Η Ψύξη των Τροφίµων Ορισµοί Ψύξη θερµοκρασία τροφίµου από 15 C µέχρι το σηµείο πήξεως του νερού του τροφίµου (συνήθως µεταξύ 1 C και 8 C). Σκοπός Συντήρηση τροφίµου ή προεπεξεργασία. Σύµφωνα µε τη θερµοκρασία αποθηκεύσεως, τα τρόφιµα κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες: (1) 1 C µε +1 C (νωπά ψάρια, κρέατα, αλλαντικά, κιµάς, καπνιστό κρέας και ψάρια) (2) 0 C µε +5 C (παστεριωµένο κονσερβοποιηµένο κρέας, γάλα, κρέµα, γιαούρτι, έτοιµες σαλάτες, αρτοσκευάσµατα, πάστες, πίτσα, νωπή ζύµη και προϊόντα ζαχαροπλαστικής) (3) 0 C µε +8 C (πλήρως ψηµένες πίτες κρέατος και ψαριών, µαγειρεµένα ή νωπά αλατισµένα & παστά κρέατα, µαργαρίνη, σκληρά τυριά και µαλακά φρούτα) Πρέπει να σηµειωθεί ότι δεν ψύχονται όλα τα τρόφιµα Επιπλέον η ψύξη µπορεί να συνδυασθεί µε ελεγχοµένη ή τροποποιηµένη ατµόσφαιρα Η σύνθεση της ατµόσφαιρας µπορεί να µεταβληθεί κατά τρεις τρόπους: (1) Αποθήκευση µε Ελεγχοµένη Ατµόσφαιρα (CAS) όπου µεταβάλλονται και ρυθµίζονται συνεχώς οι συγκεντρώσεις του οξυγόνου, διοξειδίου του άνθρακος και µερικές φορές του αιθυλενίου. (2) Αποθήκευση µε Τροποποιηµένη Ατµόσφαιρα (MAS) κατά την οποία η σύνθεση του αερίου µεταβάλλεται µια φορά στην αρχή ή επιτρέπεται να µεταβληθεί από την κανονική αναπνευστική δραστηριότητα του τροφίµου (ασκείται µόνο µικρός έλεγχος). (3) Συσκευασία µε Τροποποιηµένη Ατµόσφαιρα (MAP) κατά την οποία µεταβάλλεται η σύνθεση των αερίων εντός τη συσκευασίας γνωστής διαπερατότητος και πριν αυτή να σφραγισθεί. CAS και MAS µήλα και µικρές ποσότητες αχλαδιών και λάχανου. MAP χρησιµοποιείται για µερικά νωπά τρόφιµα και ένα αριθµό ήπια επεξεργασµένων τροφίµων (σάντουίτς, τυρί και µαγειρεµένο κρέας). Μικροοργανισµοί Επίδραση της θερµοκρασίας επί των µικροοργανισµών: Με βάση τη θερµοκρασία αναπτύξεως οι µικροοργανισµοί διακρίνονται σε: (1) θερµόφιλους (35 µε 55 C); (2) µεσόφιλους (10 µε 40 C); (3) ψυχρόφιλους ( -5 µε 15 C).
Επίδραση της θερµοκρασίας στο χρόνο γενεάς των µικροοργανισµών Ψύξη Παρεµποδίζει την ανάπτυξη των θερµοφίλων και πολλών µεσοφίλων µικροοργανισµών εν υπάρχουν ψυχρόφιλα παθογόνα Μειώνει την ταχύτητα των ενζυµικών και µικροβιακών µεταβολών Επιβραδύνει την αναπνοή των νωπών φρούτων και λαχανικών Ο χρόνος ζωής των επεξεργασµένων υπό ψύξη συντηρουµένων τροφίµων καθορίζεται από:! Τον τύπο του τροφίµου! Το βαθµό της µικροβιακής καταστροφής ή της ενζυµικής αδρανοποιήσεως από την επεξεργασία! Τον έλεγχο υγιεινής κατά την επεξεργασία και συσκευασία! Τις ιδιότητες φράγµατος του υλικού συσκευασίας! Τις θερµοκρασίες που επικρατούν κατά τη διανοµή και αποθήκευση Τι είναι ψύξη; Αποµάκρυνση θερµότητας. Πώς αποµακρύνεται η θερµότητα; Μηχανικά
Το ψυκτικό σύστηµα. Μέθοδοι Ψύξης Ρεύµα αέρα o Μεγάλοι ή Μικροί Θάλαµοι Υδρόψυξη o Ψεκασµός ψυχρού νερού Πάγος ή Παγόνερο o Προϊόντα Ιχθυηρών Ψύξη µε Κενό o Πτώση 2,8 C για 1% απώλεια H 2 O Η ψύξη και η ψυχρή αποθήκευση χρησιµοποιούνται:! για την ελάττωση της αλλοιώσεως κατά τη διανοµή ευαλλοιώτων τροφίµων! για την αύξηση του χρόνου διατηρήσεως µεταξύ συγκοµιδής ή συλλογής και επεξεργασίας! για την επέκταση του χρόνου ζωής των επεξεργασµένων τροφίµων Υπάρχει µια εκθετική σχέση µεταξύ επιθυµητού χρόνου αποθηκεύσεως και θερµοκρασίας.
Θερµοφυσικές Ιδιότητες των Τροφίµων Ειδική θερµότητα [Θερµοχωρητικότητα], Cp Θερµική αγωγιµότητα, k Θερµική διαχυτικότητα, α Πυκνότητα, ρ Περιεχοµένη θερµότητα ή ενθαλπία, h Ειδική θερµότητα Το ποσό θερµότητος το οποίο συνοδεύει τη µονάδα µεταβολής στη θερµοκρασία για τη µονάδα µάζης Άνω του σηµείου καταψύξεως: C avg = 1674,72F + 837,36S + 4186,8M J / kg C Κάτω του σηµείου καταψύξεως: C = 1674,72F + 837,36S + 2093,4 J / kg C avg Θερµική αγωγιµότητα Ο ρυθµός θερµότητος που άγεται µέσω της µονάδας πάχους, αν υφίσταται κλιµάκωση θερµοκρασίας ενός βαθµού. k= (k X ) i vi Θερµική διαχυτικότητα Είναι ένα µέτρο του πόσο γρήγορα µια ουσία θα µεταβάλλει τη θερµοκρασία της κατά τη θέρµανση ή ψύξη. Είναι ο λόγος της θερµικής αγωγιµότητας προς το γινόµενο της ειδικής θερµότητας και της πυκνότητας. α = k ρ C p Πυκνότητα Η µάζα µιας ουσίας ανά µονάδα όγκου Είναι συνάρτηση των συστατικών του τροφίµου 1 ρ = X / ρ [ ] i i Περιεχοµένη θερµότητα ή ενθαλπία Μια εσωτερική ιδιότητα. Η απόλυτη τιµή της δεν µπορεί να µετρηθεί απ' ευθείας. Αν εκλεγεί µια κατάσταση αναφοράς, στην οποία η ενθαλπία θεωρείται µηδέν, τότε µπορεί να υπολογισθεί η απόλυτη τιµή της ενθαλπίας µεταξύ της καταστάσεως αναφοράς και της εξεταζοµένης.
h=h r [ at r+(1-a)t b r] Υπολογισµός του Ψυκτικού Φορτίου Το ψυκτικό φορτίο µπορεί να διαιρεθεί σε δύο κατηγορίες: i. Το φορτίο υπό µη µόνιµο ή ασταθή κατάσταση (unsteady state load) και το οποίο είναι ο ρυθµός αποµακρύνσεως της θερµότητος, η οποία είναι αναγκαία για να ελαττωθεί η θερµοκρασία του προς ψύξιν υλικού στην θερµοκρασία αποθηκεύσεως εντός καθορισµένης χρονικής περιόδου. ii. Το φορτίο υπό µόνιµο ή στάσιµο κατάσταση (steady state load) και το οποίο είναι το ποσό της αποµακρυνοµένης θερµότητος η οποία είναι αναγκαία για την διατήρηση της θερµοκρασίας αποθηκεύσεως. Πρέπει να σηµειωθεί ότι για την περίπτωση των τροφίµων, η θερµοκρασία θα πρέπει να ελαττωθεί στη θερµοκρασία αποθηκεύσεως στο βραχύτερο δυνατό χρόνο, για να εµποδισθεί η µικροβιακή αλλοίωση και η χειροτέρευση της ποιότητος. Ακόµη, αν υπάρχει ανάγκη εισαγωγής προϊόντων στον ψυκτικό θάλαµο κατά διαστήµατα, για να µην υπάρξει ανάγκη εγκαταστάσεως υπερµεγεθών ψυκτικών µονάδων σε µεγάλους θαλάµους, µε αποτέλεσµα την υπολειτουργία, εφαρµόζεται η ακόλουθη πρακτική. Τα προϊόντα αυτά συνήθως προψύχονται στη θερµοκρασία αποθηκεύσεως σε µικροτέρους θαλάµους προψύξεως ή ψύξεως ή µε άλλο τρόπο και κατόπιν οδηγούνται στο µεγάλο ψυκτικό θάλαµο αποθηκεύσεως. Απώλεια Θερµότητος δια των Tοιχωµάτων &q= ka(t o - T i ) X όπου q = απώλεια θερµότητος/µονάδα χρόνου, J/s=W. k = θερµική αγωγιµότητα του υλικού µονώσεως, W/m C. A = επιφάνεια των εξωτερικών τοιχωµάτων του θαλάµου, m². T o = θερµοκρασία στο εξωτερικό του θαλάµου, C. T i = θερµοκρασία στο εσωτερικό του θαλάµου, C. X = πάχος του µονωτικού υλικού, m. Aπώλεια Θερµότητος δια µέσου Ρωγµών και Χαραµάδων Απώλεια Θερµότητος από Ανοικτές Πόρτες 0,0494 T 1,71 q& = 2126 W e h όπου q& =ρυθµός απωλείας θερµότητος, W. W = πλάτος της πόρτας, m. Τ = διαφορά θερµοκρασίας, C. h = ύψος της πόρτας, m. ηµιουργουµένη Θερµότητα Κατά τη λειτουργία της ψυκτικής µονάδος δηµιουργείται θερµότητα, η οποία οφείλεται στο φωτισµό του θαλάµου, τη λειτουργία των κινητήρων, τους εργαζοµένους και στο τρόφιµο εφ' όσον είναι ζωντανό.
Για τον υπολογισµό του ψυκτικού φορτίου πολύ χρήσιµα είναι τα παρακάτω στοιχεία: i) Από τους ηλεκτρικούς λαµπτήρες παράγεται θερµότητα ίση µε 1,0 W ανά W λαµπτήρα ή 13,57 kcal/h ανά W. ii) Από τους ηλεκτρικούς κινητήρες παράγονται 1025,85 W/hp ή 13889 kcal/h hp. Η τιµή αυτή πέφτει στα 732,75 W/hp ή 9920,6 kcal/h hp, αν µόνο ο κινητήρας είναι εντός και το φορτίο το οποίο κινεί έξω από τον ψυκτικό θάλαµο. iii) Οι εργαζόµενοι εντός του θαλάµου παράγουν κατά προσέγγιση 293 W ανά άτοµο ή 3968 kcal/h άτοµο. Μια άλλη αιτία επιπροσθέτου απαιτήσεως ενεργείας είναι οι αλλαγές του αέρα ανά 24ωρο. Οι αλλαγές αυτές εξαρτώνται από το µέγεθος του ψυκτικού θαλάµου. Η µέση απώλεια θερµότητος, η οποία οφείλεται στην αλλαγή του αέρα συσχετίζεται µε τη θερµοκρασία και τη σχετική υγρασία του εναλλασσοµένου αέρα. Πολλά τρόφιµα όπως τα φρούτα και λαχανικά αναπνέουν και παράγουν θερµότητα. Εποµένως, η θερµότητα αναπνοής συνεισφέρει στο ψυκτικό φορτίο. Το ποσό της απελευθερουµένης θερµότητος ποικίλει µε το είδος και αυξάνει καθώς αυξάνει και η θερµοκρασία του θαλάµου αποθηκεύσεως. Θερµότητες αναπνοής για µερικά προϊόντα Θερµοκρασία( C) Προϊόν 0 4 15 kcal/ton.24h W/ton kcal/ton.24h W/ton kcal/ton.24h W/ton Μήλα Φασόλια, πράσινα Μπρόκολα Λάχανο Καρότα, (καλυµµένα) Σέλινο Αραβόσιτος (γλυκός) Kρεµµύδια Πορτοκάλια Ροδάκινα Αχλάδια, Bartlett Αρακάς, πράσινος Πατάτες Σπανάκι Φράουλες Γλυκοπατάτες Τοµάτες, ώριµες-πράσινες ώριµες 1 στους 10 C. 76-202 1386-1552 1877 304 537 408 1653 151-277 106-260 214-345 166-222 2056 111-222 1069-1225 688-958 300-615 146 257 9-14 73-82 91 15 26 20 80 7-13 5-13 10-17 8-11 100 5-11 57-75 34-51 15-30 7 14 149-212 2308-2870 2772-4435 421 874 610 2366 444-499 1 328-393 363-512 - 3331 277-444 1978-2825 922-1701 431-844 270 315 15-24 120-160 134-215 20 42 30 115 22-24 16-19 18-25 - 161 13-22 100-150 68-87 21-41 13 17 572-874 8087-11121 8535-12600 1028 2036 2071 9679-920-1303 1830-2346 2218-3326 9891 554-819 9304-9576 3896-5111 1079-1588 1570 1421 58-87 440-580 414-611 50 99 100 469-45-63 89-114 108-161 479 27-43 510 210-260 52-77 76 78 Ψύξη του Προϊόντος Για να εκτιµηθεί το ψυκτικό φορτίο για την ταπείνωση της θερµοκρασίας ενός τροφίµου στην επιθυµητή τιµή µπορούν να εφαρµοσθούν οι σχέσεις της θερµιδοµετρίας. Έτσι, θα πρέπει να είναι γνωστά η ειδική θερµότητα του τροφίµου άνω και κάτω του σηµείου πήξεως, καθώς και η λανθάνουσα θερµότητα πήξεως εφ' όσον φυσικά συµβαίνει αλλαγή φάσεως. Αν λοιπόν θέλουµε να υπολογίσουµε το ψυκτικό φορτίο, υπολογίζουµεq
Πρώτον τη θερµότητα η οποία πρέπει να αποµακρυνθεί για την ταπείνωση της θερµοκρασίας του προϊόντος στο σηµείο πήξεως: q1 = C p m(t 1 - T 2 ) εύτερον, τη λανθάνουσα θερµότητα για τη µετατροπή του νερού στη στερεή κατάσταση: q2 = H f m M 335 όπου H f = kj/kg 100 Τρίτον, τη θερµότητα η οποία πρέπει να αποµακρυνθεί για την ταπείνωση της θερµοκρασίας του τροφίµου από το σηµείο πήξεως έως τη θερµοκρασία αποθηκεύσεως: q = C p m(t 2 - T 3 ) 3 Πρόβληµα: Να υπολογισθεί το ψυκτικό φορτίο, όταν 100 kg/h αρακά θερµοκρασίας 30 C πρόκειται να ψυχθούν στους -40 C. Ο αρακάς έχει υγρασία 74% και σηµείο πήξεως -1 C. Λύση: Υπολογίζουµε την ειδική θερµότητα του αρακά άνω και κάτω του σηµείου πήξεως. Έτσι, έχουµε: C avg = 3 349x0,74+837,36=3315,62 J/kg C και C avg = 1256x0,74+837,36=1766,8 J/kg C Υπολογίζουµε τη λανθάνουσα θερµότητα πήξεως: 74x335 H f = = 247,9 kj/kg 100 και, από τις παραπάνω σχέσεις υπολογίζουµε το ψυκτικό φορτίο: q 1 = 3315,62x100x(30+1)=10,28 MJ/h q 2 = 247,9x100=24,79 MJ/h q 3 = 1766,8x100x(-1+ 40)=6,89 MJ/h και q ολ = 10,28+24,79+6,89=41,96 MJ/h ή 11,66 kw Πρόβληµα: Να υπολογισθεί το ψυκτικό φορτίο µιας ψυκτικής µονάδος, η οποία θα εγκατασταθεί και θα λειτουργεί σαν ψύκτης θερµοκρασίας 0 C. ίδονται τα παρακάτω κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά. Ο ψύκτης βρίσκεται εντός του κτιρίου. ιαστάσεις: 4 4 3,5 m. Κατασκευή τοιχωµάτων και ταβανιών: Εσωτερικό από φύλλο πολυβινυλοχλωριδίου (PVC) πάχους 3,175 mm και θερµικής αγωγιµότητος k=0,173 W/m C Μόνωση fiberglass πάχους 15,24 cm, και k=0,035 W/m C, στρώµα φελλού πάχους 5,08 cm και k=0,043 W/m C και εξωτερικό στρώµα PVC πάχους 3,17 mm. Κατασκευή πατώµατος: Κεραµικό πάχους 3,175 mm και θερµικής αγωγιµότητος k=0,36 W/m C. Tσιµεντένια τούβλα πάχους 10,16 cm και k=0,93 W/m C Xώρος αέρα πάχους 20,32 cm και k=0,024 W/m C Η τσιµεντένια επιφάνεια βρίσκεται σε επαφή µε το έδαφος σε σταθερή θερµοκρασία 15 C. Πόρτα: Πλάτος 1m, ύψος 2,43 m. Σχεδιάζεται έτσι ώστε να ανοίγει κατά µέσο όρο 4 φορές την ώρα και να παραµένει ανοιχτή επί 1 min. Ρυθµός διεισδύσεως του αέρα: 1 m 3 /h σε ατµοσφαιρική πίεση και θερµοκρασία περιβάλλοντος, 32 C. Ψυκτικό φορτίο του προϊόντος:
Σχεδιάζεται έτσι ώστε να ψύχει 900 kg προϊόντος ειδικής θερµότητος C p =3181 J/kg C από τους 32 Cστους 0 C εντός 5 ωρών. Το σηµείο πήξεως του προϊόντος είναι -1,5 C. Λύση: α) Υπολογισµός θερµικής απωλείας από τα τοιχώµατα, ταβάνι και πάτωµα. Για την περίπτωση του θαλάµου αυτού έχουµε 1) µια επιφάνεια 4x4=16 cm² αποτελουµένη από στρώµατα PVC, Fiberglass, Φελλό και PVC. Η θερµική απώλεια µπορεί να υπολογισθεί από τη σχέση: q& T = A X 1 + X 2 + X 3 + X 4 k1 k 2 k 3 k 4 Αντικαθιστώντας έχουµε: q& 32 C = 2 16 m 0,003175 0,1524 0,0508 0,003175 + + + 0,173 0,035 0,043 0,173 και q=92 W. 2) Τέσσαρες επιφάνειες 4X3,5=14 m² µε την ίδια µόνωση. Αντικαθιστώντας έχουµε: m W/m q& 32 C = 2 14 m 0,003175 0,1524 0,0508 0,003175 m + + + 0,173 0,035 0,043 0,173 W/m C και q=80,4 W, άρα q 2 =80,4x4=321,6 W 3) Μια επιφάνεια 4X4=16 m², του πατώµατος, αποτελουµένη από κεραµικό, τσιµέντο και αέρα, και η οποία βρίσκεται σε επαφή µε σταθερή θερµοκρασία 15 C. Έτσι, έχουµε: q& 15 C = 2 16 m 0,003175 0,1016 0,2032 m + + 0,36 0,93 0,24 W/m C και q 3 =28 W. β) Υπολογισµός θερµικής απωλείας από την πόρτα: Αντικαθιστώντας τα δεδοµένα στην εξίσωση 3.51 έχουµε: 0,0484(32) 1,71 &q = 2126 x 1 x e x 2,43 = 45,7 kw Ο συνολικός χρόνος κατά τον οποίο η πόρτα παραµένει ανοικτή σε µια ώρα είναι 4 min. Άρα το ψυκτικό φορτίο είναι: 45,7x(4/60)=3,05 kw=q 4 γ) Υπολογισµός ψυκτικού φορτίου για το προϊόν. Αντικαθιστώντας στην παραπάνω εξίσωση έχουµε: q 5 = 3181 x 32 x 900 = 92 MJ/5h = 5,1 kw Εποµένως, το συνολικό ψυκτικό φορτίο είναι: q ολ = q 1 +q 2 +q 3 +q 4 +q 5 =8,6 9 kw ή 2,6 3 ψυκτικοί τόνοι. C Υπολογισµός του Χρόνου Ψύξεως Ο χρόνος ψύξεως ενός τροφίµου εξαρτάται από τις ιδιότητές του, τις ιδιότητες του ψυκτικού και τις συνθήκες κάτω από τις οποίες λαµβάνει χώρα η διεργασία (διατοµή του προϊόντος, θερµική απόδοση, πυκνότητα, θερµοκρασία του ψυκτικού, τύπος κινήσεως και ταχύτητα του ψυκτικού, υγρασία, συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος από το προϊόν στο ψυκτικό). Οι κύριες συνθήκες για την επιταχυνοµένη ψύξη είναι ένα ψυκτικό µε αρίστη θερµική απόδοση, θερµοκρασία του ψυκτικού όσο το δυνατό χαµηλοτέρα κατά τη διάρκεια της ψύξεως, ανακύκλωση του ψυκτικού (αέρας ή υγρό).
Έτσι, για να υπολογίσουµε το χρόνο ψύξεως, είναι βασικό να λάβουµε ακριβείς εκφράσεις, δηλαδή να έχουµε αριθµητικούς τύπους για τους σταθερούς και µεταβλητούς παράγοντες του προϊόντος και του ψυκτικού. Τούτο κάνει τον υπολογισµό του χρόνου ψύξεως δύσκολο και πολύπλοκο. Για πρακτικούς σκοπούς, προσδιορίζεται από πειραµατικά στοιχεία. Για τον προσεγγιστικό θεωρητικό υπολογισµό του χρόνου ψύξεως, η διεργασία, η οποία συνδυάζει ένα αριθµό φυσικών φαινοµένων, απλοποιείται κάπως. Για παράδειγµα, µπορούµε να υποθέσουµε ότι η θερµότητα αποµακρύνεται στη σταθερή θερµοκρασία του µέσου ψύξεως, µε σταθερό συντελεστή µεταδόσεως θερµότητος στην επιφάνεια του προϊόντος και µε την απουσία κάποιας εξωτερικής και εσωτερικής πηγής θερµότητος. Για ένα στερεό απλού γεωµετρικού σχήµατος, η αδιάστατη κατανοµή θερµοκρασίας (temperature profile) µπορεί να εκφρασθεί µε τη σχέση: T - T e = ϕ (Bi,Fo,L) T i - T e όπου T=η θερµοκρασία του προϊόντος στο σηµείο x στο χρόνο t. T i =η αρχική θερµοκρασία του προϊόντος. T e =η θερµοκρασία του ψυκτικού. Bi=αριθµός Biot=hR/k. Fo=αριθµός Fourier=αt/R². L=x/R=µέτρο του γεωµετρικού σχήµατος. Για να λυθούν τεχνικά προβλήµατα, κανονικά είναι επαρκές να γνωρίζουµε τη διαφορά θερµοκρασίας, T-T e, στο κέντρο του στερεού. Στην περίπτωση αυτή για ένα στερεό δοθέντος σχήµατος, η παραπάνω σχέση απλοποιείται, στην: T m - T e = ϕ (Bi, Fo) T i - T e όπου T m =η θερµοκρασία στο κέντρο του στερεού. Στα διαγράµµατα των παρακάτω σχηµάτων φαίνεται η σχέση αυτή, αντιστοίχως, για: αόριστη πλάκα
κύλινδρος σφαίρα Πρόβληµα: Πρόκειται να ψυχθούν ψάρια, τα οποία θεωρούνται κυλινδρικού σχήµατος, από µια αρχική θερµοκρασία 17 C στους 0 C. Η ψύξη γίνεται µε ελευθέρως κυκλοφορούντα αέρα θερµοκρασίας -3 C. Η µέση διάµετρος του ψαριού είναι 8 cm. Οι αρχικές θερµοφυσικές ιδιότητες του ψαριού είναι: Θερµική αγωγιµότητα : k=0,465 W/m C. Ειδική θερµότητα : C p =3,528 kj/kg C. Πυκνότητα : ρ=1010 kg/m 3. Ποιος είναι ο χρόνος ψύξεως; Λύση: Η θερµική διαχυτικότητα του ψαριού είναι: α = k η ρ C = 0,465-7 2 2 = 1,305x10 m / s 0,00047 m /h 1010x3528 p
Ο συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος µπορεί να προσδιορισθεί από τον τύπο Jurges h=5,3+3,6u, µε ταχύτητα αέρα u=2 m/sec οπότε h=5,3+3,6x2=12,5 kcal/m² C ή 14,537 W/m² C. Έχουµε ακόµη: T m- T e T i- T = 0 - (-3) e 17 - (-3) = 3 20 =0,15 Η τιµή του αριθµού Biot είναι: Bi = hr k = 14,537x0,04 =1,25 0,465 Από το διάγραµµα του σχήµατος 3.8, για κυλινδρικό στερεό και γνωστά (T m -T e )/(T i -T e ) και Bi βρίσκουµε ότι η τιµή του αριθµού Fourier είναι Fo=1,1. Είναι δηλ. Fo=αt/R²=1,1 και η σχέση αυτή µπορεί να χρησιµοποιηθεί στον υπολογισµό του χρόνου ψύξεως. Έτσι, έχουµε: t= Fo R 2 = 1,1x0,0016-7 = 13486,59 s = 3,75 h α 1,305x10 Η παραπάνω µεθοδολογία µπορεί να χρησιµοποιηθεί, κατά τον αντίστροφο τρόπο, για τον υπολογισµό της θερµοκρασίας σε ορισµένο χρόνο. Μεταβολές Κατά την Ψύξη και Ψυχρή Αποθήκευση Το είδος των µεταβολών εξαρτάται από τη φύση του τροφίµου, δηλαδή αν είναι φυτικό ή ζωικό µε ιστούς, και φυτικό ή ζωικό χωρίς ιστούς. Φυτικοί Ιστοί Το πιο σπουδαίο χαρακτηριστικό των συγκοµισθέντων, αθίκτων φυτικών ιστών είναι η αναπνοή. Στο παρακάτω σχήµα φαίνονται οι µεταβολικές αλληλεπιδράσεις σε διάφορα αποθηκευµένα προϊόντα. Για την επίτευξη µεγίστου χρόνου ζωής των φυτικών ιστών σε θερµοκρασίες ψύξεως, θα πρέπει: (1) Η αερόβιος αναπνοή να επιτραπεί να συνεχίζεται µε µικρή ταχύτητα ή ρυθµό, έτσι ώστε οι διεργασίες διατηρήσεως, οι οποίες συνδέονται µε τη ζωή, να συνεχίσουν να λειτουργούν και οι φυσικές προστατευτικές επικαλύψεις, οι οποίες δεν επιτρέπουν την είσοδο των µικροοργανισµών, να παραµείνουν ανέπαφες. (2) Η θερµοκρασία να είναι καταλλήλως χαµηλή, έτσι ώστε οι κύριες αντιδράσεις χειροτερεύσεως να επιβραδύνονται όσο είναι δυνατόν. Η ωρίµανση των φρούτων είναι µια κρίσιµη περίοδος µεταβάσεως από τα στάδια αποδιοργανώσεως των κυττάρων και θανάτου. Ωρίµανση σηµαίνει τις µεταβολές εκείνες στο χρώµα, υφή και γεύση, οι οποίες καθιστούν το φρούτο αποδεκτό για φάγωµα. Οι µεταβολές αυτές, µπορούν να εντοπισθούν αναλύοντας τους µετασχηµατισµούς στις χρωστικές, πηκτίνες, υδατάνθρακες, οξέα, ταννίνες κλπ. Φρούτα διαφορετικών ειδών διαφέρουν τόσο ως προς τη φύση όσο και ως προς την ταχύτητα των µεταβολών αυτών. Όµως, τα περισσότερα παρουσιάζουν µια αναπνευστική συµπεριφορά γνωστή ως κλιµακτηριακή ή κρίσιµη περίοδος.
Μεταβολικές αλληλεπιδράσεις στα αποθηκευµένα τρόφιµα Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται ο κλιµακτηριακός τρόπος αναπνοής και οι συνδυαζόµενες µεταβολές κατά την ωρίµανση των φρούτων.
Ο κλιµακτηριακός τρόπος αναπνοής και οι συνδυαζόµενες µεταβολές κατά την ωρίµανση των φρούτων Όπως φαίνεται, µετά την συγκοµιδή η πτώση στην ταχύτητα προσλήψεως οξυγόνου και η µικρή έκλυση CO 2 (προκλιµακτηριακό ελάχιστο) ακολουθούνται από µια απότοµη αύξηση, τερµατίζοντας το µετά-κλιµακτηριακό στάδιο. Ο λόγος του κλιµακτηριακού µεγίστου προς το ελάχιστο τείνει να αυξηθεί µε τη θερµοκρασία και, επίσης, ποικίλει µεταξύ των φρούτων. Μοναδικές µεταβολές συµβαίνουν κατά την απότοµη ανύψωση της ταχύτητος αναπνοής από το προκλιµακτηριακό ελάχιστο στο κλιµακτηριακό µέγιστο. Η κλίση της ανυψώσεως ποικίλει µε το είδος, την ωριµότητα, τη θερµοκρασία και την περιεκτικότητα οξυγόνου και CO 2 του θαλάµου αποθηκεύσεως. Μέχρι το κλιµακτηριακό στάδιο, τα φρούτα συνήθως δεν έχουν γεύση-οσµή (flavor) και άρωµα, και µετά από αυτό αναπτύσσεται η χαρακτηριστική γεύση-οσµή µαζί µε άλλες µεταβολές οι οποίες συνδέονται µε την ωρίµανση, όπως π.χ. η µετατροπή του αµύλου σε απλούστερα σάκχαρα, το µαλάκωµα της υφής οφειλοµένου στην υποβάθµιση των πολυγαλακτουρονιδίων των κυτταρικών τοιχωµάτων, οι µεταβολές του χρώµατος συχνά από πράσινο προς κόκκινο ή κίτρινο οφειλοµένου στην εξαφάνιση της χλωροφύλλης, και η γεύση γίνεται λιγότερο πικρή λόγω της εξαφανίσεως των ταννινών. Επίσης, παράγονται πτητικές γευστικές-οσµηρές ενώσεις, οι οποίες συνεισφέρουν στη χαρακτηριστική γεύση-οσµή και άρωµα του φρούτου. Όµως, ιδιαιτέρας σπουδαιότητος είναι η απελευθέρωση µικρών ποσοτήτων αιθυλενίου, το οποίο µπορεί να ξεκινήσει την ωρίµανση πολλών ανωρίµων φρούτων. Έτσι, συχνά είναι αναγκαίο να αποθηκεύονται διάφορες ποικιλίες και είδη φρούτων χωριστά, γιατί αλλιώς η παραγωγή αιθυλενίου από ένα µπορεί επαγωγικά να προκαλέσει την άκαιρη ωρίµανση των άλλων. Πολλά υποτροπικά φρούτα δεν παρουσιάζουν κλιµακτηριακό στάδιο, όπως π.χ. τα σύκα, σταφύλια, grapefruit, λεµόνια, πορτοκάλια και ανανάς. Κατά την αποθήκευση των µη κλιµακτηριακών φρούτων η ταχύτητα αναπνοής µειώνεται σταθερά (σχήµα,
οµάδα Β). Τέτοια φρούτα θα πρέπει να συγκοµίζονται στο στάδιο ωριµότητος κατάλληλο για φάγωµα. Με βάση τα προηγούµενα τα κλιµακτηριακά φρούτα θα πρέπει να συγκοµίζονται ανώριµα, γιατί µπορούν να ωριµάσουν κατά την αποθήκευση, τα µη κλιµακτηριακά ώριµα, ενώ τα λαχανικά συχνά συγκοµίζονται ανώριµα, τρυφερά και ζουµερά. Ζωικοί Ιστοί Η σφαγή ενός ζώου καταλήγει στη διακοπή των δραστηριοτήτων της ζωής. Η κύρια συνέπεια είναι, ότι οι ιστοί παραµένουν χωρίς καµιά από τις διεργασίες της ζωής, οι οποίες τους προστάτευαν από τη χειροτέρευση. Χάνεται η ικανότητα αντιστάσεως στην εισβολή των µικροοργανισµών και, επίσης, χάνεται η ικανότητα εναλλαγής οξυγόνου-διοξειδίου του άνθρακα (αναπνοή και κυκλοφορία του αίµατος), η οποία είναι απαραίτητη για την αερόβια αναπνοή (γλυκόζη + Ο 2 CO 2 + H 2 O + ενέργεια). Με τη διακοπή της κυκλοφορίας του αίµατος, παύει ο εσωτερικός εφοδιασµός µε οξυγόνο και σταµατάει η αερόβια αναπνοή (γλυκογόνο γλυκόζη γαλακτικό οξύ + ενέργεια), προκαλώντας πτώση του ph από τη φυσιολογική τιµή (περίπου 7) στο 5,1 µε 6,5. Το ακριβές τελικό ph εξαρτάται από τον τύπο του ιστού και το χειρισµό πριν και µετά τη σφαγή. Κάθε αναπνοή παύει µετά µια µεταθανάτια περίοδο 1-36 ωρών. Σε κάποιο σηµείο, κατά τη βραχυχρόνια αναερόβια αναπνοή (αναερόβια γλυκόλυση), η περιεκτικότητα ΑΤΡ των ιστών µειώνεται σε επίπεδο τέτοιο ώστε να επακολουθεί ακαµψία θανάτου (rigor mortis), κατά την οποία, ο µαλακός ιστός µεταπίπτει σε µια µη εκτατή και σφιχτή κατάσταση. Η ελάττωση του ΑΤΡ και η ταπείνωση του ph τείνουν να αποσταθεροποιήσουν τις πρωτεΐνες των µυών, ειδικά τις σαρκοπλασµατικές πρωτεΐνες και µειώνεται η ικανότητα συγκρατήσεως ύδατος (water holding capacity). Η ταπείνωση του ph κατά την ψύξη των µυών είναι επιθυµητή, γιατί βοηθά στην αναστολή της δράσεως των µικροοργανισµών και ευνοεί την διατήρηση ενός ευχαρίστου χρώµατος. Για να επιτευχθεί καλή ποιότητα, ήτοι τρυφερότητα, ικανότητα συγκρατήσεως ύδατος, χρώµα, τα σφάγια θα πρέπει να ψυχθούν αµέσως µετά τη σφαγή και οι πρακτικές χειρισµού θα πρέπει να επιτρέπουν αργή αναπνοή έτσι ώστε οι ιστοί να ψυχθούν όταν έχουν λάβει το επιθυµητό τελικό ph. Μετά την εγκατάσταση της νεκρικής ακαµψίας, µερικοί ιστοί αποθηκεύονται για µια επιπρόσθετη χρονική περίοδο για να επιτευχθεί λύση της ακαµψίας και να βελτιωθεί η τρυφερότητα και η ικανότητα συγκρατήσεως ύδατος. Τρόφιµα Χωρίς Ιστούς Στην κατηγορία αυτή υπάγονται τρόφιµα όπως το γάλα, αυγά, και διάφορα επεξεργασµένα προϊόντα. Τα χωρίς ιστούς τρόφιµα είναι φυσιολογικώς αδρανή και τα διάφορα πολύπλοκα φαινόµενα, τα οποία συνδέονται µε τους ζώντες φυτικούς και ζωικούς ιστούς, δεν υφίστανται. Η φυσιολογική δράση στα άθικτα αυγά, αν υφίσταται, δεν παρουσιάζει καµιά σηµασία. Για τα τρόφιµα αυτά, όσο χαµηλότερη είναι η θερµοκρασία αποθηκεύσεως, τόσο µακρύτερος είναι ο χρόνος αποθηκεύσεως.
Ανεπιθύµητες Μεταβολές Απώλεια της ποιότητος κατά την ψυχρή αποθήκευση µπορεί να προκύψει από: (1) Μικροβιακή δράση, (2) Φυσιολογικές και λοιπές χηµικές δράσεις, και (3) Φυσική βλάβη. Υπάρχουν περιπτώσεις κατά τις οποίες µπορεί να συµβεί βλάβη, αν η ψύξη είναι πολύ γρήγορη και αν η θερµοκρασία ελαττωθεί κοντά στο σηµείο καταψύξεως. Μεταξύ αυτών είναι η Σµίκρυνση λόγω Ψύχους (Cold Shortening) των ζωικών µυών και η Βλάβη λόγω Ψύχους (Cold Injury) των φρούτων και λαχανικών. Βλάβη λόγω Ψύχους Ένας σηµαντικός αριθµός φρούτων και λαχανικών, ειδικά των τροπικών και υποτροπικών περιοχών, υφίστανται φυσιολογικές βλάβες όταν εκτεθούν σε θερµοκρασίες χαµηλότερες από τις άριστες για την αποθήκευσή τους, αλλά υψηλότερες από το σηµείο καταψύξεως. Τούτο είναι γνωστό ως βλάβη λόγω ψύχους ή βλάβη λόγω χαµηλής θερµοκρασίας. Η έκταση της βλάβης λόγω ψύχους εξαρτάται από τη θερµοκρασία και το χρόνο εκθέσεως στη χαµηλή θερµοκρασία. Τα ορατά αποτελέσµατα της βλάβης περιλαµβάνουν τοπική νέκρωση των ιστών (µήλα), αδυναµία ωριµάνσεως (µπανάνες), ανάπτυξη περιοχών οι οποίες δεν µαλακώνουν µε το βράσιµο (γλυκοπατάτες), επιφανειακές κοιλότητες (grapefruit) και "ερίωση" της υφής (ροδάκινα). Παραδείγµατα Βλάβης Λόγω Ψύχους: µήλα (µικρότερη από 2-3 C), avocados (µικρότερη από 4-13 C), µπανάνες (µικρότερη από 12-13 C), λεµόνια (µικρότερη από 14 C), mangoes (µικρότερη από 10-13 C), πεπόνια, ανανάς και τοµάτες( καθένα µικρότερη από 7-10 C). Η βλάβη λόγω ψύχους γενικά µπορεί να αποδοθεί σε καταστροφή του ισοζυγίου των µεταβολικών αντιδράσεων, η οποία καταλήγει σε υπο-παραγωγή µερικών βασικών συστατικών και σε υπερ-παραγωγή µεταβολιτών, οι οποίοι είναι τοξικοί για τον ιστό. Σµίκρυνση λόγω Ψύχους Η ταχεία ταπείνωση της θερµοκρασίας των θερµών σφαγίων, και ιδιαιτέρως των βοδινών, µοσχαριών και αρνιών, έχει ως αποτέλεσµα µια σοβαρή τοπική συστολή των ινών των µυών. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται Σµίκρυνση λόγω Ψύχους (cold shortening) και είναι µια µη αντιστρεπτή διεργασία, η οποία µπορεί να προξενήσει σηµαντική σκλήρυνση του κρέατος µετά το βράσιµο. Η σµίκρυνση λόγω ψύχους µπορεί να αποφευχθεί µε ηλεκτρική διέγερση. Σχετική Υγρασία Κυκλοφορία Αέρα Εξαερισµός Συσκευασία & Στοιβασία Υπηρέτηση Ψυκτικών Θαλάµων
Πτητικές Ουσίες Υγιεινή Συµπύκνωση Υγρασίας Βοηθητικά Ψύξεως Υγιεινή Ανάπτυξη µούχλας ελαττωµατική µόνωση και/ή ελαττωµατικά φράγµατα υγρασίας Έντονος καθαρισµός & απολύµανση Οι θάλαµοι για ψύξη & αποθήκευση κρέατος & ψαριών αδιαπέραστες, εύκολα καθαριζόµενες επενδύσεις ή επικαλύψεις επί των πατωµάτων και τοίχων Ενσωµάτωση µυκητοκτόνων στα χρώµατα των τοιχωµάτων Βοηθητικά Ψύξεως Φως Παστερίωση Κήρωση ή Ελαίωση Περιεκτικότητα Ο2 και CΟ2 της Ατµοσφαίρας Χηµικά Ιονίζουσα Ακτινοβολία Χηµικά Έλεγχος Αναπτύξεως Μικροοργανισµών & Εντόµων χλώριο, οξικά, όζον, διοξείδιο του θείου, µεθυλοβρωµίδιο, διφαινύλιο Έλεγχος Ωριµάνσεως Φρούτων αιθυλένιο Έλεγχος Φυσιολογικών ιαταραχών διφαινυλαµίνης ή αιθοξυκινόνης Αναστολείς Εκβλαστήσεως καρβαµιδικό ισοπροπυλφαινύλιο & καρβαµιδικό 3-χλωρο-ισοπροπύλ-nφαινύλιο, µηλεϊνικό υδραζίδιο, και ατµοί αλκοόλης Αποσµητικά όζον Τροποποιητές Χρώµατος αιθυλένιο Πρόβληµα προς Λύση Νωπά µούρα συγκοµίζονται και τοποθετούνται σε κιβώτια των 250 kg και διατηρούνται επί 12 ώρες σε ψυχρό θάλαµο ο οποίος λειτουργεί στους 2 C πριν από την περαιτέρω επεξεργασία. Η ψυχρός θάλαµος χωράει κατά µέσο όρο 2,5 τόνους προϊόντος και έχει διαστάσεις, ύψος 3 m και πλάτος επί µήκος 10x10 m. Τα τοιχώµατα και η οροφή είναι µονωµένα µε αφρώδες πολυαιθυλένιο πάχους 300 mm και το πάτωµα είναι κατασκευασµένο από τσιµέντο πάχους 450 mm. Η µέση θερµοκρασία του περιβάλλοντος αέρα είναι 12 C και του εδάφους 9 C. Ένας εργάτης βρίσκεται εντός του θαλάµου κατά µέσο όρο 45 min την ηµέρα για τη µετακίνηση των κιβωτίων και ανάβει τους διακόπτες τεσσάρων λαµπτήρων ισχύος 100 W όταν
βρίσκεται εντός της αποθήκης. Κάθε κιβώτιο ζυγίζει 50 kg. Να εκτιµηθεί αν ένα ψυκτικό ισχύος 5 kw είναι κατάλληλο για το συγκεκριµένο θάλαµο. ίδεται: θερµική αγωγιµότητα µονώσεως 0.026Wm- l K -1, θερµική αγωγιµότητα τσιµέντου 0.87 Wm -1 K -1, θερµότητα παραγόµενη από τον εργάτη 240W, και η µέση θερµότητα αναπνοής των µούρων0.275 J kg -1 s -1. Βιβλιογραφία Ciobanu, A., Lascu, G., Bercescu, V., and Niculescu, L. (1976). Cooling Technology in the Food Industry. Abacus Press, Tunbridge Wells, England. Cleland, A.C. (1990). Food Refrigeration Processes: Analysis, Design and Simulation. Elsevier Applied Science, London. Fellows, P.J. (1990). Food Processing Technology: Principles and Practice. Ellis Horwood Ltd, London. IIR (1979). Recommendations for Chilled Storage of Perishable Produce. International Institute of Refrigeration, Paris. Λάζος, Ε. Σ. (2002). Επεξεργασία Τροφίµων Ι. 3 η Έκδοση. Τµήµα Τεχνολογίας Τροφίµων. ΤΕΙ Αθηνών. Toledo, R.T. (1991). Fundamentals of Food Process Engineering. Van Nostrand Reinhold, New York. ρ. Ευάγγελος Σ. Λάζος Καθηγητής elazos@teiath.gr