Основы низкотемпературных технологий

w =1- t_кр/t.      (18)

Для вычисления относительной  величины доли воды, вымороженной из диссоциированного раствора сложного состава, каким является тканевый сок продуктов, следует пользоваться более точной зависимостью, выведенной проф. Чижовым:

w = 110,5/(1+0,31/lg[t+(1-t_кр)]).   (19)

Значения  t   и t_кр  берутся в абсолютных величинах ( без учета знака ). При криоскопической температуре продукта, равной или близкой минус 1^оС (-1,5≤ t_кр≥ -0,5), величиной (1-t_кр) без заметной погрешности вычислений можно пренебречь. Тогда формула (18) примет вид

w=110,5/(1+0,31/lgt).    (20)

Доля вымороженной воды зависит только от температуры и  свойств продукта. Она значительно возрастает по мере приближения к криоскопической температуре продукта, причем экспериментально было выявлено, что более половины (в мясе примерно 3/4) воды, содержащейся в продукте, вымерзает при температуре на 3÷4 ^оС ниже криоскопической. Способ и продолжительность замораживания непосредственного влияния на количество вымороженной воды не оказывают. Зависимость доли вымороженной воды от температуры можно представить графически (рисунок 4).

Рисунок 4 – Зависимость  доли вымороженной воды от температуры

 

6.2 Изменения,  происходящие в пищевых продуктах  при замораживании

Т.к. все биологические  материалы в значительном количестве содержат  воду, то их свойства, в основном, определяются свойствами воды при данной температуре. При понижении температуры продуктов до криоскопической, изменение их свойств незначительно, т.к. при охлаждении незначительно изменяются свойства воды. Например, плотность воды при понижении температуры от 30 до 0˚С изменяется (возрастает) менее чем на 0,5%, теплоемкость возрастает примерно на 1%, теплопроводность и температуропроводность убывают менее чем на 10%. Резкое изменение свойств продуктов наступает при температуре ниже криоскопической, когда начинается фазовый переход воды из жидкого в твердое состояние. Тогда теплофизические, качественные и др. параметры продуктов изменяются скачкообразно, т.к. свойства льда резко отличаются от свойств воды: теплоемкость льда примерно в 2 раза меньше теплоемкости воды; теплопроводность примерно в 4 раза, а температуропроводность примерно в 8 раз больше теплопроводности и температуропроводности воды. Т.о., свойства замороженных пищевых продуктов зависят от соотношения жидкой и твердой фаз.

 

6.2.1 Изменение  физических и теплофизических  свойств продуктов

Плотность. Плотность воды имеет максимальное значение при температуре 3,98 ^оС. При понижении температуры воды и переходе ее в твердое состояние плотность скачкообразно уменьшается. Это объясняется расширением воды при превращении в лед. Изменение плотности при изменении температуры воды можно представить графически (рисунок 5). Естественно, что плотность влагосодержащих пищевых продуктов отличается от плотности льда и воды. Однако это отличие незначительно и в инженерных расчетах не учитывается. Плотность большинства замороженных продуктов на 5÷8% меньше плотности незамороженных.

Рисунок 5 – Зависимость изменения плотности воды от температуры

Теплоемкость. Удельную теплоемкость замороженного продукта при заданной температуре рассчитывают по формуле

C_З=С_с.в.·(1-W_нач)+С_л·w·W_нач+С_w·(1-w)·W_нач ,  (21)

где C_c.в – удельная теплоемкость сухих веществ, кДж/(кг ·К). Для продуктов животного происхождения C_c.в=1,38÷1,68 кДж/(кг·К), для продуктов растительного происхождения C_c.в=0,7÷0,9 кДж/(кг ·К);

W_нач – массовая доля воды в продукте;

С_л – удельная теплоемкость льда (С_л =2,12 кДж/(кг· К);

w –доля вымороженной воды при заданной температуре;

С_w – удельная теплоемкость воды при (С_w =4,24 кДж/(кг· К).

