ЗАМОРАЖИВАНИЕ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Сущность процесса замораживания. Замораживание, как физическое явление, представляет собой превращение в лед влаги, содержащейся в продукте, вследствие понижения его температуры ниже криоскопической точки.

Продукт подвергают замораживанию для сохранения его полезных свойств и качества, так как в результате этого процесса сводятся к минимуму физические, биохимические и микробиологические изменения, протекающие в продукте. Достигается это благодаря снижению температуры продукта и превращению большей части воды в лед. Снижение температуры ниже точки замерзания тканевой жидкости замедляет рост и жизнедеятельность многих микроорганизмов. Превращение воды в лед, сопровождающееся ростом концентрации растворимых веществ, снижает биологическую активность воды в продукте до предела, при котором невозможен рост большинства микроорганизмов.

Химические реакции также замедляются при снижении температуры. Однако в отличие от микробиологической деятельности организмов они продолжают протекать даже при низких температурах хранения.

С другой стороны, превращение воды в лед вызывает комплекс физических и физико-химических изменений, которые, в свою очередь, вызывают изменение качества продукта (обычно ухудшают его). Поэтому для каждого продукта, чтобы свести к минимуму вредное влияние на его качество таких реакций, следует выбирать определенные условия замораживания и хранения, а также условия, предшествующие замораживанию.

Для большинства продуктов, подвергаемых промышленному замораживанию, вода является главным компонентом. В большей ее части находятся растворимые вещества клетки, меньшая часть идет на образование гидратов и макромолекулярных коллоидов. Кроме того, водный раствор составляет часть желеобразной или нитеподобной структуры клетки. Наиболее характерный процесс при замораживании - это превращение воды в лед, в результате чего она изменяет свое нормальное состояние в ткани.

Переход воды в лед увеличивает концентрацию растворимых веществ клетки, изменяет рН водного раствора и воздействует на воду, которая входит в состав коллоидных комплексов.

Концентрированные электролиты воздействуют на полипептидные цепи белка, что приводит к его денатурации.

В живых тканях это часто вызывает гибель клеток. В пищевых продуктах, которые до замораживания состоят из мертвой ткани, во время хранения это может привести к изменениям структуры и нежелательным биохимическим реакциям.

Образование льда в продуктах. Чистая вода, как известно, замерзает при 0°С. Тканевые соки пищевых продуктов не являются чистой водой. В них содержатся растворенные соли, сахара, кислоты. Следовательно, они представляют собой растворы. Замерзание растворов начинается при более низких температурах, чем замерзание чистой воды. При замерзании любого разбавленного раствора сначала выделяется в твердом виде чистый растворитель. Температуру, при которой начинается выделение твердой фазы из раствора, называют точкой его замерзания.

Для большинства натуральных пищевых продуктов точка замерзания близка к -1°С. Она зависит от концентрации раствора, степени диссоциации растворенных веществ, свойств растворителя. Чем больше в тканевых соках пищевых продуктов растворенных веществ, тем ниже точка их замерзания. Все сладкие или кислые плоды, т.е. содержащие относительно много сахароз или кислот, имеют более низкие точки замерзания. Например, точка замерзания некоторых сортов винограда с повышенным содержанием сахара и солей железа достигает -5°С. Низкую температуру замерзания имеют также соленые, засахаренные, маринованные продукты.

Процесс замерзания чистой воды до полного превращения ее в лед происходит при постоянной температуре, равной 0°С. Растворы же замерзают при изменяющейся температуре. В начале процесса, когда они доведены до точки замерзания, вымораживается только часть растворителя. При замерзании пищевых продуктов, тканевые соки которых являются водными растворами различных органических и минеральных веществ, сначала превращается в лед только некоторая часть воды. На эту часть в растворе остается меньше воды, а количество растворенных веществ прежнее, следовательно, концентрация его увеличивается. Для дальнейшего замораживания температуру понижают. При этом вымерзает еще некоторая доля воды, что снова увеличивает концентрацию раствора. Так, продолжая понижать температуру, вымораживают все больше и больше воды из раствора и он становится концентрированным. Однако это происходит до тех пор, пока концентрация раствора не достигнет некоторой определенной для данного вещества величины, при которой он весь застывает в сплошную твердую массу. Такая масса называется эвтектикой. Температура, при которой происходит ее образование, называется эвтектической температурой, а соответствующая концентрация раствора - эвтектической концентрацией. Эвтектическая температура является самой низкой из всех возможных температур замерзания растворов данного вещества. Но для различных веществ она неодинакова. Так, например, для поваренной соли она равна -21, 2°С, а для хлористого кальция -55°С.

Эвтектическая температура тканевых соков пищевых продуктов находится около -60°С. Практически в холодильной технологии пищевых продуктов, как правило, не прибегают к замораживанию тканевых соков до состояния эвтектики.

Воду, превращенную в пищевых продуктах в лед, называют вымороженной. О количестве ее судят по величине ω, представляющей собой отношение влаги, превращенной в лед, ко всему ее количеству (в жидком и твердом состояниях), содержащемуся при данной температуре.

Очевидно, точка замерзания продукта соответствует ω =0, а эвтектической точке -ω =1. Для промежуточных температур значения этой величины можно определять по эмпирической формуле

, (72)

где А_ω и В_ω - постоянные, числовые значения которых равны соответственно 110, 5 и 0, 31;

t - температура, для которой определяется количество вымороженной воды, °С;

t_з - точка замерзания данного продукта, °С.

Значения t и t_з подставляют в формулу в абсолютном числовом выражении, т.е. если температура отрицательная, то она берется без знака минус. Точка замерзания многих пищевых продуктов, например мяса, рыбы, молока, яиц и некоторых других, близка к -1°С. Поэтому для них приведенную формулу можно применять без существенной погрешности в следующем упрощенном виде:

Зависимость количества вымороженной воды от температуры для некоторых основных пищевых продуктов показана на рис.161. Из графиков видно, что примерно три четверти содержащейся в мясе, птице, рыбе и яйцах воды вымораживается при температурах до -4°С. В плодах и картофеле при этой температуре вымораживается около половины воды. При дальнейшем понижении температуры количество вымораживаемой воды резко сокращается.

Температура замораживания является решающим фактором для вымораживания воды. Некоторую роль играют также состав тканевого сока и характер распределения его в продукте. Способ и продолжительность замораживания непосредственного влияния на количество вымороженной воды в продукте не оказывают.

Изменение теплофизических свойств продуктов при замораживании. Фазовое превращение при замораживании продуктов содержащейся в них влаги в твердое состояние существенно изменяет их теплофизические свойства, это связано с тем, что теплофизические свойства воды и льда резко различаются. Свойства сухих веществ продуктов при замораживании меняются весьма незначительно и практически считаются постоянными. Следовательно, основной и почти единственной причиной изменения теплофизических свойств продуктов при замораживании является превращение содержащейся в них воды в лед.

Изменяется при замораживании продуктов их удельная теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, плотность.

Удельная теплоемкость пищевых продуктов вследствие их замораживания уменьшается, поскольку теплоемкость льда в два раза меньше теплоемкости воды.

Теплопроводность пищевых продуктов при их замораживании увеличивается. Объясняется это тем, что теплопроводность образующегося льда приблизительно в 4 раза больше теплопроводности воды. Очевидно, теплопроводность замороженных продуктов возрастает с понижением температуры замораживания, поскольку количество вымораживаемой воды с понижением температуры увеличивается.

Температуропроводность пищевых продуктов при замораживании также увеличивается. Температуропроводность воды вследствие превращения ее в лед увеличивается почти в 8 раз.

Плотность пищевых продуктов при замораживании уменьшается вследствие расширения содержащейся в них воды при превращении ее в лед. Но степень изменения плотности по сравнению с изменением других тепло-физических свойств (теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности) продуктов при замораживания очень небольшая. В среднем плотность основных видов пищевых продуктов при замораживании уменьшается на 5-6%.

Температурные графики замораживания. Характер теплофизических явлений, происходящих в замораживаемых продуктах, наглядно отражают температурные графики, представляющие собой прямоугольную систему координат, в которой по абсциссе откладывается время замораживания, а по ординате - температура в различных точках продукта.

Каждый график, независимо от консистенции продуктов (жидких и нежидких) при замораживании состоит из трех участков (рис.162). Первый участок соответствует охлаждению центральной части продукта до криоскопической температуры. Этот участок представляет собой наклонную кривую, которая тем круче, чем быстрее отводится тепло от продукта.

На втором участке понижение температуры продукта замедляется и кривая замораживания переходит в пологую, а иногда и в горизонтальную линию. В этот период температура охладившегося, но еще не замерзшего центрального слоя продукта соответствует криоскопической. Длина и наклон второго участка зависят от интенсивности отвода тепла от замораживаемого продукта.

Третий участок графика показывает изменение температуры продукта после вымерзания основной части воды. Здесь снова ускоряется понижение температуры.

На рис.163 приведены графики, полученные Г.Б. Чижовым при замораживании двух одинаковых плоских, пластин из геля агара. По содержанию воды, сухого остатка и минеральных солей агаровые пластинки являлись аналогами пищевых продуктов. И теплообмен в них при замораживании происходит так же, как в
пищевых продуктах.

Рис.163. Графики послойного изменения температуры при замораживании пластин агара:

а - в воздухе; б - в рассоле

Одна из пластин замораживалась медленно - в воздухе, другая быстро - в рассоле. На поверхностях и в различных по глубине слоях обеих пластин производились замеры температур посредством термопар.

Из графиков видно, что в первый период в обоих образцах происходило быстрое снижение температуры во всех слоях. При этом чем ближе слой находился от поверхности, тем скорее в нем падала температура.

На втором этапе снижение температуры замедлилось в образце, замораживавшемся в воздухе. Заметно такое замедление в центральных слоях образца, который замораживался в рассоле.

Третья фаза замораживания тоже наиболее рельефно выражена в воздушной среде, особенно в слоях, расположенных ближе к осевой плоскости пластины. При замораживании в рассоле эту фазу можно выделить только на графиках, отображающих процесс в центральных слоях образца. На графиках же периферийных слоев она отсутствует.

Средняя конечная температура замораживания. В практике хранения замороженных продуктов и при тепловых расчетах их замораживания часто требуется знать, какую температуру они имеют в конце этого процесса. Практически конечная температура замораживаемого продукта никогда не доводится до одинаковых значений во всех его точках. В центральной части продукта она значительно выше, чем в слоях, расположенных ближе к поверхности. В связи с этим возникла необходимость ввести понятие о средней конечной температуре замораживания. Правда, определить ее расчетным путем для условий, когда температура в центре продукта выше -5°С, представляет очень трудную задачу, так как, пока центральные слои продукта не замерзнут до -5°С, характер распределения температур по его толщине во времени изменяется по весьма сложному закону. Практически продукты всегда замораживаются до температуры в центральном слое ниже -5°С, при которой распределение температур по толщине продукта становится иным - близким к линейному. Это позволяет без существенных погрешностей принимать за среднюю конечную температуру замораживаемого продукта t_ск среднюю арифметическую между конечной температурой в центре t_кц и конечной температурой поверхности t_кп:

. (73)

В тепловых расчетах одной из температур t_ск или t_кц, входящих в это уравнение, можно задаться. Определение же температуры t_кп расчетным путем весьма сложно, так как она зависит от многих свойств продуктов и условий их замораживания.

Д.Г. Рютов предложил для определения средней конечной температуры замораживания формулу, в которую не входит температура поверхности продукта. Выведена эта формула для продуктов, имеющих форму плоской пластины при двухстороннем их замораживании. Формула имеет вид

, (74)

где t_c - температура теплоотводящей среды, °С;

Bi - критерий Био;

α - коэффициент теплоотдачи при замораживании, Вт/(м²·°С);

δ - половина толщины продукта, м;

λ _м - коэффициент теплопроводности замороженного продукта при средней температуре в толще между его поверхностью и центром, Вт/(м·°С).

Для приближенных расчетов рассмотренной формулой Д.Г. Рютова можно пользоваться и в случае замораживания продуктов других форм.

В практике хранения замороженных продуктов средняя конечная температура их замораживания должна быть такой же, как и температура воздуха в камере хранения. И если она будет выше этой температуры, то в камере нарушится температурный режим. Более того, изменится в ней и влажность воздуха.

Следовательно, в этом случае конечная температура замораживания продуктов определяется температурой, при которой они будут храниться. Но чтобы обеспечить такую конечную температуру замораживания продукта, надо довести до соответствующего значения температуру в его центре.

В инструкциях по замораживанию обычно указывается, какая температура должна быть в центре продукта к концу его замораживания. Расчетным путем эту температуру можно определить, исходя из уравнения (74), решив которое относительно t_кц, получим

. (75)

Расход холода на замораживание. Расходом холода на замораживание продуктов называют общее его количество, затраченное на все три стадии этого процесса: на охлаждение продукта от начальной температуры до криоскопической, на льдообразование и дальнейшее понижение температуры продукта от криоскопической до средней конечной. Соответственно этому для определения расхода холода на замораживание продуктов пользуются формулой:

, (76)

где Q_зам - определяемый расход холода на замораживание продукта, кДж;

G - масса продукта, кг;

с₀ - удельная теплоемкость продукта при температурах выше его криоскопической температуры, кДж/(кг·°С);

t_н - начальная температура продукта, º С;

t_кр - криоскопическая температура, º С;

w - относительное весовое содержание воды в продукте в долях единицы;

ω - количество вымороженной воды при средней конечной температуре замораживания в долях единицы;

r - удельная теплота льдообразования, кДж/кг;

с_м - удельная теплоемкость замороженного продукта при температуре средней между криоскопической и средней конечной, кДж/(кг·°С);

t_ск - средняя конечная температура продукта, º С.

Самая большая часть тепла, отводимого от продукта при замораживании, - это теплота льдообразования. Соответствующим этой теплоте слагаемым в рассматриваемой формуле в основном и определяется расход холода на замораживание. Чем больше в продукте содержится влаги, тем больше расходуется холода на его замораживание. Например, при замораживании в одних и тех же температурных пределах на тощее мясо холода расходуется больше, чем на жирное.

Расход холода на замораживание продуктов можно также определять по формуле:

, (77)

где i₁ и i₂ - соответственно начальная и конечная энтальпия продукта, кДж/кг.

Значения энтальпии основных пищевых продуктов при различных температурах приведены в приложении 7.

Продолжительность замораживания. Общей формулой для более или менее точного теоретического подсчета продолжительности замораживания различных пищевых продуктов холодильная технология пока не располагает. И вывод такой формулы представляет сложную задачу, так как течение этого процесса зависит от множества факторов, значительная часть которых не поддается точному отображению в общем математическом уравнении.

Имеются уравнения, выведенные для частных случаев замораживания отдельных видов и форм продуктов. При выводах этих уравнений допущен ряд упрощений и условностей в осуществлении процесса замораживания. Поэтому они тоже не отображают истинного его течения. Однако для приближенных расчетов ими нередко пользуются. А главное значение этих формул заключается в том, что по ним можно судить, какие из факторов и в каком направлении влияют на продолжительность замораживания.

Широко известными из таких математических выражений являются формулы Планка, предложенные им для определения продолжительности замораживания однородных тел простых геометрических форм. При выводе этих формул приняты следующие упрощения: к началу замораживания продукт полностью во всех своих частях охлажден до криоскопической температуры; замораживание происходит при постоянной температуре теплоотводящей среды и постоянном коэффициенте теплоотдачи от поверхности замораживаемого тела; коэффициент теплопроводности замороженного слоя остается постоянным, а теплоемкость этого слоя равна нулю. Формулы даны для трех различных геометрических форм замораживаемых тел: плоской пластины, бесконечно длинного цилиндра и шара.

Для продуктов, имеющих форму плоской пластины при двухстороннем их замораживании, рекомендуется формула

, (78)

для продуктов в виде бесконечного цилиндра

, (79)

и для шарообразных продуктов

. (80)

В этих формулах:

τ - продолжительность замораживания, ч;

q - удельное количество тепла, отводимого от продукта при замораживании, кДж/кг;

γ - плотность продукта, кг/м³;

∆ t=t_кр-t₀, °С;

t_кр - криоскопическая температура продукта, º С;

t₀ - температура теплоотводящей среды, °С;

δ - толщина пластины, м;

λ _м - коэффициент теплопроводности продукта при средней температуре процесса замораживания, Вт/(м·°С);

α - коэффициент теплоотдачи от продукта в окружающую среду, Вт/(м²·°С);

D_ц - диаметр цилиндра, м;

D_ш - диаметр шара, м.

При сопоставлении формул (78, 79, 80) видно, что если тело по геометрическим формам представляет собой плоскую пластину, цилиндр или шар и если диаметры цилиндра и шара равны толщине пластины, то при прочих равных условиях продолжительности их замораживания относятся как . Иными словами, продолжительность замораживания продуктов цилиндрической формы сокращается в два раза, шарообразной - в три раза по сравнению с этой величиной для продуктов в виде пластины.

Рассмотренные формулы Планка имеют большое научное значение. Но вследствие ряда принятых при их выводе условных положений результаты расчетов значительно отличаются от опытных данных. Поэтому для практического пользования этими формулами вводят соответствующие поправочные коэффициенты.

Д.Г. Рютов предложил дополнить формулу (78) коррективами, учитывающими влияние на продолжительность замораживания начальной и конечной температур продукта. По формулам Планка отсчет времени на замораживание начинается, когда продукт имеет уже криоскопическую температуру по всему своему объему, и заканчивается, когда границы раздела замороженного и незамороженного слоев продукта, двигаясь навстречу друг другу, сходятся в его центральной части; считая температуру этой части равной криоскопической температуре. В действительности же при замораживании начальная температура тела выше, а конечная температура в его центре ниже криоскопической. Д.Г. Рютов изучил теплообмен в плитке мяса и предложенная им формула рассчитана на замораживание этого продукта. Но, как показала практика, ею можно пользоваться и для расчетов замораживания рыбы. Формула Д.Г. Рютова имеет вид

, (81)

где t_н - начальная температура плитки мяса, º С;

t_кц - конечная температура в осевой плоскости плитки мяса, °С;

n - поправочный множитель, выражающийся как функция критерия ; числовые его значения следующие:

Bi	0, 1936	0, 3475	0, 590	0, 938	3, 412	5, 85	8, 25	10, 63	16, 05
n	1, 217	1, 200	1, 183	1, 710	1, 074	1, 043	1, 027	1, 019	1, 010

с_ω - полная удельная теплоемкость замороженного продукта при средней температуре между его криоскопической и средней конечной температурами, кДж/(кг·°С).

Остальные обозначения такие же, как в формуле (78).

Скорость замораживания. Важной и показательной характеристикой процесса замораживания является также его скорость.

Скорость замораживания определяет величину кристаллов льда, равномерность их распределения в ткани и влияет на глубину автолитических процессов и санитарное состояние продукта в период замораживания. От скорости замораживания зависят экономичность процесса и возможность механизации операций и автоматизации управления режимом.

Скорость замораживания определяется как отношение пути, проходимого фронтом кристаллообразования от поверхности продукта в его глубину, к продолжительности прохождения. Если глубина массы измеряется в сантиметрах, а время в часах, то скорость замораживания будет выражаться в см/ч.

Процесс замораживания стремятся проводить достаточно быстро.

Однако не следует переоценивать благоприятное воздействие на качество замороженного продукта очень высокой скорости замораживания. Практика показывает, что немногие продукты требуют сверхбыстрого замораживания.

Решающее влияние на скорость замораживания оказывают температура теплоотводящей среды, толщина замораживаемого продукта и величина коэффициента теплоотдачи от его поверхности. Чем ниже температура теплоотводящей среды, меньше толщина продукта и больше коэффициент теплоотдачи, тем быстрее замораживается продукт. С понижением температуры теплоотводящей среды почти пропорционально сокращается продолжительность замораживания. Правда, вместе с этим увеличиваются затраты на производство холода. Практически для замораживания продуктов применяют среды с температурой от -20 до -40°С. Реже пользуются средой с температурой -50°С. Замораживание интенсифицируется с уменьшением толщины продукта. Приближенно можно считать, что при прочих равных условиях продолжительность замораживания в воздухе пропорциональна толщине продукта, а в жидкой среде - квадрату его толщины. Разумеется, практически не каждый замораживаемый продукт может быть желательной толщины, Наиболее просто можно получить желательную толщину только при замораживании блочно-фасованных продуктов. Но и в этом случае не рекомендуется замораживать блоки тоньше 5-6 см. При меньшей толщине они становятся непрочными.

Коэффициент теплоотдачи большое влияние на сокращение продолжительности замораживания продуктов оказывает при относительно небольшой толщине, примерно до 10-12 см. При большой толщине продукта увеличение этого коэффициента весьма слабо интенсифицирует процесс замораживания. Например, при толщине продукта более 15-20 см увеличение коэффициента теплоотдачи свыше 70-90 Вт/(м²·°С) практически ощутимо не влияет на ускорение процесса замораживания.

Скорость замораживания пищевых продуктов изменяется в пределах от 0, 1 до 100 см/ч. Медленное замораживание (0, 1 см/ч) применяют для продуктов, сложенных навалом в помещениях с интенсивным движением воздуха. Ускоренное замораживание (0, 5-3 см/ч) целесообразно для продуктов в упаковке - в воздушных и плиточных морозильных аппаратах. Быстрое замораживание (3-10 см/ч) применяют для отдельных продуктов небольших размеров, находящихся во взвешенном состоянии. Сверхбыстрое замораживание (10-100 см/ч) осуществляют в криогенных жидкостях (жидком азоте, жидком фреоне и др.) методами орошения или погружения. Однако при таких скоростях следует избегать появление трещин, о природе образования которых будет сказано ниже.

Выбор скорости замораживания, а следовательно, и приемов ее увеличения определяется практической целесообразностью, технологическими требованиями, техническими возможностями и экономичностью.

Кристаллообразование при замораживании продуктов. Пищевые продукты по гистологическому строению представляют собой систему взаимосвязанных клеток и внеклеточных образований. Мясо животных, птицы, рыбы имеет волокнистую структуру. Из клеток их мышечной ткани образованы тонкие волокна, которые, в свою очередь, при помощи соединительной ткани объединены в более крупные волокна, а эти последние - в пучки. Тканевый сок находится в межклеточном пространстве, между волокнами и их пучками, а также внутри клеток. В продуктах неволокнистой структуры, например плодах и овощах, тканевый сок находится между клетками и частично в самих клетках. Тканевый сок в зависимости от места своего расположения имеет различную концентрацию. Поскольку крепостью раствора определяется точка его замерзания, то очевидно, что при замораживании продуктов образование кристаллов льда начинается в тех местах, где концентрация тканевого сока наименьшая. В тканях волокнистого строения она наиболее слабая между пучками волокон, а в плодах и овощах - в межклеточном пространстве. В плодах и овощах воды содержится больше во внутренних слоях, чем в тканях, расположенных ближе к поверхности и в кожице. Большая часть воды в плодах и овощах находится в свободном состоянии и около 20% - в связанном виде. Свободная вода замерзает легче, чем связанная.

Очевидно, при обычном (не быстром) замораживании продуктов волокнистой структуры образование кристаллов льда начинается между пучками волокон, а в продуктах неволокнистого строения - в пространстве между клетками, в той его части, где больше несвязанной воды. В этих местах при небыстром замораживании возникает относительно небольшое число кристаллов. Они очень скоро увеличиваются в размерах за счет поступающей сюда влаги из клеток и волокон, где кристаллизация еще не началась, а концентрация и, следовательно, осмотическое давление выше, чем в межклеточном и межволоконном пространствах. Влага поступает из клеток через их полупроницаемые оболочки. Вследствие этого клетки и волокна обезвоживаются, а раствор, в котором происходит льдообразование, разбавляется, что ведет к укрупнению кристаллов. При медленном замораживании кристаллы получаются настолько крупными, что их можно видеть невооруженным глазом. Крупные кристаллы повреждают ткань, нарушают ее первоначальную структуру, которая вследствие этого при размораживании полностью не восстанавливается. Внутри клеток и волокон при медленном замораживании кристаллообразование может начаться только при достижении достаточно низких температур.

Если замораживание происходит быстро, т.е. тепло от замораживаемого продукта отводится интенсивно, то в нем образуется множество мелких кристаллов. Очаги их одновременно возникают как вне клеток и волокон, так и внутри них. Вода в этом случае не успевает выйти из клеток и волокон в межклеточное пространство и замерзает в местах ее естественного распределения. Разумеется, это может происходить при условии достаточно быстрого отвода тепла от продукта, когда процесс кристаллообразования в нем значительно опережает миграцию влаги. Особенно важно быстро пройти зону температур от криоскопической до -4°С, в пределах которой замерзает наибольшее количество содержащейся в продуктах воды. Благодаря незначительному перераспределению влаги и образованию мелких кристаллов льда при быстром замораживании продуктов, ткань очень мало подвергается деформации. В мышечной ткани при этом достигается почти полная обратимость процесса при последующем ее размораживании. В плодах и овощах благодаря образованию мелких кристаллов при быстром замораживании разрушения тканей тоже не происходит. При этом лучше сохраняются витамины, цвет и аромат плодов.

Положительный технологический эффект быстрого замораживания по сравнению с медленным имеет, однако, границы, которые зависят от условий замораживания и свойств продукта. Так, в случае замораживания продуктов в жидком азоте отмечалось появление макротрещин и внутренних разрывов тканей, которые существенно нарушали структуру продукта. В то же время образовывались многочисленные мелкие кристаллы. Это явление можно объяснить тем, что пластические свойства наружного слоя продукта утрачиваются, а следующий за ним слой, замерзая и расширяясь, давит на внешний отвердевший, так как незамороженная часть продукта практически несжимаема. В результате этого возникают значительные напряжения, которые приводят к разрушению наружного слоя.

При более умеренных скоростях замораживания, которые обычно применяют на практике, продукт не утрачивает пластических свойств. И в этом случае возникают внутренние напряжения, которые воспринимает наружный слой продукта, что проявляется его растяжением, но без явного разрушения, хотя не исключено появление микроскопических разрывов и других деформаций.

Повреждения, вызванные внутренними напряжениями, сокращаются при уменьшении толщины замораживаемого продукта.

На характер кристаллообразования в продуктах влияют не только условия замораживания. В значительной мере оно зависит от структуры замораживаемой ткани, общего ее состояния перед замораживанием и особенно от способности клеток удерживать влагу. Например, размягченные мышечные ткани, в которых завершен автолиз, обладают слабой влагоудерживающей способностью. Миграция влаги и образование крупных кристаллов льда в этих тканях при замораживании гораздо значительнее, чем в плотных тканях, где процесс автолиза еще не произошел.

СПОСОБЫ ЗАМОРАЖИВАНИЯ

Применяемые способы замораживания пищевых продуктов можно подразделить на три основные группы: замораживание в воздухе; в жидких теплоносителях; в кипящих холодильных агентах.

Каждый из этих способов может осуществляться двумя вариантами: прямым контактом продукта с замораживающей средой и бесконтактно, когда он заключен во влагонепроницаемую оболочку или в форму, отделен от замораживающей среды металлической стенкой и т.п. Разумеется, в тепловом отношении наиболее эффективно контактное замораживание.

Контактное замораживание продуктов в воздухе наиболее широко применяют в современной промышленной практике. Правда, воздух не обладает такими хорошими теплоотводящими свойствами, как другие среды. Кроме того, при контактном замораживании в воздухе происходит испарение влаги с поверхности продуктов, вследствие чего они теряют массу - усыхают, а выделяющаяся влага осаждается в виде инея на охлаждающих приборах, что в свою очередь, ухудшает теплообмен. Но воздухом, как замораживающей средой, намного проще и удобнее пользоваться, чем другими теплоносителями.

Жидкими теплоносителями для замораживания продуктов служат растворы солей. Замораживание путем прямого контакта в растворе поваренной соли наряду с преимуществами (ускорение процесса и отсутствие потери массы) имеет и существенные недостатки, такие как проникновение соли в продукт, вследствие чего изменяется его цвет и ухудшается товарный вид, потеря экстрактивных веществ, переходящих в рассол.

Предлагалось вместо рассола пользоваться и другими жидкими средами, например, раствором спирта и глицерина. Но практически целесообразных результатов замораживание в этих средах не дало.

Бесконтактное замораживание в жидких средах практикуется довольно широко. Холодоносителем при этом служат в основном водные растворы хлористого кальция, пропиленгликоля. Для упаковки используют полимерные пленки, в которых продукты замораживают, хранят и в таком же виде они поступают к потребителю. Особенно целесообразен этот способ для замораживания продуктов неправильной геометрической формы, например, тушек птицы. Это так называемый иммерсионный (погружной) способ замораживания тушек птицы в охлаждающих жидкостях. Погружной способ позволяет значительно интенсифицировать процесс, что дает возможность механизировать и автоматизировать холодильную обработку птицы. Кроме того, практически устраняется потеря массы при замораживании и значительно улучшается товарный вид продукта.

В нашей стране во ВНИИ птицеперерабатывающей промышленности разработана технология иммерсионного способа замораживания тушек птицы. Осуществляется конструктивная реализация этого способа.

Бесконтактное замораживание продуктов кипящими холодильными агентами производят и в плиточных скоро-морозильных аппаратах. Замораживаемые продукты зажимаются между полыми металлическими плитами, в которых кипит холодильный агент.

При контактном замораживании в кипящем холодильном агенте используют в основном жидкий азот и фреоны. Пригодна для этого способа замораживания и углекислота. Однако техническая реализация при использовании этого холодильного агента сложна, поэтому контактное замораживание пищевых продуктов в углекислоте не нашло промышленного применения. Не получило распространения также предложение об использовании закиси азота для замораживания пищевых продуктов.

Жидкий азот целесообразно применять благодаря его относительной инертности и низкой температуры кипения (-195, 8°С) при атмосферном давлении.

Исследования по использованию в качестве холодильного агента азота проводились в США с 1942-1945 гг., но широкое применение жидкий азот получил в 60-х годах, когда его стали получать в больших количествах как побочный продукт производства кислорода, аргона, гелия. Жидким азотом стали пользоваться для охлаждения сухопутного и водного рефрижераторного транспорта и для замораживания пищевых продуктов.

⇐ Предыдущая 44 45 46 47 484950 51 52 53 Следующая ⇒