WYKŁAD 1

Literatura:

Gruda Z., Postolski J. Zamrażanie żywności, WNT W-wa, 1999

Jastrzębski W. Technologia chłodnicza żywności, WSiP W-wa, 1991

Z energetycznego punktu widzenia stosowanie niskich temperatur jest operacją stosunkowo kosztowną, aczkolwiek zamrażalnicze utrwalanie wymaga 5 – krotnie mniej energii niż produkcja żywności „od zera”. Przechowywanie żywności w stanie schłodzonym jest ok. 2,5-krotnie tańsze w porównaniu z przechowywaniem w stanie głębokiego zamrożenia.

Upowszechnienie się chłodnictwa zależy od rozwoju techniki i obrazu socjalnego społeczeństwa.

Chłodnictwo – zadania i znaczenie gospodarcze

Chłodnictwo to gałąź techniki zajmująca się osiąganiem i stosowaniem temperatur niższych od otoczenia. Obejmuje takie dziedziny wiedzy jak:

• Kriotechnika

• Termodynamika chłodzenia

• Maszyny chłodnicze

• Kriobiologia

• Chłodnictwo medyczne

• Chłodnictwo żywności

Zadania chłodnictwa żywności:

• Oziębianie produktów, czyli uzyskiwanie temperatur niższych od otoczenia

• Utrzymywanie obniżonej temperatury w produktach

Sposoby oziębiania produktów:

• poprzez odprowadzenie od nich energii:

- na sposób ciepła (zimna płyta)

- na sposób pracy (rozprężanie gazu)

• aby utrzymać stałą niską temperaturę w produktach, należy stale odprowadzać od nich taką ilość energii, która najczęściej na sposób ciepła przenika do nich z otoczenia

Zadania technologii chłodniczej produktów spożywczych:

• Badanie składu i cech produktów oraz występujących w nich zmian w celu określenia najbardziej efektywnego sposobu regulowania tymi przemianami poprzez obniżenie temperatury.

• Opracowanie optymalnych parametrów zabezpieczenia chłodniczego indywidualnie dla każdego produktu biorąc pod uwagę typowe przemiany jakim podlega.

• Tworzenie technicznych środków realizacji opracowanych procesów zabezpieczenia chłodniczego

Znaczenie praktyczne technologii chłodniczej produktów spożywczych:

• Umożliwia dostosowanie podaży do popytu

• Ogranicza wahania związane z sezonowością produkcji

• Umożliwia kierowanie na rynek w okresie zimowo-wiosennym świeżych owoców i warzyw

• Umożliwia transport łatwo psujących się produktów spożywczych na dalekie odległości(transport międzykontynentalny, nowe rynki zbytu)

• Umożliwia lepszą organizację pracy sezonowej

• Pozwala na ograniczenie strat żywności

• Umożliwia prawidłowy przebieg określonych etapów procesu technologicznego, np. dojrzewanie piwa, mięsa itd.

• Umożliwia przedłużenie trwałości łatwo psującej się żywności

• Pozwala na wprowadzenie do handlu nowego asortymentu żywności

Obniżanie temperatury w żywności może być stosowane w dwóch przypadkach: bezpośrednio w procesach produkcyjnych oraz w celu przedłużenia trwałości żywności.

Podstawowe sposoby zabezpieczenia chłodniczego:

• Chłodzenie(najmniej opłacalnie i sensowne w tłuszczach)

• Zamrażanie

• Podmrażanie(superchilling) – krótkotrwałe 4-6tyg; doprowadzenie produktu do temperatury -2 do -3°C; 50% wody w produkcie zamarza, zachodzą zmiany teksturalne

• Freeze-drying (liofilizacja) – zamrażanie i sublimowanie lodu pod obniżonym ciśnieniem, długotrwałe, kosztowne, zachowany kształt, antocyjany się zachowuja, karotenoidy nie zachowują się

• Dehydro – freezing – najpierw produkty podusza się osmotycznie przy pomocy roztworu cukru, produkt wchłania bardzo dużo cukru, owoce tracą witaminy substancje mineralne, smak, barwe, spada a_w , do 70% wody usuwane, nie podnosi wartości odżywczej

CECHA	CHŁODZENIE	ZAMRAŻANIE
Okres trwałości	Kilka-kilkanaście dni	Kilka-kilkanaście miesięcy
Zakres temperatur	Powyżej punktu zamrażania	Poniżej punktu zamrażania typowa temperatura -18st.C
Charakter procesu	Odwracalny	Nieodwracalny
Ekonomika	2,5 razy tańsze od zamrażania
Czynniki utrwalające	Obniżona temperatura	Obniżona temperatura i aktywność wody

suszenie osmotyczne

Efekty odwadniania osmotycznego zależą od:

• Temperatury – w wyższej temperaturze czas odwadniania ulega skróceniu

• Czasu – wraz z upływem czasu więcej substancji osmotycznej dostaje się do tkanki

• Stężenia – im roztwór odwadniający bardziej stężony tym efekt suszenia większy

• Rodzaju substancji odwadniającej – decyduje o smaku surowca.

Wpływ niskich temperatur na przebieg reakcji chemicznych:

Szybkość reakcji

A+B↔C+D
jest proporcjonalna do częstotliwości zderzeń pomiędzy cząsteczkami A i B przypadających na jednostkę czasu. Ta z kolei jest proporcjonalna do ich stężenia. Zatem szybkość reakcji zachodzącej w prawo jest proporcjonalna do iloczynu stężeń substratów A i B.
V₁=k₁*C_A*C_B

Podobnie jest w przypadku reakcji zachodzącej w lewo

V₂=k₂*C_C*C_D

Gdzie k₁ i k₂ są stałymi szybkości reakcji

Na początku reakcji V₁ >V₂ gdyż C_C i C_D=0

Szybkość całkowita reakcji V wynosi V=V₁-V₂=k₁*C_A*C_B-k₂*C_C*C_D

Po pewnym czasie V=V₁-V₂=0, co oznacza, ze układ doszedł do stanu równowagi, w którym:
k₁*C_A*C_B=k₂*C_C*C_D

Można również napisać, że:

$$\frac{C_{c}*C_{D}}{C_{A}*C_{B}} = \frac{k_{1}}{k_{2}} = K_{C}$$

Stała równowagi zależy tylko od temperatury, a zależność tę opisuje równanie izobary Van’t Hoffa:

lnK_C=A-Q/RT, gdzie A-stała, którą można wyznaczyć, jeżeli jest znana wartość stałej równowagi przynajmniej dla jednej temperatury, Q – ciepło reakcji.

Ciepło oddane przez układ w procesie egzotermicznym przyjmuje się jako ujemne, a ciepło pobrane przez układ w procesie endotermicznym jako dodatnie.

W zależności od rodzaju procesu i temperatury stała równowagi reakcji będzie przyjmowała różne wartości.

Q(+) – reakcja endotermiczna to gdy T↑, to K_C ↑, a reakcja przesuwa się w stronę produktów, a gdy T↓, to K_C↓, reakcja przesuwa się w stronę substratów.

Q(-) – reakcja egzotermiczna to gdy T↑, to K_C↓, a reakcja przesuwa się w stronę substratów, a gdy T↓ to K_C↑, a reakcja przesuwa się w stronę produktów↓

Reakcje chemiczne mogą zachodzić tylko pomiędzy tymi zderzającymi się cząsteczkami, które posiadają odpowiedni zasób energii określany jako energia aktywacji. Cząsteczki uzyskują tę energię poprzez:

- pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego

- wskutek ogrzania

Svante Arrhenius, 1889r – sformułował zależność pomiędzy stałą szybkości reakcji a temperaturą:

Lnk = B-A/T, gdzie A=f/energii aktywacji, B=f/częstotliwości zderzeń. Wynika z niej, że:

gdyT↑ to k↑; gdy T↓to k↓

Cechy charakterystyczne katalizatora:

• Katalizator przyspiesza reakcję, a po jej zakończeniu pozostaje niezmieniony

• Nie ma wpływu na położenie równowagi końcowej reakcji K_C, ale zwiększa szybkość jej osiągnięcia

• Działa na zasadzie obniżenia energii aktywacji

• Przyspiesza reakcje zachodzącą w prawo oraz lewo

Rodzaje katalizy:

• Kataliza homogeniczna zachodzi w jednorodnych układach gazowych lub ciekłych, co oznacza, że zarówno katalizator jak i substraty i produkty reakcji pozostają w tym samym stanie skupienia

• Kataliza heterogeniczna polega na działaniu stałego katalizatora w środowisku ciekłym lub gazowym

Mechanizm katalizy:

• Jest identyczny w obu przypadkach i polega na rozbiciu reakcji na krótsze etapy. W ten sposób zostaje niejako „podzielona energia aktywacji” potrzebna do rozpoczęcia każdego z etapów.

• A+B=AB (reakcja bez katalizatora)

• A+K=AK

• AK+B=AB+K (reakcja w obecności katalizatora)

Rodzaje katalizatorów:

• Katalizatory chemiczne: czerń platynowa, czerń palladowa, jony wodorowe lub wodorotlenowy wody

• Katalizatory biologiczne czyli biokatalizatory to enzymy

Budowa enzymów:

• Enzymy będące białkami prostymi(amylaza, ureaza, aldolaza)

• Enzymy będące białkami złożonymi: białko + grupa prostetyczna (peroksydaza, katalaza)

• Enzymy będące białkami złożonymi :białko + koenzym (dehydrogenazy)

• Koenzymy: NAD, NADP, ADP, Koenzym A

• Grupy prostetyczne: cytochrom, FAD, pirofosforan tiaminy

Szybkość reakcji enzymatycznej zależy od:

• Stężenia enzymu

• Stężenia substratu

• Obecności substancji hamujących

• Obecności substancji aktywujących

• pH środowiska

• temperatury

Jeżeli w środowisku reakcji występuje nadmiar substratu, wówczas szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia enzymu.
Jeżeli stężenie enzymu jest stałe, wówczas szybkość reakcji zależy od stężenia substratu

Dla przemiany A→B:

a→v=k*[A]

c→v=v_max=k

Inhibicja współzawodnicząca polega na współzawodnictwie pomiędzy inhibitorem a substratem o centrum aktywne enzymu: E+S=ES, E+I=EI

Inhibicja niewspółzawodnicząca polega na nieodwracalnym blokowaniu centrum aktywnego enzymu przez związki niepodobne do substratu

Wpływ pH – skrajne wartości powodują denaturacje białka enzymatycznego, natomiast niewielkie odchylenia od wartości optymalnej zwalniają tempo reakcji enzymatycznej. Przykłady optymalnego pH: arginaza 10, pepsyna 1,8.

Wpływ temperatury na szybkość reakcji opisuje współczynnik Q₁₀

$$Q_{10} = \frac{V_{T} + 10}{V_{T}}$$

Jest to liczba, która mówi ile razy wzrośnie szybkość reakcji jeżeli temperatura zostanie podniesiona o 10°C lub ile razy spadnie szybkość reakcji jeżeli temperatura obniży się o 10°C.

Plank podał zależność pomiędzy szybkością reakcji, temperaturą ich przebiegu i Q₁₀, z której wynika, że : Q₁₀ = e^10a, gdzie a- współczynnik, którego wartość określa się doświadczalnie.

Współczynnik Q₁₀ zależy od temperatury zgodnie z równaniem:

$$Q_{10} = exp\left\lbrack \frac{E_{A}}{R}*\frac{10}{T(T + 10)} \right\rbrack$$

Im większa temperaturowa wrażliwość reakcji, tym zależność ta jest bardziej widoczna

$$k = k_{A}exp( - \frac{E_{A}}{\text{RT}})$$

Energia aktywacji kJ/mol	Temperatura reakcji, °C	Rodzaj reakcji
	5	20
41,8	1,87	1,76
83,7	3,51	3,10
125,5	6,58	5,47
209,2	23,1	20,00

Trwałość produktów(tygodnie) w zależności od wartości Q₁₀

Temperatura °C	Q10=2	Q10=2,5	Q10=3	Q10=5
50	2	2	2	2
40	4	5	6	10
30	8	12,5	18	50
20	16	31,3	54	250

Wartość współczynnika Q₁₀ rośnie w miarę obniżania temperatury do punktu krioskopowego. Po jego przekroczeniu w czasie dalszego obniżania temperatury jego wartość zaczyna maleć. Poniżej przedstawiono wyniki uzyskane dla chudych mrożonych ryb

T, °C	Q10
10	4022
20	2,87
30	2,13

Ujemny współczynnik temperaturowy oznacza wzrost szybkości reakcji wraz z obniżaniem temperatury, np. denaturacja białek.

Wpływ temperatury na szybkość reakcji enzymatycznej – reguła Van’t Hoffa może być stosowana do reakcji enzymatycznych, ale w ograniczonym zakresie.

PODSUMOWANIE

• jeżeli E_A jest wysoka (reakcje chemiczne), to k maleje szybciej wraz z obniżeniem temperatury

• jeżeli E_A jest mała (reakcje enzymatyczne), to k maleje wolniej ze spadkiem temperatury

• Q₁₀ reakcji enzymatycznych ma mniejszą wartość(1-2) w porównaniu do nieenzymatycznych(2-3)

• W warunkach zamrażalniczych może dojść do zjawiska określanego mianem krioliza

(w temp od 0 do -5°C następuje intensywne wymrażanie wody z produktu, zagęszcza się środowisko i szybkość reakcji zamiast spadać gwałtownie wzrasta, następują duże straty wit.C, dlatego ważne jest aby jak najszybciej przekroczyć ten przedział)

PORÓWNANIE TRADYCYJNEGO I NOWOCZESNEGO SYSTEMU GOTOWANIA

1. Preparation cookserve

2. Preparation cooktime Buffetserve

Poprzez bufor czasowy(podgrzewanie) produkt traci swoje właściwości

Surowiec(odbiór i kontrola)przygotowanie surowca(suszone-rehydratować, mrożone-rozmrozić, z sosem-sos osobno przygotować)obróbka wstępna/brak obróbki wstepnejnapełnianie, układanie zestawów, pakowaniekontrolowana pasteryzacja(redukcja o 6 cykli logarytmicznych istotnych patogenów)błyskawiczne chłodzenie i pakowanie zbiorczekontrolowane przechowywanie i dystrybucjakońcowy odbiorca

Dania gotowe:

• Cook chill – gotowanie, chłodzenie, pakowanie próżniowe, pasteryzacja, błyskawiczne chłodzenie, przechowywanie

• Hot fill – gotowanie, próżniowe pakowanie, szybkie chłodzenie, przechowywanie chłodnicze

Zalety sous vide:

• 1 os może wydać 125 obiadów w ciągu 20 min

• Oszczędność(sposób na zysk)

• Wartość dodana(zysk)

• Pakowanie próżniowe(oszczędność aromatów)

• Ścisła kontrola porcji

• Elastyczność odpowiedzi na wymagania konsumentów(małe straty)

• Długie przechowywanie(małe straty)

• Duża skala produkcji(tanie surowce)

• Niepotrzebny wykwalifikowany personel

• Pokoje hotelowe, bankiety, cateringi(oszczędność, możliwość serwowania jedzenia o różnych porach doby)

• Mało tlenu w opakowaniach(zahamowanie procesu utleniania)

• Sterylność produktu

• Lepsza sensoryka

• Wyższa wartość odżywcza

• Skrócenie czasu przygotowania

• Możliwość zainwestowania środków- zaoszczędzonych na pracownikach kuchni-w obsługę lokali

• Duzy wybór dań

Wady sous vide:

• Generuje dodatkowe koszty(urządzenia i systemy służące do powiązania sous vide w całość, opakowania, pakowaczki, urządzenia do wielokrotnego ochładzania i ogrzewania, pasteryzatory, urządzenia do pakowania próżniowego itd.)

• Monitoring surowców(redukcja mikroflory itp.)

• Szkolenie personelu

• Nowe receptury

• Edukacja konsumenta

Obowiązująca temperatura pasteryzacji:

90°C 10 min
75°C464 min
80°C129 min
85°C36 min
89°C13 min
87°C22 min

AGS – po zamknięciu w próżni pasteryzuje się na łaźni wodnej, a następnie chłodzi w łaźni lodowej i przechowuje w temperaturze od 0 do -2°C do 60 dni

System capkold obejmuje głównie produkty mięsne pakowane próżniowo, a następnie ogrzewane do 85°C w centrum termicznym, schładzane i przechowywane w 0-2°C przez 15-15 dni

Brytyjskie normy Sous vide Advisory Commitee – SVAC zalecają następujące parametry pasteryzacji dla uzyskania trwałości 21 dni:

Temperatura °C	Czas min
80	26
85	11
90	4,5
95	2

Pakowanie próżniowe po pasteryzacji

System Nacka – produkty ogrzewa się do temperatury 80°C wewnątrz, pakuje próżniowo i ponownie ogrzewa w gotującej się wodzie w ciągu 3-10 min. W końcu produkt ochładza się i przechowuje w temp 4°C przez 7-28 dni.

„hot fill system” – bazuje na produktach płynnych i obejmuje pasteryzację do 85°C, po której następuje pakowanie, chłodzenie i chłodnicze składowanie w temp ok 2°C przez 14-15 dni.

REPFEDs – refrigerated processed foods of extender durability – taką żywność produkuje się z mięsa, ryb, ziemniaków, ryżu, makaronu i warzyw. Poddawana jest działaniu temperatur 65-95°C przez dłuższy czas w porównaniu do konserw. Po obróbce termicznej produkt jest schładzany, w ciągu 1-2h do temperatury przechowalniczej tj. 2-8°C. trwałość do 42 dni.

Technologia produkcji REPFEDs:

• Pakowanie próżniowe – pasteryzacja

• Pasteryzacja pakowanie próżniowe

• Ogrzewanie wstępne – pakowanie próżniowe –pasteryzacja

REPFEDs mogą zawierać (lub nie) środki konserwujące

Przykłady: pasteryzowane w puszkach mięso krabów, pasteryzowana w puszkach szynka, wędzone na gorąco i pakowane próżniowo produkty rybne

Charakterystyka psychotropowego szczepu Clostridium botulinum :

• Jest niebezpieczne dla żywności minimalnie przetworzonej ponieważ:

  • Może przeżyć delikatne ogrzewanie stosowane do utrwalania tej żywności

  • Warunki beztlenowe sprzyjają jego wzrostowi

• Należy brać go pod uwagę szczególnie w żywności dłużej składowanej

Szybkość pojawiania się toksyny botulinowej w produktach przechowywanych chłodniczo i wcześniej zaszczepionych inokulum 10^-1 Cl. botulinum

produkt	Temperatura °C	Czas, dni
Filety z łososia	4	15
	8	6
	12	3
Gulasz wołowy	6	19
Drób	8	28
indyk	8	8

Czas potrzebny do produkcji toksyn przez Cl.botulinum w różnych temperaturach chłodniczych(tab.)

Charakterystyka Listeria monocytogenes – w porównaniu z innymi patogenami jest bardziej ciepłooporna i może szybko rosnąć gdy ma odpowiednią temperaturę, dlatego jest ważna w żywności minimalnie przetworzonej o krótkim terminie ważności.

Ciepłooporność Listeria monocytogenes (tab.)

Inne patogeny w żywności minimalnie przetworzonej:

• Yersinia enterocolitica

• Aeromonas hydrophila

• Salmonella sp.

Warunki wzrostu bakterii patogennych

Organizm	Tmin	Min aw	Min pH	Max NaCl
Salmonella	4,0	0,94	4,5	4,0
Listeria	-0,4	0,92	4,3	12,0
Yersinia enterocolictica	-1,0	0,96	4,2	7,0
A.hydrophila	-0,1	-	4,0	4,0
S.aureus	6,7	0,86	4,0	7,5
B.cereus	4,0	0,91	4,3	-
Cl.botulinum	3,3	0,97	5,0	5,0
E.coli	7,0	0,95	4,0	-