5. Охлаждение пищевых продуктов
Теплофизическая основа охлаждения сводится к понижению температуры тела посредством теплообмена его с охлаждающей средой.
По технологическим соображениям обычно стремятся осуществить охлаждение возможно быстрее, так как этим обеспечивается наиболее эффективное торможение биохимических, микробиологических и других изменений, сокращающих возможную продолжительность дальнейшего хранения продуктов и способных нанести ущерб их качеству. Встречаются случаи, когда быстрое охлаждение пищевых продуктов до низкой конечной температуры неоправданно. Так, не следует чрезмерно интенсифицировать охлаждение мяса, предназначаемого для использования сразу же после его охлаждения, поскольку понижение температуры тормозит развитие посмертных изменений и мясо не достигает нужных кондиций в короткий срок. Считают также рациональным не интенсифицировать охлаждение некоторых растительных продуктов на заключительном этапе их подготовки к холодильному хранению, так как медленное понижение температуры способствует адаптации.
Теплофизические свойства охлаждаемых продуктов всегда считают постоянными на протяжении охлаждения, за исключением энтальпии их. Незначительность изменений теплофизических свойств во время охлаждения делает такой прием допустимым, тем более, что отказ от него вызвал бы большие трудности в математическом описании теплообмена при охлаждении.
Влияние испарения влаги с поверхности продуктов, охлаждаемых в воздухе, на теплообмен подлежит учету, хотя бы грубо приближенному, если только это испарение сколько-нибудь значительно. Влияние испарения на ход охлаждения может быть велико. Недаром применяют иногда охлаждение продуктов вакуумированием, когда этот процесс осуществляется за счет тепла испарения.
Внешние условия охлаждения создаются в соответствии с технологическими надобностями и техническими возможностями используемых аппаратов и устройств.
5.1. Внутренние тепловыделения охлаждаемых продуктов
Внутренние тепловыделения охлаждаемых продуктов определяются их многообразными природными свойствами.
Биохимические процессы, происходящие в тушах животных после убоя, представляют собой видоизмененные прижизненные процессы и сопровождаются выделением тепла. Они связаны с расщеплением веществ, входящих в состав мышечной ткани, - углеводов и эфиров фосфорной кислоты. Освобождающаяся при этом энергия не может быть использована для выполнения физиологических функций и выделяется в виде тепла, причем в таких условиях тепловыделение значительно больше, чем тепловыделения живого организма. Так, температура говяжьей туши в первый час после убоя могла бы повыситься в адиабатных условиях на 3,3-7,9 °С. Сходные явления наблюдаются в тушках птиц и рыб, но они исследованы менее полно.
Тепловыделение даже при постоянной температуре туши постепенно угасает по мере экзотермического распада веществ, причем распад совершается тем медленнее, чем ниже температура туши. Это связано с уменьшением активности ферментных систем, которые вызывают распад.
По данным опытов, учитывающих количество мышечной ткани в туше и теплоемкости составных частей 18, вычислено также ожидаемое повышение температуры применительно к адиабатным условиям. Конечные результаты, полученные таким путем, представлены в табл. 5.1.
Принимая среднее выделение тепла 1,05 кДж/кг за каждый час охлаждения и среднее содержание мышц в туше около 60 % от ее массы, получим эффект экзотермических процессов в говяжьем мясе при его охлаждении 0,63 кДж/(кг·ч). При продолжительности охлаждения 24-28 ч он составит около 10 % от общего тепла, отводимого от охлаждаемого тела. Если охлаждение совершается быстрее, то экзотермический эффект протекающих в нем процессов сокращается примерно на 12-15 %.
Такие же величины внутренних тепловыделений рекомендуются и при расчетах охлаждения птицы и рыбы.
При охлаждении пищевых продуктов, содержащих жидкие триглицериды жирных кислот (жиры), отвердевающие при различных температурах, выделяется тепло их кристаллизации. Такое явление обычно для охлаждения многих молочных, мясных и некоторых рыбных продуктов, содержащих значительное количество жира, но не типично для тех продуктов растительного происхождения, с которыми приходится встречаться в практике холодильной технологии.
В справочных данных о теплофизических свойствах пищевых продуктов тепловой эффект отвердевания жиров обычно включают непосредственно в числовые выражения теплоемкости и энтальпии этих продуктов при соответствующих температурах.
Таблица 5.1
Общее тепловыделение и ожидаемое повышение температуры мышц
Время от начала определений τ, ч |
Интервал между определениями τ, ч |
Общее тепловыделение Q, кДж/ч |
Ожидаемое повышение температуры мышц, °С/ч |
1 1-7 12-24 |
2 6 12 |
11,52-27,07 0,67-1,13 0,75-0,80 |
3,3-7,9 0,24-0,44 0,22-0,23 |
Чтобы выделить тепло отвердевания жиров в общем тепловом балансе при охлаждении продуктов, нужно знать количество отвердевающего жира и удельное тепло его отвердевания в области осуществляемого понижения температуры продукта. К сожалению, справочные данные для выполнения такого расчета ограниченны. Удельное тепло отвердевания жиров зависит от их состава и значительно меняется в зависимости от температуры. Медленное отвердевание жиров может также привести к зависимости тепловыделений отвердевания от скорости понижения температуры продукта.
В натуральных продуктах растительного происхождения непосредственно после их сбора продолжается дыхание, которое, будучи сложным явлением по своей биохимической природе, в основном может быть представлено как окисление некоторых углеводов. Интенсивность дыхания связана со зрелостью и температурой. Обычно интенсивность дыхания максимальна сразу после сбора растительных продуктов и постепенно уменьшается по мере расхода веществ, окисляемых при дыхании. Вместе с тем интенсивность дыхания убывает при понижении температуры.
Интенсивность дыхания z выражают в миллиграммах углекислоты, выделяемой 1 кг продукта за час. Если обозначить интенсивность дыхания при 0 °С символом z0, то связь интенсивности дыхания с температурой растительного продукта представляется экспоненциальной функцией:
где К - постоянный коэффициент;
t - температура.
Окисление углеводов, составляющее основу дыхания растительных продуктов, экзотермично, а изменения тепловыделений при дыхании связаны с температурой продукта такой же зависимостью, как и интенсивность дыхания. Так, обозначив тепловыделения одного килограмма продукта символом q, можно записать:
Данные об интенсивности дыхания и тепловыделениях растительных продуктов в зависимости от температуры представлены в табл. 5.2
Обширные данные о тепловыделениях при дыхании различных растительных продуктов в зависимости от температуры приведены в виде таблиц в рекомендациях Международного института холода 18. В частных случаях эти данные отличаются от приведенных в табл. 5.2, но в среднем различия невелики. По-видимому, тепловыделения при дыхании плодов даже одного и того же сорта, одной и той же зрелости, при одной и той же температуре не являются устойчиво постоянными, а зависят от ряда трудно учитываемых причин, и диапазон тепловыделений иногда может быть довольно значительным.
Таблица 5.2
Интенсивность дыхания и тепловыделения растительных продуктов
Продукт |
z0(CO2), мг/(кг·ч) |
q0·103 |
К |
Продукт |
z0(CO2), мг/(кг∙ч) |
q0·103 |
К |
кДж/(кг∙ч) |
кДж/(кг·ч) |
||||||
Апельсины Бананы спелые зеленые Виноград: амери- канских сортов евро- пейских сортов Вишня Грейпфрут |
3,96
7,90 6,75
3,29
4,89 6,46 2,77 |
38,13
76,68 65,36
31,84
47,85 65,43 26,82 |
0,0733
0,0782 0,0805
0,1003
0,1277 0,1338 0,0724 |
Груши: Бартлетт Рояль Дыни Лимоны Персики Сливы Яблоки Земляника Ежевика Клюква Малина Смородина черная |
3,55 5,84 5,67 4,14 8,79 7,03 4,48 16,75 23,07 2,99 27,53
10,22 |
34,36 56,56 54,89 40,22 85,08 67,88 43,58 162,14 223,33 28,91 266,48
98,88 |
0,1675 0,0597 0,1215 0,0718 0,1139 0,1149 0,0932 0,0942 0,1230 0,0605 0,1345
0,1903 |
В.З. Жадан с некоторыми упрощениями получил выражение тепла дыхания q (в кДж/кг) за время τ (в с) при постоянной и переменной температурах охлаждающего воздуха для охлаждения плодов от начальной температуры tн до конечной tK.
При постоянной температуре воздуха М = 0,93, N = 0,13; при постепенном понижении температуры воздуха М = 1,03, N = 0,074. Более простое по форме записи и одновременно более строгое решение той же задачи было предложено И. Г. Алямовским для случая постоянства температуры охлаждающего воздуха, но пользование этим решением требует обращения к таблице интегральной показательной функции.
Теплота, выделяемая при дыхании растительными продуктами, может составлять до 30 % от его общего количества, отводимого при охлаждении в течение 1-6 суток. При ускорении охлаждения тепловыделения дыхания сократятся, но все же составят заметную величину, которой не следует пренебрегать.
Таким образом, внутренние тепловыделения продуктов, как животного, так и растительного происхождения могут составлять ощутимую долю в общем количестве отводимой теплоты и их следует учитывать при расчете теплообмена во время охлаждения и при практическом осуществлении охлаждения таких продуктов.