Wydział Mechaniczny SEMINARIUM Z WSPÓŁCZESNYCH TECHNIK ZAMRAśANIA. Temat: Przemiany chemiczne i biochemiczne w mroŝonej Ŝywności. Prowadzący Dr inŝ. Zenon Bonca Grzegorz Gąsiorowski SUiCHKl Rok akademicki 2005/2006 1
Spis tresci 1. Zmiany chemiczne i biochemiczne. 2. Przemiany białek. 3. Przemiany tłuszczów i lipidów. 4. Przemiany węglowodanów. 5. Wnioski. 6. Literatura. 2
1. Zmiany chemiczne i biochemiczne W procesach chemicznych i biochemicznych w mroŝonej Ŝywności wspólne są zwykle substraty, kierunki przebiegu reakcji i ich produkty (np. utlenianie i hydroliza tłuszczów), natomiast cechami odróŝniającymi są czynniki wywołujące te procesy (oddziaływanie środowiska zewnętrznego na przemiany chemiczne, aktywność enzymów endo- i egzogennych w przemianach biochemicznych) oraz ich dynamika (większa w procesach enzymatycznych). Przemiana fazowa wody w lód w temperaturze poniŝej krioskopowej powoduje zasadniczą zmianę warunków przebiegu wielu procesów chemicznych i biochemicznych w zamraŝanych produktach. W obszarze zamraŝania wzrost stęŝenia fazy płynnej nie przebiega równomiernie (róŝne punkty eutektyczne substancji rozpuszczonych). Nie zawsze jest on równieŝ następstwem tylko prostego zagęszczania składników w wyniku krystalizacji wody. W określonych warunkach do fazy płynnej mogą przechodzić jony dotychczas związane w naturalnych strukturach komórkowych. Obecność jonów w roztworach tkankowych ma wpływ na zdolność wiązania wody przez mięśnie, stabilność barwy, przebieg procesów oksydacyjnych i enzymatycznych. Jednocześnie zaistnienie róŝnicy stęŝeń w zamraŝanych produktach uruchamia procesy kriodyfuzji, towarzyszące przesuwaniu się frontu lodowego w głąb produktu (substancji rozpuszczonych od granicy rozdziału do wnętrza produktu oraz wody w kierunku odwrotnym). Postępujący wzrost stęŝenia nie wymroŝonej fazy płynnej powoduje m.in. śmierć Ŝywych komórek (np. części mikroflory produktów) i wywołuje procesy osmotyczne, prowadzące zwykle do nieodwracalnych zmian w produktach. 3
Im wolniejszy jest spadek temperatury produktów, tym większe zachodzą zmiany stęŝenia roztworów tkankowych przebiegające według zaleŝnej od temperatury równowagi między ciśnieniem cząstkowym pary wodnej nad powstającym lodem i pozostałą fazą płynną. Szybkość wywołanych reakcji jest w strefie zamraŝania w przybliŝeniu proporcjonalna do wzrostu stęŝenia (x-xo) soli w roztworze. Drugim czynnikiem określającym szybkość takich reakcji jest wystarczająca dostępność wolnej wody W (środowisko reakcji, ośrodek transportu), która w toku zamraŝania ulega stopniowemu wymraŝaniu. Kształtowanie się wzrostu stęŝenia soli w roztworach (x-xo), spadku udziału wolnej wody W oraz wpływ tych procesów na przebieg zachodzących w zamraŝanych produktach reakcji w ujęciu jakościowym przedstawiono schematycznie na rys.1. Jak wynika z wykresu, szybkość reakcji określona krzywą W(x-xo) wykazuje maksimum w zakresie temperatur od -2 C do -5 C. Jest to wynik wy-mroźenia podstawowej masy wody i istotnego wzrostu stęŝenia pozostałego roztworu przy ograniczonym jeszcze wpływie obniŝonej temperatury na zahamowanie procesów. Rys. 1 Jednocześnie w tej początkowej fazie zamraŝania obserwuje się róŝnokie-runkowe odchylenia wykresu szybkości wielu reakcji chemicznych i biochemicznych w stosunku do prostej, uzyskanej przez ekstrapolację danych wykresu Arrheniusa z zakresu temperatur dodatnich. Szczególnie znamienne jest przyspieszenie licznych reakcji utleniania (m.in. wielu witamin) oraz zmiany rozpuszczalności białek (w mięśniach wołowiny i ryb). Zjawiska te wyjaśnia się wzrostem stęŝenia substancji rozpuszczalnych w roztworach tkankowych i w wyniku tego zmniejszeniem średniej 4
