the joint influence of t-δ. Using the Statistica program for processing the experimental data on the freezing period a mathematical regression model has been obtained, which can predict the freezing period with high accuracy. The relative error between the experimentally obtained data and the predicted ones is less than 5%.
The combined method of freezing combines the product convectional freezing and subsequent contact storage on a cooled metal plate. This method is used to freeze vegetable semi-finished products that have been pre-packed in a vacuum package. Advantages of the combined method are the absence of product shrinkage, loss of aromatic properties, and reduction of temperature fluctuations during the process, sparing operating conditions in the packing area. Freezing period is an important characteristic of the process. The prediction of the freezing period is the most difficult task in thermophysics, since there are many parameters affecting the freezing process. The article presents the results of the research revealing the degree of temperature influence inside the freezing chamber, the rate of air movement and the layer thickness of the product to be frozen in the package. It has been proved that the freezing period of the vegetable mix is more influenced by the temperature in the chamber t, the thickness of the frozen product δ and the joint influence of t-δ. Using the Statistica program for processing the experimental data on the freezing period a mathematical regression model has been obtained, which can predict the freezing period with high accuracy. The relative error between the experimentally obtained data and the predicted ones is less than 5%.
Keywords:
Vegetable semi-finished products, freezing period, freezing parameters, regression equations, regression analysis
Vegetable semi-finished products, freezing period, freezing parameters, regression equations, regression analysis
Для замораживания овощных полуфабрикатов применялся комбинированный способ, заключающийся в сочетании конвективного подмораживания вакуумированной порции смеси в упаковке и после- дующего контактного домораживания с одновременным обдувом потоком воздуха. Подмораживание осуществляется на металлической решетке с прину- дительным обдувом потоком восходящего воздуха, по завершению подмораживания на поверхности образуется затвердевший слой продукта толщиной 2-3 мм, что придает порции смеси дополнительную механическую прочность. Цель использования ме- таллической решетки - исключение примерзания продукта, легкое отделение в конце процесса подмо- раживания, унос части влаги с поверхности упаков- ки потоком восходящего воздуха. Контактное домо- раживание происходит при переносе порции смеси на металлическую плиту. Для интенсификации про- цесса применяется одновременный принудительный обдув потоком воздуха в горизонтальном направле- нии. Благодаря предварительному подмораживанию упаковка не примерзает к плите и не повреждается при отделении от нее [1]. При замораживании комбинированном спосо- бом продукт в меньшей мере подвержен тепловому воздействию, так как отсутствуют температурные колебания вследствие того, что смесь сначала упа- ковывают и только потом замораживают. Качество готового полуфабриката выше благодаря использо- ванию вакуумной упаковки, которая исключает усушку и потерю ароматических свойств овощей [2, 3]. На фасовочно-упаковочном участке пред- приятия, применяющего комбинированный способ замораживания, не требуется использовать искус- ственное охлаждение в помещении. Это позволяет создать более комфортные условия для работников, а также снизить энергетические затраты и умень- шить производственные площади [4, 5, 6]. Технологическая линия с применением комби- нированного способа замораживания проил- люстрирована на рис. 1. Рис.1. Технологическая линия замораживания овощных полуфабрикатов: 1 - порция овощной смеси; - вакуумная однокамерная машина; 3 - воздушный скороморозильный аппарат; 4 - решетчатый конвейер; 5 - металлическая охлаждаемая плита; 6 - контактный аппарат Целью работы является определение рацио- нальных технологических параметров продолжи- тельности замораживания комбинированным спо- собом на основе регрессионного анализа результа- тов теоретических и экспериментальных исследо- ваний при производстве овощных полуфабрикатов. С учетом поставленной цели решались следую- щие задачи. исследовать комбинированный способ замо- раживания для выявления рациональных техноло- гических параметров продолжительности процесса; провести регрессионный анализ полученных данных для выявления степени влияния варьируе- мых параметров на продолжительность заморажи- вания овощной смеси в упаковке; получить регрессионную модель, способную прогнозировать длительность процесса заморажи- вания комбинированным способом. Объекты и методы исследования В качестве объекта исследования выступает комбинированный способ замораживания овощных полуфабрикатов, включающий предварительное подмораживание в потоке восходящего воздуха в течение 5 минут с последующем домораживанием на охлаждаемой плите в горизонтальном потоке воздуха. Предмет исследования - выявление рациональ- ных технологических параметров, влияющих на продолжительность замораживания овощной смеси в упаковке. Результаты и их обсуждение При замораживании поток воздуха необходим для передачи теплоты от плодоовощной смеси к хладагенту, циркулирующему внутри воздушного скороморозильного аппарата. Увеличение скорости движения воздуха возможно за счет того, что про- дукт замораживается, будучи упакованным, что исключает усушку овощей. Снижение температуры внутри замораживающей камеры и увеличение скорости движения воздуха необходимо совершать с учетом затрат на получения холода, поддерживая наиболее выгодную с экономической точки зрения разницу температур. На продолжительность замо- раживание оказывает влияние то, какой толщины продукт находится в упаковке. Толщина продукта зависит от размеров упаковки и размеров кусочков овощей, из которых состоит смесь [7, 8]. В резуль- тате вышесказанного были выделены наиболее зна- чимые параметры, существенно влияющие на про- должительность замораживания τ, мин. Были проведены исследования, посвященные выявлению степени влияния температуры в камере скороморозильного аппарата (t, °С), скорости дви- жения воздуха при обдуве продукта (ω, м/с) и тол- щины замораживаемого слоя продукта (δ, мм) в упа- ковке. Плодоовощную смесь замораживали при тем- пературных режимах минус 30 и минус 40 °С до до- стижения в центре продукта температуры минус 22° С, т.к. при указанной температуре вся свободная влага в продукте подвергается кристаллизации [5, 9]. При температурном режиме минус 20 °С заморажи- вание проводили до достижения в центре продукта температуры минус 18 °С. В ходе проведения экспериментов температура в камере менялась от минус 40 до минус 20 °С, ско- рость движения воздуха - от 1 до 3 м/с, толщина продукта в упаковке в диапазоне 10-30 мм. Базо- вые (нулевые) точки и шаги варьирования приведе- ны в табл. 1. Уровни и интервалы варьирования Таблица 1 Фактор Условное обозна- чение Уровни варьирования Верхний уро- вень Нижний уро- вень Центр плана Интервал варь- ирования Температура в камере воздушного скоромо- розильного аппарата t, °С t -20 -40 -30 10 Скорость движения воздуха ω, м/с ω 3 1 2 0,5 Толщина слоя замо- раживаемого продук- та δ, мм δ 30 10 20 5 чески значимой, т.к. p-уровень составляет 0 %. Это показывает, что модель с вероятностью 0,00 будет являться лишь случайным совпадением для данной выборки. В табл. 3 приведены коэффициенты регрессии модели. Статистическая значимость (p-уровень) у всех коэффициентов низкая, в пределах тысячных долей процентов, лишь у одного коэффициента она составляет 1,56 %, что также является малым зна- чением. Это показывает, что каждый найденный коэффициент с вероятностью, равной соответству- ющему ему p-уровню, будет говорить, что найден- ная зависимость является лишь случайной особен- ностью данной выборки. Аналогичные результаты отображает t-критерий Стьюдента. У всех коэффи- циентов он достаточно высок, что говорит о высо- кой статистической значимости этих коэффициен- тов. В соответствии с этим оценены коэффициенты β. Данный коэффициент оценивает меру чувстви- тельности одной переменной к другой переменной. Это означает, что наиболее чувствительным для В ходе исследования требовалось установить силу зависимости, а также смоделировать уравне- ние для определения количественных значений факторов, влияющих на продолжительность замо- раживания овощной смеси. За зависимый параметр взята продолжительность замораживания. За неза- висимые переменные были взяты температура в камере, скорость движения воздуха и толщина слоя замораживаемого продукта. Анализ проводился в программе Statistica 8 с помощью модулей «Промышленная статистика», «Нелинейное оценивание» и «Общие регрессион- ные модели». Полученная в ходе статистического анализа модель классифицирована как аналити- ческая эмпирическая статическая стохастическая нелинейная математическая модель [10]. Наилучшая модель получена с помощью ин- струмента «Регрессия поверхности смеси» модуля «Общие регрессионные модели». значения продолжительности τ будет влияние t, t2, δ и совместное влияние t-δ, причем все факторы дают прямо пропорциональную зависимость. Чув- ствительность остальных факторов менее суще- ственна, но значительно выше нуля. Таблица 3 Коэффициенты модели Оценка модели Эффект Коэффи- циент t p β Свобод- ный член 162,6076 13,8474 0,000000 t 10,3762 17,8248 0,000000 1,31125 t2 0,1674 18,5626 0,000000 1,27513 ω -25,3404 -5,1032 0,000003 -0,27732 ω2 4,3754 4,3055 0,000057 0,19362 δ 14,3413 28,8819 0,000000 1,56952 δ2 0,0252 2,4831 0,015613 0,11166 t×ω -0,3104 -4,2149 0,000079 -0,13155 t×δ 0,2495 33,8786 0,000000 1,05735 ω×δ -0,4898 -5,7610 0,000000 -0,15629 Таблица 2 Зависимая переменная R R2 F p τ 0,9985 0,9972 2559,316 0,00 Полученная по ходу исследования модель имеет вид: 1 y = bO + b1 × x1 + b2 × x2 + b3 × x3 + b11 × x2 + В табл. 2 приведены оценки модели. Коэффици- +b22 × x2 33 3 12 1 2 2 + b × x2+b × x × x + (1) ент корреляции (R), равный 0,998, практически приблизился к единице, что говорит о сильной за- висимости выходной переменной от входных пере- менных. Близость коэффициента корреляции к единице показывает приближение корреляционной связи к функциональной. Коэффициент детермина- ции (R2) данной модели, равный 0,997, также бли- зок к единице. Из этого следует, что доля диспер- сии зависимой переменной, объясняемая рассмат- риваемой моделью зависимости, равна 99,7 %. F- критерий Фишера имеет достаточно большое зна- чение (F = 2559,316), чтобы утверждать, что модель является адекватной и может быть использована для принятия решений к осуществлению прогно- зов. Рассматриваемая модель является статисти- +b13 × x1 × x3 + b23 × x2 × x3 Подставляя в формулу (1) коэффициенты модели из табл. 3, получаем итоговую модель, позволя- ющую прогнозировать значения зависимой пере- менной. T = 162,6076 + 10,3762 × t + 0,1674 × t2 - -25,3404 × w + 4,3754 × w2 + 14,3414 × (j + (2) +0,0252 × (j2 - 0,3104 × t × w + 0,2495 × × t × (j - 0,4898 × w × (j Данные, полученные в ходе расчета, для лучшего восприятия представлены в виде поверхностей отклика (рис. 1-3). τ, мин 200 150 100 Используя данную модель можно сравнить наблюдаемые значения (полученные в ходе экспе- римента) зависимой переменной с предсказанными (полученные с помощью математической модели). Разницу наблюдаемых и предсказанных значений можно оценить с помощью относительной погреш- ности по формуле: lrНабл-rПредl 2,5 50 2 ∆T = rНабл × 100% (3) 0 -20 -30 1 -40 1,5 Результаты сравнения первых десяти значений продолжительности замораживания сведены в табл. 4. Таблица 4 Рис. 1. Зависимость продолжительности замораживания от температуры и скорости движения воздуха в скороморозильной камере Сравнение наблюдаемых и предсказанных значений τ, мин 300 250 200 150 100 50 0 -20 -30 30 25 20 15 10 -40 № п/п τ, мин Наблюдаемое τ, мин Моделируемое Относительная погрешность, % 1. 45,67 48,11 5,33 2. 69,83 70,63 1,14 3. 95 94,41 0,62 4. 121,17 119,45 1,41 5. 148,17 145,76 1,62 6. 42,83 44,66 4,27 7. 65,5 65,96 0,70 8. 89 88,52 0,54 9. 113 112,34 0,58 10. 138 137,42 0,42 Сравнение выявило, что погрешность достаточ- но мала, менее 5 %, следовательно, модель можно использовать для предсказания значений зависимой переменной. Ввиду приведенных выше рассуждений, модель, полученная в ходе исследования, может считаться Рис. 2. Зависимость продолжительности замораживания от температуры в скороморозильной камере τ, мин и толщины слоя продукта 200 150 100 30 50 20 0 адекватной и быть использована для дальнейшего тестирования. Выводы Были выявлены рациональные технологические параметры процесса замораживания комбиниро- ванным способом, которые оказывают наибольшее влияние на продолжительность низкотемператур- ной обработки овощной смеси: температура в ско- роморозильной камере t, толщина слоя заморажи- ваемого продукта δ и их совместное влияние t - δ. Чувствительность остальных факторов значительно выше нуля, но менее существенна. С помощью инструментов программы Statistica была получена математическая регрессионная мо- 1 1,5 2 10 2,5 3 дель, которая позволяет предсказывать продолжи- тельность замораживания продуктов комбиниро- ванным способом с высокой точностью. Значения Рис. 3. Зависимость продолжительности замораживания от скорости движения воздуха в скороморозильной камере и толщины слоя продукта относительной погрешности между эксперимен- тальными данными и предсказанными составили менее 5 %.
1. Anur'eva, E.V. Zamorazhivanie plodov i ovoschey na flyuidizacionnyh tunnelyah / E.V. Anur'eva // Morozhenoe i zamorozhennye produkty. - 2004. - № 12. - S. 26-28.
2. Shubina, O.G. Nizkokaloriynye produkty kak sostavlyayuschie sbalansirovannogo raciona pitaniya sovremennogo cheloveka / O. G. Shubina, A. A. Kochetkova // Pischevye ingredienty. Syr'e i dobavki. - 2005. - № 1. - S. 9-13.
3. Docenko, V.A. O strukture potrebleniya produktov pitaniya po pischevoy cennosti i mediko-pischevym priznakam /V.A. Docenko, D.H. Kulev, Yu.V. Klokov // Pischevaya promyshlennost'. - 2016. - № 8. - S. 22-25.
4. Pavlovskaya, L.M. Napravleniya razvitiya proizvodstva konservirovannyh produktov za rubezhom / L.M. Pavlovskaya // Pischevaya promyshlennost': nauka i tehnologii. - 2013 - № 3 (21). - S. 18-24.
5. Korotkiy, I.A. Opredelenie teplofizicheskih svoystv komponentov plodoovoschnoy smesi v processe zamorazhivaniya / I.A. Korotkiy, G.F. Sahabutdinova, M.I. Ibragimov // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv, 2016. - T. 40. - № 1. - S. 81-86.
6. Korotkiy, I.A. Analysis of the energy efficiency of the fast freezing of blackcurrant berries / I.A. Korotkiy // Foods and Raw Materials. - 2014. - No. 2. - pp. 3-14.
7. Grigor'eva, R.Z. Analiz sposobov i razrabotka tehnologii proizvodstva kartofel'nyh polufabrikatov / R.Z. Grigor'eva, A.Yu. Prosekov // Dostizheniya nauki i tehniki APK. - 2008. - № 3. - S. 40-42.
8. Issledovanie zamorazhivaniya v proizvodstve polufabrikatov iz kartofelya / A.Yu. Prosekov, R.Z. Grigor'eva, S.Yu. Yur'eva, V.A. Zhdanov // Dostizheniya nauki i tehniki APK. - 2006. - № 6. - S. 47.
9. Changes in functional properties of vegetables induced by high pressure treatment / P. Butza, R. Edenharderb, A. Fernández Garcı́aa, H. Fistera, C. Merkela, B. Tauschera // Food Research International.- 2002. - V. 35. - No. 2-3. - pp. 295-300.
10. Dermesonlouoglou, E. Kinetic modeling of the quality degradation of frozen watermelon tissue: effect if the osmotic dehydrationas a pre-treatment / E. Dermesonlouoglou, M. Giannakourou, P. Taoukis // International journal of food science and technology. - 2007. - V. 42.- No. 7. - pp. 790-798.
