Основы низкотемпературных технологий

       t_нач – начальная температура продукта, ^оС;

       t_кон – конечная температура продукта, ^оС;

        t_ср – температура охлаждающей среды, ^оС.

Довольно простое математическое выражение для определения продолжительности процесса охлаждения пищевых продуктов различной стереометрической формы, предложено А. Фикиином:

,  (5)

где А_ф – эмпирический множитель, зависящий от формы продукта, (А_ф=1 для продуктов в форме пластины, А_ф = 0,5 для продуктов в форме цилиндра, А_ф = 0,33 для продуктов в форме шара);

d_пр – характерный размер продукта (толщина пластины или диаметр шара, цилиндра), м;

a_пр – коэффициент температуропроводности продукта, м²/с;

Bi – критерий Био.

Число Био находится по формуле:

Bi=a_п× d_пр / (2×l_пр),     (6)

где  l_пр – коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(м×К);

        a_п  – коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта, Вт/(м²×К)

Коэффициент теплоотдачи a_п, Вт/(м^2.К) при конвективном охлаждении воздухом можно определить по формуле Юргеса:

 a_п = a_к = ( 5,3+3,6× v_в )×1,163,    (7)

где  v_в– скорость движения воздуха, м/с.

 

5.13.2 Определение количества  теплоты, отводимой от продукта в процессе охлаждения

Количество теплоты Q, кДж, отведенное в процессе охлаждения

Q=Q_к+Q_и+Q_р,     (8)

где Q_к,Q_и,Q_р – теплота, отведенная конвективным, испарительным и радиационным теплообменом, соответственно, кДж.

Большая часть теплоты  отводится конвекцией

Q_к=С_пр·G_пр·(t_нач-t_кон),     (9)

где С_пр – удельная теплоемкость продукта, зависит от температуры, но при температурах выше криоскопической ее изменение незначительно, кДж/(кг·К);

G_пр – масса продукта, кг.

Более точно можно  рассчитать Q_к через энтальпию, т.к. удельная теплоёмкость продукта зависит от температуры, хотя при температурах выше криоскопической её изменение незначительно:

Q_к=G_пр·(h_нач-h_кон),      (10)

где h_нач ,h_кон – энтальпии продукта, соответствующие начальной и конечной температурам продукта, соответственно, кДж/кг.

С учетом испарения и  внутренних тепловыделений:

Q=G_пр·(h_нач-h_кон)+W_исп·r_п+G_пр·g·t_охл,     (11)

где W_исп – количество влаги, испарившейся с поверхности продукта (абсолютная усушка), кг;

r_п – скрытая теплота парообразования, кДж/кг;

g – внутренние тепловыделения единицы массы продукта в единицу времени, кВт/кг;

Потерю массы пищевого продукта вследствие испарения влаги с его поверхности называют усушкой. Усушка обусловлена наличием разности температур, а следовательно и разности парциальных давлений водяного пара над поверхностью продукта р_п и в воздухе холодильной камеры р_в, Па, и может быть рассчитана по формуле

 W_исп = b_исп×F_пр×(р˝_п  - р_в) ×t_ох × 101,325 / р_б,   (12)

где  b_исп  – коэффициент испарения, кг/(м²×с×Па);

       F_пр  – площадь поверхности, участвующая в массообмене, м²;

р˝_п, р_в – парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре поверхности продукта и парциальное давление водяного пара в окружающем воздухе, соответственно, Па;

       101,325 – нормальное атмосферное давление, кПа;

       р_б – текущее атмосферное давление, кПа.

Коэффициент испарения b_исп при перпендикулярном к поверхности охлаждения направлении воздушного потока определяется по формуле

b_исп=(0,79+0,645×v_в)×10^-7,     (13)

При горизонтальном направлении потока

b_исп=(0,372+0,316×v_в)×10^-7.     (14)

где v_в – скорость движения воздуха, м/с.

Парциальные давления водяного пара определяются по h-d – диаграмме влажного воздуха. Разность парциальных давлений водяного пара (р»_п - р_в), Па, характеризующая массообмен при охлаждении продукта воздухом, находится как средняя за весь процесс по формуле:

.   (15)

Потери массы продукта в процентном соотношении DG, %, (относительная усушка продукта):

DG= W_исп ×100/М_пр.     (16)

Внутренние тепловыделения учитывают при расчете количества теплоты, отводимой от продуктов растительного происхождения, как теплоту их дыхания. Интенсивность дыхания в процессе охлаждения зависит от вида продукта и температуры охлаждающей среды и приводится в справочной литературе /9/.

 

6 Замораживание  пищевых продуктов

 

6.1 Сущность  и значение процесса замораживания

Вода является основным компонентом сырья и готовых  пищевых продуктов, поэтому изменение  состояния воды при замораживании  существенно влияет на изменения в продуктах, т.к.:

• именно переход воды в твердое состояние при замораживании обеспечивает торможение нежелательных диффузных, микробиологических, химических, биохимических процессов в продуктах.
• именно испарение воды с поверхности продукта приводит к потере его массы и ухудшению его качества.
• вода существенно изменяет при превращении в лед свои теплофизические свойства.
• вода имеет большую теплоемкость, большую теплоту фазовых переходов (кристаллизации и испарения).

Все это говорит о  том, что вода, содержащаяся в пищевых продуктах в виде истинных, коллоидных растворов и эмульсий, существенно влияет на ход процессов холодильной технологии. Поэтому рассмотрим поведение воды при понижении температуры.

Состояние воды уникально  наличием аномалий, отличающих ее от других жидкостей. Отличие воды от других жидкостей заключается:

• в понижении температуры замерзания при увеличении внешнего давления.
• в увеличении объема при температуре, близкой к температуре замерзания.
• в соответствии максимальная плотности и минимальной удельной теплоемкости при температуре 3,98 ^оС.
• в большой величине удельной теплоемкости в сравнении с другими жидкостями.

Нижним пределом процесса охлаждения является криоскопическая  температура. При дальнейшем понижении  температуры продукта наступает либо переохлаждение, либо кристаллизация содержащейся в нем влаги, либо переохлаждение, сопровождающееся кристаллизацией. Обычно вещество, при понижении его температуры ниже температуры фазового перехода, изменяет свое агрегатное состояние. Одно из исключений – вода, которая не подчиняется этому правилу. При понижении температуры воды ниже 0 ^оС не наступает немедленного фазового перехода воды в лед, и вода не кристаллизуется, т.е. не переходит в твердое агрегатное состояние, а находится в жидком агрегатном состоянии при отрицательной температуре. В некоторых случаях, т.е. при определенных условиях, возможно достижение температуры воды при атмосферном давлении минус 70 ^оС без кристаллизации.

Структурное состояние  воды, как и других жидкостей, является промежуточным между газом и твердокристаллическим веществом. Чем выше температура жидкости, тем ее структура ближе к структуре газа. С понижением температуры идет как бы подготовка воды к затвердеванию, т.е. чем ниже температура, тем структура жидкости ближе к структуре кристалла. Капельным жидкостям присуща относительная упорядоченность расположения и взаимосвязи структурных элементов – молекул и ионов, чем они отличаются от газов и приближаются к твердокристаллическим веществам. Движение ионов и молекул жидкости представляет собой сочетание колебательных и вращательных их движений около условных центров и хаотического движения этих центров и зависит от температуры. При понижении температуры жидкости движение ее молекул замедляется, и при определенных условиях происходит взаимоориентация частиц. У одних жидкостей (жидкостей первого рода) с уменьшением температуры в основном уменьшается энергии перемещения условных центров хаотического движения. Жидкости первого рода как бы сгущаются, растет их вязкость и, в конечном счете, они образуют твердую аморфную структуру. Пример – затвердевание стекол, не имеющих кристаллической структуры. У жидкостей второго рода, к которым относится вода, с уменьшением температуры уменьшается энергия колебательного и вращательного движения, и осуществляется переход в твердое состояние путем кристаллизации. Кристаллизация воды возможна:

• при образовании некоторого количества правильно ориентированных частиц, служащих центрами кристаллизации;
• рост кристаллов от этих центров возможен лишь, когда энергия ориентации превышает значение энергии теплового движения. Скрытая теплота льдообразования, r_л=335,2 кДж/кг, выделяется в виде теплоты и обусловлена освободившейся при сокращении движения молекул воды энергией.

Понижение температуры  воды ниже температуры ее кристаллизации, не сопровождающееся образованием кристаллов и возможное при малой величине ориентирующих сил, называется переохлаждением. Глубина переохлаждения ограничивается предельной температурой переохлаждения и зависит от чистоты, подвижности жидкости, интенсивности теплоотвода, сотрясения, углов и ребер на поверхности контакта. При обычных технологических условиях замораживания пищевых продуктов глубина их переохлаждения не бывает значительной и нарушается по следующим причинам:

• при таких условиях из холодного воздуха на поверхность продукта попадают кристаллы-затравки инея, являющиеся стимуляторами кристаллизации. Если отсутствует защитная оболочка, то от затравок происходит рост кристаллов в продукт со скоростью, зависящей от условий отвода теплоты;
• температура охлаждающей среды в практических условиях замораживания, как правило, ниже предельной температуры переохлаждения, что вызывает кристаллообразование на поверхности продукта. Чем интенсивнее отвод теплоты, тем быстрее это происходит.

Т.о., при отводе теплоты от продукта, после его охлаждения, при достижении криоскопической температуры наступает процесс частичного или полного превращения в лед содержащейся в нем влаги. При кристаллизации влаги в поверхностном слое происходит процесс подмораживания продукта, при дальнейшем отводе теплоты – частичное или полное замораживание продукта.

К замораживанию пищевых  продуктов прибегают в следующих  случаях:

• для обеспечения стойкости продуктов во время длительного хранения при низких температурах;
• при сублимационной сушке пищевых продуктов и при концентрировании жидких пищевых продуктов;
• для производства своеобразных пищевых продуктов (мороженое);
• для изменения физических свойств продуктов (хрупкость, твердость) перед другими технологическими операциями.

Наиболее широко замораживание  применяют в первом случае. Превращение  воды в лед при замораживании  препятствует питанию микроорганизмов  и протеканию биохимических реакций, т.к. прекращается диффузное перемещение  растворимых в воде веществ. Эффект превращения воды в лед подобен обезвоживанию. Разница лишь в том, что при обезвоживании влага удаляется из продукта, а при замораживании – переходит в твердое состояние. Т.о., стойкость замороженных продуктов объясняется, в первую очередь, превращением воды, содержащейся в продуктах, из капельножидкого состояния в твердокристаллическое.

Тканевая жидкость (сок) животных и растительных тканей представляет собой коллоидную систему растворов  солей, белков и углеводов. Характер замерзания коллоидных растворов отличается от замерзания молекулярных солевых растворов. Чистый солевой раствор при замерзании разделяется на две фазы: воду и соль. При оттаивании соль снова равномерно распределяется в воде, образуя первоначальный раствор. Т.о., процесс замерзания солевого раствора является обратимым. В коллоидных растворах частицы веществ, распределенные в растворителе, значительно крупнее, чем частицы в молекулярных солевых растворах. При понижении температуры продукта ниже температуры замерзания тканевого сока, зависящей от концентрации солей в нем, раствор начинает замерзать. В простейшем случае (для двухкомпонентного раствора) процесс кристаллизации идет при переменной температуре. Фазовая диаграмма для двухкомпонентного раствора представлена на рисунке 3.

Образующиеся в начале замерзания кристаллы состоят преимущественно из чистого растворителя – воды. С вымерзанием воды концентрация тканевого сока возрастает, вследствие чего криоскопическая температура оставшегося раствора понижается (левая кривая). Этот процесс продолжается до тех пор, пока раствор не достигнет эвтектической концентрации, ξ_э, при которой он замерзает без отделения чистого растворителя изотермически при температуре, называемой эвтектической (t_э). Эвтектическая температура пищевых продуктов соответствует температуре, при  которой вся свободная жидкость, входящая в их состав, превращается в твердое состояние. Эвтектическая температура пищевых продуктов находится в пределах минус 60 ÷ минус 65 ^оС.

В холодильной технологии воду, превратившуюся при замораживании в лед, называют «вымороженной». Естественно, что по мере замораживания материала доля вымороженной воды в продукте растет. До начала замораживания количество вымороженной воды равно нулю, при эвтектической температуре вода вымораживается полностью. Доля вымороженной воды, w, измеряется в долях или процентах (относительная величина), изменяется от 0 до 1 (либо от 0 до 100%) и представляет отношение количества льда G_л, кг, при данной температуре к суммарному количеству льда и воды (G_л+G_w), кг, содержащимся в продукте при этой температуре, или к общему первоначальному количеству воды G_{w нач}, кг, в продукте:

w = G_л/(G_л+G_w) = G_л/ G_{w нач}.    (17)

 

I – раствор;   II –  лед;  III – растворенное вещество

Рисунок 3 – Фазовая диаграмма двухкомпонентного раствора

Промежуточные значения  доли вымороженной воды при расчетной  температуре t для разбавленных молекулярных растворов наиболее просто можно вычислить по формула Рауля: