В холодильной технологии наиболее важными теплофизическими свойствами пищевых продуктов являются весовая теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и теплосодержание (энтальпия).

Весовая теплоемкость подчиняется закону аддитивности. Если считать пищевые продукты многокомпонентными смесями, то весовую теплоемкость можно подсчитать таким образом:

С = g₁C₁ + g₂C₂ + g₃C₃ + · + g_nC_n, ккал/кг · °C,

где g₁, g₂,· g₃,·  , g_n – весовые доли компонентов смеси;

C₁, C₂, C₃,   , C_n – весовые теплоемкости этих компонентов, ккал/кг · °C.

Если считать пищевые продукты двухкомпонентными системами с определенным соотношением частей воды и сухих веществ, то весовую теплоемкость можно определить по формуле

C₀ = C_ωW + C_c (1 – W), ккал/кг . °С,

где C_ω, C_c – теплоемкость воды и сухих веществ, ккал/кг · °C;

W₉ (1 – W) – содержание в продукте весовых частей воды и сухих веществ.

Если нужно подсчитать теплоемкость продукта при минусовой температуре, следует учесть, что часть воды превратилась в лед, а лед имеет теплоемкость примерно в половину меньше, чем вода.

В этом случае формула будет иметь вид:

C_м = C_ωW (1 – ω) + C_лW_ω + C_o (1 – W), ккал/кг · °C,

где С_л – теплоемкость льда, ккал/кг · °С;

ω – количество воды, превратившейся в лед.

Используя два последних выражения теплоемкости продукта, можно получить также выражение:

C_m = C₀ – (C_ω – С_л) W_ω, ккал/кг · °C.

Если принять теплоемкость воды C_ω = 1 ккал/кг °C, а льда С_л = 0,5 ккал/кг · °С, то получим

C_M = C₀ – 0,5W_ω, ккал/кг · °C.

Это уравнение часто используют для вычисления теплоемкости замороженных продуктов при минусовых температурах, хотя при этом некоторыми отклонениями и пренебрегают. Так, если теплоемкость льда не является величиной строго постоянной, а убывает по мере понижения температуры, то в технических расчетах этим обычно пренебрегают, принимая среднюю величину теплоемкости льда. Средние значения теплоемкости некоторых пищевых продуктов при температурах от 0 до 20° С следующие:

Продукт                              Теплоемкость,
                                                  ккал/кг · ⁰C

Мясо и рыба тощие                0,80
» говяжье жирное                   0,60
Свинина жирная                     0,52
Рыба »                                      0,68
Яйца куриные                         0,75
Масло растительное             0,50
Сыры жирные                         0,61
» тощие                                    0,67
Молоко натуральное             0,93
Фрукты разные                       0,80–0,95
Овощи разные                        0,85–0,98

Теплоемкость некоторых жиросодержащих продуктов при различных температурах показана в табл. 2.

В отличие от теплоемкости теплопроводность не является аддитивной калорической функцией и ее нельзя подсчитать по обычным законам смешения.

Таблица 2
Теплоемкость некоторых жиросодержащих продуктов при различных температурах, ккал/кг · °С

Эта формула предполагает сохранение постоянства коэффициента теплопроводности компонентов системы, когда они разделены и когда объединены в этой системе, а так как такое условие в пищевых продуктах не соблюдается, то расчеты с помощью формулы Максвелла в холодильной технологии затруднены и являются приближенными. Для вычисления теплопроводности продуктов по их составу пользуются опытными данными. Теплопроводность некоторых пищевых продуктов следующая, ккал/м · ч · °C:

На основании статистической обработки опытных данных выведена и приближенная эмпирическая формула, выражающая коэффициент теплопроводности пищевых продуктов при их замораживании как функция температуры

Значения постоянных nит следующие:

Формулами расчета теплопроводности пищевых продуктов пользуются лишь при отсутствии опытных данных, так как с помощью расчетов получают только приближенные величины.

Приближенное постоянство плотности, теплоемкости и теплопроводности при понижении температуры до начала льдообразования влечет за собой также приближенное постоянство температуропроводности в этой области температур. С началом льдообразования температуропроводность продуктов резко меняется, так как при этом уменьшается теплоемкость и увеличивается теплопроводность. Плотность же меняется незначительно, и при технических тепловых расчетах этими изменениями пренебрегают. Основная причина изменения теплоемкости продуктов при замораживании состоит в различии теплоемкости воды и льда, а теплопроводности – вследствие того, что теплопроводность льда примерно в четыре раза больше теплопроводности воды. В этих условиях теплопроводность замораживаемого продукта можно представить как функцию его температуры. Расчетный коэффициент температуропроводности будет иметь вид:

При понижении температуры пищевых продуктов этот коэффициент возрастает и достигает постоянной величины с окончанием процесса льдообразования в нем.

Так как изменения расчетных теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности продукта при льдообразовании определяют возрастанием количества вымороженной воды по мере понижения температуры, то можно использовать следующее выражение, характеризующее количество вымороженной воды в продукте, для описания изменений всех этих величин:

где t_кр – начальная и любая более низкая криоскопическая температура, °С.

Если считать, что при начальной криоскопической температуре количество вымороженной воды ω₀ = 0, а максимальное количество воды, которое может быть выморожено при наиболее низкой температуре, ω_мах = 1, то полное приращение количества вымороженной воды Δω при замораживании также равно единице. Следовательно, вышеприведенное уравнение можно записать так:

Рассуждая аналогично, можно написать выражения для С_м, λ_Μ, и а_М:

В этих выражениях предельные значения величин ω_max, λ_max, α_max и полные приращения их Δω, АС, Δλ и Δα постоянны.

Данные об энтальпии, или теплосодержании, пищевых продуктов в холодильной технологии используют обычно, определяя количество подведенного или отведенного тепла при заданном изменении температуры продукта. По разности энтальпий его конечного i_к и начального состояния i_н умноженной на весовое количество, вычисляют расход тепла (холода) на размораживание (замораживание) пищевых продуктов. Энтальпии продуктов i_к и i_н определяют по таблицам или расчетным путем по формулам:

i_к = C₀ (t_к – t_кр), ккал/кг;

t_н = С_м (t_н – t_кр) Wωr₃, ккал/кг,

где t_н и t_K – начальная и конечная температура продукта, °C;

г₃ – теплота плавления льда, ккал/кг.

Для определения количества подведенного или отведенного тепла при заданном изменении температуры продукта по разности энтальпий его конечного и начального состояния важны не абсолютные значения, а приращения энтальпии.

Приращение энтальпии при элементарном изменении температуры представляется как тепло изобарного процесса

di = С_рdp, ккал/кг.

Общее же выражение приращения энтальпии продукта при изменении его температуры до начала льдообразования (при охлаждении) представляется как

di = C₀dt, ккал/кг,

а в области температур, в которой происходит льдообразование (при замораживании)

di = Cadt, ккал/кг.

Различие влияний изменения температуры на величины C₀ и С_ω приводит к резкому изменению энтальпии пищевых продуктов, особенно в области наиболее интенсивного вымерзания основного количества воды – вблизи криоскопической температуры.

Значение криоскопической температуры для различных продуктов неодинаково. Например, для тканевых соков мяса теплокровных животных она равна – 0,6 ÷ –1,2° С, тканевых соков пресноводных рыб–от –0,8 до –1,0° С, морских рыб – от–2 до –2,2° С.

Понижение температуры пищевых продуктов приводит к изменению и механических свойств. Совокупную характеристику механических свойств пищевых продуктов дает понятие консистенции, не имеющее строгого физического смысла, размерности и числового выражения. В понятие консистенции входит вязкость, клейкость, упругость и др.

В некоторых случаях прибегают к объективному измерению консистенции продукта с помощью специальных приборов – пенетрометров, эластометров, консистометров, придавая механическим свойствам продукта числовые выражения.

Если при понижении температуры продукта в нем начинается льдообразование, то его механические свойства изменяются довольно значительно, что объясняется разностью механических свойств воды и льда. Однако изменения свойств продукта сложны и отличаются от теплофизических свойств продукта при охлаждении и льдообразовании.

Постепенное превращение воды в лед при понижении температуры продукта вызывает соответственно постепенное ослабление пластических свойств его, сменяемых упругими. Достаточно полная упругость и затухание пластичности наблюдается лишь при низких температурах, когда льдообразование в продукте завершилось или близко к завершению.

При значительном понижении температуры продукта (до 100° С) наряду с утратой пластичности продукт приобретает хрупкость, а разрывная прочность его существенно сокращается. Этим можно воспользоваться, например, при измельчении (дроблении) мяса, замороженного в жидком азоте. Качество фарша оказывается весьма высоким, а работа – более простой, чем при обычной технологии производства фарша.