Характеристика существующих способов получения технологического коптильного дыма и аппаратурное оформление процесса дымогенерации
Применяемые в пищевой промышленности дымогенераторы различаются: видом источника энергии для нагрева топлива (с внешним и внутренним теплообразованием); конструктивными особенностями поверхности нагрева; принципом действия (открытые и закрытые); уровнем автоматизации и механизации процесса дымогенерации.
В качестве основного источника энергии для нагревания топлива в дымогенераторах используется энергия горения части топлива, что приводит к нерегулируемости температурного режима термолиза и образованию полиядерных циклических углеводородов, что недопустимо.
Сжигание топлива в различных дымогенераторах протекает неодинаково. В некоторых (ЕЛРО, колхоза им. Кирова, Квернер-Брук) пиролиз топлива происходит в толстом слое (15-20см) на колосниковой решетке без перемешивания. В отличие от этих дымогенераторов сжигание топлива в дымогенераторе ПСМ-2 осуществляется в тонком слое на электрическом нагреваемом поду при непрерывном перемещении его по поду. Горение толстого слоя топлива происходит на колосниковых решетках (с подачей воздуха снизу) и в негерметизированных топливниках (например, Квернер-Брук) и сопровождается постоянным его воспламенением и появлением очагов пламени, что отрицательно сказывается на качестве продукции, поскольку с потоком дыма увлекаются частички сажи и пепла, которые осаждаются на поверхности рыбы. Для устранения этого недостатка в конструкциях дымогенераторов закрытого типа топливники делают с ограниченным объемом.
|
|
|
Большое значение для получения коптильного дыма имеет наличие в дымогенераторе механизма для равномерной подачи топлива в топливник, механизм распределения топлива по толщине перемещения, а также устройств для удаления топливных остатков. Этим требованиям частично могут удовлетворить только механические дымогенераторы, но такой вопрос, как удаление топливных остатков, по существу не решен ни в одной конструкции дымогенератора.
Таким образом, основным недостатком рассмотренных дымогенераторов является способ подвода энергии к топливу, который не может обеспечить низкотемпературного термолиза древесины, что ведет к образованию в процессе дымогенерации полиядерных циклических углеводородов - канцерогенов. Решить эту проблему можно, обеспечив способ подвода энергии к топливу, который позволял бы вести устойчивый термолиз древесины при наименьших возможных температурах, а также предотвращал бы загорание и вспышки топлива в процессе дымогенерации. Одним из возможных способов энергоподвода является использование энергии ИК-излучения.
В Германии предложен способ получения коптильного дыма посредством термического разложения древесных опилок с помощью сухого перегретого пара. При этом водяной пар под высоким давлением пропускают через слой слегка спрессованных опилок.
|
|
|
При контакте сухого перегретого пара с опилками практически не происходит полного сгорания топлива и не наступает повышения температуры. Кроме того, пиролиз древесины протекает при температуре, до которой нагрет водяной пар.
В результате пиролиза древесины выделяются газообразные химические соединения, капельки жидкости и твердые частички, которые в совокупности с водяным паром образуют коптильный дым или как его предложено называть «коптильный пар».
Чтобы получить коптильный дым с достаточно высокой плотностью водяной пар перед пропусканием через опилки необходимо нагреть до температуры не ниже 280 0С и не выше 380 0С, во избежание образования нежелательных веществ.
В последние годы появилось большое количество дымогенераторов в результате деятельности рационализаторов и изобретателей, внесены значительные усовершенствования в существующие и созданы принципиально новые конструкции.
К таким конструкциям относятся, в частности, фрикционный дымогенератор. Фрикционный дымогенератор представляет собой конструктивно корпус с заключенным в нем приводным барабаном, входным отверстием и патрубком для отвода дыма, прижимное устройство, установленное с возможностью возвратно-поступательного движения, и привод, отличающийся тем, что он снабжен кассетой для укладки в ней штабеля деревянных брусков, размещенный нижней частью между прижимным приспособлением и входным отверстием корпуса, а барабан укреплен на вертикальном валу. В качестве энергии для термолиза древесины, во фрикционном дымогенераторе используется энергия трения древесины о барабан.
|
|
|
Таким образом, анализ основных конструкций и способов получения дыма, применяемых в рыбной и мясной промышленности в настоящее время, позволяет сделать вывод, что главным их недостатком является высокотемпературный термолиз древесины, ведущий к образованию вредных для здоровья человека химических веществ. К недостаткам можно отнести также высокий расход топлива-древесины, металло - и энергоемкость дымогенераторов.
