III. Kỹ thuật lạn hở Vị êt Nam:
4.2. Sự quá lạnh và tác dụng của nó trong quá trình làm lạnh đông 43
* Hiện tượng quá lạnh là hiện tượng khi hạ nhiệt độ dưới 00C mà nước trong sản phẩm, trong tế bào vẫn chưa đóng băng..
Sự chậm kết tinh nước và chậm xuất tâm kết tinh này lại phụ thuộc vào nồng độ
phân tử của dịch bào, nhiệt độ và kích thước ống mao dẫn, phụ thuộc vào tính chất nhiệt lý cấu tạo hệ thống keo Protit - nước của sản phẩm, phụ thuộc vào tốc độ hạ
nhiệt độ của môi trường làm lạnh.
Ở đây ta xét ảnh hưởng của nhiệt độ thấp và kích thước mao dẫn đến sự quá lạnh.
- Trong môi trường lỏng luôn có sự chuyển động nhiệt (chuyển động Brao) và chuyển động tương hỗ. Ở nhiệt độ thấp chuyển động nhiệt giảm, mà tăng cường chuyển động tương hỗ (do tăng lực tác dụng tương hỗ) sẽ làm tăng cường khả năng kết hợp các phân tử với nhau. Cho nên ở nhiệt độ nào đó mà hệ thống chuyển động được cân bằng theo phương trình lực.
http://www.ebook.edu.vn
Thì xuất hiện tâm kết tinh của mạng lưới tinh thể. Đối với nước nguyên chất pt
được cân bằng ở 00C, còn đối với dung dịch (đường, muối) do có lực đẩy lớn (trong dung dịch có các phần tử tích điện cùng dấu) cho nên phương trình lực chỉ cân bằng ở
nhiệt độ < 00C
- Ống mao dẫn cùng ảnh hưởng rất lớn đến sự quá lạnh trong ống mao dẫn bao giờ cũng có 2 lực tác dụng lên 1 phần tử chất lỏng: lực hút vào (nén) và lực căng mặt ngoài. Lực hút vào giảm dần từ bề mặt chất lỏng vào sâu trong mao dẫn, còn lực căng bề mặt ổn định lắp lòng và bề mặt chất lỏng. Ở một lớp nào đó của chất lỏng sẽ có sự
cân bằng giữa lực hút và lực căng ra làm cho phần tửổn định, có khả năng tạo thành mạng lưới tinh thể và kết tinh được trong mao dẫn ở lớp ngoài và lớp trong cùng thì không có sự cân bằng 2 lớp tác dụng ấy nên không thể tạo miền tinh thểđược. Ở lớp ngoài các phần tử chịu nén ép mạnh hơn nên mạng lưới tinh thể bị co lại, còn ở lớp trong thì lực hút vào bé nên mạng lưới tinh thể to ra, chất lỏng tăng thể tích cũng không sinh mầm kết tinh được.
Ống mao dẫn càng bé thì Δt quá lạnh càng lớn (nhiệt độ quá lạnh càng thấp). Ví dụống φ = 1mm thì tql = -5 ÷ -6 và khi φ = 0,2 ÷ 0,3mm thì tql = -15 ÷ -180C.
Qua thí nghiệm người ta thấy rằng tql càng thấp thì sự tạo thành mầm tinh thể có chậm, nhưng khi tạo được thì tạo 1 cách nhanh chóng, nhất loạt và nhiều vô kể, lúc đó kích thước tinh thể tạo thành rất bé.
Và khi tql thấp đến 1 mức nào đó thì chất lỏng sẽ không tạo được tinh thể, chỉ
tạo được chất rắn vô định hình (dạng thủy tinh thể) (ở tql < - 800C)
Ảnh hưởng của tqlđến số lượng tinh thểđá tạo thành (λ’) và kích thước của tinh thểđá (V) như sau:
Hình ***
Trong thực phẩm độ quá lạnh thường không lớn lắm, đối với nước dịch từ thịt gia súc, cá, chim thì tql≈ -50C, đối với sữa -60C, đối với trứng thì tới -110C
Nhiều công trình nghiên cứu cho biết nếu t0 > -300C thì kích thước tinh thể phát triển bình thường lớn dần về chiều dài cũng như chiều ngang, nhưng nếu t0 < -300C thì kích thước tinh thể đá chỉ phát triển theo chiều dài và trở thành sợi bao bọc xung quanh tế bào, lúc này các tinh thể đá không những không phá huỷ cấu trúc mô tế bào của sản phẩm mà còn bảo vệ cho tế bào được nguyên vẹn.
Trong công nghiệp lạnh đông thực phẩm, để tăng Δtql, người ta thường dùng biện pháp tăng nồng độ phân tử của sản phẩm là biện pháp quyết định nhất vào có hiệu quả nhất. Tăng nồng độ phân tử bằng đường tới thiên nhiên tức là để rau, quả, nguyên liệu đạt độ chín kỹ thuật để có các qúa trình chuyển hóa :
http://www.ebook.edu.vn
Gluxit Æđường Æđường khử
Prôtit Æ các peptit...
Tăng nồng độ phân tử bằng đường lối nhân tạo như tẩm muối, tẩm đường, tẩm các dung dịch, sinh tố, tẩm các chất chống oxy hóa ... vừa hạ thấp tql, vừa tăng được giá trị dinh dưỡng, giá trị thương phẩm và khả năng bảo quản.
Hình ***
Còn trong kỹ thuật sản xuất đá thì ngược lại là tìm mọi biện pháp để nhanh chóng sinh mầm tinh thể, hiệu quả nhất dòng sóng siêu âm, kích thước cộng hưởng chuyển động kết hợp tương hỗ giữa các phân tửđể chúng dễ tạo thành mạng lưới tinh thể, kết tinh nhanh, rút ngắn thời gian sản xuất đá, tăng năng suất thiết bị, giảm giá thành sản phẩm.
* Biểu diễn sự quá lạnh thực phẩm khi lạnh đông như sau: Hình ***
Sau khi đạt tql thì các tinh thểđá xuất hiện đồng loạt, toả ra nhiều ẩn nhiệt đóng băng, làm tăng nhiệt độ của sản phẩm. Điểm cao nhất trong biểu đồ gọi là điểm đông
đặc và sản phẩm ở nhiệt độấy 1 lúc để hoàn thành cơ bản qúa trình đóng băng rồi mới tiếp tục giảm nồng độ (khi phần chủ yếu của nước - nước tự do và liên kết yếu - đóng băng)
4.3. Lượng nước đóng băng
Khi hạ thấp nhiệt độ của thực phẩm xuống dưới nhiệt độ đóng băng của dịch bào thì có 1 lượng nước chuyển thành nước đá, làm thay đổi nồng độ chất hòa tan trong dịch thực phẩm, do đó nhiệt độđóng băng của phần dịch bào còn lại sẽ tiếp tục hạ thấp.
Ta nghiên cứu dung dịch gồm 2 thành phần là nước và chất hòa tan. Khi chỉ có nước (0% chất hòa tan) thì nhiệt độđóng băng = 00C. khi tăng nồng độ chất hòa tan thì nhiệt độ đóng băng sẽ giảm và ở nồng độ nhất định ?? thì sẽ tạo tinh thể ở nhiệt độ đóng băng ứng với nồng độ này. Tiếp tục hạ nhiệt độđến 1 lúc toàn bộ dung dịch biến thành thể rắn (toàn bộ lượng nước trong dung dịch bị đóng băng) nhiệt độ ứng lúc này gọi là nhiệt độơtecti (t0e)
Độ giảm nhiệt độ cuả dung dịch phụ thuộc vào lượng chất hòa tan trong dung dịch và xác định bằng công thức Rao :
θ = ε.c
ε - Hằng số, phụ thuộc vào dung dịch. c - Nồng độ phân tử của dung dịch
http://www.ebook.edu.vn
Đối với các dung dịch thực phẩm thì trong dịch gồm rất nhiều thành phần : Vô cơ và hữu cơ, Nhưng cũng có thể áp dụng được công thức trên nhưđối với dịch gồm 2 thành phần .
* Lượng nước đóng bằng ω là tỉ số giữa lượng nước đá trên toàn bộ lượng nước có trong thực phẩm : ω = ω +G G G d d Trong đó : Gđ - Lượng nước đã đóng băng Gω - Lượng nước chưa đóng băng
Đối với các dung dịch không phân ly thì lượng nước kết tinh được tính theo
định luật Raoult: ω = 1 - Mt 1860 . G G G ht ht − Với : G - Khối lượng của dung dịch [kg] Ght - Khối lượng chất hòa tan
M - Phần tử lượng chất hoà tan
t - Nhiệt độ dung dịch lúc tính [0C, lấy giá trị tuyệt đối] Hình ***
Qúa trình đóng băng xảy ra nhanh khi hạ thấp nhiệt độ đến t, dần dần bị chậm lại và cuối cùng đạt đến trạng thái cân bằng.
Để tính co có nhiều công thức thực nghiệm, như đối với thịt cá người ta dùng công thức của Heiso Rigốp :
ω = [t (1 t )] lg B 1 A db − + + ( t và tđb không kể dấu âm) A, B là hằng số thực nghiệm riêng cho từng loại sản phẩm.
Đối với thịt : A = 110,5 ; B = 0,31
4.4. Nhiệt độ trung bình cuối cùng của sản phẩm khi làm lạnh đông
Thời gian lạnh đông là 1 chỉ tiêu kinh tế và chỉ tiêu kỹ thuật. Muốn xác định thời gian làm lạnh đông thực phẩm thì phải biết nhiệt độ cuối cùng của sản phẩm.
http://www.ebook.edu.vn
Theo qui định chung nhiệt độ cuối cùng thích hợp cho sản phẩm làm lạnh đông là -180C.
Nhưng nếu ở trung tâm đạt -180C thì ở bề mặt nhiệt độ rất thấp, t lâu, còn nếu chỉđạt -180C ở bề mặt thì nhiệt độ bên trong sản phẩm hãy còn cao, chưa đạt yêu cầu.
Ta xét các đường biến đổi nhiệt độ của 1 lớp tế bào cách mặt bên ngoài 1 chiều sâu h nào đó theo thời gian khi làm lạnh đông khối aga trong không khí .
Hình ***
Đo nhiệt độ thuỷ sản đông lạnh.
Dùng cặp nhiệt điện để kiểm tra tốc độ lạnh đông, phần dây để lại trong sản phẩm được nối với máy đo để xem nhiệt độ sản phẩm trong bảo quản và di chuyển.
Đục lỗ sản phẩm, thường có sai số, vì vậy yêu cầu thao tác < 3 phút.
Như vậy ở 1 thời điểm đang xét trong sản phẩm ở các độ sâu khác nhau có nhiều nhiệt độ khác nhau, vấn đề là phải chọn nhiệt độ nào là đặc trưng cho cả sản phẩm, thường là phải lấy nhiệt độở lớp dày trung bình và người ta cho phép lấy nhiệt
độ trung bình cuối cùng bằng trung bình số học giữa nhiệt độở tâm và nhiệt độở bề
mặt tTBC = 2 1 (tTC + tMC) Với : tTBC - Nhiệt độ trung bình cuối
tTC - Nhiệt độở tâm sản phẩm cuối qúa trình, được đo bằng nhiệt kế. TMC - Nhiệt độ bề mặt của sản phẩm ở cuối qúa trình.
Việc xác định tMC rất khó khăn vì ảnh hưởng của vận tốc chuyển vận môi trường, độ ẩm không khí, nên nhiệt độđo được chỉ là nhiệt độ gần bề mặt mà thôi, tMC
phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường to, và tuỳ thuộc vào hệ số cấp nhiệt α từ bề mặt vật vào môi trường lạnh. Nghĩa là : 0
MC MC t t = f (α ) Đối với sản phẩm dạng bản, dạng tấm được làm lạnh từ 2 phía thì tTBC có thể
tính đúng theo công thức của Rentov. tTBC = ) 1 Bi ( 2 Bi . t ) 2 Bi ( tEC 0 + + = Với : Bi = δ λ α (chuẩn số Biô)
δ - Khoảng cách ngắn nhất từ bề mặt đến tâm (tức 1/2 bề dày của sản phẩm) (m)
http://www.ebook.edu.vn
α - Hệ số cấp nhiệt khi làm lạnh đông (Kcal/m2h.c)
λ - Hệ số dẫn nhiệt của sản phẩm đá làm lạnh động ở nhiệt độ trung bình giữa bề mặt và trung tâm bản [Kcal/mh0C]
Công thức Rewtov dùng tính gần đúng với tất cả các loại sản phẩm có hình dạng khác nhau.
Thực tế kỹ thuật bao giờ cũng phải lấy nhiệt độ tTBC bằng nhiệt độ trong phòng bảo quản. Cho nên vấn đề là phải xác định tTC vì tMC sao cho tTBC bằng tbảo quản
Hội nghị các nhà bác học ở lạnh thực phẩm toàn thế giới đã qui định về tâm của sản phẩm làm lạnh đông như sau:
- Đối với thùng, sọt, qủa thì tâm là tâm điểm hình học. - Đối với cá thì tâm điểm ở lớp giữa lưng
- Đối với thịt thì tâm điểm ở lớp giữa đùi thịt.
4.5. Nhiệt độ trung bình của sản phẩm trong quá trình làm lạnh đông
Trong tính toán nhiệt của qúa trình làm lạnh đông cần phải biết nhiệt độ trung bình của sản phẩm đại diện cho các qúa trình làm lạnh đông sản phẩm từ lúc nhiệt độ
bắt đầu kết tinh t1 đến nhiệt độ trung bình cuối cùng của qúa trình làm lạnh đông t2 = tTBC . Nhiệt độ trung bình tTB này người ta đã tính sẵn cho theo bảng. Khi tra các thông số (nhiệt dung C, nhiệt hàm i ...) của sản phẩm đều lấy theo điều kiện ở tTB để tính cân bằng nhiệt.
Ví dụ: Khi làm lạnh đông sản phẩm từđiểm đóng băng t1 = -20C đến tTBC = -200C = t2 thì tra bảng ta có ??
4.6. Tốc độ làm lạnh đông thực phẩm và sự phân bố tinh thểđá
1. Định nghĩa : Tốc độ làm lạnh đông sản phẩm là tỉ số giữa chiều dày x của lớp sản phẩm đã làm lạnh đông với thời gian t để tạo ra lớp ấy :
vlđ =
t x
[m/h]
Về tốc độ lạnh đông sao cho thích hợp nhất thì có nhiều ý kiến của nhiều trường phái khác nhau. Plank và Euprianov (Đức) cho rằng Veđ= 1÷3 cm/h là đạt tốc độ lạnh
đông nhanh, còn shijov (Liên Xô) thì cho rằng Veđ= 5 ÷ 6 cm/h mới đạt tốc độ lạnh
đông nhanh.
Thường người ta chia quá trình lạnh đông của thực phẩm ra làm 3 giai đoạn : - Giai đoạn 1 : Làm lạnh sản phẩm tới bằng điểm.
- Giai đoạn 2 : Đóng băng ở băng điểm tkt = const
- Giai đoạn 3 : Kết thúc quá trình đóng băng và tiếp tục làm lạnh đông bổ sung tới nhiệt độ cần thiết để bảo quản lạnh đông.
http://www.ebook.edu.vn
Nếu tăng vlđ thì giai đoạn 2 rút ngắn lại, làm lạnh đông cực nhanh thì rút ngắn nhanh đến mức có thể mất hẳn giai đoạn 2.
* Tính chất đặc trưng của sự phân bố nhiệt độ theo bề dày sản phẩm gây ra 1 loạt những hậu quả thực tế vẫn quan trọng (rõ ràng nhất là khi làm lạnh đông chậm - tức là tốc độ thoát nhiệt kém). Khi ban đầu kết tinh thì lớp nước ở bề mặt tạo đá trước sẽ làm mất khả năng quá lnạh phần trong sâu của sản phẩm, do nước đóng băng nên nồng độ trong lớp bề mặt tăng lên, gây nên sự khuếch tán ẩm trong lớp sản phẩm, nước chuyển từ phía trong ra bề mặt. Tuỳ theo độ dịch chuyển “lớp phân giới” (hay còn gọi là “mặt phân giới” tức là một ranh giới giữa phần đã lạnh đông với phần chưa lạnh đông) vào trung tâm sản phẩm mà hiện tượng ấy tuần tự diễn ra ở tất cả các lớp sản phẩm ở trong sâu, kéo dài trong suốt thời gian và khắp lớp đá đóng băng vẫn tiếp tục giảm nhiệt độ, như vậy chất tan sẽ dịch chuyển dần trong từng sản phẩm.
Trường hợp tốc độ dẫn nhiệt không lớn lắm - tức tốc độ dịch chuyển của lớp phân giới về tâm bé hơn tốc độ khuyếch tán thì phần nước tự do sẽđược dịch chuyển theo hướng ra bề mặt sản phẩm (dương tính). Đối với thực phẩm nói chung độ dẫn nhiệt không lớn nên tốc độ trao đổi nhiệt giảm mạnh theo chiều sâu của sản phẩm làm lạnh đông (tính từ bề mặt) do đó sự phân bố tinh thể đá ở các lứop càng sâu thì càng không đều. Như vậy tốc độ làm lạnh đông của mô sinh vật là đặc trưng sự phân bố lại nước đã đóng băng không chỉ giữa bên trong tế bào và ở gian bào mà còn phân bố lại theo chiều sâu của sản phẩm lạnh đông. Khi làm lạnh đông chậm thì càng thấy rõ sự
biến đổi cấu trúc tế bào, thấy rõ sự phân bố lại nước, sự tạo thành các lớp đá, vùng đá .... làm lạnh đông chậm có thể tạo nên những lớp đá dày 1mm nên dễ làm tan vỡ tế bào biến đổi cấu trúc sợi cơ.
Ngày nay một số nước đã dùng tốc độ lạnh đông làm chỉ tiêu đánh giá chất lượng của sản phẩm thuộc loại lạnh đông chậm, lạnh đông nahnh hay lạnh đông cực nhanh. Ở thị trường quốc tế người ta hầu như đang tạm công nhân tiêu chuẩn lạnh
đông nhanh của thực phẩm phải tương ứng với vlđ = 1÷3cm/h, để đạt tiêu chuẩn lạnh
đông cực nhanh thì vlđ > 15cm/h.
4.7. Thời gian làm lạnh đông
* Ta tính thời gian làm lạnh đông (từ 2 phía) bản phẳng (tấm) dày δ = 2R.
Đểđơn giản hoá trong tính toán ta qui ước :
- Tất cả các điểm của thực phẩm khi đưa vào làm lạnh đông thì đã được làm lạnh đến điểm đóng băng cực dịch báo.
- Nước đóng băng ở điều kiện nhiệt độ không đổi và không có qúa lạnh khi làm lạnh đông.
- Hệ số toả nhiệt α trong qúa trình lạnh đông là const - Nhiệt dung của phần sản phẩm đã đông bằng 0 .
http://www.ebook.edu.vn
Nếu thu 1 lượng nhiệt dQ thì sẽ có 1 lớp dọc sản phẩm được làm lạnh đông thêm . Hình *** dQ = q’ζ Fdx (1) Với : q’ - Nhiệt đóng băng của 1kg sản phẩm (Kcal/kg) ρ - Khối lượng riêng của sản phẩm F - Tiết diện của lớp làm lạnh đông