Процессы обработки пищевых продуктов и жидкостей

Варка, жарка и выпечка относятся к специфическим тепломассообменным процессам [[VK3] ].

Варка супов, бульонов, мяса, рыбы и др., жарка и выпечка представляют собой сложные нестационарные тепломассообменные процессы.

Варка

Варка – тепломассообменный процесс, который протекает в сложной неоднородной многокомпонентной системе. При варке образуются как эмульсии – жир в воде, так и суспензии – твердые компоненты в воде или эмульсии. В ходе многостадийного процесса происходит нагревание жидкой среды, твердых, пастообразных и других компонентов.

При варке протекают массообменные процессы – экстракция, растворение, выщелачивание, теплообменные – выпаривание и др. При выпаривании происходят удаление воды, уваривание и разваривание, что приводит к изменению теплофизических свойств, а именно: плотности, вязкости, удельной теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности, как отдельных компонентов, так и всей системы в целом. При варке изменяются структура, внешний вид, цвет продукта. Происходят физико-химические изменения жиров, белков, углеводов и других компонентов сырья. Например, готовность мяса определяют по цвету. Миоглобин придает мясу красный или розовый цвет при температуре варки 50...70 , при температуре 80 происходит денатурация миоглобина и мясо приобретает серовато-коричневый цвет. Показателем готовности мяса при варке является деструкция коллагена, который уже при температуре 58...62 превращается в глютин. Количество образовавшегося глютина зависит от температуры варки.

Процесс варки можно подразделить на собственно варку, припускание (частичное погружение продукта в жидкую среду) и тушение. Варку проводят в жидкости или атмосфере водяного пара при атмосферном, избыточном давлении или в вакууме.

Варку при атмосферном давлении проводят в двух режимах: при «тихом» кипении при температурах 96...98 и доведении жидкости до температуры кипения с последующим прекращением подвода теплоты. В этом случае кулинарная готовность достигается за счет аккумулированной варочной системой теплоты.

Варку в атмосфере насыщенного водяного пара проводят при температурах 100...110 , а в атмосфере перегретого пара – при 140... 160 .

При этом слои продукта достаточно быстро нагреваются до температуры 75...80 , соответствующей кулинарной готовности.

Следует отметить, что применяемый для варки пар должен быть чистым и не содержать вредных примесей.

Рассмотрим процесс теплообмена при варке пищевых продуктов.

Варка происходит в варочных открытых и закрытых емкостях: кастрюлях, котлах, автоклавах.

Теплообмен при варке представляет собой последовательный многостадийный процесс.

Теплота подводится к варочной емкости теплопроводностью от конфорок, которые обогреваются тэнами.

К дисперсионной среде теплота от стенки варочной емкости передается теплопроводностью, а при перемешивании системы также естественной или принудительной конвекцией. К твердым компонентам от жидкости теплота, как правило, передается теплопроводностью и конвекцией. Внутри твердых компонентов теплота распространяется теплопроводностью.

Математически процесс можно описать системой дифференциальных уравнений Фурье:

где – коэффициенты теплопроводности соответственно материала варочной емкости, эмульсии, твердых компонентов, ; – нормаль к изотермической поверхности; – соответствующие поверхности теплообмена, ; – продолжительность варки.

При наличии конвективного теплообмена в варочном котле от стенок к жидкости количество теплоты:

где – коэффициент теплоотдачи конвекцией, ; и – температуры жидкости и стенки емкости.

Из этих уравнений можно получить выражение для определения коэффициента теплопередачи:

Коэффициент теплоотдачи при конвективном подводе теплоты определяют по уравнению для случая естественной конвекции и - для случая принудительной конвекции.

Коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции рассчитывают на основе критериального уравнения:

где , , - критерии Нуссельта, Грасгофа и Прандтля; и - числовые коэффициенты.

Числовые значения коэффициентов и выбирают в зависимости от произведения из таблицы (таблица 3).

Таблица 3

Значения коэффициентов и к уравнению


	0,45
	1,18
	0,54
	0,135

Определяющей температурой в критерии Грасгофа является средняя температура пограничного слоя , а . Здесь и – температуры стенки и среды, .

Коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвенции теплоносителя в трубе определяют по уравнениям -.

Для турбулентного режима (Re>10 000):

Для ламинарного режима (Re 2 320):

При поперечном обтекании трубы теплоносителем и Re=10…2 используют уравнение:

в котором числовые значения и находят в зависимости от значения критерия Рейнольдса (таблица 4):

Таблица 4

Значения коэффициентов и к уравнению


	0,50	0,5
	0,25	0,6

Определяющим размером в уравнениях - является эквивалентный диаметр канала. Физические параметры в критериях , и определены при средней температуре жидкости, а в критерии - при температуре стенки. учитывает влияние на теплоотдачу направления теплового потока и температурного перепада.

