И ИХ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКЕ

11.1. Теплофизические параметры пищевых продуктов

К наиболее важным теплофизическим параметрам пищевых продуктов относят удельную теплоемкость, теплопроводность, тем­пературопроводность, энтальпию, криоскопическую температу­ру, плотность, равновесное давление пара.

Удельной теплоемкостью называется величина, равная количе­ству теплоты, необходимому для нагревания или охлаждения 1 кг вещества на 1 К.

Если известны состав продуктов питания и удельная теплоем­кость отдельных компонентов, то удельную теплоемкость продук­та с рассчитывают по закону аддитивности:

c = g₁c₁ + g₂c₂ + … + g_nc_n, (36)

где g₁, g₂, ..., g_n — массовые доли компонентов; с₁, с₂, ..., с_n — удельные теплоемкости компонентов, Дж/(кг • К).

Продукты условно считаются двухкомпонентными системами, состоящими из воды и сухих веществ, тогда удельную теплоем­кость определяют по формуле, Дж/(кг · К),

с = c_BW+ c_c (1 - W), (37)

где с_в, с_с — удельные теплоемкости соответственно воды и сухих веществ, Дж/(кг • К); W, (1 - W) — массовые доли соответствен­но воды и сухих веществ.

Теплоемкость сухих веществ большинства продуктов животно­го происхождения колеблется от 1,34 до 1,68 кДж/(кг • К), расти­тельных составляет около 0,91 кДж/(кг • К). При отсутствии экс­периментальных данных эти значения можно применять для оценки теплоемкости продуктов.

Изменение удельной теплоемкости продуктов в интервале тем­ператур замораживания определяется в основном начальным их влагосодержанием и количеством вымороженной воды. Теплоем­кость убывает с понижением температуры, стремясь к нулю при абсолютном нуле температуры (третий закон термодинамики).

Теплопроводность — один из видов теплопередачи, при кото­ром перенос теплоты имеет атомно-молекулярный характер. Яв­ления теплопроводности возникают при разности температур меж­ду отдельными участками тела (продукта). Количественно тепло­проводность характеризуется коэффициентом теплопроводности и измеряется в Вт/(м · К).

Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, переносимому через единицу площади поверхности в единицу времени, при градиенте температуры, равном 1:

λ = λ_B W + λ_C (1 – W), (38)

где λ_B — коэффициент теплопроводности воды, равный 0,6 Вт/(м · К); λ_C — коэффициент теплопроводности сухих веществ, равный 0,26 Вт/(м • К).

Теплопроводность продуктов с понижением температуры ос­тается практически постоянной до начала замерзания и зависит только от влагосодержания, а затем увеличивается, так как коэф­фициент теплопроводности льда в четыре раза больше, чем воды.

Значения коэффициента теплопроводности, рассчитанные по формулам, являются приближенными, поэтому ими пользуются только при отсутствии экспериментальных данных.

При охлаждении и замораживаний продуктов, как и при их нагревании, действуют механизмы переноса продуктом тепловой энергии — температуропроводность. В результате в продукте пере­мещается температурный фронт. Скорость этого перемещения характеризуется коэффициентом температуропроводности

а = λ /сγ, (39)

где а — коэффициент температуропроводности продукта, м²/с; λ — коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(м • К); с — удельная теплоемкость продукта, Дж/(кг • К); γ — плотность про­дукта, кг/м³.

При положительных температурах температуропроводность продукта практически неизменна, но с началом льдообразования она резко уменьшается. Это вызвано выделением теплоты крис­таллизации. При дальнейшем понижении температуры вследствие роста теплопроводности и уменьшения теплоемкости температу­ропроводность увеличивается и достигает постоянного значения, когда вода полностью переходит в лед.

Энтальпия — однозначная функция состояния термодинамичес­кой системы, часто называемая тепловой функцией или теплосо­держанием, измеряется в Дж/кг. Данными об изменении энталь­пии продовольственных продуктов в холодильной технологии пользуются обычно для определения отведенной или подведенной теплоты при холодильной обработке продуктов. Энтальпию отсчи­тывают при какой-либо начальной температуре (обычно -20 °С), при которой ее значение принимается за 0.

Криоскопической температурой называют температуру начала замерзания жидкой фазы продуктов. Тканевый сок продовольствен­ных продуктов представляет собой диссоциированный коллоид­ный раствор сложного состава, которому соответствует криоскопическая температура -0,5...-5°С.

Плотность — отношение массы продукта к его объему. При замораживании плотность продукта уменьшается (на 5 — 8 %),поскольку вода в тканях, превратившись в лед, увеличивается в объеме при неизменной массе. Плотность большинства скоропортящихся продуктов составляет около 1000 кг/м³.

Равновесное давление пара над поверхностью продукта Р_п из-за содержания во влаге продуктов растворенных веществ (сахара, соли и др.) несколько ниже давления насыщенного пара Р_н при той же температуре даже при полном насыщении.

Отношение давления пара воды, содержащейся в продукте, к давлению пара чистой воды (или льда) при той же температуре называется относительным понижением давления водяного пара:

a_W =P_П / P_H, (40)

где a_W — коэффициент термодинамической активности воды, называемый иногда величиной водной активности.

Эта величина, выраженная в процентах (a_W = 100%), опреде­ляет равновесную относительную влажность, т.е. относительную влажность воздуха, при которой продукт не теряет и не получает влаги. Величина равновесной относительной влажности зависит от природы продукта и является функцией его температуры, т.е. гигротермической характеристикой продукта.