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 + · + gnCn, ккал/кг · °C,
где g1, g2,· g3,· , gn – весовые доли компонентов смеси;
C1, C2, C3, , Cn – 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 = CωW + Cc (1 – W), ккал/кг . °С,
где Cω, Cc – 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:
Cм = CωW (1 – ω) + CлWω + Co (1 – W), ккал/кг · °C,
где Сл – теплоемкость льда, ккал/кг · °С;
ω – количество воды, превратившейся в лед.
Используя два последних выражения теплоемкости продукта, можно получить также выражение:
Cm = C0 – (Cω – Сл) Wω, ккал/кг · °C.
Если принять теплоемкость воды Cω = 1 ккал/кг °C, а льда Сл = 0,5 ккал/кг · °С, то получим
CM = C0 – 0,5Wω, 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 tкр – 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, ωмах = 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 См, λΜ, и аМ:
В этих выражениях предельные значения величин ωmax, λmax, αmax 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 iк и начального состояния iн умноженной на весовое количество, вычисляют расход тепла (холода) на размораживание (замораживание) пищевых продуктов. Энтальпии продуктов iк и iн определяют по таблицам или расчетным путем по формулам:
iк = C0 (tк – tкр), ккал/кг;
tн = См (tн – tкр) Wωr3, ккал/кг,
где tн и tK – 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 = Срdp, 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 Сω 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.