Скорость теплообмена будет определяться скоростью самой медленной стадии процесса. При варке в кипящей жидкости коэффициент теплоотдачи определяют по уравнениям и, полученным из критериального уравнения.

где – критерий Нуссельта; – критерий Рейнольдса; – критерий Прандтля; – коэффициент теплоотдачи, ; – характерный (модифицированный) линейный размер, являющийся параметрической функцией критического лапласовского радиуса пузыря , выраженного через основные физические свойства кипящего теплоносителя (изобарную теплоемкость , плотности масс паровой и жидкой фаз, поверхностное натяжение , теплоту фазового превращения и температуру кипения ); – средняя скорость движения паровой фазы, которую определяют по удельной тепловой нагрузке и объемной теплоте фазового превращения.

Для пузырькового режима кипения в условиях естественного и вынужденного движения получено уравнение:

где – коэффициент теплоотдачи, ; – безразмерный коэффициент, полученный в результате обобщения большого количества экспериментальных данных; – коэффициент кинематической вязкости, ; – коэффициент поверхностного натяжения, .

Чтобы приближенно рассчитать коэффициент теплоотдачи, можно использовать формулу для воды при кипении в большом объеме:

где – удельный поток теплоты, ; – давление, при котором кипит вода, Па.

Ниже приведены ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи для наиболее распространенных процессов теплообмена (таблица 5).

Таблица 5

Коэффициенты теплоотдачи процессов теплообмена

Процесс теплообмена	Коэффициент теплоотдачи,
Нагревание и охлаждение газов (атмосферное давление)	10...50
Нагревание и охлаждение органических жидкостей	50...1500
Нагревание и охлаждение воды	200...10 000
Кипение воды	500...10 000
Конденсация водных паров	4000...15 000
Конденсация паров органических жидкостей	500...2000

При варке в атмосфере влажного насыщенного пара коэффициент теплоотдачи от пара к продукту определяют по уравнению, которое получено экспериментальным путем из критериального уравнения ( – коэффициент, зависящий от вида поверхности (для вертикальных стенок и труб – 0,943, для горизонтальных труб – 0,728); – критерий Кирпичева, где – теплота парообразования; – удельная теплоемкость; – разность между температурой превращения и температурой одной из фаз; – теплота перегрева или переохлаждения вещества относительно температуры фазового превращения; – критерий Галилея, где и – соответственно критерии Фруда и Рейнольдса, – ускорение свободного падения, ; – линейный размер, ; – скорость, ; – коэффициент кинематической вязкости, ) при пленочной конденсации водяного насыщенного пара и капиллярном стекании пленки по пучку вертикальных труб:

где – теплота конденсации, ; – плотность конденсата, ; – теплопроводность конденсата, ; – динамический коэффициент вязкости конденсата, ; – разность между температурой насыщенного пара и температурой стенки, ; – высота вертикальной трубы или стенки, м.

Значение скрытой теплоты конденсации вычисляют при температуре конденсации, а параметры конденсата , , – при средней температуре пленки конденсата .

Удельная теплоемкость будет снижаться по мере протекания процесса с повышением концентрации жира в водожировой эмульсии. В то же время коэффициенты теплоотдачи от эмульсии к твердым компонентам могут иметь тенденцию к увеличению. Теплопроводность при варке увеличивается незначительно, но она зависит от структуры и неоднородности сырья (мясо состоит из мякоти и костей). При низкой эффективности конвективного теплообмена коэффициент теплопередачи будет определяться коэффициентом теплопроводности в системе вода–жир или в твердых компонентах.

Для определения продолжительности варки следует решить задачу нестационарного теплообмена:

где – критерий Фурье; – коэффициент температуропроводности, ; – коэффициент теплопроводности твердого тела, ; – удельная теплоемкость материала, ; – плотность материала, ; – линейный размер, м; – критерий Био; –коэффициент теплоотдачи, .

Важный фактор, определяющий продолжительность варки, – структура и размеры развариваемого продукта. Скорость нагревания продукта различна по направлениям, что затрудняет решение задачи.

Продолжительность нагревания жидкости до температуры кипения ориентировочно можно определить из основного уравнения теплопередачи:

где – количество жидкости, кг; – удельная теплоемкость, ; и – соответственно температура кипения и начальная температура, ; – коэффициент теплопередачи между средами, ; – теплопередающая поверхность, ; – средняя разность температур, .

