Раздел IV. Приложение…………………………..…………………………...….268 2 страница

Более детальный анализ внутриклеточной структуры позволяет в клетке выделить ядро, хлоропласты, оболочку (рис. 1.4). Наблюдение в электронный микроскоп увеличивает глубину представления о клеточной структуре, ее компонентах, таких, например, как митохондриях, эндоплазматической сети и т.д., являющихся фундаментальной основой построения представления о биологии клетки и ткани в целом.

Холодильная технология пищевых продуктов опираясь на фундаментальные основы биологии довольствуется в основном преставлениями макроструктурного анализа клеточной структуры.

Контрольные вопросы:

1. Какие формы связи влаги с компонентами продукта известны?

2. Чем отличается физико-химическая форма связи влаги от химической?

3. Чем в биологическом плане отличие продуктов животного растительного происхождения?

4. Каковы основные структурные компоненты продукта?

5. Какова роль минеральных веществ и веществ органического происхождения в создании осмотического давления раствора тканевого сока?

6. Как оценивается осмотическое давление раствора?

7. В чем состоят гистологические особенности структуры продуктов животного и растительного происхождения?

Глава 2

2. Микрофлорапищевых продуктов

В ряду факторов влияющих на изменение исходных свойств продуктов, микрофлору рассматривают как один из существенных факторов, приводящих к потере продуктами потребительских свойств.

В полном объеме свойства микроорганизмов изучаются в специализированных дисциплинах, в частности, в дисциплине “Микробиология”. В холодильной технологии, сведения о микроорганизмах рассматриваются лишь в контексте возможного воздействия на микрофлору с целью подавления ее жизнедеятельности.

Большинство микроорганизмов, являющихся предметом изучения, относятся к низшим организмам. К ним относят бактерии, дрожжи, плесени.

Бактерии– одноклеточные организмы. Клетки бактерий состоят из цитоплазмы (протоплазмы) и оболочки. В состав цитоплазмы входит до 80% воды. Цитоплазма чувствительна к внешним воздействиям. Она коагулирует при повышении температуры до 50…60^оС и, отчасти, при замораживании.

Клеточная оболочка бактерий в основном состоит из азотистых веществ. Размножение бактерий осуществляется простым делением клеток. В процессе спорообразования протоплазма уплотняется, покрывается плотной оболочкой. Споры устойчивы к воздействию высоких и низких температур.

Актиномицеты(лучистые грибки) – одноклеточные организмы, тело которых (мицелий) представляет тонкие, сильно разветвленные нити. Размножаются грибки посредством спор.

Дрожжи(дрожжевые грибки) относятся к классу сумчатых грибков. Размножаются преимущественно почкованием, некоторые – делением.

Различают природные дрожжи, которые располагаются на поверхности продуктов и культурные, которые используют для производственных целей – хлебопечения, виноделия, пивоварения и т.д.

Плесениили грибы – низшие споровые растения. Мицелий гриба состоит из переплетенных нитей – гиф. Размножаются плесени преимущественно посредством спор.

2.1. Питание и дыхание микрофлоры

Питание и дыхание микрофлорыявляются составными частями обмена веществ, связанных с поступлением веществ из питательной среды внутрь клетки и выделения в питательную среду продуктов их жизнедеятельности. Обмен веществ с питательной средой у микроорганизмов происходит путем осмоса через всю поверхность клетки.

Осмотическое давлениесмеси равно сумме парциальных давлений компонентов. Поэтому каждое вещество из смеси проникает в клетку в соответствии с его собственным осмотическим давлением. Следовательно, поступление питательных веществ в клетку не прекращается даже при низкой их концентрации в питательной среде.

Проницаемость клетки и, следовательно, интенсивность процесса питания зависит от физико-химических условий среды, возраста и состояния клетки. Общая схема процесса питания состоит в выделении микробной клеткой веществ в питательную среду, расщеплении компонентов среды до состояния, пригодного к осмотическому перемещению необходимых компонентов внутрь клетки.

Развитие микрофлоры происходит при затрате энергии. Потребность микрофлоры в энергии удовлетворяется в процессе дыхания.

Процесс дыхания – это совокупность реакций, служащих клетке источником энергии.

В зависимости от отношения к кислороду микроорганизмы делят на две группы: аэробные – нуждающиеся в кислороде и анаэробные – не нуждающиеся в кислороде. Некоторые микроорганизмы в состоянии жить как в кислородной среде, так и в ее отсутствии. Их называют факультативные анаэробы.

Конечными продуктами окисления аэробными микроорганизмами органических соединений являются углекислый газ и вода. Некоторые бактерии и грибы окисляют органические вещества частично с образованием молочной, щавелевой, яблочной и ряда других кислот.

Анаэробные микроорганизмы получают необходимую энергию в процессе бескислородного дыхания, называемого брожением.

Существуют многообразные виды брожения: спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и др. Свойства компонентов, выделяемых микроорганизмами при анаэробном брожении, зависят от комплекса ферментов, содержащихся в микрофлоре. При спиртовом брожении продуктами выделения являются глицерин, янтарная, уксусная и другие кислоты. При молочнокислом – этиловый спирт, углекислый газ, уксусная и янтарные кислоты, при маслянокислом – этиловый и бутиловый спирты, ацетон и др.

При дыхании выделяется значительное количество тепла. Этим объясняется самосогревание зерна в бурте, прелых листьев и т.д.

Ферменты микроорганизмов в силу их белкового характера разрушаются при нагревании до температуры 80^оС и выше. При понижении температуры среды скорость ферментативных реакций замедляется. При температуре ниже 0^оС происходит частичная дезактивация ферментов.

2.1.1. Взаимодействие микрофлоры со средой

С цель подавления жизнедеятельности микрофлоры используются основные факторы внешнего воздействия: температура, относительная влажность воздуха, барометрическое давление.

Температура среды. В зависимости от оптимального температурного уровня развития, микроорганизмы подразделяют на термофилы (45...60^oC), мезофилы (20...40^oC) и психрофилы (10...20^oC).

Понижение температуры теплоотводящей среды ниже оптимального для развития уровня существенно влияет на скорость размножения и продолжительность развития микрофлоры.

Температурный минимум развития большинства микроорганизмов лежит в интервале -10...10^oC. При температуре ниже температуры замерзания внутриклеточной влаги происходит заметное отмирание микроорганизмов, однако полной гибели микроорганизмов, в отличие от высокотемпературной обработки, не происходит. Губительное действие замерзания клеточной влаги состоит в нарушении избирательной проницаемости биологически активной оболочки клетки, структуры цитоплазмы. При этом изменяется ее вязкость, уменьшаются скорость течения и направленность биохимических процессов.

В определенной мере в разрушении клеточной структуры играет фактор механического воздействия кристаллов льда.

Кроме того, повышение осмотической концентрации внутри- и внеклеточного сока вызывает дегидратацию коллоидов цитоплазмы.

Гибель микрофлоры наиболее заметна в интервале температур 12…-5^оС, причем максимум приходится на начальную фазу процесса льдообразования.

Влажность среды. В клетках микрофлоры содержится 75…90% влаги, поэтому микрофлора не может развиваться в среде, влажность которой не соответствует оптимальным условиям ее развития. Минимальная влажность среды, при которой возможно развитие плесневых грибов составляет 12…15%, бактерий – 20…30%.

Осмотическое давление. Внутриклеточное осмотическое давление зависит от осмотической концентрации внутриклеточной жидкости. Расчеты приводят к выводу, что внутриклеточное давление может быть более 50 атм.

Повышение внеклеточной концентрации замедляет или приостанавливает развитие микрофлоры. Весовая концентрация поваренной соли 1…3% существенно тормозит развитие микрофлоры. При повышении концентрации соли до 20…25% развитие микрофлоры прекращается.

