ст. науч. сотр. Ташкентского химико-технологического института, 100011, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 36
Термогравиметрическое исследование плодов и овощей
АННОТАЦИЯ
В данной статье представлены результаты анализа и расчета кинетических параметров дериватограммы овощей (картофеля и моркови) и плодов (сливы и абрикоса). При исследовании кинетики процесса использованы модели Вахуски-Воборила и Ерофеева.
ABSTRACT
In the article results of the analysis and calculation of kinetic parameters of vegetables thermogram (potatoe and carrot) and fruits (plum and apricot) are presented. Models of Vahuski Voborila and Yerofeyev are used in research of kinetics process.
Цели данной работы – определение методом качественного анализа периода сушки, а также общее энергетическое изучение плодов и овощей.
Для качественного анализа большое значение имеет термогравиметрическое измерение изменения массы при исследованиях с помощью дериватографии, основанной на сочетании дифференциально-термического и термогравиметрического метода. Посредством дериватографии у образца одновременно измеряются температура (T), изменение веса (ТГ), скорость изменения веса (DTG) и изменение энтальпии (DTA) исследуемого продукта.
Для получения дериватограммы плодов и овощей использовали деривотограв ОД-103, состоящий из весоизмерительного фоторегистрирующего блока рабочей камеры и аппаратов управления и безопасности.
По результатам неизотермических термогравиметрических исследований плодов и овощей получили дериватограмму (рис. 1, 2), на которой изображены четыре кривые: Т, ТГ, DTG и DTA.
Анализ и расчет кривых дериватограмм сводится к нахождению кинетических констант из кривых ТГА.
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 396
398 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
№ |
Периоды сушки |
Плоды |
Овощи |
||
Слива |
Абрикос |
Картофель |
Морковь |
||
1 |
I |
79,2 |
77 |
82,1-60,7 |
|
2 |
II |
|
|
60,7- |
|
3 |
III |
|
|
32,7-19,1 |
|
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
№ |
Наименование продукта |
Кинетические параметры |
||
Модель Вахуски-Воборила |
||||
ƶ |
E ккал/мол |
N |
||
1 |
Мякоть сливы «Исполинский» |
13,90 |
9,203 |
1,210 |
2 |
Мякоть с кожурой сливы «Исполинский» |
12,80 |
10,101 |
1,36 |
3 |
Мякоть абрикоса |
19,22 |
8,981 |
0,249 |
4 |
Мякоть с кожурой абрикоса |
29,68 |
12,66 |
0,76 |
5 |
Морковь |
28,92 |
13,09 |
0,71 |
6 |
Картофель |
33,30 |
11,58 |
1,86 |
7 |
Кожура моркови |
61,05 |
17,617 |
1,21 |
8 |
Кожура картофеля |
58,03 |
17,510 |
0,88 |
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.
Список литературы:
1. Гинзбург А.С., Курбанов Ж.М., Бессарабов А.М., Каримов М.К. Неизотермическая кинетика сушки коллоидно-капиллярно-пористых тел // Известия ВУЗов. Пищевая технология. – 1987. – № 3. – С. 68-73.
2. Курбанова М.Ж., Комилов М.К. Исследование структурно-механических характеристик пищевых продуктов // Техника и технология пищевых производств : тезисы докладов МНТ конференции (Могилевский государственный университет продовольствия, Могилев 25-26 апреля 2013). – С. 263.
3. Шлягун Г.В., Попа М.Д., Работникова Л.М Применение термогравиметрического метода определения влажности сушеных фруктов и овощей // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2014. – № 4. С. 27-31.