ЗАМОРАЖИВАНИЕ
(Источник:Баль В. В., Вереин Е. Л. Технология рыбных продуктов и технологическое оборудование. М. Агропромиздат, 1990)
Замораживание является основным и наиболее распространенным способом консервирования рыбы. Без замораживания было бы невозможно сохранить выловленную рыбу, так как суда ведут промысел не менее 3 мес без захода в порты. 3амораживание очень хорошо предохраня╓т продукт от порчи, сохраняет все естественные свойства сырья. Чем ниже температура, тем выше качество продукта, но одновременно увеличиваются затраты на производство холода.
По этим причинам температуру замораживания выбирают в зависимости от конкретных производственных условий (продолжительности хранения, назначения замороженной рыбы, ее химического состава).
Жизнедеятельность гнилостных бактерий подавляется при температуре -5 С, но некоторые холодолюбивые бактерии (психрофиллы) выдерживают и более низкие температуры. При температуре -8 С прекращаются все микробиологические процессы.
Собственные ферменты тканей рыбы более устойчивы к низким температурам. Для предотвращения распада белка (протеолиз) требуется температура -20 С. Распад жира (липолиз) прекращается при температуре -30 С.
При замораживании количество образовавшегося льда в тканях (количество вымерзающей воды) увеличивается с понижением температуры: основная ее масса замерзает при температуре -5 С - около 75% воды, а остальная часть воды - при температуре ниже -60 С (рис. 1).
Изменения в тканях рыбы при замораживании. Процесс образования льда начинается не равномерно по всему объему рыбы, а в определенных точках - центрах кристаллизации. Центры кристаллизации представляют собой элементарный кристалл, состоящий из шести молекул воды. На этих центрах при последующем понижении температуры происходит нарастание кристаллов.
Количество центров кристаллизации и нахождение их в тканях зависят от интенсивности теплоотбора, в первую очередь от температуры замораживающей среды. Чем больше образуется центров кристаллизации, тем мельче будут в конце замораживания кристаллы и, следовательно, в большем количестве. При невысокой температуре среды центров кристаллизации оказывается меньше, количество воды, сконденсировавшейся на каждом из них, больше и образуются крупные кристаллы. Размер и количество кристаллов влияют на структуру тканей - мелкие не нарушают строение мышечной ткани, крупные - деформируют ее, разрыхляют, часть мышечных соков теряется при последующем размораживании.
График зависимости превращения воды в лед в тканях рыбы
В зависимости от интенсивности теплоотбора различают быстрое и медленное замораживание. На скорость замораживания влияют - агрегатное состояние среды охлаждения (газообразное, жидкое, твердое), ее температура, скорость перемещения относительно замораживаемого объекта. К газообразным охлаждающим средам относят воздух, диоксид углерода, азот, фреон (искусственный газ, фторохлорное соединение углеводородов). Наиболее распространенной газовой средой служит воздух, так как он безопасен и дешев.
Недостатком воздуха как охлаждающей (замораживающей) среды является техническая сложность получения температур ниже - 45 С. Твердый диоксид углерода (сухой лед), жидкий азот, жидкий фреон требуют относительно небольших затрат энергии для их получения, а при превращении в газообразное состояние поглощают много энергии (теплоты). Так, при испарении сухого льда температура понижается до -60 С, испарении жидкого азота - до -178 С, испарении фреона - до -81 С. Однако все эти вещества опасны для человека и их применение требует герметичной аппаратуры.
К жидким охлаждающим средам относят вещества или растворы, не замерзающие при отрицательных температурах. В настоящее время применяют этиленгликоль (антифриз), растворы хлорида натрия и хлорида кальция. Все эти вещества реагируют с продуктом, и потому замораживаемая рыба должна быть изолирована от прямого с ними контакта. Особая осторожность должна быть предпринята при применении этиленгликоля как ядовитого вещества. Достоинством жидких сред служит более интенсивный теплоотбор, чем при охлаждении в газообразных средах; недостатком - необходимость в дополнительных устройствах, охлаждающих эти жидкости, и соответственно большие энергетические затраты.
