Расчет времени и оборудования для заморозки фуа-гра

50

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

Одним из главных продуктов питания на сегодняшний день являются продукты животного происхождения. Свою популярность они получили благодаря высокой энергетической ценности, а так же большому количеству, необходимых для жизнедеятельности человека, белков, жиров и многих витамин. Поэтому на данный момент хранение и при этом сохранение выше перечисленных полезных составляющих является очень актуальной задачей.

Так же остро стоит вопрос сохранения животных деликатесов, так как по сравнению с тем же мясом время реализации их на рынке не так высоко, за счет довольно высокой стоимости. Для решения этой проблемы разрабатываются разные способы консервации этих продуктов. При этом самым распространенным является заморозка, так как при ней лучше всего сохраняются товарный вид и вкусовые качества деликатесов, что в данном случае является определяющим критерием.

Одним из таких деликатесов является фуа-гра. В Украине на данный момент есть только один производитель этого деликатеса - «Синятинская птицефабрика» расположенная в Ивано-Франковской области.

Так как эта проблема стала актуальной для нашего рынка, данная курсовая работа была посвящена расчету теплофизических свойств фуа-гра, времени ее заморозки при различных скоростях воздуха и с помощью жидкого азота, рассчитана тепловая нагрузка для заморозки продукта при грузообороте G= 3600, а так же подобрано оборудование для морозильной камеры с такой же производительностью.

1. Краткие сведения о фуа-гра

Данный продукт является специфическим и нешироко распространенным. Ниже приведены некоторые сведения о нем.

Фуа-гра (Foie Gras) - печень насильственно перекормленного гуся (утки) либо паштет из неё. Этот символ гастрономического шика - считается изобретением французских кулинаров, ведь это атрибут роскоши и традиционное рождественское блюдо во Франции. На самом деле французы лишь унаследовали рецепт этого восхитительного блюда от римлян, которые узнали его от евреев, а те, в свою очередь, - от египтян. Около 4000 лет назад египтяне заметили, что гуси и утки, которые мигрируют на север через долину Нила и останавливаются, чтобы отдохнуть и подкрепиться перед долгим перелётом инжиром, которым изобилуют эти земли, имеют более вкусную печень, чем домашние гуси. Чтобы добиться такого же эффекта и с домашней птицей, египтяне стали откармливать гусей и уток инжиром, причём, делали это принудительно. Для получения большой, сочной, мягкой и жирной печени птицам приходилось в течение нескольких недель съедать огромные количества инжира. Эту технологию переняли евреи, жившие тогда в Египте. Так как религия запрещает им употреблять в пищу свиной жир и сливочное масло для жарки, они выращивали таким образом гусей для получения жира, но не ради их печени. Вплоть до 19 века гусиная печень считалась некошерной, и еврейские птичники выгодно продавали её. От евреев технология выкармливания птицы перешла к римлянам, и паштет из гусиной печени стал одним из любимых блюд античного мира.

Фуа-гра из гусиной печени (oie) имеет более изысканный сливочный вкус и более мягкую консистенцию, чем из утиной печени (canard), которая имеет ярко выраженный мускусный аромат и отчётливый вкус. Споры о том, чья печень лучше для фуа-гра, ведутся ещё со времён Плиния. Сегодня предпочтение отдаётся утиной печени, так как её производство экономически выгоднее. Около 90% фуа-гра производится сегодня из печени уток.

Foie Gras в буквальном переводе с французского означает «жирная печень». Немногие знают, что слово «печень» во французском языке (и других языках романской группы) образовано от латинского слова, обозначающего инжир (фиги). Латинское название блюда «Jecur Ficatum» (печень, полученная от фиг) сократилось до «Ficatum», что во французском языке превратилось в «foie». Можно сказать, что сегодня название фуа гра себя не оправдывает, так как вместо инжира птиц кормят варёной кукурузой и даже смесями из сои и витаминных добавок.

Первые рецепты гусиного паштета датируются 4 и 5 веками. Эти рецепты не дают детального описания всего процесса приготовления деликатеса, подробные рецепты появились только во французских кулинарных книгах 17-18 веков. Именно поэтому принято считать Францию родиной фуа-гра. В 19 веке во Франции фуа-гра стала модным блюдом среди знати, появилось множество вариаций приготовления этого блюда. Некоторые рестораны придерживаются фирменных рецептов уже более 100 лет. На юго-западе Франции и в Эльзасе существует настоящий культ фуа-гра. В Эльзасе даже выращивают специальную породу гусей - страсбургскую, дающую печень весом до 1200 граммов. Среди уток лучшей породой для фуа-гра считается мулар (гибрид пекинской и московской уток). Различные регионы Франции славятся различными видами фуа-гра. В Тулузе делают воздушную фуа-гра цвета слоновой кости; в Старсбурге - розовую и твёрдую. Фуа-гра из Бордо подходит к горячим блюдам; из Перигора - к холодным. Франция - величайший производитель и потребитель фуа-гра в мире. Кроме Франции, фуа-гра производят в Венгрии, Испании, Бельгии, США и Польше. В Израиле производству фуа-гра мешают защитники животных: это блюдо там запрещено. Незаконно производить и есть фуа-гра также в Аргентине, Норвегии и Швейцарии.

