Обоснование и разработка технологии охлаждения рыбы в льдо-водо-солевой системе
На правах рукописи
Артемов Роман Викторович ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОХЛАЖДЕНИЯ РЫБЫ В ЛЬДО-ВОДО-СОЛЕВОЙ СИСТЕМЕ Специальность: 05.18.04. – Технология мясных, молочных, рыбных про дуктов и холодильных производств
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва, 2011 2
Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприя тии «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ФГУП «ВНИРО»)
Научный консультант: доктор технических наук, доцент Харенко Елена Николаевна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, Маслова Галина Васильевна доктор технических наук, профессор Бабакин Борис Сергеевич
Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности» (ГНУ «ВНИХИ»)
Защита состоится «15» сентября 2011 г. в 13 ч 00 мин на заседании дис сертационного совета Д 307.004.03 при ФГУП «Всероссийский научно исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ФГУП «ВНИРО») по адресу: 107140, г. Москва, ул. Верхняя Красносельская, дом 17.
Факс: (499) 264-91-87, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИРО».
Автореферат разослан «15» августа 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Татарников В.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Концепция развития рыбного хозяйства до 2020 г. предусматривает решение задач, направленных на сохранение, рацио нальное использование водных биоресурсов и обеспечение конкурентоспособ ности продукции, вырабатываемой отечественным рыбохозяйственным ком плексом. В последние годы приоритетным направлением является удовлетво рение растущего спроса населения на потребление охлажденной рыбной про дукции. В связи с этим необходимы совершенствование существующих и раз работка новых технологий охлаждения рыбы и ее дальнейшего хранения.
На сегодняшний день перспективными являются технологии охлаждения рыбы в льдо-водо-солевых системах (ЛВС), имеющие ряд преимуществ в срав нении с традиционными технологиями, в которых используются охлажденная морская вода (ОМВ), кусковой, дробленый и чешуйчатый лед: уменьшение времени охлаждения до заданной криоскопической температуры за счет более равномерного контакта рыбы с охлаждающей средой;
предотвращение механи ческих повреждений вследствие образования «ледяного кокона»;
улучшение качественных характеристик. Технологии с использованием ЛВС применяются за рубежом, в нашей стране они появились сравнительно недавно, но данных, обосновывающих технологию, по изучению функционально-технологических и микробиологических показателей охлажденной рыбы в доступной технической литературе нет.
При использовании ЛВС возникает необходимость разработки эффектив ных способов очистки забортной воды с целью предотвращения бактериологи ческой обсемененности охлаждаемой рыбы. Решение данной задачи возможно за счет применения ультразвука, обладающего способностью подавлять мик робную обсемененность и интенсифицировать процесс охлаждения.
В области холодильной техники и технологии известны работы В.П.
Быкова, Н.А. Головкина, В.П. Зайцева, Л.И. Константинова, Г.В. Масловой и ряда других исследователей.
Основные работы зарубежных авторов в области технологии охлаждения рыбы в ЛВС (P.C. Hansen, J. Poul и др.) были направлены на совершенствова ние льдогенераторов, производящих ЛВС. Российскими специалистами ведутся работы по оснащению рыбопромысловых судов установками отечественного производства, решаются проблемы транспортировки охлажденной продукции в ЛВС. Проводились работы направленные на изучение комбинированных спо собов охлаждения рыбы с добавлением в ЛВС пищевых добавок. Все работы подчеркивают преимущество льдо-водо-солевых систем в технологии охла ждения рыбы.
Разработка и внедрение в производство технологии охлаждения рыбы с одновременным воздействием ЛВС и ультразвука - принципиально новый под ход, который позволит повысить рентабельность производства за счет удлине ния срока хранения и поддержания показателей качества охлажденной продук ции в течение всего срока годности.
Цель и задачи работы. Целью работы является обоснование технологии охлаждения рыбы в льдо-водо-солевой системе с использованием ультразвука.
В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
обосновать технологию охлаждения рыбы с использованием льдо-водо солевых систем и установить возможность использования ЛВС в ком плексе с УЗ-обработкой с целью повышения качественных характеристик продукции;
обосновать выбор режима ультразвукового воздействия при охлаждении в ЛВС и определить его оптимальные параметры;
исследовать изменения скорости охлаждения рыбы в зависимости от режимов ультразвукового воздействия;
изучить влияние режимов УЗ воздействия на структуру мышечной ткани охлажденной рыбы;
провести микробиологические исследования в процессе хранения рыбы, охлажденной ЛВС под воздействием ультразвука;
обосновать влияние предварительного охлаждения рыбы в ЛВС на ин тенсификацию процесса замораживания рыбы с целью сокращения про должительности технологического цикла и увеличения выпуска продук ции в единицу времени;
разработать комплекс программ для обработки результатов опытно контрольных работ при производстве охлажденной рыбопродукции из рыбы-сырца;
провести опытно-контрольные работы по определению выхода охла жденной в ЛВС рыбной продукции;
разработать техническую документацию на рыбу, охлажденную в ЛВС, и подготовить проект технической документации на рыбу, охлажденную льдо-водо-солевой системой с использованием ультразвука;
рассчитать экономическую эффективность от внедрения разработанной технологии охлаждения рыбы в ЛВС с использованием ультразвука.
Научная новизна работы. Обоснована технология охлаждения рыбы, базирующаяся на одновременном воздействии льдо-водо-солевой системы и ультразвука, способствующая удлинению сроков хранения охлажденной про дукции при сохранении ее качественных характеристик.
Установлено увеличение скорости охлаждения рыбы в льдо-водо-солевой системе под воздействием ультразвука.
Предложено математическое описание изменений функционально технологических и микробиологических показателей мышечной ткани рыбы, охлажденной в льдо-водо-солевой системе, в зависимости от мощности и дли тельности УЗ воздействия, а также расстояния от поверхности рыбы до излуча теля УЗ генератора.
Практическая значимость работы. Разработаны, согласованы и утвер ждены ТУ 9261-041-00472124-08 «Рыба охлажденная жидким льдом» и ТИ.
Практическая значимость документа подтверждена актами внедрения в произ водство компаний ООО «СЗРП», ООО РК «Лунтос», ООО «Роскамфлот»;
Разработан проект ТУ «Рыба охлажденная ЛВС под воздействием ультра звука» и ТИ. Обоснованы оптимальные режимы ультразвукового воздействия при охлаждении рыбы. Новизна технического решения и промышленная при менимость подтверждена патентом РФ на изобретение «Способ консервирова ния рыбы» № 2398399 от 10.09.2010 г.
Обосновано влияние предварительного охлаждения рыбы в ЛВС на ин тенсификацию процесса замораживания рыбы с целью сокращения продолжи тельности технологического цикла и увеличения выпуска продукции в единицу времени с учетом технических характеристик оборудования.
Разработана программа по определению выхода готовой продукции и расхода сырья при производстве охлажденной рыбы. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2009611075 от 18.02. г. Программный комплекс в 2009 году прошел апробацию, проведенную в про мысловых условиях в Баренцевом море на СРТМ «Поморье».
Основные положения, выносимые на защиту. Обоснованная техноло гия охлаждения рыбы с использованием льдо-водо-солевой системы, базирую щаяся на исследованиях функционально-технологических и микробиологиче ских показателей;
– оптимальные режимы УЗ-обработки для охлаждения рыбы в ЛВС;
– результаты исследований температуры мышечной ткани рыбы в зависимости от режимов ультразвукового воздействия при охлаждении в ЛВС;
– результаты исследований структуры мышечной ткани рыбы, охлажденной льдо-водо-солевой системой, в зависимости от режимов УЗ-обработки.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и об суждались на Международной научно-практической конференции «Биотехно логические процессы и продукты переработки биоресурсов водных и наземных экосистем» (Астрахань, АГТУ, 2008), на Международной научно-технической конференции «Наука и образование-2009» (Мурманск, МГТУ, 2009), на VII Международной научно-практической конференции «Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество» (Калининград Светлогорск, 2009), Международной научной конференции «Исследования Мирового океана» (Владивосток, Дальрыбвтуз, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ и 1 свиде тельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литера турного обзора, методической и экспериментальной части, последняя включает 3 главы, посвященных обсуждению результатов научных исследований, выво дов, списка использованной литературы и приложений.
Работа изложена на 155 страницах, содержит 13 таблиц, 45 рисунков и приложений. Список литературы включает 125 источника, в том числе 27 пе чатных работ зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе «Анализ технологий производства и хранения охла жденной рыбной продукции с использованием новых и традиционных охлаждающих сред» представлена характеристика процессов, происходящих в рыбе при охлаждении и хранении, показаны традиционные технологии охла ждения рыбной продукции, описаны виды ЛВС, применяемых в охлаждающих технологиях, рассмотрено использование ультразвука, как перспективного спо соба обработки сырья в технологии пищевых продуктов, приведено примене ние комбинированных способов охлаждения рыбного сырья. На основании проведенного анализа сформулирована цель и определены основные задачи ра боты.
Во второй главе «Объекты и методы исследований» приведена харак теристика объектов исследования, описаны методы исследований и условия по становки эксперимента.
Методическая и экспериментальная часть работы выполнялась в соответ ствии с программно-целевой моделью (рис. 1).
Рис. 1 - Схема программно-целевой модели исследования Объектами исследований являлись: треска атлантическая (Gadus morhua morhua), зубатка пятнистая (Anarhichas minor), камбала морская (Pleuronectes platessa), окунь морской (Sebastodes goodai), треска тихоокеанская (Gadus mac rocephalus), горбуша (Oncorhynchus gorbuscha) и нерка (Oncorhynchus nerka), карп (Cyprinus carpio), форель (Salmo trutta).
Общий химический состав, микробиологические исследования, показа тели безопасности, перекисное, кислотное числа, ВУС объектов исследования определяли по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 7636, ГОСТ Р 51301, ГОСТ Р 51962, МУ 08-47/167, МУК 4.1.1023.01, МУ 2141, МУК 2.6.1.1194, ГОСТ 10444.15-94, ГОСТ 30518-97 / ГОСТ Р 50474-93, ГОСТ 10444.2-94, ГОСТ 30519-97 / ГОСТ Р 50480-93, ГОСТ 10444.12-88, ГОСТ 28560-90, ГОСТ 29185-91, ГОСТ Р 51921-02. Содержание белка определяли ме тодом Къельдаля с использованием автоматического анализатора Kjeltek 1030.
Фракционный состав липидов определяли методом высокоэффективной тонкослойной хроматографии – ВЭТСХ (Кейтс, 1975). Метиловые эфиры жир ных кислот липидов выделяли путем метилирования 2,5%-ным раствором аце тилхлорида в метаноле с последующим их разделением на газовом хромато графе «Shimadzu GC 16A».
При проведении гистологических исследований руководствовались стан дартными методиками (Роскин, Левинсон, 1957), модифицированными со трудниками лаборатории прикладной физиологии и морфологии гидробионтов.
Для проведения расчетов производственных мощностей холодильных установок с учетом предварительного охлаждения рыбы ЛВС были использо ваны общепринятые в отрасли методы и формулы. Расчеты производили на ос новании данных, предоставленных рыболовецкой артелью «Колхоз Красный труженик».
Статистическая обработка экспериментальных данных и построение гра фических зависимостей проводились с использованием стандартных программ «Excel» - 2007 и Statistica 6.0.
В третьей главе «Исследование технологии охлаждения рыбы с ис пользованием льдо-водо-солевых систем» изучены химический состав мы шечной ткани рыб, выбранных для производства охлажденной продукции с ис пользованием ЛВС, приведена схема технологического процесса и принцип из готовления ЛВС, представлены исследования интенсивности охлаждения и по казателей качества, изменения показателей степени окисления и гидролиза ли пидов, микробиологических и органолептических показателей мышечной ткани рыб при охлаждении ЛВС.
На сегодняшний день существует ряд названий подобных систем: Binary Ice, Ice Tich, Flo Ice, Liquid Ice, Ледяное тесто, Жидкий лед и.т.д. Нами дана своя интерпретация названия данных систем и сформулировано ее понятие.
Льдо-водо-солевая система – это суспензия с содержанием льда от 10 до 50% и размерами кристаллов льда не более 0,1 мм. Принцип изготовления льда за ключается в охлаждении прокачиваемой через льдогенераторы морской воды или 3%-ного солевого раствора до температуры кристаллизации, что является значительным отличием от подобных систем, принцип действия которых осно ван на смешивании ОМВ и чешуйчатого льда. Вода, подаваемая в установку, в судовых условиях проходит через систему очистки забортной воды. Соленость воды, требуемая для выработки льдогенераторами льдо-водо-солевой системы, должна составлять 30-35 ‰.
При проведении эксперимента были отобраны образцы рыб с различным содержанием жира. Химический состав данных видов рыб приведен в табл. 1.
Таблица1 – Химический состав экспериментальных образцов рыб, % Вид рыбы Влага Белок Жир Зола Треска атлантическая 81,0 ± 0,1 17,2 ± 0,2 0,3 ± 0,1 1,2 ± 0, Форель 68,2 ± 0,1 21,0 ± 0,3 9,0 ± 0,2 1,1 ± 0, Камбала морская 80,1±0,1 15,5±0,2 2,8±0,1 1,2±0, Зубатка пятнистая 78,3±0,1 14,7±0,2 5,3±0,2 1,0±0, Окунь морской 78,3±0,1 1,0±0,1 1,7±0, 19,0±0, Карп 77.4 ±0,1 16,0 ±0,3 5,3 ±0,2 1,3 ±0, Рыбу-сырец разделывали на потрошеную обезглавленную, после чего направляли на мойку и стекание. Затем рыбу укладывали в перфорированные ящики и заливали ЛВС в соотношении 1:2, которая обволакивала рыбу со всех сторон, образуя так называемый «ледяной кокон». Хранение охлажденной ры бы осуществляли при температуре минус 2 – минус 3С.
При хранении рыбы, охлажденной льдо-водо-солевой системой в течение 25 сут ВУС снижалась от 81 до 73%, рН осталось на уровне исходного значения 6,7, содержание соле- и водорастворимых белков варьировало в пределах 60 и 30% соответственно. Гидролитические и окислительные процессы в липидах протекали незначительно. Качественные характеристики охлажденной рыбы сохранялись в течение 25 сут.
КМАФАнМ в образцах форели и трески, охлажденных в ЛВС, в течение всего экспериментального срока увеличивалось, но не превышало допустимых значений, в то время как КМАФАнМ в контрольных образцах, выработанных по ГОСТ 814, превысило допустимые значения (1*105 КОЕ/г) на 18-20 сут (табл.2).
Таблица 2 – Изменение КМАФАнМ, КОЕ/г мышечной ткани охлажденной рыбы в процессе хранения Значение КМАФАнМ при хранении, сутки Опытные об разцы 1 6 12 16 20 1,3*103 1,4*103 1,1*103 2,8*103 1,5*103 9,9* Форель 3,5*102 4,6*102 4,9*102 4,7*102 5,8*102 2,1* Треска 7,8*102 3 3 2,5* Контроль 3,2*10 3,6*10 0,5*10 Бактериологические исследования экспериментальных образцов охла жденной рыбы на наличие бактерий группы кишечной палочки, Staphylococcus aureus, патогенных микроорганизмов, в т.ч. сальмонеллы и Listeria, бактерий рода Proteus, V. parahaemolyticus, а также наличия плесени и дрожжей показали соответствие фактических значений требуемым нормативным уровням, преду смотренным СанПиН 2.3.2.1078.
Рис. 2 - Органолепти ческая оценка охлажденной в ЛВС форели после ее варки А- 6 сутки хранения;
Б- сутки хранения;
В-15 сутки хранения;
Г- 20 сутки хра нения;
Д- 25 сутки хранения Анализ органолепти ческих показателей показал, что консистенция охлажденной рыбы по ГОСТ 814 на 16-17 сут стала дряблой, бульон после варки мутный с запахом, не свойственным данному виду продук та.
В образцах, охлажденных в ЛВС, вкус и аромат в течение всего срока хранения были выраженными, но на 20-25 сутки появился незначительный по сторонний привкус, не свойственный данному виду рыб. Общая оценка охла жденной в ЛВС рыбы оставалась положительной в течение всего срока хране ния, включая 25 сутки (рис.2).
В четвертой главе «Разработка технологии охлаждения рыбы в ЛВС под воздействием УЗ» представлена разработка технологической схемы про изводства охлажденной рыбы под воздействием УЗ, обоснован выбор режимов УЗ воздействия для проведение эксперимента, изучено влияния режимов уль тразвукового воздействия на скорость охлаждения рыбы, исследованы функци онально-технологические, микробиологические и органолептические показате ли мышечной ткани рыбной продукции, охлажденной под воздействием УЗ, приведены исследования структуры мышечной ткани и обоснование рацио нальных режимов УЗ воздействия при охлаждении рыбы в ЛВС.
Применительно к технологии охлаждения рыбы с использованием ЛВС могут быть рассмотрены три способа ультразвукового воздействия.
Первый способ основан на деструктурировании воды с помощью аку стического кавитационного реактора. Второй способ заключается в обработке ЛВС путем монтажа пьезокристаллических излучателей в корпус бака накопителя. Третий способ предполагает одновременное воздействие ультра звука на ЛВС и рыбу (рис.3). Для этого необходима емкость, оборудованная по периметру пьезокристаллическими излучателями (УЗ-ванна). При разработке технологии охлаждения рыбы ЛВС с УЗ-обработкой, в первую очередь, реша лась задача улучшения качественных характеристик продукта. Первые два спо соба направлены на обеззараживание самой ЛВС, третий способ позволяет воз действовать УЗ на рыбу, что в свою очередь может способствовать улучшению качественных характеристик охлажденной рыбопродукции. Поэтому дальней шие исследования по разработке технологии охлаждения рыбы ЛВС с воздей ствием УЗ проводились по третьему способу.
Рис. 3 - Аппаратурно-технологическая схема льдогенератора ЛВС, предназначен ного для охлаждения рыбы с УЗ-обработкой УЗГ- УЗ- генератор;
ИЗЛ- пьезокристалли ческие излучатели;
УЗВ- УЗ-ванна;
НВ- насос подачи воды;
РД- реле давления;
ВМ- вен тиль мембранный;
ДТ- датчик температуры;
РМ- ротаметр;
РП- реле протока;
ВО вентиль обратный;
ДУ - датчик уровня;
НЛВС- насос подачи ЛВС;
ПР- пистолет раз дачи;
КШ- краны шаровые;
ГЛВС- генератор ЛВС;
ЭК - электроклапан;
КЛ - клапан При постановке эксперимента необходимо было решить две задачи подавить развивающуюся микрофлору рыбы и интенсифицировать процесс охлаждения, не нарушив при этом структуру мышечной ткани. Анализ литера турных данных показал, что для выбора рациональных режимов ультразвуково го воздействия на мышечную ткань охлаждаемой рыбы необходимо использо вать ультразвук малой и средней интенсивности (от 0,5 до 2 Вт/см2).
В качестве основных факторов, влияющих на процесс охлаждения, были приняты: – продолжительность охлаждения, мин;
I – интенсивность УЗ воз действия, Вт/см2;
S – расстояние от УЗ излучателя до поверхности рыбы, мм.
Критериями оценки влияния основных факторов на качество рыбы при охлаждении в ЛВС с использованием УЗ были выбраны: t – температура мы шечной ткани рыб, C;
ВУС – влагоудерживающая способность, %;
Lg КМА ФАнМ – количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных мик роорганизмов мышечной ткани охлажденной рыбы, представленные логариф мической зависимостью.
В результате статистической обработки данных получено уравнение ре грессии, адекватно описывающее процесс изменения температуры в толще мышечной ткани рыбы, охлажденной в ЛВС с использованием УЗ:
t,С= А·(10,9+0,3·I-0,5·-0,15·I2-0.08·I·+0.01·2), (1) где А- эмпирический коэффициент, имеющий размерность С и равный 1.
Рис. 4 - Изменения температуры мышечной ткани трески и карпа в за висимости от времени воздействия и интенсивности ультразвука при охла ждении в ЛВС Анализ данного уравнения и по строенной по нему поверхности откли ка (рис.4) позволил установить, что с увеличением основных факторов ско рость охлаждения мышечной ткани рыб возрастает. Определяющим фак тором, влияющим на скорость охла ждения, является интенсивность УЗ воздействия.
Согласно установленной математической модели, максимальная эффек тивность охлаждения рыбы до температуры минус 1С происходит при про должительности охлаждения 30 мин и интенсивности УЗ 2 Вт/см2. При дости жении указанной температуры в толще мышечной ткани рыбы создаются бла гоприятные условия для ее длительного хранения.
Исходя из полученных результатов дальнейшие исследования по опреде лению влияния расстояния от излучателя УЗ генератора до поверхности опыт ного образца рыбы на скорость охлаждения, проводили при постоянной интен сивности 2 Вт/см2 (рис. 5).
Уравнение регрессии, полученное в результате статистической обработки данных:
t,С = А·(10,7-1,04· +0.07·S +0.02· 2+0.002··S-0.0007·S2), (2) где А – эмпирический коэффициент, имеющий размерность С и равный 1.
Рис. 5 - Изменения температуры мышеч ной ткани трески и карпа в зависимости от времени воздействия ультразвука и расстояния от излучателя УЗ генерато ра до поверхности рыбы при охлаждении в ЛВС Анализ графических зависимостей по строенных по уравнению регрессии, адекватно описывающего процесс изме нения температуры мышечной ткани охлажденной рыбы, позволил устано вить, что с уменьшением расстояния от излучателя до поверхности образца рыбы скорость охлаждения увеличивается.
Выявлено, что при размещении УЗ излучателя над поверхностью рыбы на расстоянии от 2 до 8 мм охлаждение образцов от плюс 14,9С до минус 0,5С происходило в течение 25 мин.
При установлении УЗ излучателя на расстоянии от поверхности рыбы от 10 до 14 мм процесс охлаждения завершался за 30 мин.
Наблюдения, зафиксированные в ходе экспериментов, свидетельствуют о том, что при использовании УЗ возможно увеличить скорость охлаждения ры бы в ЛВС в 2 раза (рис.6). Охлаждение рыбы в льдо-водо-солевой системе без использования УЗ проходит за 60 мин.
Рис. 6 - Интенсивность снижения температуры мы Температура,°С шечной ткани рыбы при охла ждении. I - охлаждение куско I вым льдом;
II- охлаждение че шуйчатым льдом;
III IV II охлаждение ЛВС;
IV- охла 3 III ждение ЛВС+УЗ При использовании че -3 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Время, минут шуйчатого или кускового льда на охлаждение рыбы затрачивается 90 и 120 мин соответственно.