Дымогенераторы должны обеспечивать получение технологического коптильного дыма с постоянной массовой концентрацией (густотой), температурой и влажностью, что особенно важно для выполнения технологического процесса копчения. С конструктивной точки зрения дымогенераторы должны иметь возможность для регулирования процесса термического разложения древесины и быть высоко механизированными. Устройство дымогенератора должно быть достаточно простым и надежным в эксплуатации, экономичным в расходовании топлива и электроэнергии. Уменьшение себестоимости выпускаемой продукции за счет снижения расхода топлива (древесины и электроэнергии) в дымогенераторах, их габаритов и металлоемкости может быть достигнуто интенсификацией процесса нагрева топлива нетрадиционными- электрофизическими способами. Использование, например, ИК-энергоподвода, позволит регулировать температуру термолиза древесины, за счет регулирования плотности теплового потока. Использование увлажненного топлива, как показано выше (получение «коптильного пара»), также позволит снизить температуру термического разложения древесины.
|
|
|
Осуществление подвода тепла к топливу с учетом влияния тепло - и массообменных процессов, протекающих в нем, также позволит снизить энергозатраты.
Лекция № 9: Основные технологические эффекты копчения: образование «копченого» цвета; образование «копченого» аромата и вкуса; консервирующий эффект (антиокислительный, бактерицидный и антипротеолитический); образование вторичной оболочки. Тепло- и массоперенос при копчении. Изменения в тканях животного сырья при копчении
Основные технологические эффекты копчения обусловлены одновременно протекающими в продукте под воздействием коптильной среды процессами внешнего и внутреннего тепломассопереноса, а также взаимодействия компонентов коптильной среды с продуктом.
К основным технологическим эффектам копчения следует относить:
- образование «копченого» цвета (от светло-золотистого до темно-коричневого);
- образование «копченого» аромата и вкуса;
- консервирующий эффект (антиокислительное, бактерицидное и антипротеолитическое действие);
- образование вторичной оболочки (упрочнение поверхности).
Помимо перечисленных выше, безусловно, положительных эффектов копчения имеются и отрицательные. К ним следует относить насыщение продукта токсичными соединениями (ПАУ, метанол, формальдегид, высокая концентрация фенолов и др.) и уменьшение его питательно-физиологической ценности.
Кислотные, фенольные и карбонильные соединения дыма участвуют практически во всех эффектах копчения. Однако и в этих классах веществ имеются балластные и нежелательные компоненты типа фенола, формальдегида, оксикислот. В наибольшем количестве эффектов участвуют среднеи высокомолекулярная фракции фенольных веществ.
Рассмотрим подробнее механизмы образования основных технологических эффектов копчения, начав с образования «копченого» цвета (колера).
Цвет традиционно, особенно с точки зрения потребителя, считается одним из основных критериев качества копченого продукта. В представлениях потребителя красивый и насыщенный колер связан с высокими вкусовыми качествами продукта.
Согласно существующим на сегодняшний день представлениям, в основе образования «копченого» колера лежат следующие процессы:
- осаждение окрашенных компонентов на поверхность продукта за счет конденсации, сорбции, адгезии и когезии;
- окисление, полимеризация, поликонденсация коптильных компонентов на поверхности продукта или на пути к нему;
- реакции коптильных компонентов с белковыми веществами продукта;
- фиксирование цвета органическими кислотами.
Кроме того, важную роль в процессе формирования цвета копченого продукта играет температура, при которой он протекает (горячее, полугорячее и холодное копчение). При горячем и полугорячем копчении цветообразование происходит при высокой температуре, что способствует интенсификации цветообразующих реакций. Поэтому изделия данной группы окрашены, как правило, в темно-коричневые тона.
Цвет копчености во многом определяется видом изделия, его структурой и химическим составом. Увеличение содержания жира улучшает блеск; смещение pH среды в кислую и щелочную зоны интенсифицирует окрашивание поверхности, а повышение влажности, наоборот, снижает проявление эффекта. По мере хранения копченой продукции окраска поверхности усиливается.
К окрашенным коптильным компонентам, осаждающимся на поверхности продукта, относятся вещества смолистой фракции дыма, а также многие другие, имеющие коричневые оттенки цвета: фенолы, карбонилы, углеводы.
Оттенок цвета зависит от вида используемой для получения коптильного дыма древесины. Бук, клен, липа придают золотисто-желтые оттенки, акация — лимонные, дуб, ольха — желтовато3коричневые, груша — красноватые и т. д. Дым от хвойных пород древесины окрашивает изделия более интенсивно, чем дым от лиственных пород.
С аминогруппами белковых веществ продукта реагируют преимущественно карбонильные соединения дыма с образованием меланоидинов — коричневых азотсодержащих полимеров. Важнейшими карбонильными соединениями, участвующими в процессе цветообразования, являются: формальдегид, гликолевый альдегид, глиоксоль, ацетон, ацетол, метилглиоксоль, диацетил, фурфурол. Из фенолов наиболее активное участие принимают фенолальдегиды (конифериловый, синапиновый альдегиды и др.), а также полифенолы (пирокатехин, гидрохинон, пирогаллол и их производные). Окрашивание усиливается также в результате реакций карамелизации углеводов, образующихся в результате распада гемицеллюлозы и целлюлозы.
Окрашивающий эффект копчения оценивается органолептически с применением балльных шкал или инструментально с количественным измерением различных цветовых характеристик: коэффициента отражения, яркости, чистоты, доминирующей длины волны цвета.
При рассмотрении процесса образования аромата и вкуса копченостиследует определиться в основных понятиях, прежде всего, необходимо различать аромат коптильного дыма и аромат и вкус выкопченного продукта (копчености).
Аромат коптильного дыма зависит от вида древесины, температуры ее разложения в дымогенераторе, дисперсного и химического состава дыма.
Принято считать, что наиболее ароматные компоненты дыма содержатся в его газообразной фазе. Газохроматографические исследования показали, что аромат коптильного дыма обеспечивают представители многих классов органических веществ. На сегодняшний день ученые не пришли к единому мнению по вопросу о том, какому именно классу соединений принадлежит главенствующая роль в формировании аромата коптильного дыма. Некоторые из них считают, что эту роль следует отвести фенолам, особенно среднемолекулярным. Другие, напротив, считают, что поскольку в чистом виде фенольные соединения не обладают выраженным копченым ароматом, они не могут быть признаны ответственными за его формирование. В то же время, карбонильные соединения в чистом виде (1,2,3-циклопентадион, 2,3-бутенолид, фурфурол, 2,3-циклопентанон, 2-ацетилфуран, их производные и др.) обладают ярко выраженным ароматом коптильного дыма и вносят, по мнению этих ученых, основную долю в его образование.
По-видимому, справедливым будет утверждение, что суммарное действие как фенольных компонентов дыма, так и карбонильных соединений придает ему специфический характерный аромат. Установлено, что основными, «ключевыми» компонентами (основой аромата коптильного дыма) являются следующие вещества в композиции: гваякол — эвгенол — ванилин — циклотен — фенол — о-крезол, причем первые четыре из них должны находиться в близких, почти равных соотношениях, а два последних — в 3-5 раз более высоких концентрациях, чем первые.
Аромат и вкус выкопченного продукта есть результат совокупного воздействия компонентов дыма, продукта и веществ, образующихся в результате реакций компонентов дыма друг с другом и составляющими продукта.
До сих пор точной расшифровки формирования этого эффекта нет, существуют только предположения. Что происходит с компонентами дыма по мере их диффузии в продукт — неизвестно. Ведущую роль в этом приписывают фенолам, особенно гваяколу, сиринголу и их производным. Считается, что в среднем около 75 % фенольных веществ по мере диффузии их в продукт вступают в различные реакции с белковыми и жировыми компонентами продукта. При этом на формирование вкусо-ароматических ощущений определенное влияние оказывают консистенция и химический состав продукта, в частности, соотношение в нем липидов, белков, влаги и соли.
На аромат и вкус копченых изделий влияют также кислотные коптильные
компоненты, привносящие специфические вкусовые оттенки, а также вещества с активными карбонильными группами (ди- и поликарбонилы, редуктоны и др.), вступающие во взаимодействие с белковыми компонентами продукта. Влияние таких веществ считается второстепенным. Однако последние исследования, проведенные на кафедре технологии пищевых производств Мурманского государственного технического университета, показали, что при резком снижении фенольных веществ в дыме, в продукте, обработанном таким дымом, образуются вкус и аромат копчения. Эксперименты показали, что цвет поверхности рыбы также соответствует НД. Поэтому роль в образовании эффектов копчения карбонильных соединений и кислот, находящихся в дыме нельзя относить к второстепенной.
Количественную характеристику аромату и вкусу копченых продуктов дают с помощью органолептической балльной шкалы или описательно с применением стандартизированной терминологии. Инструментально пока удается зафиксировать только некоторые аспекты этого показателя (хроматографическое и масспектрометрическое определение содержания отдельных фракций дыма).
Под консервирующим эффектом копчения следует понимать совокупное действие антиокислительного, бактерицидного и антипротеолитического эффектов. Остановимся подробно на механизмах формирования каждого из этих эффектов в отдельности.
Антиокислительный эффект — это результат синергического воздействия, прежде всего фенолов дыма с содержанием, как минимум, одной свободной ОН-группы.
Торможение фенолами процесса окисления обусловлено тем, что окислительный потенциал молекулы фенола ниже окислительного потенциала пероксидных соединений, накапливающихся в результате цепных реакций окисления жира.
Энергия связи InO-H в молекулах фенолов составляет от 242 до 294 кДж/моль, тогда как в молекуле пероксида или гидропероксида RO-H она составляет от 336 до 378 кДж/моль. Поэтому свободные радикалы в жирах будут преимущественно взаимодействовать с молекулами антиокислителей InOH, то есть фенолами, результатом чего является обрыв цепной реакции окисления:
ROO– + InOH ROOH + InO–
R– + InOH RH + InO–
Образующиеся фенольные радикалы InO–, как правило, малоактивны, не способны к продолжению цепных реакций и выводятся из реакции, взаимодействуя между собой или с другими радикалами.
В. И. Курко доказал своими исследованиями, что чем выше молекулярная масса фенолов, чем больше у них ОН-групп, тем сильнее их антиокислительный эффект, так как в этом случае уменьшается энергия связи в молекуле InOH.
Так, производные гваякола лучшие антиоксиданты, чем фенолы, а производные сирингола — еще лучше проявляют антиоксидантные свойства. Наиболее эффективными антиоксидантами являются производные пирогаллола, пирокатехина, гидрохинона и резорцина. Из фенолальдегидов и фенолкислот антиокислительными свойствами обладают ванилин, салициловый альдегид, гидробензойная кислота.
Гильгнер показал, что степень антиокислительного воздействия дыма зависит от типа дымогенерации. Экзотермический дым тления более эффективно подавляет окислительные процессы, чем эндотермический фрикционный, хотя оба они богаты фенолами. Большое значение имеют и продолжительность воздействия коптильной средой, и степень окислительной порчи продукта, и условия обработки и хранения изделий.
Коптильный дым содержит не только первичные, но и вторичные антиоксиданты, такие как, например, многоосновные кислоты: фумаровая, янтарная. Однако степень их воздействия до сих пор не исследована.
Антиокислительный эффект копчения количественно устанавливают по показателям пероксидного и альдегидного чисел жира.
Бактерицидный эффект копченияпредставляет собой результат совместного воздействия антисептических компонентов дыма, обезвоживания и посола (при холодном копчении), сдвига величины pH в кислую сторону, высоких температур (при горячем копчении).
Принято считать, что бактерицидный эффект копчения проявляется только на поверхности изделий. По мере диффузии коптильных компонентов внутрь продукта зона угнетения микрофлоры увеличивается. Бактерицидный эффект зависит от параметров дыма, продолжительности копчения, качественной и количественной характеристик обсемененности продукта.
Химическая природа компонентов дыма во многом обусловливает их бактерицидное действие: кислоты наиболее эффективно подавляют спорообразующую микрофлору, фенолы — вегетативную и условно патогенную микрофлору, нейтральные соединения и органические основания обладают слабым бактерицидным эффектом, а углеводы, наоборот, стимулируют рост микрофлоры.
Бактерицидный эффект копчения количественно устанавливают по микробиологическим показателям продукции.
Основными бактерицидными компонентами дыма являются его высококипящие фракции фенолов и кислот. Так, с увеличением алкильных боковых цепей в фенольном ядре возрастает бактерицидная сила компонентов: крезол → ксиленол → пропилгваякол → этилсирингол → гидрохинон → метилпирокатехин → пирогаллол (относительная антиокислительная эффективность по отношению к крезолу, активность которого условно принята за 1, равна соответственно 1, 2, 4, 11, 14, 51, 176.
Наиболее эффективными антисептиками являются формальдегид и фенол.
Из кислот наибольшей бактерицидностью обладают пропионовая и янтарная кислоты, но из-за количественного преобладания в дыме уксусной кислоты ее значение является ведущим.
Копчение оказывает селективное (избирательное) воздействие на микроорганизмы, в результате чего в остаточной микрофлоре копченых продуктов преобладают молочнокислые бактерии и грамположительные микрококки.
Отмирание микроорганизмов в толще продукта после окончания копчения (остаточное бактерицидное действие копчения) связано с медленной диффузией бактерицидных компонентов дыма из поверхностных слоев в центральные.
Антипротеолитический эффект копчения представляет собой замедление автолитических процессов в продукте, связанное с непосредственным действием коптильных компонентов на его тканевые ферменты.
Механизм этого эффекта обусловлен взаимодействием коптильных компонентов, в основном, фенольных и карбонильных, с белками продукта и ферментами, имеющими белковую природу. В результате этого взаимодействия белки становятся менее доступными действию малоактивных ферментов. Кислоты коптильной среды, сдвигая pH продукта в кислую зону, способствуют частичной денатурации ферментов, что делает их менее активными в расщеплении тканевых белков. Протеолиз и накопление его продуктов замедляется или приостанавливается. Так, в филе рыбном холодного копчения показатель ФТА (формольно-титруемый азот), характеризующий степень расщепления белков, останавливается на уровне от 67 до 70 мг% (практически на уровне соленого полуфабриката).
Антипротеолитический эффект копчения количественно устанавливают по показателям содержания различных форм небелкового азота. Качественные изменения белков можно зафиксировать на модельных экспериментах с дополнительным введением ферментов, например, желудочного сока и красителей-индикаторов, меняющих цвет в присутствии продуктов распада белка (например, кармина).
Технологический эффект образования вторичной оболочки (упрочнение поверхности) продукта при копчении обусловлен образованием полимерных веществ, подобных содержащимся в коже или оболочке, что способствует повышению стойкости продукта в хранении.
Упрочнение наблюдается под кожей или оболочкой (при их наличии) или на поверхности, что облегчает их удаление или повышает защитную функцию. Упрочнение объясняется изменением белковых структур в результате реакций формальдегида дыма и соединительно-тканных белков продукта — формальдегидколлагеновой конденсации:
Образующиеся «СН-мостики» между молекулами коллагена приводят к их уплотнению и в итоге — формированию дополнительной эластичной оболочки, которая выполняет важную функцию — препятствует диффузии внутрь продукта высокомолекулярных ПАУ и других вредных веществ.
Восстановление консистенции продукта возможно при обработке вторичной оболочки горячей водой или паром, что приводит к распаду формальдегид-коллагеновых волокон.
Количественную характеристику упрочнения поверхности продукта можно получить при его органолептической оценке или инструментальном измерении на специальных приборах (пластометрах, вискозиметрах и др.).
Отрицательные эффекты копчения связаны прежде всего с попаданием ПАУ в продукт. Кроме ПАУ нежелательными являются изменение количества формальдегида, метилового спирта, некоторых фенолов. Для этого необходимо контролировать химический состав дыма, степень его очистки, а также — прокопченность продукта.
В 90-е годы коллективом кафедры физики Мурманского высшего инженерного морского училища проводились масштабные исследования химического состава дымовоздушных смесей, вырабатываемых всеми типами дымогенераторов, установленных и активно эксплуатируемых, на коптильных предприятиях комбината.
Особое внимание уделялось содержанию в дымовых смесях вредных примесей. Было определено содержание веществ, хорошо растворимых в жирах (лиофильная фракция). Образующиеся «СН-мостики» между молекулами коллагена приводят к их уплотнению и в итоге — формированию дополнительной эластичной оболочки, которая выполняет важную функцию — препятствует диффузии внутрь продукта высокомолекулярных ПАУ и других вредных веществ.
Особое внимание уделялось содержанию в дымовых смесях вредных примесей.
Было определено содержание веществ, хорошо растворимых в жирах (лиофильная фракция). Отрицательным эффектом копчения считается также уменьшение питательно-физиологической ценности продукта в результате уменьшения содержания аминокислот белков, вступающих в реакции с коптильными компонентами. В среднем их содержание уменьшается на 10-20 %. При этом потери незаменимых аминокислот составляют от 10 до 50 %, особенно чувствителен к копчению лизин (средние потери 50 %).
Несмотря на некоторое уменьшение питательности копченых продуктов их усвояемость, оцениваемая по показателям перевариваемости, увеличивается.
Так, усвояемость одного и того же вида копченой продукции в зависимости от вида обработки располагается в следующей последовательности (по мере убывания): копченая - вареная - сырая - вяленая - соленая. Это объясняется увеличением секреторной деятельности желудочно-кишечного тракта организма под действием вкусо-ароматических компонентов копченых продуктов.
[1] Приведены новые данные в соответствии со Шкалой ФАО/ВОЗ 2008 года
[2] Согласно рекомендациям ФАО/ВОЗ от 2008 года
[3] Теорема Букингема-Федермана гласит, что любая зависимость между переменными, характеризующими какое-либо явление, может быть представлена в виде зависимости между соответствующими критериями в форме уравнения подобия - критериального уравнения.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 334; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!