odległości między reagującymi cząsteczkami, jak równieŝ niszczącym działaniem zamraŝania na strukturę komórkową i dezorganizację jej układów enzymatycznych. Z przedstawionych względów ten krytyczny zakres temperatur naleŝy moŝliwie szybko przekraczać zarówno podczas zamraŝania, jak i rozmraŝania produktów i moŝna przyjąć, Ŝe utrwalający efekt niskich temperatur rozpoczyna się dopiero poniŝej -5 C. Poszczególne składniki produktów w róŝny sposób reagują na proces zamraŝania. Składniki trwałe w stanie naturalnym nie wykazują istotniejszych zmian podczas zamraŝania i po rozmroŝeniu zwykle przechodzą ponownie do roztworu. Przyjmuje się, Ŝe całkowicie dotyczy to soli mineralnych, cukrów, kwasów organicznych i innych składników roztworów tkankowych, występujących w nich w stanie rozproszenia cząstkowego. W układach koloidalnych o duŝych cząsteczkach fazy rozproszonej odwracalność procesu jest tylko częściowa. 2. Przemiany białek Białka naleŝą do labilnych makroskładników Ŝywności, podatnych na działanie licznych czynników zewnętrznych, powodujących niekiedy ich daleko idące przemiany metaboliczne oraz zanik lub modyfikacje rodzimych właściwości funkcjonalnych. Jednym z takich czynników jest równieŝ niska temperatura,dlatego w czasie obróbki zamraŝalniczej mięsa, ryb i drobiu, w obrębie ich frakcji białkowej występuje wiele zmian, zaleŝnych od temperatury prowadzenia procesów zamraŝania i przechowywania. Te zmiany substancji białkowych i produktów ich metabolizmu określa się zwyczajowo jako denaturację mroźeniową, podczas gdy w istocie mogą mieć one róŝny charakter, przebieg i nasilenie. Zwykle zmiany są następstwem procesów agregacji lub innych form fizycznej destrukcji elementów tkanek przez kryształy lodu, nie wymroŝone, zagęszczone roztwory lub inne procesy. Dopiero przy odpowiednim zaawansowaniu zmiany stają się nieodwracalne, co wiąŝe się z rozpadem wiązań stabilizujących drugo- i trzeciorzędową strukturę białka, z jednoczesnym uwalnianiem z cząsteczek grup funkcyjnych łańcuchów bocznych, istotnym naruszeniem biologicznie waŝnych właściwości funkcjonalnych i duŝą, dodatnią zmianą entropii układu. Za objaw denaturacji mroŝeniowej przyjmuje się spadek rozpuszczalności białek, zwłaszcza miofibrylarnych, zmniejszenie aktywności ATP-azy miozynowej i liczby wolnych grup - SH. Efektem denaturacji moŝe być równieŝ zmniejszenie zdolności wiązania wody, zwiększenie wycieku rozmraŝalniczego, pogorszenie konsystencji i innych cech sensorycznych produktów. W większości konkretnych przypadków trudno jednoznacznie rozstrzygnąć, czy zaistniałe zmiany przekraczają juŝ trudną do zdefiniowania granicę rzeczywistych zmian denaturacyjnych. W tym kontekście naleŝy równieŝ rozumieć omówione niŝej zmiany, zachodzące we frakcji białkowej mroŝonej Ŝywności. Najbardziej typowe zmiany frakcji białkowej zamroŝonych surowców zwierzęcych to spadek rozpuszczalności, zdolności wiązania wody i pęcznienia. Są one wywołane precypitacją składników koloidalnych pod wpływem ciśnienia osmotycznego fazy płynnej o wzrastającym stęŝeniu elektrolitów. 5
Strefa największej dynamiki przemian w białkach pokrywa się z zakresem temperatury, odpowiadającym maksymalnej krystalizacji cieczy tkankowych. Białka ryb (zwłaszcza aktomiozyn) są bardziej podatne na zmiany denaturacyjne niŝ białka zwierząt stałocieplnych. W drobiu zmiany występują wyraźniej w mięśniach ciemnych niŝ jasnych. Istnieje wyraźne zróŝnicowanie podatności róŝnych grup białek na zmiany zamraŝalnicze. Globuliny są bardziej wraŝliwe od albumin; w obrębie tkanki mięśniowej szczególnie odporne są białka sarkoplazmy, szczególnie podatnym białkiem jest aktomiozyn. RównieŜ efekty występujących zmian są zróŝnicowane i w róŝnym stopniu wpływają na przydatność uŝytkową produktów. Zmiany konsystencji są wynikiem denaturacji białek fibrylarnych, zmniejszenie zdolności wiązania wody - białek globularnych. Na denaturację mogą takŝe wpływać wolne kwasy tłuszczowe i produkty utleniania lipidów powstające podczas przechowywania w niskich temperaturach. Zmiany w białkach nie pozostają bez wpływu na aktywność zawartych w tkankach enzymów. Stwierdzoną, zróŝnicowaną podatność białek na rozkład enzymatyczny przypisuje się działaniu dwóch przeciwstawnych czynników, tj. rozmiarów denaturacji mroŝeniowej nośników białkowych enzymów oraz uszkodzeń struktury subkomórkowej, w wyniku których następuje uwalnianie enzymów. Zdenaturowane białka szybciej ulegają wieloetapowemu rozkładowi (degradacji), przy czym tę zwiększoną reaktywność wiąŝe się z uwalnianiem chemicznie aktywnych grup w łańcuchach bocznych, dotąd związanych w strukturach cząsteczek. Denaturacja białek nie jest do końca wyjaśniona. Za waŝny czynnik zachowania naturalnej struktury białek uwaŝa się tę część związanej z nimi wody, której energia wiązania jest większa od uwalnianej przy przejściu w strukturę krystaliczną lodu (powyŝej 5,9 kj/mol). Białka o mniejszej energii wiązania tracą wodę i ulegają agregacji w wyniku wzrostu elektrolitów w fazie płynnej lub działania ciśnień mechanicznych powstających podczas tworzenia się kryształów lodu. Denaturacja białek podczas zamraŝania w pewnym stopniu jest ograniczana zmianami właściwości pozostałego roztworu (lepkości, siły jonowej, ph). Istnieją takŝe środki (np. glikol etylenowy lub propylenowy, glicerol, cukier), w których obecności ilość wymroŝonej wody zmniejsza się (przypuszczalnie w wyniku wzmocnienia mostków wodorowych i wiązań wody). W początkowym okresie zamraŝalnictwa przemysłowego decydującą rolę w denaturacji białek przypisywano szybkości mroŝenia, jednak juŝ badania Notevarpa i Heena z połowy lat 30. wykazały, Ŝe bardziej istotny jest wpływ uŝytego surowca oraz temperatury przechowywania produktów mroŝonych. ObniŜenie temperatury przechowywania zmniejsza nasilenie denaturacji, nie jest to jednak zaleŝność liniowa dla całego stosowanego zakresu temperatur. Najbardziej intensywne zmiany w białkach przebiegają w zakresie temperatur nieco poniŝej punktu krioskopowego produktów, przy sile jonowej niezamarzniętego roztworu ok. 0,5. PoniŜej -5 C szybkość tych zmian istotniemaleje, by ponownie wzrosnąć po osiągnięciu temperatury zbliŝonej do punktów kriohydratycznych 6
występujących w roztworach tkankowych soli, które w tych warunkach działają silnie wysalająco. Z dotychczasowych badań wynika, Ŝe zmiany białek w przemysłowej obróbce zamraŝalniczej, przebiegającej w typowych warunkach, nie są zbyt istotne i ograniczają się zwykle do na ogół nieznacznych strat białek i aminokwasów spowodowanych wyciekiem rozmraŝalniczym oraz nie przekraczającym 10% spadkiem ich przyswajalności. Tylko w skrajnych przypadkach zmiany te mogą wywołać uchwytne objawy sensoryczne i istotniejsze pogorszenie walorów Ŝywieniowych produktów. Przeciwdziałanie denaturacji polega na ograniczaniu czynników sprzyjających jej powstawaniu. W zakresie obróbki zamraŝalniczej zaleca się: - dostatecznie duŝą szybkość zamraŝania do temperatury wewnętrznej zbliŝonej do temperatury przechowywania, - przechowywanie w temperaturze ok. -30 C, w warunkach zabezpieczających przed stratami wilgoci i dostępem tlenu. W niektórych przypadkach korzystne efekty uzyskuje się, stosując dodatkowe zabiegi technologiczne. W celu ograniczenia niekorzystnych przemian, zachodzących we frakcji białkowej mroŝonej Ŝywności, w coraz szerszym zakresie stosuje się substancje o selektywnym działaniu ochronnym tzw. krioprotektanty. NaleŜą do nich m.in. cukry (zwłaszcza heksozy i dwucukry), niskocząsteczkowe polialkohole (glicerol, sorbitol), aminokwasy (np. glutaminian sodu), kwasy karboksylowe (np. kwas cytrynowy), wielucukry (skrobia, guma