TEMAT: Zmiany fizyczne zachodzące w mroŝonej Ŝywności.

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Seminarium z przedmiotu Współczesne techniki zamraŝania TEMAT: Zmiany fizyczne zachodzące w mroŝonej Ŝywności. Wykonała: Agnieszka Bielska Semestr: 9 Specjalność: SiUChKl Spis treści: I. Zmiany jakościowe w mroŝonej Ŝywności. 3 II. Zmiany fizyczne. 3 II.1. Zmiany strukturalne.. 3 II.2. Rekrystalizacja.. 4 II.3. Ubytki masy.. 5 II.4.Oparzelina mrozowa.. 8 III. Wnioski. 9

2 I. Zmiany jakościowe w mroŝonej Ŝywności. Produkty Ŝywnościowe oraz surowce z jakich są wykonane charakteryzują się nietrwałością, są one podatne na zmiany fizyczne, chemiczne, biogeniczne i mikrobiologiczne. Efektem tych przemian są zmiany właściwości sensorycznych(metoda oceny jakości produktów za pomocą zmysłów; wzrok, węch, dotyk, smak), przydatności uŝytkowej i walorów Ŝywieniowych. Zmiany jakościowe zachodzące w produktach są specyficzne dla kaŝdej grupy jak i zastosowanej technologii przetwarzania i utrwalania. Podstawowymi warunkami dobrej jakości Ŝywności mroŝonej to dobry surowiec, właściwa obróbka i właściwe opakowanie, odpowiednie parametry zamraŝania, przechowywania i rozmraŝania. Jakość produktów mroŝonych zaleŝy więc od zmian poprzedzających proces zamraŝania, jak i wtórnych występujących w poszczególnych fazach obróbki zamraŝalniczej. Podczas przestrzegania zasad dobrej praktyki produkcyjnej mroŝona Ŝywność na ogół zachowuje swoją jakość. ZamraŜanie w odniesieniu tylko do przemian mikrobiologicznych ma charakter utrwalania absolutnego, natomiast przemiany fizyczne, chemiczne i biochemiczne w niskich temperaturach, temperaturach silnie zwolnionym tempie postępują nadal, powodując stopniowy spadek wyjściowej jakości produktów. II. Zmiany fizyczne. Zmiany fizyczne są spowodowane typowymi przemianami fazowymi. Podstawową, najbardziej istotną przemianą jest zamiana wody w lód. Do pochodnych następstw jakościowych tego procesu moŝna zaliczyć zamraŝalnicze zmiany struktury produktów, proces rekrystalizacji, ubytki masy w wyniku parowania oraz sublimacja pary wodnej. II.1. Zmiany strukturalne. Zmiany strukturalne w produktach Ŝywnościowych są bardzo zróŝnicowane choć nie są duŝe(mniejsze w produktach zwierzęcych niŝ roślinnych, w ich obrębie mniejsze w mięsie niŝ w rybach i mniejsze w warzywach niŝ w owocach). Występują zmiany membran komórkowych, szkodzenia ich ciągłości, oraz utrata ich specyficznych właściwości. Spowodowane są one przez trzy grupy czynników: formujących się kryształów lodu, zwiększonego ciśnienia osmotycznego płynów komórkowych oraz precypitacji i denaturacji koloidowych składników produktów. Szybkość zamraŝania ma wpływ na struktury tkankowe. Przyjęto ze im szybszy spadek temperatury, to tym lepiej jest zachowana struktura(drobniejsze kryształy lodu, mniejsze zmiany stęŝenia roztworów tkankowych). ZamraŜanie kriogeniczne prowadzi do powaŝnych zmian strukturalnych. W warunkach procesu przy duŝych gradientach temperatur, następuje istotny wzrost ciśnienia wewnątrz produktu. Wzrost ciśnienia jest tym większy o ile wiesze są wymiary ciała, im szybciej następuje zamraŝanie, im wyŝsze są róŝnice temperatur miedzy zewnętrzną a wewnętrzną warstwą produktu. Powodują one uszkodzenia zewnętrznych warstw produktów przemroŝonych, które nie maja nic wspólnego z uszkodzeniami następującymi podczas samego procesu powstawania duŝych kryształów przy spokojnym zamraŝaniu. MoŜna zatem zakładać istnienie pewnego optymalnego zakresu szybkości zamraŝania przy którym zmiany strukturalne produktów są minimalne.

3 Zmiany strukturalne zamroŝonych produktów zwykle powodują niekorzystne zmiany pochodne: utratę turgoru (stan wysycenia komórek i tkanek roślinnych wodą, umoŝliwiający utrzymanie kształtu i określonej pozycji przez roślinę lub niektóre jej organy, nie posiadające dobrze wykształconej podtrzymującej tkanki mech.), spadek jędrności, zmiany konsystencji produktu, ograniczenie zdolności utrzymywania wody, w skrajnych przypadkach mechaniczne uszkodzenia tkanek lub zanik ich pierwotnego kształtu. Wpływ zamraŝania na strukturę tkankową nie musi być destrukcyjny. Zaczęto wykorzystywać zamraŝanie jako pozytywny czynnik strukturotwórczy w procesie teksturyzacji mroŝeniowej (np. precypitatu białkowego). Proces ten prowadzi się w płaskich naczyniach, których ulega on powolnemu zamraŝaniu w temperaturze od -5º do -12ºC.Powstajace stosunkowo duŝe kryształy lodu, które są pionowo usytuowano, wypierają i odwadniają roztwór, powodując przy tym jego stopniowe zagęszczanie w otaczających je przestrzeniach(przebieg krystalizacji moŝna regulować poprzez szybkość odprowadzania ciepła).po odtajaniu lodu usunięciu wody powstaje złoŝona z uporządkowanych włókien struktura. Wolne przestrzenie po kryształach lodu mogą być wypełniane substancjami polepszającymi walory Ŝywieniowe lub sensoryczne produktu. II.2. Rekrystalizacja. Przemiany fazowe zachodzące w procesie zamraŝania polegają na krystalizacji wody zawartej w produktach oraz na przekształceniach obrębie samych faz. Woda stanowiącą powyŝej temperatury zamraŝania fazę ciągłą, po wykrystalizowaniu przekształca się w frakcje lodowa, zaś jej niewymroŝona cześć, z rozpuszczonymi w niej pozostałymi składnikami, staje się faza rozproszona. Forma jaka przyjmuje w produktach Ŝywnościowych krystalizacja lodu określa nam szybkość zamraŝania, a zwłaszcza szybkość przejścia przez zakres krytycznych temperatur(-1º do 5ºC),w którym wymraŝana jest masa wody. Rekrystalizacja jest to zmiana wielkości i lokalizacji kryształów w zamroŝonych produktach podczas dalszego ich przechowywania. Po przez badania mikroskopowe zamroŝonych preparatów moŝemy zauwaŝyć ze istnieją róŝne formy zmian strukturalnych. Początkowo w niskich temperaturach proces przebiega bardzo powoli, ale w miarę zbliŝania się do punktu krioskopowego jego szybkość rośnie. Przemieszczanie się wilgoci polega na zaleŝności ciśnienia pary nasyconej nad parującą powierzchnia. W wyniku róŝnicy ciśnień cząsteczki wody pod postacią pary wędrują od małych do duŝych kryształów. W pierwszej kolejności wymraŝają się małe kryształy, co jest kolejną przyczyną rekrystalizacji. Powstaje w trakcie tego procesu woda, która po kolejnym obniŝeniu temperatur zamarza się koło duŝych kryształów. Zmiany są tym wyŝsze, im wyŝsza jest temperatura przechowywania i im większe są jej wahania. Rekrystalizacja powoduje stopniowy zanik efektów szybkiego zamraŝania, i jak wpływa na nasilenie zmian strukturalnych. Zmiany te po rozmroŝeniu moŝemy zauwaŝyć po: utrudnionej resorpcji soków tkankowych, osłabieniu konsystencji produktów i zwiększonego wycieku.

4 Zjawisko rekrystalizacji ograniczamy zapewniając podczas zamraŝania warunki uzyskania moŝliwie jednakowej szybkości procesu i wielkości kryształów oraz przechowywanie w moŝliwie niskich temperaturach stałych temperaturach. Dodatki do substancji ochronnych maja znaczny wpływ i określa się je poniŝszymi hipotezami. Hipoteza lodowego moderatora opiera się na mechanizmie działania tych substancji jako opóźniaczy dyfuzji cząsteczkę wody na zewnątrz komórek i utrudnianiu ich formowania się w siatkach krystalicznych. Według hipotezy wody strukturalnej, substancje ochronne powodują stabilizowanie struktur wody wolnej i związanej, zwartej wewnątrz komórek i tym samym ograniczają zamraŝalnicze uszkodzenia błon komórkowych. Całkowite zahamowanie rekrystalizacji jest moŝliwe tylko jedynie w temperaturze poniŝej punktu eutektycznego, który dla roztworów biologicznych wynosi około-60º około. II.3. Ubytki masy. Podczas kaŝdej produkcji starami ograniczyć się straty poszczególnych faz obróbki Ŝywności. Dotyczy to zwłaszcza procesu zamraŝania, w którym znacznie efekty ekonomiczne obniŝają i wpływają na jakości produktu, ubytki masy. Ubytek masy w czasie powietrznego zamraŝania produktów jest Ŝywnościowych jest funkcją wielu czynników: i p P τ A p m := α T gdzie: i p - róŝnica entalpii produktu, P- średnia róŝnica ciśnień cząstkowych pary wodnej na powierzchni produktu i w powietrzu, τ-czas procesu, A p - powierzchnia produktu, α-współczynnik wnikania ciepła, T- średnia całkowita róŝnica temperatur powierzchni produktu i powietrza. RóŜnica entalpii jest tym mniejsza im mniejsza jest temperatura początkowa produktu, ale wstępnie schładzanie w powietrzu daje w efekcie wzrost sumarycznego ubytku.

5 Czynna róŝnica ciśnień P i róŝnica temperatur T między powierzchnią produktu i powietrzem w czasie procesu zamraŝania. Krzywe ciśnień cząstkowych pary w powietrzu zamraŝalni P f i na powierzchni P s. JeŜeli powierzchnia jest sucha, to dyfuzja pary z wnętrza produktu do otoczenia jest hamowana struktura komórkowa, zatem ciśnienie pary na tej powierzchni jest niŝsze od ciśnienia nasycenia(krzywa P s ).Na wykresie naniesione krzywe a i b w przekroju produktu, są one przy temperaturze powietrza -20º i -25ºC.Mozemy dzięki temu zauwaŝyć w wyniku spadku temperatury powietrza obniŝa się temperatura powierzchni produktu, co powoduje redukcje P p przy nie zmienionym T. Efektem tego jest zmniejszenie się ususzki. Podobny efekt uzyskuje się przez intensyfikacje wymiany ciepła. Zwiększając α następuje obniŝanie temperatury powierzchni, co jest widoczne na krzywej c. Następuje równieŝ redukcja P przy niewielkim zmniejszeniu T co wpływa na zmniejszenie ubytku masy. Wpływ czasu procesu i powierzchni jest ze sobą ściśle powiązane. Rozwijając powierzchnie czynnej produktu powodujemy znaczną intensyfikację parowania, czyli w efekcie sporo skrócenie czasu procesu. Ponadto zwykle wzrasta współczynnik α co obniŝa temperaturę powierzchni i zmniejsza P, a w sumie uzyskuje się znaczne zmniejszenie ususzki. Przy zamraŝaniu produktów o mokrej powierzchni, ciśnienie pary wzrasta do stanu nasycenia oraz rosną ubytki masy. Podsumowując dla uzyskania moŝliwie małego ubytku masy proces naleŝy prowadzić przy jak najniŝszej temperaturze powietrza i jak najbardziej intensywnej wymianie ciepła. W trakcie procesu mroŝenia kriogenicznego wtryskiwany obojętny gaz praktycznie wypiera powietrze, co istotnie zmienia warunki powstawania ubytków masy w otoczeniu produktów. Wywnioskowano ze przy ograniczaniu dopływu ciekłego azotu ubytki wyraźnie rosną. JeŜeli chcielibyśmy całkowicie wyeliminować ubytki z techniki zamraŝania to byłoby

6 to jedynie moŝliwe przy metodzie wykorzystującej ciekły freon, która została zaniechana ze względu na zagroŝenia ekologiczne. Większe znaczenie gospodarcze ma ususzka w czasie przechowywania, powoduje ona znaczne ubytki masy oraz pochodne zmiany jakości występujące w mroŝonej Ŝywności. Dyskwalifikujące zmiany powierzchniowe w rybach stwierdza się przy osuszce powyŝej 0,8%,w owocach i warzywach- 1-1,5%,straty masy porcjowanych półproduktów mięsnych nie powinny przekraczać 0,7%,ze względów jakościowych. Ubytki masy zaleŝą równieŝ od połoŝenia towaru w stosie. W układzie poziomym największe są od strony zewnętrznej ściany komory, najmniejsze w środkowej części, zaś w układzie pionowym największe na powierzchni, najmniejsze w środku i średnie w dolnej części stosu. WaŜny jest równieŝ stopień załadowania komory, przy pewnym załadunku ubytki są mniejsze. Pewien wpływ maja tez teŝ rozwiązania budowlane i konstrukcyjne komór chłodniczych. W parterowych chłodniach ubytki na ogół są większe niŝ w komorach wielokondygnacyjnych o tej samej pojemności. ObniŜenie temperatury z -20º do -30ºC moŝe zmniejszyć ubytek o 20%.Przy poprawie izolacji nawet do 50%. Na podstawie uwolnionych danych doświadczalnych określono średnie, miesięczne ubytki mas w róŝnych temperaturach: Temperatura [ºC] Ubytki[%] -10 0, , , , ,10 WaŜnym aspektem ograniczenia ususzki są opakowania Ŝywności. Opakowania paroszczelne, ściśle przylegające do powierzchni produktów całkowicie eliminują osuszkę. Opakowania przepuszczające parę wodna minimalizują jedynie osuszkę zewnętrzną, zaś opakowania paroszczelne, które nie przylegają zbyt dokładnie, występuje osuszka wewnętrzna. Osuszka wewnętrzna wiąŝe się z wahaniami temperatury w przestrzeniach powietrznych pomiędzy produktem a opakowaniem. Gdy temperatura zewnętrzna ulega obniŝeniu to temperatura po wewnętrznej stronie opakowania przez krotki czas jest niŝsza od temperatury powietrzni, powodując wymraŝanie na niej sublimującej pary wodnej.

7 Wpływ warunków przechowywania na rozmiary ususzki wewnętrznej, na przykładzie mięsa zapakowanego w tacki do 75% ich pojemności pokazano na poniŝszym wykresie: Wpływ warunków zamraŝania na ususzkę wewnętrzną Rozmiary ususzki zaleŝą ponadto od specyficznych cech przechowywanych produkt i rodzaju uŝytych opakowań. Ubytki masy właściwie dotyczą wyłącznie zewnętrznych warstw produktów. Ususzka w mroŝonej Ŝywności poza ubytkami masy produktów, powoduje równieŝ znaczne obniŝanie ich jakości. Zmiany na powierzchni zamroŝonych produktów zwierzęcych przyśpieszają procesy denaturyzacji białek, (wskutek zaniku naturalnej zapory lodowej) ułatwiona jest dyfuzja tlenu w głąb tkanek i rozwój procesów utleniania. Produkty roślinne ze wzrastającymi ubytkami masy trącą naturalną świeŝość, stają się matowe, a efekcie powstają nieregularne plamy i nietypowy odcień. ZauwaŜalne zmiany wyglądu występują w poszczególnych produktach przy róŝnych ubytkach mas, najczęściej przy przekroczeniu 1-1,5% masy początkowej. II.4.Oparzelina mrozowa. Oparzelina mrozowa jest skrajnym przypadkiem zmian jakościowych wskutek ususzki. Zjawisko to występuje w tkankach roślinnych i zwierzęcych jak i sokach owocowych. Podatne na oparzelinę mrozową są miedzy innymi tuszki drobiu, wątroba, ryby, fasola, groszek. MoŜemy ją rozpoznać po plamach o wyraźnych konturach, o róŝnej barwie. W przypadku drobiu są to jasne plamy wskutek penetracji tlenu, przy wątrobie ciemne wskutek zagęszczenia składników komórek. Po rozmroŝeniu produktów moŝna zauwaŝyć ze plamy zanikają. Przy bardzo silnym odwodnieniu tkanek w obrębie oparzeliny mogą występować procesy utleniania tłuszczów, denaturacji białek i niepoŝądane zmiany sensorytyczne. Istotny wpływ na powstawanie oparzeliny maja warunki zamraŝania. Im szybszy jest proces i mniejsze ubytki wody, tym większe jest zagroŝenie wystąpienia oparzeliny. Jej rozmiary są określone wielkością ubytków masy, lecz nie szybkością sublimacji. WaŜna jest równieŝ temperatura przechowywania produktu. Straty wskutek ususzki, niezbędnej do powstania oparzeliny, w temperaturze -20ºC są bezwzględnie mniejsze niŝ w - 10ºC. Produktach opakowanych migracja wewnątrz opakowania moŝe być istotniejsza w powstawaniu oparzeliny aniŝeli dyfuzja na zewnątrz przez ścianki opakowania.

8 Oparzelinę mrozową moŝna ograniczyć zachowując moŝliwie niską i stalą temperaturę przechowywania. Produkty moŝna równieŝ chronić po przez izolowanie ich od otoczenia(m.in. zamraŝanie owoców w roztworach z cukru). III. Wnioski. Podstawowymi warunkami dobrej jakości Ŝywności mroŝonej to dobry surowiec, właściwa obróbka i właściwe opakowanie, odpowiednie parametry zamraŝania, przechowywania i rozmraŝania. Zmiany następujące w produktach polegają na mechanicznych uszkodzeniach lub nieodwracalnej utracie ich specyficznych właściwości. Szybkość zamraŝania ma istotny wpływ na struktury tkankowe. Im szybszy jest spadek temperatury, tym lepiej zachowana jest struktura. JeŜeli utrzymamy szybkość procesu i zminimalizujemy wahania temperatury moŝemy ograniczyć zjawisko rekrystalizacji oraz ususzki, a przez co zmniejszyć ubytki masy. Utrzymując moŝliwie niska temperaturę przechowywania i dopasowując odpowiednie opakowania wypływamy korzystnie na produkty mroŝone. Podsumowując moŝemy stwierdzić ze dbając o odpowiednie parametry moŝemy w większym stopniu ograniczyć negatywne skutki mroŝenia produktów Ŝywnościowych. IV.Literatura. Opracowane na podstawie ksiąŝki Z.Grudy i J.Postolskiego ZamraŜanie Ŝywności