Научная организация любого производства немыслима без глубокого изучения объектов, подлежащих переработке в данном производстве, знания его специфических особенностей.
Развитие сушильной отрасли требует также дальнейшего уточнения представлений о процессах переноса тепла и массы, углубления знаний о степени физико-химических изменений продуктов, накопления данных, необходимых для создания инженерных методов расчета процессов обезвоживания.
Овощам и фруктам как объектам сушки характерно большое содержание воды, и в тоже время довольно малым содержанием сухих веществ. Большая часть воды в сочном растительном сырье находится в более или менее свободной подвижной форме и только около 5% ее связано в клеточных коллоидах и прочно удерживается. Это обусловливает сравнительную легкость высушивания плодов и овощей до влажности 12—14 % и затрудняет удаление остаточной влаги.
Как и большинство других пищевых продуктов, они являются коллоидными капиллярно-пористыми телами. В состав овощей и фруктов входят высокомолекулярные вещества: сахара, пектиновые вещества, крахмал, клетчатка и другие углеводы, белковые вещества, липиды. В небольшом количестве содержатся биологически активные вещества, определяющие их биологическую ценность и вкусовые качества: витамины, по- лифенольные соединения, органические кислоты, минеральные элементы.
Биологически активные вещества — важная составная часть овощей и фруктов — наиболее подвержены неблагоприятным изменениям в процессе подготовки овощей и фруктов к сушке и собственно сушки. Обычно эти изменения приводят к снижению биологической ценности готового продукта.
Пектиновые вещества, гемицеллюлозы и целлюлоза являются основным материалом, образующим решетку каркаса продукта. В построении каркаса участвуют также азотистые вещества.
Как и все живые организмы, овощи и фрукты состоят из клеток, в которых осуществляются жизненные функции. Клетка окружена оболочкой, которая защищает ее внутреннее содержимое от воздействия внешней среды. Оболочка клетки имеет пористое строение, что позволяет клетке осуществлять связь с другими клетками (внешней средой). Нарушение оболочки клетки приводит к ее гибели и растеканию внутреннего содержимого; при этом нативные свойства пищевых веществ претерпевают большей частью необратимые изменения. Так, крахмал клейстеризуется, белковые вещества свертываются и коагулируют (изменения нативных свойств пищевых веществ могут наблюдаться и без разрушения клетки). Если разрушение клетки происходит в водной среде, пищевые вещества растворяются в ней (особенно сахара, минеральные вещества и т. п.).
Клетки организма соединяются в отдельные комплексы, составляющие ткань. Ткани классифицируются по выполнению ими физиологических функций. Например, растительные клетки образуют покровные, запасающие, ассимиляционные и другие ткани. Запасающая ткань овощей и фруктов состоит из так называемых паренхимных клеток, в которых заключены питательные вещества. Внутренняя ткань овощей и фруктов в основном включает паренхимные клетки.
Покровные клетки образуют так называемую покровную ткань — эпидермис и перидерму. Эпидермисом покрыты наземные овощи и фрукты. Овощи, выращенные в земле, в качестве покровной ткани имеют перидерму, за исключением лука и чеснока, которые покрыты эпидермисом.
Все основные вещества в клетке представлены в виде водного раствора, а гидрофобные вещества — в виде эмульсий и коллоидных растворов.
Вода в клетке является средой, в которой протекают все реакции, она участвует также во всех биохимических реакциях, происходящих в клетке. Наиболее примечательны из них две основные реакции: гидролиз и гидратация. При гидролизе вещество распадается на части, одна из которых присоединяет к себе гидроксил, а другая соединяется с водородом воды (например, гидролиз жира с образованием глицерина и жирной кислоты). При гидратации вода присоединяется к химическому веществу, не вызывая его разложения (например, клейстери- зация крахмала).
Количественное содержание воды и химических соединений в овощах и фруктах зависит от многих причин: места произрастания, сорта, метеорологических условий роста и т. п., но полного исключения какого-либо компонента из состава овощей и фруктов не наблюдается.
В овощах и фруктах вода распределена неравномерно. Наибольшее количество ее находится в паренхимных тканях, покровные ткани содержат ее значительно меньше, и совсем мало воды в семенах. Поэтому очищенные и подготовленные к дальнейшему технологическому процессу овощи в процентном отношении содержат больше воды, чем исходное сырье.
Исключительная роль воды в клетках растительных организмов обусловлена строением ее молекулы, в которой атомы водорода и кислорода полярно ориентированы в пространстве. Между собой молекулы воды соединяются водородными мостиками. В силу полярности молекула воды способна притягиваться к молекулам других веществ, образуя комплексы.
Теплофизические и физические характеристики чистой воды изменяются при растворении в воде других веществ. Так, например, плотность воды, в 100 кг которой растворено Есего 1,5 кг NaCl, составляет 1,01-103 кг/м3, температура кипения 100,2° С.
Большую часть сухих веществ составляют углеводы, которые обусловливают вкусовые качества и консистенцию овощей и фруктов, а также технологические особенности их переработки. Картофель из углеводов содержит в основном крахмал, овощи и фрукты — моно- и дисахара: сахарозу, глюкозу, фруктозу .
Сахара в картофеле, как показали исследования М. Л. Фрумкина и Л. П. Ковальской, оказывают отрицательное влияние на качество продукта при сушке. Высокое содержание моносахаров в сушеном картофеле приводит к неферментативному потемнению, обусловленному реакциями меланоидинообразования (сахароаминные реакции).
