ОТХВ (курс лекцій)2012

Масліков М.М. Основи теплотехнології харчових виробництв: Курс лекцій для студ спец. 6.050601 “Теплоенергетика” напряму 050601 “Теплоенергетика” ден., заоч. та скороч. форм навч. – К.: НУХТ, 2012.– 161 с.

М. М. МАСЛІКОВ, канд. техн. наук

Рецензент М. О. ПРЯДКО, доктор техн. наук

© М.М.Масліков 2012 © НУХТ, 2012

2

3

ВСТУП

Основи теплотехнології харчових виробництв (ОТХВ) – дисципліна, що вивчає технологію різних харчових виробництв, звертаючи особливу увагу на теплове оброблення сировини, напівфабрикатів, харчових продуктів. Вона необхідна теплоенергетикам, які працюватимуть на підприємствах харчової промисловості.

Завдання цієї дисципліни – дати студентам-теплоенергетикам знання про:

-технологічні послідовності вироблення різних харчових продуктів;

-властивості харчових продуктів, сировини, напівфабрикатів;

-способи оброблення сировини та напівфабрикатів;

-сучасні ресурсота енергоощадні технології харчових виробництв.

Після вивчення дисципліни студенти-теплоенергетики повинні вміти:

-проводити технологічні розрахунки основних процесів харчових виробництв: потреби у сировині, виходи продуктів та напівфабрикатів;

-аналізувати окремі технологічні процеси;

-вибирати оптимальні умови перебігу основних теплотехнологічних процесів харчових виробництв.

4

1. ХІМІЧНИЙ СКЛАД І ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ

1.1. Склад харчових продуктів

Харчові продукти – це продукти, що їх людина регулярно вживає у їжу для отримання необхідних для життя поживних речовин та енергії (хліб, м’ясо, молоко, овочі, фрукти тощо). Не слід плутати харчові продукти з іншими речовинами (ліки тощо) – їх вживають у їжу з іншою метою.

Харчові продукти можна оцінювати за різними показниками: органолептичними (колір, смак, запах, консистенція та інші показники, що сприймаються органами відчуттів), хімічними (хімічний склад), енергетичними (енергетична цінність або калорійність). Для людського організму найважливішими є харчова цінність, що визначається вмістом у продукті речовин, необхідних для життєдіяльності організму та енергетична цінність – кількість енергії, що надходить до організму внаслідок перетравлення продукту. Як харчова, так і енергетична цінності визначаються хімічним складом продукту. Крім того, склад продукту визначає його властивості, у тому числі ті, що важливі для теплового чи холодильного оброблення.

Харчові продукти містять багато різних речовин, різних за своєю природою. Вода є основною складовою більшості продуктів. Її вміст у харчових продуктах коливається у широких межах: від 0,1% (цукор-пісок) до 95% (фрукти та овочі). Вона є основним розчинником, бере участь у біохімічних реакціях, осмотичних та дифузійних явищах, транспортує розчинні речовини у організмі. Частина води (зв’язана вода) входить до складу колоїдних систем, властивості яких визначають властивості харчових продуктів та взаємодії у них. Крім того, вода є середовищем життєдіяльності для мікроорганізмів, що містяться у продуктах, тому вологовміст істотно впливає на стійкість продуктів під час зберігання. Так продукти з вологовмістом понад 15% надто схильні до хімічних та мікробіологічних змін, тому для них бажане (а часто і обов’язкове) холодильне зберігання. Під час теплового чи холодильного оброблення харчових продуктів вода може змінювати свій агрегатний стан (лід/рідина/пара), що істотно впливає

на властивості продуктів.

Білки (протеїни) є основною частиною рослинних та тваринних клітин, а отже і харчових продуктів. Це високомолекулярні сполуки, що складаються з амінокислот. Містять вуглець, водень, кисень азот, сірку, інколи фосфор. За властивостями поділяються на прості (альбуміни, глобуліни, еластин, кератин, колаген та ін.) та складні (казеїн, хроматин), що складаються з молекули простого білка і приєднаної до неї молекули іншої речовини. З білками надходять до організму амінокислоти, у тому числі незамінні, що є будівельним матеріалом для тканин організму, а також сприяють кровотворенню, нормальній роботі нервової та імунної систем. Стан, у якому білки перебувають у живих рослинних та тваринних органах зветься нативним. Але білки легко й швидко змінюються під

5

впливом різних факторів. Зокрема, під час нагрівання чи охолодження білків у них відбуваються глибокі зміни. Цей процес зветься денатурацією. Отже білки, з одного боку, мають високу харчову цінність, а з другого – схильні до значних змін. Тому для раціонального зберігання білкових продуктів необхідно створювати такі умови, щоб ці зміни були мінімальними.

Жири (ліпіди) дуже поширені в живій природі. Спільною для них є нерозчинність у воді і розчинність у органічних сполуках (ефіри, спирти, бензин тощо). Вони складаються з багатоатомних спиртів та органічних жирних кислот. До складу жиру може одночасно входити декілька жирних кислот, причому кислотний склад жиру визначає його фізико-хімічні властивості. Насичені жирні кислоти стійкі, ненасичені – легко окиснюються та полімеризуються. Жири поділяються на дві основні групи: нейтральні жири (гліцериди) та ліпоїди. Гліцериди – це насичені ефіри гліцерину та жирних кислот. Ліпоїди (жироподібні речовини) в свою чергу поділяються на фосфатиди (лецитин, цефалін та ін.) і стериди (холестерин, фітостерин, ергостерин). Харчова цінність жирів полягає у можливості накопичувати максимальну кількість енергії у одиниці маси, завдяки чому вони відіграють роль акумулятора енергії у організмі. Крім того жири входять до складу багатьох тканин організму.

До вуглеводів відносяться всі прості цукри або моносахариди (глюкоза, фруктоза галактоза), а також речовини, що можуть бути перетворені в них шляхом гідролізу (сахароза, лактоза, крохмаль, целюлоза тощо). Вони містяться у овочах, фруктах (глюкоза, фруктоза, крохмаль, целюлоза), цукрі а кондитерських виробах (сахароза, глюкоза, фруктоза), молоці (лактоза), печінці (глікоген). Крохмаль та глікоген є резервними речовинами відповідно рослинних та тваринних організмів, за їх допомогою у організмах накопичується енергія, тому вуглеводи – основне джерело енергії, що отримується організмом з харчових продуктів.

Мінеральні речовини входять до складу продуктів у вигляді іонів натрію, калію, кальцію, магнію, заліза, міді, цинку, хрому, ванадію, сірки, фосфору, хлору, що знаходяться у водному розчині. Вони сприяють збереженню кислотно-лужної рівноваги, підтриманню водного балансу, беруть участь у створенні та підтриманні осмотичного тиску у клітинах, а також у біохімічних реакціях. Нестача мінеральних речовин призводить до порушень у роботі організму. Так наприклад, нестача кальцію спричинює хвороби кісток та вповільнення зростання, нестача йоду викликає захворювання, відоме, як зоб, а нестача заліза – хвороби крові.

Ферменти (ензими) за будовою є білковими молекулами чи органічними кислотами. Це біокаталізатори, що синтезуються живими організмами і регулюють хімічні та біохімічні реакції у організмі. Для переведення поживних речовин у форму, що може бути засвоєна організмом, вони мають піддатися впливу одного чи кількох ферментів. Більшість ферментів руйнується при температурах понад 75°С (інактивація). Низькі температури не руйнують

6

ферментів, проте роблять їх неактивними. Знання властивостей ферментів та ферментативних процесів дозволяє вибрати раціональний режим виробництва та холодильного оброблення продуктів.

Вітаміни – це біологічно активні органічні сполуки різної хімічної природи. Вони, як і ферменти, сприяють обміну речовин, але на відміну від ферментів не виробляються організмом, а надходять з їжею. Слід зазначити, що деякі вітаміни можуть синтезуватися у людському організмі з провітамінів (вітамін А – з каротину), але провітаміни також надходять з їжею.

Нестача вітамінів може викликати різноманітні хвороби (авітамінози). Вітаміни поділяються на водорозчинні (вітаміни групи В, C, D, H, P) та жиророзчинні (A, E, K). Переважна більшість вітамінів руйнуються під впливом підвищеної температури, сонячного світла, алкоголю. Тому оброблення та зберігання харчових продуктів слід вести таким чином, щоб максимально зберегти або підвищити вміст вітамінів.

Речовини харчових продуктів у організмі вступають у хімічні та біохімічні реакції, наслідком яких є виділення енергії. Ця енергія використовується організмом для підтримання процесів життєдіяльності (метаболізм), фізичну та розумову активність. Слід зазначити, що частина цієї енергії (5...30%) витрачається на перетравлення продукту. Вміст енергії (у кДж або ккал) у 100 г продукту називають енергетичною цінністю або калорійністю продукту.

Таблиця 1. Склад та калорійність деяких харчових продуктів

Якщо розглянути повний продовольчий ланцюг, що складається з вирощування, збирання врожаю, переробки, пакування, зберігання, розподілу і приготування їжі, то співвідношення між енергією, необхідною для вироблення, зберігання і розподілу харчових продуктів, і тією енергією, що міститься у них, дорівнює приблизно 10 кДж/кДж. Світовий продовольчий ланцюг споживає 15...20 % всієї енергії, що виробляється у світі, тому важливе енергозбереження на всіх його ланках зокрема під час теплового чи холодильного оброблення продуктів.

7

1.2. Будова харчових продуктів

Харчові продукти можна розглядати, як дисперсні системи, тобто системи, що складаються з двох і більше компонентів (фаз). Щонайменше одна фаза – дисперсна фаза – розподілена у вигляді дрібних часток у іншій фазі – дисперсійному середовищі. Існує декілька типів дисперсних систем (див табл. 2).

Також існує поділ за ступенем подрібнення часток (ступенем дисперсності), наведений у табл. 3.

Таблиця 2. Типи дисперсних систем

Колоїдні системи займають проміжне положення між розчинами і механічними сумішами. Розміри колоїдних часток на декілька порядків перевищують розміри молекул дисперсійного середовища, тому на поверхні часток відбувається адсорбція молекул дисперсійного середовища. Адсорбційний шар, що утворюється на поверхні кожної з часток має однойменний заряд, що не дозволяє часткам дисперсної фази об’єднуватись. Тому колоїдні системи стійкіші за фізичні суміші.

Для харчової технології найцікавіші колоїдні системи, у яких дисперсійним середовищем виступає вода, а дисперсною фазою – органічні речовини продуктів (білки, жири, полісахариди).

Колоїдні системи перебувають у вигляді розчинів (золів), або у вигляді гелів. Живі організми майже повністю складаються з золів та гелів, що мають різний вміст води. Золі та гелі складаються з окремих часток (міцел) що являють собою колоїдну частку, оточену шаром молекул води (рис. 1). Перший шар молекул зв’язаний адсорбційно, а подальші – менш міцними електростатичними зв’язками. Гідрофільні частки мають значну водну оболонку, гідрофобні можуть взагалі її не мати.

8

колоїдні

частки

адсорбційно зв’язана вода електростатично зв’язана вода

Рис. 1. Будова міцел

Колоїдні частки можуть мати або позитивний, або негативний заряд, проте у межах однієї системи ці заряди мають один знак. Однойменний заряд і водяна оболонка не дають часткам зближатися та об’єднуватися у більш крупні частки.

Вода, адсорбована колоїдними частками перебуває у зв’язаному стані. Вміст такої води у колоїдних системах значний, завдяки великій сумарній поверхні часток. Під впливом адсорбційних сил зв’язана вода стискається, тому її властивості відрізняються від властивостей вільної води. Для теплотехнології та холодильної технології найбільш важливим є те, що зв’язана вода – поганий розчинник, і замерзає за більш низьких температур ніж вільна вода. З наближенням температури розчину до точки замерзання вміст зв’язаної води зростає.

1.3. Фізико-хімічні властивості колоїдів

Гелі під впливом температури можуть переходити у напівтвердий стан (желе). Важливою властивістю желе є здатність до набухання (поглинання рідин) зі збільшенням об’єму. При цьому рідина не просто розподіляється між міцелами, а проникає до них. Водночас може відбуватися процес розчинення желе, що призводить до зменшення об’єму. Під час набухання виникає дуже великий тиск, який з часом зменшується. Швидкість набухання гелю збільшується зі зростанням його поверхні. Набухання тканин, що складаються з окремих клітин, ускладнюється, бо клітина, збільшуючись, тисне на сусідні клітини, перешкоджаючи їх набуханню. Процеси сушіння як за підвищених, так і за низьких температур, концентрування соків випарюванням та кріоконцентрування

9

пов’язані з явищами видалення вологи набухання.

Під час контакту двох колоїдних розчинів, що мають різну концентрацію однієї й тієї самої речовини, відбувається явище дифузії, подібне до дифузії у звичайних розчинах. Молекули розчиненої речовини дифундують у слабший розчин, а молекули розчинника – у міцніший доки концентрація розчинів не вирівняється. Густина дифузійного потоку j визначається законом Фіка.

j = –rDÑc (1)

де r – густина речовини, кг/м3; Ñc – градієнт концентрацій речовини; D – коефіцієнт дифузії, м2/с. Його величина прямо пропорційна абсолютній температурі, обернено пропорційна радіусу частки (молекули) і в’язкості рідини, а також залежить від молекулярної маси. У колоїдних розчинах через великі молекулярні маси та розміри часток дифузія йде надзвичайно повільно.

Якщо між двома розчинами різної концентрації встановити напівпроникну мембрану, тобто мембрану, що пропускає молекули розчинника, але затримує молекули розчиненої речовини, то процес дифузії буде йти лише для молекул розчинника. Вони переходитимуть у більш концентрований розчин, а зворотного руху частинок розчиненої речовини не буде. Такий процес називається осмосом. Частинки розчиненої речовини, що прагнутимуть проникнути через мембрану, створюватимуть на неї тиск, що зветься осмотичним тиском. Він пропорційний об’ємній концентрації часток розчиненої речовини.

Рис. 2. Схема осмосу у водному розчині сахарози

Осмотичний тиск розчину електроліту пропорційний молекулярній концентрації розчиненої речовини і абсолютній температурі. У розчині кількох

10