CC BY
68
УДК 664.144
В. Н. Лысова
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЫБЫ ПРИ РАЗМОРАЖИВАНИИ
V. N. Lysova
TEMPERATURE EFFECT ON THERMALPHYSIC PROPERTIES OF FISH AT DEFROSTING
Представлены результаты экспериментально-аналитических исследований количества вымороженной влаги в рыбе в зависимости от варьируемых факторов, необходимых для определения теплофизических характеристик в объекте при расчете рациональных режимов размораживания. Показано, что достоверность результатов определения теплофизических характеристик напрямую зависит от точности определения количества вымороженной влаги в зависимости от варьируемых факторов.
Ключевые слова: размораживание, теплофизические характеристики, количество вымороженной влаги.
The results of experimental and analytical studies of quantity of frozen water in fish depending on varying factors necessary for determining of thermalphysic properties of the object in the calculation of rational regimes of defrosting, are given in the paper. It is shown that results reliability of thermalphysic properties determination directly depend on the accuracy of identification of quantity of frozen water depending on varying factors.
Key words: defrosting, thermalphysic properties, quantity of frozen water.
При размораживании рыбы превращение льда в воду вызывает значительные изменения величин теплофизических характеристик.
Без знания закономерностей изменения теплофизических характеристик при изменении температуры невозможно также дать анализ тепловой картины размораживания.
Большинство пищевых продуктов богаты водой, поэтому считают, что их теплофизические характеристики при термической обработке определяются в основном свойствами воды при данной температуре и ее содержании в биообъектах. Если увеличение температуры биообъекта выше криоскопической не сопровождается уменьшением массы (например, за счет усушки), то теплофизические характеристики изменяются незначительно, причем по линейному закону.
При превращении воды в лед [1] все теплофизические характеристики претерпевают скачкообразные изменения. В период фазового превращения, вплоть до полного вымораживания воды при эвтектической температуре (для пищевых продуктов 4 = -65...-55 °С), значения теплофизических характеристик определяются соотношением в биообъекте жидкой и твердой фазы.
Приближенно мертвые ткани рыбы можно рассматривать как систему структурированных белковых гелей, пропитанную тканевой жидкостью, которая представляет собой белковый золь, содержащий растворенные в нем органические и неорганические вещества. Процесс размораживания в этом случае будет выглядеть, прежде всего, как процесс таяния тканевой жидкости, т. е. раствора сравнительно небольшой молекулярной концентрации. В отличие от чистой воды этот раствор должен иметь криоскопическую температуру ниже 0 °С [2]. Действительно, сок мяса рыбы начинает замерзать при температуре от -0,5 до -2 °С [3].
После достижения криоскопической температуры начинает вымерзать (кристаллизироваться) чистая вода. Соответственно количеству вымерзшей воды увеличивается концентрация оставшейся жидкой фазы. Поскольку криоскопическая температура растворов зависит от их концентрации, то по мере вымерзания происходит понижение криоскопической температуры оставшейся жидкой фазы, и поэтому до определенного предела, по мере снижения температуры, вымерзают все новые количества воды, какая-то ее часть остается незамерзшей.
По закону фаз эвтектическая точка смеси из нескольких солей всегда ниже эвтектической точки любой отдельной соли, входящей в состав смеси. Эвтектическая точка мышечного сока поэтому должна быть выше эвтектических точек CaCl2 и FeCl3, близких к температуре -55 °С. Так как содержание CaCl2 и FeCl3 в мышечном соке невелико, то остаток жидкости, имеющий в своем составе эти соли при эвтектической температуре, ничтожно мал по сравнению с первоначальным количеством мышечного сока. По Планку и др. [4], при температуре рыбы ниже -62 °С или -65 °С в мышечной ткани может вымерзнуть вся вода, способная в ней вымерзать.
Под количеством вымороженной воды ю понимается отношение количества льда Ол при данной температуре, отнесенное к суммарному количеству льда Gji, и воды Gw при той же температуре или количеству влаги пищевого продукта. Количество вымороженной воды выражают в долях единицы или в процентах от общего содержания воды в продукте.
На основе закона Рауля количество вымороженной воды описывают следующим образом:
w = 1 , (1)
t
где 4р - криоскопическая температура, температура начала замерзания тканевого сока, °С; t - температура, для которой вычисляют количество вымороженной влаги, °С.
При t = 4р ю = 0, а в эвтектической точке - при t = 4, по смыслу ю = 1, что не следует из выражения (1) по условию применимости закона Рауля. Это обстоятельство несколько обесценивает выражение (1), поскольку при понижении температуры при ее приближении к эвтектической накапливается погрешность. По сравнению с экспериментальными данными [5, 6] доля вымороженной влаги получается завышенной до 8 %.
Многими исследованиями доля вымороженной воды определялась экспериментально с использованием калориметрических, дилатометрических или электролитических методов.
Г. Б. Чижовым [7], с учетом результатов термодинамических исследований теплоты фазового превращения воды в пищевых продуктах, получено выражение для определения количества вымороженной воды:
е •( т^р + <)-1
w = 1-----^—, (2)
exp •(mt + nt )- 1
где постоянные т = 9,703 • 10-3; n = 4,794 • 10-6.
Автором [7] приняты исходные данные по содержанию влаги в продукте 80 %, что не всегда совпадает с влагосодержанием реального объекта.
Зависимость между температурой и количеством вымороженной воды в пределах до -30 °С для продуктов с криоскопической температурой близкой к -1 °С может быть выражена уравнением Г. Б. Чижова [7]:
, (3)
1+В
lg t
где ю - количество вымороженной воды, %; t - абсолютная величина конечной температуры, достигнутая при замораживании °С; А и В - эмпирические коэффициенты, для мяса А = 110,5; В = 0,31.
При других условиях, для продуктов, криоскопическая температура которых (по абсолютной величине) более чем на 0,5 °С отличается от -1 °С, это уравнение принимает вид
w =---------АВ------ (4)
1 + - В
lg * + (l - tKp )
По мнению Я. Губы [5], количество вымороженной воды зависит не только от температуры, но и от начального содержания воды в рыбе. Интенсивность теплоподвода не оказывает влияния. Ниже приведены данные, полученные экспериментальным путем (табл. 1).
Таблица 1
Количество вымороженной влаги в зависимости от температуры
Т емпература, °С Количество вымороженной влаги в долях от ее общего содержания в рыбе
Морской окунь, ю = 78 % Пикша, ю = 80,3 % Треска, ю = 79,5 % Тунец, ю = 83,5 %
0 0 0 0 0
-1 0,126 0,097 0,008 -
-2 0,560 0,556 0,524 -
-3 0,685 0,695 0,665 -
-4 0,744 0,758 0,730 -
-5 0,778 0,796 0,767 0,900
-6 0,80 0,819 0,742 -
-7 0,816 0,833 0,811 -
-8 0,828 0,849 0,824 0,870
-10 0,846 0,867 0,843 -
-12 0,858 0,879 0,858 -
-14 0,868 0,888 0,869 -
-16 0,876 0,895 0,878 0,895
-18 0,889 0,901 0,884 -
-20 0,888 0,906 0,890 0,91
-22 0,890 0,910 0,894 -
-24 0,894 0,914 0,858 -
-26 0,896 0,916 0,900 -
-28 0,849 0,918 0,902 -
-30 0,899 0,920 0,903 0,920
Иного мнения относительно влияния интенсивности энергоподвода на количество вымороженной влаги в биообъекте придерживается Р. Г. Гейнц с соавторами [2]. Полученная зависимость определяется как интенсивностью, так и продолжительностью энергоподвода к замороженной рыбе.
*-('ср -Ч,) , (5)
2'кр
в
+ * ('кр + '„р )
где
е
* “ Я ’
а
е - полутолщина замороженного слоя, м; Я - полутолщина рыбы, м; В = 1' Я ; 'ср - температура теплоносителя, °С.
Применение формулы (5) для инженерных расчетов затруднительно вследствие сложности определения величины замороженного слоя и его средней температуры в процессе размораживания.
Результаты расчетов количества вымороженной воды по формулам (1)-(5) представлены в табл. 2.
Таблица 2
Количество вымороженной влаги по расчетным формулам (1)—(5)
г, °С По формуле (1) По формуле (2) По формуле (3) По формуле (5) По экспериментам Гейнца По формуле (4)
-1 0,006 - 0,0009 0,0009 - 0,007
-2 0,53 0,544 0,545 0,545 0,543 0,535
-3 0,687 0,670 0,67 0,673 0,670 0,678
-4 0,765 0,729 0,73 0,731 0,729 0,755
-5 0,812 0,765 0,766 0,765 0,756 0,800
-6 0,843 0,79 0,79 0,792 - 0,825
-7 0,865 0,808 0,809 0,809 - 0,843
-8 0,882 0,823 0,823 0,821 0,819 0,873
-10 0,906 0,843 0,843 0,840 0,837 0,895
-12 0,922 0,858 0,858 0,860 0,858 0,900
-14 0,933 0,870 0,87 0,871 - 0,903
-16 0,941 0,879 0,879 0,882 - 0,918
-18 0,948 0,886 0.886 0,888 0,885 0,925
-20 0,953 0,892 0,892 0,896 0,894 0,931
На основе обработки опытных данных для различных видов гидробионтов получены обобщенные зависимости количества вымороженной воды ю от температуры г и содержания влаги Ш (рис.).
', С°
Зависимость количества вымороженной воды ю от температуры и содержания влаги W в продукте: 1 - при W = 0,6; 2 - при W = 0,7; 3 - при W = 0,8; 4 - при W = 0,9
Аппроксимация кривых (рис.) дала математические зависимости для определения количества вымороженной влаги при различных значениях температуры и влагосодержания продукта:
- при влагосодержании Ж = 0,6:
ю1(') = (-4,533-10 6) ■ '4 - 3,68 -10-4 ■ '3 - 0,011 ■ '2 - 0,146 ■', (6)
- при влагосодержании Ж = 0,7:
ю2(') = (-1,202-10-5) ■ '4 - 7,943-10-4'3 - 0,019 ■ '2 - 0,203 ■ ', (7)
- при влагосодержании Ж = 0,8:
ю3(') = (-3,37 ■ 105) ■ '4 - 1,99 ■ 10-4 ■ '3 - 0,036■ '2 - 0,29 ■', (8)
- при влагосодержании Ж = 0,9:
ю4(') = (-6,976-10-5)■ '4 - 3,436-10-4 '3 - 0,056■ '2 - 0,372■'; (9)
- при ' = -2,5:
ю1(Ж) = (3,571 ■ 10-6) ■ Ж3 - 1,005-10-3 ■ Ж2 + 0,106 ■ Ж - 3,183, (10)
- при ' = -5:
ю2(Ж) = (1 -10-5) ■ Ж - 2,35 ■ 10-3 ■ Ж2 + 0,191-Ж - 4,5, (11)
- при ' = -10:
ю3(Ж) = (3,333-10-6) ■ Ж3 - 9,25-10-4 ■ Ж2 + 0,087■ Ж - 1,88, (12)
- при ' = -20:
ю4(Ж) = (3,225 ■ 10-6) ■ Ж3 - 8,727-10-4 Ж2 + 0,0798 ■ Ж - 1,54, (13)
- при ' = -30:
ю5(Ж) = (3,257 -10-6) ■ Ж3 - 8,738 -10-4-Ж2 + 0,0796■ Ж - 1,495, (14)
- при ' = -35:
ю6(Ж) = (5,237-10-6) ■ Ж3 - 1,193-10-3 ■ Ж2 + 0,0945-Ж - 1,605. (15)
В результате комплексной аппроксимации зависимости количества вымороженной воды ю от двух варьируемых параметров (і, Ж) получено:
w (W, t) :=
w1(t) if 0,6 < W < 0,7,
w2(t) if 0,7 < W < 0,8,
w3(t) if 0,8 < W < 0,9,
w4(t) if W = 0,9.
(16)
Погрешность определения количества вымороженной влаги по формулам (6)-(15) по сравнению с экспериментальными данными составляет 10-12 %.
Таким образом, если считать пищевые продукты двухкомпонентными смесями, содержащими определенное количество воды и сухих веществ, и учитывать тот факт, что часть воды в замороженной рыбе превратилась в лед, то достоверность результатов определения теплофизических характеристик напрямую зависит от точности определения количества вымороженной влаги в зависимости от варьируемых факторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пап Л. Концентрирование вымораживанием. - М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1982. - 97 с.
2. Дакуорт Р. Б. Вода в пищевых продуктах. - М.: Пищ. пром-сть, 1980. - 575 с.
3. Зайцев В. П. Холодильное консервирование рыбных продуктов. - М.: Пищепромиздат, 1962. - 462 с.
4. Планк Р. П. Новейшие течения в областях производства и применение искусственного холода. -М. - Л.: Гос. энергет. изд-во, 1932. - 179 с.
5. Грубы Я. Производство замороженных продуктов. - М.: Агропроиздат, 1990. - 336 с.
6. Быков В. П. Влияние разных способов дефростации на качество размораживания рыбы // Рыбное хозяйство. - 1963. - № 8. - С. 75-80.
7. Чижов Г. Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов. - М.: Пищ. пром-сть, 1979. - 271 с.
8. Родин Е. М. Холодильная техника рыбных продуктов. - М.: Пищ. пром-сть, 1979. - 200 с.
Статья поступила в редакцию 7.09.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Лысова Вера Николаевна - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; [email protected].
Lysova Vera Nickolaevna - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department 'Technological Machines and Machinery"; [email protected].
