Часть 4. Теоретическое обоснование сушки.

В 1932-1935 гг. Алексей Васильевич Лыков много и плодотворно работал над проблемой переноса в коллоидных, капиллярно-пористых телах. Им был разработан новый метод определения теплофизических характеристик влажных материалов. В 1935 г. он обнаружил новое явление - термическую диффузию влаги в капиллярно-пористых телах.
При неизотермическом переносе влаги, когда режим прогрева влажного материала обусловливает появление в нем градиента не только влажности, но и температуры, влага внутри материала будет перемещаться как за счет градиента влажности (явление влагопроводности, или концентрационная диффузия), так и благодаря градиенту температуры (явление термовлагопроводности, или термическая диффузия).

Движение влаги под действием температурного градиента (термовлагопроводность) в коллоидах и капиллярно-пористых телах, которыми в нашем случае являются отправляемые на сушку представляет собой сложный процесс, который включает следующие явления:
1) молекулярную термодиффузию влаги главным образом в виде молекулярного течения пара, происходящую вследствие разной скорости молекул нагретых и холодных слоев материала;
2) капиллярную проводимость, обусловленную изменением капиллярного потенциала, зависящего от поверхностного натяжения, которое с повышением температуры уменьшается, а поскольку капиллярное давление над вогнутым мениском отрицательно, уменьшение давления повышает всасывающее усилие, вследствие чего влага в виде жидкости уходит от нагретых слоев тела к более холодным;
3) перемещение влаги под действием "защемленного" воздуха, поскольку при нагревании материала воздух в порах расширяется и проталкивает жидкость к слоям с более низкой температурой.

Термовлагопроводность является причиной перемещения влаги по направлению потока тепла. Однако при конвективной сушке создается градиент температуры, противоположный градиенту влажности, что препятствует передвижению влаги изнутри к поверхности материала. Но если направления градиента влажности и температурного градиента совпадают, то совпадают и направления соответствующих потоков влаги, которые в сумме дают общий поток влаги.
Термоградиентный коэффициент зависит от влажности материала, т. е. от термического перемещения влаги, и так же, как и влагопроводность, обусловлен формой связи влаги с материалом.

На основе явлений влагопроводности и термовлагопроводности А. В. Лыков раскрыл механизм усадки и разрушение материала в процессе сушки, а также переноса водорастворимых веществ и показал, что основным препятствием для быстрой сушки многих материалов является их растрескивание. Причиной появления трещин (локальное разрушение), а также полного разрушения (потеря целостности структуры) является развитие объемного напряженного состояния сушимого материала свыше предельно допустимого, обусловленного прочностью материала. Это напряженное состояние создается недопустимой усадкой, которая в свою очередь возникает в результате неравномерного распределения влагосодержания и температуры внутри материала. Следовательно, основной причиной трещинообразования в процессе сушки является наличие полей влагосодержания и температуры со значительными перепадами этих величин. Практическое использование этих знаний позволяет получать высушиваемый материал высокого качества.

Жидкость во многих материалах содержит в себе растворимые вещества, которые при движении жидкости переносятся с ней и концентрируются на поверхности материала вследствие испарения жидкости. Следует отметить, что для одних материалов это является нежелательным, а для других технологических процессов и материалов - необходимым условием.

Особенно эффективным методом управления переносом вещества является изменение температурного градиента внутри материала. Изменяя величину и направление Δt, можно создать разнообразные условия для перемещения влаги и тем самым воздействовать на физико-химические и биологические свойства материала.
Формы связи влаги с материалом и влияние ее на показатели физико-механических свойств.
Все влажные материалы в зависимости от их основных коллоидно-физических свойств можно разделить на три вида: 1) коллоидные, 2)капиллярно-пористые, 3) коллоидные капиллярно-пористые.

Мясные и рыбные продукты, имеющие для нас практический интерес, условно относятся к третьему виду. Стенки коллоидных капиллярно-пористых тел эластичны и при поглощении влаги видоизменяются и меняют свои размеры. При удалении влаги в процессе сушки разрушаются связи влаги с материалом, на что затрачивается определенная энергия.

По принципу интенсивности энергии связи влаги с материалом построена схема академика Ребиндера П.А., согласно которой связи делятся на химические, физико-химические и физико-механические.
Связь влаги с материалом.

Адсорбционная связь влаги с материалом возникает при адсорбции молекул воды функциональными группами коллагена или полимеров. Влага заполняет самые мелкие пространства между основными цепями белка и раздвигает их в одном направлении, выпрямляя изогнутые боковые цепи. Адсорбционная влага поглощается с выделением большого количества тепла, что свидетельствует о значительной энергии связи ее с материалом. Поэтому адсорбционную влагу часто называют влагой гидратации. Энергия связи влаги гидратации настолько значительна, что влага перестает обладать свойствами жидкой фазы: не участвует в растворении веществ, не замерзает, меняет свои электрические свойства.

В следующей стадии происходит проникание молекул воды в материал вследствие их молекулярно-кинетического движения, обусловленного явлением осмоса или избирательной диффузии.

Коллоидное тело представляет собой скелет из замкнутых клеток, стенки которых состоят из фракций высокомолекулярной массы, нерастворимых в воде. В этих клетках находится низкомолекулярная (растворимая в воде) фракция, не способная проходить через стенку клетки. Она попадает внутрь клетки в процессе формирования геля. Но через стенки клетки может проникать вода, т.е. они представляют собой полупроницаемую оболочку. Растворимая фракция вещества геля находится не только внутри клетки, но и вне нее. Концентрация растворимой фракции внутри больше, чем вне клетки, в результате чего вода проникает внутрь клетки путем избирательной диффузии (осмоса) через ее стенку. Таким образом, замкнутая клетка является как бы осмотической ячейкой, и движение воды обусловлено разностью осмотических давлений растворимых фракций. Такая влага называется осмотической. Поглощение жидкости в этом случае вызывает значительное увеличение объема и изменение давления набухания. (Рис.1,2,3)

Рис.1 Исходный материал

Рис.2 Набухание

Рис.3 Усушка

По классификации Ребиндера жидкость, находящаяся внутри клетки и захваченная ею при образовании геля, называется структурной влагой.
Влага, имеющая физико-механическую связь, делится на капиллярную и влагу смачивания. Капиллярная влага благодаря силам поверхностного натяжения и капиллярному давлению заполняет свободное пространство между структурными единицами, из которых складываются волокна материала, т.е. капилляры, радиус которых меньше или равен 10-5см (0,1 мкм). Капиллярная влага поглощается поверхностным слоем как из воздуха путем конденсации, так и при непосредственном соприкосновении с водой.
Если материал, предельно насыщенный капиллярной влагой, опустить в воду, то часть воды будет им впитана. Впитанная материалом вода, называется влагой смачивания. Она заполняет капилляры, радиус которых больше 10-5см (10 мкм
Физико-механическая связь влаги, особенно влаги смачивания с материалом очень непрочная. Такая влага легко удаляется из материала простым отжатием.
Итак, для процесса увлажнения и сушки материалов имеют значение адсорбционная, осмотическая, структурная связи, а также связь в микро- и макрокапиллярах.
Адсорбционная влага (влага гидратации) значительно изменяет размеры материала благодаря увеличению расстояния между основными полипептидными цепями.
Из-за расклинивающего действия тонких слоев капиллярной влаги площадь и толщина поверхностного слоя становятся больше.
Влага намокания почти не изменяет размеров материала.

Капиллярная влага и влага гидратации увеличивают удлинение поверхностного слоя (кожи) при растяжении. Влага смачивания почти не изменяет эффект, достигаемый поглощением капиллярной влаги.

Увлажнение снижает прочность материала при сжатии (существенную роль при этом играет влага гидратации).
Так как влага намокания обладает свойствами свободной жидкости, она может вымывать из поверхностного слоя водорастворимые вещества, а кроме того, замедляет процесс сушки, поэтому называется балластной. Введение влаги намокания в поверхность материала, направляемого на сушку, нежелательно.
Влажность одного и того же материала может изменяться в значительных пределах. Однако после продолжительного пребывания материала с произвольной начальной влажностью в данных метеорологических условиях влажность его стремится к известному пределу, по достижении которого остается постоянной. Эту устойчивую влажность материала называют равновесной.

Равновесная влажность зависит от характера материала, относительной влажности окружающего воздуха (чем она больше, тем выше равновесная влажность) и температуры воздуха (при одинаковой относительной влажности воздуха с повышением его температуры равновесная влажность снижается).
Кривая, изображающая зависимость степени влажности материала от относительной влажности воздуха при определенной температуре, называется изотермой или кривой равновесной влажности.
Если известна кривая равновесной влажности, можно установить заранее, как будет изменяться влажность материала в конкретных условиях и, следовательно, режимы увлажнения и хранения.

Равновесная влажность материала при полном насыщении воздуха влагой, т.е. при относительной влажности воздуха 100 %, называется гигроскопической влажностью.
Влага поглощается материалом сверх максимального гигроскопического влагосодержания лишь при непосредственном соприкосновении его с жидкостью.
Основные положения теории перемещения влаги в коллоидных и капиллярно-пористых телах
Влага может перемещаться в виде жидкости или пара. Частицы заключенной в материале жидкости находятся в равновесии при равномерном распределении влаги по всему объему материала или при равенстве температур в различных точках материала. Нарушение одного из этих условий влечет за собой более или менее интенсивное перемещение влаги в материале. Иными словами, основными факторами перемещения влаги в материале является разница (градиент) влажности ΔW и температуры ΔТ.
При нарушении равномерного распределения влаги по объему материала, т.е. при наличии градиента влажности ΔW, она перемещается из мест с большей ее концентрацией в места с меньшей концентрацией.

