Оптимизация процессов гидратации при термообработке фиников

Bridget Cunningham 16/08/2016
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Качество многих сельскохозяйственных культур, и фиников в том числе, сильно зависит от используемых агротехнических технологий. Например, в Тунисе за последние несколько лет мягкие съедобные финики стали более сухими. Один из путей улучшения качества фиников — это термообработка, в которой ключевым процессом является гидратация. Объединив результаты моделирования и реальных экспериментов, группа исследователей постаралась оптимизировать процесс гидратации, чтобы повысить его эффективность и надёжность.

Выращивание и культивирование фиников

В различных тропических и субтропических регионах, где выращивается финиковая пальма, она считается ценным ресурсом. Например, её древесину можно использовать для строительства хижин, мостов и акведуков. Из листьев можно делать подстилки, навесы и корзины. Однако наиболее известно это дерево своими плодами — финиками.

Фотография финиковой пальмы.
Финиковая пальма. Изображение предоставлено Madhif. Доступно по лицензии CC BY 3 через Wikimedia Commons.

С древних времён финики выращивались в различных регионах, от Месопотамии до Египта. Например, древние египтяне использовали плоды для производства вина, а также ели их при сборке урожая. По мере того, как торговцы начали покупать и распространять эти плоды в другие регионы, финики стали популярны в Северной Африке, Испании, Мексике и Соединённых штатах Америки.

Сегодня финики едят в качестве закуски либо добавляют в качестве ингредиента во многие десерты. Они также иногда используются для производства уксуса и сиропа, а также для получения сырьевого материала при смешивании с зерном.

Поддержание качества продукта

В Тунисе, ведущей стране по культивации фиников, эти сладкие фрукты высоко ценятся как источник пищи и как финансовый ресурс. Это особенно актуально относительно фиников сорта Deglet Nour (Деглет нур). Выращиваемые во внутренних оазисах, финики Деглет нур легко узнаются благодаря своему полупрозрачному цвету и медовому вкусу.

Изображение фиников Deglet Nour (Деглет нур).
Финики сорта Деглет нур. Изображение предоставлено M. Dhifallah. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.

Агротехнические методы сильно влияют на химический состав фиников, в частности, на содержание влаги внутри и, следовательно, на общий урожай. В последние годы увеличение числа сухих фиников в Тунисе побудило к использованию термообработки для производства более мягких и красивых внешне фруктов. Для лучшей эффективности важно контролировать главный процесс — гидратацию. Например, если время гидратации слишком велико, стабильность произрастания фруктов может уменьшиться.

С другой стороны, если время гидратации слишком мало, то качество конечного продукта может быть неприемлемым. Для решения данной проблемы и оптимизации процесса гидратации группа исследователей проанализировала результаты экспериментов и данные моделирования. В следующем разделе мы рассмотрим их основные результаты и тезисы.

Экспериментальные результаты исследования процесса гидратации при термообработке фиников

Для своих экспериментов исследователи выбрали финики сорта Деглет нур, которые собрали в 2014 году и хранили при температуре 4°C и относительной влажности 65%. Они использовали эти финики для проведения опытов по гидратации в своей лаборатории. Чтобы приблизиться в своих опытах к промышленным условиям, финики были помещены в замкнутую среду с температурой от 50°C до 65°C.

Такие условия были достигнуты путём помещения фиников в металлический корпус, заполненный водой и нагретый с помощью терморегулируемой электроплиты. Сами финики не имели никакого контакта с водой, так как располагались на подложке на поверхности воды. Для предотвращения избыточного и поддержания атмосферного давлений, на крышке корпуса не было изоляции.

На схеме изображена экспериментальная установка для анализа процессов гидратации при термообработке фиников.
На схеме изображена экспериментальная установка. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, предоставленное авторами S. Curet, A. Lakoud, и M. Hassouna.

Во время процесса гидратации финики взвешивались через равные интервалы времени. Исследователи определили среднее содержание влаги в мякоти фиников, высушив 3 грамма в печи при температуре 105°C в течении 18 часов. Наблюдая за температурой фиников в различные времена с начала момента гидратации, они обнаружили, что её можно считать однородной.

Анализ результатов моделирования процессов гидратации

После проведения экспериментов, группа исследователей переключилась на моделирование процесса гидратации. На рисунке ниже изображена двухмерная геометрия, которая была разработана авторами. Она включает в себя мякоть финика, его косточку и насыщенный воздух, который поддерживает гидратацию финика.

Геометрия модели, которая включает мякоть финика, его косточку и насыщенный воздух.
Двухмерная геометрия модели. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, предоставленное авторами S. Curet, A. Lakoud, и M. Hassouna.

Используя эту модель, учёные рассчитали распределение влаги в мякоти финика в процессе гидратации, а затем рассчитали среднюю концентрацию влаги в зависимости от времени. Обратите внимание, что в данной модели учитывается только явления массообмена, так как температура считается однородной.

В ходе эксперимента исследователи рассматривали несколько сортов фиников, однако, в итоге, были выбраны два образца одного сорта Деглет нур, которые показались крепче и суше, чем другие. На графиках ниже показана средняя концентрация влаги в первом и втором сорте фиников. Из графиков видно, что результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. Также по графикам видно, что нет снижения скорости поглощения влаги. Одной из возможных причин его является малая продолжительность гидратации по сравнению с максимальным временем в промышленных масштабах.

На графиках показаны зависимости средней концентрации влаги для экспериментальных и расчётных значений в первом и втором сорте фиников, соответственно.
На графиках показаны зависимости средней концентрации влаги для экспериментальных и расчётных значений в первом (слева) и втором (справа) сорте фиников. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, предоставленное авторами S. Curet, A. Lakoud, и M. Hassouna.

На рисунке ниже показано распределение концентрации влаги в мякоти финика через 14640 секунд (около 4 часов) с момента начала гидратации. Из этого рисунка видно, что градиент концентрации влаги выше в областях, максимально приближенных к поверхности, контактирующей с воздухом. С внешней поверхности финика градиент концентрации снижается вплоть до нуля, в самом центре мякоти финика, где концентрация воды остаётся на начальном значении. Такое поведение указывает на то, что диффузия происходит в основном на внешней поверхности финика в рассматриваемом диапазоне времени гидратации.

График распределения концентрации влаги в финике после 4 часов с начала момента гидратации.
График распределения концентрации влаги в финике после 4 часов с начала момента гидратации. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, предоставленное авторами S. Curet, A. Lakoud, и M. Hassouna.

Более эффективный и надёжный метод гидратации фиников

Для любой пищевой промышленности задача состоит в том, чтобы сбалансировать эффективность производства с высоким качеством конечного продукта. При термической обработке фиников оптимизация процесса гидратации является важнейшим шагом для достижения такого баланса, экономя энергию и не уменьшая качество продукта.

Результаты моделирования дают ценную информацию о явлениях массообмена, которые происходят в процессе гидратации. Таким образом, теоретическая модель, лежащая в основе этого метода, может использоваться в качестве средства для оптимизации процессов гидратации фиников путём прогнозирования времён для достижения желаемого количества воды, а также сокращения общего времени обработки.

Узнайте больше об оптимизации обработки продуктов с использованием моделирования


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Трассировка частиц Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта