CC BY
63
КАЧЕСТВО ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
ТЕМА НОМЕРА
УДК 664.8.037.5(045)
Быстрое замораживание пищевых продуктов
с использованием н изкоте мпера турной экологически безопасной азотной системы хладоснабжения
К.П. Венгер, д-р техн. наук, профессор; И.А. Кузьмина, канд. техн. наук; В.А. Стефанова, канд. техн. нук; О.А. Феськов, канд. техн. наук Московский государственный университет пищевых производств
Одним из этапов холодильной обработки пищевых продуктов является процесс замораживания, достаточно энергоемкий, однако необходимый для длительного консервирования холодом пищевых продуктов и сырья. С целью сохранения пищевой ценности продукта этот процесс должен проходить как можно более интенсивно.
В мировой практике применен термин «быстрое замораживание», предусматривающий определенный, принятый классификацией интервал скорости процесса, гарантирующий высокое качество и товарный вид продукта. высокие скорости процесса обеспечивают значительное сокращение времени замораживания и, следовательно, энергозатрат.
Для определения скорости замораживания используются рекомендации Международного института холода (МИХ).
МИХ определяет «среднюю скорость замораживания» (ю ) как отношение минимального расстояния от поверхности продукта до его термического центра ко времени, в течение которого температура продукта изменяется от 0 °С на поверхности до температуры в центре, на 10 °С ниже его криоскопической. Скорость замораживания (ю ) определяется с помощью экспериментально полученных термограмм: изменение температуры на поверхности (1п) и в центре (1ц) продукта в зависимости от продолжительности процесса (т). Быстрое замораживание характеризуется интервалом скорости процесса на уровне 5+10 см/ч [1].
Однако доказано, что не всегда лучшие результаты обеспечиваются повышенной скоростью замораживания. Опыт холодильной технологии свидетельствует, что каждый продукт или группа продуктов требуют определенную оптимальную скорость замораживания.
При постановке задачи оптимизации по максимуму качества
продукта используется количественный (безразмерный) квалиметриче-ский комплексный показатель:
(1)
где В! - частный показатель качества 1-го свойства продукта, выраженный в безразмерной форме; Ь - коэффициент весомости 1-го свойства продукта; п - общее количество свойств в квалиметрической модели качества продукта.
Например, для мяса бройлеров, на базе экспериментальных данных, комплексный показатель качества рассчитан по выражению (1) на основе двухранговой квалиметрической модели, включающей три частных показателя (п = 3) первого ранга (изменение консистенции, денатурация белков, водоудерживающая способность мышечной ткани) и шесть частных показателей (п1 = 6) второго ранга (пластичность, количество общих сульфгидрильных групп, общая экстрагируемость белка, содержание связанной влаги, потери массы при разморживании, рН), с учетом двух факторов «вето» (микробиологическое неблагополучие и нарушение герметичности упаковки), запрещающих использование продукта для пищевых целей.
Упакованные полутушки бройлеров замораживали криогенным методом
при следующих значениях средней скорости (юс •Ю-6 м/ с) процесса: 7,9; 9,8; 12,0;с|14,4 и 18,5. Контролем служили образцы, замороженные используемым в отечественной практике воздушным методом при скорости его движения 3 м/с и температуре -30 °С, со скоростью процесса 1,4Ч0"6 м/с.
Результаты экспериментов и расчетов по критерию (1) для других пищевых продуктов подробно представлены в монографии [1].
Получена графическая зависимость количественного показателя качества продукта (К) от скорости замораживания (ю ) (рис. 1).
Как видно из графика, для мяса бройлеров явно выраженный максимум Ктах имеет место при оптимальном значении скорости замораживания юсрор1 = 7+9Ч0-6 м/с.
Дальнейшее увеличение скорости замораживания (ю ) не приводит к увеличению показателя обратимости (К).
Замораживание при оптимальной скорости процесса по сравнению со скоростью, равной 1,4Ч0"6 м / с, обеспечиваемой отечественной практикой, позволяет значительно улучшить качество мяса птицы.
В настоящее время целый ряд зарубежных и отечественных фирм выпускают морозильные камеры, туннели, плиточные шкафы, флюи-дизаторы и т. п., которые относят к скороморозильной технике. Однако такое оборудование с машинной системой хладоснабжения обеспечивает температуру воздуха на уровне -30...-35 °С. При такой температуре замораживания не обеспечиваются скорости, характеризующие процесс быстрого замораживания.
Следует отметить, что созданная индустрия холодильной обработки, в том числе и замораживания, на базе традиционных машинных систем хладоснабжения, должна эффективно использоваться и совершенствоваться. Однако необходимо также учитывать следующие основные недостатки систем машинного охлаждения на базе хладоновых или аммиачных холодильных машин: экологическая опасность хладагента; большие потери массы продукта
Рис. 1 Зависимость количественного показателя качества (К) мяса бройлеров от средней скорости замораживания (ю )
от усушки из-за медленного протекания процесса замораживания; высокая стоимость основных фондов, большие и дорогостоящие производственные площади; продолжительные сроки строительства и введение в эксплуатацию, громоздкое и металлоемкое оборудование; высокие эксплуатационные затраты, необходимость содержания значительного количества квалифицированного обслуживающего персонала.
В плане сокращения и исключения таких недостатков перспективна низкотемпературная проточная система хладоснабжения жидким азотом.
Термин «проточная система хладоснабжения» подразумевает одноразовое использование хладагента.
Холодильный потенциал жидкого азота складывается из удельных хо-лодопроизводительностей при фазовом переходе (197,6 кДж / кг) и при нагреве паров азота от температуры кипения (-196 °С) до температуры окружающей среды (около 220 кДж/кг).
На рис. 2 представлен пример диаграммы распределения полного холодильного потенциала жидкого азота в охлаждаемом объекте [2].
При охлаждении объекта потери холодильного потенциала жидкого азота имеют место сразу же после попадания его из резервуара в подающий трубопровод. Они могут достигать 6% даже с учетом вакуумной изоляции трубопроводов и зависят от их длины и диаметра. Потери потенциала после испарения азота (10%) связаны с тем, что температура выходящего из охлаждаемого объекта азота гораздо ниже температуры окружающей среды.
Представленная диаграмма позволяет объяснить, почему все существующие скороморозильные аппараты используют в настоящее время жидкий, а не газообразный азот. Объясняется это тем, что если не использовать холодильный потенциал фазового перехода жидкого азота, то производительность таких аппаратов уменьшится вдвое, а газообразного азота для замораживания продукта потребуется более чем в два раза больше, чем жидкого [2].
Га а оо б ра ¿mi й: ;ä ä of::
44% Ч
toe ''
10%
6%
кий азот
Рис. 2 Диаграмма распределения холодильного потенциала жидкого азота при температуре в охлаждаемом объекте -20 °С и температуре окружающей среды +20 °С.
Одно из главных преимуществ криогенного метода заключается в том, что источник холода (N2) находится в непосредственном контакте с продуктом, что предотвращает всякие потери при прохождении сети циркуляции, что необходимо для машинной системы. Кроме того, тесный контакт между криоагентом и продуктом позволяет зафиксировать уровень влажности. Это приводит к сокращению потерь массы продукта за счет усушки, улучшению качества и товарного вида продукта - продукт как бы отбеливается за счет образования мелких кристаллов льда на его поверхности [3].
Однако при использовании жидкого азота (-196 °С) из-за резкого переохлаждения поверхностных слоев могут возникать внутренние напряжения, приводящие к нарушению структуры и появлению трещин у продукта. Для исключения такого явления проточные азотные скороморозильные аппараты используют трехзонный принцип действия. Он позволяет использовать пары азота после его испарения в зоне замораживания (II-ая зона) в целях предварительного охлаждения (I-ая зона) и выравнивания температуры по толщине продукта (III-я зона). Такая система позволяет использовать холодильный потенциал как жидкого, так и образующегося в результате его испарения газообразного азота.
Азотные многозонные туннельные скороморозильные аппараты выпускаются многими зарубежными фирмами с горизонтальным или спиральным конвейером. Лидирующими фирмами - производителями таких аппаратов являются шведская фирма «Frigo-scandia», выпускающая аппараты двух модификаций - «AGA Freeze MINI» и «AGA Freeze M», немецкая фирма «Linde» и др. [1].
Исследования по использованию криогенного метода на базе жидкого азота для быстрого замораживания пищевых продуктов многие годы проводились на кафедре «Холодильная техника» МГУ прикладной биотехнологии и после реорганизации МГУ пищевых производств.
Специалистами кафедры совместно с ООО «Темп-11» на базе проточной трехзонной системы разработана конструкция азотного скороморозильного туннельного аппарата (ACTA) для быстрого замораживания широкого ассортимента штучных пищевых продуктов, таких как мясопродукты, мясо птицы, рыба, ягоды, фрукты, овощи и комбинированные продукты типа «тесто+начинка» [1, 4, 5].
Принципиальная схема аппарата ACTA представлена на рис. 3.
Разработаны рабочие чертежи и изготовлен экспериментальный образец аппарата АСТА-30, производительностью от 30 до 150 кг/ ч, представленный на рис. 4.
Криогенный аппарат ACTA - универсальный и может замораживать без дополнительных конструктивных переделок любой пищевой продукт. Широкий диапазон изменения продолжительности и, следовательно, скорости движения сетчатого конвейера обеспечивает система привода: электродвигатель постоянного тока, редуктор, цепная передача.
Помимо сетчатого конвейера с приводом ACTA состоит из следующих основных частей: теплоизолированного короба с циркуляционными вентиляторами, системы форсунок и трубопровода для подачи жидкого азота в рабочую камеру аппарата, механизма подъема теплоизолированного короба для доступа к сетчатому конвейеру и его санитарной обработки, пульта управления и контрольно-измерительных
Рис. 3 Принципиальная схема азотного скороморозильного туннельного аппарата (ACTA): I - зона предварительного охлаждения парами азота; II - зона орошения жидким азотом; III - зона выравнивания температуры по объёму продукта; 1 - система отсоса отработанных паров азота; 2 - теплоизолированный короб; 3 - осевой вентилятор; 4 - коллектор с форсунками; 5 - гибкая шторка; 6 - сетчатый конвейер; 7 - привод конвейера; 8 - привод подъёма короба; 9 - уплотнение; 10 - опоры; 11 - датчик температуры; 12 - теплоизолированная рама
JКАЧЕСТВО ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
Г ТЕМА НОМЕРА
Рис. 4 Экспериментальный образец азотного туннельного скороморозильного аппарата АСТА-30
Технические характеристики воздухоразделительных установок
Тип установки: КжАж-0,05 АжКж-0,06 АжКж-0,07
Производительность:
по газообразному азоту, м3/ч 50 60 70
по газообразному кислороду, м3/ч 42 45 52
по жидкому азоту, кг/ч 50 60 70
по жидкому кислороду, кг/ч 45 55 65
Число продуктов разделения:
азота, % О2 объемных 0,1 0,1 0,1
кислорода, % О2 объемных 99,9 99,9 99,7
Потребляемая мощность, кВт:
газообразный режим 80 80 80
жидкостной режим 90 90 90
габаритные размеры для монтажа установки (длина, ширина, высота), м 14х6х5 14х6х5 12х6х5
масса, кг 7000 7200 7200
срок службы, лет 15 15 15
приборов. Питание скороморозильного аппарата жидким азотом осуществляется от криогенной цистерны типа ЦТК, для АСТА-30 - ЦТК -5/0,25.
На базе аппарата АСТА-30 разработаны конструкции двух модификаций таких аппаратов большей производительности - АСТА-250 и АСТА-800.
Азотные скороморозильные аппараты имеют и такие преимущества, как: экологическая безопасность; компактность аппарата (туннель, цистерна для азота, соединительный трубопровод); меньшие, чем для машинной системы замораживания, капиталовложения и занимаемая площадь; быстрый ввод в эксплуатацию и простое обслуживание; минимальное потребление электроэнергии [1].
Основной недостаток проточных азотных систем - одноразовое ис-
пользование криоагента, высокая стоимость которого требует повышенного внимания к конструкции оборудования, позволяющей использовать холодильный потенциал как жидкого, так и образующегося при его испарении газообразного азота.
Температура паров азота, выходящих из аппаратов даже лучших зарубежных образцов, находится на уровне -60...-70 °С. Как правило, отработанные пары выбрасываются в атмосферу. В связи с этим энергетически эффективна и перспективна комплексная азотная проточная система хладоснабжения, которая объединяет процессы замораживания и дальнейшего хранения продукта. Это позволяет практически полностью использовать холодильных потенциал паров криоагента.
Разработаны варианты организации такой комплексной азотной си-
стемы хладоснабжения для пищевых продуктов животного и растительного происхождения [1, 3, 4].
Получены результаты технико-экономической оценки двух скороморозильных аппаратов одинаковой производительности - воздушного Я10-ОАС-500 с машинной замкнутой системой хладоснабжения и азотного АСТА-500, с проточной системой, который показал, что у азотного аппарата капитальные затраты практически в два раза ниже, а эксплуатационные - значительно выше, которые, в основном, зависят от цены азота и замораживаемого продукта [1].
Варьируя ценами жидкого азота и продукта можно значительно понизить себестоимость криогенного замораживания.
Следует отметить, что в нашей стране производством жидкого азота занимаются более 1200 предприятий, расположенных от Уссурийска на Дальнем Востоке до Калининграда, т. е. практически криопродук-ты доступны любому потребителю. При этом цена хладагента колеблется в зависимости от режима и технологии его производства. Следовательно, есть возможность изыскать более дешевые источники поставки жидкого азота и, таким образом, понизить себестоимость производства быстрозамороженных продуктов.
Данный анализ проводился с учетом использования жидкого азота из специальной цистерны (ЦТК) и, следовательно, его цены, определяемой заводом - производителем криоагента. Существует и другой вариант обеспечения жидким азотом туннельного скороморозильного аппарата - использование воздухораспределительной установки, которая входит в комплект данного оборудования. В этом случае, как показали исследования, заметно сократятся эксплуатационные затраты на работу аппарата АСТА.
На сегодняшний день такие возду-хоразделительные установки в широком ассортименте выпускаются многими фирмами, как отечественными, так и зарубежными. Так, например, такие установки производства газообразного, жидкого азота и кислорода типа Аж, АжКж выпускаются ОАО «Машиностроительный завод «Урал-криотехника». Такие установки работают по четырем режимам, каждый из которых обеспечивает получение только одного из продуктов в газообразном или жидком виде [6].
Технические характеристики таких установок представлены в таблице.
Из зарубежных фирм следует отметить компанию «Domnick hunter», выпускающую воздухоразделительные установки (генераторы азота) серии MAXIGAS [7].
Разработанные проточные системы хладоснабжения жидким азотом
открывают широкие возможности для создания новых технологических процессов и оборудования быстрого замораживания продуктов питания, а экологическая безопасность используемого хладагента усиливает позиции их перспективности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Антонов, А. А. Азотные системы хладоснабжения для производства быстрозамороженных пищевых продуктов/ А.А. Антонов, К.П. Венгер. - Рязань: Узорочье. - 2002. - 206 с.
2. Венгер, К.П. Азотная система хладоснабжения с вихревой трубой для туннельного скороморозильного аппарата/ К. П. Венгер [и др.]. -СПб.: Вестник МАХ. - вып. 4. - 2012. -С. 15-17
3. Венгер, К.П. Скороморозильный туннельный аппарат с азотной системой хладоснабжения/К.П. Венгер, М.Г. Носов, О.А. Феськов. - Украина. Белград: Современный научный вестник. - № 51. -2013. - с. 19 - 23
4. Венгер, К.П. Низкотемпературные экологически безопасные системы хладоснабжения для быстрого замораживания пищевых продуктов/К.П. Венгер, Н. Б. Паньшин, О.А. Феськов // Труды Третьей Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые
технологии СЭТТ-2008». - Тамбов: Фран-тера. - Т. 2. - 2008. - С. 44 - 46
5. Венгер, К.П. Новое оборудование с использованием жидкого азота для быстрого замораживания пищевых продуктов/ К. П. Венгер, И.А. Кузьмина, О. А. Феськов // Материалы VII Международной научно-технической конференции «Никзотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». -СПб.: издательско-информационный комплекс Университета ИТМО. - часть I. - ноябрь 2015. - С. 54 - 60
6. Уральский компрессорный завод (Уралкриотехника). Сайт компании. URL: http://www.ukz.ru/o_kompanii/httpww wukzruuralkriotehnika/
7. Ремкомпрессор. Генераторы азота. URL: http://generator-azot.ru / promyshlennye-ktsba-generatory-azota-maxigas-midigas/
REFERENcES
1. Antonov, A. A. Azotnye sistemy hladosnabzhenija dlja proizvodstva bystrozamorozhennyh pishhevyh produk-tov/A.A. Antonov, K.P. Venger. - Rjazan': Uzoroch'e. - 2002. - 206 s.
2. Venger, K.P. Azotnaja sistema hla-dosnabzhenija s vihrevoj truboj dlja tunnel'nogo skoromorozil'nogo appara-ta/K.P. Venger, I.B. Zhil'cov, M.G. Nosov, O.A. Fes'kov. - SPb.: Vestnik MAH. -vyp. 4. - 2012. - s. 15-17
3. Venger, K. P. Skoromorozil'nyj tunnel'nyj apparat s azotnoj sistemoj hla-dosnabzhenija/K.P. Venger, M.G. Nosov, O.A. Fes'kov. - Ukraina. Belgrad: Sovre-mennyj nauchnyj vestnik. - № 51. -2013. - s. 19 - 23
4. Venger, K. P. Nizkotemperaturnye jekologicheski bezopasnye sistemy hla-dosnabzhenija dlja bystrogo zamorazhi-vanija pishhevyh produktov/K.P. Venger, N.B. Pan'shin, O.A. Fes'kov // Trudy Tret'ej Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Sovremennye jenergosbere-gajushhie teplovye tehnologii SJeTT-2008». - Tambov: Frantera. - T. 2. -2008. - S. 44 - 46
5. Venger, K.P. Novoe oborudovanie s ispol'zovaniem zhidkogo azota dlja bystrogo zamorazhivanija pishhevyh produktov/K.P. Venger, I.A. Kuz'mina, O.A. Fes'kov // Materialy VII Mezhdunarodnoj nauch-no-tehnicheskoj konferencii «Nikzotem-peraturnye i pishhevye tehnologii v XXI veke». - SPb.: Izdatel'sko-informacionnyj kompleks Universiteta ITMO. - chast' I. -nojabr' 2015. - S. 54 - 60
6. Ural'skij kompressornyj zavod (Uralkriotehnika). Sajt kompanii. URL: http://www.ukz.ru/o_kompanii/httpww-wukzruuraLkriotehnika/
7. Remkompressor. Generatory azota. URL: http://generator-azot.ru/ promysh-lennye-ktsba-generatory-azota-maxigas-midigas/
Быстрое замораживание пищевых продуктов с использованием низкотемпературной экологически безопасной азотной системы хладоснабжения
Ключевые слова
быстрое замораживание; жидкий азот; квалиметрия; проточная система; скороморозильный аппарат
Реферат
Основным показателем, определяющим процесс быстрого замораживания пищевых продуктов, является скорость его проведения. В мировой практике используется методика количественного определения средней скорости замораживания и определен интервал ее значений, характеризующий быстрое замораживание пищевых продуктов. Для определения оптимальной скорости процесса, гарантирующей качество и товарный вид продукта, используется количественный квалиметрический комплексный показатель качества (К) объекта замораживания. В статье дана методика определения показателя (К) на примере мяса птицы. Для обеспечения оптимальных скоростей замораживания необходимы системы хладоснабжения с более низкими температурами по сравнению с используемой в отечественной практике машинной системой с температурами на уровне (-30...-35 °C). В этом плане перспективна система хладоснабжения на базе жидкого и газообразного азота. Разработана конструкция азотного скороморозильного туннельного аппарата (ACTA) и изготовлен опытный его образец - ACTA-30, для широкого ассортимента пищевых продуктов. На базе этого образца разработаны конструкции двух модификаций азотных туннельных скороморозильных аппаратов большей производительности - ACTA-250 и ACTA-800. Доказано, что экономическая эффективность аппарата ACTA зависит в основном от цены жидкого азота и замораживаемого продукта. Варьируя ценами можно значительно снизить себестоимость криогенного замораживания. &абжение жидким азотом скороморозильного аппарата и сокращение эксплуатационных затрат возможно за счет применения воздухораспределительных установок для производства жидкого и газообразного азота. Разработанные проточные системы хладоснабжения жидким азотом открывают широкие возможности для создания новых технологических процессов и оборудования быстрого замораживания продуктов питания, а экологическая безопасность используемого криоагента усиливает позиции их перспективности.
Авторы
Венгер Клара Петровна, д-р техн. наук, профессор, Кузьмина Ирина Aнатольевна, канд. техн. наук, Cефанова Виктория Aлександровна, канд. техн. наук, Феськов Олег Aлексеевич, канд. техн. наук
Московский государственный университет пищевых производств, 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, vengerkp@gmail.com
Fast freezing of food products using low temperature ecologically safe nitrogen system chilling
Key words
fast freezing; flow system; liquid nitrogen; qualimetrying; quick-freezing machine
Abstracts
The main indicator determining the process of fast food freezing is its speed. In the world practice the method of quantitative determination of average speed of freezing is used and the interval of its values characterizing fast freezing of foodstuffs is defined. To determine the optimal speed of the process, guaranteeing the quality and product appearance of the product, a quantitative qualimetrying complex quality indicator (k) of the freezing object is used. In the article the method of determination of the indicator (k) on the example of poultry is given. To ensure optimal freezing speeds, chilling systems with lower temperatures are required compared to the domestic machine system with temperature levels (-30...-35 °C). In this respect the system of chilling on the basis of liquid and gaseous nitrogen is perspective. The construction of the nitrogen quick-freezing tunnel apparatus (NQTA) and its prototype - NQTA-30, for a wide range of food products. On the basis of this sample designs of two modifications of nitrogen tunnel freezers devices of greater productivity - NQTA-250 and NQTA-800 are developed. It is proved that the economic efficiency of NQTA depends mainly on the price of liquid nitrogen and frozen product. Varying prices can significantly reduce the cost of cryogenic freezing. Supply of liquid nitrogen freezing apparatus and reduction of operating costs is possible due to the use of distributing plants for the production of liquid and gaseous nitrogen. The developed flow systems chilling liquid nitrogen open wide opportunities for creation of new technological processes and equipment of fast freezing of foodstuffs, and ecological safety of the used krioagent enhances the position of their prospects.
Authors
Venger Klara Petrovna, Doctor of Technical Sciences, Professor, Kuzmina Irina Anatolevna, Candidate of Technical Sciences, Stefanova Viktorija Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences Fes'kov Oleg Alekseevich, Candidate of Technical Sciences Moscow State University of Food Production 11, Volokolamskoe highway, Moscow, 125080, vengerkp@gmail.com