При нарушении равенства температур в различных точках (при наличии температурного градиента ΔТ) влага перемещается от поверхностей с высокой температурой к поверхностям с более низкой температурой.
При небольшом перепаде температур влага перемещается в виде жидкости. Если перепад температур большой, то влага перемещается в виде пара.
Перемещение влаги в теле по направлению теплового потока называется термодиффузией или термовлагопроводностью.
Наличие градиента влажности (ΔW) и температуры (ΔТ) в материале повышает скорость увлажнения, если направления потоков тепла и влаги совпадают, и снижают ее, если направления потоков не совпадают.
Активность воды.

Влажность одного и того же продукта может изменяться в значительных пределах. Однако после продолжительного пребывания продукта с произвольной начальной влажностью в данных метеорологических условиях влажность его стремится к известному пределу, по достижении которого остается постоянной. Эту устойчивую влажность материала называют равновесной.
Равновесная влажность зависит от характера продукта, относительной влажности окружающего воздуха (чем она больше, тем выше равновесная влажность) и температуры воздуха (при одинаковой относительной влажности воздуха с повышением его температуры равновесная влажность снижается).
Равновесная влажность материала при полном насыщении воздуха влагой, т.е. при относительной влажности воздуха 100%, называется гигроскопической влажностью.
Влага поглощается продуктом сверх максимального гигроскопического влагосодержания лишь при непосредственном соприкосновении его с жидкостью.
Вода в пищевых продуктах, как и в любом биологическом материале, также удерживается всеми формами связи и выступает наравне с другими как обычная составная часть ткани или продукта. Однако характер и прочность форм ее связи неодинаковы. Наиболее прочно связана адсорбционная влага, наименее прочно в продуктах связана влага, дополнительно поглощенная белковыми системами в процессах их гидратирования (слабосвязанная влага).

Практически все отечественные стандарты на пищевые продукты предусматривают определение количественной характеристики "массовой доли влаги", которая отражает важную роль воды в таких сложных гетерогенных и биологических активных системах, какими являются пищевые продукты.
В последнее же время для характеристики состояния влаги в продукте наряду с влагосодержанием, влагоемкостью, водосвязывающей способностью чаще начали применять интегральную характеристику – активность воды aw. С помощью этого показателя производят оценку степени участия воды в различных химических, биохимических и микробиологических реакциях, протекающих в продукте как в процессе изготовления, так и в процессе его хранения: окисление липидов, ферментативную и неферментативную активность, гидролитические реакции, развитие микроорганизмов.

Из общего количества воды, содержащейся в пищевом продукте, микроорганизмы, например, могут использовать для своей жизнедеятельности лишь определенную "активную" ее часть. И для каждого вида микроорганизмов существуют максимальное, минимальное и оптимальное значения активности воды. Отклонение значения aw от оптимального приводит к торможению процессов жизнедеятельности микроорганизмов, а иногда и к их гибели.
Активность воды характеризует сам продукт и обусловлена химическим составом и гигроскопическими свойствами его.
Равновесная относительная влажность характеризует окружающую среду, находящуюся в гигротермическом равновесии с продуктом.
Активность воды характеризует форму связи влаги в продукте.

Исходя из значения величины "активность воды" aw в пищевых продуктах, их разделяют на следующие виды:
- продукты с высокой влажностью – аw = 1,0-0,9;
- продукты с промежуточной влажностью – аw = 0,9-0,6;
- продукты с низкой влажностью – аw = 0,6-0,0.

В настоящее время уже достаточно полно изучены и определены для многих продуктов пороговые значения аw, за пределами которых замедляются или прекращаются процессы роста микроорганизмов. Так, для большинства бактерий предельное значение аw, обеспечивающее их нормальное развитие, должно быть не ниже 0,90-0,99. Дрожжи и многие плесневые грибы хорошо развиваются даже в пределах аw = 0,85-0,65. Понижение аw от 1 до 0,2 приводит к значительному замедлению химических и ферментативных реакций, кроме процесса окисления липидов и реакции Майяра.
Активность воды aw в продукте можно изменять. Для этого существует масса способов: добавление растворимых солей, сахаров и других ингредиентов, высушивание, повышение осмотического давления, превращение части воды в лед при замораживании.
В пищевой технологии традиционно в качестве веществ, понижающих активность воды, используют соль, сахара и другие пищевые добавки, молекулы которых имеют большую или меньшую степень диссоциации.

Одной из самых важных задач при проведении технологических процессов производства продуктов питания является определение барьеров (факторов), которые помогут регулировать активность воды в продуктах. За рубежом с этой целью уже разработаны так называемые барьерные технологии на производство целого ряда продуктов, призванные с помощью определенных барьеров сохранить безопасность и качество продуктов с увеличенным сроком хранения. Контроль над всеми формами ухудшения качества и сведение такого явления к минимуму проводят с помощью показателя "активность воды" aw.
Этот показатель используется для подтверждения правильности установления сроков годности (хранения), условий хранения продовольственного сырья и пищевых продуктов, т.е. одним из основных показателей качества и безопасности продуктов, выпускаемых на потребительский рынок, является "активная вода" aw.

опубликовано с разрешения
автора статьи инжерера-технолога
Недосекова Кирилла