При варке следует соблюдать следующие требования: обеспечивать быстрый нагрев жидкости до температуры кипения; варку проводить при «тихом» кипении, т. е. при температуре на 2...3 ниже температуры кипения; не допускать переваривания продукта и выкипания жидкости.

При соблюдении этих условий возможно уменьшить потери и разрушение витаминов и других ценных компонентов в продуктах.

В настоящее время для варки в быту в основном используют оборудование с электрообогревом. Подвод теплоты при варке осуществляется тэнами.

По технологическому принципу варочные аппараты можно разделить на аппараты для варки в кипящей жидкости и для варки в атмосфере пара.

Различают варочные аппараты с электрообогревом и с огневым обогревом. Электронагреватели могут быть расположены в самом аппарате или в рубашке аппарата, либо варочный аппарат устанавливают на плиту с плоскими, как правило, электронагревателями. Варочная емкость непосредственно установливается на электронагреватели. Такие плиты относятся к теплообменным аппаратам с контактным нагревом. Число конфорок 2...4, потребляемая мощность 7... 13 кВт.

Аппараты для варки в атмосфере пара, так называемые пароварочные аппараты, работают под атмосферным или избыточным давлением.

Жарка

Жарку мяса, рыбы, картофеля, мучных изделий и т. д. по технологическому принципу можно разделить на собственно жарку, обжарку и пассерование. При жарке продукт доводят до кулинарной готовности. Жарку проводят на открытой теплообменной поверхности, например сковороде, или без непосредственного контакта продукта с теплообменной поверхностью. Для жарки используют также лучистый подвод теплоты и токи СВЧ.

Жарку, как правило, проводят в слое жира, фритюре, но также и в атмосфере воздуха.

Жарку с небольшим количеством жира проводят в жарочных шкафах.

При жарке во фритюре на открытой теплообменной поверхности продукт нагревают до . При этом продукт нагревается равномерно и на всей его поверхности образуется специфическая корочка.

Жарку продуктов с большим содержанием углеводов проводят в среднегорячем фритюре при температуре . В горячем фритюре при температуре обжаривают предварительно сваренные продукты, а в очень горячем фритюре жарят продукты из теста, рыбы и др.

Предварительно жир прокаливают при температуре в течение 30 мин до тех пор, пока из него не прекратится выделение пара.

Жарка в закрытых и открытых жарочных шкафах без жира происходит за счет теплового излучения от излучателей и теплообменных поверхностей, установленных в шкафах, или от открытого огня. Теплота к продукту может подводиться также токами СВЧ.

Теплоту от греющих поверхностей к продукту подводят теплопроводностью, а от горячего воздуха – конвекцией.

Кипение влаги в продуктах происходит в результате ее нагревания в слоях, направленных от поверхности вглубь к центру.

Из теплового баланса жарки можно определить ее продолжительность.

Теплота расходуется на нагревание продукта до конечной температуры и удаление влаги при кипении.

Продолжительность процесса определяют из теплового баланса:

где – количество продукта, кг; – удельная теплоемкость продукта, ; и – начальная и конечная температуры продукта, ; – количество удаленной воды, кг; – энтальпия пара, ; – коэффициент теплопередачи от поверхности или среды к продукту, ; – поверхность теплообмена, ; – средняя температура между теплообменной поверхностью и продуктом, .

Коэффициент теплопередачи при жарке на открытой греющей поверхности определяется коэффициентом теплопроводности стенки греющей поверхности, жира и продукта, коэффициентами теплоотдачи от греющей поверхности к жиру и от жира к продукту (рис. 46, а), а также коэффициентом теплопроводности. В общем виде коэффициент теплопередачи:

где ; – толщины стенки, слоя жира и продукта, м; ^– соответствующие коэффициенты теплопроводности, ; и – коэффициенты теплоотдачи от теплообменной поверхности к жиру и от жира к продукту, .

При жарке во фритюре (рис. 46, 6) на процесс теплопередачи будет влиять уже и теплоотдача конвекцией в слое масла.

Коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции определяется по общей формуле:

Н. Н. Липатов рекомендует определять коэффициент теплоотдачи при жарке и варке от греющей поверхности к маслу и от масла к продукту по формуле:

или

где – удельный тепловой поток от греющей поверхности к продукту, .

В расчетах значение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции принимают равным 230...460 .

Рис. 46. К расчету коэффициента тплопередачи:

а – жарка на открытой поверхности: 1 – продукт; 2 – жир; 3 – теплообменная поверхность;

б – жарка во фритюре: 1 – емкость; 2 – бульон; 3 – продукт; 4 – теплообменная поверхность

Прижарке в воздухе с использованием ИК-излучения, например в грилях с лучистым подводом теплоты, коэффициент теплопередачи, :

где приближенно учитывает скорость теплообмена одновременно конвекцией и лучеиспусканием; ; – разность температур окружающей среды и продукта, ; – толщина слоя, м; – коэффициент теплопроводности корочки, .

Подвод теплоты к жарочному оборудованию осуществляется тэнами.

Тэны могут быть расположены в самой варочной емкости, так называемые погружные тэны, вне варочной емкости – это электроплиты с плоскими нагревателями. Теплота может передаваться от тэна к продукту через промежуточный теплоноситель – масло, например во фритюрницах, теплота может передаваться при непосредственном контакте продукта (мяса, рыбы и т. д.) с жарочной поверхностью, обогреваемой тэнами, – жарочные шкафы, и, наконец, тэны не контактируют с продуктом, а теплота передается продукту излучением – грили.

Оборудование для жарки можно разделить на жаровни, предназначенные для жарки на открытых греющих поверхностях с небольшим количеством жира (сковороды), жарочные шкафы, аппараты для жарки во фритюре, грили.

Жаровни бывают с поверхностным обогревом и с нагревом продукта ИК- и СВЧ-излучением.

Жарочные шкафы на предприятиях общественного питания в основном бывают с электрообогревом, но также применяют шкафы с радиационным, газовым и огневым нагревом.

По принципу действия жарочные шкафы бывают периодического и непрерывного действия. Жарочные шкафы непрерывного действия можно разделить на шкафы для жарки на греющей поверхности и фритюрницы для жарки при погружении продукта в большой объем жира.

Для бытовых нужд в основном используют оборудование периодического действия. Например, жарочный шкаф с открытой жарочной поверхностью. Обжариваемый продукт укладывают непосредственно на жарочную поверхность. Поверхность может быть гладкой либо рифленой. Внутри корпуса шкафа установлены тэны.

Во фритюрнице жарка происходит в большом объеме масла. Масло нагревается электронагревателями, расположенными в корпусе фритюрницы. Продукт загружают в сетчатую корзину, которую устанавливают в емкости с маслом. Во фритюрнице теплота от тэнов передается к продукту через масло. Возможна регулировка мощности нагрева и тем самым продолжительности жарки.

В контактных грилях продукт – мясо укладывают непосредственно на греющую поверхность. В корпусе гриля расположены тэны, температура которых регулируется приборами, расположенными на панели. Теплота от греющей поверхности передается продукту контактным путем. В таких грилях жарка происходит без масла.

Грили с инфракрасным нагревом предназначены для жарки и разогрева продуктов. Они оборудованы высокотемпературными электронагревателями, в частности кварцевыми лампами в виде трубок, имеющих температуру нагрева до 1050 °С.

Вертикальный гриль снабжен трубчатыми высокотемпературными электронагревателями, однако в гриле могут быть установлены также и высокотемпературные панели с проволочными нагревателями. Регулировка и отключение панелей производятся автоматически. Продукт нанизывают на вертикальный шампур, который вращается вокруг своей оси от электродвигателя. Под действием высокой температуры на поверхности продукта образуется аппетитная корочка. Жир, выделяющийся при жарке, собирается в маслосборнике.

Для приготовления, выпечки и разогрева продуктов применяют микроволновые печи, работа которых основана на использовании токов СВЧ. Такие печи снабжены магнетронами. Печи имеют программное управление, позволяющее полностью контролировать процесс приготовления и подогрева пищи. Внутренняя отделка камеры печи – эмалированная сталь. Корпус выполнен из нержавеющей стали. Продукты загружают в печь через герметично закрывающуюся дверцу. Предусмотрена подсветка камеры галогенной лампой. При открывании дверцы печь автоматически отключается. Нагрев продукта осуществляется за счет поглощения им микроволновой энергии поля СВЧ. Мощность в рабочей камере 0,5 кВт. Для приготовления пищи используют посуду из любого диэлектрика – стекла, фарфора, фаянса, пластмассы. Нельзя применять металлическую посуду, а также посуду с металлическим покрытием и с рисунком, выполненным металлизированной краской. Нельзя заворачивать продукты в фольгу.

Выпечка

Выпечка хлеба и мучных кондитерских изделий – сложный технологический процесс. При выпечке протекают тепломассообменные, коллоидные, биохимические и физико-химические процессы. Все эти процессы происходят при интенсивном прогревании теста-изделия.

Температурные режимы выпечки выбирают в зависимости от вида изделия, его рецептурного состава, вида и структуры теста, массы и формы заготовки.

