Механизм массообмена в процессе посола рыбы

Посол рыбы – один из наиболее распространенных способов ее консервации, придающий продукту не только стойкость при хранении, но и специфические вкусовые качества. Он реализуется в промышленности и как самостоятельный технологический процесс, и как предварительный – при производстве пресервной, вяленой, копченой и др. продукции.

Несмотря на разнообразие способов посола (сухой, мокрый, смешанный), в их основе лежат одни и те же закономерности, связанные с диффузионным переходом соли в рыбу, диффузионно-осмотическим переносом воды из тканей рыбы в тузлук или, наоборот, в зависимости от крепости посола [1].

В настоящее время наиболее признанной теорией, описывающей механизм солевлагообмена

в процессе посола рыбы, является «фронтальная» теория P.B. Crean [1]. Согласно этой теории в начальный период процесса в неуравновешенной системе тузлук-рыба система стремится к равновесию соли и влаги. До достижения критической концентрации соли в рыбе, которая для большинства видов рыб составляет около 8%, мышечная ткань рыбы начинает терять влагу при дальнейшем возрастании концентрации соли. Процесс солевлагообмена происходит на ограниченном участке в виде «фронта», который движется в тканях рыбы в виде поверхности, каждая точка которой соответствует критической концентрации соли. «Фронт» просаливания продвигается к центру продукта, при этом выделяющаяся из мышечной ткани влага снижает концентрацию тузлука в пограничном слое над поверхностью рыбы, что ведет к замедлению процесса.

Отметим, что проведенные рядом ученых теоретические и экспериментальные исследования процесса посола различных видов рыб [1] частично подтверждают отдельные положения «фронтальной» теории Crean, при этом ряд существующих положений требует дальнейшего исследования.

В связи с этим представляет интерес экспериментальное изучение распределения коэффициентов диффузии соли от расстояния ее проникновения в ткани рыбы, установление скорости распространения соли в мышечной ткани, сопоставление результатов с теоретическими исследованиями.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования использовали сельдь атлантическую ( Clupea harengus ) мороженую, по качеству соответствующую требованиям действующего стандарта размером 30±2 см, массой 310±10 г. Химический состав мяса сельди атлантической: жир – 18,5%, белок – 18%, минеральные вещества – 1,5%.

Для составления тузлука заданной концентрации (плотности) использовали хлористый натрий по ГОСТ 4233 и воду питьевую по ГОСТ Р 51232-98.

Для получения информации о пространственно-временном характере распределения соли внутри продукта существующие химические способы непригодны, так как они не обеспечивают точного измерения содержания соли и влаги в каждой точке продукта во время обработки [2]. В этом направлении наибольшие успехи в исследовании процесса посола различных видов пищевых продуктов достигнуты с использованием методов неразрушающего контроля, таких, как рентгеновская томография [3], ультразвук [4] и ЯМР [5]. Авторами в качестве метода исследования использован современный оптический метод фотонной корреляционной спектроскопии (ФКС), основанный на рэлеевском рассеянии излучения от веществ. Метод ФКС заключается в измерении коэффициента диффузии дисперсных частиц путем анализа динамических флуктуаций интенсивности рассеянного света. Схема экспериментальной установки для исследования процесса посола рыбы в неподвижном тузлуке методом ФКС и методика проведения экспериментов на ней изложены в работе [6].

Результаты и обсуждение

Математические модели, описывающие закономерности массообмена в процессе посола пищевого продукта, можно классифицировать как теоретические и эмпирические [7]. Большинство теоретических моделей являются диффузионными, основанными на втором законе Фика:

5C_ n d 2 C ст      д x ²

Принимая образец в виде пластины конечных размеров (0 <  l <  x ), сформулируем граничные условия:

C (x ,0 ) = Cест = const C(0,0) = C(l,0)Cо , где Сест – естественная концентрация соли в мясе рыбы, %; С (0,0), С (l, 0) – концентрация соли на разных краях стержня мяса рыбы в начальный момент времени, %; С0 – концентрация раствора в пограничном слое на краю стержня, %.

Решение дифференциального уравнения (1) с краевыми условиями (2) получено в работе [8] с использованием метода разделения переменных. Оно выражается в форме ряда, который сходится медленно, если Dτ <<  l ²

-^, ¹ - ⁴ 1

C ( X T ) = C 0

- ( 2 n+ 1 ) 2 n ² Dt

1 2 -------x e        ^l

2 n+ 1

A

X Sin

При τ ≥ τ’ = 0,05 ·l ² /D [8], где τ’ – минимальное время достижения солености в центре образца, можно ограничиться с точностью до 1% первым членом ряда (3), т. е.

C ( x , T ) = C

^{- n} 2 D ^T

1– ⁴ e ^{l 2}

П к

■ nx sin

l

где D – коэффициент диффузии мышечной ткани рыбы, м²/с; С ( x, t ) – концентрация соли в момент времени τ на расстоянии x от кожи вглубь мышечной ткани, %.

На рисунке 1 представлены экспериментально полученные авторами зависимости коэффициента диффузии от расстояния x через интервал в 30 мин от начала процесса посола атлантической сельди в системе «тузлук-рыба» при температуре 10 °C. Схема экспериментальной установки ФКС и методика проведения опытов соответствует данным работы [6].

Рисунок 1. Экспериментальная зависимость коэффициента диффузии от глубины проникновения соли в мышечную ткань рыбы и продолжительности посола

Figure 1. Experimental dependence of the diffusion coefficient on the depth of salt penetration into the muscle tissue of fish and the duration of salting

Сопоставляя теоретическую модель посола рыбы, выраженную зависимостью (4), с экспериментальными данными, приведенными на рисунке 1, можно констатировать их качественное соответствие, в связи с чем можно описать механизм массообмена в процессе посола следующим образом.

В зависимости от их исходной крепости тузлука непосредственно в пограничном слое вблизи кожи рыбы первоначальная концентрация C 0 составляет величину, равную

С0 = α · Ср , где Ср – концентрация (крепость) тузлука, %.

Коэффициент α определяется для различных видов рыбы экспериментально, в зависимости от ее жирности и температуры тузлука, и изменяется в диапазоне от 0,3 до 0,92 [1]. Для сельди и представленных здесь условий эксперимента α = 0,67.

Разница концентрации в пограничном слое системы «тузлук-рыба» и естественной концентрации соли в мышечной ткани рыбы

(для сельди С ест = 0,3%) является движущей силой массообмена в начальный период процесса посола, т. е.

A C = С о - С ест , который осуществляется, главным образом, за счет конвекции.

Во время внутреннего массопереноса влаги и соли в пищевом продукте коэффициент диффузии уменьшается вплоть до значений, соответствующих критической концентрации соли в мышечной ткани рыбы. Практически все исследователи сходятся во мнении, что увеличение сопротивления диффузионному процессу связано с набуханием тканей рыбы в результате впитывания влаги, уменьшением эффективной диффузионной поверхности [1, 6, 7]. По экспериментальным данным, представленным на рисунке 1, можно оценить скорость массопе-реноса по величине перемещения критической концентрации соли 8% в зависимости от продолжительности процесса (на рисунке 1

величина C кр показана стрелкой). При х 1 = 6 мм, τ 1 = 60 мин, х 2 = 9 мм, τ 2 = 240 мин скорость массопереноса равна:

ϑ = ^{x 2– x 1} ≈ 3 ⋅ 10 ⁴ .

τ ₂– τ ₁

Если в теоретическом выражении (4) приравнять значения C ( x 1 , τ 1 ) = C ( x 2 , τ 2 ) (при исходных значениях l = 15 мм, D = 0,5 · 10^-9 м²/с), можно получить значение х 2 , равное 9 мм, что свидетельствует об адекватности теоретической модели (4) представленным здесь экспериментальным данным. Оценивая качественный характер процесса массообмена при посоле рыбы, можно подтвердить справедливость положений «фронтальной» теории P.B. Crean.

По мере продвижения «фронта» с критической концентрацией соли вследствие высаливания белков мышечная ткань рыбы начинает терять влагу, создавая сопротивление диффузионному потоку соли, уменьшая градиент концентрации в пограничном слое рыбы. Несмотря на это рост эффективной поверхности диффузии соли ведет за собой кажущееся увеличение коэффициентов диффузии [1].

Как известно из теории диффузии, происходит изменение концентрации соли внутри продукта и во внешнем растворе рассола со скоростью массопереноса, которая не прекращается до достижения равновесия в системе, когда скорость массопереноса становится равной нулю [2]. Отмеченное в работе [1] противоречие, когда в период замедления и окончания диффузии наблюдается рост коэффициентов диффузии, можно объяснить следующим. Реальным свойством, которое определяет скорость проникновения массы через материал, является эффективная диффузия [9]. Коэффициент эффективной диффузии Dе характеризует скорость переноса диффундирующего вещества через единицу эффективной поверхности диффузии. В отличие от коэффициентов диффузии D, которые могут быть получены расчетным путем [1], коэффициенты эффективной диффузии Dе определяются достоверно экспериментально, как правило, одним из методов непрерывного неразрушаемого контроля. Поэтому, как это следует из работы [7], в диффузионном уравнении Фика (1) и в полученном нами уравнении (4) следует вместо коэффициента диффузии D учитывать коэффициент эффективной диффузии Dе.