Процесс принудительного кормления птицы получил название «гаваж». Хотя эта практика считается неэтичной и запрещена в некоторых странах, фермеры и любители фуа-гра утверждают, что принудительное кормление не причиняет птицам неприятных ощущений. Гуси и утки не жуют пищу, а измельчают её в желудке при помощи мелких камешков, которые они проглатывают. При искусственном кормлении пища вводится дважды в день в большом количестве. Увеличение печени никак не сказывается на здоровье гусей и уток и не имеет ничего общего с циррозом. В естественных условиях водоплавающие перелётные птицы тоже сильно переедают перед долгими путешествиями, неслучайно для фуа-гра используется печень именно этих птиц, а не кур, к примеру. По сравнению с многими домашними животными, жизнь гусей и уток, выращиваемых для фуа-гра, кажется сказкой: несколько месяцев они пасутся на лугах, много двигаются и только последние 2-3 недели живут в небольших загонах. После специального кормления печень птиц увеличивается в 10-15 раз. Если после гаважа птиц выпустить на волю, уже через несколько недель их печень возвратится в норму.

Фуа-гра - это не только гастрономический изыск, но и очень полезное блюдо. Печень водоплавающих птиц богата ненасыщенными жирными кислотами, которые снижают уровень холестерина в крови и обеспечивают здоровое питание клеткам. Насыщенных жирных кислот в утином жире в 2 раза меньше, чем в сливочном масле, а ненасыщенных - в 2 раза больше. О пользе фуа-гра говорит то, что в регионах, где это блюдо особенно популярно, очень низок уровень сердечно-сосудистых заболеваний при высокой продолжительности жизни.

Производство фуа-гра во Франции регулируется законодательством. Самый лучший продукт - цельная печень гуся или утки без добавок (foie gras entier). Она может продаваться в сыром, приготовленном или полуготовом виде. Фуа-гра с кусочками состоит из перемолотой печени и целых кусочков печени, содержание которых должно быть не менее 30%. Блок фуа-гра (bloc de foie gras) состоит из перемолотой печени, причем содержание гусиной печени должно быть не менее 50%.
В фуа-гра могут добавлять трюфели, коньяк и другие продукты. Из фуа-гра делают мусс, пате, парфе, галантин, террин или медальон - продукты с различными способами приготовления и различным содержанием печени. Например, для приготовления мусса печень взбивают со сливками, белками и алкоголем; террин - запеченный паштет с грубой структурой на основе нескольких видов печени. Как правило, в паштеты и муссы из фуа-гра добавляется свиная или говяжья печень. Французские повара используют фуа-гра для приготовления изумительных блюд: пропускают террин через сифон для получения нежирной пены; замораживают и формируют парфе в виде конфет с начинкой из миндаля, сухофруктов и апельсиновой стружкой.

В магазинах Франции можно встретить фуа-гра во всевозможных видах: от сырой до консервированной. Сырая печень (Foie gras cru) даёт множество возможностей для кулинарного творчества, но не терпит промедления с приготовлением. Полуготовая фуа-гра (foie gras mi-cuit) - полуфабрикат, подвергнутый минимальной обработке и тоже требующий незамедлительного приготовления. Полуконсервированная фуа-гра (foie gras semi-conserve) - пастеризованный продукт, готовый к употреблению, с возможностью хранения несколько месяцев в холодильнике. Консервированная фуа-гра (foie gras en conserve) - стерилизованный продукт в металлических банках, далёкий от оригинального рецепта, но хорошо переносящий хранение.

2. Аналитический обзор

2.1. Холодильная обработка фуа-гра

2.1.1 Охлаждение продуктов животного происхождения. Изменение их свойств при охлаждении

Сущность охлаждения продуктов животного происхождения состоит в понижении их температуры посредством теплообмена с охлаждающей средой, не сопровождаемой льдообразованием.

При охлаждении замедляются биохимические и микробиологические процессы, что является необходимым условием продления сроков хранения продуктов. Охлаждение обеспечивает сохранение высоких потребительских свойств продуктов (аромата, вкуса, консистенции, цвета) при наименьших потерях.

В промышленности наиболее распространенными являются те способы охлаждения, которые осуществляются передачей тепла продуктам конвекцией, радиацией и вследствие теплообмена при фазовом превращении.

В основе современных направлений совершенствования технологии холодильной обработки лежит быстрое доведение температуры продуктов до уровня, неблагоприятного для развития микрофлоры, которое обеспечивает их сохранность и снижает усушку.

Конкретные режимы для каждой группы продуктов определяются с учетом криоскопической температуры и в соответствии с особенностями их состава, свойств, микроструктуры и биохимических процессов.

Мясо в виде полутуш или туш мелкого рогатого скота после первичной обработки охлаждается в камерах, или туннелях, специально оборудованных подвесными путями и системой регулирования режима холодильной обработки. В камере охлаждения говяжьи и свиные полутуши подвешивают на крючьях подвесных путей, а бараньи туши - на рамах (по 10-20 туш). Расстояние между ними - не менее 3-5 см. В камеру охлаждения загружают мясо одного вида, одной категории упитанности и по возможности одинаковой массы, чем достигается одновременное охлаждение всей партии до конечной температуры охлаждения. Средняя нагрузка на 1 м подвесного пути составляет около 250 кг мяса. В процессе охлаждения относительная влажность воздуха самоустанавливается на уровне 85-92% за счет испарения влаги из продукта. Известны также способы охлаждения мяса в воздушной среде, перенасыщенной водяным паром; при избыточным давлении охлажденного воздуха; в контейнерах.

Тушки птицы охлаждают воздухом, льдоводяной смесью и ледяной водой; применяется также комбинированное охлаждение, т.е. орошение тушек или погружение их в ледяную воду, а затем в воздушную среду.

Наиболее эффективным с точки зрения условий теплопередачи, затрат труда, продолжительности и поточности технологического процесса является метод погружного охлаждения тушек птицы в чистой ледяной воде или в водоледяной смеси.

После охлаждения ледяной водой кожа на тушках становится светлой и чистой, исчезают пятна от ушибов и кровоизлияний. Тушки птицы поглощают некоторое количество воды, вследствие чего их форма округляется и приобретает лучший товарный вид.

Температура охлаждающей (ледяной) воды должна быть не выше 2 °С, время охлаждения - от 30-45 мин до 2 ч в зависимости от типа оборудования. Для охлаждения тушек птицы ледяной водой используют танки, ванны или вращающиеся барабаны. В танках процесс идет пассивно (вода и тушки неподвижны), поэтому охлаждение длится около 2 ч, в ваннах вода и тушки движутся навстречу друг другу и охлаждение заканчивается за 40-50 мин.

С целью уменьшения возможного обсеменения микроорганизмами во время охлаждения в воде и снижения абсорбции влаги используется метод охлаждения в распыленной воде: тушки в подвешенном состоянии орошаются ледяной водой из специальных форсунок в течение 30-35 мин.

При воздушном доохлаждении происходит частичное удаление приобретенной при орошении тушками птицы воды, и одновременно в результате ее испарения они охлаждаются.

При охлаждении тушек в ледяной воде поглощение влаги составляет от 3 до 8%, в среднем же (с учетом последующего испарения) масса тушек увеличивается на 4%.

Птицу охлаждают также в камерах с естественной циркуляцией воздуха в течение 24 ч и более (температура 0-1 °С, относительная влажность 85-90%). Кроме того, могут использоваться интенсифицированные камеры (температура воздуха 0… - 2 °С, скорость движения воздуха до 4 м/с). Применение последних позволяет снизить продолжительность охлаждения до 3- 6 ч в зависимости от массы и упитанности тушек птицы. Воздушное охлаждение применимо только для тушек, подвергнутых сухой ощипке и тепловой обработке, в других случаях мясо обезвоживается и теряет товарный вид.

Вареные колбасы охлаждают в две стадии: первую проводят тонко распыленной водой с использованием испарительного эффекта охлаждения, вторую - интенсивно движущимся воздушным потоком, имеющим температуру 0 - 8 °С, скорость движения до 4 м/с. Продолжительность охлаждения продукта водой 5-30 мин, воздухом - 1-10 ч. Зависит она от массы и диаметра колбасных батонов, вида колбас и параметров охлаждающей среды. Варено-копченые колбасы охлаждают только воздухом.

Пастеризованные мясные консервы охлаждают водой, а затем воздухом при температуре 0-2 °С и скорости до 3 м/с. Продолжительность охлаждения этого продукта до конечной температуры (не более 5 °С) не превышает 24 ч.

Для охлаждения применяют также туннели и аппараты конвейерного типа, на которых размещены этажерки с продуктом, картонные коробки, штучные упаковки, лотки, поддоны и т.д. Направление движения воздушных потоков в аппаратах зависит от размера и формы продуктов и способа их размещения на конвейере.

Субпродукты, уложенные в противни, ящики, формы, располагают в камере охлаждения на многоярусных стационарных стеллажах либо на передвижных этажерках или рамах не позже чем через 5 ч после убоя скота. Субпродукты укладывают в противни слоем не более 10 см, почки, сердце, мозги и языки - в один ряд; рубцы охлаждают в подвешенном состоянии на крючьях. Продолжительность охлаждения субпродуктов при температуре 0 °С и относительной влажности 85 - 90% около 24 ч. Для ускорения процесса используют скороморозильные аппараты (температура -2… - 4 °С), а также непрямой контакт с жидкой охлаждающей средой.

Животные пищевые жиры охлаждают перед их упаковкой в тару с целью придания жирам плотной консистенции и однородной структуры.

При упаковке в крупную тару (бочки) жиры подвергают одностадийному охлаждению от 65 до 40 °С (говяжий и бараний) до 35 °С (свиной и костный); при упаковке в картонные контейнеры свиной жир охлаждают до 24-25 °С; при упаковке в мелкую тару па фасовочных автоматах (по 250, 500 г.) жиры, предварительно охлажденные до 35 °С, для приобретения ими пластичных свойств дополнительно охлаждают до 12 - 21 °С. Таким образом, конечная температура охлаждения жира зависит от его вида и способа упаковки.

В процессе охлаждения в продуктах происходят физические, биохимические и микробиологические изменения.

Физические изменения характеризуются главным образом потерями массы продуктов, уплотнением поверхностного слоя (образование корочки подсыхания).

Изменения, происходящие при холодильной обработке продуктов животного происхождения, тесно связаны с содержанием в них влаги (внутри клеток и между ними). С понижением температуры молекулы воды образовывают комплексы благодаря своему дипольному характеру (полигидроли). Вокруг ионов или гидрофильных коллоидных частиц создается гидратная оболочка, водосвязывающие силы внутри которой увеличиваются по направлению снаружи внутрь. Диполи воды, сгруппировавшиеся на молекуле-носителе, тесно связаны с ней, и вода в таком состоянии называется связанной. Она имеет повышенную плотность и сильно сниженную растворяющую способность, которая является одной из причин сохранения качества продукта при холодильном хранении, так как неактивная гидратная оболочка препятствует обмену между продуктами реакции. С понижением температуры количество связанной воды увеличивается и тормозит химические и биохимические реакции.

Ввиду большого содержания влаги в мясе животных и птицы над поверхностью свежего мяса устанавливается высокая относительная влажность воздуха (98-99%), которая всегда превышает среднюю влажность воздуха в камерах для холодильной обработки и хранения продуктов.

Относительная влажность воздуха в холодильной камере при температуре от -1 °С до 0 °С может составлять максимум 90-95%. В связи с разницей в давлении пара поверхность охлаждаемого мяса быстро подсыхает, пока равновесная влажность над поверхностью мяса не приблизится к относительной влажности воздуха в холодильной камере. Чем больше поверхность продукта по отношению к его объему, тем быстрее высыхает продукт. С ростом скорости движения воздуха увеличиваются также и потери от испарения. Концентрация раствора в поверхностном слое возрастает и приводит к необратимым процессам (денатурация, усадка и образование корочки). Корочка подсыхания не только препятствует развитию микроорганизмов на поверхности мясной туши, полутуши или четвертины, но и значительно снижает потери массы при хранении охлажденного мяса.

При прочих равных условиях наибольшими будут потери массы в продуктах со значительным количеством свободной воды или без упаковки. Кроме того, они зависят от вида продукта, способа охлаждения и колеблются от 0,4 до 2% и более. Применение газоводонепроницаемых упаковочных материалов может практически полностью предохранить продукты от усушки.

Биохимические изменения в продуктах при охлаждении связаны с ферментативной активностью самих продуктов и характеризуются более замедленным темпом изменений химических и физико-химических свойств. С момента прекращения жизни животных, птиц, рыбы происходит резкое нарушение равновесия в обмене веществ, и вместо преобладания процессов синтеза в действие вступают процессы распада, связанные с необратимыми изменениями в составе этих продуктов. В процессе охлаждения посмертные изменения протекают более замедленно и не вызывают в связи с этим ухудшения качества продуктов.

Микробиологические изменения обусловлены тем, что в процессе охлаждения создаются условия, тормозящие развитие микроорганизмов, а уменьшающаяся увлажненность поверхности продуктов значительно задерживает их рост и размножение. На мясе до и после охлаждения преобладают мезофильные формы микро организмов, в частности кокковые бактерии; психрофильных бактерий сравнительно немного; часть микроорганизмов в процессе охлаждения погибает или переходит в состояние оцепенения. Однако в дальнейшем наблюдается рост оставшихся микробов. Важно сразу после убоя или вылова охладить продукты, что резко тормозит развитие микроорганизмов. Непродолжительное охлаждение существенно не отражается па товарных свойствах продуктов.

Оптовые и розничные торговые предприятия получают от промышленных предприятий продукты животного происхождения в охлажденном виде. При приемке на хранение и в реализацию товароведы (а на оптовых предприятиях совместно с технологами) осуществляют контроль количества и качества продуктов, в том числе и их температуры.

Фактором, сдерживающим увеличение производства продуктов животного происхождения в охлажденном состоянии, является сравнительно короткий, срок их сохраняемости (для мяса не более 10-15 сут. с момента убоя). Он порой бывает недостаточен для организации перевозки охлажденных продуктов, их хранения на распределительных холодильниках и в торговой сети, а также для создания необходимых товарных запасов. В связи с этим продукты животного происхождения подмораживают или замораживают.

2.1.2 Тепловой расчет процесса охлаждения

В задачу теплового расчета входит определение продолжительности охлаждения продуктов и количества теплоты, отводимой от них в процессе охлаждения.

Продолжительность охлаждения является основой для расчета количества теплоты, отведенной от продуктов в процессе охлаждения, оценки эффективности работы холодильной камеры, оборудования и др. Она зависит от вида и параметров охлаждающей среды, размеров и теплофизических характеристик охлаждаемых продуктов. Наибольшей продолжительностью характеризуются процессы охлаждения продуктов в воздушной среде, наименьшей - вакуумного охлаждения.

Продолжительность охлаждения продуктов, имеющих правильную геометрическую форму или близкую к ней, определяют, пользуясь номограммами, выражающими графическую зависимость безразмерной температуры от критериев Фурье и Био для середины пластины, оси цилиндра и центра шара (см. прил. 1). Безразмерная температура

(2.1)

фуа гра заморозка теплофизический

где t, t_н - соответственно конечная и начальная температура продукта, °С; t_с - температура охлаждающей среды, °С.

Критерий Био, характеризующий эффективность теплообмена поверхности продукта с охлаждающей средой, рассчитывают по уравнению

 (2.2)

где б - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности продукта к охлаждающей среде, Вт/(м² •К); l - половина толщины продукта, м; л - коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(м•К)-

Коэффициент теплопроводности продукта определяют по таблице, а коэффициент теплоотдачи - из критериальных зависимостей теплообмена при вынужденном и естественном движении охлаждающей среды у поверхности продукта.

Приближенно коэффициент теплоотдачи от продукта к воздуху находят из зависимости Юргенса

(2.3)

где v - скорость движения воздуха у поверхности продукта, м/с.

Для приближенных расчетов коэффициент теплоотдачи от продукта к жидкой среде при естественной конвекции можно принять равным 200-230 Вт/(м² •К), при скорости движения жидкости 0,5 м/с-1000 Вт/(м² •К).

По полученным значениям безразмерной температуры и критерия Bi из номограммы (см. прил. 1) для пластины, цилиндра или шара определяют точку пересечения соответствующих прямых. Из полученной точки опускают перпендикуляр на ось абсцисс и находят значение критерия Фурье, или безразмерное время

(2.4)

где а - коэффициент температуропроводности продукта, м³ /с; ф - продолжительность охлаждения, с; l - половина толщины продукта, м.

Откуда

(2.5)

Таким образом, вычисляют требуемую продолжительность охлаждения продукта от начальной t_н до конечной t температур на осевой линии продукта.

Коэффициент температуропроводности продукта, входящий в формулу для определения ф, находят из таблиц теплофизических характеристик продуктов. В приближенных расчетах можно принять а =1,25•10^-7 м² /с.

Количество теплоты, отводимой при охлаждении, определяют из выражений

(2.6)

или

(2.7)

где m - масса продукта, кг; с - удельная теплоемкость продукта, кДж/(кг•К); (i_н - i) - разность удельных энтальпий продукта при его начальной и конечной температурах, кДж/кг.

При охлаждении продуктов воздухом необходимо учитывать, что часть теплоты отводится вследствие испарения влаги с их поверхности, т.е. конвективный теплообмен сочетается с испарительным, причем теплота, отводимая вследствие испарения влаги, может составлять до 50% от общего количества теплоты в зависимости от температуры воздуха и свойств охлаждаемых продуктов.

Испарение влаги с поверхности продуктов значительно уменьшается при наличии на поверхности естественного защитного слоя или упаковки.

2.1.3 Замораживание продуктов животного происхождения. Изменение их свойств при замораживании

Замораживание проводят в целях подготовки продуктов к длительному хранению при низких температурах. Это процесс понижения температуры продуктов (в толще) до -8 °С и ниже, что обусловливает превращение значительного количества содержащейся в тканях влаги в твердое состояние, в связи с чем создаются неблагоприятные условия для развития микроорганизмов и резко сокращается скорость биохимических процессов, протекающих под влиянием ферментов.

Количество воды в мясе убойных животных 53 - 75%, а в рыбе 55 - 80%. По существующей классификации в пищевых продуктах различают связанную (гидратационную) и свободную воду. Содержание связанной воды почти постоянно и составляет около 10% ее общего количества в продукте. Дипольные частицы воды посредством адсорбции прочно связаны с ионами и полимерными группами белков. При замораживании продуктов связанная вода не участвует в фазовых превращениях.

Свободная вода находится в межклеточном пространстве продукта и является растворителем минеральных веществ. При температурах ниже криоскопической она превращается в лед. По мере вымораживания свободной воды растет концентрация солей в незамерзшем межклеточном растворе, что приводит к смещению криоскопической температуры в область более низких температур. Размер, форма и распределение кристаллов льда, образующихся в продукте при замораживании, зависят от состояния клеточных оболочек, концентрации растворенных веществ отдельных структурных образований животных тканей, от степени гидратации белков и других свойств продукта. Вместе с тем эти характеристики кристаллов льда в продукте зависят от условий замораживания. Быстрое снижение температуры продукта предотвращает значительное диффузионное перераспределение влаги в нем и способствует образованию мелких, равномерно распределенных кристаллов льда. Считают, что полное вымораживание свободной воды продовольственных продуктов происходит при снижении температуры продукта до -30 °С.

Степень повреждения клеток продукта зависит от размера кристаллов льда. Наибольшие структурные повреждения наблюдаются в продуктах, вода которых замерзла в виде крупных кристаллов льда. Их образование свойственно медленному замораживанию. Вместе с тем значительные механические повреждения отмечены при сверхбыстром замораживании, которое сопровождается образованием мелкокристаллической структуры льда в продукте.

Наряду с возможностью разрушения клеток вследствие механического воздействия кристаллов льда, по-видимому, это одновременно является и результатом физико-химических и биологических превращений, происходящих в продукте на молекулярном уровне.

Понижение температуры продукта от криоскопической до - 8… - 10 °С сопровождается интенсивным льдообразованием и, следовательно, резким увеличением концентрации реагентов в жидкой фазе продукта, уменьшением объема жидкой фазы, сближением молекул. При этом создаются условия для перестройки структуры белковых молекул (денатурации), возникновения межмолекулярных реакций и агрегации. Последняя в отдельных случаях сопровождается выделением из раствора. Изменение белков продуктов происходит также в результате их гидролиза под действием тканевых ферментов, которые высвобождаются при повреждении клеток.

Изменения жиров при замораживании и хранении продуктов являются результатом ферментативных и окислительных процессов. Они снижают пищевую ценность продуктов и влияют на состояние белков.

При замораживании снижаются концентрации и активность микроорганизмов, однако добиться их полного уничтожения нельзя. Устойчивость микробной клетки к замораживанию зависит от вида микроорганизма, стадии его развития, среды обитания, а также скорости и температуры замораживания.

Получение высококачественных замороженных продуктов обусловлено качеством сырья, которое зависит от многих факторов: условий роста, кормления, упитанности, физиологического состояния животного перед убоем; совершенства операций по убою животного и разделке туш. Критерием качества принято считать степень развития в сырье послеубойных процессов.

Мясо, замороженное в стадии окоченения, будет более низкого качества, так как белки обладают наименьшей растворимостью, набухаемостью и влагоудерживающей способностью.

Замороженное парное мясо имеет высокую степень обратимости, а белки - хорошую набухаемость и влагоудерживающую способность, так как резко тормозятся автолитические процессы, не наблюдается повреждений гистологической структуры тканей. Такое мясо обладает лучшими потребительскими свойствами.

Основным фактором, определяющим качество сырья и его стойкость при последующем хранении, является температура замораживания или конечная температуры продукта. При ее снижении уменьшаются потери белковых и экстрактивных веществ с мясным соком. Так, мясо животных, замороженное до -57 °С, а затем размороженное, незначительно отличается по качественным показателям от мяса, не подвергавшегося замораживанию.

Качественные показатели продукта зависят также от скорости замораживания. По мере вымораживания свободной воды и обезвоживании тканей растет концентрация незамерзшего солевого раствора, что вызывает перераспределение влаги в продукте по законам диффузии. При медленном замораживании мяса кристаллообразование идет преимущественно в более рыхлой соединительной ткани между пучками мышечных волокон; при быстром - образуется мелкокристаллическая структура льда и его распределение протекает более равномерно. Поскольку замораживание ведут, как правило, при постоянной температуре охлаждающей среды, то с ростом толщины замороженного слоя скорость замораживания его глубинных слоев уменьшается. Изменение скорости замораживания по толщине продукта не вызывает пропорционального изменения скорости диффузионных процессов, поэтому состав и структура льда на разной глубине замороженного продукта значительно отличаются друг от друга. Применение низкотемпературных хладоносителей может привести к ухудшению качества замороженной продукции. При замораживании, например, мяса в жидком азоте на поверхности продукта отмечено возникновение множества микротрещин.

