Изучение кинетики замораживания мясного сырья

Содержание

 

Введение
Краткие теоретические сведения
Порядок выполнения лабораторной работы
Результаты эксперимента
Расчеты
Вывод
Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Замораживание – это способ консервирования  холодом, основанный на снижении активности ферментов и жизнедеятельности  микроорганизмов за счет понижения  температуры.

Технология  замораживания сырья водного  происхождения основана на принципе консервирования термоанабиозе. Различают два вида термоанабиоза – психроанабиоз и криоанабиоз. В первом случае температура продуктов понижается до значений на 2-3 градуса Цельсия выше криоскопической температуры, а во втором случае - продукты замораживают, температура их составляет не выше минус 18 ºС.

При замораживании  на сырье действует два консервирующих фактора:

- превращение  до 80 % воды, содержащейся в сырье  в лед;

-низкотемпературное  хранение замороженного сырья  (при температуре не выше минус  18 ºС.

К физическим изменениям, протекающим при замораживании  рыбы, мяса и их последующем холодильном  хранении относят:

- изменение  агрегатного состояния воды в  составе тканей рыбы и мяса (превращение большей части воды  в лед), которое влечет за собой  изменения плотности, гистологической  структуры мышечной ткани и  консистенции рыбы и мяса и  всех ее теплофизических характеристик;

- усушка  рыбы и мяса;

- рекристаллизация (или перекристаллизация) льда в  тканях рыбы и мяса.

К биохимическим изменения, протекающим в тканях рыбы и мяса при замораживании и последующем холодильном хранении относятся:

- денатурация  белков;

- гидролиз  белков и липидов с накоплением  продуктов гидролиза - полипептидов, пептидов, свободных аминокислот,  свободных жирных кислот;

- окисление  липидов с накоплением в тканях  первичных, вторичных и токсичных  конечных продуктов – окисей, перекисей, альдегидов и кетонов.

При замораживании  глубоким изменениям подвергается микрофлора рыбы. Глубокий стресс испытывают термофильные и мезофильные микроорганизмы. Психрофильная микрофлора (плесени и дрожжи) хорошо развиваются при температуре до минус 8ºС и угнетаются при температуре минус 12 ºС и ниже. Таким образом, сточки зрения надежного предотвращения нежелательных микробиологических процессов в мороженой рыбе необходимо и достаточно поддерживать температуру продукта на уровне не выше минус 12 ºС.

По совокупности проанализированных физических, биохимических  и микробиологических процессов, протекающих  в тканях рыбы и гидробионтов при  замораживании и последующем  холодильном хранении, необходимо и  достаточно обеспечить температуру  не выше минус 20ºС.

 

1.1 Краткие теоретические сведения

 

Кинетику  процесс замораживания наилучшим  образом характеризует так называемая температурная кривая замораживания, представленная на рисунке 1.1. На кривой четко выделяются три основных этапа процесса:

I этап – процесс понижения температуры рыбы от любой начальной до криоскопической;

II этап – процесс кристаллообразования или перехода воды в составе тканей рыбы из одного агрегатного состояния (жидкость) в другое – (кристаллы льда), этап представляет собой фазовый переход, сопровождается выделением скрытой теплоты фазового перехода – выделением скрытой теплоты кристаллизации воды ( кДж/кг); на данном этапе происходит резкое изменение ТФХ рыбы, в ней протекают глубокие физические, биохимические и микробиологические изменения;

III этап – процесс переохлаждения уже замороженной рыбы до требуемой температуры.

Рисунок 1.1 – Температурная кривая замораживания  рыбы

 

Тепло, отводимое  от рыбы при замораживании, называется в холодильной технике расходом холода на замораживание. В соответствии с тремя основными этапами  процесса замораживания, расход холода складывается из трех слагаемых.

В первый период происходит отвод тепла от рыбы, при понижении ее температуры  от начальной до криоскопической. Это количество тепла может быть рассчитано по формуле

,                                                    (1)

 

где - теплота, отводимая от рыбы, кДж;

       - масса рыбы, кг;

      - удельная теплоемкость рыбы, кДж/(кг·К);

      - начальная температура рыбы, ºС;

      - криоскопическая температура рыбы (составляет минус 1 ºС).

 

На втором этапе замораживания имеет место  фазовый переход – изменение  агрегатного состояния воды в  составе тканей рыбы. Теплота, отводимая  от рыбы на этом этапе, может быть  рассчитана по формуле 

 

 

 

 

,                                                       (2)

 

где - теплота, отводимая от рыбы, кДж;

       - масса рыбы, кг;

       - долевое содержание воды в рыбе;

       - количество вымороженной воды (рассчитывается по формуле (37) или (38));

       - скрытая теплота кристаллообразования, 334 кДж/кг.

 

На третьем этапе замораживания имеет место фазовый переход – изменение агрегатного состояния воды в составе тканей рыбы. Теплота, отводимая от рыбы на этом этапе, может быть  рассчитана по формуле

 

,                                                 (3)

 

где - теплота, отводимая от рыбы, кДж;

       - масса рыбы, кг;

      - удельная теплоемкость замороженной рыбы, кДж/(кг·К);

      - криоскопическая температура рыбы, ºС;

      - конечная температура рыбы, ºС.

 

Тогда, суммарная  теплота, отводимая от рыбы при замораживании, или расход холода на замораживание  составит

 

.                                                        (4)

 

Формула Планка.

 

Для упрощения  задачи Планком было сделано несколько  допущений, которые приведены ниже:

1. Теплоемкость замороженной части продукта равна нулю.
2. Тело перед началом замораживания охлаждено до криоскопической температуры.

 

3. Льдообразование в теле происходит без переохлаждения при криоскопической температуре; теплофизические свойства замороженной части (коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость) не зависят от температуры.
4. Тело однородно, его плотность при замораживании не меняется; коэффициент теплоотдачи и температура охлаждающей среды не зависят от времени.

 

Для определения  продолжительности замораживания  тела в форме пластины исвользуем формулу Планка для пластины

 

.                                       (5)

 

В формуле (5) в случае одностороннего замораживания, - это полная толщина пластины, а в случае двустороннего замораживания - это половина толщины пластины.

Для тел  в форме шара и цилиндра формула  Планка получена аналогичным путем, имеет вид

- для  цилиндра

,                                       (6)

- для шара

,                                   (7)

 

где - радиус шара, цилиндра, м.

 

Сравнив формулы (5), (6) и (7) можно сделать вывод, что минимальной продолжительность  замораживания будет для тела в форме шара, а максимальной –  для тела в форме пластины.

Наиболее  важными теплофизическими характеристиками (ТФХ) рыбного сырья и продуктов  являются: удельная теплоемкость , Дж/(кг·К); коэффициент теплопроводности , Вт/(м·К); и   коэффициент температуропроводности , м²/с.

При льдообразовании, имеющем место в процессе замораживания  рыбного сырья и продуктов, к  теплофизическим характеристикам  относят также количество вымороженной воды и температуру начала замерзания или так называемую криоскопическую температуру .

 

Криоскопическая температура. В мясных продуктах образование льда начинается при температуре ниже температуры замерзания их растворов (межтканевых и тканевых жидкостей), или, так называемой, криоскопической температуры , ° С. Для мяса принято значение = -1°С.

Удельная теплоемкость. С целью упрощения вычислений принято считать мясное сырье двухкомпонентными системами, состоящими из частей воды и частей сухих веществ, с соответствующими удельными теплоемкостями воды и . В этом случае теплоемкость мяса до начала льдообразования (то есть при температурах выше криоскопической) можно рассчитать по формуле:

 

                                                 (8)

 

Теплоемкость   сухих  веществ мяса составляет от 1,22 кДж/(кг·К) до 1,42 кДж/(кг·К).

При температурах ниже криоскопической начинается процесс фазового превращения части воды, содержащейся в продукте, в лед, теплоемкость которого (составляет 2,1 кДж/(кг·К)), в этом случае расчетная удельная теплоемкость рыбы определяется по формуле:

 

,                                 (9)

 

где - количество вымороженной воды, доли единицы, рассчитывается по упрощенной формуле:

 

 

 

,                                                           (10)

где - температура продукта, ° С.

 

Эта величина представляет собой долю воды, превратившейся в лед, , от общей массы воды в сырье или продукте до холодильной обработки – замораживания или подмораживания.

 

Для получения  более точного результата целесообразно  использовать для расчета количества вымороженной воды эмпирическую формулу

 

,                                                        (11)

 

где 1,105 и 0,31 – эмпирические коэффициенты;

      - температура продукта, ° С.

 

Удельную  теплоемкость точно можно также рассчитать по эмпирической формуле

 

,                                              (12)

 

где и - эмпирические коэффициенты, составляют соответственно 0,415 и 0,369 соответственно;

- температура мяса, ºС.

 

Коэффициент теплопроводности. Этот коэффициент характеризует теплопроводящие свойства мяса, а его значение определяет количество теплоты, проходящей через единицу площади его поверхности в единицу времени при градиенте температуры, равном единице. В отличие от теплоемкости коэффициент теплопроводности , зависит не только от химического состава продукта, но и от строения и направления теплового потока.

Рассчитать  можно по упрощенной формуле:

 

,                                              (13)

 

где - коэффициент теплопроводности воды, составляет 0,56 Вт/(м·К);

      - коэффициент теплопроводности сухих веществ, составляет для мяса от 0,22 до 0,26 Вт/(м·К).

 

Коэффициент теплопроводности замороженного продукта можно также рассчитать по эмпирической формуле:

 

,                                                    (14)

 

где и - эмпирические коэффициенты, составляют соответственно 0,669 и 0,148 соответственно;

- температура мяса, ºС.

    

Расчет теплоемкости и теплопроводности по эмпирическим формулам наибольшие отклонения от опытных данных имеет место вблизи криоскопической температуры.