3.7. Структурно-механические свойства пищевых продуктов

Механические свойства биологических материалов зависят от температуры. Особое место занимают поверхностные свойства, которые в значительной мере характеризуются адгезией.

Адгезия позволяет оценить связь между конструкционным материалом и продуктом при нормальном отрыве и сдвиге. Например, адгезия мясных продуктов зависит от длительности контакта пищевого продукта с конструкционным материалом, давления продукта, материала подложки и площади контакта, скорости отрыва продукта, температуры и пр. Увеличение давления и длительности предварительного контакта приводит к росту адгезии. Адгезия продуктов к подложке различна в зависимости от вида материала. Ряд материалов, расположенных в порядке убывания адгезии, имеет следующий вид: алюминий, титан, цинк, латунь, медь, фторопласт. Следовательно, выбирать материал противней, на которых будет храниться продукт, подвергаемый холодильной обработке, следует с учетом вышеназванного ряда.

Замораживание влагосодержащих продуктов сопровождается их примерзанием к блок-форме. Максимальная адгезия наблюдается при t = минус 10...минус 20 °С. Существуют температуры, при которых адгезии нет или она минимальна. Например, такая температура для фторопласта равна 0 °С, для стали минус 60 °С. С повышением температуры от минус 18 до минус 5 °С адгезия уменьшается на 30...40 % (рис. 3.8).

Максимальная ударная вязкость и прочность наблюдаются у пищевых продуктов при температуре t = 15 °С (рис. 3.9). Следовательно, при отеплении мяса перед измельчением не следует повышать температуру выше минус 5...минус 1 °С. В этом случае расходы энергии на измельчение будут минимальными.

Рис. 3.8. Изменение нормальных напряжений σ при отрыве (a) и касательных напряжений τ при сдвиге (б) мышечной ткани в зависимости от температуры t на границе сред:

1 - нержавеющая сталь; 2 - алюминий; 3 - кремнийорганический каучук; 4 - фторопласт

Рис. 3.9. Зависимость ударной вязкости α поджелудочной железы от температуры t, °С

4. Общие характеристики теплофизических процессов при холодильной обработке и хранении

ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

По теплофизическим признакам процессы холодильной технологии можно разделить на три основные группы.

1. Процессы, в которых тепло отводится от продуктов, причем их температура понижается (охлаждение, подмораживание, замораживание).

2. Процессы, в которых тепло подводится к продуктам, причем их температура повышается (отепление, размораживание).

3. Процесс, в котором температура продукта стремиться к постоянству, но в частных случаях возможен внутренний теплообмен, а также теплообмен с внешней средой при поверхностном испарении и при внутренних тепловыделениях продукта, хотя такой теплообмен невелик (холодильное хранение).

Каждому из этих процессов присущи свои важные особенности.

4.1. Поле температур и среднеобъемная температура

Полная характеристика поля температур любого тела требует решения трехмерной задачи, что сложно. В технических задачах холодильной технологии применяют решения одномерной задачи.

Приняв х = 0 в центре тела, х = ℓ на его поверхности при расположении оси х в направлении кратчайшего расстояния от центра к поверхности при температурах центра t_ц и поверхности t_ст (рис. 4.1), можно представить температуру точки с координатой х выражением:

. (4.1)

Показатель степени п в выражении (4.1) постоянен в каждый данный момент, но меняется во времени при развитии типичных нестационарных процессов холодильной технологии. Представление об изменениях температуры по оси х в случае отвода или подвода теплоты в зависимости от показателя степени п дает рис. 4.1.

Изменение значения п в нестационарных процессах холодильной технологии зависит от размера и теплофизических свойств тела, а также от коэффициента теплоотдачи α. При α → ∞ также п → ∞, но обычно значения п конечные и всегда положительные.

Например, при размораживании говяжьей полутуши, покрытой полиэтиленовой пленкой и орошаемой теплой водой, измеряли температуру поверхности, центра и промежуточного слоя бедра полутуши.

В табл. 4.1 представлены результаты измерений температуры в моменты времени от 0 до 16 часов в каждой из трех точек на различной глубине, где измерялась температура (температурные изобаты), а также в виде зависимости температуры от координаты точки измерения в различные моменты времени (температурные изохроны).

Рис. 4.1. Зависимость изменения температуры t по толщине тела х

от показателя степени п в формуле (4.1) в нестационарных теплообменных процессах:

а - при отводе теплоты от поверхности тела; б - при подводе теплоты к поверхности тела

Тогда, используя эти экспериментальные данные, по формуле (4.1) можно рассчитать значения п для фиксированных моментов времени и построить зависимость п =ƒ (τ) (рис. 4.2).

Таблица 4.1

Результаты измерения температуры в трех точках

говяжьей полутуши, ^С

Координата х точки измерения температуры	Темпера- тура, С	Время τ, час
		0	2	4	6	8	10	12	14	16
0	tц	-7,8	-5,0	-3,6	-3,0	-2,2	-1,8	-1,0	0,0	+1,8
0,5ℓ	tх	-7,2	-4,6	-3,0	-2,0	-0,8	-0,1	1,0	+2,4	+4,8
ℓ	tст	-6,6	-2,0	+1,0	+5,2	+9,4	+12,4	+15,0	+17,0	+17,2
п		1,0	2,91	2,94	3,04	3,09	3,06	3,00	2,82	2,38

Если холодильная обработка продуктов выполняется в воздухе, то обычно 3 ≥ п ≥ 1, а если она осуществляется с применением жидкостей, то 4 ≥ п ≥ 1 на протяжении всего процесса. Отклонения от этих пределов возникают сравнительно редко.

Формула (4.1) не всегда точно описывает любую температурную изохрону тела; отклонения реальных изохрон от соответствующих формуле (4.1) легко обнаруживаются вычислением. Так, если по реальным опытным температурным изохронам вычислить показатель степени п, приняв различные значения ℓ > х > 0 и соответствующие им значения t_х, то вычисленные показатели степени п могут не вполне совпадать один с другим. Однако формулу (4.1) можно считать вполне приемлемой аппроксимацией для описания реальных температурных изохрон, простой и удобной при математическом описании температурного поля тела.

Обычно числовые значения п, соответствующие наибольшему приближению расчетного изменения температуры тела по его толщине к действительному, удается получить, когда для расчета п берут точку с координатой х = 0,5ℓ или близкую к ней.

Однако, чтобы воспользоваться этой формулой для расчета нестационарного температурного поля, необходимо из графиков зависимости безразмерной избыточной температуры от критериев Био и Фурье или результатов эксперимента отыскать значения t_ц и t_cт, а также иметь экспериментально найденную зависимость п =ƒ (τ) (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Зависимость показателя степени п от времени τ

при размораживании бедра говяжьей полутуши в полиэтиленовой пленке

орошением теплой водой

В анализе теплофизических процессов холодильной технологии и соответствующих тепловых расчетах необходимой величиной является среднеобъемная температура тела, которая в нестационарных процессах меняется во времени в соответствии с изменением поля температур и в зависимости от влияния температуры на теплофизические свойства тела. Физически следует представлять среднеобъемную температуру тела как достигаемую в адиабатных условиях, если задана характеристика температурного поля тела в предшествующий момент. Если теплоемкость тела представляет собой функцию температуры, а температурное поле его неравномерно, то отыскание среднеобъемной температуры становится сложной задачей. Задача упрощается, когда теплоемкость можно считать не зависящей от температуры или пользоваться представлением о среднеобъемной теплоемкости. Тогда среднеобъемная температура тела представляется интегралом:

. (4.2)

Из формулы (4.2) можно получить частные решения для трех классических простых форм однородных тел:

для пластины (при решении в прямоугольных координатах)

;

для бесконечного прямого цилиндра (при решении в цилиндрических координатах)

;

для шара (при решении в сферических координатах)

.

В этих трех решениях сохраняется условие х = 0 в центре тела и х = ℓ на его поверхности.

Используя формулу (4.1), получим в общем случае следующее:

t_v = t_ц - ψ(t_ц-t_ст), (4.3)

где ψ = 1/(n +1) для пластины, ψ = 2/(n + 2) для цилиндра; ψ = 3/(n + 3) для шара.

Сопоставляя формулы (4.1) и (4.3), легко определить координату точки, температура которой оказывается численно равной среднеобъемной температуре тела. Эту координату находят из зависимости:

х = ℓψ^1/n.

Для использования формулы (4.3) при теплофизических расчетах холодильной технологии требуется задать температуру поверхности тела, что соответствует по этому признаку граничным условиям первого рода. Обычно нет возможности задать численно температуру поверхности тела или продукта при его холодильной обработке. Поэтому возникает необходимость перейти к граничным условиям третьего рода, задав температуру теплоотводящей среды и коэффициент теплоотдачи на поверхности тела, что вполне осуществимо.

Из дифференциального уравнения теплообмена, выражающего граничные условия третьего рода в виде равенства количества теплоты, передаваемого внутри тела теплопроводностью и на его поверхности конвекцией и представленного в форме:

получим производную:

.

Из выражения (4.1) при х = ℓ та же производная будет иметь вид:

.

Приравняв оба выражения производной и приняв во внимание критерий Био Вi =αℓ/λ, получим следующее:

n(t_ц-t_ст) = Вi(t_ст- t_с).

Несложное преобразование последнего соотношения дает следующее:

. (4.4)

Тогда совместное решение формул (4.3) и (4.4) позволяет получить выражение среднеобъемной температуры тела для граничных условий третьего рода.

(4.5)

Для краткости записи обозначим .

Представления, связанные с характеристиками поля температур продукта и его среднеобъемной температурой, важны для описания и анализа теплофизических процессов холодильной технологии и имеют большую практическую значимость.

Например, когда продукты после охлаждения или замораживания направляют в камеру холодильного хранения, не должно происходить повышения или понижения температуры в камере. При этом продолжительность охлаждения или замораживания определяется временем достижения продуктом температуры его последующего хранения. Такое условие будет соблюдено, если принять среднеобъемную температуру продукта равной температуре воздуха в камере хранения.