ZAMRAŻANIE PODSTAWY CZ.2

Transkrypt

1 METODY PRZECHOWYWANIA I UTRWALANIA BIOPRODUKTÓW ZAMRAŻANIE PODSTAWY CZ.2 Opracował: dr S. Wierzba Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej Uniwersytetu Opolskiego

2 Odmienność procesów zamrażania produktów biologicznych - w przeciwieństwie do roztworów fizycznych: tkankowa budowa produktów roztwory komórkowe to zawiesiny zamknięte w błonie komórkowej przebiegają w nich procesy biochemiczne zamrażanie powoduje niszczenie tych struktur i zahamowanie procesów, brak możliwości przechłodzenia produktu (skróciłoby to czas wymrażania i warunkowało powstanie dużej ilości małych kryształów wewnątrz nieuszkodzonych komórek), Zmiany w komórkach, tkankach wskutek zamrożenia: utrata półprzepuszczalności osłon komórkowych po rozmrożeniu komórka traci turgor, jest wiotka, następuje wyciek treści komórkowej, odwodnienie mrożonego roztworu komórkowego komórki zawierające roztwór hipertoniczny tracą wodę na rzecz kryształków lodu tworzących się poza komórką tzw. krioosmoza, kriokoncentracja (zależy od szybkości zamrażania).

3 Wolne mrożenie: całkowite odwodnienie komórek (woda wolna), powstają duże kryształy lodu (rzadko formy heksagonalne), centra krystalizacji w przestrzeni międzykomórkowej zwiotczenie komórek denaturacja białek pod wpływem zwiększającego się stężenia soku komórkowego

4 Szybkie mrożenie: ( C szybkie przejście przez strefę maksymalnego wzrostu kryształów ( zakres -1/-7 0 liczba kryształów (nieregularne dendryty) jest znacznie większa, a ich rozmiary mniejsze ( komórek (mieszczą się wewnątrz

5 Szybkość zamrażania (tkanka zwierzęca) Normalne ( C) Szybkie (-50/100 0 C) Ultraszybkie (ciekły azot) rozmiar kryształów mikrometrów 2-10 mikrometrów 2-3 mikrometrów Krystalizacja wewnątrzkomórkowa następuje gdy T z < 300 s T z ( wymrożonej czas konieczny na obniżenie temperatury od ~ -1 0 C do -7 0 C (80% wody Zanika przy T z ( kryształy = 1200 s (im dalej w głąb zamrożonego produktu tym większe Większa podatność na niekorzystne zmiany tkanek roślinnych niż zwierzęcych.

6 Odwracalność procesu powrót produktu do pierwotnego stanu: większa szansa przy szybkim zamrażaniu, zależy od ilości wymrożonej wody i stężenia soli (duże stężenie denaturacja białek ( C nieodwracalność procesu największe w temperaturach od -4 0 C do -6 0 Fazy zamrażania im bardziej oddalona od początkowej temperatury zamarzania tym mniejsza odwracalność procesu.

7 Gęstość (r) ogólna gęstość właściwa produktu maleje (objętość lodu jest 8-10% ( większa ( w Ciepło właściwe (c w stanie nie zamrożonym dla większości produktów jest to wartość stała maksymalna wartość - w temperaturze krioskopowej - zmniejsza się wraz z obniżeniem temperatury c w zamrożonych produktów jest w przybliżeniu o połowę mniejsze niż nie zamrożonych, zależy od temperatury i zawartości wody

8 Entalpia (i) - zawartość ciepła przy stałym ciśnieniu, różnica entalpii między początkową, a końcowa temperaturą procesu chłodzenia stanowi miarę odprowadzanego z produktu ciepła. powyżej punktu zamarzania entalpia maleje liniowo w obszarze zamrażania kształtuje się zgodnie w ilością wymrożonej wody najintensywniejsze zmiany entalpii następują w zakresie do ok C poniżej punktu zamarzania produktów

