 |
Охлаждение пищевых продуктов
|
|
|
|
Лекция 10
Охлаждение и замораживание
Из существующих методов консервирования (пастеризация, стерилизация, сушка, копчение, соление и др.) наиболее эффективна обработка холодом, в наименьшей степени изменяющая первоначальные свойства продуктов.
Понижение температуры значительно снижает жизнедеятельность микроорганизмов и активность тканевых ферментов, в результате чего замедляются как реакции, естественно протекающие в некоторых продуктах (автолиз мяса, дыхание и дозревание плодов и т. д.), так и реакций, вызываемые деятельностью микроорганизмов.
В зависимости от температуры и характера холодильной обработки пищевые продукты условно разделяют на охлажденные с температурой в центре продукта от 0 до 4 °С и замороженные, имеющие температуру ниже минус 6 °С. При охлаждении продуктов главным действующим фактором является низкая температура; при замораживании продуктов, кроме того, имеет значение переход воды в твердое состояние - обезвоживание ткани. Однако вода, являющаяся важнейшим фактором существования и развития микроорганизмов, при замораживании полностью не замерзает. Часть ее, содержащаяся в пищевых продуктах, оказывается настолько прочно связанной с твердым веществом, что не замерзает даже при очень низких температурах.
Криоскопическая температура – это температура, при которой выделяются кристаллы льда из тканевых соков, т. е. это температура, при которой начинается выделение твердой фазы. Кроме изменения температуры, на клетку влияет обезвоживание среды и протоплазмы, повышенная концентрация незамерзшей жидкой фазы, перенос влаги внутри самой клетки и из клетки во внешнюю среду в связи с образованием кристаллов льда и, наконец, механическое воздействие кристаллов. Все эти факторы зависят не только от температуры, но и от механизма кристаллообразования.
|
|
|
В пищевой технологии применяют следующие процессы холодильной обработки продуктов: охлаждение, подмораживание, замораживание, холодильное хранение, отепление и размораживание.
Охлаждающие среды. Охлаждающей называется среда, имеющая более низкую температуру, чем тело, отдающее и воспринимающее теплоту. Она не только способствует понижению температуры тела, но и оказывает разнообразное воздействие на него, вызывая различные изменения.
Охлаждающие среды бывают газообразными (воздух, углекислый газ, азот), жидкими (холодная вода, рассол, водные растворы этиленгликоля или пропиленгликоля) и твердыми (лед, снег). Иногда холодильная обработка и хранение происходят в неоднородной среде (тающий лед, льдосоляная смесь).
В последние годы широко применяют для охлаждения тушек птицы холодную (ледяную) воду. Тающий лед или снег используют для охлаждения таких продуктов, как рыба, некоторые овощи и зелень.
Холодильные агенты. Вещества, применяемые в качестве рабочего тела при осуществлении холодильных циклов, называют холодильными агентами.
Холодильные агенты должны удовлетворять следующим требованиям: не должны быть горючими, взрывоопасными, обладать химической стойкостью и инертностью по отношению к металлам и смазочным маслам, хорошо растворять воду, и быть недорогими, безвредными для здоровья человека и обладать определенными физическими и термодинамическими свойствами (температура кипения, критическая температура и температура замерзания, плотность и теплопередающие свойства и др.).
Этим требованиям в большей степени отвечают аммиак NH3 и фреоны.
Фреоны – это большая группа веществ, представляющих собой фтористые и хлористые производные предельных (насыщенных) углеводородов. Особенно много производных метана и этана, к ним относятся дифтордихлорметан CF2Cl2, трифтормонохлорметан CF3C1, дифтормонохлорметан CHF2C1, дифтормонохлорэтан С2Н3F2С1 и др.
|
|
|
Из-за разнообразия фреонов и их сложных названий каждый холодильный агент в зависимости от его химической формулы имеет свое числовое обозначение. Перед обозначением холодильного агента рекомендуется писать слово Refrigerant или букву R, например R22 и т. д. В нашей стране перед полученным таким же способом числовым обозначением фреонов пока чаще пишут слово «фреон» или только первую букву: например, Ф-12, Ф-22 и т. д. Последняя цифра равна числу атомов фтора в молекуле данного холодильного агента. Предпоследнюю цифру берут на единицу больше числа атомов водорода в молекуле, а третью цифру от конца – на единицу меньше числа атомов углерода в молекуле. Для производных метана третья цифра от конца равна нулю, поэтому они имеют двухзначные числовые обозначения.
Фреоны в небольших количествах практически безвредны для здоровья человека и по запаху не ощутимы. При сильных утечках начинает ощущаться их запах.
ОХЛАЖДЕНИЕ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Охлаждением называют процесс понижения температуры охлаждаемого тела посредством теплообмена с окружающей средой, несопровождаемый льдообразованием. Конечная температура охлажденных продуктов находится обычно в пределах 0…-4 °С, т. е. в толще охлажденных продуктов температура должна быть близкой к точке замерзания, но не ниже ее. Некоторые продукты охлаждают и до более низкой температуры. Например, яйца, отдельные виды плодов охлаждают до температуры на 1…3 °С ниже их точки замерзания и хранят в переохлажденном состоянии.
Процесс охлаждения должен происходить как можно быстрее для обеспечения эффективного торможения биохимических, микробиологических и других изменений. Интенсификация процессов охлаждения способствует удлинению сроков хранения, снижению естественной убыли пищевых продуктов и уменьшению производственных площадей холодильных камер.
Сложность формы мясных туш и полутуш крупного рогатого скота и свиней учитывается эмпирическими зависимостями, связывающими массу тела с его основными размерами и площадью всей его поверхности
|
|
|
, 
, 
, (1)
где 
– масса туши, кг; 
– толщина бедра, м; 
– длина туши, м; F – площадь поверхности туши, м2; А, В, С и D – эмпирические коэффициенты.
Тепло- и массообмен при охлаждении пищевых продуктов. Охлаждение продуктов подчиняется закону Фурье теплопроводности твердых тел при нестационарном режиме при следующих допущениях: в охлаждаемом теле не должно быть внутренних источников теплоты; теплофизические свойства тела не меняются во время его охлаждения; температура охлаждающей среды и коэффициент теплоотдачи на поверхности тела постоянны.
Считаем, что вначале охлаждаются поверхностные слои, а затем охлаждение постепенно распространяется вглубь тела. Испарение влаги с поверхности продуктов, охлаждаемых в воздухе, следует учитывать, т. к. влияние испарения на ход охлаждения может быть значительным.
По истечении некоторого времени 
, составляющего продолжительность охлаждения продукта, температура всех частей тела выравнивается и становится равной температуре внешней среды t o. Характер изменения температур на поверхности тела 
и внутри его 
показан на диаграмме (рис. 3).
Если же учесть внутренние тепловыделения продукта и тепловой эффект испарения - конденсации при охлаждении продуктов, то общее количество теплоты при охлаждении продуктов в воздухе можно выразить формулой
, (2)
где q - внутреннее тепловыделение единицы массы продукта за весь период охлаждения, кДж/кг; g - относительная потеря влаги продуктом (усушка) 
, кг; Lк, Lи - удельная теплота конденсации и испарения, кДж/кг.
Однако в формуле (2) не учтены дополнительные эксплуатационные теплопритоки в камеру - через охлаждения, двери, от работающих людей и др.
Процесс охлаждения можно рассматривать в трех стадиях: первая - стадия неупорядоченного режима; вторая – регулярный режим и третья – тепловое равновесие между охлаждаемым телом и средой.
При охлаждении пищевых продуктов стадия регулярного режима всегда абсолютно преобладает по длительности над стадией неупорядоченного. Это преобладание тем значительнее, чем больше температуропроводность охлаждаемого тела и коэффициент теплоотдачи на его поверхности и меньше определяющий размер тела.
|
|
|
Общая продолжительность охлаждения продуктов , ч, равна
, (3)
где m - коэффициент пропорциональности (темп охлаждения), ч-1; to - температура среды, °С; 
, 
- начальная температура продукта в любой точке и температура той же точки, спустя время от начала регулярного режима охлаждения, °С; 
- продолжительность стадии неупорядоченного режима охлаждения продукта, ч.
Смысл второго слагаемого 
разъясняется на рис. 4, где показан начальный период процесса простого охлаждения Линия 1 – 2 – 3 представляет действительное изменение температуры в центре охлаждаемого тела, а линия 4 – 3 соответствует расчетному изменению температуры. Отрезок I изображает интервал времени от начала охлаждения, пока действительная и расчетная температурные кривые не совпадают. Отрезок II показывает интервал времени от начала охлаждения до пересечения расчетной температурной кривой с ординатой, изображающей начальную температуру продукта, и является вторым слагаемым в формуле (3).
Темп охлаждения m, или коэффициент пропорциональности, входящий в формулу (3), представляет собой характеристику быстроты процесса и зависит от формы, размеров, температуропроводности охлаждаемого тела, а также от коэффициента теплоотдачи на поверхности тела.
Общее количество теплоты, отводимой от продукта за период охлаждения, выражается уравнением
, (4)
где 
- коэффициент теплоотдачи, кДж/(м2×с×К), F - площадь поверхности продукта, м2; 
- средний логарифмический перепад температур на границе продукт-воздух, °С; - продолжительность охлаждения, ч; 
- коэффициент массообмена; 
- массообменная характеристика продукта, представляющая собой ту часть поверхности, через которую испаряется влага; 
- средний логарифмический перепад концентраций водяного пара на границе продукт-воздух, кг/м3; 
- удельная теплота испарения воды, кДж/кг.
Количество влаги, теряемой продуктом за период охлаждения, определяется уравнением
. (5)
Разделив общее количество теплоты, отводимой от продукта, на количество влаги, теряемой за период охлаждения, получают тепловлажностную характеристику процесса охлаждения
, (6)
где 
- тепловлажностная характеристика процесса охлаждения продукта, показывающая, какое количество теплоты, отводимое при охлаждении продукта, приходится на 1 кг испаряющейся влаги 
.
|
|
|
