Znajomość właściwości termicznych żywności jest niezbędna do przeprowadzenia kalkulacji związanych z wymianą ciepła. Parametry te są nieodzowne w projektowaniu urządzeń gastronomicznych służących do obróbki cieplnej oraz w prognozowaniu czasu i jakości finalnego produktu. Właściwości termiczne żywności są silnie uzależnione od składu podstawowego. Trudno jest opracować eksperymentalnie ich bazę danych dla wszystkich możliwych produktów, warunków procesu obróbki i składu podstawowego żywności. Najlepszym rozwiązaniem jest symulowanie właściwości termicznych żywności z wykorzystaniem modeli matematycznych, które uwzględniają skład podstawowy (zawartość wody, białka i tłuszczu) oraz temperaturę.
Parametry produktów spożywczych – takie jak: entalpia, ciepło właściwe i zawartość lodu w zależności od temperatury – zostały określone na podstawie znanych zależności Riedla: entalpia – zawartość wody – temperatura. Właściwości termofizyczne żywności, które są niezbędne do obliczeń strumienia ciepła, obejmują: frakcję lodu, pojemność właściwą, entalpię właściwą i przewodność cieplną. Analiza oraz optymalizacja procesów termicznych koncentrują się zasadniczo na symulacjach wnikania ciepła i dyfuzji masy w produktach spożywczych, z uwzględnieniem różnych warunków termicznych. Do zaprojektowania procesów obróbki cieplnej z uwzględnieniem jakości finalnych produktów konieczne jest opracowanie modeli CFD.
Procesy wymiany ciepła i masy w żywności
Podczas procesu pieczenia mięsa ciepło z powierzchni produktu jest przenoszone do jego geometrycznego środka na drodze przewodzenia. Natomiast transport wody z wnętrza produktu na jego powierzchnię odbywa się za pomocą procesu konwekcji i dyfuzji masy. Wraz ze wzrostem temperatury wewnątrz produktu białka mięsa ulegają denaturacji. Prowadzi to do obniżenia zdolności wiązania wody oraz skurczu sieci białkowej, co w konsekwencji powoduje wzrost ciśnienia wewnątrz produktu, a nadmiar wody usuwany jest na powierzchnię w procesie konwekcji. Jednocześnie woda znajdująca się na powierzchni produktu w postaci cieczy paruje oraz dyfunduje do otaczającego płynu (gorącego powietrza). W miarę skurczu cieplnego mięsa powierzchnia, z której odparowuje woda, zmienia się w czasie (maleje). Skurcz matrycy białkowej powoduje niezrównoważone ciśnienie wewnątrz produktu, co generuje wyższe straty masy (wyciek) ze struktury mięsa.
Proces wymiany masy w mięsie poddawanym obróbce cieplnej może dotyczyć przenoszenia masy na poziomie molekularnym lub konwekcji masy. W przypadku pierwszego rodzaju bardzo często stosowane jest pojęcie dyfuzji, natomiast wymiana na drodze konwekcji dotyczy przenoszenia materii z powierzchni do przepływającego strumienia cieczy lub gazu, równocześnie z przypadkowym przenoszeniem cząstek materii wraz z medium
grzewczym.
Podczas ogrzewania żywności jej składniki migrują, a ponadto następują przemiany fizykochemiczne, które znajdują odzwierciedlenie w zmianach mikrostruktury produktu. Ciała stałe mają zazwyczaj zróżnicowaną (heterogenną) strukturę, dlatego proces dyfuzji jest niestabilny. Gradient stężeń, będący siłą napędową dyfuzji, jest spowodowany przez skurcz cieplny i deformację surowca. Ponadto w niektórych przypadkach silne interakcje pomiędzy substancją dyfundującą a matrycą wywołują zjawiska adsorpcji lub chemisorpcji.
Dyfuzyjność wody i innych małych cząsteczek spada znacząco przy wyższej wilgotności otoczenia. Ten spadek zależy od rodzaju dyfundujących cząsteczek. Ponadto wykazano, że współczynnik dyfuzji wody zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości stałych substancji w niej rozpuszczonych w porównaniu ze współczynnikiem dyfuzji innych substancji.
Cel i zakres badań
Celem pracy było oszacowanie stopnia denaturacji białek mięsa wołowego oraz ubytku masy, wywołanego wyciekiem termicznym, na podstawie symulacji CFD procesu obróbki termicznej w piecu konwekcyjno- parowym. Zakres pracy obejmował określenie współczynnika wnikania ciepła do mięsa wołowego.
Symulację prowadzono w modelowym piecu konwekcyjno-parowym (rys. 2) w zróżnicowanych warunkach temperatury, wilgotności i prędkości obrotów wentylatora (rys. 3). Na podstawie uzyskanych wyników możliwe było wykonanie symulacji obróbki termicznej dla surowców o zróżnicowanym składzie podstawowym, tj. o różnej zawartości wody, białka, tłuszczu i tkanki łącznej (rys. 4). Otrzymane wyniki pozwoliły na oszacowanie optymalnych warunków proprowadzenia procesu obróbki cieplnej, zapewniających uzyskanie produktów o najwyższej jakości.
Wyniki i podsumowanie
Zastosowanie modeli CFD ułatwia określenie skomplikowanych zależności pomiędzy parametrami procesu obróbki termicznej, z uwzględnieniem wymiany ciepła i masy. Wdrożenie symulacji CFD obróbki termicznej do przemysłu spożywczego może się przyczynić do optymalizacji procesów, a w konsekwencji – do poprawy jakości końcowych produktów oraz redukcji kosztów związanych ze stratami masy.
Autorzy:
Arkadiusz Szpicer, Katedra Techniki i Projektowania Żywności, SGGW w Warszawie
Andrzej Półtorak, Katedra Techniki i Projektowania Żywności, SGGW w Warszawie
Agnieszka Wierzbicka, Katedra Techniki i Projektowania Żywności, SGGW w Warszawie