9 Przewodność cieplna (l) zdolność do przewodzenia ciepła, zależy od struktury, składu, gęstości, temperatury i kierunku przebiegu procesu w stosunku do struktury komórkowej produktu współczynnik przewodzenia ciepła lodu jest ok. 3,7 razy większy niż wody po zamrożeniu szybko rośnie, w miarę wymrażania wody dla przepływu równoległego jest ok. 15% niż dla prostopadłego l w = 0,62 W/m K l l = 2,3 W/m K l ss = 1,4 W/m K

10 Dyfuzyjność cieplna, współczynnik wyrównania temperatury (a) określa prędkość wyrównania temperatur w nierównomiernie ogrzanym środowisku l a = c r gdzie: l - przewodność cieplna r gęstość c ciepło właściwe dla zakresu temperatur C ma ona wartość 0,005-0,0028 m 2 /h w produktach zamrożonych 0,007-0,008 m 2 /h

11 Ilość wymrożonej wody (w) nie zależy od czasu trwania procesu, a od końcowej temperatury produktu ZAMRAŻANIE PRODUKTÓW ROŚLINNYCH I ZWIERZECYCH wt =1- t z t gdzie: w t względna ilość wymrożonej wody t z temperatura krioskopowa t średnia końcowa temperatura Wiązanie nie wymrożonej wody przez białko 0,3-0,4 kg/kg ss.

12 Temperatura w każdej chwili jest najniższa na powierzchni produktu i coraz wyższa w miarę zbliżania się do jego środka. podczas zamrażania temperatura produktu w różnych jego punktach i warstwach pozostaje nierównomierna stan końcowy procesu określa średnia końcowa temperatura produktu

13 Cały proces zamrażania można podzielić umownie na: ZAMRAŻANIE PRODUKTÓW ROŚLINNYCH I ZWIERZECYCH schładzanie do temperatury krioskopowej a-b` ( f - właściwe zamrażanie b`-c` (jako koniec fazy przyjmuje się temperaturę -4 0 C - 73% wody wymrożonej domrażanie do temperatury końcowej c`-d`

14 Prędkość zamrażania prędkość z jaka front lodowy (granic faz) przesuwa się w kierunku środka produktu średnia liniowa prędkość zamrażania (stosunek grubości zamrożonej warstwy do czasu jej zamrożenia) termiczny środek produktu (punkt najpóźniej zamarzający) powolne 0,1-1 cm/h intensywne 1-5 cm/h szybkie 5-20 cm/h

15 Czas zamrażania całkowity czas zamrażania jest suma czasów schładzania, właściwego zamrażania i domrażania produktu

16 Czynna różnica temperatur między zamrażanym produktem, a środowiskiem chłodzącym odwrotnie proporcjonalna do czasu zamrażania istotna w klasycznych metodach zamrażania

17 Wymiary i kształt na czas wpływa przede wszystkim grubość i kształt zamrażanego produktu przy większych grubościach czas rośnie proporcjonalnie do kwadratu grubości produktu w tych samych warunkach czas zamrażania płyty jest 2-krotnie dłuższy niż walca i 3-krotnie dłuższy niż kuli najkorzystniejszy kształt kuli, zwłaszcza przy zastosowaniu metod zamrażania indywidualnego (fluidyzacyjnego) Przewodność cieplna im większa wartość tym krótszy czas zamrażania zależy od własności fizycznych produktu jej wpływ na czas zamrażania można zwiększać jedynie poprzez zmniejszenie grubości produktu

18 Przejmowalność energii cieplnej (współczynnik wnikania ciepła) im większa wartość tym krótszy czas zamrażania

19 Opakowanie - utrudnia przepływ ciepła czyli obniża wartość przewodności cieplnej

20 Nominalny czas zamrażania czas konieczny do obniżenia temperatury produktu o określonym kształcie od jednolitej początkowej temperatury 0 0 C do temperatury C w jego środku termicznym Efektywny czas zamrażania czas konieczny do obniżenia temperatury produktu o określonym kształcie od jednolitej średniej temperatury początkowej do określonej przez technologię temperatury efektywnej w środku termicznym produktu Nominalna prędkość zamrażania stosunek połowy grubości produktu, mierzonej przez jego środek termiczny do nominalnego czasu zamrażania Efektywna prędkość zamrażania stosunek połowy grubości produktu, mierzonej przez jego środek termiczny do efektywnego czasu zamrażania