Opracowa

ł: dr S. Wierzba

Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej

Uniwersytetu Opolskiego

METODY PRZECHOWYWANIA

I UTRWALANIA BIOPRODUKTÓW

ZMIANY CECH PRODUKTÓW

PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Nietrwa

łość produktów roślinnych i zwierzęcych -

podatno

ść na naturalne, ciągłe i z

regu

ły nieodwracalne przemiany fizyczne, chemiczne, biochemiczne i mikrobiologiczne

.

Jako

ść produktów uzależniona jest od:

•

zmian pierwotnych

– poprzedzaj

ących zamrażanie, zwykle nieodwracalnych

•

zmian wtórnych

– wyst

ępujących w trakcie zamrażania, stopień odwracalności zależy od

warunków procesu.

Zamra

żanie powoduje:

• zahamowanie w pe

łni zmian mikrobiologicznych w produkcie

• spowolnienie przemian fizycznych, chemicznych i biochemicznych w produkcie

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Zmiany cech produktów w trakcie zamra

żania i przechowywania można umownie

podzieli

ć na:

•

zmiany fizyczne

– spowodowane g

łównie przemiana fazową

• zmiana struktury produktów

• procesy rekrystalizacji lodu podczas przechowywania

• ubytek masy produktu w wyniku parowania i sublimacji pary wodnej

•

zmiany chemiczne i biochemiczne

– wywo

łane działaniem enzymów wydzielanych

przez drobnoustroje, enzymów tkankowych:

• denaturacja bia

łek

• utlenianie i hydroliza t

łuszczów

• przemiana w

ęglowodanów

• straty witamin

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Zmiany struktury produktu -

mechaniczne uszkodzenia ci

ągłości membran komórkowych

lub nieodwracalna utrata ich specyficznych w

łaściwości

, w wyniku:

• formowania si

ę kryształów lodu

• wzrostu ci

śnienia osmotycznego płynów komórkowych

• denaturacji sk

ładników koloidowych produktów

Wp

ływ na uszkodzenia ma szybkość zamrażania –

optymalna 3-4 cm/h

(najmniejsze

zmiany strukturalne).

Zamra

żanie kriogeniczne, może powodować wzrost ciśnienia wewnątrz produktu, który

jest proporcjonalny do:
• rozmiarów produktu
• szybko

ści zamrażania

• ró

żnicy temperatur między warstwą zewnętrzną, a środkiem termicznym produktu

Zmiany strukturalne produktu powoduj

ą:

• utrat

ę turgoru, spadek jędrności

• zmian

ę konsystencji, ograniczenie zdolności utrzymywania wody

• mechaniczne uszkodzenie komórek, tkanek, zanik pierwotnego kszta

łtu

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Rekrystalizacja – niestabilno

ść struktury krystalicznej, przekształcenia w jej obrębie,

zmiana wielko

ści i lokalizacji kryształów.

W

temperaturach powy

żej punktu eutektycznego

nast

ępuje postępujący wzrost

wymiarów du

żych kryształów kosztem ograniczenia liczby małych – powoduje to zacieranie

si

ę różnic struktury produktów zamrożonych z różną szybkością.

Proces nasila si

ę w miarę zbliżania się do punktu krioskopowego wskutek:

• przemieszczania si

ę wilgoci

• topnienia w pierwszej kolejno

ści małych kryształów

• wymarzanie cieczy z przy

łączeniem do kryształów nowych cząsteczek

• powstawanie kryszta

łów z masy bezpostaciowej (nie uformowanej uprzednio w struktury

krystaliczne)

Zjawisko ogranicza – zachowanie mo

żliwie jednakowej szybkości procesu i wielkości

kryszta

łów (zamrażanie kontaktowe)

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Rekrystalizacja „wolnych kroków” – pocz

ątkowo proces przebiega bardzo powoli i nasila

si

ę wraz ze wzrostem temperatury i zbliżaniem się do punktu krioskopowego.

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Ubytki masy produktu – przenoszenie wilgoci z produktu do zimniejszego otoczenia
produktu (parownik) w czasie:

• wst

ępnego schładzania – parowanie

• po osi

ągnięciu temperatury krioskopowej - sublimacja

Warto

ść ubytków masy zależy od:

• ró

żnicy temperatur powierzchni produktu i powietrza

• waha

ń temperatury powietrza w czasie przechowywania

• pr

ędkości obiegu powietrza nad produktem (tunele owiewowe)

Dla uzyskania mo

żliwie małego ubytku masy proces zamrażania należy prowadzić przy:

•

jak najni

ższej temperaturze powietrza

•

jak najbardziej intensywnej wymianie ciep

ła

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Procesy chemiczne i biochemiczne w mro

żonych produktach

•

cechy wspólne:

• substraty

• kierunki przebiegu reakcji

• produkty

•

cechy odró

żniające:

• oddzia

ływanie środowiska zewnętrznego na przemiany chemiczne

• aktywno

ść egzo- i endoenzymów

• dynamika procesu

Przemiana fazowa woda-lód w temperaturze poni

żej krioskopowej zasadniczo zmienia

warunki przebiegu procesów chemicznych i biochemicznych.

Post

ępujący, nierównomierny wzrost stężenia fazy płynnej w obszarze zamrażania

powoduje:

•

śmierć komórek,

•

procesy osmotyczne prowadz

ące do nieodwracalnych zmian w produktach

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Im wolniejszy spadek temperatury produktów - tym wi

ększe zmiany stężenia

roztworów komórkowych.

Szybko

ść reakcji chemicznych i biochemicznych w przedziale temperatury krioskopowej

jest:

• proporcjonalna do wzrostu st

ężenia soli w roztworze

• odwrotnie proporcjonalna do ilo

ści dostępnej wody w produkcie

Poszczególne sk

ładniki produktów w różny sposób reagują na proces zamrażania.

Sk

ładniki trwałe w stanie naturalnym:

sole mineralne, kwasy organiczne, niektóre cukry

nie

wykazuj

ą istotnych zmian i po rozmrożeniu ponownie przechodzą do roztworu.

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Przemiany bia

łek i produktów ich metabolizmu określa się jako

denaturacj

ę mrożeniową

.

Zmiany s

ą następstwem agregacji lub innych form fizycznej destrukcji elementów tkanek

przez m. in.

• kryszta

ły lodu,

• wzrastaj

ące ciśnienie osmotyczne nie wymrożonej fazy płynnej o dużym stężeniu

elektrolitów
• obecno

ść wolnych kwasów tłuszczowych i innych produktów utleniania lipidów

Objawy denaturacji mro

żeniowej:

•

spadek rozpuszczalno

ści białek

(zw

łaszcza mikrofibrylarnych)

• zmniejszenie aktywno

ści ATP-azy miozynowej i liczby wolnych grup –SH

•

zmniejszenie zdolno

ści wiązania wody i pęcznienia

(denaturacja bia

łek globularnych),

• wyciek soku komórkowego, pogorszenie konsystencji produktu (denaturacja bia

łek

fibrylarnych)

Podatno

ść różnych grup białek na zmiany zamrażalnicze:

•

globuliny

- wra

żliwe

•

albuminy

– mniej wra

żliwe

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Bia

łka które uległy denaturacji o wiele łatwiej ulegają degradacji pod wpływem

enzymów

proteolitycznych.

bia

łka → albumozy i peptony → polipeptydy → aminokwasy

Spo

śród nukleotydów ATP i glikogen rozkłada się najszybciej w początkowych fazach

zamra

żania –

w zakresie temperatur od -1 do -5

0

C.

Przeciwdzia

łanie denaturacji mrożeniowej:

•

przechowywanie w temperaturze ok.. -30

0

C

w warunkach zabezpieczaj

ących przed

stratami wilgoci i dost

ępem tlenu

•

dostatecznie du

ża szybkość zamrażania

do temperatury

środka termicznego produktu

zbli

żonej do temperatury przechowywania

•

zastosowanie krioprotektantów:

wielocukry i dwucukry, alkohole polihydroksylowe,

aminokwasy, kwasy karboksylowe,

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Przemiany t

łuszczów i lipidów –

autooksydacja

, w konsekwencji powstaj

ą nadtlenki,

wodoronadtlenki, ketony, aldehydy, wolne kwasy t

łuszczowe (WKT), hydroksykwasy.

Utlenianie t

łuszczów

tlen atmosferyczny

enzymy z grupy lipaz

Utlenianie t

łuszczów zachodzi intensywniej przy:

•

rozdrobnieniu produktu

•

dodatku soli

•

swobodnym dost

ępie tlenu (rodzaj opakowania)

Przeciwdzia

łanie:

•

ograniczenie dost

ępności tlenu,

•

stosowanie przeciwutleniaczy (kwas askorbinowy),

•

obni

żenie temperatury przechowywania do -30

0

C

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Hydroliza t

łuszczów

– (lipazy) powstanie WKT, glicerolu, mono- diacylogliceroli.

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Przemiany w

ęglowodanów – stosunkowo najmniej narażone na zmiany w czasie

zamra

żania i przechowywania (przy odpowiedniej szybkości prowadzenia procesu).

Jedynie przy bardzo wolnym mro

żeniu produktów mogą występować

zmiany fermentacyjne

-

fermentacja sacharozy

zachodzi z do

ść znaczną szybkością w przedziale temperatur od -

12 do -16

0

C – pod wp

ływem

inwertazy

(aktywna nawet do -40

0

C).

Straty witamin – g

łównie witaminy C, oraz pewnych witamin z grupy B (B

1

):

• straty kwasu askorbinowego (5-30%) – spowodowane dzia

łaniem

tkankowych enzymów

utleniaj

ących (oksydazy askorbinianowej)

przy wspó

łudziale O

2

,

• najwi

ększe straty zachodzą w zakresie temperatury krioskopowej (-2 do -5

0

C)

• najlepsze rezultaty daje zastosowanie technik szybkiego zamra

żania,

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Procesy enzymatyczne - aktywno

ść enzymów zależy

od ich rodzaju

, oraz

warunków

przechowywania produktu

.

Niskie temperatury nie powoduj

ą trwałej inaktywacji enzymów

, a jedynie zahamowanie ich

aktywno

ści wywołane:

• zmianami

środowiska reakcji

• ograniczenie fazy ciek

łej w komórkach (krystalizacja wody)

• wzrost st

ężenia jonów, substratów reakcji, inhibitorów enzymów

• zmiany pH
• regu

ła Van’t Hoffa

• stanem samego enzymu

• uszkodzenie struktury komórkowej
• denaturacja

Aktywno

ść enzymatyczna:

• przej

ściowy wzrost w początkowej fazie zamrażania (zbliżenie cząsteczek enzymu,

substratu, aktywatorów enzymów

• niskie temperatury – wp

ływają na wielkość cząsteczek enzymów:

•

dezagregacja

(cz

ąsteczki maleją) występuje w biokoloidach liofilnych przy stężeniu

roztworów wodnych do 1% - aktywno

ść wzrasta

•

agregacja

- st

ężenie powyżej 1,5% - aktywność maleje

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Dla wielu enzymów obserwuje si

ę

wi

ększą aktywność przy szybszym przebiegu procesów

zamra

żania:

• katalaza, peroksydaza, protreazy ro

ślinne są aktywne w temperaturach -15

¸-17

0

C

• enzymy lipolityczne i oddechowe -25

¸-30

0

C

• inwertaza do -40

0

C

• trypsyna, pepsyna – szcz

ątkowa aktywność nawet w temperaturach -180

0

C

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Zmiany mikrobiologiczne

Czynnikiem charakteryzuj

ącym stosunki wodne w produktach –

aktywno

ść wody a

w

– ilo

ść

wody dost

ępnej dla drobnoustrojów.

gdzie: P – pr

ężność par roztworu

P

0

– pr

ężność par rozpuszczalnika

n

1

– liczba cz

ąsteczek substancji rozpuszczonej

n

2

– liczba cz

ąsteczek rozpuszczalnika

Aktywno

ść wody zależy od:

•

ci

śnienia osmotycznego

(2,4MPa 1mol substancji/1 dm

3

rozpuszczalnika, komórka do 2 MPa)

•

temperatury

- maleje wraz z jej spadkiem, w zakresie od -1 do -30

0

C

0,008/1 stopie

ń

Minimalna warto

ść a

w

przy której jest jeszcze mo

żliwy rozwój i aktywność życiowa

drobnoustrojów:

• bakterie – 0,90
• dro

żdże – 0,88

• ple

śnie – 0,75

• poni

żej 0,4 – brak aktywności enzymatycznej

2

1

2

0

n

n

n

P

P

a

w

+

=

=

ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRA

ŻANIA

Odporno

ść drobnoustrojów na niskie temperatury jest znacznie większa niż na wysokie

temperatury.

Redukcja OLB nast

ępuje głównie w wyniku przemian fazowych wody:

• po

żywka przechłodzona (-3

0

C) – prze

żywalność ok.. 97%,

• po

żywka zamrożona (-3

0

C) – prze

żywalność ok.. 2%

• bakterie G- bardziej wra

żliwe na niskie temperatury niż G+

• wi

ększa przeżywalność dla drobnoustrojów w fazie stacjonarnej niż logarytmicznej

• drobnoustroje patogenne i nie patogenne nie wykazuj

ą różnic pod względem

prze

żywalności

• Clostridium boutilinum nie rozwija si

ę poniżej -3,3

0

C

• Staphylococcus aureus, Sallmonella sp. – poni

żej -6,7

0

C

• dolne granice zdolno

ści rozmnażania:

• bakterie -5

¸-8

0

C

• dro

żdże -10

¸-12

0

C

• ple

śnie -12

¸-15

0

C