докторант с 01.01.1998 по 01.01.2019
Россия
Россия
Россия
Россия
УДК 664.951.3 Копчение рыбы
ББК 472 Рыбное хозяйство
Работа посвящена изучению физико-химических характеристик коптильного дыма, используемого при производстве ры-бы горячего и холодного копчения. Установлен дисперсионный состав коптильного дыма в зависимости от температуры в зоне дымообразования и коэффициента избытка воздуха. Установлено содержание основных коптильных компонентов и полиароматических углеводородов (ПАУ) в частицах дисперсной фазы коптильного дыма различного размера. Пред-ложена модель изменения дисперсного состава коптильного дыма в процессе горячего копчения. Экспериментально под-тверждены теоретические расчеты по предложенным моделям изменения дисперсного состава. В работе использовались физико-химические и статистические методы исследования.
коптильный дым; дисперсная фаза, массовая концентрация, частицы, дисперсный состав; коптильные компоненты, фе-нолы, кислоты, карбонильные соединения, полиароматические углеводороды, коагуляция
Обоснование актуальности темы
Основной задачей копчения пищевых продуктов является эффективное управление процессом осаждения коптильных компонентов дыма, которые в нем содержатся преимущественно в виде частиц дисперсной фазы, на поверхность обрабатываемого продукта [1-3].
Проблемой, препятствующей решению указанной задачи, является отсутствие достоверных данных о закономерностях формирования и изменения дисперсности коптильного дыма, от параметров которой зависит эффективность осаждения частиц дисперсной фазы коптильного дыма, под воздействием различных сил, на поверхность обрабатываемого продукта.
Решение указанной проблемы требует установления влияния параметров процессов дымогенерации и копчения на физико-химические характеристики дисперсных частиц коптильного дыма.
Исследованию дисперсного состава коптильного дыма посвящены работы отдельных ученых, таких как Н.А. Воскресенский, Э.Н. Ким, В.И. Курко, Ю.Д. Проскура, Е.А. Хван, W.W. Foster, Z.E. Sikorski, M. Vaz-Velho. Однако в известных работах отсутствуют полные данные о влиянии параметров дымогенерации на физико-химические характеристики коптильного дыма и изменение их в процессе копчения.
Исходя из вышесказанного, целью работы является установление закономерности формирования физико-химических характеристик коптильного дыма и динамики их изменения в процессе копчения.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
- провести анализ дисперсного состава коптильного дыма, в зависимости от параметров дымогенерации;
- провести анализ распределения основных коптильных компонентов и ПАУ по частицам дисперсной фазы коптильного дыма.
- установить закономерности динамики дисперсного состава коптильного дыма в процессе копчения.
Методы исследований
Коптильный дым генерировали экспериментальным дымогенератором, позволяющим регулировать температуру пиролиза щепы и степень разбавления дыма воздухом [4]. В ходе исследования использовали ольховую щепу относительной влажностью 43-48%. Динамику физико-химических характеристик коптильного дыма исследовали в экспериментальной коптильной камере, позволяющей регулировать температуру и скорость рабочей коптильной среды [5].
Кониметрическую концентрацию дисперсной фазы коптильного дыма определяли методом инерционного осаждения при помощи каскадного импактора [6]. Распределение основных коптильных компонентов и ПАУ по частицам дисперсной фазы коптильного дыма проводили, анализируя массу осевших на каждом каскаде импактора. Содержание фенолов определяли методом с использованием 4-аминоантрипина, карбонильных соединений – по методике с использованием 2,6-денитрофенилгидразина, органических кислот – методом титрования кислот щелочью [6]. Содержание ПАУ определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии, в соответствии с ГОСТ Р 51650-2000 «Продукты пищевые. Методы определения массовой доли бенз(а)пирена», на флуоресцентном хроматографе с криогенной приставкой и осветителя ультрафиолетового типа «Хроматоскоп» со спектральным диапазоном 250-700 нм.
Результаты исследований
Результаты анализа дисперсного состава коптильного дыма, полученного в экспериментальном дымогенераторе при различных параметрах дымообразования, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Дисперсный состав коптильного дыма при различных параметрах дымогенерации
Table 1. The dispersed composition of smoky smoke at various parameters of smoke generation
|
№ опыта |
Температура в зоне дымообразования, 0С |
Коэффициент избытка воздуха с 22-26 0С |
Масса частиц дисперсной фазы различного диаметра, % к общей массе |
|||||
|
Диаппазон размеров частиц, мкм |
||||||||
|
0,0-0,25 |
0,26-0,75 |
0,76-1,5 |
1,6-2,5 |
2,6-4,0 |
5,0 и более |
|||
|
1 |
350 |
0,3 |
6,3 |
33,1 |
51,2 |
2,1 |
2,3 |
5,0 |
|
2 |
350 |
0,6 |
6,5 |
36,2 |
48,4 |
2,0 |
2,1 |
4,8 |
|
3 |
350 |
0,9 |
6,8 |
38,4 |
45,1 |
1,9 |
2,0 |
4,5 |
|
4 |
450 |
0,3 |
8,3 |
38,0 |
45,2 |
1,9 |
2,1 |
4,5 |
|
5 |
450 |
0,6 |
8,6 |
40,6 |
43,3 |
1,7 |
1,9 |
3,9 |
|
6 |
450 |
0,9 |
9,1 |
42,5 |
41,7 |
1,4 |
1,7 |
3,6 |
|
7 |
550 |
0,3 |
9,3 |
42,8 |
40,4 |
1,3 |
1,6 |
3,6 |
|
8 |
550 |
0,6 |
10,4 |
44,1 |
40,3 |
1,2 |
1,3 |
2,7 |
|
9 |
550 |
0,9 |
11,2 |
46,7 |
38,2 |
0,9 |
1,1 |
1,9 |
Математическая обработка экспериментальных данных позволила представить влияние температуры дымогенерации и степени разбавления коптильного дыма воздухом на массу частиц определенного размера (YΔ) в виде системы уравнений (1-6). Полученные уравнения позволяют рассчитывать дисперсный состав коптильного дыма в указанном диапазоне параметров дымогенерации.
Y0,0-0,25=2,79+0,03X1-3,47X2+0,01X1X2, (1)
Y0,26-0,75=10,02+0,06X1+13,53X2-0,56X22-0,01X1X2, (2)
Y0,76-1,5=85,04-0,11X1-16,29X2-4,07X22+0,03X1X2, (3)
Y1,6-2,5=1,34+0,01X1+0,81X2-0,56X22-0,002X1X2, (4)
Y2,6-4,0=0,39+0,01X1-0,36X2+0,37X22-0,002X1X2, (5)
Y5,0 =2,01+0,02X1+2,11X2+0,56X22-0,01X1X2, (6)
где X1 – температура в зоне дымообразования, 0С;
X2 – коэффициент избытка воздуха.
Анализ содержания коптильных компонентов и ПАУ в дисперсных частицах различного размера коптильного дыма, полученного при температуре 4500С и коэффициенте избытка воздуха 0,6, приведен в таблице 2.
Таблица 2. Содержание коптильных компонентов и ПАУ в дисперсных частицах различного размера, % от массы дисперсной фазы
Table 2. The content of smoking components and PAHs in dispersed particles of various sizes, % of the mass of the dispersed phase
|
Диапазон размеров частиц, мкм |
Содержание фенолов, % |
Содержание карбонильных соединений, % |
Содержание органических кислот, % |
Содержание ПАУ, %×10-6 |
|
0,00-0,25 |
2,5-3,6 |
4,1-6,3 |
3,9-10,8 |
23,4 |
|
0,26-0,75 |
3,7-5,8 |
3,9-6,4 |
6,3-8,9 |
26,5 |
|
0,76-1,50 |
4,9-6,2 |
6,3-8,1 |
6,2-9,1 |
29,3 |
|
1,60-2,50 |
2,6-4,3 |
1,9-4,9 |
4,5-6,9 |
31,6 |
|
2,60-4,00 |
0,9-2,0 |
3,3-4,6 |
3,6-9,4 |
43,1 |
|
5,00 и более |
0,3-0,6 |
1,1-2,9 |
2,9-4,8 |
71,3 |
Анализ экспериментальных данных показывает незначительные отклонения содержания коптильных компонентов в частицах дисперсной фазы коптильного дыма, в зависимости от размера частиц. Большинство коптильных компонентов находилось в частицах дисперсной фазы размерами до 5 мкм.
Содержание ПАУ зависит от размера частиц дисперсной фазы коптильного дыма нелинейно и, чем больше размер частиц дисперсной фазы коптильного дыма, тем выше концентрация ПАУ. Удаление частиц размерами больше 5 мкм, перед его попаданием в коптильную камеру, позволит уменьшить содержание ПАУ в дыме, используемом при копчении.
С целью изучения динамики дисперсного состава коптильного дыма, в процессе копчения отбор проб осуществляли на различных этапах процесса обработки продукции коптильным дымом (рис. 1):
- в дымогенераторе;
- после разбавления коптильного дыма холодным воздухом;
- на входе в коптильную камеру;
- на выходе из коптильной камеры.
Рисунок 1. Распределение дисперсного состава коптильного дыма на различных этапах процесса обработки продукции коптильным дымом
Figure 1. Distribution of the dispersed composition of smoky smoke at various stages of the process of processing products with smoky smoke
В дымогенераторе коптильный дым имеет достаточно высокую температуру – более 2500С. В верхней части дымогенератора происходит разбавление коптильного дыма относительно холодным воздухом (температура 23-260С, соотношение объемов около 1:1). Далее коптильный дым перемещается по дымоводу диаметром 150 мм на расстояние до камеры 2,5 м со скоростью 0,5 м/с. В коптильной камере в турбулентном режиме осуществляется обработка продукции коптильным дымом. Частично дым удаляется из коптильной камеры при той же скорости – 0,5 м/с. Динамика дисперсного состава коптильного дыма в процессе копчения представлена на рисунке 1.
