CC BY
453
научная публикация
Анализ способов замораживания пищевых продуктов
Замораживание - процесс понижения температуры продукта ниже криоскопической на 10-30 °С, сопровождаемый переходом в лед содержащейся в нем влаги. Это распространенная и важная технологическая операция, которая широко используется в пищевых
производствах.
Олег Сороко,
начальник отдела новых технологий и техники Научно-практического центра НАН Беларуси по продовольствию,кандидат технических наук, доцент
юлия Усеня,
старший научный сотрудник отдела новых технологий и техники Научно-практического центра НАН Беларуси по продовольствию, кандидат технических наук
В мировой практике для быстрого замораживания продуктов имеется широкий ассортимент скороморозильных аппаратов. Можно выделить 5 групп способов замораживания по принципу отвода тепла (рис. 1), осуществляемых за счет контакта продукта:
• с хладоносителем (воздухом или раствором солей), который охлаждается хладагентом;
• с хладагентом через металлическую поверхность;
• с хладагентом напрямую;
• за счет испарения в вакууме содержащейся в продукте влаги и
• комбинированный.
Воздушный способ, при котором теплота от продукта воспринимается воздухом и передается поверхности охлаждающих приборов, нашел наибольшее распространение во всех странах. Воздух - естественная и достаточно инертная среда. Широкое использование этого способа обусловлено его простотой и универсальностью, так как он дает возможность замораживать штучные продукты практически любой формы и размеров, неупакованных и упакованных в полимерную пленку или другую тару. При этом скорость процесса зависит от размера продукта, температуры среды и ее циркуляции. Но так как поток воздуха подается с одной стороны, то не вся поверхность продукта участвует в активном теплообмене, что
затрудняет равномерность замораживания. Еще одним недостатком является относительно низкая способность воздуха аккумулировать тепло и предрасположенность его к поглощению влаги.
На большинстве предприятий замораживание воздушным способом производят при температуре -20 °С с естественной циркуляцией воздуха или при температуре -26...30 °С - с принудительной циркуляцией.
Воздушный скороморозильный аппарат представляет собой устройство, имеющее теплоизоляционную ограждающую конструкцию, внутри
Г
которой располагаются испарители (воздухоохладители), системы подачи воздуха, транспортирования продукта, автоматического управления и регулирования.
Общий парк воздушных механических аппаратов для замораживания штучных пищевых продуктов содержит довольно много разновидностей [1-5]. В зависимости от типа транспортирующихся средств воздушные аппараты делятся на тележечные, конвейерные и флюидизационные. В теле-жечных и конвейерных продукты можно замораживать как в мелкой расфасовке, так и в виде блоков, во флюиди-
i в мире науки |
Рис. 2. Тележечный аппарат
зационных - в интенсивном и направленном вверх воздушном потоке, в результате чего они поддерживаются во взвешенном состоянии (флю-идизированном). Наибольшее распространение получили морозильные воздушные аппараты тележечного типа (рис. 2).
Для замораживания близких по форме и размерам пищевых продуктов используют конвейерные аппараты, в которых продукт транспортируется конвейером различного типа: цепным, лотковым, пластинчатым, ленточным с электрическим или гидравлическим приводом, действующим непрерывно или циклически.
У
Особую группу воздушных морозильных аппаратов составляют флюидизационные, замораживающие мелкоштучные продукты в плотном взвешенном воздушном слое, толщина которого регулируется в зависимости от размера и теплофизических свойств продукта [6, 7]. Флюидизация осуществляется на поддонах с перфорированным днищем или на сетчатых конвейерах, при этом обычно используется двухступенчатая схема организации процесса с передачей подмороженного продукта на ниже лежащий транспортер, где происходит замораживание. На рис. 3 приведена принципиальная
схема флюидизационного аппарата с подвижной насадкой.
Несмотря на то что воздушные морозильные аппараты получили широкое распространение, у них есть множество недостатков:
• имеют высокую стоимость основных фондов: нуждаются в дорогостоящих производственных помещениях большой площади;
• требуют продолжительных сроков изготовления и введения в эксплуатацию, громоздкого и металлоемкого оборудования; высоких эксплуатационных затрат из-за низкой надежности и недолговечности оборудования, нуждающегося в частых ремонтах, а также высокой стоимости запасных частей и расходных материалов и необходимости содержания большого количества квалифицированного обслуживающего персонала; больших затрат электроэнергии;
• холодильные агенты (хла-доны, аммиак) экологически опасны;
• происходят значительные потери массы продукта от усушки.
Погружной способ в некипя-щейжидкости, при котором отвод тепла осуществляется за счет контакта продукта с хладоносителем - жидкостью, характеризуется более эффективным отводом теплоты по сравнению с воздушным способом. Однако возникающие при этом трудности, связанные с нежелательным проникновением охлаждающего вещества (хладоносите-ля) в продукт, с соблюдением санитарно-гигиенических условий, с поддержанием концентрации хладоносителя и отсутствием доступных нетоксичных и инертных жидкостей, ограничивают применение такого способа.
Погружные (иммерсионные) морозильные аппараты подразделяются на две группы: с неподвижным (стационарным) положением продукта в жидком хладоносителе; с перемещением продукта в жидком хладоносителе транспортером. На рис. 4 показана принципиальная схема погружного аппарата.
Существенными недостатками таких аппаратов являются низкий уровень механизации, цикличность работы, что не позволяет включать их
1 - перфорированный воздуховод; 2 - гладкотрубная змеевиковая батарея; 3 - конвейеры; 4 - окна; 5 - воздухоохладитель; 6 - подвижная насадка; 7 - теплоизолированный контур; 8 - центробежный вентилятор
Рис. 3. Флюидизационный аппарат с подвижной насадкой
1 - теплоизоляционное ограждение; 2 - мешалка; 3 - испаритель;4 - емкость с хладоносителем; 5 - нижняя сетчатая перегородка; 6 - верхняя
Рис. 4. Погружной аппарат
научная публикация
1 - теплоизоляционное ограждение;
2 - гидравлический привод;
3 - дверные створки;
4 - морозильные плиты
1 - теплоизоляционное ограждение; 2 - секция с морозильными плитами; 3 - вал ротора
777777777777777777}
1 - теплоизоляционное ограждение;
2 - вращающийся барабан;3 - нож;
4 - разгрузочный конвейер;
5 - загрузочный конвейер
Рис. 5. Плиточный аппарат
Рис. 6. Роторный аппарат
Рис. 7. Барабанный аппарат
в общую поточную линию переработки штучных продуктов питания. Кроме того, применение специальных устройств, обеспечивающих механическое перемещение продукта, усложняет конструкцию аппарата.
Так как в основном в качестве некипящей жидкости используют растворы солей хлорида натрия или хлорида кальция, то детали таких аппаратов подвержены коррозии, что сказывается на надежности их работы. Выполнение узлов аппарата из нержавеющей стали повышает его стоимость, а значительные размеры и наличие орошающих устройств способствуют дополнительным теплопритокам и деконцентрации раствора.
Контактный способ предусматривает замораживание продукта правильной прямоугольной формы за счет его контакта с хладагентом (реже - с хладоносителем) через поверхность морозильных плит, которые с помощью гидравлического или электрического привода плотно прижимаются к продукту, обеспечивая его формовку, подпрессовку.
В зависимости от расположения морозильных плит аппараты делятся на горизонтально-плиточные (рис. 5), вертикально-плиточные, роторные (рис. 6), а также барабанного типа (рис. 7). Наибольшее распространение получили плиточные аппараты роторного, горизонтального и вертикального типа. Аппараты с горизонтальными плитами применяются в основном в рыбной промышленности, а с вертикальными - для замораживания упакованных блоков мяса.
Основной недостаток плиточных аппаратов - невозможность замораживания продуктов неправильной формы, а кроме того, к отрицательным моментам можно отнести и периодичность действия, в частности, вертикально- и горизонтально-плиточных аппаратов, что не дает возможности их включения в поточную линию производства пищевых продуктов широкого ассортимента.
Для замораживания пищевых продуктов криогенным способом применяют следующие криогенные агенты: жидкий
азот, диоксид углерода и хладон.
Криогенные морозильные аппараты являются более эффективными по сравнению с механическими. Такие аппараты делятся на две группы: погружного и форсуночного типа. В первой используется принцип погружения пищевого продукта в криожидкость, во второй - принцип распыления криожидкости на продукт через форсунки.
Наиболее широко применяется жидкий азот. Экономичнее замораживать продукт в криогенном аппарате с двумя зонами: в первой 30-40% теплоты отводится от продукта
потоком газообразного азота, а во второй продукт домо-раживается в жидком азоте (рис. 8).
Если рассматривать все системы азотного замораживания в общем, то, бесспорно, они имеют существенные преимущества, такие как высокая надежность эксплуатации; незначительные затраты на техническое обслуживание и ремонт; высокая хладопроиз-водительность азотной системы, что позволяет эффективно осуществлять ударную первичную холодильную обработку. Но есть и ряд недостатков, главный из которых - неэкономичный расход достаточно
Й
у/у/}//'/ /77///////////////// //$/)//?}
1 - конвейер; 2 - продукт; 3 - вентилятор; 4 - теплоизоляционное ограждение; 5 - емкость с жидким азотом; 6 - направляющие ролики конвейера
_)
Рис. 8. Криогенный аппарат
i в мире науки |
Вакуумная камера
Конденсатор
III
Отвод тепла
Вакуумный насос
Рис. 9. Принципиальная схема вакуумной установки
дорогого криовещества, а также высокая интенсивность теплоотдачи, что вызывает растрескивание продукта (он теряет товарный вид).
По определению Международного института холода и комитета FAO/WHO термин «быстрое замораживание» обозначает быстрое прохождение фронта замерзшей области, то есть температурной области, которая у большинства продуктов находится в пределах от -1 до -5 °С. При этом замораживание считается завершенным, когда среднеобъемная температура достигает -18 °С.
Быстрое замораживание имеет ряд преимуществ по сравнению с медленным. Основными из них являются следующие [8, 9]:
• образующиеся кристаллы льда гораздо меньше по размеру, что способствует сокращению разрыва клеток;
• меньше времени остается на диффузию солей и их концентрацию;
• рост микроорганизмов, окисление и другие нежелательные изменения в продукте сводятся к минимуму.
Для быстрого замораживания мелкоштучных полуфабрикатов часто применяется способ шоковой заморозки, основанный на ускорении этапов охлаждения, подмораживания и домораживания продукта за счет снижения температуры среды, в которую он помещается, до -30- -40 °С и увеличения скорости движения холодного воздуха в камере. Метод предусматривает использование промышленных холодильных камер шоковой заморозки. Полуфабрикаты
температурой от 0 до +15 °С вручную или с помощью конвейера закатываются в камеру, где охлаждается до -18 °С. Продолжительность замораживания составляет от 40 мин. до 2 часов.
Скороморозильные аппараты шоковой заморозки выполняют в следующих вариантах: конвейерно-тележечные туннельного типа, люлечные, спиральные, флюидизаци-онного типа, плиточные и роторные скороморозильные аппараты.
Данный способ позволяет значительно снизить продолжительность процесса замораживания и получить продукт высокого качества. Однако скороморозильные аппараты для шоковой заморозки имеют серьезные недостатки - требуют высоких затрат электроэнергии и способствуют усушке продукта.
Для исключения усушки в процессе хранения замороженной рыбы в холодильной технологии применяют такую операцию, как глазирование -процесс образования на поверхности рыбы тонкого ледяного слоя (глазури), который уменьшает усушку и порчу жира от окисления. При выполнении операции вручную замороженную рыбу 2-3 раза погружают в охлажденную до 1-3 °С воду на 5-10 сек. с перерывом 10-12 сек., после чего ее выдерживают на воздухе не менее 1 мин. для закрепления ледяной глазури, а затем упаковывают.
