Среднюю скорость замораживания наиболее удобно рассматривать как отношение расстояния, проходимого фронтом кристаллообразования в продукте, к продолжительности его прохождения. Условно можно принять следующее деление характера замораживания в зависимости от скорости процесса:
- медленное — скорость от 0,1 до 1 см/час,
- интенсивное (среднескоростное) — скорость от 1 до 5 см/час,
- быстрое — скорость от 5 до 20 см/час. По Планку быстрым замораживанием считается скорость замораживания от 2 см/час.
Основные требования, которые должны быть предъявлены к условиям замораживания мяса, могут быть сформулированы следующим образом: применяемые охлаждающие среды (твердые, жидкие и газообразные) не должны оказывать вредного действия на замораживаемый продукт; отвод тепла от продукта должен производиться по возможности одновременно со всех сторон; скорость замораживания должна удовлетворять условиям наилучшего сохранения качества продукта и наилучшим условиям эксплуатации; аппараты замораживания должны быть просты и надежны в эксплуатации.
Интенсивность замораживания, как это следует из формул теплоотдачи продуктов, может быть достигнута за счет уменьшения толщины продуктов, понижения температуры охлаждающей среды и увеличения коэффициента теплоотдачи от продукта к среде.
При замораживании мяса и мясопродуктов первый прием интенсификации процесса применяется для блочного и фасованного мяса; понижение температуры охлаждающей среды может вестись в пределах, обеспечивающих максимальное сохранение обратимости процесса замораживания; увеличение коэффициента теплоотдачи — наиболее часто используемый прием интенсификации.
Выбор интенсификации метода замораживания должен производиться, исходя из технико-экономической целесообразности, с учетом степени сохранения качества продукта и размеров эксплуатационных затрат.
Замораживание мяса может производиться в различных охлаждающих средах и разными методами:
- в воздухе — медленное (тихое), интенсивное и быстрое;
- в жидкой среде (рассоле) — контактное и бесконтактное;
- хладагентами, кипящими при низкой температуре, — бесконтактное (хладагент находится между охлажденными металлическими плитами или эластичными тканями) и контактное (применяется CO2 и пр.).
Замораживание мяса в воздухе
Замораживание мяса в воздухе является наиболее старым и до настоящего времени наиболее распространенным способом. Отвод тепла от мясопродукта осуществляется при этом способе замораживания посредством омывающего его воздуха, охлаждаемого непосредственно хладагентом или рассолом. Охлаждение воздуха производится полностью в камерах размещенными в них батареями с непосредственным испарением хладагента или с рассолом, либо частично батареями и частично воздухоохладителями, расположенными вне или внутри камер, либо полностью воздухоохладителями.
К воздушному замораживанию относится и способ замораживания за счет наружного воздуха, поступающего в зимнее время года.
В том случае, если циркуляция воздуха осуществляется естественным образом, длительность замораживания обычно очень велика. Такое замораживание называют «тихим». Ускорение процесса воздушного замораживания и более равномерное распределение температуры в камере достигается искусственной циркуляцией воздуха, осуществляемой вентиляторами либо за счет подачи воздуха из воздухоохладителей, либо установленными в камере в качестве циркуляторов болтунов. Такое воздушное охлаждение при движении воздуха со скоростью порядка 2—5 м/сек и выше носит название интенсивного.
Процесс воздушного замораживания мясных туш и полутуш в зависимости от температуры в камере и условий циркуляции воздуха, а также размеров и упитанности туш длится 24—32 часа (способ ВНИХИ — Н. И. Кульбина — с искусственной циркуляцией при температуре в камере —23°), 2 суток (при естественной циркуляции и температуре в камере —23°) и до 4 суток при температуре —8, —12°.
Такие режимы замораживания являются относительно медленными и сопровождаются неблагоприятными условиями кристаллообразования со всеми вытекающими из этого последствиями. ВНИХИ смонтирована камера с температурой воздуха —66° для замораживания различных продуктов, в том числе и мясопродуктов. Процесс замораживания сокращается до нескольких часов.
Гипромясо проектирует замораживание мясных туш и полутуш в камерах интенсивного действия с температурой —35°.
За рубежом — в США, Англии, Швеции, ГДР и ФРГ, Дании — температура в камерах замораживания мяса в последние годы поддерживается на уровне —35—55°. Длительность замораживания при этих режимах составляет 24 часа для туш и полутуш крупного рогатого скота и свиней.
Температура среды имеет большое значение для ускорения процесса замораживания, поскольку скорость теплопередачи пропорциональна разности температур между продуктом и охлаждающей средой. Поэтому при воздушном замораживании следует поддерживать возможно более низкую температуру на протяжении всего процесса замораживания. Постоянная температура замораживания устанавливается лишь к концу процесса.
Непосредственно после загрузки температура в камере замораживания резко повышается вследствие интенсивной теплоотдачи продукта воздуху, что продолжается до тех пор, пока вся система не придет в равновесие и скорость отдачи тепла продуктом не будет равна скорости поглощения тепла холодильным агентом в холодильной системе морозильной камеры.
По мере замерзания продукта скорость отдачи тепла снижается, но охлаждение продолжается до тех пор, пока не установится небольшая разность между температурой камеры и температурой хладоносителя, соответствующая условиям термического сопротивления холодопередающих поверхностей.
Циркуляция воздуха ускоряет замораживание, но влияет на величину потери веса продуктом (уморозку) в зависимости от длительности замораживания. Поэтому при низких температурах замораживания (температура воздуха ниже —23°) при трубном охлаждения, когда влияние циркуляции на характер кристаллообразования невелико, циркуляцию воздуха в камерах зачастую исключают, так как в этом случае удается обычно сократить потери веса, излишнее высыхание поверхности и улетучивание ароматических веществ из продукта.
В связи с накоплением паров и газов во (время замораживания необходимо производить вентиляцию камер в размерах примерно 1—2 объема в сутки. Вентиляцию осуществляют при помощи воздухоохладителей, если они есть. В противном случае вентилируют камеры открыванием дверей.
Относительная влажность воздуха в камерах замораживания, исходя из необходимости снижения потерь на уморозку, поддерживается на уровне от 85 до 90—92%.
В последние годы все большее распространение получает ускоренное замораживание с использованием воздуха в качестве хладоносителя. Продукт замораживают в туннельных морозилках или в специальных скороморозильных аппаратах. Воздух в них движется быстро и имеет низкую температуру и высокую относительную влажность, причем в скороморозильных аппаратах продукты укладывают на противни или конвейерные ленты слоем небольшой высоты или подвешивают куски небольших размеров.
В таких воздушных скороморозильных аппаратах может быстро замораживаться мясо в мелких разрубах и в блоках, эндокринное сырье, субпродукты и другие мясопродукты; в туннельных — туши и полутуши.
В скороморозильном аппарате с воздушным охлаждением, сконструированном ВНИХИ (Ш. Н. Кобулашвили), продолжительность замораживания при температуре циркулирующего воздуха —50—60° и скорости его движения 5—6 м/сек составляет в зависимости от толщины мясопродукта от 30 мин. до 4 час.
Длительность замораживания до температуры —18° мяса и мясопродуктов с температурой 20° в аппарате, температура воздуха которого составляет —30—32°, от 7 (мясные блоки толщиной 150 мм) до 12 час. (четвертины говядины весом до 44 кг).
Воздушные скороморозилки ряда систем работают с кондициями воздуха: от температуры —25° и скорости 2,5 м/сек до температуры воздуха —55° при скорости до 10 м/сек. Такие аппараты по продолжительности замораживания конкурируют с аппаратами, в которых хладоносителем является жидкая среда — рассол, или с плиточными аппаратами непрямого контакта.
Канд. техн. наук А. П. Шеффер предложил для интенсификации процесса замораживания применять эжекторные воздухоохладители, у которых теплопередачи охлаждающих элементов в 2,5—3 раза выше, чем у обычных батарей.
Эжекторные воздухоохладители представляют собой систему трубопроводов с хладоносителем (непосредственно испаряющимся хладагентам или рассолом), интенсивно обдуваемую воздухом из эжекторов, в которые он нагнетается вентиляторами. Скорость выброса воздуха из эжекторов принимается в пределах 20—30 м/сек. Длительность процесса замораживания мясных полутуш средним весом 70 кг при температуре воздуха —18° при эжекторных воздухоохладителях около 40 час.
При замораживании в воздухе в целях снижения размеров уморозки и сохранения товарных качеств продукта применяются естественные или искусственные оболочки. Так, туши телят (содержащие много влаги) замораживают в шкуре или в специальных простынях, тушки дичи — в оперении. Отдельные отрубы мясных туш и в особенности мясо мелкой расфасовки замораживают в оболочке из естественных, искусственных и синтетических материалов — из пергамента, целлофана, различных сортов упаковочной бумаги, алюминиевой фольги, полиэтилена, поливинилхлорида и пр. Такое замораживание имеет большое значение при дальнейшем хранении в замороженном виде. Применяется глазуровка замороженного продукта, дающая очень хорошие результаты в смысле большей стойкости продукта, сокращения весовых потерь и сохранения качества продукта, например глазуровка дичи, глазуровка шпика (опыты ВНИИМПа).
При замораживании в воздушной среде для успешного проведения процесса требуется надлежащее регулирование температуры, влажности и скорости движения воздуха. При замораживании мяса в воздухе большое значение имеет правильное развешивание туш и полутуш на подвесных путях, раскладка отрубов и блоков на противнях и вешалах или непосредственно на змеевиках с хладагентом и полное омывание их воздухом, а также равномерное распределение по камере воздушных потоков холодного воздуха, поступающего из воздухоохладителей, и правильный отсос отеплявшегося воздуха.
Замораживание в жидкой среде
Замораживание в жидкой среде в применении к мясу проводится в форме замораживания в рассоле способом контактного замораживания, когда продукт непосредственно соприкасается с рассолом, и способом замораживания непрямого контакта, когда продукт заключается в оболочки, формы, соприкасающиеся с рассолом.
Процесс замораживания мяса в жидкой среде с точки зрения его ускорения рациональнее, чем в воздухе, но в определенных пределах толщины замораживаемых мясопродуктов.
Контактное замораживание бывает двух методов: замораживание погружным способом и замораживание орошением. В качестве замораживающей среды при контактном способе применяют раствор поваренной соли. Использование растворов таких солей, как хлористый кальций, или магний, недопустимо вследствие придания мясу горького вкуса и порчи его как пищевого продукта. Оба контактных способа замораживания — погружением и орошением — имеют наряду с большими преимуществами — ускорением процесса и отсутствием весовых потерь — два основных недостатка:
- проникновение соли на поверхность и внутрь продукта на определенную глубину вследствие разности осмотического давления растворов и
- изменение цвета, ухудшающее внешние товарные качества продукта.
В 1912 г. Оттезен предложил способ контактного замораживания продукта в рассоле, основанный на использовании свойств замерзания растворов при различных температурах и концентрациях.
Состояние растворов на кривых замерзания и насыщения характеризуется равновесием между жидкой и твердой фазами раствора. Насыщенный раствор, охлажденный до криоскопической точки, выделяет чистый лед. Если в такой раствор прилить воды или погрузить лед, они не будут поглощены раствором. Если в такой насыщенный раствор, который выделяет лед, погрузить продукт, то раствор не в состоянии воспринимать из продукта влагу и отдавать ему соль: в нем не происходит обменной диффузии, основанной на разности осмотических давлений, такой раствор соли является индифферентным по отношению к погружаемому в него продукту.
При отклонении состояния рассола от криоскопической точки будет происходить просаливание продукта.
Основной причиной невозможности устранить проникновение соли в продукт является совершенно неизбежный при замораживании перепад температуры между продуктом и раствором.
У поверхности замораживаемого продукта рассол всегда будет теплее окружающего, даже если средняя температура всей массы его и соответствовала бы криоскопической точке. Следовательно, осмотическое проникновение соли в продукт будет происходить за весь период замораживания. Теоретические основы Оттезена на практике остаются невыполнимыми.
Ввиду практической невозможности поддержания состояния рассола на криоскопической точке замерзания становится необходимым предварительно, до погружения в рассол, продукт охлаждать, а также добавлять к рассолу особые вещества, например глицерин, причем каждые 5% глицерина позволяют понизить температуру замерзания на 1° ниже криоскопической точки рассола. Недостатком применения глицерина является приобретение продуктом сладковатого привкуса; на поверхности все же остается тонкий слой рассола, могущий при хранении привести к изменению цвета продукта (потемнение мяса).
Количество и скорость проникновения соли в ткань зависят не только от температуры замерзания рассола, но от характера мускульной ткани, свежести и сорта, а также от содержания жира в подкожных мышцах. Толстый слой жира на поверхности мяса (например, у свинины) может почти полностью предотвратить проникновение соли.
Добавление к рассолу различных ингредиентов, способствующих сохранению цвета замороженного мяса, не дает хороших результатов: после некоторого периода хранения мясо темнеет, а иногда и буреет.
Тихоокеанской рыбной станцией в Британской Колумбии предложен способ поддержания постоянной температуры охлаждающего раствора путем предварительного намораживания льда на охлаждающих рассол змеевиках. Этот прием предохраняет от проникновения в продукт соли, но он трудоемок и технически сложен.
Срок замораживания при контактном способе для мясных туш и полутуш средней упитанности при температуре рассола в пределах от —21,1° эвтектического раствора до — 23—25° составляет 6—8 час.
Замораживание контактным способом путем орошения рассолом, предложенное впервые для рыбы, для мяса несколько модифицировано М. Т. Зароченцевым, причем в основном оно применяется для замораживания свинины и баранины. Процесс распадается на три фазы: в первой фазе производится предварительное обмывание мяса под душем; во второй фазе продукт замораживается в среде тонко распыленного форсунками рассола; в третьей фазе смывается под душем капиллярный слой рассола, осевший на продукты. Первая фаза не обязательна, если продукт имеет хорошо подготовленную и чистую поверхность.
Рассол для замораживания подают температурой от —16°. Распыление рассола, способствующее его испарению, повышает теплоотдачу. Процесс замораживания контактным способом путем орошения протекает все же медленнее, чем при способе замораживания погружением. При одинаковой температуре охлаждающего рассола срок замораживания орошением удлиняется по сравнению со сроком замораживания погружением примерно на 50%. Практически вследствие вышеуказанного метод прямого контакта замораживания мяса не получил применения.
Бесконтактное замораживание (в оболочках) позволяет избежать недостатков контактного замораживания. При этом в растворах можно применять соли с более низкой, чем у хлористого натрия, криоскопической точкой (хлористый кальций, хлористый магний и пр.).
При покрытии продуктов перед замораживанием защитными оболочками необходимо обеспечить максимальное удаление воздуха из пространства между поверхностью мяса и оболочкой.
Опыты по замораживанию туш и полутуш мяса в оболочках были проведены Д. А. Христодуло в 1933—1934 гг. и в 1952 г., причем в качестве оболочки использовались резиновые бинты. Можно применять также бинты из прорезиненной марли, целлофана, хлорвиниловой пленки. Туша или половинка туши плотно обёртывается бинтом снизу-вверх так, чтобы каждый виток находил на край нижележащего для предотвращения попадания рассола под оболочку.
При температуре рассолов —47, —22, —27° охлажденная полутуша говядины весом 90 кг при орошении 0,329 л/кг мин замораживалась до —8° в течение соответственно 16,4; 12 и 9 час.; охлажденные бараньи тушки весом 12—16 кг — при температуре рассола —17° в течение 6—9 час., а охлажденные свиные полутуши весом 18—28 кг — в течение 10—12 час., весом 40—45 кг — за 16—18 час. при среднем расходе рассола 0,251 л/кг мин. Потеря веса выражалась в пределах всего 0,1—0,12%.
Товарные показатели мяса, замороженного в защитных оболочках, почти не отличаются от мяса, замороженного в воздухе. Недостаток замораживания в оболочках — трудоемкость одевания мешков или бинтов и отсоса воздуха. Хранить мясо, замороженное в мешках или бинтах, можно в этих же оболочках, что улучшает санитарные условия хранения и снижает потери на уморозку.
Замораживание отрубов, блоков мяса и субпродуктов в металлических формах погружением в рассол или орошением требует значительно меньше времени по сравнению с воздушным замораживанием. По сравнению же с контактным замораживанием, вследствие трудности достижения в особенности для отрубов плотного прилегания продукта к стенкам формы, процесс замораживания (в формах протекает медленнее. Для ускорения процесса приходится прибегать к значительному понижению температуры рассола.
Замораживание хладагентами
Замораживание хладагентами, кипящими при низкой температуре, широко применяют для продуктов мелкой расфасовки. Субпродукты, эндокринное сырье замораживают между охлаждаемыми металлическими плитами — бесконтактным методом.
Бесконтактное замораживание между двумя плитами может быть четырех типов. В зависимости от хладоносителя, который испаряется внутри плит, конструкция плит и способы охлаждения будут различны. Продолжительность замораживания в плиточных морозилках находится в зависимости от величины коэффициента теплоперехода между хладоносителем и охлаждаемой поверхностью плиты. Тепловое сопротивление упаковочного материала и наличие изолирующей воздушной прослойки замедляет процесс замораживания продуктов в упаковке. Коэффициент теплопроводности для обычного упаковочного материала — бумаги, картона, целлофана — при толщине его 0,05—0,1 мм колеблется в пределах от 0,1 до 0,2 ккал/м час град.
При рассольном охлаждении аппаратов коэффициент теплоперехода зависит от скорости рассола в аппарате.
Экспериментально (П. П. Добзин, ВНИХИ) установлено, что оптимальная скорость рассола 0,2—0,3 м/сек, поскольку при больших скоростях продолжительность замораживания снижается весьма незначительно. При указанных скоростях рассола коэффициент теплоперехода составляет около 500 ккал/м2 час град.
В скороморозильных плиточных аппаратах фасованный продукт обычно замораживают после его упаковки, так как упаковка замороженного продукта, в частности мяса, при достаточно низкой температуре крайне затруднена, а при более высокой может вызвать оттаивание.
Прессование упакованных продуктов между охлаждающими поверхностями, имеющими большую теплопроводность, уменьшает сопротивления промежуточных слоев, так как часть воздуха из полостей будет выжата; небольшое сдавливание упакованных продуктов полезно и в том отношении, что удаление воздушных прослоек уменьшает выпадение конденсата между продуктом и упаковкой.
По опытам ВНИХИ (Д. Г. Рютов и Д. А. Христодуло), практически давление на плитку мяса не следует давать выше 0,1 кг/см2 во избежание опасности выжимания мясного сока.
В мембранном скороморозильном аппарате ВНИХИ (А. Л. Шеффер) с циркулирующим рассолом температурой —23° продолжительность замораживания мясных блоков в бумажной упаковке толщиной 100 мм составляет 4 часа.
Плитки в рассольных скороморозилках следует делать из нержавеющих материалов. Конструирование аппаратов с испаряющимся хладагентом, в особенности непрерывно действующих систем, представляет известные трудности, так как для их работы требуется полная герметичность.
Контактное замораживание заключается в том, что продукт приводится в контакт с испаряющимся хладагентом. Первые опыты замораживания мяса в контакте с испаряющимся хладагентом были произведены в СССР в 1906 г. Н. С. Комаровым, который предложил замораживать продукт в углекислоте. Схема такого способа замораживания следующая. Жидкая углекислота направляется после регулирующего вентиля в морозилку, где пары углекислоты омывают продукты, расположенные в камере, замораживают их и через фильтр отсасываются компрессором. При одинаковых температурах процесс замораживания в углекислоте требует несколько меньшего времени, чем в рассоле.
Наряду с положительными особенностями замораживания в углекислоте — быстротой и экономичностью — следует отметить весьма серьезные дефекты: опасность отравления обслуживающего персонала, необходимость герметичности морозильного аппарата (бака, камеры) и трудность регулирования холодильной машины.
Помимо углекислоты, для замораживания мяса и мясопродуктов предложены и другие безвредные для пищевых продуктов хладагенты, как, например, фреон. Замораживание в испаряющихся хладагентах целесообразно применять при обезвоживании мяса и мясопродуктов, в особенности эндокринного сырья, где требуется хорошая обратимость продукта или эффективное сохранение активных начал.
Из сравнения и анализа различных методов быстрого замораживания мяса можно сделать следующие выводы.
1. Погружной и оросительный методы замораживания в жидкостях с непосредственным контактом в настоящем виде неприменимы как вследствие того, что практически нет возможности устранить осмотические свойства жидких замораживающих средств (растворов соли и пр.), так и вследствие громоздкости и трудоемкости процесса замораживания.
Эти методы при соблюдении строгих санитарных условий можно применять при замораживании колбасного мяса в растворах соли, когда поверхностное обесцвечивание мяса и проникновение в него соли может быть разрешено.
2. Методы замораживания в жидких средах могут получить широкое применение при использовании безвредных искусственных защитных оболочек, обладающих влаго — и жиронепроницаемостью, прочностью и эластичностью, с тем чтобы продукт замораживался, хранился и поступал к потребителю в этой же оболочке.
В США некоторые фирмы при замораживании мяса (отдельных кусков фасованного мяса) применяют восковую массу из очищенного нефтяного воска, не имеющую запаха и вкуса.
Мясо в такой пленке хранится при —35°, пленка снимается после выдержки куска мяса при комнатной температуре 3—4 час. или в холодной воде в течение 5 мин. Оболочку вскрывают ножом.
3. Значительное промышленное значение в настоящее время имеют два метода замораживания: бесконтактный (холодными металлическими плитами) и в потоке холодного воздуха.