СПОСОБ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОЙ ЗАМОРОЗКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
HIGH-ENTROPIC FREEZING METHOD AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Настоящее изобретение относится к технологии сверхбыстрого замораживания и позволяет сохранять качество, характерное для свежих пищевых продуктов, свежеприготовленных блюд и ингредиентов при их хранении и размораживании.
Вода в приготовленном блюде составляет его основную часть. Величина массовой доли влаги и ее фазовые превращения в процессе холодильной обработки и хранения блюда в значительной степени обуславливают его качественные показатели – вкус, структуру и консистенцию, другие органолептические свойства и физико-химические характеристики.
Вода в исходных продуктах и в готовой еде находится в связанном и свободном состояниях, а при температуре ниже криоскопической (температуры начала замерзания) – еще и в виде льда.
Вода в сложных влагосодержащих системах (например, готовые блюда) связана с другими компонентами системы. Различия существуют в форме и энергии связи. Каждая форма связи характеризуется по ее природе, условиям образования, энергии связи, условиями нарушения и вызываемыми при этом изменениями блюда. Свойства связанной воды по ряду физических и физико-химических свойств отличаются от соответствующих свойств свободной воды. Это влияет на криоскопические температуры разных продуктов и на ход льдообразования при их замораживании.
Плотность связанной воды больше плотности свободной воды. Молекулы связанной воды пространственно ориентированы, поэтому ее диэлектрическая постоянная значительно меньше, чем свободной воды (соответственно 2,2 и 81,0). Связанная вода с трудом поддается кристаллизации – вымерзанию, и удалению – высушиванию.
При охлаждении продукта (готового блюда) до отрицательных температур происходит замерзание не только свободной воды, но и части связанной. При этом, чем больше энергия связи влаги, тем при более низкой температуре происходит ее отрыв (водородными связями с узлами кристаллической решетки уже образовавшегося льда) от молекул продукта. Таким образом, замораживание продукта начинается с момента достижения криоскопической температуры, величина которой зависит от состава продукта.
Знание криоскопических температур необходимо для обоснования режимов охлаждения, замораживания, хранения и транспортирования продуктов. Эти данные нужны также при тепловых расчетах и вычислению доли вымороженной воды при различных температурах.
В диапазоне криоскопических температур -1…-80С наблюдается интенсивное образование льда (зона максимального льдообразования), в результате чего доли замороженной воды достигают максимума. При дальнейшем понижении температуры интенсивность льдообразования резко снижается. При -18…-30° С доли замороженной воды в продукте могут соответственно увеличиться на 10-20%. Остальная вода (связанная) может участвовать в укрупнении кристаллов льда в продукте при его хранении и транспортировке.
Выводы
: 1. В указанном диапазоне температур полностью преобразовать всю воду в лед нельзя, вода в продукте (готовом блюде) остается в связанном виде. 2. Для уменьшения доли вымороженной связанной воды надо предотвратить (внешним воздействием) образование достроенных кристаллических структур замороженной свободной воды и ослабить тем самым связи молекул связанной воды с квази-аморфными конгломератами молекул замороженной свободной воды. 3. Таким внешним воздействием может быть высокочастотное неоднородное электрическое поле, с которым по-разному взаимодействуют электрические диполи молекул, соответственно, свободной и связанной воды.
Известен способ быстрого замораживания и установка быстрого замораживания (варианты) – патент №2270407, МПК F25D 13/00 (2006.01), 20.02.2006, предусматривающий понижение температуры вокруг объекта замораживания до (-30)÷(-100)°С и приложение к нему однонаправленного магнитного поля, при этом охлаждение объекта производят потоком холодного воздуха, имеющим скорость 1÷5 м/с, с одновременным наложением звуковой волны слышимого частотного диапазона на указанный поток холодного воздуха. Напряженность указанного однонаправленного магнитного поля пульсирует относительно произвольного фиксированного опорного уровня в положительном и отрицательном направлении в пределах предварительно заданного диапазона. Способ предусматривает приложение электрического поля к указанному объекту замораживания.
Установка для быстрого замораживания содержит морозильник, способный понижать внутреннюю температуру вокруг замораживаемого объекта до (-30)÷(-100)°С, устройство генерации магнитного поля для приложения к указанному объекту однонаправленного магнитного поля, пульсирующего в положительном и отрицательном направлениях. Причем указанное устройство включает устройства генерации статического магнитного поля для приложения статического магнитного поля с напряженностью произвольного фиксированного уровня и устройства генерации динамического магнитного поля для приложения пульсирующего магнитного поля, которое пульсирует в пределах указанного предварительно заданного диапазона.
Приведенное решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком известного способа и известного устройства являются – слабое и не выраженное влияние на процессы кристаллообразования свободной и связанной воды в объекте, вода в твердой фазе имеет мелкозернистую поликристаллическую структуру, подобную структуре льда при шоковой заморозке, эффект более мелкой зернистости структуры нивелируется после 45 дней хранения объекта в низкотемпературных условиях; снижение времени замораживания объекта за счет переохлаждения жидкой воды ниже температуры кристаллизации в сравнении с шоковой заморозкой носит не значимый характер (15-20 процентов).
Технический результат от использования изобретения может быть выражен в устранении указанных недостатков посредством отсутствия формирования регулярной (кристаллической) структуры замороженной свободной воды и полном сохранении связанной воды в макромолекулярных матрицах объекта, а также в существенном уменьшении времени замораживания объекта (в сравнении с шоковой заморозкой – до 70 процентов).
Заявленный технический результат достигается способом высокоэнтропийной заморозки.
Способ высокоэнтропийной заморозки включает следующее.
Объект заморозки помещают в среду с температурой воздуха от -18°С до -40°С с наведением на объект существенно неоднородного электрического или электромагнитного поля с мощностью от 0,5 кВт до 2,5 кВт. Длительность циклов импульсов воздействия на объект заморозки составляет от 10 мкс до 5 с, частота циклов от 0,2Гц до 50Гц, продолжительность непрерывного воздействия электрическим или электромагнитным полем сопоставима со временем всего процесса замораживания, при этом частота электромагнитного излучения составляет от 0,8 ГГц до 3,5 ГГц. В частности, неоднородное электромагнитное излучение на объект заморозки наводится с помощью, по меньшей мере, трех магнетронов, а, преимущественно, четырех магнетронов, расположенных вокруг объекта заморозки, и включающихся попеременно в заданном режиме. Объект заморозки, преимущественно, имеет толщину не более 2 см. Объект заморозки подвергается вибрационному воздействию в двух измерениях с амплитудой в каждом от 0,5 мм до 5 мм и частотой от 0,1 Гц до 50 Гц.
Установка для высокоэнтропийной заморозки содержит морозильную камеру, способную поддерживать температуру вокруг замораживаемого объекта в пределах -18°С … -40°С, устройство генерации неоднородного электромагнитного поля, включающее, по меньшей мере, три магнетрона, установленных с возможностью изменения направления и интенсивности излучения путем перемещения отражающих элементов системы генерации неоднородного излучения. В наилучшем варианте исполнения установка содержит четыре магнетрона с отражающими элементами, расположенными вокруг объекта замораживания на равном расстоянии друг от друга.
При взаимодействии неоднородного электромагнитного поля с физической средой в ней вследствие электрического сопротивления и вязкостей возникают потери энергии: в первом случае – потери диэлектрические; во втором – потери проводимости. В результате этих воздействий происходят изменения в состоянии электрических зарядов данной среды, что приводит к выделению теплоты в веществе и одновременно к изменению положений молекулярных диполей друг относительно друга или их фиксации в определенном положении (псевдо-вязкость) без изменения физических и химических свойств продукта.
Большинство пищевых продуктов и сред представляют собой, с электрофизической точки зрения, несовершенные диэлектрики. Они, как правило, имеют достаточно высокую диэлектрическую проницаемость и низкую электропроводность, обусловленную, как правило, только свободными ионами вещества. Такие продукты и среды способны подвергаться диэлектрическому нагреву, который основан на смещении зарядов и связанных с ними молекул (поляризации) при воздействии на вещество (продукт) переменного электромагнитного поля. При этом в неоднородном электромагнитном поле на перемещение диполей затрачивается дополнительная работа, которая из-за наличия внутреннего межмолекулярного трения превращается в теплоту.
Дипольная поляризация обусловлена наличием постоянных диполей (полярных молекул) вещества, которые в результате воздействия поля могут поворачиваться из случайных направлений в направления силовых линий поля, вызывая тем самым поляризацию вследствие ориентации постоянных диполей. В неоднородном электромагнитном поле полярные диполи, к тому же, смещаются в сторону сгущения силовых линий поля.
уд
3
Тепловую энергию, выделяемую в единице объема вещества в результате диэлектрического нагрева, принято характеризовать удельной мощностью (Р, Вт/м), которая согласно закону Джоуля-Ленца определяется по формуле :
(1),
где ε'- относительная диэлектрическая проницаемость вещества;
Е - напряженность электрического поля в рассматриваемом объеме вещества, В/м;
δ - угол диэлектрических потерь;
f - частота, Гц.
уд
Из этой формулы видно, что удельная мощность Рзависит от частоты электромагнитного поля и квадрата напряженности электрического поля.
Под глубиной проникновения электромагнитного поля в продукт (среду) подразумевается расстояние Δ (м) от поверхности продукта внутрь, на котором мощность внутренних источников теплоты уменьшается в ε раз и которое определяется по формуле:
11
Δ = 9,55 · 10 / (f · (ε')1/2 · tg δ) (2)
Пример расчета величины достаточной напряженности электромагнитного поля при постоянном воздействии электромагнитного поля на продукт в процессе замораживания:
2
9
При разнице температуры в 30° С через 1 м можем отвести 150 Вт. Предположим, что при взаимодействии продукта с СВЧ-излучением поглощаемая мощность не должна превышать 15 Вт (на порядок меньше, чем отвод тепла), тогда из формулы (1) при ε = 50, tg δ =1, f = 2.5 x 10 ГГц , получим :
м
Итак: Е = 10,28 В/м при частоте f = 2500 МГц.
На скорость замораживания влияют: температура продукта; толщина (форма); коэффициент теплоотдачи от поверхности к среде. Выбор скорости замораживания определяется практической целесообразностью, технологией, экономическими причинами.
Пример выполнения установки высокоэнтропийной заморозки.
Установка высокоэнтропийной заморозки представляет собой три блока:
- А. Морозильная камера с воздуховодами, подводящими холодный воздух;
- В. Арматура для монтажа замораживаемых объектов и систем силового (электромагнитного) воздействия на объекты в ходе заморозки;
- С. Управляемая система электромагнитного воздействия на замораживаемый образец.
A. Морозильная камера представляет собой теплоизолированный куб с длиной грани 1 м. Степень теплоизоляции и герметизации обеспечивает низкие теплопотери в камере на уровне не более 10 градусов в час при перепаде температур не выше 70 градусов (-40С температура внутри камеры, +30С - температура окружающей среды) за счёт всех видов теплообмена с окружающей средой. Охлаждение камеры осуществляется путём непрерывной подачи в нее охлаждённого до -40С воздуха из любого источника.
Морозильная камера имеет дверь для размещения силовой установки и замораживаемых объектов и гермо-вводы для подключения:
- силового питания системы электро- и электромагнитного воздействия на замораживаемые объекты;
- слаботочных сигналов контроля и управления системы силового воздействия на замораживаемые объекты.
Конструкция камеры обеспечивает защиту персонала, работающего с установкой от воздействия электромагнитного излучения.
B. Установка для монтажа замораживаемых объектов и систем воздействия на образцы в ходе заморозки должна обеспечивать монтаж системы воздействия и размещение образцов в зоне неоднородного электрического или электромагнитного поля. Материал арматуры должен быть нейтрален к воздействию электромагнитного излучения.
C. Управляемая система электромагнитного воздействия на объект состоит из магнетронов, блока питания и блока управления.
Волноводы и магнетроны устанавливаются в количестве до 8 штук вокруг объекта и управляются централизованно. При этом, работа каждого из магнетрона синхронизируется по следующим параметрам:
- время работы одного магнетрона (продолжительность импульса)
- время выключенного состояния магнетрона
- время смещения начала работы относительно начала работы первого из магнетронов
Регулирование мощности воздействия электромагнитного излучения на замораживаемый образец осуществляется путём работы электромагнитного излучателя в импульсном режиме.
Блок управления смонтирован снаружи морозильной камеры и обеспечивает регулирование длительности и скважности импульсов электромагнитного излучения, а также отображение температуры в камере и в объекте.
Блок питания установки размещается вне морозильной камеры, обеспечивает электропитание излучателя и блока управления.
Для примера, в качестве объекта заморозки выбран лоток 187х137х35 с фруктовой и ягодной нарезками, толщина слоя нарезки до 20 мм. Электромагнитное поле создается попеременным включением 8 магнетронов силовой установки (мощность магнетрона 700 W). Параметры воздействия в этом случае – общая длительность цикла 2,4 сек, частота циклов 0,2 Гц.
Время хранения замороженных образцов – 12 месяцев. После размораживания была проведена экспертиза органолептических свойств образцов и их сравнение с контрольными образцами, замороженными без воздействия неоднородным электромагнитным полем.
Результаты экспертизы: нарезка фруктов и ягод имеет органолептические свойства и физико-химические характеристики свежего продукта, без следов вымораживания связанной воды и разрушения клеточных мембран.