РОЗДІЛ 2

ТЕПЛОВЕ УСТАТКУВАННЯ

2.1. класифікація способів теплової обробки харчових продуктів

2.1.1. Основні положення

Під час виробництва продуктів харчування всередині у них виникають явища різної фізичної природи, пов’язані з перенесенням теплоти. Процес перенесення теплоти здійснюється за рахунок теплопровідності. У харчових продуктах міститься велика кількість вологи, яка може переноситись у вигляді рідини або пари і впродовж всього технологічного процесу вступати у взаємодію. Такий процес може мати механічний, тепловий (передача теплоти), дифузійний (передача маси) характер.

При виготовленні напівфабрикатів і готової продукції застосо­вуються такі технологічні процеси: механічні, гідромеханічні, теплові, фізико-хімічні, електричні. Коли важко виділити основний тип явищ, то процеси розглядаються як змішані: дифузійно-теплові, механіко-теплові, електродифузійні.

До теплових процесів належать процеси передачі теплоти через стінки (поверхні нагріву) апаратів, розігріву апаратів (виходу їх на робочий режим), втрат теплоти у навколишнє середовище, розморо­жування і розігрівання кулінарних виробів.

До дифузійних процесів можна умовно віднести варіння бульйонів при постійній температурі (під час кипіння). До механічних належать процеси перемішування продуктів, транспортування продуктів, посуду, комплексних обідів та ін. До електричних – процеси індукційного нагрівання, нагрівання провідників електрич­ним струмом, регулювання потужності електротеплових апаратів. До хімічних – процеси спалювання різних видів палива.

У

132

виробничому процесі підприємств ресторанного господарства дифузійно-теплові процеси застосовуються найбільш широко і є основними в обробці харчових продуктів. До них належать процеси смаження (у шафах, фритюрницях, на сковородах), випікання, варіння при температурі, що змінюється, пасерування, багато комбінованих процесів.

Процеси можуть бути також класифіковані залежно від зміни їх параметрів (швидкості, температур тощо) у часі. За цією ознакою процеси поділяються на сталі (стаціонарні) і несталі (нестаціонарні).

У сталих процесах значення кожного із параметрів, що характеризують процес, постійні в часі, а в несталих – змінні. Аналіз характеристик несталих процесів найбільш потрібен для автома­тичного регулювання.

Усі технологічні процеси на харчових підприємствах відбува­ються за загальними фізико-хімічними законами. Основу будь-якого технологічного процесу складає швидкість протікання процесу, а також закон збереження речовини і енергії (матеріальний і енерге­тичний баланси).

Швидкість протікання процесу пропорційна величині його рухомої сили і обернено пропорційна опору.

Швидкість передачі теплоти визначається за рівнянням

,

де Q – кількість переданої теплоти, Вт; F – поверхня теплопередачі, м²;  – тривалість процесу, с; t – температурний напір, що є рушійною силою процесу передачі тепла, С; k – коефіцієнт теплопередачі, Вт/м²К; – опір передачі тепла, обернений по величині коефіцієнта теплопередачі.

Швидкість теплових процесів значною мірою залежить від гідродинамічних умов (швидкостей, режимів протікання), при яких здійснюється процес перенесення тепла між тілами.

Передача маси (дифузійний процес) розраховується за анало­гічним кінетичним рівнянням:

,

де М – кількість маси речовини, що передається за час, кг/год;

F – поверхня контакту мас, м²; k коефіцієнт, що характеризує інтенсивність передачі маси (провідність); – опір масопе­реходу; с – рушійна сила, що виникає у процесі масопереходу, яка виражається у цьому випадку різницею концентрації речовини, що передається.

Кінетичні рівняння процесів можуть бути зведені до одного виду

,

де І – швидкість процесу; х – рушійна сила процесу; L – скалярна величина, що характеризує провідність (обернено пропорційна опору).

Більш складним є випадок, коли два або більше процесів перенесення протікають одночасно. При цьому швидкість кожного з них пропорційна відповідній діючій силі, але також залежить від інших сил у системі.

З комплексу процесів може бути виділений головний, від ступеня інтенсифікації якого залежать кінцеві результати техноло­гічного процесу, наприклад:

– для здійснення технологічного процесу готування їжі, крім затрат праці, потрібні: джерело енергії для обробки харчових продуктів; апарати і машини, за допомогою яких здійснюються технологічні процеси;

– для визначення витрат продуктів під час проведення того чи іншого технологічного процесу готування їжі, виходу готової продукції, розмірів і продуктивності апаратів, а також витрат тепла, необхідно попередньо скласти матеріальний баланс. Для періодичних процесів матеріальний баланс складається на одну операцію, для безупинних процесів – на одиницю часу, наприклад на 1 год.

За законом збереження матерії, маса G₁ речовин, що надходить на переробку, повинна дорівнювати масі G₂ речовин після переробки (без обліку втрат):

G₁= G₂.

Це рівняння називають рівнянням матеріального балансу. Воно прийнятне як до процесу в цілому, так і до будь-якої його стадії. Матеріальний баланс можна складати для всіх продуктів, передба­чених технологічним процесом, або для окремих компонентів.

На практиці у процесі переробки харчових продуктів мають місце втрати, тому маса готових продуктів після технологічного процесу завжди менша за масу вихідних продуктів, що надходять на переробку:

G₁= G₂+ G_вт,

де G₁ – маса продуктів, що надходить на теплову обробку, кг;

G₂ – маса готової продукції після обробки, кг; G_вт – втрати маси продуктів, кг.

Під час теплової обробки харчових продуктів основна частка втрат припадає на вологу, що випаровується. Якщо G₁ – загальна маса продуктів, завантажених в апарат, то

G₁ = g₁ + g₂ + … + g_n,

де g₁, g₂ … g_n – маси окремих видів продуктів, кг.

Отже, матеріальний баланс для технологічного процесу готування їжі розраховуватиметься за рівнянням:

G₁ +W = G₂ +W,

де W – маса води, бульйону або молока, завантажена в апарат, кг; W – маса води, що випаровується, кг.

Для варіння продуктів (наприклад, картоплі, макаронів) у великій кількості води рівняння матеріального балансу матиме наступний вигляд:

G₁ +W = G₂ + W₁ + W,

де W₁ – маса надлишкової кількості води, що видаляється після закінчення процесу варіння, кг.

Під час здійснення багатьох технологічних процесів маса води, що випаровується, є величиною, яка залежить від виду приготованої страви, тривалості та інтенсивності теплової обробки. Так, під час варіння перших страв (суп, бульйон) упродовж однієї години випаровується 5–7% рідини, під час випікання кондитерських виробів із кислого тіста в пекарських шафах протягом 12–15 хв упікання становить приблизно 8–10%.

Варіння і смаження м’ясних, рибних, овочевих та інших виробів у різному за матеріалом і формою посуді (чавунний, стальний, алюмінієвий; високий, низький, з рівним дном тощо), а також випікання кондитерських виробів потребує різних умов теплової обробки продуктів і різного теплового режиму окремих робочих елементів апарата.

Дані матеріального балансу зводять у таблицю надходжень і витрат продуктів (продуктові відомості). Матеріальний баланс необхідний для дотримання технологічних процесів. Під час проектування нових підприємств він дозволяє правильно вибрати схему технологічного процесу, розміри апаратів і машин. За даними матеріального балансу виявляють непродуктивні витрати, а також визначають склад і якість різних відходів або побічних продуктів. Крім цього, на основі матеріального балансу визначають вихід продуктів.

Відношення маси готового продукту C₂, одержаного в результаті процесу, до маси вихідних продуктів G₁ +W , виражене у процентах, називається виходом продукту. Позначивши вихід готового продукту Z, одержимо

%.

Внаслідок випаровування води у процесі теплової обробки вихід продукту становить завжди менше 100%. Чим ближче вихід до 100%, тим досконаліший процес, тим менша витрата вихідних продуктів і тим нижча собівартість напівфабрикатів або готової продукції.

Іноді вихід готового продукту відносять не до загальної кількості завантажених продуктів, а до маси одного з будь-яких вихідних продуктів (компонентів). У цьому випадку вихід продукції може бути і більше за 100%. Наприклад, вихід каш у кулінарній практиці визначається відносно маси круп, завантажених у варильний котел.

Масу продуктів, завантажених в апарат, визначають за відповідними нормами. Маса рідини, що википіла, встановлюється за виходом готової продукції у грамах на порцію або в процентах.

Максимальна кількість порцій П готової продукції, одержана в результаті теплової обробки, визначається з виразу

,

де V_к – загальний об’єм робочої камери, дм³; V_п – об’єм однієї порції, дм³; к_зап. – коефіцієнт заповнення робочої камери;  – коефіцієнт, що зазначає, наскільки зменшився об’єм виробів у результаті випаро­вування вологи.

Нагрівання харчових продуктів пов’язане із затратами теплової енергії. Для їх визначення складають енергетичні баланси. На основі закону збереження і перетворення енергії кількість енергії, підведеної до тіла, що бере участь у технологічному процесі готування їжі, повинна дорівнювати кількості енергії, відведеної або перетвореної у ході процесу.

Якщо позначити кількість тепла W, що надходить з вихідними продуктами g₁, g₂, g₃ у вигляді фізичного тепла через Q₁, Q₂, Q₃, Q₄; тепло, що підводиться ззовні, наприклад теплоносієм, що обігріває апарат, через Q_e; тепловий ефект фізичних або хімічних перетворень через Q_вн; кількість тепла, що виведена із процесу готовою продукцією (у вигляді фізичного тепла), через Q_гот.пр, а кількість тепла, що втрачається у навколишнє середовище, та всі інші можливі витрати через Q_втр., то рівняння енергетичного балансу матиме такий вигляд:

Q₁ + Q₂ + Q₃+ Q₄ + Q_e + Q_вн= Q_гот.пр+ Q_втр.

При розрахунках теплових апаратів, а також при оцінюванні існуючих пристроїв кількість тепла, що підводиться ззовні, визна­чають за рівнянням теплового балансу, на основі якого обчислюються загальна витрата тепла і коефіцієнт корисної дії.

Кожний технологічний процес має бути економічним і технічно доцільним. Раціональне його здійснення забезпечується у разі дотримання оптимальних режимів і при відповідному апаратурному оформленні, яке дозволяє досягти сучасних технологічних вимог готування їжі.

Під оптимальним режимом приготування їжі розуміють такий режим, при якому тривалість процесу і витрата тепла мінімальні, а якість готових виробів достатньо висока.

2.1.2. Характеристика способів теплової обробки харчових продуктів

Основною ланкою у технологічному процесі виробництва кулінарних виробів є теплова обробка харчових продуктів. Під час цього процесу до продуктів подається тепло, під дією якого змінюються його структурні й органолептичні (консистенція, смак, колір) показники, а також мікрофлора.

До основних способів теплової обробки продуктів належить варіння і смаження. Використовують їх як самостійні процеси і в різних сполученнях. Прийоми теплової обробки харчових продуктів наведені на рис. 2.1.

Продукти у процесі варіння прогріваються в рідині (вода, бульйон), температура якої не перевищує 100°С. Під час проведення спеціальних видів варіння, наприклад, виварювання кісток, варінні продуктів, що важко розварюються, застосовуються апарати з робочим тиском до 250 кПа, а отже з температурою гріючого середовища понад 100 °С (до 140°С ). Процеси випарювання рідин для підвищення вмісту в них сухих речовин (готування концентро­ваних бульйонів, соусів, овочевих і фруктових пюре) можна здійснювати в апаратах із зниженим тиском – порядку 0,6 атм і з температурою кипіння рідини нижче за 100°С.