В процессе выпечки теплота передается тесту-изделию от теплообменных поверхностей излучением, от паровоздушной среды – конвекцией, а также при конденсации паров на поверхности тестовой заготовки.

Количество теплоты, необходимое для прогревания теста-заготовки до температуры готовности, на испарение влаги из тестовых заготовок, на перегрев пара в пекарной камере, составляет 300...550 кДж/кг. Скорость прогрева теста зависит от температуры и влажности паровоздушной среды пекарной камеры, температуры теплообменных поверхностей печи, массы и формы заготовок, их влажности.

Прогревание теста ускоряется за счет увеличения количества конденсирующихся паров на поверхности теста, уменьшения массы и толщины заготовок. Тестовые заготовки с большой влажностью и пористостью прогреваются более интенсивно. Плотность посадки заготовок в противнях в печи снижает коэффициент теплоотдачи конвекцией. Основное количество теплоты – около 80 % – передается к тестовым заготовкам излучением. При нагревании теста наружные слои прогреваются очень быстро, например, за 10 мин температура достигает 100 , и на поверхности теста образуется корочка. К концу выпечки температура достигает 170... 180 . Температура внутренних слоев повышается медленно, в среднем температура мякиша не превышает 98 .

При выпечке из теста удаляется связанная физико-химическая влага. Для разрыва этой связи необходимы затраты энергии. В начальный период прогревания возникает температурный градиент между наружными и внутренними слоями тестовой заготовки. Под действием температурного градиента влага диффундирует от наружных слоев к внутренним. В этот период прогревания температурный и массообменный градиенты совпадают по направлению. Во втором периоде выпечки, который характеризуется постоянной скоростью удаления влаги, температура внутренних слоев теста превышает 100 . При этой температуре влага вскипает и превращается в водяной пар, что приводит к возникновению избыточного давления внутри тестовой заготовки. Влага под действием избыточного давления начинает перемещаться за счет массопроводности к поверхности заготовки. В этот период температурный и массообменный градиенты направлены в противоположные стороны. Зона испарения жидкости непрерывно перемещается в глубь тестовой заготовки.

Тепломассообменные процессы, происходящие при выпечке в тестовых заготовках, иллюстрируют кривые кинетики и скорости удаления влаги из тестовых заготовок (рис. 47). При постоянном режиме выпечки наблюдаются три периода удаления влаги из теста. Первый период характеризуется прогревом заготовки и переменной скоростью удаления влаги, второй – постоянной скоростью, а третий – падающей скоростью с переходом в постоянную скорость удаления влаги.

Рис. 47. Кривые кинетики удаления влаги (а) и скорости удаления влаги (б)

Представленная кривая кинетики удаления влаги объясняется интенсивным прогревом поверхностных слоев заготовки в начальный период. При этом возникает значительный температурный градиент, под влиянием которого часть свободной влаги стремится продиффундировать от поверхностных слоев заготовки внутрь. Это явление, связанное с массопроводностью влаги, снижает общую скорость удаления влаги из тестовой заготовки.

Во втором периоде выпечки температура в центре тестовой заготовки превышает 100 , влага превращается в пар. При этом внутри заготовки возникает избыточное давление, влага диффундирует к поверхности и удаляется с нее с постоянной скоростью. В этот период скорость массопроводности влаги внутри тестовой заготовки не лимитирует конвективный и лучистый массообмен с окружающей средой. Зона испарения влаги внутри заготовки постепенно углубляется, что приводит к резкому увеличению объема заготовки.

В третьем периоде выпечки зона испарения влаги достигает мякиша. В тесте остается только влага, связанная с белковым веществом и крахмалом.

Скорость удаления влаги в эти периоды внутри заготовок определяется коэффициентом массопроводности, а от поверхности заготовки в окружающую среду – коэффициентом массоотдачи.

Клейстеризация крахмала – это коллоидный процесс. Он начинается при температуре 40 и заканчивается при 60...90 . При дальнейшем повышении температуры происходит образование сахаров из крахмала и корочка тестовой заготовки приобретает блеск. Процесс спиртового брожения достигает максимума при температуре теста до 35 . При 50 брожение заканчивается и прекращается выделение газов. Газообразование увеличивает пористость теста. Увеличение пористости приводит к увеличению объема тестовых заготовок. Углекислота и аммиак также образуются при разложении карбоната аммония. Степень разрыхления теста зависит от его структурно-механических свойств и равномерности распределения в нем химических разрыхлителей.

Математически процесс выпечки можно описать следующими дифференциальными уравнениями: