Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej Seminarium z Współczesnych Technik Zamrażania Temat: 2. Własności termofizyczne produktów żywnościowych świeżych i po ich zamrożeniu. Semestr IX, SiUChiKl wydz. Mechaniczny Lewioski Arkadiusz
Plan pracy: Wstęp Skład produktów żywnościowych Zmiany właściwości termofizycznych podczas zamrażania żywności: o Zmiany ciepła właściwego o Zmiany entalpii właściwej o Zmiany współczynnika przenikania o Zmiany gęstości o Zmiany współczynnika wyrównania temperatury Podsumowanie Bibliografia
Wstęp Projektowanie procesów technologicznych oraz urządzeo i maszyn spożywczych jest nie możliwe w przypadku braku dużej wiedzy surowcach. Właściwości termofizyczne mają ścisły związek z jakością wytwarzanych produktów. Wielkośd obciążenia cieplnego podczas procesu chłodzenia i zamrażania jest ważną pozycją w bilansie cieplnym układu chłodniczego. Prawidłowa realizacja tych procesów jest także jednym z podstawowych warunków gwarantujących odpowiednią jakośd produktu. Zamrażanie jest najmniej destrukcyjną, najbardziej naturalną i racjonalną metodą utrwalenia żywności. Proces zamrażania produktów biologicznych przebiega nieco odmiennie niż roztworów fizycznych (tj. woda). Zasadnicza różnica wynika z tkankowej budowy roślin i produktów pochodzenia zwierzęcego. W produktach żywieniowych o budowie tkankowej, przemianie fazowej podczas zamrażania towarzyszą zmiany ich tekstury i właściwości funkcjonalnych. W tkankach roślinnych zmiany strukturalne następują w obrębie łaocuchów celulozowych, natomiast w tkankach zwierzęcych w łaocuchach białkowych. Skład produktów żywnościowych Składnikami produktów żywnościowych są węglowodany, tłuszcze, białka, witaminy, minerały, enzymy oraz woda. Udział poszczególnych elementów jest niezwykle zróżnicowany, natomiast bardzo duże znaczenie ma zawartośd wody, która wynosi od 0,3 do 95% w zależności od produktu. Skład chemiczny produktów spożywczych, a zwłaszcza zawartośd wody wpływa w sposób zasadniczy na właściwości fizyczne podczas obróbki termicznej. Wyraźna zależnośd cech fizycznych produktu spożywczego od temperatury występuje w sposób zdecydowany w momencie powstania lodu. W procesie zachodzącym blisko punktu krioskopowego należy się liczyd ze znaczącymi zmianami cech fizycznych produktu zawierającego znaczne ilości wody. Często wprowadza się pojęcie wody związanej (zaabsorbowanej przez cząstki koloidalne) i wolnej. Właściwości fizyczne wody związanej i wolnej różnią się od siebie zasadniczo. Przykładowo woda związana zamarza w znacznie niższej temperaturze niż woda wolna. Ciepło właściwe wody związanej i wolnej mają inne wartości, jak również gęstośd. Osiągając temperaturę zamarzania roztworu zwiększa się ilośd wody związanej. Żywnośd jest układem biologicznym, wielofazowym o właściwościach zmiennych w czasie. Taki charakter układu ma wpływ na jego właściwości termofizyczne: ciepło właściwe, entalpią, współczynnik przewodzenia ciepła, współczynnik wyrównywania temperatury i gęstośd. Zależą one temperatury, wilgotności, porowatości, kierunku ułożenia komórek względem strumienia ciepła. W trakcie przetwórstwa, w żywności zachodzą ponadto przemiany fazowe wody i tłuszczów, denaturacja i koagulacja białek, mające także wpływ na właściwości termofizyczne.
Właściwości termofizyczne Głównymi właściwościami termofizycznymi produktów spożywczych są: 1. Ciepło właściwe C[ J/kg*K ] 2. Entalpia właściwa produktu h[ J/kg] 3. Współczynnik przenikania λ 0 [W/m*K ] 4. Gęstośd ρ [kg/m 3 ] 5. Współczynnik wyrównania temperatury a [m 2 /s ] Ciepło właściwe C* J/kg*K + Ciepło właściwe podlega prawu addytywności i można je, przy uwzględnieniu udziałów masowych pięciu podstawowych składników żywności: wody (x w ),węglowodanów (x c ), białek (x p ), tłuszczu (x f ) i popiołu (x a ), obliczyd z Równania: C = C w * x w + C c * x c + C p * x p + C f * x f + C a *x a C w, C c, C p, C f, C a wartości ciepła właściwego poszczególnych składników Rys. 1. Ciepło właściwe zamrażanej wołowiny (zawartośd procentowa wody podana jest nad liniami) [ 2]. Wartośd ciepła właściwego zamrożonego mięsa dla temperatury około -30:C wynosi ok. 2,0 kj/kg K. Przemiana fazowa powoduje ponad 40 krotny (do ok. 150 kj / kg K) wzrost wartości ciepła właściwego. Zależności ciepła właściwego od temperatury osiąga maksimum.
Maksimum jest tym większe, i znajduje się w temperaturze bliższej 0:C, im większa wilgotnośd produktu. Natomiast produkty o małej wilgotności, np. wołowina od 17,4 do 0%, mają liniowy przebieg zależności temperaturowej ciepła właściwego. Pozostająca w mięsie woda jest wodą związaną strukturalnie, niewymrażającą się nawet w bardzo niskiej temperaturze. Entalpia właściwa h[ J/kg] Entalpia właściwa produktu spożywczego zależy od rodzaju produktu oraz jego temperatury. Przy sporządzaniu bilansu cieplnego najczęściej bierze się pod uwagę różnicę entalpii. Poniżej początkowej temperatury krioskopowej entalpia produktu jest funkcją: temperatury, ilości wody wymrożonej i wody niezamarzającej. Rys. 2. Entalpia produktów spożywczych: 1 - owoc kiwi, 2 - szynka, 3 - grzyby leśne, 4 - substancja Tylose, 5 - ser mozzarella, 6 masło [2]. W przedziale temperatury: -40:C -10:C funkcja h = h(t) ma charakter liniowy. Większa wilgotnośd produktu prowadzi do większych przyrostów entalpii w temperaturach jego zamrażania (Rys. 2). Ponadto temperatura odpowiadająca maksimum wartości entalpii jest tym bliższa 0:C, im produkt zawiera więcej wody i mniej tłuszczu (przebiegi 1 i 6). Współczynnik przewodzenia λ 0 [W/m*K ] Współczynnik przewodzenia ciepła produktu nie stanowi addytywnej wartości funkcji kalorycznej i nie podlega funkcją prawa mieszania, z tego powodu wynikają problemy w wyliczeniu jego wartości. Współczynnik przewodzenia ciepła produktów spożywczych jest ściśle związany z ich strukturą wewnętrzną. Współczynnik przewodzenia ciepła wieloskładnikowych produktach
spożywczych o ułożeniu składników równolegle do kierunku strumienia ciepła. Przybliżony wzór na współczynnik przewodzenia ciepła w zakresie temperaturowy od 0:C do 30:C λ 0 = λ w W + λ ss (1 - W) λ w - współczynnik przewodzenia ciepła dla wody λ ss współczynnik przewodzenia ciepła dla suchej masy produktu W zawartośd wody w produkcie Rys. 3. Współczynnik przewodzenia ciepła mięsa zamrożonego, mierzony prostopadle do włókien ( ) równolegle i równolegle ( ) [3]. Podczas zamrażania, za fazę ciągłą przyjmuje się zazwyczaj frakcję lodową a fazę rozproszoną jest niewymrożona woda z rozproszonymi w niej pozostałymi składnikami produktu. Proces zamrożenia powoduje ponad 3 krotne zwiększenie współczynnika przewodzenia ciepła; od 0,50 W/m K dla temperatury 0:C do około 1,7 W/m K dla 40:C. Równoległy ( ) do włókien mięsa zamrożonego przepływ ciepła daje wyższe wartości współczynnika przewodzenia ciepła niż przy przepływie prostopadłym( ). Większa przewodnośd ciepła w kierunku równoległym związana jest z faktem, że kryształy lodu mają tendencję do formowania kształtów igiełkowatych, ciągnących się równolegle do włókien, tworzących tym samym lepsze warunki dla przepływu ciepła.
Gęstośd ρ *kg/m 3 ] Gęstośd większości produktów żywnościowych jest zbliżona do gęstości wody, najczęściej zawiera się ona w przedziale 800-1000kg/m 3. Uwzględnienie powierzchniowego parowania wody podczas mrożenia gęstośd nie zmienia się w sposób znaczny, najczęściej jest to spadek do 10%. Gęstośd zamrożonego produktu uwzględnia udziały masowe wody, lodu, substancji suchej i gęstośd każdego z tych komponentów Największy przyrost gęstości obserwuje się od około -50:C do 0:C, a więc podczas zachodzącej przemiany fazowej wody. Tab. 1 Gęstośd produktów żywnościowych świeżych i po ich zamrożeniu *1+. Współczynnik wyrównania temperatury a *m 2 /s ] Współczynnik wyrównania temperatury określa prędkośd zmian temperatury w wewnętrznych warstwach produktu podczas procesu chłodzenia. Wartośd średnia tego współczynnika jest zależna od wielkości ciepła właściwego, gęstości i współczynnika przewodzenia cieplnego i wyraża się wzorem: a 0 = Przemiana fazowa wody jest także przyczyną bardzo szybkiego wzrostu wartości współczynnika wyrównywania temperatury. W zakresie temperatury intensywnego wymrażania wody występuje minimum funkcji a = a(t), przy czym odpowiada ono maksymalnym wartościom ciepła właściwego. Koniec przemiany zaznacza się skokowym przyrostem dyfuzyjności cieplnej produktu spożywczego.
Rys.4. Współczynnik wyrównania temperatury mięsa: 1 wołowego, 2 wieprzowego[3]. Podsumowanie i wnioski Zmienna wartośd zawartości wody jest przyczyną przemian termo-fizycznych. Zawartośd wody związanej trwale w węglowodanch lub białkach oraz wolnej wody powoduje, że nigdy nie występuje ona w postaci czystej, lecz zawsze jest roztworem. Budowa tkankowa produktów spożywczych jest dodatkowym elementem, który powoduje, że proces ich mrożenie znacznie różni się od zamrażania produktów fizycznych. Podczas zamrażania produktu spożywczego wolna woda ulega zamrożeniu, natomiast udział wody związanej nie ulega praktycznie zmianie (związana woda nie ulega zamrożeniu nawet przy badzo niskich temperaturach). O dynamice procesu decyduje zatem względna ilośd wody wymrożonej. Bibliografia [1]Czapp M., Charun H., Bilans cieplny pomieszczeo chłodni, Wydawnictwo uczelniane Politechniki Koszalioskiej, Koszalin 1997 [2]Niesteruk R., Obidziski S. Własności termofizyczne zamrażanej żywności - Inżyniera rolnicza 2005/09 [3]Niesteruk R., Właściwości termofizyczne żywności, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok 1996