Mass transfer characteristics during freezing of vegetable products in ice slurry

Abstract

The paper is devoted to research of mass exchange characteristics vegetative products in perspective not boiling cold-carrying media — ice slurry. Absorption by a product of the refrigeration medium dissolved substances after various stages of processing are established. The quantity’ of acts of the freezing appropriate to increase cryoscopic temperature of medium on 1 Cis revealed. Increase of mass exchangefactor P at rising of medium speed is designed.

Full Text

Замораживание пищевых продуктов в жидких средах, отличающееся высокой скоростью и малой длительностью процесса по сравнению с обработкой в воздушной среде, благоприятно влияет па качественные характеристики продукта.

Одним из основных недостатков этой технологии является активное проникновение растворенных компонентов хладоносителя в глубь продукта, что сопровождается негативным изменением его качества, в первую очередь органолептических показателей.

Это проникновение практически прекращается при достижении криоскопической температуры на поверхности продукта [4, 5].

Поскольку пищевые продукты растительного происхождения относятся к коллоидным капиллярно-пористым телам [2], они поглощают жидкие среды в основном посредством пор и капилляров с проницаемыми стенками. Поры и капилляры имеют многочисленные сужения и расширения, как правило, частично или полностью заполненные внутритканевыми жидкостями, которые существенно замедляют всасывание внутрь продукта молекул раствора хладоносителя под действием капиллярного давления. Замерзание содержимого капилляров и образование в них ледяных пробок сводят к минимуму проникновение жидкого хладоносителя в продукт. Однако это не означает полного прекращения его адсорбции на замерзшей поверхности продукта.

Применение двухфазных хладоносителей (айс-сларри) позволяет повысить общую скорость замораживания и, следовательно, снизить время достижения криоскопической температуры на поверхности продукта, что ведет к уменьшению количества поглощаемого хладоносителя [5J.

Цель работы исследование поглощения жидкого хладоносителя, и в частности отдельных растворенных веществ продуктом, а также изучение связанного с этим изменения криоскопической температуры хладоносителя.

В качестве объектов исследования были выбраны овощные и ягодные культуры урожая 2003 г., обладающие различной пористостью и структурой тканей: морковь сорта Лосиноостровская 13, картофель сорта Детскосельский, яблоки сорта Антоновка, кольраби сорта Венская белая 1250 и клюква боло тная. Все овощи и ягоды, за исключением кольраби, широко распространены на СевероЗападе России. Выбранные сорта районируются в течение многих лет и рекомендованы к промышленной переработке.

Для замораживания использовали ледяную суспензию (айссларри), полученную методом переохлаждения из жидкого хладоносителя, состоящего из воды, этилового спирта, сахарозы и хлорида натрия в соотношении 59:26:10:5 соответственно. Криоскопическая температура хладоносителя составляла -23,0 °C. Количество вымороженной влаги в суспензии со, поддерживаемое на уровне 20% (-28,8 °C), является оптимальным для достижения наименьшей продолжительности замораживания при фиксированной вязкости, характерной для наиболее распространенных жидких однофазных хладоносителей, при сохранении гомогенности айс-сларри.

Овощи, нарезанные кубиками с длиной грани 15 мм (с предварительным бланшированием в кипящей воде в течение 90 с или без него), а также ягоды клюквы замораживали погружением в айссларри при соотношении продукт : хладоноситель 1:3 в условиях свободного движения хладоносителя. После извлечения из суспензии их располагали на перфорированном поддоне на 20 с для стекания раствора, а затем размещали на целлюлозном адсорбенте еще на 20 с и периодически перемешивали.

Количество поглощенных растворенных компонентов хладоносителя определяли рефрактометрическим методом в водных экстрактах размороженного продукта, полученных при температуре 100 °C. Концентрацию этилового спирта в экстрактах находили дихроматпо-йодометрическим методом.

Приращение массы продукта при бланшировании и замораживании определяли взвешиванием.

Пористость продуктов вычисляли, используя экспериментально полученные физическую плотность рф и влагосодержание Ж по формуле, рекомендуемой Гинзбургом и Громовым [1]:

П = 1 р_ф/( 1500-502VV). (1)

Повышение криоскопической температуры айс-сларри вследствие поглощения этилового спирта, вносящего ключевой вклад в понижение температуры замерзания раствора, рассчитывали по уравнению [3]

$∆t=(K∆C)/M$,                          (2)

где $∆t$ повышение криоскопической температуры относительно первоначального уровня, °C;

К криоскопическая константа, град/моль;

АС изменение количества растворенного вещества (в данном случае этилового спирта) на 1000 г растворителя, г.

При расчете Аг допускали, что растворитель (вода) тем или иным способом попадает в систему и, таким образом, унос растворителя продуктом компенсируется, в то время как унос растворенных веществ-антифризов самопроизвольно не восполняется.

Коэффициенты массотдачи [3 (м/с) для этилового спирта, сахарозы и хлорида натрия, характеризующие интенсивность переноса молекул этих растворенных веществ из объема хладоносителя к поверхности продукта в зависимости от количества вымороженной влаги в суспензии ш, рассчитывали по критериальному уравнению для массообмена зернистого слоя продукта с хладоносителем в условиях естественной конвекции [2]:

Nu_m = 0,0387-(Pr_m-Gr)⁰-³³,         (3)

где Nu,„ массообменный критерий Нуссельта (критерий Шервуда);

Рг_m массообменный критерий Прандтля (критерий Шмидта);

Gr критерий Грасгофа.

Коэффициенты диффузии D этилового спирта и сахарозы вычисляли по уравнению Шайбеля [2], коэффициент диффузии хлорида натрия по уравнению Нернста [2].

С целью нахождения зависимости коэффициентов массоотдачи этилового спирта и сахарозы от скорости движения хладоносителя в случае вынужденного движения айс-сларри проводили расчет коэффициентов [3 по критериальному уравнению для массоотдачи в слое продукта (на примере кольраби), псевдоожиженного жидкостью (замораживание гидрофлюидизацией) [2]:

Nu_m = 2,0 + 1,5Pr_m^0.33_[(1-e_сл)Re]^0,5.             (4)

где £_сл порозность слоя, м³/м³, ^есл = (Рф Рп)Фф, для кольраби е_С1] = = 0,49;

Re критерий Рейнольдса.

Эксперименты повторяли трехкратно. Данные обрабатывали методами математической статистики при доверительной вероятпости 0,95 с применением корреляционного и регрессионного анализов.

В табл. 1 представлены полученные в эксперименте данные о поглощении растворенных компонентов хладоносителя исследуемыми овощами и ягодами, а также о степени их экстрагирования при температуре 20 °C. Наименьшее количество веществ было поглощено клюквой вследствие наличия на ее поверхности кожицы, которая адсорбирует растворенные вещества, не пропуская их в приповерхностные слои. Наибольшая величина поглощения зафиксирована у кубиков кольраби, что объясняется довольно высокой пористостью (П = 14,1 %) запасающей паренхимы, из которой состоит плод, а также тем, что поры кольраби достаточно крупные (намного больше, чем у других овощей). Второе место занимают яблоки, обладающие значительным количеством мелких пор (П = 21,7%), затем следуют картофель (П = 4,1%) и морковь (П = = 3,8%). Корнеплоды моркови содержат кроме запасающей паренхимной ткани также и проводящие пучки, которые, однако, не оказывают существенного влияния на увеличение количества растворенных компонентов хладоносителя в продукте. Бланптированные образцы поглощают растворенные вещества на 25-30% более интенсивно, что связано с нарушением упорядоченной структуры тканей и повреждением плазматических мембран.

Таблица 1

Поглощение овощами и ягодами растворенных компонентов хладоносителя

Продукт	Количество растворенных компонентов хладоносителя, поглощаемых продуктом, % массы продукта				Степень экстрагирования поголощенных веществ продуктом при t = 20 °C, %
	Бланшированный продукт		Небланшированный продукт		Бланшированный продукт	Нсблан тированный продукт
	всего	в том числе этилового спирта	всего	В том числе этилового спирта
Клюква	—		0,22	0,15		63,6
Яблоки	0,48	0,24	0,34	0,18	70,8	67,5
Картофель	0,42	0,26	0,30	0,19	71,4	50,0
Морковь	0,33	0,20	0,23	0,13	69,7	65,0
Кольраби	0,61	0,35	0,51	0,29	83.6	57,4

Приращение массы продукта вследствие поглощения растворенных веществ и растворителя при бланшировании, последующем замораживании со свободным стеканием раствора хладоносителя и после впитывания его адсорбентом представлено в табл. 2.

Введение операции поглощения избыточного раствора целлюлозным адсорбентом достаточно эффективно, так как прирост массы снижается па 80-85%. При этом можно использовать любые другие адсорбенты, разрешенные к применению в пищевой промышленности и обладающие достаточной степенью гидрофильности (как природные или искусственные минеральные сорбенты, так и сорбенты органического происхождения).

В табл. 3 представлены результаты эксперимента по определению уноса растворенных компонентов хладоносителя за 1 акт замораживания. При этом учитывались не только поглощение растворенных веществ продуктом, но и их потери при впитывании раствора адсорбентом.

В данном случае наиболее важен унос молекул этилового спирта, что серьезно влияет на повышение криоскопической температуры раствора хладоносителя (табл. 4). Это повышение мало, что позволяет провести значительное число актов замораживания, прежде чем криоскопическая температура повысится на 1 °C.

Замораживание бланшированных овощей сильнее влияет на характеристики айс-сларри и требует более частого восстановления концентрации этилового спирта в растворе хладоносителя.

В табл. 5 указаны коэффициенты массоотдачи р этилового спирта, сахарозы и хлорида натрия, рассчитанные по уравнению (3).

При повышении доли льда в айс-сларри или, что то же самое, понижении температуры с -23 до -28,8 °C, Р снижается в среднем на 9,5%. Абсолютные значения коэффициента массоотдачи хлорида натрия существенно выше, чем у этилового спирта и сахарожению поглощения компонентов раствора и достаточно продолжительному использованию среды без реконцентрации. Причем это достигается не только за счет малого времени замораживания, но и вследствие защитного действия кристаллов льда, которые, концентрируясь на поверхности продукта, изолируют ее от жидкой фазы и от находящихся в ней веществ.

Таблица 2

Приращение массы продукта в процессе обработки

Стадия обработки	Приращение массы продукта, %
	Клюква	Яблоки		Картофель		Морковь		Кольраби
	И	I	II	1	II	1	11	1	II
Бланширование	-	2.73		2,57		2,42		2.11	—
Замораживание с последующим свободным стеканием	0,57	1,84	1,48	1.32	1,12	0,98	1,24	1,72	1,25
Впитывание раствора сорбентом	0.41	0.92	0,74	0,78	0,63	0,60	0,57	1,05

Примечание. I — бланшированный продукт; 11 небланшированный продукт.

Таблица 3

Унос растворенных компонентов хладоносителя

Продукт	Унос растворенных веществ продуктом, % от массы хладоносителя
	Бланшированный продукт		Небланшированный продукт
	всего	в том числе этилового спирта	всего	в том числе этилового спирта
Клюква	-	-	0,10	0,068
Яблоки	0,32	0,16	0,25	0,13
Картофель	0,23	0,14	0,15	0,095
Морковь	0,18	0,11	0,14	0,079
Кольраби	0,32	0,18	0,28	0,16

Таблица 4

Повышение криоскопической температуры двухфазного хладоносителя при замораживании овощей, ягод и фруктов

Показатель	Замораживание продукта
	Клюква	Яблоки		Картофель		Морковь		Кольраби
	II	I	II	I	11	I	II	I	II
Приращение криоскопической температуры	0,0267	0 063	0,051	0,055	0,037	0.043	0,031	0,070	0,063
Число актов замораживания для повышения температуры на 1 °C	37,5	15.9	19,6	18,2	26,8	23,1	32,3	14,3	15,9

Примечание. 1 бланшированный продукт; 11 небланшарованный продукт.

Таблица 5

Коэффициенты массоотдачи β этилового спирта, сахарозы и хлорида натрия

Доля вымороженной влаги в суспензии со, %	Коэффициент массоотдачи р • 107, м/с
	Этиловый спирт	Сахароза	Хлорид натрия
0	4,49	2,74	39,6
5	4,37	2,66	38,8
10	4,28	2,60	37.9
15	4,21	2,54	36,8
20	4,11	2,46	35,7

Зависимость коэффициента массоотдачи β от скорости движения хладоносителя v

Из совместного рассмотрения данных, приведенных в табл. 1, 3 и 5, следует, что приблизительно 40% поглощаемых продуктом веществ приходится на сахарозу и хлорид натрия, вследствие чего их концентрации будут изменяться более быстрыми темпами, чем концентрация этилового спирта, хотя это и не будет существенно отражаться на криоскопической температуре. Повышенное поглощение сахарозы может объясняться се лучшей адсорбционной способностью по сравнению с низкомолекулярными соединениями, а также тем, что адсорбированная на поверхности кристаллов льда сахароза переходит на поверхность замораживаемого продукта при плавлении на ней кристаллов льда.

На рисунке приведены зависимости коэффициентов массоотдачи этилового спирта и хлорида натрия от скорости движения хладоносителя, рассчитанные по уравнению (4).

Из рисунка видно, что при увеличении скорости в 2 раза интенсивность переноса молекул растворенного вещества из объема хладоносителя к поверхности продукта возрастает в 1,7-1,8 раза. Следовательно, нецелесообразно чрезмерно повышать скорость движения хладоносителя не только по причине возрастания энергетических затрат на его перекачивание, но и из-за возможного увеличения количества поглощаемых растворенных веществ.

Это приводит к одновременному достижению таких ранее не соединимых качеств охлаждающей среды, как сведение к минимуму влияния на пищевой продукт веществ-антифризов, содержащихся в жидкой среде, и сохранение хороших теплоотводящих характеристик, присущих им, при практически любых используемых при замораживании температурах хладопосиеля.