Научные основы производства рыбопродуктов Д-р техн. наук, профессор Шокина Ю. В.
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом Разработка теории посола началась относительно недавно. Большой вклад в ее развитие внесли отечественные ученые М. И. Турпаев, Н. А. Воскресенский, И. П. Леванидов, Л. П. Миндер, Н. Н. Рулев. Посол – сложный процесс, состоящий из двух противоположно направленных процессов переноса массы: l диффузионного перехода соли в рыбу; l диффузионно-осмотического переноса воды из рыбы в тузлук или наоборот из тузлука в рыбу в зависимости от крепости посола. При посоле массообменные процессы сопровождаются глубокими физико-химическими и биохимическими изменениями: денатурацией и гидролизом белков, липидов и экстрактивных веществ, изменением микрофлоры и витаминов.
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом В основе всех существующих способов посола (сухой, тузлучный, смешанный) лежат одни и те же закономерности. Целесообразно рассмотреть их на примере тузлучного посола рыбы. При погружении рыбы в тузлук низкой концентрации возникает неуравновешенная система рыба-тузлук. Эта система стремится к равновесию концентраций соли и влаги. В начальный период посола мышечная ткань рыбы, в основном представленная солерастворимыми (миофибриллярными) белками, впитывает соль, влагу и набухает. По достижении в тканевом соке рыбы критической для солерастворимых белков концентрации соли (около 8 %) происходит их высаливание (коагуляция), в результате белки частично утрачивают свои гидрофильные свойства, и рыба начинает отдавать воду в тузлук.
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом Главной движущей силой просаливания рыбы является разность концентраций соли в тканевом соке и в тузлуке. Процесс продолжается до установления в системе равновесной концентрации соли. l Если рыба погружается в тузлук в высокой концентрацией соли, то высаливание белков происходит практически сразу и раба уже в начальный период посола теряет влагу. l Процесс просаливания по мнению Крина происходит в виде «фронта» на ограниченном участке. «Фронт» движется (рис. 10) через ткани рыбы к ее центру, и водносолевой обмен происходит на его поверхности. Выделяющаяся при просаливании из рыбы вода разбавляет тузлук в пограничном с поверхностью рыбы слое, при этом снижается концентрация тузлука у поверхности рыбы и, следовательно, резко уменьшается движущая сила процесса просаливания
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом Рисунок – Схематичное изображение «фронтальной» теории посола Крина
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом При посоле принято различать внешнюю и внутреннюю диффузии соли. Внешняя диффузия представляет собой процесс переноса соли из внешнего по отношению к рыбе раствора поваренной соли (тузлука) к поверхности рыбы под действием разности осмотических давлений тузлука непосредственно у поверхности рыбы и в объеме раствора. Внешняя диффузия представляет собой конвективный массоперенос, который упрощенно может быть описан законом Ньютона (1)
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом где - плотность потока поваренной соли через промежуток времени после начала процесса просаливания на единицу поверхности рыбы, кг/(м 2·с); - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом массообмена или внешней диффузии, численно равен количеству соли, отдаваемой тузлуком в единицу времени с единицы поверхности при разности концентраций соли равной единице, м/с; - концентрация поваренной соли в тузлуке, кг/м 3; - концентрация соли в рыбе в поверхностном слое рыбы в момент времени , кг/м 3.
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом На скорость этого процесса влияют следующие факторы: – концентрация тузлука (определяет разность осмотических давлений – величину движущей силы процесса внешней диффузии соли), чем она выше, тем выше скорость внешней диффузии; – удельная поверхность рыбы (является поверхностью массообмена), чем более развита поверхность рыбы, тем выше скорость внешней диффузии; – наличие циркуляции тузлука (восстанавливает движущую силу процесса внешней диффузии, способствуя «смыванию» опресненного слоя тузлука с поверхности рыбы, формирующегося согласно «фронтальной теории посола» Крина).
