§ 2. Замораживание пищевых продуктов

Характеристика процесса. Замораживание — процесс холо­дильной обработки пищевых продуктов, в результате которого содержащаяся в них влага полностью или частично превращается в лед. Продукты (мя-со птицы, рыба, меланж, плоды, ягоды, овощи и некоторые молочные продукты) замораживают при подготовке их к длительному хранению при температурах —15° С и ниже.

Замороженные продукты отличаются от охлажденных более высокой стойкостью при хранении вследствие обезвоживания и воздействия более низких температур, препятствующих жизнедея­тельности микро-организмов.

Основные замораживаемые продукты имеют криоскопическую тем-пературу в пределах от —0,5 до —2,5° С.

Образующиеся в начале замерзания кристаллы состоят преимущест-венно из чистой воды; вещества, растворенные в соке, остаются в жид-кой фазе. Каждому значению температуры продукта ниже начальной криоскопической точки соответствует вполне опре­деленное количество воды, вымороженной из раствора. Полностью весь раствор в продукте замерзает только при криогидратной, или эвтектической температуре, которая, как правило, при замора­живании пищевых продуктов не дос-тигается (от —55 до —65° С).

Температурные графики (рис. 151) показывают характер изме­нения температуры в различных слоях замораживаемого продукта. Такие графики для разных продуктов однотипны и лишь несколько видоизменяются вследствие различной интенсивности отвода тепла.

Замораживание пищевых продуктов 249

По условиям теплообмена наиболее низкая температура наблюдает-ся на поверхности продукта; по мере продвижения вглубь температура повышается. Температура верхнего слоя продукта при интенсивном отводе тепла плавно понижается (рис. 151, а). В глубине же продукта после охлаждения до криоскопической точки наблюдается замедление падения температуры, которое становится заметнее по мере приближе-ния к центральной части продукта. Это происходит вследствие выделе-

ния большого количества тепла льдообразования от еще незамерзших частей вблизи слоя, в котором измеряется температура. После вымерза­ния основной части воды падение температуры внутри продукта возра-стает и замедляется лишь при сближении ее с температурой внешней теплоотводящей среды.

Такая закономерность распределения температур в замора­живаемом продукте еще более заметна, когда теплообмен между Продуктом и за-мораживающей средой совершается недостаточно интенсивно (рис. 151, б). В этом случае замедление понижения тем­пературы при льдо-образовании происходит даже в слоях вблизи от поверхности продукта, а в глубине продукта температура вообще Некоторое время может оста-ваться постоянной на уровне криоскопической точки.

По мере отвода тепла граница раздела между замороженными и неза-мороженными слоями перемещается от поверхности в глубь продукта и через некоторое время достигает центральной части. Идеей температу-ра также начинает снижаться ниже криоскопической точки. При темпе-

250 Охлаждение, замораживание и холод, хранение пищевых продуктов

ратуре в центре —5° С и ниже изменение ее от центра к поверхности носит линейный характер.

Конечная температура в центре замороженного продукта может быть определена из условия

Количество вымороженной воды в продукте зависит только от темпе-ратуры, до которой был заморожен продукт, и не зависит ни от способа замораживания, ни от продолжи-тельности процесса. Графические зависимости между количеством выморожен­ной воды и температу-рой про­дукта (рис. 152) показы-вают, что более половины воды в продуктах вымерзает при темпера­турах до —4, —5° С. При дальней-шем понижении темпе­ратуры ко-личество выморажи­ваемой воды резко уменьшается.

Скорость замораживания проду-кта определяется скоро­стью прод-вижения границы раз­дела заморо-женного и незамороженного слоев от поверхности к центру. Макси-мальное зна­чение скорость замо-раживания имеет в начале процес-са у по­верхности продукта. По ме-ре продвижения границы раздела скорость замораживания постепенно убывает вследствие возрас­тания термического сопротивления увеличи-вающегося заморожен­ного слоя, отвода тепла от еще незамерзших час-тиц продукта в этом слое и уменьшения разности температур продукта и охлаждающей среды.

Замораживание бывает медленное (скорость замораживания 0,1-1 см/ч), интенсивное (скорость 1—5 см/ч) и быстрое (скорость 5-20 см/ч).

Замораживание пищевых продуктов 251

При медленном замораживании в тканях продукта происходит пере-распределение влаги и образуются в межклеточных простран­ствах крупные кристаллы льда, повреждающие ткани. В про­цессе разморажи-вания влага не впитывается полностью тканью, ее первоначальное рас-пределение не восстанавливается. При бы­стром замораживании в усло-виях интенсивного отвода тепла кри­сталлообразование происходит в местах естественного распреде­ления влаги. В результате получается структура с большим числом мелких кристаллов льда, распределенных равномерно в тканях продукта. При размораживании такого продукта хорошо восста­навливаются его первоначальные свойства.

Продолжительность замораживания. Для расчета морозильных установок необходимо знать продолжительность процесса заморажива-ния при заданных начальной и конечной температурах про­дукта.

Теоретическое определение продолжительности замораживания с учетом всех переменных факторов затруднено. При решении этой зада-чи Р. П. Планк допускает ряд упрощающих условий: продукт во всем объеме до начала замораживания охлажден до криоскопической темпе-ратуры; коэффициент теплоотдачи на поверхности продукта и темпера-тура внешней теплоотводящей среды — по­стоянные; теплоемкость за-мороженной части продукта в сравнении с теплотой льдообразования очень мала; вода из продукта вымер­зает при одной определенной тем-пературе (средней в процессе замораживания); коэффициент теплопро-водности замерзшего слоя в течение всего процесса не меняется; замо-раживание считается законченным при сближении границ раздела в центральной части тела, причем температура в ней равна криоскопи-ческой. С учетом указанных допущений им получены следующие формулы для определения продолжительности замораживания:

для продуктов формы пластины при двустороннем заморажи­вании (например, блоков мяса, полутуш, блоков рыбного филе, рыб небольшой толщины)

Приведенные формулы не отличаются точностью, и результаты рас-четов могут существенно отклоняться от опытных данных. Но эти фор-мулы показывают, как влияют отдельные факторы; на продолжитель-ность процесса замораживания и на какие из них следует обратить осо-бое внимание при разработке конструкций новых морозильных устройств.

На ускорение процесса замораживания оказывают решающее влия-ние понижение температуры охлаждающей среды t_c, умень­шение тол-щины замораживаемого продукта и увеличение коэф­фициента тепло-отдачи от поверхности продукта к среде .

Понижение температуры охлаждающей среды сокращает про­должи-тельность замораживания примерно в пропорциональной зависимости. Но одновременно увеличиваются энергетические и капитальные затра-ты, связанные с производством холода. В прак­тике для замораживания продуктов применяют температуры от —20° до —40° С.

Уменьшение толщины замораживаемого слоя еще более за­метно сок-ращает продолжительность (приближенно в квадратично­пропорциона-льной зависимости). Интенсификация процессов за счет уменьшения толщины возможна только при замораживании (блочно-фасованных продуктов. Толщина замораживаемого слоя редко бывает менее 4-5 см.

Положительное влияние увеличения коэффициента теплоот­дачи а особенно заметно при невысоких абсолютных значениях его и неболь-ших толщинах замораживаемого слоя.

Расчет холода на замораживание. Расчет холода на заморажи­вание продукта с учетом предварительного охлаждения его от на­чальной тем-пературы до криоскопической, отнятия тепла фазового превращения воды и понижения температуры продукта до средней конечной процес-са замораживания можно определить по формуле

254 Охлаждение, замораживание и холод, хранение пищевых продуктов

- теплоемкость замороженного продукта при средней тем­пературе процесса замораживания в кдж/(кг-град).

Расход холода можно выразить также произведением коли­чества замораживаемого продукта на разность энтальпий в начале и конце замораживания.

Средняя тепловая нагрузка на охлаждающие приборы моро­зильной установки определится как отношение полного расхода холода за время замораживания к продолжительности про­цесса.

Наибольшее распространение в практике получили заморажи­вание в камерных и тоннельных морозилках с использованием воздушной охлаждающей среды; замораживание в скороморо­зильных аппаратах в потоке холодного воздуха и замораживание в скороморозильных аппа-ратах при контакте продукта с металли­ческими плитами, с примене-нием в качестве охлаждающей среды рассола или кипящего холодиль-ного агента.

Замораживание в камерных и тоннельных морозилках. Мясо большей частью замораживают в тушах, полутушах и четвертинах. В таком виде мясо, как и разных пород крупную рыбу, удобнее заморажи-вать в подвешенном состоянии в камерных и тоннельных морозилках.

Камерные и тоннельные морозилки оборудуют охлаждающими приборами для создания низких температур и подвесными путями для подвешивания замораживаемых грузов.

На действующих холодильниках нередко встречаются камер­ные морозилки с естественной циркуляцией воздуха, с пристен­ными и пото-лочными батареями непосредственного испарения из гладких труб.

Морозилки с естественной циркуляцией воздуха, несмотря на низ-кую температуру, которая в них достигается (в конце замора­живания до —25° С), обладают существенными недостатками: внутри камеры не-равномерная температура; продукт заморажи­вается медленно (нап-ример, для замораживания туш при темпе­ратуре воздуха —23°С требуется не менее двух суток).

Для сокращения продолжительности замораживания были при­менены камерные морозилки с побудительной циркуляцией воз­духа (например, эжекторная система охлаждения).

При эжекторной системе в морозилках, кроме охлаждающих батарей (рис. 153), устанавливают воздухоохладители (из оребренных труб) с распределением циркулирующего воздуха в камере эжекторами (системы А. П. Шеффера).

В такой морозилке продолжительность замораживания по сравнению с морозилками с естественной циркуляцией сокра­щается на 20—25%. Недостатком эжекторной системы охлажде­ния является неравномерное

Замораживание пищевых продуктов 255

распределение циркулирующего воздуха и соответственно различная скорость замораживания мясных туш в разных местах камеры.

Интенсивность работы камерной морозилки в большой мере зависит от конструкции и размещения охлаждающих батарей в помещении. На Ленинградском мясокомбинате взамен двухрядных пристенных и четы-

Рис. 153. Камерная морозилка с побудительной цир­куляцией воздуха:

1 — камера; .2— подвесные пути; 3 — ребристые охлаждаю­-

щие батареи; 4 — воздухоохладители

рехрядных потолочных батарей в мо­розилке были установлены более эффективные однорядные батареи. Последние размещались не только под потолком и по стенам, но н по высоте камеры между нитками подвесных путей (рис. 154).

При таком расположении охлаждающих батарей замораживае­мые туши оказались в зоне усиленной циркуляции воздуха в непосредствен-ной близости от батарей. Значительно улучшился конвективный и осо-бенно лучистый теплообмен. Выравнился температурный режим в камере.

256 Охлаждение, замораживание и холод, хранение пищевых продуктов

Применение воздухоохладителей вдоль камеры между колоннами позволило интенсифицировать работу охлаждающих батарей и уменьшить их поверхность. Про­должительность замораживания при температуре кипения аммиака —40° С и циркуляции воздуха в верхней

Рис. 154. Камерная морозилка системы Н. А. Герасимова с однорядными батареями из горизонтальных оребренных труб и воздухо­охладителем

зоне со скоростью около 2 м/сек составила 20—25 ч.

В камерной низкотемпературной морозилке Государственного инсти-тута по проектированию предприятий мясной промышлен­ности («Гип-ромясо») воздух охлаждается воздухоохладителем непосредственного испарения и пристенными батареями. Цирку­ляция воздуха осуществле-на, как и в камере для охлаждения мяса (см. рис. 145).

Кратность циркуляции воздуха в морозилке достигает 100 объе­мов в час. Скорость воздуха около бедренной части полутуши 1 м/сек. При средней температуре воздуха —35° С продолжитель­ность заморажива-ния составляет 18—20 ч. Наличие пристенных оребренных батарей в камере позволяет использовать камеру для хранения мороженого мяса, когда не требуется заморажива­ние. Воздухоохладители в таких случаях выключают.

Государственным институтом по проектированию холодильной про-мышленности (Гипрохолод) разработаны камерные морозилки разной производительности (10—30 Мг в сутки) для типовых распределитель-ных холодильников. Запроектировано воздушное охлаждение с интен-

Замораживание пищевых продуктов 257

сивной побудительной циркуляцией воздуха с помощью осевых вентиляторов и щелевых сопел, расположенных в ложном потолке.

Некоторые холодильники для замораживания мясных полутуш и четвертин оборудованы тоннельными морозилками системы ВНИХИ с