Оценка динамики дисперсного состава коптильного дыма, в ходе копчения, показала, что масса частиц малого размера до 1,5 мкм имеет тенденцию к снижению, и в то же время масса частиц размерами от 1,6 до 4 мкм, соответственно, увеличивается, вследствие происходящих процессов коагуляции частиц, масса частиц размерами более 5 мкм в ходе копчения увеличивается не столь динамично, как массы частиц от 1,6 до 4 мкм, т.к. на эти частицы влияют две тенденции:
- увеличения массы за счет коагуляции;
- тенденция снижения массы за счет гравитационного осаждения частиц.
Заключение
Установлены закономерности формирования физико-химических характеристик коптильного дыма и динамики дисперсного состава коптильного дыма в процессе копчения. Полученные данные позволяют рассчитывать количество и соотношение частиц дисперсной фазы коптильного дыма при различных параметрах процесса копчения и, тем самым, регулировать массообменные процессы, происходящие при копчении продукции.
Проведен анализ дисперсного состава коптильного дыма в зависимости от параметров дымогенерации. Математическая обработка позволила получить уравнения регрессии зависимости распределения частиц различного диаметра к массовой концентрации от температуры в зоне дымообразования и коэффициента избытка воздуха.
Проведен анализ распределения основных коптильных компонентов и ПАУ по частицам дисперсной фазы коптильного дыма. Анализ данных показывает незначительные отклонения содержания коптильных компонентов в частицах дисперсной фазы коптильного дыма, в зависимости от размера частиц, большинство коптильных компонентов содержалось в частицах размерами менее 5 мкм. Содержание ПАУ зависит от размера частиц дисперсной фазы коптильного дыма нелинейно, с ростом частиц содержание ПАУ в них увеличивается. Удаление частиц размерами больше 5 мкм, перед его попаданием в коптильную камеру, позволит уменьшить содержание ПАУ в дыме, используемом при копчении.
Установлены закономерности динамики дисперсного состава коптильного дыма в процессе копчения. Масса частиц малого размера до 1,5 мкм имела тенденцию к снижению, масса частиц размерами от 1,6 до 4 мкм увеличивается, вследствие происходящих процессов коагуляции частиц. Масса частиц размерами более 5 мкм, в ходе копчения, увеличивается не столь динамично, т.к. на эти частицы влияют две тенденции: тенденция увеличения массы за счет коагуляции и тенденция снижения массы за счет гравитационного осаждения частиц.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад в работу авторов: Э.Н. Ким — идея работы, подготовка введения, заключения, окончательная проверка статьи; Е.Г. Тимчук — сбор и анализ данных, подготовка введения и заключения, математическая обработка данных, подготовка статьи; Е.А. Заяц — сбор и анализ данных, подготовка статьи, Е.В. Глебова — сбор и анализ данных, подготовка статьи, Е.П. Лаптева — сбор и анализ данных, подготовка статьи.
The authors declare that there is no conflict of interest.
Contribution to the work of the authors: E.N. Kim — the idea of the work, preparation of the introduction, conclusion, final verification of the article; E.G. Timchuk — data collection and analysis, preparation of the introduction and conclusion, mathematical data processing, preparation of the article; E.A. Zayats — data collection and analysis, preparation of the article, E.V. Glebova — data collection and analysis, article preparation, E.P. Lapteva — data collection and analysis, article preparation.
1. Курко В.И. Физико-химические и химические основы копчения. - М.: Пищпромиздат, 1960. - 223 с.
2. Воскресенский Н.А. Технология посола, копчения и сушки рыбы [Текст]. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Пищепромиздат, 1958. - 547 с.
3. Хван Е.А. О роли дисперсионной среды дыма при копчении / Е.А. Хван, Б.Ф. Садовский, Н.А. Воскресенский // Рыбное хозяйство. - 1972. - № 6. - С.67-68.
4. Патент на полезную модель № 201949 U1 Российская Федерация, МПК A23B 4/044. Дымогенератор: № 2020128033: заявл. 20.08.2020: опубл. 21.01.2021 / Е.А. Заяц, Э.Н. Ким, В.И. Максимова, Е.Г. Тимчук; заявитель Федеральное государ-ственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный государственный техниче-ский рыбохозяйственный университет» (ФГБОУ ВО «Дальрыбвтуз»).
5. Патент на полезную модель № 95467 U1 Российская Федерация, МПК A23B 4/052. Установка для бездымного копчения: № 2010108021/22: заявл. 04.03.2010: опубл. 10.07.2010 / Э.Н. Ким, Р.Н., Андреев, Е.В. Осипов, В.В. Максимов, Е.Г. Тимчук; заявитель Общество с ограниченной ответственностью «ДымРАН» (ООО «ДымРАН»).
6. Курко В.И. Методы исследования процесса копчения и копченых продуктов. М.: Пищепром, 1977. - 157 с.
