5.4. Замораживание пищевого сырья

Замораживание – это технологический процесс, при котором температура тканей пищевого сырья искусственно понижается до температуры намного ниже температуры начала замерзания клеточного сока с последующим хранением сырья при низких отрицательных температурах. Наиболее часто при замораживании пищевого сырья его температура понижается от начальной до минус 18 ^оС.

5.4.1. Изменение свойств пищевого сырья при замораживании

При замораживании происходят физические, физико-химические, гистологические и микробиологические изменения. Многие из них в основном обусловлены превращением воды в лед при низких температурах.

При замораживании увеличивается твердость пищевого сырья, особенно значительно в пределах температур от —1 до —5 °С. Так, при температуре —2°С твердость продукта в 8...10 раз больше, чем у охлажденного, при —3 °С — в 20...25, а при —4 °С — в 35...40. Понижение температуры до —50...—60 °С сопровождается повышением его прочности, по мере дальнейшего понижения температуры (от —80 до —200 °С) прочность уменьшается.

Замораживание пищевого сырья сопровождается увеличением упругих свойств и уменьшением пластичных свойств.

При понижении температуры до —50...—80 °С у них преобладают упругие свойства, а при более низких температурах наблюдается увеличение хрупкости продукта.

В процессе замораживания объем воды увеличивается на 9 %. Поскольку пищевое сырье содержит большое количество воды, то и его объем увеличивается обычно на 5...6 %, что необходимо учитывать при замораживании продукта, так как неправильное и небрежное укладывание в блок-формы или переполнение их, излишняя подпрессовка приводят к разрушению тканей.

Плотность продуктов при замораживании уменьшается, при­чем тем больше, чем больше воды они содержат и чем ниже температура, достигаемая при замораживании. Это объясняется расширением воды при превращении ее в лед.

У большинства продуктов уменьшение плотности при замо­раживании не превышает 5-8%, поэтому при технических тепловых расчетах можно считать ее постоянной.

Замораживание мяса, птицы и рыбы сопровождается уменьшением водоудерживающей способности тканей, что вызвано денатурацией белков актомиозинового комплекса, а также образованием льда, под действием которого изменяются меж- и внутримолекулярные взаимодействия гидрофильных групп белков. Мясо мороженое имеет более жесткую и сухую консистенцию, чем мясо охлажденное.

В процессе замораживания пищевого сырья вода превращается в лед, что приводит к изменению концентрации тканевого сока и ионного равновесия. Среда становится кислой, рН среды сдвигается в кислую сторону на 1,5...2,0 единицы, нарушаются связи между отдельными молекулами веществ, содержащихся в тканевом соке.

При понижении температуры хранения замедляются гидролитические процессы. Однако в зоне температур от—2 до —10°С гидролиз ускоряется; при дальнейшем понижении температуры он замедляется, однако полностью не приостанавливается даже при —30...—40°С.

При замораживании в мясе, птице и рыбе происходит разрушение гликогена, креатинфосфата, аденозинтрифосфорной кислоты, некоторых пигментов. Особенно быстро эти соединения разрушаются в зоне температур от —1 до —5°С. При этих же температурах наблюдается быстрая денатурация белков, в результате которой уменьшаются их растворимость, способность к набуханию, водоудерживающая способность. Денатурация белков влияет на состояние мышечной ткани. Консистенция становится более жесткой, сухой, нарушается коллоидное состояние.

В процессе замораживания происходят гистологические изменения в структуре пищевого сырья. У сырья до замораживания ткани упругие, волокна плотно прилегают друг к другу. При быстром замораживании гистологическая структура изменяется меньше, чем при медленном замораживании.

При замораживании наблюдается усушка пищевых продуктов, которая зависит от их вида, размера, физиологического состояния, способа разделывания, а также скорости замораживания, вида охлаждающей среды и целого ряда других факторов. Если пищевой продукт перед замораживанием упакован в водо- и паронепроницаемую тару, то потеря воды будет незначительной. Однако иней может осаждаться внутри упаковки, если между поверхностью продукта и упаковкой будет воздушное пространство. Продукты, замораживаемые неупакованными, утрачивают в результате потери воды 0,5…1,5 % своей массы и больше, что зависит от температуры, скорости и способа замораживания, а также от вида продукта. У измельченных продуктов (например, фарша) усушка больше, чем у неизмельченных.

При замораживании в пищевом сырье подавляется жизнедеятельность микроорганизмов. Многие из них (80...90 % от первоначального содержания) погибают. Это является результатом воздействия на микроорганизмы низкой температуры, увеличения концентрации тканевого сока при превращении воды в лед, изменения рН среды. Максимальная гибель микроорганизмов наблюдается в интервале температур от 0 до —5 °С.

Гистологические исследования показывают, что сырье животного происхождения целесообразно замораживать до наступления в нем посмертного окоченения или же в состоянии расслабления его тканей. При замораживании в стадии посмертного окоченения на мышечную ткань оказывают влияние неблагоприятные условия, создающиеся в процессе замораживания (увеличение концентрации тканевого сока, изменение рН среды, солевого состава мышечного сока и т.д.).

Вымораживание воды в биологических системах при пони­жении их температуры ниже криоскопической существенно из­меняет теплофизические свойства продуктов. Свойства сухих ве­ществ продуктов при их замораживании практически остаются постоянными. Следовательно, основной и почти единственной причиной изменения теплофизических свойств пищевых продук­тов при замораживании является превращение свободной воды в лед, так как теплофизические свойства воды и льда различны (табл. 41).

Таблица 41

Теплофизические свойства воды и льда

Показатель	Вода	Лед
Удельная теплоемкость, кДж/(кг·К) Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) Коэффициент температуропроводности, м2/ч	4,19 0,56 0,00045	2,12 2,24 0,00365

Полная удельная теплоемкость продуктов при заморажива­нии включает скрытую теплоту фазового превращения (льдооб­разования) воды. Значение q_ωмаксимально при начальной криоскопической температуре продукта и уменьшается с пони­жением его температуры.

В тепловых расчетах процессов замораживания пользуются условной теплоемкостью замороженных продуктов, в которую не включают скрытую теплоту льдообразования. Эту условную удельную теплоемкость можно определить по следующему вы­ражению:

с_м= с_с(1 – W) + с_лWω + с_вW(1-ω), (1)

где с_м - условная удельная теплоемкость мороженых продуктов, кДж/(кг·К);

с_{с -} удельная теплоемкость сухих веществ, кДж/(кг·К), для продуктов животного происхождения с_с составляет 1,34—1,68 кДж/(кг·К), а для рас­тительных — не более 0,9 кДж/(кг·К); с_л —удельная теплоемкость льда, кДж/(кг·К), с_л =2,12 кДж/(кг·К); с_в —удельная теплоемкость воды, кДж/(кг·К), с_в =4,24 кДж/(кг·К); W—массовая доля воды в продуктах; ω — относительное количество вымороженной воды (определяется при той температуре, для которой необходимо вычислить удельную теплоемкость).

Преобразовав выражение (1) и подставив в него значения с_ли с_в, получим

с_м= с_о- (с_в– с_л) Wω = с_о– 2,12 Wω, (2)

где с_о — удельная теплоемкость незамороженного продукта (при начальной криоскопической температуре), кДж/(кг·К).

Теплоту льдообразования для единицы массы продукта при изменении температуры на один градус q_ω[в кДж/(кг·К)] на­ходят по формуле

q_ω = (ω₂ — ω₁) Wr_л

где (ω₂ — ω₁) - разность относительных количеств вымороженной воды при изменении температуры на один градус; W—массовая доля воды в продук­тах; r_л—удельная скрытая теплота льдообразования, кДж/(кг·К), r_л=335 кДж/кг (при 0 °С).

Удельную теплоту льдообразования при различных темпера­турах приближенно вычисляют по формуле r_л =335+2,12t где t—температура мороженого продукта, °С.

Полная удельная теплоемкость замороженного продукта

с_ω= см + q_ω

где с_ω— полная удельная теплоемкость замороженного продукта, кДж/ (кг·К);

с_м —условная удельная теплоемкость замороженного продукта, кДж/(кг·К);

q_ω — теплота льдообразования единицы массы продукта при изменении тем­пературы на один градус, кДж/(кг·К).

Разница между значениями с_ω и с_м максимальна при началь­ной криоскопической температуре, когда с_м= с_о, a q_ωимеет наи­большее числовое значение. После окончания вымерзания воды q_ω= 0 и с_ω =с_м.

