ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СУШКИ ТЫКВЕННОЙ МЯКОТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

АННОТАЦИЯ

В данной статье исследованы теоретические основы процесса сушки тыквенной мякоти с использованием ультразвуковой технологии, широко выращиваемой в Узбекистане. В рамках исследования проанализированы морфологические и физико-химические свойства тыквенной мякоти, научно обоснованы механизмы воздействия ультразвуковых волн через кавитацию, резонанс и осцилляцию. Результаты математического моделирования показали, что ультразвук частотой 25 кГц воздействует на глубину до 6 см, оптимальная толщина слоя составляет 3-5 мм, расстояние между излучателем и продуктом должно быть 3 см. Процесс массообмена проанализирован на основе законов диффузии Фика, показано увеличение эффективного коэффициента диффузии в 1,5-2,0 раза под воздействием ультразвука. Термодинамические расчеты позволяют оценить энергетическую эффективность процесса сушки.

ABSTRACT

This article investigates the theoretical foundations of the drying process of pumpkin pulp using ultrasound technology, which is widely cultivated in Uzbekistan. Within the scope of the research, the morphological and physicochemical properties of pumpkin pulp were analyzed, and the mechanisms of ultrasonic wave action through cavitation, resonance, and oscillation were scientifically substantiated. Mathematical modeling results showed that ultrasound at 25 kHz frequency affects depths up to 6 cm, with optimal layer thickness of 3-5 mm and distance between transducer and product being 3 cm. The mass transfer process was analyzed based on Fick's diffusion laws, showing a 1.5-2.0 fold increase in effective diffusion coefficient under ultrasound influence. Thermodynamic calculations enable evaluation of the energy efficiency of the drying process.

Ключевые слова: тыквенная мякоть, ультразвуковая технология, процесс сушки, кавитация, массообмен, коэффициент диффузии, энергетическая эффективность, математическое моделирование

Keywords: pumpkin pulp, ultrasound technology, drying process, cavitation, mass transfer, diffusion coefficient, energy efficiency, mathematical modeling

Введение

В настоящее время развитие пищевой промышленности, в частности эффективное использование местной сырьевой базы и повышение экспортного потенциала, считается приоритетным направлением во многих странах. В Республике Узбекистан также вопросы глубокой переработки сельскохозяйственной продукции, производства качественной и конкурентоспособной продукции составляют важную часть государственной политики. В данном контексте особую важность приобретает получение продуктов с добавленной стоимостью на основе местного сырья, внедрение современных технологий и разработка энергосберегающих методов [1].

Тыквенная мякоть является уникальным источником сырья, которое может широко применяться не только как пищевой продукт, но и в фармацевтической и косметической промышленности. Содержащиеся в ней β-каротин (3-4,5 мг/100г), витамин С (8-15 мг/100г), калий (190-220 мг/100г) и другие биологически активные вещества придают продукту высокую пищевую и лечебную ценность. Вместе с тем, высокое содержание влаги в тыквенной мякоти (88-92%) и нежная тканевая структура создают трудности при хранении и переработке [1].

Традиционные методы сушки, включая конвективную сушку, инфракрасное излучение и микроволновую сушку, при применении к тыквенной мякоти проявляют ряд недостатков. Под воздействием высоких температур (60-80°C) разрушаются термолабильные витамины в продукте, особенно витамин С и каротиноиды. Длительная продолжительность (6-12 часов) увеличивает энергозатраты и снижает производственную эффективность. Кроме того, неправильный режим сушки может привести к микробиологическим повреждениям продукта, изменению цвета и вкуса, а также потере пищевой ценности [2]. Основные преимущества ультразвуковой энергии заключаются в следующем: возможность эффективной сушки при низких температурах (35-45°C), сокращение времени сушки, сохранение пищевых и органолептических свойств продукта, энергоэффективность и экологическая безопасность. Вместе с тем необходимо определить оптимальные параметры ультразвука (частота, интенсивность, время воздействия) для каждого типа продукта и разработать соответствующие математические модели [2]. До настоящего времени не проводились комплексные исследования по сушке тыквенной мякоти под воздействием ультразвука. Существующие научные работы в основном ограничивались другими фруктово-овощными продуктами, а специфические физико-химические свойства тыквенной мякоти, механизмы взаимодействия с ультразвуковыми волнами и оптимальные технологические параметры изучены недостаточно. По этой причине теоретические и экспериментальные исследования в данном направлении приобретают особую актуальность [3].

Материалы и методы исследования.

В настоящее время в пищевой промышленности Узбекистана при хранении и переработке тыквенной мякоти существуют следующие основные проблемы:

Технологические проблемы: Низкая эффективность традиционных методов сушки, высокие энергозатраты и снижение качества продукции. При конвективной сушке требуется температура 65-80°C и продолжительность 8-12 часов, что приводит к потере витаминов и биологически активных веществ до 40-60%.

Экономические проблемы: Высокие энергозатраты (12-15 кВт·ч на 1 кг высушенного продукта), низкая производительность и высокие производственные затраты. Это ограничивает возможности производства качественной продукции по конкурентоспособным ценам [3].

