Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
с 01.01.2021 по настоящее время
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Цель исследования – изучение воздействия критических высокоположительных и низкоотрицательных температур внешней среды на термодинамические параметры сгущенного цельного молока с сахаром (СЦМС), упакованного в жестебанки, помещенные в транспортную тару. Задачи: определение значений среднеобъемных температур СЦМС в зависимости от типа теплового воздействия; установление влияния месторасположения продукта в транспортной упаковке на среднюю скорость нагревания/охлаждения пищевой системы; выявление величин критериев кристаллизации влаги. Объект исследования – СЦМС, упакованное в жестебанки, которые были помещены в транспортную упаковку. Измерение среднеобъемной температуры проводили термографическим способом с помощью логгера. Применяли 4 цикла теплового воздействия, °С: [+5↑+50↓+5], [+5↑+50↓–50↑+5], [+5↓–50↑+5], [+5↓–50↑+50↓+5]. Для диапазона 100 °C установлено почти в 2 раза повышение средней скорости (1,6–2,6 °C/ч) при нагревании [–50↑+50] по отношению к средней скорости (0,8–1,3 °C/ч) при охлаждении [+50↓–50], что обусловлено состоянием каждого компонента сгущенной молочно-сахарной системы в конкретной температурной точке. При [+5↑+50↓+5] или [+5↓–50↑+5] для центральных банок среднего ряда продолжительность воздействия была меньше (58 ч 28 мин 48 с и 115 ч 19 мин 12 с), чем для банок из верхнего ряда (78 ч 25 мин 00 с и 124 ч 06 мин 24 с). При [+5↑+50↓–50↑+5] наибольшая продолжительность процесса наблюдалась в потребительской упаковке среднего ряда. Для этой же жестебанки выявлена наименьшая продолжительность при воздействии температур в противоположном порядке. В цикле нагревание-замораживание отмечено понижение температуры зародышеобразования и фазового перехода для центрального и периферийного положений в потребительской упаковке и понижение указанных термодинамических характеристик в потребительской упаковке внутри групповой для верхнего ряда, но повышение – для среднего. В цикле замораживание-нагревание в потребительской упаковке внутри групповой наблюдалась классическая модель замораживания с понижением температуры зародышеобразования и фазового перехода.
сгущенное молоко с сахаром, критические температурные воздействия, среднеобъемные температуры, фазовые переходы
Введение. Сгущенное молоко с сахаром (СМС) относится к группе высококалорийных молочных продуктов, пользуется несомненным спросом у населения и востребовано в качестве сырьевого компонента в различных отраслях пищевой промышленности за счет удобства и многофункциональности использования при переработке и возможности его длительного хранения [1, 2]. В 2022 г. в России изготовлено 677 млн условных банок (100,3 % по отношению к 2021 г.) сгущенных консервов, производство которых стабильно налажено или освоено предприятиями, расположенными во всех федеральных округах нашей страны, однако основной объем выпуска сосредоточен в Центральном (более 60 %) и Сибирском (более 20 %) федеральных округах [3]. Также следует отметить, что СМС, упакованное в металлические банки, входит в номенклатуру продовольственной продукции, предназначенной для создания государственного резерва, обеспечивающего отечественную экономическую безопасность [1, 2].
Качество СМС зависит не только от строгого соблюдения требований к используемому сырью и параметрам технологических этапов производства, но и температурных режимов его транспортирования и хранения. Несоблюдение перечисленных условий может стать причиной возникновения пороков различной природы происхождения и интенсивности, а также появления брака [4, 5].
Российская Федерация является крупнейшим в мире трансконтинентальным, межокеаническим и многососедским государством. Ввиду особенностей его экономико-географического положения и современной трансформации геополитического состояния металлические банки со СМС при транспортировании как внутри страны, так и при кардинально измененной в настоящее время логистике экспортных поставок могут пересекать несколько климатических зон, в т. ч. тропическую и полярную, имеющих между собой значительные температурные градиенты, значения которых в определенные сезоны года могут существенно выходить за рамки требований действующей нормативно-технической документации в части условий транспортирования и хранения указанной консервированной продукции. Это может привести к деградации качества, вследствие чего будет нанесен ущерб экономическому состоянию и деловой репутации производителя [6–9].
