Основы низкотемпературных технологий

Замораживание – процесс отвода теплоты от продукта с понижением температуры в толще значительно  ниже криоскопической. При замораживании пищевых продуктов тканевая жидкость, содержащаяся в продукте, превращается в лед. Замораживание продуктов обеспечивает стойкость продуктов при длительном хранении.

Домораживание – понижение температуры  продукта до заданного уровня при  отводе теплоты от частично замороженного продукта.

Отепление – подвод теплоты к  охлажденному продукту с повышением его температуры до температуры окружающей среды или несколько ниже.

Размораживание – подвод теплоты  к продукту с целью декристаллизации содержащегося в них льда. При размораживании температура продукта повышается до 0^оС, при этом кристаллы льда плавятся, и ткани поглощают влагу.

Отепление и размораживание выполняют  перед реализацией, кулинарной или  промышленной переработкой. Цель этих операций – доведение продуктов до состояния, близкого к исходному.

Холодильное хранение – это хранение продуктов в охлажденном подмороженном и замороженном состоянии при заданном режиме в камерах хранения. Основная задача холодильного хранения – торможение всех изменений, которые могут произойти в продуктах, с минимальными потерями их массы и питательной ценности.

Под режимом холодильной обработки  и холодильного хранения понимают совокупность условий, влияющих на качество и потери пищевых продуктов: вид и состав охлаждающей среды, температура и скорость движения среды, относительная влажность (для воздуха), продолжительность процесса. Задавая режим, указывают также вид упаковки и способ укладки продукта.

4 Охлаждающие среды,  их свойства и параметры

Охлаждающей называется среда, соприкасаясь с которой продукт отдает теплоту. Охлаждающие среды, в которых осуществляются процессы холодильной обработки и хранения, могут быть газообразными, жидкими и твердыми. Иногда процессы холодильной обработки и краткосрочного холодильного хранения осуществляются в неоднородных средах.

К охлаждающим средам предъявляется  ряд требований: они не должны снижать  товарного вида продуктов, не иметь  запаха, быть нетоксичными, не оказывать  химического воздействия на продукты и оборудование.

Газообразные охлаждающие среды. Наибольшее распространение получила воздушная среда (атмосферный воздух). Атмосферный воздух – это газовая смесь сухого воздуха и водяных паров. В состав сухой части атмосферного воздуха входят азот (78%), кислород (21%), углекислый газ (0,02÷0,03%), а также аргон, неон, гелий, водород и др. Количество водяного пара в 1м³ воздуха может колебаться от долей грамма до нескольких граммов и зависит от температуры. Водяной пар в 1,6 раз легче воздуха, его плотность по отношению к плотности воздуха при 0^оС составляет 0,622. Смесь сухого воздуха с водяными парами называется еще влажным воздухом. В качестве охлаждающей среды может использоваться как чистый атмосферный воздух, так и регулируемая газовая среда (РГС) – смесь воздуха с углекислым газом (содержание СО₂ составляет 6÷10%), сернистым газом SО₂ и пр.

Жидкие охлаждающие  среды обладают большей теплопроводностью и теплоемкостью, чем газообразные, поэтому их применение существенно сокращает продолжительность холодильной обработки продуктов. Наиболее распространенная жидкая охлаждающая среда, используемая для охлаждения продуктов до температуры, близкой к 0 ^оС, – вода. Охлаждение продуктов в жидкой холодной среде производится методами погружения и орошения. При непосредственном контакте с продуктом вода должна быть чистая, безупречная с санитарной точки зрения. Чистая вода не может быть использована для понижения температуры продукта ниже 0 ^оС, т.к. при такой температуре она превращается в лед. Вода с температурой, близкой к 0 ^оС, называется «ледяная». Ее получают, смешивая с большим количеством водного льда, а чаще – в испарителях холодильных машин и установок. Используют также слабые солевые растворы. Добавление соли к воде позволяет понизить температуру ее замерзания. Чаще всего применяют 2÷4% раствор поваренной соли в пресной воде. Широкое применение в качестве охлаждающей среды на рыболовецких судах получила морская вода. В 1л морской воды растворено примерно 35 г солей, из которых 27,2 г NaCl и 3,8 г MgCl₂. Для замораживания продуктов применяют водные растворы солей высокой концентрации (рассолы). Наиболее часто применяют растворы хлорида натрия NaCl (ξ=23,1%) и хлорида кальция СaCl₂ (ξ=29,9%). Раствор NaCl – дешев, нетоксичен, обладает высокой теплопроводностью и низкой вязкостью, позволяет понизить температуру продуктов до минус 20^оС, однако обладает высокой коррозионной активностью, при непосредственном контакте с продуктами частично их просаливает. Раствор СaCl₂ в сравнении с раствором NaCl обладает меньшей коррозионной активностью, более низкой температурой замерзания (минус 55 ^оС), однако более дорогой и токсичный, имеет более низкую теплоемкость и более высокую динамическую вязкость. Меньшей токсичностью и коррозионной активностью обладают гликоли – водные растворы жидкостей, имеющих низкую температуру замерзания. Наиболее широкое применение находят этиленгликоль и пропиленгликоль. Однако такие среды, по сравнению с рассолами, более дорогие, более вязкие и менее теплопроводные. Применяются также и жидкие криогенные среды, наиболее часто – жидкий азот. Это среды, имеющие очень низкую температуру нормального кипения. При атмосферном давлении он кипит при температуре минус 195,6 ^оС. В такой среде методом орошения или погружения можно заморозить продукт за несколько секунд.

Твердые охлаждающие среды обычно применяют в системах безмашинного охлаждения для понижения температуры воздуха в камерах холодильной обработки и хранения, а также при транспортировке продуктов.  Водный лед получают из пресной воды путем замораживания в зимний период года за счет низких температур наружного воздуха (естественный водный лед) либо в специальных аппаратах – льдогенераторах – независимо от времени года (искусственный водный лед). Добавлением соли к замораживаемой воде можно получить «рассольный лед», а при смешении водного льда с солью – льдосоляную смесь. Такие среды имеют температуру плавления ниже 0 ^оС, зависящую от вида и концентрации соли, и широко используются для замораживания продуктов. Сухой лед  (твердый диоксид углерода) свое название получил из-за того, что при атмосферном давлении из твердого состояния переходит в газообразное, минуя жидкую фазу, т.е. сублимирует. Температура сублимации при атмосферном давлении минус 78,5 ^оС. Такая среда является дорогостоящей, однако низкая температура сублимации и отсутствие необходимости в канализационных коммуникациях обусловливает ее преимущество при использовании в системах безмашинного охлаждения.

5 Охлаждение  пищевых продуктов

5.1 Влияние  охлаждения на изменения, происходящие  в продуктах животного происхождения

После прекращения жизни  животного в мясе происходит комплекс изменений, вызываемых действием ферментов. Изменения претерпевают практически все компоненты мышечной, жировой, соединительной тканей. Эти изменения принято называть автолитическими или просто «автолизом» (в переводе с греческого – самораспад, саморастворение). Особенно изменяются состав и свойства мышечной ткани. Сразу после убоя мускулы животного находятся в расслабленном состоянии, они мягкие и гибкие. Такое мясо обладает высокой влагосвязывающей способностью, имеет нежную консистенцию после тепловой обработки, но не имеет выраженного вкуса и аромата. Такое мясо называют «парное». Его можно использовать для приготовления сосисок, колбас и пр. В последующих изменениях в мясе условно выделяют две фазы: посмертное окоченение и созревание. Посмертное окоченение (затвердевание мышц) наступает через 4÷6 часов после убоя и вызвано сокращением мышечных волокон. В основе этого процесса лежит быстрый распад аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Характерное для окоченения изменение растяжимости мышечного волокна начинается в тот момент, когда содержание АТФ снижается до некоторого уровня. Для крупного рогатого скота этот уровень составляет примерно 15% от первоначального содержания АТФ. Сокращение мышц вызвано ассоциацией (объединением) основных мышечных белков. В зависимости от вида мяса, его состояния (возраста, упитанности) и температуры хранения продолжительность каждой фазы посмертных изменений различна. Для стадии окоченения она составляет 1÷2 суток. Спустя этот промежуток времени окоченение мышечной ткани сменяется ее расслаблением, при котором происходит почти полное восстановление микроскопической структуры волокон. Происходящие на этой стадии развития изменения благоприятно сказываются на качестве продукта. Происходящие при расслаблении изменения уменьшают упругость ткани, способствуют ее размягчению, увеличивают влагоудерживающую способность. Такое мясо после кулинарной обработки становится нежным и сочным. Развитие посмертных процессов создает благоприятные условия для протеолиза – ферментативного распада белков мышечной ткани. Протеолитические процессы способствуют освобождению из белков аминокислот и других веществ. Продукты распада белков более доступны действию ферментов желудочно-кишечного тракта, они легче перевариваются и легче усваиваются. Накопление свободных аминокислот повышает биологическую ценность мяса. Помимо аминокислот в мышечной ткани накапливаются азотистые экстрактивные вещества, органические кислоты (молочная, пировиноградная), в том числе летучие жирные кислоты (муравьиная, уксусная, масляная) и другие вещества, участвующие в образовании вкуса и аромата мяса. Процессы постепенного размягчения мышечной ткани и приобретения мясом биологической полноценности, наилучших вкусовых и ароматических качеств называют созреванием. На срок созревания оказывает влияние температурный режим (таблица 5).

Таблица 5 – Влияние  температуры на продолжительность созревания мяса

Т.о., послеубойные изменения в мясе используются для повышения его пищевой ценности, а охлаждение мяса является приемом торможения автолитических реакций.

После убоя животного в результате процессов, обусловленных расщеплением веществ, входящих в состав мышечной ткани, освобождается энергия. К этому времени терморегуляция в теле животного, осуществляемая через кожный покров и дыхательный аппарат, нарушена. В результате энергия, которая при жизни животного использовалась для различных синтетических реакций, переходит в теплоту, что приводит к повышению температуры мышечной ткани. Так, в первый час после убоя при адиабатических условиях (без подвода и отвода теплоты) температура мяса может повыситься на 3÷7^оС. Повышение температуры способствует сокращению сроков созревания мяса, однако при высокой температуре на влажной поверхности создаются условия, благоприятные для жизнедеятельности микроорганизмов. Микроорганизмы в результате своего развития вырабатывают ферменты, под действием которых и ферментов самого мяса происходит распад белков, жиров и углеводов, накапливаются продукты распада: аммиак, сероводород и др. Многие из этих продуктов имеют неприятный запах, изменяют цвет мяса. Эти явления называют загаром. Признаки загара проявляются в первую очередь в мышцах, наиболее удаленных от поверхности. Возможно и плесневение мяса, вызываемое плесневыми грибами и проявляющееся в виде поверхностных налетов разного цвета и оттенков. Плесень не является препятствием для употребления мяса в пищу после соответствующей обработки, т.к. поражает только поверхностные слои. При более глубоком проникновении пораженные части срезают. Плохое обескровливание, загрязнение содержимым желудочно-кишечного тракта, хранение в теплой и влажной среде являются благоприятными условиями для развития гнилостных микроорганизмов. Попадая на поверхность мяса, они проникают в глубинные слои по соединительным волокнам и в результате своего  развития вырабатывают ферменты, под действием которых происходит распад белков с выделением ядовитых, дурнопахнущих продуктов – аммиака, сероводорода, фенола, углекислоты, летучих жирных кислот и др. Мясо приобретает темный цвет с зеленоватым оттенком, ослизняется, запах становится гнилостным и затхлым, консистенция – рыхлой, жир приобретает матовый оттенок и мажущую консистенцию. Такое явление называют гниением мяса. Такое мясо опасно употреблять в пищу, особенно на ранней стадии гниения, т.к. в этот период из аминокислот, образовавшихся в результате распада белков, образуются наиболее ядовитые амины.

Учитывая все эти явления, в целях снижения активности микроорганизмов, скорости реакций распада и увеличения сроков хранения мясо животных из цеха убоя и разделки туш сразу же направляют на холодильную обработку.

Аналогичные изменения  происходят и в рыбе. Изменение физического состояния проявляются в том, что в начале процесса на поверхности рыбы появляется заметный слой слизи, затем мышцы становятся жесткими, и рыба переходит в состояние посмертного окоченения. Посмертное окоченение является признаком доброкачественности свежей рыбы: чем позже оно наступает и дольше длится, тем благоприятнее это сказывается на качестве рыбы и сроках ее хранения. Одновременно изменяется и химический состав рыбы: из белков, жиров, углеводов и др. органических соединений образуются промежуточные продукты распада. Автолитические процессы в дальнейшем ведут к глубоким структурным изменениям тканей, внешне выражающимся размягчением. Автолиз нельзя считать порчей, однако рыба наиболее ценна как продукт до наступления автолиза.

5.2 Влияние охлаждения на изменения, происходящие в продуктах растительного происхождения

Плоды и овощи –  продукты растительного происхождения, отличающиеся большим содержанием  влаги (75÷95%). Они делятся на три  группы:

• плоды (семечковые и косточковые), плодовые овощи, ягоды;
• корнеплоды, клубни, луковицы и кочаны;
• листовые овощи.

В отличие от многих пищевых  продуктов свежие плоды и овощи  являются живыми организмами. Они обладают способностью дышать. При дыхании  организма происходит потребление  им кислорода, который используется для расщепления органических веществ, поступающих с продуктами питания, с выделением энергии, необходимой для жизнедеятельности организма. Конечными продуктами дыхания являются углекислый газ и вода. Жизнедеятельность плода состоит из последовательных стадий развития: роста, созревания, старения и смерти. Человек употребляет в пищу плоды в зрелом виде, когда они имеют наилучшие питательные и вкусовые свойства. Различают две стадии зрелости: съемную и физиологическую (потребительскую). Съемная степень зрелости определяет пригодность плодов для транспортировки на дальние расстояния и закладки на хранение, потребительская – для использования. Сбор груш, яблок, персиков, помидоров и др. проводят в стадии съемной степени зрелости. У некоторых плодов (виноград, вишня, арбуз, цитрусовые и пр.) обе степени зрелости совпадают. После сбора урожая в плодах и овощах продолжается физиологические, биохимические и микробиологические процессы, основным из которых является процесс дыхания. Теплота, выделившаяся при окислении или расщеплении органических веществ, накопленных в мякоти, частично расходуется на дозревание плодов и овощей, обусловленное формированием семян и частично выделяется в виде свободного тепла. Интенсивность дыхания, а, следовательно, и скорость созревания, зависят от температуры. При  понижении температуры интенсивность дыхания понижается, процессы созревания и старения замедляются, следовательно, увеличивается срок хранения плодов и овощей.