Исследование процесса размораживания продукции.

Исследование процесса размораживания продукции.

Оценка продолжительности процесса

 

Цель работы: Познакомиться с характеристикой процесса размораживания, способами размораживания. Разморозить выданные продукты тремя наиболее распространенными способами: на воздухе, в воде и в СВЧ-печи. Рассчитать продолжительность процесса и сравнить расчетные данные с экспериментальными

 

Теоретическая часть

 

Известно, что лучше всего питаться свежими продуктами. В овощах и зелени с грядки наибольшее количество витаминов и микроэлементов, необходимых для нашего здоровья. Это же справедливо для ягод с веточки и фруктов с дерева. Парное мясо и свежая рыба тоже наиболее питательны и вкусны. К сожалению, для большинства из нас мечта о постоянном питании только свежими продуктами несбыточна. Поэтому люди изобрели различные технологии для длительного сохранения продуктов. В бытовых и промышленных условиях наилучшим средством сохранения питательных и вкусовых качеств продуктов является холод. Длительное хранение становится возможным только после глубокого замораживания продукта.

Мороженые продукты перед использованием в пищу должны быть обязательно разморожены (дефростированы). Размораживание – завершающая стадия низкотемпературной обработки продуктов, осуществляемая непосредственно перед его переработкой. В соответствии с современными представлениями размораживание рассматривается как процесс, обратный замораживанию. Он состоит в таянии кристаллов льда и восстановлении первоначальной гистологической структуры тканей.

Характеристика процесса размораживания. Размораживание – это тепловой процесс, при котором определенное количество теплоты передается продукту для повышения его температуры от начальной (минус 18 °С) до конечной (минус 1 °С или выше). При размораживании в продукте происходят, прежде всего, изменения, связанные с таянием кристаллов льда и поглощением воды тканями. Если вся вода, образующаяся при таянии кристаллов льда, поглощается тканями, то размороженная продукция по своим свойствам близка к свежей. Если выделилось значительное количество тканевого сока при раз­мораживании, это свидетельствует о снижении пищевой ценности продукта в процессе холодильной обработки: например, мясо стано­вится волокнистым, сухим и жестким.

Качество размороженного продукта зависит от степени свежести сырья перед замораживанием, скорости замораживания, режимов и сроков холодильного хранения, а также условий размораживания. Основные технологические задачи, которые решаются при разморажива­нии, - максимальное уменьшение потерь тканевого сока и достижение наибольшей обратимости процесса низкотемператур­ной обработки.

Нежелательные изменения свойств продуктов при размораживании, как и при замора­живании, происходят в основном в интервале температур от минус 1 °С до минус 5 °С. Для продуктов животного происхождения это связано с денатурацией белков. Поэтому чем быстрее при размораживании проходят эту критическую зону температур, тем меньше изменяются свой­ства продукции. Так, при быстром размораживании рыбы (в воде) количество выделяемого мышечного сока примерно в 1,5 раза меньше по сравнению с медленным размораживанием (во льду и на воздухе).

Слишком медленное размораживание, при котором продукт дли­тельное время находится в зоне неблагоприятных температур (ми­нус 5 - минус 1 °С), способствует денатурации белков, отделению мышечного сока и значительному ухудшению консистенции.

Условия теплообмена при замораживании и оттаивании неодинаковы. В процессе замораживания теплота из внутренних слоев продукта передается охлаждающей среде через замороженный слой, в то время как при размораживании тепло­вой поток устремляется в обратном направлении через поверхнос­тный размороженный слой к замороженному. Теплопроводность размороженного слоя продукта в 2,5-3,0 раза меньше, чем замо­роженного, поэтому термическое сопротивление его достаточно велико и при большом температурном градиенте между теплоно­сителем и продуктом возможны местные перегревы поверхности продукта, ухудшающие его качество. Это не касается замороженных полуфабрикатов, размораживание которых совмещается с кулинарной обработкой. В обычных случаях темпе­ратура теплоносителя не должна превышать 20 °С.

