3.Сущность, задачи и характеристика процесса замораживания

 

Замораживанием  -  процесс отвода тепла от продукта,  сопровождающийся понижением температуры продукта ниже криоскопической и  превращением в лед большей части содержащейся в нем воды.

        Цели замораживания:

•       обеспечение стойкости продукта во время длительного хранения;

•       отделение влаги при концентрировании жидких пищевых продуктов;

•       изменение физических свойств продуктов (твердость, хрупкость и др.) при подготовке их к дальнейшим технологическим операциям;

•       сублимационная сушка;

•       производство своеобразных пищевых продуктов и придания им специфических вкусовых и товарных качеств (мороженое, пельмени и другие быстрозамороженные продукты).

 

Результаты замораживания продуктов

•       прекращается диффузионного перемещение растворимых в воде веществ и, следовательно, питания микроорганизмов и протекание биохимических (ферментативных) реакций

•       изменяются внешние признаки и физические свойства продукта (твердость  -  результат превращения воды в лед; яркость окраски  -  результат оптических эффектов, вызываемых кристаллизацией льда; уменьшение удельного веса  -  следствие расширения воды при замораживании; изменение термодинамических характеристик (теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность).

При замораживании, происходит частичное перераспределение влаги, травмирование тканей продукта кристаллами льда, а также частичная денатурация белка.

Механизмы (теории) повреждения клеток и тканей при замораживании (различными повреждающими факторами)

•       механический - из - за давления образующихся кристаллов льда на строение тканей;

•       осмотический - вследствие чрезмерной дегидратации клеток;

•       химический - за счет гиперконцентрации солей как вне, так и внутри клеток.

Все эти факторы являются результатом кристаллизации воды и перехода ее в лед.

Механическая теория утверждает, что разрушение клеток вызывается механическим действием кристаллов льда, особенно внутриклеточных.

-       Появление кристаллов льда приводит к увеличению концентрации веществ в слое раствора, прилегающем к поверхности кристалла. Вследствие разности концентраций раствора внутри и вне клеток возникает отток влаги из волокон и клеток и намораживание ее на поверхности кристаллов.

-       Расширение воды  при превращении ее в лед приводит к сдавливанию волокон и клеток, что вызывает дополнительный отток воды из них. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура не станет достаточно низкой, чтобы началось кристаллообразование внутри волокон и клеток, где остается уже небольшое количество влаги в концентрированном растворе.

-       Изменяется эластичность и нарушается целостность оболочек клеток, тканей и волокон.

-       Нарушается структура клетки:

•       при сдавливании клетки происходят структурные перестройки белковых молекул, возникают межмолекулярные реакции и агрегация белковых структур  -  образуются связи болеепрочные чем водородные

•       нарушается пространственная структура макрочастиц белков, что приводит к денатурации

•       биологически активные структуры перемещаются с одной поверхности на другую

Изменения жиров при замораживании и хранении являются результатом ферментативных и окислительных процессов. С понижением температуры замораживания скорость химических реакций резко замедляется, соответственно замедляются и химические процессы порчи жиров.

Теория  солевой денатурации

В процессе льдообразования происходит перераспределение влаги в ткани и увеличивается концентрация солей в клетках. Под действием повышенной концентрации солей и ряда химических и коллоидных процессов происходят денатурационные изменения белковых веществ.

Факторы, влияющие на процесс кристаллообразования

Характер кристаллообразования зависит:

•        от состояния клеточных оболочек

•        концентрации растворенных веществ в   клетках

•        степень гидратации белков и других свойств продукта

•        скорости замораживания

•       условий замораживания.

Скорость замораживания

Скорость замораживания определяется быстротой продвижения границы раздела между жидкой и отвердевшей фазами от поверхности замораживаемого продукта к его термическому центру.

По скорости замораживание подразделяют на:

•       медленное  -  до 1,0 см/ч (для продуктов, уложенных навалом при интенсивном движении воздуха)

•       ускоренное 1 - 5 см/ч (для продуктов в упаковке – в скороморозильных аппаратах)

•        быстрое 6 - 10 см/ч (для продуктов небольших размеров, находящихся во взвешенном состоянии – в скороморозильных аппаратах)

•       сверхбыстрое  -  более 10 до100 см/ч (осуществляют в криогенных жидкостях  -  в жидком азоте, фреоне, углекислоте и др. погружая в них продукты или орошая)

Факторы, влияющие на скорость замораживания

•       температура охлаждающей среды

•        толщина замораживаемого продукта

•        коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта

Устойчивость микробной клетки к замораживанию

При замораживании снижаются количество и активность микроорганизмов, однако добиться их полного уничтожения невозможно. Это зависит:

•            от вида микроорганизма,

•            стадии его развития,

•            среды обитания,

•             скорости и температуры замораживания продукта

Факторы, влияющие на качество замороженного продукта

На качество замороженных продуктов оказывают влияние:

•        размер, форма и распределение кристаллов льда

•       скорость замораживания

•       качество исходного продукта

Теплофизические характеристики пищевых продуктов

       энтальпия – функция состояния термодинамической системы – теплосодержание, Дж/кг

       плотность – отношение массы продукта к его объему, кг/м3

       теплоемкость – количество теплоты для нагревания или охлаждения 1 кг вещества на 1оС, Дж/(кг К)

       теплопроводность – перенос энергии от более нагретых участков объекта к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц; коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты перенесенного в единицу времени через поверхность толщиной в 1 метр и площадью 1м2 при градиенте температур 1оС, λ =Вт/м К

       температуропроводность – величина, характеризующая скорость изменения (выравнивания) температуры; численно равна отношению теплопроводности к теплоемкости единицы объема вещества; коэффициент температуропроводности продукта α = м²/с.

Изменение теплофизических характеристик пищевых продуктов при замораживании

При понижении температуры продукта:

•  температуропроводность  -  увеличивается

•  плотность – уменьшается

•  объем продукта увеличивается

•  теплоемкость – максимальна при начальной криоскопической температуре  продукта и уменьшается с понижением его температуры

 

Воздействие процессов замораживания на качество продуктов в размороженном состоянии исследователи объясняют с позиций теории кристаллизации воды.

Основным фактором, влияющим на количество, размеры и равномерность распределения кристаллов льда в тканях является скорость замораживания. От размеров кристаллов зависит степень сохранения целостности естественной структуры тканей.

Если кристаллы льда невелики и их размещение примерно соответствует естественному распределению жидкости в мышечной ткани, то коллоидные системы продуктов претерпевают незначительные изменения и в большей мере восстанавливаются после размораживания.

Степень разрушения структурных элементов тканей зависит также от глубины автолитических процессов в момент замораживания. В процессе хранения также происходит увеличение кристаллов льда, дальнейшее углубление автолитических процессов, явление «старения» белковых коллоидных систем и мембран клеток. Изменения коллоидной структуры тканей, вызываемоеперераспределением воды и увеличением концентрации жидкой фазы при за­мораживании, отражаются на величине влагосвязывающей способности после их размораживания. Они тем больше, чем выше скорость и ниже температура замораживания.

При замораживании и в последующем качество продукта будет зависеть от таких факторов, как: денатурация белков в результате отделения воды от белковой субстанции; рост концентрации минеральных веществ в растворах, содержащихся внутри и вне волокон; механическое воздействие кристаллов льда на стенки мышечных волокон и на соединительнотканные межволоконные прослойки и т.д.

Степень воздействия указанных факторов определяется скоростью кристаллообразования и глубиной фазового превращения воды. Максимальное количество воды переходит в лед при замораживании продуктов при температуре от -1 до -5°С. В связи с этим интенсивность теплообмена при прохождении температурной зоны от -1 до -5°С при замораживании и от -5 до -1°С при размораживании имеет большое значение для получения размороженного продукта высокого качества.

Продолжительность замораживания продуктов и блоков традиционными способами, так от разности температур между продуктом и греющей средой, величины термического сопротивления перехода греющая среда – продукт, толщины продукта (блока) и теплофизических характеристик продукта.