Лучистая энергия. Обработку продуктов с целью подавления жизнедеятельности микрофлоры на практике выполняют посредством лучистой энергии ультрафиолетового спектра (УФЛ). Эффективность лучистой энергии на микрофлору зависит от дозы лучистой энергии, т.е. от количества поглощенной энергии, зависящей от мощности источника, расстояния до облучаемого объекта, продолжительности облучения.

В основе действия лучистой энергии на микрофлору лежат химические и физические изменения клеточных биологически активных мембран – оболочки клетки (тонопласта) и цитоплазмы. Совокупность факторов воздействия приводит к некоторому нарушению клеточной проницаемости тонопласта, изменению коллоидной структуры цитоплазмы, изменению скорости биохимических процессов.

Поскольку проникающая способность УФЛ невелика, эффект воздействия на микрофлору в основном касается той микрофлоры, которая расположена на поверхности продукта.

Особенностью лучистого воздействия является возможность его порционного применения, при котором суммарная доза порционного воздействия равна полной бактерицидной дозе облучения.

Кислотность среды. Биохимическая активность микрофлоры зависит от pH среды. Изменение реакции среды влияет на электрический заряд клеточной оболочки и, соответственно, на ее проницаемость для отдельных ионов. Это приводит к изменению внутриклеточной реакции, что влечет за собой изменение степени дисперсности коллоидов цитоплазмы, изменения их абсорбционных свойств и т.д. Для большинства плесеней и дрожжей наиболее благоприятна кислая среда (pH=3.6…6.0), для бактерий – нейтральная или слабощелочная (pH=7.0…8.0).

Зависимость жизнедеятельности микроорганизмов от температуры, а также направленность микробиологических процессов, приводящая в основном к ухудшению исходного качества сохраняемых продуктов, предопределяет необходимость холодильной обработки и хранения продуктов при возможно низкой положительной или отрицательной температуре.

Контрольные вопросы:

8. Какие виды микрофлоры известны?

9. Чем обусловлено ухудшение качества хранимых продуктов?

10. В чем состоит суть питания и дыхания микроорганизмов?

11. Каковы факторы внешнего воздействия на микрофлору?

12. В какие методы борьбы с микрофлорой наиболее употребительны в технологической практике хранения продуктов?

Глава 3

3. Охлаждение продуктов

Цель охлаждения состоит в обеспечении неизменности исходных свойств продуктов, как в процессе их технологической (холодильной) обработки, так и при последующем холодильном хранении.

Уменьшение скорости течения комплекса процессов, - биохимических, микробиологических и физических, достигается воздействием на продукт внешних факторов: температуры, относительной влажности воздуха, его влагосодержания, скорости движения воздуха, воздействия барометрического давления. Таким образом, охлаждение - это комплексный процесс переноса теплоты и вещества в объеме продукта и с его поверхности или, как его принято называть, - процесс тепло- и массопереноса.

Определяющим фактором воздействия на продукт является температура. С понижением температуры уменьшается скорость течения всех перечисленных процессов.

При аналитическом решении задачи об охлаждении продуктов приходится прибегать к упрощению в отношении представления формы реального продукта. С определенной долей допустимости принимается, что форма большинства продуктов может быть уподоблена форме простых тел - пластины, шара, цилиндра.

Кроме того, считается, что структура продукта однородна, а продукт равномерно охлаждается средой. Все вместе сказанное свидетельствует о том, что реальная длительность охлаждения отличается от расчетной.

3.1. Граничные условияпри охлаждении

Процессы переноса тепла и влаги, как и любые физические процессы, протекают в пространстве и во времени. Совокупность мгновенных значений температуры во всех точках объема продукта называют температурным полем t=f(x, y, z,t). Температурное поле может быть стационарным и нестационарным.

Стационарным полем называют поле, в объеме которого температура в любой точке неизменна. Если температурное поле изменяется во времени, оно называется нестационарным.

Если температура является функцией одной или двух координат, оно называется одно- или двухмерным.

При описании одномерного температурного поля продукта используют дифференциальное уравнение теплопроводности, связывающее температуру, длительность процесса и координату точки объема:

, (3.1)

где а – коэффициент температуропроводности, м²/с.

Решение дифференциального уравнения теплопроводности предполагает знание геометрической формы продукта, распределение температуры в продукте к началу охлаждения (начальные условия) и закон взаимодействия между теплоотводящей средой и поверхностью продукта (граничное условие).

Совокупность начального и граничного условий называют краевыми условиями.

Для практических расчетов начальное распределение температуры в объеме продукта принимается постоянным tн=const.

Характер граничных условий определяется особенностями теплообмена на поверхности продукта. В расчетной практике наиболее употребительно задание граничных условий в виде граничных условий первого, второго и третьего рода.

Граничные условияпервого родапредполагают задание температуры поверхности продукта, как функции времени tп(t)=f(t). В частном случае это условие выполняется при интенсивном теплоотводе от поверхности продукта, например, при охлаждении продукта в жидкой среде. В этом случае коэффициент теплоотдачиот поверхности продукта a, Вт/(м2×К) является достаточно большой величиной (a® ¥). Соответственно Вi® ¥, а температура поверхности продукта в течение процесса охлаждения остается постоянной (tп=const).

Граничные условиявторого родапредполагают задание плотности теплового потока в виде функции времени q(t)=f(t). В простейшем случае на протяжении процесса охлаждения эта величина постоянна (q=const).

Наибольшее практическое применение для решения задач охлаждения продуктов имеет краевое условие третьего рода

Граничные условиятретьего родахарактеризуют особенности конвективного теплообмена между поверхностью тела и теплоотводящей средой. При этом температура теплоотводящей среды может быть постоянной или изменяться по известному закону.

Аналитическое решение задачи об охлаждении продуктов наиболее часто рассматривают при неизменной температуре теплоотводящей среды.

3.2. Длительность охлажденияпродуктов

На основе решения дифференциальных уравнений теплопроводности Фурье для тел стандартной стереометрической формы (пластины, шара, цилиндра), получены аналитические зависимости. Решение задачи для пластины представлено выражением (3.2), для шара - (3.3), цилиндра (3.4)

Левая часть равенства представляет собой безразмерную избыточную температуру (q), правая - ряд Фурье, число членов которого в интервале от k=1 до k= ¥ зависит от необходимой точности оценки t,с.

, (3.2)

, (3.3)

, (3.4)

где: t(r,t), ^оС - температура в любой точке продукта на отрезке r,м за время t,с;

r – текущая координата точки. R - характерный геометрический размер продукта (половина толщины - для пластины и радиус - для шара и цилиндра). Для поверхности продукта значение t(r,t) преобразуется в t(R,t). Для центра r = 0.

tc- температура теплоотводящей среды, ^оС,

-модифицированная функция Бесселя нулевого порядка первого рода,

Akи mk- коэффициенты ряда Фурье (Fo) и корни соответствующих характеристических уравнений. Akи mkнаходят по величине числа Bi (Приложение) из таблиц 3.1 - для пластины, таблицы 3.2 - для шара.

В выражении (3.3) при , =1. (3.5)

Для основных продуктов значения величин теплофизические характеристики продуктов отражены в таблице 3.1. Более полно теплофизические характеристики продуктов представлены в специализированной справочной литературе.

Таблица 3.1

Теплофизические характеристики продуктов

Fo - число Фурье, учитывающее не стационарность охлаждения продукта.

, (3.6)

где t - длительность охлаждения, с.

Коэффициент температуропроводностинаходится из выражения (3.7).

, (3.7)

Критерий подобия, учитывающий взаимосвязь переноса тепла к поверхности продукта и от его поверхности к теплоотводящей среде, называют числом Био.

(3.8)

где: a - коэффициент теплоотдачиот поверхности продукта к теплоотводящей среде, Вт/(м2×К). Приближенно коэффициент теплоотдачи находится из выражения (3.9).

, Вт/(м2×К) , (3.9)

где: v - скорость движения воздуха, м/с,

lпр- теплопроводность продукта, Вт/(м×К).

Более корректно и точно коэффициент теплоотдачиустанавливается на основе критериев, описывающих условия теплообмена продукта с теплоотводящей средой.

, (3.10)

где: Nu - число Нуссельта(критерий подобия),

- теплопроводность воздуха, Вт/(м×К).

При оценке величины коэффициента теплоотдачи от поверхности продукта к теплоотводящей среде в выражении (3.10) определяющий размер продукта L принимается с учетом направления потока теплоотводящей среды. Для продукта, форма которого подобна пластине, при движении воздуха вдоль поверхности тела за определяющий размер принимается размер тела в направлении потока среды, для тела, форма которого подобна шару и цилиндру принимается определяющий размер тела. Для шара и цилиндра, при условии его поперечного обтекания потоком воздуха, определяющими размерами является радиус тел.

Число Нуссельта (Nu) является функцией числа Рейнольдса (учитывает условия течения теплоотводящей среды)

В случае продольного обтекания плоской пластины турбулентным потоком воздуха

; (3.11)

при ламинарном обтекании пластины воздушным потоком

; (3.12)

при поперечном обтекании одиночных цилиндров потоком воздуха

; (3.13)

при обтекании потоком воздуха тела, форма которого подобна шару

. (3.14)

В выражении (3.11…3.14) величина Re оценивается на основе зависимости (3.15)

(3.15)

где: v - скорость движения воздуха, м/с.;

nв- кинематическая вязкость воздуха(nв=13×10-6, м2/c).

Для тел с влажной поверхностью, коэффициент теплоотдачизависит от скорости движения воздуха вдоль продукта. Например, коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта, форма которого подобна параллелепипеду, полученный экспериментально, отличается от расчетной величины, при скорости движения воздуха 0.4 м/с в 2.4 раза, при скорости 1.3 м/с в 2.1 раза, при скорости 2.2 м/с отличия нет. Математически эта зависимость приближенно описывается полиномом вида:

, Вт/(м²×К). (3.16)

В том случае, если есть радиационная составляющая теплообмена, то коэффициент теплоотдачиот поверхности продукта выражают суммой двух величин конвекции и излучения .

На практике лучистую составляющую теплообмена учитывают лишь при реализации технических проектов, в которых лучистому теплообмену отводится решающая роль, например, при проектировании специализированных камер на мясокомбинатах для замораживания мяса.

Особенность в оценке длительности охлаждения продукта состоит в том, что решение “прямой” задачи по известной температуре в любой точке объема продукта обеспечивает достоверный результат, если Fo>0.3. Это означает, что расчетная и реальная длительности процесса будут эквивалентны, если, например, длительность охлаждения составит более 1.5 часов при геометрическом размере продукта не менее 0.025м. При решении задачи этим методом используют первый член ряда Фурье.

Точное значение длительности охлаждения получают только на основе оценки температурного поля продукта, т.е. задавая длительность охлаждения и сравнивая полученную температуру в расчетной точке объема продукта с технологически заданной. В этом случае задача решается на основе 3…6 корней характеристических уравнений и ряда Фурье .

Для приближенной оценки длительности тела любой стереометрической формы используют номограммы(рис. 3.1).

Семейство кривых в номограмме представлено для различных значений безразмерного комплекса .

Существует множество предложенных решений, позволяющих оценить длительность охлаждения продуктов. Одним из удачных решений является решение А. Фикиина:

, ч. (3.17)

где: А – эмпирический множитель. Для продукта в виде пластины А=1, в виде цилиндра А=1/2, в виде шара А=1/3,

t_ц – температура в центре продукта, ^оС.

Погрешность в оценке длительности охлаждения по формуле (3.17) составляет не более % от реальной длительности процесса.

Длительность охлажденияможно оценивать на основе закона регулярного теплового режима.

3.3. Регулярный тепловой режим

Определение температурного поля продукта, т.е. распределение температуры по объему продукта, форма которого является неопределенной или при произвольных граничных условиях, не описывается современными аналитическими методами. В этом случае для решения практических задач, связанных с оценкой средней температуры по объему продукта, температуры поверхности, скорости изменения средней температуры, прибегают к закону регулярного теплового режима.

Теория регулярного теплового режима является одним из разделов учения о теплопередаче в твердых телах. В отличие от классической теории теплопроводности, теория регулярного теплового режима рассматривает процесс охлаждения не на всем его протяжении, а только на той стадии, на которую перестало влиять начальное состояние тела.

В теории теплопроводности это состояние предполагается определенным, тогда, как в теории регулярного режима никаких условий не ставится, причем рассматриваемое тело может быть не только однородным телом любой формы, но и любых размеров.

Основной задачей теории регулярного теплового режима является установление зависимости между темпом охлаждения тела и средним коэффициентом теплоотдачи между телом и теплоотводящей средой.

Основное свойство регулярного теплового режима базируется на представлении о том, что по истечении достаточного времени от начала охлаждения наступает регулярный режим. Отличительной его особенностью является то, что логарифм избыточной относительной температуры в любой точке объема тела с течением времени изменяется по линейному закону, причем скорость изменения одинакова для всех точек тела.

Закон регулярного теплового режима действует лишь в случае простого охлаждения тела.

В любой точке объема охлаждаемого тела скорость охлаждения пропорциональна разности температур этой точки и температуры теплоотводящей среды:

, (3.18)

Решая уравнение (3.18) и представив его относительно , получаем:

, (3.19)

где: m – темп охлаждения, 1/с.

Темп охлаждения “m” характеризует скорость регулярного охлаждения тела. Для тел простейшей геометрической формы (пластины, цилиндра и шара) величина темпа охлаждения соответствует первому корню характеристического уравнения соответствующего тела:

(3.20)

где: - первый корень характеристического уравнения тела заданной формы,

а – коэффициент температуропроводности тела, м²/с,

R – характерный геометрический размер тела, м.

Темп охлаждения - есть тангенс угла наклона прямой 2-3 (рис. 3.2).

Отрезок 1-2 характеризует стадию неупорядоченного охлаждения.

Неравномерность температурного поляв объеме продукта принято оценивать величиной , которая представляет отношение избыточной температуры поверхности тела к избыточной средней температуре в объеме продукта :

(3.21)

Величина имеет простой физический смысл. Она является характеристикой неравномерности температурного поля в объеме продукта. При равномерном распределении температур в объеме тела =1. Наименьшее значение соответствует случаю интенсивного охлаждения, когда .

Для тел простой стереометрической формы величина оценивается выражением (3.22):

, (3.22)

где: Г – постоянная формы тела. Для тела, форма которого подобна пластине, Г=0, для неограниченного цилиндра Г=1, для шара Г=2.

Выражение (3.19) не учитывает стадию неупорядоченного охлаждения, которая обычно составляет 20…25% от стадии регулярного охлаждения. Это существенно затрудняет использование выражения (3.19) для реальной практики. Кроме того, темп охлажденияотносительно просто оценивается лишь для тел стандартной стереометрической формы. В иных случаях приходится прибегать к данным, полученным на основе моделирования охлаждения тел, форма которых отлична от тел стандартной формы.

Наибольший вклад в теорию регулярного теплового режима внес Г.М. Кондратьев и его научная школа.