ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA

Transkrypt

1 METODY PRZECHOWYWANIA I UTRWALANIA BIOPRODUKTÓW ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Opracował: dr S. Wierzba Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej Uniwersytetu Opolskiego

2 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

3 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

4 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 powodują: utratę turgoru, spadek jędrności zmianę konsystencji, ograniczenie zdolności utrzymywania wody mechaniczne uszkodzenie komórek, tkanek, zanik pierwotnego kształtu

5 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 się 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)

6 Rekrystalizacja wolnych kroków początkowo proces przebiega bardzo powoli i nasila się wraz ze wzrostem temperatury i zbliżaniem się do punktu krioskopowego.

7 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

8 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 prowadzące do nieodwracalnych zmian w produktach

9 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.

10 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

11 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 -5 0 C. Przeciwdziałanie denaturacji mrożeniowej: przechowywanie w temperaturze ok C w warunkach zabezpieczających 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,

12 Przemiany tłuszczów i lipidów autooksydacja, w konsekwencji powstają nadtlenki, wodoronadtlenki, ketony, aldehydy, wolne kwasy tłuszczowe (WKT), hydroksykwasy. Utlenianie tłuszczów tlen atmosferyczny Utlenianie tłuszczów zachodzi intensywniej przy: rozdrobnieniu produktu dodatku soli swobodnym dostępie tlenu (rodzaj opakowania) enzymy z grupy lipaz Przeciwdziałanie: ograniczenie dostępności tlenu, stosowanie przeciwutleniaczy (kwas askorbinowy), obniżenie temperatury przechowywania do C

13 Hydroliza tłuszczów (lipazy) powstanie WKT, glicerolu, mono- diacylogliceroli.

14 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 C pod wpływem inwertazy (aktywna nawet do C). Straty witamin głównie witaminy C, oraz pewnych witamin z grupy B (B 1 ): straty kwasu askorbinowego (5-30%) spowodowane działaniem tkankowych enzymów utleniających (oksydazy askorbinianowej) przy współudziale O 2, największe straty zachodzą w zakresie temperatury krioskopowej (-2 do -5 0 C) najlepsze rezultaty daje zastosowanie technik szybkiego zamrażania,

15 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

16 Dla wielu enzymów obserwuje się większą aktywność przy szybszym przebiegu procesów zamrażania: katalaza, peroksydaza, protreazy roślinne są aktywne w temperaturach C enzymy lipolityczne i oddechowe C inwertaza do C trypsyna, pepsyna szczątkowa aktywność nawet w temperaturach C

17 Zmiany mikrobiologiczne Czynnikiem charakteryzującym stosunki wodne w produktach aktywność wody a w ilość wody dostępnej dla drobnoustrojów. P n a w = = P n1 n2 Aktywność wody zależy od: gdzie: P prężność par roztworu P 0 prężność par rozpuszczalnika n 1 liczba cząsteczek substancji rozpuszczonej n 2 liczba cząsteczek rozpuszczalnika ciśnienia osmotycznego (2,4MPa 1mol substancji/1 dm 3 rozpuszczalnika, komórka do 2 MPa) temperatury - maleje wraz z jej spadkiem, w zakresie od -1 do C 0,008/1 stopień Minimalna wartość a w 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

18 Odporność drobnoustrojów na niskie temperatury jest znacznie większa niż na wysokie temperatury. Redukcja OLB następuje głównie w wyniku przemian fazowych wody: pożywka przechłodzona (-3 0 C) przeżywalność ok.. 97%, pożywka zamrożona (-3 0 C) 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 Clostridium boutilinum nie rozwija się poniżej -3,3 0 C Staphylococcus aureus, Sallmonella sp. poniżej -6,7 0 C dolne granice zdolności rozmnażania: bakterie C drożdże C pleśnie C