ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΨΥΞΗ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Στέργιος Νάρης
Γιατί χαλάνε τα τρόφιμα; Βακτηρίδια, ζυμομύκητες, μούχλα και ιοί υπάρχουν στον αέρα, το έδαφος και στα τρόφιμα. Τα βακτήρια προκαλούν σήψη, ιδίως σε υψηλές θερμοκρασίες. Σε ορισμένα είδη τροφίμων αναπτύσσεται η μούχλα (υγρό περιβάλλον)
Οι μικροοργανισμοί ακολουθούν την καμπύλη ανάπτυξης. Ο ρυθμός ανάπτυξης εξαρτάται από παράγοντες όπως σύσταση, ph, ανταγωνιστικοί μικροοργανισμοί, κλπ. Περιπτώσεις αντίθετες:compost, βιοαέριο
Οι αρχικοί πληθυσμοί μικροοργανισμών καθορίζουν και την εξέλιξή τους (ανταγωνιστικότητα) Απαιτείται νερό, για αυτό η ανάπτυξή τους ξεκινά από την επιφάνεια. Συσκευασμένο κρέας αλλοιώνεται γρήγορα, κρεμασμένο σε ελεγχόμενες συνθήκες αφυδατώνεται και διατηρείται.
Υψηλές θερμοκρασίες ευνοούν την ανάπτυξη μικροοργανισμών (20-60C) ενώ σε υψηλότερες υπάρχει νέκρωση. Αλλοι παράγοντες: σχετική υγρασία, περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Ελεγχόμενοι. Τρόποι ελέγχου μικροοργανισμών: Υγιεινή (μειωμένοι αρχικοί πληθυσμοί) Θερμική κατεργασία (καταστροφή μικροοργανισμών) Αναστολή ανάπτυξης (έλεγχος περιβάλλοντος) Προσοχή στις ακριβείς συνθήκες (ευαισθησία σε μικρές μεταβολές παραμέτρων).
Ψύξη τροφίμων Γιατί ψύξη τροφίμων; Επιβραδύνονται οι χημικές και βιολογικές διεργασίες και επομένως η αλλοίωση ποιότητας. Μπορεί να επιμηκυνθεί η διάρκεια συντήρησης από ορισμένες από ορισμένες μέρες μέχρι και χρόνια.
Η αποθήκευση τροφίμων σε χαμηλές θερμοκρασίες επιτρέπει τη συντήρηση τροφίμων για αρκετές μέρες σε θερμοκρασίες λίγο πάνω από τη θερμοκρασία κατάψυξης. Η συντήρηση μπορεί να διαρκέσει αρκετούς μήνες σε θερμοκρασίες βαθειάς κατάψυξης (-18 ως -35) Επιβραδύνεται η υποβάθμιση των προϊόντων: πχ. γλυκό καλαμπόκι σε 1 μέρα χάνει 50% της ζάχαρης στους 21C αλλά το 5% στους 0C
Η ταχύτητα κατάψυξης επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα του τροφίμου. Αργή κατάψυξη οδηγεί στην δημιουργία μεγάλων κρυστάλλων και την καταστροφή των κυττάρων. Γρήγορη κατάψυξη δημιουργεί μικρούς κρυστάλλους και προστασία των τοιχωμάτων των κυττάρων. Η δημιουργούμενη κρούστα εγκλωβίζει τους χυμούς και τα αρώματα. Δυσμενείς επιδράσεις έχει η διακύμανση της θερμοκρασίας αποθήκευσης.
Συνήθης πρακτική: Απλή ψύξη Η διαδικασία της κατάψυξης περιλαμβάνει 3 στάδια: ψύξη μέχρι το σημείο πήξεως κατάψυξη (απορρόφηση λανθάνουσας θερμότητας) περαιτέρω ψύξη Τα φρούτα και τα λαχανικά αναπνέουν, επομένως αποβάλλουν θερμότητα η οποία πρέπει να απομακρύνεται Τα περισσότερα διατηρούνται 0.5-1C πάνω από το σημείο κατάψυξης.
Κάκκωση υπέρψυξης: Ενω τα περισσότερα προϊόντα διατηρούνται σε θερμοκρασίες λίγο πάνω από το σημείο ψυξης, υπάρχουν τρόφιμα που υποκεινται σε φθορές ακόμα και σε σημαντικά μεγαλύτερες θερμοκρασίες (μπανάνες, αγγούρια κλπ). Συνέπειες: Δυσχρωμία, ζάρωμα, κυλίδες στη φλούδα, υγρή αποσύνθεση, αποτυχία ωρίμανσης.
Κάκκωση κατάψυξης: Οφείλεται στην παρατεταμένη έκθεση των προϊόντων σε χαμηλές θερμοκρασίες. Διαφέρει από τρόφιμο σε τρόφιμο. Κάκκωση ιστών, πχ ντομάτες. Συνέπειες: ελαστική υφή, σημάδια, αποξήρανση λόγω απότομης απώλειας υγρασίας. Ευαισθησία προϊόντων κοντά σε πηνία ψύξης και κατώτερα στρώματα. Αντιμετώπιση με κυκλοφορία αέρα
Αφυδάτωση: Τα τρόφιμα χάνουν ποσοστό της υγρασίας τους, ζυγίζουν λιγότερο και έχουν χειρότερη ποιότητα. Σε ορισμένα προϊόντα είναι υψηλός (πχ μαρούλια) ενώ σε άλλα χαμηλός (πχ μήλα) Στα φρούτα ονομάζεται και εφίδρωση. Μέτρα προστασίας: Διατήρηση θερμοκρασίας όσο το δυνατόν χαμηλότερα και με μικρές διακυμάνσεις
Διατήρηση της σχετικής υγρασίας όσο το δυνατον υψηλότερα (προσοχή στην ανάπτυξη μικροοργανισμών). Μικρές ταχύτητες αέρα. Ο αέρας όμως πρέπει να κυκλοφορεί ωστε να υπάρχει ομοιόμορφη θερμοκρασία στο θάλαμο. κέρωμα, που προσδίδει καλή εμφάνιση αλλά μπορεί να ενισχύσει την αποσύνθεση χωρίς μυκητοκτόνα. H ψύξη δεν είναι αναγκαία σε όλα τα τρόφιμα! Παραδείγματα: Κονσερβοποιημένα τρόφιμα (έχουν υποστεί θερμική επεξεργασία) Ξηρές τροφές.
Κατα τη ψύξη η θερμότητα απομακρύνεται με συνδυασμό συναγωγής, ακτινοβολίας και εξάτμισης Q = ha T = ha(t surf T env ) όπου h ο συνδυασμένος συντελεστής! Προσδιορίζεται πειραματικά καθώς εξαρτάται από πλήθος παραγόντων όπως σχήμα, τραχύτητα, ταχύτητα και άλλα. Tenv είναι η θερμοκρασία του ψύχοντος μέσου (αέρας, άλμη κλπ)
Μέθοδοι κατάψυξης: βεβιασμένου αέρα: αέρας στους -30 βαθμούς μεγάλης ταχύτητας διοχετεύεται στην επιφάνεια των τροφίμων. Συναγωγής: Απλή, φτηνή, αποφεύγεται λόγω αργής ψύξης. Εξαναγκασμένη συναγωγή: χρήση ανεμιστήρων, τα προϊόντα τοποθετούνται σε σταθερα κελιά ψυχρού αέρα. Περιοδική αντικατάσταση προϊόντων. Καταψύκτες ταινίας: Αυτόματη τροφοδοσία, μειωμένα κόστη. Καταψύκτες πρόσκρουσης: Κάθετη πρόσκρουση αέρα στις δύο επιφάνειες, ταχεία κατάψυξη.
Μέθοδοι κατάψυξης: κατάψυξη επαφής: ψύξη με επαφή σε μεταλλικές επιφάνειες. Το προϊόν συμπιέζεται μεταξύ των πλακών που ψύχονται με κυκλοφορία ψυκτικού εντός. Γρήγοροι αποτελεσματικοί περιορίζονται σε προϊόντα επίπεδα με πάχος έως 8cm
Μέθοδοι κατάψυξης: καταψύκτες βύθισης: Το προϊόν βυθίζεται σε ρευστό με χαμηλό σημείο πήξης πχ άλμη.
Μέθοδοι κατάψυξης: κρυογενική ψύξη: Υγρό άζωτο: βρασμός -195C, ενθαλπία 198 KJ/kg, Διοξείδιο άνθρακα (ξηρός πάγος): βρασμός -79C, ενθαλπία 572 KJ/kg. Χρησιμοποιούνται για πρόψυξη προϊόντων και άμεσο εγκλωβισμό χυμών, υδρατμών και αρωμάτων. Γρήγορη κατάψυξη λόγω μεγάλης θερμοκρασιακής διαφοράς, μεγάλο κόστος. Προσοχή σε εγκαύματα και κόλλημα!!!
Θερμικές ιδιότητες τροφίμων Εφόσον τα τρόφιμα αποτελούνται σε μεγάλο ποσοστό από νερό, οι ειδικές θερμότητες θα εξαρτώνται από τις ιδιότητες του νερού. Από τις σχέσεις του Siebel: C p,fresh =3.35α +0.84 C p,frozen =1.26α +0.84 και η λανθάνουσα θερμότητα: h latent =334α (kj/kg)
Το σημείο πήξης του νερόυ στα τρόφιμα διαφέρει από αυτό του καθαρού νερού λόγω προσμίξεων. όταν μια ποσότητα νερού παγώσει η συγκέντρωση σακχάρων στο υπόλοιπο αυξάνεται και το σημείο πήξης πέφτει. Σημαντικά στοιχεία: Μέση θερμοκρασία κατάψυξης, Θερμοκρασία έναρξης κατάψυξης (για τρόφιμα που δεν πρέπει να καταψυχθούν)
Ο ακριβής προσδιορισμός της θερμότητας ψύξης εξαρτάται από την ποσότητα νερού που δεν έχει καταψυχθεί στην θερμοκρασία έναρξης αλλά και στην τελική. Q=m(hfinal-hinitial) Η θερμοκρασία κατάψυξης και η λανθάνουσα θερμότητα των προϊόντων δίνεται σε πίνακα ή διάγραμμα. **
Ψύξη φρούτων - λαχανικών Η ψύξη γίνεται ωστε να διατηρηθούν οι ιδιότητες του φρέσκου προϊόντος. Η αρχική ψύξη στον τόπο συγκομιδής ονομάζεται προψυξη. Προϊόντα όπως φράουλες, ροδάκινα, βερίκοκα ντομάτες κλπ πρέπει να ψύχονται άμεσα.
Οι απαιτήσεις των εγκαταστάσεων προψυξης είναι μεγαλύτερες αυτών που χρησιμοποιούνται για διατήρηση. ΌΌταν απαιτείται προψυξη μόνο την μέρα, οι εγκαταστάσεις απαιτουν μικρότερη ισχυ με εφαρμογή μεθόδων όπως παραγωγή πάγου κατά τη νύχτα. Οταν ξεκινά η ψύξη, δημιουργείται μεγαλη θερμοκρασιακή βαθμίδα στν επιφάνεια του τροφίμου. Παρόλα αυτά, χρησιμοποιείται η μέση θερμοκρασία για υπολογισμούς.
Q prod = mc p(t ini T fin ) t Στα φρέσκα φρούτα και λαχανικά η διαδικασία της αναπνοής συνεχίζεται και μετά τη συγκομιδή για μέρες. Η θερμότητα αναπνοής επιβαρύνει το φορτίο ψύξης. Η διαδικασία της αναπνοής εξαρτάται σημαντικά από τη θερμοκρασία και μειώνεται όσο μειώνεται η θερμοκρασία. Q respiration =Σm i q respiration,i
Μέθοδοι πρόψυξης: Υδρόψυξη: Βύθιση σε παγωμένο νερό. Είναι διαδεδομένη. Το νερό προκαλεί αυξημένη μετάδοση θερμότητας και η κύρια αντίσταση είναι η εσωτερική του προϊόντος Χρησιμοποιείται εναλλάκτης για την ψύξη του νερού. Η επανακυκλοφορία του νερού δεν απομακρύνει τους μικροοργανισμούς και απαιτείται εισαγωγή χημικών (πχ χλώριο).
Ψύξη με εξαναγκασμένη κυκλοφορία αέρα: Λιγότερο αποτελεσματική αλλά φθηνότερη και με μικρότερη συντήρηση. Ταχύτητα 1.5 ως 2 m/s. Απαραίτητη η διασπορά των προϊόντων.
Ψύξη κενού. Η πίεση πέφτει και η υγρασία των τροφίμων εξατμίζεται και απορροφά θερμότητα. Γίνεται σε βήματα και δεν πέφτει η πίεση κάτω των 0.6 bar λόγω κινδύνου κατάψυξης και κόστους. Για κάθε 6 βαθμούς, απώλεια βάρους 1%!! Απαιτείται προϋγρανση (μανιτάρια, αρακάς). Qvac=mv hfg Μεγάλος λόγος επιφάνειας προς μάζα, ενδείκνυται (μαρούλι, σπανάκι). Μικρός λόγος ή απροσπέλαστη επιφάνεια αντενδεικνυται (ντομάτες, αγγούρια).
Συσκευασία παγοποίησης. Σε μικρή κλίμακα, χρησιμοποιείται συνήθως για την διατήρηση στη φάση της μεταφοράς Μόνο σε προϊόντα που δεν επηρεάζονται από την επαφή με τον πάγο. Επιπλέον παρέχεται υγρασία από τον πάγο.
Τα προϊόντα δεν πρέπει να εχουν υποστεί φθορές και κακκώσεις διοτι στα σημεία αυτά αρχίζει ταχύτατη αλλοίωση. Πρέπει επίσης να είναι ωριμα γιατί η ωριμανση δεν γίνεται σωστα και τα πολύ ώριμα αλλοιώνονται. Η αναπνοή απαιτεί οξυγόνο. Με μείωση του ποσοστού οξυγόνου (προσθήκη CO2) επιτυγχάνεται αδρανοποίηση της διαδικασίας. Υπάρχουν προβλήματα (αλλοίωση γεύσης κλπ) εναλλακτικά: μείωση πίεσης.
Φρούτα και λαχανικά δεν αποθηκεύονται σε κλειστές πλαστικές σακούλες. Η αναπνοή μπορεί να ανεβάσει το επίπεδο του CO2 σε σημείο καταστρεπτικό για το προϊόν.
Ψύξη-κατάψυξη κρέατος Η ψύξη γίνεται ταχύτατα στους 1.7Κ για την αποφυγή σήψης. Θερμοκρασία στο εσωτερικό 39C με ανοδική τάση. Στην επιφάνεια ψύξη. Κατά την ψύξη υπάρχει απώλεια μάζας (2%). Βελτίωση με πλύση ή ψεκασμό. Αρχική αύξηση βάρους, συνολικά μικρή μείωση. Θερμοκρασία θαλάμου υπερψύσης πάνω από 0C για αποφυγήκατάψυξης και αποχρωμματισμού. Μεγάλη διάρκεια.
Βασικό χαρακτηριστικό η τρυφερότητα του κρέατος. Στην αρχή υπάρχουν βιοχημικές διεργασίες που διατηρουν μαλακό το κρέας. Στην συνέχεια επέρχεται πτωματική ακαμψία. Τέλος ξεκινά η δράση ενζύμων που μαλακώνουν ξανά το κρέας. ΔΕΝ πρέπει να γίνεται κατάψυξη στη φάση της σκλήρυνσης.
Α. Ταχεία κατάψυξη: Αργή ψύξη εσωτερικού, χρήση ξηρού πάγου. Β. Ταχεία υπερψύξη: Θερμοκρασία -30 ως -40 και αέρας 2.5-3.5 m/s. Σημαντικό! Η κατάψυξη γίνεται μεταξύ -1C και -14C Για άμεση κατανάλωση (εβδομάδας) διατήρηση στους -2 ως -1C. Διαφορετικά σε κατάψυξη (<-17C). ΌΌσο χαμηλότερα τόσο μεγαλύτερη διάρκεια. Χρήσιμος ο προθάλαμος για μείωση φορτίου ψύξης.
Πουλερικά: Αναισθητοποίηση, αφαίμαξη (60-120s), ζεμάτισμα. Αποπτέρωση, εκσπλαχνισμός και πλύση. Υπέρψυξη. Απαιτείται άμεση κατάψυξη για διατήρηση μαλακού κρέατος.
Θάλαμοι ψύξης Φορτίο ψύξης: Λόγω μετάδοσης μέσω των τοιχωμάτων (μεταβίβασης). Φορτίο λόγω ακτινοβολίας Λόγω ανανέωσης αέρα ή ανοιγμάτων (διήθησης). Φορτίο εργαζομένων. Φορτίο προϊόντων. Θερμικό φορτίο μηχανημάτων (που βρίσκονται στο χώρο του θαλάμου ψύξης). Φορτίο από φωτιστικά σώματα.
Φορτίο μεταβίβασης: Υπολογίζεται για κάθε δομικό στοιχείο με βάση τους νόμους θερμικής αγωγής και συναγωγής. Τυπική σχέση: όπου Q µ = UA 0 T U = 1 h i 1 + L k + 1 h 0
Φορτίο διήθησης: Αποτελεί το φορτίο λόγω ασυνεχειών του κτηριακού κελύφους αλλά και λόγω ανοιγοκλεισίματος των ανοιγμάτων για λειτουργικούς λόγους. Τυπική σχέση: Q δ =6 u air A l C pair T ρ cold D time
Εναλλακτικά υπολογίζεται η ενδεικτική παροχή αέρα ṁ air = V ψ.θ. ν cold ACH όπου ACH ο αριθμός ανανεώσεων αέρα. Το ποσό θερμότητας υπολογίζεται ως το ποσό που προκύπτει από την ψύξη του αέρα και του ποσού που προκύπτει από την συμπύκνωση των υδρατμών. Q ψvξ = ṁ air (h ξ h σ ) Q σvµπ = ṁ air (w ξ w σ )h fg
Φορτίο εργαζομένων: Αφορά την θερμότητα που εκπέμπεται από τα σώματα των εργαζομένων. Είναι ανάλογη των ατόμων και της δραστηριότητας. Τυπική σχέση ανά άτομο: Q ργ = 270 6T