Вспомогательные средства холодильного хранения продуктов

К вспомогательным средствам, способствующим сохранению качества продуктов в сочетании с холодом, относят обработку ультрафиолетовыми лучами (УФЛ), ионизирующее облучение, использование углекислого газа, озона, антибиотиков и антиокислителей. Некоторые из этих средств могут применяться в бытовой холодильной технике.

Ультрафиолетовые лучи обладают консервирующим действием, основанным на их способности убивать микроорганизмы. Наиболее сильное губительное действие на микроорганизмы оказывают УФЛ при длине волны от 254 до 265 нм. Облучение можно вести непрерывно и периодически.

Установлено, что наиболее интенсивно отмирают организмы от УФЛ при низких положительных температурах. Ниже эффект облучения незначителен.

Для получения УФЛ пользуются специальными газоразрядными лампами низкого давления с самонакаливающимися катодами.

Углекислый газ подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, особенно плесеней и бактерий. Обладая высокой растворимостью в жире, углекислый газ уменьшает в нем содержание кислорода и замедляет окисление. При хранении плодов углекислый газ подавляет в них дыхательные процессы. Применяют его в различной концентрации в смеси с воздухом. При правильном применении углекислого газа срок хранения пищевых продуктов увеличивается в 1,5-2 раза.

Озон обладает сильным окисляющим действием. Он способен обеззараживать холодильную камеру и устранять нежелательные запахи. В определенных концентрациях озон способен подавлять и прекращать развитие бактерий и плесеней, а также их спор как на поверхности продукта, так и в воздухе. Озон для практических целей получают в специальных приборах-озонаторах, где под действием электрического разряда высокого напряжения из кислорода воздуха образуется озон.

Термодинамические основы процессов трансформации тепла

Замораживание

Замораживание продуктов производится с целью их длительного хранения. Процесс замораживания влагосодержащих продуктов [5] имеет три фазы (рис. 2.22).

В первой фазе (отрезок a-b) происходит охлаждение продукта от начальной температуры до криоскопической , т.е. до температуры начала образования кристаллов льда.

Вторая фаза (отрезок b-c) является собственно замораживанием. Теоретически эта фаза должна быть представлена горизонтальной линией (при замораживании чистой воды). В действительности по мере вымораживания воды растет концентрация клеточного сока, а криоскопическая температура непрерывно уменьшается. Это вызывает отклонение кривой от горизонтального положения. В точке, где кривая становится крутой (точка с), начинается новая фаза - домораживание продукта (отрезок с-d).

В этой фазе почти вся вода в продукте находится в виде льда, а снижение температуры продолжается до температуры охлаждающей среды, т.е. до температуры настройки морозильной камеры . Разделение второй и третьей фаз чисто условно и на практике за окончание второй фазы принимают точку f, лежащую на пересечении отрезков b-c и c-d. Для большинства продуктов точке соответствует температура - , при которой замораживается около 73 % общего количества воды.

Замораживание представляет собой движение границы замороженного слоя в глубь продукта. Пусть замораживаемый продукт имеет форму бесконечной пластины толщиной l, охлаждаемой с двух сторон (рис. 2.23). Замораживание начнется, когда температура продукта на поверхности опустится до значения криоскопической температуры .

Элементарное количество теплоты , которая передается в охлаждающую среду в течение времени , можно выразить на основе закона теплопроводности Фурье по формуле

, (2.31)

где k - коэффициент теплопередачи от замораживаемого слоя к охлаждающей среде;

,

где - - коэффициент теплообмена между поверхностью тела и охлаждающей средой; - теплопроводность продукта в замороженном состоянии; x - толщина замороженного слоя; S - площадь активной поверхности замораживания; ; - продолжительность замораживания.

Достаточное количество теплоты , которую необходимо отвести от продукта для замораживания слоя , составит

, (2.32)

где r - скрытая теплота замораживания (кристаллизации).

Значение r рассчитывается по формуле

e ,

где - удельная теплота замораживания; - плотность тела в замороженном состоянии.

Приравняв (2.31) к (2.32), получим

,

откуда скорость замораживания будет

. (2.33)

В конечном итоге интерес представляет продолжительность замораживания. Для бесконечной пластины она находится из интеграла

, (2.34)

где - время замораживания до полного промерзания;

Решив уравнение (2.34), получим

.

Аналогичные рассуждения дают следующее: для тел в форме бесконечного цилиндра диаметром de в замороженном состоянии

;

для тел в форме шара диаметром

. (2.35)

Для тел неправильной геометрической формы, но приближающихся к шару, применяют уравнение (2.35) с расчетом

,

где V - объем тела.

Для тела в форме параллелепипеда размерами a, b, l, где a>b>l, замораживаемого со всех сторон, продолжительность замораживания

.

Коэффициенты Р и R зависят от соотношения сторон параллелепипеда и являются табличными [5] .

Охлаждение

Охлаждениепредшествует замораживанию. Время охлаждения весьма точно можно рассчитать по эмпирической формуле Рютова

.

Это уравнение принято для расчета тел в форме пластины, однако его можно применять с некоторым приближением и к телам другой формы.

Домораживание

Домораживание после полного замораживания имеет продолжительность, определяемую по формуле Планка:

,

где ; , -энтальпии тела при температурах и при ; ; - температура в конце домораживания; n - безразмерный коэффициент, зависящий от числа Био и выбираемый из ряда:

0,25 0,5 1,0 2,0 4,0 10,0 20,0 n 1,210 1,188 1,156 1,112 1,065 1,020 1,008 1

А, В - коэффициенты, зависящие от формы замораживаемого тела:

пластина - А = 1; В = 4;

цилиндр - А = 2; В = 8;

шар - А = 3; В = 12.

Для расчета общей продолжительности замораживания, т.е. , существует также упрощенный метод, предложенный Международным институтом холода. Метод основан на наличии информации о начальной и конечной энтальпии продуктов. В соответствии с этим

,

где - разность между энтальпиями продукта при начальной и конечной температурах; .

Для параллелепипеда с размерами сторон

.

В таблицах, приводимых некоторыми авторами [5, 6], значения энтальпий продуктов указываются для ряда фиксированных температур. Это дает возможность по точкам построить график изменения температуры продукта во времени, где

.

Здесь - для бесконечной пластины;

- для параллелепипеда.

Значительное влияние на интенсивность замораживания помимо размеров, формы и теплофизических характеристик продуктов оказывает коэффициент теплообмена , зависящий от метода замораживания. Приблизительные значения для различных методов замораживания следующие

В камерах при отсутствии циркуляции воздуха 8-15

В камерах при интенсивной вентиляции 10-45

В ребристых емкостях при интенсивной вентиляции 30-50

В флюидизационных туннельных аппаратах 60-100

В контактных аппаратах 500-1000

В иммерсионных установках 1000-2000

В установках для замораживания методом орошения

в жидком азоте или фреоне 1000-2000

Погружением в жидкий азот 5000

Важной характеристикой холодильной установки является скорость замораживания. Скорость замораживания не является величиной постоянной, а изменяется в зависимости от расстояния от наружной поверхности охлаждаемого тела до границы ледовой структуры. Эта зависимость для плоской пластины имеет вид дифференциального уравнения (2.33). Из него вытекает, что для , т.е. на поверхности пластины, , в то время как при , т.е. в центре пластины, .

Из рис. 2.24 следует, что коэффициент теплообмена в значительной степени влияет на скорость замораживания только поверхностного слоя продукта и это влияние резко уменьшается по мере продвижения в глубь тела. Понятие сверхбыстрого замораживания, по существу, касается только поверхностного слоя продукта или имеется в виду вся масса, если замораживаются мелкие продукты, например, горошек, ягоды.