1

ĆWICZENIE 3

Techniki chłodnicze i zamrażalnicze w technologii żywności – Mrożenie

Wstęp

Mrożenie jest jedną z najstarszych i najbardziej rozpowszechnionych metod

utrwalania żwyności. Skuteczność procesu mrożenia, jako metody utrwalania żwyności,

wynika przede wszystkim z obniżenia aktywności wody w produkcie oraz zmianę zakresu

temperatur poza optimum dla rozwoju mikroorganizmów.

Utrwalania żwyności przez zastosowanie zamrażania opiera się na kilku

mechanizmach zachodzących w trakcie tego procesu. Po pierwsze, gdy temperatura obniża się

poniżej 0°C następuje redukcja aktywności mikroorganizmów poprzez opuszczenie zakresu

optimum temperaturowego dla rozwoju. Ponadto w zamrożonym produkcie znaczna część

wody jest w postaci lodu, a pozostałą części wody, która nie uległa zamrożeniu zaczyna

cechować się automatycznie wyższą zawartością substancji rozpuszczonych w wodzie. To

zjawisko przyczynia się do obniżenia aktywności wody w produkcie. Pod tym względem jest

to proces podobny do suszenia, gdyż w produkcie pozostaje mniej wody, w której mogą być

rozpuszczone substancje. Zwiększenie stężenia substancji rozpuszczonych w wodzie może

przyczyniać się do przyspieszenia niektórych reakcji, takich jak np. denaturacja białka,

oksydacja lipidów, czy też zniszczenie struktur koloidalnych (ważne zjawisko dla żeli i

emulsji).

Prędkość procesu zamrażania ma istotny wpływ na jakość mrożonej żwyności.

Fizyczne zmiany wynikają z formowania się dużych kryształów lodu o ostrych krawędziach,

wzrostu objętości zamrożonej wody i zaburzeń równowagi osmotycznej między komórkami a

otaczającym środowiskiem, co w konsekwencji może prowadzić do zmian w teksturze.

Szybki proces zamrażania pozwala zastąpić proces powstawania dużych kryształów

mniejszymi, które nie powodują rozerwania struktur komórkowych i tym samym w

mniejszym stopniu wpływają na pogorszenie cech fizycznych produktów.

Podstawy teoretyczne

Kinetyka zamrażania

Jakość produktów spożywczych poddawanych zmrażaniu zależy od tempa samego

procesu. Z punktu widzenia przemysłu spożywczego czas zamrażania, obok uzyskanej jakości

produktu, ma ogromne znaczenie ekonomiczne. Tempo procesu zmrażania zależy nie tylko od

efektu końcowego jaki chcemy uzyskać, możliwości technicznych urządzenia, ale także

kinetyki procesu.

2

W celu obliczenia czasu niezbędnego do zamrożenia płynu o pewnych wymiarach

można posłużyć się równaniem Planka:

gdzie:
ρ - gęstość cieczy kg·m

-3

,

λ - jednostkowe ciepło zamarzania , J·kg

-1

,

z, Z - grubości zamrożonej warstwy,

h - współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła na powietrze-lód, W·m

-2

·K

-1

,

k - przewodność cieplna właściwa w stanie zamrożonym, W·m

-1

·K

-1

,

Ta - temperatura medium chłodzącego (np.: zimnego powietrza), K,

Tf - temperatura zamarzania, K.

Wzór ten pozwala na określenie czasu zamrażania dla pół nieskończonej płyty, dla

innych geometrii produktu wzór jest następujący:

gdzie:

dla płyty grubości d, chłodzonej z dwóch stron Q = 2, P = 8

dla nieskończonego cylindra o średnicy d Q = 4, P = 16

dla kuli o średnicy d Q = 6, P = 24

Wzory Planka pozwalają na obliczenie czasu zamrażania w pewnym przybliżeniu ze

względu na niedokładności niektórych przyjętych założeń. Bardziej precyzyjne metody

wyliczenia czasu zamrażania zostały zaproponowane w publikacjach naukowych (dla

zainteresowanych Chevalier i wsp., 2000). Niemniej jednak wzory Planka są dobrym

narzędziem przy projektowaniu efektów warunków procesu zamrażania.

Ze wzorów Planka wynikają praktyczne wskazówki, wśród których można wymienić:



czas zamrażania wzrasta wraz ze wzrostem zawartości wody w produkcie,



czas zamrażania jest zależy od wpływu dwóch składowych: konwekcji oraz

przewodzenia. W przypadku zamrażania dużych obiektów takich jak półtusze

wołowe to proces przewodzenia (wewnętrzna rezystancja ciepła) będzie

czynnikiem dominującym w przypadku zamrażania. Natomiast w przypadku

3

małych obiektów poprawa parametrów konwekcji przyczyni się do szybszego

zamrażania.

Temperatura i punkt zamrażania

Proces zamrażania można opisać krzywą zamrażania, gdzie na osi odciętych znajduje

się czas a na rzędnych temperatura, która odzwierciedla usunięcie ciepła z próby. W

zależności od ilości substancji rozpuszczonych w wodzie przebieg tej krzywej może być

różny.Początkowo obniżenie temperatury przebiega liniowo aż do wytworzenia pierwszych

kryształów lodu. Z definicji temperatura zamrażania dla czystej wody wynosi 0°C (przy

normalny ciśnieniu atmosferycznym). Przy czym w pewnych warunkach (braku cząstek

stałych, powolne chłodzenie bez zakłóceń) może spowodować przejście próbki w

metastabilny stan przechłodzenia (ciało pozostaje w stanie ciekłym poniżej temperatury

krzepnięcia). Ponadto niektóre białkami (zwane białkami przeciwzamrożeniowymi ang.

antifreeze proteins) mogą przeciwdziałać formowaniu się kryształów w punkcie zamrażania.

Zamrażanie żywności, ze względu na jej skład, odbiega od krzywej teoretycznej

zamrażania wody a obniżanie temperatury w układzie przebiega zasadniczo liniowo. Pierwsze

kryształy lody powstają w temperaturze, w której ciśnienie pary wodnej roztworu jest równie

ciśnieniu pary wodnej czystej wody. W praktyce ciśnienie pary wodnej roztworu jest niższe

niż czystej wody w tej samej temperaturze, zatem punkt tworzenia się pierwszych kryształów

lodu w układzie jest niższy. Różnica ta nazywana jest obniżeniem temperatury krioskopowej

roztworu (ang. freezing point depression) i wzrasta ona wraz ze stężeniem molowym

roztworu (ilością substancji rozpuszczonych). W literaturze można znaleźć informacje

dotyczące początkowej temperatur zamrażania żywności (dla zainteresowanych – Earle,

1966). Ponadto badacze wykorzystując pewne uproszczenia stworzyli modele predykcji

temperatury zamrażania zależne od składu żywności (Van der Sman i Boer, 2005).

Wpływ zamrażania na jakość produktu

Dla niektórych rodzajów produktów spożywczych, zamrażanie jest najlepszym

rodzajem utrwalania, które pozwala zachować ich jakość (niewielkie zmiany w wartości

odżywczej, zapachu, barwie, itp.). Tą cechą jakości, na którą zamrażanie może wpływać

negatywnie w największym stopniu jest tekstura produktów.

W przypadku produktów roślinnych, tkanek zwierzęcych, gdzie komórki są otoczone

płynem pozakomórkowym, który ma niższe stężenie osmotyczne niż protoplazma w

komórkach proces zamrażania może wywrzeć największe zmiany. Powstające w żywych

4

tkankach ciśnienie osmotyczne między płynem pozakomórkowym a komórkami zwane

turgorem przyczynia się do charakterystycznej kruchej tekstury warzyw i owoców.

Ponieważ płyn zewnątrzkomórkowy zawiera mniej substancji rozpuszczonych,

pierwszy podlega zamrażaniu, zagęszczając się i wpływając na zachwianie równowagi

osmotycznej. Wówczas płyny zawarte w komórce kierowane są do przestrzeni

pozakomórkowej w celu przywrócenia równowagi osmotycznej. Następuje wtedy utrata

turgoru ze względu na zaburzenia ciśnienia osmotycznego i tkanki ulegają mięknięciu.

Natomiast podczas rozmrażania, płyn, który został skierowany do przestrzeni

pozakomórkowych nie jest adsorbowany powrotem do komórek i następuje wyciek poza

układ produktu. Częściowo temu procesowi można zapobiegać przez szokowe zamrażanie.

Innym powodem niszczenia tekstury produktów spożywczych w trakcie zamrażania

jest zwiększanie objętości w trakcie zamrażania. Teoretycznie objętość lodu jest o 9% wyższa

niż czystej wody. Ponieważ tkanki nie są homogenne, zawierają mniej lub więcej substancji

rozpuszczonych w wodzie wzrost objętości jest nierównomierny w całym układzie. To w

konsekwencji może przyczyniać się do powstawania mechanicznych sił, które mogą

przyczyniać się do pęknięć. Efekt ten jest tym silniejszy im więcej wody znajduje się w

produkcie (np. silnie widoczny jest dla takich produktów jak ogórek, pomidory, sałata, arbuz).

Powyższe negatywnie wpływające na teksturę zjawisko można redukować poprzez

dodanie substancji rozpuszczalnych w wodzie. Dodatek cukru do owoców przed procesem

zmrażania był szeroko rozpowszechniony przed rozwojem techniki szybkiego zamrażania.

Proces szybkiego zamrażania przyczynia się do powstawania mniejszych kryształów lodu, w

mniejszym stopniu przyczyniają się do rozrywania komórek i tym samym pogarszania się

tekstury.

Zamrażanie owoców i warzyw rozpoczyna się od obróbki wstępnej (mycia,

czyszczenia, obierania, usuwania części niejadalnych, blanszowani itp.). Te procesy mają na

celu nie tylko usunięcie obcych ciał, zmniejszenie zróżnicowania surowca, obniżenie

kontaminacji mikrobiologicznej, ale także zahamowanie procesów enzymatycznych

(zastosowanie blanszowania). Jednocześnie te procesy operacyjne mogą przyczyniać się do

zwiększenia dostępu tlenu do procesów oksydacyjnych, straty składników odżywczych z

wyciekiem, zmian tekstury, barwy itp.

W przypadku zamrażania ryb, na jakość końcową może wpływać czas połowu, sposób

wykrwawiania, stopnień uszkodzenia powłok, aktywność mikrobiologiczna. Po połowie ryby

powinny być jak najszybciej zmożone, najlepiej jeszcze przed rigor mortis. Mięsnie ryb są

bardzo podatne ma denaturację mroźniczą, dlatego krioprotektanty (cukier, aminokwasy,

5

poliole, węglowodany, sole nieorganiczne, fosforan potasu, siarczan amonu) powinny być

stosowane w celu ochrony miofibryli.

Na jakość mięsa mrożonego może wpływać sposób żywienia zwierząt, sposób

transportu, stres przedubojowy. Pasze bogate w nienasycone kwasy tłuszczowe obniżać mogą

jakość produktów mrożonych. Stres około i przedubojowy może przyczyniać się do

powstawania wad mięsa (np. PSE ang. pale soft and exudative).

Wpływ przechowywania w stanie zamrożenia na jakość produktu

Przechowywanie produktów zamrożonych, nawet w bardzo niskich temperaturach, nie

oznacza zupełnego zahamowania procesów biochemicznych w produkcie. Generalnie

zachodzące w zamrożonej żwyności procesy przebiegają znacznie wolnej niż w produktach

niezamrożonych, to na niekorzyść procesu zmrażania działa czas przechowywania tego typu

produktów, który zazwyczaj jest znaczny. Wśród najważniejszych zmian zachodzących w

trakcie przechowania zamarzonej żywności można wymienić denaturację białek, interakcje

białko – tłuszcz, utlenianie tłuszczów i inne zmiany oksydacyjne (np. utlenienie witamin).

Badania wykazały zależność liniową między temperaturą przechowywania i

logarytmem czasu przechowywania a obniżeniem jakości. Zatem im niższa, możliwa

temperatura przechowywania tym wpływ na pogorszenie jakości jest mniejszy. Jednakże nie

zawsze to równanie znajduje potwierdzenie. Zachodzenie reakcji może ulegać przyśpieszeniu

ze względu na zwiększenie stężenia pod wpływem wymrożenia części wody w większym

stopniu niż ww. opisana zależność. I tak na przykład oksydacja tłuszczu może być wyższa w

niższych temperaturach przechowywania.

Kolejnym typem zmian zachodzących w trakcie przechowywania mroźniczego jest

proces rekrystalizacji. Małe kryształy lodu mają niższy punkt roztapiania niż duże. W

związku z tym, jeżeli w takcie przechowywania, temperatura fluktuuje, mniejsze kryształy

lodu mogą ulec roztopieniu i wykrystalizowaniu w większe. Jedną z metod uniknięcia tego

typu negatywnego zjawiska jest niedopuszczenie do zmian w temperaturze przechowania

produktów zamrożonych.

Cel ćwiczenia

Celem praktycznej części ćwiczenia jest zbadanie kinetyki procesu zamrażania produktów

spożywczych (na przykładzie modelu z mięsa o różnym składzie) oraz ocena wpływu składu

podstawowego na zmiany tempa zamrażania.