Особливістю варильних процесів є швидке доведення рідинного середовища до температури кипіння із подальшим витримуванням у ньому продукту до стану готовності. Рідина доводиться до температури кипіння при максимальній потужності апарата (нестаціонарний режим), а сам процес варіння продукту – при мінімальній потужності (стаціонарний режим).

Варіння так званою "гострою" парою здійснюється при безпосередньому зіткненні гріючої водяної пари з продуктом.

Смаження продукту – тепловий процес, що здійснюється без додавання води при температурах, що забезпечують появу на поверхні продукту специфічної кірочки.

Рис. 2.1. Схема теплової обробки харчових продуктів

Смаження основним способом здійснюють у неглибокому посуді (сковорода, деко) з невеликою кількістю жиру (5–10% маси продукту), попередньо розігрітим до 150...190°С.

Смажать у фритюрі, занурюючи продукт у розігрітий до 180...190°С жир, до того ж, маса жиру повинна у чотири рази перевищувати масу продукту.

Різновидністю смаження є теплова обробка продуктів у замкне­них камерах, температура повітря в яких досягає 250...300°С.

На підприємствах ресторанного господарства використовують різні засоби нагрівання продуктів, а саме: поверхневий, радіаційний (ІЧ), об’ємний (НВЧ), індукційний, комбінований, радіаційно-конвективний (РК), конвективний, пароконвективний.

Поверхневе нагрівання продуктів здійснюється підведенням тепла до їхньої поверхні, а доведення до повної кулінарної готовності відбувається за рахунок теплопровідності самих харчових продуктів.

Інтенсивність теплообміну залежить від форми, розмірів і фізичних параметрів продукту, що нагрівається, режиму руху, швидкості, температури і фізичних параметрів середовища, що нагрі­вається. Однак тривалість процесу теплової обробки при поверхне­вому нагріванні обумовлена, насамперед, низькою теплопровідністю більшості харчових продуктів. Тому інтенсифікація теплообміну при поверхневому нагріванні харчових продуктів має природну фізичну межу, що визначається їхньою теплопровідністю.

Тривалість теплової обробки продуктів – це сума двох складо­вих: тривалості нагрівання до заданої температури в центрі продукту і тривалості процесу варіння при постійній температурі. Перша складова, як правило, набагато більша за другу і залежить від температурного режиму, коефіцієнта тепловіддачі від рідини до поверхні продукту, величини поверхні, об’єму, теплопровідності і теплоємності продукту.

Змінити вплив таких факторів, як теплопровідність, тепло­ємність, об’єм, температурний режим та час нагрівання продукту не завжди можливо, оскільки перші два характеризують фізичні властивості продукту, а другий і третій – регламентуються техноло­гічним процесом. Інтенсифікувати процес теплової обробки продуктів на стадії їх нагрівання до заданої температури можна за рахунок збільшення коефіцієнта тепловіддачі від рідини до поверхні продукту і збільшення теплосприймаючої поверхні продукту.

Інтенсивність теплообміну між нагрітою до визначеної температури рідиною і продуктом, що нагрівається, можна визначити, використовуючи закон Ньютона–Рихмана:

q =  (t_р – t_п)F.

Згідно з цим законом, тепловий потік q від рідини до продукту пропорційний поверхні теплообміну (поверхні продукту) F, різниці температур t = t_р – t_п (де t_р і t_п – температури рідини і поверхні продукту) та коефіцієнта тепловіддачі , який залежить від багатьох факторів. Загалом коефіцієнт тепловіддачі є функцією форми і розмірів продукту, режиму руху, швидкості і температури, фізичних параметрів рідини й інших величин.