Различия в качестве продуктов, замороженных разными методами, после нескольких месяцев хранения при температуре -20 °С практически исчезают вследствие рекристаллизации. Движущей силой этого процесса является разность давлений водяных паров на поверхности мелких и крупных кристаллов льда. Частицы воды мигрируют от более мелких к более крупным кристаллам, что приводит к уменьшению количества мелких и росту крупных кристаллов льда. При низких температурах процесс рекристаллизации протекает медленно, но по мере повышения температуры продукта заметно ускоряется. Следовательно, увеличивать скорость замораживания нужно с учетом вида продукта, его поведения при замораживании и последующего хранения.

Замораживание должно обеспечить сохранность пищевой и биологической ценности продуктов, для чего необходимо стремиться к максимальной обратимости изменений, происходящих под влиянием отрицательных температур.

Универсальной средой для отвода теплоты от продукта является воздух. При принудительном движении и низких температурах среды обеспечивается необходимая скорость и продолжительность замораживания. Последнее производят в устройствах камерного типа или в скороморозильных аппаратах.

В камерах замораживания применяются различные системы воздухораспределения. Наиболее распространены две из них - через плоские щели или сопла, и через круглые насадки (воздушное душированне). Перспективны также системы с потолочными воздухоохладителями с неорганизованным и туннельным воздухорас-пределением.

Для замораживания мясо в тушах и полутушах по подвесным путям направляется в морозильные устройства камерного типа. Камеры однофазного замораживания предназначены для замораживания мяса в виде туш, полутуш в парном состоянии с температурой в толще мышц бедра не ниже - 35 °С. При отсутствии на предприятии таких камер мясо замораживают двухфазным способом, предварительно охладив его до температуры 0… - 4 °С в толще мышц бедра.

При однофазном замораживании уменьшаются потери массы, сокращаются затраты труда на транспортировку, рациональнее используются холодильные емкости, не снижается качество мяса.

Говяжьи полутуши рекомендуется замораживать в пределах 24 ч (скорость движения воздуха 1-2 м/с, температура -30… - 40 °С). Продолжительность замораживания свиных полутуш и бараньих туш составляет соответственно около 80% (18-20 ч) и 60% (14-16 ч)
от продолжительности замораживания говяжьих полутуш. В зимнее время года мясо можно замораживать естественным холодом.

Существующая организация холодильной обработки мяса для реализации требует совершенствования. Для населения, розничной торговли и общественного питания целесообразно производство мороженых фасованных продуктов, в том числе готовых блюд массой от 50-100 г. до нескольких килограммов с учетом потребностей населения и вместимости морозильных камер бытовых холодильников.

Преимущественное распространение получили аппараты туннельного типа с интенсивным движением воздуха. Продолжительность замораживания продуктов в морозильных аппаратах составляет от нескольких минут до нескольких часов и зависит в основном от толщины и размеров продукта.

В морозильных аппаратах при -30… - 40 °С с интенсивным движением воздуха мясные готовые блюда за 2-4 ч замораживаются до -18 °С.

Ассортимент быстрозамороженных готовых мясных блюд включает около 100 наименований, однако объем их производства недостаточен.

Битую птицу замораживают в воздушной среде после предварительного охлаждения или без него. Ящики устанавливают в камере на решетки в шахматном порядке. Для ускорения замораживания с крышек ящиков снимают средние дощечки, а при замораживании гусей - и боковые. Упаковочную бумагу подворачивают так, чтобы воздух свободно омывал тушки.

Продолжительность замораживания зависит от вида и упитанности птицы, а также от температуры и скорости движения воздуха. При -18 °С и естественной циркуляции воздуха - 48-72 ч; при -23… - 26 °С и скорости движения воздуха 1 -1,5 м/с - 18-20 ч (куры и утки), 35-40 ч (гуси и индейки).

Наиболее распространено замораживание тушек птицы в скороморозильных аппаратах туннельного типа при -30… - 40 °С с интенсивным движением воздуха. Продолжительность замораживания составляет 4,5-10 ч в зависимости от упитанности и вида птицы. Потери массы при замораживании составляют 0,2 - 0,1%*

Одним из наиболее рациональных способов замораживания тушек птицы является замораживание вакуумированной птицы в жидких охлаждающих средах. Продолжительность процесса составляет 25-45 мин, потери массы от усушки отсутствуют.

Замораживание тушек птицы жидким азотом (методом погружения, орошения и в парах азота) протекает с максимальной скоростью, всего за 4-5 мин.

Субпродукты размещают в морозильных камерах на противнях, укладываемых на рамы, этажерки или стеллажи, либо в виде блока. Помещают их в металлические формы без крышек или с крышками, без упаковки или с предварительной упаковкой в полимерные пленки. Замораживают субпродукты при -30… - 35 °С и скорости движения воздуха 1-2 м/с. Продолжительность замораживания при двухфазном способе 12 ч, при однофазном - 18 ч; при замораживании в морозильных аппаратах соответственно 3-4 и 4-7 ч.

Вымораживание воды в биологических системах при понижении их температуры ниже криоскопической существенно изменяет теплофизические свойства продуктов. Основной причиной изменения теплофизических свойств продуктов при замораживании является превращение воды в лед, так как свойства сухих веществ практически постоянны.

Полная удельная теплоемкость продуктов при замораживании включает скрытую теплоту фазового превращения (льдообразования) воды. Значение q_щ максимально 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.