Для вычисления полной удельной теплоемкости некоторых пищевых продуктов при температурах ниже криоскопической можно пользоваться приближенной эмпирической формулой

с_ω= n — m/t, (3)

где с_ω —полная удельная теплоемкость мороженого продукта, кДж/(кг·К);

t—температура, при которой определяется полная теплоемкость мороженого продукта, °С.

Значения постоянных n и m в формуле (3) приведены в табл. 42.

Таблица 42

Продукт	n	m
Говядина	0,670	39,40
Свинина
при W== 52 %	0,545	29,20
при W ==76,8 %	2,810	11,53
средние значения	1,885	17,35
Пикша, треска, морской окунь	0,755	37,30

В отличие от удель­ной теплоемкости коэф­фициент теплопровод­ности нельзя подсчитать по обычным законам сме­шения. Когда в продук­тах не происходит льдо­образования, коэффици­ент теплопроводности их меняется мало, поэтому в технических расчетах его можно при­нимать постоянным. Если при понижении температуры в про­дукте начинается льдообразование, то это значительно влияет на теплопроводность вследствие того, что коэффициент тепло­проводности у льда примерно в 4 раза больше, чем у воды. Это позволяет представить теплопроводность замораживаемого про­дукта в функции от температуры.

Коэффициент теплопроводности льда в технических расчетах принимают в пределах 2,22—2,33 Вт/(м·К), считая ее постоян­ной. В действительности теплопроводность льда при понижении температуры увеличивается почти по линейной зависимости, до­стигая при —120°С около 3,84 Вт/(м·К):

λ_л= 2,22 (1+0,005 t),

где λ_л — коэффициент теплопроводности льда, Вт/(м·К); t - температура льда по шкале Цельсия (по абсолютной величине).

Для пищевых продуктов, содержащих от 70 до 80 % воды (мясо, рыба, птица, некоторые плоды и овощи),

λ_м = λ_o + 0,9 ω, (4)

где λ_м — коэффициент теплопроводности замороженных продуктов, Вт/(м·К);

λ_o —коэффициент теплопроводности продуктов при температуре выше криоскопической, Вт/(м·К); ω — относительное количество воды, вымороженной при данной температуре.

Для расчета коэффициента теплопроводности некоторых пи­щевых продуктов при замораживании можно пользоваться при­ближенной эмпирической формулой

λ_м = п + m/t, (5)

где λ_м — коэффициент теплопроводности замороженных продуктов, Вт/(м·К);

т и п—постоянные, значения которых приведены в табл. 43.

Таблица 43

Продукт	п	т
Треска, пикша Судак Рыба частиковая	1,23 1,19 1,48	0,58 0,77 1,03
Говядина Свинина	1,50 3,36	1,08 1,55

Возрастание теплопроводности продукта при понижении тем­пературы практически заканчивается с окончанием льдообразования, если пренебречь дальнейшим незначитель­ным изменением тепло­проводности льда и дру­гих составляющих. Зна­чения коэффициента теп­лопроводности некоторых пищевых продуктов све­жих и замороженных представлены в табл. 44, из которой следует, что коэффициенты теплопроводности свежих и замороженных про­дуктов сильно различаются.

Таблица 44

Продукты	Коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(м К)
	свежего λм	замороженного λм
Говядина Свинина мясная жирная Треска (филе) Яйца	0,455—0,500 0,500 0,370 0,535 0,430	1,1—1,4 1,57 0,72 1,20 0,97

Температуропроводность продуктов с началом льдообразо­вания возрастает, так как одновременно уменьшается теплоем­кость и увеличивается теплопроводность. Возрастание темпера­туропроводности при понижении температуры продукта практи­чески заканчивается с завершением льдообразования в нем. Расчетный коэффициент температуропроводности

а_м = λ_м /(с_м ρ_м),

где а_м — расчетный коэффициент температуропроводности продукта, м²/с;

λ_м — коэффициент теплопроводности замороженных продуктов, Вт/(мК);

с_м — удельная расчетная теплоемкость замороженных продуктов, Дж/(кгК);

ρ_м — плотность замороженного продукта, кг/м³.

Для большинства пищевых продуктов

а_м = а_о + (2,08·10^-6) ω, (6)

где а_м — расчетный коэффициент температуропроводности замороженных продуктов, м²/с; а_о — коэффициент температуропроводности продуктов при температуре выше криоскопической, м²/с; ω — относительное количество воды, вымороженной из продуктов при данной температуре.