Вымороженная вода в пищевых продуктах

В холодильной технологии принято воду, превратившуюся в процессе замораживания в лед, называть вымороженной.

Фазовое превращение воды в твердое состояние (кристаллооб­разование) является основным физическим явлением при замора­живании биологических материалов, разовый переход начинается при отводе теплоты в момент нарушения переохлаждения. В биологических материалах содержатся различные минеральные и органические вещества, поэтому понижение температуры образ­ца ниже криоскопической температуры сопровождается увеличе­нием концентрации жидкой части раствора. Криоскопическая температура¹ t_кр (температура начала кристаллизации системы при условии, что переохлаждение отсутствует) зависит от концентрации растворов, молекулярной массы, диссоциации растворенных веществ и свойств растворителя. В простейшем случае — для двухкомпонентного раствора — связь между температурой замерзания и массовой концентрацией изображается диаграммой состояния (рис.1.12). В этом случае предполагается, что переохлаждение, обычно предшествующее замерзанию, отсутствует.

¹ Термин «криоскопическая температура» в словаре МИХ отсутствует, одна­ко в последнее время большинство исследователей пользуются этим понятием. На наш взгляд, это не случайно, поскольку криоскопическая температура, яв­ляясь величиной постоянной для данного продукта, определяется его. физико-хи­мическими свойствами и влагосодержанием, а это удобно для анализа явлений теплообмена при холодильной обработке пищевых продуктов. Определение крио­скопической температуры дано в приложении I.

 

Концентрация, соответствующая эвтектической температуре t_э, называется эвтектической концентрацией С_э. Если начальная кон­центрация С_нач< С_э, то отвод теплоты от раствора сопровождается понижением температуры (ab) вплоть до значения, соответствую­щего данной начальной концентрации. При температуре, соответ­ствующей С_нач (точка b ), раствор замерзает и выделяется твердый растворитель (кристаллы льда). Концентрация жидкого раствора при этом увеличивается. Этот процесс происходит до тех пор, пока температура системы не достигнет t_э, а концентрация — С_э. При дальнейшем отводе теплоты происходит изотермический процесс кристаллизации эвтектической фазы.

Если С_нач>С_э,, то процесс идет подобно описанному выше, только выделяются не кристаллы льда, а кристаллы растворенного вещества.

При замораживании биологических материалов, являющихся сложными многокомпонентными системами, общая закономерность возрастания концентрации сохраняется. Таким образом, замора­живание биологических материалов может быть представлено как постоянное понижение t_кр и повышение соответствующих концент­раций.

При данной температуре доля вымороженной воды

w = G_л/G_w,

где G_л - масса льда при данной температуре; G_w — общая масса
воды в исходном материале.

Естественно, что по мере замораживания материала доля вы­мороженной воды растет.

Наиболее простое, приближенное решение задачи о доле вымо­роженной воды при любой температуре для разбавленных недиссоциированных растворов

основывается на законе Рауля:

w = 1 – t_кр/t, (1.2)

где t_кр — криоскопическая температура, °С; t — расчетная температура, °С.

При t = t_кр будет w = 0, при t = t_э должно быть w = 1, т. е. при эвтектической температуре вся способная к замерзанию вода долж­на быть выморожена. Для пищевых продуктов t_э = -65...-55°С.

Формула (1.2) справедлива до t = —30°С, однако даже при бо­лее высоких температурах доля вымороженной воды получается завышенной на 8% по сравнению с экспериментальными данными.

Многими исследователями доля вымороженной воды оценива­лась экспериментально. При этом использовались калориметриче­ский, дилатометрический или электрометрический методы. На рис. 1.13 и в табл.1.3 даны расчетные данные по доле вымо­роженной воды в функции температуры w = f (t) для различных пищевых продуктов.

Таблица 1.3

Вид продукта	Значения w при температуре, °С
-5	-10	-15	-20	-30
Говядина Треска Яичный белок Зеленый горошек	0,74 0,76 0,87 0,64	0,82 0,85 0,91 0,8	0,85 0,87 0,93 0,86	0,87 0,89 0,93 0,89	0,88 0,9 0,94 0,92

 

Анализ представленных кривых показывает, что чем выше кри­оскопическая температура материала, тем быстрее идет вымора­живание влаги на начальном участке изменения температуры.

Исходная влажность материала также влияет на количество вымороженной воды при данной температуре, хотя общий характер кривых w=f(t) остается прежним. Интенсивность льдообразования в начале процесса замораживания со­кращается с уменьшением влажно­сти объекта. На рис. 1.14 представ­лены экспериментальные данные Риделя о количестве вымороженной во­ды в говядине различной исходной влажности.

Все приведенные рассуждения ка­сались влаги (воды), которая спо­собна замерзать. Однако по данным ряда исследователей, в биологиче­ских материалах существует вода, которая не замерзает даже при температуре -120°С и ниже.

Количество незамерзающей воды в биологических материалах незначительно (0,2…0,4 кг на 1кг сухого вещества).

Как уже отмечалось, при сравнении результатов, полученных. по формуле (1.2), с экспериментальными данными Риделя для говядины наблюдается значительное отклонение — завышение на 7...8%. Это отклонение объясняется тем, что при выводе фодмулы не учитывалась связанная вода, находящаяся во влагосодержащих материалах биологического происхождения. Для определения доли вымороженной воды с учетом связанной влаги Д. Г. Рютовым предложена формула:

,

где W — общее содержание воды в продукте (кг на кг продукта); b —содержание связанной воды (кг на кг сухих веществ); t_кр —криоскопическая температура материала, °С; t — температура, при которой ведется расчет, °С.

Ниже приведены приближенные данные по количеству связан­ной воды в некоторых пищевых продуктах.

Вид продукта	W, кг/кг	tкр, °С	t, °С
Говядина Треска Яичный белок Зеленый горошек	0,74 0,8 0,86 0,76	-0,95 -0,91 -0,45 -1,74	0,25 0,27 0,27 0,08

Считается, что в продуктах животного происхождения количе­ство связанной воды составляет в среднем b = 0,27 кг/кг сухого вещества, а в продуктах растительного происхождения b = 0,12 кг/кг сухого вещества.

Количество вымороженной воды может быть определено мето­дом электрометрии. Метод основан на измерении электрического сопротивления системы в процессе оттаивания предварительно за­мороженного материала. Лед — хороший изолятор (удельное элек­трическое сопротивление льда р_л= 10б... 107 Ом·м), в то же время йодные растворы в продуктах хорошо проводят электрический ток. По мере замораживания раствора образующиеся в нем кристаллы препятствуют прохождению тока, и общее сопротивление раствора с понижением температуры резко возрастает. Таким образом, удельное электрическое сопротивление является источником ин­формации о соотношении твердой и жидкой фаз в замороженном образце. По результатам измерения электрического сопротивления можно вычислить количество льда в замороженной единице объе­ма при любой отрицательной температуре.

В основу определения w положено уравнение Оделевского для гетерогенных двухфазных систем:

где σ— удельная электрическая проводимость системы, (Ом·м) ^-1;

σ₁— удельная электрическая проводимость среды, (Ом·м) ^-1;

σ₂ — удельная электрическая проводимость включения, (Ом·м) ^-1;

С — объемная концентрация включений, доли единицы.

Если раствор в момент кристаллизации представить как систе­му с ледяными включениями, то на него можно распространить уравнение Оделевского. Приняв, что электрическая проводимость льда мала, считаем σ ₂=0. Тогда уравнение примет вид

 

 

Заменив в указанном выше уравнении электрическую проводимость удельным электрическим сопротивлением σ =1/ρ и сделав некоторые преобразования, получим

С = w = 2(ρ – ρ₁)/(2ρ + ρ₁),

где w — относительный объем льда в систе­ме; ρ-удельное электрическое сопротивле­ние замороженной системы; ρ₁ — удельное электрическое сопротивление системы до за­мораживания.

В качестве примера приведем данные по изменению доли вымороженной воды от тем­пературы для стекловидного тела глаза крупного рогатого скота, полученные методом электрометрии (рис. 1.15). На том же рисунке дана зависимость w = f(t), рассчи­танная на основании закона Рауля по фор­муле (1.2). Сравнение расчетных данных с экспериментальными показало, что вблизи криоскопической температуры расхождение незначительно, однако вблизи эвтектической температуры расхождение увеличивается, и это понятно, поскольку вблизи эвтектиче­ской температуры концентрация электролитов высокая, а закон Рауля может быть применим и то с определенной степенью допу­щения только для слабых растворов. Поэтому чем ближе к эвтекти­ческой температуре, тем больше концентрации солей, тем больше расхождение.

Таким образом, полученная с помощью электрометрии зависи­мость w = f(t) может быть использована для обоснования выбора температуры хранения замороженных продуктов.

Следует обратить особое внимание на связь температуры хране­ния продукта с количеством вымороженной в нем влаги: понижение температуры (см. рис. 1.3) приводит к повышению количества вы­мороженной влаги, сокращается количество невымороженной вла­ги, что ведет к сокращению потерь массы.

⇐ Предыдущая12345

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: