CC BY
26
УД К 641.664.8.037.5
Исследование процесса охлаждения упакованной рыбы в среде диоксида углерода
Д-р техн. наук О. Н. БУЯНОВ, канд. техн. наук Е. Н. НЕВЕРОВ, С. Н. НЕЧАЕВ
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47
Researches of character of change of a temperature field and heat-conducting path change are conducted, at cooling of the packed fish by a carbon dioxide. Values of density of a thermal stream and heat-conducting path factor are defined at different temperatures in the chamber with a thermal protection. It is established that at cooling snow C02 located in an internal cavity of the packed carcass of fish the heat-conducting path is asymmetrical that will lead to non-uniform cooling offish.
Key words: fish, a carbon dioxide, sublimation, a temperature field, density of a thermal stream, heat conductivity, temperature, isotherms.
Ключевые слова: рыба, диоксид углерода, сублимация, температурное поле, плотность теплового потока, теплопроводность, температура, изотермы.
Благодаря высокой пищевой и биологической ценности, вкусовым качествам рыба широко применяется в повседневном рационе, а также в детском и диетическом питании. По пищевой ценности она не уступает мясу теплокровных животных, а во многих отношениях даже превосходит его. В рыбном сырье, особенно морского и океанического происхождения, содержится несколько больше протеина, чем в мясе наземных животных. В рыбе и морепродуктах содержатся такие крайне необходимые для человека соединения, как незаменимые аминокислоты, в том числе лизин и лейцин, незаменимые жирные кислоты, включая уникальные эйкозопентаеновую и до-козогексаеновую, жирорастворимые витамины, микро-и макроэлементы в благоприятных для организма человека соотношениях.
Рыбные продукты — хороший источник минеральных веществ. В целях обогащения продуктов минеральными веществами рекомендуются методы обработки, направленные на комплексное использование всех частей тела рыбы, в том числе костей, в которых содержание минеральных веществ больше, чем в других тканях [ 1 ].
Наибольшей ценностью обладает охлажденное мясо рыбы, которое особенно популярно на Западе, где его потребление доходит до 90 %. На российском потребительском рынке объемы реализуемой рыбы в охлажденном виде невелики. Это связано с тем, что традиционные методы холодильной обработки рыбы, получившие наибольшее распространение в промышленности, в которых в качестве охлаждающих сред используются воздух, ледяная вода, растворы солей или водный лед, имеют ряд недостатков, в частности относительно высокую продолжительность охлаждения, ухудшение товарного вида (при контакте с охлаждающей жидкостью происходит набухание и экстракция соединений азота, просаливание). Это обусловливает ухудшение качества рыбы и сокращение сроков ее хранения [2, 3].
В мировой практике находит широкое применение способ холодильной обработки пищевых продуктов, в том числе и рыбы, основанный на использовании эффекта сублимации — перехода твердого диоксида углерода в газообразное состояние при температуре минус 78 °С. Принцип данного способа охлаждения заключается в нанесении снегообразного диоксида углерода на поверхность рыбы.
Нами была разработана технологическая линия холодильной обработки рыбы в среде диоксида углерода, принцип работы которой заключается в удалении голов и внутренностей, подаче во внутреннюю полость рыбы снегообразного диоксида углерода, упаковке в герметичную упаковку и отправке на реализацию.
В целях практической реализации данной технологической линии были проведены исследования ее работы, в частности исследование процесса охлаждения тушек рыбы снегообразным диоксидом углерода.
Маркетинговые исследования в области торговли и общественного питания России выявили, что из-за расслоения населения по уровню доходов большинство предпочитают рыбу недорогих видов.
Исследования проводились с карпами, массой (1140±50) г, по степени упитанности относящихся ко второй группе (толщина до центра позвоночника рыбы составляет 42 мм).
Карпов помещали на технологическую линию. В аппарате, входящем в нее, происходило удаление голов и внутренностей. Снегообразный диоксид углерода, подавался во внутреннюю полость рыбы через генератор-дозатор. Далее рыба поступала в упаковочную машину, где помещалась в герметичную упаковку, позволяющую сохранять внутри углекислотную среду в течение всего срока хранения рыбы. Затем упаковки укладывались в картонные коробки, часть которых направлялась в теплоизолированную камеру с температурой (20±2) °С, а часть — в камеру с температурой (3±2) °С.
Температуру рыбы измеряли с помощью хромель-копелевых термопар, подключенных к контроллеру температуры ТРМ-138, причем термопары устанавливались в тушке рыбы на глубине Ь = 1,21,42 мм с двух сторон симметрично относительно позвоночника рыбы. Плотность теплового потока контролировалась с помощью двух датчиков- тепломеров, подключенных к измерителю плотности теплового потока ИПП-2, установленных на внутренней полости рыбы сверху и снизу.
Схема расположения термопар и термограмма процесса охлаждения рыбы снегообразным СО2, расположенным во внутренней полости тушки, при температуре окружающей среды в теплоизолированной камере (20±2) °С показана на рис. 1.
т, мин
X, мин
Рис. 1. Термограмма процесса охлаждения СО2 упакованной тушки карпа при температуре окружающей среды (20±2) ° С:
а — верхняя часть тушки; б — нижняя часть тушки
Установлено, что во внутреннюю полость рыбы массой (1140±50) г можно поместить до 0,110 кг снегообразного С02. Сублимация всего снега СО2 происходит в течение 90 мин, среднеобъемная температура при этом устанавливается в пределах 3 °С.
Процесс охлаждения наружных слоев внутренней полости рыбы происходит довольно интенсивно, это связано с тем, что первоначально поверхности внутреннего слоя находятся в непосредственном контакте со снегообразным диоксидом углерода; разность температур между мясом рыбы и СО2 при этом оказывается максимальной.
Однако после первых минут охлаждения температура наружного слоя верхней части тушки рыбы начинает повышаться. Это объясняется тем, что в результате сублимации количество снегообразного диоксида углерода уменьшается и между верхним слоем внутренней полости тушки и снегообразным диоксидом углерода образуется газовая прослойка, которая создает дополнительное термическое сопротивление теплоотдаче.
Охлаждение наружной поверхности верхней части тушки происходит не только за счет теплоотвода воздушногазовой средой, создающейся в упаковке при сублимации снегообразного диоксида углерода, но и теплоотвода к внутренней поверхности через центральные слои мяса. При этом температура воздушно-газовой среды в упаковке оказывается существенно выше, чем температура снегообразного диоксида углерода, что приводит к снижению темпа охлаждения наружной поверхности тушки рыбы.
Охлаждение центральной верхней части тушки (на расстоянии 21 мм от внутренней полости) происходит в основном за счет теплоотвода к внутренней полости, в которой находится снегообразный диоксид углерода; объясняется это явление теорией распространения температурного поля от поверхности продукта к его центру [4].
Так кактермопары расположены симметрично относительно позвоночника тушки, процессы охлаждения ниж-
них слоев рыбы аналогичны процессам, которые описаны выше. Однако нижняя часть тушки охлаждается интенсивней ввиду того, что нижняя поверхность внутренней полости находится в контакте со снегообразным диоксидом углерода в течение всего процесса сублимации.
На рис. 2 изображена диаграмма изменения плотности теплового потока от внутренней поверхности тушки карпа при охлаждении снегообразным С02, расположенным во внутренней полости тушки, при температуре окружающей среды (20±2) °С. Среднеинтегральное значение плотности теплового потока на внутренней поверхности верхней части карпа составляет дср1 = 117 Вт/м2, нижней части тушки дср2 = 507 Вт/м2, максимальное значение плотности теплового потока верхней части тушки о'тах 1 = 3231 Вт/м2, нижней части тушки <7тах2 = 3147 Вт/м2.
Рис. 2. Диаграмма плотности теплового потока при охлаждении СО2 упакованной тушки карпа при температуре окружающей среды (20±2) ° С
Максимальная плотность теплового потока наблюдается в первоначальный момент времени, так как разница температур между тушкой и диоксидом углерода максимальна, а снегообразный диоксид углерода находится в непосредственном контакте с поверхностью рыбы, что приводит к интенсивному процессу теплоотвода.
Далее наблюдается резкое уменьшение плотности теплового потока, вследствие снижения температуры тушки. Кроме того, видно, что плотность теплового потока от верхней части тушки снижается быстрее. Это можно объяснить тем, что при сублимации диоксида углерода пропадает непосредственный контакт верхней части тушки с диоксидом углерода, она охлаждается воздушногазовой смесью. Плотность теплового потока с нижней части тушки уменьшается не так стремительно, поскольку снегообразный диоксид углерода находится в контакте с мясом рыбы до полной сублимации СО2. На окончание процесса сублимации С02 указывает приближение плотности теплового потока к нулевому значению.
Анализ полученных значений коэффициента теплоотдачи свидетельствует о том, что его среднеинтегральное значение от внутренней поверхности верхней части тушки аср = 2,47 Вт/(м2 • К), с нижней части тушки аср = 7,72 Вт/(м2 • К). Максимальное значение коэффициента теплоотдачи с верхней части тушки атах = 38,69 Вт/(м2 • К); с нижней части тушки Qmax = 38 Вт/(М2 ■ К).
На рис. 3 изображена термограмма процесса охлаждения карпа снегообразным С02, расположенным во внутренней полости тушки, при температуре окружающей среды в теплоизолированной камере 3 °С.
Во внутреннюю полость рыбы массой (1140±50) гбыло подано 0,110 кг снегообразного С02. Сублимация всего снега СО ° в данном эксперименте происходит в течение 110 мин, при этом среднеобъемная температура устанавливается в пределах минус 2 °С.
Процесс охлаждения наружных слоев внутренней полости здесь происходит более интенсивно и равномерно. В конце процесса сублимации диоксида углерода значения температуры этих слоев ниже, чем в предыдущих экспериментах. Это связано с тем, что теплоотвод осуществляется не только снегообразным диоксидом углерода, расположенным во внутренней полости рыбы, но и за счет конвективного теплообмена с охлажденным воздухом холодильной камеры, температура которого 3 °С. Именно поэтому наружная поверхность охлаждается интенсивнее, чем центральная часть тушки, чего не наблюдалось в предыдущем опыте.
Охлаждение нижней части тушки в целом происходит эффективнее, чем верхней, так как она находится в контакте с диоксидом углерода в течение всего процесса сублимации. Поскольку температура в камере значительно ниже, процесс сублимации происходит дольше, что приводит к достижению более низкой температуры в тушке рыбы без подмораживания мяса.
Это объясняется тем, что снегообразный диоксид углерода занимает внутреннюю полость рыбы, защищенную костным скелетом, потому не имеет непосредственного контакта с мясом.
На рис. 4 показана диаграмма плотности теплового потока на внутренней поверхности тушки карпа при охлаждении снегообразным С02, расположенным во внутренней полости тушки, при температуре окружающей среды 3 °С.
Анализ экспериментальных данных показывает, что среднеинтегральное значение плотности теплового потока от внутренней поверхности верхней части тушки (}ср1 — 223 Вт/м2, нижней части тушки дср2 = 1076 Вт/м2. Максимальное значение плотности теплового потока верхней части тушки дтах1 = 4890 Вт/м2, нижней — <7тах2 = 4658 Вт/м2.
т, мин
0 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100105110
Т, МИН
Рис. 3. Термограмма процесса охлаждения СОп упакованной тушки карпа при температуре окружающей среды 3 ° С:
а — верхняя часть тушки; б — нижняя часть тушки
О 1 5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 9095100 І05110
X, МИН
Рис. 4. Диаграмма плотности теплового потока при охлаждении СО2 упакованной тушки карпа при температуре окружающей среды 3° С
Из диаграммы видно, что плотность теплового потока на первых минутах эксперимента максимальная, в дальнейшем же происходит продвижение температурного фронта внутрь тушки, а плотность теплового потока снижается. Изменения происходят так же, как и в эксперименте при температуре окружающей среды в теплоизолированной камере (20±2) °С, однако значения плотности теплового потока здесь выше, что свидетельствует о более интенсивном теплоотводе.
На нижней поверхности тушки прослеживается постоянный темп снижения q, что объясняется хорошим
контактом тушки со снегообразным диоксидом углерода в течение всего процесса сублимации.
В данном эксперименте среднеинтегральное значение коэффициента теплоотдачи с внутренней поверхности верхней части тушки аср = 4,5 Вт/(м2 • К); с нижней части тушки аср = 9,68 Вт/(м2 ■ К). Максимальное значение коэффициента теплоотдачи с верхней части тушки атах = 52,86 Вт/(м2 • К), с нижней части «шах = 51,13 Вт/(м2 • К).
Таким образом, применение С02 для охлаждения рыбы является перспективным методом, однако в настоящее время современные технологии обработки продуктов в среде диоксида углерода не позволяют использовать его достаточно эффективно. Разработанная нами технологическая линия позволит увеличить эффективность применения диоксида углерода, так как получаемый при дросселировании газ С02 дополнительно используется для охлаждения рыбы перед упаковкой.
Список литературы
1. Калитин К. В., Рукавишников А. М. Холодильная обработка — залог качества рыбы // Холодильная техника. 2010. № 1.
2. Карпов В. И. Технологическое оборудование рыбоперерабатывающих предприятий: Учеб. — М.: Колос, 1993.
3. www.ikc-apk.kuban.ru
4. Чижов Г. Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов: Учеб. — М.: Пищ. пром-сть, 1979.
