И их изменения

Теплофизические свойства пищевых продуктов

К наиболее важным теплофизическим свойствам пищевых продуктов относят: удельную теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, удельную энтальпию, криоскопическую температуру, плотность, равновесное давление пара.

Вымораживание воды в биологических системах при понижении их температуры ниже криоскопической существенно изменяет теплофизические свойства продуктов. Основной причиной изменения этих свойств при замораживании является превращение воды в лед, так как свойства сухих веществ практически постоянны.

Удельная теплоемкость – величина, численно равная количеству теплоты, необходимому для нагревания или охлаждения 1 кг вещества на 1⁰С (1 К).

Если известны состав продуктов питания и удельная теплоемкость отдельных компонентов, то удельную теплоемкость продукта рассчитывают по закону аддитивности:

c = n₁c₁ + n₂c₂ + … + n_nc_n, (6)

где n₁, n₂, …- массовые доли компонентов; с_1, с₂, …- удельные теплоемкости компонентов, Дж/(кг·К).

Продукты условно считаются двухкомпонентными системами, состоящими из воды и сухих веществ, тогда удельную теплоемкость определяют по формуле:

с = с_вw + c_c(1 – w), (7)

где с_в, с_с – удельные теплоемкости воды и сухих веществ, Дж/(кг·К);

w, (1 – w) – массовые доли воды и сухих веществ.

Теплоемкость сухих веществ большинства продуктов животного происхождения колеблется в пределах 1,34 …1,68 Дж/(кг·К), растительных – около 0,91 Дж/(кг·К). При отсутствии экспериментальных данных эти значения можно применять для оценки теплоемкости продуктов.

Изменение удельной теплоемкости продуктов в интервале температур замораживания определяется в основном начальным влагосодержанием продукта и количеством вымороженной воды. Теплоемкость убывает с понижением температуры, стремясь к нулю при абсолютном нуле температуры (третий закон термодинамики).

Теплопроводность – процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. Количественно теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности, который численно равен количеству теплоты, переносимому через единицу площади поверхности в единицу времени при градиенте температуры, равном единице:

λ = λ_вw + λ_c(1 – w), (8)

где λ_в – коэффициент теплопроводности воды, обычно принимаемый 0,60 Вт/(м·К);

λ_с – коэффициент теплопроводности сухих веществ, принимаемый 0,26 Вт/(м·К).

Значения коэффициента теплопроводности, рассчитанные по данной формуле, являются приближенными, поэтому ими пользуются только при отсутствии экспериментальных данных.

Теплопроводность продуктов с понижением температуры остается практически постоянной до начала замерзания, а затем увеличивается, так как коэффициент теплопроводности льда в четыре раза больше, чем воды. Увеличение теплопроводности продукта при понижении температуры практически завершается с окончанием льдообразования.

Температуропроводность. При охлаждении и замораживании продуктов, как и при их нагревании, действуют механизмы переноса продуктом тепловой энергии. В результате в продукте перемещается температурный фронт. Скорость этого перемещения характеризуется коэффициентом температуропроводности:

а = λ/(сρ) = λ/с_об (9)

где а – коэффициент температуропроводности продукта, м²/с; λ – коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(м·К); с – удельная массовая теплоемкость продукта, Дж/(кг·К); ρ – плотность продукта, кг/м³; с_об – удельная объемная теплоемкость, Дж/(м³·К).

Таким образом, температуропроводность равна тому повышению температуры, которое произойдет в единице объема данного вещества, если ему сообщить количество теплоты, численно равное его теплопроводности.

При положительных температурах температуропроводность продукта практически неизменна, но с началом льдообразования она резко уменьшается. Это вызвано выделением теплоты кристаллизации. При дальнейшем понижении температуры вследствие роста теплопроводности и уменьшении теплоемкости температуропроводность увеличивается и достигает максимального постоянного значения, когда вода полностью переходит в лед.

Энтальпия. Это однозначная функция состояния термодинамической системы, измеряемая в Дж/кг. Данными об изменении энтальпии продовольственных товаров в холодильной технологии пользуются обычно для определения отведенной или подведенной теплоты при холодильной обработке продуктов. Энтальпию отсчитывают при какой-либо начальной температуре (обычно – 20⁰С), при которой ее значение принимается за 0.

Криоскопическая температура. Это температура начала замерзания жидкой фазы продуктов. Тканевый сок продовольственных продуктов представляет собой диссоциированный коллоидный раствор сложного состава, которому соответствует криоскопическая температура – 0,5… - 5⁰С.

Плотность. Она представляет собой отношение массы продукта к его объему. Плотность продуктов при замораживании уменьшается тем больше, чем больше воды они содержат и чем ниже температура, которая достигается при замораживании. Это объясняется тем, что вода в тканях, превратившись в лед, увеличивается в объеме при неизменной массе. Учитывая, что изменение плотности при замораживании, как правило, не превышает 5…8%, при расчетах ее условно можно считать постоянной. Плотность большинства скоропортящихся продуктов составляет около 1000 кг/м³.

Равновесное давление пара над поверхностью продукта р_п из-за содержания во влаге продуктов растворенных веществ (сахара, соли и др.) несколько ниже давления насыщенного пара р_н при той же температуре даже при полном насыщении.

Отношение давления пара воды, содержащейся в продукте, к давлению пара чистой воды (или льда) при той же температуре называется относительным понижением давления водяного пара:

α_w = р_п/р_н, (10)

где α_w – коэффициент термодинамической активности воды, называемый иногда величиной водной активности.

Эта величина, выраженная в процентах (α_w = 100%), определяет равновесную относительную влажность воздуха, при которой продукт не теряет и не получает влаги. Величина равновесной относительной влажности зависит от природы продукта и является функцией его температуры, т.е. гигротермической характеристикой продукта.

Температурные графики замораживания характеризуют изменения температуры в различных точках продукта во времени и различаются в зависимости от размеров и теплофизических свойств замораживаемых продуктов, а также от интенсивности теплоотвода (рис. 1).

По внешнему виду и с точки зрения процессов, протекающих в продуктах, каждый такой график можно разделить на три участка.

Первый участок графика будет соответствовать охлаждению продукта (различных его частей) до криоскопической температуры. Причем крутизна этого участка определяется быстротой отвода теплоты от продукта.

На втором участке снижение температуры замедляется вследствие выделения скрытой теплоты льдообразования, и наклонная кривая может переходить в пологую или даже горизонтальную линию. Замедление снижения температуры для большинства продуктов характерно в диапазоне температур от -1 до -5⁰С, которые называются критическими, так как именно в этот период в продуктах происходят наиболее существенные изменения в результате вымораживания воды и увеличения концентрации солевых растворов.

Рис. 1 - Температурные графики замораживания рыбы

а – на воздухе при температуре -35⁰С и скорости циркуляции воздуха 5 м/с;

б – в растворе хлористого натрия при температуре -20⁰С.

Одна из основных целей интенсификации процесса замораживания – быстрое прохождение именно этого участка, что достигается применением быстрых и сверхбыстрых способов замораживания.

Третий участок графика показывает изменение температуры после перехода основной части воды в твердокристаллическое состояние. Изменение теплофизических свойств продуктов (увеличение теплопроводности и температуропроводности) стимулирует процесс отвода теплоты от его внутренних слоев, что отражается на графике увеличением наклона кривой.

Дата добавления: 2014-11-07