POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY WSPÓŁCZESNE TECHNIKI ZAMRAŻANIA -seminarium- Temat: Aspekt jakościowy i ekonomiczny konserwacji produktów żywnościowych za pomocą niskich temperatur i z wykorzystaniem wysokich ciśnień Wykonała: inż. Katarzyna Pietruszyńska sem. 2 msu, SiUCHiKl Gdańsk, 2010
SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 3 2. Cel utrwalania żywności 4 3. Metody konserwacji żywności 5 4. Utrwalanie żywności niskimi temperaturami 6 5. Konserwacja żywności metodą wysokich ciśnień 7 6. Wpływ technologii HHP na produkty 8 7. Przykłady zastosowań HHP 10 8. Zalety i wady 11 9. Podsumowanie i wnioski 12 10. Bibliografia 13
1. Wprowadzenie Pojęcie konserwowania żywności oznacza metody, które mają na celu zachowanie i utrzymanie żywności w niezmienionym stanie poprzez zabezpieczenie jej przed niekorzystnym wpływem czynników chemicznych (utlenianie), fizycznych (temperatura, światło) lub biologicznych (mikroorganizmy). Utrwalanie żywności pozwala na przedłużenie jej okresu przydatności do spożycia, dzięki czemu jest ona dostępna przez cały rok, a nie tylko sezonowo. Tak więc główną funkcją utrwalania żywności jest spowolnienie procesu psucia oraz zapobieganie wszelkim zmianom smaku, zapachu, a w niektórych przypadkach, również wyglądu. Wzrost poziomu życia oraz rosnąca świadomość społeczeństwa o wpływie diety na życie człowieka zmusza producentów do wytwarzania żywności wysokiej jakości, minimalnie przetworzonej, bez konserwantów, a jednocześnie o długim okresie przydatności do spożycia [6].
2. Cel utrwalania żywności Utrwalanie albo konserwowanie żywności jest to działanie zmierzające do przedłużenia trwałości żywności poprzez: Niedopuszczenie do rozwoju i działalności drobnoustrojów, przez ich zabicie lub usunięcie połączone z zabezpieczeniem przed zakażeniem wtórnym, Wstrzymanie tkankowych procesów biochemicznych, np. utleniania biologicznego, fermentacji, reakcji enzymatycznego rozpadu różnych związków organicznych oraz brunatnienia, Wstrzymanie zmian fizycznych, jak zbrylania się, żelowania, twardnienia, rozwarstwiania i in. zmian struktury oraz konsystencji, Hamowanie zmian chemicznych, np. autooksydacji tłuszczu, utleniania witamin, nieenzymatycznego brązowienia, Zabezpieczenie przed inwazją i rozwojem różnego rodzaju szkodników, np. szkodników magazynowych (gryzoni, owadów, roztoczy itp.), Zabezpieczenie przed zanieczyszczeniami fizycznymi, chemicznymi i pochodzenia organicznego, np. kurzem, różnymi substancjami zapachowymi i barwnymi, sierścią itd. Utrwalanie żywności osiąga się w różny sposób, wykorzystując metody: fizyczne, chemiczne i biotechnologiczne oraz kombinację (kojarzenie) tych metod. Do metod utrwalania żywności zaliczyć należy również odpowiednie opakowanie żywności, a szczególnie hermetyczne; z zastąpieniem w opakowaniu powietrza przez gazy obojętne chemicznie lub pakowane aseptycznie.
3. Metody konserwacji żywności Stosowanymi metodami utrwalania żywności są: zamrażanie, pasteryzacja, termizacja, suszenie, zagęszczanie, liofilizacja, chłodzenie, sterylizacyjna obróbka ciepła skojarzona z użyciem hermetycznych opakowań, tj. przede wszystkim puszek, a także wielowarstwowych, termokurczliwych folii, napromienianie żywności, homogenizacja wysokociśnieniowa, pulsujące pola elektryczne, solenie, cukrzenie, utrwalanie za pomocą chemicznych środków konserwujących, utrwalani za pomocą kwasów organicznych, utrwalani za pomocą kwasów nieorganicznych, wędzenie, peklowanie, kiszenie, pulsujące pola magnetyczne, pulsujące światło, ultrawysokociśnienia (UHP) i wysokie ciśnienia (HHP).
4. Utrwalanie żywności niskimi temperaturami a) Chłodnictwo żywności Stosuje się w nim temperatury w granicach od 10 C do 0 C, niektórzy podają tu szerszy zakres temperatur, od 13-16 C do punktu zamarzania żywności, tj. do około -2 C. Obniżenie temperatury o 10 C powoduje 2-3- krotne (średnio 2,5-krotne) zmniejszenie szybkości reakcji chemicznych. Ogólnie przyjmuje się, że przez obniżenie pokojowej temperatury do około 0 C zmniejsza się 5-10-krotnie szybkość przemian biologicznych surowców, półproduktów i gotowych produktów żywnościowych i w takim samym stosunku przedłuża się okres ich przydatności do przerobu czy spożycia. Nie każda żywność może być chłodzona. Jeśli temperatura owoców jest np. obniżona poniżej ich specyficznego optimum, występują tzw. Uszkodzenia chłodnicze spowodowane różnymi zmianami fizjologicznymi, jak wewnętrzne lub zewnętrzne brązowienie, brak dojrzewania, plamy na skórze. Uszkodzenia obserwuje się np. w jabłkach przechowywanych w temp. niższej niż 2-3 C, w pomidorach w temp. niższej niż 7-10 C, czy bananach w temp. niższej niż 12-13 C. Bardzo ważne jest, aby schłodzenie surowców żywnościowych, w których zachodzą jeszcze procesy biologiczne, nastąpiło jak najszybciej, gdyż procesy te prowadzą z reguły do niekorzystnych zmian barwy, zapachu, struktury i konsystencji i innych cech organoleptycznych, a także do wydzielania się ciepła i samozagrzewania. b) Zamrażalnictwo żywności Zamrażanie polega na szybkim schłodzeniu produktu do temperatury -20 C do -40 C (ale zwykle nie poniżej -30 C i rzadko dochodzącej do -40 C) i utrzymaniu jej poniżej -18 C w czasie całego okresu przechowywania produktów w chłodni. Zamrażanie wstrzymuje rozwój i działanie drobnoustrojów powodujących psucie żywności i wywołujących zatrucia. Dzięki niskiej temperaturze znacznie zwalnia się przebieg reakcji chemicznych oraz procesów enzymatycznych i biochemicznych, jakie zachodzą w żywności nie zamrożonej. Zamiana wody w lód, przy jednoczesnym zwiększeniu stężenia substancji rozpuszczalnych, stwarza warunki, w których drobnoustroje nie mogą się rozwijać.
5. Konserwacji żywności metodą wysokich ciśnień Krótka historia konserwacji żywności metodą wysokich ciśnień W ostatnich latach coraz bardziej poszukiwana jest żywność o minimalnym stopniu przetworzenia, bez konserwantów chemicznych. Żywność taka, z natury rzeczy, jest bardzo nietrwała. Stąd rodzi się potrzeba opracowania technologii konserwacji produktów żywnościowych, która w minimalnym stopniu wpływałaby a ich strukturę, wartość odżywczą i właściwości. Wymagania te spełnia wysokociśnieniowa konserwacja żywności, tzw. technologia HHP (High Hydrostatic Pressure) [1]. Po raz pierwszy niszczący wpływ podwyższonego ciśnienia na drobnoustroje wykazał R. Hite już w 1899 roku. Poddał on mleko ciśnieniu 680 MPa w temperaturze pokojowej w ciągu 10 min i stwierdził, że liczba żywych drobnoustrojów zmniejszyła się w nim z 10 000 000 do 100. Również mięso poddawane ciśnieniu 540 MPa w temp. 52 C w ciągu 1 godziny nie wykazywało zmian mikrobiologicznych w czasie 3-tygodniowego przechowywania. W następnych latach prowadzono badania nad wpływem wysokiego ciśnienia m.in. na białka, enzymy, elementy strukturalne komórki i na całe drobnoustroje. Pierwsze komercyjne zastosowanie wysokiego ciśnienia w technologii żywności miało miejsce stosunkowo niedawno. Po raz pierwszy w roku 1990 ukazał się na rynku w Japonii dżem utrwalony technologia wysokich ciśnień, a w następnym roku dalsze produkty spożywcze, jak jogurty owocowe, galaretki owocowe, przyprawy majonezowe do sałatek itp. W 1991 roku zainstalowano także w Japonii pierwszą półautomatyczną linię produkcji soków cytrusowych. O d tej chwili można więc mówić o nowej technologicznej metodzie utrwalania żywności wykorzystującej wysokie ciśnienie hydrostatyczne, tzw. technologii HHP (High Hydrostatic Pressure).
6. Wpływ wysokiego ciśnienia na produkty żywnościowe Ciśnienie hydrostatyczne nie powoduje powstawania sił tnących, a zawartość wody w produktach żywnościowych chroni je przed zmiażdżeniem. Dzięki temu produkty poddane działaniu wysokiego ciśnienia zachowują kształt i strukturę oraz (co jest bardzo atrakcyjną cechą technologii HHP!) własności organoleptyczne, zwłaszcza barwę i aromat. Mechanizm niszczenia mikroorganizmów przez wysokie ciśnienie jest zbliżony do oddziaływania chemicznych środków konserwujących. Ciśnienie zakłóca funkcje komórkowe organizmów żywych, mechanizm genetyczny, wywołuje niekorzystne reakcje biochemiczne, inaktywacje enzymów oraz powoduje zmiany w błonie komórkowej i błonie form przetrwalnikowych. Zjawiska te wynikają z reguły Le Chateliera, która mówi, że wzrost ciśnienia prowadzi do spowolnienia procesów zachodzących ze wzrostem objętości netto oraz przyspieszeniem procesów zachodzących ze zmniejszeniem objętości. W ten sposób zaburzone zostają zależne od ciśnienia procesy komórkowe i w konsekwencji następuje obumieranie mikroorganizmów. Opisane zjawiska przedstawiono w sposób uproszczony na rysunku 1. Największą wrażliwość na podwyższone ciśnienie wykazują komórki wegetatywne bakterii Gram-ujemnych. Obumierają on juz przy ciśnieniu ciśnieniu powyżej 100 MPa. Bardziej wytrzymałe są komórki bakterii Gramdodatnich, a zwłaszcza formy przetrwalnikowe. Przetrwalniki bakterii rodzajów Bacillus i Clostridium są w stanie wytrzymać ciśnienie rzędu 1200 MPa. Nie bez znaczenia jest szybkość wzrostu ciśnienia, gdyż powoduje jego podnoszenie może wywołać przyspieszone powstawanie form
przetrwalnikowych. Pleśnie i drożdże charakteryzują się wytrzymałością pośrednią między bakteriami Gram-ujemnymi, a Gram-dodatnimi. Bardzo dobre efekty zapewnia połączenie wysokiego ciśnienia hydrostatycznego z łagodnym ogrzewaniem (możliwe jest znaczne obniżenie temperatury sterylizacji). Poza niszczeniem drobnoustrojów technologia HHP stwarza także inne możliwości. Pozwala ona na inaktywację jednych enzymów i aktywację innych, umożliwia modyfikację biopolimerów czy niszczenie białek wywołujących alergię. Dodatkowo wysokie ciśnienie sprzyja tenderyzacji mięsa, poprawia żelowanie dżemów i in. Przy tym podczas procesu konserwacji nie zachodzą niepożądane reakcje chemiczne prowadzące do powstawania nowych związków.
7. Przykłady zastosowań HHP Jakkolwiek udział produktów przetworzonych technologia HHP w rynku żywności jest nieznaczny, to zakres jej zastosowań jest bardzo szeroki. Poniżej przedstawiono kilka przykładów zastosowań technologii konserwacji wysokociśnieniowej wg [8]. Proces Zastosowanie Zalety Wady Technologia HHP (High Hydrostatic Pressure) Dżemy owocowe 400-600 MPa 10-30 min Przyspieszona penetracja cukru i żelowanie oraz jednoczesna pasteryzacja. Produkt zachowuje świeży wygląd i aromat, a okres jego przechowywania wynosi 2 miesiące w temp. 4 C (po otwarciu 1 tydzień) Cena jest 2,5-krotnie wyższa od wyprodukowanego metoda tradycyjną Sok grejpfrutowy 200 MPa temp. 5 C 10-15 min Inaktywacja enzymu odpowiedzialnego za powstawanie gorzkiego smaku w soku. Okres przechowywania tak przetworzonego soku wynosi 3 miesiące w temp. pokojowej Cena jest 2-krotnie wyższa od soku wyprodukowanego sposobem standardowym Mięso wieprzowe Po wędzeniu (90 min w temp 65 C) 250 MPa temp. 20-40 C 3 h Poprawa właściwości organoleptycznej, mikrobiologicznej oraz lepsze zatrzymanie wody Ryż hipoalergiczny 400 MPa temp. 20 C 10 min Eliminacja 95% białek wywołujących alergie u konsumentów. Wolny od alergenów ryż jest gotowany na parze i pakowany w woreczki aseptyczne. Śledzie wędzone 185 MPa temp. 15 C 3o min. Unikalna tekstura oraz 10-100- krotna redukcja liczba mikroorganizmów. Nie stwierdzono występowania bakterii chorobotwórczych z rodzin Coliform, Staphylococcus, Salmonella czy Vibrio. Śledzie mogą być przechowywane w stanie zamrożonym do 1 roku. Ostrygi 400 MPa temp. 7 C 10 min. Bezpieczeństwo mikrobiologiczne oraz łatwiejsze oddzielenie mięsa od skorupy. Przechowywać można w takim stanie do 5 tygodni w temp 2 C
8. Zalety i wady HHP Zalety: Zwiększenie trwałości produktów w wyniku niszczenia drobnoustrojów, modyfikacja biopolimerów, np. białek, aktywizacja jednych enzymów i inaktywizacja innych, ukierunkowanie odpowiednich przemian, np. usuwanie białek powodujących alergię u konsumentów, zachowanie dobrej jakości organoleptycznej, zwłaszcza barwy i zapachu, wynikające z tego, że w metodzie HHP nie uszkadza się wiązań kowalencyjnych, zwiększenie dyspozycyjności produktu, poprzez zmianę jego zwartości, temperatury zamarzania i topnienia, krótki czas trwania procesu, możliwość automatyzacji, niewielkie zapotrzebowanie na energię (stosuje się taką samą ilość energii bez względu na to ile jest produktów), dostępność produktów żywnościowych poza sezonami (owoce, warzywa) żywność ma charakter produktu świeżego i można go długo przechowywać Wady: Duża odporność przetrwalników bakterii na działanie wysokich ciśnień i związane z tym bezpieczeństwo żywnościowe, duży nakład inwestycyjny (wysoki koszt komór ciśnieniowych), okresowość produkcji, mała wydajność.
9. Podsumowanie i wnioski Niestety nie istniej metoda, która jest idealnym rozwiązaniem dla całej żywności jednocześnie. Jej wybór determinują takie czynniki jak: ilość posiadanego miejsca, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, rodzaj produktu. Jak widać z przedstawionej analizy, sposób zamrażania ma największy wpływ na zmiany fizyczne produktów. Aby je ograniczyć mrożona żywność musi cechować się dobrą jakością. Można również stosować opakowania paroszczelne (w celu zmniejszenia ususzki) i krioprotektanty (w celu ograniczenia niekorzystnych przemian zachodzących we frakcji białkowej). Należy pamiętać, że na końcowy efekt przedłużania czasu spożywalności produktu ma wpływ pięć czynników: początkowa jakość produktu, odpowiedni proces początkowego jego schładzania, zamrażanie, przechowywanie i rozmrażanie. Ich odpowiedni przebieg zapewni bardzo dobrą jakość spożywanej żywności. Technologia konserwacji żywności przy użyciu wysokiego ciśnienia hydrostatycznego daje niezwykle szerokie możliwości zastosowania. W literaturze prezentowana jest często jako technologia przyszłości. Można spotkać się z tezą, że o ile przez 3 miliony lat cywilizacji ludzie przygotowując żywność posługiwali się ciepłem, o tyle w niedalekiej już przyszłości do obróbki żywności używane będzie ciśnienie. Zważywszy wciąż wysokie koszty technologii HHP, stwierdzenie to może okazać się zbyt optymistyczne. Należy pamiętać, iż formy przetrwalnikowe niektórych bakterii są w stanie przetrzymać działanie wysokiego ciśnienia. Dlatego bardzo obiecujące wydaje się połączenie ogrzewania i obróbki ciśnieniowej. Taka technologia jest niewątpliwie ciekawą alternatywą dla stosowania chemicznych środków konserwujących. Ponadto przy wzroście ciśnienia obserwuje się obniżenie punktu zamarzania roztworów wewnątrzkomórkowych, co teoretycznie umożliwia przechowywanie żywności w temperaturze znacznie niższej od 0 C bez przemiany fazowej wody w lód, a także gwałtowne zamrażanie poprzez rozprężanie przechłodzonych produktów. Zjawisko to jest jednak wciąż mało poznane i jego zastosowanie praktyczne wydaje się bardzo odległe.
10. Bibliografia [1] Pijanowski E. i in.: Ogólna technologia żywności Warszawa, WNT 2004; [2] Kulisiewicz L.: Konserwacja żywności metodą wysokich ciśnień, Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 2003, nr 12, s.448-450; [3] Molenda J.: Selected unconventional methods of food preservation Medycyna Wet. 2007, 63 (9), str. 1016-1020; [4] Hać-Szymańczuk E., Mroczek J.: Applying high pressure techniques in food technology, and meat processing in particular Medycyna Wet. 2006, 62 (6), str.637-640; [6] Kłoczko I., Chudoba T.: Próba zastosowania wysokich ciśnień hydrostatycznych (UHP) do dekontaminacji mięsa zarażonego larwami włośnia (TRICHINELLA SPIRALIS) Bromat. chem. toksykol. - XL, 2007, 2, str. 195-203 [7] Strony internetowe: www.avure.com, www.nchyperbaric.com/index.htm [8] Gruda Z., Postolski J.: Zamrażanie żywności. Warszawa 1985; [9] Jastrzębski W.: Technologia chłodnicza żywności. Warszawa 1991; [10] Berliński Ł. Bonca Z.: Wpływ metody zamrażania produktów żywnościowych na ich cechy jakościowe. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna r. 2000 nr 8 i 9; [11] Kondratowicz J.: Aspekty technologiczne zamrażania pomidorów przy użyciu skroplonego azotu. Chłodnictwo r. 2003, nr.8;