Глава IV. Производство мороженой рыбы

Изменения свойств рыбы при замораживании

Замораживание рыбы сопровождается изменением физико-химических, био-химических и особенно структурно-механических свойств ее мышечной ткани.

Характер этих изменений в значительной мере зависит от вида рыбы, исходного ее состояния, скорости и способа замораживания.

Физические и структурно-механические свойства

Отрицательную температуру, при которой в мясе рыбы начинается процесс образования первых кристаллов льда, называют криоскопической Значение ее определяется концентрацией в тканевом соке рыбы солей, органических кислот и других соединений, и чем больше содержание влаги в мясе рыбы, тем ближе значение к 0°С.

Криоскопическая температура разных видов рыб различна и находится в пределах: для пресноводных рыб от -0,5 до -1°С, для морских рыб от -0,8 до 2°С.

С понижением температуры рыбы количество воды, превратившейся в лед, увеличивается. Эту воду принято называть вымороженной. Количество вымороженной воды зависит от температуры, до которой замораживается продукт, его химического состава, структуры и исходного состояния.

Количество вымороженной воды определяется отношением количества льда, образовавшегося в рыбе при данной температуре, к общему количеству содержащейся в ней влаги, и выражается в процентах или в долях единицы.

Если криоскопическая температура продукта близка к -1°С, то количество вымороженной воды в области температур до -30°С можно определить по эмпирическому уравнению Чижова

где А и В - постоянные коэффициенты; А=110,5; В=0,31; t - конечная температура мороженой рыбы, взятая по абсолютной величине, °С.

Если криоскопическая температура продукта более чем на 0,5°С выше или ниже -1°С, то уравнение принимает вид

Количество вымороженной воды у некоторых видов рыб в зависимости от температуры (данные Риделя) приведено в табл. 16.

Таблица 16

(Примечание. Содержание влаги в пикше 83,6%, треске - 80,3%, морском окуне - 79,1%, щуке -83,5%, судаке -79%.)

Из данных табл. 16 видно, что наиболее интенсивное льдообразование в тканях рыбы происходит в зоне температур от -1 до -5°С. При температуре -40°С вымораживается более 90% содержащейся в рыбе влаги. Температуру, при которой практически вся влага превращается в лед, называют эвтектической.

Для рыбы эвтектическая температура составляет -55÷-65°С. Степень изменения структуры мяса рыбы при замораживании определяется скоростью процесса: чем быстрее происходит замораживание, тем меньшим структурным изменениям подвергается продукт. При низких скоростях отвода тепла кристаллообразование в мясе рыбы обычно начинается в межволоконном или межклеточном пространстве. Образующиеся кристаллы имеют довольно крупные размеры, и их сравнительно немного.

Увеличение скорости замораживания приводит к возрастанию количества и уменьшению размеров кристаллов. При высоких скоростях отвода тепла, например при низкотемпературном замораживании, мельчайшие кристаллы льда образуются как вне, так и внутри клеток и волокон. При этом структура мышечной ткани почти не отличается от структуры незамороженной ткани.

Однако чрезмерное увеличение скорости замораживания сверх определенного предела может вызвать нежелательные структурные изменения в продукте. Так, при замораживании в жидком азоте, когда скорость процесса достаточно велика, наряду с формированием многочисленных и очень мелких кристаллов наблюдается появление макротрещин и внутренних разрывов.

При медленном замораживании образуются в основном крупные кристаллы льда и в первую очередь в межклеточном пространстве. Кристаллы имеют форму дендритов, необратимо нарушающих структуру мяса рыбы, что стимулирует гидролитические, окислительные и ферментативные процессы.

На структурные изменения мяса рыбы при замораживании оказывает влияние посмертное состояние сырья перед замораживанием. Наибольшему травмированию кристаллами льда подвергается мышечная ткань рыбы, замороженная в состоянии окоченения.

С увеличением скорости замораживания благодаря снижению активности диффузионных процессов влияние структуры, определяемой физиологическим состоянием рыбы, ослабляется и при низкотемпературном замораживании кристаллы льда распределяются равномерно внутри и вне клеток.

Размеры и характер распределения кристаллов в мышечной ткани рыбы и связанная с этим степень разрушения морфологических структурных элементов определяют размеры потерь мышечного сока при размораживании и последующей обработке.

По мере льдообразования изменяются и структурно-механические свойства мяса рыбы. При положительных температурах мясу рыбы присущи упругопла- стические свойства, которые определяются особенностями его морфологической структуры, свойствами отдельных образований, входящих в эту структуру, а также свойствами белков, являющихся, как известно, основным элементом структуры.

С началом льдообразования по мере снижения температуры механические свойства мяса рыбы меняются очень значительно, что обусловлено различием механических свойств воды и льда. Постепенное превращение воды в лед при понижении температуры мяса рыбы вызывает соответственно постепенное ослабление его пластических и нарастание упругих свойств.

При замораживании увеличивается твердость рыбы, которая в зависимости от температуры характеризуется следующими данными: при температуре -1°С твердость мяса рыбы, измеряемая усилием, затраченным на введение в мясо на глубину 3 мм металлического конуса диаметром 1 см, составляет 4,4 Н, а при -2°С -35 Н, при -4°С -157 Н.

В табл. 17 приведены данные о влиянии температуры на предел прочности мяса рыбы. Последний оценивался максимальным напряжением сжатия осж, которое образец мяса рыбы выдерживал до разрушения.

Таблица 17

Как видно из представленных данных, понижение температуры мяса рыбы от -18 до -50°С сопровождается повышением его прочностных свойств. При температуре ниже -80°С прочностные свойства ослабевают и появляется хрупкость, выражающаяся в значительном снижении σ_сж.

Увеличение хрупкости мяса рыбы при температуре ниже -80°С объясняется механическими повреждениями макроструктуры мяса рыбы, возникающими вследствие возрастающих в нем напряжений.

На механические свойства мяса рыбы оказывает влияние также и состояние сырья, направляемого на замораживание. Предел прочности мышечной ткани рыбы в состоянии расслабления уменьшается на 20-40% по сравнению с рыбой, находящейся в состоянии окоченения. У рыбы, хранившейся в мороженом виде в течение 5 мес, предел прочности мяса меньше, чем у рыбы, замороженной сразу после вылова.

При температурах, обеспечиваемых на практике при замораживании рыбы (-18÷-25°С) и последующем холодильном хранении, пластичность мяса рыбы довольно велика.

Увеличение упругости мяса рыбы, а также хрупкости с понижением температуры можно использовать для измельчения мороженой рыбы в условиях отрицательных температур в машинах ударного действия и получать при этом фарш из рыбы по более простой технологии.

Теплофизические свойства

Наиболее важными показателями теплофизических свойств рыбы являются теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и энтальпия.

Теплофизические характеристики являются переменными и зависят от температуры, химического состава и свойств сырья. При положительных температурах теплофизические показатели рыбы меняются незначительно и их практически считают постоянными, зависящими в основном от содержания влаги и жира в продукте.

Превращение воды в лед при замораживании рыбы приводит к значительному изменению ее теплофизических свойств, так как свойства воды и льда весьма различны.

Удельная теплоемкость мороженой рыбы См [в Дж/(кг•К)] выражается формулой

где С_л - удельная теплоемкость льда, Дж/(кг•К) [С_л≈2,09 кДж/(кг•К)].

При тепловых расчетах процесса замораживания используют условную удельную теплоемкость, которая не включает теплоту фазового превращения воды. Условная удельная теплоемкость замороженных продуктов может быть подсчитана по формуле

где С_с, С_л, С_в - теплоемкость соответственно сухого вещества, льда и воды, кДж/(кг•К).

С понижением температуры продукта его теплоемкость уменьшается, так как теплоемкость льда меньше, чем воды. Для технических расчетов теплоемкость мороженой рыбы принимают равной 2 кДж/(кг•К).