Преобразовав выражение (20), а также введя удельную теплоемкость незамороженного продукта С_о, кДж /(кг ·К), получим

С_З=C_о-( С_w-С_л)·w··W_нач,     (22)

С_З=С_о-2,12· W_нач·w·.,     (23)

Т.о., из выражения (23) видно, что удельная теплоемкость пищевых продуктов при замораживании уменьшается. Но формула (23) не учитывает теплоты фазового перехода воды в лед при изменении единицы массы продукта на 1 ^оС, q_w, кДж/(кг·К), которую находят по формуле

q_w = W_нач·(w₂-w₁)·r_з ,    (24)

где (w₂-w₁) – разность в количествах вымороженной воды при изменении температуры на 1К, 1/К;

r_з – удельная теплота кристаллизации, кДж/кг. При расчетной температуре можно приближенно определить по формуле

r_з = 335 + 2,12t.     (25)

Тогда полная удельная теплоемкость замороженного продукта

С_{З. п.} = С_З + q_w .     (26)

В начале процесса, при температуре равной криоскопической удельная теплоемкость имеет наибольшее значение. В это время С_З=С_о, а q_w имеет наибольшее числовое значение. Когда вымораживание воды закончено, q_w=0, а С_З.п.=С_З. Зависимость изменения удельной теплоемкости продукта от температуры представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Зависимость изменения удельной теплоемкости продукта от температуры

 

Теплопроводность. Теплопроводность продукта при замораживании возрастает потому, что у льда она почти в 4 раза выше, чем у воды. Коэффициент теплопроводности продукта, l_З, Вт/(м·К), при любой отрицательной температуре можно найти по приближенному уравнению

l_З = l_о + ∆l ·w,      (27)

где l_о – коэффициент теплопроводности  охлажденного  продукта, Вт/(м·К);

∆l – приращение теплопроводности при вымораживании всей влаги.

Для биологических материалов ∆l = 0,9 ÷ 1 Вт/(м·К).

Увеличение теплопроводности продукта при понижении температуры  практически завершается с окончанием льдообразования. Характер изменения коэффициента теплопроводности пищевых продуктов при замораживании представленен на рисунке 7.

Рисунок 7 – Зависимость изменения  теплопроводности продукта от температуры

Температуропроводность , а, м²/с, – величина, характеризующая скорость изменения (выравнивания) температуры. Для замороженного продукта

а_З = l_З/(с_З · r_З)     (28)

При замораживании температуропроводность продукта увеличивается и при  конкретной заданной температуре может быть определена по формуле

а_З = а_о + ( 2,08 ·16^-6) w,     (29)

где а_о – температуропроводность незамороженного продукта, м²/с.

Зависимость изменения  температуропроводности продукта от температуры  представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 – Зависимость изменения температуропроводности продукта от температуры

 

 

 

6.2.2 Структурные  и качественные изменения в  продуктах

Помимо изменения физических и теплофизических свойств при замораживании продуктов происходят и другие изменения, которые влияют на выбор способов и режимов замораживания. При замораживании изменяются структура и качество продукта, а именно происходит:

– изменение окраски из-за оптического эффекта (преломление света кристаллами льда);

–   частичная потеря свойственного им запаха;

– некоторое снижение содержания витаминов, хотя большинство их устойчивы к замораживанию;

– изменение кислотности клеточных растворов, т.к. увеличивается концентрация растворимых в клеточном соке веществ;

–   продукты твердеют;

– происходит усушка неупакованных продуктов вследствие сначала испарения воды, затем сублимации льда с их поверхности.

Интенсивность этих изменений  зависит от различных факторов. Снижение их достигают правильным выбором  режима, способа, продолжительности замораживания, применением газонепроницаемых упаковочных материалов и пр.

 

6.3 Факторы,  влияющие на выбор режима замораживания  пищевых продуктов

Замораживание сопровождается понижением активности микроорганизмов  без их полного уничтожения. Устойчивость микробной клетки к замораживанию зависит от рода и вида микроорганизмов, стадии их развития, скорости и температуры замораживания, состава и среды их обитания. Наиболее высокая степень отмирания многих микроорганизмов происходит при температурах минус 4 ˚С ÷ минус 6 ˚С. Однако в этих условиях сохраняют свою активность некоторые психрофильные микроорганизмы, для прекращения жизнедеятельности которых необходимы более низкие температуры. Полностью прекращается рост микроорганизмов, в том числе и психрофильных, при температурах минус 10˚С ÷ минус 12 ˚С. Поэтому в международной холодильной практике температура минус 12 ˚С является верхним пределом температуры замораживания.

Структура и качество пищевых продуктов при замораживании  значительно зависят от скорости замораживания.

Скорость замораживания, v_зам, см/ч, определяется как отношение пути, проходимого фронтом кристаллообразования от поверхности продукта в его глубину, ко времени прохождения. Скорость замораживания пищевых продуктов изменяется в пределах от 0,1 до 100 см/ч, в связи с чем замораживание бывает:

– медленное (v_зам = 0,1÷0,5 см/ч);

– ускоренное (v_зам = 0,5÷3 см/ч);

– быстрое (v_зам = 3÷10 см/ч);

– сверхбыстрое (v_зам = 10÷100 см/ч).

