автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Исследование теплофизических свойств натуральных сыров

На правах рукописи

КОРОТКИЙ ИГОРЬ АЛЕКСЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАТУРАЛЬНЫХ СЫРОВ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных

и рыбннх продуктов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидат технических чаук

Кемерово ПО?

Работа выполнена в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности

Научный руководитель -заслуженный деятель науки и техники РФ,

академик МАХ, член-корреспондент РИА. доктор технических наук, профессор П. А. Остроумов

Официальные оппоненты - академик АТН РФ. доктор технических

каук, профессор В. Н. Йеанец

- член-корреспондент КйХ, кандидат технических наук И. П. ¡¡¡егинин

Ведущая организаций - Алтайский филиал Всероссийского научно-

исследовательского института маслодельной и сыродельной промышленности

Защита диссертации состоится "¿А.' ийня 199? г. в час. на заседании диссертационного совета Д 064.6?.01 в Кемеровском технологическом институте пиищевой промышленности по адресу: мООбО, г. Кемерово, бульвар Строителей, 4?.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Кемеровского технологического института пищевой промышленности.

Автореферат разослан мая 199? г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

'¿¿¿/¿■¿Л Н. н. Потипаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Исследование теплофнзических свойств шщевых продуктов, материалов и полуфабрикатов сложилось в са-востоятельное научное направление, объединенное общими условиями л задачами. Больиое значение для оформления и развития этого направления имеют работы А. С. Гинзбурга, А. О. Чудновского, Г. 5. Чиюва, Н. А. Головкина, М. А. Громова, В. П. Латышева и цругих исследователей, йни разработаны методики определения и систематизированы данные по теплофизическим свойствам, состоянии мщевых продуктов в вироком диапазоне температур от субкриоско-нических до температур термической обработки. Тем не менее, анализ литературных данных показал, что теплофизика натуральных сыров до сих пор остается мало изученной областью. Это объясняется, в значительной мере, довольно консервативным характером производства и потребления сыров. Отсутствуют данные о динамике изменения значений теплофнзических характеристик на различных участках технологической цепи. Практически нет сведений о влиянии состава сыра, взаимосвязи компонентов на его теплофизические свойства. Мало исследованы процессы, происходящие в структуре сыра под действием низких температур. Однако, современные тенденции развития лицевых технологий, разработка новых видов сыров, появление нетрадиционных для сыров технологий низкотемпературной обработки требуют всесторонней и объективной информации о теплофнзических свойствах этой группы пищевых продуктов.

Исходя из выиеизлояенного считаем, что проведение настоящих исследований является достаточно своевременной и актуальной задачей.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является исследование теплофнзических свойств натуральных сыров. Теплофизические свойства рассматриваются как комплекс параметров, описывавших тепловое состояние объекта в равновесных термодинамических системах и величин, характеризующих тепловые процессы в неравновесных полях температур.

Для достигения поставленной цели необходимо было реиить следующие задачи:

- разработать методику комплексного определения геплофизических характеристик (удельную теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность) в аироком температурном диапазоне;

- исследовать теплофизические свойства различных видов натуральных сыров;

- исследовать изменение теплофизических характеристик под влиянием технологических факторов (температуры):

- разработать математические модели, описывающие зависимость теплофизических характеристик от состава сыров;

- исследовать изменения теплофизических свойств натурального сыра и разработать модель кристаллизации структурной влаги в процессе замораживания;

- разработать методологию аналитического исследования теплофизических свойств натуральных сыров.

Научная новизна работы. Впервые проведены комплексные исследования теплофизических свойств группы натуральных сыров в температурном диапазоне от -40едо +25°С. Установлено влияние на эти свойства состава сыров и технологических факторов. Получены математические модели, описывающие зависимости теплофизических характеристик составных компонентов сыра и исследовано влияние содержания этих компонентов на теплофизические свойства продукта. Исследован процесс замораживания натуральных сыров. Предложена модель кристаллизации структурной влаги.

Практическая значимость. Разработаны методики комплексного определения теплофизических характеристик сыров в свежем и замороженном состоянии.

Составлены таблицы теплофизических свойств сыров "Витязь", "Салаирский", "Голландский", "Российский", "Орловский" в диапазоне температур от -40е до +25°С.

Установлены температурные режимы замораживания и хранения сыра.

йпробация работа. Результаты работы обсуждались на научно-практических конференциях: "Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования" (Кемерово, 199?), "Новые технологии" (Кемерово, 1996).

Диссертация докладывалась на научно-техническом совете КемТИППа и получила одобрение (Кемерово, 199?).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методики исследований и обработки

опытных данных, результатов исследований и их анализа, выводов, списка литературы (1?1 источник) и приложений.

Основное содеряание работы излогено на JJAL страницах мави-писного текста, включает <=iL рисунка и /¿L таблиц.

МЕТОДОЙОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Обцая схема проведения работы представлена на рисунке 4..

Для определения комплекса теплофизических характеристик разработан метод и создан экспериментальный стенд (рисунок 2).

Сущность метода заключается в следующем. Цилиндрический образец продукта, изолированный оболочкой (парафин), опускали в калориметр, заполненный калориметрической хидкостьв (дистиллированная вода или этанол). Показания термопар в аидкости и в объекте фиксировались самописцем до выравнивания температур. Количество теплоты, отданное образцом калориметрической жидкости находили из уравнения теплового баланса с учетом теплообмена калориметра с окруяащей средой.

aro

- количество теплоты, отданное объектом; птж- масса калориметрической аидкости;

C*(t)- удельная теплоемкость калориметрической якдкости (в зависимости от температуры);

Ск - теплоемкость деталей калориметра; jf

j^r - скорость нагрева калориметрической «идкости; jf*

-jjb - скорость нагрева калориметрической жидкости от теплооб-d мена с окружающей средой (t*- разность температур окру-

яаащей среды и калориметрической «идкости). Уравнение реиали методами численного интегрирования. Теплоемкость сыра находили из ¿I с учетом теплоемкости парафиновой оболочки.

Температуропроводность сыра находили из дифференциального уравнения теплопроводности для цилиндрической системы координат

где ¿7- коэффициент температуропроводности.

Блокк исследований Изучаемые факторы Контролируемые

Рисунок Об^ая схема выполнения работы

Рисунок 2. Схема установки для определения теплофизических характеристик сыра.

1 -калориметр, 2 -исследуемый образец сыра, .3 -термопары в образце, 4 -термопара в калориметрической жидкости, 5 -ртутный термометр, 6 -меиалка магнитная, ? -автоматический самопииущий потенциометр. 8 -сосуд Дьюара, 9 -"нулевая" термопара

Уравнение (2) решается с помощью функций Бесселя. Используя преобразования Лапласа для наших граничных условий получили выражение:

л Ш-Ь,)(ХН°-гв)

где с(-ЛадХЯ2 ) (4)

параметр, характеризующий время установления теплового равновесия: Д - радиус цилиндра;

V

Л -7 Г/V. - безразмерный параметр; 4*2кК 1 Г Г

А • гДе С* ~ теплоемкость единицы объема сыра;

3 - площадь поверхности образца:

начальная температура образца; Д - начальная температура калориметрической жидкости; конечная, устаноеивиаяся температура: Цг,17- температура, как функция времени и координаты (радиуса).

По формуле (3) находили (С? как функцию экспериментальных значений температуры. На участке, где эта функция близка к линейной, методом наименьших квадратов находили и по формуле (4) выражали коэффициент температуропроводности.

Физическую плотность сыра определяли методом гидростатического взвеаивания образца сыра, покрытого парафиновой оболочкой, в этаноле.

Теплопроводность находили как произведение плотности, теплоемкости и температуропроводности.

Получали термограимы охлаждения сыров в интервале температур от +25'С до -40°С. Определяли теплофизические характеристики пяти видов натуральных сыров ("Витязь", "Салаирский", "Голландский", "Российский", "Орловский") до и после замораживания.

Разработали модель расчетного определения теплофизическиих характеристик сыра в зависимости от его состава к температуры. Создана модель кристаллизации влаги при замораживании. По этим моделям были составлены таблицы теплофизических свойств сыров ("Витязь", "Салаирский","Голландский", "Российский", "Орловский" ).

