Politechnika Gdańska

Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej
Seminarium z Współczesnych Technik Zamrażania
Temat: 2. Własności termofizyczne produktów żywnościowych
świeżych i po ich zamrożeniu.
Semestr IX, SiUChiKl
wydz. Mechaniczny
Lewioski Arkadiusz
Plan pracy:
 Wstęp
 Skład produktów żywnościowych
 Zmiany właściwości termofizycznych podczas zamrażania żywności:
o Zmiany ciepła właściwego
o Zmiany entalpii właściwej
o Zmiany współczynnika przenikania
o Zmiany gęstości
o Zmiany współczynnika wyrównania temperatury
 Podsumowanie
 Bibliografia
Wstęp
Projektowanie procesów technologicznych oraz urządzeo i maszyn spożywczych jest nie
możliwe w przypadku braku dużej wiedzy surowcach. Właściwości termofizyczne mają ścisły
związek z jakością wytwarzanych produktów.
Wielkośd obciążenia cieplnego podczas procesu chłodzenia i zamrażania jest ważną
pozycją w bilansie cieplnym układu chłodniczego. Prawidłowa realizacja tych procesów jest
także jednym z podstawowych warunków gwarantujących odpowiednią jakośd produktu.
Zamrażanie jest najmniej destrukcyjną , najbardziej naturalną i racjonalną metodą
utrwalenia żywności. Proces zamrażania produktów biologicznych przebiega nieco
odmiennie niż roztworów fizycznych (tj. woda). Zasadnicza różnica wynika z tkankowej
budowy roślin i produktów pochodzenia zwierzęcego.
W produktach żywieniowych o budowie tkankowej, przemianie fazowej podczas
zamrażania towarzyszą zmiany ich tekstury i właściwości funkcjonalnych. W tkankach
roślinnych zmiany strukturalne następują w obrębie łaocuchów celulozowych, natomiast w
tkankach zwierzęcych w łaocuchach białkowych.
Skład produktów żywnościowych
Składnikami produktów żywnościowych są węglowodany, tłuszcze, białka, witaminy,
minerały, enzymy oraz woda. Udział poszczególnych elementów jest niezwykle
zróżnicowany, natomiast bardzo duże znaczenie ma zawartośd wody, która wynosi od 0,3 do
95% w zależności od produktu. Skład chemiczny produktów spożywczych, a zwłaszcza
zawartośd wody wpływa w sposób zasadniczy na właściwości fizyczne podczas obróbki
termicznej.
Wyraźna zależnośd cech fizycznych produktu spożywczego od temperatury występuje w
sposób zdecydowany w momencie powstania lodu. W procesie zachodzącym blisko punktu
krioskopowego należy się liczyd ze znaczącymi zmianami cech fizycznych produktu
zawierającego znaczne ilości wody.
Często wprowadza się pojęcie wody związanej (zaabsorbowanej przez cząstki koloidalne)
i wolnej. Właściwości fizyczne wody związanej i wolnej różnią się od siebie zasadniczo.
Przykładowo woda związana zamarza w znacznie niższej temperaturze niż woda wolna.
Ciepło właściwe wody związanej i wolnej mają inne wartości, jak również gęstośd. Osiągając
temperaturę zamarzania roztworu zwiększa się ilośd wody związanej.
Żywnośd jest układem biologicznym, wielofazowym o właściwościach zmiennych w
czasie. Taki charakter układu ma wpływ na jego właściwości termofizyczne: ciepło właściwe,
entalpią, współczynnik przewodzenia ciepła, współczynnik wyrównywania temperatury i
gęstośd. Zależą one temperatury, wilgotności, porowatości, kierunku ułożenia komórek
względem strumienia ciepła. W trakcie przetwórstwa, w żywności zachodzą ponadto
przemiany fazowe wody i tłuszczów, denaturacja i koagulacja białek, mające także wpływ na
właściwości termofizyczne.
Właściwości termofizyczne
Głównymi właściwościami termofizycznymi produktów spożywczych są:
1.
2.
3.
4.
5.
Ciepło właściwe C[ J/kg*K ]
Entalpia właściwa produktu h[ J/kg]
Współczynnik przenikania λ0 [W/m*K ]
Gęstośd ρ [kg/m3 ]
Współczynnik wyrównania temperatury a [m2/s ]
Ciepło właściwe C* J/kg*K +
Ciepło właściwe podlega prawu addytywności i można je, przy uwzględnieniu
udziałów masowych pięciu podstawowych składników żywności: wody (xw),węglowodanów
(xc), białek (xp), tłuszczu (xf) i popiołu (xa), obliczyd z Równania:
C = Cw * xw + Cc * xc + Cp * xp + Cf * xf + Ca*xa
Cw, Cc, Cp, Cf, Ca – wartości ciepła właściwego poszczególnych składników
Rys. 1. Ciepło właściwe zamrażanej wołowiny (zawartośd procentowa wody podana jest nad liniami) [ 2].
Wartośd ciepła właściwego zamrożonego mięsa dla temperatury około -30:C wynosi
ok. 2,0 kJ/kg K. Przemiana fazowa powoduje ponad 40 krotny (do ok. 150 kJ / kg K) wzrost
wartości ciepła właściwego. Zależności ciepła właściwego od temperatury osiąga maksimum.
Maksimum jest tym większe, i znajduje się w temperaturze bliższej 0:C, im większa
wilgotnośd produktu. Natomiast produkty o małej wilgotności, np. wołowina od 17,4 do 0%,
mają liniowy przebieg zależności temperaturowej ciepła właściwego. Pozostająca w mięsie
woda jest wodą związaną strukturalnie, niewymrażającą się nawet w bardzo niskiej
temperaturze.
Entalpia właściwa h[ J/kg]
Entalpia właściwa produktu spożywczego zależy od rodzaju produktu oraz jego
temperatury. Przy sporządzaniu bilansu cieplnego najczęściej bierze się pod uwagę różnicę
entalpii. Poniżej początkowej temperatury krioskopowej entalpia produktu jest funkcją:
temperatury, ilości wody wymrożonej i wody niezamarzającej.
Rys. 2. Entalpia produktów spożywczych: 1 - owoc kiwi, 2 - szynka, 3 - grzyby leśne, 4 - substancja Tylose, 5 ser mozzarella, 6 – masło [2].
W przedziale temperatury: -40:C÷ -10:C funkcja h = h(t) ma charakter liniowy.
Większa wilgotnośd produktu prowadzi do większych przyrostów entalpii w temperaturach
jego zamrażania (Rys. 2). Ponadto temperatura odpowiadająca maksimum wartości entalpii
jest tym bliższa 0:C, im produkt zawiera więcej wody i mniej tłuszczu (przebiegi 1 i 6).
Współczynnik przewodzenia λ0 [W/m*K ]
Współczynnik przewodzenia ciepła produktu nie stanowi addytywnej wartości funkcji
kalorycznej i nie podlega funkcją prawa mieszania, z tego powodu wynikają problemy w
wyliczeniu jego wartości.
Współczynnik przewodzenia ciepła produktów spożywczych jest ściśle związany z ich
strukturą wewnętrzną. Współczynnik przewodzenia ciepła wieloskładnikowych produktach
spożywczych o ułożeniu składników równolegle do kierunku strumienia ciepła. Przybliżony
wzór na współczynnik przewodzenia ciepła w zakresie temperaturowy od 0:C do 30:C
λ0 = λw W + λss (1 - W)
λw- współczynnik przewodzenia ciepła dla wody
λss – współczynnik przewodzenia ciepła dla suchej masy produktu
W – zawartośd wody w produkcie
Rys. 3. Współczynnik przewodzenia ciepła mięsa zamrożonego, mierzony prostopadle do włókien ()
równolegle i równolegle (||) [3].
Podczas zamrażania, za fazę ciągłą przyjmuje się zazwyczaj frakcję lodową a fazę
rozproszoną jest niewymrożona woda z rozproszonymi w niej pozostałymi składnikami
produktu. Proces zamrożenia powoduje ponad 3 krotne zwiększenie współczynnika
przewodzenia ciepła; od 0,50 W/m K dla temperatury 0:C do około 1,7 W/m K dla – 40:C.
Równoległy (||) do włókien mięsa zamrożonego przepływ ciepła daje wyższe wartości
współczynnika przewodzenia ciepła niż przy przepływie prostopadłym(). Większa
przewodnośd ciepła w kierunku równoległym związana jest z faktem, że kryształy lodu mają
tendencję do formowania kształtów igiełkowatych, ciągnących się równolegle do włókien,
tworzących tym samym lepsze warunki dla przepływu ciepła.
Gęstośd ρ *kg/m3 ]
Gęstośd większości produktów żywnościowych jest zbliżona do gęstości wody,
najczęściej zawiera się ona w przedziale 800 - 1000kg/m3 . Uwzględnienie powierzchniowego
parowania wody podczas mrożenia gęstośd nie zmienia się w sposób znaczny, najczęściej jest
to spadek do 10%.
Gęstośd zamrożonego produktu uwzględnia udziały masowe wody, lodu, substancji
suchej i gęstośd każdego z tych komponentów Największy przyrost gęstości obserwuje się od
około -50:C do 0:C, a więc podczas zachodzącej przemiany fazowej wody.
Tab. 1 Gęstośd produktów żywnościowych świeżych i po ich zamrożeniu *1+.
Współczynnik wyrównania temperatury a *m2/s ]
Współczynnik wyrównania temperatury określa „prędkośd” zmian temperatury w
wewnętrznych warstwach produktu podczas procesu chłodzenia. Wartośd średnia tego
współczynnika jest zależna od wielkości ciepła właściwego, gęstości i współczynnika
przewodzenia cieplnego i wyraża się wzorem:
a0 =
Przemiana fazowa wody jest także przyczyną bardzo szybkiego wzrostu wartości
współczynnika wyrównywania temperatury. W zakresie temperatury intensywnego
wymrażania wody występuje minimum funkcji a = a(t), przy czym odpowiada ono
maksymalnym wartościom ciepła właściwego. Koniec przemiany zaznacza się skokowym
przyrostem dyfuzyjności cieplnej produktu spożywczego.
Rys.4. Współczynnik wyrównania temperatury mięsa: 1 – wołowego, 2 – wieprzowego[3].
Podsumowanie i wnioski
Zmienna wartośd zawartości wody jest przyczyną przemian termo-fizycznych.
Zawartośd wody związanej trwale w węglowodanch lub białkach oraz wolnej wody
powoduje, że nigdy nie występuje ona w postaci czystej, lecz zawsze jest roztworem.
Budowa tkankowa produktów spożywczych jest dodatkowym elementem, który powoduje,
że proces ich mrożenie znacznie różni się od zamrażania produktów fizycznych.
Podczas zamrażania produktu spożywczego wolna woda ulega zamrożeniu, natomiast
udział wody związanej nie ulega praktycznie zmianie (związana woda nie ulega zamrożeniu
nawet przy badzo niskich temperaturach). O dynamice procesu decyduje zatem względna
ilośd wody wymrożonej.
Bibliografia
[1]Czapp M., Charun H., „Bilans cieplny pomieszczeo chłodni”, Wydawnictwo uczelniane
Politechniki Koszalioskiej, Koszalin 1997
[2]Niesteruk R., Obidziski S. „Własności termofizyczne zamrażanej żywności” - „Inżyniera
rolnicza” 2005/09
[3]Niesteruk R., „Właściwości termofizyczne
Białostockiej, Białystok 1996
żywności”, Wydawnictwo
Politechniki