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом Внутренняя диффузия – это процесс переноса соли из поверхностных слоев рыбы во внутренние. С физической точки зрения является молекулярной диффузией и может быть описана законом Фика. На скорость внутренней диффузии оказывают влияние следующие факторы: – – – химический состав рыбы, прежде всего, содержание в рыбе жира (жир, не растворяясь в воде, и не растворяя в себе соль, препятствует массообмену, уменьшая его активный объем в рыбе), чем выше жирность рыбы, тем меньше скорость процесса; температура посола (с повышением температуры растет кинетическая энергия движения молекул соли в направлении переноса), чем выше температура посола, тем выше скорость внешней диффузии; толщина рыбы (определяет среднюю длину пути молекул соли от поверхности рыбы к ее центру), чем больше толщина рыбы, тем меньше скорость внутренней диффузии.
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом Согласно закону сохранения массы количество соли, перенесенное из объема тузлука к поверхности рыбы в единицу времени под действием внешней диффузии, должно быть равно количеству соли, которое проникает с единицы поверхности рыбы в единицу времени внутрь тела рыбы под действием внутренней диффузии.
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом Продолжительность просаливания рыбы является важным технологическим параметром, необходимым для расчета технологического оборудования для посола рыбы. При выводе этого уравнения Н. Н. Рулевым были сделаны следующие допущения: • пограничный слой у поверхности раздела фаз рыба-тузлук отсутствует, то есть движение соли в рыбу начинается непосредственно от границы раздела; • скорости внешней и внутренней диффузии равны; • на момент окончания посола имеет место состояние равновесия между фазами, то есть концентрация соли в тузлуке и в тканевом соке рыбы одинаковы.
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом В целом уравнение просаливания рыбы можно представить как массообмен между жидкостью (тузлуком) и твердым телом (рыбой). В твердых телах явление конвекции, как известно, отсутствует, поэтому внутренняя диффузия соли по своей сути аналогичная молекулярной диффузии. Уравнение массопроводности применительно к посолу рыбы можем представить в виде , (2) где - количество соли, проникшее в рыбу за время ; l коэффициент массопроводности рыбы, или коэффициент диффузии соли в рыбе, м 2/с; l внешняя площадь поверхности рыбы, м 2; l равновесная концентрация соли в системе рыбатузлук, %; l рабочая (текущая) концентрация соли в тканевом соке рыбы, %; l средняя длина пути движения соли в рыбу, м.
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом Количество соли, проникшее в рыбу можно представить в следующем виде , (3) где - концентрация соли, %; l объем тканевого сока в рыбе, м 3. Если принять допущение, что объем тканевого сока в рыбе при посоле не изменяется, то есть , то. (4) Тогда после подстановки выражения (4) в уравнение (2) получим. (5)
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом Объем тканевого сока , есть , где l (6) - объем рыбы, м 3; содержание влаги в рыбе, доли единицы. Тогда, после подстановки выражения (6) в уравнение (5) получим. Разделим обе части уравнения (7) на произведение получим , (7) , (8)
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом где - удельная поверхность рыбы , м 2/кг; - скорость просаливания; - градиент концентрации соли. Тогда, уравнение для скорости просаливания рыбы примет вид. (9)
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом Если сделать допущение, что форма тела рыбы приближается к пластине, то суммарная площадь поверхности ее спинки и брюшка будет несоразмеримо мала по сравнению с площадью боковой поверхности тела. Следовательно, при определении полной площади поверхности тела рыбы суммарной площадью поверхности спинки и брюшка можно пренебречь. Рисунок – Определение средней длины пути движения соли в рыбу
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом При посоле в рыбе имеет место двусторонняя симметричная диффузия соли, движущая сила которой выражается через отношение разности концентраций в наружном тузлуке и внутри рыбы к средней длине пути движения соли в рыбе. Следовательно, значение можно принять равным не ½ толщины рыбы, имеющей форму пластины, а ¼ (рис. ): , где - толщина рыбы, м. (10)
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом С учетом выражения (10), можно выразить толщину рыбы через ее удельную поверхность, как представлено ниже , (11) где - объем рыбы, м 3; l полная площадь поверхности тела рыбы (без учета площади поверхности спинки и брюшка), м 2; l удельная поверхность рыбы, м 2/кг. Тогда для рыбы, имеющей тело в форме пластины, средняя длина пути соли в рыбу составит. (12)
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом l Подставив выражение (10) и (11) в уравнение для скорости просаливания рыбы (9), получим , (13) , (14) . (15)
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом С помощью уравнений (14) и (15) определяют скорость просаливания рыбы, как с использованием ее толщины, так и с использованием удельной поверхности рыбы. Полученные уравнения (14) и (15) позволяют проанализировать факторы, оказывающие наиболее значительное влияние на скорость просаливания, к этим факторам следует отнести: l толщину рыбы или ее радиус, зависимость носит не только прямо пропорциональный, но и квадратичный характер; l коэффициент диффузии, величина которого определяется химическим составом рыбы (содержанием в ней жира, чем оно больше, тем меньше величина при прочих равных условиях), а также температурой процесса (чем выше температура посола, тем больше величина коэффициента диффузии), характер зависимости – прямо пропорциональный; l движущую силу процесса просаливания, определяемую разностью концентраций поваренной соли в тузлуке и в тканевом соке рыбы, причем следует отметить, что определяющее значение в этой разности имеет концентрация тузлука, которая определяется крепостью посола.
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом В уравнениях (14) и (15) коэффициент диффузии не зависит от геометрических характеристик продукта - толщины и удельной поверхности. Интегрируя указанные уравнения можно получить уравнения для определения продолжительности просаливания Н. Н. Рулева , (16). (17) Постоянные интегрирования для уравнений (16) и (17) составляют , (18). (19)
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом Пользуясь уравнениями (16) и (17), Н. Н. Рулев определил значение коэффициентов диффузии для атлантических сельдевых рыб различной жирности при температуре посола от 5 до 10 °С. Рулевым была получена эмпирическая формула для определения коэффициента диффузии , см/сут. Для учета температуры посола им был введен температурный коэффициент , (20) где - температурный коэффициент, или величина, на которую изменяется коэффициент диффузии в зависимости от температуры посола (около 2 -3 % на каждый 1 °С).
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом В целом погрешность формул (16) и (17) составляет 20 % что вполне допустимо в инженерных расчетах для физической величины, зависящей от таких неопределенных факторов, как химический состав и структура тканей рыбы. Коэффициент диффузии в уравнениях (16) и (17) не всегда тождествен коэффициенту просаливания, что следует из допущений, принятых при выводе уравнения просаливания. Прежде всего, в отношении того, что отсутствует пограничный опресненный слой у поверхности раздела фаз рыба-тузлук и движение соли в рыбу начинается непосредственно от ее поверхности. Согласно фронтальной теории Крина, такой пограничный слой существует, и в этом слое концентрация тузлука меньше равновесной в слое тузлука , причем значение изменяется в процессе диффузионных характеристик мышечной ткани рыбы за счет изменения нативных свойств белков под действием хлорида натрия. Кроме того, коэффициенты просаливания, также как и коэффициенты диффузии изменяются по величине в процессе посола, а в формулах Рулева, их значение принято постоянным.
Лекция № 7: Научные основы консервирования рыбы посолом Коэффициент диффузии в формулах Рулева не учитывает погрешности математического моделирования, которые можно учесть коэффциентом просаливания (массопроводности). Профессором Ершовым, профессором Глазуновым и инженером Димовой предложено выражение для определения солености в центре рыбы и в ее объеме в любой момент времени , исключающее погрешности формул Рулева , (21) l где - толщина рыбы, м; l коэффициент диффузии соли, м 2/с, для которого получена эмпирическая формула м 2/с.
Скачать презентацию Научные основы производства рыбопродуктов Д-р техн наук профессор
НОПРП посол.ppt