Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплотехника. Учебное пособие
.pdf
151
либо обычными холодильными камерами. В некоторых случаях
применяют специальные охладители.
В производстве масла холод применяют для охлаждения
сливок после пастеризации и при их созревании, в процессе
сбивания масла и непосредственно после его изготовления. Для
непродолжительного хранения (в пределах 1-1,5 мес.) масло
охлаждают приблизительно до –1…–2
хранения до более низких температур.
Сыродельное производство использует холод при посоле
сыров и для охлаждения готовой продукции.
В производстве кисломолочных продуктов холод применяют для создания необходимой температуры воздуха в камерах, где производится выдержка продуктов, вырабатываемых
термостатным способом, или для охлаждения танков при резервуарном способе производства. Простоквашу, например, выдерживают при температуре окружающего воздуха 0-1 оС, кефир
при 6-8 оС. При выработке сметаны холод нужен главным образом для охлаждения сливок, из которых ее изготовляют. Охлаждают их после пастеризации и заквашивания и во время созревания. После пастеризации сливки охлаждают до температуры
18-22 оС. Сквашенные сливки помещают в холодильные камеры
для охлаждения и созревания. Здесь продукт выдерживают в
течение 1-2 суток при температуре 5-8
ных заводах сквашивание сливок, их охлаждение и созревание
сметаны производят в специальных сливкосозревательных ваннах. Готовую сметану направляют в камеры хранения, где она
еще охлаждается на несколько градусов в зависимости от предстоящих сроков хранения.
Холод широко используют также в производстве творога,
творожных изделий, сгущенного молока и других молочных
продуктов.
о
С, а для длительного
о
С. На больших молоч-
152
Глава семнадцатая
ЗАМОРАЖИВАНИЕ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
17.1. Сущность процесса замораживания
Замораживанием называют процесс частичного или полного превращения тканевой жидкости замораживаемого продукта в лед. Наличие фазового перехода – отличительная особенность процесса замораживания. Скоропортящиеся пищевые
продукты замораживают для увеличения сроков хранения (мясо,
птица, рыба, овощи) или получения продуктов с новыми вкусовыми товарными качествами (мороженое, плоды, ягоды). Замораживание используется и как составной элемент некоторых
технологических процессов – концентрирования плодовых соков, уксуса, сублимационной сушки и др.
Наибольшее распространение замораживание получило
как подготовительный процесс для длительного холодильного
хранения продуктов.
Длительность хранения скоропортящихся продуктов с высоким содержанием влаги в замороженном виде значительно
больше, чем в охлажденном. Превращение влаги продукта из
жидкого состояния в кристаллическое приводит к существенному торможению жизнедеятельности микроорганизмов, а также
значительно снижает скорость биохимических и химических
реакций, происходящих в пищевых продуктах. При замораживании в пищевых продуктах происходят изменения, не позволяющие полностью восстановить их первоначальные свойства.
Поэтому в технологическом отношении процесс замораживания
считается не полностью обратимым. Технологическая необратимость не является недостатком, если не ухудшаются пищевые
и вкусовые показатели, а также товарный вид продукта. Замораживание требует более сложного холодильного и технологического оборудования, чем охлаждение.
Процесс замораживания более длительный и энергоемкий,
что приводит к увеличению стоимости замороженных продуктов по сравнению с охлажденными.
153
Технологически процессу замораживания предшествует
процесс охлаждения продукта до криоскопической температуры
tкр, после чего начинается льдообразование – фазовый переход
жидкой среды в твердое состояние.
При достижении криоскопической температуры tкр кристаллы льда в тканевой жидкости не образуются вследствие
остаточного теплового движения молекул (рис. 17.1). Для образования устойчивых кристаллов льда требуется некоторое понижение температуры относительно криоскопической. Такое
понижение температуры принято называть переохлаждением
Δtпо. Для каждого вида пищевых продуктов предельное переохлаждение Δtпо имеет конкретные значения: 5 оС – для мяса,
птицы, рыбы; 6 оС – для молока; 11 оС – для яиц.
Рис. 17.1. Процесс переохлаждения пищевых продуктов
Тканевая жидкость продуктов животного и растительного
происхождения представляет собой водный раствор минеральных и органических веществ. Льдообразование такого раствора
начинается при температуре несколько ниже 0 оС. Температура
начала льдообразования, называемая криоскопической tкр, зависит от свойств и концентрации растворенных в воде веществ, а
также от свойств растворителя. Зависимость криоскопической
температуры от концентрации раствора может быть показана на
примере простейшей двухкомпонентной (бинарной) системы
(рис. 17.2). В качестве такой системы выбран водный раствор
154
хлористого натрия или хлористого кальция. Диаграмма состояния построена для идеального случая, когда температурное поле
раствора равномерное, переохлаждение отсутствует.
При нулевой концентрации ζ криоскопическая температура t
соответствует температуре замерзания чистого раствори-
кр
теля (воды). При повышении концентрации ζ криоскопическая
температура tкр раствора понижается и достигает минимального
значения при ζэ, называемой эвтектической концентрацией.
