тарелки (Т), ГцС2 8,3 13,3 10,8 1,7Рисунок 2. Зависимость выхода целевых компонентовот продолжительности процесса экстрагированияпри подаче теплоносителя в момент включения аппаратадля ягод голубики (1) и клюквы (2)Figure 2. Effect of extraction time on the yield when the coolantwas fed at the onset: 1 – blueberries, 2 – cranberriesРисунок 3. Зависимость выхода целевых компонентовот продолжительности процесса экстрагированияпри подаче теплоносителя после протекания процессаразрушения для ягод голубики (1) и клюквы (2)Figure 3. Effect of extraction time on the yield when the coolantwas fed after grinding: 1 – blueberries, 2 – cranberries0,00,51,01,52,02,53,03,50 2 4 6 8 10 12Концентрация сухих веществ, %масс.𝜏𝜏, мин120,00,51,01,52,02,53,03,54,00 2 4 6 8 10 12Концентрация сухих веществ, %масс.12𝜏𝜏 = 210,87 + 60,01 × С1 − 18,07 × С2 𝑁𝑁 = −51,31 + 11,21 × С1 + 6,9 × С2 − 1,41 × С1 × С2 𝜏𝜏 = 149,4 + 59,55 × С1 − 17,85 × С2 𝑁𝑁 = 12,1 + 0,74 × С1 + 0,25 × С2 − 0,17 × С1 × С2 0,00,51,01,52,02,53,03,50 2 4 6 8 10 12Концентрация сухих веществ, %масс.𝜏𝜏, мин120,00,51,01,52,02,53,03,54,00 2 4 6 8 10 12Концентрация сухих веществ, %масс.𝜏𝜏, мин122,02,53,03,5сухих веществ, %масс.13 2854Plotnikova L.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2021, vol. 51, no. 4, pp. 849–858проведена серия экспериментов, в которой дляопределения скорости разрушения и размеровчастиц твердой фазы через каждую минутупроцесс останавливался и при помощи ситовогоанализа определялся гранулометрический состав.Результаты показали, что рациональным временемподачи теплоносителя после начала протеканияпроцесса в исследуемых условиях проведенияэксперимента для ягод клюквы являются 3 мин,а для ягод голубики 2 мин. Разные показателивремени измельчения можно объяснить различнымифизико-механическими свойствами ягод. Ягодыголубики, в отличие от ягод клюквы, имеютменьшую упругость и разрывную прочность кожицыи мякоти, которые легко разрываются при оттаиванииповерхностных слоев.Результаты проведенных исследований с подачейтеплоносителя в рубашку после окончания процессаизмельчения сырья позволили выявить новизнуданного способа, что легло в основу патентной заявки.Ведущими факторами, влияющими на разрушениясырья, являются частота колебаний вибрационнойтарелки и диаметр отверстий ее перфорации. Данныефакторы влияют как на продолжительность процесса,так и на затраты мощности. Поэтому необходимоопределить их оптимальные значения, позволяющиедобиться минимальной продолжительности процессаразрушения сырья при минимальных затратахмощности.Серия экспериментов со значениями варьируемыхпараметров, указанных в таблице 1, позволилаполучить экспериментальные данные. Их обработкав программе STATISTICA дала регрессионныеуравнения зависимости продолжительности про-цесса разрушения сырья от частоты колебанийвибрационной тарелки и диаметра отверстийперфорации, а также затрат мощности от этих жепараметров. Для ягод клюквы уравнения приобретаютследующий вид:𝜏𝜏 = 210,87 + 60,01 × С1 − 18,07 × С2 R = 98,2 (1)𝑁𝑁 = −51,31 + 11,21 × С1 + 6,9 × С2 − 1,41 × С1 × С2 R = 95,6 (2)𝜏𝜏 = 149,4 + 59,55 × С1 − 17,85 × С2 R = 98,7 (3)𝑁𝑁 = 12,1 + 0,74 × С1 + 0,25 × С2 − 0,17 × С1 × С2 R = 97,2 (4)0,00,51,01,52,02,53,03,50 2 4 6 8 10 12𝜏𝜏, мин120,00,51,01,52,02,53,03,54,00 2 4 6 8 10 12𝜏𝜏, мин120,00,51,01,52,02,53,03,50 2 4 6 8 10 12𝜏𝜏, мин13 2R = 98,2 (1)𝜏𝜏 = 210,87 + 60,01 × С1 − 18,07 × С2 R = 98,2 (1)𝑁𝑁 = −51,31 + 11,21 × С1 + 6,9 × С2 − 1,41 × С1 × С2 R = 95,6 (2)𝜏𝜏 = 149,4 + 59,55 × С1 − 17,85 × С2 R = 98,7 (3)𝑁𝑁 = 12,1 + 0,74 × С1 + 0,25 × С2 − 0,17 × С1 × С2 R = 97,2 (4)0,00,51,01,52,02,53,03,50 2 4 6 8 10 12Концентрация сухих веществ, %масс.𝜏𝜏, мин120,00,51,01,52,02,53,03,54,00 2 4 6 8 10 12Концентрация сухих веществ, %масс.𝜏𝜏, мин120,00,51,01,52,02,53,03,50 2 4 6 8 10 12Концентрация сухих веществ, %масс.