DETERMINATION OF THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF COMPONENTS OF FRUIT AND VEGETABLE MIXTURES IN FREEZING
Authors:
1.
Kemerovo State University
Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Russian Federation
2.
Kemerovo State University
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
3.
LLC “Konvent”
Type:
Article
Pages:
from 81
to 86
Status:
Published
Received:
07.04.2016
Accepted:
07.04.2016
Published:
07.04.2016
Subject area:
UDK 664:621.56
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Fruit and vegetable semi-finished products, freezing, thermal properties, unfrozen moisture
Abstract (English):
Semi-finished products are "convenient" food intended for fast cooking, which plays an important part in the modern society of mobile people with the rapid pace of life. Fruit and vegetable semi-finished products are low in calories, relatively high in vitamin C and carbohydrates, and they require less time for cooking. Shape, color and texture of the cooked fruit and vegetable semi-finished products are slightly different from fresh products. The quality of raw materials used and methods of fruit and vegetable processing are important in the production of fruit and vegetable semi-finished products. The most appropriate method of fruit and vegetable storage is refrigeration preservation. It is important to know the laws of changing the thermophysical properties of the mixture components for freezing and low temperature storage of fruits and vegetables. Changes in fractions of frozen moisture, specific enthalpy, heat capacity, thermal conductivity, thermal diffusivity, component density of “Vegetable mixture for soup” have been determined. The calculation is based on the physical model of moisture crystallization in glucose, sucrose and fructose solutions in water. The mass fractions of moisture, sugars and starch of each component were taken into account. The dependences of thermophysical properties on temperature changes were obtained during freezing. The character of changing curves obtained in determining the thermophysical properties was analyzed. It has been revealed that bursts of heat release during crystallization of components occur at cryoscopic temperatures, eutectic temperatures of crystallization of fructose, sucrose and glucose solutions. The values of thermophysical properties for fresh and frozen ingredients have been identified. The most favorable temperature to store fruit and vegetable mixtures to prevent the growth of microorganisms and extend their shelf life is -22 deg. C. It is necessary to consider the gas component in determining the thermophysical properties of porous bodies and in calculating the additivity equations.
Semi-finished products are "convenient" food intended for fast cooking, which plays an important part in the modern society of mobile people with the rapid pace of life. Fruit and vegetable semi-finished products are low in calories, relatively high in vitamin C and carbohydrates, and they require less time for cooking. Shape, color and texture of the cooked fruit and vegetable semi-finished products are slightly different from fresh products. The quality of raw materials used and methods of fruit and vegetable processing are important in the production of fruit and vegetable semi-finished products. The most appropriate method of fruit and vegetable storage is refrigeration preservation. It is important to know the laws of changing the thermophysical properties of the mixture components for freezing and low temperature storage of fruits and vegetables. Changes in fractions of frozen moisture, specific enthalpy, heat capacity, thermal conductivity, thermal diffusivity, component density of “Vegetable mixture for soup” have been determined. The calculation is based on the physical model of moisture crystallization in glucose, sucrose and fructose solutions in water. The mass fractions of moisture, sugars and starch of each component were taken into account. The dependences of thermophysical properties on temperature changes were obtained during freezing. The character of changing curves obtained in determining the thermophysical properties was analyzed. It has been revealed that bursts of heat release during crystallization of components occur at cryoscopic temperatures, eutectic temperatures of crystallization of fructose, sucrose and glucose solutions. The values of thermophysical properties for fresh and frozen ingredients have been identified. The most favorable temperature to store fruit and vegetable mixtures to prevent the growth of microorganisms and extend their shelf life is -22 deg. C. It is necessary to consider the gas component in determining the thermophysical properties of porous bodies and in calculating the additivity equations.
Keywords:
Fruit and vegetable semi-finished products, freezing, thermal properties, unfrozen moisture
Fruit and vegetable semi-finished products, freezing, thermal properties, unfrozen moisture
Введение В основе рационального питания человека лежат сбалансированность питания, соблюдение его режима, а также энергетическое равновесие. Сбалансированность питания человека подразумевает употребление определенного количества пищевых веществ, которые должны поступать в определенных пропорциях в организм. В основании пищевой пирамиды лежат продукты из цельного зерна, овощи и фрукты. Несмотря на то, что все овощи различны по своим характеристикам и свойствам, им всегда присуще наличие собственных ферментов и пектина, витаминов и минералов, большого количества углеводов и воды. Плоды и овощи относятся к скоропортящимся продуктам, это следует учитывать для использования их в питании в течение года независимо от сезона. Для увеличения срока их хранения требуется специальная обработка. Консервирование позволяет учесть сезонность производства продукции растительного происхождения, сохранить пищевую и биологическую ценность в течение длительного времени. Наиболее эффективным при обработке и хранении продуктов питания является холодильное консервирование. Такой распространенный и экономичный способ, как замораживание, предотвращает порчу и сокращает потери, вызывая минимальные изменения первоначальных свойств продукции при сохранении ее пищевой ценности и потребительских свойств. Быстрозамороженные плоды и овощи, смеси из них привлекают потребителя по следующим причинам: их легко приготовить, в них сохранено большинство питательных веществ; вкус, окраска, текстура и запах мало отличаются от свежих плодов и овощей [1, 2]. Также замороженные продукты, как правило, не содержат консервантов. Смесь «Овощная для супа» является полуфабрикатом средней готовности. Она содержит все необходимые плодоовощные компоненты для приготовления традиционного супа-лапши, при этом исключаются такие длительные этапы в приготовлении, как мойка и чистка овощей. Смесь состоит из картофеля (85,5 %), моркови (8 %), лука (5 %), петрушки (1 %) и зелени (укропа) (0,5 %). Необходимо открыть пакет со смесью и засыпать содержимое в кипящую подсоленную воду, проследить, чтобы вода закипела вновь, и по истечении 10 минут добавить лапшу. Предложенный вариант приготовления удобен для мобильных людей и для стремительного темпа современной жизни в целом. Пищевая и энергетическая ценность быстрозамороженной смеси «Овощная для супа» приведена в табл. 1. Таблица 1 Пищевая и энергетическая ценность быстрозамороженной смеси «Овощная для супа», в 100 г продукта Белки, г 1,9 Жиры, г 0,4 Углеводы, г 16,6 Клетчатка, г 4,7 Витамин С, мг 25 Энергетическая ценность, ккал 73,5 Наиболее приемлемо и выгодно в качестве сырья для полуфабрикатов использовать произрастающие в месте проживания населения плоды и овощи. Теплофизические характеристики продуктов являются основными величинами при расчетах технологических процессов, в которых происходит охлаждение, нагревание или замораживание. Консервирование, заготовка, обработка плодов и овощей сопровождаются низкотемпературными или высокотемпературными воздействиями, поэтому для разработки эффективных энергосберегающих технологий консервирования и переработки плодоовощных смесей необходима объективная и верная информация об их теплофизических свойствах во всем диапазоне воздействия температур [3-5]. Объекты и методы исследований Теплофизические свойства определялись для компонентов плодоовощной смеси «Овощная смесь для супа» согласно математической модели, разработанной на основе физической модели процесса замораживания плодов и ягод. В качестве физической модели замораживания используется процесс кристаллизации влаги в растворе глюкозы, сахарозы, фруктозы в воде. Эклектическая температура замораживания водного раствора глюкозы минус 5,3 °С, водного раствора сахарозы минус 8,5 °С, водного раствора фруктозы минус 21 °С. Математическая модель позволяет рассчитать долю замерзшей влаги, энтальпию, удельную теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, плотность плодов в свежем, замороженном состоянии, а также изменение этих показателей в процессе замораживания в зависимости от температуры плодов и овощей. Исходными данными для расчета перечисленных теплофизических параметров являются данные соотношения основных компонентов плодов и овощей, а именно массовые доли влаги, сахаров, фруктозы, сахарозы, глюкозы и крахмала [6, 7, 8]. Данные для расчета приведены в табл. 2. Количество льда в компонентах плодоовощной смеси увеличивается с понижением температуры и определяется по следующей формуле [6]: , (1) где mл(t) - массовая доля образовавшегося льда в компонентах плодоовощной смеси при данной температуре; mс - массовая доля сахаров в компонентах смеси; mвл - массовая доля влаги в овощах. Таблица 2 Данные для расчета Данные Картофель Морковь Лук репчатый Петрушка (корень) Укроп Плотность, кг/м3 1100 1040 970 1020 660 Массовая доля влаги 0,8 0,88 0,86 0,83 0,86 Массовая доля сахаров 0,046 0,081 0,096 0,093 0,07 Массовая доля фруктозы 0,001 0,013 0,012 0,004 0,008 Массовая доля сахарозы 0,008 0,026 0,065 0,012 0,004 Массовая доля глюкозы 0,002 0,016 0,013 0,002 0,016 Массовая доля крахмала 0,15 0,014 0,001 0,04 0,001 Криоско-пическая темпера-тура, °С -1,4 -1,2 -1,6 -1,5 -0,7 Скорость кристаллизации воды зависит от температуры вымерзания: чем она ниже, тем больше скорость кристаллизации. При этом число образующихся центров кристаллизации возрастает и образующаяся микрокристаллическая структура более мелкая. Кристаллики будут распределяться внутри клеток, а также в межклеточном пространстве равномерно, при этом кристаллики льда сначала будут образовываться в межклеточном пространстве. Массовая доля фруктозы в растворе определялась по уравнению регрессии в зависимости от температуры [6]: (2) где tкр - криоскопическая температура. При определении доли замерзшей влаги в формулу (1) в диапазоне температур начиная от криоскопической до температуры минус 5,3 °С вместо mс подставляли массовую долю всех сахаров, входящих в состав компонента смеси. Массовую долю фруктозы и сахарозы использовали в диапазоне температур от минус 5,3 до минус 8,5 °С. Массовую долю фруктозы подставляли в диапазоне для температур от минус 8,5 до минус 21 °С. Удельную теплоемкость с овощей, входящих в состав смеси, находили по правилу аддитивности [6]: (3) где ск - теплоемкость компонента (теплоемкость воды 4,19 кДж/(кг·К), сахаров 1,315 кДж/(кг·К), льда 2,3 кДж/(кг·К), прочих компонентов принимали 1,214 кДж/(кг·К)); χк - массовая доля компонента. Приращение энтальпий ∆i рассчитывали по приведенной зависимости, при этом за нулевое значение энтальпии приняли теплосодержание плодов и овощей, соответствующее температуре минус 40 °С: , (4) где ∆t - изменение температуры в процессе замораживания; r = 334 кДж/кг - удельная теплота плавления водного льда; - массовая доля расплавившегося льда в диапазоне температур ∆t. Метод аддитивности достоверен для пищевых продуктов, так как они являются изотропными. Коэффициенты теплопроводности составных компонентов представляют собой величины одного порядка (кроме газов). При расчете теплопроводность сахаров принимали 0,582 Вт/(м·К), воды - 0,597 Вт/(м·К), льда - 2,24 Вт/(м·К), крахмала - 0,115 Вт/(м·К). Расчетную физическую плотность овощей и плодов, входящих в состав смеси, находили следующим образом [6]: (5) где χк - массовая доля компонента смеси; ρk - плотность компонента (плотность сахаров 1550 кг/м3, крахмала 1648 кг/м3, льда 9158 кг/м3, воды 1000 кг/м3). Результаты и их обсуждение На рис. 1-6 представлены графические зависимости теплофизических свойств компонентов плодоовощной смеси от изменения температуры в процессе замораживания, полученные в результате расчетов. Рис. 1. Массовая доля замерзшей влаги в компонентах смеси в зависимости от температуры Рис. 2. Плотность компонентов смеси в зависимости от температуры Рис. 3. Энтальпия компонентов смеси в зависимости от температуры Рис. 4. Температуропроводность компонентов смеси в зависимости от температуры Рис. 5. Теплоемкость компонентов смеси в зависимости от температуры Рис. 6. Теплопроводность компонентов смеси в зависимости от температуры Проанализировав характер полученных кривых, можно сказать, что процесс замораживания плодоовощной смеси проходит со значительным выделением скрытой теплоты кристаллизации при определенных температурах. К таким температурам следует отнести температуры кристаллизации растворов основных компонентов, содержащихся в них, и криоскопические температуры компонентов смеси. К основным растворимым компонентам относятся сахара, а именно содержащаяся фруктоза, сахароза, глюкоза, а также крахмал. Содержание остальных сахаров, таких как моно-, дисахариды, галактоза, мальтоза, лактоза, оказывает незначительное влияние на процесс кристаллизации [9, 10, 11]. Температура минус 5,3 °С соответствует температуре кристаллизации эвтектического раствора глюкозы, поэтому процесс замораживания должен сопровождаться некоторым всплеском тепловыделения, что соответствует первому скачку кривой на полученных зависимостях. Температура минус 8,5 °С является температурой кристаллизации эвтектического раствора сахарозы, что соответствует второму скачку кривой на графиках (рис. 1-6). При температуре минус 21 °С кристаллизируется эвтектический раствор фруктозы. При указанных температурах происходят наиболее значительные пиковые выделения теплоты кристаллизации, которые сопровождаются изменением характера кривой кристаллизации, что наиболее заметно на полученных графиках (рис. 1, 3-6). Температуропроводность свежей смеси «Овощная для супа» составила 1,618·10-7 м2/с. Теплопроводность смеси до замораживания 0,564 Вт/(м·К). Массовая теплоемкость свежей смеси равна 3767 Дж/(кг·К). Для замороженной смеси «Овощная для супа» найденные значения температуропроводности, теплопроводности и массовой теплоемкости составили соответственно: 10,45 ·10-7 м2/с; 1,96 Вт/(м·К); 2168 Дж/(кг·К). Проанализировав данные, полученные в ходе расчета массовой доли замерзшей влаги, был сделан вывод о том, что при температуре минус 21 °С в компонентах смеси «Овощная для супа» остается незамерзшая влага. Полученные значения сведены в табл. 3. Таблица 3 Изменения массовой доли замерзшей влаги плодоовощной смеси Компоненты смеси Массовая доля замерзшей влаги при t, °С: -3 -6 -15 -22 Картофель 0,69 0,71 0,77 0,8 Морковь 0,55 0,75 0,85 0,88 Лук 0,47 0,7 0,84 0,86 Петрушка (корень) 0,45 0,65 0,77 0,83 Зелень (укроп) 0,58 0,76 0,82 0,86 В соответствии с проведенным тепловым расчетом, в картофеле при температуре минус 21 °С остается незамерзшей 1,6 % влаги (из 80 %), в моркови 1,8 % незамерзшей влаги (из 88 %). Репчатый лук содержит 1,7 % незамерзшей влаги (из 86 %) при температуре минус 21 °С. Для корня петрушки (83 % влаги) и зелени укропа (86 % влаги) были получены значения: 1,7 % незамерзшей влаги. При температуре минус 22 °С влага, содержащаяся в продуктах, полностью замерзает (табл. 3). Погрешности определения теплофизических характеристик расчетным способом по сравнению с экспериментальными данными должны составлять не более 6 % [6, 12]. Выводы Методика позволяет рассчитать теплофизические характеристики пищевых продуктов в зависимости от их состава, при этом для пористых тел (капуста) следует учесть в уравнениях аддитивности газовую компоненту. Согласно полученным данным, процесс замораживания смеси «Овощная для супа» будет происходить в диапазоне температур от криоскопической до минус 22 °С. Стандартной температурой хранения замороженных полуфабрикатов является температура минус 18 °С, но с учетом полученных данных необходимо отметить, что при указанной температуре в продукте содержится около 1,8 % незамерзшей влаги. При минус 22 °С в продукте остается только химически и физико-химически связанная влага с высокой энергией связи, вся свободная влага заморожена, соответственно, исключено развитие патогенных микроорганизмов. Чтобы продлить срок хранения плодоовощного полуфабриката «Овощная смесь для супа», необходимо хранить ее при температуре ниже минус 22 °С.
1. Issledovanie zamorazhivaniya v proizvodstve polufabrikatov iz kartofelya / A.Yu. Prosekov, R.Z. Grigor'eva, S.Yu. Yur'eva, V.A. Zhdanov // Dostizheniya nauki i tehniki APK. - 2006. - № 6. - S. 47.
2. Prosekov, A.Yu. Theory and practice of prion protein analysis in food products / A.Yu. Prosekov // Foods and Raw Materials. - 2014. - №. 2. - P. 106-120.
3. Korotkiy, I.A. Primenenie metoda dvuh temperaturno-vremennyh intervalov dlya opredeleniya teplofizicheskih harakteristik pischevyh produktov i materialov / I.A. Korotkiy, E.V. Korotkaya // Izvestiya vuzov. Pischevaya tehnologiya. - 2008. - № 2-3. - S. 109-111.
4. Korotkiy, I.A. Primenenie metoda dvuh temperaturno-vremennyh intervalov dlya opredeleniya teplofizicheskih harakteristik tverdyh, zhidkih i sypuchih materialov / I.A. Korotkiy // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. - 2009. - № 2. - S. 37-41.
5. Ostroumov, L.A. Metod dvuh temperaturno-vremennyh intervalov dlya opredeleniya teplofizicheskih harakteristik tverdoobraznyh, zhidkih i sypuchih pischevyh produktov i materialov / L.A. Ostroumov, I.A. Korotkiy, M.I. Ibragimov // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. - 2007. - № 1. - S. 69-71.
6. Korotkiy, I.A. Issledovanie i razrabotka tehnologiy zamorazhivaniya i nizkotemperaturnogo hraneniya plodovoyagodnogo syr'ya Sibirskogo regiona: avtoref. dis. …d-ra tehn. nauk: 05.18.04 / I.A. Korotkiy. - Kemerovo, 2009. - 42 s.
7. Tablicy himicheskogo sostava pischevyh produktov. Rezhim dostupa: http://pharmacognosy.com.ua/index.php/vashe-zdorovoye-pitanije/pochti-vse-o-pishchevykh-produktakh, 22.12.2015 g.
8. Korotkiy, I.A. Sibirskaya yagoda. Fiziko-himicheskie osnovy tehnologiy nizkotemperaturnogo konservirovaniya. - Kemerovo: KemTIPP, 2007. - 146 s.
9. Korotkaya, E.V. Issledovanie fiziko-himicheskih pokazateley svezhih i zamorozhennyh plodov oblepihi / E.V. Korotkaya, I.A. Korotkiy // Izvestiya vuzov. Pischevaya tehnologiya. - 2008. - №1. - S. 116-117.
10. Korotkaya, E.V. Izmenenie fiziko-himicheskih pokazateley yagod chernoy smorodiny pri zamorazhivanii / E.V. Korotkaya, I.A. Korotkiy // Izvestiya vuzov. Pischevaya tehnologiya. - 2008. - № 2-3. - S. 36-37.
11. Dermesonlouoglou, E. Kinetic modeling of the quality degradation of frozen watermelon tissue: effect if the osmotic dehydration as a pre-treatment / E. Dermesonlouoglou, M. Giannakourou, P. Taoukis // International journal of food science and technology. - 2007. - V. 42. - №7. - P. 790-798.
12. Butz, P. Changes in functional properties of vegetables induced by high pressure treatment / P. Butz, R. Edenharder, A. Fernández Garcı́a, H. Fister, C. Merkel, B. Tauscher // Food Research International.- 2002. - V. 35. - № 2-3. - P. 295-300.
