Математическая модель процесса проникновения и перераспределения посолочных веществ в мышечной ткани

Как правило, для описания процесса посола мяса используют модель пористого тела. При этом считают, что при контакте с рассолом процесс набухания мяса происходит одновременно с проникновением посолочных ингредиентов. При движении жидкости в сквозных капиллярах под действием капиллярных сил скорость подъема жидкости в капилляре прямо пропорциональна радиусу капилляра (r), разности капиллярного и гидростатического давления и обратно пропорциональна высоте подъема жидкости (l) и динамической вязкости (μ) и определяется выражением:

где ΔР=Рк-Рг - разность капиллярного и гидростатического давления, и

s - поверхностное натяжение, q - краевой угол смачивания, l - длина пропитанного участка капилляра, r - плотность жидкости, t - время, g - ускорение свободного падения,  - угол наклона капилляра по отношению к горизонтальной плоскости. Из формулы (1) при условии dl/dt=0, следует, что предельное расстояние, на которое проникает жидкость, определяется выражением:

Тогда уравнение (1) с учетом (2) можно записать в виде:

где величина А является коэффициентом пропорциональности, связывающим скорость подъема жидкости в капилляре и разность между максимально возможным уровнем подъема жидкости в капилляре и реальным уровнем в фиксированный момент времени, и определяется выражением:

Однако уравнение (3) не учитывает множество горизонтальных пор, по которым распространяется часть рассола, что снижает скорость проникновения посолочных ингредиентов.

Принимая во внимание тот факт, что мясо является пористой системой с наличием множества капилляров как вертикальных, так и горизонтальных, формула (3) после ряда преобразований, учитывающих N вертикальных сквозных капиллярных каналов, которые связаны с системой боковых капилляров, приобретает следующий вид:

Интегрируя уравнение к начальным условиям, при t=0 и 1=0, получим:

Как видно из формулы (5), посол мяса осуществляется за счет капиллярных сил до тех пор, пока глубина проникновения рассола меньше . Если ширина куска мяса больше , то рассол проникает внутрь куска мяса, который находится за пределами , только за счет диффузии посолочных ингредиентов, то есть, механизм проникновения становится иным, существенно более медленным.

Осуществление процесса посола под вакуумом приводит к изменениям процесса проникновения и перераспределения посолочных ингредиентов в мышечной ткани. Это связано с тем, что в нашприцованном сырье, которое попадет в емкость для механической обработки, под влиянием вакуума радиус проколов будет больше, чем при атмосферном давлении. В этом случае формула (3) имеет следующий вид:

Начальные условия для нахождения продвижения рассола в горизонтальном канале выставляются отдельно по каждому слою, то есть t=t*; l₁=0, где t* момент времени, когда рассол по каналам достигнет высоты очередного слоя, то есть уровня

где Н - толщина куска мяса; i - количество слоев. Приближенно можно заменить член

на среднее значение тогда уравнение (6) интегрируется

На основании полученной формулы были проведены расчеты скорости проникновения посолочных ингредиентов в мясе различной пористости и при различном расстоянии между проколами в зависимости от степени разряжения (глубины вакуума) в емкости для посола и механической обработки мяса. Расчетные кривые представлены на рисунках 47 - 52. Из полученных кривых видно, что с увеличением степени разряжения ускоряется процесс проникновения посолочных ингредиентов.

Увеличение скорости проникновения посолочных ингредиентов в мясе с ростом разряжения в аппарате для посола и механической обработки связано с расширением диаметра для прокола в мясе при создании разряжения. Это объясняется увеличением "насосного" эффекта. При этом транспортирование жидкости внутрь мяса по вертикальным проколам усиливается, так как они расширились. Из полученных данных видно, что чем меньше расстояния между проколами, тем быстрее происходит просаливание, а разряжение еще больше ускоряет этот процесс.

Представленная выше модель процесса проникновения и перераспределения посолочных ингредиентов позволяет рассчитывать процесс просаливания в условиях механических воздействий. В результате механических воздействий в мясе образуются капиллярные каналы, пронизывающие мясо насквозь, только эти каналы будут иметь зигзагообразную форму. Однако, учитывая, что основной силой, препятствующей продвижению рассола является гравитационная сила, а перемещение рассола по горизонтали по ломанной линии будет незначительно отличаться от перемещения рассола по вертикальным проколам, представленная модель может быть использована для описания процесса прокола в условиях механической обработки мяса. Единственным условием для этого является необходимость определения среднего расстояния между образующимися каналами (Rcp) в горизонтальной плоскости и среднего радиуса (rcp) этих каналов. Данные значения необходимо выбирать из эмпирических зависимостей. При этом Rcp и rcр должны зависеть от времени механических воздействий, качественных характеристик мяса, технологических параметров.

Современные технологические приемы (механическая тендеризация, массирование, тумблирование, шприцевание рассолов, ферментация, электростимуляция) позволили сократить продолжительность посола мясного сырья с нескольких недель до нескольких десятков часов.

Возможность столь резкой интенсификации процесса распределения посолочных веществ, особенно в предварительно проинъецированном сырье, обусловлена тем, что механические воздействия обеспечивают не только ускорение диффузионного обмена и равномерное распределение посолочных веществ по объему, но и создают градиент давлений, от которого зависит фильтрационный перенос рассола в мясе.