guarowa, karagen), syntetyczne polimery (np. polidekstroza, polatinit), nukleotydy (ATP, ADP, IMP). Ostatnio zalicza się do nich takŝe hydrokoloidy (alginian sodu, pektynę) oraz niektóre estry i triglicerydy. Efekt krioprotekcyjny tych związków przypisuje się określonej budowie ich cząsteczek, warunkiem skuteczności jest zwykle bezpośredni kontakt z cząsteczką białka (stąd najlepsze efekty przy stosowaniu do produktów rozdrobnionych i izolatów białek). Mechanizmy działania krioprotektantów nie są dotąd w pełni poznane. Substancje o małym cięŝarze cząsteczkowym (sacharoza, sorbitol) zwiększają hydratację łańcuchów polipeptydowych i przez wzmocnienie powłok wodnych zapobiegają ich interakcjom podczas wymraźania wody. Substancje o duŝym cięŝarze cząsteczkowym (np. polidekstroza) powodują wzrost lepkości układu i ograniczenie krystalizacji unieruchomionej w tej strukturze wody podczas zamraŝania. Stabilizujące działanie niektórych substancji ma polegać na ograniczaniu agregacji białek przez reakcje z ich wolnymi grupami funkcjonalnymi (glutaminian sodu) lub przeciwdziałaniu wzrostowi stęŝenia soli w zamraŝanych produktach (glicerol). Często stosuje się dodatki wieloskładnikowe (np. mieszaninę 2,8% sorbitolu, 4% sacharozy i 4% skrobi), zwykle równieŝ z udziałem polifosforanów w dawce 0,2-0,3% (głównie z uwagi na ich synergistyczny wpływ na węglowodany). Krioprotekcję stosuje się nie tylko do ochrony jakości zamraŝanych, wysokobiałkowych produktów Ŝywnościowych (głównie ryb), ale takŝe w celu stabilizacji materiałów biologicznych i zachowania aktywności mikroorganizmów. Jednocześnie trwają intensywne prace badawcze nad nowymi substancjami ochronnymi, które z pewnością przyczynią się do istotnego zwiększenia efektywności krioprotekcji i zakresu jej praktycznych zastosowań do mroŝonej Ŝywności. 7
3. Przemiany tłuszczów i lipidów Istotne znaczenie dla jakości mroŝonej Ŝywności mają chemiczne i biochemiczne przemiany tłuszczów i lipidów. NajwaŜniejsze z nich to procesy utleniania i enzymatycznej hydrolizy. Zmiany te nie występują w fazie zamraŝania i ujawniają się dopiero podczas przechowywania, określając trwałość mroŝonego mięsa, drobiu, ryb, masła oraz produktów o duŝej powierzchni pokrytej tłuszczem, np. podsmaŝanych frytek. Procesy utleniania tłuszczów są to zwykle reakcje łańcuchowe, inicjowane samorzutnie (zjawisko autooksydacji). Początkowe stadium przemian, tzw. okres indukcyjny przebiega powoli, dopiero później dynamika procesów silnie wzrasta. Powstające nietrwałe połączenia (nadtlenki, wodoronadtlenki) wchodzą we wtórne reakcje desmolizy lub polimeryzacji, prowadzące do rozpadu cząsteczek lub wzrostu ich wielkości i powstawania związków o typowych, niepoŝądanych cechach sensorycznych. W produktach zamroŝonych efektem bezpośredniego reagowania tlenu z podatnymi na utlenianie składnikami produktu jest formowanie się utlenionej warstewki powierzchniowej, ograniczonej zwykle do grubości kilku milimetrów. Intensywność utleniania zaleŝy od rodzaju tłuszczu (składu, podatności na łączenie z tlenem, stopnia nasycenia) i zastosowanej technologii (sposobu obróbki, rodzaju opakowania, temperatury przechowywania, dostępności tlenu). Tłuszcze surowe są bardziej podatne na utlenianie niŝ topione. Nie nadaje się do zamraŝania mięso peklowane i solone, z uwagi na katalityczne działanie chlorku sodu na utlenianie tłuszczu równieŝ w niskich temperaturach. Stwierdzone przyspieszenie jełczenia podczas zamraŝania kriogenicznego wyjaśnia się zwiększoną w tych warunkach absorpcją tlenu przez tkankę. W przemianach tłuszczu współuczestniczą towarzyszące mu substancje (m.in. sterydy, fosfatydy, lipochromy, witaminy i prawitaminy rozpuszczalne w tłuszczach). Procesy utleniania moŝna ograniczyć, stosując m.in. specjalne techniki pakowania ograniczające dostępność tlenu oraz związki o działaniu przeciwutleniającym (rys. 2). 8
RYS. 2. Wpływ przeciwutleniaczy oraz opakowań próŝniowych na prze-dłuŝenie trwałości mroŝonej wieprzo-winy (wg Papa), Podane cyfry oznaczają numery próbek: l, 5,9 - próbki kontrolne, 2, 6 - próbki z dodatkiem butylohydroksyanizolu i cstru propylowego kw. galusowego, 3,7 - próbki z dodatkiem tokoferolu i kw. askorbinowego, 4.8- próbki w opakowaniach próŝniowych Z danych przedstawionych na rys. 8.2 wynika, Ŝe największy wpływ na trwałość tłuszczów ma opakowanie próŝniowe i obniŝenie temparatury przechowywania do -30 C. Stosowanie przeciwutleniaczy wymaga zezwolenia władz sanitarnych. Powszechnie stosuje się przeciwutleniacze naturalne (tokoferole, kwas askorbinowy). środki chelatujące (kwas cytrynowy, kwas etylenodiaminotetraoctowy EDTA) i niektóre środki syntetyczne (m.in. BHA, BHT, galusan propylowy). Zaleca się stosowanie przeciwutleniaczy w moŝliwie wczesnej fazie procesu produkcyjnego. Dawki optymalne są zwykle znacznie większe od dopuszczonych. Po wyczerpaniu przeciwutleniaczy proces przebiega dalej tak, jak w materiale nie chronionym. Drugim kierunkiem przemian tłuszczów jest wywołana działaniem lipazy hydroliza, prowadząca do rozkładu triglicerydów i powstawania wolnych kwasów tłuszczowych (WKT), glicerolu oraz mono- i diacylogliceroli. Wpływ powstających WKT na przydatność konsumpcyjną produktów zaleŝy od rodzaju tłuszczu (ilości kwasów tłuszczowych o krótkich łańcuchach). Wbrew obiegowym poglądom rozmiary hydrolizy są niekiedy duŝe, i znacząco wspólokreślają jakość niektórych produktów. Szczególnie dotyczy to ryb, których najbardziej labilnym układem jest tkanka tłuszczowa.wzrost WKT bywa poprzedzony fazą utleniania lipidów. 9
4. Przemiany węglowodanów Węglowodany (ostatnio określane jako cukrowce) stanowią ponad połowę materii organicznej na Ziemi, w tym ok. 3/4 suchej substancji roślin. W warunkach,jakie istnieją podczas szybkiego zamraŝania bezpośrednio po zbiorze w produktach roślinnych, węglowodany nie podlegają istotniejszym zmianom, poniewaŝ w stosowanym zakresie temperatur nie mogą przebiegać Ŝadne związane z nimi procesy biochemiczne (oddychanie i inne reakcje glikolityczne). Przy bardzo powolnym zamraŝaniu owoców (zwłaszcza z cukrem) w duŝych opakowaniach (np. beczkach), z przeznaczeniem jako półprodukt do dalszego przetwórstwa, mogą występować zmiany fermentacyjne. RównieŜ w zamroŝonych, nie blanszowanych warzywach jest moŝliwy enzymatyczny rozkład sacharozy (zahamowanie aktywności inwertazy następuje dopiero w -40 C). Straty węglowodanów rozpuszczalnych w wodzie, do 5%, mogą wynikać z ich ługowania podczas procesów obróbki wstępnej oraz strat wycieku podczas rozmraŝania produktów. W produktach zasobnych w węglowodany (wyroby z ziemniaków, warzywa) po rozmroŝeniu mogą wystąpić niekorzystne zmiany (mączystość konsystencji, chropowatość powierzchni, reakcje nieenzymatycznego brunatnienia), równieŝ agregacja wielkocząsteczkowych wielocukrów (np. amylozy skrobi stosowanej jako zagęstnik w mroźonycli sosach). 5. Wnioski Na trwałość i przydatność produktów zamraŝanych mają wpływ: - dostatecznie duŝą szybkość zamraŝania do temperatury wewnętrznej zbliŝonej do temperatury przechowywania, - przechowywanie w temperaturze ok. -30 C, w warunkach zabezpieczających przed stratami wilgoci i dostępem tlenu, -przechowywanie w opakowaniach próŝniowych. W niektórych przypadkach korzystne efekty uzyskuje się, stosując dodatkowe zabiegi technologiczne. W celu ograniczenia niekorzystnych przemian, zachodzących we frakcji białkowej mroŝonej Ŝywności, w coraz szerszym zakresie stosuje się substancje o selektywnym działaniu ochronnym tzw. krioprotektanty. 6.Literatura Postolski, Gruda ZamraŜenie Ŝywności 10