Замораживание пищевых продуктов — это не равномерное охлаждение. Кривая температура—время на участке от -1℃ до -5℃ идёт почти горизонтально, и именно здесь замерзает большая часть свободной воды в продукте. Разница между быстрой и обычной заморозкой не в том, насколько низкой может быть конечная температура, а в том, сколько времени занимает прохождение этого плато — десятки минут или часы. За это время кристаллы льда либо успевают вырасти, либо нет, и это напрямую определяет текстуру и удержание сока после размораживания.
Кривая замораживания делится на три участка, средний — водораздел
При охлаждении продукта от начальной температуры до температуры холодильного хранения кривая температура—время делится на три участка:
| Этап | Температурный диапазон | Характеристика процесса |
|---|---|---|
| Предварительное охлаждение | начальная температура → точка замерзания | Отводится явная теплота, температура снижается быстро. Точка замерзания продукта ниже 0℃ и зависит от содержания сахаров, кислот, минеральных веществ и коллоидов |
| Замораживание (зона максимального образования кристаллов льда) | примерно -1℃ ～ -5℃ | Вода замерзает, выделяя большое количество скрытой теплоты, снижение температуры заметно замедляется, кривая почти горизонтальна |
| Глубокое охлаждение | -5℃ → конечная температура замораживания | Оставшаяся вода продолжает замерзать, температура снова снижается |
Из трёх участков именно средний характеризуется сосредоточенным тепловыделением и выполаживанием кривой. Для оценки скорости технологического процесса замораживания в отрасли принято использовать «время прохождения зоны максимального образования кристаллов льда».
Зона максимального образования кристаллов льда: от -1℃ до -5℃
В пищевой науке диапазон от -1℃ до -5℃ определён как зона максимального образования кристаллов льда; в этом интервале около 80% влаги может замёрзнуть в лёд (Научная энциклопедия Китая). Кристаллы льда образуются и растут на этом участке, и их размер зависит от времени пребывания.
Смысл быстрой заморозки именно в этом: при коротком времени прохождения кристаллы не успевают вырасти, в тканях образуется множество мелких кристаллов, разрушение клеточной структуры минимально. При длительном пребывании внеклеточная вода, замерзающая первой, постепенно концентрируется, внутриклеточная вода выходит наружу и в итоге образует крупные кристаллы льда вне клеток, которые сдавливают и разрывают клеточные стенки. При размораживании эта жидкость не удерживается.
Как классифицируется скорость замораживания
По скорости продвижения фронта льда замораживание делится на три категории (техническая документация Kunning Cryo по азотной быстрой заморозке):
| Категория | Скорость продвижения фронта льда |
|---|---|
| Быстрое замораживание | ≥ 5～20 см/час |
| Среднее замораживание | ≥ 1～5 см/час |
| Медленное замораживание | ≥ 0.1～1 см/час |
Определение «быстрой заморозки» в пищевой промышленности требует прохождения зоны максимального образования кристаллов льда за 30 минут, снижения температуры в центре продукта с 0℃ до ниже -5℃, формирования кристаллов льда диаметром менее 100 μm и достижения температуры в центре готового продукта ниже -18℃.
Со стороны оборудования: скорость охлаждения определяет, можно ли уложиться в этот период
Температура кипения жидкого азота при нормальном давлении -196℃, что значительно ниже commonly используемых хладагентов механического охлаждения; кроме того, жидкий азот напрямую контактирует с продуктом при теплообмене, и начальная скорость охлаждения является аппаратным условием способности оборудования быстро пройти зону образования кристаллов льда.
| Модель | Способ теплопередачи | Ключевые параметры охлаждения |
|---|---|---|
| DKN-LFC-300 азотный шкаф быстрой заморозки | испарение жидкого азота + принудительная циркуляция воздуха | Скорость охлаждения без загрузки не ниже 20℃/мин; скорость циркуляции воздуха до 10 м/с |
| DKN-LFC-600 азотный шкаф быстрой заморозки | то же, три длинновальных вентилятора | Скорость охлаждения без загрузки не ниже 20℃/мин |
| DKN-LFC-1200 азотный шкаф быстрой заморозки (четырёхзонный) | испарение жидкого азота + зональная циркуляция | Скорость охлаждения без загрузки ≤ 50℃/мин; четыре зоны позволяют раздельно загружать продукты по категориям |
| DKN-LFT-1206 азотный туннель быстрой заморозки | сетчатый транспортёр, двусторонний впрыск сверху и снизу + воздушное поле | Без загрузки около 10℃/мин; цикл транспортировки регулируется от 6 до 30 минут; тонкие продукты могут замораживаться за 1 минуту |
| DKN-RHV-2000L иммерсионный охладитель | прямой контакт с пищевой охлаждающей жидкостью | Рабочая температура ≤ -35℃; температура охлаждающей жидкости до -50℃; цикл туннеля регулируется от 20 до 100 минут |
Приведённая таблица содержит открытые параметры моделей. О возможностях азотных шкафов быстрой заморозки см. азотный шкаф быстрой заморозки, о непрерывных линиях — азотный туннель быстрой заморозки, о прямом теплообмене с жидкостью — иммерсионный охладитель.
Следует отметить: заявленная скорость охлаждения оборудования указывается без загрузки и не равна скорости снижения температуры в центре продукта. Чем толще продукт и выше содержание влаги, тем длительнее прохождение зоны образования кристаллов льда. Оборудование может обеспечить достаточные условия теплообмена — достаточно низкую температуру среды, воздушное поле, проникающее в щели лотков, и распределённую толщину загрузки.
Скорость замораживания и усушка
В процессе замораживания влага с поверхности продукта сублимируется или уносится воздушным потоком; потеря массы называется усушкой. При медленном замораживании в традиционных скороморозильных камерах и установках усушка составляет 3%～6%; при азотной быстрой заморозке усушка составляет 0.25%～0.5% (техническая документация Kunning Cryo по азотной быстрой заморозке). Разница обусловлена временем экспозиции — чем короче поверхность находится в низкотемпературном воздушном потоке, тем меньше влаги уносится. Для категорий с повышенной удельной стоимостью этот показатель напрямую влияет на выход готовой продукции.
Как определить завершение замораживания
Завершение замораживания определяется не по времени работы оборудования, а по температуре термического центра продукта. Термический центр — это место, где замерзание происходит в последнюю очередь; у продуктов правильной формы он обычно находится в геометрическом центре. В отрасли принято считать конечной точкой замораживания достижение термическим центром целевой температуры; для мяса обычно требуется температура в центре -15℃; температура холодильного хранения обычно устанавливается от -18℃ до -25℃.
Со стороны оборудования это соответствует измерению и регистрации температуры. Например, в серии DKN-LFC применяется платиновый термометр сопротивления с диапазоном 200℃～-200℃, один основной контроллер и один монитор; в туннельной линии на входе, выходе и в электрошкафу установлены аварийные остановы, а также предусмотрен контроль концентрации кислорода с автоматической сигнализацией и отключением питания по завершении программы. Возможность прослеживания данных определяет, можно ли при смене категории продукции воспроизвести параметры предыдущей партии.
Часто задаваемые вопросы
Что означает «плато» на кривой замораживания?
Плато — это участок, на котором температура почти не меняется в процессе охлаждения. При превращении воды в лёд выделяется скрытая теплота; если эта теплота не отводится, температура не снижается, и кривая выполаживается в диапазоне от -1℃ до -5℃. Чем длительнее пребывание на плато, тем медленнее прохождение зоны образования кристаллов льда.
Чем ниже температура оборудования для быстрой заморозки, тем лучше?
Нет. Размер кристаллов льда определяется скоростью прохождения зоны максимального образования кристаллов льда, а не конечной температурой. Если температура оборудования задана слишком низкой, для тонких продуктов это приведёт к избыточному замораживанию и повышенному расходу жидкого азота; для толстых продуктов время прохождения центра через зону ограничено толщиной, и даже при более низкой температуре среды ускорение будет незначительным. Параметры должны калиброваться по типу и толщине продукта.
Почему при одинаковой заморозке до -18℃ после размораживания разница столь велика?
-18℃ — это температура холодильного хранения, а не скорость замораживания. При медленном снижении за несколько часов и при быстром прохождении за десятки минут конечная температура в обоих случаях достигает -18℃, но размер кристаллов льда различен: при медленной заморозке образуются крупные кристаллы, разрывающие клетки, и при размораживании сок теряется; при быстрой заморозке образуются мелкие и равномерные кристаллы, и структура тканей в основном сохраняется.
Что следует контролировать для определения завершения замораживания?
Следует контролировать температуру термического центра продукта, а не время работы оборудования. Термический центр — это место, где замерзание происходит в последнюю очередь; у продуктов правильной формы он обычно находится в геометрическом центре. Для мяса обычно требуется температура в центре -15℃, а температура холодильного хранения устанавливается ниже -18℃.
Можно ли применять один набор параметров для тонких и толстых продуктов?
Нет. Тонкие ломтики и мелкие гранулы могут замораживаться за 1 минуту; для толстых продуктов время прохождения центра через зону возрастает с толщиной, и скорость сетчатого транспортёра и толщину загрузки необходимо калибровать заново. Перед запуском новой категории рекомендуется провести калибровку на малой партии и внести параметры в рабочую инструкцию.
Для уточнения технологии замораживания по типу и толщине продукта можно направить вид материала, толщину единицы продукции, начальную температуру и целевую температуру в центре — мы подготовим набор параметров по фактическим условиям: связаться с Kunning Cryo
Классификация скорости замораживания и показатели усушки приведены из технической документации Kunning Cryo по азотной быстрой заморозке; температурный диапазон зоны максимального образования кристаллов льда и доля замерзающей влаги приведены из Научной энциклопедии Китая; объяснение механизма основано на общих знаниях о технологии замораживания.