Предварительной тепловой обработкой сырья принято называть кратковременное (5-15 мин) воздействие на сырье горячей (80-100°С) воды, пара или горячего растительного масла. Обработку сырья горячей водой или паром называют бланшированием (от французского слова blanchir - отбеливать), обработку в горячем растительном масле - обжариванием.

 Уваривание измельченного сырья, например, при концентрировании томатопродуктов или при варке плодов в сахарном сиропе (для варенья), к предварительной тепловой обработке не относится.

 В различных технологических процессах предварительная тепловая обработка сырья преследует следующие цели:

ИЗМЕНИТЬ ОБЪЕМ И МАССУ СЫРЬЯ. В зависимости от конкретного вида и поставленной задачи объем сырья требуется увеличить либо уменьшить. Так, например, при изготовлении так называемых мясорастительных консервов, в рецептуру которых входят сухие бобовые культуры, практикуют бланширование сухого гороха или фасоли в кипящей воде в течение 10-20 мин для набухания зерен, при этом благодаря впитыванию воды объем их и масса увеличиваются примерно в 2 раза. Если этого не сделать, то при стерилизации консервов сухие бобовые культуры набухают в результате поглощения бульона, и в готовой продукции не остается жидкой фазы. В ряде случаев бланшируют и рис, объем и масса которого при этом увеличиваются на 100%. При изготовлении же консервов из отварной говядины или свинины бланшированию подлежит мясо, объем и масса которого при этом уменьшаются на 30-40% из-за коагуляции белков и освобождения части связанной ранее влаги. Благодаря этому в банку укладывается более концентрированное , по белку мясо, и коэффициент заполнения банки питательными веществами увеличивается;

 

РАЗМЯГЧИТЬ СЫРЬЕ, чтобы его можно было плотнее уложить в банки или же для облегчения удаления несъедобных частей - кожицы, косточек, семян - при последующем протирании на ситах. Размягчаются плоды при тепловой обработке по двум причинам. С одной стороны, при нагревании гидролизуется протопектин, склеивающий отдельные клетки между собой и цементирующий растительную ткань. При гидролизе протопектин переходит в растворимую форму, клетки отделяются друг от друга, плодовая ткань мацерируется, становится рыхлой и мягкой. Однако для гидролиза протопектина требуется относительно продолжительное время тепловой обработки плодов (15-20 мин). В то же время известно, что достаточно нагреть растительную ткань до 80-85°С хотя бы за 3-4 мин, как плоды становятся мягкими. Это связано с тем, что при нагревании коагулируют белки протоплазмы, цитоплазменная оболочка повреждается, осмотическое давление, обусловливающее твердость плода, стравливается и плод размягчается;

 

УВЕЛИЧИТЬ КЛЕТОЧНУЮ ПРОНИЦАЕМОСТЬ. В ряде случаев цитоплазменные оболочки плодовых клеток тормозят протекание технологических процессов и должны быть разрушены. Так, именно эти полупроницаемые мембраны являются основным препятствием при извлечении плодовых соков прессованием. Чтобы извлечь содержимое клеток, это препятствие нужно устранить, повысив до предела клеточную проницаемость плодов ткани. Один из наиболее эффективных технологических приемов, позволяющих повредить цитоплазменные мембраны, - бланширование плодов водой или паром. При этом необходимо иметь в виду, что повреждения цитоплазменных мембран и увеличения клеточной проницаемости можно достигнуть на разных температурных уровнях, начиная с 65°С, изменяется лишь соответствующее время обработки. Естественно, что чем выше температура бланширования, тем меньше необходимое время тепловой обработки.

 На рис. 14 показано изменение клеточной проницаемости яблок при бланшировании в пределах температурного диапазона 60-100°С. Поскольку клеточная проницаемость измерялась электрометрическим методом (чем больше клеточная проницаемость, тем выше электрическая проводимость) и результат измерений зависит не только от клеточной проницаемости, но и от температуры объекта, то для того, чтобы снять влияние температуры на показания прибора, плодовую ткань после бланширования охлаждали и по показателям охлажденной ткани окончательно судили об изменениях клеточной проницаемости. Пунктирные линии на рис. 14 и показывают изменение показателя клеточной проницаемости Ки в период охлаждения. Из рис. 14 видно, что показатель клеточной проницаемости выходит за пределы смертельных значений, начиная с 70°С. Поэтому в случаях, когда опасаются разваривания плодов при высоких температурах, можно производить бланширование не в течение 4-5 мин, скажем при 100°С, а в течение 8-10 мин при 70-80°С.

 

 Рис. 14. Изменение клеточной проницаемости плодовой ткани при бланшировании
(при температурах, °С): 1-60; 2-65; 3-70; 4-80; 5 - 100

 

Цитоплазменные мембраны являются препятствием также и в том случае, когда нужно не извлечь содержимое клеток, а наоборот, пропитать чем-либо клетку извне, например сахаром или солью. Так, большой помехой непроницаемость цитоплазменных мембран является в производстве варенья. При варке варенья протекают противоположные по направлению диффузионно-осмотические процессы, в результате которых из плодов извлекается вытекающая наружу и частично испаряюшаяся влага, а внутрь клетки проникает сахар из окружающего плоды сиропа. В соответствии с предъявляемыми к готовой продукций требованиями плоды после варки должны сохранить первоначальный объем и не быть сморщенными, а соотношение между плодами и сиропом должно находиться на уровне 1:1. Исходя из этих требований, варенье надо варить так, чтобы количество извлекаемой при варке влаги w компенсировалось количеством впитываемого сахара с, т. е. отношение w/c должно быть около единицы. Между тем, если погрузить свежие плоды или их дольки в сахарный сироп, то в первые минуты, пока плоды еще не прогрелись и цела протоплазма, происходит лишь осмотическое отсасывание влаги, а диффузионное проникновение сахара внутрь плодовых клеток задерживается непроницаемой для сахара цитоплазменной оболочкой. Поэтому плоды сразу же и сморщиваются. В дальнейшем цитоплазма при нагревании плодов повреждается и открывается доступ сахара в клетку. Но все равно влаги к этому моменту извлечено слишком много и нужной компенсации достигнуть не удается. Отношение w/c значительно превышает единицу, и в результате по окончании варки и фасовки плодов и сиропа в соотношении 1:1 остается и постепенно накапливается в производстве избыток сиропа. Это очень осложняет технологию варенья и является одной из проблем в этом производстве. Если же плоды до варки пробланшировать, то клеточная проницаемость их возрастет и при последующем погружении в сироп сразу произойдет не только осмотическое отсасывание влаги, но и диффузионное проникновение сахара внутрь плодовой ткани через поврежденную цитоплазменную мембрану;

 

ИНАКТИВИРОВАТЬ ФЕРМЕНТЫ. Как отмечалось, деятельность ферментов, оказавшихся в пищевом продукте при переработке сырья, может вызвать порчу готовой продукции даже при отсутствии микроорганизмов. Это относится к таким «холодным» способам стерилизации, как, например, обеспложивающее фильтрование и ионизирующие излучения. Кратковременное прогревание или бланширование при 80-100°С инактивирует большинство ферментов, прекращает их деятельность и тем самым предупреждает ферментативную порчу.

 Деятельностью окислительных ферментов объясняется также потемнение нарезанных семечковых плодов на воздухе. Это тоже пример нежелательного ферментативного процесса, с которым приходится встречаться в производстве компотов, джемов и некоторых других видов фруктовых консервов и который следует предотвратить. Схема окислительного процесса ферментативного потемнения нарезанных плодов представляется в следующем виде. На первой стадии фермент (обозначаемый буквой А) присоединяет молекулярный кислород воздуха и активирует его, образуя соединение типа пероксида:

  А + О₂ → АО₂.

 Если в плодах имеется соответствующий субстрат восстановительного характера (дубильные вещества, полифенолы, обозначаемые буквой В), то образовавшийся органический пероксид А02 отдает кислород уже в атомарном виде, окисляя, таким образом, дубильные вещества, которые молекулярным кислородом воздуха не окисляются. Поэтому вторая стадия ферментативного процесса протекает по схеме:

  А0₂ + 2В → A + 2BO.

 При этом фермент восстанавливается в первоначальном виде, а образующийся оксид ВО представляет собой темноокрашенное соединение, называемое иногда флобафеном. Таким образом, получается, что поскольку полифенолы кислородом воздуха без помощи ферментов не окисляются, то для предотвращения процесса потемнения необходимо окислительные ферменты инактивировать. С этой целью в упомянутых производствах применяют кратковременное (5-10 мин) бланширование в воде при температуре 85-100°С. Так так инактивирование ферментов лучше протекает в кислой среде, то при бланшировании воду рекомендуется подкислять лимонной или виннокаменной кислотой до концентрации 0,1-0,2%;

 

ГИДРОЛИЗОВАТЬ ПРОТОПЕКТИН. Получение фруктовой продукции, имеющей желеобразную консистенцию (повидло, джемы, мармелады, желе), невозможно без наличия в увариваемой массе растворимого пектина. Именно он в присутствии сахара и кислоты образует студни. Согласно существующим воззрениям желе получается тогда, когда осаждение пектина происходит в агрегатах мицелл в присутствии сахара, который действует как обезвоживающий агент, поглощающий сольватные оболочки, и в присутствии водородных ионов, нейтрализующих отрицательные заряды пектиновых молекул. Образовавшееся желе представляет собой сплетение фибрилл из пектиновых молекул, промежутки между которыми заполнены сахарным сиропом.

 В некоторых плодах пектиновых веществ содержится мало. Чтобы из такого сырья получить фруктовый студень, приходится вводить в рецептуру так называемые желирующие соки, т. е. соки из плодов, богатых растворимым пектином. Иногда же пектиновых веществ в плодах много, но они находятся главным образом в нерастворимой форме, в виде протопектина. Иногда необходимо так обработать плоды, чтобы произвести гидролиз протопектина и превращение его в растворимую форму, которая только и способна впоследствии обеспечить желеобразное состояние продукции. Чтобы гидролизовать протопектин, плоды бланшируют паром в течение 10-20 мин;

 

УДАЛИТЬ ВОЗДУХ. Содержащийся в межклеточных пространствах растительной ткани воздух, попадая в готовую продукцию, а также действуя на промежуточных этапах на сырье, вызывает ухудшение качества продукта, способствует коррозии металлической тары, вызывает повышенное давление в банках при стерилизации. При бланшировании сырье в значительной мере освобождается от воздуха;

 

ПОВЫСИТЬ КАЛОРИЙНОСТЬ И ПРИДАТЬ СЫРЬЮ СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ВКУСОВЫЕ СВОЙСТВА. Это достигается при обжаривании сырья в растительном масле, о чем будет подробнее сказано ниже.

 Рассмотрим технику тепловой обработки.

 

 Бланширование водой.

Выбор аппаратуры для бланширования водой связан с объемами производства. Если пропускная способность цеха небольшая, плоды бланшируют вручную в цилиндрических или прямоугольного сечения металлических дырчатых корзинах-сетках, которые загружают в наполненные горячей водой двустенные, котлы.

 Двустенный котел (рис. 15) состоит из двух оболочек. Внутреннее «тело» изготовлено из стали или меди. В эту оболочку наливают подлежащую нагреванию воду. Наружное «тело» изготовлено из чугуна. В образовавшееся между двумя «телами» герметически закрытое пространство подают пар давлением обычно О,2-0,3 МПа. Вода во внутренней оболочке нагревается до 80-85°С или до слабого кипения. По окончании бланширования сетки с плодами вынимают из котла и погружают в холодную воду, чтобы предотвратить разваривание сырья. Двустенные котлы изготавливают вместимостью 150, 300 и 500 л.

 Ручной способ бланширования можно использовать, когда производительность линии измеряется десятками килограммов сырья в час.

 При большой производительности линии применяют непрерывно действующие тепловые аппараты, называемые бланширователями. Эти аппараты бывают ленточными, ковшовыми и барабанными.

 

 Рис. 15. Двустенный котел

 

Один из типов ленточных бланширователей называемый также скребковым, представлен на рис. 16. Это - прямоугольного сечения стальная ванна с водой, в которой установлено транспортирующее устройство, выполненное в виде горизонтальной ленты с поперечными планками (скребками), укрепленной на двух тяговых цепях. Скребки необходимы для предупреждения скатывания плодов обратно в ванну бланширователя с наклонной части ленты при выгрузке. Плоды с помощью элеватора через бункер бланширователя попадают на бесконечную конвейерную ленту и проходят вдоль ванны с горячей водой в течение установленного времени тепловой обработки. Вода в бланширователе нагревается с помощью острого пара, подаваемого через дырчатую паровую трубу - барботер, установленный между рабочей и холостой ветвями ленты. В разгрузочной части ванны горизонтальная лента переходит в наклонное положение, выходя из горячей воды.

 

 Рис. 16. Скребковый бланширователь

 

Наклон делается для того, чтобы плоды по течке самотеком поступали на следующий процесс (при этом не нужны промежуточные элеваторные устройства). Над наклонной частью ленты установлены душевые устройства для охлаждения бланшированных плодов водопроводной водой. Механически увлеченная плодами вода стекает с наклонной части ленты обратно в ванну.

 

 Бланширование паром.

Для бланширования паром также пользуются непрерывно действующими, чаще - ленточными или шнековыми аппаратами, называемыми шпарителями.

 Получивший большое распространение в консервном производстве шнековый шпаритель (рис. 17) представляет собой закрытый желоб, в котором помещен шнек с полым перфорированным валом, выполняющим одновременно функцию барботера. На рисунке показан двухсекционный шнековый шпаритель. Плоды с помощью элеватора подаются в бункер шпарителя, устанавливаемого обычно на площадке высотой над уровнем пола не менее 2 м. Короб заполнен острым паром, подаваемым через полый вал. Обрабатываемые паром плоды перемещаются с помощью шнека вправо, проваливаются в нижнюю секцию, шнек которой движется в обратном направлении, и поступают по течке на следующий процесс.

 

 Обжаривание.

Для обжаривания сырье (овощи или рыбу) погружают на несколько (5-15) минут в растительное масло, нагретое примерно до 130-140°С. При обжаривании из сырья испаряется значительная часть влаги, а извне в него впитывается некоторое количество масла. Благодаря этому содержание сухих веществ в обжаренном сырье и энергетическая ценность его возрастают. Кроме того, при обжаривании на поверхности обрабатываемого сырья образуется золотисто-коричневая, приятно хрустящая на зубах корочка из карамелизованных углеводов, что придает обжариваемому сырью специфический вкус.

 

 Рис. 17. Схема двухсекционного шнекового шпарителя

 

 Схема процесса образования корочки из карамелизованных углеводов при обжаривании представляется в следующем виде. При погружении сырья в горячее масло влага начинает испаряться и прежде всего - с поверхности продукта. Поскольку концентрация влаги в глубине получается больше, чем на поверхности, происходит диффузионное подсасывание влаги из глубины на поверхность, где она снова испаряется. Следует иметь в виду, что до тех пор, пока поверхность сырья влажная, температура ее не может подняться выше 100°С, хотя она и соприкасается с маслом, нагретым до 130-140°С: выкипающая влага отнимает тепло от поверхности и охлаждает ее. Для глубокой же карамелизации углеводов и образования корочки необходима температура выше 100°С. Таким образом, в первые минуты обжаривания корочка не образуется. Однако скорость испарения влаги с поверхности превышает скорость диффузионного подсасывания ее из глубины на поверхность. Поэтому через некоторое время наступает момент, когда поверхностный слой обезвоживается, температура его сразу поднимается выше 100°С и появляется карамелизованная корочка. При обжариваний овощей корочка образуется из содержащихся в них углеводов - Сахаров крахмала, целлюлозы, пектина. В рыбе углеводов нет поэтому перед обжаркой ее панируют, т. е. вываливают в муке, и корочка образуется из углеводов муки.

 Появление золотистой корочки - органолептический признак готовности обжаренного сырья. Однако имеется и более надежный - объективный критерий качества. Это убыль массы сырья при обжаривании, так называемая видимая ужарка. Как отмечалось, при обжаривании происходят два противоположно направленных процесса массообмена: один - выпаривание влаги - направлен наружу, другой - впитывание масла-внутрь. Влаги выпаривается больше, чем впитывается масла, поэтому в процессе обжаривания масса сырья убывает. Если обозначить массу сырья до обжаривания А, а массу обжаренного сырья - В, то относительную убыль в % к первоначальной массе - X, называемую видимым процентом ужарки, определяют по формуле

  Х = (A - В) / А • 100.     (3)

 Многолетний опыт работы консервных заводов показал, при каких значениях видимого процента ужарки качество обжаренного сырья получается наилучшим. Этот показатель нормируется, и для каждого вида сырья установлен определенный видимый процент ужарки. Так, для моркови он составляет 45-50, для лука-50, для баклажанов 32-35, для рыбы - около 20. Сведения об этом показателе необходимы и для расчета норм расхода сырья на единицу готовой продукции. Видимый процент ужарки используется, таким образом, и для контроля работы обжарочных аппаратов. Для этого периодически взвешивают необходимое количество сырья, загружают его в сетку, обжаривают, дают стечь маслу, снова взвешивают, затем рассчитывают относительную убыль по формуле (3). Термин «видимый» показывает, что это изменение качества сырья мы видам, производя взвешивание на весах, хотя данная ужарка не является подлинной потерей массы.

