METODY PRZECHOWYWANIA I UTRWALANIA BIOPRODUKTÓW ZAMRAŻANIE PODSTAWY CZ.1 Opracował: dr S. Wierzba Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej Uniwersytetu Opolskiego
Zamrażaniem produktów nazywamy proces pełnej lub częściowej zamiany wody w nich zawartej w lód (krystalizacji), oraz obniżenia temperatury produktu poniżej punktu krioskopowego. Punkt krioskopowy temperatura krzepnięcia wody wraz z substancjami w niej rozpuszczonymi. Procesy zachodzące w produktach zależą przede wszystkim od temperatury szybkość reakcji zależy od temperatury Reguła van't Hoffa przy obniżeniu temperatury ciała o 10 C, intensywność zachodzących w nim reakcji maleje 2-3 krotnie i w przybliżeniu w tym samym stosunku rośnie jego trwałość. Q 10 YT = Y + 10 Q 10 = 2-3 dla większości bioproduktów nie jest to ogólnie obowiązująca reguła, ale wskazuje na pewną prawidłowość, która sprawdza się w przeważającej liczbie przypadków T gdzie: Q 10 - współczynnik temperaturowy Y szybkość reakcji
Trwałość produktu rośnie w momencie jego zamrożenia. Ograniczenia prawa van t Hoffa: sprawdza się dla reakcji jednostkowych, w jednorodnych środowiskach, w miarę obniżania temperatury poniżej punktu krioskopowego Q 10 maleje, ujemny współczynnik temperaturowy dla niektórych reakcji np. denaturacja białka
Cząsteczka - dipol (układ dwubiegunowy) poszczególne cząsteczki łączą się za pomocą wiązań wodorowych. W czasie zamrażania obserwujemy w związku z wymianą ciepła przemieszczanie się wody zawartej w produkcie w kierunku niższej temperatury (powierzchni ciała). przyczyna niekorzystnych zmian w produktach po zamrożeniu W początkowej fazie zamrażania obserwujemy [www.wikipedia.pl] przechłodzenie cieczy powstanie struktury pseudokrystalicznej (uporządkowane grupy cząsteczek połączonych wiązaniami ( wodorowymi Szybkość wzrostu kryształów Woda (-7 0 C) 50 mm/s Glicerol (-17 0 C) 50 mm/dobę krystalizację ( stała (faza [www.wikipedia.pl]
W miarę obniżania temperatury następuje zbliżanie się cząsteczek wody spadek energii poniżej energii stałej orientacji cząsteczek rosną siły wzajemnego przyciągania, maleją cieplne ruchy Browna tworzy się struktura kryształu, w warunkach naturalnych głównie formy heksagonalne wydzielanie znacznych ilości ciepła 335 kj/kg
Woda przechodząc w lód znacznie zmienia swoje właściwości fizyczne W produktach woda nigdy nie występuje w stanie czystym!!! woda związana (unieruchomiona) w związkach chemicznych, kryształach b. trwała rodzaje wody w produktach woda związana w wyniku adsorpcji, sił osmotycznych i w strukturach żeli mniej trwała woda wolna - unieruchomiona mechanicznie w obrębie sieci białkowych, membran możliwa do całkowitego usunięcia
Obecność w wodzie substancji tworzących z nią roztwór w rozdrobnieniu cząsteczkowym powoduje: obniżenie temperatury krioskopowej zamarzania, podniesienie temperatury wrzenia obniżenie ciśnienia pary wodnej nad roztworem Obniżenie temp. krzep. r-r w stosunku do temp. krzep. czystego rozpuszczalnika wyraża wzór RAOULTA gdzie: Dt z = -e kr kr n e ( K/mol - stała krioskopowa (1,86 ( mol/1000g ) n - stężenie molowe roztworu Stała krioskopowa: zależy wyłącznie od cech rozpuszczalnika, nie zależy od rodzaju substancji rozpuszczonej, obecności substancji o koloidalnym ( skrobia stopniu rozdrobnienia, substancji wielkocząsteczkowych
Temperatura krioskopowa: dla większości naturalnych bioproduktów leży poniżej 0 0 C - w miarę wymrażania wody w produkcie (maleje jej ilość) i wzrostu stężenia soli mineralnych, ( kj/kg kwasów organicznych temperatura krioskopowa stopniowo się obniża (1,86 K/mol), (335 - dla czystych roztworów proces ten kończy się osiągnięciem stężenia i temperatury eutektycznej (roztwór eutektyczny zestala się jako jedna całość bez oddzielenia się kryształów rozpuszczalnika i ( soli rozpuszczonych zależy od ciśnienia osmotycznego panującego w komórkach (średnio wynosi: od -0,5 0 C do ( C -4 0 C, dużo białka - -15 0 W czasie zamrażania bioproduktów nie obserwujemy praktycznie zjawiska przechłodzenia cieczy: tkankowa budowa, rozbudowana powierzchnia ścian komórkowych, zawiesiny treści komórkowych stwarzają wiele dogodnych zarodków krystalizacji dających początek formowania się kryształów
Proces krystalizacji charakteryzują dwie szybkości powstawania zarodków kryształów, wzrostu kryształów. Homogeniczne zarodki kryształów ich brak (czyste ciecze i roztwory) sprawie, że roztwory mogą być schładzane znacznie poniżej punktu zamarzania zjawisko przechładzania cieczy. Heterogeniczna krystalizacja zarodkami kryształów są ciała obce.
W praktyce dąży się do realizacji procesu przy: maksymalnej liczbie zarodków kryształów, minimalnej szybkości ich wzrostu. Szybkie zamrażanie duża liczba małych kryształów, ( krystalizacji (wiele ośrodków Wolne zamrażanie jeden wielki kryształ (jeden zarodek ( krystalizacji
Prędkość zamrażania prędkość rozprzestrzeniania się kryształów od powierzchni do wnętrzna zamrażanego produktu, określa również prędkość odprowadzania ciepła. Rodzaje kryształów: regularne kryształy heksagonalne (sześcienne) w warunkach naturalnego, bardzo wolnego zamrażania, kryształy nieregularne (dendryty) średnia, duża szybkość zamrażania, kryształy kuliste b. szybkie i ultraszybkie zamrażanie (przy ultraszybkim zamrażaniu liczba ( przeźroczysty cienkich igieł powoduje, że staja się niewidoczne a kryształ Podczas oziębiania roztworu z zewnątrz, na powierzchni powstają kryształy lodu i jednocześnie wytwarza się granica podziału między fazą stałą a ciekłą na której zachodzą procesy dyfuzyjnego przemieszczania się wody i substancji w niej rozpuszczonych. (podczas powolnego zamarzania roztworów wodnych, w ich zewnętrznych warstwach tworzy się czysty ( lód Forma kryształów na granicy faz uzależniona jest od prędkości dyfuzji.
prędkość zamrażania = prędkość dyfuzji granica faz to płaska powierzchnia podziału (warunek najmniejszego zapotrzebowania energii zostaje ( granicy spełniony przy najmniejszej powierzchni tej prędkość zamrażania > prędkość dyfuzji granica faz to igłowa powierzchnia podziału (warunek najmniejszego zapotrzebowania energii zostaje spełniony przy odpowiednim rozwinięciu powierzchni ( podziału granicy
Rekrystalizacja niestabilność struktury krystalicznej, czyli jej przemiany w zamrożonym produkcie. Określana tez często jako proces stałego wzrostu kryształów w wyniku wędrówki cząsteczek wody od zanikających kryształów małych do dużych. matowienie z czasem kryształów kulistych ultraszybkie zamrażanie łączenie się dendrytów w monolityczne płyty lodu w miarę podnoszenia temperatury zamrożonego produktu. Przyczyny: wyższe ciśnienie pary wodnej nad powierzchnia małych kryształów w stosunku do dużych cząsteczki wody odpowiednio sublimują i resublimują, wahania temperatury jako pierwsze topnieją zawsze kryształy małe, po ponownym obniżeniu powstała woda wymraża się wokół dużych kryształów. Całkowite zahamowanie rekrystalizacji jest możliwe jedynie w temperaturze poniżej eutektycznej (-56 0 C dla roztworów biologicznych).