Проблемы качества: Получение продуктов с темным цветом, горьким вкусом и низкой пищевой ценностью в высушенной тыквенной мякоти. При неправильном режиме сушки существует риск развития плесени и грибков в продукте.

Результаты и обсуждение. Расчет оптимальных размеров сушильной установки можно выполнить методом физических расчетов воздействия ультразвука на тыквенную мякоть.

Длина волны имеет важное значение при определении глубины распространения ультразвука в тыквенной мякоти.

 - длина волны (м)

 - скорость волны в тыквенной мякоти (м/с)

f - частота ультразвука (Гц), где f = 25 000 Гц (25 кГц) определена на основе имеющихся исследований. Если скорость волны в мякоти v = 1500 м/с:

Отсюда видно, что при оптимальных условиях на данной частоте максимально проникает до 6 см.

Интенсивность ультразвука при этом значении находится по следующей формуле.

Интенсивность - объясняет плотность энергии волны [4].

I - интенсивность (Вт/м²)

P - мощность излучателя (Вт)

S - площадь воздействия (м²)

Если излучатель мощностью 40 Вт, площадь воздействия 0,002 м²:

Вт/м²

Влага согласно первому закону Фика:

J = ˗ D

J - скорость выхода влаги (кг/(м²·с))

D - коэффициент диффузии влаги (м²/с)

 - градиент концентрации (кг/м³·м)

Если D = 10^-9 м²/с, градиент dC/dx = 1 кг/м³·м:

J = - 10^-9 x 1= -1 x 10^-9  кг/(м²·с)

Для эффективного воздействия ультразвуковой волны толщина продукта может составлять в среднем до 4-6 см (40-60 мм). Согласно научным и практическим результатам для эффективности сушки отмечены высокие результаты при толщине 4 мм [5].

Для определения расстояния между тыквенной мякотью и ультразвуковым излучателем основная формула - произведение половины длины волны на целое число:

d = n

где:

d - расстояние между излучателем и мякотью (м),

 - длина волны (м),

v - скорость волны в мякоти (м/с),

f - частота ультразвука (Гц),

n - целое число (1, 2, 3...). Это целое число в распространении, выбираемое согласно энергетическим максимумам или фазовым соотношениям, которое составляется для обеспечения оптимального результата расстояния между излучателем и мякотью

При

v = 1500 м/с, f = 25.000, Гц и n=1

λ =  = 0.06 м

поэтому:

d = 1 x   = 0.03 м = 3 см

Следовательно, точное расстояние между тыквенной мякотью и излучателем для обеспечения первого энергетического максимума должно быть 3 см. Это обеспечивает эффективное проникновение ультразвуковой энергии в продукт [6]. Толщина слоя продукта оказывает значительное влияние на эффективность сушки. С увеличением толщины уменьшается глубина проникновения ультразвуковой энергии и замедляется выход влаги для процесса сушки. Глубина проникновения определяется следующим образом:

δ =

Где:
α - коэффициент поглощения, для тыквенной мякоти α ≈ 200 1/м, соответственно δ ≈ 5 мм

Заключение. Для тыквенной мякоти оптимальная толщина слоя должна составлять около 3-5 мм (0,3-0,5 см). Расстояние между тыквенной мякотью и ультразвуковым излучателем должно быть до 3 см. При такой толщине ультразвуковые волны могут в достаточной степени воздействовать на весь объем тыквенной мякоти. Если слой слишком тонкий, может усилиться испарение воды и образоваться внешние трещины; если слишком толстый, воздействие будет недостаточным. Длина волны: 6 см - обеспечивает хорошее проникновение в мякоть. Интенсивность: 20 000 Вт/м² - при высокой плотности энергии ускоряет сушку. Толщина: при 4 мм достигается быстрая и эффективная сушка.

Список литературы:

1. Kuliyeva N.G., Abduraxmanova M.I. Vacuum freeze-drying technology fruits, berries and vegetables / Volume 11, issue04(2024).p.205-207. SJIF 2019: 5.222 2020: 5.552 2021: 5.637 2022:5.479 2023:6.5632024: 7,805e ISSN :2394-6334 https://www.ijmrd.in/index.php/imjrd
2. Ibragimov R.R., Kuldosheva F.S. The possibility of using ultra-high-frequency energy in the technologiyes of sterilization of plant raw materials. Universum: технические науки. -2023.-№11.-C.15-17 (02.00.00; №1).
3. Ibragimov R.R. Research of the technological process of low temperature sterilization of fruit and vegetables in a microwave field. Universum: технические науки.-2024.-№ 5.-C.42-45 (02.00.00; № 1).
4. Fellows, P. J., Brennan, J. G., Datta, A. K. Dielectric heating in food processing: Principles and applications // Encyclopedia of Food and Health. – 2016. – B. 137–142. DOI: 10.1016/B978-0-12-384947-2.00233-4.
5. Иванов, А. Н., & Черных, С. А. (2013). Инфракрасные сушилки и их применение в промышленности. Вестник высшей школы, 2(1), 56-63.
6. Литвинов, Н. С., & Соловьев, А. В. (2007). Технологии инфракрасной сушки в пищевой промышленности. Технологии и оборудование для пищевой и перерабатывающей промышленности, 21(2), 88-92.