Медленное замораживание  обычно применяют для продуктов, сложенных навалом или в подвешенном состоянии в помещениях с интенсивной циркуляцией воздуха, ускоренное – для продуктов в упаковке в воздушных и плиточных скороморозильных аппаратах, быстрое – для отдельных продуктов небольших размеров во взвешенном состоянии, сверхбыстрое – в криогенных жидкостях методами орошения или погружения.

Высокая скорость замораживания  способствует образованию мелких, равномерно распределенных кристаллов льда, при  медленном замораживании образуются крупные кристаллы. Считается, что  размер кристаллов напрямую связан со степенью повреждения тканевых структур, и наибольшие повреждения имеют место при медленном замораживании. Поэтому замораживание продуктов стараются производить как можно быстрее.

Скорость замораживания  зависит, главным образом, от толщины продукта, температуры охлаждающей среды, коэффициента теплоотдачи от поверхности продукта к охлаждающей среде.

Понижение температуры  среды влияет на скорость замораживания  практически пропорционально. При  снижении температуры существенно  сокращается продолжительность процесса замораживания, что уменьшает усушку продукта в процессе замораживания. На выбор температуры замораживания влияют и условия дальнейшего хранения продукта. Выявлено, что при длительном хранении понижение температуры хранения сокращает усушку продуктов (для камер хранения мороженого мяса –  примерно в 2,5 раза при понижение температуры на каждые 10˚С). Это обусловливает фактор снижения температуры воздуха в камерах замораживания продуктов перед их закладкой на хранение. Однако снижение температуры влечет увеличение затрат на производство холода.

Интенсификация процесса замораживания часто достигается  уменьшением толщины продукта. Приближенно  можно считать, что при прочих равных условиях скорость замораживания  в воздухе обратно пропорциональна толщине продукта, а в жидкой среде – квадрату толщины продукта. Поэтому обычно замораживают продукты блочно-фасованные. Но при толщине продукта меньше 5÷6 см они становятся непрочными.

Коэффициент теплоотдачи  оказывает большое влияние на скорость замораживания при толщине продукта до 10÷12 см. При большей толщине увеличение коэффициента теплоотдачи слабо интенсифицирует процесс. Например, при толщине продукта более 15÷20 см увеличение коэффициента теплоотдачи свыше 70÷90 Вт/(м·К) практически не оказывает влияния на ускорение процесса.

Следовательно, интенсифицировать  процесс замораживания следует, но лишь в определенных пределах. К тому же, в ряде исследований отмечается значительное механическое разрушение материала при сверхбыстром замораживании. Это свидетельствует о том, что наряду с внешними условиями замораживания на структурные изменения пищевых продуктов влияют и другие факторы. Существенное влияние на характер кристаллизации оказывает степень зрелости плодов. В недозрелых плодах содержится большое количество свободной влаги, и происходит, в основном, внутриклеточная кристаллизация, ведущая к необратимым процессам. В созревших плодах присутствует пектин, который обладает высокими гидрофильными свойствами. Он связывает большое количество воды, что положительно сказывается на обратимости процесса замораживания. К ухудшению качества замороженной продукции может привести использование низкотемпературных хладоносителей. Например, при замораживании мяса в жидком азоте возникает множество микротрещин. Это происходит вследствие того, что при таком сверхбыстром замораживании, когда температура на поверхности продукта становится ниже криоскопической, центральные слои продукта находятся еще в состоянии фазового перехода. В результате, при замерзании происходит увеличение объема центральных слоев, что приводит к возрастанию внутреннего давления в продукте, которое не может выдержать плотный ледовый внешний слой, и происходит разрыв продукта.

Из этого следует, что  увеличивать скорость замораживания  следует с учетом вида продукта, его поведения при замораживании, с учетом последующего хранения, а также технических возможностей и экономичности.

В связи с этим, и с экономической точки зрения в камерах замораживания пищевых продуктов практически используются температуры минус 20˚С ÷ минус 40˚С, а наиболее приемлемая скорость движения воздуха – 3÷5 м/с.

 

6.4 Тепловой  расчет процесса замораживания

 

6.4.1 Определение  количества теплоты, отводимой  от продукта в процессе замораживания

Количество теплоты, которое должно быть отведено от продукта в процессе его замораживания, Q_З, кДж, наиболее просто можно определить по формуле:

Q_З = G ·(h_нач-h_кон),     (30)