CC BY
0
УДК: 621.565.83 DOI: 10.21323/2071-2499-2021-2-14-17 Ил. 6. Библ. 19.
ОСОБЕННОСТИ ПРЕЦИЗИОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ПРОЦЕССОВ ХРАНЕНИЯ МЯСА И МЯСНЫХ ПРОДУКТОВ
Поляков И.А., Петров В.В., Корниенко В.Н., канд. техн. наук, Донецких А.Г.
ВНИХИ - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова
Ключевые слова: экспериментальный стенд, стабилизация температуры, мясо и мясные продукты, термоэлектрический модуль, регулирование температуры
Реферат
Важным фактором обеспечения безопасности пищевых продуктов и сохранения их потребительских свойств является соблюдение режимов холодильного хранения. Нарушения температурных параметров приводят к изменениям структуры продуктов, в них активизируются биохимические процессы, растет патогенная микрофлора, ухудшаются органолептические свойства, заметно снижается биологическая ценность. В статье приводятся данные о конструктивных особенностях и принципе работы экспериментального стенда, предназначенного для стабилизации температуры образцов пищевых продуктов в потоке холодного воздуха с диапазоном воспроизводимых температур от 20 до минус 20 оС и нестабильностью поддержания температуры в установившемся режиме ±0,1 оС за счёт использования термоэлектрических охлаждающих модулей с простой и надёжной схемой двухпозиционного регулирования. Получены термограммы, подтверждающие работоспособность экспериментального стенда при прецизионном поддержании температурных режимов, близких к криоскопическим, в процессе холодильного хранения опытных образцов мяса.
PECULIARITIES OF PRECISE CONTROL OF TEMPERATURE REGIMES IN EXPERIMENTAL STUDIES OF MEAT AND MEAT PRODUCT STORAGE PROCESSES
Polyakov I.A., Petrov V.V., Kornienko V.N., Donetskikh A.G.
All-Russian Scientific Research Institute of Refrigeration Industry — branch of Gorbatov Research Center for Food Systems
Key words: test stand, temperature stabilization, meat and meat products, thermoelectric module, temperature control
Abstract
An important factor for ensuring food product safety and preserving their consumer properties is adherence to the cold storage regimes. Violation of temperature parameters leads to changes in the product structure, activation of their biochemical processes, growth of pathogenic microflora, deterioration of sensory properties and notable reduction of the biological value. The paper presents data on design peculiarities and the operation principle of the test stand intended for temperature stabilization in food product samples in the flow of cold air with a range of reproducible temperatures from 20 to -20 0C and instability of temperature maintenance in the steady state of ±0,1 0C due to using thermoelectric cooling modules with the simple and reliable circuit of bang-bang control. The obtained thermograms confirm serviceability of the test stand upon precise maintenance of the temperature regimes close to cryoscopic during cold storage of experimental meat samples.
Введение
Одним из способов консервирования мяса и мясных продуктов является их холодильная обработка, что позволяет приостановить микробиологическую порчу продукции, сохранить структуру и потребительские свойства при их минимальных изменениях [1].
Определение оптимального температурного режима охлаждения и хранения мяса крайне важно - в случае неправильного выбора или несоблюдения температурных параметров технологического процесса наблюдается рост патогенной микрофлоры, что сопровождается снижением показателей качества и безопасности продуктов [2].
Поддержание соответствующих температурных условий для скоропортящейся продукции, к которой относятся мясо и мясные продукты, также необходимо и при их продвижении по всем этапам непрерывной холодильной цепи (хранение, транспортирование и реализация) [3, 4, 5, 6].
Увеличение практического срока годности охлаждённого мяса возможно при повышении стойкости к деятельности микроорганизмов, что наблюдается в случае применения близкриоскопических температур [7]. Так, в интервале от минус 2 до 5°С каждый градус превышения оптимальной температуры, близкой к криоско-пической, означает сокращение срока хранения охлаждённого мяса на ~ 10 % [8].
Перспективными направлениями холодильной обработки и хранения мяса, которым уделяется в последнее время достаточное внимание, являются [9, 10, 11, 12, 13, 14]:
► технология суперохлаждения, обеспечивающая понижение температуры мяса на (1-2) °С ниже криоскопической с частичным льдообразованием, что совместно с последующим процессом хранения при субкриоскопических температурах повышает практический срок годности;
► холодильное хранение мяса при температуре ниже криоскопической без фазового перехода воды в лёд (эффект переохлаждения), при котором переохлаждённое мясо по качественным показателям не уступает, а по некоторым данным превосходит охлаждённое, а практический срок годности может быть сравним с хранением при субкриоскопических температурах. Так как данные технологии холодильного хранения требуют особой точности поддержания температурных режимов, то для получения объективных данных по изменению качественных показателей мяса в процессе хранения невозможно обойтись без специального лабораторного оборудования, способного обеспечить стабильные режимы холодильной обработки в очень узком температурном диапазоне с минимальными отклонениями от требуемых значений.
В настоящее время созданы и серийно выпускаются суховоздушные охлаждающие термостаты различного назначения. Точность поддержания температуры в диапазоне отрицательных температур большинства моделей, выполненных на базе парокомпресси-онных холодильных установок, не превышает ±0,5°С при дискретности установки 0,1 °С [15].
В последнее время происходит расширение этой базы за счёт использования термоэлектрических и комбинированных компрессионно-термоэлектрических машин [16, 17]. Это обусловлено более высокой конкурентоспособностью термоэлектрического способа охлаждения при создании устройств с малой (до 100 Вт) холодопроизводительностью [18]. При этом одной из основных задач является обеспечение возможности прецизионного регулирования и поддержания температуры охлаждающего воздуха и исследуемых объектов (колебания в пределах < 0,1 °С) в широком температурном диапазоне.
Цель работы - исследование влияния различных режимов функционирования системы терморегулирования экспериментального стенда на амплитуду циклических колебаний температуры продукта и охлаждающего воздуха в теплоизолированной камере при изучении процессов холодильной обработки мяса.
Описание
экспериментального стенда
Для проведения исследований процессов холодильной обработки биологических объектов (охлаждение и хранение) в широком диапазоне температур (20 -минус 20)°С во ВНИХИ был создан экспериментальный стенд, включающий систему термостатирования и блок сбора/ обработки термометрических данных (рисунки 1 и 2).
Для охлаждения в небольшом объёме (0,015 м3) теплоизолированной камеры (рисунок 2 а) единичных образцов исследуемых продуктов (рисунок 2 б) была использована термоэлектрическая холодильная машина.
Обычная схема водяного охлаждения горячей стороны термоэлектрических модулей (ТЭМ) не позволяет обеспечить заданные режимные параметры в охлаждаемом объёме камеры (диапазон воспроизводимых температур (0±20)°С и нестабильность поддержания температуры в установившемся режиме ±0,1 °С). Поэтому была применена комбинированная система охлаждения с использованием парокомпрессионной и термоэлектрической холодильных машин, оснащённая простой и надёжной системой прецизионного регулирования температуры воздуха в теплоизолированной камере (принципиальная схема показана на рисунке 3).
Отвод теплоты от охлаждаемых продуктов и компенсация внешних тепло-притоков осуществляется совместным функционированием ТЭМ (позиция 6 на рисунке 3) и фреоновой холодильной установки 3. При этом теплота, воспринимаемая радиаторами 16, через алюминиевые теплопроводы передаётся холодной стороне ТЭМ (напряжение питания - постоянное, 12 В).
Эффективный отвод теплоты от горячей стороны ТЭМ осуществляется подачей хладоносителя (воды) циркуляционным насосом 7 из ёмкости 4, в которой поддерживается температура в пределах 4±2°С с помощью фреоновой холодиль-
ной машины 3. Такая схема позволила исключить зависимость от колебаний температуры окружающей среды, которые негативно влияют на работоспособность ТЭМ и являются существенным препятствием для применения двухпозицион-ного регулирования в термоэлектрических холодильных машинах [19].
Контроль, регулирование и поддержание заданных температурных параметров воздуха к камере 2 осуществляется с помощью терморегулятора 8 марки ТРМ-201 (дискретность установки значений температуры - 0,1 °С), оснащённого температурным датчиком 9 марки ТС-1288/6 (время термической реакции - 2 с).
С целью уменьшения амплитуды колебаний температуры воздуха в охлаждаемом объёме (рисунок 2а) теплоизолированной камеры 2 установлен электронагреватель 10, который включается/отключается при достижении нижнего/верхнего значения температуры уставки и отключении/включении питания ТЭМ.
Результаты
экспериментальных исследований
На рисунке 4 представлены термограммы колебаний температуры воздуха в камере 2 при различных значениях мощности электронагревателя 10,
Рисунок 2. Внешний вид теплоизолированной камеры (а) и образца продукта с установленными датчиками температуры
Рисунок 3.
Принципиальная схема экспериментального стенда
1 - продукт; 2 - теплоизолированная камера; 3 - паро-компрессионная холодильная машина; 4 - ёмкость с водой; 5 - охлаждающая головка; 6 - термоэлектрический модуль (тэм); 7 - циркуляционный насос; 8 - терморегулятор; 9 -температурный датчик терморегулятора; 10 - нагреватель; 11 -электронные термометры; 12 - датчик температуры окружающей среды; 13 - датчик температуры воздуха в камере; 14 - датчик температуры в поверхностном слое продукта; 15 - датчик температуры в термическом центре продукта; 16 - радиатор-охладитель воздуха с вентилятором; 17 - компьютер. Т,, Т2, Т3, Т4 - температура соответственно наружного воздуха, воздуха в камере, поверхностного слоя и термического центра продукта
17 И 12 13 8 5 6
полученные при помощи многоканального термометра цифрового малогабаритного ТЦМ 1520 (рабочий диапазон температур от минус 50 до 200°С; предел допускаемой основной абсолютной погрешности ±0,05°С; разрешающая способность ±0,001°С). Значения мощности электронагревателя в ходе эксперимента составляли - (0,0; 8,4; 19,0) Вт.
При двухпозиционной схеме регулирования (мощность электронагревателя -0,0 Вт) амплитуда колебаний значений температуры воздуха в камере составила (0,6-0,8) °С при уставке терморегулятора ± 0,1 °С.
Полученные сравнительно высокие значения амплитуды колебаний воздуха объясняются термической инерционностью системы охлаждения, которая обусловлена наличием таких конструктивных элементов как теплопроводы и радиаторы, расположенных между ТЭМ и объектом регулирования (воздух). Теплоёмкость этих элементов значительно превышает теплоёмкость воздуха, находящегося в камере. Установка
в камере нагревателя, который в период паузы в работе системы охлаждения воздействует непосредственно на объект регулирования, существенно снижает запаздывание в системе и, соответственно, амплитуду автоколебаний.
Анализ термограмм на рисунке 4 показывает, что повышение мощности электронагревателя вызывает уменьшение амплитуды и повышение частоты колебаний температуры воздуха. При этом амплитуда колебаний температуры воздуха достигает значения < 0,2 °С уже при мощности нагревателя 8,4 Вт. При дальнейшем увеличении мощности нагревателя устанавливается тепловое равновесие между теплопри-токами в охлаждаемый объем камеры и холодопроизводительностью системы охлаждения.
В ходе последующих экспериментов система регулирования устойчиво работала как в режиме принудительной, так и естественной циркуляции воздуха в камере при установке электронагревателя
мощностью 10 Вт и минимальном промежутке времени 10 секунд между срабатываниями реле.
В качестве объекта исследований было выбрано мясо говядины с размерами образца (120 ±5) х (80 ±5) х (45 ±5) мм (далее продукт) и температурой 8±1°С после установки в его геометрическом центре датчиков температуры 14 (на поверхности) и 15 (в толще) перед закладкой в камеру 2 (рисунок 3).
Изучались два режима работы экспериментального стенда при охлаждении продукта холодным воздухом с заданной температурой минус 1,5 ± 0,1 °С и его последующем хранении - с отключенным (термограммы представлены на рисунке 5) и включенным нагревателем (термограммы представлены на рисунке 6) при двухпозиционной схеме регулирования температурного режима.
Время охлаждения продукта до установившегося температурного режима хранения составило 3,0±0,5 ч на поверхности и 3,5±0,5 ч в центре продукта
Рисунок 5. Зависимость изменения температуры воздуха и продукта от продолжительности процесса холодильной обработки при отключении нагревателя (а — режим охлаждения; б — режим хранения)
а)
б)
Рисунок 6. Зависимость изменения температуры воздуха и продукта от продолжительности процесса холодильной обработки при включении нагревателя (а — режим охлаждения; б — режим хранения)
а)
б)
в каждом из режимов (термограммы -на рисунке 5 а и рисунке 6 а).
При отключённом нагревателе колебания температур в установившемся режиме хранения (период стабильных показаний датчиков температуры) составили: воздуха во внутреннем объёме камеры 2 - (0,7±0,1)°С; поверхности продукта - (0,15-0,2) °С; в центре продукта ~ 0,1 °С (рисунок 5 б).
При включённом нагревателе колебания температур составили: воздуха -(0,15 ± 0,05) °С; поверхности продукта ~ 0,1 °С; в центре продукта ~ 0,05 °С (рисунок 6 б).
Таким образом, разработанная конструкция экспериментального стенда и предложенная схема автоматического регулирования позволяют обеспечивать с высокой точностью температурные режимы холодильной обработки мяса и мясных продуктов (рисунок 6).
Заключение
Одним из наиболее существенных преимуществ двухпозиционного терморегулирования является простота настройки и надёжная эксплуатация. Однако амплитуды колебаний регулируемой величины, в частности охлаждающего воздуха, могут превышать допустимые значения вследствие больших запаздываний в системе охлаждения. Применение нагревателя воздуха, включаемого при наступлении периода паузы в работе холодильной машины, позволяет устранить этот недостаток.
Предложенная схема прецизионного регулирования температуры воздуха с применением нагревателя представляется предпочтительной в связи с простотой, надёжностью и низкой стоимостью.
Система термостатирования экспериментального стенда позволяет воспроизводить различные режимы холодиль-
ной обработки мяса и мясных продуктов, в том числе с необходимой точностью обеспечивать медленный ступенчатый способ понижения температуры при реализации процессов охлаждения и замораживания.
Предложенные схемные и конструктивные решения обеспечивают в процессе холодильного хранения стабилизацию температуры поверхности продукта в пределах +/- 0,05 °С и практически полное отсутствие колебаний температуры в его термическом центре.
© КОНТАКТЫ:
Поляков Игорь Алексеевич а hsh05@yandex.ru Петров Владимир Владимирович а bestprofile@yandex.ru Корниенко Владимир Николаевич а kortiz@yandex.ru Донецких Александр Геннадьевич а alex.doneczkikh@yandex.ru
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: REFERENCES:
1. Utrera, М. Temperature of frozen storage affects the nature and consequences of protein oxidation in beef patties / М. Utrera, D. Morcuende, M. Estevez // Meat Science. - 2014. - № 96. -Р. 1250-1257.
2. Xiong, Y.L. Chapter 7: The Storage and Preservation of Meat: I - Thermal Technologies ouling 205-230 Lawrie's Meat Science (Eight Edition) Cambridge: Woodhead Publishing. - 2017. - 730 p.
3. Корниенко, В.Н. Температурные режимы транспортирования мяса и мясной про- Korniyenko, V.N. Temperaturnyye rezhimy transportirovaniya myasa i myasnoy produktsii [Tem-дукции / В.Н. Корниенко, Н.А. Горбунова // Все о мясе. - 2021. - № 1. - С. 32-39. perature conditions of meat and meat product transportation] / V.N. Korniyenko, N.A. Gorbunova DOI: 10.21323/2071-2499-2021-1-32-39. // Vsyo o myase. - 2021. - № 1. - P. 32-39. DOI: 10.21323/2071-2499-2021-1-32-39.
4. Nychas, G.-J.E. Meat spoilage during distribution / G.-J.E. Nychas, P.N. Skandamis, C.P. Tassou, K.P. Koutsoumanis // Meat Science. — 2008. — № 78 (1-2). — P. 77-89.
5. Корниенко, В.Н. Применение термочехлов для стабилизации температуры различных объектов в мясной промышленности. Ч. 1 / В.Н. Корниенко, А.А. Грызунов, Н.А. Горбунова, В.В. Мотин, Н.В. Яковлев // Мясная индустрия. - 2020. - № 3. -С. 48-52. DOI: 10.37861/2618-8252-2020-3-48-52.
Korniyenko, V.N. Primeneniye termochekhlov dlya stabilizatsii temperatury razlichnykh ob"yektov v myasnoy promyshlennosti. Ch. 1 [The use of heat shields to stabilize temperature of different objects in the meat industry. Ch. 1] / V.N. Korniyenko, A.A. Gryzunov, N.A. Gorbunova, V.V. Motin, N.V. Yakov-lev // Myasnaya industriya. — 2020. — № 3. — P. 48-52. DOI: 10.37861/2618-8252-2020-3-48-52.
6. Ovca, A. Maintaining a cold chain from purchase to the home and at home: Consumer opinions / A. Ovca, M. Jevsnik // Food Control. - 2009. - № 20 (2). - P. 167-172.
7. Костенко, Ю.Г. О проблеме производства охлаждённого мяса длительного срока Kostenko, Yu.G. O probleme proizvodstva okhlazhdonnogo myasa dlitel'nogo sroka godnosti годности / Ю.Г. Костенко, Б.Е. Гутник, М.Х. Искаков // Всё о мясе. - 2009. - № 6. - [On the problem of production of chilled meat of long shelf life] / Yu.G. Kostenko, B. Ye. Gutnik, С. 18-20. M. Kh. Iskakov // Vsyo o myase. - 2009. - № 6. - P. 18-20.
8. Энциклопедия «Пищевые технологии». Том 16 «Технологии холодильной обработки Entsiklopediya «Pishchevyye tekhnologii». Tom 16 «Tekhnologii kholodil'noy obrabotki i khraneni-и хранения пищевой продукции», книга 1. - ООО «ИД «Углич»», 2019. - 339 с. ya pishchevoy produktsii», kniga 1 [Encyclopedia "Food Technologies". Volume 16 "Technology of refrigerated processing and storage of food products. Book 1]. - OOO «ID «Uglich»», 2019. - 339 p.
9. Дибирасулаев, М.А. К разработке научно обоснованных режимов холодильного хранения мяса различных качественных групп при субкриоскопических температурах / М.А. Дибирасулаев, Г.А. Белозеров, Л.О. Архипов, Д.М. Дибирасулаев, А.Г. Донецких // Птица и птицепродукты. - 2017. - № 1. - С. 29-32.
Dibirasulayev, M.A. K razrabotke nauchno obosnovannykh rezhimov kholodil'nogo khraneniya myasa razlichnykh kachestvennykh grupp pri subkrioskopicheskikh temperaturakh [To development of scientifically based of cold storage modes of meat of various quality groups at subcrioscopic temperatures] / M.A. Dibirasulayev, G.A. Belozerov, L.O. Arkhipov, D.M. Dibirasulayev, A.G. Donetski-kh // Ptitsa i ptitseprodukty. — 2017. — № 1. — P. 29-32.
10. Буянова, И.В. Технологические аспекты холодильного хранения белковых молочных Buyanova, I.V. Tekhnologicheskiye aspekty kholodil'nogo khraneniya belkovykh molochnykh pro-
продуктов / И.В. Буянова, С.М. Лупинская, Е.М. Лобачева // Техника и технология duktov [Technological aspects of cold storage of protein dairy products] / I.V. Buyanova, S.M. Lu-
пищевых производств. - 2018. - Т. 48. - № 4. - С. 5-11. DOI: 10.21603/2074-9414- pinskaya, Ye.M. Lobacheva // Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv. - 2018. - Т. 48. -
2018-4-5-11. № 4. - Р. 5-11. DOI: 10.21603/2074-9414-2018-4-5-11.
11. Donetskikh, A.G. The study of amino acid composition and oxidation processes in meat of Aberdeen-Angus bull-calves in chilled and supercooled state / A.G. Donetskikh, S.A. Grikshas, M.A. Dibirasulaev, V.N. Kornienko // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 640 (2021) 022007. DOI: 10.1088/1755-1315/640/3/032049 https://www.scopus.com/record/dis-play.uri?eid=2-s2.0-85101699108&origin=resultslist.
12. Дибирасулаев, М.А. К разработке научно-обоснованных режимов хранения мяса Dibirasulayev, M.A. K razrabotke nauchno-obosnovannykh rezhimov khraneniya myasa i my-и мясопродуктов в переохлаждённом состоянии / М.А. Дибирасулаев, Г.А. Белозе- asoproduktov v pereokhlazhdonnom sostoyanii [To the development of scientifically based ров, Д.М. Дибирасулаев, А.Г. Донецких, С.Г. Рыжова // Все о мясе. - 2020. - № 5. - storage modes of meat and meat products in a supercooling state] / M.A. Dibirasulayev, С. 40-45. DOI: 10.21323/2071-2499-2020-5-40-45. G.A. Belozerov, D.M. Dibirasulayev, A.G. Donetskikh, S.G. Ryzhova // Vsyo o myase. - 2020. -
№ 5. - P. 40-45. DOI: 10.21323/2071-2499-2020-5-40-45.
13. Stonehouse, G.G. The use of supercooling for fresh foods: A review / G.G. Stonehouse, J.A. Evans // J. Food Eng. — 2015. — V. 148. — P. 74-79.
14. Грикшас, С.А. Оценка качественных показателей мяса симментальской поро- Grikshas, S.A. Otsenka kachestvennykh pokazateley myasa simmental'skoy porody pri khranenii v ды при хранении в охлаждённом и переохлаждённом состоянии / С.А. Грикшас, okhlazhdonnom i pereokhlazhdonnom sostoyanii [Assessment of quality indicators of Simmental А.Г. Донецких, М.А. Дибирасулаев // Все о мясе. - 2020. - № 5S. - С. 92-95. DOI: meat when stored in a chilled and supercooled state] / S.A. Grikshas, A.G. Donetskikh, M.A. Dibira-10.21323/2071-2499-2020-5S-92-95. sulayev // Vsyo o myase. - 2020. - № 5S. - P. 92-95. DOI: 10.21323/2071-2499-2020-5S-92-95.
15. Термостат воздушный ТВО. Электронный ресурс. - Режим доступа: [http://ckb-gmp. Termostat vozdushny TVO [Air thermostat HME] Electronic resource. - Access mode: [http://ckb-ru/product/product.php?pid=43]. gmp.ru/product/product.php?pid=43].
16. Богомолов, И.Н. Методы расчёта и анализ эффективности комбинированных компрессионно-термоэлектрических систем охлаждения и термостатирования: ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.04.03 / Богомолов Иван Николаевич. - СПб., 2008. - 16 с.
Bogomolov, I.N. Metody rascheta i analiz effectivnosti kombinirovannykh kompressionno-thermoelec-tricheskikh system okhlazhdeniya i thermostatirovaniya [Methods of calculating and analysis of effectiveness of the combined compression-thermostatic cooling and thermostatic control systems]: synopsis. thesis ... PhD in Technical Sciences: 05.04.03 / Bogomolov Ivan Nikolaevich. - SPb., 2008. - 16 p.
17. Astrain, D. Improvement of a thermoelectric and vapour compression hybrid refrigerator / D. Astrain, A. Martinez, A. Rodriguez // Applied Thermal Engineering. — June 2012. — V. 39. — P. 140-150.
18. Булат, Л.П. Новое поколение твердотельных охладителей / Л.П. Булат // Bulat, L.P. Novoe pokolenie tverdotelnykh okhladiteley [New generation of solid refrigerant] / Холодильная техника. - 2004. - № 8. - С. 2-7. L.P. Bulat // Kholodilnaya tekhnika. - 2004. - № 8. - P. 2-7.
19. Овсицкий, А. Моделирование режима двухпозиционного регулирования температуры в термоэлектрических холодильниках с использованием тока паузы / А. Овсицкий, С.О. Филин // Вестник международной академии холода. - 2003. - № 4 (13). - С. 13-17.
Ovsitsky, A. Modelirovanie rezhima dvukhpozitsionnogo regulirovaniya temperatury v thermoelek-tricheskikh kholodilnikakh s ispolzovaniem toka pauzy [Modelling of bistatic temperature regulation regime in thermo-electrical refrigerators using pause current] / A. Ovsitsky, S.O. Filin // Vest-nik mezhdunarodnoy akademii kholoda. —2003. — № 4 (13). — P. 13-17.