Действующей типовой технологической инструкцией по производству СМС в соответствии с ГОСТ 31688-2012 рекомендован широкий диапазон сроков годности и условий хранения продукта [5, 10]. Однако в документе не приведено специальных требований или рекомендаций при его транспортировании в регионы, где температуры внешней среды могут достигать критически отрицательных или положительных значений (–50 или 50 °С соответственно). При этом следует отметить, что, например, при внутрироссийских железнодорожных перевозках отменены предельные сроки доставки грузов, не учитываются периоды года и климатические зоны. Все негативные последствия по транспортированию учитываются грузоотправителем и согласовываются грузополучателем в договоре между ними. Несмотря на наличие широкого спектра рефрижераторного или иного специализированного транспорта, для многих отечественных производителей использование таких средств доставки является существенной статьей затрат, в результате чего они отказываются от реализации продукта в регионы с очень жарким или холодным климатом либо используют традиционные виды транспорта без наличия изотермических конструкций [7, 8].
В этой связи СМС из-за температурных перепадов между ним и внешней средой с критическими температурами может быть подвержено изменению качественных характеристик. Более того, в зависимости от характера и интенсивности теплового потока и местоположения продукта каждая «точка» пищевой системы в индивидуальной упаковке будет обладать определенными термодинамическими значениями, которые в свою очередь будут определять состояние системы в целом. Изучение параметров термодинамических процессов имеет важное значение для понимания изменений биомолекулярных и биотехнологических свойств СМС, особенно в аспекте его способности к последующему длительному хранению.
Анализ специализированной научно-технической литературы выявил незначительное количество систематизированных исследований консервированной молочной продукции при хранении в условиях критически низких или высоких температур [11].
В монографии [5] авторами приведена информация, что уже через один месяц хранения при 35–37 °С сгущенное цельное молоко с сахаром (СЦМС) не соответствует стандарту, поскольку приобретает вкус и запах карамели за счет интенсивного протекания реакции Майяра, титруемая кислотность повышается вследствие смещения кислотно-основного баланса в кислую область из-за частичного экранирования аминогрупп аминокислот.
В работе [12] представлены результаты изучения влияния положительных температур (25, 35 и 45 °С) на качество СЦМС в процессе хранения. В образцах после трех месяцев выдержки при 45 °С выявлены существенные изменения вкуса и цвета, повышение титруемой кислотности с 39,0 до 50,5 °Т, значительное повышение вязкости, определить которую стандартизованным методом даже не представилось возможным. Также установлено незначительное увеличение доли ненасыщенных жирных кислот, в частности олеиновой кислоты (на 28 %), уменьшение индекса насыщенности жирных кислот с 1,96 до 1,79–1,82, что может свидетельствовать о наличии процессов окисления и прогоркания.
Для предотвращения негативного воздействия повышенных температур (выше 25 °С) при транспортировании и хранении СЦМС учеными [4] предложены некоторые рекомендации (использовать сахар-песок с содержанием редуцирующих веществе не более 0,04 %, готовить сахарный сироп не более 65 %-й концентрацией и незамедлительно добавлять его в сгущенную смесь, применять аскорибновую кислоту и пр.), которые позволят снизить долю инвертного сахара до 0,6 % и остановить потемнение продукта.
Автором [13] проведены исследования качественных показателей СЦМС в течение трех лет хранения при отрицательных температурных режимах: (–10 ± 2) и (–25 ± 2) °С. Установлено падение интенсивности протекания окислительных и гидролитических процессов в 3 раза, результатом чего явилось сохранение (более чем в 1,3 раза) биологической ценности белка. По окончании хранения существенных различий в образцах не выявлено. Органолептические показатели соответствовали стандарту. Максимальные значения основных физико-химических показателей не превышали установленных норм: титруемая кислотность составляла 40,5 °Т, динамическая вязкость – 13,7 Па·с, средний размер кристаллов лактозы – 7,4 мкм. Шестикратное замораживание до (–25 ± 2) °С и нагревание до (10 ± 2) °С также не имело отрицательного воздействия на показатели продукта (37,0 °Т, 3,9 Па·с, 9,1 мкм соответственно). Автором определена криоскопическая температура свежевыработанного СЦМС: –26–29 °С (в зависимости от состава продукта).
Исследователями [11, 14] приведены результаты анализа моделирования ситуации воздействия колебаний отрицательных температур (с замораживанием до –95 °С) на состояние СЦМС и его растворов-аналогов различной концентрации (сахарных, сахарно-молочных, молочных). Установлена потеря текучести СЦМС при температуре хранения –30 °С в течение 2 ч и при температуре –35 °С – через 54 мин. Для более глубокого изучения фазовых переходов авторами применен метод дифференциальной сканирующей калориметрии. Подобраны три температурные программы (стандартная, модифицированная и циклическая), различающиеся циклами нагревания/охлаждения при различных скоростях и величинах. Продукт температурой 20 °С после критического замораживания до –95 °С, дальнейшего нагревания до –35 °С, последующего охлаждения до –75 °С, а затем нагревания до 30 °С (циклическое температурное воздействие) имел следующие значения показателей: криоскопическая температура составила (–32,2 ± 0,2) °С; температура стеклования – минус 47,3 °С; энтальпия плавления – 20,5 Дж/г. При этом 6,1 % массовой доли влаги перешло в замороженное состояние.
В работе [15] представлены результаты длительного хранения большого ассортимента продовольственных товаров, в т. ч. СЦМС, в условиях вечной мерзлоты, где температура промерзания грунта опускается до –30 °С. Образцы СЦМС были заложены в два этапа. После 6- и 30-летнего хранения при нерегулируемых температурных условиях в СЦМС обнаружены незначительные изменения органолептических и физико-химических показателей (повышение титруемой кислотности до 48 °Т, что не превышает нормы). На показатели безопасности экстремальное хранение не повлияло.
Таким образом, важность исследований изменений качества СЦМС под действием различных условий хранения не вызывает сомнений, несмотря на их фрагментарность. В связи с этим получение новых знаний о влиянии критических температур внешней среды на состояние СЦСМ является актуальным.
Цель исследования – изучение воздействия критических температур внешней среды в диапазоне от –50 до 50 °С на термодинамические параметры СЦМС, упакованного в металлические банки для консервов, помещенные в транспортную тару.
Задачи: определение значений среднеобъемных температур СЦМС в зависимости от типа теплового воздействия; установление влияния месторасположения продукта в транспортной упаковке на среднюю скорость нагревания/охлаждения пищевой системы; выявление величин критериев кристаллизации влаги.
Объекты и методы. Объектом исследования являлось промышленно выработанное СЦМС по ГОСТ 31688-2012, упакованное в металлические банки для консервов № 7, которые в свою очередь были помещены в транспортную упаковку (картонную коробку) в три ряда (верхний, средний, нижний) по 15 шт. Картонную коробку с банками закрепляли на специально спроектированной подвеске климатической камеры СМ-70/150-250ТВХ. Измерение среднеобъемной температуры в банках проводили термографическим способом с помощью зондов четырехканального логгера данных температуры Testo 176 T4, установленных в центрально (Ц) и периферийно (П) расположенных банках верхнего или среднего ряда в центральной (Центр) и периферийной (Периферия) точках внутри этих банок, т. е. в четырех позициях. Начальная среднеобъемная температура образцов составляла (5,0 ± 0,1) °С. Для исследований изменений среднеобъемных температур использовали следующие четыре цикла теплового воздействия в следующих последовательностях:
– цикл [+5↑+50↓+5] – нагревание от 5 до 50 °С, затем охлаждение до 5 °С;
– цикл [+5↑+50↓–50↑+5] – нагревание от 5 до 50 °С, затем охлаждение до –50 °С, нагревание до 5 °С;
– цикл [+5↓–50↑+5] – охлаждение от 5 до –50 °С, затем нагревание до 5 °С;
– цикл [+5↓–50↑+50↓+5] – охлаждение от 5 до –50 °С, затем нагревание до 50 °С, охлаждение до 5 °С.
Для расчетов были взяты только отрезки времени, в которых происходило изменение температуры. Продолжительность достижения образцами стабилизации температуры не учитывалась.
Результаты и их обсуждение. Анализ результатов исследований среднеобъемных температур СЦМС в транспортной упаковке выявил различные тенденции изменения средней скорости протекания процессов нагревания/охлаждения и нагревания/охлаждения/нагревания образцов как в центральных и периферийных точках потребительской упаковки, так и банках верхнего и среднего рядов (рис. 1). При нагревании от 5 до 50 °С, от –50 до 5 °С и охлаждении от 50 до 5 °С, т. е. при перепадах температур в 45–55 °С, независимо от расположения банок внутри транспортной упаковки, не наблюдалось значительных расхождений в средней скорости нагревания или охлаждения (не более 0,1 °C/ч) между центральной и периферийной точками банок. При этом средняя скорость повышения или понижения температуры периферийных банок во всех рядах была выше на 0,4–0,6 °С/ч по отношению к расположенным в центре.
|
А |
Б |
||
|
|
|
||
|
|
П-Периферия [+5↑+50↓+5] |
|
П-Периферия [+5↑+50↓–50↑+5] |
|
|
П-Центр [+5↑+50↓+5] |
|
П-Центр [+5↑+50↓–50↑+5] |
|
|
Ц-Периферия [+5↑+50↓+5] |
|
Ц-Периферия [+5↑+50↓–50↑+5] |
|
|
Ц-Центр [+5↑+50↓+5] |
|
Ц-Центр [+5↑+50↓–50↑+5] |
Рис. 1. Кинетика изменения среднеобъемных температур СЦМС в групповой упаковке
при начальных положительных критических температурах внешней среды:
А – для верхнего ряда банок; Б – для среднего ряда банок
Например, при нагревании от –50 до 5 °С для верхнего ряда средняя скорость нагревания периферийной банки составляла 2,0 и 1,9 °C/ч на периферии и в центре банки (соответственно), а центральной банки – только 1,5 °С/ч в обеих точках. Для среднего ряда средняя скорость нагревания периферийной банки как в ее центре, так и на периферии была немного ниже (1,8 °C/ч), центральной банки – 1,4 °C/ч. Значения средней скорости нагревания или охлаждения банок одинакового местоположения в верхнем и среднем рядах не превышали 0,2 °C/ч. Следует отметить, что для всех банок нагревание из зоны отрицательной температуры от –50 до 5 °С происходило быстрее, чем нагревание при первоначально положительном значении температуры внешней среды от 5 до 50 °С, даже несмотря на разницу диапазонов в 10 °С. Средняя скорость нагревания банок была выше в 1,8–1,9 раза. Так, для режима от –50 до 5 °С средняя скорость нагревания потребительской упаковки верхнего ряда на периферии в центре банки составляла 1,9 °C/ч, а для режима от 5 до 50 °С – только 1,0 °C/ч. Для среднего ряда – 1,8 и 1,0 °C/ч соответственно.
Перепад температур в 100 °С при охлаждении от критических положительных (50 °C) до критических отрицательных (–50 °C) температур увеличил разницу между средними скоростями в центральной и периферийной точках потребительской упаковки до 0,3–0,4 °C/ч. При этом минимальная средняя скорость 0,8 °C/ч была определена в банке в положении Ц-Центр среднего ряда, что связано с самой длительной продолжительностью охлаждения (113 ч 45 мин) в диапазоне начальных положительных температур внешней среды от 5 до 50 °C в цикле [+5↑+50↓–50↑+5].
На рисунке 2 представлены термограммы измерения среднеобъемных температур образцов, для которых начальным экспериментальным этапом было охлаждение их от 5 °C до –50 °C.
|
А |
Б |
|||
|
|
|
|||
|
|
П-Периферия [+5↓–50↑+5] |
|
П-Периферия [+5↓–50↑+50↓+5] |
|
|
|
П-Центр [+5↓–50↑+5] |
|
П-Центр [+5↓–50↑+50↓+5] |
|
|
|
Ц-Периферия [+5↓–50↑+5] |
|
Ц-Периферия [+5↓–50↑+50↓+5] |
|
|
|
Ц-Центр [+5↓–50↑+5] |
|
Ц-Центр [+5↓–50↑+50↓+5] |
|
Рис. 2. Кинетика изменения среднеобъемных температур СЦМС в групповой упаковке
при начальных отрицательных критических температурах внешней среды:
А – для верхнего ряда банок; Б – для среднего ряда банок
Для всех изменений температур от 5 до –50 °С, от –50 до 50 °С и от 50 °С до 5 °С, т. е. интервалов в 55; 100; 45 °C соответственно, расхождение значений средних скоростей в периферийной и центральной точках банок, расположенных на периферии или в центре верхнего или среднего ряда, не превышало 0,1 °C/ч. Разница в средней скорости изменения температуры в периферийных и центральных банках обоих рядов имела широкий диапазон: при охлаждении от 5 до –50 °С – 0,1–0,2 °C/ч, при охлаждении от 50 до 5 °С – 0,6–0,9 °C/ч. Для всех банок охлаждение из зоны критической положительной температуры от 50 до 5 °С происходило в разы быстрее (2,7–3,5), чем от 5 до –50 °С, хотя разница диапазонов уменьшилась только на 10 °С.
Перепад температур в 100 °С при нагревании от –50 до 50 °С был быстрее преодолен в банках, расположенных в среднем ряду, при этом средняя скорость изменения температуры на периферии составляла 2,5–2,6 °C/ч, в центре – 2,1–2,5 °C/ч. Для верхнего ряда этот параметр имел значения 1,6 (периферия) и 1,8 °C/ч (центр). Самая длительная продолжительность нагревания (59 ч 54 мин 00 с) наблюдалась в точке П-Периферия при скорости 1,6 °C/ч.
При оценке воздействия циклов при начальных стадиях нагревания или охлаждения установлены различия в продолжительности и скорости изменения температур в зависимости от месторасположения банок (см. рис. 1, 2). В таблице 1 представлены суммарные продолжительности всех этапов температурных воздействий на потребительскую упаковку в точке Ц-Центр. При этом следует отметить, что температура в каждом положении при охлаждении до критических температур могла достигать близкого значения к –50 °C, отличаясь от него на 3–4 °C. Достижение заданной температуры вызывало значительный прирост в значении продолжительности, несмотря на то, что разница между температурой внутри банки и окружающей средой камеры отличались незначительно.
Таблица 1
Продолжительность температурного воздействия в точке Ц-Центр
|
Ряд |
Продолжительность температурного воздействия в циклах (часы : минуты : секунды) |
|||
|
[+5↑+50↓+5] |
[+5↑+50↓–50↑+5] |
[+5↓–50↑+5] |
[+5↓–50↑+50↓+5] |
|
|
Верхний |
78 : 25 : 00 |
168 : 01: 48 |
124 : 06 : 24 |
161 : 26 : 12 |
|
Средний |
58 : 28 : 48 |
183 : 46 : 12 |
115 : 19 : 12 |
136 : 57 : 00 |
Данные, представленные в таблице 1, свидетельствуют о зависимости продолжительности циклов теплового воздействия от физического состояния СЦМС в целом, которое является сложной пищевой системой, а также от теплофизических характеристик, в частности от теплопроводности, отдельных его составных частей (жира, белка, углеводов, влаги, макро- и микроэлементов). Например, теплопроводность жира составляет 0,165–0,185 Вт/м·К; лактозы – 0,931; сахарозы – 0,580; воды – 0,395–0,523; льда – 2,250–2,384 Вт/м·К, значения которых, кроме льда, с повышением температуры увеличиваются. Для СЦМС этот показатель равен 0,230–0,310 Вт/м·К [2, 16].
При нагревании или охлаждении до критических температур (50 или –50 °C соответственно) и возвращении температуры до первоначального значения 5 °C для центральных банок среднего ряда продолжительность воздействия была меньше, чем для соответствующей банки из верхнего ряда. При многоэтапном влиянии температур [+5↑+50↓–50↑+5] наибольшая продолжительность наблюдалась в потребительской упаковке среднего ряда. Также в этой же банке выявлена наименьшая продолжительность при воздействии температур в противоположном порядке [+5↓–50↑+50↓+5]. Одним из доказательств влияния состояния составных частей СЦМС, в т. ч. влаги, содержание которой в продукте составляет 26,5 %, на продолжительность процесса является сравнение продукта с водой. Известен парадокс Мпембы, заключающийся в более быстром замерзании горячей воды, чем холодной. Единой версии объяснения этого эффекта не существует [17]. Применительно к СЦМС наблюдалась аналогичная зависимость. Продукт с более высокой начальной температурой 50 °C по сравнению с продуктом с исходной температурой 5 °C обладал более высокой средней скоростью достижения замороженного состояния во всех исследуемых точках.
Сравнение средних скоростей нагревания или охлаждения центральных и периферийных точек банок (независимо от их расположения в транспортной упаковке) не выявило существенных расхождений (не более 0,1 °C/ч), что обусловлено незначительным расстоянием для теплопередачи между этими точками (радиус банки 38 мм) по отношению к габаритам транспортной упаковки и климатической камеры. При исследовании отдельных банок в аналогичных условиях авторами данной статьи были получены большие различия в средних скоростях, достигавшие разницы в 2–3 °C/ч.
При равных диапазонах начальная критическая температура в циклах нагревания от –50 до 50 °C и охлаждения от 50 до –50 °C играла значимую роль. Установлена тенденция увеличения средней скорости нагревания (1,6–2,6 °C/ч) почти в 2 раза по отношению к средней скорости охлаждения (0,8–1,3 °C/ч), что обусловлено состоянием (кристаллическим или растворенным) каждого компонента сгущенной молочно-сахарной системы в конкретной температурной точке.
На рисунках 1 и 2 в процессе охлаждения в зоне отрицательных температур отмечены ярко выраженные этапы замораживания продукта, включающие: стадию предварительного замораживания (достижение температуры зародышеобразования льда и криоскопической температуры); стадию замораживания (массовое фазовое превращение воды в лед – фазовый переход); стадию дальнейшего снижения температуры до требуемой конечной, что согласуется с данными [14]. Результаты исследований критериев кристаллизации влаги представлены в таблице 2.
В центре потребительской упаковки по отношению к ее периферийной точке (для центральной консервной банки в транспортной упаковке верхнего и среднего ряда) все значения термодинамических показателей были выше или практически равны вне зависимости от последовательности теплового воздействия, что объясняется достижением критического значения концентрации вымороженной влаги и инициации фазового перехода одновременно при более низких температурах для периферии (например, –23,7 °C для средних рядов в циклах [+5↑+50↓–50↑+5] и [+5↓–50↑+50↓+5]) и при более высоких – для центра (–22,8–22,9 °C). Данный эффект связан с охлаждением СЦМС от периферии к центру потребительской упаковки.
Таблица 2
Критерии кристаллизации влаги в СЦМС
|
Номер рисунка |
Модель теплового воздействия |
Температура зародышеобразования кристаллов льда, °C |
Температура фазового перехода воды в лед, °C |
Степень переохлаждения, °C |
Продолжительность фазового перехода, ч : мин : с |
|
1, А |
П-Периферия [+5↑+50↓–50↑+5] |
–26,3 |
–26,2 |
0,1 |
0:23:24 |
|
П-Центр [+5↑+50↓–50↑+5] |
–28,1 |
–27,5 |
0,6 |
0:10:48 |
|
|
Ц-Периферия [+5↑+50↓–50↑+5] |
–22,8 |
–22,3 |
0,5 |
0:39:00 |
|
|
Ц-Центр [+5↑+50↓–50↑+5] |
–22,8 |
–22,2 |
0,6 |
1:12:00 |
|
|
1, Б |
П-Периферия [+5↑+50↓–50↑+5] |
–25,2 |
–25,0 |
0,2 |
0:23:24 |
|
П-Центр [+5↑+50↓-50↑+5] |
–24,1 |
–23,4 |
0,7 |
0:57:36 |
|
|
Ц-Периферия [+5↑+50↓–50↑+5] |
–23,8 |
–23,7 |
0,1 |
0:30:00 |
|
|
Ц-Центр [+5↑+50↓–50↑+5] |
–23,3 |
–22,8 |
0,5 |
1:01:48 |
|
|
2, А |
П-Периферия [+5↓–50↑+50↓+5] |
–24,5 |
–24,4 |
0,1 |
0:48:00 |
|
П-Центр [+5↓–50↑+50↓+5] |
–23,4 |
–23,1 |
0,3 |
1:14:30 |
|
|
Ц-Периферия [+5↓–50↑+50↓+5] |
–22,9 |
–22,8 |
0,1 |
0:33:00 |
|
|
Ц-Центр [+5↓–50↑+50↓+5] |
–22,6 |
–22,5 |
0,1 |
1:33:00 |
|
|
2, Б |
П-Периферия [+5↓–50↑+50↓+5] |
–25,7 |
–25,6 |
0,1 |
0:25:48 |
|
П-Центр [+5↓–50↑+50↓+5] |
–24,2 |
–23,9 |
0,3 |
0:55:12 |
|
|
Ц-Периферия [+5↓–50↑+50↓+5] |
–23,9 |
–23,7 |
0,2 |
1:16:12 |
|
|
Ц-Центр [+5↓–50↑+50↓+5] |
–23,5 |
–22,9 |
0,6 |
1:27:00 |
Анализ влияния периферийного положения потребительской упаковки в групповой позволил выявить, что в цикле [+5↑+50↓-50↑+5] для продукта аналогичная закономерность сохранялась для среднего ряда. Для продукта, расположенного в верхнем ряду от периферии к центру, было выявлено понижение значений температуры зародышеобразования и фазового перехода, что характерно для классической модели замораживания, при одновременном повышении показателей степени переохлаждения. Это явно свидетельствует о различии характеров процесса теплопередачи для среднего и верхнего ряда. В связи с этим является закономерным, что ряд, занимаемый продуктом в потребительской упаковке внутри групповой упаковки, влияет на термодинамические характеристики системы продукта по-разному. Так, в цикле [+5↑+50↓–50↑+5] для продукта в периферийных и центральных точках потребительской упаковки в периферийном положении в среднем ряду внутри групповой упаковки наблюдались более высокие температуры зародышеобразования
(–24,1 и –25,2 °C) и фазового перехода (–23,4 и –25,0 °C) по сравнению с верхним рядом, где температура зародышеобразования составляла –28,1 и –26,3 °C, а температура фазового перехода была –27,5 и –26,2 °C соответственно. Однако обратная закономерность наблюдалась для продукта в потребительской упаковке в центральном положении внутри групповой упаковки: в среднем ряду температуры зародышеобразования были –23,3 и –23,8 °C, а фазового перехода была –22,8 и –23,7 °C, которые снижались по сравнению с верхним рядом (температура зародышеобразования была –22,8 °C и фазового перехода была –22,2 и –22,3 °C). Приведенная разнонаправленность, вероятно, связана с неконтролируемым процессом кристаллизации, особенностями состояния системы в каждой точке групповой упаковки.
В свою очередь, в цикле [+5↓–50↑+50↓+5] в продукте не происходило перехода кристаллов углеводов в растворимую форму и их повторной неконтролируемой кристаллизации, вследствие чего наблюдалась классическая модель замораживания, в которой процесс идет от периферии к центру, т. е. от верхнего ряда к среднему с понижением температуры зародышеобразования и фазового перехода. Классическая модель замораживания [18] предусматривает сначала замораживание слоя, находящегося на границе раздела фаз с теплообменной стенкой, которое вызывает увеличение концентрации в данном объеме системы (периферии в описываемом исследовании) по сравнению с соседним подобным объемом (центром в описываемом исследовании). В свою очередь, повышенная концентрация в объеме, близком к теплообменной стенке (периферии в описываемом исследовании), способна инициировать диффузионное перемещение растворенного вещества от границы раздела внутрь объема продукта, что вызовет неоднородность термодинамических характеристик по всему объему. Данное явление также наблюдалось в сравнении периферийного и центрального положения в результатах проведенных исследований.
Кроме этого, следует отметить, что даже при возможном исключении диффузионных перемещений внутри системы СЦМС по причине первоначально высокой концентрации системы в сравнении, например, с другими менее концентрированными молочными продуктами (кисломолочные продукты, молочная сыворотка и др.) по принципу локального равновесия «два разных объема» в системе СЦМС будут все равно иметь разные параметры равновесного состояния, к которому они стремятся при осуществлении процесса теплопередачи.
Заключение. Под воздействием критических температур внешней среды выявлены различные тенденции изменений среднеобъемных температур и термодинамических показателей СЦМС в зависимости от местоположения потребительской упаковки в транспортной таре, а также в центральных и периферийных точках потребительской упаковки.
Проанализирована роль начального этапа (зон положительных или отрицательных критических температур) при исследовании продукта в диапазоне 100 °C (от –50 до 50 °C). Установлена тенденция увеличения средней скорости нагревания (1,6–2,6 °C/ч) почти в 2 раза по отношению к средней скорости охлаждения (0,8–1,3 °C/ч), что обусловлено состоянием (кристаллическим или растворенным) каждого компонента сгущенной молочно-сахарной системы в конкретной температурной точке.
При нагревании или охлаждении до критических температур (50 или –50 °C соответственно) и возвращении температуры до первоначального значения 5 °C для центральных банок среднего ряда продолжительность воздействия была меньше, чем для соответствующей банки из верхнего ряда. При многоэтапном влиянии температур [+5↑+50↓–50↑+5] наибольшая продолжительность процесса наблюдалась в потребительской упаковке среднего ряда. Для этой же упаковки выявлена наименьшая продолжительность (136 ч 57 мин 00 с) при воздействии температур цикла [+5↑–50↓+50↑+5].
В потребительской упаковке внутри групповой тары наблюдалось изменение характера замораживания в зависимости от последовательности циклов теплового воздействия. В цикле нагревание-замораживание [+5↑+50↓–50↑+5] по сравнению с обратным циклом [+5↓–50↑+50↓+5] отмечено понижение температуры зародышеобразования льда и фазового перехода для центрального и периферийного положений в потребительской упаковке и понижение указанных термодинамических характеристик в потребительской упаковке внутри групповой для верхнего ряда, но повышение – для среднего. В цикле замораживание-нагревание [+5↓–50↑+50↓+5] в продукте в потребительской упаковке внутри групповой наблюдалась классическая модель замораживания, в которой изменения параметров состояния системы происходили от верхнего ряда к среднему с понижением температуры зародышеобразования и фазового перехода.
1. Исследование влияния белкового профиля на кристаллообразование в модельных молочных системах с промежуточной влажностью / С.Н. Туровская [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2022. № 12 (189). С. 237–247. DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2022-12-237-247.
2. Теория и практика молочноконсервного производства / А.Г. Галстян [и др.]. М., 2016. 181 с.
3. Горощенко Л.Г. Динамика производства сгущенного молока в 2022 г. // Молочная промышленность. 2023. № 4. С. 17.
4. Петров А.Н., Радаева И.А., Шепелева Е.В. Методология формирования органолептических свойств консервов на молочной основе: монография. Кемерово, 2013. 232 с.
5. Голубева Л.В., Чекулаева Л.В., Полянский К.К. Хранимоспособность молочных консервов. Воронеж, 1999. 136 с.
6. Логистика изначально была болевой точкой [Электронный ресурс]. URL: https://dairy-news.today/news/logistika-iznachalno-byla-bolevoy-tochkoy-kak-otra.html (дата обращения: 18.08.2023).
7. Температурные колебания системы «продукт – охлаждающая среда» на завершающем этапе холодной цепи / А.А. Грызунов [и др.] // Молочная промышленность. 2023. № 4. С. 55–57. DOI:https://doi.org/10.31515/1019-8946-2023-04-55-57.
8. Misiou O., Koutsoumanis K. Climate change and its implications for food safety and spoilage // Trends in Food Science & Technology. 2021. Vol. 126. P. 142–152. DOI:https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.03.031.
9. Modern approaches to storage and effective processing of agricultural products for obtaining high quality food products / A.G. Galstyan [et al.] // Herald of the Russian Academy of Sciences. 2019. Vol. 89, Iss. 2. P. 211–213. DOI:https://doi.org/10.1134/S1019331619020059.
10. Рябова А.Е., Петров А.Н., Пряничникова Н.С. Актуализация сроков годности и условий хранения молочных консервов: изменения в действующие инструкции // Переработка молока. 2023. № 8. С. 25. DOI:https://doi.org/10.33465/2222-5455-2023-8-25.
11. Рябова А.Е. Исследование теплофизических свойств сгущенного молока с сахаром // Пищевая промышленность. 2023. № 2. С. 52–55. DOI:https://doi.org/10.52653/PPI.2023.2.2.012.
12. Гурьева К.Б., Иванова Е.В., Тюгай О.А. Изучение влияния температурный параметров на качество молочных консервов «Молоко цельное сгущенное с сахаром» // Товаровед продовольственных товаров. 2019. № 7. С. 55–61.
13. Павлова Ю.В. Длительное хранение сгущенного молока с сахаром при отрицательных температурах: автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1991. 21 с.
14. Ryabova A.E., Tolmachev V.A., Galstyan A.G. Phase transitions of sweetened condensed milk in extended storage temperature ranges // Food Processing: Techniques and Technology. 2022. Vol. 52, Iss. 3. P. 526–535. DOI:https://doi.org/10.21603/2074-9414-2022-3-2379.
15. Уланин С.Е., Белецкий С.Л. Длительное хранение продовольственных товаров в условиях вечной мерзлоты // Пищевая промышленность. 2018. № 4. С. 47–51.
16. Чубик И.А., Маслов А.М. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. М.: Пищевая промышленность, 1970. 184 с.
17. Поливанов А.А., Колесниченко В.С. Некоторые парадоксы физики // Научное образование. Педагогические науки. 2019. № 4-3. С. 72–75.
18. Горбатова К.К. Химия и физика белков молока. М.: Колос, 1993. 192 с.
