Наукові основи процесів охолодження плодової сировини при зберіганні та переробці

Abstract

UKR : Дисертація на здобуття ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.18.12 «Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв». Національний університет біоресурсів і природокористування України. Київ, 2026. Метою дисертації є наукове обґрунтування доцільності застосування алгоритму, що характеризує функціонально-технологічний та якісний стан плодів черешні та вишні, розроблення параметрів процесів повітряного конвективного, рідинного та комбінованого способів холодильної обробки за дії захисної композиції з органічних кислот, обґрунтування технології виробництва цукатів із свіжої та замороженої сировини шляхом формування необхідної експериментальної бази характеристик плодів черешні та вишні, математичного моделювання при використанні методів головних компонент, LASSO, глобальної та багатокритеріальної оптимізації, теорії розмірностей, факторних просторів; сенсорної, соціальної та техніко-економічної оцінки. На основі перетворення корельованих гідрометеорологічних змінних в ортогональні латентні фактори та подальшої регресійної інтерпретації, визначено найбільш значущі абіотичні детермінанти, що впливають на вміст функціонально технологічних параметрів плодів. Проведено сенсорну оцінку плодів, її найвищі значення (9,0) отримали сорти черешні Kazka, Vynka та Krupnoplіdna; серед вишні – Griot Мelitopolskyy і Modnytsia (8,7 бала). Встановлено закономірність підвищення якості комерційних ознак плодів черешні трьох термінів достигання та вишні зі зростанням строку достигання. Максимальна частка плодів І класу (до 93,0 % – сорт Anons) відмічена у плодів пізнього терміну достигання. Ідентифіковано сорти з мінімальним відсотком нестандартної продукції (Kazka, Tempʹ, Anons) і з максимальним виходом продукції І класу (Solіdarnіst’). Розроблено експериментальну оцінку параметрів процесів холодильної обробки та зберігання плодів черешні та виші. На першому етапі проведено оптимізацію концентрацій органічних кислот для обробки плодової сировини. Для плодів черешні сорту Valerіi Chkalov мінімальні середньодобові втрати маси (0,0642 %) досягнуто при концентраціях органічних кислот x1 = 2,161 % (молочна) та x2 = 1,705 % (оцтова). Для плодів вишні сорту Vstriecha оптимальне значення середньодобових втрат (0,106 %) забезпечено за дії органічної композиції МК: ОК у співвідношенні x1 = 2,217 % до x2 = 1,966 % відповідно. Запропонована технологічна схема процесів охолодження та зберігання плодів черешні та вишні, яка передбачає на першій стадії охолоджування плодів льодяною водою (1,0±0,5 °С) з додаванням молочної і оцтової кислот протягом 10±2 хв до температури всередині плоду 4±1 °С, на другій стадії – доохолодження плодів у камерах інтенсивного охолодження холодним повітрям із швидкістю руху 3,0 м/с (кратність повітрообміну 90 об’ємів за годину) протягом 30±2 хв до температури 2±0,5 °С. Тeмпература у камерах інтенсивного охолодження становила 0±1 °С. Відносна вологість повітря була 90±1 %. Загальна тривалість попереднього охолодження плодів комбінованим способом до температури 2±0,5 °С – 40±2 хв. На основі експериментальних досліджень основних параметрів процесів низько температурної обробки плодів черешні та вишні отримано критеріальні рівняння. Застосування критеріїв Рейнольдса, Фур’є, Нуссельта та відповідної розрахункової програми дозволило сформувати рекомендований ряд параметрів робочого режиму для процесів повільного, інтенсивного, гідродинамічного та комбінованого охолодження; забезпечити ефективний перебіг конвективного теплообміну за контрольованої зміни досліджуваних характеристик. Проаналізовано параметри якості плодової продукції за використання моделювання методом «плоского факторного поля» за допомогою критеріїв: коефіцієнт зростання kяз та спадання якості, коефіцієнт відповідності нормативам якості kвн, питомі коефіцієнти зростання φяз та спадання якості φяс. Проведено ефективний порівняльний аналіз основних характеристик плодів з нормативними, спрогнозовано зміну якісних характеристик у процесі зберігання та перспективність досліджуваних сортів черешні та вишні. Досліджено технологічні аспекти процесу виробництва цукатів з плодів черешні та вишні. Для подальшого виробництва цукатів зі свіжих плодів у виробничих умовах рекомендовано проведення чотирьох стадійної осмотичної дегідратації з поступовим підвищенням концентрації цукрового сиропу від 40 до 60 %. Дослідження багатостадійної дегідратації заморожених плодів при виробництві цукатів з поступовим підвищенням концентрації осмотичного агента (цукрового сиропу) показало, що максимальну сумарну сенсорну оцінку отримали зразки цукатів, дегідратовані у дві стадії: перша 50 %, друга – 60 % розчинами цукрового сиропу. Соціально-економічний ефект від збільшення виходу стандартної продукції високої якості при зберіганні плодів черешні та вишні комбінованим способом у розрахунку на 1 т становив 2918,2 грн та 2275,66 грн відповідно за культурами. Впровадження у виробництво інноваційного продукту – цукатів, є достатньо ефективним та високорентабельним для підприємства. Прибуток від продажу 1 т цукатів зі свіжих плодів черешні та вишні становить 133,9–171,16 тис. грн відповідно; прибуток від продажу 1 т цукатів із заморожених плодів черешні – 111,26 тис. грн; вишні – 148,5 тис. грн. Виробництво інноваційного продукту із замороженої сировини також надасть можливість підприємству виробляти продукцію незалежно від сезонності. ENG : The dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences in the specialty 05.18.12 «Processes and Equipment of Food, Microbiological and Pharmaceutical Production». National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine. Kyiv, 2026. The objective of the dissertation is to provide scientific justification for the feasibility of applying an algorithm that characterises the functional, technological and qualitative state of sour cherries and sweet cherries, to develop parameters for air convective, liquid and combined refrigeration processes using a protective composition of organic acids, justification of the technology for producing candied fruits from fresh and frozen raw materials by forming the necessary experimental base of characteristics of sour cherries and sweet cherries, mathematical modelling using principal component analysis, LASSO, the global and multi-criteria optimisation, the dimension theory, and factor spaces; sensory, social and technical-economic assessment. The most significant abiotic determinants affecting the content of functional and technological parameters of fruits were determined on the basis of the transformation of correlated hydrometeorological variables into orthogonal latent factors and subsequent regression interpretation. A sensory evaluation of the fruit was conducted, with the highest scores (9,0) awarded to the «Kazka», «Vynka» and «Krupnoplіdna» varieties of sweet cherry; among sour cherries, «Griot Melitopolskyi» and «Modnytsia» received 8,7 points. A pattern has been established whereby the commercial characteristics of sour cherries of three ripening periods and sweet cherries improve as the ripening period increases. The maximum proportion of Class I fruit (up to 93,0 % for the «Anons» variety) was observed in late-ripening fruit. Varieties with the lowest percentage of non-standard products («Kazka», «Temp», «Anons») and the highest yield of Class I products («Solidarnіst») were identified. An experimental assessment of the parameters of refrigeration treatment and storage processes for sour cherries and sweet cherries has been developed. At the first stage, the concentrations of organic acids for processing fruit raw materials were optimised. The optimal conditions for hydrocooling using protective compositions based on lactic and acetic acids have been established to extend the shelf life of sour cherries and sweet cherries. For the fruits of the «Valerii Chkalov» sweet cherry variety, the minimum average daily weight loss (0,0642 %) was achieved at organic acid concentrations of x1 = 2,161 % (lactic) and x2 = 1,705 % (acetic). For «Vstrecha» sour cherry fruits, the optimal average daily loss (0,106 %) was achieved with the effect of the organic composition MC: OC in a ratio of x1 = 2,217 % to x2 = 1,966 %, respectively. A technological scheme for the cooling and storage of sour cherries and sweet cherries has been suggested, which involves, in the first stage, cooling the fruit with ice water (1,0±0,5 °C) with the addition of lactic and acetic acids for 10±2 minutes to a temperature inside the fruit of 4±1 °C, in the second stage – further cooling of the fruit in intensive cooling chambers with cold air at a speed of 3,0 m/s (air exchange rate of 90 volumes per hour) for 30±2 minutes to a temperature of 2±0,5 °C. The temperature in the intensive cooling chambers was 0±1 °C. The relative humidity was 90±1 %. The total duration of preliminary cooling of the fruit using a combined method to a temperature of 2±0,5 °C was 40±2 minutes. On the basis of experimental studies of the main parameters of low-temperature processing of sour cherries and sweet cherries, criterion equations were obtained. The application of the Reynolds, Fourier, and Nusselt criteria in conjunction with the corresponding computational program made it possible to form a recommended range of operating mode parameters for slow, intensive, hydrodynamic, and combined cooling processes and to ensure effective convective heat exchange with controlled changes in the studied characteristics. The quality parameters of fruit products were analysed using the «flat factor field» modelling method with the following criteria: the coefficient of quality increase (kgq) and decline in quality, the compliance coefficient with quality standards (kcqs), and the specific coefficients of quality increase (φgq) and quality decrease (φdq). An effective comparative analysis of the main characteristics of fruits with standards was carried out, and changes in quality characteristics during storage and the prospects for the studied varieties of sour cherry and sweet cherry were predicted. The technological aspects of the production process of candied fruits from sour cherries and sweet cherries have been studied. For further production of candied fruits from fresh fruits in industrial conditions, it is recommended to carry out a 4-stage osmotic dehydration with a gradual increase in the concentration of sugar syrup from 40 to 60 %. A study of multi-stage dehydration of frozen fruits in the production of candied fruits with a gradual increase in the concentration of the osmotic agent (sugar syrup) showed that the maximum total sensory evaluation was obtained for samples of candied fruits dehydrated in two stages: the first with a 50 % solution, the second with a 60 % solution of sugar syrup. The socio-economic effect of increasing the yield of standard high-quality products when storing sour cherries and sweet cherries using a combined method was 2918,2 UAH and 2275,66 UAH/ton, respectively, for each crop. The introduction of an innovative product – candied fruits – into production is quite effective and highly profitable for the enterprise. The profit from the sale of 1 ton of candied fresh sour cherries and sweet cherries is 133,9–171,16 thousand UAH, respectively; the profit from the sale of 1 ton of candied frozen sour cherries is 111,26 thousand UAH; sweet cherries – 148,5 thousand UAH. The production of an innovative product from frozen raw materials will also enable the company to manufacture products regardless of seasonality.