Замораживание – процесс понижения температуры продукта, сопровождаемый переходом в лед почти всего количества содержащейся в нем воды. Замораживание существенно отличается от охлаждения и подмораживания. Оно обеспечивает большую стойкость продукта при хранении. Так, большинство скоропортящихся продуктов в замороженном состоянии могут успешно храниться в течение года и более.
При замораживании вода превращается в лед, что препятствует питанию микроорганизмов, резко сокращается скорость биохимических реакций в продукте. Превращение воды в лед родственно эффекту обезвоживания. В обоих случаях уменьшается количество воды. Различие состоит в том, что при замораживании влага не удаляется, а превращается в лед, в то время как при обезвоживании она удаляется. Подвергая продукт замораживанию и храня его в этом состоянии, стремятся сохранить его питательные и вкусовые свойства.
Все способы замораживания, как и при охлаждении, классифицируются по принципу отвода тепла.
В промышленности в зависимости от метода отвода тепла и типа хладоносителя группы скороморозильных аппаратов бывают:
- контактные (замораживание с погружением в криогенную жидкость или орошение ею),
- бесконтактные,
- воздушные,
- смешанного типа;
- в зависимости от ведения процесса замораживания – периодического и непрерывного действия;
- в зависимости от количества секций – односекционные (замораживание), двухсекционные (замораживание, хранение), трехсекционные (замораживание, хранение, размораживание).
При замораживании в воздухе продукты упаковываются в паронепроницаемые оболочки или замораживаются непосредственно в жидких, практически неиспаряющихся (хлористый натрий, хлористый кальций, пропиленгликоль, этиленгликоль и др.) и испаряющихся (углекислота, азот, фреон и др.) средах, а также в металлических закрытых формах или между металлическими охлаждаемыми поверхностями.
Замораживание при фазовом превращении используется ограниченно, т.е. в тех случаях, когда удаление влаги из продукта способствует проведению последующего процесса. Так, при сублимационной сушке на первом этапе под вакуумом из-за бурного испарения воды из продукта происходит быстрое понижение температуры с образованием кристаллов водяного льда, а затем уже из затвердевшего замороженного продукта под глубоким вакуумом осуществляется сублимация водяного льда и обеспечивается обезвоживание продукта.
Наиболее распространены способы замораживания, основанные на принципе передачи тепла продуктам теплопроводностью, конвекцией и теплообменом при фазовых превращениях.
Как правило, охлаждающей средой является воздух с различной скоростью движения и температурой –30…–40 °С. Замораживание осуществляется в морозилках камерного типа, в которых воздух движется со скоростью 1–2 м/с.
Для ускорения замораживания в таких камерах батареи размещаются поблизости от замораживаемого объекта. Лучший технологический эффект достигается при замораживании фасованных продуктов в различных морозильных аппаратах.
Также хороший эффект достигается при замораживании продуктов, обладающих малыми размерами, россыпью на охлаждающих поверхностях и в «кипящем» слое (метод флюндизации).
В аппаратах, замораживающих между металлическими плитами, используют продукты стандартной формы. Их помещают между двумя полыми металлическими плитами, внутри которых циркулирует хладагент или солевой раствор.
Тепло отбирается через слой металла, а не непосредственно у продукта. Подобные морозильные установки называются контактными морозильными установками, так как металлические плиты хорошо проводят тепло и образуют тепловой контакт между продуктом и хладагентом или производящим охлаждение раствором соли.
К достоинствам морозильных аппаратов этого класса относятся относительно быстрый процесс замораживания продукта, малые габариты, их можно монтировать в помещениях с комнатной температурой.
Способ одностороннего контактного замораживания продукта на металлической охлаждающей пластине использован в конструкциях ряда морозильных аппаратов. Но этот способ имеет недостатки: плохое использование поверхности продукта для активного теплообмена, увеличение продолжительности замораживания.
При двустороннем замораживании в активном теплообмене участвует 60–70% поверхности в зависимости от толщины слоя.
В настоящее время оборудование данного класса из-за низкой производительности и потребности в ручном труде постепенно вытесняется с крупных предприятий.
В аппаратах, замораживающих воздухом с принудительной циркуляцией, отвод тепла от продукта осуществляется за счет соприкосновения с ним потока холодного воздуха. Применение этих аппаратов обусловлено простотой их конструкции, универсальностью, а также хорошим качеством замороженных изделий.
При замораживании продуктов в потоке воздуха, направленном с одной стороны, не вся поверхность продукта участвует в активном теплообмене, в связи с чем не происходит равномерного замораживания. При замораживании продукта в поперечно-поточном потоке воздуха с перемещающимся направлением в активном теплообмене (через незначительные паузы) участвует вся поверхность продукта. При использовании низких отрицательных температур и достаточной скорости движения воздуха достигаются быстрое замораживание и равномерность образования льда.
При замораживании в «кипящем слое» достигают исключительного по скорости замораживания и сохранению качества эффекта за счет высокой скорости подаваемого под давлением холодного воздуха и омывания им всей поверхности взвешенных в потоке продуктов.
К сверхбыстрому способу относится замораживание в кипящих криогенных хладоносителях (жидкий азот, фреон и др.). В этом случае вся поверхность продукта участвует в теплообмене, а очень низкие температуры (температура кипения хладоносителя) обеспечивают замораживание за несколько минут.