Введение. 
Физико-химическое моделирование процесса сушки овощей и фруктов

В работе предложена физико-химическая модель механизма сушки (дегидратации) овощей и фруктов. Растительную ткань представили системой параллельных капилляров и мембран, диффузионное сопротивление которых соотнесли с гидрофильной долей химического состава ткани, формализовав процесс сушки с помощью закона Фика. Используя экспоненциальные и линейные аппроксимации экспериментальных кривых, определили константы скорости и энергию активации процесса сушки фруктов (яблоко, груша, виноград, абрикос), овощей (морковь, томат, перец, чеснок, лук, горох, шпинат, тыква) и шампиньона. В рамках предложенной модели удовлетворительно объяснили зависимость кинетических параметров процесса сушки от химического состава растительной ткани, толщины высушиваемых образцов и внешних условий (температура, давление, скорость обдува и влажность воздуха). Установленные физико-химические механизмы сушки растительных пищевых продуктов можно использовать при разработке промышленных технологий их консервирования, в том числе с применением энергии ветра и солнца.

Исследование любых закономерных явлений в природе должно иметь в своей основе адекватную физико-химическую модель и соответствующий ей математический аппарат. При моделировании физических механизмов реальных процессов, прежде всего, необходимо выявить в их кинетике этапы с доминирующими механизмами, отнеся эффекты возможных сопутствующих механизмов к возмущениям, величина которых определит диапазон систематической ошибки измерения характеристик процесса. Установив, таким образом, доминантные параметры процесса, можно методом аппроксимаций найти наиболее подходящую математическую форму описания их взаимосвязи, которая с необходимостью должна выражать тот или иной закон физики. Данный подход был успешно применен при изучении аномальной кинетики фотосинтеза в районе падения Тунгусского метеорита [4], термодинамических свойств воды [3] и нормальной физиологии зубов [5].

Отметим, что в настоящее время в прикладных областях науки, начиная от производства пищевых продуктов и медицины, кончая физикой высоких энергий, математическая интерпретация экспериментальных результатов превращается в самоцель, за рамками которой, как правило, остается физический смысл самого явления [3,4]. Широкое внедрение получили теория вероятностей и статистика, а также метод многопараметровых и полифункциональных аппроксимаций [8−11]. При этом, очевидно, чем выше «безукоризненность» математической формализации процесса или явления, тем меньше она дает информации о физическом механизме процесса. Примерами такого математического моделирования могут служить синтетические функции, идеально аппроксимирующие зависимость поверхностного натяжения воды от температуры:

у = 235,5 (?Т/Т_с)^1,256[1 — 0,625(?Т/Т_с)] [3].

или зависимость относительной влажности (Х) яблока от времени:

X = 0,9779exp (-0,2967t-^1,0338) — 2,2 10-⁵ t [11].

В настоящей работе физико-химическое моделирование применили к изучению механизма процесса сушки (дегидратации) различных фруктов и овощей, которая широко используется для консервации растительных продуктов питания. При этом за ключевую характеристику процесса сушки приняли эффективную энергию активации реакции дегидратации растительных тканей. Предположили, что кинетику процесса сушки пищевых продуктов лимитируют кинетические параметры реакции отрыва молекулы воды от субстрата и ее диффузии от центра к периферии с последующим испарением с поверхности продукта. К кинетическим параметрам отнесли константу скорости и эффективную энергию активации реакции дегидратации растительной ткани. Значения данных величин определяли путем аппроксимации экспериментальных кинетических кривых функциями, адекватными физическим законам.

С целью обоснования физико-химической модели процесса сушки в работе изучили закономерности изменения константы скорости и энергии активации процесса сушки в зависимости от химического состава растительного продукта, размера образца и внешних условий (обдув, давление, температура).