При температуре ниже криоскопической точки тканевой жидкости мяса развивается процесс фазового превращения воды в кристаллический лед. В связи с тем, что мясной сок является раствором солей, он имеет температу­ру начала замерзания или криоскопическую точку в диапазоне от -0,6 до 1,2 °С (кровь от -0,55 до -0,56 °С). Для начала процесса необходимо не только получение температуры ниже криоскопической, т.е. достижение ста­дии переохлаждения, но и появление центров кристаллизации — зародышей кристаллов. Такими зародышами могут быть твердые и коллоидные части­цы, коагулят белков и т.д. Центры кристаллизации возникают, прежде все­го, в межклеточных пространствах, так как там концентрация тканевого со­ка меньше, чем внутри волокна.

Характер льдообразования в тканях мяса при непрерывном отводе те­плоты определяется двумя факторами: скоростью роста числа центров кри­сталлизации и скоростью роста самих кристаллов.

Максимальная скорость роста размеров кристалла приходится на темпе­ратурный интервал -1-5 °С. Скорость образования зародышей кристал­лов имеет максимум в более глубокой зоне охлаждения. Следовательно, при медленном охлаждении за счет высокой скорости роста кристаллов они об­разуются крупными (до 1000 мкм).

Образование кристаллов повышает концентрацию межклеточной жидко­сти и ее осмотическое давление. Возникает диффузионный перенос воды из клетки в межклеточное пространство (криоосмос). При относительно не­большой скорости теплоотвода происходит рост кристаллов только в меж­клеточном пространстве. В клетках кристаллы не образуются, но они обез­воживаются.

Образование крупных кристаллов льда в практике замораживания мяса — явление нежелательное. Большая часть воды после таяния кристал­лов теряет связь с белками и выделяется из мяса в виде сока. С ним теря­ются вкусовые и питательные вещества, ухудшается качество мяса и его функциональные свойства.

При средних и высоких скоростях охлаждения отмечают сочетание бы­строго роста числа центров кристаллизации и высокой скорости увеличения их размеров. Кристаллы льда образуются небольших размеров (5-20 мкм).

При сверхбыстром замораживании (при температуре -93 -194 °С) до 90 % кристаллов образуется внутри волокон. Они имеют размеры 0,2-0,3 мкм и оказывают не такое сильное деформирующее воздействие на ткани мяса, как крупные кристаллы, что положительно влияет на качество заморажива­емого сырья.

При высоких скоростях отвода теплоты кристаллы равномерно распре­делены как непосредственно в волокнах, так и в межволоконных простран­ствах, что уменьшает потери сока при размораживании.

Таким образом, размеры и характер распределения кристаллов в тканях определяют размеры потерь тканевой жидкости при размораживании мяса. Для исключения отрицательного влияния криоосмоса, получения мелкокри­сталлической структуры льда в местах естественного распределения воды в тканях без ее миграции необходимо сырье замораживать с высокой скоростью.

Продукт, поступающий на замораживание, обычно имеет температуру, которая выше криоскопической. Поэтому процесс замораживания складыва­ется из трех этапов: охлаждение продукта до криоскопической температуры, собственно замораживание, когда происходит кристаллизация основной массы влаги, и доведение температуры продукта до заданной.

Графическое изменение температуры продукта во времени носит назва­ние кривых замораживания. На рис. 10.4 показана кривая замораживания мяса при различных скоростях замораживания.

Кривая 1 относится к медленно замороженному мясу. Участок А-S со­ответствует периоду охлаждения до момента, при котором еще не образова­лись кристаллы льда. В точке S начинается кристаллизация или заморажи­вание. Выделенная теплота кристаллизации — причина повышения температуры до точки В. Участок В-С соответствует периоду, при котором замерзает основная часть влаги, находящейся в продукте. Наклон кривой не резкий, так как выделяющаяся теплота кристаллизации льда слабо отводит­ся из-за медленного теплообмена. После точки С замерзает мало воды, вы­деляется мало теплоты и поэтому температура продукта понижается до тем­пературы, близкой к температуре охлаждающей среды.

В технологии замораживания наибольший интерес представляет второй этап, соответствующий зоне наибольшего кристаллообразования (участок В^-С). Холод при прохождении данного участка расходуется в большей сте­пени на компенсацию теплоты льдообразования. Упорядочение структуры жидкости при кристаллизации сопряжено с уменьшением интенсивности мо­лекулярного движения, что сопро­вождается освобождением значи­тельного количества внутренней энергии, выделяющейся в виде скрытой теплоты фазового превра­щения из жидкого в твердое состоя­ние. Если интенсифицировать отвод скрытой теплоты льдообразования, то можно добиться получения мел­кокристаллической структуры льда в тканях мяса. Участок В-С на кри­вой 3 (см. рис. 10.4) практически от­сутствует. Кривая 2 характеризует изменение температуры при сред­ней скорости замораживания.

На первом этапе расходуется 15-20 %, втором — около 55 % и третьем — 20-25 % холода, что свидетельствует о наибольшей энергоемкости фазово­го перехода воды в лед. Значительное уменьшение расхода холода на третьем этапе по сравнению со вторым объясняется резким снижением тер­мического сопротивления замороженной части мяса вследствие увеличения теплопроводности почти в 2,5 раза.

Распределение температурного поля в объеме мяса при замораживании крайне неравномерно: поверхностные слои мяса замерзают сразу, в то вре­мя как в центре температура еще значительно выше криоскопической точ­ки. Чем быстрее процесс замораживания, тем больше неравномерность ра­спределения температуры в толще мяса.

Динамика вымораживания воды. В холодильной технологии воду, превратившуюся в лед, называют вымороженной. Процесс замораживания мяса можно рассматривать, прежде всего, как процесс замерзания тканевой жидкости. Эта жидкость состоит из водорастворимых минеральных солей (электролитов) и органических гидрофильных веществ коллоидного харак­тера (белковые золи, гели).

Наибольшее влияние на криоскопическую температуру оказывают элек­тролиты. При замораживании тканей мяса после достижения крноскопической точки начинает вымерзать или кристаллизоваться чистая вода. Соот­ветственно этому концентрация электролитов оставшейся жидкой фазы возрастает и ее криоскопическая температура понижается. До определенно­го предела по мере снижения температуры вымерзают все новые количества воды, но какая-то ее часть с наибольшей энергией связи с материалом оста­ется не замерзшей.

Динамика вымораживания воды в тка­нях мяса в зависимости от температуры по­казана на рис. 10.5. Наиболее интенсивно фазовый переход воды происходит при тем­пературе — 4 ± 2 °С.

Анализируя динамику вымораживания воды в тканях мяса можно подойти к обос­нованию температуры его замораживания.

Так, при температуре -18 -20 °С около 90 % свободной воды, содержащейся в мясе, переходит в лед, при этом в основном инак­тивируются протеолитические ферменты.

Снижение температуры до -30 °С обес­печивает переход в состояние льда еще око­ло 1,5 % воды, что значительно снижает ак­тивность липолитических ферментов.

Более глубоким замораживанием можно достичь и вымораживание свя­занной воды, однако такое замораживание технически сложно и экономиче­ски не выгодно. Поэтому при низкотемпературной обработке достаточная степень консервирования достигается при замораживании нежирного сырья до температуры -18 -20 °С, жирного — -25 -30 °С.

Количество вымороженной воды в продукте является функцией темпе­ратуры.

Для расчета количества вымороженной воды рекомендуется формула, предложенная Д. Г. Рютовым:

Для расчетов количество связанной воды в продуктах животного проис­хождения берут b = 0,27 кг/кг, растительного — b = 0,12 кг/кг сухого ве­щества.