Результаты и обсуждение

Виды фруктов и овощей, их химический состав, а также величины Е и k приведены в Таблицах 1 и 2. На Рис 1 показаны типичные кинетические кривые и соответствующие их аппроксимации. Таким же способом обработав кинетические кривые сушки образцов моркови и яблока различной толщины (L), установили линейный характер зависимости k от 1/L (Рис 2).

Рис 1. Кинетические кривые (из [10]) и их полулогарифмические анаморфозы для моркови.

Рис 2. Кинетические кривые сушки моркови (а) [10] и яблока [11] (d); их аппроксимации — (b), (e) и зависимости k от 1/L.

Таблица 1 Химический состав и кинетические характеристики процесса сушки овощей и фруктов.

Таблица 2 Значения энергии активации (кДж/Моль) процесса сушки слоев яблока разной толщины (L) при различных скоростях обдува (V) (кинетические кривые из [11]).

Архитектонику паренхимы фруктов и овощей можно смоделировать системой параллельных капилляров и мембран (Рис 3), уплотнение которых на границе плода будет приводить к снижению суммарной проницаемости всей проводящей системы паренхимы. Процесс диффузии воды в такой системе формально будет подчиняться уравнению Фика (1) (см. Рис 3). Коэффициент самодиффузии, входящий в (1), прямо пропорционален температуре и обратно пропорционален динамической вязкости, которая экспоненциально зависит от эффективной энергии межмолекулярных взаимодействий [3].

В процессе сушки температуры внутри и вне плода практически равны, поэтому можно не учитывать конвективную составляющую диффузии. Из опытов по сушке картофеля и моркови в барокамере [7] следует, что константа скорости сушки снижается при повышении внешнего давления, что согласуется с капиллярной моделью механизма диффузии воды в биотканях [5]. Константа скорости процесса сушки будет пропорциональна величине диффузного потока воды (k ~ J), которая в свою очередь пропорциональна проницаемости мембраны Р (см. схему на Рис 3). Значение диффузионного сопротивления мембраны (1/Р) будет определяться ее толщиной и интенсивностью взаимодействия молекул воды с гидрофильными центрами молекулярной структуры мембраны с образованием водородной связи. Данное взаимодействие играет ключевую роль в движении воды по капиллярам биотканей [5] и в том числе в растительных тканях [1]. За счет него, очевидно, энергия активации процесса сушки Е оказывается существенно больше энергии активации вязкого течения (самодиффузии) воды, которая по величине близка к энергии водородной связи и равна ~19 кДж/Моль [1,3].

Рис 3. Строение паренхимы корнеплода (а) и винограда [1], а также уравнение Фика, описывающее диффузию воды в растительной ткани (в рамке).

Толщина мембраны, фигурирующая в уравнении (1) в рамках принятой модели будет пропорциональна толщине образца, а величина диффузионного сопротивления пропорциональна ГФ-доле в химическом составе продукта. Для проверки данных положений построили графики зависимости k от 1/L для моркови и яблока (Рис 2с, g) и k, Е от ГФ-доли 14-ти исследованных продуктов (Рис 4). Линейность зависимости k от 1/L, а также тенденции к возрастанию Е и снижению k с увеличением ГФ-доли свидетельствуют о правильности предложенной нами физико-химической модели процесса сушки фруктов и овощей.

Кинетические кривые сушки овощей при различных скоростях обдува их воздухом различной влажности практически совпадают [10]. Аналогичные кривые для яблока, приведенные в [11], позволили вычислить энергию активации процесса сушки для образцов разной толщины и для трех скоростей обдува нагретым воздухом (Таблица 2). Величина Е для всех 9 вариантов сушки в пределах 10% ошибки расчетов оказалась равной средней величине 35 кДж/Моль. Эти результаты свидетельствуют о независимости энергии активации реакции дегидратации растительной ткани от размера образца и значения плотности паров воды на поверхности образца (с_ex, Рис 3). Последняя величина, очевидно, будет различной при обдуве воздухом с разными значениями скорости и влажности.

Рис 4. Зависимости энергии активации (Е) — а) и константы скорости (k) — b) процесса сушки фруктов и овощей от суммарной доли гидрофильных веществ (ГФ-доля) в их составе.

дегидратация овощ скорость химический Номера продуктов на графиках (1 — 14) соответствуют их нумерации в Таблице 1.

С другой стороны данные таблицы и Рис 4 показывают, что величина Е чувствительна к химическому составу растительной ткани и различается не только для различных видов овощей и фруктов, но и для разных сортов одного вида. Это справедливо для величин Е, определяемых разными авторами на разных сортах моркови и яблока (Таблица 1). Следует также отметить, что величина Е чувствительна к диапазону температуры, в котором осуществляется сушка образцов (см. Таблицу 1). По-видимому, при высоких температурах (>70C^о) параллельно с процессом сушки в образцах протекают реакции необратимой деструкции и взаимодействия их микроэлементов с кислородом воздуха с образованием продуктов, увеличивающих диффузионное сопротивление (1/Р) и изменяющих ГФ-долю растительной ткани. Эти изменения могут сказываться на кинетических параметрах (Е, k) и приводить к снижению степени достоверности аппроксимаций кинетических кривых сушки при высоких температурах и возрастанию, соответственно, ошибки в определении энергии активации.