Научные основы производства продуктов питания Д-р техн наук

Научные основы производства продуктов питания Д-р техн. наук, профессор Шокина Ю. В.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением (часть 1) l На современном этапе развития пищевой индустрии роль холода, как способа сохранения сырья, неуклонно возрастает. l Воздействие холода на биологические объекты, к числу которых относится пищевое сырье и продукты питания, всегда было предметом изучения и исследования многих ученых. Базовыми работами в этой области являются работы отечественных ученых – Д. А. Христодуло, Д. Г. Рютова, Г. Б. Чижова, Н. А. Головкина, И. Г. Чумака, а также зарубежных – Р. Планка, Т. Лорентцена и др. l Основу холодильной технологии составляют теплофизические процессы. Главная цель, которую преследует данная технология, это - управление процессами (биохимическими, физическими и др. ), вызывающими изменение свойств сырья или продукта, в совокупности определяющих его качество, посредством регулирования теплофизического параметра – температуры.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Теплофизические процессы, происходящие при холодильном консервировании неразрывно связаны с биохимическими, микробиологическими и биофизическими. Совокупность этих процессов во взаимодействии в зависимости от индивидуальных особенностей пищевого сырья определяет все многообразие технологических режимов холодильных технологий. В современной технологической практике холод имеет самое широкое применение и используется по следующим основным направлениям: l охлаждение; l подмораживание; l замораживание; l холодильное хранение замороженного сырья и продуктов.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением l Охлаждение – это способ консервирования пищевого сырья основанный на принципе консервирования термоанабиозе. l Главным консервирующим фактором при охлаждении является понижение температуры сырья до значений, близких (на 2 -3 °С выше) к криоскопической температуре. l Криоскопической называется температура замерзания тканевых соков сырья. Для пищевого сырья криоскопическая температура находится в интервале от минус 0, 5 до минус 5 °С. Для пищевого сырья животного происхождения криоскопическая температура принимается равной минус 1 °С. l

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Механизм действия консервирующего фактора при охлаждении следующий: понижение температуры сырья до указанных значений ведет к снижению скорости микробиологических и ферментных процессов в тканях сырья и в продуктах его переработки.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением С физической точки зрения процесс охлаждения – это перенос тепла от более нагретого тела (пищевого сырья) к менее нагретому (охлаждающей среде). В роли охлаждающей среды может быть использовано любое твердое, жидкое или газообразное тело, отвечающее требованиям: l среда не должна оказывать вредного воздействия на продукт (придание неприятного вкуса, запаха и т. п. ); l охлаждающая среда не должна взаимодействовать с охлаждаемым продуктом; l среда не должна быть опасной для обслуживающего персонала; l среда должна иметь экономически целесообразную цену; l среда должна иметь хорошие теплопроводящие свойства; l среда должна легко подвергаться регулированию, управлению

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Из охлаждающих сред наиболее часто используются воздух, вода, водный лед, растворы солей, аммиак, фреон, жидкий азот, углекислый газ. По агрегатному состоянию все охлаждающие среды делятся на: l газообразные; l жидкие; l твердые; l гетерогенные.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением l Газообразные охлаждающие среды – атмосферный воздух и углекислый газ. Для процессов охлаждения современная промышленность использует обычный атмосферный воздух. Воздух представляет собой смесь нескольких газов: кислорода – около 23, 0 %; азота – около 76, 0 %; аргона – около 1, 0 %; углекислоты – около 0, 05 %. Кроме этого в воздухе содержится некоторое количество водяных паров и твердые частицы – пыль. В качестве охлаждающей среды используют воздух с определенными параметрами: температурой, влажностью, скоростью движения и степенью чистоты. Правильное сочетание этих параметров обеспечивает получение продукции высокого качества продолжительного срока хранения и обеспечивает высокую производительность холодильной установки.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Для характеристики влагосодержания воздуха используют понятия его абсолютной и относительной влажности. l Абсолютная влажность – это весовое количество в г, кг водяного пара в составе влажного воздуха, приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха (г/кг, кг/кг). Из газовых законов (уравнение Менделеева-Клайперона) известно, что (1+х) кг влажного воздуха при атмосферном давлении занимают тот же объем V, м 3, что и 1 кг сухого воздуха при парциальном давлении pв и x кг водяного пара при парциальном давлении рп водяного пара. Общее давление воздуха B, составляет В = рв + рп (1)

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением l На основании газовых законов можем составить уравнение газового состояния отдельно для сухого воздуха и для содержащихся в нем водяных паров. l Для одного и того же объема влажного воздуха и одной и той же температуры уравнения газового состояния примут вид (2) рв·Vв = Gв· Rв· Tв, рп·Vп = Gп· Rп· Tп, где Gв, Gп - масса воздуха и пара, кг; Rв, Rп - универсальная газовая постоянная для водяного пара и воздуха (287, 0 и 463 к. Дж/кг) соответственно; Tв, Tп - температура водяного пара и воздуха соответственно, °С. (3)

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением На основании закона Дальтона ТП = ТВ, VП = VВ Разделив уравнение (3) на уравнение (2) почленно, получим , l где (4) - влагосодержание влажного воздуха (х), кг/кг; - отношение универсальных газовых постоянных абсолютно сухого воздуха и водяного пара. Тогда, из уравнения (6) можно выразить влагосодержание или абсолютную влажность влажного воздуха , кг/кг, являющуюся его расчетным параметром. (5)

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Выразим парциальное давление воздуха из уравнения (1) и подставим полученное выражение для р. В в уравнение (5) , (6). (7) Анализ формулы (7) показывает, что влагосодержание влажного воздуха зависит только от парциального давления содержащихся в нем водяных паров. Каково может быть максимальное влагосодержание водяных паров в воздухе?

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением l Относительная влажность воздуха, %, представляет собой отношение парциального давления содержащихся в нем водяных паров к парциальному давлению водяных паров воздуха в стадии насыщения при тех же условиях – атмосферном давлении и температуре , (8) где - парциальное давление насыщенного водяного пара. Выразим парциальное давление водяных паров , содержащихся во влажном воздухе из выражения (8). (9) Подставим полученное выражение (9) в формулу (7), получим. (10)

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Теперь из формулы (10) мы можем определить, каким может быть максимальное влагосодержание влажного воздуха, то есть влагосодержание при. (11) Таким образом, максимальное влагосодержание воздуха пропорционально парциальному давлению водяных паров в стадии насыщения, оно постоянно при данных условиях (температуре и барометрическом давлении) и является в стадии насыщения функцией температуры: . (12) l Пользуясь уравнениями (10) и (11) можно рассчитать любой входящий в них параметр.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением l Влажностный баланс холодильной камеры: l В холодильной камере, как и в любом другом помещении, устанавливается влажностный баланс в результате стремления воздушной системы к влажностному равновесию. , (13) Рисунок – Холодильная камера: 1 - охлаждающие приборы; 2 теплоизоляция; 3 – продукт.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Количество влаги, испаряющейся с поверхности продукта, может быть вычислено на основе закона испарения , где (14) - коэффициент испарения; - площадь поверхности продукта, м 2; - парциальное давление водяных паров в воздухе над поверхностью продукта, Па; - парциальное давление водяных паров в воздухе во всем объеме холодильной камеры, Па.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Процесс хранения продуктов в холодильной камере всегда сопровождается испарением влаги с их поверхности, то есть происходит «усушка» продуктов. , (15) Используя формулу (9) выразим парциальное давление водяных паров воздуха камеры через относительную влажность воздуха и парциальное давление водяных паров в стадии насыщения, затем полученное выражение подставим в уравнение (14), получим. (16) С течением времени в холодильной камере устанавливается состояние теплового и влажностного равновесия, при котором , а. У поверхности продукта парциальное давление водяного пара, таким образом, будет соответствовать стадии насыщения, из чего следует. (17) Выражение (17) характеризует величину «усушки» продукта при хранении в холодильной камере.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Анализ уравнений (16) и (17) позволяет сделать вывод о том, что на величину усушки продукта оказывают влияние следующие факторы: l площадь поверхности продукта, чем она больше, тем больше усушка; l парциальное давление водяных паров в воздухе в стадии насыщения для заданных условий процесса (температуры и барометрического давления), чем оно выше, тем усушка будет больше; l относительная влажность воздуха в холодильной камере, чем она выше, тем меньше усушка (характер зависимости обратно пропорциональный).

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Таким образом, выражение для определения влагопритока в холодильную камеру будет иметь вид. (18)

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Количество влаги, отводимой из холодильной камеры , кг/ч, путем конденсации на поверхности охлаждающих приборов, сопровождающееся образованием «снеговой шубы» , может быть определено следующим уравнением , где (19) - коэффициент конденсации; - площадь поверхности охлаждающих приборов, м 2; - парциальное давление водяных паров в воздухе над поверхностью охлаждающих приборов, Па; - парциальное давление водяных паров в воздухе во всем объеме холодильной камеры, Па.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Уравнение влажностного баланса холодильной камеры, с учетом уравнений (18) и (19) примет вид. (20) Анализ уравнения (20) позволяет сделать следующие выводы: l чем меньше продуктов находится в холодильной камере, тем ниже в ней будет относительная влажность воздуха; l в охлаждаемом помещении постоянно отводится влага в результате непрерывной конденсации пара на охлаждающих приборах; l по этой причине в подавляющем большинстве случаев в холодильных камерах требуется увлажнять воздух, чтобы уменьшить усушку. l Контролируемые параметры в холодильной камере – температура и относительная влажность воздуха, управляемые параметры – температура охлаждающих приборов, скорость циркуляции воздуха в холодильной камере, производительность кондиционера/ увлажнителя воздуха.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Параметры воздуха (температура, относительная влажность и скорость циркуляции) существенно влияет на процессы охлаждения, замораживания и усушку продукта. Тепло, отводимое из холодильной камеры охлаждающими приборами выражается уравнением , где (21) - тепло, отводимое из холодильной камеры, к. Дж; - площадь поверхности охлаждающих приборов, м 2; - коэффициент теплопередачи от охлаждающих приборов к воздуху; - температура воздуха в холодильной камере, °С; - температура поверхности охлаждающих приборов, °С.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Коэффициент теплопередачи для охлаждающих приборов можно приблизительно считать равным коэффициенту теплоотдачи , . Схематично, процесс охлаждения рыбы в холодильной камере изображен на рисунке. Рисунок – Схема процесса охлаждения: 1 – охлаждающий прибор, поверхность которого имеет некоторую температуру ; 2 – продукт; 3 – холодильная камера; 4 – циркулирующий воздух, характеризуемый коэффициентом теплоотдачи.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Если рассматривать теплопередачу через поверхность охлаждающих приборов как теплопередачу через плоскую стенку, то коэффициент теплопередачи можем рассчитать по формуле , (22) где - коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлены охлаждающие приборы, Вт/(м·К); - толщина стенки охлаждающего прибора, м, пренебрежимо мала; - коэффициент теплоотдачи от поверхности охлаждающих приборов к воздуху холодильной камеры, Вт/(м 2·К).

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Таким образом, можем заменить в уравнении (21) коэффициент теплопередачи на коэффициент теплоотдачи , характеризующий воздух. Для воздуха коэффициент теплоотдачи очень мал и в значительной степени зависит от скорости циркуляции воздуха в холодильной камере (как правило, составляет от 0, 1 до 3, 0 м/с). Влияние скорости циркуляции воздуха в холодильной камере на величину коэффициента теплоотдачи описывает эмпирическое уравнение , (23) где - скорость циркуляции воздуха в холодильной камере, м/с.

Лекция № 3: Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением Углекислый газ l Для хранения пищевых продуктов применяют углекислый газ СО 2 в сочетании с низкими положительными температурами. Углекислый газ обладает способностью тормозить развитие плесени и различных бактерий, СО 2 обладает высокой растворимостью и хорошо проникает внутрь мышечных клеток. Растворимость углекислого газа повышается с понижением температуры. , поэтому его используют при температурах около 5 °С (не более 10 °С). СО 2 используют для хранения овощей, плодов, куриных яиц.