Принципы обезвоживания и методы сушки материалов различны. По энергетическому признаку можно выделить два основных принципа обезво­живания:

• удаление воды из материала без изменения ее агрегатного состояния, т. е. в виде жидкости;
• удаление воды с изменением ее агрегатного состояния, т.е. при фазо­вом превращении жидкости (льда) в пар.

Первый принцип обезвоживания может быть осуществлен механиче­ским методом (прессование, центрифугирование, фильтрация) или при кон­такте влажного материала с веществами, имеющими более низкий потен­циал переноса (контактный массообмен).

Затраты энергии при этом методе меньше, чем при сушке с фазовым пе­реходом жидкости. В мясной промышленности таким способом обезвожива­ют шквару, коагулируют кровь, сушат шкуры и т. д.

Второй принцип сушки связан с затратой теплоты на фазовое превра­щение воды. В большинстве случаев теплота сообщается материалу извне известными способами — кондукцией, конвекцией, радиацией и т. д. Такая сушка называется тепловой и требует существенных затрат энергии.

Применение отдельных принципов обезвоживания и методов сушки обусловлено энергией связи с материалом. Очевидно, если агрегатное со­стояние воды не изменяется, то может удаляться только вода, менее прочно связанная с материалом. При этом методе энергия затрачивается в основном на преодоление гидравлического сопротивления тела. При изменении агре­гатного состояния воды скорость сушки в большей мере зависит от прочно­сти связи воды с материалом. В этом случае энергия затрачивается как на преодоление силы этой связи, так и на теплоту парообразования.

В мясном сырье влага удерживается за счет различных видов связи при­близительно в таком соотношении: химически связанная и адсорбционная — около 23; вода микрокапилляров — около 7; осмотическая вода и вода макрокапилляров — около 70.

В процессе сушки из мяса в первую очередь удаляется свободная вода (вода макрокапилляров), а затем — микрокапилляров, осмотическая и ад­сорбционная.

Мясное сырье относится к капиллярно-пористым телам, в которых при сушке наблюдают все виды перемещения воды, обусловленные действием диффузионно-осмотических и капиллярных сил.

При наличии разницы температур (температурного градиента) вода будет перемещаться за счет термодиффузии. Жидкость в капилляре из-за снижения поверхностного натяжения при нагреве будет перемещаться от участка более нагретого к холодному (движение жидкости за счет разницы температур на­зывается термовлагопроводностью).

При низких температурах сушки (холодное копчение, сушка колбас и др.) температурный градиент невелик, поэтому термовлагопроводность поч­ти не оказывает влияния, а передвижение воды происходит за счет градиен­та влажности.

Обезвоживание продукта с фазовым переходом жидкости состоит из трех элементов массопереноса: парообразование на поверхности материала или глубине его; переноса образовавшихся паров во внешнюю среду через пограничный слой (внешней диффузии); переноса влаги внутри материала к его поверхности (внутренней диффузии). При этом, если парообразование происходит на поверхности, влага внутри материала перемещается в виде жидкости, а если в глубине, то от поверхности испарения к поверхности ма­териала в виде пара.

Следовательно, ход сушки зависит от скорости фазового превращения влаги, от механизма и скорости перемещения влаги внутри материала и от скорости его перехода в окружающую среду через пограничный слой. Таким образом, он обусловлен тепло- и влагообменом внутри материала и вне его — в пограничном слое. В совокупности эти процессы определяют:

• длительность сушки;
• изменение первоначального объема (усадка):
• изменение потребительских свойств.

Анализ факторов, влияющих на процессы сушки сырого колбасного фарша, представлен в главе 17.

Взаимодействие влажного материала с окружающим воздухом может происходить в двух направлениях:

если парциальное давление пара у поверхности материала Р_м больше, чем парциальное давление пара в воздухе Р_п (Р_м > Р_п), то будет происходить процесс испарения (десорбция);

если Р_м < Р_п , то материал бу­дет увлажняться за счет поглоще­ния пара из окружающего воздуха.

Сушка считается законченной, когда наступает динамическое рав­новесие и Р_м = Р_п, влажность мате­риала, соответствующая этому пе­риоду, называется равновесной влажностью W_p. Наглядно предста­вить кинетику процесса сушки и скорость его протекания позволяют кривые сушки (рис. 12.1).

Анализ типичной кривой сушки показывает, что в начале процесса, т.е. в период подогрева продукта, линия сушки имеет характер кривой (участок АВ), затем влажность изме­няется по прямой линии и процесс характеризуется постоянной скоростью сушки (первый период). При этом происходит удаление свободной воды и давление пара над продуктом равно давлению пара чистой жидкости, испа­ряющейся в тех же условиях.

Количество воды поступающей из внутренних слоев полностью преобра­зуется в пар и удаляется с поверхности материала. Период постоянной ско­рости сушки длится до достижения критической влажности W_K. После этого начинается второй период — период падающей скорости сушки. Линия суш­ки на этом участке представляет собой кривую. Форма кривой зависит от ха­рактера связи влаги с материалом, структурно-механических характеристик его, т.е. от условий перемещения влаги внутри продукта. Заканчивается кри­вая сушки при достижении равновесной влажности продукта W_p.

Периоды постоянной и падающей скорости сушки принципиально разли­чаются. Период постоянной скорости сушки связан с процессом внешней диф­фузии, т.е. испарения влаги с поверхности продукта. Эффективность сушки в этот период зависит от количества теплоты, подведенной к продукту, и влаж­ности воздуха и практически не зависит от скорости внутренней диффузии.

Период падающей скорости сушки более сложен, так как во время его протекания интенсивность сушки предопределяется внутренней диффузией связанной в продукте воды. Существенное влияние в этот период на интен­сивность сушки оказывают свойства, состав, размеры и форма продукта.

Внешним проявлением воздействия сушки является изменение массы продукта. Зная его массу до сушки и начальную влажность, можно по изме­нению массы определить содержание воды в продукте в любой момент суш­ки по формуле:

Физико-химические изменения при сушке. При нагревании продукта в процессе сушки до определенной температуры происходит тепловая денату­рация белков. Это сопровождается разрывом связей между структурными элементами, происходит развертывание полипептидных цепей с концентра­цией неполярных радикалов на поверхности молекул, что снижает их гидрофильность.

Благодаря изменению макроструктуры белки частично или полностью утрачивают способность к набуханию. Денатурация белков мышечной ткани начинается при 45-50 °С, однако при уменьшении содержания воды денату­рация белков происходит при более высокой температуре. Денатурация бел­ков вследствие перегрева (например, крови, сыворотки, меланжа) отрица­тельно влияет на способность продукта восстанавливаться при обводнении.

Тепловая денатурация коллагена сопровождается свариванием коллаге­на, ослаблением его прочности и повышением способности расщепляться протеолитическими ферментами.

В целом денатурационные изменения тканевых белков мяса вызывают уплотнение мышечных тканей и уменьшение объема продукта с отделением значительного количества тканевой жидкости. Сваривание коллагена в ма­териалах, где он является преобладающим структурным элементом (шкура, кишки), отрицательно сказывается на их качестве.

При нагревании до температуры денатурации белков происходит необратимая инактивация ферментов. Это вызывает потерю физиологиче­ской активности эндокринно-ферментного сырья или препаратов.

В процессе сушки может происходить оплавление жира, а также его окисление в результате интенсивного воздухообмена, особенно при высоких температурах.

При тепловой обработке мясного сырья разрушаются витамины, причем глубина этого процесса зависит главным образом от температуры, при кото­рой осуществляется тепловая обработка, и продолжительности последней. Особенно быстро разрушаются водорастворимые витамины, в том числе ви­тамин С.

Неравномерное распределение влаги после сушки сопровождается образо­ванием уплотненного поверхностного слоя у сырых изделий и короблением шкур.

Для снижения нежелательных изменений, возможных при сушке, для каждого вида изделий подбирают соответствующие наиболее благоприятные способы и режимы сушки. Во всех случаях режим сушки должен быть со­гласован с требованиями к качеству продукции.

Консервирующий эффект сушки. Сушка при высоких температурах приводит к гибели более 99 % микроорганизмов сырья. Выживают только споры некоторых видов микроорганизмов. Отмирание клеток при нагревании наступает вследствие необратимых изменений в протоплазме: инактивации ферментов, денатурации белков. Большинство вегетативных клеток погибает уже при 60-70 °С в течение 15-30 мин, а при 100 °С — в течение нескольких секунд. Дрожжи и плесени также не переносят температуру выше 50-60 °С.

Губительно действует на микроорганизмы обезвоживание субстрата и клеток микроорганизмов. Устойчивы к высушиванию сапрофиты и особен­но споры бактерий и плесневых грибов.

Биохимические и микробиологические процессы при холодной сушке сырых изделий представлены соответственно в разделе «Ферментированные колбасы».