РЕЗНАЬШН ИССЛЕДОВАНИЙ Изучение состава и свойств сыров

Состав исследованных сыров приведен в таблице I.

Таблица I

Состав натуральных сыров

Вид сыра Массовая доля, V.

Вода Хлорид натрия Мир

Российский Голландский Орловский Витязь Салаирский 40,0-0,25 41,0±0.25 41,0*0,25 44,7*0,25 54,4*9,25 1.7*0,1 2.4*0,1 1,3*0,1 2,1*0,1 1,7*0,1 30,0*0,3 26,0*0,3 25,5*0,3 21,8*0,3 19,4*0,3

Теплофизические характеристики сыров, определенные по навей методике, приведены в таблицах 2 и 3. Установлено, что они взаимосвязаны с составом сыра. Например, теплофизичес.ле характеристики мягкого сыра "Салаирский" существенно отличаются от ха-

рактеристик других сыров. Из приведенных экспериментальных значений явно прослеживается зависимость теплофизических характеристик от физической плотности продукта. Сыры, более пористые ("Витязь", "Российский"), икеит меньшие величины коэффициентов тепло- и температуропроводности, меньшую теплоемкость.

Таблица 2

Теплофизические характеристики свежих сыров

Плотность, кг/м3 Тепоеккость, кДжА КГ'°С) Температуропроводность , м2/с Теплопроводность, „ ВтА м- С)

Российский Голландский Орловский Витязь Салаирский 965*2 101?±2 1036*2 952*2 1013*2 3,02*0,03 3,17*0,03 3,18*0,03 2,95*0,03 3.37*0.03 1.27*0.02 1,38±0,02 1,35*0,02 1,21*0,02 1,50*0,02 0,370 0,440 0,445 0,340 0,512

Таблица 3

Теплофизические характеристики замороженных сырое

Плотность, { кг/м3 Тепоеккость, кДж/С кг-аС) Температуропроводность , Й£/С т Теплопроводность, _ Вт/с м- С)

Российский Голландский Орловский Витязь Салаирский 958*2 1005*2 1018*2 940*2 988*2 2,10*0,04 1.9840.04 1,89*0,04 1,90*0,04 2.00*0.04 3,60*0,02 4,30*0,02 4,35*0,02 4,94*0,02 5,87*0,02 0,724 0,856 0,83? 0,882 1,160

Обнаружены значительные различия в теплофизических характеристиках сыров до и после заморозки это объясняется ' различным состоянием в них влаги.

Исследование сыра впро^-ссе замораживания

При анализе экспериментальных данных установлено,., что значительная доля влаги в сыре не кристаллизуется до температуры

-40°С. Количество теплоты, выделившееся из сыра в процессе замораживания значительно меньше, чем могло выделиться, если бы вся влага обратилась в лед ¡.таблица 4).

Таблица 4

Разность энтальпий сыров до и после заморозки действительная и расчетная (с учетом кристаллизации всей влаги).

кДе/кг Российский Голландский Орловский Витязь Салаирский

Опыт Расчет 130,8 194,1 139,2 18?,6 142,3 195.1 133,5 1??,? 174,7 225,3

Следовательно, значительное количество влаги, присутствующей в сыре, находится в связанном состоянии. Установлено соответствие характера кристаллизации воды в сыре и в растворе хлорида натрия. Тепло кристаллизации интенсивно выделялось в интервале температур от криоскопической ■ Д0 -21,2°С -температуры замерзания эвтектического раствора хлорида натрия. Зависимость меяду криоскопической температурой и долей замерзапщей влаги Ч (доли единицы) от общего ее количества М« (У.) в сыре выраяается уравнением:

где - массовая доля соли (X);

^«г концентрация соли в растворе хлорида натрия, температура начала замерзания которого соответствует криоскопической температуре сыра Ш, находится по формуле:

024-1.722-и-0.064-Й»-3.12-Ю"4- , (6)

где Ькр- криоскопическая температура сыра ("О.

Применив эту модель, рассчитали количество свободной влаги в сырах (таблица 5).

Таблица 5

Содержание влаги в сыре и криоскопические температуры

Расчетная доля замерзающей влаги от общего ее количества, доли единицы Криоскопические температуры сыров,°С

тепловой расчет модельный расчет

Российский Голландский Орловский Витязь Салаирский 0,411± 0,02 0,572 ± 0,02 0.563 ± 0.02 0,5С8±0,02 0.е?с± 0.02 0,393* 0,01 0,566+ 0,01 0,5?3± 0,01 0,618± 0,01 0,702± 0,01 -6,5*0,1 -6,2 ± 0,1 -4,8 ± 0,1 -4,5*0.1 -2.6 ±0.1

Получена достаточная сходимость экспериментальных и расчетных значений.

Разработка методики расчета теплофизических свойств натуральных сыров

Для расчетного определения теплофизических характеристик рассматривали сыр как систему, состоящую из воды, раствора хлорида натрия в воде, водяного льда, эвтектического льда, белка, молочного жира.

Удельную теплоемкость сыра определяли по Формуле:

С --\ск7£к , (?)

где Ск- удельная теплоемкость компонента; массовая доля компонента.

Энтальпия сыра находится аналогично теплоемкости с учетом теплоты фазовых переходов.

Для определения теплопроводности рассматривали анализируемую систему в виде плоских параллельных пластин с тепловым потоком, направленным вдоль пластин.

Расчетный коэффициент теплопроводности находится по Формуле:

Ж*

Х-/1Щ

К*1 у

(8)

(9)

где ^ - коэффициенты теплопроводности компонентов: плотности компонентов; - расчетная плотность сыра. Расчетную плотность сыра определяем по формуле:.

/)Р Л «Ь

Эффективную теплопроводность сыра определяем по формуле: £ £ £

где г? , ^Р , Л. - массовая доля, плотность, теплопроводность воз|уха, присутствующего в сыре; ^ - действительная (физическая) плотность сыра. По этой методике были рассчитаны величины, характеризующие теплофизические свойства исследованной группы натуральных сыров (коэффициенты тепло- и температуропроводности, удельные энталь-

пия и теплоемкость, плотность, доля замерзней влаги) в зависимости от температуры (таблицы 6, ?).

Таблица 6

Разность энтальпий сыра до и после заморозки

Температуры сыра, С Разность энтальпий, кДж/кг Разность опытных и расчетных значений, У.

свежий мороженый опытная расчетная

Российский Голландский Орловский Витязь Салаирский 4,7 -1.2 4,? -0.? 1.0 -25,6 -2?,5 -23,3 -21,5 -22,0 130,8 139.2 142.3 133,5 174,? 125,0 13?,? 144,8 140,2 183,0 4.6 Ч 1.7 4.8 4,5

Таблица 6

Результаты расчетов плотности и теплопроводности сыров

Теплопроводность ,Вт/( и-°С) Плотность, кг/м5

Свежий, мороженный. Свежий, мороженный.

5°С -25"С 5°С -25°С

Российский 0,329 0,646 969 959

Голландский 0,34? 0,838 1021 1003

Орловский 0,350 0,858 1040 1021

Витязь 0,33? 0,886 955 935

Салаирский 0,393 1,194 1016 984

Сравнение опытных и расчетных данных свидетельствует о применимости предложенной модели для инженерных расчетов процессов тепловой и холодильной обработки, а такке для моделирования режимов замораживания натуральных сыров. По приведенной методике была исследована динамика изменения тепловых свойств сыров в температурном диапазоне ст - 40* до +25аС (рисунки 3,4). На каждой кривой явно выделяются по три участка, ограниченные переломами и скачками в характере кривых: первый участок характеризует сыр до замораживания (ограничен температурой начала замерзания влаги), последний участок характеризует сыр в замороженном состоянии (ограничь.! температурой кристаллизации эвтектического раствора хлорида натрия). В диапазоне температур'г; криоскспи-ческой до -21,1°С происходит замораживание сыра.

600 I,

500

кАХ/кг

№

300

4 >- 2

\

-АО

-20

, кЩкг.°с)

О

20 г, °с

Рисунок 3. Зависимости удельных энтальпий I [кДж/кг! и удельных теплоемкостей С [кДяДкг'С)} сыров от температуры Ь,*С. "Салаирский" (1), "Российский" (2)

Л,Вт/{м.°С) 12

0,8

0,4

■АО

/ У

2

-20

О

20 £,°£

ачо7, *Ус

А

ь /-

2 \

\

ч\

-АО

-20

О

20 °й

Рисунок 4. Зависимости теплопроводности Л СВт/(м-°С] и температуропроводности ОС' 107 £ мг/с] сыров от температуры I вГ

"Салаирский" (1), "Российский" (2)

Практическая реализация результатов работы

Разработаны методики комлекского экспериментального исследования теплофизических свойств сыров в интервале температур чт до +25°С.

Предложены модели аналитического определения теплофизических характеристик натуральных сыров в зависимости от их состава и технологических факторов.

Разработана модель кристаллизации влаги в процессе замораживания сыра, а также методика расчета доли замерзающей влаги.

Установлены температурные режимы замораживания и хранения сырос.

Составлена таблицы теплофизических свойств для сыров "Витязь", "Салаирский", "Голландский", " Российский", "Орловский". В диапазоне температур от -40°до +25°С.

ВЫВОЛЫ

1. Разработана методика комплексного экспериментального определения теплофизических характеристик сыров. Данная методика может быть применена к другим группам пищевых продуктов.

2. Определены величины, характеризующие теплофизические свойства сыров ("Витязь", "Салаирский", "Голландский", "Российский", "Орловский") в диапазоне температур от -40едо +25°С.

.3. Определены криоскопические температуры сыров. Установлена связь между криоскопической температурой, количеством свободной воды и содержанием соли в продукте.

4. Выявлено, что кристаллизация свободной влаги идет до температуры -21,2°С -температуры кристаллизации эвтектического раствора хлорида натрия в воде.

5. Разработана модель кристаллизации свободной влаги в процессе замораживания натуральных сыров.

6. Установлены режимы замораживания натуральных сыров для их хранения. Температуры замораживания должны быть в пределах

от -40°С дс - 25°С. Более'- низкие температуры приводят к кристаллизации связанной влаги, что значительно ухудиает качество продукта после дефростации. Температура хранения должна быть не выие - 25 °С чтобы избежать перекристаллизации и роста

кристаллов льда.

7. Составлены таблицы теплофизических свойств для сыров: "Витязь", "Саланрский", "Голландский", "Российский", "Орловский".

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Усов А.В., Короткий И.А. Отработка методик измерения кри-оскопических температур жидких и пастообразных продуктов// Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования. Тезисы Российской научно-практической конференции. -Кемерово, 199?. -Раздел I. -С. 146.

2. Короткий И.А.,Усов А.В. Перспективы исследования теплофизических свойств пищевых продуктов// Образование в условиях реФорм: опыт, проблемы, научные исследования. Тезисы Российской научно-практической конференции. -Кемерово, 193?. -Раздел I. -С. 14?.

3.Короткий Й.А.. Короткая Л.М. Измерение собственных характеристик жидкостного калориметра//Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования. Тезисы Российской научно-практической конференции. -Кемерово, 199?. -Раздел I. -С. 148.

4. Короткий И.А., Короткая Л.М. Метод исследования теплофизических свойств пищевых продуктов.// Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования. Тезисы Российской научно-практической конференции. -Кемерово, 199?. -Раздел I. -С. 149.

5. Короткий И.А., Буянов О.Н. Градуировка самопишущего автоматического потенциометра// Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования. Тезисы Российской научно-практической конференции. -Кемерово, 199?. -Раздел I. -С. 150.

6. Усов А.В., Столетов В.М., Короткий И.А. Проблемы исследования криоскопической температуры сыров.// Новые технологии. Тезисы научных работ. -Кемерово, 1996. -С. 29.

?. Короткий Й.А., Бобылин В.В. К методике определения тепло-физических характеристик мягких кислотно-сычужных сыров.// Новые технологии. Тезисы научных работ. -Кемерово, 1996. -С. 30.

8. Бобылин В.В., Короткий И.А. Расчетный способ определения криоскопической температуры сыров// Новыедехнологии. Тезисы научных работ. -Кемерово, 1996. -С. 31. ^о?/^