Основные этапы процесса консервирования сублимационной сушкой

Замораживание как этап подготовки материала к последующей сушке сублимацией

Обязательным условием при подготовке материалов к сублимационной сушке является их предварительное замораживание. Учитывая, что биоматериалы содержат от 60 до 95% воды, которая является растворителем, обусловливающим течение диффузионных процессов, а также химических и биохимических реакций, изменение ее фазового состояния

(замораживание) оказывается главным фактором торможения этих процессов. Процесс замораживания заключается в образовании кристаллической структуры из частично упорядоченных групп молекул. Образование кристаллов льда (кристаллизация) сопровождается выделением значительного количества энергии (около 335 кДж/кг). Это связано со снижением кинетической энергии частиц в твердой структуре кристалла по сравнению с жидкой фазой. Фазовое превращение воды в лед значительно изменяет ее физические свойства (табл. 6).

Физические свойства воды

Таблица 6

Свойства

Вода

Лед

Удельная теплоемкость, ккал/ (кг°С)

1.01

0,5007

Плотность р, кг/м3

1000,0

917

Коэффициент теплопроводности X, ккал/ м.ч °С

0,475

1.91

В биологических материалах вода содержится в виде растворов и часть ее постоянно связана в структуре белков и полисахаридов (связанная влага), которая не подвергается замораживанию даже при очень низких температурах. Процесс кристаллизации свободной влаги характеризуется скоростью образования зародышей кристаллов и скоростью их роста. Зависимость скорости этих процессов от температуры объясняет ряд практических проблем замораживания.В процессе кристаллизации свободной влаги понижается точка замерзания и падает скорость замораживания, поэтому время, необходимое для кристаллизации воды, должно быть как можно меньшим, что обеспечивается быстрым отводом теплоты, выделяющейся при фазовом переходе. Классификация способов замораживания в зависимости от скорости кристаллизации в зоне максимального образования кристаллов приведена в табл. 7.

Таблица 7

Классификация способов замораживания

Замораживание

Скорость продвижения фронта кристаллизации, мм/ч

Медленное

2

Быстрое

5-30

Очень быстрое

50-100

Криогенное

100

При медленном замораживании в воде, содержащейся в растворе биоматериала, образуются большие кристаллы и количество центров кристаллизации незначительно, что приводит к механическому разрушению живых клеток. Кристаллы льда вначале образуются в растворах с меньшим осмотически^ давлением и более низкой температурой замерзания, т. е. в межклеточном пространстве. Затем при последующем снижении температуры происходит рост образовавшихся кристаллов за счет окружающей их воды как из межклеточного пространства, так и из самой клетки, из которой она диффундирует через полупроницаемую мембрану наружу, что приводит к концентрированию раствора, изменению величины pH, денатурированию белков. Это влечет за собой образование аномальных связей между молекулами и постепенное обезвоживание клеток, а в конечном счете их гибель вследствие нарушения биологического равновесия. В настоящее время рядом исследователей доказано, что большая часть потерь сока биоматериалов (продукты животного и растительного происхождения) происходит не вследствие механического разрушения клеток, а главным образом за счет диффузии клеточной влаги в межклеточное пространстве при медленном замораживании.

На практике, замораживая биоматериалы обычно стремятся к реализации процесса при максимальном количестве зародышей и минимальной скорости их роста, что обеспечивается высокими скоростями протекания процесса (быстрое замораживание).

Рассмотрим процесс быстрого замораживания биоматериала более подробно (рис. 11). Как только температура материала достигает 0°С, начинается процесс кристаллизации свободной влаги (зарождение кристаллов). Учитывая, что биоматериалы обычно содержат от 60 до 95% воды, этот процесс охватывает практически весь объем, и температура продукта стабилизируется, в течение некоторого времени находясь в пределах 0°С. В точке В кристаллы льда продолжают развиваться и через некоторое время охватывают практически 80-90% начального объема раствора (точка С), что соответствует почти полной кристаллизации свободной влаги. Часть раствора, находящаяся в жидком состоянии, имеет более низкую температуру замораживания и составляет его активное начало. При дальнейшем понижении температуры (точка Д) происходит полное затвердевание раствора. Полное вымерзание воды и других компонентов происходит в интервале температур эвтектической зоны, т. е. температур, при которых

Термограмма быстрого замораживания биоматериалов

Рис. 11. Термограмма быстрого замораживания биоматериалов

одновременно кристаллизуются вода и растворимые вещества замораживаемого продукта. Различают нижнюю (криогидратную) и верхнюю границы эвтектической температурной зоны. Нижняя граница соответствует самой низкой температуре равновесия жидкой и твердой фаз и определяет начало появления жидкой фазы в полностью замороженном продукте. Верхняя граница эвтектической зоны обусловливает температуру окончания плавления эвтектической фазы.

Определение эвтектической зоны очень важно, так как между точками С и Д концентрация и напряжение жидкой фазы усиливаются и в случае замораживания биологически активных материалов может произойти повреждение клеток из-за повышенной концентрации основного компонента и механических воздействий, вызванных появлением кристаллов льда.

При быстром замораживании образуются мелкие кристаллы льда, равномерно распределенные по объему вещества. Кристаллы формируются не только в межклеточном пространстве, но и внутри клеток, диффузионное перемещение веществ незначительно. Топологическая структура тканей при быстром замораживании хорошо сохраняете^.

Имеются сведения, что при сверхбыстром замораживании мелких образцов мяса (погружением их в жидкий азот) 90% всех кристаллов льда формируются внутри клеток, размеры кристаллов очень малы — порядка сотен ангстрем, повреждения ткани минимальны. Однако необходимо иметь в виду, что при замораживании в жидком азоте методом погружения достаточно крупных кусковых пищевых продуктов в них почти всегда наблюдаются разрывы, трещины вследствие возникающих термических напряжений. При замораживании целых плодов и овощей признано целесообразным применять быстрое замораживание, которое предотвращает разрушение клеток. Такое замораживание рекомендуется для абрикосов, персиков, слив и особенно для сочного растительного сырья со слабой текстурой — малины, клубники. Для жидких и пастообразных продуктов (соков, плодоовощных пюре) допустимо как быстрое, так и медленное замораживание, поскольку в них сохранять исходную структуру не требуется.

Скорость замораживания влияет не только на количество, но и на форму образующихся кристаллов. Также следует отметить, что, создавая различные условия отвода теплоты от замораживаемого объекта, можно влиять не только на форму и размер кристаллов льда, но и на их пространственную ориентацию, т. е. осуществлять структурирование продуктов сублимационной сушки на стадии их замораживания.

Замораживание биоматериалов перед сублимационной сушкой в условиях промышленного производства осуществляют различными способами, в зависимости от вида, формы, требуемой конечной температуры продукта, технических возможностей производства и т. д. На предприятиях пищевой и медицинской промышленности замораживание, как правило, осуществляют в морозильных камерах с естественной или принудительной циркуляцией воздуха, а также в низкотемпературных шкафах, входящих в комплект сублимационной установки. В этих случаях биоматериалы размещают в противнях в виде слоя либо в кассетах (при сушке в ампулах или флаконах),которые устанавливают в морозильную камеру, позволяющую обеспечить заданную конечную температуру. Толщина слоя составляет 10-20 мм. Продолжительность замораживания зависит от вида, количества материала, способа его подготовки, а также температуры и скорости движения охлаждающей среды (воздуха). На рис. 12 показаны схемы различных морозильных аппаратов.

Принципиальные схемы морозильных устройств

Рис. 12. Принципиальные схемы морозильных устройств

При сублимационной сушке мелких плодов и нарезанных на кусочки овощей, например, картофеля, лесных плодов, ягод целесообразно использовать скороморозильные аппараты как с воздушным, так и с криогенным охлаждением.

При отсутствии морозильной техники процесс замораживания можно проводить непосредственно на плитах (полках) сублимационной установки, охлаждаемых с помощью хладоносителя. При этой операции перегрузка сырья из морозильной камеры исключается полностью, что сокращает потеривремени.

Самозамораживание продуктов в условиях пониженного давления используется в качестве одного из вариантов при сублимационной сушке цродуктов. При снижении давления в сублимационной камере, происходит увеличение разницы парциальных давлений на поверхности материала и конденсатора сушильной установки. Вакуумирование способствует ускорению движения молекул водяного пара из продукта в среду с пониженным давлением, т. е. к поверхности конденсации. При этом испарение влаги приводит к адиабатическому охлаждению и тем самым к снижению температуры продукта. Получены положительные результаты при таком самозамораживании творога зернистого и мясного фарша. Для жидких продуктов способ неприемлем (вспенивание продукта).

Выбор способа замораживания в каждом конкретном случае зависит, прежде всего, от природы продукта, требуемой конечной формы и скорости замораживания, технических возможностей данного предприятия и т. д. В условиях реального промышленного производства наиболее перспективным техническим решением в настоящее время является замораживание в сборно-разборных камерах с интенсивной циркуляцией воз- ха. Высокая надежность и оптимальное сочетание показателей «цена/ качество» достигаются, например, при использовании холодильных агрегатов итальянской фирмы «Sundronik».

«Техноблок». Агрегаты этой фирмы для небольших камер объемом до 10 м3 включительно представляют собой моноблоки, монтируемые непосредственно в стенах или на потолке камеры. Более крупные агрегаты — это сплит-системы (библоки), в которых испаритель и собственно холодильный агрегат с пультом управления представляют собой раздельные блоки, соединенные трубопроводами для циркуляции хладагента.

Ниже (табл. 8,9) представлены примеры характеристик оборудования фирмы «Техноблок», которое может быть использовано для холодильной

Оборудование для замораживания (толщина изоляция камер — не менее 100 мм пенополиуретана (ППУ))

Масса

продукта,

т

Объем камеры, %г

Начальная температура мяса, °С

Конечная температура мяса, °С

Время

замора

живания,

ч

Модель

агрегата

Стои

мость

агрегата,

USD

0,25-0,5

10

25

-18

24

СВВ500

4650

1,0

15

25

-18

24

сввюоо

6900

2

20

25

-18

24

IВ В1500

13720

4

35

25

-18

24

IBB3000

19384

Оборудование для хранения

Таблица 9

Масса продукта, т

Объем камеры, м3

Температура сырья, °С

Модель

агрегата

Стоимость агрегата, USD

1

10

-18

АСВ201

1695

5

30

-18

АСВ400

2590

10

60

-18

СВВ500

4650

30

200

-18

IBB1000

10321

обработки мяса, рыбы, фруктовых пюре и других пищевых продуктов, консервируемых затем сублимационной сушкой. Предлагаемое оборудование является современным автоматическим, управляемым микропроцессорным блоком. Снабжено различными степенями защиты, в качестве хладагента используют фреон-22, компрессоры фирм «Bitzer» (Германия), «MANEUROP» (Франция); воздушное охлаждение конденсатора. Оборудование имеет европейские сертификаты качества и электробезопасности, международные сертификаты ISO 9001,9002, сертификат соответствия Госстандарта России. Поставляется в полном комплекте заводского уровня готовности.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >