СПОСОБ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
FOOD PRODUCTS HEAT TREATMENT METHOD

Изобретение относится к области теплотехники, а более конкретно к способам тепловой обработки пищевых продуктов.
нв
Общеизвестен способ варки продуктов в воде при атмосферном давлении, когда поддерживают температуру обрабатываемых продуктов на уровне температуры насыщенного пара воды T при этом давлении (≈100°С) за счет введения продуктов в контакт с кипящей водой.
К недостаткам этого способа относится то, что воду в состоянии кипения поддерживают путем сброса потока тепла и водяного пара в окружающую атмосферу. Сброс тепла и пара производят за счет преобразования тепла в скрытую энергию парообразования воды, возникновения в кипящем объеме пузырьков водяного пара и отвода этих пузырьков из воды архимедовыми силами. Указанные процессы приводят к возникновению ряда негативных факторов: к загрязнению окружающей атмосферы теплом, водяным паром и легкокипящими компонентами обрабатываемых продуктов, а также к непроизводительным потерям тепловой энергии от источника тепла, воды и компонентов обрабатываемых продуктов из кипящего объема, ухудшению вкуса продуктов.
Известен способ /1/ тепловой обработки пищевых продуктов, когда тепловую обработку продуктов проводят в кипящей жидкости в герметичном сосуде, верхнюю часть стенок которого охлаждают. Этому способу соответствует устройство, которое содержит камеру для размещения обрабатываемых продуктов и установленную на ней емкость для теплообмена, снабженную патрубками для подвода и отвода хладагента. При этом днище емкости расположено над обрабатываемыми продуктами и образует со стенками камеры герметичный объем, что обеспечивается уплотнительной прокладкой между днищем емкости и камерой по поверхности их сопряжения. Герметичный объем нагревают от источника тепла через стенку камеры. Пар, поступающий из кипящей жидкости, конденсируется на днище емкости и самотеком возвращается в обрабатываемые продукты. Для вещества герметичного объема авторы не указывают механизмов регулирования мощности подводимых и отводимых тепловых потоков.
К недостаткам способа относится то, что наличие герметичного нагреваемого объема с продуктами приедет к колебаниям давления и температуры в этом объеме при нарушении равенства между тепловым потоком, поступающим в герметичный объем от источника тепла и тепловым потоком, отводимым из этого объема хладагентом при конденсации пара жидкости на днище емкости. Так, в случае превышения массового потока пара из жидкости над массовым потоком конденсата, образующегося на днище крышки, масса пара жидкости над ее свободной поверхностью будет возрастать, что соответствует росту давления и температуры в герметичном объеме. При этом терморегулирование вещества герметичного объема будет происходить по схеме: рост потока подводимого тепла - рост давления и температуры в герметичном объеме - рост градиента температур на днище крышки - рост отводимого потока тепла до выравнивания подводимого и отводимого потоков тепла. Переменная и заранее неизвестная температура вещества герметичного объема может привести к полной или частичной порче обрабатываемых продуктов /2/. Кроме того, наличие в конструкции устройства камеры, работающей под избыточным давлением, предъявляет к этому устройству повышенные требования по линии Госгортехнадзора /3/, что существенно ограничивает его применение - особенно в области бытовой техники.
Наиболее близким к заявляемому является способ /4/, при котором тепловую обработку продуктов проводят в кипящей жидкости в сосуде, верхнюю часть которого сообщают с атмосферой, над зоной размещения продуктов устанавливают проницаемую перегородку (по тексту /4/ - «крышка, служащая для снижения циркуляции пара в период до закипания воды») с возможностью движения пара и конденсата через эту перегородку, стенки сосуда над проницаемой перегородкой охлаждают путем введения внешней поверхности этих стенок в контакт с хладагентом, стенки сосуда под проницаемой перегородкой нагревают путем введения внешней поверхности этих стенок в контакт с источником тепла.
Этот способ по сравнению с /1/ обеспечивает повышение качества и безопасность тепловой обработки за счет протекания процесса конденсации пара при постоянном атмосферном давлении, поддержания постоянного температурного режима тепловой обработки и минимальных потерях пара и питательных веществ в атмосферу.
К недостаткам способа /4/ следует отнести то, что рост температуры хладагента и охлаждаемых стенок сосуда во время проведения тепловой обработки препятствует обеспечению повторяемости результатов тепловой обработки и изменяет вкус готового продукта при изменении начальной температуры хладагента, тепловой мощности источника нагрева, времени тепловой обработки и других факторов, влияющих на конечную температуру хладагента. Это снижает качество тепловой обработки продуктов.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение качества тепловой обработки продуктов за счет поддержания постоянной температуры охлаждаемых стенок сосуда независимо от времени тепловой обработки. Данный результат достигается путем использования скрытой теплоты фазового перехода хладагента, для чего в качестве хладагента используют тающий лед. К техническим результатам настоящего изобретения можно также отнести предохранение продуктов от порчи вследствие тепловой деструкции за счет исключения контакта продуктов со стенками сосуда, перегретыми выше температуры кипящей жидкости.
пк
пк
нв
В способе по /4/ в контакт с внешней поверхностью охлаждаемой стенки вводят объем жидкого теплоносителя, температура которого растет в ходе тепловой обработки. Такой нагрев приводит к росту температуры на поверхности конденсации паров кипящей жидкости T. При этом условие T≤T обеспечивают путем периодической или постоянной замены охладителя, контактирующего с охлаждаемой стенкой.
Физически это означает, что по мере нагрева теплоносителя в ходе тепловой обработки будет изменяться спектр веществ, которые переходят на поверхности конденсации в жидкое состояние и возвращаются самотеком в зону размещения обрабатываемых продуктов.
пл
крист
пл
кип
крист
кип
Следовательно, при изменении начальной температуры хладагента, тепловой мощности источника нагрева, времени тепловой обработки и других факторов, влияющих на конечную температуру хладагента, будет изменяться вкус готового продукта. Это является недостатком известного способа, поскольку препятствует обеспечению повторяемости результатов тепловой обработки. Этот недостаток может быть преодолен путем поддержания известной или заданной температуры хладагента во все время проведения тепловой обработки. Обеспечить постоянную температуру хладагента можно, например, путем использования в качестве хладагента твердой фракции вещества, температура плавления которого T лежит в диапазоне T≤T<T, где T и T - температуры кристаллизации и кипения кипящей жидкости соответственно.
2
4
2
3
2
Известно, что при плавлении вещества поглощение теплоты этим веществом происходит при его постоянной температуре за счет перехода подводимой теплоты в скрытую теплоту плавления /5/. В качестве хладагентов, плавящихся при аккумулировании тепла, могут быть использованы тающий лед, парафины, стеарины, низкоплавкие кристаллогидраты (например, глауберова соль NaSO·10 НО или тригидрат ацетата натрия CHCOONa·3НO) и т.д. Постоянная температура хладагента во время тепловой обработки обеспечит постоянные условия на поверхности конденсации и соответственно повторяемость результатов тепловой обработки продуктов.
Известно, что концентрация насыщенного раствора при постоянном химическом составе растворителя и растворимого вещества и постоянном давлении однозначно определяется температурой. Следовательно, в условиях негерметичного сосуда с кипящей жидкостью количество питательных веществ, способных перейти из продуктов в раствор кипящей жидкости, будет пропорционально массе кипящей жидкости. В то же время, как показано в /4/, взятый за прототип способ характеризуется минимальным выходом пара в окружающую атмосферу, а при стационарном режиме тепловой обработки выход вещества из сосуда в виде пара отсутствует. То есть выкипание жидкого содержимого из сосуда минимально или отсутствует. Это дает возможность проведения тепловой обработки продуктов при загрузке воды до уровня ниже уровня загрузки продуктов. В этом случае при тепловой обработке возможно появление нагреваемых стенок сосуда, которые расположены выше уровня кипящей жидкости и по своей внутренней поверхности контактируют с продуктом. В результате возможен контакт продукта со стенками сосуда, нагретыми до температуры выше температуры кипения жидкого содержимого сосуда, и порча (тепловая деструкция) слоя продукта, контактирующего с такими стенками. Для предотвращения такой ситуации следует исключить возможность контакта продукта со стенками, нагретыми до температуры выше температуры кипения жидкого содержимого сосуда, что может быть достигнуто следующими путями:
- физическое разделение продукта и стенок сосуда путем введения дополнительных внутренних перегородок, препятствующих соприкосновению продукта, и нагреваемых стенок сосуда, расположенных выше уровня кипящей жидкости. Возможно введение таких перегородок, которые полностью препятствуют соприкосновению продукта со стенками сосуда;
- исключение возможности нагрева стенок сосуда до температуры выше температуры кипения жидкого содержимого сосуда путем загрузки в сосуд такого количества воды, которое обеспечило бы расположение уровня кипящей жидкости выше уровня контакта стенок сосуда с источником тепла во все время проведения тепловой обработки.
Снижение количества воды, изначально загружаемой в сосуд, дает преимущество при использовании в качестве компонента кипящей жидкости соков, выделяемых при нагреве продуктов. Появляется возможность обеспечить наиболее полную и глубокую пропитку одних продуктов соками других продуктов (замещение влаги одних продуктов влагой других продуктов). Это вызвано тем, что вода, изначально загружаемая в сосуд, разбавляет соки, выделяющиеся из продуктов при их нагреве. Следовательно, при снижении количества воды будет иметь место увеличение концентрации соков. Взаимная пропитка продуктов соками друг друга (или одного продукта собственным соком) осуществляется путем образования из кипящей жидкости динамической пены, омывающей продукты. Здесь под термином динамическая пена понимается пена, образующаяся в результате кипения жидкости и разрушающаяся при ее движении к верхней части сосуда.
Снижение количества воды, изначально загружаемой в сосуд, также дает возможность экономии питьевой воды, т.к. вода, контактирующая с продуктом, должна отвечать жестким санитарно-гигиеническим требованиям. В регионах с дефицитом питьевой воды такая экономия может оказаться существенным фактором, расширяющим область применения заявляемого способа.
Снижение количества воды, изначально загружаемой в сосуд, дает возможность экономии тепловой энергии, расходуемой на проведение тепловой обработки, т.к. снижает массу и теплоемкость объема, подвергаемого нагреву. Снижение теплоемкости объема, подвергаемого нагреву, при постоянной тепловой мощности источника нагрева сокращает также время нагрева содержимого сосуда и общее время проведения тепловой обработки.
При выборе количества воды, изначально загружаемой в сосуд, следует учесть процессы, приводящие к увеличению или к уменьшению жидкого содержимого сосуда в ходе тепловой обработки продуктов.
К таким процессам относятся:
- процессы выделения жидкости продуктами при их нагреве;
- процессы поглощения жидкости продуктами при контакте продуктов с жидкостью, паром или с пеной в условиях нагрева и кипения жидкости;
- процессы накопления жидкого конденсата на охлаждаемых поверхностях и капиллярных пленок на стенках сосуда, скопление жидкости в полостях и выемках;
- выход части пара в атмосферу при нестационарных режимах тепловой обработки;
- переход части жидкости в паровую фазу;
- переход части жидкости в состояние динамической пены.
При загрузке в сосуд продукта, выделяющего при нагревании сок, происходят следующие процессы:
- под действием источника тепла происходит нагрев воды, изначально загруженной в сосуд, и начинается кипение этой воды;
- пар кипящей воды нагревает находящийся в сосуде продукт как в режиме конвекции пара, так и в режиме конденсации пара на поверхности продукта;
- при нагреве продукта происходит выделение жидкости (сока) из него;
- выделяющийся из продукта сок стекает на дно сосуда, где этот сок перемешивается с кипящей водой, в результате из воды и выделившегося сока образуется кипящая жидкость;
- в дальнейшем тепловая обработка продукта осуществляется паром и динамической пеной кипящей жидкости, содержащей собственный сок продукта.
Кипение жидкости в сосуде сопровождается образованием и разрушением динамической пены, которая полностью или частично омывает продукт. При этом часть пара находится в свободном состоянии, а другая часть - в пузырьках пены. Нагрев продукта осуществляется следующими средами:
- кипящей жидкостью - для части продукта, находящейся ниже уровня жидкости;
- паром, образующимся при выходе паровых пузырьков над поверхностью жидкости;
- паром, находящимся в пузырьках динамической пены;
- воздухом, конвектирующим в объеме сосуда (на первом этапе тепловой обработки).
