Исследование влияния влагосодержания говядины на количество связанной влаги калориметрическим методом

Широко используемые в пищевой промышленности процессы консервации и холодильной обработки неразрывно связаны с теплообменными и биохимическими процессами. В настоящее время все больший интерес уделяется вопросам переохлаждения и хранения мясопродуктов при близкриоскопических температурах [2, 7] , обеспечивающих продление сроков годности и сохранения качества продуктов, что подтверждает высокую актуальность проводимых исследований.

Существует значительный массив экспериментальных данных по теплофизическим характеристикам и составу широкого класса пищевых продуктов и полуэмпирических методов расчета их ТФХ [1, 3, 5, 10, 11]. При этом исследователи [11] отмечают преобладание информации о ТФХ говядины и наличие большой дисперсии в экспериментальных данных, полученных разными исследователями для одних и тех же образцов мяса.

Значительную долю в компонентном составе мясопродуктов составляет влага. В работе [9] было показано, что закон аддитивности теплоемкости может применяться лишь ограниченно при расчете свойств пищевых продуктов, поскольку не учитывает состояние связанной воды, а доля незамерзающей воды для мяса составляет n = 0,35 (г на 1 г сухого вещества).

На основе данных различных исследователей Д.Г. Рютовым [4] было получено соотношение, описывающее количество вымороженной влаги, следующего вида:

to =

1 - b

1 - w

1-

w

^tкр t

где b – содержание связанной воды в продукте ( b = 0,257 для говядины); w – общее влагосо-держание воды; t кр – криоскопическая температура продукта, °С.

Рютов Д.Г. отмечает, что количество незамерзающей воды, по данным Риделя Л. [9] ( n = 0,35 (г на 1 г сухого вещества), несколько завышено, поскольку не учитывается свободная вода, находящаяся при температурах выше эвтектической. Для говядины количество связанной влаги составляет b = 0,257 (г на 1 г сухого вещества).

С целью совершенствования способов описания ТФХ пищевых продуктов интересно изучить влияние влагосодержания образцов мяса говядины на количество содержащейся в них вымороженной влаги при помощи современных калориметрических методов.

Методы исследования

В представленной работе теплоемкость и энтальпия фазового перехода образцов были исследованы на дифференциальном сканирующем калориметре (ДСК) NETZSCH DSC 204 F1. Подробная информация о методике проведения ДСК измерений, температурной программе и обработке экспериментальных данных, используемых авторами, приводится в работе [6] . Относительная погрешность при измерении энтальпии фазовых переходов не превышала ±3%. Для измерения криоскопической температуры образцов был использован осмометр-криоскоп КИВИ ОСКР-1, погрешность измерений которого составляет ±0,002 °С.

Подсушивание образцов говядины выполнялось путем сублимационной сушки, после чего они помещались в тигль для ДСК измерений. В дальнейшем осуществлялось вскрытие тигля и сушка образца в термостате при температуре воздуха 100 °С с целью определения его влагосодержания.

Результаты и обсуждение

Полученные в отрицательной зоне температур при нагреве образцов результаты ДСК исследований говядины с различным влагосодер-жанием представлены на рисунке 1. Их анализ показывал, что начало пика плавления Т н.п. имеет место при температурах от минус 35 до минус 25 °С, для образцов с низким и нормальным влагосодержанием. Дополнительно при температуре минус 85 °С установлен фазовый переход стеклования содержащейся в образцах связанной влаги, наиболее заметно проявляющийся при влагосодержании образцов w = 37,0–45,8%, что говорит о формировании аморфных растворов в процессе замораживания пищевых продуктов.

Проведенные результаты измерения энтальпии фазового перехода показали, что площадь пика плавления в зависимости от влаго-содержания полностью соответствует значениям, полученным в работе [9] , согласно которым доля незамерзающей воды для мяса составляет n = 0,35 (г на 1 г сухого вещества). Таким образом, доля замерзающей воды в зависимости от влагосодержания продукта может быть рассчитана как

to ( w ) =

1 - 0,35 •

1 — w

w

где w – доля влагосодержания в исследованных образцах.

Рисунок 1. Удельная теплоемкость образцов говядины с различным влагосодержанием в отрицательной области температур

Figure 1. Specific heat capacity of beef samples with different moisture content in the low temperature range

С учетом этого энтальпия фазового перехода образцов говядины с различным влагосодержанием может быть рассчитана как

^ L • W• m ,            (3)

где L – теплота фазового перехода воды; L = 334 кДж/кг.

Сравнение результатов расчетов по соотношению (2) с полученными экспериментальными данными показало высокую сходимость результатов (рисунок 2).

Рисунок 2. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по доле замерзающей влаги для говядины с различным влагосодержанием

Figure 2. Comparison of predicted and experimental data on the of frozen water fraction for beef with different moisture content

С учетом полученных экспериментальных данных можно установить дополнительные требования к функции, описывающей количество вымерзшей влаги:

^m ( T H п . ) = ^m ( ^W ) ,             (5)

d m ( T )

dT

= 0 .

С использованием указанных дополнительных требований зависимость (1) принимает следующий вид:

tt

1 -   - P P ( t - 1; )

m ( t , w ) = m ₃ ( W )------ ³—— ---- (7)

t

1 - ^KpL

L t 3 J

Сравнение расчетов по зависимостям (1) и (7) с полученными авторами экспериментальными данными по доле вымороженной влаги представлено на рисунке 3.

Рисунок 3. Экспериментальные данные и результаты расчета количества вымороженной влаги в говядине с различным влагосодержанием

Figure 3. Experimental data and prediction results of the ice fraction in beef with different moisture content

При расчетах вымороженной влаги необходимо также знание криоскопической температуры. К настоящему времени широко известно соотношение Д.Р. Хелдмана [8], устанавливающее связь между криоскопической температурой и активностью воды для идеаль- ных растворов, основанное на зависимости Клапейрона-Клаузиуса:

При численных расчетах ТФХ говядины по существующим формулам доли вымороженной влаги выявлены завышенные значения теплоемкости образцов в области температур ниже начала пика плавления, поскольку у них

-^Hf

^{1П (} a w ) = —

R

•

TT

dm

dT

T S T h

* 0

.

где T и T f – соответственно криоскопическая температура раствора и чистой воды, К; R – универсальная газовая постоянная, R = 8,314 Дж/(моль·°С); α w – активность воды; ∆H f – теплота фазового перехода воды, ∆H f = 6013 Дж/моль.

Наибольшее влияние на активность воды и депрессию криоскопической температуры оказывают соли и иные низкомолекулярные вещества, входящие в состав продукта, а влияние белков и углеводов незначительно ввиду их высокой молекулярной массы. С практической точки зрения расчет активности воды для говядины и прочих сырых пищевых продуктов животного и растительного происхождения значительно проще выполнять не на основе данных о составе и количестве низкомолекулярных веществ, а рассматривая сухое вещество в целом, используя приведенные значения молекулярной массы и числа диссоциации. На основе полученных экспериментальных данных по криоскопической температуре их приведенное расчетное значение для сухого вещества говядины составляет η s / М s = 455 г /моль.

С учетом известной доли замерзающей влаги активность воды в «растворе сухого вещества» может быть рассчитана по соотношению [12] :

^

• * _| M * ■ n s -( 1 - w ) , ^{(9) з} M s

где M w и M s – соответственно молярная масса воды и приведенная молярная растворенного (сухого) вещества, M w = 18 г/моль; η s – приведенное число диссоциации для сухого вещества.

C учетом соотношений (8) и (9) криоскопическая температура для говяжьего мяса с различным влагосодержанием может быть рассчитана как

• T^KP = 1 R • ln ( X * ) . ⁽¹⁰⁾ Tf ^Hf

Сравнение результатов расчетов криоскопической температуры по соотношению (10) с полученными авторами экспериментальными данными представлено на рисунке 4. В рамках дальнейших исследований представляет интерес продолжить теоретическую работу [12] и изучить возможности описания криоскопической температуры образцов различных фаршей и прочих мясопродуктов с наличием в них солей, в том числе для готовых продуктов.