𝜏𝜏, мин13 2𝜏𝜏 = 210,87 + 60,01 × С1 − 18,07 × С2 R = 98,2 (1)−51,31 + 11,21 × С1 + 6,9 × С2 − 1,41 × С1 × С2 R = 95,6 (2)𝜏𝜏 = 149,4 + 59,55 × С1 − 17,85 × С2 R = 98,7 (3)= 12,1 + 0,74 × С1 + 0,25 × С2 − 0,17 × С1 × С2 R = 97,2 (4)4 6 8 10 12𝜏𝜏, мин124 6 8 10 12𝜏𝜏, мин14 6 8 10 1213 2R = 95,6 (2)где коэффициент С1 – безразмерное значение фактора –диаметр отверстий; С2 – безразмерное значениефактора – частота колебания вибрационной тарелки.Оценка адекватности полученного уравненияэкспериментальным данным проводилась по пара-метру R (коэффициент множественной регрессии),который показывает насколько точно уравненияописывают экспериментальные данные. Уравнениядля ягод голубики выглядят следующим образом:𝜏𝜏 = 210,87 + 60,01 × С1 − 18,07 × С2 R = 98,2 (1)𝑁𝑁 = −51,31 + 11,21 × С1 + 6,9 × С2 − 1,41 × С1 × С2 R = 95,6 (2)𝜏𝜏 = 149,4 + 59,55 × С1 − 17,85 × С2 R = 98,7 (3)𝑁𝑁 = 12,1 + 0,74 × С1 + 0,25 × С2 − 0,17 × С1 × С2 R = 97,2 (4)0,00,51,01,52,02,53,03,50 2 4 6 8 10 12Концентрация сухих веществ, %масс.𝜏𝜏, мин120,00,51,01,52,02,53,03,54,00 2 4 6 8 10 12𝜏𝜏, мин122,02,53,03,513 2R = 98,7 (3)𝜏𝜏 = 210,87 + 60,01 × С1 − 18,07 × С2 R = 98,2 (1)𝑁𝑁 = −51,31 + 11,21 × С1 + 6,9 × С2 − 1,41 × С1 × С2 R = 95,6 (2)𝜏𝜏 = 149,4 + 59,55 × С1 − 17,85 × С2 R = 98,7 (3)𝑁𝑁 = 12,1 + 0,74 × С1 + 0,25 × С2 − 0,17 × С1 × С2 R = 97,2 (4)0,00,51,01,52,02,53,03,50 24 6 8 10 12Концентрация сухих веществ, %масс.𝜏𝜏, мин120,00,51,01,52,02,53,03,54,00 2 4 6 8 10 12Концентрация сухих веществ, %масс.𝜏𝜏, мин122,02,53,03,5веществ, %масс.13 2𝜏𝜏 = 210,87 + 60,01 × С1 − 18,07 × С2 R = 98,2 (1)−51,31 + 11,21 × С1 + 6,9 × С2 − 1,41 × С1 × С2 R = 95,6 (2)𝜏𝜏 = 149,4 + 59,55 × С1 − 17,85 × С2 R = 98,7 (3)= 12,1 + 0,74 × С1 + 0,25 × С2 − 0,17 × С1 × С2 R = 97,2 (4)2 4 6 8 10 12𝜏𝜏, мин124 6 8 10 12𝜏𝜏, мин1213 2R = 97,2 (4)Полученные регрессионные уравнения (1)–(4),описывающие зависимость продолжительностипервой стадии – разрушение сырья, размораживаниес переходом сока в объем экстрагента, носятлинейный характер и учитывают совместноевлияние исследуемых факторов. Характер кривойдля первой стадии процесса – прямая. Однако награфиках, представленных на рисунках 2–4, этотхарактер не явно выражен, что можно объяснитьпогрешностями при определении содержаниясухих веществ в экстракте. При этом линия трендаимеет корректный вид. Анализ коэффициентов прифакторах позволяет утверждать, что увеличениедиаметра отверстий в вибрационной тарелкеприводит к росту продолжительности процесса,а увеличение частоты колебаний вибрационнойтарелки, напротив, снижает продолжительностьпервой стадии. Необходимо отметить, что значимоемежфакторное взаимодействие отсутствует.Сопоставимые по величине коэффициенты факторовговорят об одинаковой природе и силе их влияния напродолжительность процесса, т. е. вид сырья и егосвойства в этом вопросе не играют основную роль.Анализ регрессионных уравнений, описывающихзависимость затрат мощности от факторов диаметраотверстий и частоты колебаний вибрационной тарелки,позволяет утверждать следующее. Увеличениедиаметра отверстий и частоты колебаний ведетк росту затрачиваемой мощности, но появляетсямежфакторное взаимодействие, которое снижает этизатраты. Величина коэффициента при межфакторномвзаимодействии указывает на его весомость.Для нахождения оптимальных значенийпараметров, при которых продолжительностьпроцесса и затраты мощности будут минимальны,была проведена оптимизация, осуществленнаяс использованием метода Ньютона в системеMicrosoft Excel.В результате были определены значениячастоты колебаний вибрационной тарелки идиаметра отверстий перфорации для ягод клюквы:Т = 13,3 Гц, d = 3 мм и ягод голубики: Т = 11,7 Гц,d = 2,5мм. Полученные значения факторов былипроверены опытным путем. Его результат показал, чторасхождение между теоретическими и практическимизначениями продолжительности процесса и затратмощности не превышает 5 %. Различная величинафакторов для каждого вида ягод может быть объясненаразницей в структуре и свойствах замороженных ягод.Ягоды голубики в замороженном состоянии имеютменьшее значение предела прочности, чем ягодыклюквы, и разрушаются при меньших значенияхнагрузки. Значение конечной концентрации сухихвеществ в экстракте составило 3,2 и 3,4 %масс.для ягод клюквы и голубики соответственно.Рациональное время подачи теплоносителя в рубашкудля ягод клюквы составляет 2,5 мин, а для ягодыголубики 1,5 мин.855Плотникова Л. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 4 С. 849–858На рисунке 4 приведены зависимости выхода сухихводорастворимых веществ от продолжительностипроцесса экстрагирования при подаче теплоносителяв момент включения аппарата, после протеканияразрушения и после 2,5 мин работы аппарата дляягод клюквы.График, представленный на рисунке 4, позво-ляет утверждать, что недостатки, выявленныепредварительной серией экспериментов, исключаютсяновым способом подачи теплоносителя. Кривая 3 припрочих равных условиях имеет большее конечноезначение концентрации сухих водорастворимыхвеществ, чем кривая 1: 3,2 против 2,7 %масс.Данный результат объясняется усложнениемпроцесса разрушения ягод в аппарате при ихбыстром размораживании. Это замедляет процессэкстрагирования и за исследуемый промежутоквремени система не успевает выйти на равновеснуюконцентрацию, соответствующую выбранномусоотношению обрабатываемых фаз. Несмотря на то,что в опытах (2) и (3) конечное содержание целевогокомпонента совпадает и система достигает значенияравновесной концентрации, продолжительностьпроцесса кривой 3 меньше. Следовательно, меньшезатраты энергии на его проведение. Кроме того,кривая 3 не имеет ступенчатого участка, который явновыражен на кривой 2 в промежутке между четвертойи пятой минутами, и характеризуется минимальнымприростом концентрации сухих водорастворимыхвеществ. Это ведет к увеличению продолжительностипроцесса в целом. Кривая 3 имеет больший уголнаклона, чем кривые 1 и 2, что говорит о высокойскорости протекающего при этих параметрахпроцесса. До подачи теплоносителя резкий ростконцентрации экстракта объясняется интенсивнымизмельчением сырья, размораживанием сока и егопереходом в экстрагент. Подача теплоносителяпосле 2,5 мин от начала процесса способствуетсозданию в аппарате гидродинамических условий,близких к аппарату «идеального смешения». Онихарактеризуются гидромеханическим воздействием начастицы обрабатываемой твердой фазы, практическимгновенным выравниванием температурных иконцентрационных полей, что ведет к повышениюскорости протекающего процесса экстрагирования.Это обстоятельство подтверждается еще и тем, чток моменту окончания процесса, соответствующего9 мин, температура в аппарате совпадает стемпературой подаваемого теплоносителя – 55 °С.Таким образом, исследованный режим работыаппарата с вибрационной тарелкой, реализующийопределенные по уравнениям (1) и (2) оптимальныезначения основных параметров, позволяетдобиться максимальной скорости извлечениясухих водорастворимых веществ и достиженияих равновесной концентрации. Этот результатдостигается в результате организованного прохожде-ния всех этапов переработки замороженногоплодово-ягодного сырья, а именно первичноедробление замороженных ягод, сопровождающеесяразмораживанием кристаллов льда и выходом несвязанного сока, и последующее доизмельчение приповышенных температурах, также сопровождающеесявыходом из клеточной ткани сока и экстрагированиемкапиллярно-пористой структуры мякоти ягод.Кроме перечисленных положительных эф-фектов с точки зрения технологии полученияконцентрированных плодово-ягодных экстрактов,способ имеет ряд достоинств. Полученный экстрактимеет температуру 52–54 °С, что позволит упроститьтранспортировку и фильтрование, а также дальнейшееконцентрирование с применением вакуум-выпарныхустановок.