Разработка плана эксперимента процесса стерилизации плодов и овощей

Введение. Огурец (Cucumis), род одно - и многолетних травянистых растений семейства тыквенных. Около 30 видов, произрастающих большей частью в Африке (несколько видов – в Азии и Америке). Некоторые виды огурцов выращивают в качестве овощных культур, среди них – дыня, огурец африканский, или рогатая дыня, называемая также к и в а н о (C. metulifer), огурец антильский, или а н г у р и я (C. anguria), и самый распространённый в мире культурный вид огурец – огурец посевной (C. sativus), называемый собственно огурец. В Индии, откуда предположительно происходит огурец, он был известен в 3-м тыс. до н. э.; в России выращивают с 16 в. Растение однолетнее с ползучим или лазающим главным стеблем (длина 1,5–4 м и более у длинноплетистых сортов; 0,6– 1,5 м и 0,4–0,6 м у средне- и короткоплетистых соответственно) и боковыми побегами 1-го и 2-го порядков. Корневая система состоит из длинного (до 1 м) стержневого корня и боковых корней, расположенных в верхнем слое почвы. Листья очередные, цельные, сердцевидной, сердцевидно-лопастной или пятилопастной формы. Цветки жёлтые, воронковидные, перекрёстноопыляющиеся (есть формы без опыления, т. н. партенокарпические). Растение преим. однодомное, раздельнополое (мужские цветки пазушные, собраны в щиток, женские главным образом одиночные); существуют формы частично двудомных растений (с преобладанием женских или мужских цветков). Плод – ложная ягода, зелёная тыквина с 3–5 семен- “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 252 Озиқ-овқат саноати технологиялари ными камерами, опушённая (белошипая, чёрношипая) или гладкая, крупно- или мелкобугорчатая, разл. формы (овальной, цилиндрич. и др.). Материал и методы. Важнейшим условием получения качественной консервы из плодов и овощей является строгое соблюдение технологических требований, предъявляемых к каждой отдельной операции. Соблюдение этих требований возможно только при организации внутрихозяйственного контроля качества плодов в процессе консервирования. Для обеспечения микробиологической стерильности, продукты подвергаемые консервированию, укладывают в герметически закрываемую тару, и подвергают воздействию тепла определенный промежуток времени. При этом выбор продолжительности температурного воздействия на продукт зависит от различных величин, определяющих установление того или иного режима обработки. В настоящее время способы консервирования пополнились такими новыми, более эффективными методами, как кратковременная стерилизация при повышенных температурах, асептическое консервирование, стерилизация ионизирующим излучением, обработка токами высокой частоты, антибиотиками, химическими консервантами и т.д. Одним из путей интенсификации процесса стерилизации консервных продуктов является применение СВЧ обработки. СВЧ - излучение - электромагнитное излучение, включающее в себя сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн (от 30 см - частота 1 ГГц до 1 мм - 300ГГц). СВЧ - нагрев позволяет значительно интенсифицировать технологические процессы пищевых производств, связанные с нагревом продукции, а также разработать новые их виды, особенно комбинируя СВЧ-нагрев с традиционными способами энергоподвода, такими как варка, сушка, стерилизация, пастеризация, размораживание, сублимация и ряд других. Теоретическое исследование протекающих явлений, а именно технологического процесса, представляется в виде объекта исследования, который характеризуется входными и выходными параметрами. Технологический процесс стерилизации плодов и овощей, как объект исследования, может быть представлен в виде блок-схемы (рис.1). Группа параметров Y, Z являются входными, а X, U- выходными показателями, характеризующими технологический процесс стерилизации. Группа параметров Y характеризует расход материала, температуру сырья и сорт огурцов. Группа параметров Z характеризует такие параметры как, давление, концентрация и мощность. Группа параметров X характеризует размеры огурцов, время обработки, температуру обработки, U характеризует время хранения продукта. Задача теоретического исследования состоит в установлении закономерностей связей между входными и выходными параметрами объекта. Если воздействия входных параметров на объект не изменяются во времени, то выходные параметры также неизменны, а процесс называется стационарным. Если хотя бы одно входное воздействие изменяется во времени, то процесс соответствующего изменения выходных параметров объекта называется динамическим, по окончании времени переходного процесса он становится стационарным. Для теоретического исследования статических и динамических характеристик объекта составляется математическая модель процесса. В целом для моделирования нагревания с СВЧ обработкой применяется всё разнообразие моделей теплообмена и воздействие электрической энергии. Рисунок 1. Блок-схема технологического процесса “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 253 Технологии пищевой промышленности Метод нагревания с СВЧ обработкой заключается в том, что пищевой продукт помещают в электромагнитное поле, в котором за счет изменения направления внешнего поля изменяется ориентация его молекул. Из сказанного ясно, что в электромагнитном поле тока высокой частоты продукт будет нагреваться по всей толщине одновременно и равномерно, что является основным достоинством этого метода. На основании этого метода во ВНИИКОПе был создан высокочастотный стерилизатор непрерывного действия с производительностью 0,13-0,27 б/с. Однако его внедрение в промышленность сдерживается из-за низкого коэффициента полезного действия (η=0,25+0,3). При стерилизации токами высокой частоты тепло образуется внутри продукта, что позволяет с успехом применять этот способ для обработки твердых и кашеобразных пищевых продуктов. Тепло образуется в них двумя способами: в нетеплопроводных – вследствие трения под влиянием молекулярной полярности, в теплопроводных – вследствие изменения ускорения под влиянием меняющегося потенциала. Количество тепла, образующегося в результате преобразования электрической энергии, зависит не только от установки, но и от свойств обрабатываемого продукта: где Q – тепло, образовавшееся под действием токов высокой частоты; f – частота (по международному соглашению приняты следующие частоты: 13,56; 27,12 и 40,08 Мгц); V – напряжение; d – расстояние между обкладками конденсатора; ε – диэлектрическая постоянная (для мяса ε=145; горошка при 230С ε=9, а в замороженном состоянии ε=2,5); tgδ – коэффициент потерь (зависит от отношения между частотой и дипольным моментом молекулы); белки обладают высоким дипольным моментом, поэтому их коэффициент потерь имеет максимум при меньшей частоте; γ – удельный вес. Основным условием осуществления диэлектрического нагрева является однородность нагреваемой массы, в противном случае возникает достаточно высокая разность температур. При измерении температуры термоэлементами наименьшее ее значение было отмечено у стенок банки, а наибольшая разность температур достигала 350С. Различная степень образования тепла особенно заметно проявилась при обработке плодов. Скорость нагрева намного выше, чем при других способах стерилизации, основанных на поступлении тепла снаружи. В ходе стерилизации плодов при частоте 9 МГц нагрев массы 1 литровой банки до 700С занял 6 минут. Дальнейшее распространение высокочастотной стерилизации сдерживается экономическими соображениями и можно ожидать, что она найдет применение при обработке продуктов, которые не допускают быстрой стерилизации паром или горячей водой. Отмечаем, что стоимость тепловой энергии, полученной с помощью высокочастотного генератора мощностью 15 кВт при к.п.д. преобразования электроэнергии в тепловую около 56%, в 2,8 раза превышает эквивалентную стоимость пара. Многофакторные эксперименты связаны с оптимизацией качества материалов, отысканием оптимальных условий проведения технологических процессов, разработкой наиболее рациональных конструкций оборудования и т.д. Системы, которые служат объектом этих исследований, очень часто являются такими сложными, что не поддаются теоретическому изучению в разумные сроки. Поэтому, несмотря на значительный объем выполненных научно-исследовательских работ, из-за отсутствия реальной возможности достаточно полно изучить значительное число объектов исследования, как следствие, многие решения принимаются на основании информации, имеющей случайный характер, и поэтому далеки от оптимальных. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 254 Озиқ-овқат саноати технологиялари На практике сама необходимость измерений большинства величин вызывается тем, что они не остаются постоянными, а изменяются в функции от изменения других величин. В этом случае целью проведения эксперимента является установление вида функциональной зависимости y=f(X). Для этого должны одновременно определяться как значения X, так и соответствующие им значения , а задачей эксперимента является установление математической модели исследуемой зависимости. Фактически речь идет об установлении связи между двумя рядами наблюдений (измерений). Определение связи включает в себя указание вида модели и определение ее параметров. В теории экспериментов независимые параметры z=(z1, ..., zk) принято называть факторами, а зависимые переменные y - откликами. Предположим, что изучается влияние ряда факторов zi (i=1,…,k) на некоторую величину y. Для этого проводятся эксперименты по определенному плану, который позволяет реализовать все возможные комбинации факторов. Причем каждый фактор рассматривается лишь на двух фиксированных уровнях (верхнем и нижнем). Число всех экспериментов (опытов) в этом случае будет равно: n=2k (1) где k - количество изучаемых факторов. Постановка опытов по такому плану называется полным факторным экспериментом типа 2k (ПФЭ2k). Для нашего случая основными влияющими факторами процесса стерилизации плодов и овощей являются: − температура обработки плодов с СВЧ: нижнее значение =27,90С; верхнее значение =79,50С; − массовый расход: нижнее значение =0,5 кг; верхнее значение =1 кг; − время обработки на СВЧ: нижнее значение =2 мин; верхнее значение =12 мин. Нижнее и верхнее значения влияющих факторов определены в ходе проведенных предварительных экспериментов. В общем случае эксперимент, в котором реализуются все возможные сочетания уровней факторов, называется полным факторным экспериментом. Самым простым симметричным и ортогональным планом является двухуровневый план полного факторного эксперимента ПФЭ2k. Для обработки результатов проведенных экспериментов и дальнейшего определения коэффициентов уравнения регрессии, влияющие факторы приводят к одному масштабу. Это достигается путем кодирования переменных. Новые кодированные переменные xi будут определяться через zi по формуле: (2) где называют центром плана; - интервалом варьирования. При таком кодировании все новые переменные будут принимать значения от - 1 до + 1. Центр эксперимента: (3) соответствует нулевому (хi=0) уровню величины факторов, от него рассчитывают интервалы варьирования i: (4) Интервалом варьирования факторов называется некоторое число (свое для каждого фактора), прибавление которого к основному уровню дает верхний, а вычитание - нижний уровни фактора. Для первого фактора центр эксперимента: Для второго фактора центр эксперимента: “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 255 Технологии пищевой промышленности Для третьего фактора центр эксперимента: Для первого фактора интервал варьирования: Для второго фактора интервал варьирования: Для третьего фактора интервал варьирования: План проведения экспериментов записывается в виде матрицы планирования, в которой в определенном порядке перечисляются различные комбинации факторов на двух уровнях. Для нашего примера на процесс воздействует три фактора, поэтому при полнофакторном эксперименте ПФЭ23 необходимо провести 8 экспериментов. В соответствии с (2) и (3) найдем числовые значения верхнего и нижнего уровней факторов в безразмерном выражении. (5) Знак «+» говорит о том, что во время опыта значение фактора устанавливают на верхнем уровне, а знак «–» показывает, что значение фактора устанавливают на нижнем уровне. В таблице 1 приведена матрица планирования ПФЭ23 для трех факторов: x1, x2, x3. Таблица 1 Матрица планирования экспериментов ПФЭ23 Факторы Эффекты взаимодействия x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 1 -1 -1 -1 1 1 1 2 1 -1 -1 -1 -1 1 3 -1 1 -1 -1 1 -1 4 1 1 -1 1 -1 -1 5 -1 -1 1 1 -1 -1 6 1 -1 1 -1 1 -1 7 -1 1 1 -1 -1 1 8 1 1 1 1 1 1 № эксперимента Перевод величины фактора в натуральную размерность осуществляют с учетом (1) по формуле: (6) Нами на основе планирования были проведены ряд экспериментов и получены соответствующие графики. Рис 1. СВЧ экспериментальная установка. 1- СВЧ печь, 2-банка, 3-огурцы, 4-вода “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 256 Озиқ-овқат саноати технологиялари а) б) Рис 2. Графики зависимости температуры от времени в стерилизуемых банках а) банка плотно заполнена огурцами, б) банка на половину заполнена огурцами Выводы. Эксперименты, как правило, многофакторны и связаны с оптимизацией качества материалов, поиском оптимальных условий проведения технологических процессов, разработкой наиболее рациональных конструкций оборудования и т. д. Системы, служащие объектом таких исследований, очень часто являются таковыми. сложны, что их невозможно теоретически изучить в разумные сроки. Поэтому, несмотря на значительный объем выполненных исследовательских работ, из-за отсутствия реальной возможности в достаточной степени изучить значительное количество объектов исследования, в результате многие решения принимаются на основе случайной информации и поэтому далеки от оптимальных. На практике сама необходимость измерения большинства величин вызвана тем, что они не остаются постоянными, а изменяются в зависимости от изменения других величин. В этом случае целью эксперимента является установление типа функциональной зависимости y=f(X). Для этого необходимо одновременно определить как значения X, так и соответствующие значения y ̅, а задачей эксперимента является установление математической модели исследуемой зависимости. Фактически речь идет об установлении связи между двумя сериями наблюдений (измерений). “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 257 Технологии пищевой промышленности Ибрагимов Равшан Рустамович – базовый докторант, Бухарский инженерно – технологический институт, Тел.: +998930841979 (с), E-mail:ravshanibragimov@mail.ru Нарзиев Мирза Сайидович – к.т.н., доцент, зав. каф. «Технологические машины и оборудование», Бухарский инженерно – технологический институт, Тел.: +998973001377 (с) Кулдашева Фируза Салимовна – старший преподователь, Бухарский инженерно – технологический институт, Тел.: +998914478001 (с), E-mail: coolfiruza@mail.ru Шарипов Нодиржон Замирович – PhD, доцент кафедры «Технологические машины и оборудование», Бухарский инженерно – технологический институт, Тел.: +998973032277 (с) “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 258