Замораживание пищевых продуктов

 

Замораживание пищевых продуктов - это процесс полного или частичного превращения в лед содержащейся в них влаги вследствие отвода теплоты при понижении температуры ниже криоскопической.

При замораживании сохраняются полезных свойств и качества пищевых продуктов, сводятся к минимуму физические, биохимические и микробиологические изменения, протекающие в продукте, за счет снижения температуры продукта и превращению большей части воды в лед. При этом замедляется рост и жизнедеятельность многих микроорганизмов.

Химические реакции также замедляются при снижении температуры, однако они продолжают протекать даже при низких температурах хранения.

Замораживание применяют, если необходимо сохранить продукты в течение более длительного времени, чем это возможно для охлажденных продуктов, а также для подготовки их к длительному хранению. При льдообразовании диффузное перемещение растворимых в воде веществ прекращается, следовательно, прекращается питание микроорганизмов и протекание биохимических реакций.

Совокупность двух совместно протекающих явлений - льдообразования и понижения температуры - в основном определяет физическую картину замораживания пищевых продуктов.

При понижении температуры продукта до криоскопической точки тканевого сока, зависящей от концентрации солей в нем, раствор начинает замерзать.

По мере вымерзания воды температура замерзания оставшегося раствора непрерывно понижается вследствие увеличения в нем концентрации солей. Однако это происходит до тех пор, пока концентрация раствора не достигнет некоторой определенной для данного вещества величины, при которой он весь застывает в сплошную твердую массу. Такая масса называется эвтектикой. Температура, при которой происходит ее образование, называется эвтектической температурой, а соответствующая концентрация раствора - эвтектической концентрацией.

Эвтектическая температура пищевых продуктов находится в пределах -60…-65 °С и соответствует температуре, при которой вся жидкость, входящая в их состав, превращается в твердое состояние.

Для определения интенсивности процессов, происходящих в пищевых продуктах, Бертелот предложил уравнение

, (1)

где – скорость физико-химических изменений в замороженных продуктах при температуре t, °С; – скорость физико-химических изменений в замороженных продуктах при 0 °С; а – коэффициент, определяющий интенсивность изменений функций (а = 0,0376 – для ряда продуктов); t – температура продукта.

Вода является растворителем, обусловливающим течение диффузионных процессов, а также химических и биохимических реакций. Изменение фазового состояния воды является главным фактором, обусловливающим торможение этих процессов. По мере снижения температуры частицы воды сближаются, силы их взаимного притяжения увеличиваются, снижается интенсивность броуновского движения. При уменьшении энергии движения частиц до уровня ниже энергии постоянной ориентации частиц образуется структура кристаллов.

Содержание в воде веществ, образующих с ней истинный раствор, обусловливает изменения ее характерных свойств: снижение криоскопической температуры, повышение температуры кипения и снижение давления водяного пара над раствором. Понижение криоскопической температуры раствора по сравнению с температурой чистого растворителя (при 0 °С) выражают уравнением Рауля

, (2)

где – криоскопическая постоянная, характерная для данного растворителя, кг×°С/моль (для воды = 1,86 кг×°С/моль); n – молярная концентрация раствора, моль растворенного вещества на единицу массы растворителя.

Характерно, что криоскопическая температура зависит исключительно от свойств растворителя; на нее не влияет вид растворенных веществ. На криоскопическую температуру раствора не влияет содержание веществ с коллоидной степенью дисперсности, а также высокомолекулярных веществ, например крахмала.

Воду, превращенную в пищевых продуктах в лед, называют вымороженной. О количестве ее судят по величине w, представляющей собой отношение влаги, превращенной в лед , ко всему ее количеству (в жидком и твердом состояниях), содержащемуся при данной температуре, т. е.

, (3)

где – масса влаги, превращенной в лед, кг; – масса незамороженной влаги, содержащаяся в пищевом продукте, кг.

Точка замерзания многих пищевых продуктов, например, мяса, рыбы, молока, яиц и некоторых других, близка к минус 1 °С. Поэтому для них формулу (3) применяют в следующем упрощенном виде:

. (4)

По формуле Рауля-Чижова

, (5)

где – относительное содержание воды, вымороженной при температуре ; – средняя конечная температура продукта, °С.

Массовая доля вымороженной воды является только функцией температуры и свойств продукта и не зависит от способа, скорости и условий замораживания.

Процесс замораживания пищевых продуктов представлен кривой замораживания, которая изменяется в зависимости от применяемого метода замораживания, размера, формы, химического состава и физических свойств продукта, вида упаковочного материала и т. п. (рис. 6). На кривой замораживания выделены три основных участка, соответствующих определенным стадиям процесса замораживания.

На первом участке а – b происходит охлаждение центральной части продукта от начальной температуры до криоскопической температуры . Этот участок представляет собой наклонную кривую, которая тем круче, чем быстрее отводится теплота от продукта.

На втором участке b – с происходит замораживание. Понижение температуры продукта замедляется, и кривая замораживания переходит в пологую, а иногда и в горизонтальную линию. Теоретически эта часть кривой должна быть горизонтальной. В действительности по мере вымораживания воды растет концентрация клеточного сока, а криоскопическая температура непрерывно уменьшается. В результате этого кривая несколько отклоняется от горизонтальной. В этот период температура охладившегося, но еще не замерзшего центрального слоя продукта соответствует криоскопической.

В том месте, где кривая становится крутой (точка с), начинается новая стадия – домораживание продукта (участок с – d). На этой стадии снижается температура замороженного продукта до предусмотренного технологией значения. Разделение второго участка на две стадии b – с и с – d условное. Нахождение точки с, определяющей конец процесса замораживания, является трудным. На основе гипотезы Рютова предполагается, что эта точка определяется температурой минус 4 °С и для большинства замороженных пищевых продуктов соответствует замораживанию около 73 % общего количества воды. В пределах участка c – d происходят одновременно обе стадии процесса – собственно замораживание и домораживание. На практике принято считать за момент окончания стадии собственно замораживания точку f, которая лежит на пересечении отрезков b – с и d – с. Длина и наклон второго участка зависят от интенсивности отвода теплоты от замораживаемого продукта.

Третий участок графика на рис. 6 показывает изменение температуры продукта после вымерзания основной части воды, здесь снова ускоряется понижение температуры.

 

Расчет теплоты, отводимой при замораживании. Общая масса замораживаемой системы подчиняется закону аддитивности и может быть подсчитана

, (1)

где - соответственно массы компонентов растворенного вещества, воды, льда, нерастворимых в воде веществ. Последней величиной можно пренебречь, т. к. она не влияет на замерзание раствора, следовательно,

. (2)

Содержание теплоты, которая отводится от продукта в процессе его замораживания, равна

, (3)

где G - масса замораживаемого продукта, кг; - содержание теплоты, отводимой от продукта при охлаждении его от начальной до криоскопической температуры, кДж; - соответственно скрытая теплота замерзания тканевой жидкости, содержащейся в продукте; теплота охлаждения льда; не замерзшей части продукта, сухих веществ продукта при охлаждении от до , кДж.

Рассмотрим каждое из слагаемых формулы (3)

, (4)

где - удельная теплоемкость продукта до начала льдообразования, кДж/(кг×К); - начальная и криоскопическая температуры продукта, °С.

, (5)

где - относительное содержание воды в продукте; - массовая доля вымороженной воды при , %; - удельная теплота превращения воды в лед, кДж/кг;

, (6)

, (7)

, (8)

где - удельная теплоемкость льда кДж/(кг×К); (1 - ) - массовая доля незамерзшего тканевого сока, %; - удельная теплоемкость незамороженного тканевого сока кДж/(кг×К); - среднеконечная температура продукта, °С; - удельная теплоемкость сухих веществ кДж/(кг×К).

Суммируя правые части всех слагаемых, получаем

, (9)

где , кДж/(кг×К).

Значение удельной теплоемкости продукта в замороженном состоянии должно быть определено по средней температуре продукта в процессе замораживания - между криоскопической и средней конечной температурами.

Продолжительность процесса замораживания. Продолжительность полного замораживания плиты начальной толщиной l при начальной температуре, равной криоскопической t_кр, определяется по формуле

. (1)

Из анализа следует, что при одних и тех же условиях тело в форме цилиндра замерзает в 2 раза, а в форме шара в 3 раза быстрее, чем в форме пластины толщиной l = d.

Формула Р.П. Планка для определения продолжительности замораживания тел различной стереометрической формы

, (2)

где - коэффициент пропорциональности, характеризующий стереометрическую форму замораживаемого тела.

Влияние различных факторов на процесс замораживания. Форма тела очень сильно влияет на продолжительность замораживания. Тела в форме цилиндра и шара диаметром d замораживаются соответственно в 2…3 раза быстрее, чем тело в форме пластины толщиной l = d.

Увеличение толщины пластины, диаметра цилиндра или шара вызывает увеличение продолжительности замораживания.

Влияние коэффициента теплоотдачи и теплопроводности на продолжительность замораживания относительно сложное. При малых величинах l или d увеличение коэффициента вызывает значительное сокращение продолжительности замораживания.

При большой толщине замораживаемого продукта влияние коэффициента возрастает, а коэффициента существенно снижается.

Значения коэффициентов , которые колеблются в широких пределах, зависят прежде всего от метода замораживания, вида охлаждающей среды, непосредственного контакта между охлаждающей средой и упаковкой продукта, скорости движения охлаждающей среды, температуры, формы продукта.

Перепад температур. Продолжительность замораживания обратно пропорциональна разнице температур замораживаемого продукта и охлаждающей среды. Этот фактор играет большую роль в морозилках с принудительной циркуляцией воздуха, где коэффициенты теплопередачи обычно небольшие и продолжительность замораживания можно сократить, главным образом, путем снижения температуры воздуха.

Скорость замораживания. Скорость замораживания не является величиной постоянной, а меняется в зависимости от расстояния от наружной поверхности охлаждаемого тела до границы ледовой структуры. Эта зависимость определяет реальную линейную скорость перемещения фронта ледовой структуры в данном сечении тела. Представляет интерес формирование этой величины в зависимости от условий протекания процесса и формы тела. Для плоской пластины толщиной l можно вывести уравнение

. (1)

Коэффициент теплоотдачи в значительной степени влияет на скорость замораживания только поверхностного слоя продукта, и это влияние резко уменьшается по мере продвижения в глубь тела.

Средняя скорость замораживания. Местную линейную скорость замораживания в данном участке тела определяют только для специфических целей. В практике замораживания оперируют обычно понятием так называемой средней линейной скорости замораживания , где – размер продукта (расстояние от так называемого термического центра продукта до охлаждаемой поверхности), см; – продолжительность замораживания, ч.

Термический центр продукта – это точка с минимальной скоростью замораживания, т. е. точка, замерзающая в последнюю очередь. Для однородных тел она совпадает с геометрическим центром, и тогда в расчетных формулах вместо для шара и цилиндра с бесконечной длиной ставят радиус r_е, а для бесконечной пластины – половину ее толщины l_е /2.

Эффективная продолжительность замораживания – это время необходимое для снижения температуры продукта определенной формы от средней начальной температуры t _o до требуемой по технологии температуры t_e в термическом центре продукта.

Эффективную скорость замораживания w_e получают делением половины толщины продукта l_e на эффективную продолжительность замораживания

. (2)

Средняя конечная температура замораживания. В конце процесса замораживания продукт имеет неравномерную температуру. Наиболее низкая температура на поверхности продукта, и по мере приближения к термическому центру данного продукта она постепенно повышается. Для технологической практики важное значение имеет средняя конечная температура замораживания продукта. Это температура, которую можно достигнуть в данном продукте, если его помещать из морозилок непосредственно в адиабатические условия. По данным Г. Чижова, эту температуру приближенно можно принимать за среднюю арифметическую температуру поверхности и центра продукта

, (3)

где – конечная температура поверхности продукта, °С; – конечная температура в центре продукта, °С.

⇐ Предыдущая12

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: