Аннотация

Удаление влаги (сушка) из биологических материалов дает множество преимуществ, в том числе предотвращает рост микроорганизмов и порчу продукта, а также приводит к снижению затрат на обработку. Разные методы сушки отличаются концептуально и требуют модификации / адаптации в зависимости от высушиваемого биоматериала. Цель исследования – изучить кинетику и оптимальные режимы обезвоживания для повышения эффективности сушки квазижидких продуктов (икорное рыбное сырье) с помощью физико-математического моделирования тепломассопереноса и влагоудаления.
В работе проведена адаптация существующей математической модели сушки на основе данных о кинетике и обезвоживании икры рыб и лецитинового сгустка из нее при комбинированном энергоподводе. Данная математическая модель необходима для понимания распределения температурного фронта внутри высушиваемого биоматериала и оценки продолжительности сушки. Исследуемые рыбные объекты подвергались обезвоживанию воздушной смесью газов в режиме кондуктивно-конвективного подвода тепловой энергии в лабораторной оригинальной сушильной установке.
Полученные результаты расчетов были сопоставлены с результатами проведенных экспериментальных испытаний сушки для подобных биоматериалов. Рациональными режимными параметрами процесса сушки икорного продукта выбраны: интенсивность движения теплоносителя – 3,50 м/с; высота высушиваемого слоя – 0,01 м; температура поверхности высушиваемого материала и температура греющей пластины – 313 К; начальная температура для объекта исследования – 283 К; итоговая влажность – 0,10 кг/кг. В таком варианте удельная производительность равна 7,61 кг/(м²·ч), а время сушки до влажности 0,1 кг/кг – 150 мин. Рациональные режимные параметры процесса сушки лецитинового сгустка: интенсивность движения теплоносителя – 2,50 м/с; высота слоя – 0,003 м; температура поверхности высушиваемого материала и температура греющей пластины – 343 К; начальная температура для объекта исследования – 328 К; итоговая влажность – 0,130 кг/кг. При этом удельная производительность равна 13,63 кг/(м²·ч), а время сушки до влажности 0,130 кг/кг – 40 мин.
Моделирование процессов тепло- и массопереноса позволяет повысить точность расчета и реализовать потенциал энергосбережения без проведения экспериментов, сохраняя при этом качество высушенного продукта. Выявленные кинетические закономерности, оптимальные режимы обезвоживания и результаты моделирования процесса сушки могут быть использованы при проектировании процессов тепло- и массопереноса, а также при проектировании сушильных установок для икорного рыбного сырья.

Ключевые слова

Биоэкономика, икорное рыбное сырье, лецитиновый сгусток, кинетика сушки, комбинированный энергоподвод, математическая модель, метод конечных разностей

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Coppola D, Lauritano C, Esposito FP, Riccio G, Rizzo C, et al. Fish waste: From problem to valuable resource. Marine drugs. 2021;19(2):116. https://doi.org/10.3390/md19020116
2. Ткаченко Т. И., Гришков М. А., Яценко М. Р. О проблемах переработки рыбных отходов при производстве рыбной кормовой муки и возможные пути их решения. Научные труды Дальрыбвтуза. 2023. Т. 65. № 3. С. 34-39. https://doi.org/10.48612/dalrybvtuz/2023-65-05
3. Mohan SV, Varjani S, Pant D, Sauer M, Chang J-S. Circular bioeconomy approaches for sustainability. Bioresource Technology. 2020;318:124084. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124084
4. Marcinekova L, Palatova P, Vybost’ok J, Jarsky V, Riedl M, etal. Students’ perception of bioeconomy as an important factor in communicating and further development of the bioeconomy in Slovakia and the Czech Republic. Scandinavian Journal of Forest Research. 2023;38(4):265-274. https://doi.org/10.1080/02827581.2023.2211806
5. Ахметзянова Р. Р. Проблемные аспекты биоэкономики в России. Law Afterknown: право за гранью обыденного: материалы II Междунар. молодежного юр. форума. Тюмень, 2023. C. 333-338.
6. Shahidi F, Vafatharajan V, Peng H, Senadheera R. Utilization of marine by-products for the recovery of value-added products. Journal of Food Bioactives. 2019;(6):10-61. https://doi.org/10.31665/JFB.2019.5183
7. Shavandi A, Hou Y, Carne A, Mcconnell M, Bekhit AE-D. Chapter four - Marine waste utilization as a source of functional and health compounds. Advances in Food and Nutrition Research. 2019;87:187-254. https://doi.org/10.1016/ bs.afnr.2018.08.001
8. Coppola D, Oliviero M, Vitale GA, Lauritano C, d’Ambra I, et al. Marine collagen from alternative and sustainable sources: Extraction, processing and applications. Marine drugs. 2020;18(4):214. https://doi.org/10.3390/md18040214
9. Arvanitoyannis IS, Kassaveti A. Fish industry waste: Treatments, environmental impacts, current and potential uses. International Journal of Food Science and Technology. 2008;43(4):726-745. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2006.01513.x
10. Филонов А. Е., Ахметов Л. И., Ветрова А. А., Иванова А. А., Сазонова О. И. и др. Современное состояние и тенденции в экологической биотехнологии. Biologia et Biotechnologia. 2024. № 1. С. 22-51. https://doi.org/10.61847/pbcras.bbt.2024.1.2
11. Бодрякова Н. П., Есепенок К. В., Двинских Н. А. Экологические аспекты утилизации отходов рыбной промышленности. Актуальные вопросы зоологии, экологии и охраны природы. 2022. С. 29-35. https://elibrary.ru/CLEABX
12. Mo WY, Man YB, Wong MH. Use of food waste, fish waste and food processing waste for China’s aquaculture industry: Needs and challenge. Science of The Total Environment. 2018;613-614:635-643. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.08.321
13. Stevens JR, Newton RW, Tlusty M, Little DC. The rise of aquaculture by-products: Increasing food production, value, and sustainability through strategic utilization. Marine Policy. 2018;90:115-124. https://doi.org/10.1016/j.marpol.2017.12.027
14. Beheshti M, Parrish CC, Wells J, Taylor R, Rise M, et al. Minimizing marine ingredients in diets of farmed Atlantic salmon (Salmo salar): Effects on growth performance and muscle lipid and fatty acid composition. PLOS ONE. 2018;13(9): e0198538. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0198538
15. Соколов С. А. Оценка технических, эксплуатационных и социально-экономических факторов количественного роста отходов и побочных продуктов рыбного промысла. Инновационные направления интеграции науки, образования и производства. 2023. С. 292-298. https://elibrary.ru/WIRVOB
16. Шамсиев А. М., Крякунова Е. В. Получение кормовой муки из вторичных ресурсов рыбопереработки в условиях малого предприятия. Пищевые инновации и биотехнологии. 2021. С. 281-283. https://elibrary.ru/LQGXDG
17. Ahuja I, Daukšas E, Remme JF, Richardsen R, Løes A-K. Fish and fish waste-based fertilizers in organic farming - With status in Norway: A review. Waste Management. 2020;115:95-112. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.07.025
18. Løes AK, Katsoulas N, Caceres R, de Cara M, Cirvilleri G, et al. Current use of peat, plastic and fertiliser inputs in organic horticultural and arable crops across Europe. Brussels: European Commission; 2018.
19. Wu Y, Song K. Anaerobic co-digestion of waste activated sludge and fish waste: Methane production performance and mechanism analysis. Journal of Cleaner Production. 2021;279:123678. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123678
20. Choe U, Mustafa AM, Lin H, Xu J, Sheng K. Effect of bamboo hydrochar on anaerobic digestion of fish processing waste for biogas production. Bioresource technology. 2019;283:340-349. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.03.084
21. Hou Y, Shavandi A, Carne A, Bekhit AA, Ng TB, et al. Marine shells: Potential opportunities for extraction of functional and health-promoting materials. Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2016;46(11-12):1047-1116. https://doi.org/10.1080/10643389.2016.1202669
22. Ким И. Н., Комин А. Э. Основные виды фальсификации водных биологических ресурсов. Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания. 2021. № 2. С. 147-154. https://doi.org/10.24412/2311-6447-2021-2-147-154
23. Rustad T, Storrø I, Slizyte R. Possibilities for the utilisation of marine by-products. International Journal of Food Science and Technology. 2011;46(10):2001-2014. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2011.02736.x
24. Arnaud C, de Lamballerie M, Pottier L. Effect of high pressure processing on the preservation of frozen and re-thawed sliced cod (Gadus morhua) and salmon (Salmo salar) fillets. High Pressure Research. 2018;38(1):62-79. https://doi.org/10.1080/ 08957959.2017.1399372
25. Никифорова А. П. Обзор методов рациональной переработки отходов рыбных производств. Комплексные исследования в рыбохозяйственной отрасли. 2021. С. 263-267. https://elibrary.ru/THIISW
26. Маркин С. Ю., Мальцев И. В. Биоконверсия отходов АПК как элемент экономики замкнутого цикла. Владимирский земледелец. 2024. № 4. С. 54-59. https://doi.org/10.24412/2225-2584-2024-4110-54-59
27. Martinez-Alvarez O, Chamorro S, Brenes A. Protein hydrolysates from animal processing by-products as a source of bioactive molecules with interest in animal feeding: A review. Food Research International. 2015;73:204-212. https://doi.org/ 10.1016/j.foodres.2015.04.005
28. Singh A, Benjakul S. Proteolysis and its control using protease inhibitors in fish and fish products: A review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2018;17(2):496-509. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12337
29. Коннова О. И., Арабова З. М., Алексанян И. Ю., Нугманов А. Х.-Х., Бакин И. А. и др. Перспективы повышения эффективности процессов экстракции каротиноидов из побочных продуктов переработки биологического сырья. Современная наука и инновации. 2024. № 4. С. 152-159. https://doi.org/10.37493/2307- 910X.2023.4.17
30. Арабова З. М., Нугманов А. Х.-Х., Бородулин Д. М., Алексанян И. Ю., Коннова О. И. Кинетические закономерности экстракции целевых компонентов из икорно-ястычного комплекса и его рафината. Техника и технология пищевых производств. 2025. Т. 55. № 1. С. 74-88. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2025-1-2555
31. Алдаматов Н. Э., Бредихин С. А. Производство сырья животного происхождения в мире и в России. Научные труды Дальрыбвтуза. 2024. Т. 70. № 4. С. 8-19. https://doi.org/10.48612/dalrybvtuz/2024-70-01
32. Быков А. Д., Бражник С. Ю. Современное состояние промышленного рыболовства в Центральном Федеральном округе России и перспективы его развития. Вопросы рыболовства. 2024. Т. 25. № 3. С. 7-26. https://doi.org/10.36038/0234-2774-2024-25-3-7-26
33. Al Solami L, Korish M. Proximate composition, fatty acid characteristics, amino acid profile and mineral content of fish Acanthurus sohal. Heliyon. 2024;10(16):e36474. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e36474
34. Stepanova EM, Lugovaya EA. Macro- and microelements in some species of marine life from the Sea of Okhotsk. Foods and Raw Materials. 2021;9(2):302-309. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2021-2-302-309
35. Artar E, Olgunoglu MP, Olgunoglu IA. Mineral contents and fatty acids compositions of fillets of female and male Pangas (Pangasius hypophthalmus, Sauvage 1878) cultured in Turkey. Progress in Nutrition. 2022;24(3):2022056. https:// doi.org/10.23751/pn.v24i3.12382
36. Mauer LJ. Moisture and total solids analysis. Nielsen’s Food Analysis. Switzerland: Springer International Publishing; 2024. pp. 233-260. https://doi.org/10.1007/978-3-031-50643-7_15
37. Fitri N, Chan SXY, Che Lah NH, Faidruz AJ, Misnan NM, et al. A comprehensive review on the processing of dried fish and the associated chemical and nutritional changes. Foods. 2022;11(19):2938. https://doi.org/10.3390/foods 11192938
38. Дементьева Н. В. Обоснование режимов сушки чипсов из водных биологических ресурсов. Инновационное развитие рыбной отрасли в контексте обеспечения продовольственной безопасности Российской Федерации: материалы IV Нац. науч.-техн. конф. Владивосток, 2021. С. 203-207. https://elibrary.ru/OXRNGU
39. Siddiqui SA, Schulte H, Pleisner D, Schonfelder S, Kvangarsnes K, et al. Transformation of seafood side-streams and residuals into valuable products. Foods. 2023;12(2):422. https://doi.org/10.3390/foods12020422
40. Lebsky S, Tolok G, Ustymenko I, Kyslytsia Y. State and prospects of fish processing technologies. Scientific Journal Animal Science and Food Technologies’. 2023;14(4):9-25. https://doi.org/10.31548/animal.4.2023.09
41. Поликарпова В. Э., Алексанян И. Ю., Арабова З. М., Нугманов А. Х.-Х., Хайбулов Р. А. и др. Кинетика конвективной сушки икры сазана как источника лецитина и решение математической модели данной операции. Вестник КрасГАУ. 2023. № 2. С. 218-227. https://doi.org/10.36718/1819-4036-2023-2-218-227
42. Kirchuk R, Zabrodotskaya L, Haponiuk T, Ferents R. Experimental studies and mathematical model of the rapeseed seed drying process. National Interagency Scientific and Technical Collection of Works. Design, Production and Exploitation of Agricultural Machines. 2023;158-166. https://doi.org/10.32515/2414-3820.2023.53.158-166
43. Поликарпова В. Э., Алексанян И. Ю., Арабова З. М., Нугманов А. Х.-Х., Запарожец Е. Ю. Гигроскопические параметры сазаньей икры, как источника лецитина и объекта сушки, и термодинамический анализ статических закономерностей ее взаимодействия с водой. Современная наука и инновации. 2022. № 3. С. 88-96. https://doi.org/10.37493/2307-910X.2022.3.8
44. Фролов Д. И., Павлова Ю. А. Изучение кинетики сушки плодовых выжимок. Инновационная техника и технология. 2022. Т. 9. № 2. С. 42-45. https://elibrary.ru/UAXJYW
45. Попов А. М., Плотников К. Б., Устинова Ю. В., Крюк Р. В., Плотникова И. О. Исследование кинетики сушки полидисперсных продуктов. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2021. Т. 83. № 3. С. 30-37. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2021-3-30-37
46. Стрельченко В. В., Нугманов А. Х.-Х., Алексанян И. Ю., Хадаев А. В., Муханбетова И. Р. Анализ кинетики процесса обезвоживания пектиновых полимерных пленок с целью оценки их сорбционных свойств. Современная наука и инновации. 2024. № 3. С. 105-113. https://doi.org/10.37493/2307-910X.2024.3.10
47. Загоруйко М. Г., Башмаков И. А., Степанов К. А. Исследование процесса сушки растительных отходов в изотермической модели. Сельскохозяйственные машины и технологии. 2023. Т. 17. № 4. С. 49-54. https://doi.org/10.22314/2073-7599-2023-17-4-49-54
48. Сабуров Э. Н., Орехов А. Н., Онохин Д. А. Конвективный теплообмен на боковой поверхности рабочего объема относительно длинной циклонной камеры. Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2016. Т. 59. № 6. С. 573-581. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2016- 59-6-573-581
49. Мещерякова Г. С. Совершенствование процессов в технологии пектиносодержащего полимерного покрытия из арбузного сырья: дис. ... канд. техн. наук: 4.3.3. Москва, 2022. 179 с.
50. Алексанян И. Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов животного и растительного происхождения: дис д-ра. техн. наук: 05.18.12. Астрахань, 2001. 52 с.
51. Максименко Ю. А. Развитие научно-практических основ и совершенствование процессов сушки растительного сырья в диспергированном состоянии: дис. . д-ра. техн. наук: 05.18.12. Астрахань, 2016. 502 с.
52. Способ получения яичного лецитина 05.21-19Р1.270П / РЖ 19Р-1. Химия и технология пищевых продуктов. 2005. № 21.
53. Арапов В. М., Арапов М. В., Мамонтов М. В. К вопросу выбора тепловых режимов сушки термолабильных продуктов. Вестник Гомельского государственного технического университета им. П. О. Сухого. 2006. № 3. С. 8-14.
54. Демидов И. Н., Крамаренко А. А. Способы получения фосфолипидных продуктов. Вопросы химии и химической технологии. 2008. Т. 2. С. 58-63
55. Поликарпова В. Э., Алексанян И. Ю., Арабова З. М., Нугманов А. Х.-Х., Эльмурзаев А. А. Определение тепло-технических показателей икры сазана как объекта замораживания и источника лецитина. Индустрия питания. 2022. Т. 7. № 4. С. 25-35. https://doi.org/ 10.29141/2500-1922-2022-7-4-3
56. Чугаев Р. Р. Гидравлика (техническая механика жидкости). 4-е изд., испр. и доп. Ленингр.: Энергоиздат; 1982. 671 с.
57. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. 5-е изд., стер. М: Химия; 1968. 847 с.