Technologia chłodnicza żywności - Technologia i technika zamrażania, Zamrażalnicze zamiany jakości i właściwości produktów

TECHNOLOGIA I TECHNIKA ZAMRAŻANIA

Zamrażalnicze zmiany jakości i właściwości produktów

Zamrażanie jako technika utrwalania żywności
Pod koniec trzeciej dekady XX w. w USA opatentowano i wdrożono do przemysłu technologię utrwalania żywności w niskiej temperaturze, której efektem było wkrótce wprowadzenie na rynek nowej grupy produktów zamrożonych. To typowo amerykańskie, pionierskie osiągnięcie z czasem przekształciło się w odrębną, nowoczesną wielobranżową dziedzinę przetwórstwa spożywczego.

Przemysłowe zamrażalnictwo żywności dysponuje możliwościami pozyskiwania sezonowo występujących surowców w optymalnym stadium ich przydatności technologicznej oraz nieosiągalnymi przy użyciu innych technik metodami ich utrwalania i przetwarzania.

Jako podstawową, makroekonomiczną funkcję zamrażalnictwa żywności wymienia się integrację produkcji rolnej z przetwórstwem spożywczym i rynkiem konsumenckim. Liczne pochodne tej funkcji sprawiają, że znaczenie zamrażalnictwa we współczesnej gospodarce żywnościowej trudno przecenić. Zapewnia ono ograniczanie wciąż jeszcze dużych strat surowców i produktów, przedłuża okresy zachowania ich wysokiej jakości, skutecznie pokonując czas i przestrzeń warunkuje ich stałą dyspozycyjność, sprzyja racjonalnej dystrybucji i rozwojowi międzykontynentalnej wymiany towarowej.

W warunkach zwiększającej się ludności globu, ograniczonych zasobach energii i praktycznie wyczerpanego areału ziemi pod uprawy, uzasadnione są obawy przed niedoborem żywności. Przy rosnącym (w tempie ok. 20% rocznie) poborze energii w nowoczesnej produkcji żywności, wyżywienie świata w coraz większym stopniu zależeć będzie nie od zwiększania jej podaży, lecz ograniczenia strat. Zamrażanie jest najmniej destrukcyjną, najbardziej naturalną, racjonalną i efektywną metodą utrwalania żywności. Optymalnie zachowuje ono żywieniowe i sensoryczne walory produktów, przy zużyciu 4-6-krotnie mniej energii niż na ich wytworzenie.

Dzięki swym zaletom, dostosowaniu do zmieniających się warunków bytowych i wymagań współczesnych społeczeństw oraz wyjątkowo innowacyjnej ofercie handlowej, zamrażalnictwo systematycznie umacnia swą pozycję na globalnym rynku żywnościowym. Przemysłowo zamrażane produkty są żywnością bezpieczną, o poziomie zakażenia drobnoustrojami oraz zawartości substancji niepożądanych znacznie poniżej granic tolerancji. Przyjmuje się, że produkty zamrożonej poniżej <-12°C są w pełni zabezpieczone przed mikrobiologicznymi formami psucia się.

Pomimo wysoce pozytywnej oceny efektów zamrażania, procesowi temu towarzyszą również pewne niekorzystne przemiany jakościowe. Zapoczątkowane podczas zamrażania i pogłębione w toku dalszej obróbki chłodniczej, nie zawsze są one w pełni odwracalne. Stopień zaawansowania tych zmian i ich odwracalności zależy od właściwości i wyjściowej jakości surowców i produktów oraz stosowanej technologii ich przetwarzania i zamrażania. Dla wielu produktów (mięso, ryby) dopracowano technologię zamrażania, pozwalającą zachować ich naturalne właściwości, porównywalne z walorami świeżej żywności. Niektóre produkty wymagaj ą stosowania dodatkowych zabiegów, j eszcze inne wykazują po rozmrożeniu znaczące różnice w porównaniu do produktów świeżych. W takich przypadkach, kiedy możliwe jest ograniczenie się tylko do schładzania produktów, temu procesowi należy przyznać pierwszeństwo.

Obecnie i w dającej się przewidzieć przyszłości, w zakresie utrwalania żywności nie należy oczekiwać konkurencyjnej techniki o podobnych walorach użytkowych. Schładzanie j est znacznie mniej energochłonne i również nie powodujące następstw jakościowych, nie zapewnia jednak dostatecznej dyspozycyjności produktów.

Zmiany strukturalne w mrożonej żywności
W produktach żywnościowych o budowie tkankowej, przemianie fazowej podczas zamrażania towarzyszą również zmiany ich tekstury i właściwości funkcjonalnych. W tkankach roślinnych zmiany strukturalne występują w obrębie łańcuchów celulozowych, natomiast w tkankach zwierzęcych w ich łańcuchach białkowych. Przemysłowe techniki zamrażania wywołują zawsze określone zmiany ultrastrukturalne, uchwytne mikroskopią elektronową, ale na ogół nie powodujące uszkodzeń struktur tkankowych i spadku walorów użytkowych produktów. Zakłada się, że tak długo jak kryształy lodu powstaj ą w miej scu przyżyciowego występowania tworzących je cząsteczek wody - nie następują poważniejsze uszkodzenia struktury.

Zamrażalnicze zmiany strukturalne w tkankach roślinnych są większe niż w tkankach zwierzęcych. Obejmują one:

•    plazmolizę (zjawisko koagulacji plazmy i odciągania wody, wpływające na zanik funkcji życiowych tkanek),
• utratę półprzepuszczalności membran komórkowych (powodują wymieszanie i ługowanie składników),
•   rozluźnienie struktur komórkowych (wyciek wody z cząsteczek pektyn i spadek ich funkcji wiązania komórek).

Zamrażanie pogłębia również zmiany strukturalne, wywołane obróbką cieplną produktów przed zamrożeniem (np. w blanszowanych warzywach).
Zmiany strukturalne zależą od budowy i funkcji komórek roślinnych. Mniej podatne na nie są włókniste tkanki warzyw o komórkach grubościennych niż delikatne tkanki i komórki owoców. Lepszą przydatność wykazują wyselekcjonowane odmiany o zwięzłej konsystencji miąższu. Zmiany ultrastrukturalne maleją ze wzrostem zawartości skrobi w komórkach i suchej substancji w tkankach. Młode komórki są bardziej odporne na te zmiany niż komórki stare.

Mechanizm zmian strukturalnych w zamrażanych owocach i warzywach jest mało znany. Wg Seböka [37] są one powodowane wzrostem ciśnienia, towarzyszącym przemianie fazowej roztworów wewnątrzkomórkowych, które wymarzając w dalszej fazie procesu szybko zwiększają swą objętość. Istotnie lepsze zachowanie konsystencji truskawek i malin przynosi zamrażanie kriogeniczne. Podczas zamrażania fluidyzacyjnego truskawek o zróżnicowanej jakości obserwuje się rozrywanie w podmuchu powietrza owoców o słabszej konsystencji i osadzanie ich cząstek na powierzchni innych owoców (zjawisko określane żargonowo jako „choinki").

Zamrażalnicze zmiany strukturalne w tkankach zwierzęcych o prostszej budowie są bardziej ograniczone. Nawet kilkukrotne kontrolowane zamrażanie i rozmrażanie powodują jedynie niewielkie zmiany w ultrastrukturze produktów. Zamrażane tkanki ryb zmiennocieplnych są podatniejsze na te zmiany niż mięso i drób.

Największe nasilenie niekorzystnych zmian zamrażal-niczych obserwuje się we frakcji białkowej produktów. Polegają one na określanych jako „denaturacja mroże-niowa" procesach dezorganizacji struktury przestrzennej makrocząsteczek. Podatne na te zmiany są zwłaszcza białka miofi brylarne i retikulum, przy niewielkich zmianach białek sarkoplazmy [48]. Białka ryb (zwłaszcza sarkomiozyn) są na te zmiany bardziej podatne niż białka zwierząt stałocieplnych, w drobiu są one wyraźniej sze w mięśniach ciemnych niż jasnych.

Za główną przyczynę zmian frakcji białkowej uważa się spadek ilości dostępnej wody, mechaniczne uszkodzenia struktury mięśni przez kryształy lodu i wzrost stężenia substancji rozpuszczalnych w niewymrożonej części roztworów tkankowych [38]. Warunkiem stabilności natywnej struktury białek jest utrzymywanie wody przez ich grupy funkcyjne o  energii wiązania większej od uwalnianej przy przemianie fazowej wody w lód. Duże znaczenie mają interakcje białek miofi brylarnych z wodą, które określają zachowanie produktów podczas procesów technologicznych. Dopiero zaawansowane zmiany stają się nieodwracalne. Wiąże się to z rozpadem pośrednich wiązań stabilizujących strukturę białek (rys. 1) i naruszeniem biologicznie ważnych właściwości funkcjonalnych [38].

Najbardziej typowe zmiany frakcji białkowej, to spadek rozpuszczalności, zdolności wiązania wody i pęcznienia, zwiększanie wycieku rozmrażalniczego i pogorszenie konsystencji. W typowych warunkach przemysłowych, zmiany białek nie są zbyt istotne. W temperaturach <-5°C ich szybkość znacznie maleje, m.in. ograniczana zmianami właściwości pozostałego roztworu (lepkość, siły jonowej, pH). Niewielkie na ogół są straty białek i produktów ich degradacji. W większości przypadków trudno jednoznacznie rozstrzygnąć, czy zaistniałe zmiany przekraczają już trudną do zdefi niowania granicę rzeczywistych zmian denaturacyjnych.

Wpływ szybkości zamrażania na jakość produktów
Przez wiele lat ścierały się kontrowersyjne opinie na temat wpływu szybkości procesu na jakość zamrażanych produktów. Wielu badaczy prowadziło wnikliwe studia tego procesu, w wyniku czego istnieje dziś dość dokładny obraz przemian, jakie zachodzą w produktach, w różnych warunkach ich zamrażania. Nie stwierdzono ogólnej zależności między szybkością zamrażania i jakością zamrożonych produktów. Wpływ ten był w przeszłości mocno przeceniany, obecnie przyjmuje się, że wrażliwość produktów na szybkość zamrażania jest istotnie zróżnicowana. Produkty tkankowe o mniej zwartej konsystencji doznają z reguły większych uszkodzeń. Zwykle wyróżnia się pod tym względem 4 grupy produktów [15]:

1    -   produkty, na które szybkość zamrażania praktycznie
nie ma wpływu (o dużej zawartości suchej substancji, przetłuszczone mięso, część potraw);
2    -   produkty mało wrażliwe na szybkość, przy zachowaniu pewnej wartości minimalnej (ryby, chude mięso, potrawy zawierające skrobię);
3  -  produkty poprawiające jakość przy wzroście szybkości (produkty roślinne o małej suchej substancji, ale jędrnej tkance);
4    -   produkty zachowujące dobrą jakość tylko przy szybkim i ultraszybkim zamrażaniu (m.in. maliny, pomidory, ogórki).

Istnieją próby uściślenia szybkości przemysłowych procesów zamrażania, zalecanych dla poszczególnych grup produktów. Dla produktów 2. grupy proponuje się przyjąć minimalne wartości szybkości procesu na poziomie 0,3 cm/h lub 0,5-1,0 K/min., dla produktów 3. grupy jako optymalne odpowiednio wartości 8 cm/h lub 3-6 K/min. Doświadczalnie ustalono, że szybkość zamrażania w > 2 cm/h jest wystarczająca dla zachowania właściwej struktury większości produktów żywnościowych o budowie tkankowej. Na podstawie cech zewnętrznych możliwe jest jedynie rozróżnienie produktów zamrażanych przy skrajnych szybkościach procesu (np. <0,1 i >10 cm/h).

Zmiany wyróżników sensorycznych i mikroskładników produktów
Jakość żywności jest określana nie tylko przemianami w obrębie ich podstawowych składników, ale także (często przede wszystkim) zmianami ich mikroskładników, które na proces zamrażania reagują w różny sposób. Mikroskładniki o rozproszeniu cząsteczkowym, w stanie naturalnym chemicznie stabilne (sole mineralne, proste cukry, kwasy organiczne, elementy śladowe), podczas zamrażania nie ulegają istotnym zmianom. Ich straty są możliwe jedynie w fazie obróbki wstępnej.

W warunkach powszechnej dostępności tlenu, wiele mikroskładników żywności narażonych j est na procesy utleniania. Tylko w tłuszczach i lipidach zmiany oksydacyjne ujawniają się dopiero podczas przechowywania zamrożonych produktów.

Szczególne znaczenie mają przemiany mikroskładników, którym towarzyszą uchwytne zmiany cech produktów, współokreślające ich jakość sensoryczną. Ważny wyróżnik jakości stanowi barwa produktów, często wyprzedzająca inne zmiany sensoryczne. Można podać wiele przykładów takich przemian, np. ciemnienie owoców o miąższu jasnym (utlenianie bezbarwnych polifenoli do chinonów) i czerwonym (przemiany antocyjanów), konwersja chlorofi lów do feofi tyny w warzywach zielonych. Zachowanie wielu barwników w niskiej temperaturze jest dotąd mało znane. Wysiłki technologów zmierzają do zachowania naturalnej barwy produktów poprzez eliminowanie aktywności enzymów, obniżanie temperatury, ograniczanie dostępu tlenu i światła, zmiany odczynu, dodatki przeciwutleniaczy.

Zmiany barwy mięsa wiążą się z przemianami barwników mięśniowych i polegają na przechodzeniu zredukowanej mioglobiny Mb w formę utlenowaną (oksymioglobina MbO ) lub utlenioną (metmioglobina MMb). W mięsie po zamrożeniu dominują Mb i MbO2, nadające mu naturalną czerwoną barwę. Niekorzystne zmiany barwy na brązową obserwuje się po ok. 4 tygodniach przechowywania w temperaturze -18°C, przy wzroście MMb >40%.

Często występują brązowe przebarwienia powierzchni filetów rybnych mrożonych na morzu (wynik utleniania chromoproteidów i reakcji Maillarda). Szczególna forma brązowienia mięśni występuje przy zamrażaniu tuńczyków. Skuteczne ograniczenie tych zmian wymaga stosowania temperatury <-45°C.

Zmiany barwy produktów mrożonych mogą być również wynikiem powierzchniowej ususzki produktów. Przy lekkim wysuszeniu powierzchnia mięsa zabarwia się na kolor brązowoczerwony, owoce i warzywa tracą naturalny połysk i matowieją. W późniejszym stadium pojawia się odcień szarożółty i miejsca lokalnie odwodnionych tkanek o innym zabarwieniu.

W pełni odwracalnym zjawiskiem jest optyczny efekt wybielenia, powstający w wyniku tworzenia się drobnokrystalicznej struktury szybko zamrażanych powierzchniowych warstw produktów (korzystny w odniesieniu do drobiu, niekorzystny dla mięsa).

Osłabienie aromatu owoców następuj e głównie w wyniku rozkładu typowych dla nich estrów zapachowych pod wpływem enzymów tkankowych lub kwasów przenikających z uszkodzonych komórek na zewnątrz. Wysokie ciśnienie cząstkowe substancji aromatycznych umożliwia ich bezpośrednie przechodzenie do otoczenia. Lotne substancje zapachowe porywane są także przez cząsteczki sublimującej pary wodnej. Przyczyną wielu niekorzystnych zmian zapachowych mogą być uboczne efekty określonych interakcji zachodzących pomiędzy składnikami produktów lub współdziałania tlenu atmosferycznego z enzymami oksydacyjnymi.

Istotny wyróżnik jakości zamrażanych produktów stanowi konsystencja, podlegająca przemianom m.in. w wyniku przekształceń strukturalnych, procesów denaturacji białek i hydrolizy tłuszczów.

Można przyjąć, że w zasadzie każdy proces przebiegający w produktach żywnościowych podczas ich zamrażania i przechowywania może mieć określone następstwa sensoryczne.

Jakość mrożonej żywności zależy również od strat fizjologicznie ważnych składników, określających w znacznym stopniu ich wartość żywieniową. Sceptycznie odnieść się należy do nie znajdującej naukowego potwierdzenia hipotezy o pozytywnym wpływie zamrażania na wzrost przyswa-jalności niektórych mikro składników mrożonej żywności, m.in. żelaza, witamin grupy B, czy wartościowych frakcji albumin.

Straty witamin podczas zamrażania zależą od ich charakteru chemicznego, początkowej zawartości w surowcach oraz parametrów zamrażania i przechowywania. Największe straty od 20 do 50% zawsze występują podczas przetrzymywania przed przerobem i w procesie blanszowania warzyw. Przemiana kwasu askorbinowego KA w mrożonych owocach i warzywach polega na zwykle enzymatycznym utlenianiu do kwasu dehydroaskorbinowego KDA i następnie kwasu 2,3-diketogulonowego. Dwa pierwsze składniki są fi zjologicznie aktywne (sumę KA + KDA określa się jako witaminę C), trzeci jest bez wartości. Różne źródła podają nieco odmienne dane dotyczące strat witaminy C podczas przemysłowego zamrażania owoców i warzyw; wg źródeł niemieckich [10] nie przekraczają one 10%. Wyższe straty zamrażania warzyw (w wyniku większego pH i dodatkowych strat blanszowania), rzędu 20-40% są kompensowane mniejszymi stratami przechowalniczymi. Wyliczono, że średni spadek witaminy C podczas przechowywania 17 krajowych odmian truskawek wynosi ok. l%o wartości wyjściowej dziennie w temperaturze -18°C.



Niezależnie od postępującego spadku ogólnej ilości witaminy C w zamrożonych owocach obserwuje się niekorzystne zmiany w proporcjach obu j ej frakcji (rys. 2). Udział KDA wzrasta po obróbce zamrażalniczej w wiśniach z 52 do 93%, w malinach z 66 do 80%, w truskawkach z 78 do 82%. W mrożonych morelach, brzoskwiniach i śliwkach witamina C występuje praktycznie tylko w postaci kwasu dehydroaskorbinowego. Dodatek cukru suchego lub syropu wpływa korzystnie na zachowanie witaminy C (ograniczenie aktywności enzymów i kontaktu z tlenem atmosferycznym). Warto tu może przestrzec, że przy niekiedy praktykowanym, bardzo powolnym zamrażaniu owoców z cukrem w dużych beczkach, jako półprodukt do dalszego przetwórstwa, mogą występować zmiany fermentacyjne.

Dane literaturowe dotyczące strat innych witamin w produktach zamrożonych są nader skąpe. W produktach zwierzęcych stwierdza się pewne straty witamin z grupy B. Zależą one od rodzaju substratu i występują głównie w fazie obróbki wstępnej oraz podczas rozmrażania. Względną stabilność wykazuje niacyna i kwas pantotenowy, nieco mniej szą pirydoksyna, tokoferol i rybofl awina, najmniejszą tiamina.




Podczas zamrażania znacznie zmieniają się podstawowe właściwości produktów żywnościowych. Dotyczy to zarówno widocznych cech zewnętrznych, jak i właściwości cieplno-fizycznych.

Zewnętrzne zmiany zamrażanych produktów
Produkty zamrożone różnią się od schłodzonych głównie rzucającą się w oczy sztywną strukturą. Twardość stanowi zewnętrzny przejaw bardziej subtelnych zmian cech mechanicznych produktów. W większości z nich występują takie cechy jak plastyczność i sprężystość, w cieczach płynność. Cechy te zmieniają się podczas zamrażania wraz ze zmianą stanu produktów. Poniżej Tkr tkanka mięśniowa produktów zwierzęcych wykazuje np. cechy określane jako sprężysto-plastyczne, z postępującą w miarę obniżania temperatury przewagą sprężystości, która w temperaturze -65°C staje się cechą dominującą.

Powierzchnie zamrożonych produktów wykazują niekiedy żywsze zabarwienie, stanowiące efekt optyczny wywołany przez kryształy lodu.

W przeciwieństwie do większości cieczy, wymrożenie wody powoduje wzrost objętości - maksymalny do 9% przy zamrażaniu czystej wody. Szybkie zamrażanie lepiej zachowuje stan uporządkowania cząsteczek wody oraz ogranicza rozszerzalność i towarzyszące jej niekorzystne zjawiska, wywołane efektem rozsadzania przez wymarzającą wodę.

Zmiany objętościowe zamrażanych produktów są mniejsze, ze względu na fakt, że nie składają się one z samej wody, nie cała woda podlega zamrożeniu, a ponadto produkty o budowie tkankowej posiadają wewnętrzne przestrzenie powietrzne. Średni przyrost objętości żywności po zamrożeniu wynosi ok. 6% ze znacznymi odchyleniami (np. pulpa truskawkowa zwiększa objętość o 8,2% gdy całe truskawki tylko o 3%).

Wzrost objętości zwiększa ciśnienie wewnętrzne w obrębie zamrażanych produktów nawet do 1,2 MPa (Lorentzen), co powodować może szkodliwe oddziaływania na strukturę tkankową. Z tych względów tak znaczne zmiany objętości powinny być brane pod uwagę podczas projektowania aparatów zamrażalniczych.

Jednocześnie w procesie zamrażania, z obniżeniem temperatury <Tkr, w wyniku wzrastającego udziału lodu o gęstości mniejszej od wody (odpowiednio 917 i 1000 kg/m3) o ok. 10% maleje również gęstość zamrażanych produktów.

Zmiany właściwości cieplno-fizycznych produktów
W procesie zamrażania zasadniczo zmieniają się takie istotne właściwości produktów, jak ciepło właściwe C, przewodność cieplna X i przewodność temperaturowa (dy-fuzyjność cieplna) a. Właściwości te w temperaturach >Tkr są w przybliżeniu stałe, jednak w fazie przemiany fazowej wykazują zmiany, podlegające takiej samej zależności funkcjonalnej od temperatury, jak ilość wymrażanej w produktach wody co.

Wobec zestawionych poniżej, zasadniczo odmiennych właściwości cieplno-fi zycznych wody i lodu, ich zmiany w zamrażanych produktach - przy braku ostro zaznaczonego punktu zamarzania - następują stopniowo, w istocie w sposób ciągły w szerokim zakresie temperatury wewnętrznej (od Tkr do ok. -35°C), przy szczególnym nasileniu w początkowej, krytycznej fazie procesu (do ok. -5°C).

Złożoną zależność współczynników cieplnofi zycznych zamrażanego mięsa od j ego temperatury wewnętrznej przedstawia wykres na rysunku 3. Praktycznie do wyznaczania tych właściwości stosuje się wyprowadzone z prawa Raoulta wzory uproszczone w ogólnej postaci:

                                                         X_z=X_o±A*W*w

Pozwalają one orientacyjnie określić badaną właściwość zamrażanego produktu XZ na podstawie jej znanej wartości >Tkr -X0 oraz odchylenia, obliczonego w oparciu o zawartość wody w produkcie W i stopień j ej wymrożenia co przy danej temperaturze wewnętrznej T. Liczbowe wartości współczynników korekcyjnych A we wzorze stanowią różnicę pomiędzy doświadczalnie ustalonymi wartościami tych współczynników dla wody i lodu. Podstawiając te dane do wzoru ogólnego uzyskuje się podane niżej wzory, określające wartość danej cechy w trakcie zamrażania produktu:

Na zmianę właściwości cieplnych zamrażanych produktów wpływać mogą również niektóre zabiegi technologiczne (np. rozdrabnianie, niszczące struktury tkankowe oraz ogrzewanie w środowisku wody) wg [15].

Ciepło właściwe produktów podlega prawu addytywności i stanowi sumę iloczynów ciepła właściwego wszystkich składników C i ich ułamków masowych x_i:

                                                C = E c_i * x_i

Ciepło właściwe w temperaturach <Tkr określa wzór uproszczony:

                                    C = 4,187 * W + C_ss (1 - W)

gdzie: W-zawartość wody, C_ss - średnie ciepło wł. suchej substancji = 1,256 kJ/(kg . K).

W obszarze zamrażania na zmianę ciepła właściwego produktów istotnie wpływa wydzielanie się znacznych ilości ciepła przemiany fazowej (335 kJ/kg), stanowiące efekt spadku energii kinetycznej cząsteczek w strukturach kryształów lodu.

Szczególnie skomplikowany charakter mają przemiany ciepła w krytycznej strefi e procesu, gdzie na malejące jawne ciepło właściwe samych produktów C_pz raptownie nakłada się utajone ciepło zamarzania wody Q_w , określone relacją:

                                                      Q = (w₁- w₂)*L_e*W

gdzie: w₁-w₂ - ilość wymrożonej wody, L_e- ciepło przemiany fazowej jednostki masy wody o 1 K, W - względna zawartość wody w produkcie.

Zachodzące podczas zamrażania zmiany entalpii, konieczne dla obniżenia temperatury jednostki masy zamrażanego produktu o 1 K dotyczą całkowitego ciepła właściwego C_zw , obejmującego zarówno ciepło właściwe samych produktów C_pz, jak i ciepło ich przemiany fazowej Q_w:

                                                        C_zw   = C_pz   + C_w

Zarówno C_pz, jak i C_zw są funkcjami zależnymi od temperatury o zupełnie odmiennym przebiegu w obszarze zamrażania, co przedstawiono porównawczo na wykresach a i b na rysunku 4. Jak wynika z porównania obu wykresów nałożenie się ciepła przemiany fazowej na monotoniczną, malejącą funkcję C_pz = f (T) istotnie zmienia charakter funkcji C_zw = f (T) i jej przebieg < Tkr. Wysoka wartość całkowitego ciepła właściwego (charakterystyczne piki na wykresie b) utrzymuje się do czasu wymrożenia podstawowej masy wolnej wody, po czym stopniowo, dość szybko się obniża przy malejącym udziale ciepła właściwego. W końcu procesu zamrażania ustala się ona na poziomie, w przybliżeniu o połowę mniejszym od wartości C z produktów w stanie nie zamrożonym. Dla przykładu dla większości gatunków owoców i warzyw wynosi ono po zamrożeniu 1,8 - 1,9 kJ/(kg.K), wobec 3,6 - 3,9 kJ/(kg.K) w stanie świeżym.

Znamienne jest, że przejściowa, wysoka zawartość całkowitego ciepła właściwego w szczególnym stopniu zależy również od zawartości wody w produkcie - im jej mniej, tym mniejszy jest pik na wykresie, a przy W<20% pik w ogóle nie występuje.

Przewodność cieplna żywności jest właściwością w pełni zależną od rodzaju i temperatury produktu. Ponieważ współczynnik X lodu jest ok. 3,7-krotnie większy niż wody, podczas zamrażania następuje szybki wzrost przewodności cieplnej produktu, w miarę spadku temperatury i wzrostu ilości wymrożonej wody, co oczywiście korzystnie wpływa na intensyfikację procesu zamrażania. Różnice przewodności cieplnej produktów zamrożonych w porównaniu do produktów świeżych są tym większe, im większa jest w nich zawartość wody. W produktach o strukturze tkankowej na wartość współczynnika X wpływa również kierunek strumienia ciepła. Przy przepływie równoległym do włókien jest on o ok. 15% większy niż przy przepływie prostopadłym. Odpowiednie wartości współczynnika X wynoszą: 1,36 i 1,07 w temperaturze -100C oraz 1,44 i 1,17 w temperaturze -20°C, wobec wartości 0,50 W/(m.K) w temperaturze 0°C.

Zmiany współczynnika przewodzenia ciepła podczas zamrażania produktów przedstawiono na rysunku 5. Linia wykresu rośnie monotonicznie, największy przyrost współczynnika X przypada na strefę maksymalnej krystalizacji, tuż poniżej Tkr. Jako praktycznie użyteczne przyjmuje się orientacyjne wartości współczynnika X produktów ok. 0,6 na początku i ok. 2,2 W/(m.K) na końcu przemysłowego procesu zamrażania. Ciepło przemiany fazowej nie ma fi zycznego związku z przewodnictwem cieplnym zamrożonych produktów, wiąże się natomiast z przewodnictwem temperaturowym.

Niestacjonarność procesu zamrażania powoduj e czasową zmienność pole temperaturowego. Szybkość rozprzestrzeniania się ciepła w obrębie produktu do momentu dostosowania do temperatury otoczenia określa przewodność temperaturowa (nazywana też dyfuzyjnością cieplną), której miarą jest współczynnik wyrównania temperatury:

                                                      a = X/C*p [m²/s]

Wszystkie elementy warunkujące wartość współczynnika a (przewodność X, pojemność cieplna C, gęstość p) w różny sposób zmieniają się podczas zamrażania. Skokowe zmiany tych wielkości, przy znacznych różnicach ich wartości dla wody i lodu powodują, że zmienia się również przewodność temperaturowa od wartości 0,14 10^-6 m²/s dla wody do 1,16 10^-6 m²/s dla lodu. Im większa jest wartość współczynnika a, tym szybciej zachodzi wyrównywanie temperatury w obrębie produktów, zwłaszcza przy większej zawartości wody.

W zamrażanych produktach przewodność temperaturowa rośnie w sposób ciągły, osiągając końcową wartość o ok. 0,7 - 0,8 10^-6 m²/s większą niż przed procesem. Doliczając do występującej we wzorze na współczynniku a pojemności cieplnej, ciepło krzepnięcia wody - ten przyrost wartości współczynnika a zwiększa się do 1,02 m²/s. Stąd w fazie zamrażania występują właściwie dwie odmienne funkcje a = F (T), zależne od tego, czy w wartości ciepła właściwego uwzględniono ciepło zamarzania wody, czy nie. Przedstawiono to na rysunku 6 w postaci dwóch linii wykresu, które dopiero w temp. -30°C mają ten sam przebieg (w funkcji a_w wartość Q_w uwzględniono, w funkcji a_pz nie).

cdn ...

autor: inż Jacek Postolski

źródło: technika chłodnicza i klimatyzacyjna

 

 

---