Sự thay đổi thời gian làm lạnh của các loại nguyên liệu khác nhau trong 2 môi trường làm lạnh...7Bảng 2.. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của nước khóm theo thời gianlạnh đông.
TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH THỰC PHẨM THEO TRUYỀN NHIỆT BẤT ỔN ĐỊNH
Mục tiêu
Hiểu và áp dụng lý thuyết tính toán quá trình truyền nhiệt bất ổn định là rất quan trọng trong việc làm lạnh nguyên liệu thực phẩm, đặc biệt khi áp dụng cho các loại thực phẩm khác nhau.
- Đánh giá được ảnh hưởng của hai môi trường làm lạnh (tủ lạnh và nước đá) khác nhau đến thời gian làm lạnh.
- Ảnh hưởng của cỡ nguyên liệu (kích thước và khối lượng nguyên liệu khác nhau) đến thời gian làm lạnh.
- Ảnh hưởng của loại nguyên liệu và đặc tính hình dạng khác nhau đến hiệu quả làm lạnh.
Phương tiện thí nghiệm
- Nhiệt kế: sử dụng để xác định nhiệt độ môi trường
- Hệ thống cấp nhiệt điện sử dụng để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ sản phẩm theo thời gian.
Tiến hành thí nghiệm
- Xúc xích: đo đường kính ngoài rồi cho vào bao bì PA
Khóm được lấy mẫu bằng ống hình trụ lớn, sau đó đo đường kính trong của ống để xác định đường kính của mẫu khóm Cuối cùng, mẫu khóm được cho vào bao bì PA.
2 Chuẩn bị hệ thống làm lạnh
- Bổ sung 2% muối ăn vào nước đá, trộn đều để giữ nước đá ở gần 0°C
- Tủ lạnh được điều chnh nhiệt độ trước, hoạt động không tải đến nhiệt độ yêu cầu trước khi cho mẫu vào
- Đo và nhận chính xác nhiệt độ môi trường (T∞1, T∞2).
Để kiểm tra nhiệt độ của sản phẩm, hãy sử dụng nhiệt kế cắm vào tâm sản phẩm, khoảng 2/3 chiều dài của xúc xích và khóm Sau đó, đặt các cặp mẫu vào tủ lạnh và thùng nước đá, kèm theo một nhiệt kế khác để theo dõi nhiệt độ môi trường làm lạnh Ghi nhận sự thay đổi nhiệt độ tâm sản phẩm mỗi 30 giây cho đến khi đạt được nhiệt độ yêu cầu là 4°C.
Kết quả thí nghiệm
1 Số liệu thực nghiệm Bảng 1 Sự thay đổi thời gian làm lạnh của các loại nguyên liệu khác nhau trong
Khóm Xúc xích Khóm Xúc xích
2 Cơ sở lý thuyết 2.1 Tính toán thời gian làm lạnh
Thời gian làm lạnh hiệu quả và nhiệt độ của sản phẩm sau khi làm lạnh phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt và kích thước của sản phẩm.
Trong đó: hs: hệ số truyền nhiệt bề mặt ( W m 2 ° C ¿
T: nhiệt độ môi trường (thường là nhiệt độ kho lạnh, tủ lạnh), (°C) Ti: nhiệt độ ban đầu của thực phẩm, (°C )
T: nhiệt độ của thực phẩm sau thời gian làm lạnh t, (°C) t: thời gian làm lạnh (thời gian hạ nhiệt độ sản phẩm từ Từ đến T), (s)
: hệ số khuyếch tán nhiệt ( m 2 s ) k: hệ số dẫn nhiệt ( W m° C ¿ L: kích thước mẫu (khoảng cách từ tâm sản phẩm đến bề mặt)( m) Cp: nhiệt dung riêng của sản phẩm( kg°C J )
: khối lượng riêng của sản phẩm ( kg m 3 ) 2.2 Các thông số vật lý
Các đặc tính riêng của nguyên liệu được tra cứu trong các sổ tay hoặc tính toán theo công thức của Choi và Okos (1986), dựa trên thành phần của nguyên liệu, và được tóm tắt trong bảng.
Bảng 2 Thông số vật lý của khóm và xúc xích.
Nhiệt dung riêng Cp (J/kg o C)
- Hệ số cấp nhiệt trong môi trường không khí là 16 W/m2°C và trong nước đá là
- Nhiệt độ môi trường của nước đá 0,1°C Nhiệt độ môi trường của tủ lạnh 1,4°C.
Tính thời gian làm lạnh lý thuyết của khóm và xúc xích trong 2 trường hợp làm lạnh trực tiếp và làm lạnh gián tiếp.
3.1 Làm lạnh trực tiếp + Khóm:
Bảng 3 Thời gian làm lạnh thu được từ thực tế và lý thuyết
Nguyên liệu Tủ lạnh Nước đá Tủ lạnh Nước đá
Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, thời gian làm lạnh lý thuyết của khóm và xúc xích ngắn hơn thời gian làm lạnh thực tế vì:
Nhiệt độ môi trường không ổn định do ảnh hưởng của nhiệt độ bên ngoài, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài thiết bị Điều này xảy ra vì thiết bị chứa môi trường không hoàn toàn kín khi đặt nhiệt kế vào.
- Do các thông số liên quan về tủ lạnh và nước đá như hiệu suất làm việc.
- Do tác động của bao bì chứa nguyên liệu ngăn cách nguyên liệu với môi trường làm chậm đi quá trình làm lạnh.
Sự khác biệt giữa làm lạnh trực tiếp (nước đá) và gián tiếp (không khí lạnh):
Mẫu khóm cho thấy thời gian làm lạnh trực tiếp (3090 giây) nhanh hơn so với làm lạnh gián tiếp (7650 giây) Điều này là do thực phẩm tiếp xúc trực tiếp với nước đá, giúp tăng cường khả năng trao đổi nhiệt Lớp đá phủ đều lên bề mặt thực phẩm cũng góp phần làm nhanh chóng quá trình làm lạnh.
Thời gian làm lạnh trực tiếp của mẫu xúc xích là 2400 giây, ngắn hơn nhiều so với thời gian làm lạnh gián tiếp là 8280 giây Kết quả này phù hợp với lý thuyết tính toán, cho thấy rằng làm lạnh trực tiếp hiệu quả hơn so với phương pháp gián tiếp.
Khóm và xúc xích có sự khác biệt rõ rệt về thời gian làm lạnh, trong đó khóm có thời gian làm lạnh ngắn hơn Nguyên nhân là do khóm chứa nhiều nước hơn xúc xích, điều này giúp tăng hiệu quả làm lạnh của khóm.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng loại nguyên liệu, kích cỡ và môi trường ảnh hưởng đến thời gian làm lạnh Nguyên liệu có hàm lượng nước cao làm giảm thời gian làm lạnh, trong khi kích cỡ nguyên liệu nhỏ hơn giúp quá trình này diễn ra nhanh chóng hơn Ngoài ra, môi trường lỏng mang lại hiệu quả làm lạnh tốt hơn so với môi trường không khí nhờ vào hệ số cấp nhiệt cao hơn.
LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM BẰNG HỖN HỢP SINH HÀN
Nguyên vật liệu và hóa chất
- Muối ăn (mịn và thô)
- Thùng xốp: dùng để chứa mẫu thí nghiệm.
- Nhiệt kế điện tử: sử dụng để xác định nhiệt độ của hỗn hợp sinh hàn và nhiệt độ tâm của sản phẩm.
III Tiến hành thí nghiệm
Chuẩn bị hỗn hợp lạnh
- Tạo hỗn hợp sinh lạnh với các t lệ muối/đá lần lượt.
+ 15% (2 kg nước đá + 0,3 kg muối).
+ 25% (2 kg nước đá + 0,5 kg muối).
- Sử dụng 1 loại đá xay.
Tiến hành
Trộn đều muối và đá, sau đó theo dõi nhiệt độ của hỗn hợp trong thùng xốp cho đến khi nhiệt độ ổn định Khi đạt được nhiệt độ ổn định, nhúng tôm (đã cắm nhiệt kế vào phần ức) hoàn toàn vào hỗn hợp trong thùng xốp.
Theo dõi nhiệt độ trung tâm của tôm và nhiệt độ hỗn hợp sinh lạnh Nhiệt độ tâm của tôm là -10 ℃ thì ngừng quá trình lạnh đông.
Sơ đồ thí nghiệm khảo sát sự biến đổi nhiệt độ tâm của nguyên liệu khi lạnh đông bằng hỗn hợp sinh hàn:
IV Kết quả thí nghiệm
1 Số liệu thực nghiệm Bảng 4 Sự thay đổi nhiệt độ của tôm theo thời gian khi lạnh đông bằng hỗn hợp sinh hàn 15% NaCl và 25% NaCl
Hỗn hợp sinh hàn 25% NaCl 15% NaCl
Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian làm lạnh đông tôm bằng hỗn hợp 15% NaCl và 25% NaCl
Hình 1 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ tôm lạnh động bằng hỗn hợp 25%
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ tôm lạnh đông bằng hỗn hợp 25% NaCl
Hình 2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ tôm lạnh đông bằng hỗn hợp 15%NaCl
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ tôm lạnh đông bằng hỗn hợp 15% NaCl
Nhận xét
Hỗn hợp sinh hàn 25% NaCl 15% NaCl Khối lượng tôm (g) 25.2 20.6 21.3 24.7 24.2 23.7 Thời gian (s) 1580 1750 1930 4185 2125 3075
Kết quả thí nghiệm cho thấy thời gian lạnh đông của hỗn hợp sinh hàn 15% (-16,8 °C) dài hơn so với hỗn hợp sinh hàn 25% (-16,9 °C) do hàm lượng muối trong hỗn hợp 25% cao hơn, dẫn đến nhiệt độ lạnh đông thấp hơn.
- Nhiệt độ môi trường của hỗn hợp sinh hàn có 25% muối thấp hơn so với của hỗn hợp sinh hàn 15% muối.
Thời gian làm lạnh của tôm 24,7g (4185 giây) chậm hơn so với tôm 24,2g (2125 giây) khi sử dụng hỗn hợp sinh hàn 15% Nguyên nhân là do mẫu tôm lớn hơn có tốc độ truyền nhiệt kém hơn.
Sự khác biệt về thời gian làm lạnh của cùng một hỗn hợp sinh hàn 25% cho thấy tôm 27,3g có thời gian làm lạnh ngắn nhất là 1335 giây, trong khi tôm 20,6g lại có thời gian làm lạnh dài nhất là 2235 giây.
- Nhiệt độ của tôm giảm nhanh trong môi trường lạnh đông hỗn hợp sinh hàn 25%.
Tôm sau khi được đông lạnh có cấu trúc cứng hơn ban đầu, nhưng mùi vị thường nhạt hơn do quá trình đông lạnh Khi rã đông, tôm trở nên mềm hơn, giảm tính đàn hồi và khả năng giữ nước Màu sắc của tôm cũng có thể bị giảm do phương pháp đông lạnh chậm, dẫn đến sự hình thành tinh thể đá lớn và sắc cạnh, gây hư hỏng cấu trúc thực phẩm.
4 Đánh giá kết quả thí nghiệm
Việc sử dụng hỗn hợp muối và nước đá tạo ra môi trường có nhiệt độ thấp hơn 0°C nhờ vào quá trình thu nhiệt khi hòa tan muối và quá trình nóng chảy của nước đá Khi muối được thêm vào nước, dung dịch nước muối hình thành sẽ làm giảm nhiệt độ đông đặc của nước xuống dưới 0°C, giữ cho nước ở thể lỏng trong khoảng từ -5°C đến -10°C Phương pháp này có ưu điểm là không cần thiết bị cồng kềnh và kỹ thuật đơn giản, giúp quá trình làm lạnh diễn ra nhanh chóng.
- Khó kiểm soát nhiệt độ môi trường.
- Ch có khả năng bảo quản trong thời gian ngắn và thực phẩm tươi sạch.
Nhược điểm khác của phương pháp này là thực phẩm mất trọng lượng và giảm phẩm chất bề mặt.
Bài 3 - 4: XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐÓNG BĂNG, ĐIỂM QUÁ LẠNH VÀ THỜI
GIAN LẠNH ĐÔNG CỦA THỰC PHẨM
- Xác định ảnh hưởng của nồng độ chất tan trong thực phẩm đến sự thay đổi nhiệt độ đóng băng và nhiệt độ quá lạnh khi lạnh đông.
- Xác định điểm đóng băng và điểm quá lạnh của từng loại thực phẩm trong cùng một môi trường làm lạnh đông.
- So sánh sự khác biệt về điểm đóng băng của nước tinh khiết và thực phẩm.
II Phương tiện thí nghiệm
1 Nguyên vật liệu và hóa chất
- Nhiệt kế tự ghi (xác định nhiệt độ tâm của sản phẩm và nhiệt độ tủ)
- Một số dụng cụ thông thường trong phòng thí nghiệm III Tiến hành thí nghiệm
- Chuẩn bị tủ lạnh đông: vệ sinh tủ và khởi động trước Điều chnh nhiệt độ tủ đến mức gần -40 ℃
- Chuẩn bị mẫu thực phẩm (chọn lựa một loại thực phẩm cho thí nghiệm).
+ Khoai tây: Cắt thành các mẫu có hình trụ dài 12 cm (trụ lớn d=2,37 cm; trụ nhỏ d=1,76 cm) và hình hộp chữ nhật (12cm x 2,37cm x2,37 cm).
Khóm được cắt thành các mẫu hình trụ dài 12 cm, với trụ lớn có đường kính 2,37 cm và trụ nhỏ có đường kính 1,76 cm Phần còn lại của khóm được cắt nhỏ và ép lấy dịch quả, sau đó cho vào túi dài 12 cm với đường kính cố định.
+ Nước cất và các mẫu vừa chuẩn bị cho vào bao bì PE.
-Gắn thermocouple vào tâm của sản phẩm và đặt vào tủ đông đã được chuẩn bị từ trước.
Đối với mẫu lỏng, cần đưa thermocouple vào trung tâm sản phẩm, cách bề mặt khoảng 2/3 chiều cao Sau đó, đậy nắp lại, đảm bảo kín và tránh để nhiệt kế tiếp xúc với thành bao bì PE.
+ Đối với mẫu rắn, đưa thermocouple vào 2/3 từ đnh xuống đáy.
-Đặt vào môi trường lạnh đông (đã điều chnh đến nhiệt độ khoảng -40 ) Ghi ℃ chính xác nhiệt độ thiết bị trước khi đưa vào mẫu đưa vào.
-Ghi lại nhiệt độ ban đầu của sản phẩm, nhiệt độ môi trường lạnh đông, nhiệt độ của từng sản phẩm ở các mức thời gian khác nhau (∆T = 30 giây).
-Đem mẫu ra khỏi tủ đông, tan giá để lấy thermocouple khỏi nguyên liệu.
- Sơ đồ thí nghiệm xác định nhiệt độ đóng băng và điểm quá lạnh của loại thực phẩm khác nhau được thể hiện.
IV Kết quả thí nghiệm
1 Số liệu thực nghiệm Bảng 5 Bảng số liệu sự thay đổi nhiệt độ tâm sản phẩm theo thời gian
Nhiệt độ tâm sản phẩm ( o C)
Khoai tây khối trụ hình chữ nhật
XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐÓNG BĂNG VÀ ĐIỂM QUÁ LẠNH CỦA THỰC PHẨM
Các đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ tâm sản phẩm theo thời gian
Hình 3 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của khóm trụ theo thời gian lạnh đông
Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của khóm trụ theo thời gian lạnh đông
Hình 4 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của khoai tây trụ lớn theo thời gian lạnh đông
Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của khoai tây trụ lớn theo thời gian lạnh đông
Hình 5 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của khoai tây trụ nhỏ theo thời gian lạnh đông
Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của khoai tây trụ nhỏ theo thời gian lạnh đông
Hình 6 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của nước cất theo thời gian lạnh đông
Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của nước cất theo thời gian lạnh đông
Hình 7 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của nước khóm theo thời gian lạnh đông
Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của nước khóm theo thời gian lạnh đông
Hình 8 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của khoai tây khối trụ hình chữ nhật theo thời gian lạnh đông
Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tâm của khoai tây khối trụ hình chữ nhật theo thời gian lạnh đông
Nhiệt độ bắt đầu lạnh đông và nhiệt độ quá lạnh của các mẫu thực phẩm
Khoai tây khối trụ hình chữ nhật Nhiệt độ bắt đầu lạnh đông -1,2 -0,9 -1,2 -0,2 -1,3 -1,4
3.1 Xác định nhiệt độ bắt đầu lạnh đông của thực phẩm theo các phương trình mô phỏng (3) , (4)
- Phương trình mô phỏng xác định nhiệt độ bắt đầu lạnh đông của rau quả
- Phương trình mô phỏng xác định nhiệt độ bắt đầu lạnh đông của nước quả
Tk : nhiệt độ bắt đầu lạnh đông (K) W: hàm lượng của nước trong thực phẩm (%)
Từ (3) => Nhiệt độ bắt đầu lạnh đông của khoai tây (w = 80%):
Từ (4) => Nhiệt độ bắt đầu lạnh đông của nước khóm (w = 85%):
Quá trình lạnh đông của khoai tây trụ diễn ra nhanh hơn so với khóm trụ, có thể do cấu trúc đặc, rắn và ít xốp hơn của khoai tây.
Nước khóm đông lạnh nhanh hơn khối khóm hình trụ vì nồng độ chất tan trong nước khóm thấp hơn, giúp quá trình hình thành tinh thể đá diễn ra dễ dàng hơn.
- Nước cất có tốc độ lạnh đông nhanh nhất do không chứa chất tan.
- Ở các sản phẩm có hàm lượng nước (%) cao hơn thì nhiệt độ đóng băng cao hơn.