При изготовлении консервов продукты подвергаются различной тепловой обработке, в результате которой удаляется часть влаги, они приобретают определенный вкус, цвет и запах, в них прекращается жизнедеятельность микроорганизмов, в результате чего обеспечивается их сохранность.
Тепловые процессы (уваривание, стерилизация, пастеризация, обжаривание, бланширование, сушка и замораживание) проводят при определенных режимах (продолжительность и температура обработки, температура теплоносителя).
Режим теплового процесса выбирают таким, чтобы за минимальное время была проведена необходимая тепловая обработка продукта, а качество его не ухудшилось. Так, при концентрировании томатопродуктов стремятся удалить влагу при низких температурах кипения (под вакуумом) для наиболее полного сохранения пищевой ценности томатов. Однако из-за значительного снижения температуры выпаривания томатопродуктов вследствие увеличения их вязкости прекращаются конвекционные потоки и процесс выпаривания переходит в сушку. При этом скорость удаления влаги резко снижается, что практически нецелесообразно. Выбирая давление и температуру греющего пара, учитывают особенности нагреваемого продукта. Например, при подогреве томатной пасты перед розливом выбирают такие температуру и давление пара, при которых на поверхности нагрева не образуется нагар.
Теплообмен в пищевых продуктах зависит от их консистенции и агрегатного состояния. В жидких продуктах (соках, плодах, овощах и ягодах, бульонах, растительном масле и др.) теплообмен протекает главным образом путем конвекции. В полужидких высококонцентрированных продуктах (томатной пасте, пюре, икре, повидле и др.) теплообмен происходит путем конвекции и теплопроводности, в твердых либо коллоидно-капиллярных (овощах, фруктах, мясе, рыбе и др.) — только путем теплопроводности. Теплообмен путем теплопроводности в твердом влажном сырье усложняется массопроводностью. Сложный теплообмен происходит в банках с консервами (например, в компотах или в зеленом горошке): в жидкой части — путем конвекции, в плодах — теплопроводности.
Теплофизические свойства пищевых продуктов, в особенности такие, как вязкость, теплопроводность, теплоемкость, плотность и другие, зависящие от вида продукта, его температуры, концентрации и давления над ним, значительно влияют на теплообмен. При теплообмене изменяются температура продукта (нагревается или охлаждается) и его агрегатное состояние (выпаривается влага, он плавится или затвердевает). При этом всегда изменяются физические и часто физико-химические свойства продукта (коэффициент вязкости, теплоемкость, теплопроводность и др.).
При кипении пищевых продуктов температура превышает температуру кипения воды при данном давлении на величину температурной или физико-химической депрессии. Температурная депрессия зависит от вида продукта и концентрации сухих веществ.
Теплоносители
На консервных предприятиях в качестве теплоносителя преимущественно используют водяной насыщенный пар и воду, в редких случаях — горячее масло и воздух. Применение водяного насыщенного пара как основного теплоносителя обусловлено удобством транспортирования и изменения его количества, легкостью поддержания температуры регулированием давления, безвредностью, большой скрытой теплотой конденсации, незначительной агрессивностью к материалу трубопроводов и аппаратов, пожаробезопасностью. Кроме того, водяной пар можно непосредственно вводить в пищевой продукт.
Горячую воду и масло также широко применяют в качестве теплоносителя, что особенно выгодно при вторичном использовании теплоты конденсатов и жидкостей (продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. По сравнению с подогревом паром подогрев водой менее интенсивен и характеризуется снижением температуры теплоносителя.
Общий недостаток пара и воды как теплоносителей — быстрый рост давления с повышением температуры: достижение наивысшей температуры 150...160°С соответствует давлению (5...7)105 Па.
1. Характеристика различных видов электрообработки
Средство обработки |
Частота электромагнитных колебаний, Гц |
Процесс |
Токи: постоянные или низкочастотные высокой частоты |
60
103...106 |
Контактный нагрев, выпечка, пастеризация, вытопка жиров Стерилизация и пастеризация, нагрев, сушка, обжаривание зерен, варка, выпечка, размораживание мяса |
Лучи: инфракрасные ультрафиолетовые |
1012...1014 1015...1017 |
Нагрев, сушка, варка, обжаривание зерен, выпечка кондитерских изделий Стерилизация |
На тепловые процессы затрачивается большое количество тепловой энергии. При использовании более совершенных тепловой аппаратуры и технологии, а также при уменьшении потерь можно получить значительную экономию в расходе энергии.
В ряде случаев при проведении технологических процессов тепловую обработку пищевых продуктов заменяют более прогрессивной электрообработкой (табл. 1).
Тепловой и материальный балансы
При обработке пищевых продуктов тепловые процессы протекают по законам тепло- и массопередачи. Пользуясь этими законами, можно исследовать и анализировать работу существующих и проектируемых аппаратов. Анализируя тепловой и материальный балансы теплового процесса, можно судить о его рациональности и величине потерь, а также установить пути и способы их снижения.
Если пренебречь незначительными потерями, то количество продукта, введенного в технологический процесс, равно количеству продукта, полученного в результате технологического процесса. Сохранение энергии и массы является основой теплового и материального балансов технологического процесса.
Общий вид уравнения материального баланса
Суть теплового баланса заключается в равенстве количества тепловой энергии, отданной теплоносителем, количеству тепловой энергии, затрачиваемой на тепловую обработку продукта и компенсацию потерь в окружающую среду. При установившемся тепловом режиме аппарата теплота, вносимая теплоносителем, должна быть равна теплоте для осуществления технологического процесса.