Пар, поднимаясь к верхней части сосуда, проходит сквозь проницаемую перегородку и попадает в объем, содержащий охлаждаемую поверхность и сообщенный с атмосферой. Здесь в соответствии с механизмом, описанным в /4/, происходит конденсация этого пара, после чего конденсат через проницаемую перегородку самотеком возвращается в зону размещения продуктов. Часть динамической пены, поднявшейся до проницаемой перегородки, разрушается при контакте с этой перегородкой. Жидкая компонента пены стекает к днищу сосуда, а пар из ее пузырьков проходит через перегородку и претерпевает ту же эволюцию, что и пар в свободном состоянии. Поднимаясь к проницаемой перегородке, пар и динамическая пена замещают воздух, находящийся под перегородкой, и в результате многократной конвекции полностью вытесняют воздух из-под перегородки в верхнюю часть сосуда. Таким образом, перегородка осуществляет разделение объема сосуда на нижнюю часть, газовая часть которой не содержит воздуха, и верхнюю часть, которая заполнена паровоздушной смесью. Поскольку объем сосуда негерметичен, в зоне размещения продуктов обеспечивается поддержание постоянной температуры, соответствующей температуре насыщенного пара при атмосферном давлении. Это обеспечивает стационарную температуру тепловой обработки продуктов.
В случае физического разделения продукта, выделяющего при нагревании сок, и нагреваемых стенок возможно проведение тепловой обработки без предварительной загрузки в сосуд воды. При этом начальный нагрев продукта может быть осуществлен за счет свободной конвекции воздуха между нагреваемыми стенками сосуда и продуктом.
Процессы взаимной пропитки продуктов веществами друг друга могут происходить, если по меньшей мере один из продуктов содержит вещества, способные растворяться в кипящей жидкости и адсорбироваться другими продуктами (или диффундировать в другие продукты).
Часть продуктов может быть загружена в сосуд в жидком состоянии. К таким продуктам относятся, например, соки, молоко, бульоны, отвары и т.д.
В качестве воды, загружаемой в сосуд, может быть использована вода с естественной соленостью, например морская вода. В этом случае количество загружаемых в сосуд воды и продуктов следует подбирать так, чтобы получить требуемую соленость продуктов.
Сравнение заявляемого способа со способом-прототипом, в котором продукты и воду загружают в закрытый сосуд, стенки нижней части сосуда нагревают путем введения этих стенок в контакт с источником тепла, стенки верхней части сосуда, являющиеся поверхностью конденсации, охлаждают путем введения внешней поверхности этих стенок в контакт с хладагентом, между зоной размещения продуктов и охлаждаемыми стенками сосуда устанавливают проницаемую перегородку с возможностью движения через нее пара и конденсата, верхнюю часть сосуда сообщают с атмосферой, для обеспечения постоянных условий на поверхности конденсации в качестве хладагента используют тающий лед; в ходе тепловой обработки не допускают контакт продуктов с нагреваемыми стенками сосуда, расположенными выше уровня жидкости; в качестве воды, загружаемой в сосуд, используют воду, имеющую естественную соленость. Таким образом, заявляемый способ отвечает признаку "существенные отличия".
Сравнение заявляемого способа не только с прототипом, но и с другими аналогами не позволило выявить в них признаков, отличающих заявляемый способ от прототипа. Таким образом, заявляемый способ отвечает признаку "новизна".
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство СССР №1692539, кл. A47J 27/00, 1989.
2. Кук Г.А. Процессы и аппараты молочной промышленности. - М.: Пищевая промышленность, 1973, с.281.
3. "Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением", утвержд. Госгортехнадзором РФ 18.04.95 г.
4. Патент РФ №2214146, кл. A47J 27/00, 2002.
5. Справочник машиностроителя. // под ред. Н.С.Ачеркана. - М.: "Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы", Т.2, 1960, с.72.