Процесс размораживания можно разделить на три периода:

· период нагревания продукта от температуры в морозильной камере до температуры плавления кристаллов льда в материале;

· период перехода кристаллов льда в продукте в жидкое состояние (т.е. период собственно размораживания);

· период нагревания продукта до температуры потребления.

В первом периоде продукты отогреваются.. В случае если они попадают из холодной среды морозильной камеры в теплое помещение кухни, сконденсированная на их поверхности влага является благоприятной средой для развития микроорганизмов, вызывающих порчу продуктов. Поэтому размораживание в первом периоде должно быть либо возможно коротким, либо выполняться в плюсовой камере холодильника.

Во втором периоде вода, образованная изо льда, начинает взаимодействовать с содержащимися в продукте витаминами и химическими соединениями, постепенно возобновляют свою деятельность активные вещества (ферменты). Из сказанного следует основное правило для процесса размораживания: надо, чтобы оно происходило по возможности быстро.

Количество теплоты, необходимой для полного разморажива­ния, определяют по формуле

Q = G (i _к – i _н) = G (c_m (t _кр – t _н) + Wωr _л + c ₀ (t _к – t _кр))

где Q - количество теплоты, Дж; G - масса продукта, кг; (i_к – i_н) - разность удельных энтальпий при ко­нечнойt_ки начальной t_н температурах, кДж/кг; с_m и c₀– теплоемкость мороженого и размороженного продукта, кДж/(кг·К); t_кр – криоскопическая температура, ºС; W – содержание влаги в продукте, доли единицы; ω – количество вымороженной влаги, доли единицы, ω = 1 – (t_кр / t_ср); t_ср – среднеобъемная температура, ºС; r_л – теплота льдообразования, кДж/кг, r_л = 335,2 кДж/кг.

Таблица 1

Теплосодержание продуктов (энтальпия), кДж/кг

Температура продукта, оС	Говядина, птица	Рыба	Фрукты, плоды, овощи	Творог
-20	0	0	0	0
-18	4,6	5	6,7	9,4
-10	30,2	33,6	38,5	53,2
-2	98,8	117	211	200
0	232	266	272	299
2	238	278	279	305
4	245	280	287	313
10	264	301	309	334
20	297	336	346	373
30	329	371	385	405

 

Из общего расхода теплоты основное количество (более 70 %) рас­ходуется на плавление кристаллов льда. Поэтому необходим интенсивный подвод теплоты к размораживаемому продукту при температуре минус 5 – 0 °С.

 

Размораживание в СВЧ-печи

Теперь о самом современном, наиболее эффективном способе размораживания быстрозамороженных продуктов – СВЧ-печи. При размораживании с помощью микроволн используют час­тоты от 915 до 2450 МГц. При СВЧ-, ВЧ- или НЧ- размораживании продукт помещают в ПЭМП конденсатора, к которому подают переменное напряжение строго выбран­ной частоты (обычно 25-50 МГц). Во всех продуктах содержатся дипольные молекулы, или частицы, в которых электрические заряды пространственно разделены. Если дипольную частицу поместить в электромагнитное поле, то она начитает поворачиваться, чтобы расположиться вдоль силовых линий. Если же направление этих линий изменить, то и частица изменит свою ориентацию. В ПЭМП направление магнитных силовых линий меняется несколько тысяч раз в секунду, поэтому диполи начинают колебаться. За счет кинетической энергии движения молекул появляется ток смещения, теплота выделяется во всем объеме продукта и он быстро нагревается. Глубина проникновения электромагнитных колебаний зависит от их частоты и диэлектрических характеристик продукта.

Наибольшее применение находит размораживание в электромагнитном СВЧ-поле, которое обеспечивает высокое качество продукта, отсутствие усушки и набухания, высокую скорость размораживания, прогрев по свей толщине продукта. Следует помнить, что тепловой эффект размораживания токами СВЧ с увеличением толщины продукта снижается. Кроме того, еще недостаточно изучены изменения пищевых веществ при СВЧ-обработке и их влияние на организм человека (имеются данные о нежелательном превращении цис-изомеров жирных кислот в транс-формы).

Использование СВЧ-обработки имеет некоторые особенности. СВЧ-печи особенно рекомендуются для размораживания и разогрева чувствительных к нагреванию продуктов. Размороженный и разогретый в СВЧ-печи продукт в наибольшей мере сохраняет вкус, аромат, цвет, запах и консистенцию; кроме того, до минимума снижается потеря сока. Продолжительность обработки тоже минимальна. Объемное поглощение продуктом СВЧ-энергии позволяет от 5 до 60 раз сократить время на оттаивание. Судите сами: 0,5-1 кг фруктов размораживаются на воздухе при температуре от 15 до 18 °С за 4-6 ч, столько же овощей - за 3-5 ч, а если использовать СВЧ-печь, то эти продукты разморозятся всего за 4-6 мин.

Одна существенная особенность: в СВЧ-печи нельзя размораживать продукты в металлической посуде или в таре, имеющей металлические включения. При размораживании в полиэтиленовых пакетах надо удалить из упаковки все металлические предметы (зажимы, фольгу и пр.). Лучше всего для этой цели использовать прозрачные, т.е. стеклянные или ситалловые кастрюли, фаянсовые тарелки, чашки, полимерную тару, бумажную и картонную упаковку. Фрукты лучше размораживать прямо в упаковке, в которой они хранились в замороженном состоянии.

Не обращайте во вред преимущества СВЧ-размораживания: интенсивное внутреннее выделение теплоты при излишнем перегреве может вызвать образование пара, который способен порвать кожицу или оболочку продукта. Поэтому после короткого воздействия СВЧ-энергией надо дать продукту «отдохнуть», т.е. предусмотреть его выдержку на воздухе при комнатной температуре в течение 2-3 мин. Кроме быстроты процессов и высокого качества подаваемых на стол продуктов, СВЧ-обработка обладает еще одним преимуществом: она подавляет деятельность микроорганизмов, отрицательно влияющих на сохранность продуктов.

Для объяснения процесса размораживания в СВЧ-поле необходимо рассмотреть отдельные его аспекты, обусловленные физико-химическими свойствами пищевых продуктов. 

Вода, содержащаяся в межклеточном пространстве и клетках пищевых продуктов, находится ввиде ассоциированных молекул. Кристаллическая решетка льда обладает высокой прочностью благо­даря полярности образующих её молекул. Из-за значительной потенци­альной энергии каждой молекулы на разрушение кристаллов льда необ­ходимо затратить значительную энергию. Лед, образующийся в пищевых продуктах при их замораживании, представляет собой вязкопластичную упругую среду со скачкообразными изменениями физико-механических свойств на межфазовых границах - пластолед, обусловливающий прочность и другие свойства продукта (твердого тела). Пластолед имеет неоднородную макроструктуру: боль­шие кристаллы льда с включениями вещества продукта образуют отдель­ные зерна, между которыми остаются локальные зоны растворов различ­ных солей, такие же зоны расположены внутри ледяных зерен. Насыщен­ные растворы сохраняются до минус 40°С. Некоторые минеральные соли, имею­щиеся в соке продукта, при низких температурах выпадают в осадок.

При размораживании пищевых продуктов образующаяся влага должна распределяться так же, как и до замораживания. Однако полностью восстановить характер распределения влаги не удается, так как способ­ность волокон и клеток продукта к влагоудержанию после заморажива­ния ухудшается.

В результате этого при размораживании из продукта выделяется часть содержащейся в нем влаги и теряется часть питательных веществ и минеральных солей. Особенно ярко это проявляется в интервале тем­ператур от минус 5 до 0°С, так как в данном интервале соли, выпавшие в осадок при замораживании и хранении, растворяются. В этот период разрушаются зерна льда, в которых находились соли, поэтому процесс размораживания должен проводиться наиболее интенсивно.

Диэлектрические характеристики замороженных пищевых продуктов заметно отличаются от диэлектрических характеристик льда. Это объяс­няется наличием в замороженном продукте насыщенных растворов солей, молекулы воды которых, обладая достаточной подвижностью, имеют период релаксации, соизмеримой с частотой поля. Кроме того, плав­ление льда в микро- и макрокапиллярах продукта происходит при темпе­ратуре минус 7 – минус 5°С, вследствие чего влага микрокапилляров высвобож­дается и активно взаимодействует с переменным электрическим полем. По мере повышения температуры (от минус 5 до 0°С) с электрическим полем начинают взаимодействовать периферийные слои адсорбционносвязанной влаги вплоть до мономолекулярного слоя. Их связь с твердым скелетом продукта уменьшается и соответственно возрастает e’’ (коэффициент пог­лощения).

При размораживании от начальной температуры минус 18°С средний темп нагрева в диапазоне температур от минус 18 до минус 5°С составляет 0,19-0,23 К/с. Начиная с минус 5°С, темп нагрева увеличивается до 0,7-1,0 К/с, т.е. в 3-4 раза. Таким образом, при размораживании пищевых продуктов удается зону температур минус 5-0°С проходить за короткое время, что коренным образом отличает этот процесс от традиционного.

Уровень удельной СВЧ-мощности не должен превышать 1,0-1,5 кВт на 1 кг продукта.

Способы определения продолжительности размораживания

Процесс размораживания протекает в соответствии с обратной кривой замораживания: температура продукта вначале возрастает до точки таяния льда, затем остается постоянной и в конце процесса повышается до требуемой.

При определении продолжительности размораживания предполагается, что отсутствуют тепловыделения в области продукта лежащей глубже границы раздела, а все тепло, выделяемое при движении границы раздела, отводится к внешней среде через замороженный слой, теплоемкость которого равна 0.

Э. Альмаши предложил вычислять продолжительность размораживания по двум стадиям: продолжительность первой стадии (от t_н до t_кр) рассчитывается на основании уравнения теплопроводности для условий простого нагревания по типу формулы Фикина для охлаждения, второй (от t_кр до t_к) – по методу элементарных тепловых балансов.

Г.Д. Кончаков согласившись с расчетом продолжительности первой стадии процесса размораживания, предложил продолжительность второй стадии рассчитывать исходя из скорости продвижения границы раздела. Он получил формулу для расчета продолжительности второй стадии размораживания равнозначную формуле Р. Планка.

Г.Б. Чижовым было предложено продолжительность первой стадии размораживания принять равной 30 % от продолжительности второй стадии. Таким образом, в окончательном виде формула для расчета продолжительности размораживания имеет следующий вид:

где g – количество теплоты, подведенной к единице продукта, кДж/кг; ρ – плотность продукта, кг/м³; Ф – коэффициент формы, для пластины 1, для цилиндра 1/2, для шара 1/3; l – полутолщина продукта, м; t₀ – температура среды, ºС; t_кр – криоскопическая температура продукта, ºС; l₀ – коэффициент теплопроводности размороженного слоя продукта, Вт/(м·К); α – коэффициент теплоотдачи от продукта к среде, Вт/(м²·К); m – множитель, учитывающий продолжительность первой стадии, m = 1,3.

В этой формуле вместо разности (t₀ – t_кр) можно брать разность (t_к – t_н), где t_к – конечная температура размораживаемого продукта, ºС; t_н – начальная температура размораживаемого продукта, ºС.

Продолжительность размораживания продуктов можно оценить и по другой формуле:

где q_m = Wωr_л, кДж/кг.

По величине критерия Bi = 2α l / λ находится корень характеристического уравнения μ₁ для тела заданной формы.

Пластина			Шар
Bi	μ1		Bi	μ1
0,001	0,0316		0,01	0,1730
0,002	0,0447		0,02	0,2445
0,004	0,0632		0,04	0,3450
0,006	0,0774		0,06	0,4217
0,008	0,0893		0,08	0,4860
0,01	0,0998		0,1	0,5423
0,02	0,1410		0,2	0,7590
0,06	0,2430		0,4	1,0530
0,1	0,3111		0,5	1,1656
0,3	0,5200		1	1,5708
0,5	0,6563		2	2,0300
1	0,8603		3	2,2889
2	1,0800		4	2,4600
3	1,1903		5	2,5704
4	1,2607		7	2,7165
5	1,3138		10	2,8363
7	1,3766		100	3,1105
10	1,4289		∞	3,1400
100	1,5552
∞	1,5700

 

Коэффициент теплоотдачи α, Вт/(м²·К) для воды принимают в соответствии со скоростью ее движения: v = 0,0 м/с α = 230 Вт/(м²·К); v = 0,2 м/с     α = 430 Вт/(м²·К).

Задание

1. Разморозить образцы замороженных продуктов в соответствии с требованиями, изложенными в п. 3 раздела 3.

2. Построить графики изменения температуры во времени при размораживании.

3. Рассчитать расход теплоты и продолжительность процесса. Сравнить расчетные данные с экспериментальными.

4. Сделать выводы о влиянии способа размораживания на качество продукта.

Ход работы

1. Материалы, необходимые для работы на одну группу студентов из 3-4 человек (в лаборатории обычно занимается 10-12 человек, следовательно, 3-4 группы):

· Продукты замороженные с температурой минус 18 ºС (мясо, рыба, мясные или рыбные полуфабрикаты (котлеты, тефтели) – на одну группу один вид продукта) – масса каждого образца 150 – 200 г, необходимо по 3 образца на группу.

· Термометры с диапазоном измерения минус 20 – 20 ºС – 3 шт.

· Ножи или пробойники.

· Посуда для проведения процесса размораживания: тарелки 2 шт. для размораживания на воздухе и в СВЧ-печи (для последнего способа без рисунка), миска или кастрюля 1 шт. для размораживания в воде.

· Весы технические. Фильтровальная бумага.

· Пакеты полимерные тонкие – 1 шт.

· СВЧ-печь – 1 шт.

2. Получив образцы продуктов, необходимо сделать в них отверстия как можно ближе к их геометрическому центру на половину толщины под термометры (так, чтобы ртутный конец термометра был полностью помещен в продукт и как можно точнее отражал температуру), взвесить их и распределить по видам размораживания.

3. Размораживание проводить тремя способами: на воздухе, в воде и в СВЧ-печи.

· Провести замер температуры окружающего воздуха.

· Для размораживания на воздухе образец со вставленным в него термометром поместить на тарелку и проводить замеры температуры продукта через каждые 15 минут.

· Провести замер температуры воды, используемой для размораживания.

· Для размораживания в воде образец со вставленным в него термометром поместить в миску (кастрюлю) с водой и проводить замеры температуры продукта через каждые 10 минут (фаршевые изделия помещать в воду упакованными в полимерные пакеты).

· При размораживании в СВЧ-печи продукт поместить на тарелку без рисунка, замерить его начальную температуру, подвергнуть СВЧ-обработке на режиме размораживания в течение 30 секунд, вынуть из СВЧ-печи и замерить температуру. Если продукт еще заморожен (температура ниже минус 1 ºС), повторить процесс до полного размораживания (не допуская проваривания). Записать время в минутах, потребовавшееся для проведения процесса.

4. После окончания процесса размораживания (для всех способов) образцы аккуратно промокнуть фильтровальной бумагой от излишков воды или выделившегося тканевого сока и взвесить. Определить потери массы продукта при размораживании по формуле

5. Построить графики изменения температуры во времени при размораживании разными способами. Сравнить полученные данные.

6. Рассчитать расход теплоты и продолжительность процесса размораживания на воздухе и в воде. Сравнить расчетные данные с экспериментальными.

7. Сделать выводы по работе.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Что происходит при размораживании продуктов?

2. Какие способы размораживания существуют?

3. Перечислите способы размораживания, наиболее часто используемые в общественном питании. Как происходит размораживание продуктов в СВЧ-поле?

4. Какие способы наиболее применимы к быстрозамороженным растительным продуктам?

5. Какие требования безопасности предъявляются к СВЧ-размораживанию?

6. Как рассчитать расход теплоты на размораживание и продолжительность процесса?

 

5. Содержание отчета: название работы, цель работы, краткие теоретические предпосылки, протокол полученных данных, анализ данных, выводы.

Исследование процесса размораживания продукции.