ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΘΕΡΜΟΦΥΣΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Εισαγωγή Η µελέτη και ο σχεδιασµός όλων των διεργασιών των τροφίµων απαιτούν τη γνώση των θερµοφυσικών ιδιοτήτων τους. Τα τρόφιµα είναι γενικά ανοµοιογενή υλικά, µε κύρια συστατικά το νερό, τις πρωτεΐνες, τους υδατάνθρακες και τα λιπαρά. Οι ιδιότητές τους εξαρτώνται άµεσα από τη σύστασή τους. Η µακροδοµή των τροφίµων, π.χ. το πορώδες, το µέγεθος και το σχήµα των σωµατιδίων στα στερεά ή ηµιστερεά τρόφιµα, το µέγεθος των σταγονιδίων ή διασπαρµένων σωµατιδίων και η περιεκτικότητά τους (v/v) σε υγρά τρόφιµα επηρεάζει επίσης τις ιδιότητές τους. Οι θερµοφυσικές ιδιότητες των τροφίµων µπορούν να µετρηθούν µε διάφορες πειραµατικές τεχνικές ή να υπολογισθούν κατά προσέγγιση µε βάση τη σύσταση και τη δοµή τους και βιβλιογραφικά δεδοµένα των ιδιοτήτων των επί µέρους συστατικών. Η απλούστερη παραδοχή θεωρεί ότι το τρόφιµο αποτελείται από n συστατικά, χωρίς αλληλεπιδράσεις οπότε η µάζα και ο όγκος αυτού αποδίδονται από τις σχέσεις: m = V = n m i i= n V i i= (4.) (4.) Το κλάσµα µάζας κάθε συστατικού ορίζεται ως Y i : mi Yi = (4.3) m και οι ιδιότητες του τροφίµου µπορούν να εκφρασθούν συναρτήσει των κλασµάτων µάζας και των ιδιοτήτων των επί µέρους συστατικών. Σε ορισµένες διεργασίες µπορεί να µεταβάλλεται η σύσταση ή/και η µακροδοµή του τροφίµου, π.χ. µε αποµάκρυνση ενός συστατικού, όπως του νερού κατά την ξήρανση, µε αλλαγή της κατάστασης ενός συστατικού, όπως πήξη του νερού κατά την κατάψυξη. Σε αυτές τις περιπτώσεις για τον υπολογισµό της µεταβολής των ιδιοτήτων του τροφίµου κατά την κατεργασία και του τελικού προϊόντος µπορούµε να θεωρήσουµε ως βασικά συστατικά του το νερό και τα λοιπά στερεά συστατικά. Πυκνότητα Η πραγµατική πυκνότητα (true density) (ρ) ενός τροφίµου µπορεί να υπολογισθεί από τις πυκνότητες των επί µέρους συστατικών (ρ i ) µε βάση τα κλάσµατα µάζας αυτών (Y i ) ως:
= ρ n i= Y i ρ i (4.4) Η πυκνότητα ενός συστατικού (substance density) είναι η µετρούµενη πυκνότητα αυτού σε µορφή που δεν περιέχει καθόλου πόρους (π.χ. µετά από άλεση σε πολύ µικρά σωµατίδια. Τιµές πυκνότητας των βασικών συστατικών των τροφίµων δίνονται στον Πίνακα 4.. Η φαινόµενη πυκνότητα (apparent density) (ρ ap ) σχετίζεται µε το πορώδες ή φαινόµενο πορώδες (porosity) του υλικού: ε ap =V a /V ap (4.5) όπου V a, V ap όγκος του υλικού (ολικός) και όγκος των πόρων, αντίστοιχα. Στην περίπτωση των τροφίµων υπάρχουν συχνά αλληλεπιδράσεις φάσεων και πρέπει στον υπολογισµό της φαινόµενης πυκνότητας να ληφθεί υπ όψιν και ο παράγοντας διόρθωσης του όγκου λόγω αυτών των αλληλεπιδράσεων: ε ex =V ex /V ap (4.6) όπου V ex µεταβολή του όγκου που οφείλεται στις αλληλεπιδράσεις και µπορεί να είναι θετική ή αρνητική. Εποµένως µία γενικευµένη σχέση που µπορεί να αποδώσει τη φαινόµενη πυκνότητα του τροφίµου είναι η (4.7), ενώ εάν το πορώδες ή µεταβολή όγκου λόγω αλληλεπιδράσεων είναι αµελητέα οι αντίστοιχοι όροι µπορούν να παραληφθούν. m ρv ρ( Vap Va Vex ) ρ( Vap ε apvap ε exvap ) ρ ap = = = = = ρ( ε ap ε V V V V και ρ ap ap ap = ε ε ap n ex i= Y i ρ i ap ap ex ) (4.7) Ο ακριβής ορισµός της φαινόµενης πυκνότητας είναι η πυκνότητα ενός υλικού που περιλαµβάνει όλο τον αέρα ή τα κενά διαστήµατα που σχηµατίζονται εντός του υλικού, και τα οποία ορίζουν το φαινόµενο πορώδες (apparent porosity) του υλικού. Όταν ένα υλικό σωρεύεται ή συσκευάζεται χύµα δηµιουργούνται επί πλέον κενά αέρα που καθορίζουν το πορώδες της κλίνης του υλικού (bulk porosity). Σε αυτή την περίπτωση το ολικό πορώδες είναι το άθροισµα των δύο ανωτέρω. Η πυκνότητα της κλίνης του υλικού (bulk density) προσδιορίζεται από τη σχέση (4.6) µε βάση το ολικό πορώδες. Σε ορισµένες διεργασίες όπως στην ξήρανση µπορεί να συµβαίνει συρρίκνωση του τροφίµου. Σε αυτή την περίπτωση η φαινόµενη πυκνότητα του συρρικνωµένου υλικού µπορεί να υπολογισθεί µε βάση την αρχική φαινόµενη πυκνότητα από τη σχέση: ρ ap = [ ρ apit w + β ]/[ + w] ρ w (4.8)
όπου ρ ap, ρ αpit φαινόµενη πυκνότητα του συρρικνωµένου και του αρχικού υλικού, αντίστοιχα (kg/m 3 ) ρ w πυκνότητα του νερού (kg/m 3 ) β συντελεστής συρρίκνωσης: (v IT -v)/[(w IT -w)/ρ w ] v, v IT ειδικός όγκος του συρρικνωµένου και του αρχικού υλικού, αντίστοιχα (m 3 /kg ξηρού στερεού) w, w IT υγρασία του συρρικνωµένου και του αρχικού υλικού σε ξηρή βάση, αντίστοιχα (kg νερού/kg ξηρού στερεού) Πίνακας 4.. Θερµοφυσικές ιδιότητες συστατικών των τροφίµων Συστατικό Συµβολισµός Πυκνότητα (kg/m 3 ) Ειδική θερµότητα (kj/kg) Θερµική αγωγιµότητα (W/m C) Νερό w 000 4.8 0.58-0.60 Πρωτεΐνες p 400.55-.00 0.8-0.30 Ζελατίνη ge 70 0.30 Υδατάνθρακες ca 500-670.4-.55 0.0-0.50 Άµυλο st 500 0.48 Σακχαρόζη su 588 0.30 Λιπαρά fa 900-950.67-.98 0.8 Ίνες fi 70-60.84 0.8 Ανόργανα as 400 0.84-.09 0.33 πάγος I 97.0. αέρας a.4.00 0.00 Πηγή: Rahman, 995 και Hallstrom et al, 990 Θερµική αγωγιµότητα Η θερµική αγωγιµότητα των τροφίµων µεταβάλλεται µε τη σύσταση και στα ετερογενή τρόφιµα επηρεάζεται και από τη δοµή. Ιδιαίτερα τα ινώδη τρόφιµα (π.χ. κρέας) παρουσιάζουν θερµική αγωγιµότητα παράλληλα µε τις ίνες 5-0% µεγαλύτερη από τη θερµική αγωγιµότητα κάθετα προς τις ίνες. Τιµές του συντελεστή θερµικής αγωγιµότητας των βασικών συστατικών των τροφίµων δίνονται στον Πίνακα 4.. Γενικά, η θερµική αγωγιµότητα µειώνεται καθώς µειώνεται η υγρασία του τροφίµου, λόγω της µεγαλύτερης θερµικής αγωγιµότητας του νερού σε σύγκριση µε τα άλλα συστατικά. Στα ξηρά τρόφιµα η θερµική αγωγιµότητα µειώνεται απότοµα όταν αυξάνει το πορώδες. Η επίδραση του πορώδους στη θερµική αγωγιµότητα είναι πολύ πιο σύνθετη από την επίδρασή του στην πυκνότητα του τροφίµου. Αντίθετα η 3
θερµική αγωγιµότητα αυξάνεται κατά την κατάψυξη καθώς ο πάγος έχει πολύ µεγαλύτερη θερµική αγωγιµότητα από το νερό (. έναντι 0.57 W/m C). Ο συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας του πάγου αυξάνει µε µείωση της θερµοκρασίας (Πίνακας 4.), ενώ του νερού µειώνεται. Επί πλέον η κατάψυξη µπορεί να µεταβάλει το πορώδες και επίσης η κατεύθυνση ανάπτυξης των κρυστάλλων του πάγου επηρεάζει τη θερµική αγωγιµότητα του τροφίµου. Για τους παραπάνω λόγους η διατύπωση µαθηµατικών µοντέλων για τον υπολογισµό του συντελεστή θερµικής αγωγιµότητας κατά τη διάρκεια της κατάψυξης είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Συνήθως χρησιµοποιούνται οι σχέσεις που χρησιµοποιούνται και στα µη κατεψυγµένα τρόφιµα θεωρώντας τον πάγο ένα επί πλέον συστατικό ή µία επί πλέον φάση σε διασπορά. Ως πρώτη προσέγγιση των συντελεστών θερµικής αγωγιµότητας νωπών, και των αντίστοιχων κατεψυγµένων και αφυδατωµένων τροφίµων, µπορούν να θεωρηθούν οι εµπειρικοί κανόνες (Kostaropoulos): νωπά τρόφιµα υγρασίας >30-40%: k f = 0.40-0.58 W/m C κατεψυγµένα τρόφιµα υγρασίας >30-40%: k ff.5k f αφυδατωµένα τρόφιµα: k df 0.k f όπου k f, k ff, k df συντελεστές θερµικής αγωγιµότητας του αρχικού, του κατεψυγµένου και του ξηρού τροφίµου, αντίστοιχα Πίνακας 4.. Μεταβολή ιδιοτήτων του πάγου µε τη θερµοκρασία Θερµοκρασία ( C) Πυκνότητα (kg/m 3 ) Ειδική θερµότητα (kj/kg C) Θερµική αγωγιµότητα (W/m C) -73 94..587 3.08-45.5 9.6.783.7-3 99.4.9.4-8 99.4.955.37-99.4.989.3-7 97.8.0.7 0 96..050. Πηγή: Heldman and Singh,98 Για τον ακριβέστερο υπολογισµό του συντελεστή θερµικής αγωγιµότητας έχουν διατυπωθεί διάφορες εξισώσεις µε βάση τη σύσταση του τροφίµου, οι οποίες έχουν καλύτερη ακρίβεια πρόβλεψης στα οµογενή υλικά. Ο Sweat ανέπτυξε µία τέτοια εξίσωση, στηριζόµενος σε δεδοµένα από 430 υγρά και στερεά τρόφιµα, που έχει ικανοποιητική ακρίβεια: k = 0. 58Y + 055. Y + 0. 5Y + 035. Y + 06. Y (4.9) w p ca as fa 4
Για τα ετερογενή υλικά έχουν προταθεί µοντέλα µε βάση τη δοµή του υλικού. Θεωρώντας ότι το υλικό αποτελείται από συστατικά ή φάσεις διατεταγµένες σε στρώσεις κλάσµατος όγκου ε i η κάθε µία εάν οι στρώσεις των συστατικών είναι παράλληλες στη ροή θερµότητας: k = ε k (parallel model) (4.0) pa i i εάν οι στρώσεις των συστατικών είναι κάθετες στη ροή θερµότητας (σε σειρά): i = ε (series model) (4.) kse ki εάν οι στρώσεις των συστατικών διατάσσονται τυχαία ως προς τη ροή θερµότητας: ε ε ε kra = k k kn n... (random model) (4.) εάν οι στρώσεις έχουν µικτή διάταξη µε ποσοστό f κάθετο στη ροή θερµότητας και -f παράλληλο: f f = + kmix k pa k (mixed model) (4.3) se Στην περίπτωση που το τρόφιµο αποτελείται από δύο φάσεις, µία συνεχή και µία διεσπαρµένη, µε συντελεστή θερµικής αγωγιµότητας k c και k d, αντίστοιχα και κλάσµα όγκου της διεσπαρµένης φάσης ε d, o Maxwell πρότεινε την εξίσωση: k k k k k k d + c ε d( c d) m = c (Maxwell model) (4.4) kd + kc + ε d( kc kd) Η εξίσωση Maxwell προβλέπει ικανοποιητικά τη θερµική αγωγιµότητα όταν η διεσπαρµένη φάση αποτελεί µικρό ποσοστό, ώστε τα σωµατίδια αυτής να είναι αποµακρυσµένα και να µην αλληλεπιδρούν. Εκτός των παραπάνω υπάρχουν και άλλες σχέσεις που στηρίζονται σε θεωρητικές προσεγγίσεις της µετάδοσης θερµότητας ή είναι εµπειρικές σχέσεις που προκύπτουν µε βάση δεδοµένα. Οι περισσότερες εµπειρικές εξισώσεις συσχετίζουν τη θερµική αγωγιµότητα µε την υγρασία του τροφίµου. Οι συντελεστές θερµικής αγωγιµότητας µεταβάλλονται µε µεταβολή της θερµοκρασία, αν και η µεταβολή αυτή είναι µικρή µε την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχει αλλαγή φάσης. Στη βιβλιογραφία δίνονται συσχετίσεις του τύπου k = a+ bt + ct (4.5) για τα βασικά συστατικά των τροφίµων καθώς και για ορισµένα τρόφιµα. Τιµές συντελεστών θερµικής αγωγιµότητας για ορισµένα τρόφιµα δίνονται στον Πίνακα 4.3. Ειδική θερµότητα Η ειδική θερµότητα είναι µια αθροιστική ιδιότητα και µπορεί να εκφρασθεί µε βάση τις τιµές ειδικής θερµότητας των επί µέρους συστατικών: 5
Πίνακας 4.3. Συντελεστές θερµικής αγωγιµότητας τροφίµων Τρόφιµο Υγρασία (%) Θερµοκρασία ( C) Θερµική αγωγιµότητα (W/m C) Μήλα 85.6-36 0.393 Χυµός µήλου 87.4 0 0.559 87.4 80 0.63 36 0 0.389 36 80 0.436 Φράουλες (-4)-5 0.675 Πατάτες 8.5-3 0.554 Πήγµα αµύλου πατάτας -67 0.040 Φασόλια 3-7 0.3 Σιτάρι 80 0.64 Αλεύρι σιταριού 8.8 43 0.450 65.5 0.689 Μέλι.6 0.50 80 0.344 4.8 69 0.63 80 69 0.45 Γάλα νωπό 37 0.530 Γάλα συµπυκνωµένο 90 4 0.57 78 0.64 50 6 0.39 78 0.364 Γάλα σκόνη 4. 39 0.49 Κρόκος αυγού 33 0.338 Λεύκωµα αυγού 36 0.577 Αυγό κατεψυγµένο (-0)-(-6) 0.970 Βούτυρο 5 46 0.97 Ελαιόλαδο 5 0.89 Σπορέλαια 4-87 0.69 Βοδινό κάθετα στις ίνες 78.9 7 0.476 6 0.485 Βοδινό παράλληλα στις ίνες 78.7 8 0.43 6 0.447 Χοιρινό κάθετα στις ίνες 75. 6 0.488 60 0.540 Χοιρινό παράλληλα στις ίνες 75.9 4 0.443 Πηγή: Heldman and Singh, 98 6
n c = cy i i i= (4.6) Η τιµή της ειδικής θερµότητας µεταβάλλεται πολύ µε τη σύσταση του τροφίµου, ιδιαίτερα µε την περιεκτικότητα σε νερό, καθώς η ειδική θερµότητα του νερού είναι 4.8 kj/kg C, ενώ των στερεών συστατικών πολύ µικρότερη - kj/kg C (Πίνακας 4.). Οι τιµές που υπολογίζονται θεωρητικά µέσω της εξίσωσης (4.6) εµφανίζουν απόκλιση σε σχέση µε τις πειραµατικές τιµές διαφόρων τροφίµων επειδή η ειδική θερµότητα των συστατικών ποικίλει ανάλογα µε την προέλευση, το δεσµευµένο νερό έχει διαφορετική ειδική θερµότητα από το ελεύθερο νερό και η αλληλεπίδραση των φάσεων µπορεί να προκαλεί µεταβολή στην ειδική θερµότητα. Έτσι µπορεί στην εξίσωση (4.6) να προστεθεί ένας συντελεστής διόρθωσης που πρέπει να προσδιορισθεί πειραµατικά για το κάθε τρόφιµο. Επίσης η ειδική θερµότητα αλλάζει σηµαντικά µε την αλλαγή φάσης, όπως στην κατάψυξη των τροφίµων, λόγω της µεγάλης διαφοράς των τιµών ειδικής θερµότητας πάγου και νερού. Μία κατά προσέγγιση εκτίµηση της ειδικής θερµότητας, προ του σηµείου έναρξης κατάψυξης, για τρόφιµα µεγάλης περιεκτικότητας σε νερό µπορεί να γίνει µέσω της σχέσης: c = 4.8Y w + Y s (4.7) όπου Y s =-Y w Άλλες σχέσεις για προσεγγιστική εκτίµηση της ειδικής θερµότητας διαφόρων κατηγοριών τροφίµων, µε βάση κυρίως την περιεκτικότητα σε νερό, µπορούν να βρεθούν στη βιβλιογραφία. Οι πιο γνωστές είναι του Siebel για τρόφιµα χωρίς λιπαρά και µε ψηλό περιεχόµενο υγρασίας Μ (% επί υγρής βάσης): c = 0. 837 + 0. 034M (4.8) του Charm για τρόφιµα µε στερεό λίπος: c=. 094Y +. 56Y + 4. 87Y (4.9) fa s w όπου.094,.56 και 4.87 είναι οι τιµές ειδικής θερµότητας (kj/kg) του λίπους, των στερεών και του νερού των Choi & Okos µε βάση τα βασικά συστατικά του τροφίµου: c= 549. Y +. 44Y +. 675Y + 0. 837Y + 4. 87Y (4.0) p ca fa as w Τιµές ειδικής θερµότητας διαφόρων τροφίµων, όπως υπολογίζονται µε τις εξισώσεις (4.8), (4.9) και (4.0), σε σύγκριση µε εκείνες που προσδιορίστηκαν πειραµατικά δίνονται στον Πίνακα 4.4. Σε εύρος θερµοκρασιών όπου δεν παρατηρείται αλλαγή φάσης η ειδική θερµότητα µεταβάλλεται λίγο µε τη θερµοκρασία και η µέση τιµή µπορεί να υπολογισθεί µέσω της µεταβολής της ενθαλπίας: 7
Πίνακας 4.4. Σύσταση και τιµές ειδικής θερµότητας τροφίµων Τρόφιµο Νερό (%) Πρωτεΐνες (%) Υδατ/κες (%) Λιπαρά (%) Τέφρα (%) Ειδική θερµότητα (kj/kg K) Εξ. 4.8 Εξ. 4.9 Εξ. 4.0 Πειραµατική Μήλα 84.4 0. 4.5 0.6 0.3 3.793 3.734 3.759 3.76-4.09 Πορτοκαλοχυµός 87.5 0.8. 0. 0.4 3.873 3.88 3.8 Πατάτες 79.8. 7. 0. 0.9 3.680 3.596 3.634 3.57 Αγγούρια 96. 0.5.9 0..4 4.090 4.073 4.06 4.03 Καρότα 88.. 9.3 0.3. 3.889 3.83 3.864 3.80-3.935 Γάλα παστερεριωµένο 87.0 3.5 4.9 3.9 0.7 3.860 3.768 3.83 3.85 Γάλα αποβουτυρωµένο 90.5 3.5 5. 0. 0.8 3.948 3.935 3.935 3.977-4.09 Γάλα σκόνη 3.5 35.6 5.0.0 7.9.763.365.50 Βούτυρο 5.5 0.6 0.4 8.0.5.064.390.043.05-.35 Τυρί άπαχο 65.0 5.0.0.0 7.0 3.307.776 3.5 3.65 Άµυλο.0 0.5 87.0 0. 0.3.976.6.754 Κρόκος αυγού 49.0 3.0 -.0.0.905.457.449.80 Κρέας µόσχου 68.0.0 0.0 0.0.0 3.383 3.056 3.349 3.3 Βοδινό 7.7.6 0.0 5.7.0 3.458 3.404 3.437 3.433 Βοδινό ψητό 60.0 5.0 0.0 3.0 0.0 3.08 3.098 3.5 3.056 Ψάρια 80.0 5.0 4.0 0.3 0.7 3.684 3.408 3.65 3.600 Γαρίδες 66. 6.8 0.0.4 0.0 3.337 3. 3.404 3.04 Μπέικον 49.9 7.6 0.3 7.5 4.7.96.864.85.0 Πηγή: Heldman and Singh, 98 8
H c = = T T T T T cdt (4.) Τιµές µεταβολής της ειδικής θερµότητας των συστατικών των τροφίµων µε τη θερµοκρασία, που µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τον υπολογισµό της µέσης ειδικής θερµότητας του κάθε συστατικού από την εξίσωση (4.), δίνονται στον Πίνακα 4.5. Η µέση ειδική θερµότητα του τροφίµου µπορεί να υπολογισθεί στη συνέχεια από την (4.6). Επίσης στη βιβλιογραφία προτείνονται διάφορες σχέσεις που αποδίδουν την ειδική θερµότητα ως συνάρτηση της θερµοκρασίας και της σύστασης του τροφίµου, ιδιαίτερα κάτω του σηµείου έναρξης κατάψυξης. Πίνακας 4.5. Συσχέτιση της ειδικής θερµότητας των συστατικών των τροφίµων µε τη θερµοκρασία σε εύρος -40 έως 50 C Συστατικό Εξίσωση Νερό α 3 4 c w = 4.087 5.306 0 T + 9.956 0 T Νερό β 5 6 cw = 476. 9. 0864 0 T + 5473. 0 T Πάγος ci =. 063 + 6. 0769 0 3 T Πρωτεΐνες c 3 p T 6. 008 089. 0 39. 0 T Λιπαρά c 3 fa T 6 984. 4733. 0 4. 8008 0 T Υδατάνθρακες cca = + 3 6 5488. 965. 0 T 5. 9399 0 T Ινες cfi = + 3 6 8459. 8306. 0 T 4. 6509 0 T Τέφρα cas = + 3 6 096. 8896. 0 T 3. 687 0 T α :Τ:-40 έως 0 C, β :Τ:0 έως 50 C Πηγή: Rahman, 995. Στην περιοχή θερµοκρασιών όπου συµβαίνει αλλαγή φάσης η ειδική θερµότητα αποδίδεται ως φαινόµενη ειδική θερµότητα και συµπεριλαµβάνει τη λανθάνουσα θερµότητα της αλλαγής φάσης. Η συνήθης προσέγγιση είναι η έκφραση της ενθαλπίας του κατεψυγµένου τροφίµου, που περιέχει την αισθητή και τη λανθάνουσα θερµότητα, ως συνάρτησης της θερµοκρασίας και ακολούθως η έκφραση της ειδικής θερµότητας µέσω του διαφορικού dh/dt. Με βάση αυτή την προσέγγιση έχουν προταθεί διάφορες σχέσεις. Σύµφωνα µε τον Van Beek (από Rahman, 995): c = c ( Y ) + c Y ( T / T) + c Y ( T / T) LY T / T (4.) so wo w wo F I wo F wo F όπου Τ σε C και το κλάσµα µάζας του δεσµευµένου νερού πρέπει να προστεθεί στο κλάσµα µάζας των στερεών. Ο Schwartzberg (976) για τον προσδιορισµό της ειδικής θερµότητας και της ενθαλπίας κάτω του σηµείου έναρξης κατάψυξης κατέληξε στις εξισώσεις: 9
M RT w Fw c = cfo + ( Yw Ywo )( cw ci ) + ( Ywo ) 08.( cw ci) (4.3) M so ( T TFw ) H = ( T T )[ c + ( Y Y )( c c )] + ref Fo w wo w I M RT (4.4) w Fw ( T Tref )( Ywo ) 08.( cw ci) M so ( TFw T)( TFw Tref ) όπου c Fo η ειδική θερµότητα του τροφίµου αµέσως πριν την έναρξη κατάψυξης Τ σε Κ και T ref θερµοκρασία αναφοράς, θεωρούµενη συνήθως ίση µε 33 K (-40 C). Ο Chen (985) πρότεινε τις ακόλουθες εξισώσεις για τον προσδιορισµό της ειδικής θερµότητας και της ενθαλπίας των τροφίµων σε θερµοκρασίες χαµηλότερες και ψηλότερες του σηµείου έναρξης κατάψυξης: RM T w Fw c = 4. 84 0. 37 + 0. 30Yso + Yso για T<T F (4.5) Mso ( T TFw ) [ so so ] c = 484. 055. Y 05. Y 3 για T>T F (4.6) H = 4. 84( T T ) 0. 37 + 0. 30Y + Y ref so so [ Fo F so so ] RM T w Fw για T<T F Mso ( T TFw )( Tref TFw ) (4.7) H = 484. H + ( T T )( 055. Y 05. Y 3 ) για T>T F (4.8) όπου H Fo η ενθαλπία του τροφίµου αµέσως πριν την έναρξη κατάψυξης. Ανάλογες εξισώσεις έχουν προταθεί και από άλλους ερευνητές. Λανθάνουσα θερµότητα πήξης και εξάτµισης του νερού Η λανθάνουσα θερµότητα πήξης του καθαρού νερού µεταβάλλεται µε τη θερµοκρασία και η γραµµική συσχέτιση αυτών είναι: Lw = 33388. +. 7( T 73. ) (4.9) όπου L w σε kj/kg και Τ σε Κ. Για τη λανθάνουσα θερµότητα πήξης του νερού στα τρόφιµα έχουν προταθεί από τους Schwartzberg (976, από Rahman, 995) και Riedel (978, από Rahman, 995), αντίστοιχα οι σχέσεις: L = L ( c c )( T T ) (4.30) wf w w I Fw 3 L wf = 334.+.05T 4.9 0 T (4.3) όπου Τ σε C. Η λανθάνουσα θερµότητα εξάτµισης του νερού στα τρόφιµα εξαρτάται από τη σύσταση των προϊόντων και τη θερµοκρασία. Η διαφορά της από τη λανθάνουσα θερµότητα εξάτµισης του καθαρού νερού έχει συσχετισθεί µε το κλάσµα µάζας επί 30
ξηρής βάσης (Μ w ) ή επί υγρής βάσης (Y w )µε εµπειρικές σχέσεις του τύπου: Q = ξ exp( M / η) (4.3) w b Q = am w. (4.33) Q = L w + ξ[exp( ηy )]} (4.34) { w όπου ξ, η, α, b σταθερές που εξαρτώνται από το τρόφιµο Θερµική διαχυτότητα Η θερµική διαχυτότητα α=k/ρc των τροφίµων επηρεάζεται προφανώς από τις παραµέτρους που επηρεάζουν τις τρεις προαναφερθείσες ιδιότητες. Στη βιβλιογραφία µπορούν να βρεθούν εµπειρικές σχέσεις για τον προσδιορισµό του συντελεστή θερµικής διαχυτότητας διαφόρων τροφίµων ως συνάρτηση της σύστασης και της θερµοκρασίας. Γενικά µπορεί να θεωρηθεί ότι ισχύουν οι εµπειρικοί κανόνες (Kostaropoulos): νωπά τρόφιµα υγρασίας >30: α f.4x0-7 m /s κατεψυγµένα τρόφιµα υγρασίας >30-40%: a ff 3a f ξηρά τρόφιµα: a df 0.8a f λάδια και λίπη: α fa 0.6a f όπου a f, a ff, a df, a fa συντελεστές θερµικής διαχυτότητας του αρχικού, του κατεψυγµένου, του ξηρού τροφίµου και των λιπαρών, αντίστοιχα Ενεργότητα νερού-ισόθερµες ρόφησης Η ενεργότητα νερού (a ή a w ) σε ένα τρόφιµο σε ισορροπία µε το περιβάλλον του ορίζεται ως ο λόγος της µερικής πίεσης ατµών του περιβάλλοντος σε ισορροπία µε το τρόφιµο (p) προς την τάση ατµών του καθαρού νερού (πίεση κορεσµού) (p o ): p RH a = o p = 00 (4.35) όπου RH σχετική υγρασία του χώρου σε ισορροπία µε το τρόφιµο Η ενεργότητα νερού σε ένα ιδανικό διάλυµα ισούται µε το µοριακό κλάσµα του νερού στο διάλυµα (Χ w ) α = (4.36) X w Τα διαλύµατα µεγαλύτερης συγκέντρωσης διαλυτού συστατικού αποκλίνουν από την ιδανική συµπεριφορά και για τον υπολογισµό της ενεργότητας του νερού εισάγεται ο συντελεστής ενεργότητας του διαλυµένου συστατικού (γ) στην εξίσωση (4.36): α = γx w (4.37) 3
Τα τρόφιµα απέχουν από την ιδανική συµπεριφορά επειδή υπάρχουν αλληλεπιδράσεις µεταξύ των διαλυµένων συστατικών και ορισµένα διαλυτά συστατικά δεν βρίσκονται σε πραγµατική διάλυση επειδή είναι συνδεδεµένα µε αδιάλυτα συστατικά, όπως π.χ. ορισµένα άλατα µε τις πρωτεΐνες. Για τον υπολογισµό της ενεργότητας νερού τροφίµων έχουν διατυπωθεί διάφορες εµπειρικές εξισώσεις, οι οποίες στηρίζονται στη θεώρηση του τροφίµου ως µίγµα πολλών συστατικών και συνυπολογίζουν τη συνεισφορά αυτών των συστατικών στη µείωση της ενεργότητας. Μία από τις πλέον αποδεκτές είναι η εξίσωση Norrish που υπολογίζει την ενεργότητα διαλύµατος ενός συστατικού: α = X w [exp( kx s )] (4.38) όπου X s µοριακό κλάσµα του διαλυµένου συστατικού k σταθερά εξαρτώµενη από το διαλυµένο συστατικό Η σταθερά k έχει προσδιορισθεί για πολλά διαλυτά συστατικά που απαντώνται σε τρόφιµα και στο γεγονός αυτό οφείλεται η ευρεία χρησιµοποίηση της εξίσωσης Norrish. Τιµές της σταθεράς k δίνονται στον Πίνακα 4.6. Για διάλυµα περισσοτέρων συστατικών ο Ross, µε την παραδοχή ότι οι αλληλεπιδράσεις µεταξύ των διαλυτών συστατικών είναι ασήµαντες στο µίγµα, κατέληξε στη σχέση: α = α α α... (4.39) 3 α n όπου a i η ενεργότητα νερού του συστατικού i εάν θεωρηθεί διαλυµένο σε όλο το νερό του διαλύµατος. Η σχέση ισορροπίας του νερού µεταξύ του τροφίµου και της αέριας φάσης σε σταθερή θερµοκρασία µπορεί να αποδοθεί από τις ισόθερµες ρόφησης. Αυτές συσχετίζουν την περιεκτικότητα του νερού στο τρόφιµο (υγρασία του τροφίµου) µε τη µερική πίεση ατµών στην αέρια φάση (p), ή µε την ενεργότητα του νερού (a). Οι ισόθερµες ρόφησης και η ενεργότητα νερού του τροφίµου προσδιορίζονται συνήθως στα τρόφιµα µε δύο βασικές µεθόδους. Στην πρώτη ένα τρόφιµο γνωστής υγρασίας τοποθετείται σε ένα αεροστεγή µικρό θάλαµο και αφήνεται να έρθει σε ισορροπία µε το περιβάλλον του. Η σχετική υγρασία του χώρου ( ή η ενεργότητα νερού) µετριέται µετά την αποκατάσταση της ισορροπίας µε κατάλληλους αισθητήρες. Στη δεύτερη µέθοδο µικρά δείγµατα τροφίµου τοποθετούνται σε χώρους σταθερής σχετικής υγρασίας. Μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας προσδιορίζεται η υγρασία του τροφίµου σταθµικά µετά από ξήρανση, ή µε άλλη κατάλληλη µέθοδο. Η σταθερή σχετική υγρασία στο χώρο επιτυγχάνεται µε χρήση κορεσµένων διαλυµάτων αλάτων ή διαλυµάτων θειικού οξέος. 3
Πίνακας 4.6. Τιµές της σταθεράς k της εξίσωσης (4.38) για διάφορα διαλυτά συστατικά Συστατικό k Συστατικό k Σάκχαρα Γαλακτόζη -.4 Ξυλόζη -.54 Γλυκόζη -.9 Σακχαρόζη -6.47 Λακτόζη -0.0 Φρουκτόζη -.8 Μαλτόζη -4.54 DE a 4-5.3 Πολυόλες Γλυκερόλη -.6 Προπυλενογλυκόλη -4.04 Μανιτόλη -0.9,3 βουτυλενογλυκόλη -3.47 Ξυλιτόλη -.66 Σορβιτόλη -.65 Αµίδια Αλανίνη -.5 Γλυκολαµίδιο +0.74 β-αλανίνη -.5 Λακταµίδιο +0.7 Γλυκίνη +0.87 Ουρία +.0 Οξέα Α-Αµυνοβουτυρικό -.57 Μηλικό -.8 Γαλακτικό -.59 Τρυγικό -4.68 Κιτρικό -6.7 Άλατα KCl -0.8 NaCl -7.48 a DE: Dextrose equivalent (ισοδύναµο δεξτρόζης) Πηγή: Rahman, 995. Οι ισόθερµες των τροφίµων είναι συνήθως σιγµοειδείς καµπύλες, όπως φαίνονται στο σχήµα 4.. και έχουν αποδοθεί προσεγγιστικά από διάφορες µαθηµατικές εξισώσεις. Στο σχήµα 4. φαίνεται και η υστέρηση που παρουσιάζουν τα περισσότερα τρόφιµα µεταξύ ρόφησης και εκρόφησης. Στο φαινόµενο της υστέρησης, τα τρόφιµα, κατά τη ρόφηση υγρασίας, εµφανίζουν µικρότερη περιεκτικότητα νερού από ότι κατά την εκρόφηση, σε ισορροπία µε περιβάλλον της ίδιας σχετικής υγρασίας. Το φαινόµενο της υστέρησης ερµηνεύεται από τη δηµιουργία µη αντιστρεπτών µεταβολών κατά τη ρόφηση υγρασίας από το τρόφιµο. Η σχέση της υγρασίας του τροφίµου µε τη µερική πίεση ατµών στην αέρια φάση σε ισορροπία εξαρτάται από τον τρόπο µε τον οποίο το νερό συγκρατείται από το τρόφιµο. Ένα τµήµα του νερού είναι ισχυρά δεσµευµένο στο τρόφιµο ως µονοµοριακό στρώµα. Οι ειδικές θέσεις στις οποίες δεσµεύεται αυτό το νερό περιλαµβάνουν τις οµάδες υδροξυλίων των πολυσακχαριτών, τις καρβονυλοµάδες και αµινοµάδες των πρωτεϊνών κ.ά. Η εκτίµηση της ποσότητας αυτού του ισχυρά δεσµευµένου νερού που καλείται και τιµή µονοµοριακού στρώµατος (monolayer value) µπορεί να γίνει µέσω της εξίσωσης BET (Brunauer-Emmet-Teller), η οποία είναι µία από τις εξισώσεις που προσεγγίζουν την ισόθερµη ρόφησης: wbmca w = (4.40) ( a)[ + ( C ) a] 33
Σχήµα 4.. Τυπική ισόθερµη ρόφησης-εκρόφησης τροφίµου ή a C = + w( a) w C w C a bm bm (4.4) όπου a ενεργότητα νερού w υγρασία του τροφίµου (kg H O/kg ξηρού στερεού) w bm τιµή µονοµοριακού στρώµατος (kg H O/kg ξηρού στερεού) C σταθερά Για τον υπολογισµό της τιµής µονοµοριακού στρώµατος κατασκευάζεται η ισόθερµη ΒΕΤ µε άξονες την ενεργότητα νερού (a) και το λόγο a/w(-a). Η µονοστρωµατική τιµή (w bm ) και η σταθερά C υπολογίζονται από την αποτέµνουσα (/w bm C) και την κλίση [(C-)/w bm C] της ευθείας. Η εξίσωση ΒΕΤ συνήθως θεωρείται ότι εκφράζει µε καλή προσέγγιση τα δεδοµένα της ισοθέρµου ρόφησης µέχρι τιµή ενεργότητας 0.45. Επίσης η τιµή µονοµοριακού στρώµατος που υπολογίζεται µε την εξίσωση ΒΕΤ αποδίδει ικανοποιητικά το νερό το δεσµευµένο σε πολικές θέσεις των ξηρών τροφίµων. Πιο ικανοποιητική προσέγγιση της ισοθέρµου ρόφησης για τα περισσότερα τρόφιµα και για µεγαλύτερο εύρος τιµών ενεργότητας νερού (µέχρι 0.90 ή 0.95) δίνεται από την εξίσωση GAB (Guggenheim-Anderson-de Boer): wgmyka w = (4.4) ( Ka)( Ka + YKa) όπου w gm τιµή µονοµοριακού στρώµατος (kg H O/kg ξηρού στερεού) K, Y σταθερές που σχετίζονται µε την επίδραση της θερµοκρασίας Ο υπολογισµός των σταθερών της εξίσωσης GAB στηρίζεται στο µετασχηµατισµό της εξίσωσης 4.4 στην: a K = a + a + (4.43) w w Y w Y w YK gm gm gm 34
Οι συντελεστές του πολυονύµου της (4.43) προσδιορίζονται µε πολυονιµική προσέγγιση της καµπύλης που προκύπτει αν κατασκευασθεί διάγραµµα a/w ως προς α µε βάση τα πειραµατικά δεδοµένα. Τιµές του µονοµοριακού στρώµατος κατά ΒΕΤ και GAB και των αντίστοιχων σταθερών των δύο εξισώσεων υπάρχουν στη βιβλιογραφία για διάφορα τρόφιµα και συστατικά τροφίµων. Το µονοµοριακό στρώµα νερού αντιστοιχεί στο πρώτο τµήµα των ισοθέρµων ρόφησης (ζώνη Ι, σχήµα 4.) και ανέρχεται σε 0-0. g/g στερεών και οι τιµές ενεργότητας που αντιστοιχούν σε αυτό δεν υπερβαίνουν συνήθως το 0.5. Το λιγότερο ισχυρά δεσµευµένο νερό αποτελεί τις πολυστρωµατικές στοιβάδες και αντιστοιχεί στη ζώνη ΙΙ της ισοθέρµου σε τιµές ενεργότητας µέχρι 0.75 περίπου. Επί πλέον του δεσµευµένου νερού υπάρχει ένα µέρος νερού παγιδευµένο σε τριχοειδείς πόρους, το οποίο παρουσιάζει µειωµένη τάση ατµών. Η ενεργότητα νερού µειώνεται όσο µειώνεται η ακτίνα των πόρων ενός υλικού. Η ακριβής µείωση της ενεργότητας νερού λόγω της ύπαρξης τριχοειδών πόρων στα τρόφιµα δεν είναι εύκολο να υπολογισθεί, αλλά έχει εκτιµηθεί από εξισώσεις και πίνακες που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Το ελεύθερο νερό στα τρόφιµα εµφανίζει µειωµένη τάση ατµών λόγω των διαφόρων συστατικών που είναι διαλυµένα σε αυτό και αντιστοιχεί στη ζώνη ΙΙΙ των ισοθέρµων ρόφησης. Για τρόφιµα µε µεγάλη περιεκτικότητα σε ελεύθερο νερό (α>0.9) η ενεργότητα νερού µπορεί κατά προσέγγιση να υπολογισθεί µέσω των εξισώσεων (4.37-4.39) λαµβάνοντας υπ όψιν µόνο τα διαλυτά συστατικά. Σύµβολα α=k/ρc θερµική διαχυτότητα (m /s) a ή α w ενεργότητα νερού β συντελεστής συρρίκνωσης γ συντελεστής ενεργότητας c ειδική θερµότητα (J/kg C) C σταθερά της εξίσωσης (4.40) Η µεταβολή ενθαλπίας (kj/kg) ε πορώδες ή παράγοντας διόρθωσης όγκου ή κλάσµα όγκου H ενθαλπία του τροφίµου (J/kg) k συντελεστής αγωγής θερµότητας (W/m Κ) k σταθερά της εξίσωσης (4.38) K σταθερά της εξίσωσης (4.4) L λανθάνουσα θερµότητα πήξης ή εξάτµισης (kj/kg) m µάζα (kg) M µοριακό βάρος 35
Μ w κλάσµα µάζας νερού επί ξηρής βάσης p µερική πίεση ατµών (atm) p o τάση ατµών του καθαρού νερού (πίεση κορεσµού) (atm) ρ πυκνότητα (kg/m 3 ) R=8.34 J/mole K (σταθερά των αερίων) RH σχετική υγρασία Τ θερµοκρασία ( C ή K) T ref θερµοκρασία αναφοράς, θεωρούµενη συνήθως ίση µε -40 C v ειδικός όγκος (m 3 /kg ξηρού στερεού) V όγκος (m 3 ) w υγρασία (kg H O/kg ξηρού στερεού) w bm τιµή µονοµοριακού στρώµατος κατά BET (kg H O/kg ξηρού στερεού) w gm τιµή µονοµοριακού στρώµατος κατά GAB (kg H O/kg ξηρού στερεού) Χ µοριακό κλάσµα Y κλάσµα µάζας (υγρή βάση) Y σταθερά της εξίσωσης (4.4) είκτες α αέρας ap φαινόµενη τιµή as ανόργανα συστατικά c διεσπαρµένη φάση ca υδατάνθρακας d συνεχής φάση df αφυδατωµένο τρόφιµο ex λόγω αλληλεπιδράσεων f τρόφιµο fa λιπαρό fi ίνες ff κατεψυγµένο τρόφιµο F έναρξη κατάψυξης Fο τιµή αµέσως πριν την έναρξη κατάψυξης Fw σηµείο πήξης του νερού i συστατικό i Ι πάγος IT αρχική τιµή p πρωτεΐνη s στερεό 36
so w wo wf στερεά ή διαλυµένα συστατικά νερό νερό πριν την έναρξη κατάψυξης νερό στο τρόφιµο Βιβλιογραφία Hallstrom B. Skjolderbrand C and Tragardh C (990) Heat Transfer and Food Products, Elsevier Applied Sci., London, pp. -9. Heldman D.R. and Singh R.P. (98) Food Process Engineering, nd ed., The AVI Publishing Co. Inc., Westport, Connecticut. Rahman S. (995) Food Properties Handbook, CRC Press, Boca Raton, pp. 79-39. Saravacos G.D. and Maroulis Z.B. (00) Transport Properties of Foods, Marcel Dekker Inc., New York, pp. 9-6, 69-358. 37
38
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Εισαγωγή Η βιοµηχανία τροφίµων επεξεργάζεται διαφορετικές πρώτες ύλες για να παράγει µία µεγάλη ποικιλία προϊόντων τα οποία να ικανοποιούν τον καταναλωτή. Οι βασικοί στόχοι της επεξεργασίας είναι: Η παραγωγή τροφίµων που θα παρέχουν τα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά για τον άνθρωπο. Η παραγωγή προϊόντων µε βελτιωµένα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά (άρωµα, γεύση, χρώµα, υφή) που θα τύχουν µεγαλύτερης αποδοχής από τον καταναλωτή. Η αύξηση της ποικιλίας των προϊόντων για να προσελκύσουν περισσότερους καταναλωτές. Με την ευρύτερη έννοια εδώ εντάσσεται και η µεταποίηση ενός τροφίµου σε άλλη µορφή που µπορεί να επεξεργασθεί περαιτέρω προς τελικό προϊόν (π.χ. η άλεση σπόρων προς αλεύρι). Η παράταση της διάρκειας ζωής του προϊόντος µε διατήρηση αποδεκτής ποιότητας. Καθένας από τους παραπάνω στόχους υπάρχει σε µικρότερο ή µεγαλύτερο βαθµό στην παραγωγή όλων των τροφίµων, αλλά η παραγωγή ενός συγκεκριµένου προϊόντος µπορεί να στηρίζεται περισσότερο σε έναν από αυτούς. Για παράδειγµα τα κατεψυγµένα λαχανικά πρέπει να έχουν οργανοληπτικά και θρεπτικά χαρακτηριστικά όσο το δυνατόν πλησιέστερα στα νωπά, αλλά και διάρκεια ζωής µερικών µηνών αντί ηµερών. Εποµένως στόχος της κατάψυξης είναι η παράταση της διάρκειας ζωής του προϊόντος. Αντίθετα στην παραγωγή προϊόντων ζαχαροπλαστικής, καραµελοποιίας, σοκολατοποιίας κ.α. βασικός στόχος είναι η αύξηση της ποικιλίας των προϊόντων (προϊόντα µε διαφορετικό άρωµα, νέες γεύσεις, άλλη µορφή κλπ.) που θα προσελκύσουν τον καταναλωτή. Οι κυριότερες διεργασίες στη βιοµηχανία τροφίµων Οι διεργασίες που χρησιµοποιεί η βιοµηχανία τροφίµων διαφέρουν πολύ, ανάλογα µε τις πρώτες ύλες, το στόχο της επεξεργασίας και τα προϊόντα που πρόκειται να παραχθούν. Ένα συνοπτικό διάγραµµα διάφορων πιθανών διεργασιών δίνεται στο σχήµα 5.. Οι πρώτες ύλες που φθάνουν στη βιοµηχανία µπορεί να έχουν διάφορες µορφές: από υγρά χαµηλού ιξώδους έως στερεά. Αυτές πρέπει να µεταφερθούν µε κατάλληλα σχεδιασµένα συστήµατα. Στο σχεδιασµό των συστηµάτων διακίνησης των υγρών τροφίµων είναι απαραίτητη η γνώση των ρεολογικών ιδιοτήτων τους, καθώς τα 39
περισσότερα τρόφιµα έχουν µη νευτονικά ρεολογικά χαρακτηριστικά. Η διακίνηση των στερεών µπορεί να γίνει µε πολύ διαφορετικές διατάξεις: πνευµατική µεταφορά για άλευρα και σκόνες, µεταφορά σε κανάλια για καρπούς κλπ. Νευτωνικά Υγρά Υγρά χαµηλής συνεκτικότητας Παχύρευστα υγρά Μαλακά στερεά Σκληρά στερεά Είσοδος µονάδας Ροή ρευστών ιακίνηση στερεών ιαχωρισµός Άλεση Ανάµιξη Θέρµανση Ψύξη Συµπύκνωση Αφυδάτωση Κατάψυξη Υγρά µεγάλης συνεκτικότητας Ξηρά στερεά Υγρά Στερεά Κατεψυγµένα στερεά Έξοδος µονάδας Συσκευασία Σχήµα 5.. ιάγραµµα πιθανών διεργασιών σε µία βιοµηχανία τροφίµων Στη συνέχεια είναι πιθανόν να υπεισέρχονται διεργασίες διαχωρισµού των πρώτων υλών σε συστατικά. Αυτές οι διεργασίες περιλαµβάνουν µηχανικούς διαχωρισµούς µε φυγοκέντριση, διήθηση ή καταβύθιση στερεών και φυσικούς διαχωρισµούς µε εξάτµιση, εκχύλιση ή µεµβράνες. Επίσης είναι πιθανόν να απαιτείται άλεση των στερεών προς µικρότερα µεγέθη ή µείωση του µεγέθους των σταγονιδίων της διεσπαρµένης φάσης (γαλακτωµατοποίηση) σε τρόφιµα τύπου γαλακτώµατος. Συχνά ακολουθεί ανάµιξη ορισµένων πρώτων υλών (στερεών, υγρού/στερεού ή υγρού/υγρού). 40
Οι φυσικές διεργασίες που απαντώνται σχεδόν σε όλες τις βιοµηχανίες τροφίµων είναι οι διεργασίες µεταφοράς θερµότητας. Σχεδόν κάθε επεξεργασµένο τρόφιµο έχει υποστεί θέρµανση ή ψύξη σε κάποιο σηµείο της επεξεργασίας από την πρώτη ύλη µέχρι το τελικό προϊόν. Ειδικότερα οι διεργασίες µεταφοράς θερµότητας περιλαµβάνουν τη θέρµανση ή ψύξη σε εναλλάκτες ή θαλάµους (αεροψυκτήρες, υδροψυκτήρες), την παστερίωση, αποστείρωση και το ζεµάτισµα των τροφίµων. Ο σχεδιασµός και η εφαρµογή αυτών των διεργασιών σε ένα τρόφιµο γίνεται µε ιδιαίτερη προσοχή, δεδοµένης της θερµοευαισθησίας του και της υποβάθµισης της ποιότητας σε υψηλές θερµοκρασίες. Η κατάψυξη είναι επίσης µια διεργασία µεταφοράς θερµότητας που εφαρµόζεται συχνά στη βιοµηχανία τροφίµων, καθώς όλο και περισσότερα προϊόντα διατίθενται κατεψυγµένα. Η συµπύκνωση και η αφυδάτωση (ξήρανση) εµπλέκουν µεταφορά θερµότητας και µάζας, µε στόχο τη µείωση του όγκου (και της περιεκτικότητας σε νερό) υγρών τροφίµων ή την παραγωγή αφυδατωµένων τροφίµων µε αυξηµένη διάρκεια ζωής. Τέλος η κρυστάλλωση εφαρµόζεται για τον διαχωρισµό και την παραλαβή προϊόντων από διαλύµατα (π.χ. της ζάχαρης) ή για την επίτευξη ορισµένων ρεολογικών χαρακτηριστικών (π.χ. ελεγχόµενη κρυστάλλωση των λιπαρών στις µαργαρίνες και τη σοκολάτα). Βέβαια κρυστάλλωση (του νερού) συµβαίνει και κατά την κατάψυξη ή τη συµπύκνωση µε κατάψυξη. Η συσκευασία των προϊόντων ακολουθεί τις προαναφερθείσες διεργασίες ή µπορεί να γίνεται σε ένα ενδιάµεσο στάδιο, όπως συσκευασία τροφίµων πριν την αποστείρωση ή πριν την κατάψυξή τους. Επί πλέον των βασικών διεργασιών που αναφέρθηκαν παραπάνω στη βιοµηχανία τροφίµων εφαρµόζονται πολλές βοηθητικές κατεργασίες, όπως ο καθαρισµός των πρώτων υλών, η αποφλοίωση ή αποστέωση, η ταξινόµηση πρώτων υλών και προϊόντων, ο καθαρισµός και η απολύµανση του εξοπλισµού και των χώρων. 4