 В отличие от видимой ужарки существует представление об «истинной» ужарке, под которой понимают убыль влаги сырья при обжаривании, т. е. то, что на самом деле «истинно» ужарилось. С количественной стороны убыль влаги характеризуется так называемым истинным процентом ужарки, который показывает количество выпаренной при обжаривании влаги в процентах к исходному сырью и обозначается W%.

 Истинный процент ужарки необходимо знать в тех случаях, когда следует произвести теплотехнические расчеты, связанные с определением поверхности нагревательных элементов обжарочных аппаратов.

 Как известно, требуемая поверхность нагрева змеевиков определяется из уравнения теплового потока

  Q = kFΔtr,      (4)

 где, Q - количество тепла, которое необходимо передать через поверхность нагрева F при коэффициенте теплопередачи k, разности температур между теплоносителем и нагреваемым объектом Δt за время r.

 Для непрерывно действующих аппаратов расчет ведется не на время теплового цикла х, а на час работы, поэтому для такого случая формула (4) имеет вид

  Q = kFΔt      (5)

 Отсюда находится требуемая поверхность нагрева:

  F = Q /(kΔt).     (6)

 Величины k и Δ t для определенных типов аппаратов и конкретных видов сырья известны и являются постоянными. Что касается Q, то эта величина переменная, представляющая собой суммарный расход тепла на различные элементы теплового процесса: нагрев продукта, испарение влаги, нагрев транспортирующих органов и т. д. Из перечисленных статей расхода тепла подавляющая доля (65-70%) приходится на испарение влаги и может быть рассчитана по выражению

  Q_H = Wr     (7)

 где W- количество влаги, подлежащей выпариванию при обжаривании за час работы, , кг; r- теплота испарения.

 Таким образом, необходимая поверхность нагрева может быть приближенно рассчитана по формуле

  F = (1,4  ÷ 1,5) Wr/(kΔt)     (8)

 где 1,4 ÷1,5 - коэффициенты, учитывающие статьи расхода тепла на процесс обжаривания, помимо расхода тепла на выпаривание влаги.

 Итак, для тепловых расчетов поверхностей нагрева змеевиков обжарочных печей необходимо располагать сведениями об истинном проценте ужарки, с помощью которого определяют количество выпариваемой в час влаги. Этот показатель можно найти только расчетным путем, зная экспериментально определенные значения видимой ужарки и количества впитанного масла.

 Зависимость между истинным и видимым процентами ужарки находят следующим образом.

 Обозначим через А массу исходного сырья (в кг), X-видимую ужарку (в % к А), В - массу обжаренного сырья (в кг), W - истинную ужарку (в % к А), m - количество впитанного в сырье при обжарке масла (в % к В).

 Расчет ведется по схеме:

  W₀ ⇄ M

 Это означает, что, с одной стороны, в процессе обжаривания определенная масса влаги W₀ (в кг) из сырья уходит наружу, а с другой - некоторая масса масла М (в кг) впитывается внутрь сырья. Разность между W₀ и М и означает убыль массы X₀ (кг), называемую видимой ужаркой.

 Следовательно,

  W₀ – M = X₀,     (9)

  a  W₀ = X₀ + M. 

 В выражении (9) фигурируют массы, которые можно определить исходя из принятых ранее обозначений.

 Количество выпаренной влаги (в кг) составляет       

  W₀ -AW/100.     (10)

 Убыль массы сырья при обжарке (в кг) равна

  Хo = АX/100.      (11)

  Для расчета массы впитанного масла (в кг) необходимо знать массу обжаренного сырья, по отношению к которому считают процент впитанного масла:

  В = А - Х₀ = А - АХ/100;     (12)

  B = [A (100 -X)]/100.

 Отсюда

  М = Вm/100,     (13)

 или

  M = А (100 - Х) m/(100 • 100).     (14)

Подставим выражения (10), (11) и (14) в формулу (9):

 AW/100 = АХ/100 + Аm (100 - Х)/(100 • 100),     (15)

 отсюда

 100АW = 100АХ + Аm (100 - X),

 или

 100W = 100Х + m(100 -X),

 или, окончательно (в %)

 W = X + m (100 – X)/100.      (16)

 

Пример. Определить количество влаги, выпариваемое в час из 2000 кг моркови, при условии, что видимая ужарка по цеховым замерам составляет 50% и, по лабораторным анализам, в обжаренное сырье впитывается 13% масла. По формуле (16) находим истинный процент ужарки:

 W = 50 + 13 (100 - 50)/100 = 56,5%.

 Тогда количество влаги, выпаренной в час, из 2000 кг моркови будет равно

 W₀ - 2000 • 56,5/100 = 1130 кг.

 Овощи и рыбу обжаривают в аппаратах - обжарочных, или паромасляных печах. Паромасляными эти печи называются потому, что процесс обжаривания сырья производится в горячем растительном масле, нагреваемом с помощью водяного пара, который подается в глухие змеевики, погружённые в масло. Таким образом, в аппарате имеется два теплоносителя: первичный - пар, отдающий свое тепло маслу, и вторичный - масло, отдаюшее свое тепло обжариваемому сырью. Масло, будучи промежуточным теплоносителем, играет роль технологического агента, который проникает в обжариваемый материал и становится компонентом химического состава готовой продукции.

 

 Рис. 18. Схема паромасляной печи:
 1 - ванна печи; 2 - змеевики; 3 - коллекторы; 4 - водяная подушка; 5 - масло; 6 - сетка  с сырьем

 

В обжарочных печах помимо погруженной змеевиковой поверхности нагрева существуют, по терминологии И.Г. Шифа [35], внешние поверхности, в качестве которых используются днища ванны печи, нагреваемые огнем или электрическими спиралями, а также выносные, находящиеся вне аппарата. Последние представляют собой нагревательные элементы, заключенные в трубки, между которыми движется масло, подаваемое с помощью насоса в печь. В овощеконсервном производстве применяются в основном паромасляные печи с погруженной поверхностью нагрева, при обжаривании рыбы нередко используются электронагревательные аппараты с внешней и погруженной поверхностью нагрева.

 Паромасляные печи бывают разных конструкций, однако в основе большинства их лежит прямоугольная стальная ванна, которая внизу суживается в клин. В нижней части ванны (рис. 18) расположена, змеевиковая поверхность нагрева в виде пучков глухих труб. Каждый пучок входит в общую распределительную трубу - коллектор. В некоторых конструкциях аппаратов паровые трубы расположены вдоль боковых стенок ванны, а коллекторы - поперек, в некоторых же - наоборот.

 На рис. 18 изображена поверхность нагрева, состоящая из двух расположенных по вертикали рядов труб, каждый из которых сообщается со своим коллектором. В данном примере пар из магистрали проходит в верхний коллектор поперек ванны печи, заполняет пучки труб верхнего и нижнего ряда и, отдав тепло маслу, направляется, сконденсировавшись, в конденсатоотводчик.

 Подготовка печи к работе заключается в том, что в ванну наливают воду, заполняя ее клиновидную часть, а поверх воды - масло в таком количестве, чтобы загружаемое впоследствии сырье было полностью покрыто маслом. Таким образом, масло, плотность которого на 7-8%, меньше плотности воды и которое с водой не смешивается и в ней не растворяется, ложится слоем поверх «водяной подушки».

 Водяная подушка необходима для удаления из масла частиц сырья, отломившихся в процессе обжарки от кусков и провалившихся через отверстия сетчатых корзин или несущего сырье полотна транспортирующего органа. Процесс обжарки длится непрерывно в течение ряда смен, а иногда и суток. При этом сырье непрерывно поступает в ванну обжарочного аппарата, проходит, обжариваясь, вдоль ванны, и, поглотив часть масла, выгружается с другого конца аппарата. Провалившиеся кусочки сырья при отсутствии водяной подушки падают на дно ванны и непрерывно подвергаются тепловой обработке, обугливаясь, загрязняя масло, способствуя быстрой порче его. При наличии водяной подушки эти частицы выпадают на дно ванны в воду и, таким образом, выключаются из процесса обжарки, не загрязняя масла. Наличие воды вблизи нижней поверхности змеевиков осложняет процесс обжарки и требует принятия мер предосторожности против возможного соприкосновения воды со змеевиками. Если клиновидная часть ванны заполняется проточной водой, то при колебаниях напора в водопроводной сети не исключена вероятность того, что в какой-то момент уровень водяной подушки поднимется и вода коснется змеевиков, температура которых составляет 170-180°С. При этом происходит мгновенное и бурное вскипание воды, в результате чего горячее масло может толчками выплескиваться из печи, что чрезвычайно опасно для обслуживающего персонала. Однако неоднократные попытки сконструировать печь без водяной подушки оканчивались неудачей: масло быстро портилось, печи приходилось часто останавливать для чистки змеевиков и внутренней поверхности ванны.

 Налив в ванну масло, пускают в змеевик пар и до загрузки сырья в печь некоторое время прогревают («прокаливают») масло при температуре 160-180°С. При этом поверхность масла покрывается рябью пузырьков, свидетельствующих о кипении. Прокаливание ведется до тех пор, пока кипение не прекратится, после чего в печь загружают сырье и начинают процесс обжаривания. Так как растительные масла при атмосферном давлении не кипят (точка кипения их свыше 200°С, и задолго до достижения этой температуры начинается химическое разложение масел, в связи с чем точку кипения масел можно определить только под вакуумом, при небольшом остаточном давлении); то наблюдаемое выделение пузырьков свидетельствует о выкипании влаги. Это дает основание некоторым авторам объяснять процесс прокаливания необходимостью удаления влаги из масла для предотвращения последующего вспенивания при обжаривании сырья. Между тем в свежем масле содержится очень мало влаги (не более 0,2%). Такое количество совершенно несоизмеримо с той массой влаги, которая попадает в масло с обжариваемым сырьем, следовательно, это объяснение неверно. По-видимому, цель прокаливания заключается в удалении из масла белковых веществ, попавших в него из масличных семян в процессе производства. Эти вещества являются поверхностно-активными пенообразователями. Если их не удалить из масла до начала обжаривания, то при внесении в него большого количества влажного сырья масло может резко вспениться и «выбежать» из печи, как подогреваемое молоко из кастрюли. При прокаливании белковые вещества коагулируют и в виде фузов выпадают из масла на дно ванны. Обычно окончание процесса коагуляции белковых веществ совпадает с концом выпаривания влаги. Таким образом, по внешнему признаку - окончанию процесса кипения - можно судить о том, что процесс прокаливания завершен. Прокаливание необходимо в том случае, когда обжаривание ведется в нерафинированном масле. Рафинированное масло, из которого удалены примеси белковых веществ, можно не прокаливать.

 Обжарка - сложный технологический процесс как в отношении физических и химических превращений, происходящих в сырье и масле, так и в аппаратурном оформлении.

 Наибольшее значение для сырья имеет отмеченное выше увеличение содержания сухих веществ и образование на поверхности овощей или рыбы корочки карамелизованных углеводов.

 Возрастание содержания сухих веществ при обжаривании, связанное с выпариванием влаги и впитыванием масла, поддается математическому расчету.              

 Обозначим содержание сухих веществ в сырье до обжаривания α %, а содержание сухих веществ в обжаренном материале r %. Тогда, используя обозначения из формул (9) - (16), можно записать следующее.

 Масса сухих веществ, содержащаяся в А кг поступившего на обжарку сырья, составляет (в кг)

 Аα/100.     (17)

 Масса впитанного масла М согласно выражению (14) равна

 M = Am (100 - x)/(100. 100).

 Тогда общая масса сухих веществ в обжаренном сырье G_c будет (в кг)

 G_c = Аα/100 + Аm (100 - x)/(100 • 100) = А [100α + m (100 - х)]/(100 • 100).     (18)

 Отсюда процент сухих веществ в обжаренном сырье получится как отношение массы сухих веществ к массе обжаренного сырья:

 R = { А [100α + m (100 - х)/[(100 • 100) : А (100 - X)/100 } 100;

окончательно

 r = 100α/(100 -x) + m.     (19)

 

 Пример. Содержание сухих веществ в луке до обжаривания 13%. Нормируемая видимая ужарка 50%, впитываемость масла в обжаренное сырье должна составлять 27%. Тогда содержание сухих веществ в обжаренном луке будет:

  r = 100 • 13 /(100 - 50) + 27 = 53%.

 Поскольку величины α, х и m оговариваются в технологических инструкциях, то расхождения между содержанием сухих веществ по лабораторным анализам и значениями r, рассчитанными по формуле (19), должны явиться основанием для поисков нарушений технологического регламента. Практически расчет содержания сухих веществ в обжаренных овощах представляет интерес только в производстве овощной икры, в которой этот показатель оговаривается соответствующим ГОСТом.

 В соответствии с возрастанием содержания сухих веществ уменьшается и тот показатель качества сырья, который в теории массообменных процессов типа сушки и обжаривания принято называть влагосодержанием U,  т.е. отношение массы влаги (100 - α или 100 - r) к массе сухих веществ (α или r):

  U = (100 - α)/ α • 100.       (20)

 Так, в приведенном примере влагосодержание сырого лука составляет:

  U_c = (100 - 13)/13 • 100 - 669%,

 а влагосодержание после обжарки будет равно:

  U₀ = (100 - 53)/53 • 100 - 89%.

 Показатели качества сырого и обжаренного продукта (α, r, m, U, W), а также основной технологический норматив - видимый процент ужарки X-для разных видов сырья неодинаковы и часть из них регламентирована соответствующими ведомственными указаниями [28]. Сводка этих значений (регламентированных и расчетных) применительно к некоторым видам овощей приведена в табл. 9.

 

 Таблица 9

 

 Как отмечалось ранее, золотистая корочка карамелизованных углеводов образуется тогда, когда влагосодержание сырья, особенно в поверхностном слое, понизится настолько, что это дает возможность температуре материала подняться выше 100°С (обязательное условие эффективной карамелизации).

 А.Н. Мальский [16] исследовал изменение температуры моркови при обжаривании в зависимости от понижения влагосодержания ее. Он установил, что температура материала с понижением влагосодержания постепенно растет, но не выходит за рамки 100°С до тех пор, пока влагосодержание не понизится примерно с 700 до 375%. Если учесть, что конечное влагосодержание готового полуфабриката по табл. 9 составляет около 200%, то образование корочки происходит незадолго до конца процесса.

 Что касается режимов обжаривания: температуры и времени, то они установлены эмпирически, т. е. без особого научного обоснования, однако в свое время В.Н. Расходовой были выполнены ценные гистохимические исследования изменений растительной ткани при обжарке, которыми можно воспользоваться при изыскании оптимальных параметров процесса. Автор исследований показала, что при высокотемпературной обработке растительная ткань (моркови) последовательно проходит через следующие стадии: теплового окоченения, набухания, внутреннего испарения, деформации и деструкции, химического разрушения.

 В стадии теплового окоченения видимых нарушений в клеточной структуре не наблюдалось, за исключением коагуляции протоплазматического вещества. Эта стадия является самой начальной фазой превращений растительной ткани при обжарке и протекает при умеренных температурах.

 Стадия набухания совпадает с началом парообразования, в результате чего объем клеток увеличивается, размер их становится гораздо крупнее, чем до нагревания, поэтому под микроскопом они кажутся набухшими. Коагулированное, вещество уплотняется. В этой стадии технологическая готовность еще не достигнута, потому что парообразование только началось, но пар еще не вышел за пределы ткани.

 Далее наступает стадия внутреннего испарения, при которой значительная часть влаги в виде пара выходит из клетки, которая при этом уменьшается в размерах, сжимается. Форма клеток сильно нарушается. Начинается потеря клеточного строения ткани, появляются воздушные полости. Практикой установлено, что именно в этой стадии достигается оптимальный процент ужарки, необходимое влагосодержание и сырье следует убирать из паромасляной печи.

 Если продолжать обжарку, то наступает четвертая стадия - полной деформации и деструкции, при которой клеточная структура полностью теряется, ткань сухая, плотная, кристаллов каротина в ней не видно. Такое сырье является уже пережаренным.

 Действие высоких температур на обжариваемое растительное сырье не ограничивается стадией деформации. Последний этап - стадия химического разрушения ткани. Ткань приобретает темно-коричневую окраску, становится вязкой, склеивающейся при резке. Клеток в ней совершенно не видно, в некоторых случаях ткань обуглена.

 Указанные стадии изменения растительной ткани наблюдаются при любых повышенных температурах обжарки, однако, естественно, что чем ниже температурный уровень процесса, тем больше требуется времени для достижения той или иной стадий, а чем температура масла выше, тем короче процесс. При выборе режима тепловой обработки стремятся к тому, чтобы он был не слишком затяжным, но и не слишком быстрым, когда одна стадия так стремительно сменяет другую, что можно проглядеть оптимальную фазу - внутреннего испарения - и обнаружить стадию полной деформации или химического разрушения. С этой точки зрения неприемлем, например, температурный уровень в 105°С, при котором стадия внутреннего испарения достигается только через 30 мин. При температурах же 150-160°С изменения в моркови протекают так быстро, что уловить необходимый момент окончания обжарки становится невозможным. Вот почему овощи обжаривают при температурах 130-140°С.

 Это положение иллюстрируется рис. 19, на котором приведены данные исследований А.Н. Мальского по кинетике изменения влагосодержания моркови при разных температурах обжарки. Если принять (по табл. 9), что оптимальное влагосодержание обжаренной моркови должно составлять 200%, то это значение будет достигнуто при 140°С через 5 мин, при 130°С -через 10 мин, при 120°С - через 15 мин, а при 110°С только через 25 мин от начала обжарки.

 

 Рис. 19. Изменение влагосодержания в моркови в процессе обжаривания при температуре масла, °С:
 1 - 110; 2 - 120; 3 - 13; 4 - 140

 

Рис. 20. Изменение объема кабачков при ей в процессе обжаривания при температуре разных температурах обжаривания, °С:
 1 - 110; 2 - 120; 3 - 130; 4- 140

 

Немалое значение для аппаратурного оформления процесса обжарки, как это будет показано дальше, имеет так называемая усадка сырья, т.е. уменьшение объема овощей при обжарке. Из рис. 20 видно, что в течение первых же минут обжарки овощи уменьшаются в объеме примерно на 30-40%.

 Из приведенного материала следует, что вопрос получения обжаренного сырья надлежащего качества, в котором бы гармонически сочетались такие показатели, как видимая ужарка, сухие вещества, влагосодержание, содержание жира, достаточно сложен. Но еще большую проблему в процессе обжарки представляет рациональное расходование масла и сохранение высокого качества его. Многолетним опытом эксплуатации паромасляных печей при обжарке овощей и рыбы установлено, что при неправильной организации технологического процесса качество масла настолько быстро ухудшается, что иногда буквально через 3-4 дня оно становится непригодным для пищевых целей и может быть использовано только для технических нужд.

 Актуальность этой проблемы не вызывает сомнений, если учесть относительно большую стоимость и дефицитность растительных масел по сравнению с овощами, а также тот факт, что ухудшение качества масла неминуемо приводит к понижению качества обжариваемого в этом масле сырья.

 Чтобы уяснить причины ухудшения качества масла при обжарке, следует ознакомиться с теми изменениями, которые происходят в масле при тепловой обработке.

 А.И. Сакович и Б.В. Зозулевич показали, что характер соответствующих изменений зависит от условий, при которых нагревается масло.

 Оказывается, что если нагревать масло при 135-140°С без доступа воздуха и не обжаривать в нем сырье, то даже за 150 ч тепловой обработки качество масла практически не изменяется. Таким образом, сама по себе высокая температура не вызывает каких-либо превращений в масле.

 Очень заметные изменения качества происходят при нагревании в присутствии воздуха. В этом случае из-за присоединения кислорода воздуха по месту двойных связей ненасыщенных жирных кислот, являющихся компонентами триглицеридов, а также из-за полимеризаций молекула масла тяжелеет, что вызывает увеличение его плотности, вязкости и потемнение.

 В особенности заметны эти изменения, если велика удельная поверхность соприкосновения воздуха с маслом. Так, если составляет 0,33 см²/г, то йодное число масла за 180 ч нагревания при 135- 140°С понижается со 125,5 до 78,2, цветное число увеличивается с 5,0 до 35,9, а вязкость возрастает с 12,0 до 641,0. В то же время изменения кислотного числа невелики: с 0,5 до 2,43. Нужно, однако, сказать, что в реальных условиях обжаривания сырья в паромасляных печах изменения, связанные с влиянием кислорода воздуха, невелики из-за того, что удельная поверхность соприкосновения воздуха с маслом в печах очень мала, примерно 0,05 см²/г.

 Наибольшие изменения качества происходят при действии водяных паров на горячее масло. В этом случае резко возрастает кислотное число (с 0,50 до 52,13 за 110 ч нагревания при 135-140°С), что объясняется гидролизом жира, проходящим по схеме:

    где R₁, R₂, R₃ - радикалы жирных кислот.

 Таким образом, при прохождении водяных паров через масло образуются свободные жирные кислоты типа олеиновой, пальмитиновой, стеариновой и т.п. и глицерин. Наличие свободных жирных кислот придает горечь маслу и свидетельствует о его порче.

 Глицерин при высокой температуре также способен разлагаться, отщепляя воду и превращаясь в альдегид, называемый акролеином.

Акролеин при этом имеет газообразное состояние и оказывает слезоточивое действие. Заметно изменяются й другие показатели качества: цветное число возрастает с 5,0 до 111,2, а вязкость - с 12,0 до 27,2.

 Поскольку наиболее характерным показателем, свидетельствующим о порче масла при обжарке сырья в паромасляных печах (в которых через горячее масло проходят большие массы водяных паров, испаряющихся из сырья), является кислотное число, издавна были установлены в нормативном порядке предельные значения его, выше которых масло не разрешалось использовать для этой цели.

 Первоначально, когда закономерности процесса обжарки еще не были установлены и меры по предотвращению быстрого роста кислотного числа не были разработаны, предельную величину кислотного числа, выше которого масло считалось непригодным к работе, определили в 12, что является довольно высоким значением, если учесть, что в настоящее время этот предел снижен до 4,5. Однако и этот предел достигался порой довольно быстро (буквально за 3-4 дня), после чего масло приходилось удалять из печи как непригодное для пищевых целей. Если иметь в виду, что в печи загружали до 4000 кг масла, то можно себе представить, что быстрая и невосполнимая порча его в процессе обжарки представляла серьезную проблему.

 Начало решению этой проблемы положили Е.И. Петропавловский и Н. И. Смирнов. Анализируя технику обжаривания сырья в паромасляных печах на различных консервных заводах, они обратили внимание на то, что поворотным пунктом, от которого зависит кинетика порчи масла, является момент долива свежего масла в печь, который в те времена производился периодически, обычно один раз в сутки. К началу работы масло наливали в печь почти доверху и обжаривали в нем сырье до тех пор, пока в результате уноса значительной части масла, впитавшегося в сырье, не создавалась угроза оголения слоя сырья в корзинах. В это время, как правило, один раз в сутки, производился долив - пополнение убыли масла в печи. Доливать разрешалось только свежее масло. Таким образом, в момент долива к некоторому количеству побывавшего в работе масла, кислотное число которого заметно повысилось, добавляется определенное количество свежего масла с невысоким значением кислотного числа (если это было подсолнечное нерафинированное, а именно таким маслом пользовались в то время, то около 2). Получалось, что кислотное число усредненного масла снижалось, и обжаривание можно было продолжать.

 Кислотное число масла после долива рассчитывали по формуле для средневзвешенных чисел:

  S_cp =  (G₁S₁ + G₂S2₂)/(G₁ + G₂),     (21)

 где S_cp - кислотное число масла после долива; G₁ - количество масла, поработавшего в печи к моменту долива; S₁ - кислотное число поработавшего масла; G₂ - количество доливаемого свежего масла; S₂ - кислотное число свежего масла.

  При рассмотрении выражения (21) становится ясно, что величина кислотного числа масла после долива S_ср зависит в основном от соотношения между массами масла, побывавшего в работе, G₁, и доливаемого, свежего G₂. Если к моменту долива в печи будет много масла с повышенным кислотным числом S₁ то при добавлении небольшого количества свежего масла с малым значением кислотного числа S₂ кислотное число смеси S_cр будет не намного отличаться от кислотного числа поработавшего масла. Если же к моменту долива в печи останется мало поработавшего масла, а свежего масла будет, следовательно, долито много, то получится значительный эффект от разбавления и кислотное число поработавшего масла после долива заметно уменьшится.

 Исходя из этого, было предложено определять эффект разбавления поработавшего масла свежим по так называемому коэффициенту сменности (впоследствии его стали называв в литературе коэффициентом сменяемости) масла K, который представляет собой отношение суточного расхода масла W ко всему количеству масла в печи D:

  К = W/D .

 Вероятно, было бы понятнее, если бы W обозначало количество Доливаемого в сутки масла, а не расходуемого, однако фактически это одно и то же: сколько расходуется, столько и должно быть долито. Что касается выбранной единицы времени (сутки), то авторы исходили из того, что наименьшие изменения масло претерпевает в первые 30 ч обжарки.

 Логическим выводом из всех этих рассуждений и выкладок явился предложенный Е.И. Петропавловским и Н.И. Смирновым принцип высокой сменяемости. Обследовав и обсчитав с этих позиций работу паромасляных печей на нескольких консервных заводах, они показали, что результаты были лучше там, где выше коэффициент сменяемости.

 Приведем несколько примеров, характеризующих условия работы на консервных заводах в то время, когда велись исследования. Хотя, как будет показано ниже, это плохие примеры, связанные с нарушением, по незнанию, основных закономерностей технологии обжаривания, но они поучительны, ибо показывают, к чему такие нарушения правил могут привести и в настоящее время.

 Допустим, что коэффициент сменяемости имеет низкое значение, например 0,2. Обжаривание ведется в нерафинированном подсолнечном масле с кислотным числом 2. Долив свежего масла в печь производится периодически, один раз в сутки, при этом, как показали исследования того периода, кислотное число масла в интервале между доливами нарастает на 4. Требуется определить, сколько суток можно вести обжаривание до удаления масла из печи как непригодного для пищевых целей.

 Расчет производят по следующей схеме. В начале первых суток в печи имеется свежее масло с кислотным числом 2. К концу первых суток кислотное число увеличится на 4 и составит 6. Поскольку коэффициент сменяемости равен 0,2, это означает, что если все количество масла в печи принять за 10 ч, то за сутки расходуется 2 ч, останется к моменту долива 8 ч., а доливается 2 ч. свежего. Тогда кислотное число масла после долива к началу вторых суток по формуле (21) будет равно

  S_ср = (8 • 6 + 2 • 2)/10 = 5,2,

 а в конце вторых суток возрастет до 9,2. Обращаем внимание на то, что за первые сутки кислотное число возросло довольно резко - на 3,2.

 Производя такой же расчет, получим, что в начале третьих суток кислотное число масла возрастет до 7,8:

  S_cp = (8 • 9,2 + 2 • 2)/10 = 7,8,

 а в конце третьих суток увеличится до 11,8, т. е. фактически дойдет до разрешенного в то время предела 12, по достижении которого Свежее масло доливать не разрешается. Таким образом, спустя всего лишь 3 сут. работы большое количество масла (многие сотни, а то и тысячи килограммов) в то время шло в отходы производства. Заметим все же, что за вторые сутки нарастание кислотного числа составляло всего 2,6 ед., что свидетельствует о том, что интенсивность изменений была несколько меньше.

 Рассмотрим другой пример, в котором все условия обжаривания те же, что в предыдущем примере, но коэффициент сменяемости несколько выше - 0,5.

 Тогда в начале первых суток работы кислотное число составляет 2, а в конце, как и в примере 1, - 6.

 В начале вторых суток после долива кислотное число смеси будет равно

  S_ср = (5 • 6 + 5 • 2)/10 = 4.

 Таким образом, кислотное число за 1 сут. возросло всего на 2 ед., против 3,2 в предыдущем примере.

 В начале третьих суток кислотное число смеси составит

  (5 • 8 + 5 • 2)/10 = 5,

 т. е. увеличится всего на 1, а в конце третьих суток достигнет 9.

 Далее интенсивность нарастания кислотного числа резко убывает, в конце четвертых суток оно достигает 9,5, пятых - 9,75, шестых - 9,87, седьмых - 9,92 и, наконец, в начале каких-то n-х суток кислотное число масла после очередного долива свежего составит 6 ед, а в конце них - 10. Тогда в начале следующих n + 1 суток кислотное число смеси после долива будет

  (5 • 10 + 5 • 2)/10 = 6,

 а в конце - 10, что свидетельствует о том, что произошла стабилизация кислотного числа и в дальнейшем, сколько бы ни производилось обжаривание, процесс, будет проходить в диапазоне кислотных чисел (в начале и в конце суток) 6-10.

 Из этого примера видно, какое большое значение имеет величина коэффициента сменяемости масла. Достаточно было увеличить его с 0,2 до 0,5, как удалось вообще избавиться от огромных невосполнимых отходов масла, ибо максимальное значение кислотного числа в этом примере (10) не достигло установленного в тот период предела (12).

 Все же нельзя сказать, что бы можно было полностью удовлетвориться результатом, достигнутым при К = 0,5, ибо максимальное значение коэффициента сменяемости в этом примере (10) хотя и ниже официально установленного предела (12), однако близко к этому пределу и, следовательно, качество масла и обжаренного в нем сырья невысокое.

 Поэтому рассмотрим пример, когда значение коэффициента сменяемости еще выше - 0,8.         

 В этом случае в начале вторых суток работы после долива кислотное число смеси равно

  (2 • 6 + 8 • 2)/10 = 2,8

 (ибо при К = 0,8 за сутки расходуется 8 из 10 ч. масла, остается 2 ч. поработавшего и доливается 8 ч. свежего), следовательно, за 1 сут. кислотное число увеличилось всего на 0,8. В конце вторых суток кислотное число имеет значение 6,8.

 В начале третьих суток нарастание кислотного числа резко падает, и оно составляет всего 2,96. Если произвести дальнейшие расчеты, то окажется, что на n-е сутки работы кислотное число масла до долива составит 3 ед., а в конце - 7. Начиная с (n + 1) сут. наступает стабилизация кислотного числа:

  (2 • 7 + 8 • 2)/10 =3.

 В дальнейшем процесс обжаривания будет происходить при диапазоне кислотного числа (в начале и конце суток) 3-7.

 Здесь так же, как и в предыдущем примере, ликвидируются невосполнимые отходы масла, ибо максимальное значение кислотного числа (7) не достигает разрешенного предела (12).

 Однако этот пример выгодно отличается от предыдущего тем, что максимальное значение кислотного числа значительно ниже предела, следовательно, качество масла и обжариваемого в нем сырья значительно лучше, чем при более низких значениях коэффициента сменяемости.       

 Предложенные Е. И. Петропавловским и Н. И. Смирновым понятия коэффициента сменяемости масла и принципа высокой сменяемости сыграли в свое время большую роль в совершенствовании процесса обжаривания сырья в растительном масле и его аппаратурного оформления, ибо указали пути дальнейшего развития технологий обжаривания.

 Эти пути диктуются выражением (22), из которого следует, что для увеличения коэффициента сменяемости масла необходимо стремиться к увеличению суточного расхода масла W и к уменьшению общего его количества в печи к началу работы D.

 Рассмотрим каждый из путей в отдельности.

 Начнем со второго. Сколько же масла необходимо держать в печи и что нужно сделать, чтобы количество это было минимальным?

 Для удобства обсуждения было предложено мысленно распределить весь столб масла в печи по высоте на 3 слоя (рис. 21): верхний  h_в.а - над змеевиками, средний h_c.п - в который погружены змеевики, и нижний h_Н.П - под змеевиками, который отделяет змеевики от поверхности воды.

 Поскольку сырье находится в верхнем слое и процесс обжаривания протекает в этом слое, он получил название рабочего, или активного.

 Остальные два слоя называются пассивными и разделяются на средний пассивный и нижний пассивный.

 Таким образом, получается, что для максимального снижения общего количества масла в печи необходимо стремиться к тому, чтобы высота каждого из этих слоев была минимальной.

 Говоря о верхнем, активном, слое, нужно отметить, что высота его зависит прежде всего от высоты слоя загружаемого в печь сырья, которое должно быть обязательно покрыто маслом. Однако было бы нелепо делать вывод, что высоту слоя сырья нужно максимально снижать, ибо это привело бы к резкому уменьшению производительности обжарочного аппарата. Наоборот, нужно стремиться максимально, в пределах допустимого, увеличивать загрузку печи сырьем, стремясь к максимальному увеличению съема сырья с единицы поверхности, или, как говорят, зеркала масла в печи.

 Однако если очень увеличить высоту слоя сырья в печи, то это может привести к неравномерному обжариванию нижнего и верхнего слоев, ибо температура нижнего слоя, примыкающего к змеевикам, будет значительно выше температуры верхнего слоя, поскольку температура масла по мере удаления от поверхности нагрева убывает.

 Вот почему максимальная высота слоя сырья диктуется необходимостью равномерного обжаривания его. Эта высота для каждого вида сырья устанавливается экспериментально. Так, для моркови она находится в пределах 85-115 мм.

 В то же время является преждевременным, казалось бы, вытекающий отсюда вывод о том, что высота активного слоя масла должна быть такова, чтобы как раз покрывать слой сырья, если отвлечься от системы долива масла в печь.

 

 Рис. 21. Разделение столба масла на слои

 

 Если налить масло с таким расчетом, чтобы покрыть сырье, и долив производить периодически, то как только первые порции обжаренного сырья выйдут из печи и унесут с собой часть впитанного масла, верхний слой сырья неминуемо оголится. И по мере продолжения обжаривания все большая часть сырья будет находиться вне масла. Этого допускать нельзя. По-видимому, при периодической системе долива в печи кроме того минимального количества масла, которое технически необходимо для покрытия сырья, должен быть еще и некоторый запас, размер которого не может быть меньше того количества масла, которое расходуется в промежутках между доливами.

 Таким образом, если обозначить минимальное, технически необходимое для покрытия слоя сырья в печи, количество масла через d, а величину запаса через z, то общее количество масла в печи D должно составлять

  D = d + z,      (23)

 а коэффициент сменяемости К можно обозначить в общем виде:

  K = W/(d + z).     (24)

 Таким образом, если долив производится один раз в сутки, то запас должен равняться суточному расходу масла, а коэффициент сменяемости при доливе такой периодичности Кс будет иметь значение

  К_с = W/(d + W).     (25)

 Если доливать чаще, например 2 раза в сутки, то требуемый запас уменьшится вдвое, а коэффициент сменяемости КС/2 из-за этого увеличится:

  К_С/2 = W/(d + W/2).     (26)

 Еще больше увеличится коэффициент сменяемости при доливе 3 раза в сутки, так как второе слагаемое в знаменателе выражения (24) уменьшится еще больше:

  К_С/3 = W/(d+ W/3).     (27)

 Именно в результате таких простых рассуждений А.И. Сакович пришел к логическому выводу, что если долив производить бесконечно часто, то величина запаса z будет равна W/∞, т.е. обратится в нуль, а коэффициент сменяемости при бесконечно частом, т.е. при непрерывном, доливе будет иметь наибольшее в данных условиях значение

  К_н = W/d.     (28)

 При непрерывной системе долива никакого запаса масла сверх минимального, технически необходимого для покрытия слоя сырья в печи, держать не нужно. Да и сама логика непрерывного процесса «обжаривания это подсказывает. Сырье поступает в ванну печи непрерывно, непрерывно передвигается, обжариваясь, вдоль ванны к разгрузочному концу и непрерывно выгружается из печи. Следовательно, и расходуется масло на впитывание тоже непрерывно. Естественно, что и пополнение этого расхода также должно происходить не периодически, а непрерывно.

 Предложенная А.И. Саковичем идея непрерывного долива масла в обжарочную печь явилась следующим, после работ Е.И. Петропавловского и Н.И. Смирнова, важнейшим этапом на пути решения проблемы рациональной организации процесса обжаривания сырья и ликвидации отходов масла, связанных с его порчей в процессе обжаривания.

 Покажем на примере, как может возрасти коэффициент сменяемости масла при переходе от периодического долива 1 раз в сутки (со значением К = 0,5) на непрерывный способ.

 Для этого варианта справедливо выражение (25):

  К_с = W/(d + W).

 Сделаем преобразования:

  K_c(d + W) = W,

 или

  K_cd + K_cW = W.

 Разделим каждый член этого равенства на d. Получим

  K_c + K_cW/d = W/d.

 Теперь заменим W/d его обозначением из формулы (28):

  К_с + К_сК_Н  = К_н.

 Отсюда

  К_с = К_н  - К_сК_Н = К_н (1 - К_с),

 и окончательно

  К_Н = К_с/(1 - Кс).     (29)

 Подставив сюда значение К = 0,5, получим, что коэффициент сменяемости при переходе от периодического долива один раз в сутки на непрерывный способ увеличится вдвое:

  К_н = 0,5/(1 - 0,5) = 1.

 Осуществить непрерывный долив масла в обжарочную печь технически нетрудно. Достаточно лишь установить поплавковый регулятор уровня в бачке, являющемся сообщающимся сосудом с ванной печи, и масло в аппарат будет поступать непрерывно, в полном соответствии с его непрерывной убылью.

 Итак, если долив масла осуществлять непрерывно, то минимальную величину верхнего активного слоя в печи можно определить в 85-115 мм.

 Теперь о величине среднего пассивного слоя масла. Высота его зависит от диаметра змеевиков и от количества рядов, в которое уложена поверхность нагрева по высоте. В этом отношении бывали печи с однорядными, «полуторарядными» (трубы нижнего ряда располагались в шахматном порядке относительно труб верхнего ряда), двух-, трехрядными змеевиками и змеевиками с большим числом рядов.

 Казалось бы, с позиций достижения минимальной высоты среднего слоя лучше было бы устанавливать только однорядные змеевики. Так в свое время на некоторых заводах и делали. Однако в этих случаях для того, чтобы уложить в аппарат требуемую по расчету поверхность нагрева, приходилось ванну печи делать длиной 9-11 м. При этом количество масла как в среднем слое, так и общее увеличивалось. Поверхность нагрева, как принято было говорить, получалась некомпактной, а сам аппарат - громоздким.

 Для определения компактности поверхности нагрева конструкторы издавна предложили понятие удельной поверхности нагрева (n), которое обозначает количество квадратных метров змеевиков (F), приходящихся на 1 м² поверхности масла («зеркала») в печи (z).

n = F/z

 При этом без особого научного обоснования было принято, что достаточно компактная поверхность нагрева получается при значении n = 5,5 - 6,5 м²/м², а еще лучше, если п находится на уровне 9-10 м²/м², как в современных типах аппаратов [5].

 Практика показала, что в эксплуатационном отношении неудачными являются как однорядные, так и многорядные (7-8 рядов) змеевики и что одним из наиболее подходящих вариантов являются двухрядные змеевики, изготовленные из овальных (длинная ось по высоте) труб, полученных путем сплющивания круглых. Общая высота такой поверхности, несколько больше, чем у двухрядных змеевиков круглого сечения, однако небольшой проигрыш по высоте компенсируется выигрышем в общей поверхности змеевиков, которых по ширине печи можно уложить больше, чем круглых.

 Необходимо отметить, что в технической и научной литературе отсутствует четкое определение и научное обоснование понятия компактности поверхности нагрева. Во всяком случае, расчеты показывают, что укоренившееся представление об удельной поверхности нагрева как о величине, характеризующей удачную или неудачную конструктивную особенность нагревательных элементов печи, нуждается в пересмотре.

 Рассмотрим выражение (30).

 В этом выражении числитель F представляет собой функцию от общего расхода тепла Q, как это вытекает из формулы (5).

 Из этой формулы

  F = Q/(K∆t),     (31)

 где К и ∆t - то же, что в формуле (4).

 Но, в свою очередь Q зависит от производительности печи G (в кг/ч):

  Q = GWrK_Q / 100,     (32)

 где W- истинная ужарка, % к G; r- теплота испарения; K_Q - отношение общего расхода тепла к расходу тепла на выпаривание влаги.

 Подставляя значение Q из уравнения (32) в выражение (31), получим

  F = GWrK_Q/(100K∆t)     (33)

 Что касается z, то это функция от длины печи L (в м): щ

  Z = BL,     (34)

 где В - ширина печи, м.

 Если принять для простоты, что В = 1 м и подставить выражения (33) и (34) в формулу (30), то получится, что

  n = GWrK_Q/(100K∆tL).      (35)

 Но L тоже является функцией от G, что ясно из формулы для расчета производительности обжарочного аппарата (в кг/ч):

  G = 60EL/r ,     (36)

 где r - время обжаривания, мин; Е - количество сырья, приходящееся на 1 м длины печи, кг.

 Отсюда

  L = G r /(60E),     (37)

 Подставляя выражение (37) в формулу (35), получим формулу для вычисления так называемой удельной поверхности нагрева:

  n = 0,6WrK_QE/(K∆tr).     (38)

  Рассматривая формулу (38), можно сказать, что значение удельной поверхности нагрева определяется более или менее постоянными эксплуатационными и теплофизическими показателями (истинная ужарка, теплота испарения, нагрузка сырья на 1 м длины ванны, время обжарки, коэффициент теплопередачи, температура пара и масла, доля расхода тепла на выпаривание влаги в общем расходе тепла) и поэтому не является произвольным или зависящим от конструктора. Фактически не зависит ни от абсолютной величины поверхности нагрева, ни от зеркала масла, ни от производительности печи. Это величина однозначная, получающаяся так сказать, «сама по себе», следовательно, она не может быть конструктивной характеристикой нагревательной камеры.

 Примерно то же можно сказать о количестве рядов змеевиков.

 Количество труб N, которое нужно уложить в печи, зависит oт общей длины труб всей поверхности нагрева и длины печи L:

  N = l/L.      (39)

 В свою очередь N зависит от числа труб и, укладываемых по ширине печи в одном вертикальном ряду, и от количества рядов по высоте A:

  N = An.      (40)

 Таким Образом,

  An = l/L.     (41)

 Но 

l = F/(frd),     (42)

 где d - диаметр труб.

 Если теперь поставить в уравнение (41) значение l из выражения (42) и заменить F его значением из уравнения (39), а вместо L подставить его значение из формулы (37), то получим

  An = 0,6WrK_QE/(К∆t π dr).     (43)

 Отсюда

  А = 0,6WrK_QE/(К∆t π nd).     (44)

 Если принять, что ширина ванны 1 м, то количество рядов п по ширине равно

   n = 1/d      (45)

 (пренебрегаем для простоты необходимыми зазорами между трубами).

 Подставив выражение (45) в формулу (44), получим

  A = 0,6WrK_QE/(Кdtr π)     (46)

 Таким образом, выходит, что А, так же как и щ не зависит ни от каких конструктивных соображений и для данных условий является постоянной величиной, которая численно примерно в 3 раза меньше удельной поверхности нагрева, что видно из сопоставления выражений (46) и (38):

  А = n/π .      (47)

 Итак, для данного вида сырья и принятого режима работы удельная поверхность нагрева проектируемой нагревательной камеры и количество труб по высоте являются вполне определенными постоянными величинами, которые нельзя причислять к каким- либо характеристикам обжарочных печей.

 По-видимому, о компактности поверхности нагрева и всей печи в целом целесообразно судить по двум показателям, один из которых характеризует удельное количество масла в печи, а другой - удельную производительность аппарата.

 Поскольку с целью повышения коэффициента сменяемости мы должны стремиться к минимальному количеству масла в печи, постольку в понятие компактности поверхности нагрева и всего обжарочного аппарата должно входить значение удельного количества масла в печи m (в кг/м²):

  m = M/F,     (48)

 где М - общее количество масла в печи.

 Распространенная еще недавно в консервной промышленности обжарочная печь М-8 с двухрядными змеевиками, удельная поверхность которой считается по нынешним нормам вполне удовлетворительной (n = 5,8 м²/м²), характеризуется небольшим значением коэффициента сменяемости (K = 0,4 ÷ 0,5). Показатель удельного количества масла для этой печи составляет 47 кг/м².

 Современная же печь АПМП-1, удельная поверхность нагрева которой несколько выше, чем у печи М-8 (7,6 м²/м²), характеризуется резко увеличенным значением коэффициента сменяемости (K= 1,7 ÷ 2,0). Видимо, это связано с гораздо меньшим значением удельного количества масла (m = 20,9 кг/м²).

 Необычайно высоким значением коэффициента сменяемости (K = 3,6 ÷ 4,2) характеризуется модернизированная печь АПМП-2, имеющая такую же удельную поверхность нагрева, как и модель АПМП-1, но показатель удельного количества масла которой m = 9,9 кг/м², т.е. в 2 раза меньше, чем в предыдущем примере.

 Таким образом, важнейшим показателем, характеризующим компактность поверхности нагрева и позволяющим прогнозировать коэффициент сменяемости масла (иными словами - качество масла в процессе обжаривания), Является не удельная поверхность нагрева (величина, в которой не участвует ни количество масла, ни производительность аппарата), а удельное количество масла m - количество масла в печи, приходящееся на 1 м² площади поверхности нагрева змеевиков. Желательно, чтобы m имело небольшие значения (10-20 кг/м²). Печи, характеризующиеся величиной m, равной 40-50 кг/м² и выше, будут в процессе эксплуатации иметь недостаточный коэффициент сменяемости (ниже единицы).

 Удельная производительность печи g, под которой понимается съем продукции (в кг) с 1 м² зеркала масла в печи в час,

  g = G/z,     (49)

 характеризует компактность конструкции в отношении производительности.

 Показательно сравнение современных печей М-8 и АПМП. Обе конструкции близки по габаритам (6,93 м² и 5,95 м²), но имеют разную производительность. Печь М-8 - всего 1200 кг/ч, а печи АПМП - 2000 кг/ч. Отсюда показатель g в первом случае составляет 173 кг/(м² • ч), а во втором -336 кг/(м² • ч). Безусловно, печь АПМП более компактна по производительности, чем печь М-8 [21].

 Таким образом, конструируя обжарочные аппараты, следует ориентироваться на оптимальное сочетание этих двух показателей. Тогда печь получится высокопроизводительной при относительно небольших габаритах, а качество масла в процессе обжарки будет высоким.

 Следует заметить, что высокие показатели конструкции печей АПМП связаны с поддержанием стабильной температуры масла по всей длине печи благодаря ступенчатой поверхности нагрева - трехрядной с распределением 65% поверхности нагрева в первой половине длины печи и 35% - во второй при двухрядном расположении труб. Авторы конструкции учли фактор усадки сырья в процессе обжарки и уменьшили высоту слоя масла во второй половине печи. В печах с обычной не ступенчатой поверхностью нагрева высота активного слоя масла из-за усадки сырья значительно больше той, которая необходима для покрытия сырья.

 Нижний, пассивный, слой, как отмечалось раньше, должен изолировать змеевики от воды. Для этой цели можно было бы ограничиться высотой 15-20 мм. Однако для поддержания такой минимальной высоты необходимо располагать приборами для регистрации местоположения линии раздела масла - вода и устройствами для регулирования этой линии.

 Как для регистрации нижнего уровня масла, так и для регулирования его рационально использовать принцип разной электропроводности масла и водопроводной воды. Последняя хорошо проводит электрический ток, масло же является диэлектриком. Схема прибора для регистрации и световой сигнализации о местоположении линии раздела масла - вода, предложенная К.Г. Петриком и А.И. Саковичем, показана на рис. 22.

 

 

 Рис, 22. Схемы контролирования линии раздела масло-вода в паромасляных печах

 

 Два электрода погружены: один - в масло, другой - в воду. Расстояние между ними по высоте 15-20 мм. Оба электрода подключены к одной фазе электросети и являются, таким образом, фактически одним электродом с «расщепленным» концом. Другим парным электродом является сама металлическая ванна печи, заземленная через водопровод. Электрическая цепь замыкается через тот или через те электроды, концы которых погружены в воду. На каждом из электродов имеется электрическая лампочка: на нижнем, погруженном в воду,- зеленая, на верхнем, погруженном в масло, - красная. При нормальном положении линии раздела светится только зеленая лампочка. Если уровень воды поднимется и коснется верхнего электрода, который при нормальных условиях должен находиться в масле, то электрическая цепь замкнется также через верхний электрод. При этом вспыхнет красная лампочка, сигнализируя об угрожающем подъеме уровня воды и необходимости понизить его. Если же уровень воды понизится, то и нижний электрод окажется в масле. В таком случае зеленая лампочка погаснет.

 Это свидетельствует о том, что нижний уровень масла слишком возрос и линию раздела масло-вода нужно поднять.

 Таким образом, можно сказать, что для поддержания минимальной высоты слоя масла в обжарочных печах необходимо работать с непрерывным доливом масла, применять компактную поверхность нагрева (как правило, двух- однорядную) и пользоваться точными контрольно-измерительными и регулирующими приборами, позволяющими поддерживать высоту нижнего, пассивного, слоя в диапазоне 15-20 мм.

  Перейдем к выяснению факторов, определяющих суточный расход масла W.

 Говоря о суточном расходе масла, имеют в виду полезный расход, связанный с нормальным впитыванием масла в обжариваемое сырье. Поэтому для увеличения суточного расхода масла необходимо всячески увеличивать производительность обжарочной печи. Чем больше сырья пройдет в единицу времени через аппарат, тем больше будет унесено впитавшегося в сырье масла, т. е. тем больше будет W.

 Основные требования к паромасляным печам приводятся ниже.

1. Печь должна быть механизирована с таким расчетом, чтобы загрузка сырья в сетки (или на транспортирующее полотно), передвижение сеток через ванну, вытаскивание из ванны и опорожнение проходили механизированно, беспрепятственно, чего трудно добиться при ручной работе.
2. Механизация должна обеспечить максимальное использование зеркала масла и всего объема масла в активном слое. При правильной механизации печь максимально загружается сырьем: сетки опускаются в ванну печи вертикально, нет «мертвых», не использованных мест или участков у торцов печи. Необходимо, чтобы сетки шли по возможности теснее к змеевикам, зазоры между сетками и длинными сторонами ванны, а также между собой были минимальны.
3. Желательно, чтобы печи работали круглосуточно. При прочих равных условиях лучше, чтобы одна печь работала в 3 смены, чем 3 печи в 1 смену.
4. Необходимо избегать перерывов в работе печи, простоев. Кроме перечисленных требований надо обеспечить хорошую циркуляцию масла от нагревательных элементов к обжариваемому сырью и обратно, доступность змеевиков для чистки и минимальные потери масла с движущимися частями аппарата.

 В тех случаях, когда сырье приходится укладывать в тару руками, процесс обжаривания завершается охлаждением сырья перед его фасовкой. Самый простой способ охлаждения заключается в том, что обжаренное сырье кладут в противни, помещаемые на этажерки, и дают ему самопроизвольно остыть на воздухе.

 Поскольку коэффициент теплоотдачи от сырья к воздуху невелик, то такое охлаждение длится долго - минут 40. К недостаткам этого способа относится также потребность в больших площадях для этажерок в цехе и микробное обсеменение сырья в процессе длительного пребывания на открытом воздухе. Кроме того, процесс является ручным и периодическим.

 Воздушное охлаждение можно интенсифицировать и механизировать, если применить для этой цели охладители - камеры, через которые на цепях передвигаются в вертикальном или горизонтальном положении сетки с обжаренным сырьем, обдуваясь наружным воздухом, прокачиваемым через камеру с помощью вентилятора. Из-за некоторого увеличения коэффициента теплоотдачи к воздуху благодаря его движению время охлаждения сокращается примерно до 25 мин, но остается еще довольно большим.

 Можно очень быстро охладить обжаренное сырье в так называемых жидкостных охладителях, погружая горячий продукт в холодное масло. Время охлаждения сокращается до 3-4 мин. Однако из-за конденсации водяных паров в капиллярах обжаренного материала образуется вакуум и в сырье впитывается дополнительное количество масла, что нежелательно.

 Быстрого охлаждения обжаренного сырья можно достигнуть в вакуумных камерах. Как только создается вакуум, температура продукта понижается до того уровня, который соответствует данному пониженному давлению, Желательно только разработать для этой цели непрерывно действующие аппараты.