Минимальная температура замерзания tэ для конкретного раствора получила название эвтектической температуры.
Пространство над кривыми диаграммы (зона А) соответствует однородному жидкому раствору и не претерпевает фазовых превращений.
Рис. 17.2. Зависимость криоскопической температуры
от концентрации бинарного раствора (водного раствора соли)
Если концентрация раствора меньше эвтектической, то
понижение температуры ниже криоскопической приводит к выделению из раствора растворителя (воды) в твердой фазе (зона
В) и повышению концентрации незамерзшего раствора.
При достижении концентрации раствора, равной эвтектической, процесс его замораживания будет осуществляться без
изменения концентрации, как однокомпонентного вещества.
Охлаждение раствора с концентрацией выше эвтектической (зона С) будет сопровождаться выделением растворенного
вещества в твердокристаллическом состоянии. Выделение растворенного вещества (соли) будет происходить до достижения
эвтектической концентрации раствора.
155
Замораживание пищевых продуктов животного и растительного происхождения аналогично процессу замораживания
раствора с доэвтектической концентрацией, так как тканевые
соки являются растворами малой концентрации.
Эвтектическая температура тканевых соков пищевых продуктов определяется составом растворенных в воде веществ и
составляет –55... –65 оС.
Тканевую жидкость, превратившуюся в лед при замораживании пищевых продуктов, называют вымороженной. Поскольку при замораживании не вся тканевая жидкость превращается в лед, принято оценивать долю вымороженной жидкости
ω в виде:
ω = mл/mв, (17.1)
где mл – масса вымороженной тканевой жидкости (льда), кг;
mв – масса тканевой жидкости в замораживаемом продукте, кг.
Масса тканевой жидкости в продукте определится как
mв = mW, (17.2)
где m – масса продукта, кг;
W – доля жидкости в продукте.
Доля вымороженной жидкости может изменяться от ω = 0
(твердая фаза отсутствует) до ω = 1 (полностью отсутствует
жидкая фаза).
17.2. Средняя конечная температура замораживания
При любом способе замораживания пищевых продуктов
теплота отводится с поверхности тела, а глубинные слои имеют
более высокую температуру. Эта разность температур будет
иметь место и к моменту завершения процесса замораживания
продукта. Если после завершения процесса замораживания продукт поместить в камеру хранения, то по истечении длительного
времени температура продукта станет одинаковой, произойдет
выравнивание температуры за счет внутреннего теплообмена.
156
,
2
)2(
..пцкc
ttt
Эта температура получила название средней конечной температуры замораживания t
Средняя конечная температура замораживания t
с.к
.
опреде-
с.к
ляется как среднеарифметическое значение между температурами в конце процесса замораживания на поверхности продукта
t
и в центре t
к.п
k.ц
.
В практике хранения замороженных продуктов средняя
конечная температура их замораживания должна быть такой же,
как и температура воздуха в камере хранения. Если она будет
выше этой температуры, то в камере нарушится температурный
режим. Более того, изменится в ней и влажность воздуха.
Следовательно, в этом случае конечная температура замораживания продуктов определяется температурой, при которой
они будут храниться. Чтобы обеспечить такую конечную температуру замораживания продукта, надо довести ее до соответствующего значения в центре продукта.
17.3. Тепловой расчет процесса замораживания
В задачу теплового расчета процесса замерзания входит
определение продолжительности замерзания и количества теплоты, отводимой от продукта.
При тепловых расчетах замораживания задаются начальной и конечной температурами продукта.
Конечная температура замораживания практически не бывает одинаковой во всех точках продукта в конце процесса, поэтому берут средние температуры продукта за процесс.
Конечная температура зависит от размеров, теплофизических свойств, а также температуры теплоотводящей среды. Она
может быть рассчитана по формулам Алямовского для тел различной формы:
пластины
157
,
2
)(
..пцкc
ttt
,
5
)32(
..пцкc
ttt
,
2
BiBit
c
п
l
Bi
3
10
)(
1
2
3
x
c
t
кр
t
п
q
Ф
A
цилиндра
шара
Для соблюдения постоянства температурного режима в
камере хранения при внесении в неё продуктов сразу после замораживания необходимо, чтобы средняя конечная температура
t
продукта после замораживания была равна температуре воз-
с.к.
духа в камере хранения. Ее можно рассчитать по формуле
tц = 2t
(Bi + 1) –
с.к.
(17.4)
где tс – температура теплоотводящей среды, оС;
– критерий Био при средней температуре замерза-
ния.
Продолжительность замерзания – время, необходимое для
замораживания продукта от начальной до заданной конечной
температуры. Она зависит от свойств продукта, толщины, формы, начальной и конечной температур замерзания, температуры
и свойств охлаждающей среды.
Продолжительность замораживания определяется по формуле Планка:
где q3 – постоянная удельная теплота, отводимая от продукта
(17.5)
при замораживании, от заданной начальной температуры до
заданной средней конечной, Дж/кг.
158
),hh(GQ
21
q3 = hн –h
где h
– средняя конечная энтальпия продукта, кДж/кг;
с.к.
hн – начальная энтальпия продукта, кДж/кг;
ρ – плотность замороженного продукта, кг/м3;
δ – толщина продукта, м;
tк – начальная криоскопическая температура продукта, оС;
tс – температура теплоотводимой среды, оС;
α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);
А – коэффициент зависящий от формы замораживания продукта (А = 2 – для пластины, А = 4 – для цилиндра, А = 6 – для
шара).
Количество теплоты, отводимой от продуктов:
Qм = G(c0(tн –tкр)+r·W·ω + cл(tкр –t
где c0 – удельная теплоемкость продукта при температуре выше
начальной криоскопической, Дж/(кг·К);
tкр – начальная криоскопическая температура, оС;
r – скрытая теплота замерзания воды, Дж/кг;
W – относительное содержание воды в продукте;
ω – количество замороженной воды при средней конечной
температуре;
t
– средняя конечная температура продукта, оС.
с.к.
Количество теплоты при его домораживании
Qл = G(r·W(ω2 – ω1)+cм · (tкр –t
где ω2 и ω1 – количество вымороженной воды при температурах
t
и tкр;
с.к.
tкр – начальная температура продукта, поступающая на домораживание (определяется как среднеобъемная), оС;
см – удельная теплоемкость продукта, кДж/(кг·К).
Расход холода на замораживание продуктов можно также
определить по формуле
, (17.6)
с.к.
)), (17.7)
с.к.
)), (17.8)
с.к.
(17.9)
159
где h1 и h2 – соответственно начальная и конечная энтальпия
продуктов, кДж/кг.
17.4. Скорость замораживания
Важной характеристикой процесса замораживания является скорость замораживания.
Скорость замораживания определяет величину кристаллов
льда, равномерность их распределения в ткани и влияет на глубину автолитических процессов и санитарное состояние продукта в период замораживания. От скорости замораживания зависят экономичность процесса и возможность механизации операций и автоматизации управления режимом.
Скорость замораживания определяется как отношение пути, проходимого фронтом кристаллообразования от поверхности
продукта в его глубину, к продолжительности прохождения.
Если глубина измеряется в сантиметрах, а время в часах, то скорость замораживания будет выражаться в см/ч.
Процесс замораживания стремятся проводить достаточно
быстро.
Скорость замораживания пищевых продуктов изменяется
в пределах от 0,1 до 100 см/ч. Медленное замораживание (0,1
см/ч) применяют для продуктов, сложенных навалом в помещениях с интенсивным движением воздуха. Ускоренное замораживание (0,5-3 см/ч) целесообразно для продуктов в упаковке – в
воздушных и плиточных морозильных аппаратах. Быстрое замораживание (3-10 см/ч) применяют для отдельных продуктов
небольших размеров, находящихся во взвешенном состоянии.
Сверхбыстрое замораживание (10-100 см/ч) осуществляют в
криогенных жидкостях (жидком азоте, жидком фреоне и др.)
методами орошения или погружения. При таких скоростях следует избегать появления трещин, о природе образования которых будет сказано далее.
Выбор скорости замораживания, а следовательно, и приемов ее увеличения определяется практической целесообразностью, технологическими требованиями, техническими возможностями и экономичностью.
160
17.5. Кристаллообразование
при замораживании продуктов
Пищевые продукты по гистологическому строению представляют собой систему взаимосвязанных клеток и внеклеточных образований. Мясо животных, птицы, рыбы имеет волокнистую структуру. Из клеток их мышечной ткани образованы тонкие волокна, которые, в свою очередь, при помощи соединительной ткани объединены в более крупные волокна, а эти последние – в пучки. Тканевый сок находится в межклеточном
пространстве, между волокнами и пучками, а также внутри клеток. В продуктах неволокнистой структуры, например плодах и
овощах, тканевый сок находится между клетками и частично в
самих клетках.
Тканевый сок в зависимости от места своего расположения имеет различную концентрацию. Поскольку крепостью раствора определяется точка его замерзания, то очевидно, что при
замораживании продуктов образование кристаллов льда начинается в тех местах, где концентрация тканевого сока наименьшая.
В тканях волокнистого строения она наиболее слабая между
пучками волокон, а в плодах и овощах – в межклеточном пространстве. Большая часть воды в плодах и овощах находится в
свободном состоянии и около 20 % в связанном виде. Свободная
влага замерзает легче, чем связанная.
Очевидно, что при обычном (небыстром) замораживании
продуктов волокнистой структуры образование кристаллов льда
начинается между пучками волокон, а в продуктах неволокнистого строения – в пространстве между клетками, в той его части, где больше несвязанной воды. В этих местах при небыстром замораживании возникает относительно небольшое число
кристаллов. Они очень скоро увеличиваются в размерах за счет
поступающей сюда влаги из клеток и волокон, где кристаллизация еще не началась, а концентрация, и, следовательно, осмотическое давление выше, чем в межклеточном межволоконном
пространствах. Влага поступает из клеток через их полупроницаемые оболочки. Вследствие этого клетки и волокна обезвоживаются, а раствор, в котором происходит льдообразование, раз-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]