Расчет экономической эффективности реали-зации рассматриваемого способа показал, чтодополнительные затраты, связанные с капитальнымивложениями на оборудование теплообменногоаппарата для нагрева теплоносителя, а такжеэксплуатационные затраты, связанные с нагревоми подачей теплоносителя, нивелируются повышениемвыхода сухих водорастворимых веществ исокращением продолжительности проведенияпроцесса.При переходе от периодического способаорганизации технологического потока к непрерывномуза счет использования каскада из аппаратов сРисунок 4. Зависимость выхода целевых компонентовот продолжительности процесса экстрагирования приподаче теплоносителя в момент включения аппарата (1),после протекания процесса разрушения (2)и после 2,5 мин работы аппарата (3) для ягод клюквыFigure 4. Effect of extraction time on the yield whenthe coolant was fed at the onset (1), after grinding (2),and at 2.5 min (3): cranberries𝜏𝜏 = 210,87 + 60,01 × С1 − 18,07 × С2 R = 98,2 (1)𝑁𝑁 = −51,31 + 11,21 × С1 + 6,9 × С2 − 1,41 × С1 × С2 R = 95,6 (2)𝜏𝜏 = 149,4 + 59,55 × С1 − 17,85 × С2 R = 98,7 (3)𝑁𝑁 = 12,1 + 0,74 × С1 + 0,25 × С2 − 0,17 × С1 × С2 R = 97,2 (4)0,00,51,01,52,02,53,03,50 2 4 6 8 10 12Концентрация сухих веществ, %масс.𝜏𝜏, мин13 2856Plotnikova L.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2021, vol. 51, no. 4, pp. 849–858вибрационной тарелкой используемый аппарат можетсохранять высокую температуру между цикламиразгрузки готового продукта и загрузки сырья. Этоприведет к размораживанию ягод на начальной стадиипроцесса и нарушит благоприятные условия для ихразрушения. Для исключения данного недостаткапредлагается удалять теплоноситель из рубашкиаппарата. Это позволит металлоконструкции аппаратаостыть до температуры окружающей среды за времяразгрузки экстракта и загрузки сырья.ВыводыК результатам работы можно отнести следующее:– проведено экспериментальное исследование способаинтенсификации процесса получения плодово-ягодных экстрактов из замороженного сырья;– определены факторы, влияющие на процессы,протекающие в аппарате;– с помощью серии экспериментов и примененияматематической обработки полученных данныхопределены оптимальные значений параметровпроцесса для рассматриваемого способа, результатыкоторых были подтверждены контрольной сериейэкспериментов.Данные результаты позволяют сделать следующиевыводы:– новый разработанный способ экстрагированиязамороженного плодово-ягодного сырья позволитповысить экономическую эффективность техноло-гического процесса производства натуральныхэкстрактов. Следовательно, снизится стоимостьготового продукта и увеличится доступность данногопродукта для потребителя;– полученные оптимальные значения параметровпроведения процесса в аппарате с вибрационнойтарелкой могут быть положены в основу проекти-рования аппаратов данного типа и служитьпрактическими рекомендациями для проведенияпроцесса экстрагирования в аппарате с вибрационнойтарелкой замороженного плодово-ягодного сырья.С целью снижения степени измельчения шротапосле подачи теплоносителя, а также сокращениярасхода мощности частота колебаний вибрационнойтарелки на второй стадии процесса может бытьснижена. Однако ее величина будет зависетьот скорости процесса экстрагирования и типасырья. Данный аспект подлежит дальнейшемуисследованию.Критерии авторстваП. П. Иванов – руководство работой в целом (20 %).Л. В. Плотникова – планирование эксперимента,разработка методики проведения эксперимента иобработка результатов, написание рукописи (30 %).И. Б. Плотников – проведение исследований (20 %).А. Г. Семенов – консультация по математическойобработке экспериментальных данных (10 %).И. О. Плотникова – консультация в ходе исследований(10 %). К. Б. Плотников – консультация в ходенаписания рукописи (10 %).Конфликт интересовАвторы заявляют об отсутствии конфликтаинтересов.