A study of thermoradiation and optical properties of tomato pulp

Research article
DOI:
https://doi.org/10.60797/IRJ.2024.144.33
Issue: № 6 (144), 2024
Suggested:
03.04.2024
Accepted:
10.06.2024
Published:
17.06.2024
107
3
XML
PDF

Abstract

The properties of tomato fruit pulp have been studied as initial data for the development of regimes allowing to intensify the process of tomato drying under volumetric infrared (IR) energy supply. Research has been carried out for moisture ranges 0.06 ≤ w ≤ 0.92 kg/kg, product layer thickness 0.002 ≤ h≤ 0.004 m and spectral range 800 ≤ λ ≤ 2500 nm using UV-Vis-NIR spectrophotometer Cary 5000 (Varian) with diffuse scattering attachment (integrating sphere) DRA-2500 and numerical method of averaged optical and thermal radiation characteristics of the material. The values of thermoradiation properties Rλ and Tλ of samples (plates) of tomato pulp depending on the wavelength of infrared spectrum λ, μm were obtained. Calculation and analysis of integral optical properties of the investigated product for cases of its heating by CT and nichrome spiral radiators were performed.

1. Введение

Томат является одним из наиболее распространенных на отечественном рынке овощей, что обусловливается продуктивностью, вкусовыми качествами и биологической ценностью продукта

. Одним из наиболее простых, надежных и перспективных способов переработки и консервирования плодов томата является сушка при инфракрасном (ИК) энергоподводе
,
,
,
.

Применение ИК (электромагнитного) энергоподвода для получения концентратов является перспективным подходом в пищевой промышленности

,
,
,
. Несмотря на указанные преимущества, развитие техники ИК сушки томата сдерживается недостаточной изученностью процесса переноса энергии излучения в тканях томата, неполнотой сведений о его оптических свойствах
,
,
.

Цель настоящих исследований – это изучение терморадиационных и оптических свойств мякоти томата, как исходных данных для разработки режимов высокоинтенсивной сушки указанного продукта при объемном ИК энергоподводе.

2. Объекты и методы исследования

В качестве исследуемого продукта использовались плоды томата сорта Сливка гигант. Выбор сорта обусловлен характеристиками плода, наиболее пригодными для приготовления объектов исследований, обеспечивающих возможность спектрофотометрических измерений томата как объекта сушки при ИК энергоподводе. Плоды указанного сорта пригодны для равномерного нарезания и обеспечения равномерной сушки, характеризуются, цилиндрической формой, сравнительно малым количеством пульпы, изотропностью мякоти томата по толщине плода, а также высокой плотностью мякоти. Объекты исследования (далее – образцы) представляли собой пластины заданной толщины и влажности, а именно – пластины мякоти томата толщиной h, м, полученные:

- непосредственно нарезанием предварительно освобожденных от кожицы плодов томата с последующим удалением пульпы и семян. В данном случае влажность образцов соответствовала влажности нативной мякоти томата wн, кг/кг;

- высушиванием также предварительно освобожденных от кожицы, нарезанных на пластины и очищенных от пульпы и семян плодов томата. Сушка пластин осуществлялась при двустороннем ИК энергоподводе с использованием режимов влагоудаления, приведенных в работе

до достижения образцами требуемой величины влажности wк, кг/кг.

Исследования проводились в два этапа для диапазонов влажности 0,06 ≤ w ≤ 0,92 кг/кг, толщины слоя 0,002 ≤ ≤ 0,004 м продукта и ИК области спектра 800 ≤ λ ≤ 2500 нм с использованием литературных данных об эмиссионных характеристиках (спектрах излучения) ИК излучателей, приведенных в работах

,
,
.

Величина влажности образцов w, кг/кг определялась титрованием по методу Карла Фишера. Наименьшее значение влажности исследуемого продукта обусловлен требованиями к качеству сухого томата, приведенными в ГОСТ 32065-2013 и результатами анализа гигроскопических характеристик продукта

. Максимальное значение влажности определено эмпирически, соответствует усредненной влажности образцов мякоти нативного томата. Толщина слоя h, м соответствует оптически тонкому слою, её выбор обусловлен результатами экспериментальных исследований конвективно-радиационной сушки томата
. Спектральный диапазон 800≤λ≤2500 нм выбран на основе литературных данных
,
,
и технической возможности экспериментального исследования.

На первом этапе на спектрофотометре UV-Vis-NIR Cary 5000 (Varian) с приставкой интегрирующей сферы DRA-2500 эмпирически для указанных образцов были получены зависимости спектральных направленно-полусферических терморадиационных свойств Rλ и Tλ слоя мякоти томата от длины волны ИК диапазона λ, нм. На втором этапе с использованием полученных на спектрофотометре данных, для исследуемых диапазонов ИК области спектра, влажности и толщины слоя продукта, выполнен расчет интегральных оптических характеристик. Для расчета использован метод усредненных оптических и терморадиационных характеристик материала, как наиболее простой, приемлемый для инженерных расчетов метод

.

Данные о распределении объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине оптически тонкого слоя мякоти томата W=f(х,w), Вт/м3 были рассчитаны по формуле, предложенной в работе

для процесса влагоудаления при двустороннем ИК энергоподводе:

img
(1)

где x – координата толщины слоя (глубина оптически тонкого слоя) мякоти томата, м, максимальная величина которой соответствует толщине слоя h=0,004 м;

Еп1=Еп2 – плотность теплового потока, падающего на одну сторону слоя, Вт/м2;

R – величина, характеризующая спектральную отражательную способность оптически полубесконечного слоя;

ψ = R(w)∙exp(-L(w,х)∙х).

3. Результаты и их обсуждение

В результате исследований для мякоти томата различной толщины h, м и влажности w, кг/кг получены величины направленно-полусферических терморадиационных свойств Rλ и Tλ в спектральном диапазоне 800 ≤ λ ≤ 2500 нм. Для повышения точности каждое измерение повторялось три раза. Относительная ошибка при определении Rλ и Tλ не превышала ε = 9,1%. Примеры графической интерпретации полученных значений направленно-полусферических терморадиационных характеристик Rλ и Tλ в указанном спектральном диапазоне изображены на рисунках 1-2.

Отражательная Rλ и пропускательная Tλ способности мякоти томата при толщине слоя hн =0,004 мм и влажности продукта wн = 0,92 кг/кг

Рисунок 1 - Отражательная Rλ и пропускательная Tλ способности мякоти томата при толщине слоя hн =0,004 мм и влажности продукта wн = 0,92 кг/кг

 Отражательная Rλ и пропускательная Tλ способности мякоти томата при толщине слоя hн =0,004 мм и влажности продукта wн = 0,06 кг/кг

Рисунок 2 - Отражательная Rλ и пропускательная Tλ способности мякоти томата при толщине слоя hн =0,004 мм и влажности продукта wн = 0,06 кг/кг

С использованием полученных данных о направленно-полусферических терморадиационных свойствах исследуемого продукта, а также литературных данных о спектрах излучения излучателей были уравнения следующих оптических свойств для процесса сушки мякоти томата с начальной влажностью wн = 0,92 кг/кг и толщиной слоя hн = 0,004 м при объемном ИК энергоподводе.

1) Уравнение, характеризующее зависимость отражательной интегральной способности оптически полубесконечного слоя R∞(w) от влажности продукта w, кг/кг:

- для процесса сушки с использованием ИК излучателей КГТ-220-1000 (далее – излучатели КГТ):

img
(2)

- для случая процесса сушки с использованием нихромовой спирали в кварцевой трубке (далее – нихромовая спираль):

img
(3)

2) Уравнение, характеризующее зависимость коэффициента эффективного ослабления потока излучения по мере распространения в оптически бесконечно толстом слое L, м-1 от влажности продукта w, кг/кг и координаты толщины слоя 0,000 ≤ х ≤ 0,004  м:

- для случая процесса сушки с использованием излучателей КГТ:

img
(4)

- для случая процесса сушки с использованием нихромовой спирали:

img
(5)

С использованием полученных уравнений (2), (3), (4) и (5) по формуле (1) для каждого из указанных ИК излучателей рассчитана соответствующая зависимость W=f(х,w), Вт/м3 по глубине оптически тонкого слоя мякоти томата. Расчет осуществлялся для рационального значения плотности падающего теплового потока c одной стороны слоя Еп1=Еп2= 3240 Вт/м2, определенного в результате экспериментальных исследований

. На рисунке 3 изображена эволюция изменения W=f(х,w), Вт/м3 по глубине оптически тонкого слоя 0,000 ≤ х ≤ 0,004 м в диапазоне 0,06 ≤ w ≤ 0,92 кг/кг при объемном ИК облучении продукта нихромовой спиралью (а) и генераторами КГТ (б).

В результате анализа характера полученных зависимостей W=f(х,w) для мякоти томата установлено, что при w = const функция W=f(х) имеет вид параболы с минимумом в точке экстремума, соответствующей середине толщины слоя (рисунок 3). При нагреве продукта нихромовой спиралью плотность поглощенной энергии излучения по толщине слоя в приповерхностных слоях существенно превышает значения аналогичного параметра при нагреве продукта излучателями КГТ. Указанная особенность обусловлена соотношением спектральных характеристик излучателей и облучаемого продукта. Вместе с тем, характер изображенных на рисунке 3 кривых свидетельствует об обеспечении излучателями КГТ в сравнении с нихромовой спиралью наиболее равномерного распределения плотности поглощенной энергии по глубине оптически тонкого слоя. Как следствие, применение излучателей КГТ обеспечивает наиболее равномерный прогрев продукта в процессе сушки и, соответственно, более качественное проведение процесса.
 Эволюция изменения объемной плотности поглощенной энергии излучения W(х,w) по толщине слоя мякоти томата с влажностью 0,06 ≤ w ≤ 0,92 кг/кг в диапазоне 0,000 ≤ х ≤ 0,004 м при Еп1=Еп2=3240 Вт/м2 с использованием:а) излучателей КГТ; б) нихромовой спирали

Рисунок 3 - Эволюция изменения объемной плотности поглощенной энергии излучения W(х,w) по толщине слоя мякоти томата с влажностью 0,06 ≤ w ≤ 0,92 кг/кг в диапазоне 0,000 ≤ х ≤ 0,004 м при Еп1п2=3240 Вт/м2 с использованием:

а) излучателей КГТ; б) нихромовой спирали

Изучение терморадиационных и оптических свойств мякоти томата и результатов анализа характера изменения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине слоя продукта позволили выбрать следующие технические решения, для реализации и последующего совершенствования процесса ИК сушки мякоти томата: в качестве ИК излучателя – излучатели КГТ; оптимальный диапазон длины волны ИК излучателей – 1100 ≤ λ ≤ 1300 нм, соответствующий максимальной интенсивности излучения, определяющей напряжение на ИК излучателе U= 220 В
. Кроме того, в результате исследований подтвержден выбор толщины слоя продукта h ≤ 0,004 м, обеспечивающего высокоинтенсивную сушку плодов в оптически тонком слое.

4. Заключение

Изучены терморадиационные и оптически свойства мякоти плодов томата. С использованием современного спектрофотометрического оборудования получены значения спектральных терморадиационных свойств Rλ и Tλ слоя образцов (пластин) в ближнем ИК диапазоне λ, нм. Расчетным путем на основе эмпирических данных получены уравнения, характеризующие зависимости основных оптических характеристик продукта от влияющих на них параметров. Для реализации процесса высокоинтенсивной ИК сушки выбраны излучатели (КГТ), оптимальный диапазон длины их волны (1100 ≤ λ ≤ 1300 нм), а также параметры оптически тонкого слоя (h ≤ 0,004 м). Результаты проведенных исследований, включая выбранные технические решения реализации процесса, могут быть использованы для усовершенствования способов ИК сушки томата и проектировании сушильной техники для получения томатных концентратов

,
,
,
.

Article metrics

Views:107
Downloads:3
Views
Total:
Views:107