Наилучшие условия теплоотбора обеспечиваются контактом с холодной, плотно прилегающей к продукту металлической поверхностью. Однако сложная конфигурация тела рыбы затрудняет равномерный контакт с поверхностью аппарата, поэтому такая система замораживания применима только для замораживания разделанной рыбы.
В некоторых технологических схемах предусматривается замораживание рыбы до температуры -5-7 С. В этих случаях охлаждающей средой служит смесь льда и поваренной соли. Температура смеси зависит от соотношения льда и соли. Минимальная температура -18 С создается при соотношении льда и соли 3:1.
Продолжительность замораживания: а - при умереном, б - при нтенсивном теплоотборе
Условия теплоотдачи в воздушной среде хуже, чем в других средах, но низкая стоимость, инертность к продукту, простота технического использования компенсируют этот недостаток. Для повышения эффективности замораживания воздухом снижают его температуру до минимально технически возможного предела и создают высокую скорость его движения. Техническими средствами возможно понижать температуру воздуха до -45 С; скорость его может быть высокой, но теплоотбор улучшается непропорционально скорости, и по достижении некоторого значения в дальнейшем скорость не влияет на теплоотбор. Экономически целесообразной считается скорость 5 м/с.
Процесс замораживания состоит из трех периодов: охлаждения рыбы до криоскопической температуры, льдообразования, переохлаждения замороженной ткани. В первом и последнем периодах температура равномерно снижается, а во втором - поддерживается постоянной до тех пор, пока вся вода не превратится в лед. Продолжительность этого процесса зависит от интенсивности теплоотбора и влияет на качество замороженного продукта.
В процессе замораживания в тканях рыбы образуются три зоны: поверхностная, где вода превращается в лед, кристаллообразования и незамерзшей ткани. В результате непрерывного теплоотбора зона кристаллизации продвигается к центру (рис. 2). Скорость продвижения находится в прямой зависимости от интенсивности теплоотбора. Если эта скорость равна или более 3 см/ч, то замораживание считается быстрым, при меньшей скорости - медленным. Технические средства замораживания обеспечивают быстрое замораживание.
Общая продолжительность замораживания зависит от пути, который должна пройти зона кристаллизации, или от толщины рыбы. Теплоотбор происходит с двух боковых сторон, следовательно, в расчетах принимается во внимание половина толщины.
С учетом термического сопротивления тканей продолжительность замораживания оказывается пропорциональной квадрату половины толщины рыбы или блока.
Превращение воды в лед происходит не одновременно по всей толщине рыбы, а по мере продвижения криоскопической температуры в глубь тканей. При замораживании рыбы толщиной не более 2-3 см условия кристаллизации и соответственно качество продукта являются однородными по всему объему. При замораживании крупной рыбы и особенно рыбы в блоках скорость льдообразования в центральной части тканей значительно меньшая, чем в поверхностных слоях, что отражается на качестве продукта. Для сохранения качества продукта в аппаратах интенсивного замораживания ограничивают толщину блока, а крупную рыбу преимущественно разделывают на филе.
Расчет расхода холода на замораживание. При расчете расхода холода на замораживание руководствуются периодами замораживания (охлаждение, кристаллообразование, переохлаждение).
Расход холода на охлаждение рассчитывают по формуле
Qох = m C1 (tn - tкр),
где Qох - расход холода на охлаждение, кДж/кг; m - масса охлаждаемой рыбы, кг; С1 -теплоемкость рыбы до замораживания, кДж/кг; tи - температура рыбы до замораживания; tкр - температура криоскопическая, С.
Расход холода на льдообразование вычисляют по формуле:
Qn = m w /100wr,
где Qn - расход холода на льдообразование, кДж/кг; т - масса рыбы, кг; w - содержание в рыбе воды, %; w - доля вымерзающей воды; г - теплота льдообразования, равная 335,2 кДж/кг.
Расход холода на переохлаждение замерзшей рыбы:
Q3= m C3 (tкр - tк),
где Q3 - расход холода на переохлаждение, кДж/кг; m - масса замороженной рыбы, кг; С3 - теплоемкость замороженной рыбы, кДж/(кг-г); tк - температура, до которой заморожена рыба; tкр - температура криоскопическая, С.
Сумма этих расходов носит название энергетических затрат на технологический процесс. Кроме того, в реальных условиях замораживания необходимо компенсировать дополнительные теплопритоки. К ним относятся теплопритоки извне через ограждения, пребывание людей в охлаждаемых помещениях, тепловое излучение от освещения и другие.
Потери через ограждения рассчитывают по формуле
qn = kF(tт-tх),
где qn - теплопритоки через ограждения, Вт/м3; F - поверхность ограждающих конструкций, м2; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 * град); tх - температура холодного помещения; tт - температура теплого помещения.
Дополнительные теплопритоки, кроме внешних, можно принимать в зависимости от размеров помещения. При площади помещения до 10 м2- 40 % от теплопритоков через ограждения, при площади от 10 до 20 м2 - 30 %, более 20 м2 - 20 %.
Дополнительные теплопритоки, включая и компенсацию теплопритоков через ограждения, можно принимать по укрупненным показателям: для камер с положительными температурами, но ниже внешних, расход холода оценивается 90-100 Вт/м2, при температуре от 0 до -4 С - 120-130 Вт/м2, при температуре -18 С- 200-220 Вт/м2.
Способы замораживания. Способы классифицируются по принципу использования хладагента: воздушное замораживание в естественных условиях (на открытом воздухе в зимние морозны╓ дни), в искусственно охлаждаемом воздухе, в жидких средах при контакте с охлаждающей жидкостью (контактное замораживание) и без прямого контакта, в формах, полимерных пленках (бесконтактное замораживание).
В зависимости от вида технических средств способы замораживания разделяются на поточные (непрерывно действующие скороморозильные аппараты) и циклические (камеры, в которых процесс замораживания прерывается для выгрузки замороженной рыбы и загрузки очередной партии).
Воздушное замораживание в естественных условиях. Этот способ применяют в широтах с устойчивой зимней температурой не выше -20 С и осуществляют непосредственно на месте вылова рыбы в основном на реках Сибири и севере европейской части СССР. На участке лова расчищается от снега поверхность речного льда. Выловленная рыба раскладывается рядами на этой площадке и замерзает. Продолжительность замораживания зависит от размеров рыбы и температуры воздуха. Качество продукта должно быть наивысшим, так как замораживается живая рыба. Замороженную рыбу упаковывают в джутовые или рогожные кули вместимостью до 60 кг и направляют на перерабатывающие предприятия. Способ замораживания в естественных условиях не требует энергетических затрат, поэтому может быть применим на любом участке водоема. Однако способ ограничен природными условиями, трудоемок, так как механизировать процесс раскладки, сбора и упаковывания рыбы невозможно.
Воздушное замораживание в искусственных условиях. Способ заключается в замораживании рыбы на стеллажах, изготовленных из труб, по которым циркулирует хладагент (аммиак или фреон). Стеллажи размещены в камерах, представляющих собой помещение, изолированное от внешних теплопритоков. При испарении в трубах жидкого хладагента и понижении его температуры соответственно охлаждается материал трубы. Кроме того, на стенах и потолке камеры размещаются дополнительные батареи труб, в которых испаряется хладагент. Общее количество передаваемого холода должно компенсировать количество теплоты, отнимаемой от замораживаемой рыбы, и все внешние теплопритоки. В камерах замораживания поддерживается температура не выше -28 С. На полки стеллажей кладут металлические листы, на которые размещают в один ряд замораживаемую рыбу. Та сторона рыбы, которая соприкасается с металлической поверхностью, промораживается быстрее, чем контак-тирующаяся с воздухом. Для создания одинаковых условий теплообмена рыбу переворачивают через каждые 2-4 ч. При замораживании рыбы массой более 2 кг переворачивание производят дважды: через 2-4 ч и в середине срока замораживания.
Продолжительность замораживания до температуры в центре рыбы -18 С составляет 18-48 ч в зависимости от размера рыбы. Если рыба помещается в камеры предварительно охлажденной, то продолжительность замораживания сокращается на 2-4 ч. Количество рыбы на каждом стеллаже зависит от ее размера и массы, а также от количества полок в стеллаже. Приняты следующие нормы загрузки морозильных камер: на 1 м2 площади стеллажа - 30-40 кг рыбы; на 1 м2 грузовой площади пола - до 100 кг рыбы. Рыбу длиной более 100 см замораживают в подвешенном состоянии.
В процессе замораживания уменьшается масса рыбы на 1,5-2,5% за счет испарения влаги с поверхности и конденсации ее на холодных трубах стеллажей и дополнительных охлаждающих трубах. Конденсирующаяся влага образует снеговую шубу, препятствующую нормальному охлаждению помещения, которую необходимо периодически удалять, для чего в охлаждающие трубы подают горячий хладагент, шуба отделяется от трубы в виде снежной массы.
Производительность морозильных камер при всех прочих равных условиях (размер рыбы и продолжительность ее замораживания) зависит от ее размеров, которые должны быть такими, чтобы продолжительность загрузки не превышала 4 ч.
Замораживание рыбы в скороморозильных аппаратах. Для интенсификации замораживания .воздухом в искусственных условиях применяют аппараты, в которых со скоростью 5 м/с движется воздух, охлажденный температуры -45С. Эти условия обеспечивают быстрое замораживание, и аппараты называются скороморозильными. По условиям работы эти аппараты бывают периодического и непрерывного действия, а по конструкции - камерные, туннельные.
Камерные скоромороэильные аппараты периодического действия представляют собою шкаф, снабженный внутри испарительными батареями для охлаждения воздуха и вентиляторами, создающими интенсивную его циркуляцию. Температура в таком шкафу поддерживается -30, -35 С, а скорость циркуляции воздуха у поверхности рыбы - не ниже 5 м/с. Перед замораживанием предварительно охлажденная рыба раскладывается на специальной тележке, имеющей до 12 полок с общей поверхностью до 13 м2. Средняя вместимость тележки - 300 кг рыбы. Загруженная тележка закатывается в морозильный аппарат. В зависимости от варианта конструкции аппарата в нем может помещаться от 2 до 12 тележек. Продолжительность замораживания в камерных скороморозильных аппаратах составляет 4- 7 ч, т. е. в 6 раз быстрее, чем в камерах со стеллажными замораживающими устройствами. По окончании срока замораживания тележки выкатываются из аппарата, а на их место помещаются следующие. В различных конструкциях камер загрузка и выгрузка предусматриваются или с одного конца, или с противоположных. В последнем варианте конструкции загрузка и выгрузка совмещаются во времени.
Производительность камеры зависит от ее вместимости и продолжительности цикла, в который входят время замораживания и время загрузки и выгрузки.
Пример. Вместимость аппарата - 8 тележек по 250 кг рыбы на каждой, продолжительность замораживания, загрузки и выгрузки - 6ч. Суточная производительность аппарата - 8x250x24/6 = 8000 кг/сут.
Скороморозильные аппараты туннельного типа. Конструкция скороморозильных аппаратов данного типа представляют собой непрерывно двужущееся транспортное устройство с закрепленными на нем металлическими формами (рис. 2,3,4). Все транспортное устройство заключено в изолированную от теплопритоков камеру, которая может иметь форму туннеля, цилиндра, параллелепипеда. В камере циркулирует воздух, охлажденный до температуры -45 С, со скоростью до 12 м/с.
Формы наполняются рыбой, их вместимость рассчитана на 10 кг при толщине слоя не более 10 см. Для сокращения продолжительности замораживания рыбу предварительно охлаждают до 0 С. При перечисленных выше условиях продолжительность замораживания составляет 2-4 ч. При помощи транспортирующего устройства формы с рыбой переносятся из одного конца туннеля в другой, возвращаются к месту загрузки, где орошаются теплой водой; блок отделяется от формы и направляется для последующей обработки, а форма возвращается к месту загрузки. Производительность аппаратов такой конструкции от 20 до 40 т/сут. Детали конструкции аппаратов такого типа могут быть различными при общем принципе перемещения рыбы в формах в зоне холодного воздуха, циркулирующего с большой скоростью.
Замораживание в плиточных аппаратах. Наилучшие условия теплопередачи обеспечиваются контактом замораживаемого продукта с~ металлической поверхностью. Этот принцип заложен в конструкцию плиточных скороморозильных аппаратов. Плиточные аппараты для быстрого замораживания представляют собой систему полых металлических плит, внутри которых циркулирует испаряющийся хладагент. Между плитами размещается уложенная в формы рыба, предварительно разделанная на филе или тушку. При замораживании мелкой рыбы, разделывание не обязательно. Специальное механическое устройство сдвигает плиты, плотно зажимая между ними формы с рыбой. Продолжительность замораживания при толщине слоя рыбы 7 см составляет от 40 до 60 мин. По своей конструкции плиточные скороморозильные аппараты делят на аппараты периодического действия и непрерывного. Производительность таких аппаратов до 5 т/сут.
Замораживание в жидких средах. Охлаждающей средой является раствор хлорида кальция температурой замерзания -40, -45 С. Преимуществами этого способа являются высокий коэффициент теплоотдачи в жидкости и сравнительно простая конструкция аппарата.
Однако контакт продукта с раствором хлорида кальция делает продукт непригодным в пищу. Сложность изоляции продукта от контакта с раствором ограничивает применение метода замораживания в жидких средах. Последние достижения промышленности в области изготовления полимерных пленок позволяют развивать этот способ замораживания рыбы. Процесс заключается в следующих операциях: герметизации в пленке под вакуумом предварительно охлажденной рыбы, погружении ее в охлажденный до -40 С раствор хлорида кальция, ополаскивании поверхности упаковки от раствора.
Аппарат представляет собой ванну, заполненную непрерывно охлаждаемым раствором. В ванне предусмотрена установка устройства для перемещения замораживаемого продукта. Продолжительность замораживания зависит от объема замораживаемой рыбы или брикета (в случае замораживания в блоке).
3амораживание в льдосолевыx смесях. При смешивании льда с поваренной солью температура образующегося раствора понижается и теоретически может достигнуть - 21 С: Из-за неравномерности распределения в смеси льда и соли минимальная температура практически не бывает ниже -18 С. Условия теплопередачи не позволяют достигать температуры в центре продукта равной температуре охлаждающей среды, поэтому в льдосолевых смесях рыба промораживается до температуры -8-4- -10 С.
Технология замораживания льдосолевой смесью заключается в том, что рыбу пересыпают в чанах вместимостью до 5 т смесью льда и соли в соотношении 30 % смеси к массе рыбы. На 1 т рыбы расходуется 75кг льда и 25 кг соли. Продолжительность процесса 12-18 ч; более продолжительный контакт рыбы со смесью вызывает просаливание. Замороженную рыбу выгружают из чана, ополаскивают холодной водой для удаления с поверхности пленки раствора и упаковывают.
Для уменьшения трудовых затрат и предохранения рыбы от просаливания ее упаковывают перед замораживанием в деревянные ящики вместимостью 25-30 кг, предварительно выстланные пергаментом. Уложив рыбу, заворачивают верхнюю часть пергамента, закрывая им рыбу, и ящик закупоривают. На дно чана насыпают слой льдосоле-вой смеси и на него устанавливают ящики, пересыпая их по рядам этой смесью. Расход смеси - 50 % к массе рыбы, соотношение льда и соли -3:1, продолжительность замораживания - от 24 до 48 ч.
Замораживать рыбу в льдосолевых смесях разрешается предприятиям, не имеющим холодильников, с машинным производством холода, так как при такой технологии замораживания сроки хранения рыбы значительно меньшие, чем при машинном замораживании. Как правило, замораживание в льдосолевых смесях применяют как один из этапов технологической схемы посола рыбы.