Теплопроводность мороженой [в Вт/(м•К)] рыбы определяется по формуле

где λ₀ - теплопроводность продукта при криоскопической температуре, Вт/(м•К); А и В - коэффициенты, равные соответственно 0,669 и 0,148.

При вычислении коэффициента теплопроводности λ_м расчетную и криоскопическую температуры берут без знака минуса.

Для расчетов теплопроводность мороженой рыбы принимают равной 1,16 Вт/(м•К).

Температуропроводность мороженой рыбы а (в м²/с) при понижении ее температуры возрастает в связи с увеличением теплопроводности при одновременном уменьшении теплоемкости.

Температуропроводность мороженой рыбы определяется по формуле

Плотность мороженой рыбы в результате замораживания уменьшается, на 5-8%. С понижением температуры мороженой рыбы ее плотность изменяется незначительно в отличие от теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности.

Температуропроводность некоторых рыб приведена в табл. 18.

Таблица 18

Энтальпия рыбы зависит от ее химического состава, свойств и температуры.

При замораживании рыбы изменение энтальпии Д/м (в Дж/кг) в зависимости от температуры может быть выражено формулой

где t_з - температура замерзания тканевого сока рыбы (криоскопическая температура), K.

В табл. 19 приведены значения энтальпии некоторых жирных и тощих рыб. За нуль принята температура -20°С.

Таблица 19

Биохимические и физико-химические свойства

Основными причинами, вызывающими изменения биохимических и физико-механических свойств рыбы при замораживании, являются: механическое разрушение структуры мышечной ткани кристаллами льда, образующимися при замерзании воды, денатурация белков мяса рыбы под действием гипертонических растворов солей, концентрация которых увеличивается по мере вымораживания воды, распад некоторых химических веществ, содержащихся в мясе рыбы.

Изменение свойств мяса рыбы при замораживании в значительной степени зависит от изменения свойств ее мышечных белков, степени их денатурации. Денатурация белков сопровождается уменьшением их растворимости, способности к набуханию и обусловливает ухудшение качества мороженой рыбы по сравнению со свежей. Мясо рыбы становится сухим и жестким.

Степень денатурационных изменений белков мышечной ткани рыбы при замораживании определяется условиями замораживания и в основном продолжительностью нахождения рыбы в интервале температур от криоскопической до -5°С, а также исходным состоянием сырья перед замораживанием. Для максимального сохранения свойств мяса рыбы при замораживании следует возможно быстрее проходить указанную температурную криоскопическую зону, при которой происходит максимальная денатурация белка.

Быстрое замораживание мышечной ткани рыбы вызывает меньшую денатурацию ее белков, чем медленное. Снижение температуры рыбы до -20°С приводит к уменьшению денатурации ее мышечных белков. Денатурационные изменения белков при замораживании рыбы приводят к уменьшению их гидрофильных свойств, что наряду с механическим повреждением мышечной ткани кристаллами льда оказывает влияние, на потери мышечного сока при размораживании рыбы и влагоудерживающую способность мышечной ткани.

Потери мышечного сока зависят в первую очередь от скорости процесса замораживания. При быстром замораживании потери мышечного сока меньше, а влагоудерживающая способность мышечной ткани выше, чем при медленном замораживании.

Гидрофильные свойства мышечной ткани мороженой рыбы зависят от ее посмертного состояния. При замораживании рыбы в стадии посмертного окоченения влагоудерживающая способность ее мышечной ткани снижается более значительно, чем при замораживании рыбы до наступления посмертного окоченения^или сразу же после его разрешения. При этом наблюдаются и более высокие ^отери мышечного сока.

Вместе с мышечным соком при размораживании мороженой рыбы теряются растворимые белки, небелковые азотистые вещества, углеводы и их производные, минеральные соли и витамины.

Кроме того, вследствие потери мышечного сока внешний вид рыбы, ее консистенция ухудшаются.