Условная удельная теплоемкость

(2.8)

где С_с - удельная теплоемкость сухих веществ, кДж/ (кг•К), для продуктов животного происхождения составляет 1,34-1,08 кДж/(кг•К), для растительных - не более 0,9 кДж/(кг-К); С_л - удельная теплоемкость льда - 2,12 кДж/(кг•К); С_в - удельная теплоемкость воды 4,2-1 кДж/(кг•К); W - массовая доля воды в продуктах; щ - относительное количество вымороженной воды (определяется при той температуре, для которой необходимо вычислить удельную теплоемкость).

Преобразовав выражение (1) и подставив в него значения С_л и С_в получим

(2.9)

где С₀ - удельная теплоемкость незамороженного продукта (при начальной криоскопической температуре), кДж/(кг•К).

Теплоту льдообразования для единицы массы продукта при изменении температуры на один градус q_щ > (кДж/(кг•К)) находят по формуле

(2.10)

где (щ₂ - щ₁) - 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, l2t, где t - температура замороженного продукта, °С.

Полная удельная теплоемкость замороженного продукта

(2.11)

где С_щ - полная удельная теплоемкость замороженного продукта, кДж/(кг «К); С_м - условная удельная теплоемкость замороженного продукта, кДж/(кг-К);
q_щ - теплота льдообразования единицы массы продукта при изменении температуры на один градус, кДж/(кг-К).

Разница между значениями C_щ и С_м максимальна при начальной криоскопической температуре, когда C_м = C₀, a q_щ имеет наибольшее числовое значение. После окончания вымерзания воды q_щ= 0 и С_щ = С_м.

Для вычисления полной удельной теплоемкости некоторых продуктов при температурах ниже криоскопической пользуются приближенной эмпирической формулой

(2.12)

где t - температура, при которой определяется полная теплоемкость мороженою продукта, ?С. Значения постоянных n и m приведены в таблице 3.5 [1].

В отличие от удельной теплоемкости коэффициент теплопроводности нельзя подсчитать по обычным законам смешения. Так как коэффициент теплопроводности практически изменяется только с началом льдообразования, то это позволяет представить теплопроводность замораживаемого продукта как функцию от температуры.

Коэффициент теплопроводности льда в практических 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):

(2.13)

где t - температура льда, °С.

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

(2.14)

где л₀ - коэффициент теплопроводности продуктов при температуре выше криоскопической, Вт/(м•К); щ - относительное количество воды, вымороженной при данной температуре.

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

(2.15)

где n и m постоянные (значения приведенные в таблице 3.6 [1]).

Увеличение теплопроводности продукта при понижении температуры практически завершается с окончанием льдообразования.

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.

В большинстве продуктов уменьшение плотности при замораживании не превышает 5-8%. поэтому при расчетах ее считают постоянной.

Температуропроводность продуктов при понижении температуры увеличивается и достигает максимальной величины с завершением льдообразования. Расчетный коэффициент температуропроводности

(2.16)

где С_м - удельная расчетная теплоемкость замороженных продуктов, кДж/(кг•К); Р_м - плотность замороженного продукта, кг/м³.

Для большинства продуктов питания расчетный коэффициент температуропроводности замороженных продуктов

(2.17)

где а₀ - коэффициент температуропроводности продуктов при температуре выше криоскопической, м² /с; щ - относительное количество воды, вымороженной из продуктов при данной температуре.

При повышении содержания воды в продукте числовой коэффициент (2,08-10^-6) также увеличивается.

Изменения физико-химических и биохимических свойств продуктов при замораживании индивидуальны (в зависимости от природы продукта и условий замораживания), но в своей основе имеют много общего.

Раньше считалось, что применяемый метод замораживания оказывает решающее влияние на качество продукта. По результатам микроскопических исследований замороженных образцов установлено, что чем быстрее производится замораживание, тем меньше повреждения ткани и тем больше теоретическая возможность получения продукта, обладающего после размораживания свойствами, близкими к исходным. Однако оказалось, что после нескольких месяцев хранения продукта при -20 °С различия в качестве продуктов, полученных разными способами замораживания, практически полностью устраняются, тем более что изменения структуры тканей, обусловленные процессами при тепловой обработке, применяемой до или после замораживания, очень значительны и в сравнении с ними изменения при замораживании в практических условиях не существенны.

Увеличение объема продуктов при замораживании (на 5-7%) вызывает значительный рост внутреннего давления и воздействие на клеточную структуру механических сил, которые ведут к ее повреждению. Рост внутреннего давления тем больше, чем крупнее размеры продукта, чем быстрее производится замораживание и больше разность температур между внешними и внутренними слоями продукта.

Вследствие льдообразования замороженные продукты твердеют, из-за оптического эффекта преломления света кристаллами льда меняют окраску и частично теряют свойственный им запах. Вместе с тем увеличивается концентрация растворимых веществ в клеточном соке и изменяется рН клеточных растворов. Увеличение концентрации электролитов в незамороженной жидкой фазе живых клеток вызывает их гибель.

При замораживании в продуктах питания протекают необратимые изменения: в неупакованных продуктах происходит усушка вследствие испарении воды и сублимации льда с поверхности. Интенсивность этих процессов увеличивается при возрастании разности температур между поверхностью продуктов и охлаждающей средой, при увеличении скорости движения охлаждающей среды.

При наличии на поверхности продукта корочки подсыхания или жирового слоя усушка уменьшается. Резко снижает усушку и упаковка продуктов. Однако при наличии свободных пространств между продуктом и упаковкой на внутренней поверхности последней в результате конденсации и замерзания водяного пара образуется иней (внутренняя усушка), поэтому для снижения усушки продуктов применяют вакуумную и термоусадочную упаковки, при которых внутренняя усушка отсутствует.

При замораживании продуктов животного происхождения отмирает 80-90% микроорганизмов, так как при быстром понижении температуры развитие микроорганизмов и деятельность выделенных ими ферментов подавляются более интенсивно.

2.1.4 Тепловой расчет замораживания

Температурные графики замораживания характеризуют графические изменения температуры в различных точках продукта во времени и различаются в зависимости от размеров и теплофизических свойств замораживаемых продуктов, а также от интенсивности теплоотвода (рис. 2.1).

Как видно из графиков, в первый период температура в теле рыбы быстро понижается до криоскопической как при воздушном, так и при рассольном замораживании. Во второй период снижение температуры замедляется, наклонная кривая переходит в пологую или горизонтальную линию. Замедление снижения температуры, особенно в диапазоне температур -1… - 5 °С, объясняется выделением скрытой теплоты льдообразования, так как в этот период почти 80% воды, содержащейся в рыбе, превращается в лед. Длина и наклон линии, характеризующей этот процесс, также зависят от интенсивности теплоотвода (на поверхности продукта при быстром замораживании второй период может отсутствовать).

Третий период показывает изменение температуры продукта после замораживания, когда основная часть несвязанной воды перешла в твердо-кристаллическое состояние.

При тепловых расчетах замораживания задается начальная и конечная температуры продуктов. Используемые же числовые значения тепловых характеристик продуктов должны относиться ко всему процессу, поэтому в расчетах берутся значения тепловых характеристик продуктов при средней температуре процесса.

Среднюю температуру продукта (в интервале от t₁ до t₂) при условии, что оба эти значения лежат в области от криоскопической температуры до температуры окончания льдообразования, можно определить по уравнению

(2.18)

При замораживании температурное поле продукта остается неравномерным до конца процесса. Выполняя тепловые расчеты замораживания, нужно знать характеристики состояния продукта в конце замораживания. Обычно для этого усредняют температуры в различных точках замороженного тела и вводят понятие о средней конечной температуре замораживания.

Средней конечной называют температуру, характеризующую состояние замороженного продукта, помещенного в камеру хранения, когда наружного теплообмена практически нет (температура на поверхности тела близка к температуре воздуха в камере), а внутренний теплообмен между различными слоями продукта происходит довольно интенсивно из-за возросшей температуропроводности тела (происходит выравнивание температуры по всему объему продукта). Средняя конечная температура тела практически равна средней арифметической между конечными температурами продукта на поверхности и в центре (в последнем случае она не должна превышать -8 °С). Конечная температура на поверхности тела зависит от размеров и теплофизических свойств продукта, а также от температуры теплоотводящей среды и коэффициента теплоотдачи.

Среднюю конечную температуру продукта рассчитывают по формулам, полученным И.Г. Алямовским:

для пластины

(2.19)

для цилиндра

(2.20)

для шара

 (2.21)

где t_ц и t_п - соответственно температура в центре и на поверхности тела, °С.

Для соблюдения постоянного температурного режима в камере хранения при внесении в нее продуктов сразу после замораживания, а также для предотвращения домораживания продуктов необходимо, чтобы средняя конечная температура продукта после замораживания была равна температуре воздуха в камере хранения.

Если средняя конечная температура продукта отличается от температуры в камере хранения, в которую его поместят, то температурный режим охлаждаемого помещения может нарушиться. Конечную температуру замораживания в центре тела рассчитывают, принимая среднюю конечную температуру равной температуре воздуха в камере хранения:

(2.22)

где: t_c - температура теплоотводящей среды, °С;

(2.23)

где а - коэффициент теплоотдачи при замораживании, Вт/(м² •К); l - минимальное расстояние от поверхности продукта до центра, м; л_м - коэффициент теплопроводности продукта при средней конечной температуре замораживания, Вт/(м•К).

В задачу теплового расчета замораживания входит определение продолжительности замораживания продуктов и количества теплоты, отводимой при этом.

Продолжительность замораживания - время, необходимое для понижения температуры продукта от начальной до заданной конечной, при которой большая часть воды, содержащейся в тканях, превращается в лед. Зависит она от скорости и конечной температуры замораживания, начальной температуры и теплофизических свойств продуктов, их толщины, а также от температуры и свойств охлаждающей среды и др.

Продолжительность процесса замораживания продуктов определяют, представляя их в виде тел простой стереометрической формы (пластины, цилиндра, шара, параллелепипеда). В холодильной технологии наиболее часто используют формулу Планка

(2.24)

где q_з - полная удельная теплота, отводимая от продукта при замораживании от заданной начальной температуры продукта до заданной средней конечной, кДж/кг: , где i_к - энтальпия продукта при начальной температуре, кДж/кг; i_с.к - энтальпия продукта при средней конечной температуре, кДж/кг; с - плотность замороженного продукта, кг/м³; l - толщина продукта, м; t_кр - начальная криоскопическая температура продукта, °С; t_с - температура теплоотводящей среды, °С; л_м - коэффициент теплопроводности продукта при средней температуре его в процессе замораживания между криоскопической и средней конечной температурами, Вт/(м•К); б - коэффициент теплоотдачи к теплоотводящей среде, Вт/(м² •К); А - коэффициент, значение которого зависит от формы замораживаемого тела (для плоскопараллельной пластины при двустороннем замораживании А = 2, для бесконечного прямого круглого цилиндра А = 4, для шара - А = 6); L - характерный размер, м (для плоскопараллелыюй пластины L - толщина пластины, для бесконечного круглого прямого цилиндра L - диаметр цилиндра, для шара L - диаметр шара).