Скорость заморозки от температуры
Температурные режимы и условия замораживания
Скорость замораживания
Скорость замораживания характеризуется интенсивностью отвода тепла и представляет собой линейную скорость перемещения границы, разделяющей замороженные и незамороженные слои продукта, в единицу времени.
При замораживании рыбы скорость не остается постоянной по времени, а уменьшается по мере промерзания продукта вследствие термического сопротивления увеличивающегося замороженного слоя.
В связи с этим процесс замораживания принято характеризовать средней скоростью υ (см/ч), которая определяется отношением толщины замороженного слоя X к времени его образования τ, т. е. υ=X/τ.
Поскольку в диапазоне температур от криоскопической до 5°С вымораживается основная часть содержащейся в рыбе влаги (до 75%) и при этом происходят наибольшие изменения в ее тканях, в расчетах среднюю скорость замораживания определяют по формуле
где τ -1 -2, — продолжительность замораживания рыбы до температуры от -1 до -5°С в центре тела рыбы или блока, ч.
Скорость замораживания рыбы зависит от способа замораживания, температуры охлаждающей среды, коэффициента теплоотдачи, разности температур между продуктом и охлаждающей средой, толщины рыбы, ее теплофизических свойств и др.
Скорость замораживания является важным технологическим фактором в холодильной технологии, определяющим качество мороженого полуфабриката.
Замораживание считают быстрым при скорости не менее 3 см/ч. На практике эта скорость обеспечивается, если понижение температуры в толще тела рыбы или блока от криоскопической до -5°С произошло не более чем за 2 ч.
О скорости замораживания можно судить по величине кристаллов льда, образующихся при замораживании рыбы. Принято считать замораживание быстрым, если размер кристаллов льда не превышает 100 мкм, и медленным, если кристаллы льда крупнее и не разрушают мышечные волокна.
Однако величина кристаллов льда не всегда может служить критерием скорости замораживания. Мелкие кристаллы — признак быстрого замораживания. Наличие же крупных кристаллов не всегда является обязательным признаком медленного замораживания, они могут также свидетельствовать о посмертном состоянии сырья и продолжительности его хранения до замораживания.
Температурные графики замораживания
Процесс замораживания рыбы характеризуется температурной кривой замораживания, показывающей зависимость между временем и температурой в одной из точек замораживаемого продукта.
На рис. 35, а и б приведены температурные графики замораживания рыбы на воздухе при температуре -35°С и скорости циркуляции воздуха 5 м/р, а также в растворе хлористого натрия температурой — 20°С.
Как видно из графиков, в первый период температура в теле рыбы быстро понижается до криоскопической как при воздушном, так и при рассольнбм замораживании. Далее во второй период снижение температуры замедляется. На кривых, особенно при воздушном замораживании, видна почти горизонтальная площадка. И наконец, наступает третий период, когда снижение температуры вновь ускоряется.
В солевом растворе температура снижается значительно быстрее, чем на воздухе, но принципиально характер процесса в обоих случаях одинаков.
Замедление снижения температуры во второй период, особенно в диапазоне температур -1÷-5°С, объясняется выделением скрытой теплоты льдообразования, так как в этот период почти 80% воды, содержащейся в рыбе, превращается в лед.
С помощью температурных графиков можно определять скорость замораживания рыбы. Для этого по графику определяют продолжительность замораживания до температуры от -1 до -5°С, а затем с помощью формулы рассчитывают скорость замораживания.
При замораживании температурное поле тела рыбы в течение всего процесса остается неравномерным по толщине. Разность температур в центре и на поверхности продукта при замораживании тем значительнее, чем больше его толщина. Таким образом, рыба сразу после замораживания характеризуется двумя конечными температурами — температурой на поверхности tк.п. и температурой в центре блока, или тела рыбы, tк.ц.
При холодильном хранении мороженой рыбы в течение определенного пе- иода происходит выравнивание температур в центре и на поверхности за счет утреннего теплообмена.
Температуру, которую имеет продукт после выравнивания, называют среднечной температурой tcк.
Для соблюдения постоянства температурного режима в камерах хранения при внесении в нее продуктов сразу после замораживания, а также для предотвращения домораживания продуктов в камерах хранения необходимо, чтобы средняя конечная температура продукта после замораживания была равна температуре в камере хранения.
Опытным путем установлено, что если температура в центре мороженого продукта не превышает -5°С, средняя конечная температура его замораживания равна бредней арифметической между конечными температурами центра и его поверхности, т. е. tк=(tк.п+tк.ц)/2.
Продолжительность замораживания
Продолжительность замораживания — время, необходимое для понижения температуры тела рыбы от начальной до заданной конечной температуры, при которой большая часть воды, содержащейся в тканях, превращается в лед.
Продолжительность замораживания зависит от скорости и конечной температуры замораживания, начальной температуры и теплофизических свойств рыбы, ее толщины, а также от температуры и свойств теплоотводящей среды, коэффициента теплоотдачи от рыбы к охлаждающей среде и др.
Для расчета продолжительности замораживания предложено несколько эмпирических формул, среди которых в практических целях наиболее широко используются формулы Д. Рютова и Р. Планка.
Формула Д. Рютова позволяет рассчитать продолжительность замораживания блоков рыбы т (в ч) от начальной температуры выше криоскопической до конечной температуры в центре блока ниже криоскопической:
где n — поправочный коэффициент; при быстром замораживании n=
1,03, при медленном n=
Значения n в зависимости от отношения δh/λ приведены ниже.
Иногда под продолжительностью замораживания условно понимают время, необходимое для понижения температуры рыбы от криоскопической до -5°С. Для определения продолжительности замораживания продукта в этом диапазоне температур можно использовать формулу Р. Планка
где Q — расход холода на замораживание продукта, Дж;
Продолжительность замораживания продукта в значительной степени зависит от толщины упаковочного материала, его теплофизических свойств, а также от толщины воздушной прослойки между продуктом и упаковкой. Расчет продолжительности замораживания продукта с учетом упаковки можно производить по формуле
где δу — толщина упаковочного материала, м; λ — теплопроводность упаковочного материала, Вт/(м•К).
Значения теплопроводности различных материалов и толщина упаковочного слоя приведены в табл. 20.
Таблица 20
Теплопроводность рыбы резко увеличивается по мере ее замораживания и понижения температуры, поэтому в расчетах продолжительности замораживания необходимо брать ее значения для температуры средней, между криоскопической и среднеконечной.
Продолжительность замораживания рыбы можно сократить увеличением коэффициента теплоотдачи. Влияние коэффициента теплоотдачи на уменьшение продолжительности замораживания наиболее эффективно при малых толщинах продукта.
Наиболее существенное влияние на продолжительность замораживания оказывает толщина продукта. По мере увеличения толщины возрастают его термическое сопротивление и продолжительность замораживания.
Так, при замораживании рыбы до -18°С в воздушном скороморозильном аппарате (температура воздуха -35°С, скорость его движения 5 м/с) продолжительность замораживания блока толщиной 30 мм составила 50 мин, 50 мм — 75 мин, 65 мм — 135 мин.
Расход холода на замораживание
Теплота, которую необходимо отвести от продукта, чтобы обеспечить его замораживание до заданной конечной температуры, определяет расход холода на замораживание.
Эта теплота складывается из теплоты охлаждения продукта от начальной температуры tн до криоскопической tкр; из теплоты фазового превращения воды (теплота льдообразования); из теплоты, отводимой при понижении температуры от tкр до средней конечной температуры мороженого продукта (теплота доохлаждения).
Расход холода Q (в Дж) на замораживание рыбы определяется как суммарный расход его на охлаждение, льдообразование и доохлаждение:
Если рыба замораживается в упаковке, то при определении расхода холода на замораживание учитывают расход холода на охлаждение упаковки по формуле
где Qу — расход холода на охлаждение упаковки, кДж; Су — теплоемкость упаковочного материала, кДж/(кг•К) или ккал/(кг•град); tн — начальная температура упаковки, К; tк — конечная температура упаковки, К.
Расход холода на замораживание рыбы может быть определен по разности энтальпий
Источник
Скорость заморозки от температуры
В процессе замораживания можно выделить три диапазона температур в центре продукта: от +20 до 0 °С, от 0 до -5 °С и от -5 до -18 °С (см. рис. 1, кривая 1).
На первом этапе происходит охлаждение продукта от +20 до 0 °С. Снижение температуры продукта здесь идет пропорционально количеству работы по отбору тепла.
На втором этапе происходит переход из жидкой фазы в твердую при температурах от 0 до -5 °С. Работа по отбору тепла у продукта весьма значительна, однако температура продукта практически не снижается, а происходит кристаллизация примерно 70% жидких фракций продукта, которую назовем подмораживанием.
На третьем — происходит домораживание при температурах продукта от -5 до -18 °С. Снижение температуры опять идет пропорционально выполняемой холодильной машиной работы [1].
Традиционная технология замораживания, реализованная в виде так называемых низкотемпературных холодильных камер , предполагает температуру в камере -18 ÷ -24 °С. Время заморозки в холодильных камерах составляет 2,5 часа и выше. При замораживании решающую роль приобретает скорость процесса. Установлена тесная связь качества продукта со скоростью замораживания. Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о влиянии скорости замораживания на размер кристаллов льда, на структурные и ферментативные изменения в продуктах. Идея технологии шоковой заморозки состоит в форсировании режимов охлаждения, подмораживания и домораживания продуктов (см. рис. 1 кривая 2). Данное форсирование обеспечивается двумя средствами увеличения скорости отбора тепла у продукта: снижение температуры среды до -30 ÷ -35 °С; ускоренным движением хладоносителя (в роли которого в камере выступает воздух), что обеспечивается вентилированием испарителя и соответственно интенсивным обдувом продукта. Нужно отметить, что дальнейшее снижение температуры приводит к неоправданным затратам мощности и повышенным деформациям продукта, неравномерность процесса становится слишком велика.
По сравнению с традиционным способом замораживания на стеллажах в холодильных камерах, преимущества применения скороморозильных аппаратов состоят в следующем:
уменьшаются потери продукта в 2-3 раза;
сокращается время заморозки в 3-10 раз;
сокращаются производственные площади в 1,5-2 раза;
сокращается производственный персонал на 25-30 %;
сокращается срок окупаемости на 15-20 %;
Рассмотрим один из практических результатов применения технологии шоковой заморозки.
Общее время замораживания. Если при традиционной технологии общее время замораживания для пельменей и котлет составляет 2,5 часа, то при быстрой заморозке оно равно
20-35 мин., что дает значительный экономический эффект. Время прохождения второго этапа снижается с 1 часа до 15 минут.
Высокая скорость охлаждения, обеспечиваемая шоковой температурой в камере (-30 ÷ -35) °С и интенсивным обдувом продукта, позволяет форсированно пройти переход из жидкой фазы в твердую. При этом кристаллы льда формируются значительно меньших размеров и практически одновременно в клетке и межклеточных перегородках (клетки остаются неповрежденными). Вследствие этого, практически неизменной, и лучше, чем при других способах консервирования, сохраняется структура тканей свежего продукта.
Отсутствие какой бы то ни было термической и химической обработки (за исключением бланширования и обработки аскорбиновой кислотой, предусмотренных по технологии для некоторых видов овощей и фруктов) и, в следствие этого, неизменность типов белков делают быстрое замораживание способом, абсолютно не ухудшающим экологическую чистоту и биохимию продукта.
За счет скорости замораживания сокращаются и периоды активности бактериологической среды. Бактерии разных типов имеют разные (в том числе и ниже 0 °С) температурные зоны жизнедеятельности. При медленной заморозке в продукте появляются и остаются следы жизнедеятельности каждого из этих типов бактерий. При шоковой заморозке ряд типов не успевает развиться.
Потери массы продукта, образующиеся в результате испарения жидкости (усушки) при замораживании, составляют в обычном режиме до 5-10 % (в зависимости от температуры в камере и замораживаемого продукта). Форсированный режим заморозки сокращает потери массы до 0,8 %, что также дает значительный экономический эффект.
Из-за предотвращения высыхания при быстрой заморозке, ароматические и питательные вещества не успевают выйти из продукта, что сохраняет его качества. Пищевая ценность и вкусовые качества остаются неизменными.
Срок хранения быстрозамороженных продуктов выше, чем продуктов замороженных в обычных камерах. Быстрозамороженные продукты лучше сохраняют свои качества при длительном хранении, чем свежие. Таким образом, технология шоковой заморозки обеспечивает сохранность качества свежего продукта, и делает это лучше других способов заготовки и хранения.
Быстрозамороженные продукты, полуфабрикаты и готовые блюда пользуются популярностью во всем мире. Их потребление в таких странах как Великобритания, Дания, Финляндия, Франция, Германия, Швеция, Швейцария, США и Япония составляет от 40 до 100 кг в год на человека. Причем ежегодно их производство в этих странах увеличивается на 5-7 %.
В мировой практике ассортимент продуктов консервируемых быстрым замораживанием, чрезвычайно широк. Причем каждая страна производит, прежде всего, продукты специфичные для данного района, климата, традиций.
За последние годы особенно интенсивно вырабатываются быстрозамороженные:
плоды, ягоды, овощи, бахчевые, зелень и комбинации из них;
готовые первые и вторые блюда, пироги, булочно-кондитерские изделия;
полуфабрикаты (мясные, рыбные и др.), типа антрекотов, бифштексов, гамбургеров, котлет, палочек, сосисок, пельменей и вареников;
десерты, соки, пудинги, желе, мороженное и т.п.
В чем же привлекательность быстрозамороженных продуктов:
продукт почти полностью свободен от несъедобных включений;
по существу, «безотходен» (кроме упаковки);
практически не отличается от свежего — сохраняет все исходные, натуральные свойства;
по своей сути диетичен, кондиционен;
расфасован, дозирован, порционирован (это удобно для любого потребителя);
быстрозамороженный продукт стратегичен (для торговли, общественного питания, конечного потребителя);
не требует внимания при хранении, и всегда готов к употреблению;
требует минимального времени (минуты) и труда для его приготовления.
Технология шоковой заморозки открывает совершенно новые возможности. Она выводит бизнес на более высокую ступень его развития. Быстрая заморозка позволяет отсрочить реализацию сельскохозяйственной продукции во времени и перенести место реализации в пространстве. Это своего рода транспорт, расширяющий сферу сбыта продукции не только регионом, где ее выращивают и сезоном сбора, но и другими регионами и сезонами. Это транспорт из лета в зиму, с поля на стол. Например, для хозяйств это возможность часть своей продукции заморозить и реализовать ее непосредственно потребителю по боле высокой цене, чем свежую, в любом месте и в любое время.
В России рынок быстрозамороженных продуктов изначально был ориентирован в основном на импортную продукцию. Сейчас приоритеты смещаются в сторону продукции отечественного производства. Хотя доля импорта свежезамороженной плодоовощной продукции по-прежнему велика. По различным данным на долю импорта в России приходится около 40-60% овощей и фруктов. При этом весьма значительная часть ввозимой продукции поступает в страну нелегально. По различным подсчетам за последние пять-шесть лет доля импортных овощей выросла примерно в два — два с половиной раза. По данным ФТС РФ, в структуре «белого» импорта овощей наибольшую долю занимают лук (38 %) и томаты (27 %). Доля других овощей относительно невысока: корнеплодов — 4 %, капусты — 12 %, прочих овощей — 9 %. Согласно подсчетам «Финам Менеджмент», весь российский рынок фруктов по итогам 2007 г. составил около $15-20 млрд. На долю импорта приходится по разным подсчетам от 60 до 80 % [2].
Неоспоримые преимущества технологии шоковой заморозки позволяют окупить разумные затраты на скороморозильное оборудование в достаточно короткие сроки. Кроме того, технология шоковой заморозки становится своего рода стандартом для производителей и потребителей замороженной продукции, без которой затруднен ее сбыт.
Для изготовления (заморозки) быстрозамороженных продуктов, полуфабрикатов и готовых блюд применяются следующие типы оборудования: 
флюидизационные скороморозильные аппараты предназначены в основном для замораживания мелкоштучного либо измельченного плодоовощного сырья — плодов (слива, персик, абрикос), ягод (клубника, смородина, клюква, черника), овощных рагу и суповых смесей (свекла, морковь, кабачки, сладкий перец, капуста), картофеля фри. Возможно замораживание грибов (целиком или кусочками), а также мелкой рыбы и креветок. Этот класс аппаратов обеспечивает самую высокую (среди воздушных) скорость замораживания, минимальную усушку и сохраняет высокое качество продуктов. После замораживания продукт сохраняет исходную рассыпчатую структуру и прекрасно фасуется; 
конвейерные скороморозильные аппараты предназначены для замораживания мясных, рыбных, молочных, мучных полуфабрикатов и готовых блюд — блинов, слоеного теста, выпечки, котлет, бифштексов, гамбургеров, сосисок, вареников и пельменей, равиоли и т.д. Толщина замораживаемых изделий может составлять до 25 мм, а длина и ширина до 100 х 100 мм. Эти аппараты позволяют замораживать до 80% ассортимента продуктов, традиционно замораживаемых на импортных спиральных скороморозильных аппаратах. Возможно также замораживание продуктов растительной группы — грибов, клубники, персиков, абрикосов; 
люлечные скороморозильные аппараты предназначены для замораживания фасованных полуфабрикатов из птицы, мяса и рыбы — биточков, котлет, бифштексов, гамбургеров, сосисок (в том числе в вакуумной упаковке), кондитерских изделий, а также различных гарниров и готовых вторых блюд. Толщина замораживаемых изделий может составлять до 80 мм, а длина и ширина до 200 х 150 мм. Масса одного изделия (порции) может достигать 1 кг, а время замораживания до 2,5 часов. 
спиральные скороморозильные аппараты предназначены для замораживания порционных блюд из мяса, рыбы, плодов, овощей, а также полуфабрикатов в панировке.
Источник
