Вторая группа. Способы объемного размораживания

В зависимости от того, какие электрические свойства рыбы ис­пользуют при осуществлении объемного нагрева, различают раз­мораживание электрическим током и диэлектрическое разморажи­вание.

Способы объемного размораживания с использованием электрического тока и энергии электромагнитного поля обес­печивают наиболее быстрое размораживание продуктов и их высокое качество. К недостаткам электроконтактного размораживания относят большой расход электроэнергии и воды. Что ка­сается размораживания в переменном электромагнитном поле (ПЭМП), то недостатка­ми этого способа являются возможность локального перегрева продукта при отеплении выше криоскопической температуры (минус 2 - минус 1 °С), неравномерность разморажи­вания продуктов неправильной геометрической формы.

Способы объемного размораживания по сравнению с поверх­ностными являются более эффективными: продукция получается высокого качества, отсутствуют усушка, окисление липидов, вы­мывание азотистых веществ, сокращается длительность процессов.

При размораживании электрическим током через заморо­женный продукт, обладающий определенной электропроводимос­тью, пропускают переменный электрический ток промышленной частоты, который вызывает его нагрев (эффект Джоуля-Ленца). Мороженый продукт помещают в медленно циркулирующую воду, в результате чего его температура повышается, а электричес­кое сопротивление уменьшается. Затем с двух сторон подводят два электрода и пропускают через них переменный ток на­пряжением 10-40 В и силой 10-20 А. Продолжительность размо­раживания составляет 4-5 мин для продуктов массой 10-12 кг.

Преимущества метода: высокая скорость размораживания, хорошее качество продукта, отсутствие усушки, равномерность прогрева по всей толщине. Недостатки: большой расход электроэнергии и воды, опасность поражения рабочих электрическим током, сложность аппаратов. Кроме того, одновременно с размораживанием происходит разложение (электролиз) электролитов (солей, кислот и т.д.), содержащихся в жидкой фазе продукта.

При диэлектрическом размораживании продукт помещают в ПЭМП и размораживают как диэлектрик. В зависимо­сти от диапазона частот электромагнитного излучения различают сверхвысокочастотное (СВЧ), высокочастотное (ВЧ) и низкочас­тотное (НЧ) размораживание.

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).