METODY PRZECHOWYWANIA
I UTRWALANIA BIOPRODUKTÓW
ZMIANY CECH PRODUKTÓW
PODCZAS ZAMRAŻANIA
Opracował: dr S. Wierzba
Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej
Uniwersytetu Opolskiego
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Nietrwałość produktów roślinnych i zwierzęcych - podatność na naturalne, ciągłe i z
reguły nieodwracalne przemiany fizyczne, chemiczne, biochemiczne i mikrobiologiczne.
Jakość produktów uzależniona jest od:
" zmian pierwotnych  poprzedzających zamrażanie, zwykle nieodwracalnych
" zmian wtórnych  występujących w trakcie zamrażania, stopień odwracalności zależy od
warunków procesu.
Zamrażanie powoduje:
" zahamowanie w pełni zmian mikrobiologicznych w produkcie
" spowolnienie przemian fizycznych, chemicznych i biochemicznych w produkcie
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Zmiany cech produktów w trakcie zamrażania i przechowywania można umownie
podzielić na:
" zmiany fizyczne  spowodowane głównie przemiana fazową
" zmiana struktury produktów
" procesy rekrystalizacji lodu podczas przechowywania
" ubytek masy produktu w wyniku parowania i sublimacji pary wodnej
" zmiany chemiczne i biochemiczne  wywołane działaniem enzymów wydzielanych
przez drobnoustroje, enzymów tkankowych:
" denaturacja białek
" utlenianie i hydroliza tłuszczów
" przemiana węglowodanów
" straty witamin
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Zmiany struktury produktu - mechaniczne uszkodzenia ciągłości membran komórkowych
lub nieodwracalna utrata ich specyficznych właściwości, w wyniku:
" formowania się kryształów lodu
" wzrostu ciśnienia osmotycznego płynów komórkowych
" denaturacji składników koloidowych produktów
Wpływ na uszkodzenia ma szybkość zamrażania  optymalna 3-4 cm/h (najmniejsze
zmiany strukturalne).
Zamrażanie kriogeniczne, może powodować wzrost ciśnienia wewnątrz produktu, który
jest proporcjonalny do:
" rozmiarów produktu
" szybkości zamrażania
" różnicy temperatur między warstwą zewnętrzną, a środkiem termicznym produktu
Zmiany strukturalne produktu powodujÄ…:
" utratę turgoru, spadek jędrności
" zmianę konsystencji, ograniczenie zdolności utrzymywania wody
" mechaniczne uszkodzenie komórek, tkanek, zanik pierwotnego kształtu
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Rekrystalizacja  niestabilność struktury krystalicznej, przekształcenia w jej obrębie,
zmiana wielkości i lokalizacji kryształów.
W temperaturach powyżej punktu eutektycznego następuje postępujący wzrost
wymiarów dużych kryształów kosztem ograniczenia liczby małych  powoduje to zacieranie
się różnic struktury produktów zamrożonych z różną szybkością.
Proces nasila się w miarę zbliżania się do punktu krioskopowego wskutek:
" przemieszczania siÄ™ wilgoci
" topnienia w pierwszej kolejności małych kryształów
" wymarzanie cieczy z przyłączeniem do kryształów nowych cząsteczek
" powstawanie kryształów z masy bezpostaciowej (nie uformowanej uprzednio w struktury
krystaliczne)
Zjawisko ogranicza  zachowanie możliwie jednakowej szybkości procesu i wielkości
kryształów (zamrażanie kontaktowe)
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Rekrystalizacja  wolnych kroków  początkowo proces przebiega bardzo powoli i nasila
się wraz ze wzrostem temperatury i zbliżaniem się do punktu krioskopowego.
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Ubytki masy produktu  przenoszenie wilgoci z produktu do zimniejszego otoczenia
produktu (parownik) w czasie:
" wstępnego schładzania  parowanie
" po osiągnięciu temperatury krioskopowej - sublimacja
Wartość ubytków masy zależy od:
" różnicy temperatur powierzchni produktu i powietrza
" wahań temperatury powietrza w czasie przechowywania
" prędkości obiegu powietrza nad produktem (tunele owiewowe)
Dla uzyskania możliwie małego ubytku masy proces zamrażania należy prowadzić przy:
" jak najniższej temperaturze powietrza
" jak najbardziej intensywnej wymianie ciepła
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Procesy chemiczne i biochemiczne w mrożonych produktach
" cechy wspólne:
" substraty
" kierunki przebiegu reakcji
" produkty
" cechy odróżniające:
" oddziaływanie środowiska zewnętrznego na przemiany chemiczne
" aktywność egzo- i endoenzymów
" dynamika procesu
Przemiana fazowa woda-lód w temperaturze poniżej krioskopowej zasadniczo zmienia
warunki przebiegu procesów chemicznych i biochemicznych.
Postępujący, nierównomierny wzrost stężenia fazy płynnej w obszarze zamrażania
powoduje:
" śmierć komórek,
" procesy osmotyczne prowadzÄ…ce do nieodwracalnych zmian w produktach
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Im wolniejszy spadek temperatury produktów - tym większe zmiany stężenia
roztworów komórkowych.
Szybkość reakcji chemicznych i biochemicznych w przedziale temperatury krioskopowej
jest:
" proporcjonalna do wzrostu stężenia soli w roztworze
" odwrotnie proporcjonalna do ilości dostępnej wody w produkcie
Poszczególne składniki produktów w różny sposób reagują na proces zamrażania.
Składniki trwałe w stanie naturalnym: sole mineralne, kwasy organiczne, niektóre cukry nie
wykazują istotnych zmian i po rozmrożeniu ponownie przechodzą do roztworu.
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Przemiany białek i produktów ich metabolizmu określa się jako denaturację mrożeniową.
Zmiany są następstwem agregacji lub innych form fizycznej destrukcji elementów tkanek
przez m. in.
" kryształy lodu,
" wzrastające ciśnienie osmotyczne nie wymrożonej fazy płynnej o dużym stężeniu
elektrolitów
" obecność wolnych kwasów tłuszczowych i innych produktów utleniania lipidów
Objawy denaturacji mrożeniowej:
" spadek rozpuszczalności białek (zwłaszcza mikrofibrylarnych)
" zmniejszenie aktywności ATP-azy miozynowej i liczby wolnych grup  SH
" zmniejszenie zdolności wiązania wody i pęcznienia (denaturacja białek globularnych),
" wyciek soku komórkowego, pogorszenie konsystencji produktu (denaturacja białek
fibrylarnych)
Podatność różnych grup białek na zmiany zamrażalnicze:
" globuliny - wrażliwe
" albuminy  mniej wrażliwe
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Białka które uległy denaturacji o wiele łatwiej ulegają degradacji pod wpływem enzymów
proteolitycznych.
białka albumozy i peptony polipeptydy aminokwasy
Spośród nukleotydów ATP i glikogen rozkłada się najszybciej w początkowych fazach
zamrażania  w zakresie temperatur od -1 do -50C.
Przeciwdziałanie denaturacji mrożeniowej:
" przechowywanie w temperaturze ok.. -300C w warunkach zabezpieczajÄ…cych przed
stratami wilgoci i dostępem tlenu
" dostatecznie duża szybkość zamrażania do temperatury środka termicznego produktu
zbliżonej do temperatury przechowywania
" zastosowanie krioprotektantów: wielocukry i dwucukry, alkohole polihydroksylowe,
aminokwasy, kwasy karboksylowe,
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Przemiany tłuszczów i lipidów  autooksydacja, w konsekwencji powstają nadtlenki,
wodoronadtlenki, ketony, aldehydy, wolne kwasy tłuszczowe (WKT), hydroksykwasy.
Utlenianie tłuszczów
tlen atmosferyczny enzymy z grupy lipaz
Utlenianie tłuszczów zachodzi intensywniej przy:
" rozdrobnieniu produktu
" dodatku soli
" swobodnym dostępie tlenu (rodzaj opakowania)
Przeciwdziałanie:
" ograniczenie dostępności tlenu,
" stosowanie przeciwutleniaczy (kwas askorbinowy),
" obniżenie temperatury przechowywania do -300C
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Hydroliza tłuszczów  (lipazy) powstanie WKT, glicerolu, mono- diacylogliceroli.
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Przemiany węglowodanów  stosunkowo najmniej narażone na zmiany w czasie
zamrażania i przechowywania (przy odpowiedniej szybkości prowadzenia procesu).
Jedynie przy bardzo wolnym mrożeniu produktów mogą występować zmiany fermentacyjne
- fermentacja sacharozy zachodzi z dość znaczną szybkością w przedziale temperatur od -
12 do -160C  pod wpływem inwertazy (aktywna nawet do -400C).
Straty witamin  głównie witaminy C, oraz pewnych witamin z grupy B (B1):
" straty kwasu askorbinowego (5-30%)  spowodowane działaniem tkankowych enzymów
utleniających (oksydazy askorbinianowej) przy współudziale O2,
" największe straty zachodzą w zakresie temperatury krioskopowej (-2 do -50C)
" najlepsze rezultaty daje zastosowanie technik szybkiego zamrażania,
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Procesy enzymatyczne - aktywność enzymów zależy od ich rodzaju, oraz warunków
przechowywania produktu.
Niskie temperatury nie powodują trwałej inaktywacji enzymów, a jedynie zahamowanie ich
aktywności wywołane:
" zmianami środowiska reakcji
" ograniczenie fazy ciekłej w komórkach (krystalizacja wody)
" wzrost stężenia jonów, substratów reakcji, inhibitorów enzymów
" zmiany pH
" reguła Van t Hoffa
" stanem samego enzymu
" uszkodzenie struktury komórkowej
" denaturacja
Aktywność enzymatyczna:
" przejściowy wzrost w początkowej fazie zamrażania (zbliżenie cząsteczek enzymu,
substratu, aktywatorów enzymów
" niskie temperatury  wpływają na wielkość cząsteczek enzymów:
" dezagregacja (cząsteczki maleją) występuje w biokoloidach liofilnych przy stężeniu
roztworów wodnych do 1% - aktywność wzrasta
" agregacja - stężenie powyżej 1,5% - aktywność maleje
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Dla wielu enzymów obserwuje się większą aktywność przy szybszym przebiegu procesów
zamrażania:
" katalaza, peroksydaza, protreazy roÅ›linne sÄ… aktywne w temperaturach -15¸-170C
" enzymy lipolityczne i oddechowe -25¸-300C
" inwertaza do -400C
" trypsyna, pepsyna  szczątkowa aktywność nawet w temperaturach -1800C
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Zmiany mikrobiologiczne
Czynnikiem charakteryzującym stosunki wodne w produktach  aktywność wody aw  ilość
wody dostępnej dla drobnoustrojów.
gdzie: P  prężność par roztworu
P n2
P0  prężność par rozpuszczalnika
aw = =
P0 n1 + n2
n1  liczba czÄ…steczek substancji rozpuszczonej
n2  liczba czÄ…steczek rozpuszczalnika
Aktywność wody zależy od:
" ciśnienia osmotycznego (2,4MPa 1mol substancji/1 dm3 rozpuszczalnika, komórka do 2 MPa)
" temperatury - maleje wraz z jej spadkiem, w zakresie od -1 do -300C 0,008/1 stopień
Minimalna wartość aw przy której jest jeszcze możliwy rozwój i aktywność życiowa
drobnoustrojów:
" bakterie  0,90
" drożdże  0,88
" pleśnie  0,75
" poniżej 0,4  brak aktywności enzymatycznej
ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA
Odporność drobnoustrojów na niskie temperatury jest znacznie większa niż na wysokie
temperatury.
Redukcja OLB następuje głównie w wyniku przemian fazowych wody:
" pożywka przechłodzona (-30C)  przeżywalność ok.. 97%,
" pożywka zamrożona (-30C)  przeżywalność ok.. 2%
" bakterie G- bardziej wrażliwe na niskie temperatury niż G+
" większa przeżywalność dla drobnoustrojów w fazie stacjonarnej niż logarytmicznej
" drobnoustroje patogenne i nie patogenne nie wykazują różnic pod względem
przeżywalności
0
" Clostridium boutilinum nie rozwija się poniżej -3,3 C
" Staphylococcus aureus, Sallmonella sp.  poniżej -6,70C
" dolne granice zdolności rozmnażania:
" bakterie -5¸-80C
" drożdże -10¸-120C
" pleÅ›nie -12¸-150C