ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕСС ИЗВЛЕЧЕНИЯ МАСЛА ИЗ ВИНОГРАДНЫХ КОСТОЧЕК

АННОТАЦИЯ

В данной статье изложены теоретические основы тепловой обработки в процессе получения масла из виноградных косточек. Исследовано математически и технологически проникновение волн, толщина слоя измельчённых косточек винограда и их оптимальные параметры при воздействии высокочастотного электрического поля. Кроме того, на основе физических формул определены оптимальные размеры частиц, обеспечивающие равномерное распределение тепла по поверхности и толщине массы косточек. Подробно рассмотрены исследования взаимосвязи между влажностью косточек и распространением волн. Полученные результаты позволяют определить оптимальные параметры (температуру, влажность, время обработки и толщину слоя) для повышения выхода масла.

ABSTRACT

This article presents the theoretical foundations of heat treatment in the process of obtaining grape seed oil. The penetration of waves, the thickness of the crushed grape seed layer and their optimal parameters under the influence of a high-frequency electric field are investigated mathematically and technologically. In addition, based on physical formulas, the optimal particle sizes were determined to ensure uniform heat distribution over the surface and thickness of the pit mass. Research into the relationship between pit moisture and wave propagation was examined in detail. The results obtained make it possible to determine the optimal parameters (temperature, humidity, processing time and layer thickness) to increase oil yield.

Ключевые слова: виноградная косточка, технологический фактор, слой, толщина, масло, коэффициент воздействия электромагнитного поля.

Keywords: grape seed, technological factor, layer, thickness, oil, electromagnetic field impact coefficient.

Введение

Виноградная косточка является одним из наиболее распространённых и доступных биологических материалов, используемых в различных отраслях перерабатывающей промышленности по всему миру. В процессе винодельческой промышленности активно изучаются возможности получения высококачественного растительного масла из семян винограда [1]. В современных технологиях существуют различные методы получения виноградного масла, при этом важную роль играют процессы влаготепловой обработки.

Виноградное масло является высококачественным растительным маслом, в составе которого содержатся линолевая кислота, олеиновая кислота, токоферол и другие биологически активные вещества. В процессе получения этого масла широко применяются современные физические методы, в том числе тепловая обработка под воздействием высокочастотного электрического поля [2].

Целью исследования является Исследование эффективности влаготепловой обработки виноградных косточек в условиях воздействия высокочастотного электрического поля с целью повышения выхода и качества виноградного масла.

Задачи исследования:

1. Проанализировать физико-химический состав виноградных косточек как сырья для получения масла.
2. Изучить влияние различных режимов влаготепловой обработки на выход и качество масла из виноградных семян.
3. Оценить воздействие высокочастотного электрического поля на процесс извлечения масла.

Материалы и методы исследования

В качестве объекта исследования были выбраны виноградные косточки, выращенные в Узбекистане. Известно, что климатические условия, состав почвы и агротехнические методы напрямую влияют на физико-химические свойства виноградной косточки. Согласно проведённому теоретическому анализу, физико-химический состав виноградных косточек, выращенных в Узбекистане, следующий: содержание масла — 10–12%, линолевая кислота — 60–65%, олеиновая кислота — 20–25%, пальмитиновая кислота — 8–10%, влажность — 6–8%.

Из этих данных видно, что при глубокой переработке такого вторичного сырья, как виноградная косточка, можно получить качественную продукцию и, одновременно, улучшить экономические показатели предприятия [3].

Для получения масла из виноградных косточек используются различные методы: прессование, экстракция и комбинированные способы. Среди них метод прессования получил широкое распространение благодаря своей дешевизне и высокому содержанию биологически активных веществ в получаемом масле.

Прессование — это экологически чистый способ извлечения масла без применения химических веществ. Однако эффективность этого метода во многом зависит от разрушения клеточной стенки. Если стенка недостаточно разрушена, масло остаётся внутри клетки и не извлекается, оставаясь в жмыхе.

Клеточные стенки могут сопротивляться механическому давлению. Такие вещества, как целлюлоза и лигнин, благодаря своей кристаллической структуре и полимерным цепям, могут не разрушаться даже под высоким давлением. Поэтому перед прессованием рекомендуется предварительная подготовительная обработка.

Для повышения эффективности прессования были предложены различные методы воздействия на клеточные стенки. Исследования показали, что они способствуют увеличению выхода масла из виноградных косточек [4].

Обработка под воздействием высокочастотного электрического поля — энергия высокочастотного поля вызывает колебания молекул воды внутри клетки, резко повышая внутреннее давление. Это давление разрушает клеточную стенку, что приводит к её растрескиванию. По результатам предыдущих исследований, после обработки под воздействием высокочастотного электрического поля выход масла может увеличиться на 20–40% в зависимости от сорта винограда и условий его выращивания.

Термическая обработка паром — под действием тепла оболочка (эндокарпий) косточки теряет эластичность и размягчается. В этом процессе пластические свойства клеточной стенки ослабевают, и масло легче извлекается под давлением.

Ультразвуковое воздействие — процесс кавитации, вызванный ультразвуком, ослабляет как внутреннюю, так и внешнюю структуру клетки.

Этот метод напрямую влияет на эффективность прессования. Кавитационные удары разрушают связи лигнина и гемицеллюлозы в клеточной стенке, что улучшает выход масла.

Ферментативная обработка — ферменты, такие как целлюлаза и ксиланаза, разрушают полисахариды клеточной стенки. Если применить ферментативную обработку до прессования, структура стенки разрушается, и масло извлекается значительно легче.

В данном исследовании рассматривается теоретическое обоснование применения высокочастотного электрического поля при холодном прессовании виноградных косточек для извлечения масла.

Для проведения эксперимента была использована микроволновая печь, стандартная частота которой составляет 2450 МГц, а мощность может изменяться в диапазоне 400–800 Вт. В этой печи электромагнитные волны возбуждают колебания молекул внутри продукта, вызывая образование тепла. Основной источник тепла — колебания молекул воды, содержащихся в продукте. Тепло при этом образуется не снаружи, а непосредственно внутри продукта — этот процесс называется объемным нагревом (volumetric heating).

Результаты и обсуждения

Глубина проникновения поля сверхвысокочастотного тока рассчитывается по следующей формуле [5]:

где:

 — скорость света, ;

 — частота волны, ;

 — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрических параметров виноградных косточек  ;

 — тангенциальный угол диэлектрических потерь.

Длина волны:

Для того чтобы энергия поля сверхвысокочастотного тока была полностью или частично поглощена продуктом, размер измельченного продукта  должен составлять примерно 1/3 глубины проникновения:

Однако размер виноградных косточек составляет примерно 10 мм, и такая фракция считается оптимальной, потому что:

• Если сделать крупнее —энергия поля сверхвысокочастотного тока не сможет проникнуть внутрь зерна (обработка будет неэффективной);
• Если сделать слишком мелко — распределение тепла будет неравномерным, и в продукте будет наблюдаться сильный перегрев.

Размер фракции (частиц) и его влияние на высокочастотную обработку.

Фракция — это средний размер частиц или кусочков, из которых состоит продукт.

Размер фракции играет важную роль при высокочастотной обработке, поскольку:

• Крупная фракция снижает эффективность нагрева —энергия поля сверхвысокочастотного тока не проникает вглубь частиц, что приводит к неполной или неравномерной обработке.
• Слишком мелкая фракция вызывает неравномерное распределение тепла — в результате могут возникать локальные перегревы и порча продукта.

Таким образом, выбор оптимального размера фракции важен для достижения равномерного прогрева и сохранения качества продукта при высокочастотной обработке.

Физические зависимости

Если размер фракции (частицы) d мал и значительно меньше глубины проникновения энергии поля сверхвысокочастотного тока  d≪δ , то микроволны легко проникают внутрь частиц, и тепло распределяется равномерно.

Если же размер фракции d больше глубины проникновения , то высокочастотной энергия поглощается в основном внешними слоями, а внутренние части остаются недостаточно прогретыми.

Соотношение между размером фракции и глубиной проникновения:

Энергия поля сверхвысокочастотного тока, проникая в продукт, поглощается с определённой глубиной — это и есть глубина проникновения δ, один из ключевых параметров при обработке в поле высокочастотного тока.

Для эффективного нагрева необходимо, чтобы размер фракции d был меньше или соизмерим с глубиной проникновения δ, то есть:

Из этой формулы следует:

На мякоть виноградной косточки уходит примерно:

Однако на практике фракции (частицы) виноградной косточки имеют размер примерно 1.5–3 мм.

Формула теплопередачи в частицах (фракциях).

Для анализа характера теплового распределения в частицах важно учитывать уравнение тепловой диффузии и величину времени, необходимого для распространения тепла.

где:

 — теплопроводность;

 — плотность;

 — удельная теплоёмкость.

Время, характерное для нагрева и теплопередачи каждой частицы:

• Здесь, если размер фракции большой, время теплопередачи также увеличивается.
• Если фракция маленькая, тепло распространяется быстро, и нагрев становится равномерным.

Поэтому размер фракции в диапазоне от 1 до 4 мм повышает эффективность теплопередачи.

Параметры поглощения энергии поля высокочастотного тока. Когда размер фракции мал, площадь поверхности частиц большая, и площадь поглощения микроволновой энергии увеличивается.

Если размер фракции большой — из-за ограниченной глубины проникновения энергия поступает ограниченно.

Для определения идеального размера фракции обобщённое условие требует, чтобы оптимальный размер фракции был в несколько раз (обычно в 3–4 раза) меньше глубины проникновения микроволн:

Это обеспечивает эффективное распространение тепла и хорошее поглощение микроволновой энергии.

Принцип воздействия поля высокочастотного тока на влажность фракции винограда

Влажность (содержание воды) в частицах виноградной косточки определяет поглощение  энергии поля  высокочастотного тока, поскольку вода оказывает значительное влияние на диэлектрические свойства материала (диэлектрическую проницаемость и способность к окислению).

• Энергия поля  высокочастотного тока в первую очередь направлена на нагрев влаги (молекулы воды вращаются и колеблются, превращая энергию в тепло).
• Изменение влажности изменяет электрические и диэлектрические параметры частиц, что влияет на поглощение микроволновой энергии и эффективность нагрева [6].

здесь:

- мощность поглощения энергии на единицу объёма (Вт/м³);

- частота микроволн ( Гц);

- диэлектрическая проницаемость вакуума;

- коэффициент диэлектрических потерь продукта, зависящий от влажности;

- напряжённость электрического поля.

С увеличением влажности диэлектрическая проницаемость ε_r′и коэффициент потерь увеличиваются.

Согласно проведённым теоретическим и экспериментальным данным:

здесь:

- экспериментальный коэффициент;

- влажность в процентах (%) или в килограммах на килограмм (кг/кг).

Глубина проникновения высокочастотных волн определяется следующей формулой [6,7]:

отсюда:

С увеличением влажности за счёт роста ​ увеличивается тангенс угла потерь, и глубина проникновения уменьшается.

Связь между диэлектрическими параметрами и влажностью определяется на основе экспериментальных данных или литературных источников [8]:

также:

Поэтому с увеличением влажности  растёт, а глубина проникновения уменьшается, и энергия поглощается преимущественно во внешних слоях продукта.

С ростом влажности поглощение энергии увеличивается, но глубина проникновения уменьшается. В результате нагрев концентрируется на поверхности, а в центре образуются зоны недостаточного нагрева.

Оптимальная влажность — это такой уровень, при котором достигается максимальный баланс между проникновением энергии и её равномерным распределением.

Физическое условие :

То есть при оптимальной влажности должны быть максимальными и мощность поглощения энергии, и глубина проникновения высокочастотных волн. На практике оптимальная влажность виноградной косточки при микроволновом нагреве составляет примерно 8–12%.

Основная формула для расчёта количества энергии, затрачиваемой на нагрев [9]:

здесь:

 - масса, кг;

 - удельная теплоёмкость продукта (Дж/кг·°C);

 - изменение температуры (°C), .

Расчёт массы виноградной косточки (фракции):

Если фракция  имеет форму цилиндра или похожую форму, для расчёта её массы используются следующие формулы:

здесь:

 - плотность фракции, кг/м³ (примерно 900 кг/м³ для сухого винограда);

 - площадь основания частицы, м² (например, 1 см² =  м²);

- толщина частицы, м (10 мм = 0,01 м).

масса:

Если приблизительно известна мощность микроволновой печи, то энергопотребление можно оценить следующим образом:

время нагревания 

Тогда общее потребление энергии:

количество теплоты:

Эта энергия необходима для нагрева. Из микроволновой печи поступает 21 кДж энергии, поэтому для повышения температуры фракции (частиц) этой энергии достаточно.

Заключение

Совмещение обработки высокочастотным электрическим полем с методом холодного прессования позволяет повысить эффективность извлечения масла и улучшить его качественные показатели.

Определение оптимальных технологических параметров и контроль толщины слоя обеспечивают энергоэффективность процесса и высокое качество продукта.

Эти достижения открывают путь к внедрению высокотехнологичных, экологически чистых и экономически эффективных решений в области получения масла из виноградных косточек.

Список литературы:

1. Кулдошева Ф.С., Ибрагимов Р.Р. Тенденции переработки вторичного сырья (семян винограда) / Universum:Технические науки. 11(80). Ноябрь, 2020 г. С. 75-77.
2. Кулдошева Ф. С., Шарипов Н. З. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ВИНОГРАДНЫХ КОСТОЧЕК ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПОЛЯ //Universum: технические науки. – 2023. – №. 5-5 (110). – С. 32-34.
3. Gafurov, K., Safarova, D., Akabirova, L., Sharipov, N., Kuldosheva, F., & Yamaletdinova, M. (2024). Heat treatment of crushed oil seeds sunflower before pressing. In E3S Web of Conferences (Vol. 548, p. 02009). EDP Sciences.
4. Sharipov N. Z., Kuldosheva F. S., Jumaev J. Research of the Effect of Factors on the Process of Separation of Shadow Seeds from the Peel //Eurasian Research Bulletin. – 2022. – Т. 7. – С. 86.
5. Vadivambal, R., & Jayas, D. S. (2010). Non-uniform temperature distribution during microwave heating of food materials. Food and Bioprocess Technology, 3(2), рр161-171.
6. Jackson, J. D. (1999). Classical electrodynamics. John Wiley & Sons.
   Kraus, J. D., & Fleisch, D. A. (1999). Electromagnetics with applications. McGraw-Hill.
7. Tang, J. (2015). Unlocking potentials of microwaves for food safety and quality. Journal of Food Science, 80(8), E1776-E1793.
8. Mohsenin, N. N. (1980). Thermal properties of foods and agricultural materials. Gordon and Breach Science Publishers.
9. Regier, M., & Schubert, H. (2001). Microwave processing. Food Science and Technology, р 128, 178-207.