OZNACZANIE CZASU I SZYBKOŚCI ZAMRAŻANIA SUROWCÓW I PRODUKTÓW Wprowadzenie Zamrażanie zalicza się do uniwersalnych i najkorzystniejszych metod konserwacji żywności. Pod pojęciem procesu zamrażania rozumieć należy fazową przemianę wody (cieczy) w lód (ciało stałe) zachodzące w tkankach zwierzęcych, roślinnych lub produktach ich przerobu. Proces ten zachodzi w wyniku odprowadzenia od produktów ciepła i obniżenie przez to samo temperatury produktu znacznie poniżej temperatury krioskopowej. Odbywa się to w urządzeniach zwanych zamrażarkami. W przemyśle spożywczym stosuje się najczęściej metodę mrożenia owiewową, kontaktową lub solankową. Krystalizacja wody i tworzenie lodu w tkankach i produktach prowadzi do zmian struktury oraz wpływa na zmiany biofizykochemiczne poszczególnych składników w tym przede wszystkim białek, lipidów oraz ogranicza, rolę enzymów. Z teorii zamrażania wynika wiele praktycznych problemów, z których ustalenie spodziewanego czasu zamrażania przy zaprogramowanej temperaturze odgrywa podstawową rolę. Z problemem tym wiążą się prawie wszystkie podstawowe pojęcia związane z techniką zamrażania, takie jak szybkość mrożenia, ilość wymrożonej wody, gradient spadku temperatury, pojemność cieplna, temperatura, kształt mrożonych produktów itp. Znajomość czasu trwania mrożenia danego produktu konieczna jest przy pomiarach termicznych związanych z projektowaniem urządzeń do mrożenia, ustalaniu optymalnych gabarytów mrożonych produktów, co z kolei wiąże się z problemem ekonomicznego wykorzystania urządzeń chłodniczych oraz przebiegiem właściwej technologii zamrażania. Ustalenie dokładnego czasu zamrażania drogą teoretyczną przedstawia poważne trudności ze względu na wiele czynników wpływających na tę wartość
np.: właściwości cieplne produktu, warunki wymiany cieplnej, kształt ciała itp. Stąd należy przyjąć szereg uproszczeń i założeń. Najkorzystniej problem ten rozważać można dla ciała płaskiego. Plank wyprowadził dla ww. ciała następujący wzór: q" x 1 x( ) [h] (1) t 2 przyjmując x = jako grubość warstwy zamrażanej dwustronnie (), to połowa zamrażanej warstwy z jednej strony wynosi. 2 q" 1 ( ) t 2 4 [h] (2) gdzie: q = C 0 (t 0 - t kr ) + WL + C z (t kr t sk ). C 0 (t 0 t kr ) = ochłodzenie produktu od temp. początkowej t 0 do temperatury krystalizacji (krioskopowej), WL = ciepło tworzenia lodu, C z (t kr t sk ) = obniżenie temperatury produktu, od temp. krioskopowej do średniej końcowej. Z powyższego wynika, że jeżeli chodzi o obliczenie czasu samego zamrażania - można uprościć i przyjąć dla wzoru (2) tylko wartość WL pomijając ciepło oddane w wyniku dochłodzenia poniżej temperatury krystalizacji, które jest niewielkie. zamrażania. Stąd wzór ostateczny przybierze postać: WL 1 ( ) t 2 4 [h] (3) Na podstawie tego wzoru obliczyć można przybliżony czas trwania
W L = ilość wody w produkcie podana w ułamku jedności = ilość wody wymrożonej (lodu) podana w ułamku jedności = ciepło tworzenia lodu = 335KJ/kg = gęstość zamrażanego produktu = grubość mrożonego produktu = współczynnik przewodnictwa cieplnego = współczynnik przenoszenia ciepła t = t kr t 0 t kr t 0 t k = temperatura krioskopowa produktu = temperatura ośrodka chłodniczego (solanka, płyta, powietrze) = temperatura końcowa surowca Ilość wody wymrożonej oblicza się ze wzoru Czyżowa 1 A B lg t śr. k. lub z zależności: t 1 kr t przy t = t kr, 0 gdzie: A = 110,5 B = 0,31 t śr.k. = temperatura średnia końcowa, którą oblicza się ze wzoru: t śr. k. t kc t 2 p gdzie: t kc = temperatura w centrum mrożonego produktu, t p = temperatura powierzchni mrożonego produktu. Postępowanie Farsz znajduje się w pojemnikach pomiarowych w kształcie prostopadłościanów (po 450g). Umieścić czujnik termometru termistorowego w środku termicznym próbki, poprzez włożenie go do metalowej rurki znajdującej się w próbie. Odczytać temperaturę początkową (wyjściową) rozdrobnionej tkanki
mięśniowej. Następnie umieścić pojemnik metalowy w komorze z oziębionym do -15C alkoholem etylowym w urządzeniu zamrażalniczym zaznaczając czas rozpoczęcia mrożenia. Jednocześnie należy zmierzyć temperaturę środowiska mrożącego (alkohol etylowy). Drugi pojemnik wypełniony farszem, po zamrożeniu pierwszego, z umieszczonym czujnikiem termometru termistorowego umieścić w komorze z alkoholem, ale po ochłodzeniu go do temp -20C. Kolejność może być odwrotna. Pomiaru temperatury dokonywać co 2 minuty do momentu osiągnięcia temperatury -10C w środku termicznym próbek. Po zamrożeniu próbek do żądanej temperatury pojemniki wraz z umieszczonymi czujnikami przenieść do wiaderka z letnią wodą celem rozmrożenia próbek. Uwaga! Po zakończeniu procesu zamrażania czujniki termometrów termistorowych można wyjąć z prób po ich rozmrożeniu. Obliczenia - Oznaczenie ilości wody (W) w produkcie metodą suszenia, albo np. dla farszu można przyjąć 80%, co stanowi w częściach 0,8. - Oznaczenie ilości wody wymrożonej - odczytać z tablic dla temperatury średniej lub obliczyć ze wzoru Czyżowa. - Gęstość tkanki mięsnej można przyjąć za 1 g/cm 3. - Grubość = połowa grubości zamrażanego farszu w pojemniku. - Współczynnik przewodzenia ciepła (λ) wg tablic. - Współczynnik przejmowania ciepła (α) wg tablic. - Temperaturę krioskopową można przyjąć jako -0,8 C, najlepiej określić eksperymentalnie - Temperaturę środowiska mrożącego zmierzyć termoparami. Do obliczeń wymrożonej wody wg Czyżowa odczytać temperaturę w centrum i na powierzchni, obliczyć temperaturę średnią końcową. Na podstawie
danych wyliczyć ze wzoru czas trwania mrożenia i porównać z obliczeniami doświadczalnymi dla zamrożonych produktów. Wzór tabeli do ćwiczenia: oznaczania czasu i szybkości zamrażania ryb. Rodzaj surowca Temp. komory Temp. centrum mrożonego surowca Ilość wody wymrożonej Czas obliczony ze wzoru Czas wg doświadczenia Szybkość procesu mrożenia Uwagi: Powyższy pomiar obarczony jest szeregiem błędów jak np. doprowadzeniem próbki do temperatury krioskopowej, ususzką, niedokładnością pomiarów temperatury itp. Jednakże w ćwiczeniu chodzi nie tyle o uzyskanie absolutnej dokładności ile o zapoznanie słuchaczy z podstawowymi pojęciami przy tego typu pomiarach. Opracowanie wyników 1.Korzystając z tabeli pomiarów temperatury i czasu wykreślić dwie funkcje temperaturowe F f (T) = tzw. izobaty dla obu metod mrożenia, gdzie: f - czas pomiaru - oś odciętych - temperatura - oś rzędnych 2. Wyznaczyć efektywny czas zamrażania uzyskany doświadczalnie na podstawie osiągnięcia zaprogramowanej temperatury w środku termicznym prób. 3. Wyznaczyć czas trwania poszczególnych etapów: - schładzania - maksymalnej krystalizacji - oziębienia do końcowej temperatury.
Podać wyniki w wielkościach bezwzględnych (godziny lub minuty). Obliczyć udział procentowy poszczególnych etapów w ogólnym czasie zamrażania. 4. Obliczyć szybkość procesów: schładzania, maksymalnej krystalizacji, oziębienia do końcowej temperatury oraz szybkość efektywną korzystając ze wzoru: b V 2 [cm/h] gdzie: grubość próby (w cm) = czas w godzinach 5. Podać wnioski Tabela Ilość wymrożonej wody w zależności od temperatury t C % tc % tc % 0 0-8 82,4-22 89,4-1 18,0-9 83,4-24 89,8-2 52,4-10 84,3-26 90,0-3 66,5-12 85,8-32 90,4-4 73,0-14 86,9-34 90,4-5 76,7-16 87,8-36 90,5-6 79,2-18 88,4-38 90,5-7 81,1-20 89,0-40 90,5-65 100,0 Masa właściwa surowców niemrożonych Ryba cała 0,98-1,01 g/cm 3 Ryba patroszona 1,08 Mięso ryb 1,07
Współczynnik przewodzenia ciepła () surowców niemrożonych Mięso wołowe 0,454 W / (m. K) Mięso drobiu 0,407 Mięso ryby - dorsz 0,460 Mięso ryby- sandacz 0,433 Tłuszcz 0,149 woda 0,605 Sucha masa 0,256 Woda (lód) 2,407 Ciepło właściwe (c) surowców niemrożonych Mięso chude 3,18 kj / (kg. K) Mięso tłuste 2,51 Ryby chude 3,35 Ryby tłuste 2,85 Tłuszcz olej 2,09 Woda 4,19 Lód 2,05 Sucha masa tkanki 1,38 Współczynnik przejmowania ciepła (α) Zamrażanie owiewowe, słaby ruch powietrza 3-4 W / (m 2. K) Zamrażanie fluidyzacyjne 130-180 Aparaty kontaktowe 500-1000 Zamrażanie immersyjne, ruch roztworu: Słaby 300-400 Silny 500-700 Aparat LIN (natrysk ciekłego azotu) 1000-2000 Literatura: Wymieniona poniżej literatura informuje o orientacyjnym zakresie materiału związanego z ćwiczeniem, a nie stanowi wszystkich wymaganych informacji (patrz ćwiczenie Spis literatury ). Bykowski P., Sikorski Z., Zimińska H.: Technologia chłodniczego utrwalania morskich surowców żywnościowych (Rozdział Zamrażanie i przechowywanie zamrażalnicze morskich surowców żywnościowych-przebieg procesu mrożenia).
Cziżow G.B.: Procesy cieplne w technologii chłodniczej produktów żywnościowych (Rozdziały Ilość wymrożonej wody jako funkcja temperatury, Zmiany właściwości cieplnych produktów żywnościowych podczas obróbki chłodniczej, Efekty cieplne procesów przebiegających w produktach podczas zamrażania, Ciepło odprowadzane podczas zamrażania, Czas zamrażania). Postolski J., Gruda Z.: Zamrażanie żywności (Rozdział Podstawy technologii i techniki zamrażania-właściwości fizyczne produktów mrożonych, Przebieg procesu zamrażania, Uwagi do wzoru Planka na czas zamrażania, Wpływ różnych czynników na proces zamrażania). Sikorski Z.E.: Technologia żywności pochodzenia morskiego (Rozdział Technologia zamrażania i przechowywania zamrażalniczego-obliczenia cieplne, Metody zamrażania). Jastrzębski W.: Technologia obróbki chłodniczej (Rozdział Zamrażanie produktów spożywczych-szybkość zamrażania, Czas zamrażania-cykl mrożenia).