Сельскохозяйственные ВУЗы

Содержание

ANTONiOL — Wed, 03 Nov 2010 07:35:38 GMT

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 1. Введение в курс «Технология продуктов питания» . . . . . . . . . . .

Лекция 2. Роль отдельных пищевых веществ в жизнедеятельности

организма и в пищевых технологиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ . . . . . . . . . . .

Лекции 3. Основные понятия и законы пищевой технологии . . . . . . . . . . . .

Лекция 4. Теплообменные и массообменные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 6. Химические, биохимические и микробиологические процессы

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МУКИ, КРУПЫ И СОЛОДА . . . . . . . .

Лекция 7. Зерно – основное сырье для производства муки и крупы . . . . . . .

Лекция 8. Строение и химический состав зерна пшеницы и ржи.

Зерновая масса и ее основные свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 9. Подготовка зерна к помолу. Помол зерна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 10. Подготовка и переработка зерна в крупу . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 11. Технология производства солода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ХЛЕБА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 12. Ассортимент и технологическая схема приготовления хлеба

Лекция 13. Основы производства хлеба и хлебобулочных изделий . . . . . . . .

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ . . . . . . . . . .

Лекция 14. Основы производства макаронных изделий . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 15. Приготовление теста, формование и разделка сырых

макаронных изделий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 16. Сушка, охлаждение и упаковывание макаронных изделий . . . . . .

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КОНДИТЕРСКИХ ИЗДЕЛИЙ . . . . . . . . .

Лекция 17. Основы производства сахарных кондитерских изделий . . . . . . . .

Лекция 18. Ассортимент мучных кондитерских изделий.

Технология производства печенья, галет и крекеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 19. Технология производства пряников, вафлей, тортов и пирожных

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА САХАРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 20. Основы производства сахара-песка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 21. Производство сахара-рафинада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КРАХМАЛА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 22. Производство картофельного крахмала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 23. Производство кукурузного крахмала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 24. Получение модифицированных крахмалов, крахмальной

патоки и глюкозы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ТЕХНОЛОГИИ БЕЗАЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ, СПИРТА И ВИНА . . . . .

Лекция 25. Основы безалкогольных напитков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 26. Основы технологии этилового спирта и ликеро-водочных изделий

Лекция 27. Основы технологии пива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 28. Основы производства виноградных вин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ . . . . . . . . . . . . .

Лекция 29. Основы производства растительных жиров и масел . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 30. Получение гидрированных жиров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ТЕХНОЛОГИИ КОНСЕРВИРОВАНИЯ ПЛОДОВ И ОВОЩЕЙ . . . . . . . . . . . . .

Лекция 31. Основы консервирования плодов и овощей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 1

ANTONiOL — Wed, 03 Nov 2010 07:35:00 GMT

Лекция 1. Введение в курс «Технология продуктов питания»

План лекции:

1. Требования образовательного стандарта.

2. Пища – единственный источник энергии для организма человека.

3. Технология продуктов питания – дисциплина, изучающая закономерности, обуславливающие переход сырья в пищевые продукты.

4. Цель и задачи курса.

5. Связь курса с другими дисциплинами.

Известно, что обучение по направлению магистерской подготовки 260100 «Технология продуктов питания» и по специальностям 260202 «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий» и 260100 «Технология продуктов питания» (бакалавриат) осуществляется по государственному образовательному стандарту, утвержденному в 2000 году.

Государственный образовательный стандарт по этой дисциплине требует изучения химических, физико-химических, биохимических, микробиологических и коллоидных процессов пищевой технологии, их роли и влияния на качество пищевых продуктов. Также изучаются основы технологии хлеба, хлебобулочных, макаронных изделий, пищевых концентратов и других продуктов длительного хранения, а также оборудовании хлебозаводов, макаронных и пищеконцентратных предприятий. Кроме этого необходимо освоить основы технологий кондитерских изделий, сахара, крахмала и крахмалопродуктов, пивобезалкагольных продуктов, виноделия, жиров, консервирования плодов и овощей.

Литература необходимая для изучения настоящего курса приведена в конце лекций.

Пища – единственный источник энергии для организма человека

Питание – это процесс усвоения организмом питательных веществ, необходимых для поддержания жизни, здоровья и работоспособности человека. Все нужные для этого вещества организм человека получает с пищей.

Пищевые продукты снабжают организм материалом для построения его тканей и постоянного обновления их: энергией, необходимой для жизнедеятельности и совершения работы; веществами, играющими важную роль в регулировании обмена веществ.

Ткани человека мессой около 70 кг состоят из 40-45 кг воды, 16-17 кг белка, 7-10 кг жира, 2-3 кг минеральных солей и 0,5-0,8 кг углеводов. Для жизнедеятельности нашего организма требуется постоянное поступление всех перечисленных веществ, в том числе биологически активных соединений – витаминов, ферментов и т.д.

Питание представляет собой сложный процесс поступления, переваривания, всасывания и ассимиляции органических веществ, участвующих в покрытии энергетических затрат, построения и возобновления клеток и тканей тела, регуляции функций организма. Для этого пищевой рацион должен быть по количеству и качеству сбалансирован с потребностями человека соответственно его полу, профессии и возрасту.

Рациональное питание – это соблюдение трех основных принципов: равновесие между поступающей с пищей энергией и энергией, расходуемой человеком в процессе жизнедеятельности, т.е. баланс энергии; удовлетворение потребностей организма в определенном количестве и соотношении пищевых веществ; соблюдение режима питания.

Физиологические потребности организма зависят от множества условий. Большинство их постоянно меняется, так что точно сбалансировать питание на каждый момент жизни невозможно. Но организм обладает специальными регуляторными механизмами, позволяющими использовать из принятой пищи и усваивать необходимые питательные вещества в таком количестве, которое ему требуется в данный момент.

Однако регуляторные способности организма имеют определенные пределы, особенно в детском и пожилом возрасте. Кроме того, многие пищевые вещества (некоторые витамины, незаменимые аминокислоты и т.д.) человеческий организм не в состоянии образовать в процессе обмена веществ, поэтому недостаток этих веществ должен быть восполнен за счет питания. В противном случае могут возникнуть болезни, связанные с неполноценным питанием.

Питательные вещества в организме человека подвергаются сложным изменениям. Под действием пищеварительных ферментов они разлагаются, поступают в лимфу и кровь, т.е. в организме человека происходит образование сложных веществ из более простых. Этот процесс называется ассимиляцией или анаболизмом.

Одновременно с созданием клеток и тканей в организме постоянно происходит частичное их разрушение. Процесс распада веществ, входящих в состав клеток и тканей, называется диссимиляцией или метаболизмом и происходит с выделением энергии, затрачиваемой на все виды работы органов. Оба процесса находятся в тесной взаимосвязи. В совокупности эти два процесса называются обменом веществ.

Обмен веществ бывает основной и дополнительный.

Основной обмен веществ и затраты на него связаны со всеми жизненными, физиологическими процессами, протекающими в организме (дыхание, кроветворение, пищеварение и т.д.). Условно можно сказать, что основной обмен веществ – это минимальное количество энергии, необходимое человеку для поддержания жизни в состоянии покоя. Он обычно рассчитывается на «стандартного» мужчину (30 лет с массой тела 65 кг) или «стандартную» женщину (30 лет с массой тела 55 кг). Основной обмен у мужчины 1600 ккал (6704 кДж), женщины – 1400 ккал (5866 кДж) Основной обмен зависит от возраста (у маленьких детей он в 1,3-1,5 раза выше, чем у взрослых), массы тела (поэтому основной обмен рассчитывают на 1 кг массы тела), внешних условий, индивидуальных особенностей человека.

При приеме пищи наибольший расход энергии вызывает переваривание белков. Поступление их в пищеварительный тракт увеличивает основной обмен на 30-40%. При приеме жиров он увеличивается на 4-14%, а углеводов на 4-7%. При смешанном питании основной обмен увеличивается на 10-15%.

Дополнительным обменом веществ вызывается затратами энергии на выполняемую человеком работу. Это в основном расход на мышечную деятельность. Он также зависит от многих факторов: типа деятельности, массы тела, возраста и т.д.

Процесс усвоения и использования в организме пищи схож с горением. Большая часть продуктов превращается в тепло (энергию), диоксид углерода и воду. Единственным источником энергии для организма человека является пища. Энергию, поставляемую организму продуктами питания, принято выражать в ккал или кДж. Количество энергии, выделяемой при усвоении организмом того или иного продукта, называется калорийностью этого продукта. Установлено, что при окислении 1 г жира организм получает 9 ккал (37,7 кДж), 1г белка – 4 ккал (16,7 кДж), 1 г углеводов – 3,75 ккал (15,7 кДж). Но в организме эти вещества полностью не усваиваются. Так белки усваиваются на 94,5%, жиры – на 94%, углеводы – на 95,6%. Поэтому для определения калорийности пищи необходимо учитывать этот коэффициент усвояемости. Результаты этих расчетов приведены в таблице 1

При составлении рациона питания важно, какие группы веществ обеспечивают калорийность питания. Для нормальной жизнедеятельности человека необходимо определенное соотношение белков, жиров и углеводов, а также наличие витаминов и минеральных веществ.

Поэтому этот факт необходимо учитывать в технологиях продуктов питания.

Слово «технология» объединяет два понятия: «techne» – искусство, ремесло, техника и «logos» – учение, наука. Таким образом, слово «технология» означает учение или наука о способах и средствах переработки материала.

Отсюда «Технология продуктов питания» – это дисциплина, изучающая закономерности, способы и средства переработки сырья, обуславливающие переход его в пищевые продукты.

Целью дисциплины «Введение в технологии продуктов питания» является изучение закономерностей, лежащих в основе технологических процессов продуктов питания.

К задачам дисциплины относятся:

- изучение пищевого сырья, как продуктов биологического происхождения;

- усвоение теоретических основ технологических процессов производства продуктов питания;

- приобретение теоретических знаний формирования свойств полуфабрикатов и качества готовых изделий;

- изучение взаимосвязей процессов, происходящих при производстве отдельных продуктов;

- ознакомление с научными основами организации и формирования технологических потоков производства хлеба, кондитерских и макаронных изделий, сахара, крахмала, безалкогольных и вино-водочных изделий, пива, жиров и масел, а также консервирования плодов и овощей.

Связь курса «Введение в технологии продуктов питания» с другими дисциплинами.

Современная пищевая технология базируется практически на всех фундаментальных науках. Сложные процессы, происходящие при переработке сырья в продукты питания, основаны на законах физики, теплофизики, химии, биохимии, микробиологии, механики и др. По-настоящему грамотным может быть только технолог, владеющий знаниями в этих областях науки. Технологии находятся в непрерывной связи с экономикой производства каждого вида продукта. Уместно вспомнить слова Д.И.Менделеева применительно к выплавке железа: «Дело химии изучать получение железа из руды, а дело технологии изучать выгоднейшие для этого способы, выбирать из возможностей наиболее применяемую по выгодности к данным условиям времени и места, чтобы придать продукту наибольшую дешевизну при желаемых свойствах и формах». Поэтому изучение названного курса предполагает знание студентом дисциплин естественно-научного и общепрофессионального профиля:

- физика (физические основы классической механики, основы молекулярной физики и термодинамики);

- химия (органическая, аналитическая, физическая, коллоидная, физико-химические методы активации и анализа);

- биохимия (белки, липиды, углеводы, роль биохимических процессов в пищевой промышленности);

- процессы и аппараты пищевых производств (основные законы науки о процессах и аппаратах, общие процессы пищевой технологии);

- микробиология (микробиологические процессы в пищевой промышленности, микробиологический и санитарно-гигиенический контроль);

- пищевая химия (процессы, протекающие при хранении и переработке сырья, пищевые добавки, экология пищи).

Лекция 2-1

ANTONiOL — Wed, 03 Nov 2010 07:33:30 GMT

Лекция 2. Роль отдельных пищевых веществ в жизнедеятельности организма и в пищевых технологиях

План лекции:

1. Свойства и роль белков в жизнедеятельности организма.

2. Роль жиров в этом процессе.

3. Значение углеводов в организме человека.

4. Органические кислоты.

5. Роль витаминов и витаминообразных веществ.

6. Минеральные вещества.

Свойство и роль белков в жизнедеятельности организма

Белки представляют собой важнейшую составную часть пищи. Недостаток белков в пище является одной из причин повышенной восприимчивости организма к инфекционным заболеваниям. При этом снижается кроветворение, задерживается развитие растущего организма, нарушается обмен жиров и витаминов, деятельность нервной системы, печени и других органов, замедляется восстановление клеток после тяжелых заболеваний. За жизнь человека белок обновляется 200 раз.

Белки – это органические высокомолекулярные соединения, в сотав большинства которых входят 5 элементов: N, C, O, H, S. Белковые вещества построены из аминокислот. Аминокислоты имеют в своем составе аминную NH₂ и карбоксильную СООН группы. В молекуле белка аминокислоты соединены между собой пептидными связями. Разнообразие белков определяется последовательностью размещения аминокислот в аминокислотной цепочке (первичная структура белка). Кроме того, существуют спиралевидная структура спиралевидной цепочки (вторичная структура), компактная упаковка спиралевидной структуры (третичная структура) и соединения полипептидных цепочек нековалентными связями (водородными, гидрофильными) – глобулы или волокна.

Несмотря на огромное многообразие белковых веществ в природе, в построении нашего организма участвует лишь 22 аминокислоты, поэтому не все белки мы можем использовать в пищу.

Белки составляют важнейшую часть всех клеток и тканей живых организмов, что делает их существование без белков невозможным. Поэтому не случайно термин «протеин» (белок) образован от греческого слова «протео» - первенствующий.

Поступая в организм, белки пищи подвергаются действию ферментов и гормонов и в итоге превращаются в составляющие их аминокислоты. Аминокислоты всасываются через стенки кишечника в кровь. Часть аминокислот поступает в печень, где происходит их дальнейшие превращения, а большая часть разносится к тканям и органам, где аминокислоты расходуются на построение и обновление клеток, а также на построение и обновление ферментов и гормонов. Наконец некоторая часть аминокислот является источником энергии, главным образом, при нехватке углеводов и жиров.

Таким образом, белки являются главным материалом для построения тканей организма.

Организм человека обладает способностью образовывать нужные аминокислоты из других аминокислот. Однако имеется 8 аминокислот (триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин), которые организм человека не способен синтезировать, но которые входят в состав белковых веществ человека. Эти аминокислоты называются «незаменимыми», они должны поступать в организм с продуктами питания. В питании детей дошкольного возраста они должны составлять 40% от суммы аминокислот, школьного возраста – 30%, а взрослых – 16%, т.е. 13-14 г.

Кроме того, питательная ценность белков зависит от степени усвояемости их организмом. Растительные белки усваиваются хуже, чем животные: белки яиц и молока – на 96%, рыбы и мяса – на 95%, хлеба – на 85%, овощей – на 80%, картофеля и бобовых – на 70%. Растительные белки должны составлять в дневном рационе не более 40%, т.к. наиболее полноценными считаются белки животного происхождения. Причина – большинство растительных белков имеет недостаточное содержание одной или двух незаменимых аминокислот. Это в основном лизин, метеонин и цистин.

Вместе с тем следует сказать и об отрицательном влиянии избытка белка в питании. Из-за большой реакционной способности организм переносит избыток белков труднее, чем других пищевых веществ. Особенно страдают от избытка белков печень и почки. Длительный избыток белка в питании вызывает перевозбуждение нервной системы, нарушение обмена витаминов, ожирение организма, заболевание суставов. Все это связано с повышенным поступлением вместе с белками нуклеиновых кислот, накоплением мочевой кислоты – продукта обмена пуринов, превращением избытка белков в жиры и т.д.

Потребность человеческого организма в белках составляет 1,1-1,5 г в день на 1 кг массы тела человека. Основными источниками белка в питании являются мясные, рыбные и зернобобовые продукты. Больше всего белка содержится в сырах – 25%, горохе и фасоли – 22-23%, разных видах мяса, рыбы и птицы – 16-20%, жирном твороге – 14%, крупах – 12-13%, ржаном хлебе – 5-6%, пшеничном – 8%, молоке – 2,9%, овощах и плодах – не более 2%.

Белки пищевых продуктов обладают рядом свойств, которые оказывают влияние на ведение технологических процессов при переработке продуктов.

Первое свойство - это способность к гидратации, т.е. поглощению и удержанию влаги, причем не к адсорбции, как у крахмала, а осмотически связанно, более прочно. В нормальных условиях белки способны удержать 2-3-кратное количество воды. Набухание обусловлено способностью белков, относящихся к гидрофильным веществам, поглощать воду и при определенных условиях образовывать растворы, называемые студнями. Свойство набухания играет большую роль в пищевых технологиях: зерно при кондиционировании, мука при замесе теста, набухание белков в масличных при производстве растительных масел и т.д.

Второе свойство – денатурация, т.е. изменение пространственной ориентации белковой молекулы, не сопровождающееся разрывом ковалентных связей. Она вызвана повышением температуры, механическим и химическим воздействием и другими факторами и играет важную роль в технологических процессах, связанных с образованием структурных систем полуфабрикатов и готовых блюд (хлеба, макаронных изделий).

Третье свойство – пенообразование, т.е. способность образовывать эмульсии в системе жидкость – газ, называемые пенами. Белки как пенообразователи широко используются при изготовлении кондитерских изделий, в частности безе.

Четвертое свойство – способность белков к гидролизу, т.е. расщеплению на составные части в присутствии кислот или ферментов. Эта способность белков используется в ряде отраслей пищевой промышленности, например, при рафинации растительных масел.

Роль жиров в жизнедеятельности организма

Жиры (липиды) и жироподобные вещества (липоиды) объединяются общим названием липиды. Жиры в организме человека выполняют роль поставщиков энергии (калорий). Наличие жиров в пище придает различным блюдам высокие вкусовые качества, способствует возбуждению аппетита, имеющего важнейшее значение для нормального пищеварения. При длительном ограничении жиров в пище наблюдаются нарушения в физиологическом состоянии организма: нарушается деятельность центральной нервной системы, ослабляется иммунитет.

Жиры играют следующую роль для организма:

- являются важным источником энергии;

- будучи носителями жирорастворимых витаминов (А, D, К, Е), способствуют нормальному обмену веществ в организме;

- являются структурным элементом клеток;

- будучи плохими проводниками теплоты, предохраняют организм от переохлаждения;

- находясь в соединительных тканях организма, предохраняют его от ударов;

- являются смазочным материалом кожи.

Жиры делятся на животные (большей частью твердые при комнатной температуре) и растительные, или масла, как правило, жидкие. Исключение составляет какао-масло.

По химическому строению жиры представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина (около 10%) и жирных кислот разной длины углеродной цепочки и степени насыщенности. Свойства жиров зависят в основном от строения и состава жирных кислот. В наибольших количествах в жирах встречаются пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая и арахидоновая кислоты. Первые две чаще встречаются в жирах животного происхождения, а другие – в растительных жирах.

Жирные кислоты подразделяются на предельные (насыщенные) и непредельные (ненасыщенные). Из насыщенных жирных кислот часто встречаются пальметиновая С₁₅Н₃₁СООН и стеариновая С₁₇Н₃₅СООН. Эти кислоты в основном используются организмом как энергетический материал. Избыток их приводит к нарушению обмена жиров, повышению уровня холестерина в крови и ожирению.

Ненасыщенные жирные кислоты различаются по степени «ненасыщенности» – мононенасыщенные олеиновые (одна ненасыщенная водородная связь между углеродными атомами) и полиненасыщенные, когда таких связей несколько (2, 3, 4, 5, 6) – это линолевая, линоленовая, арахидоновая кислоты. Последние не синтезируются организмом человека и поэтому являются незаменимыми. При их отсутствии наблюдается прекращение роста, изменение проницаемости сосудов, некротическое поражение кожи.

Потребность организма в полиненасыщенных жирных кислотах 16-24 г в день, что обеспечивает 4-6% общей калорийности пищи. Наилучшее соотношение жирных кислот в рационе: 10% полиненасыщенных (16-24 г в день), 30% - насыщенных (48- 70 г в день), 60% мононенасыщенных (100-150 г в день). При этом оптимальный в биологическом отношении баланс создается при включении в суточный рацион 70-80% животных жиров и 20-30% растительных. При этом обеспечивается не только потребность в них организма, но и наличие всех необходимых организму веществ – витаминов А и D, лецитина, полиненасыщенных жирных кислот, токоферолов, ситостерина.

Мононенасыщенной олеиновой кислоты много в оливковом масле (67%), свином жире (43%), говяжьем жире (37%), сливочном масле (23%). Полиненасыщенных кислот много в подсолнечном масле (60%), орехах (до 40%), крупах овсяной (до 4%) и гречневой (до 2%).

Попадая в организм человека, жиры гидролизуются на составные части. Образовавшийся глицерин непосредственно всасывается слизистой оболочной кишечника; жирные кислоты реагируют с желчными кислотами с образованием веществ, также всасываемых. Желчные кислоты являются эмульгаторами, превращая жиры в тонкую эмульсию, а также активаторами липазы.

Сочетание растительных и животных жиров помогает улучшить вкусовые свойства пищи, с помощью различных технологических приемов получить новые виды продуктов с определенными свойствами.

Составной частью жиров являются жироподобные вещества (липоиды). Они принимают активное участие в обмене веществ – входят в состав пограничного слоя клеток и являются одним из регуляторов проницаемости клеточных стенок. Среди них в природе особенно распространены фосфолипиды и стерины.

Фосфолипиды, как и жиры, - сложные эфиры глицерина и жирных кислот, но содержат еще фосфорную кислоту и аминоспирты. Из фосфолипидов наиболее распространены лецитины, которые благодаря содержанию в нем фосфора и холина являются биологическим антагонистом холестерина. Они стимулируют развитие растущего организма, благотворно влияют на деятельность нервной системы, печени, стимулируют кроветворение, повышают сопротивляемость организма токсическим веществам, улучшает усвоение жиров, препятствует развитию атеросклероза. Лецитины – поверхностно-активные вещества. В масложировой (при производстве маргарина), кондитерской, хлебопекарной и других отраслях пищевой промышленности они применяются в качестве эмульгаторов.

Особо важное значение среди стеринов имеет холестерин, участвующий в организме в образовании желчных кислот, которые, являясь эмульгаторами, реагируют с жирными кислотами в образовании витамина D, а также в регуляции проницаемости стенок клеток. Однако при взаимодействии с β-ситостерином, содержащимся в растительных продуктах, он образует нерастворимые комплексы, которые препятствуют всасыванию холестерина в желудочно-кишечный тракт, и снижают тем самым уровень его в крови.

Избыток жиров в пище приводит к нарушению обмена веществ, прежде всего холестерина, к усилению свертывающих свойств крови, развитию ожирения, желчекаменной болезни и атеросклерозу.

Жиры как компоненты пищевых продуктов обладают определенными свойствами, которые необходимо учитывать и использовать в пищевых технологиях:

1. Все жиры в воде нерастворимы, но растворимы в органических растворителях. Это свойство используется при получении растительных масел экстракционным способом.

2. Жиры хорошо растворяют в себе многие органические вещества, в том числе и ароматические.

3. При нагревании под давлением жиры расщепляются на глицерин и соответствующие жирные кислоты. В присутствии щелочи эта реакция идет при нормальном давлении с образованием глицерина и солей жирных кислот. Это свойство используется в парфюмерной промышленности при производстве мыла.

4. Жиры в присутствии поверхностно-активных веществ (эмульгаторов) способны образовывать стойкие эмульсии. Это свойство используется при производстве майонеза и маргарина.

5. При хранении в неблагоприятных условиях (повышенная температура, влажность, свет) жиры под действием фермента липазы гидролизуются на глицерин и свободные жирные кислоты. Последние, особенно ненасыщенные, под действием кислорода воздуха окисляются с образованием продуктов горького вкуса. Этот процесс называется прогорканием.

6. При высоких температурах (250-300^оС) жиры гидролизуются на жирные кислоты и глицерин, который разлагается до акролеина – вещества с неприятным запахом.

7. В результате гидрогенезации (насыщения водородом полинасыщенных жирных кислот) жиры могут переходить из жидкого состояния в твердое.

Лекция 2-2

ANTONiOL — Wed, 03 Nov 2010 07:33:09 GMT

Значение углеводов в организме человека

Углеводы широко распространены в природе, главным образом в растительном мире. Синтезируются они в зеленых частях растений. Они являются важным энергетическим компонентом пищи. Причем по количеству преобладают в ней над всеми другими компонентами. Например, в семенах злаков их содержание достигает 80%, а в рисе – до 90%.

Углеводы – это вещества, состоящие из углерода, кислорода и водорода с общей формулой С_nН₂О. Все они делятся на две группы: моносахариды и полисахариды, которые, в свою очередь, делятся на полисахариды первого порядка (сахароза, мальтоза, лактоза и др.) и полисахариды второго порядка – высокомолекулярные углеводы (крахмал, клетчатка и др.).

Моносахариды. Главные их представители гексозы (С₆Н₁₂О₆) и пентозы (С₅Н₁₀О₅). Все моносахариды (монозы) – кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и оптически активные (вращают плоскость поляризации).

В пищевом отношении монозы наиболее легкоусвояемые углеводы: без участия ферментов они в неизменном состоянии всасываются через стенки кишечника в кровь. К неусвояемым углеводам относят гемицелюлозу, целюлозу, пектиновые вещества, камеди и декстрины. Наиболее важное в пищевом отношении имеют глюкоза и фруктоза, которые в природе широко распространены как в свободном, так и в связанном состоянии.

В промышленности глюкозу получают путем кислотного и ферментативного гидролиза крахмала. Она сбраживается дрожжами, негигроскопична. Сладость ее составляет 70% сладости сахарозы.

Фруктоза (левулеза, плодовый сахар) в природе вместе с глюкозой находится во многих плодах, овощах и ягодах. На воздухе гигроскопична, что затрудняет ее использование в кондитерском производстве. По сладости в 1,7 раза превосходит сахарозу.

Полисахариды первого порядка. Наибольшее пищевое значение из них имеют сахароза, мальтоза и лактоза. Все они являются кристаллическими веществами, хорошо растворимыми в воде, сладкие. Наибольшую сладость имеет сахароза. Все они оптически активны и обладают общим для полисахаридов свойством подвергаться гидролитическому распаду с образованием двух моноз.

Сахароза – наиболее распространенный в растительном мире сахар. Ее много в сахарной свекле, сахарном тростнике, плодах дыни и арбуза. В промышленности ее получают из свеклы и сахарного тростника. Хорошо сбраживается дрожжами. Подвергается гидролизу, распадаясь на составные компоненты глюкозу и фруктозу. Смесь их называется инвертным сахаром, который обладает антикристаллизационными свойствами. Это свойство как положительное широко используется в кондитерской промышленности. В сахарной же промышленности от инвертного сахара необходимо избавляться, т.к. он мешает процессу кристаллизации сахарозы.

Мальтоза при гидролизе распадается на две молекулы глюкозы. В свободном состоянии она встречается главным образом в семенах злаковых, особенно при их произрастании. Получается в результате ферментативного гидролиза крахмала при участии амилазы солода. Сбраживается дрожжами в присутствии глюкозы.

При гидролизе лактоза распадается на галактозу и глюкозу. Она содержится в молоке всех млекопитающих. Сбраживается лишь теми видами дрожжей, где присутствует фермент лактаза.

Сахара как пищевые продукты ценятся в основном за сладость. Если сладость сахарозы условно принять за 100, то относительная сладость фруктозы 173 единицы, глюкозы – 74, ксилозы – 40, мальтозы – 32,5, галактозы –32,1, раффинозы – 23, лактозы – 16 единиц.

Полисахариды второго порядка. Это высокомолекулярные соединения. В растительном мире они играют роль запасных питательных веществ или же являются основой опорных тканей организма. Они под действием кислот или соответствующих ферментов расщепляются на свои первичные строительные структуры.

Крахмал – наиболее важный по пищевой ценности полисахарид. Он содержится во всех растениях, выполняя роль запасного питательного вещества. Например, в зернах различных злаков крахмал содержится от 55 до 80%, в картофеле – 75%. Зерно крахмала состоит из двух компонентов – амилозы и амилопектина, одинаковых по химическому составу, но разных по структуре. Формула того и другого (С₆Н₁₀О₅)_n, но у амилозы n = 200-1000, а у амилопектина доходит до 200000. В холодной воде зерна крахмала не растворяются, но при нагревании начинается процесс его клейстеризации. При кипячении с разбавленными кислотами крахмал превращается в глюкозу. Крахмал очень гигроскопичен. Даже в сухом состоянии он содержит до 20% влаги. В пищевой промышленности крахмал – это основное сырье для производства глюкозы и патоки, применяемой в кондитерской промышленности в качестве антикристаллизатора.

В растительных продуктах наряду с углеводами, обеспечивающими организм энергией, содержатся так называемые непищевые углеводы, представителем которых является целлюлоза (клетчатка). Практического значения как источник энергии она не имеет, усваивается примерно на 25%, но способствует нормальной функции кишечника: раздражая стенки клеток, она вызывает их движение – перестальтику. При употреблении пищи лишенной целюлозы перестальтика ослабевает. К непищевым углеводам относятся также пектиновые вещества, которые не усваиваются организмом, но играют важную роль в физиологии питания и пищевой технологии. Они образуют комплексные соединения с тяжелыми металлами, выводят их из организма. В кислой среде в присутствии сахара образуют плодово-ягодные студни. На этом свойстве пектиновых веществ основано производство джема, повидла, мармелада и пастилы.

Значение углеводов в организме человека. Поступая в организм человека, все сложные углеводы подвергаются гидролитическому распаду, превращаясь в глюкозу, которая через стенки кишечника непосредственно всасывается в кровь. Нормальное содержание глюкозы в крови около 0,1%. Это количество регулируется печенью: если сахара поступает много – его избыток накапливается в печени в виде животного крахмала – гликогена, если мало, то гликоген превращается в глюкозу и поступает в кровь.

Если организм получает достаточное количество углеводов, то именно они более чем на 50% являются источником энергии. Избыток же будет превращаться в жир и откладываться в виде запасов в организме. При недостатке углеводов удовлетворение энергетических потребностей будет осуществляться за счет жиров и белков.

Суточная потребность взрослого человека в углеводах от 450 до 630 г, что приблизительно в 4 раза больше чем белков.

Общие свойства углеводов, используемые в пищевых технологиях:

1. Использование углеводов в производствах, связанных с биохимической переработкой, - это брожение теста, получение вина, пива, спирта, дрожжей, пищевых кислот, ацетона и т.д. Во всех этих производствах в итоге используется способность простых углеводов сбраживаться ферментами дрожжей или бактерий.

2. В пищевых производствах широко используется также другие свойства сахаров – это способность растворяться в воде, способность к кристаллизации и т.д.

3. Для получения чистого крахмала из растений (картофеля, кукурузы) используется его свойство не растворяться в воде. Способность же крахмала к гидролизу дает возможность получать полные и неполные продукты гидролиза – глюкозу, декстрины, патоку (смесь декстринов с сахарами).

4. В пищевой промышленности широко используется также способность пектиновых веществ образовывать студни в присутствии сахаров и органических кислот.

Органические кислоты

Кроме белков, жиров и углеводов в состав пищевых продуктов входят некоторые органические вещества, которые содержатся в ограниченных количествах, не влияют на их энергетическую ценность, но оказывают существенное влияние на вкус, цвет и аромат пищевых продуктов и в какой-то степени на обмен веществ. Наибольшее значение имеют органические кислоты, которые содержатся во всех пищевых продуктах, придавая им специфический вкус и аромат.

Органические кислоты являются биологически активными веществами, участвующими в окислительно-восстановительных процессах, улучшают деятельность пищеварительного тракта, снижая рН среды и способствуя тем самым изменению состава микрофлоры в благоприятную сторону (уменьшают гниение). Потребность организма в них 2 г в день.

К органическим кислотам, содержащимся в пищевых продуктах, относятся яблочная, лимонная, винокаменная кислоты, содержащиеся в плодах и ягодах, а также молочная и винная кислоты, образующиеся в процессе брожения теста, вин, квашения.

Роль витаминов и витаминообразных веществ

Витамины – участники и биологические катализаторы химических реакций, протекающих в живых клетках. Они необходимы для нормального функционирования всех органов и систем, роста и развития организма в целом. Они поступают в организм в основном с пищей. Некоторые из них синтезируются в кишечнике под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов.

Биологическая роль витаминов заключается в их регуляторном действии на обмен веществ. Они обладают каталитическими свойствами, т.е. способностью стимулировать химические реакции, протекающие в организме, а также активно участвуют в образовании и функциях ферментов. Недостаток витаминов (авитаминоз) ведет к нарушению процессов обмена веществ. Однако и избыток их (гипервитаминоз) может привести к заболеванию организма.

Все витамины делятся на водорастворимые, жирорастворимые и витаминоподобные вещества.

Водорастворимые витамины. К ним относятся витамин С и витамины группы В.

Витамин С (аскорбиновая кислота) играет важную роль в обменных процессах, особенно в усвоении белков, в поддержании нормального состояния соединительной ткани и восстановлении тканей. Он же благоприятно действует на функции центральной нервной системы, стимулирует деятельность эндокринных желез, способствует усвоению железа и нормальному кроветворению и т.д. При его недостатке снижается умственная и физическая работоспособность, увеличивается проницаемость стенок кровеносных сосудов, нарушается структура хрящевой и костной ткани, развивается цинга. Необходимое его количество от 50 до 100 мг в сутки. Основными источниками витамина С являются овощи, плоды и ягоды.

На содержание витамина С в пищевых продуктах значительное влияние оказывает их хранение и кулинарная обработка.

Витамин В₁ (тиамин). Входит в состав ферментов, регулирующих многие важные функции организма, в первую очередь углеводный обмен, а также обмен аминокислот. Он необходим для нормальной деятельности центральной и периферической нервной системы. При отсутствии его развивается полиневрит. Поступление в организм происходит за счет пищевых продуктов. Он входит в состав пивных дрожжей, хлебный квас, в зерновые и бобовые культуры, крупах, печени, сердце, нежирной свинине. Суточная потребность 1,7-2 мг. Тепловая обработка незначительно разрушает тиамин, особенно если она производится в кислой среде.

Витамин В₂ (рибофлавин) принимает участие в процессах роста и относится к ростовым факторам. Он участвует в обмене белков, жиров и углеводов, оказывает регулирующее действие на состояние центральной нервной системы, воздействует на процессы обмена в роговице, хрусталике и сетчатке глаза, обеспечивает световое и цветовое зрение. При недостатке его наблюдается сухость и трещины на губах, начинают выпадать волосы, могут развиться коньюктивит и блефарит. Основными источниками витамина В₂ являются продукты животного происхождения (яйца, молоко, сыр, мясо), а также зерновые и бобовые. Много его в дрожжах, а также в сквашенных молочных продуктах. Суточная потребность в витамине В₂2,9-3,5 мг. Рибофлавин очень чувствителен к воздействию ультрафиолетовых лучей, потери же его при кулинарной обработке, сушке и стирилизации не более 20%.

Витамин РР (никотиновая кислота) участвует в реакциях клеточного дыхания, в белковом обмене и повышает использование в организме растительных белков, нормализует секреторную и двигательную функции поджелудочной железы, нормализует работу печени. Недостаток его в комплексе с белковой недостаточностью приводит к развитию пеллагры – поражению кожи. Основными источниками никотиновой кислоты являются продукты животного происхождения: мясо домашней птицы, говядина, печень. Очень богаты витамином РР дрожжи. Потребность здорового человека в этом витамине 19-20 мг/сутки. Никотиновая кислота наиболее устойчива в хранении и при кулинарной обработке.

Витамин В₆ (пиридоксин) обеспечивает нормальное усвоение белков и жиров, играет важную роль в азотистом обмене. Недостаток его вызывает у детей раннего возраста задержку роста, желудочно-кишечные расстройства, малокровие, повышенную возбудимость, своеобразные изменения кожи, а также слизистой оболочки полости рта и языка. Он содержится во многих пищевых продуктах, но в весьма незначительных количествах. Но в обычных условиях у человека не наблюдается недостатка в нем, т.к. в организме человека пиридоксин в достаточном количестве образуется кишечными бактериями.

Витамин В₃ (пантотеновая кислота) играет важную роль в обмене веществ. Он оказывает нормализующее действие на нервную систему и функции надпочечников и щитовидной железы. Исключительно широкое распространение его в природе (в различных растениях и животных тканях) определяется в названии этого витамина - слово «пантотеновая» происходит от греческого «вездесущий». Потребность здорового человека около 10 мг/сутки удовлетворяется при обычном питании. Клинических признаков недостаточности в организме его не установлено.

Витамин В₉ (фолиевая кислота, фолации) участвуют в обмене и синтезе некоторых аминокислот, а также в синтезе нуклеиновых кислот, оказывает стимулирующее воздействие на кроветворную функцию костного мозга, способствует лучшему усвоению витамина В₁₂. При недостатке в организме фолиевой кислоты развиваются тяжелая анемия, желудочно-кишечные расстройства, расстройства чувствительности и др. Наиболее богаты этим витамином печень, почки и зеленые листья растений. Микроорганизмы кишечника человека синтезируют его в большом количестве, поэтому даже при недостатке его в питании это количество покрывает потребность организма. Лучшими источниками фолиевой кислоты считаются салаты из пищевой зелени. Потребность в этом витамине составляет 0,4-0,5 мг/сутки. При кулинарной обработке и консервировании он легко разрушается.

Витамин В₁₂ (цианкобаламин) принадлежит к веществам с высокой биологической активностью Он участвует в синтезе метионина, нуклеиновых кислот, процессах кроветворения и т.д. Недостаточность в нем обычно развивается при нарушении его всасывания и проявляется в виде тяжелых форм анемии. Но это возможно только у вегетарианцев. В организм поступает с пищей (особенно богата им говяжья печень) и также синтезируется микроорганизмами кишечника. Суточная потребность 0,002 – 0,005 мг.

Витамин Н (биотин) входит в состав ферментов, регулирующих обмен амино- и жирных кислот. При недостатке его возникает дерматит рук, ног, щек, нарушаются функции нервной системы. Больше всего биотина в печени и почках, сое, меньше – в яйцах, горохе, молоке, мясе, овощах. Потребность в нем 0,15-0,3 мг/сут.

Жирорастворимые витамины.

Витамин А (ретинол) обеспечивает нормальный рост организма, входит в состав зрительных пигментов, обеспечивает приспособление глаз к свету различной интенсивности. Недостаток его проявляется в виде бледности и сухости кожных покровов, склонности кожи ороговению и шелушению, образованию угрей и развитию гнойничковых заболеваний, сухости и тусклости волос, а также ломкости ногтей, светобоязнь, «куриная слепота», конъюктивит, блефарит. Ретинол встречается в основном в животных тканях. Кроме этого, витамин А находится в растениях в виде провитамина А (каротин). Витамин А и каротин хорошо сохраняются в процессе приготовления пищи. Потребность – 1,5-2,5 мг/сут.

Витамином D (кальциферол) называют несколько соединений: эргокальциферол – D₂, холекальциферол – D₃. Витамин D оказывает влияние на минеральный обмен веществ, на костеобразование, регулируя, прежде всего, соотношение кальция и фосфора, обеспечивают всасывание всех этих элементов в тонком кишечнике и перенос кальция из крови в костную ткань. Суточная потребность в нем составляет для взрослых 2,5 мкг, для детей – 1,25 мкг. Богатейшим источником этого витамина являются жир печени тунца, трески и других рыб. В организме человека витамин D синтезируется при облучении солнцем содержащегося в коже провитамина, который образуется в организме из холестерина.

Витамином Е (токоферол) называют группу соединений, состоящую из 7 витаминов, различных по биологическому действию. Они стимулируют кишечную деятельность и функции половых желез, способствуют накоплению во внутренних органах всех жирорастворимых витаминов, особенно ретинола. Суточная потребность для взрослых 10-20 мг, для детей 0,5 мг на 1 кг массы тела. Токоферолы содержатся в растительных маслах, а также в зеленых частях растений. Они обладают высокой устойчивостью к разрушению.

Витаминоподобные вещества. К этим веществам относятся: витамин К (нафтохинон, который в медицинской практике применяется в виде синтетических препаратов викасол и синкавит) – важнейший фактор свертывания крови, витамин Р (биофлавоноиды) и незаменимые (полиненасыщенные) жирные кислоты.

Минеральные вещества

Наряду с органическими веществами в клетках живых организмов содержатся соединения, составляющие обширную группу минеральных веществ. К ним относятся вода и различные соли, которые, находясь в растворенном состоянии диссоциируются с образованием ионов. Часто минеральные вещества входят в состав сложных органических веществ, например металлопротеинов (металлобелков). Так, железо включено в состав гемоглобина; магний, марганец, медь, кобальт и другие металлы – в состав многих ферментов и т.д. Минеральные вещества участвуют в важнейших обменных процессах организма – водно-солевом, кислотно-щелочном. Многие из этих элементов находятся в организме в макродозах (более 0,001% веса тела), другие в микродозах (от 0,001 до 0,000001%).

Вода не обладает энергетической ценностью, но без воды жизнь невозможна. Суточная потребность в воде в среднем около 2,5 л. Функции ее в организме важны и разнообразны: вода растворяет питательные вещества, транспортирует их в организме; является дисперсионной средой для крови, протоплазмы клеток; служит терморегулятором организма, т.к. будучи хорошим проводником теплоты выравнивает температуру между соседними клетками, следовательно предохраняет организм от перегревания; все реакции гидролиза питательных веществ происходят при участии воды; служит смазочным материалом в суставах и в местах соприкосновения различных частей организма.

Макроэлементы. К ним относятся кислород, углерод, водород, кальций, калий, азот. Фосфор, сера, магний, натрий, хлор и железо. Они участвуют в образовании желудочного сока, костного скелета, нервных тканей, кроветворении и т.д.

Микроэлементы. К ним относятся йод, соли кобальта, стронций, марганец, цинк, цезий, бром, фтор, и др. Они участвуют в кроветворении, ферментации, образовании витаминов, защите зубов и т.д.

Лекция 3

ANTONiOL — Wed, 03 Nov 2010 07:30:06 GMT

Лекции 3. Основные понятия и законы пищевой технологии

План лекции:

1. Два вида переноса.

2. Движущая сила процесса.

3. Закономерности переноса массы и энергии.

4. Классификация основных процессов.

5. Принципы оптимизации технологических процессов.

Технология пищевых производств, изучающая способы переработки сырья в продукты питания базируется на закономерностях фундаментальных наук – физики, химии, биологии и др. В основе же науки о технологических процессах лежат основные законы природы – закон сохранения энергии и закон сохранения массы. Вместе с тем этой науке присущи свои специфические понятия и законы, которым подчиняются технологические процессы, последовательно превращающие сырье в продукты питания.

В этой лекции рассмотрим два вида переноса, движущую силу процесса, закономерности переноса массы и энергии, классификацию основных процессов и принципы оптимизации технологических процессов.

Два вида переноса. Изучение многих технологических процессов позволило выявить общее, характерное для всех производств. Этим общим является наличие одного из двух видов переноса на каждой стадии превращения сырья в полуфабрикат или конечный продукт. Это перенос энергии или перенос массы.

Возьмем какой-либо аппарат, в котором осуществляется технологический процесс (рис. 1).

В аппарат подается сырье в количестве М_А и М_В и технологические добавки в количестве М_С, а из аппарата выходят готовый продукт в количестве М_D и отходы производства М_Е. Воспользовавшись законом сохранения массы получим

М_А + М_В + М_С = М_D + М_Е или ΣМ_вх = Σ М_вых (1)

Это уравнение будем называть материальным балансом. Из уравнения (1) видно, что в процессе производства происходит перенос массы из одних компонентов, входящих в аппарат в другие.

Для жидкости, движущейся в потоке, изменяющем свою конфигурацию (рис.2), уравнение материального баланса принимает форму неразрывности потока

w₁S₁ = w₂S₂ = w₃S₃, (2)

где w₁ w₂ w₃ - средние скорости движения жидкости в соответствующем сечении; S₁S₂ , S₃-площади живого сечения в плоскостях 1-1; 2-2; 3-3. Живое сечение – это сечение, заполненное жидкостью.

Каждый компонент, входящий в аппарат и выходящий из него, вносит или выносит определенное количество энергии. Это теплота материалов, нагретых до определенной температуры (внутренняя энергия или энтальпия) Е_А, Е_В, Е_D, E_F; а также кинетическая энергия движущихся потоков Е_С. Наконец, это любой вид энергии, сообщаемой потокам в аппарате для осуществления необходимых преобразований Е_пр и необратимые потери энергии, которые возникают в результате протекания процессов, например, потери теплоты в окружающую среду Е_пот и потери на трение при прохождении потоков через аппарат Е_тр (рис.3).

Закон сохранения энергии в этом случае выразится следующим уравнением:

Е_А+ Е_В+ Е_С + Е_пр = Е_D+ E_F+ Е_пот + Е_тр или ΣЕвх = Σ Евых (3)

Уравнение (3) получило название энергетического или теплового баланса аппарата. Наиболее часто технологические процессы сопровождаются переносом тепловой энергии или кинетической энергии – количества движения.

Движущая сила процесса. Всякий перенос вещества или энергии не совершается сам по себе. Причиной переноса является наличие в системе неравновесия или градиента. Например, точечный источник теплоты образует вокруг себя температурное поле. Полем будем называть совокупность значений какой-либо величины в каждой точке рассматриваемого пространства. При этом температура в пространстве зависит от положения точки и от времени:

T = f (x, y, z, τ) (4)

Рассмотрим этот точечный источник теплоты q в плоском сечении пространства без изменения температуры по времени (рис. 4). Легко представить вокруг этого источника некоторые криволинейные поверхности, вдоль которых температура остается постоянной. Пусть на поверхности А поддерживается температура Т = const, а на поверхности В – температура на ΔТ выше: Т+ΔТ=const

В этом случае возникнет определенное движение, например тепловое из точки с более высокой температурой в точку с меньшей температурой. Таким образом, движущая сила процесса является разность температур, разность концентраций, разность электрических или химических потенциалов.

Скорость изменения температуры от поверхности А к поверхности В можно охарактеризовать отношением ΔТ к отрезку, на котором оно достигнуто (Δn). Если рассмотреть предел этого отношения ΔТ/ Δn, при n 0, то получим выражение называемое градиентом. Градиент – векторная величина. Он показывает, что температура увеличивается в направлении к источнику, т.е. навстречу потоку теплоты. Таким образом, градиент какой-то величины в технологическом процессе и есть его движущая сила.

lim (ΔТ/Δn) = (ðТ/ðn) n = grad Т (5)

Закономерности переноса массы и энергии. Экономическая эффективность любого производства в значительной степени зависит от скорости протекания технологических процессов. Эта скорость тем больше, чем больше движущая сила, и тем меньше, чем больше сопротивление этому действию:

L = Δ/R, (6)

где L – скорость протекания процесса, R – сопротивление переносу, Δ – движущая сила.

Это выражение носит название основного кинетического уравнения. Зная движущую силу можно получить основное уравнение для любого процесса.

Для процесса теплопередачи:

q= k ΔТ , (7)

где q – скорость переноса теплоты, удельный тепловой поток, Дж/(м².с); k – коэффициент теплопередачи, Дж/(м².К.с); ΔТ – движущая сила, т.е. средняя разность температур, К (или ^оС).

Тепловой поток – это количество теплоты, переносимое через единицу поверхности в единицу времени,

q= Q/ F τ, (8)

где Q – количество теплоты, Дж; F - площадь поверхности, через которую передается теплота, м²; τ – время, с.

Для процесса массопередачи удельный поток массы [кг/(м².с)] равен:

m= K_m ΔC или m= М/ F. τ, (9)

где K_m – коэффициент массопередачи, размерность которого зависит от размерности концентрации, например, кг/[м².(кг/м³)с] либо м/с; ΔC – движущая сила – средняя разность концентраций, кг/м³; М – количество переносимого вещества, кг.

Для гидродинамических процессов, например, для фильтрации, кинетическое уравнение примет следующий вид (уравнение фильтрования Дарси):

V/ F. τ = v = K Δp, (10)

где V – объем получаемого фильтрата, м³; F – площадь, через которую осуществляется фильтрование, м²; τ – время, с; v – скорость фильтрования, м³/м².с или м/с; К – коэффициент, характеризующий проводимость фильтрующей перегородки, м³/(м².с.Па) или м².с/кг; Δp – разность давлений, Па.

Классификация основных процессов

Все процессы по движущей силе и типу переноса можно разделить следующим образом (таблица 3).

Таблица 3

Классификация основных процессов пищевых технологий

Тип переноса	Движущая сила	Процессы	Технологические операции
Перенос количества движения	Механическая сила, давление	Механические	Дробление, резание, сортирование, прессование, классификация, дозирование
Перенос количества движения	Механическая сила, давление	Гидромеханические	Отстаивание, фильтрование, перемешивание жидкостей или газов, осаждение, центрифугидрование
Перенос теплоты	Разность температур	Тепловые	Нагревание, охлаждение, выпаривание, конденсация
Перенос массы	Разность концентраций	Массообменные (Физико-химические)	Сушка, экстракция, адсорбция, абсорбция, кристаллизация, растворение, перегонка
	Разность концентраций	Химические	Превращения веществ, гидролиз, меланоидинообразование, дегидратация, сульфитация, окисление
	Деятельность микроорганизмов	Биохимические	Катализ химических процессов ферментами
	Деятельность микроорганизмов	Микробиологические	Брожение, плесневение, окисление

Принципы оптимизации технологических процессов. Технологический процесс может осуществляться при различных параметрах. При этом затраты энергии, скорость процесса, а, следовательно, выход продукции, затраты живого труда, материалов и т.д. будут различными. Совершенствование производства направлено на поиск таких режимов, при которых затраты были бы наименьшими, а выход продукции – наибольший. Такой поиск называется оптимизацией, а режим работы аппарата в наилучших условиях – оптимальным. Для оценки эффективности процесса на основании экспериментальных и теоретических исследований выводится критерий оптимизации, куда входят параметры, противоположно влияющие на процесс. Оптимизация при этом будет означать поиск компромисса между этими параметрами.

Первый принцип оптимизации формулируется следующим образом: «оптимально организованный процесс» – это, как правило, непрерывный, автоматически управляемый процесс.

Второй принцип – оптимальным является противоточное движение взаимодействующих веществ.

Лекция 4. Теплообменные и массообменные процессы

План лекции:

1. Теплопроводность.

2. Конвекция.

3. Радиация или тепловое излучение.

4. Теплоносители и их свойства.

5. Кипение, конденсация, выпаривание

6. Основы массопередачи, массоотдачи и массопроводности.

7. Процессы абсорбции, адсорбции, сушки, экстракции

Теплообменные процессы

На пути превращения сырья в хлебопродукты существенное место занимает тепловая обработка, в результате которой изменяется пищевая ценность продуктов, улучшаются их вкусовые качества. К тепловым процессам относятся: тепловая обработка, разогрев или охлаждение продукции, сушка, сорбция и десорбция газов жидкостями (сатурация), растворение твердых веществ и кристаллизация, выпаривание и конденсация.

Известно три способа переноса теплоты: за счет теплопроводности, конвекции и радиации.

Теплопроводностью называется перенос теплоты внутри твердого тела, неподвижной жидкости или газа. Количество переносимой теплоты при этом способе описывается законом теплопроводности Фурье: количество теплоты dQ, переносимое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный к тепловому потоку, за время dτ прямо пропорционально температурному градиенту ðt/ðn, площади поверхности dF и времени dτ:

dQ = - λ (ðt/ðn)dFdτ,(11)

Тепловой поток по закону Фурье

q= dQ/ dFdτ = - λ (ðt/ðn) (12)

Знак минус в уравнениях (11) и (12) показывает, что теплота переносится в сторону убывания температуры. Коэффициент λ в уравнении Фурье называется коэффициентом теплопроводности, имеющий размерность [Дж/м.К.с].

Коэффициентом теплопроводности показывает, какое количество теплоты переносится за счет теплопроводности за одну секунду при разности температур один градус на расстоянии в единицу длины нормали к изотерме поверхности.

Теплопроводность зависит от физической природы тела, его структуры, температуры и давления. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, наименьшей – газы.

Если написать уравнение теплопроводности по трем направлениям x, y, z для элементарного параллелепипеда с ребрами dx, dy, dz и сложить переносимые количества теплоты, то получим следующее выражение:

dQ= λ(ð²t/ðx² + ð²t/ðy² + ð²t/ðz²) dx dy dz dτ (13)

Эта теплота изменила энтальпию параллелепипеда на следующую величину:

dQ= Cp dx dy dz (ðt/ðτ) dτ (14)

где Ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Приравняв правые части уравнений (13) и (14), получим дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье (второй закон Фурье):

ðt/ðτ= λ/Ср (ð²t/ðx² + ð²t/ðy² + ð²t/ðz²)(15)

Множитель λ/Ср называется коэффициентом температуропроводности, обозначается буквой α и характеризует тепловую инерцию тела. Размерность этого коэффициента [м²/с]. Она совпадает с размерностью кинематической вязкости, но никак не связана с его физическим смыслом.

Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье можно переписать в следующем виде:

ðt/ðτ = α Ñ²t , (16)

где (ð²t/ðx² + ð²t/ðy² + ð²t/ðz²) = α Ñ²t – оператор Лапласа.

Конвекция

Под конвективным теплообменом понимают процесс распространения тепла в жидкости (газе) от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и теплопроводностью. Как уже говорилось в неподвижной жидкости или газе теплота переносится за счет теплопроводности. В движущейся жидкости появляется еще один механизм переноса теплоты за счет перемешивания. Нагретые частицы жидкости, попадая в окружение холодных частиц, отдают им свою теплоту. Скорость переноса теплоты при этом тем выше, чем интенсивнее перемешивание, т.е. чем выше степень турбулизации потока теплоносителя. Следовательно, конвекционный теплообмен включает в себя оба механизма переноса теплоты, а их вклад зависит от гидродинамических характеристик движения жидкости.

Теория гидравлического трения предполагает, что в пристеночной области формируется ламинарный слой, толщина которого определяет характер взаимодействия основного потока со стенкой. Этот слой будет влиять и на характер теплоотдачи от стенки жидкости и наоборот. В ядре потока, где жидкость движется в турбулентном режиме, преобладает перенос теплоты за счет перемешивания. В ламинарном пристеночном слое перемешивание отсутствует, поэтому теплота через этот слой переносится за счет теплопроводности, а интенсивность этого процесса определяется толщиной ламинарного слоя. Последняя зависит от физических свойств жидкости, входящих в критерий Прандтля:

Pr = μρC/ λ(17)

где μ – вязкость жидкости, ρ – плотность ее, С – удельная теплоемкость, λ – удельная теплопроводность жидкости.

Критерий Прандтля имеет и другое написание:

Pr = v/ α , (18)

где v – кинематическая вязкость жидкости, α – коэффициент температуропроводности.

Толщина гидравлического ламинарного слоя, определяющего гидравлическое трение, совпадает с толщиной слоя, определяющего теплоотдачу только в случае, если Pr = 1. Обычно для жидкости он больше единицы, а для газов меньше или равен единице.

Количество теплоты, отдаваемое стенкой жидкости, рассчитывают по закону теплоотдачи Ньютона: количество теплоты dQ, отдаваемое за время dτ поверхностью стенки dF, имеющей температуру t_ст, жидкости температурой t_ж, прямо пропорционально dF и разности температур t_ст- t_ж:

dQ= a dF (t_ст- t_ж) dτ, (19)

где а – коэффициент теплоотдачи, который показывает, какое количество теплоты передается 1 м² поверхности стенки жидкости (или от жидкости к стенке) в течение 1 с при разности температур между стенкой и жидкостью 1^о. Он имеет размерность [Дж/м².К.с].

Коэффициент теплоотдачи зависит от факторов, определяющих процесс переноса в пристеночном слое. Это физические свойства жидкости – теплопроводность, удельная теплоемкость, коэффициент объемного расширения, а также геометрические характеристики стенки.

Лекция 4-2

ANTONiOL — Wed, 03 Nov 2010 07:26:17 GMT

Радиация или тепловое излучение

Перенос теплоты излучением (радиация) имеет место в хлебопекарных радиационных печах и радиационных сушилках, применение которых в настоящее время ограничено из-за довольно высокой энергоемкости. Сюда же можно отнести и микроволновые печи, используемые в быту.

Если на поверхность тела попадает лучистая энергия в количестве Q, то в общем случае телом поглощается с превращением в тепловую только часть ее Q_А; часть лучистой энергии Q_R отражается от поверхности тела, а часть Q_D проходит сквозь тело. Очевидно, что

Q = Q_А + Q_R + Q_D(20)

Первое слагаемое правой части равенства (20) характеризует поглотительную способность тела, второе – отражательную, третье – пропускательную. Если первое слагаемое гораздо больше других, то такое тело называется абсолютно черным, если это можно сказать о втором слагаемом, то – тело абсолютно белое, а если о третьем, то тело абсолютно прозрачное. О продуктах питания такое сказать нельзя. Каждое тело обладает своей лучеиспускательной и лучепоглотительной способностью. Эта характеристика (Е) в общем случае выражается формулой:

Е = Q/F (21)

Продифференцировав это выражение по длине волны, а затем, проинтегрировав его с учетом выражения Планка для различных длин волн, получим зависимость лучеиспускательной способности тела от температуры, которое получило название закона Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела:

Е = k_o T⁴ , (22) где k_o – константа излучения абсолютно черного тела.

Но в жизни тела бывают в большей части серыми. Поэтому в выражение (22) была внесена поправка έ, названная степенью черноты тела, а закон Стефана-Больцмана принял вид:

Е = έ С_о (Т/100)⁴, (23) где С_о – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Соотношение же между лучеиспускательной и лучепоглотительной способностью тела определяется законом Кирхгофа: отношение лучеиспускательной способности тел к их поглотительной для всех тел одинаково, равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре и зависит только от температуры.

Теплоотдача при конденсации пара

Теплоотдача возникает при контакте пара с охлажденной поверхностью. При этом на поверхности образуются капельки жидкости – конденсата. Если этот процесс продолжается, то капельки заполняют всю поверхность конденсации и сливаются в сплошную пленку. В дальнейшем пар конденсируется на поверхности пленки, которая представляет собой дополнительное термическое сопротивление в процессе теплоотдачи от пара к стенке. Так как при этом термическое сопротивление в паровой фазе ничтожно мало, скорость передачи теплоты зависит от толщины и свойств этой пленки. Формула для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации пара, рассчитанная путем преобразования критериальных уравнений теплоотдачи, представляет следующее выражение: __________

а= А ⁴√ λ³ρ²gr/μLΔt_пк, (24)

где А – коэффициент, связанный с ориентацией поверхности: для вертикальных поверхностей А=0,94, для горизонтальный – А=0,72; λ, ρ, μ – коэффициенты теплопроводности, вязкости и плотности конденсата; L – высота поверхности по которой стекает конденсат, м; g – ускорение свободного падения, м/с²; r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; Δt_пк- разность температуры пара и пленки, К.

Использование уравнения (24) для расчета «а» на практике связано с трудностями определения перепада температур на пленке, поэтому эту величину определяют методом последовательных приближений от произвольно выбранного начального значения или определяется путем экспериментов.

Теплопередача при кипении жидкостей

Кипением называется процесс испарения жидкости, при котором пар образуется в виде пузырьков в определенных местах (центрах) поверхности нагрева либо в виде сплошной пленки. Первый вид парообразования называется пузырьковым или ядерным, второй – пленочным.

Теплоотдача при кипении жидкостей относится к числу особенно сложных процессов, поэтому до последнего времени никому из исследователей не удалось еще сделать теоретических обобщений, позволяющих надежно вычислять коэффициенты теплоотдачи для этого случая. На основании же опытных данных С.С.Кутателадзе предложил формулу для определения этого коэффициента при пузырьковом кипении:

а= 7.10^-4 λ [g(ρ_ж – ρ_п)/σ]^0,5 [pq/g(ρ_ж – ρ_п)r ρ_п v]^0,7 (v/α)^0,35 , (25)

где ρ_ж , ρ_п – плотности жидкости и пара, кг/м³; р – давление над поверхностью пара, Па; σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; v – кинематическая вязкость жидкости, м²/с; α – коэффициент температуропроводности, м²/с; q – тепловой поток, Дж/м^2.с; r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; g – ускорение свободного падения, м/с².

Часто этим уравнением (25) невозможно пользоваться из-за отсутствия необходимых данных при температурах кипения. Поэтому для расчетов применяют найденные опытным путем зависимости для различных жидкостей вида:

а= А₁рⁿ q^m, (26)

где А₁, n, m – константы, которые находят по справочникам, р – давление, q – плотность теплового потока.

Процессы выпаривания

Выпаривание – процесс концентрирования растворенных нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Превращение же жидкости с ее свободной поверхности в пар называется испарением.

В пищевой промышленности обычно выпаривают водные растворы: свекловичный сок, барду, молоко и т.д. Поэтому образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром, является водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной степени зависит рентабельность производства. Количество теплоты, необходимое для выпаривания:

Q = m r, (27)

где m – масса выпаренного растворителя, кг; r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг.

Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и температуры, при которых осуществляется процесс, так как r = f (p). При этом она тем выше, чем ниже давление. Однако термолабильность растворов в пищевой промышленности ограничивает допустимую температуру кипения. Вот почему в пищевой промышленности широко используется выпаривание под вакуумом.

Аппарат, в котором осуществляется выпаривание, - это, прежде всего теплообменный аппарат (рис. 5). За счет подвода теплоты от горячего теплоносителя в нем поддерживается кипение раствора. Особенностью выпарного аппарата является развитое паровое пространство 2 над свободной поверхностью кипящей жидкости. В качестве горячего теплоносителя обычно используется водяной пар, подводимый в межтрубное пространство 4 нагревательной камеры 8. Образовавшийся конденсат отводится из нагревательной камеры через патрубок 5, а неконденсируемые газы - через патрубок 9. Раствор в аппарат подается через патрубок 10, а выводится через патрубок 7. Образовавшийся при выпаривании растворителя пар называется вторичным в отличие от греющего пара. В паровом пространстве вторичный пар должен отделиться от капель раствора и выйти из аппарата. Это обеспечивает сепаратор 1 – устройство, расположенное в верхней части аппарата. Для увеличения интенсивности выпаривания следует увеличить скорость движения жидкости по трубам. Поэтому устанавливают нагревательные трубы малого диаметра 6, а в центре циркуляционную трубу большого диаметра 3. Процесс, осуществляемый в описанном аппарате, называется простой выпаркой. Кроме этого существуют выпарные аппараты однокорпусные, многокорпусные и т.д.

Лекция 4-3

ANTONiOL — Wed, 03 Nov 2010 07:20:32 GMT

Массообменные процессы

Основы массопередачи

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы), называются массообменными. К массообменным процессам относятся: абсорбция, адсорбция, ионный обмен, перегонка и ректификация, растворение и кристаллизиция, сушка, экстрагирование и экстракция, мембранные процессы.

В качестве примера можно привести процесс перехода сахара из одного состояния в другое. Когда мелко изрезанную сахарную свеклу (стружку) промывают, сахар, содержащийся в клеточной жидкости, переходит в воду. Этот переход обусловлен разностью концентрации сахара в клеточной жидкости и воде. Скорость перехода сахара из стружки в воду будет уменьшаться по мере увеличения концентрации сахара в воде и снижения его концентрации в стружке. Наконец эти концентрации станут равными, и процесс прекратится. Движущей силой массобменных процессов является разность концентраций. При растворении сахара в воде он переходит из твердой фазы в жидкую. При очистке жидкостей или газов с помощью активированного угля вещество переходит из жидкой или газовой фазы в твердую. При разбавлении растворов происходит переход вещества из одной жидкой фазы в другую.

Массообменные процессы принято классифицировать по агрегатному состоянию и характеру взаимодействия фаз. Переход вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называется массопередачей. В основе наших представлений о массопередаче лежит понятие равновесия фаз. Массоперенос начинается, если концентрация вещества во взаимодействующих фазах отличается от равновесной. Достижение равновесия системы подчиняется принципу Ле-Шателье: реакция системы против внешнего воздействия направлена на уменьшение этого воздействия. При этом, скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую пропорциональна разности между его фактической концентрацией в данной фазе и равновесной концентрацией. Это и есть истинная движущая сила этого процесса.

Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса, которое гласит: для равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов действуют только температура и давление, число степеней свободы С равно числу компонентов К минус число фаз Ф, плюс два:

С = К – Ф + 2 (28)

Число степеней свободы – это число независимых переменных (температура, давление и концентрация вещества в фазах). Если однокомпонентная система состоит из двух фаз находящихся в равновесии, число степеней свободы в этом случае равно 1. Это значит, что для нее произвольно выбирать можно только один параметр, с помощью которого эту систему можно будет вывести из равновесия и начать технологический процесс. Например, для однокомпонентной системы вода-пар от изменения давления изменяются количество воды, обращенной в пар и температура смеси.

Основной закон массопередачи можно сформулировать, исходя из общих кинетических закономерностей физико-химических процессов: скорость процесса равна движущей силе, деленной на сопротивление:

dM/dFdτ = ΔC/R, (29)

где dM – количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую, dF – площадь поверхности фазового контакта; dτ – продолжительность процесса; ΔC – движущая сила массообменного процесса; R – сопротивление массопереносу.

Заменив сопротивление R в уравнении (29) на коэффициент массопередачи

k_м = 1/R и проинтегрировав его по времени получим для установившихся процессов основное уравнение массопередачи:

М = k_м ΔC F (30)

Основные законы массопередачи

В процессах переноса распределяемого вещества из одной фазы в другую надлежит различать два случая: 1)перенос из потока жидкости в поток жидкости; 2)перенос из твердого тела в поток жидкости или в обратном направлении. Элементарными законами, которым подчиняется этот перенос, являются законы молекулярной диффузии, закон массоотдачи и закон массопроводности.

Закон молекулярной диффузии (первый закон Фика). Молекулярная диффузия в газах и растворах жидкостей происходит в результате хаотического движения молекул, не связанного с движением потока жидкости. Благодаря этому осуществляется перенос вещества из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, который подчиняется первому закону Фика: количество диффундирующего вещества пропорционально градиенту концентрации, площади, перпендикулярной к направлению диффузного потока, через которую осуществляется перенос и времени:

dM= - D (ðC/ðx) dFdτ, (31)

где D – коэффициент диффузии; ðC/ðx – градиент концентрации в направлении диффузии; dF – площадь поверхности, через которую диффундирует вещество; dτ – продолжительность диффузии.

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества переходит через поверхность в 1 м² за 1 с при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице.

Знак минус в уравнении (31) показывает, что перенос вещества осуществляется навстречу градиенту концентраций. Размерность коэффициента диффузии зависит от размерности концентрации, но в системе СИ она имеет следующий вид [м²/с]. Эти коэффициенты измеряются опытным путем, и для большинства веществ эти данные приводятся в справочной литературе.

Заметим, что первый закон Фика является аналогом закона теплопроводности Фурье, а явления переноса теплоты и массы во многом схожи. Это обстоятельство и аналогичность в описании других законов тепло- и массопереноса используются при расчетах массопередачи.

Второй закон Фика – дифференциальное уравнение молекулярной диффузии. Аналогично дифференциальному уравнению теплопроводности Фурье дифференциальное уравнение молекулярной диффузии имеет следующий вид:

ðC/ðτ = D(ð²C/ð²x + ð²C/ð²y+ ð²C/ð²z) или ðC/ðτ = D Ñ² С (32)

Закон массоотдачи Щукарева. Этот закон является аналогом закона теплоотдачи (закона охлаждения) твердого тела Ньютона. Он был сформулирован русским ученым А.Н.Щукаревым при изучении кинетики растворения твердых тел: количества вещества, переносимого из одной фазы в другую, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, площади поверхности фазового контакта и времени:

d²M= β (C_r - С_f) dFdτ, (33)

где C_r и С_f – концентрации вещества у поверхности раздела и в ядре потока воспринимающей фазы; β – коэффициент массоотдачи, имеющий размерность м/с.

Коэффициент массоотдачи показывает, какое количества вещества переносится из одной фазы в другую через 1 м² поверхности фазового контакта за 1 с, если разность концентраций на границе раздела фаз и в ядре потока равна единице.

Для установившихся процессов и неизменности коэффициента теплоотдачи закон Щукарева принимает форму:

M= β (C_r - С_f) F (34)

Закон массопроводности. Массопередача в система с твердой фазой представляет особо сложный процесс. В нем, кроме массопередачи от поверхности раздела фаз в поток жидкости, имеет место и перемещение вещества в твердой фазе – массопроводность. К указанным процессам можно отнести процессы адсорбции, сушки и выщелачивания (извлечение вещества растворителем из пор твердого тела). Закон массопроводности заключается в следующем: количество вещества, переместившегося в твердой фазе за счет массопроводности, пропорционально градиенту концентраций, площади перпендикулярной направлению потока вещества, и времени:

dM= - К_м (ðC/ðx) dFdτ, (35)

где К_м – коэффициент массопроводности или коэффициент «стесненной» диффузии, который можно определить по формуле Кади и Виьямса

Dст = D/[1 + m(r/R)], (36)

где D – коэффициент молекулярной диффузии, r – размер диффундирующих молекул; R – поперечный размер пор твердого тела; m – числовой коэффициент.

Абсорбция

Абсорбция – поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей жидкостями поглотителями, называемыми абсорбентами.

Для большинства случаев этот процесс обратимый, т.е. в определенных условиях, например, при нагревании, можно выделить газ из жидкости. Такой процесс называется десорбцией.

В пищевых производствах процессы абсорбции занимают значительное место. Например, при производстве спирта из образующегося в результате брожения диоксида углерода абсорбцией улавливают пары спирта, а затем очищенный газ сжижают для использования в других производствах.

Процесс насыщения минеральной воды и других многочисленных напитков диоксидом углерода, называемый сатурацией, является классическим примером процесса абсорбции.

Закон Генри. Равновесие при абсорбции. Количество газа, которое может поглотить жидкость, зависит от свойств газа и жидкости, температуры и парциального давления поглощаемого газа в газовой смеси над поверхностью жидкости. В качестве основного закона, характеризующего равновесие в системе газ-жидкость, используется закон Генри: при данной температуре концентрация газа в растворе пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

х= р/Е, (37)

где р – парциальное давление газа над раствором, х – концентрация газа в растворе, Е – коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри), который зависит от природы растворяющегося вещества и температуры и не зависит от давления.

Для идеальных растворов по диаграмме р – х (рис. 6) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой линией с угловым коэффициентом, равным Е.

При неизменных давлении и концентрации, но с повышением температуры константа Е увеличивается, что ведет к уменьшению растворимости газа в жидкости.

Уменьшение общего давления ведет к уменьшению парциального давления компонентов, что соответствует закону Дальтона: общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений, составляющих смесь компонентов:

Р = р_А + р_В (38)

Из закона Дальтона следует, что парциальное давление компонента пропорционально общему давлению и его концентрации

р_А= Ру_А (39)

Подставив последнее выражение в закон Генри (37) получим

у_А= Е х_А/ р или у_А= n х_А, (40)

где n – коэффициент распределения или константа фазового равновесия n = Е/р.

Если равновесная система состоит из жидкости и смеси газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Ректификация

Ректификация – разделение жидкой смеси на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного взаимодействия пара и жидкости. В этом случае имеет место переход веществ из жидкой фазы в паровую, и наоборот. При ректификации исходная смесь делится на две части: часть, обогащенную летучими компонентами – дистиллят, и часть, обедненную летучими компонентами – остаток.

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей или ступеней – верхней и нижней. В нижней ступени исходная, подвергаемая разделению смесь, взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу остатка. В следствие этого из смеси извлекается летучий компонент.

В верхней ступени пар начального состава, соответствующего составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается летучим компонентом до требуемого предела, а менее летучий компонент извлекается из паровой фазы.

Пар для питания ректификационного аппарата получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и остаток, а жидкость – многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.

Схема периодически действующей ректификационной установки приведена на рис. 7. Исходная смесь загружается в куб 1, где нагревается до температуры кипения и испаряется. Пары проходят через ректификационную колонну 2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора 3. В дефлегматоре (конденсаторе) богатые летучим компонентом пары конденсируются, и конденсат поступает в делитель потока 4. Часть жидкости из делителя потока направляется на орошение колонны, а другая часть – дистиллят – проходит через холодильник 5 и направляется в сборник 6 или 7.

Необходимо отметить, что одной из важнейших частей ректификационной установки является конденсатор или дефлегматор. Полученный в нем конденсат делится на две части: одна часть направляется обратно в колонну (флегма), другая является отбираемым продуктом (дистиллят).

Адсорбция

Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров, или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Процессы адсорбции и адсорбции внешне схожи. Разница между ними заключается в том, что одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом – только поверхностью твердого поглотителя – адсорбента.

В пищевой промышленности адсорбция применяется при очистке водно-спиртовых смесей в ликеро-водочном производстве, при очистке и стабилизации вин, соков и других напитков. В свеклосахарном производстве адсорбцией обеспечивается основная очистка диффузионного сока в процессе его сатурации, а также обесцвечивание сахарных сиропов перед кристаллизацией.

Равновесие при адсорбции. Количество вещества, поглощенного сорбентом, зависит от концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе, а также от температуры, при которой осуществляется процесс. Для изотермических процессов условие равновесия для адсорбции принимает вид уравнения Френдлиха:

xⁿ= C y^1/ⁿ, (41)

где С и n – константы для данных веществ, зависящие от температуры.

Линии равновесия, соответствующие уравнению (41) получили название изотерм сорбции (рис. 8). Их строят по опытным данным, а затем используют для расчетов адсорбентов.

В процессе адсорбции происходит выделение теплоты, что ведет к повышению температуры системе и снижение активности адсорбентов. Поэтому для поддержания скорости процессов в промышленных адсорберах предусматривают охлаждение адсорбентов.

Адсорбенты. Количество поглощаемого вещества зависит от площади поверхности поглотителя. Поэтому адсорбенты обладают чрезвычайно развитой поверхностью, что достигается за счет образования большого количества пор в твердом теле. К наиболее распространенным адсорбентам относятся:

Активированный уголь. Это самый распространенный адсорбент. Его получают сухой перегонкой дерева с последующей активизацией – прокаливанием при температуре около 900^оС. Суммарная поверхность 1 г активированного угля 600-1700 м². Размеры кусков его в зависимости от марки лежат в пределах от 1 до 5 мм. Недостатком этого адсорбента является его небольшая механическая прочность.

Силикагели. Этот адсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами. Размер гранул от 0,2 до 7 мм. Суммарная поверхность 1 г силикагеля 400-770 м².

Цеолиты. Это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп Периодической системы Д.И.Менделеева. Встречаются в природе и добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой.

К этой же группе адсорбентов относятся апоки и клиноптилолит.

В качестве естественных адсорбентов в пищевой промышленности, например, для осветления вин, используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин.

Ионный обмен

Это разновидность процессов сорбции, основанная на химическом взаимодействии адсорбентов, называемых ионитами, с очищаемыми растворами. Иониты могут избирательно извлекать из раствора ионы. Этот процесс следует отнести к хемосорбции – процессу, сопровождающемуся химическими реакциями. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами, называют анионитами. Иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называют катионитами. Существуют группы аморфных ионитов, способных к анионному и катионному обменам одновременно. Это смешанные иониты. Наибольшее распространение получили ионообменные смолы. Так в сахарорафинадном производстве с помощью с их помощью обеспечивают обесцвечивание сиропов.

Лекция 4-4

ANTONiOL — Wed, 03 Nov 2010 07:19:15 GMT

Экстракция

Экстракция – процесса избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из растворов или твердых тел с помощью жидкого растворителя – экстрагента. Если вещество извлекается из жидких систем, то процесс называется жидкостной экстракцией.

В микробиологической промышленности с помощью экстрагентов извлекают молочную кислоту и антибиотики из ферментативных растворов.

В пищевых производствах экстрагированию чаще подвергают сырье растительного происхождения, например семена масличных культур, сахарную свеклу, фрукты и т.п. Но эти процессы лучше назвать избирательным растворением или выщелачиванием.

В общем виде процесс экстрагирования растительного сырья можно разбить на 4 стадии:

- проникновение эктрагента в поры растительного сырья;

- растворение извлекаемого вещества экстрагентом;

- диффузионный перенос извлекаемого вещества к поверхности куска или частицы сырья;

- перенос извлекаемого вещества с поверхности сырья в жидкую фазу – экстрагент.

В зависимости от вида перерабатываемого сырья отдельные стадии процесса могут отсутствовать вовсе, но чаще от скорости переноса на одной из стадий зависит скорость процесса в целом.

Расчет процессов экстрагирования выполняют, исходя из основного уравнения массопередачи. Количество извлекаемого вещества, например, при экстрагировании свекловичной стружки зависит от скорости внутренней диффузии и определяется по следующему уравнению:

М = (D_вн/L) F ΔC τ, (42)

где D_вн – коэффициент внутренней «стесненной» диффузии, м²/с; L – определяющий размер (для стружки это толщина), м; F – суммарная поверхность стружки, м²; ΔC – разность между средней концентрацией вещества внутри стружки и средней концентрацией вещества в растворе, окружающем стружку, кг/м³; τ – продолжительность процесса, с.

Процесс жидкостной экстракции основан на распределении извлекаемого вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения

Кр = Сэ/Своды = const (43)

После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в перерабатываемой растворе. После экстракции раствор и насыщенный экстрагент разделяются. Затем сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Этот процесс называется реэкстракция. Экстрагент после этого используется вновь в технологическом процессе.

Сушка

Сушка – удаление влаги из материалов (продуктов, изделий) при их подготовке к переработке, использованию или хранению. Сушка обеспечивает сохранность зерна в сельском хозяйстве, увеличивает сроки хранения изделий (сухари, сахар). Она может быть включена в технологический процесс для придания перерабатываемым полуфабрикатам и изделиям определенного качества.

Сырье и материалы, подвергаемые сушке в пищевой промышленности, можно разделить на две группы: твердые кристаллические тела – сахар, лимонная кислота, поваренная соль и т.п., и коллоидно-дисперсные системы, которые в свою очередь А.В.Лыков предложил разделить на три подгруппы: 1) эластичные тела-тела, которые при обезвоживании сжимаются, но сохраняют эластичность (прессованное мучное тесто, изделия на основе агар-агара (пастила, зефир) и желатин (мармелад); 2) хрупкие тела – тела, которые после сушки становятся хрупкими (керамика и т.д.); 3) коллоидные капилярно-пористые тела (хлеб, зерно и т.п.).

Различные тела неодинаково взаимодействуют с содержащейся в них влагой, по-разному ее связывают. Академик П.А.Ребиндер предложил классификацию форм связи влаги на основе энергии связи:

а) механическая – влага смачивания, содержащаяся в капиллярах и микрокапиллярах. Эта форма связи наименее прочная, такую влагу можно удалить путем механического воздействия, например, прессованием или в центрифуге;

б) физико-химическая форма связи – адсорбционная, осмотическая и структурная влага, содержащаяся в клетках и микрокапиллярах. Для разрушения этой формы связи требуется намного больше энергии. Для ее удаления требуется ее испарение;

в) химическая форма связи наиболее прочная. Это ионная связь (NаОН) и вода в кристаллогидратах (СuSO₄ . 5H₂O). Эта связь может быть разрушена либо путем химического воздействия, либо нагревом до высоких температур – прокаливанием.

Анализируя виды связи влаги с материалом, можно сделать вывод, что сначала целесообразно удалить влагу из материала механическим способом и только затем перейти к тепловой сушке.

Самый распространенный способ тепловой сушки – конвективный. В этом способе осуществляется конвективный перенос теплоты от нагретого сушильного агента к материалу. В качестве сушильных агентов используются топочные и инертные газы, а также воздух. Сушильный агент выполняет и вторую, не менее важную задачу – поглощает образовавшийся водяной пар и выводит его из сушилки. Таким образом, интенсивность процесса зависит от скорости переноса массы этой влаги в сушильный агент. Самым распространенным сушильным агентом является предварительно подогретый воздух.

Другие способы тепловой сушки, например, кондуктивный или контактный, когда материал нагревается при непосредственном контакте с поверхностью сушилки или сушка в инфракрасных лучах, как правило, комбинируют с конвективным способом.

Кристаллизация

Кристаллизация – выделение вещества из жидкой фазы, расплавов или паров в виде твердой фазы (кристаллов).

Поведение системы кристалл-раствор или кристалл-расплав в широком интервале температур, давлений и концентраций отображает диаграмма состояния, или фазовая диаграмма, на которой графически изображается равновесие между различными фазами данной системы (рис. 9).

Линия FS на диаграмме является геометрическим местом точек, соответствующих насыщенным растворам, а линия SD – находящимся в равновесии со льдом. Таким образом, линия FS является кривой растворимости NH₄Cl в воде, а линия SD соответствует условиям выделения льда в системе соль-вода. Точка S является эвтектической точкой системы, в которой раствор находится в равновесии с двумя твердыми фазами: солью и льдом. В водных системах эвтектическую смесь называют криогидратом, а саму точку – криогидратной точкой.

Процесс кристаллизации состоит из двух последовательных стадий: образование зародышей кристаллов и рост кристаллов. Образование зародышей происходит в пересыщенных растворах, когда пересыщение достигает определенной величины. Разность между концентрацией раствора, при котором начинают образовываться зародыши, и концентрацией насыщенного раствора, называют максимальным пересыщением. После возникновения в пересыщенном растворе зародышей кристаллов с размерами большими критических (нерастворимых в пересыщенном растворе), на их поверхности начинает отлагаться кристаллическое вещество. Рост кристаллов, образование зародышей во многом зависят от температуры и интенсивности перемешивания.

Процесс кристаллизации ведется в специальных кристаллизаторах, о конструкции которых вам расскажут на лекциях по процессам и аппаратам пищевых производств.

Лекция 5

ANTONiOL — Wed, 03 Nov 2010 07:14:07 GMT

Лекция 5. Процессы разделения неоднородных и гетерогенных систем

Неоднородными называют системы, образованные двумя или большим числом фаз, которые взаимно нерастворимы друг в друге. Эти системы обладают различной степенью устойчивости и могут быть, как правило, разделены под воздействием механических сил. Одна из фаз, сплошная, называется дисперсионной, а другая, мелкораздробленная и распределенная в первой – дисперсной фазой. В зависимости от вида дисперсионной среды различают неоднородные смеси, жидкие и газовые (таблица 4).

Таблица 4

Классификация неоднородных и гетерогенных систем

Среда		Неоднородная система и пример
Дисперсионная	Дисперсная	Неоднородная система и пример
Твердая	Твердая	Твердые гетерогенные системы: шоколад, кристаллический ирис
Твердая	Жидкая	Капиллярные системы (жидкость в пористых телах): мармелад, бисквитное тесто
Твердая	Газообразная	Пористые тела, твердые пены: пастила, зефир, пористый шоколад
Жидкая	Твердая	Суспензии: грубые, тонкие, мути, коллоидные растворы, и лиозоли: взвеси, пасты, какао тертое, помадные массы
Жидкая	Жидкая	Эмульсии: кремы, молоко, масло сметана
Жидкая	Газообразная	Газовые эмульсии и пены: шампанское, пиво
Газообразная	Твердое тело	Аэрозоли (пыли, дымы), порошки: мучная, сахарная пыль, какао-порошок, крахмал
Газообразная	Жидкость	Аэрозоли: туманы, в том числе и промышленные: распыленные для высушивания соки, молоко
Газообразная	Газообразная	Коллоидная система не образуется

Частицы веществ дисперсной фазы могут иметь различные размеры и форму. Раздробленность определяется размером тела по наименьшей оси (а). Она также характеризуется величиной обратной «а», называемой дисперсностью (D). Все дисперсные системы классифицируются по степени дисперсности: грубодисперсные (а › 10^-3см), микрогетерогенные (10^-3 ≥ а › 10^-5см), коллоидные (10^-5 ≥ а ›10^{-7 см), молекулярные коллоиды (растворы
высокомолекулярных соединений) с размером частиц менее 10-7 см. Частицы с размером менее 10-8 см образуют растворы.}

Дисперсные системы с частицами коллоидных размеров принято называть золями, системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называют аэрозолями, а системы с жидкой дисперсионной средой – лиозолями.

Коллоидные системы образуются двумя путями: диспергированием – дроблением грубодисперсных частиц до коллоидной дисперсности; конденсацией – соединением атомов ионов или молекул в более крупные частицы коллоидных размеров.

К микрогетерогенным системам относятся суспензии (дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой), эмульсии (системы, состоящие из двух жидкостей, в которой вещества дисперсной фазы нерастворимы в дисперсионной среде), пены (высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсионная среда – жидкость, а дисперсная фаза – газ), аэрозоли и порошки (осажденные аэрозоли с твердыми частицами).

К молекулярным коллоидам относятся белки и полисахариды.

Все процессы разделения неоднородных систем по виду движущей силы относятся к механическим и гидромеханическим. Эффект разделения – это отношение количества компонента, выделенного из дисперсионной среды (Go), к начальному количеству в смеси (Gн):

Е_р = (Go/Gн) 100% (44)

Процессы осаждения под действием силы тяжести применяются там, где система составлена из компонентов, плотность которых существенно различна. Эти способы используются для разделения грубых дисперсий и некоторых промышленных пылей. К этим процессам относится осаждение – отстаивание в поле гравитационных сил твердых частиц в жидкой среде в отстойниках различной конструкции и пылеосаждение в пылеосадительных камерах.

Среди гравитационных отстойников, используемых в промышленности, можно выделить группу простейших устройств – аппаратов периодического действия. Как правило, это цилиндрические резервуары большого диаметра (рис. 10) Аппарат 1 объемом V периодически заполняется суспензией, которая отстаивается в течение времени τ_о. Сначала сливается чистая жидкость через патрубки 2, а затем удаляется образовавшийся концентрированный осадок через патрубок 3. Такой отстойник называется периодического действия. Он же может работать и в непрерывном режиме.

Производительность такого отстойника не зависит от его высоты, а зависит от скорости осаждения частиц (гравитационной крупности - U), продолжительности нахождения суспензии в отстойнике (τ) и площади отстойника (S). Необходимая площадь отстойника рассчитывается по формуле:

S = Q_c /k τ U, (45)

где Q_c– суточная производительность отстойника, τ – суточная продолжительность работы отстойника, U – гидравлическая крупность частиц, к – коэффициент объемного использования площади отстойника.

Коэффициент объемного использования отстойника равен отношению среднего фактического времени пребывания воды в отстойнике к расчетному. Для вертикальных отстойников этот коэффициент равен 0,4-0,5, а для радиальных и горизонтальных – 0,71-0,8.

Гидравлическая крупность. Ею называется скорость оседания взвешенных частиц в поле гравитационных сил. Измеряется в мм/сек. И определяется по формуле

U = H/τ(H/h)ⁿ , (46)

где Н – глубина проточной части отстойника, τ – продолжительность отстаивания частиц в цилиндре с высотой столба воды h = 500 мм при температуре 20^оС, n - показатель степени, определяемый по специальным таблицам. Он еще называется коэффициентом гравитационной коагуляции. При обычных условиях без добавки коагулянтов он изменяется от 0,5 до 2. При использовании коагулянтов он равен 0,35-0,75.

Также осаждение производится в поле центробежных сил. Этот способ применяют для разделения тонких суспензий и мутей, содержащих мелкие частицы, а также эмульсей. Для этих целей применяют центрифуги, циклоны и гидроциклоны.

Для отделения пыли в газовых системах используют электростатическое поле, где осаждение происходит в результате взаимодействия частиц с ионизированным газом.

Фильтрование – процесс разделения неоднородных систем за счет «просеивания» их через фильтрующую перегородку. Эти процессы используются для разделения в жидких и газовых системах. В качестве движущей силы здесь может использоваться сила тяжести (нутч-фильтр) или разность давлений по разные стороны фильтрующей перегородки (фильтр-прессы). Фильтрование можно осуществлять и в центробежном поле.

Также используются и другие методы очистки жидкостей и газов: промывные или мокрые способы очистки газов, абсорбционные, адсорбционные, каталитические и ряд других методов

Сельскохозяйственные ВУЗы

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ

Лекции 3. Основные понятия и законы пищевой технологии . . . . . . . . . . . .

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ХЛЕБА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 14. Основы производства макаронных изделий . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КОНДИТЕРСКИХ ИЗДЕЛИЙ . . . . . . . . .

Лекция 17. Основы производства сахарных кондитерских изделий . . . . . . . .

Лекция 18. Ассортимент мучных кондитерских изделий.

Технология производства печенья, галет и крекеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 20. Основы производства сахара-песка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 21. Производство сахара-рафинада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 22. Производство картофельного крахмала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 23. Производство кукурузного крахмала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 24. Получение модифицированных крахмалов, крахмальной

патоки и глюкозы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ . . . . . . . . . . . . .

Лекция 29. Основы производства растительных жиров и масел . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 31. Основы консервирования плодов и овощей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лекция 1

Лекция 2-1

Лекция 2-2

Лекция 3

Лекции 3. Основные понятия и законы пищевой технологии

План лекции:

lim (ΔТ/Δn) = (ðТ/ðn) n = grad Т (5)

где L – скорость протекания процесса, R – сопротивление переносу, Δ – движущая сила.

Таблица 3

Классификация основных процессов пищевых технологий

Тип переноса

Перенос количества движения

Перенос теплоты

Перенос массы

Лекция 4-2

Лекция 4-3

Лекция 4-4

Лекция 5

Лекция 5. Процессы разделения неоднородных и гетерогенных систем

Таблица 4

Классификация неоднородных и гетерогенных систем