zamrażanie produktów spozywczych.pdf

NOWOCZESNE TECHNOLOGIE STOSOWANE W

TECHNOLOGII ZAMRAŻANIA PRODUKTÓW

ŻYWNOŚCIOWYCH

Paweł Tymiński

• WPŁYW TEMPERATURY PRZECHOWYWANIA NA TRWAŁOŚĆ PRODUKTU

• PRZEBIEG PROCESU ZAMRAŻANIA

• CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA CZAS ZAMRAŻANIA

• WSPÓŁCZESNE TECHNIKI ZAMRAŻANIA

WPŁYW TEMPERATURY PRZECHOWYWANIA NA TRWAŁOŚĆ PRODUKTU

Procesy zachodzące w produktach w dużym stopniu zależą od ich temperatury.

Podstawową formą działania materii jest ruch jej cząsteczek elementarnych. Stopień

nasilenia tego ruchu jest określony temperaturą oraz stanem skupienia ciała. W

temperaturze zera absolutnego ruch ten całkowicie zamiera.

Stopień ruchliwości cząsteczek wpływa na częstotliwość ich wzajemnych

zderzeń, co z kolei determinuje intensywność procesów fizykochemicznych

przebiegających w danym ciele i wpływających na zmianę jego cech wyjściowych.

Szybkość reakcji fizykochemicznych zależna jest wyłącznie od temperatury (w

uproszczeniu wystarczającym dla praktycznych zastosowań). Dla porównania szybkości

procesów w różnych temperaturach przyjęto tzw. współczynnik temperaturowy. Zwykle

używany współczynnik Q 10 określa stosunek szybkości reakcji w danej temperaturze „t” i w

temperaturze o 10 K wyższej. Na podstawie badań stwierdzono, że dla większości

artykułów spożywczych Q 10 ma wartość stałą, niezależną od temperatury i Q 10 wynosi 2-

3. Oznacza to, że przy obniżeniu temperatury ciała o 10 K intensywność zachodzących w

nim reakcji maleje 2-3 krotnie.

Rys 1. Dopuszczalne okresy składowania ryb chudych świeżych w zależności od

temperatury; 1 – jakość bardzo dobra, 2 – jakość dobra, 3 – jakość zadowalająca

Zamrażanie zmniejsza szybkość przebiegu procesów nie tylko w skutek

obniżenia temperatury, lecz również przez zmianę jego stanu skupienia , w wyniku

przemiany wody w lód. Obniża to zdecydowanie stopień ruchliwości cząsteczek i ich

możliwości reagowania.

Współczynniki temperaturowe większości procesów fizykochemicznych

zachodzących w produktach silnie wzrastają w pobliżu punktu zamarzania. Trwałość

produktu rośnie więc znacznie w momencie zamrożenia.

Rys 2. Dopuszczalne okresy składowania produktów w zależności od

temperatury; 1 – jakość bardzo dobra, 2 – jakość dobra, 3 – jakość zadowalająca

Wszystkie produkty wykazują wzrost trwałości wraz z obniżeniem temperatury,

chociaż każdy z nich charakteryzuje się innym stopniem wrażliwości temperaturowej Q 10 .

Przemiany fizykochemiczne wywołują najwięcej szkodliwych zmian miedzy

temperaturą zamarzania a temperaturą od -5 do -10ºC i dlatego możliwie szybkie

przekraczanie tego krytycznego zakresu, zarówno podczas zamrażania jak i rozmrażania

jest jednym z podstawowych zaleceń technologii chłodniczej. Sam proces zamrażania jest

bardzo ważnym momentem w aspekcie zachowania wartości produktu. Ostatecznym

celem technologii zamrażalniczej jest realizacja tego procesu w sposób odwracalny. Jest

to jednak nieosiągnięte. Fazowa przemiana wody, z charakterystycznym dla niej wzrostem

objętości (około 9,1%) oraz działanie stężonych roztworów komórkowych naruszają

koloidalną strukturę produktów.

PRZEBIEG PROCESU ZAMRAŻANIA

Typowy przebieg procesu zamrażania jest przedstawiony na rys. 3. Krzywa

ciągła obrazuje temperaturę centrum termicznego ciała ( t c ). Teoretycznie powinna ona

przebiegać wzdłuż linii łamanej a – b' – c' – d'. Proces rzeczywisty nieco odbiega od tego

schematu. W punktach b, c i d występują charakterystyczne zaokrąglenia, a ponadto

odcinek b – c nie pokrywa się z linią t cr . Punkt t cr odpowiada temperaturze początku

zamarzania danego produktu. W miarę postępowania procesu następuje kriokoncentracja

soku komórkowego i temperatura zamarzania obniża się. Stąd nachylenie odcinka b – c.

Cały proces zamrażania przebiega w sposób następujący:

• odcinek a - b – schładzanie do temperatury t cr ,

• b - c – właściwe zamrażanie,

• c - d – domrażanie do temperatury założonej technologii.

Rys. 3. Typowy wykres krzywych zamrażania produktów żywnościowych; t c – krzywa

Czas całkowitego procesu zamrażania ciała ( τ ), licząc od temperatury

początkowej t s1 >t cr do założonej w technologii temperatury końcowej t s2 <t cr , zostaje

umownie podzielony na czas wstępnego schładzania ( τ ch ), czas właściwego zamrażania

( τ z ), i domrażania ( τ d ). Podział ten nie ma jednak potwierdzenia w rzeczywistym przebiegu

procesu wewnątrz ciała, jest jednak wygodny i w zasadzie nieodzowny dla

przeprowadzania obliczeń cieplnych procesu.

W praktyce przemysłowej przyjmuje się orientacyjnie, że czas wstępnego

schładzania przedłuża czas zamrażania o 10 – 20%, zaś czas domrażania o 10 – 18%.

Tak więc ogólny czas cyklu zamrażania można określić jako:

= ÷

Szybkość zamrażania to szybkość z jaka front formacji lodowej przesuwa się

w głąb ciała zamrażanego. W przekroju ciała szybkość ta nie jest wielkością stałą, lecz

zmienia się wraz z odległością od powierzchni zewnętrznej.

Miejscową liniową szybkość zamrażania w danym przekroju ciała wyznacza się

tylko w celach specjalnych. W normalnej praktyce zamrażalniczej operuje się zazwyczaj

pojeciem tzw. średniej liniowej szybkości zamrażania, którą otryzmuje się dzieląc grubość

zamrożonej warstwy przez czas zamrażania.

(1, 2 1, 4)

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA CZAS ZAMRAŻANIA

Z przeprowadzanych analiz wynika, że czas procesu zamrażania zależy od

następujacych czynników:

• wymiarów i kształtu zamrożonego ciała,

• czynnej różnicy temperatur,

• współczynnika wnikania ciepła między produktem a medium,

• współczynnika przewodzenia ciepła produktu,

• opakowania.

Na czas zamrażania wpływa głównie grubość zamrażanego ciała . Inne

wymiary są mniej ważne. Przy większych grubościach wpływ ten staje się dominujący.

temperatury centrum termicznego, t p – krzywa temperatury powierzchni ciała

Równie istotny jest kształt ciała . Przy tych samych grubościach najkorzystniejszy jest

kształt kuli, potem walca i prostopadłościanu oziębianego ze wszystkich stron. Najmniej

korzystna jest postać płyty.

Czas zamrażania jest odwrotnie proporcjonalny do różnicy temperatur między

zamrażanym produktem i czynnikiem chłodzącym. Parametr ten odgrywa dużą rolę w

zamrażalniach owiewowych, gdzie współczynniki wnikania ciepła są z reguły małe i

skrócenie czasu zamrażania jest możliwe głównie przez obniżanie temperatury powietrza.

Na rys. 4 przedstawiony jest wpływ temperatury powietrza na czas zamrażania produktów

w formie bloków.

Rys. 4. Czas zamrazania w funkcji temperatury powietrza; produkt tłuszcz wieprzowy,

grubość bloku 110 mm, prędkość powietrza u = 0,35 m/s. Temperatura początkowa

produktu: 1-15°C, 2-5°C

W nowoczesnych zamrażalniach owiewowych są stosowane temperatury

powietrza wynoszące od -35 do -45°C. W innych metodach zamrażania (kontaktowej,

immersyjnej, a także fluidyzacyjnej), gdzie współczynniki przejmowania ciepła są znacznie

wyższe, różnica temperatur nie jest tak istotna i ze względów ekonomicznych są

stosowane znacznie niższe temperatury wrzenia czynnika i medium.

Wpływ współczynnika wnikania ciepła α i przewodzenia λ sz jest problemem

bardzo złożonym i ich udział w kształtowaniu czasu procesu zamrażania zmienia się w

zależności od samego współczynnika α i grubości ciała. Ogólnie wpływ λ sz rośnie wraz ze

wzrostem grubości ciała, zaś wpływ α jest tm większy, im niższy jest ten współczynnik.

Przy zamrażaniu owoców i warzyw w zamrażalniach fluidyzacyjnych

α ≈ 130 W /(m 2 ·K) wpływ α wynosi około 94% przy produktach bardzo drobnych (groszek,

jagody, porzeczki) i maleje do około 63-70% przy prouktach grubszych (truskawji, śliwki).

Można stwierdzić, że w całym obszarze najwiekszego zastosowania tej techniki

zamrażania wpływ tego czynnika jest decydujący.

Współczynnik przewodzenia ciepła jest zdeterminowany właściwościami

fizycznymi produktu i jego wpływ można modyfikować jedynie przez zmniejszanie grubości

produktu, co nie zawsze jest możliwe i wskazane.

W zakresie współczynnika α konstruktor i użytkownik aparatów

zamrażalniczych ma szerokie możliwości intensyfikacji procesu, ściśle mówiąc, chodzi tu o

jednoczesną poprawę współczynnika α i maksymalne rozwinięcie i wykorzystanie

powierzchni czynnej wymiany ciepła. Orientacyjne wartości współczynnika α wahają się w

szerokich granicach, zależnie od typu aparatu i metody mrożenia.

Zestawienie współczynników wnikania ciepła α w róznych metodach mrożenia podane jest

w tabeli:

Metoda zamrażania

W/(m 2 ·K)

Komora gęsto załadowana, znikoma wentylacja

3 ÷ 4

Tunele owiewowe przy słabej wentylacji; u = 1 – 3 m/s

8 ÷ 15

Tunele owiewowe z silna wentylacją; u = 3 – 8 m/s, aparaty owiewowe specjalne z

ukierunkowanym strumieniem powietrza (automatyczne zamrazanie stelażowe, aparaty

spiralne)

20 ÷ 40

Zamrażanie fluidyzacyjne

100 ÷ 140

Aparaty kontaktowe

500 ÷ 1000

Zamrażanie immersyjne, ruch roztworu:

słaby

silny

300 ÷ 400

500 ÷ 700

Aparaty LNF i LFF (natrysk ciekłego azotu lub freonu)

1000 ÷2000

W celu skrócenia czasu zamrażania, dąży się do uzyskania jak najwyższej

wartości współczynnika α, ale należy pamiętać, że podwyższenie współczynnika łączy się

zawsze z nieproporcjonalnie dużym wzrostem zapotrzebowania na energię. W efekcie np.

wzrost prędkości w tunelu owiewowym z 3 do 4 m/s podnosi wartość α o 19% (N ≈ u 0,69 ),

zaś zapotrzebowanie energii do napędu wentylatorów rośnie o blisko 140% (N ≈ u 3 ).

Ponadto zwiększenie współczynnika α ma sens tylko w pewnych określonych granicach.

Opakowanie utrudnia warunki przepływu ciepła od powierzchni produktu do

medium, zatem jego wpływ można porównać do pogorszenia współczynnika α.

Opakowanie, zwłaszcza wielowastwowe, wydłuża znacznie czas zamrażania, przy czym

największy opór cieplny wynika nie z grubości opakowaniai jego współczynnika

przewodzenia λ op , lecz z warstewki powietrza zawartej między produktem a opakowaniem

lub między jego poszczególnymi warstwami. Opór ten może byc zredukowany przez

odpowiedni docisk.

WSPÓŁCZESNE TECHNIKI ZAMRAŻANIA

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: