Термогравиметрическое исследование плодов и овощей

Рисунок 1. Дериватограммы картофеля и моркови

Рисунок 2. Дериватограммы сливы «Исполинская» и абрикоса «Юбилейный»

В результате проведенных дериватографических исследований определены характеристические температуры этапов деградации, деструкции веществ и температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений, определяемые пиками эндотермических эффектов, сопровождающихся испарением влаги с различным характером связи с материалом и возможным отделением газообразных фракций.

Качественную оценку дериватограмм производили на основе кривых DTA и DTG. Как видно, кривая DTG имеет два пика, связанных с уменьшением веса. Кривая отклоняется в отрицательную сторону, то есть вниз от основной линии, проведенной пунктиром. Это уменьшение веса начинается уже при температуре в 293 К (начало процесса), достигает первой своей максимальной скорости при температуре плодов (слива и абрикос) – 360 К, овощей (картофель и морковь) – 378-381 К и остается в пределах 378-382 К плодов и 396398 К овощей практически неизменной. При 382 К плодов и 398 К овощей начинается резкое возрастание скорости уменьшения веса и достигает своей максимальной скорости при 460-468 К и 474-477 К, соответственно, и заканчивается.

Анализ данных кривых позволяет разделить процесс сушки плодов и овощей на три последовательных стадии (периоды). На первой стадии влажность изменяется примерно от 80 % до 60 %, удаляется влага макрокапиллярного состояния; на втором периоде – от 60 % до 32 %, удаляется влага мономолекулярного состояния, во время третьего периода – влага полимолекулярного состояния, изменение влажности от 32 % до 14-20 %. Приведенные данные сведены в таблице 1.

Для расчета кинетических параметров процесса нами были использованы модели, представляющие собой модификации уравнения:

- модель Вахуски-Воборила;

- топохимическое уравнение Ерофеева.

При использовании первой модели кинетические константы рассчитываются по кривым ТГ с помощью дифференциального метода.

Таблица 1.

Основные примерные периоды сушки и виды энергии связи влаги плодов и овощей

Здесь также принимаются во внимание тепловые эффекты реакций, имеющие отклонение температуры образца от заданных значений, соответствующих линейному закону. За основу берется дифференциальное уравнение термического разложения твердого вещества:

                                                   (1)

где:  степень превращения, частотный фактор, 1/сек.

E – энергия активации, ккал/моль, N – порядок реакции.

Логарифм этого уравнения имеет следующий вид:

(2)

Решение данного линейного уравнения может быть получено методом наименьших квадратов с дальнейшим уточнением метода Нелдера-Мида.

При описании кинетики термического разложения вторым методом применяется, как указывалось выше, топохимическое уравнение Ерофеева, имеющий вид:

                               (3)

Таким образом, с помощью вышеприведенных уравнений можно моделировать кинетику процессов разложения при высокотемпературной обработке мякоти плодов и овощей.

Расчеты проводились на персональном компьютере IBMPC/XT с использованием пакета обработки данных EUREKA (фирмы Borlandinternational), включающего в себя статистическую обработку данных методом наименьших квадратов и итерационным методом.

Результаты расчета представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты расчета кинетических параметров

Выводы:

На основе анализа дериватограмм определен примерный период сушки, и по расчетам кинетических параметров процесса получены энергетические характеристики плодов и овощей. По первому периоду, соответствующему стадии сушки плодов и овощей наилучшую точность 7,8 % дает модель Вахуски-Воборила. По последующим периодам процесса термического разложения, наиболее ошибку 5,9 % дает модель Ерофеева.