POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ Seminarium z przedmiotu: Współczesne techniki zamrażania Temat: Ocena jakościowa i ekonomiczna tzw. szokowego zamrażania wybranych produktów żywnościowych w porównaniu do metod konwencjonalnych Wykonał: Adam KONISZEWSKI 1
Zakres pracy 1.Zamrażanie szokowe co to znaczy? 2.Metody zamrażania szokowego 3.Wpływ zamrażania szokowego na jakość produktów 4.Opłacalność metody 5.Podsumowanie 6.Literatura 2
Zamrażanie szokowe co to znaczy? Zamrażanie szokowe to proces szybkiego przemieszczania się frontu lodowego w głąb produktu (powyżej 5cm/godz). Dzieje się to za pomocą skroplonych gazów, zwanych kriocieczami. Z dużej ilości dostępnych ich na rynku, które teoretycznie można by wykorzystać do zamrażania żywności, zastosowanie znalazły tylko dwie: ciekły azot i dwutlenek węgla. Kriociecze te są źródłem bardzo niskiej temperatury, ich normalne temperatury wrzenia w temperaturze pokojowej 20 C wynoszą odpowiednio dla azotu N 2 (-196/20 C) dla dwutlenku węgla CO 2 (-78,5/20 C). Siłą napędową na intensywność wymiany ciepła pomiędzy produktem zamrażanym a kriogenem jest duża różnica temperatur oraz wysoki współczynnik wymiany ciepła w porównaniu z metodami tradycyjnymi (tabela 1). Te dwie właśności intensywności wymiany ciepła skutkują krótkimi czasami zamrażania produktów żywnościowych. Rysunek 1 przedstawia Tabela 1 Współczynniki przejmowania ciepła dla wybranych procesów zamrażania Rys. 1 Temperatura w środku produktu Tc przy zamrażaniu w aparacie LIN (A) i tunelu owiewowym (B), 1 - ciasto z jabłkami, 2 - kruche ciasto 3
zależność pomiędzy zamrażaniem szokowym produktów spożywczych w aparacie typu LIN ( w ciekłym azocie -196 C), a trakcyjnym zamrażaniem w tunelu owiewowym. Jak widać czas zamrażania w aparacie typu LIN jest znacznie krótszy, a przebieg krzywej tego procesu jest prawie pionowy. Metody zamrażania szokowego Metody zamrażania w ciekłym azocie (LIN) i w ciekłym dwutlenku węgla (LIC) dominuja w produkcji drobnej (do 500 t/rok). Na duża skalę metody te są stosowane przede wszystkim w kombinacji z metodami tradycyjnymi dla usprawnienia ich pracy, lub podczas szczytowych dostaw surowca, kiedy konwencjonalne urządzenia mogą okazać się niewystarczające ze względu na swoje ograniczenia. Urządzenia konwencjonalne często nie są w stanie przejąć całego surowca. Wymagają ponadto częstych przerw w pracy wymuszonych koniecznością odszronienia urządzenia. Wyróżniamy następujące urządzenia do zamrażania w ciekłym azocie N 2 (LIN) oraz w ciekłym CO 2 (LIC) t.j.: zamrażarki tunelowe, zamrażarki spiralne, zamrażarki komorowe, zamrażarki immersyjne, zamrażarki bębnowe. Konstrukcja zamrażarek LIC jest w zasadzie taka sama, jak zamrażarek typu LIN. Różnią się one tylko typem dysz w systemach natrysku. Przestawienie urządzenia z ciekłego azotu na ciekły dwutlenek węgla wymaga wymiany dysz i odpowiedniego nastawienia temperatur i szybkości posuwu taśmy na tablicy rozdzielczej. Zamrażarki tunelowe (rys. 2) Produkt podawany jest na przesuwnej taśmie wykonanej ze stali kwasoodpornej. Urządzenie zamrażalnicze zasilane jest poprzez system dysz, które natryskują ciekły azot N 2 lub 4
CO 2 bezpośrednio na zamrażany produkt. Ciekły czynnik w zetknięciu z produktem odparowuje. Urządzenie tego typu składa się z czterech stref odpowiadających czterem etapom zamrażania produktu: strefa I: wstępne schładzanie produktu w strumieniu par azotu o temperaturze od -20 do - 100 ºC, strefa II: schładzanie produktu w intensywnym strumieniu par azotu o temperaturze od -100 do -190ºC, strefa III: zamrażanie produktu, strefa IV: wyrównanie temperatury. Rys. 2 Rysunek ideowy zamrażalki tunelowej Zamrażarki spiralne (rys. 3) Przenośnik taśmowy jest poprowadzony spiralnie wokół bębna zaś dysze natryskujące kriogen montuje się nie tylko w górnej części, ale także na ścianach bocznych. Produkt jest natryskiwany nim od razu po wprowadzeniu do urządzenia. Odparowany kriogen usuwany jest z urządzenia za pomocą wentylatora, a niewielki strumień par kierowany jest do wylotu w celu uniemożliwienia przedostania się powietrza. Rys. 3 Rysunek ideowy zamrażalki spiralnej 5
Zamrażarki komorowe (rys. 4) W zamrażarkach komorowych produkty leżą na półkach sitowych wagonika w szafie zamrażalni i zostają w niej zamrożone pod wpływem cyrkulującego czynnika chłodzącego. Nadmiar odparowanego czynnika usuwany jest na zewnątrz urządzenia za pomocą wentylatora. Rys. 4 Rysunek ideowy zamrażalki szafowej z wagonikiem i półkami sitowymi Zamrażarki immersyjne (rys. 5) Zamrażanie immersyjne realizuje się jednym z trzech sposobów: przez zanurzenie produktu w ciekłym ośrodku chłodzącym, przez jego zraszanie lub omywanie produktu cieczą chłodzącą. Metoda ta pozwala uzyskać dużą prędkość zamrażania, dzięki pełnemu kontaktowi całej powierzchni zamrażanego produktu z cieczą ochładzającą (duże współczynniki wnikania ciepła przy stosunkowo wysokiej temperaturze wrzenia czynnika od -25 do - 35 C). Urządzenia tego typu posiadają małe wymiary i są bardzo proste w konstrukcji. Rys. 5 Rysunek ideowy zamrażalki ideowej 6
Zamrażarki bębnowe ( rys. 6) Zamrażarki oparte są na technologii indywidualnego szybkiego zamrażania. Rozwinięciem tej techniki jest możliwość mieszania różnych składników i obtaczania poszczególnych cząstek sosami lub innym obłożeniem. Potrawy takie przygotowuje się m.in. z mięsa drobiowego, ryb, produktów morza, mieszanek warzywnych, wyrobów piekarniczych i ryżu. Produkty te określa się mianem żywności wygodnej, ponieważ można je wykorzystać jako gotowe potrawy, szybkie i łatwe w przygotowaniu. Urządzenie składa się z dwóch podstawowych segmentów: bębna izolowanego próżniowo, systemu dozowania sosu/ kriogenu. Rys. 6 Rysunek ideowy zamrażarki bębnowej Wpływ zamrażania szokowego na jakość produktów Produkty żywnościowe stanowią w większości skomplikowane systemy biologiczne, tworzące struktury tkankowe podlegające zmianom podczas zamrażania. Zmiany te polegają na mechanicznych uszkodzeniach ciągłości membran komórkowych lub na nieodwracalnej utracie ich specyficznych własności pod wpływem: formujących się kryształów wody, zwiększonego ciśnienia osmotycznego płynów komórkowych, precypitacji i denaturacji koloidowych składników produktów. Istotny wpływ na struktury tkankowe ma szybkość zamrażania. Ogólnie przyjmuje się, że im szybszy jest spadek temperatury, tym lepiej zostaje zachowana struktura produktu. 7
Wpływ szybkości zamrażania na rozmiary wycieku soków tkankowych przedstawiono na rysunku 7. Górny schemat pod wykresem określa strukturę krystaliczną produktów, uzyskiwaną przy różnych szybkościach zamrażania (zakreskowane pasy poziome prezentują krystalizację wewnątrzkomórkową, przedzielające je białe pasy - przestrzenie międzykomórkowe, czarne plamki - formujące się kryształy lodu). Dolny schemat ilustruje wielkość skupisk wody powstającej z topniejących kryształów w przestrzeniach międzykomórkowych. Poniżej dodatkowe objaśnienia poszczególnych fragmentów schematu: rys.a) przy bardzo szybkim zamrażaniu formują się małe kryształki lodu, głównie wewnątrz komórek. Podczas ich rozmrażania powstają szybko resorbowane kropelki wody i mały wyciek; rys.b) ze wzrostem czasu zamrażania wzrasta wielkość kryształów i uszkadza włókienka mięśniowe, co powoduje nie pełną resorpcję i zwiększony wyciek; rys.c) powstawanie kryształów na zewnątrz komórek ogranicza uszkodzenia przez kryształy wewnątrzkomórkowe i rozmiary wycieku; rys.d) po czasie >30 min. formują się wyłącznie maksymalnie duże kryształy na zewnątrz komórek i wyciek ustala się na niezmienionym poziomie. Rys. 7 Schemat zależności rozmiarów wycieku rozmrażalniczego mięsa do szybkości zamrażania (wg Hamma; Einfrieren und Auftauen von Fleisch: Einflüsse auf Muskelgewebe und Tausaftbildung. Fleischwirtschaft. 1982. 8. s. 983-991) 8
Rysunek 8 przedstawia średni udział nieuszkodzonych malin zamrażanych różnymi metodami. Jak widać szybkie zamrażanie w ciekłym azocie ma lepsze efekty przy zamrażaniu owoców przeciętnej jakości (klasa I), natomiast metoda owiewowa daje lepsze efekty przy produktach wyższej jakości (klasa ekstra). Przyczyną takiej sytuacji mogą być uszkodzenia związane ze wzrostem ciśnienia wewnątrz produktu. Jak wiadomo spośród wszystkim metod zamrażanie kriogeniczne odznacza się najszybszym przejściem przez obszar max wzrostu kryształków lodu. Jednak na podstawie badań stwierdzono, że metoda ta powoduje szczególny rodzaj uszkodzeń struktury produktów. Przyczyną tego jest wzrost ciśnienia osmotycznego wewnątrz produktu w wyniku szybkiego obniżania temperatury. Rys 8 Średni udział owoców nieuszkodzonych w malinach świeżych i mrożonych po 3 miesiącach przechowywania (% wagowy): LN2 - zamrażanie w ciekłym azocie; FL - zamrażanie fluidyzacyjne; OW- zamrażanie owiewowe Rysunek 9 ilustruje ocenę twardości kalafiorów odmiany White Rock po różnym okresie ich składowania. Na twardość kalafiora metoda zamrażania nie ma istotnego wpływu (zwarta budowa warzywa) Rys. 9 Ocena twardości kalafiorów mrożonych odmiany White Rock po różnym okresie ich składowania 9
Zmiany strukturalne zamrożonych produktów powodują m.in.: utratę turgoru, spadek jędrności, zmiany konsystencji produktów, ograniczenie zdolności utrzymania wody, a w skrajnych przypadkach mechaniczne uszkodzenia tkanek lub zanik pierwotnego kształtu. Rysunek 10 ukazuje wpływ metody zamrażania na ocenę organoleptyczną jędrności borówki. Jędrność owoców borówki wysokiej mrożonej w ciekłym azocie klasyfikuje się na wyższym poziomie, jednak zdaniem autorów badań, ich jakość zależy przede wszystkim od odmiany. Rys. 10 Wpływ metody zamrażania na ocenę organoleptyczną jędrności borówki wysokiej: wartości średnie dla 6 odmian (litery obok średnich wskazują różnice pomiędzy grupami) W procesie zamrażania dochodzi do ubytku masy produktu. Zamrażanie owiewowe produktów spożywczych nie jest możliwe bez ubytku ich masy. Wymuszony pracą wentylatorów strumień powietrza przejmuje ciepło i masę (wilgoć) z powierzchni produktów. Wilgoć zostaje przeniesiona na zimniejsze od powierza parowniki (jest to tzw. ususzka). W procesie zamrażania kriogenicznego wtryskiwany gaz obojętny praktycznie wypiera powietrze. Mogłoby się wydawać, że przyczyni się to do zmniejszenia warunków powstawania ubytków masy zamrażanych produktów. Okazuje się jednak, ze rzeczywiste ubytki masy są znacznie większe od tych, których się spodziewano ( rys. 11). Zjawisko to jest spowodowane tym, że wrzący azot nie zwiera praktycznie żadnej wilgoci, więc bardzo chętnie chłonie wodę z zamrażanego produktu. Kolejnym problemem występującym przy mrożeniu tusz mięsnych jest powstawanie pęknięć. Dla dużych porcji produktu w warunkach ultraszybkiego mrożenia, przy dużych różnicach temperatur, istnieje ryzyko powstania pęknięć w warstwach wierzchnich. Dzieje się tak dlatego, że warstwa wierzchnia zamarza jako pierwsza i tworzy skorupę, wewnątrz której zamknięta jest pewna objętość nie zamarzniętego produktu, wraz z postępowaniem procesu zamarzania następuje wzrost ciśnienia wewnątrz produktu, co powoduje uszkodzenia. 10
Rys. 11 Ususzka ogólna mrożonego mięsa wieprzowego [%] Własnym czynnikiem ograniczającym ususzkę jest opakowanie paroszczelne ściśle przylegające do produktu, całkowicie eliminuje występowanie tego zjawiska. Rysunek 12 przedstawia zamrażanie owoców wiśni odmian Kerezer i Lutówka. Ta ostatnia charakteryzuje się większym wpływem metody mrożenia na jakość produktu po zamrożeniu. Rys. 12 Wpływ metody zamrażania na masę owoców odciekniętych Metoda zamrażania ma decydujący wpływ na redukcją liczby drobnoustrojów niż późniejsze przechowywanie. W kapuście brukselskiej odmiany Lantcelot zamrażanej techniką LIC, podczas jej przechowywania w temperaturze - 20 C, zaobserwowano większą redukcje populacji bakterii mezo i psychofilnych niż w produktach zamrażanych tradycyjnie jak i w ciekłym azocie, przechowywanych w tych samych warunkach. ( rys. 13). 11
Rys. 13 Zestawienie wyników oceny mikrobiologicznej kapusty brukselskiej Odmiany Lancelot podczas przechowywania zamrażalniczego dwa aspekty: Opłacalność metody Oceniając ekonomiczną efektywność dowolnego systemu zamrażania należy uwzględnić jakość uzyskanego produktu, koszty poniesione na uzyskanie produktu o określonych parametrach jakościowych. Rysunek 14 przedstawia porównanie kosztów zamrożenia porcji truskawek i elementów indyka. Okazuje się, że dla mrożenia konwencjonalnego straty produktu wynoszą ok. 2%, a dla kriogenicznego ok. 1%. Dla produktu tańszego ( truskawek ) nie ma to aż takiego wpływu na całokształt kosztów, ale w przypadku produktu droższego wzrost kosztów jest już wyraźnie zauważalny. Rys. 14 Koszty zamrażania metodą LIN oraz innymi metodami dla produktów drogich i tańszych [1]: A - metoda LIN, B tunel owiewowy, C tunel fluidyzacyjny ( /kg współczynnik kosztu zamrażania jednego kilograma produktu) 12
Na rysunku 15 przedstawione jest zużycie energii podczas zamrażania pasztecików różnymi metodami. Z wykresu jasno wynika, że znaczną część zużycia energii przy wykorzystaniu metod szokowych pochłania wytworzenie gazu. Rys. 15 Zużycie energii przy zamrażaniu pasztecików mięsnych różnymi metodami Na rysunku 16 ukazano za pomocą wykresu relacje ceny zakupu czynnika ( w tym wypadku ciekłego azotu ) do ceny zakupu produktu. Dla truskawek czynnik stanowi 25%, ale dla dorsza już tylko 14%. Można łatwo wywnioskować, że im droższy produkt, tym mniejsza częścią kosztów całkowitych są koszty zakupu czynnika. Porównanie kosztów zużycia ciekłego azotu i zakupu zamrażanych produktów 13
Podsumowanie Zamrażanie szokowe nie zawsze jest skuteczne pod względem jakościowym jak i ekonomicznym. Aby stosować zamrażanie szokowe produkty spożywcze powinny charakteryzować się m.in. tym, że : ich jakość przy wzroście prędkości mrożenia wyraźnie się poprawia od strony ekonomicznej musza to być produkty stosunkowo drogie, dla których cena zakupu czynnika stanowi niewielki procent całkowitych kosztów produkcji. 14
Literatura Berliski Ł. Bonca Z.: Wpływ metody zamrażania produktów żywnościowych na ich cechy Jakościowe. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 8-9/2000 Betliński, Ł.; Bonca, Z. Urządzenia typu Lin do kriogenicznego zamrażania produktów żywnościowych 2-3/2001 Wolak S. Kluza F.: Mikrostruktura zamrażanych owoców papryki Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 8-9/2003 Gruda Z., Postolski J.: Zamrażanie żywności. WNT. Warszawa 1999. www.linde-gaz.pl 15