Интенсификация процесса охлаждения при использовании УЗ происхо дит за счет кавитации, в результате которой при взрыве кавитационных пу зырьков возникает циркуляция жидкости на границе жидкой составляющей ЛВС и поверхности рыбы. Также попеременные разряжения и сжатия жидкости в ультразвуковом поле вызывают интенсивные колебания кожного покрова ры бы, что ведет к расширению капилляров и проникновению ЛВС через кожный покров.
Рис. 7 - Зависимость изменений ВУС мышечной ткани трески и карпа при охла ждении в ЛВС от: А- времени воздействия и интенсивности ультразвука;
Б времени воздействия и расстояния от излучателя УЗ генератора до поверхности рыбы На основании математической обработки результатов исследований ВУС мышечной ткани рыб, охлажденных в ЛВС с использованием УЗ, выявлена за висимость ВУС от (рис.7):
а) времени воздействия и интенсивности ультразвука ВУС, %=А·(71,2+1,67·I +0,17·-0,19·I2+0.03·I·-0.0034·2), (3) б) времени воздействия и расстояния от излучателя УЗ генератора до поверхно сти рыбы ВУС, %=А·(74,9+0,10·-0,23·S-0,004·2 +0,01··S +0,01·S2), (4) где А- эмпирический коэффициент, имеющий размерность % и равный 1.
Поверхности откликов показали, что максимальные значения ВУС 76 78% наблюдаются при времени обработки от 20 до 40 мин, интенсивности 1,6 – 2 Вт/см2 и расстояния более 10 мм. С уменьшением расстояния от 8 до 2 мм и продолжительности обработки более 40 мин ВУС достигает минимальных зна чений в рассматриваемом диапазоне факторов.
При проведении гистологических исследований время ультразвуковой обработки устанавливалось в зависимости от интенсивности УЗ-колебаний, т.к.
ранее нами было доказано, что при увеличении интенсивности УЗ, скорость охлаждения возрастает. После того, как температура в толще мышечной ткани рыб достигала отрицательных значений, эксперимент прерывали и отбирали пробы на гистологические исследования. Исследования мышечной ткани трес ки и карпа были проведены в 3 этапа. На 1-м этапе исследований анализ проб рыб показал, что обработка УЗ интенсивностью 0,6 Вт/см2 в течение 50 мин, Вт/см2 в течение 40 мин, 2 Вт/см2 в течение 30 мин сохра няет основную структурную целостность миофибрилл и основную часть эндомизия и саркоплазмы (рис. 8).
Наилучшие показатели структуры мышечной ткани опыт ных образцов были выявлены при УЗ-обработке интенсив ностью 0,6 и 1 Вт/см2.
Рис. 8 - Микросрезы мышечной ткани образцов рыб, охлажденных в ЛВС с УЗ-обработкой различной интенсив ности. А- 1 Вт/см2;
Б- 2 Вт/см На 2-м этапе исследований установлено, что УЗ-обработка мощностью 2 Вт/см2 в течение 30 мин при различных рас стояниях от поверхности опытного образца до излучателя УЗ генератора позво ляет сохранить основную структурную целостность миофибрилл и основную часть эндомизия и саркоплазмы (рис.9). Отмечено, что чем меньше расстояние от поверхности образца до излучателя тем сильнее структурные изменения мышечной ткани. Нарушение структуры мышечной ткани опытных образцов трески и карпа зафиксированы при УЗ-обработке интен сивностью 2 Вт/см2 на расстоянии 0,2 см. Наилучшие пока затели были в опытных образцах при УЗ-обработке Вт/см2 на расстоянии 1 и 1,4 см.
Рис. 9 - Микросрезы мышечной ткани образцов рыб, охла жденных в ЛВС, озвученных УЗ интенсивностью 2 Вт/см2, на различных расстояниях от поверхности излучателя УЗ генератора. А- 0,2 см;
Б- 1 см Увеличение 10х На 3-м этапе исследований при увеличении продолжитель ности обработки до 60 и 90 мин при одинаковой интенсив ности УЗ-воздействия 2 Вт/см2 в мышечной ткани трески и карпа происходит значительная денатурация мышечных белков, которая выра жается в нарушении структуры мышечных волокон, разрывах эпимизия, набу хании миофибрилл и образовании мелко вспененной структуры гидролитиче ских вакуолей в мышечных волокнах, т. е. разрушение целостности образцов мышц рыбы (рис.10).
Рис. 10 - Микросрезы мышечной ткани образцов рыб, охла жденных в ЛВС, озвученных УЗ интенсивностью 2 Вт/см2 с различным временем УЗ-воздействия. А- треска 30 мин;
В треска 60 мин;
Г- карп 60 мин;
Д- треска 90 мин;
Е- карп мин Увеличение 10х Таким образом, показатели оценки гистологического состояния мышечной ткани трески и карпа при УЗ-обработке свидетельствуют о том, что деструктивные изменения струк туры мышечной ткани находится в прямо пропорциональной зависимости от мощности и длительности УЗ-воздействия, а также расстояния от поверхности рыбы до излучателя УЗ генератора.
Для оценки опытных образцов использована система оценки гистопато логии мышечной ткани (Пьянова С.В., 2009). Результаты гистоморфологиче ского анализа мышечной ткани трески и карпа на трех этапах исследований по нарастанию степени деструкции ткани можно распределить в следующем по рядке, представленном в табл. 3.
Таблица 3 – Результаты оценки гистологического состояния мышечной ткани трески и карпа в зависимости от различных настроек УЗ Интенсивность УЗ, Длительность, Состояние ткани Вт/см2 /расстояние, см мин норма 2/1 норма 2/1,4 норма 0,6/1 слабо выраженная патология 1/1 слабо выраженная патология 2/0,8 умеренная патология 2/0,5 выраженная патология 2/0,2 выраженная патология 2/1 полная патология 2/1 В результате реализации плана эксперимента и статистической обработки данных получено уравнение регрессии, адекватно описывающее изменение КМАФанМ мышечной ткани рыбы в зависимости от продолжительности и ин тенсивности воздействия УЗ (рис.11).
Lg КМАФАнМ = 3,5-0,35·I-0,02·-0,15·I2-0,03·I·+0,0032·2, (5) Графическая интерпретация зависимости показывает, что с увеличением варьи руемых факторов возрастает бактерицидный эффект.
Рис. 11 - Изменение КМАФАнМ мышечной ткани трески и карпа в зависимости от времени воздействия и интенсивности ультразвука при охла ждении в ЛВС Минимальные значения КМАФАнМ наблюдаются при продолжительности воздействия УЗ от 25 до 35 мин и интен сивности 1,6 – 2 Вт/см2. Выбор рацио нального режима УЗ-обработки был ос нован на подборе трех основных варьи руемых факторов, два из которых техни ческие параметры УЗ-генератора и тре тий расстояние между излучателем УЗ генератора до облучаемой поверхности образца. Данные факторы влияют на качественные показатели, характеризующие технологические свойства охла жденной продукции.
Выявлено, что при воздействии УЗ-колебаний с интенсивностью 1,6- Вт/см2 в течение 25-30 мин с установлением безопасного контура, создающего пограничный слой между поверхностью рыбы и УЗ-излучателем равным 10 мм, наблюдается наибольший бактерицидный эффект, увеличивается скорость охлаждения рыбы и не происходит нарушений структуры мышечной ткани охлажденной рыбной про дукции. Разработана техно логическая схема производ ства охлажденной рыбы с использованием УЗ (рис.12).
Рис. 12 - Технологическая схема производства рыбы, охлажденной льдо-водо солевой системой с воздей ствием ультразвука В хранении изучен ные показатели представле ны в сравнении с показате лями охлажденной рыбной продукции, выработанной по ГОСТ 814-96, который предусматривает использование кускового или чешуйчатого льда, а также в сравнении продукцией, выработанной по технологии охлаждения рыбы в ЛВС без УЗ-воздействия.
Рис. 13 - Изменение ВУС мышечной ткани охла жденной рыбы при хранении.
I – охлаждение чешуйчатым III льдом;
II – охлаждение в ВУС, % ЛВС;
III – охлаждение в ЛВС + УЗ II Исследования ВУС I мышечной ткани охлажден ной рыбы показали, что при 0 6 12 15 20 25 одновременном воздействии Хранение, сутки ЛВС и УЗ, наблюдается по вышение ВУС в первые 6 сут хранения от 73 до 77%, после чего – плавное снижение данного показателя до 70% (рис. 13). За 20 сут хранения в образцах, охлажденных в ЛВС, ВУС уменьшается от 72 до 62 %, а в чешуйчатом льду – от 70 до 56%.
В соответствии с СанПиН 2.3.4.050 содержание азота летучих оснований в треске и атлантическом лососе не должно превышать 35 мг/100 г. В санитар ных правилах не указаны нормы по содержанию АЛО в форели. В связи с тем, что форель относится к семейству лососевых (Salmonidae) и по химическому составу, структуре мышечной ткани схожа с атлантическим лососем, норматив по АЛО также приняли 35 мг/100г. В образцах рыбы, охлажденной чешуйча тым льдом, нормативный показатель АЛО был превышен уже на 18-20 сут. В образцах, охлажденных в ЛВС, как с УЗ-обработкой, так и без IV нее, АЛО в мышечной ткани не значительно возрастал на 10 15% в течение всего срока хра I АЛО, мг/100г I нения (рис. 14).
I Рис. 14 - Изменение АЛО мышечной ткани охлажденной рыбы при хранении. I – охлажде III ние чешуйчатым льдом;
II – охлаждение в ЛВС;
III – охла ждение в ЛВС + УЗ;
IV- норма 1 6 12 15 20 Хранение, сутки тивный показатель для форели и трески Изменений содержания небелкового азота в первые 12 сут хранения прак тически не происходило, после чего наблюдали рост данного показателя, при чем более интенсивный в образцах охлажденной рыбы без УЗ-обработки с 18% до 32%. В мышечной ткани охлажденной в ЛВС рыбе с УЗ-обработкой содер жание НБА выросло с 17% до 23,5% (рис.15).
В образцах рыбы, охлажденных чешуйчатым льдом, в течение всего сро ка хранения наблюдалось увеличение содержания НБА, которое уже на 20 сут хранения составило 35%.
Рис. 15 - Изменение в % к водор-римому НБА мышечной ткани охлажденной рыбы при хра I 30 II азоту нении. I – охлаждение че шуйчатым льдом;
II – охлаждение в ЛВС;
III – 20 III охлаждение в ЛВС + УЗ Содержание соле- и 1 6 12 15 20 25 Хранение, сутки водорастворимых белков в мышечной ткани охла жденной рыбы в течение всего срока незначительно снижалось. Солераствори мые белки за 25 сут хранение снизились с 65 до 60%, водорастворимые – с до 29%.
Накопление первичных продуктов окисления в липидах рыбы при охла ждении в ЛВС с УЗ-обработкой происходит в течение 25 сут, при охлаждении в ЛВС – 20 сут, в чешуйчатом льду – 15 сут (рис. 16). Увеличение свободных ли пидных радикалов и липидных оксирадикалов приводит к их взаимодействию с образованием вторичных про дуктов окисления.
0. 0.17 II Рис. 16 - Изменение перекисного I 0. числа жира охлажденной рыбы III 0. I,% при хранении. I – охлаждение 0. чешуйчатым льдом;
II – охла ждение в ЛВС;
III – охлаждение 0. в ЛВС + УЗ 0. Наиболее интенсивное 0. 1 6 12 15 20 25 изменение кислотного числа Хранение, сутки липидов рыбы происходило в образцах охлажденных чешуйчатым льдом, которое за весь период хранения увеличилось с 2,9 до 9,8 мг КОН/г (рис. 17).
Рис. 17 - Изменение кислотного числа жира охлажденной рыбы при хра I мг КОН/г нении. I – охлаждение чешуй II чатым льдом;
II – охлажде III ние в ЛВС;
III – охлаждение в ЛВС + УЗ При охлаждении рыбы 1 6 12 15 20 25 в ЛВС с УЗ-обработкой по Хранение, сутки вышение кислотного числа происходит менее интенсивно, причем в первые 12 сут практически не меняет ся, после чего к 30 сут хранения возрастает с 2,7 до 5,8 мг КОН/г.
Незначительное увеличение кислотного числа жира охлажденной рыбы под действием УЗ происходит за счет инактивации фермента липазы, следова тельно, окисление жира происходит значительно медленнее, чем при использо вании чешуйчатого льда.
В табл. 4 представлено изменение КМАФАнМ в процессе хранения ры бы, охлажденной различными способами. Наилучшие показатели получены в образцах, охлажденных в ЛВС с УЗ-обработкой. На 6 сут хранения охлажден ной рыбы КМАФАнМ мышечной ткани образцов было снижено в 10 раз. Это обусловлено бактерицидным эффектом УЗ-воздействия. Действие ультразвука на микроорганизмы определяется степенью гидрофобности их оболочек (Hor ton, 1953). Гидрофобный характер поверхностного слоя оболочки способствует возникновению кавитационных пузырьков на границе вода-микроорганизм, чем обуславливается их гибель в поле ультразвуковых волн.
Таблица 4 – Изменение КМАФАнМ мышечной ткани охлажденной рыбы Значение КМАФАнМ при хранении, сут Способ охла ждения Фон 6 12 16 20 25 7,8*102 3 3 4 Чешуйчатый лед 3,2*10 3,6*10 5,0*10 2,5*10 - 1,3*103 1,4*103 1,1*103 2,8*103 1,5*103 9,9* ЛВС 2,1*103 1,8*102 2,4*102 6,5*102 9,8*102 1,5*103 3,7* ЛВС+УЗ Исследования органолептических показателей охлажденной рыбы пока зали, что вкус и аромат в течение всего срока хранения были выраженными.
Общая оценка охлажденной в ЛВС рыбы оставалась положительной в течение всего срока хранения, включая 30 сут.
Проведенные исследования функционально-технологических и микро биологических показателей охлажденной рыбы выявили, что охлаждение рыбы в ЛВС с УЗ-обработкой позволяет увеличить срок годности охлажденной рыбы до 25 сут с сохранением качественных характеристик при следующих парамет рах УЗ-воздействия: интенсивность - 2Вт/см2;
время воздействия - 30 мин;
рас стояние от излучателя УЗ генератора до поверхности образца рыбы - 10 мм.
В пятой главе «Определение нормообразующих критериев в техно логии охлаждения рыбы» представлено описание программного обеспечения по определению выхода охлажденной рыбопродукции, показаны результаты опытно-контрольных работ по определению расхода сырья, обосновано влия ние предварительного охлаждения рыбы ЛВС на производительность моро зильных установок, приведены расчет экономической эффективности разрабо танной технологии и практическое использование результатов исследований.
Разработан комплекс программ для обработки результатов опытно контрольных работ при производстве охлажденной продукции из рыбы-сырца.
Программный продукт позволяет автоматизировать обработку первичных дан ных, производить их систематизацию, создавать банки данных для хранения информации о показателях технологического нормирования при проведении опытно-контрольных работ.
Главная форма программы условно делится на две зоны – информацион ную, относящуюся к шапке таблицы, и вычисляемую (в таблице главной фор мы, где происходит ввод цифровых данных и показ результатов вычислений).
Окно программы по определению расхода сырья при производстве охлажден ной продукции представлено на рисунке 18.
Рис. 18 - Окно программы по определению отходов, потерь и расхода сырья при производстве охлажденной продукции Проведенные опытно-контрольные работы показали, что выход готовой продукции при охлаждении рыбы в ЛВС увеличивается по сравнению с тради ционным способом охлаждения (пересыпка чешуйчатым или кусковым льдом), за счет снижения потерь массы сырья на операции охлаждения.
Выводы Обоснована технология охлажденной рыбопродукции с использованием 1) льдо-водо-солевых систем, позволяющая увеличить срок годности рыбы, до суток с момента вылова и превысить в 2 раза срок годности охлажденной рыбы, изготовленной по требованиям ГОСТ 814.
Обоснована и разработана технология охлаждения рыбы в льдо-водо 2) солевой системе с использованием ультразвука. Основанием разработанной технологии послужили исследования функционально-технологических и мик робиологических показателей охлажденной рыбы с использованием ЛВС.
Установлены режимы ультразвукового воздействия при охлаждении 3) рыбы и определены его оптимальные параметры. Выявлено, что при воздей ствии ультразвуковых колебаний с интенсивностью 1,6-2 Вт/см2 в течение 25 30 мин с установлением безопасного контура, создающего пограничный слой между поверхностью рыбы и УЗ-излучателем равным 1 см, наблюдается наибольший бактерицидный эффект, увеличивается скорость охлаждения рыбы и не происходит нарушений структуры мышечной ткани.