Содержание Сахаров в картофеле зависит от условий его хранения. Так, хранение при низких (ниже 4° С) температурах приводит к накоплению в нем Сахаров за счет распада крахмала, и наоборот, при повышении температуры хранения (до 20° С) наблюдается ресинтез крахмала и уменьшение содержания Сахаров. На этом основан технологический прием акклиматизации картофеля перед обработкой в производстве сушеного картофеля и картофельной крупки.
Фрукты и ягоды как объекты сушки отличаются от овощей более длительным циклом высушивания, что объясняется следующими факторами: высоким содержанием Сахаров и наличием в сырье аминокислот, что затрудняет применение высоких температур сушильного агента во избежание сахароаминных реакций и карамелизации сахаров наличием во многих видах плодового сырья пектиновых веществ, обладающих способностью связывать и удерживать влагу; наличием тонкой, прочной, малорастяжимой и маловлагопроницаемой кожицы, которая защищает поверхность от испарения.
Содержащиеся в фруктовом сырье белки и пектиновые вещества претерпевают биохимические и коллоидно-химические изменения, оказывающие влияние на гидрофильные свойства сушеных продуктов. Белки денатурируются и частично гидролизуются, несколько изменяется и аминокислотный состав высушенных фруктов. Из биологически активных веществ в овощах и фруктах содержатся водорастворимые витамины С, Р, РР и группы В (Bi, В2, В6 и др.) и жирорастворимые: провитамин А, витамины D, Е, К. Поскольку все они очень лабильны и чувствительны к изменению температуры и воздействию кислорода, это необходимо учитывать как при подготовке овощей и фруктов к сушке, так и в процессе сушки. Из органических кислот в овощах и фруктах наиболее распространены яблочная, лимонная, винная кислоты и их соли. Поскольку они легко растворяются в воде, при мойке (особенно очищенного и нарезанного сырья) наблюдается потеря этих ценных биологически активных веществ.
Содержание аскорбиновой кислоты, каротиноидов, других витаминов и некоторых полифенолов (катехинов и др.) в процессе сушки изменяется вследствие биохимического и химического распада.
Полифенолы составляют целый ряд соединений, являющихся производными фенола (С6Н5ОН). К ним относят дубильные вещества овощей и фруктов, катехины, красящие вещества, хлорогеновые кислоты, антоцианы и т. п. Типичным представителем полифенолов является витамин Р. Все эти вещества обладают высокой биологической активностью и играют определенную роль в образовании вкуса, запаха, цвета плодов и овощей [30], однако при технологической обработке полифенолы часто являются причиной ферментативного потемнения.
Содержание полифенолов, мг/100 г продукта (в пересчете на эуюрогеновую кислоту)
Зеленая капуста 500—520
Цветная капуста 200—210
Краснокочанная капуста 260—430
Свекла 100—120
Лук 100—150
Зеленый горошек 62—68
Минеральные элементы, содержащиеся в овошах и фруктах, условно разделяют на две группы: макроэлементы (Са, Na, К, Mg, Fe, Р) и микроэлементы, содержание которых в этих продуктах равно или ниже 10_3% (Al, Mn, Ni, Сг, Zn, J и др.). В общей сложности их содержится в овощах и фруктах около 60.
При сушке почти все минеральные элементы овощей и фруктов сохраняются, что очень важно, так как они играют большую роль в питании. Во избежание потерь растворимых форм минеральных веществ нельзя очищенное и нарезанное сырье долго держать в воде.
Существенное значение для правильного построения процесса сушки имеет знание теплофизических характеристик овощей и фруктов. Этому вопросу посвящено много работ. По данным кафедры сушки Одесского технологического института пищевой промышленности им. М. В. Ломоносова, теплофизические характеристики овощей и фруктов соответствуют следующим значениям (табл. 1).
Таблица 1 |
|||
Сырье |
Удельная теплоемкость, Ср, кДж/(кг-К) |
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) |
Коэффициент температуропроводности, м2/с, а-104» |
Картофель Морковь Свекла Лук репчатый Яблоки Сливы Вишня |
3,43—3,68 3,40—3,90 3,55—3,90 2,64—3,64 3,5—4,0 3,67—3,76 3,85 |
0,58—0,66 0,60—0,64 0,60—0,62 0,171 |
0,152—0,167 0,114—0,269 0,078—0,168 0,081 |
Продолжение табл. 1 |
|||
|
|
Физические характеристики, кг/м3 |
|
Сырье |
Температура замерзания, СС |
плотность |
насыпная плотность |
Картофель Морковь Свекла Лук репчатый Яблоки Сливы Вишня |
1,2—1,34 1,52—1,80 1,25—1,82 1,62 - - - |
- 970—1000 1016 - - - 1060—1080 |
650—730 650 650—780 650—740 585—650 - - |
Полученные данные облегчают математическое описание процесса обезвоживания, помогают рассчитать и построить процесс, добиваясь возможно меньшего изменения нативных свойств овощей и фруктов, с учетом получения высоких технико-экономических показателей процесса сушки.
Как видно из изложенного, овощи и фрукты представляют собой сложные структурные тела, обезвоживание которых без потери пищевых качеств — нелегкая задача.