Jednym z głównych problemów przy produkcji żywności

Transkrypt

1 Metody ograniczania krystalizacji lodu w procesie zamrażania ANNA KAMIŃSKA, PIOTR P. LEWICKI Jednym z głównych problemów przy produkcji żywności mrożonej jest kontrolowanie wzrostu kryształów powstających w trakcie procesu zamrażania oraz ograniczanie procesu rekrystalizacji w trakcie przechowywania. Powstawanie dużych kryształów może niszczyć strukturę tkankową niektórych produktów i wpływać na wielkość wycieku podczas rozmrażania. Niekorzystne zmiany w wyglądzie i utrata składników odżywczych obniżają jakość produktów. Ograniczenie rekrystalizacji w trakcie przechowywania może być ważnym czynnikiem determinującym gładką i kremową konsystencję oraz niezmienioną teksturę, np. deserów lodowych. Niektóre składniki obecne w żywności bądź dodawane specjalnie, np.: sacharydy, kwas askorbinowy, pektyna czy alkohol, białka ograniczające krystalizację (antifreeze proteins - AFPs), mają zdolność zapobiegania krzepnięciu wody, czyli powstawaniu zarodków krystalizacji oraz wpływają na wielkość powstających kryształów. Streszczenie. Wzrost kryształów lodu powstających w trakcie procesu zamrażania oraz proces rekrystalizacji występujący podczas przechowywania istotnie wpływają na jakość mrożonej żywności. Duże kryształy mogą niszczyć strukturę tkankową niektórych produktów, co wpływa na wielkość wycieku podczas rozmrażania (straty składników odżywczych) oraz powoduje niekorzystne zmiany w wyglądzie. W artykule zaprezentowano sposoby kontroli wzrostu kryształów lodu w trakcie zamrażania oraz zamrażalniczego przechowywania. Przedstawiono również charakterystykę i przykłady zastosowań substancji określanych jako białka ograniczające krystalizację (antifreeze proteins AFPs). Summary. The growth of ice crystals, taking place during freezing process and process of recrystallization, occurring during storage, have a significant effect on the quality of frozen foods. Big crystals may destroy tissue structure of certain products what affects the level of leakage during thawing (losses of nutrients) and causes unfavourable changes in the appearance. In the paper, the methods of controlling ice crystals' growth during freezing and during frozen storage were discussed. Characteristics and the examples of application of substances, being specified as ice crystallization-limiting proteins (antifreeze proteins AFPs) were also described. Słowa kluczowe: zamrażanie, krystalizacja, rekrystalizacja lodu, AFPs, AFGP Key words: freezing, crystallization, ice recrystallization, AFPs, AFGP Zamrażanie żywności Zamrażanie polega na obniżeniu temperatury surowca poniżej temperatury krioskopowej w celu zahamowania procesów chemicznych i biologicznych, dzięki czemu produkt zostaje zakonserwowany. Zamrażanie nie inaktywuje enzymów komórkowych, a jedynie znacznie zwalnia szybkość przemian przez nie katalizowanych. Silnie hamuje rozwój drobnoustrojów, ale nie niszczy ich całkowicie i nie zapobiega wielu procesom chemicznym decydującym o jakości mrożonki [18]. Proces zamrażania związany jest z krystalizacją wody i powstawaniem kryształów lodu, co powoduje nieodwracalne zmiany materiału. Szybkość zamrażania i związana z nim wielkość narastających kryształów ma bezpośredni wpływ na zniszczenie struktury komórkowej produktu i wyciek przy rozmrażaniu [3]. Przy małej szybkości zamrażania powstaje niewiele ośrodków krystalizacji, a kryształy lodowe zwiększają się do stosunkowo dużych rozmiarów i przenikają nieraz przez dziesiątki komórek, niszcząc ich ściany. Oprócz tego przy powolnym zamrażaniu kryształy lodu tworzą się najpierw w przestrzeniach międzykomórkowych, a następnie wewnątrz komórki. Zwiększenie szybkości zamrażania gwarantuje powstanie większej liczby małych kryształów, a w rezultacie mniejsze zniszczenie struktury tkankowej. Jednym z najbardziej widocznych skutków procesu zamrażania jest zmiana właściwości błony komórkowej traci ona zdolność półprzepuszczalności, a po rozmrożeniu turgor, jest wiotka i następuje wyciek soku. Komórki nie mają już zdolności kurczenia się lub pęcznienia pod wpływem roztworów hiper- lub hipotonicznych [18]. Duży wyciek przy rozmrażaniu znacznie obniża jakość produktu. Wygląd i struktura znacznie odbiegają od stanu przed zamrożeniem, a pozbawiona swoich właściwości tkanka jest przepuszczalna dla drobnoustrojów, które w szybkim tempie mogą doprowadzić do zepsucia produktu [3]. Powstawanie kryształów lodu i ich wielkość mają ogromne znaczenie przy produkcji deserów lodowych. Duże kryształy lodu wpływają na zmianę konsystencji, smaku, a także powodują powstawanie uczucia wodnistości i piaszczystości, przez co znacznie obniżają jakość produktów [26]. Krystalizacja i rekrystalizacja lodu Proces krystalizacji lodu charakteryzują dwie szybkości: powstawania zarodków i wzrostu kryształów. Wzajemny stosunek między tymi szybkościami decyduje o liczbie i wielkości powstających 24 Przemys³ Spo ywczy 9/2008

2 kryształów. W pewnych zakresach temperatury (poniżej temperatury krioskopowej) proces tworzenia zarodków kryształów w ogóle nie występuje, przy dalszym obniżaniu temperatury bardzo szybko wzrasta, osiąga swoje maksimum i następnie gwałtownie zanika. Szybkość wzrostu kryształów odwrotnie osiąga swe maksimum tuż poniżej temperatury krioskopowej, a przy dalszym obniżaniu temperatury maleje do zera. W tych warunkach ciecze czyste i roztwory mogą być schłodzone znacznie poniżej punktu zamarzania i nie zestalają się. Powodem tego zjawiska jest brak tzw. homogenicznych zarodków kryształów. Gdy jednak do przechłodzonej cieczy zostanie wprowadzone obce ciało, np. drobiny kurzu, następuje raptowna krystalizacja. Temperatura, w której rozpoczyna się zamrażanie, zależy przede wszystkim od stężenia cząsteczkowego substancji rozpuszczalnych [18]. Przy przechowywaniu produktu zamrożonego ogromną rolę odgrywa fluktuacja temperatury. Nawet przy niewielkich zmianach temperatury może następować częściowe rozmrożenie produktu, a następnie dyfuzja niewymrożonej fazy płynnej do powierzchni istniejących kryształów, co z kolei prowadzi do ich nadmiernego wzrostu. Proces ten łączy w sobie zwykle dwa mechanizmy: koalescencji i migracji. Koalescencja to proces łączenia dwóch znajdujących się w pobliżu siebie kryształów lodu w pojedynczy większy kryształ. Przemieszczające się cząsteczki wody tworzą mostek łączący dwa kryształy stopniowo budując nowy, duży kryształ lodu [31]. Proces migracji obejmuje topnienie małych kryształów, a następnie dyfuzję fazy wodnej do powierzchni większych kryształów. Mechanizm ten jest ściśle związany ze zmianami temperatury, którym podlega przechowywany produkt. Przy podwyższeniu temperatury małe kryształy topnieją całkowicie bądź częściowo. Ciśnienie pary wodnej nad powierzchnią zakrzywień kryształu lodu jest odwrotnie proporcjonalne do promienia kryształu (model Ostwalda) stąd różnica ciśnień na powierzchni dużych i małych kryształów staje się siłą napędową procesu dyfuzji molekuł wody od mniejszych do większych kryształów lodu, powodując ich ekspansję przy ponownym obniżeniu temperatury [1]. Dyfuzyjny ruch cząsteczek wody zależy głównie od lepkości zamrażanego roztworu. W roztworze charakteryzującym się wysoką lepkością szybkość dyfuzji jest niewielka. Dlatego też jako czynniki hamujące wzrost dużych kryształów stosuje się substancje podnoszące lepkość zamrażanego produktu, np. hydrokoloidy [26]. Rola stabilizatorów w procesie krystalizacji lodu Rozwiązaniem problemu nadmiernego wzrostu kryształów lodu w trakcie zamrażania i przechowywania żywności mrożonej może być dodatek substancji określanych mianem stabilizatorów. Stabilizatory są stosowane w celu utrzymania i poprawy fizycznych i chemicznych właściwości produktu. Modyfikują m.in. zdolności materiału do wiązania i utrzymywania wody, a tym samym wpływają również na przebieg procesu zamrażania [4, 27, 34]. Wzrost kryształów lodu w zamrażanym materiale kontrolują głównie stabilizatory polisacharydowe. Ich działanie najczęściej wyjaśnia się hipotezami tzw. lodowego moderatora oraz strukturalnej wody Karrowa i Webba [14]. Według hipotezy lodowego moderatora utrudniają one orientowanie się molekuł wody w kierunku sieci krystalicznej, spowalniają Przemys³ Spo ywczy 9/2008

3 dyfuzję wody, poza tym determinują rozmiar, kształt i rozmieszczenie kryształów lodu w produkcie oraz liczbę powstających kryształów w formie heksagonalnej [22]. Według hipotezy strukturalnej wody większa część wody wolnej oraz związanej (np. z białkami) ma tzw. strukturę kratową. Stabilizatory powodują prawdopodobnie wzbudzenie dalszego tworzenia struktury kratowej zamiast formowania się kryształów lodu [23]. Dobry stabilizator powinien wpływać na wzrost lepkości produktu, utrudniając w ten sposób przebieg procesów dyfuzji [16]. Początkowo uważano, że lepszym krioprotektantem jest stabilizator wykazujący jednocześnie właściwości żelujące, zbadano jednak, że substancje pozbawione właściwości żelujących mogą również spowalniać proces krystalizacji [32]. Niektóre substancje działają stabilizująco przez adsorpcję na powierzchni istniejących już kryształów lodu. Między cząsteczkami zaadsorbowanej substancji powstają wówczas kryształy lodu o znacznie mniejszym promieniu (rys. 1). pochodzących z ryb morskich, a podział ten jest uzależniony od obecności lub braku grupy węglowodanowej. Obecność grupy węglowo-danowej klasyfikuje je jako glikoproteiny (AFGPs), jej brak jako białka nieglikoproteinowe (AFPs). AFGPs mają budowę sekwencyjną trójaminokwasową (Ala-Ala- -Thr)n lub dwuaminokwasową, przy czym jeden z aminokwasów ma dodatkową grupę węglowodanową. Do tej pory nie udało się uzyskać syntetycznego odpowiednika dla żadnej substancji z rodzaju AFGPs. Badania prowadzone są na AFGPs pochodzących z antarktycznych ryb Trematomas borgrevinki oraz Dissostichus masoni, a także z ryb Morza Północnego Boreogadus saida i na niektórych gatunkach arktycznego dorsza. Z jednej ryby uzyskuje się od 42 do 196 mg AFGP. Struktura i mechanizmy działania AFGP wciąż są najmniej rozpoznane ze wszystkich rodzajów AFPs [19]. Badania dotyczące AFP z grupy I prowadzone są na białku pochodzącym od zimowej flądry Pseudopleuronectes americanus. Uzyskano pozytywne wyniki przy próbie syntezy białka odpowiadającego AFP pochodzącej od tego gatunku ryb [36]. AFPs pozbawione grupy węglowodanowej podzielono na cztery grupy (tab.). Funkcje i mechanizmy działania AFPs Białka ograniczające krystalizację lodu budowa i pochodzenie Substancje silnie ograniczające proces krystalizacji lodu produkują niektóre gatunki organizmów żywych. Substancje te określane jako białka ograniczające krystalizację lodu (AFPs) umożliwiają tym organizmom normalne funkcjonowanie w temperaturze poniżej zera. Proteiny te nie tylko obniżają temperaturę krioskopową, ale przede wszystkim zdecydowanie ograniczają proces powstawania dużych kryształów lodu w zamrażanym materiale oraz hamują proces rekrystalizacji podczas przechowywania. Niewielki dodatek tych substancji to jakość dodana do produktu mrożonego. Niestety, koszt otrzymania tego typu substancji jest wciąż dość wysoki, co ogranicza możliwości ich zastosowania. Badania nad mechanizmem działania tego typu substancji rozpoczęto prawie 40 lat temu. We krwi niektórych ryb polarnomorskich wykryto substancję o strukturze białka, która chroniła organizm tych ryb przed zamarznięciem w niskiej temperaturze, nietolerowanej przez inne gatunki ryb [7, 8, 11-13]. Substancje o podobnej budowie i działaniu wykryto również u niektórych bezkręgowców, głównie owadów. Produkują je także niektóre rośliny wyższe (np. niektóre gatunki czosnku [33], marchwi [10] czy ziemniaka [33], a także bakterie i grzyby [10, 17]). W przeważającej większości prowadzi się jednak badania nad właściwościami AFPs pochodzących z ryb polarnomorskich (tab.). AFPs to głównie peptydy lub białka składające się z maksymalnie 40 aminokwasów. Rozróżnia się obecnie dwa typy AFPs Podstawową funkcją AFPs jest obniżenie temperatury zamrażania i tłumienie wzrostu zarodków kryształów lodu, a przez to hamowanie procesu zamrażania [20]. Dodatek AFP nie wpływa przy tym na zmianę ciśnienia osmotycznego tak, jak dzieje się to w przypadku zastosowania sacharozy, glikolu czy NaCl [6]. Według większości naukowych doniesień hamowanie to zachodzi przez adsorpcję AFPs na powierzchni kryształów lodu lub przez wzajemne oddziaływanie cząsteczek AFPs i wody na granicy lód woda. Raymond i DeVries [30] jako pierwsi zaproponowali model hamowania przez adsorpcję AFP na powierzchni kryształów lodu. Wen i Laursen [36] zaproponowali model, który przedstawia proces hamowania wzrostu kryształów w dwóch etapach. W pierwszym etapie, poszczególne cząstki bądź grupy cząstek AFP łączą się ściśle z powierzchnią powstających zarodków kryształu i pozwalają na ich wzrost tylko w przestrzeni ograniczonej przez te cząstki. Tym samym powodują niestabilność struktury lodu i jej rozpad. Następnie cząsteczki AFP całkowicie oddzielają cząsteczki wody od istniejących już kryształów lodu i dalszy wzrost kryształów staje się niemożliwy. Kiedy cząsteczki AFP zostają zaadsorbowane na powierzchni lodu, powstające w ograniczonej przez nie przestrzeni nowe kryształy rosną wzdłuż osi i przyjmują kształt graniastosłupa (w normalnych warunkach kryształy przyjmują formę heksagonalną). W wyższych stężeniach AFPs powodują tzw. histerezę termalną. Dodatek tych protein obniża temperaturę krioskopową niewpływając jednocześnie na temperaturę topnienia, dlatego też stan przechłodzenia jest stabilny mimo niekorzystnych zmian temperatury [2, 8, 11, 17]. 26 Przemys³ Spo ywczy 9/2008

4 Tabela. Podział i charakterystyka AFPs pochodzących z ryb Charakterystyka AFGP AFP I AFP II AFP III AFP IV Masa molekularna (Daltony) Struktura pierwszorzędowa Struktura drugorzędowa Powierzchnia wiązania Komponenty proteinowe Źródła naturalne Źródło: Zbadano, że obecność niewielkiej ilości (<0,1 μg/ml) glikoprotein w produkcie może całkowicie zahamować przebieg rekrystalizacji [24, 25]. Proces rekrystalizacji występuje przy nadmiernej fluktuacji temperatury w czasie składowania czy transportu produktów. Dodatek AFP do deseru dostępnego na rynku opatentowali po raz pierwszy w 1992 r. Warren, Mueller i Mckown [35]. Dodatek AFP pozwolił na przechowywanie produktu w temp. 8 C bez wzrostu kryształów, po uprzednim zamrożeniu w temp. 80 C. Sprawdzono, że spożycie dużych ilości ryb, u których wykryto obecność AFPs nie ma ubocznych skutków zdrowotnych [6]. Dlatego obecnie prowadzi się badania nad dodatkiem AFP do żywności przeznaczonej do mrożenia, a także nad znalezieniem substancji alternatywnych tańszych, bardziej dostępnych i jednocześnie dających podobne efekty. Niewielki dodatek AFP do produktów mlecznych (takich jak lody, jogurty i desery) mógłby zahamować rekrystalizację, a więc zapewnić ich gładką, kremową konsystencję [15, 21]. Badania prowadzono w układach modelowych sa-charoza 49,5% [21]. W próbkach z dodatkiem standardowej mieszanki stabilizującej (Ala-Ala-Thr)n heliakalna, rozbudowana bogata w alaninę, złożona z 11 powtórzeń sekwencji zawierających alaninę α-helisa amfifilowa bogata w cystynę, połączenia za pomocą mostków disulfidowych β-płaska (mono- i diglicerydy, guma guar, guma celulozowa i pochodne silikonowe), po 50 h przechowywania w temperaturze 8 C, średnica kryształów lodu była już na poziomie 60 μm, podczas gdy w próbkach z dodatkiem AFGP nie przekroczyła 15 μm (rys. 2). Inhibicja procesu krystalizacji znalazła zastosowanie w przemyśle mięsnym. Powstające w czasie zamrażania i przechowywania duże kryształy lodu mogą niszczyć strukturę tkankową. Produkt taki charakteryzuje się niekorzystnym wyglądem po rozmrożeniu, a wraz z wyciekiem traci również wartości odżywcze. Zbadano, że w mięsie wołowym i owczym moczonym przed mrożeniem w roztworze zawierającym 1 mg/ml AFP z grupy I lub 1 mg/ml AFGP powstawały znacznie mniejsze kryształy lodu [28]. Podobne efekty dawało nastrzykiwanie mięsa roztworem (0,01 μg/kg) AFGP, niezależnie od tego, w jakim czasie przed procesem mrożenia następowało nastrzykiwanie [29]. Boonsupthip i Lee [5] badali niezmienność funkcji żelujących dla protein pochodzących z mięśni ryb, po procesie zamrażania, przy niewielkim dodatku (maksymalnie 50 g/l) AFP grupy III. Proteina ta okazała się o wiele lepszym krioprotektantem niż dodatek standardowej mieszanki sacharoza + sorbitol. Zanotowano wzrost aktywności badanych protein mięśniowych wraz ze wzrostem dodatku AFP z grupy III. Dodatek AFPs pozwala na uniknięcie modyfikowania właściwości organoleptycznych żywności tak jak dodatek sacharozy czy NaCl. 28 Przemys³ Spo ywczy 9/2008 motyw strukturalny (βαβ) 17% glutaminy, pozbawiona disulfidowych mostków graniastosłupa piramidalna graniastosłupa α-helisa dorsz atlantycki antarktyczny notothenioid flądra zimowa (Pseudopleuronect es americanus) morski skorpion (Myxocephalus scorpius) kruk morski niektóre gatunki śledzia Macrozoarces americanus wilk morski skorpion Longhorn Rys. 2. Wpływ dodatków: (a) i (b) do modelowego roztworu sacharozy na zmianę średnicy kryształów lodu (po 50 h przechowywania w temp. 8 C) [21] a) sacharoza + miks stabilizujący b) sacharoza + AFGP (1 mg/ml)

5 Użycie AFPs w technologii produktów spożywczych jest niestety mało ekonomiczne. Pozyskanie AFPs z ryb polarnomorskich jest tak kosztowne jak chemiczna synteza. Szybki rozwój badań nad procesami syntezy, a także możliwością wykorzystania innych substancji wykazujących podobne działanie (np. niektóre polimery węglowodanów), może spowodować obniżenie kosztów i wprowadzenie tego typu substancji do powszechnego użytku. AFPs pozyskane na drodze chemicznej syntezy mogą być jednak gorzej przyswajalne, dlatego przed wprowadzeniem na rynek muszą być wielokrotnie przebadane pod tym względem, a także jako dodatek do żywności pod względem niekorzystnego wpływu na zdrowie człowieka. Obecnie przedsiębiorstwa, głównie na terenie USA zamawiają niewielkie ilości tych substancji jedynie do badań laboratoryjnych i w szczególnych przypadkach [6] z powodzeniem stosuje się tam niektóre AFPs przy produkcji deserów lodowych. ul. Inwalidów Bydgoszcz tel.: 052 / fax: 052 / info@awe.com.pl Od redakcji: Wykaz literatury prześlemy zainteresowanym Czytelnikom em, faksem lub pocztą. Korespondencję prosimy kierować na adres: przemspozywczy@sigma-not.pl Dr inż. A. Kamińska, prof. dr hab. P.P. Lewicki Wydział Nauk o Żywności, SGGW, Warszawa Wydanie publikacji zostało dofinansowane przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego Przechodnia myjka podeszew i cholewek butów niskich 5523 automatyczny pobór płynu myjącego sterowanie ręczne lub fotokomórką NAPOJE ENERGETYZUJĄCE... (dokończenie ze s. 13) koordynację ruchową. Spożywające taką mieszankę osoby doznają mylnego wrażenia pozostawania w dobrej kondycji psychoruchowej, co przyczynia się do zwiększonej konsumpcji alkoholu i niebezpiecznych zachowań [9]. Przypuszcza się również, że łączenie alkoholu ze składnikami pobudzającymi wzmaga agresję, a u wrażliwych osobników może wywoływać arytmię. Łączenie alkoholu i napojów energetyzujących jest także niebezpieczne w warunkach zwiększonego wydatku energetycznego i utraty płynów spowodowanej poceniem się. Pomimo wielu zastrzeżeń związanych ze spożyciem napojów energetyzujących, fakt ich podstawowej funkcjonalności, związanej z krótkofalowym psychofizycznym pobudzeniem organizmu, jest dobrze udokumentowany. Stosowane zgodnie z przeznaczeniem przynoszą wiele korzyści [27]. Od redakcji: Wykaz literatury prześlemy zainteresowanym Czytelnikom em, faksem lub pocztą. Korespondencję prosimy kierować na adres: przemspozywczy@sigma-not.pl Dr M. Hoffmann, prof. dr hab. F. Świderski Wydział Nauk o Żywieniu Człowieka i Konsumpcji, SGGW, Warszawa Wydanie publikacji zostało dofinansowane przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego Przemys³ Spo ywczy 9/2008 Stanowisko mycia butów niskich, rąk oraz dezynfekcji rąk COMBI 5524 mycie podeszew oraz cholewek butów niskich automatyczny pobór płynu myjącego mycie rąk w umywalce z automatycznym wypływem wody dezynfekcja rąk płynem szybkoschnącym Wyroby chronione! ZAMÓW BEZPŁATNY AKTUALNY KATALOG WYROBÓW AWE