Радіаційний (інфрачервоний ІЧ) спосіб нагрівання продуктів здійснюється потоком інфрачервоного випромінювання. В основі ІЧ-нагрівання лежить властивість харчових продуктів поглинати енергію перемінного електромагнітного поля. Електромагнітні хвилі, які утворюють ІЧ-випромінювання, проникають всередину продуктів на деяку глибину, що скорочує час їхньої теплової обробки. Швидкість нагрівання залежить від щільності випромінювання і від спектрального складу ІЧ-променів, а саме: при зменшенні довжини хвилі глибина проникнення ІЧ-променів у вироби збільшується і процес теплової обробки інтенсифікується. У цьому випадку енергія передається продуктам випромінювання внаслідок відсутності безпосереднього контакту між генератором та виробом. Середовище для ІЧ-променів, що оточує продукт, прозоре, тому воно нагрівається слабо чи зовсім не нагрівається і практично не є теплопередавальним.

Інфрачервоне випромінювання, як і будь-яке електромагнітне коливання, можна охарактеризувати довжиною хвилі , частотою коливання  і швидкістю розповсюдження . Ці параметри пов’язані між собою відношенням

,

де Т – період коливання.

Інфрачервоному випромінюванню у спектрі електромагнітних хвиль відповідає діапазон довжин хвиль від 0,76 до 1000 мкм, який умовно поділяють на три піддіапазони: довгохвильовий – =3,0– 1000 мкм; середньохвильовий –=1,4–3,0 мкм; короткохвильовий –=0,76–1,4 мкм.

Інфрачервоне нагрівання використовують переважно у процесах смаження і випікання кулінарних виробів. При використанні ІЧ-випромінювання для термічної обробки м’ясних кулінарних виробів тривалість процесу порівняно з традиційним способом обробки скорочується на 40–60%, питома витрата електроенергії зменшується на 20–60%, а вихід готової продукції збільшується на 10–16%.

Кількість теплоти, що переходить за допомогою випроміню­вання від більш нагрітого тіла до менш нагрітого, визначають за рівнянням

,

де Т₁ і Т₂ – температури поверхонь, що віддають тепло і приймають промені, К; с_1–2 – коефіцієнт взаємного випромінювання, Вт/(м²К⁴); F – поверхня випромінювання, м²;  – час, с;  – середній кутовий коефіцієнт, який визначається формою і розмірами поверхонь, що беруть участь у теплообміні, їх взаємним розташуванням у просторі і відстанню між ними. Значення  наводиться у довідковій літературі.

,

де с₀ – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла (с₀=5,7 Вт/(м²К⁴); – приведена ступінь чорноти, що дорівнює добутку ступенів чорноти тіл, які обмінюються променевим теплом ( ).

Ступінь чорноти більшості харчових продуктів має межі від 0,5 до 0,9.

Об’ємний спосіб нагрівання продуктів відбувається в електромагнітному полі надвисоких частот (НВЧ-нагрівання). При цьому відбувається не поверхневе нагрівання продуктів, а прогрі­вання їх одночасно по всьому об’єму.

Основними особливостями надвисокочастотного нагрівання є: здатність НВЧ-поля проникати в продукт, який обробляється, на незначну глибину, що дозволяє здійснювати нагрівання продукту по всьому об’єму незалежно від його теплопровідності; висока швидкість нагрівання і відсутність контакту продукту з теплоносієм; безінерційність процесу нагрівання; високий ККД перетворення енергії НВЧ-поля в теплоту, що виділяє продукт.

Готування кулінарних виробів здійснюється методом об’ємного прогрівання продуктів у спеціальних НВЧ-шафах (печах), у яких використовується принцип діелектричного нагрівання. У цьому разі прогрівається тільки продукт, поміщений в камеру, як правило, без додавання води і жиру. Оскільки через втрати тепла в навколишнє середовище температура поверхневих шарів менша, ніж температура центральних, то на поверхні продукту відсутні специфічна кірочка і забарвлення.

При НВЧ-нагріванні, так само, як і при поверхневому, виділя­ється тепло і відбувається масообмін між поверхнею продукту і навколишнім середовищем, внаслідок чого поверхня продукту втрачає частину теплоти, а температура всередині (в центрі) продукту підвищується повільніше, ніж температура зовнішніх його шарів. Утворюється температурний градієнт між поверхнею і центральною частиною продукту, виникає явище термодифузії, при якому волога переміщується в напрямку теплового потоку від центра до поверхні за рахунок різниці концентрації.

Питому потужність, необхідну для нагрівання продукту, визначають за формулою, Вт/м³:

,

де  – питома вага продукту, кг/м³; с – питома теплоємність продукту, Дж/(кгград); _t – термічний ККД процесу нагрівання, що враховує втрати теплоти в навколишнє середовище; t –збільшення температури продукту, °С за проміжок часу , с; – швидкість нагрівання.

Питому потужність, необхідну для покриття втрат на випаро­вування вологи, визначають за формулою, Вт/м³:

,

де r – прихована теплота пароутворення, Дж/кг; W – зменшення вологи, віднесене до одиниць об’єму продукту, кг/м³, за проміжок часу , с; – швидкість випаровування, кг/(м³с).

Сумарна питома потужність, яка необхідна для теплової обробки продукту, складе, Вт/м³:

.

Знаючи глибину проникнення поля НВЧ у харчові продукти, можна визначити їхні найбільш раціональні форми та розміри, і значно скоротити тривалість теплової обробки.

Глибину проникнення поля НВЧ визначають за формулою, см:

,

де f – частота, мГц.

У полі НВЧ, крім теплової обробки харчових продуктів, здійснюють також розморожування готових кулінарних виробів та їх нагрівання до заданої температури. Обидва процеси протікають без істотних втрат маси, зміни зовнішньої форми і за достатньо короткий проміжок часу (2,5–3,5 хв).

Об’ємний характер нагрівання в полі НВЧ на порядок приско­рює теплову обробку харчових продуктів порівняно з традиційними методами їх готування. Це є принциповою перевагою НВЧ-нагрі­вання.

Однак цей спосіб не дозволяє одержати на поверхні виробів специфічної смаженої кірочки, тому його рекомендують застосовува­ти в комбінації з ІЧ-нагріванням та іншими методами поверхневого нагрівання харчових продуктів.

Комбінований спосіб забезпечує високу якість теплової обробки харчових продуктів при мінімальних витратах енергії.

У процесі комбінованого способу використовують два джерела нагріву: НВЧ та ІЧ, радіаційно-конвективний, НВЧ і пар, НВЧ і гаряче повітря.

На базі поверхневого, НВЧ та ІЧ-нагрівання застосовуються такі комбіновані способи теплової обробки харчових продуктів: радіаційно-конвективне нагрівання; НВЧ-парове нагрівання; НВЧ-нагрівання – гаряче повітря; пароінфрачервоне; інфрачервоне – НВЧ-нагрівання; НВЧ-нагрівання; НВЧ-нагрівання – інфрачервоне нагрівання.

Радіаційно-конвективний спосіб нагрівання застосовується у шафах з примусовою циркуляцією гарячого повітря, яка прискорює теплову обробку виробу, забезпечує більш рівномірне нагрівання їх з усіх боків і ефективне використання об’єму робочої камери. Колерування поверхні виробів забарвлюється завдяки ІЧ-випроміню­вачам, що вмикаються на необхідний проміжок часу.

Послідовна теплова обробка продуктів у НВЧ-полі та ІЧ-проме­нями дозволяє реалізувати переваги обох способів нагрівання і одержати вироби зі специфічним забарвленням верхніх шарів.

Крім гарячого повітря для теплової обробки продуктів використовують перегріту (t = 300–350°С) водяну пару.

При виборі способу теплової обробки харчових продуктів необхідно враховувати наступне:

- відповідність інтенсивності підведення теплоти і часу обробки продукту темпам фізико-хімічних змін білкової основи продукту;

- відповідність рівня температур гріючого середовища характеру і ступеню зміни жирів;

• рівномірність обігріву поверхні продукту.