Лекции для студентов

Холодильная обработка рыбных продуктов — Переохлаждение и замерзание воды

Переохлаждение и замерзание воды

Сырье водного происхождения имеет высокое содержание воды. Поэтому при их замерзании происходят существенные изменения гистологической структуры тканей и органов, рН среды, теплофизических и структурно-механических свойств и т. д.

Льдообразованию предшествует переохлаждение воды. В тонких слоях и в капиллярах воду можно переохладить на несколько десятков градусов. При этом чем меньше диаметр капилляра, тем больше возможное переохлаждение воды.

При одинаковом переохлаждении скорость роста кристаллов льда тем ниже, чем меньше диаметр капилляра. Линейная скорость кристаллизации возрастает по мере увеличения степени переохлаждения воды.

Таким образом, с уменьшением диаметра капиллярных трубок возрастает возможная величина переохлаждения воды и в них уменьшается скорость кристаллизации.

Процесс кристаллообразования происходит следующим образом. При снижении температуры увеличивается вязкость жидкости и уменьшается скорость движения частиц. В тех частях жидкости, где достигается переохлаждение ниже криоскопической точки, образуются зародыши кристаллов. Это первая фаза кристаллообразования. В этот момент выделяется скрытая теплота кристаллизации, поэтому температура переохлажденной жидкости повышается и образование новых зародышей становится невозможным. Начинается вторая фаза кристаллообразования—рост образовавшихся кристаллов. Чем выше скорость теплоотвода во внешнюю среду, тем большее число образующихся кристаллов и меньше размеры каждого из них.

Рыбное сырье в основном имеет волокнистое строение. Волокна и межволоконные пространства можно рассматривать как капилляры.

При замораживании тканей центры кристаллизации образуются раньше в межклеточном пространстве, так как межклеточная жидкость имеет несколько меньшую концентрацию, а значит, более высокое значение криоскопической точки, чем внутриклеточная. Но как только они образуются, концентрация межклеточной жидкости и ее осмотическое давление возрастают. Вода диффундирует из клетки в межклеточное пространство.

При медленном замораживании скорость теплоотвода относительно небольшая и в межклеточном веществе образуются крупные кристаллы. В клетках кристаллы не образуются, но клетки обезвоживаются. Образование крупных кристаллов в практике замораживания пищевого сырья — явление нежелательное: своими острыми гранями они разрушают соединительнотканные прослойки, давят на клетки, вызывая их растяжение. При этом мышечные волокна не только деформируются, но иногда и разрушаются. Ткань разрыхляется. От размеров образующихся кристаллов льда зависит степень сохранения целостности естественной структуры тканей. Чем больше нарушена структура тканей при замораживании, тем больше потери мясного сока при размораживании пищевого сырья и его последующей механической обра­ботке.

При быстром отводе теплоты вода не успевает перемещаться из волокон в межволоконные пространства. Образуется большое количество мелких кристаллов льда как внутри мышечных волокон, так и в межволоконных пространствах.

Ско­рость образования их выше скорости перемещения влаги, по­этому большая часть жидкости оказывается замороженной там, где она находилась до замораживания. При быстром за­мораживании образуются мелкие кристаллы льда. В этом слу­чае характер распределения вымороженной воды мало отлича­ется от характера распределения ее в свежем сырье и гистологические изменения в тканях пищевого сырья значительно меньше, чем при медленном замораживании.

Величина кристаллов льда и разрушения структурных элементов тканей мяса, птицы и рыбы зависят не только от скорости замораживания, но и от глубины развития автолитических процессов. Например, у несвежей рыбы при одних и тех же условиях замораживания образуются более крупные кристаллы льда, наблюдаются более интенсивные перемещения воды и изменения структурных элементов тканей, чем у свежей.

Кристаллизация воды в пищевом сырье приводит к значительному изменению ее свойств. Так как в воде, содержащейся в пищевом сырье, растворены различные органические и неорганические вещества, то ее криоскопическая точка (начало замерзания) лежит в области слабых отрицательных температур (от -0,5 до -2,0 °С). Поскольку в процессе превращения воды в лед концентрация раствора увеличивается, то и развитие процесса кристаллизации будет происходить при все более низких температурах.

Характерно, что температура замерзания водного солевого раствора с концентрацией, аналогичной концентрации тканевого сока продукта, выше криоскопической температуры продукта на 1...4°С.

Основная масса воды превращается в лед при температуре —1...—5°С. При температуре —18°С от 88 до 90% воды от общего ее содержания в сырье находится в замерзшем состоянии. Эвтектическая температура тканевого сока пищевого сырья (полное превращение воды в лед) лежит в пределах —55... — 65 °С. Таким образом, при замерзании продукта до температуры —18 °С вода, обладающая свойствами растворителя, полностью превращается в лед. При этих условиях денатурация белков, гидролиз жира и другие процессы резко замедляются.

В холодильной технологии вода, превратившаяся в лед, называется вымороженной. Количество вымороженной воды (ω) выражается в долях единицы или в процентах общего ее содержания в продукте.

Количество вымороженной воды определяется отношением количества льда (G_л) при данной температуре к общему количеству воды (G_w) в пищевом сырье:

ω = G_л /G_w = 1 — (G_w — G_л)/G_w.

Для практических целей количество вымороженной воды в зависимости от температуры можно определить по формуле

ω = 1 — t_кр/t.

Более точно количество вымороженной воды в зависимости от ее температуры определяется по формуле

ω = 1,105/[l + 0,31/lg[t+(l - t_кр)]]

В этой формуле температура выражается по стоградусной шкале без знака «минус».