19. Изменение теплофизических свойств (плотности, удельной теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности продукта при замораживании)

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.

ρ×10-3,кг/м3

1

0,92

Рисунок 5 – Зависимость изменения плотности воды от температуры Теплоемкость. Удельную теплоемкость замороженного продукта призаданной

температуре рассчитывают по формуле

замораживании уменьшается. Но формула (23) не учитывает теплоты фазового перехода воды в лед при изменении температуры единицы массы продукта на 1 оС, q , кДж/(кг·К), которую находят по формуле

где (ω2-ω1) – разность в количествах вымороженной воды при изменении температуры на 1К, 1/К;

32

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

В начале процесса, при температуре равной криоскопической удельная теплоемкость имеет наибольшее значение. В это время СЗ=Со, а qω имеет наибольшее числовое значение. Когда вымораживание воды закончено, qω=0, а СЗ.п.=СЗ. Зависимость изменения удельной теплоемкости продукта от температуры представлена нарисунке 6.

С,

Сω

q

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, λ3, Вт/(м·К), при любой отрицательной температуре можно найти по приближенному уравнению

∆λ – приращение теплопроводности при вымораживании всей влаги. Для биологических материалов ∆λ = 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 представлен на рисунке 7.

33

Рисунок 7 – Зависимость изменения теплопроводности продукта от температуры

а

t ºC

Рисунок 8 – Зависимость изменения температуропроводности продукта от температуры

34

20. Структурные и качественные изменения в продуктах при замораживании. Параметры, определяющие режим замораживания, и факторы, влияющие на их выбор

При понижении температуры продуктов до криоскопической, изменение их свойств незначительно, т.к. при охлаждении незначительно изменяются свойства воды. 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. Т.о., свойства замороженных пищевых продуктов зависят от соотношения жидкой и твердой фаз.

При замораживании изменяются структура и качество продукта, а именно происходит: – изменение окраски из-за оптического эффекта (преломление лучей 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.

Замораживание сопровождается понижением активности микроорганизмов без их полного уничтожения. Устойчивость микробной клетки к замораживанию зависит от рода

ивида 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, Vзам, 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 (vзам = 0,1÷0,5 см/ч); ускоренное (vзам = 0,5÷3 см/ч); быстрое (vзам = 3÷10 см/ч); сверхбыстрое (vзам = 10÷100 см/ч).

Медленное замораживание обычно применяют для продуктов, сложенных навалом или в подвешенном состоянии в помещениях с интенсивной циркуляцией 44 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

35

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. 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, 45 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.

36