С той же целью за рубежом применяется технология CRYOMIX™ - одновременное смешивание, глазирование и быстрая заморозка, - обеспечивающая высокое качество
глазированных продуктов быстрой индивидуальной заморозки (IQF) [2]. Эту технологию используют для производства самых разнообразных глазированных продуктов, например овощных смесей с кусочками мяса, птицы и рыбы.
Замораживание под вакуумом осуществляется за счет испарения в разреженной среде содержащейся в продукте влаги. Данный способ основан на явлении парообразования над поверхностью жидкости при температуре ниже ее температуры кипения при нормальном атмосферном давлении. На превращение жидкости в пар затрачивается определенное количество тепловой энергии - теплота испарения. Благодаря этому можно понизить температуру замораживаемого продукта, имеющего влажную поверхность.
Вакуумный способ в промышленности применяют для замораживания мяса (фарша) и мясных полуфабрикатов, рыбы, молочных продуктов, плодов, овощей [10-14].
Замораживание пищевых продуктов под вакуумом осуществляют в вакуумных установках. К преимуществам морозильного оборудования данного типа, обусловливающим его перспективность,
относится значительное снижение энергозатрат и продолжительности процесса замораживания.
Принципиальная схема вакуумной установки, состоящей из вакуумной камеры (сублиматора), охлаждаемого конденсатора и вакуум-насоса, соединенных в замкнутую вакуумируемую систему, представлена на рис. 9.
Применение вакуумного способа для замораживания мелкоштучных пищевых полуфабрикатов позволит значительно сократить длительность процесса и уменьшить энергозатраты на его осуществление, но не решит проблемы исключения усушки продукта (12-15% от общего веса), в связи с чем возникает необходимость компенсировать потерянную влагу. Кроме того, при помещении мелкоштучных пищевых полуфабрикатов в разреженную среду будет происходить необратимая деформация их формы (вздутие или разрыв поверхностной оболочки), вызванная действием внутреннего давления полуфабрикатов. Это приводит к увеличению размера полуфабрикатов и их внутренней порозности [10].
Для исключения указанных недостатков возникает
научная публикация
необходимость разделить процесс замораживания на две стадии: подмораживание полуфабрикатов с образованием на их поверхности ледяного слоя для стабилизации тестовой оболочки и исключения усушки в процессе замораживания; замораживание полуфабрикатов под вакуумом до конечной температуры, позволяющее интенсифицировать процесс и уменьшить энергозатраты. Замораживание полуфабрикатов происходит за счет испарения ледяного слоя с их поверхности, причем его толщина устанавливается с учетом того, чтобы в конце процесса весь ледяной слой испарился, а полуфабрикаты заморозились до конечной температуры без усушки [15].
По своей сути первая стадия предлагаемого процесса соответствует методу глазирования, применяемому в рыбной промышленности. Проведенные исследования показали, что интенсивность сублимации чистого льда выше интенсивности сублимации коллоидного тела [10]. Отсюда следует, что намораживание на поверхность мелкоштучных пищевых полуфабрикатов ледяного слоя позволит увеличить скорость их замораживания на второй стадии (под вакуумом).
Использование данного способа для замораживания мелкоштучных пищевых полуфабрикатов связано с решением ряда научных, технических и инженерных задач, основными из которых
являются оптимизация технологических параметров процесса замораживания мелкоштучных пищевых полуфабрикатов под вакуумом двухстадийным способом и разработка аппарата для его реализации.
В настоящее время хорошо известны современные разработки вакуумных морозильных и холодильных машин с использованием воды как в качестве хладагента, так и хладоносителя [2]. При этом скорость таких технологических процессов, как охлаждение, замораживание, сублимационная сушка, остается неизменной. В то же время использование воды, содержащейся в самих продуктах, в качестве хладагента позволяет значительно ускорить процессы охлаждения и замораживания. При этом следует подчеркнуть, что испаряющаяся вода находится внутри охлаждаемого продукта. За счет непосредственного контакта хладагента и продукта коэффициент теплоотдачи составляет несколько киловатт. Таким образом, достигается высокая скорость охлаждения и замораживания.
В Научно-практическом центре НАН Беларуси по продовольствию создано научно-техническое подразделение, которое занимается разработкой новых технологий и техники, в том числе вакуумной. С целью оптимизации конструкций вакуумных охладителей и замораживателей
сотрудниками центра были проведены исследования процесса замораживания пельменей, клецек и драников под вакуумом двухстадийным способом, согласно которым определены рациональные значения его основных технологических параметров: остаточное давление в вакуумной камере (Р = 100...300 Па); масса намороженного на полуфабрикаты ледяного слоя (т = 8-15%) от массы полуфабрикатов; температура
Литература
внутри подмороженных полуфабрикатов ^вн = -2.0 °С). В зависимости от объемов производства пищевых предприятий предложены две конструкции скороморозильных аппаратов для замораживания мелкоштучных пищевых полуфабрикатов под вакуумом. На изобретение получен патент №12416), разработаны методика инженерного расчета и конструкторская документация.
1. Венгер К.П. Машинная и безмашинная системы хладоснабжения для быстрого замораживания пищевых продуктов / К.П. Венгер, В. А. Выгодин. - М., 1999.
2. Бараненко А.В. Холодильные машины / А.В. Бараненко, Н.Н. Бухарин, В.И. Пекарев. - СПб., 2006.
3. Курылев Е.С. Холодильные установки. Учебник для студентов вузов специальности «Техника и физика низких температур», «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование» / Е.С. Курылев, В.В. Оносовский, Ю.Д. Румянцев. - СПб., 1999.
4. Chapleau A. Evaluation of the mean ice ratio as a function of temperature in a heterogeneous food: Application to the determination of the target temperature at the end of freezing / A. Chapleau, Le-Bail, N. Anton-De Lamballerie, M. Vignolle // International journal of refrigeration. - Amsterdam, 2008, №5. Р. (s) 816-821.
5. Морозильное оборудование. Преимущества шоковой заморозки // Кумпячок: спецвыпуск журнала «Молочный продукт». №1, 2005. С. 36-37.
6. P.J. Fellows Food Processing Technology - Principles and Practice. 2nd Edition. - London, 2000. P. 27.
7. Алмаши Э. Быстрое замораживание пищевых продуктов / Э. Алмаши, Л. Эрдели, Т. Шарой; под ред. Э. Алмаши. - М., 1981.
8. Herbert Weber. Mikrobiologie der Lebensmittel. Fleisch und Fleisch Feinkost. - Behr's Verlag, 2004. P. 782.
9. Личко Н.М. Технология переработки продукции растениеводства / Н.М. Личко, В.Н. Курдина, Л.Г. Елисеев; под ред. Н.М. Личко. - М., 2006.
10. А.С. Чернышев. Разработка процесса вакуумного охлаждения кулинарных изделий: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12. - М., 1987.
11. В.И. Ивашов. Влияние регулируемой среды на тепло- и массоперенос в процессах пищевых производств: дис. ... д-ра техн. наук: 05.18.12. - М., 1980.
12. Устройство для замораживания мелкоштучных пищевых продуктов: а. с. 1777643 СССР, МКИ F 25D 13/00, A 23B 4/06 / В.И. Ивашов, А.С. Чернышев, О.И. Якушев,
О.Л. Сороко; Московский институт прикладной биотехнологии. № 118829; заявл. 08.01.91; опубл. 23.11.92 // Офиц. бюл. №43, 1992. С. 5.
13. Способ производства изделий из теста с начинкой: а. с. 1829899 СССР, МКИ А 21С 9/06 / В.И. Ивашов, А.С. Чернышев, О.И. Якушев, О.Л. Сороко; Московский институт прикладной биотехнологии. № 4902883; заявл. 14.01.91; опубл. 23.07.93 // Офиц. бюл. №27, 1992. С. 11.
14. А. Ранфт. Охлаждение в вакууме // Пекарные технологии. №3, 2008. С. 6-14.
15. Гракович Ю.С. Заморозка мелкоштучных полуфабрикатов под вакуумом / Ю.С Гракович, О.Л. Сороко // Инженерный вестник. №2(24), 2007. С. 33-36.