Выявлена зависимость влияния режимов ультразвукового воздействия 4) на скорость охлаждения, которое свидетельствует о том, что использование УЗ интенсивностью 1,6-2 Вт/см2 позволяет увеличить скорость охлаждения в ЛВС рыбы в 2 раза.
Установлено, что деструктивные изменения мышечной ткани находятся в 5) прямо пропорциональной зависимости от мощности и длительности УЗ воздействия, а также расстояния от поверхности рыбы до излучателя УЗ генератора.
Выявлено, что при воздействии ультразвуковых колебаний с 6) интенсивностью 2 Вт/см2 на охлаждаемую рыбу в ЛВС наблюдается наибольший бактерицидный эффект по сравнению с более низкими интенсивностями воздействия 0,6 и 1 Вт/см2.
Обосновано влияние предварительного охлаждения рыбы в ЛВС на ин 7) тенсификацию процесса замораживания рыбы с целью сокращения продолжи тельности технологического цикла и увеличения выпуска продукции в единицу времени, с учетом технических характеристик оборудования. Подготовлено за ключение о том, что результатом проведенных расчетов является увеличение выпуска мороженой рыбы на 5% и увеличение установочных мощностей.
Разработан комплекс программ для обработки результатов опытно 8) контрольных работ при производстве охлажденной рыбопродукции из рыбы сырца (кроме лососевых и осетровых). Получено свидетельством об официаль ной регистрации программы для ЭВМ № 2009611075 от 18.02.2009 г. Практи ческая значимость подтверждена актом внедрения в производство компании ООО «СЗРП».
Проведены опытно-контрольные работы по установлению выхода охла 9) жденной в ЛВС рыбы, которые показали, что потери при охлаждении рыбы по сравнению с использованием чешуйчатого или кускового льда снижаются на 0,5%.
10) Разработаны ТУ 9261-041-00472124-08 и ТИ «Рыба охлажденная жидким льдом». Область применения распространяется на рыбу живую и рыбу-сырец природных популяций и выращенных в аквакультуре, кроме анчоуса и мелочи 1, 2, 3 групп, предназначенную для промышленной переработки и реализации населению через торговую сеть. Подготовлен проект ТУ «Рыба охлажденная льдо-водо-солевой системой с использованием ультразвука» и ТИ.
11) Проведен расчет экономической эффективности, который показал, что при рентабельности производства 20% прибыль от увеличения выпуска про дукции при одновременном снижении затрат на производство составит 2521, тыс. руб. или 7,4 тыс. руб на 1 тонну охлажденной продукции. При стоимости оборудования (УЗ-ванна и льдогенератор ЛВС), на уровне 4360,0 тыс. руб. срок его окупаемости составит 2,5 месяца.
Список работ опубликованных по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:
Артемов Р.В., Харенко Е.Н. Комплексные исследования рыбы охлажден 1.
ной в льдо-водо-солевой системе «Жидкий лед», в процессе хранения// М.:
Рыбпром, 2010, вып. 4. С. 28-32.
Харенко Е.Н., Артемов Р.В. Оборудование и технологии охлаждения и 2.
замораживания рыбы. Основные проблемы холодильной обработки рыбного сырья// М.: Рыбпром, 2010, вып. 4. С. 5-9.
Бедина Л.Ф., Артемов Р.В. Анализ продолжительности хранения охла 3.
жденной и мороженой продукции// М.: Рыбпром, 2010, вып. 4., с. 10-16.
Публикации в других изданиях и материалах конференций:
Артемов Р.В., Харенко Е.Н. Перспективы использования ультразвука при 4.
охлаждении рыбы в льдо-водо-солевой системе// Владивосток: Дальрыбвтуз, 2010. С. 7-10.
Артемов Р.В., Харенко Е.Н. Микробиологические исследования рыбы 5.
охлажденной «Жидким льдом» при хранении// Мурманск: МГТУ, 2009. С. 347-350.
Артемов Р.В., Харенко Е.Н. Микробиологические исследования в про 6.
цессе хранения рыбы охлажденной в льдо-водо-солевой системе «жидкий лед» с ультразвуковой обработкой// Калининград - Светлогорск, 2009, С. 127-131.
Артемов Р.В., Харенко Е.Н. Новое техническое обеспечение производ 7.
ства охлажденной рыбной продукции// Астрахань: АГТУ, 2008. С. 215-217.
Артемов Р.В., Харенко Е.Н. Перспективные пути развития технологии 8.
охлажденной продукции в судовых условиях// М.: ВВЦ, 2008. С. 298-299.
Пат.2398399 Российская Федерация, МПК7 А23В4/06. Способ консерви 9.
рования рыбы [Текст]/ Е.Н. Харенко, О.П. Цвылев, Р.В. Артемов, Л.Ф. Бедина;
заявление 11.03.2009;
опубл. 10.09.2010.
10. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2009611075. Программа по определению выхода готовой продукции и расхода сырья при производстве охлажденной рыбы// Харенко Е.Н., Сопина А.В., Фил липов О.А., Ким Э.Н., Артемов Р.В. от 18.02.2009 г.
11. Сытова М.В., Фонарева Т.А., Харенко Е.Н., Яричевская Н. Н. Артемов Р.В. и др. Методики определения норм естественной убыли охлажденной про дукции из рыбы и нерыбных объектов при хранении и транспортировании// Технологическое нормирование, вып. 3. М.: Изд. ВНИРО, 2009. С. 52.
Харенко Е.Н., Артемов Р.В. Современные направления использования 12.
жидкого льда в технологии охлаждения рыбы// Владивосток, Дальрыбвтуз, 2008. С. 433-436.
Харенко Е.Н., Артемов Р.В. Перспективы использования жидкого льда 13.
для производства охлажденной продукции// Калининград, Изд. АтлантНИРО. – 2007., С. 197 – 199.