Производство быстрозамороженных овощей и плодов

Замораживанием называют процесс понижения температуры продукта на Ю...30°С ниже криоскопической, сопровождаемый переходом в лед почти всего количества содержащейся воды. В ре­зультате микроорганизмы не могут питаться, увеличивается кон­центрация растворов, создаются неблагоприятные осмотические условия и резко сокращается скорость биохимических реакций в продукте. Замороженный продукт характеризуется такими внешни­ми признаками и физическими свойствами, как твердость (вызва­на превращением воды в лед), яркость окраски (результат опти­ческих эффектов, вызванных кристаллизацией льда), уменьшение плотности (результат расширения воды при замораживании), зна­чительное изменение теплофизических характеристик.

Как считает профессор Н. А. Головкин, истинного анабиоза клеток можно ожидать в том случае, когда в лед перейдет вся сво­бодная вода в тканях, затвердеют диоксид углерода (—78, 5 °С) и кислород (—218, 7 °С), что исключает возможность протекания об­менных процессов.

Любой процесс консервирования тем лучше, чем меньшие из­менения он вызывает в продуктах с их первоначальными свой­ствами и чем более длительный срок хранения он обеспечивает. Из всех применяемых методов консервирования продуктов про­цессы холодильной обработки и замораживания лучше всего удов­летворяют этому требованию, так как вызывают слабые измене­ния свойств продуктов и обеспечивают практически достаточно долгую их сохраняемость.

Картофель, овощи, плоды и ягоды содержат от 70 (чеснок) до 95 % (томаты и огурцы) воды. Она является растворителем, обус­ловливающим скорость течения диффузионных процессов, а так­же химических и биохимических реакций. Изменение фазового состояния воды — главный фактор, обусловливающий торможе­ние этих процессов.

Основная задача замораживания и хранения картофеля и плодо­овощной продукции в состоянии криоанабиоза заключается в со­хранении их питательных, вкусовых свойств и биологически актив­ных актив­ных веществ

Пригодность плодоовощного сырья для замораживания опре­деляется рядом факторов: видовым составом, особенностями сор­та, степенью зрелости. Замораживанием можно консервировать не все виды этой продукции. Так, продукция низкого качества по­лучается из огурцов, главным образом из-за явно выраженного ухудшения консистенции и вкуса после их дефростации (оттаива­ния). Не замораживают салат, редис, а также белую смородину, так как в ягодах происходят изменения, снижающие товарный вид продукта. При оттаивании ягоды приобретают бурый оттенок, что не наблюдается у черной и красной смородины. Замораживают готовые фруктовые и овощные пюре и соки.

При понижении температуры в клетках наступает переохлаж­дение клеточного сока, возникают центры кристаллизации, при­водящие к образованию кристаллов льда внутри клетки. В созрев­ших плодах больше содержится пектина, который обладает гиг­роскопическими свойствами. Пектин связывает свободную воду и способствует образованию структуры, препятствующей возникно­вению кристаллов внутри клетки. В недозрелых плодах больше свободной воды, при их замораживании образуются внутрикле­точные кристаллы, приводящие к изменениям цитоплазмы клеток и их гибели.

При замораживании ягод земляники различных сортов сначала происходит довольно быстрое охлаждение, затем после какого-то времени в точке переохлаждения температура стабилизируется. Это соответствует переходу воды в лед, когда выделяющееся при ее кристаллизации тепло стабилизирует температуру ягод. В конце стадии кристаллизации начинается дальнейшее охлаждение уже замороженного продукта. Стадия кристаллизации у сорта Зенга-Зенгана более длительная (более 50 мин), у сорта Редгонтлет она короче (40 мин), а у других сортов лед образуется в пределах 30 мин. Такая неравномерность при равных условиях заморажива­ния объясняется различиями биохимического состава ягод, и в ча­стности их клеточных коллоидов, а также физиологическими осо­бенностями, например интенсивностью дыхания, испарения и т.д. Сорта земляники, пригодные к замораживанию, должны иметь плотность мякоти ягод не менее 12 г/мм². Для идеального сорта плотность ягод должна быть 14 г/мм², тогда при дефроста­ции потери сока не превышают 7 %.

При быстром замораживании в плодоовощной продукции про­текают процессы: кристаллизации, рекристаллизации и дефроста­ции (при оттаивании), а при сверхбыстром замораживании в жид­ком азоте — витрификации (застекловывание) и сверхбыстром от­таивании — девитрификации (расстекловывание).

Кристаллизация. Она характеризуется скоростью образования зародышей кристаллов и скоростью их роста. При замораживании воды-Образуются кристаллы гексагональной формы, которые по­являются при медленном темпе замораживания. При средних и высоких скоростях замораживания возникают кристаллы непра­вильной формы (дендриды), при сверхбыстрой — формируются кристаллы округлой формы. Форма кристаллов обусловливается скоростью охлаждения. При быстром замораживании с интенсив­ным отводом теплоты получают замороженный продукт расти­тельного происхождения более высокого качества. Чем ниже тем­пература замораживания, тем больше возникает центров кристал­лизации в тканях продукта и тем они мельче. При этом меньше деструктурные изменения стенок клеток тканей продукта и при дефростации сок остается в тканях, а не вытекает. Во время крис­таллизации рост кристаллов непрерывно затормаживается с уве­личением концентрации раствора, так что в конце концов процесс полностью прекращается. Устанавливается определенное состоя­ние равновесия между силами притяжения частиц воды к кристал­лу льда и силами сопротивления раствора. Количество воды, кото­рое не может быть выморожено из раствора, зависит от концент­рации и температуры. При снижении температуры это количество уменьшается до определенного минимума, который характеризует количество воды, не вымораживающейся при данной температу­ре, — это связанная вода.

Рекристаллизация. До последнего времени считали, что заморо­женный продукт стабилен и не подвержен структурным измене­ниям вплоть до дефростации. Раствор, замороженный в виде про­зрачных шаровидных кристаллов (сверхбыстрое замораживание), после превышения определенной температуры становится не­прозрачным. По мере повышения температуры кристаллы начи­нают приобретать вид крупных зерен, которые постепенно объе­диняются в монолитные кристаллы льда. Вначале этот процесс идет медленно, но по мере приближения к криоскопической точ­ке скорость процесса возрастает. При температуре, близкой к точ­ке таяния, наблюдается сильный рост больших кристаллов за счет малых, т. е. рекристаллизация. Причина миграции частиц воды от малых кристаллов к большим — наличие более высокого давления водяных паров на поверхности малых кристаллов по сравнению с крупными. Движущей силой рекристаллизации является градиент давления. При температуре —25 " С разница давлений водяных па­ров над крупными и малыми кристаллами в 4 раза ниже, чем при температуре -10 " С. Полное затормаживание рекристаллизации возможно при температуре ниже криогидратной, которая для био­логических объектов приближается к -65 " С. Для снижения отри­цательного влияния рекристаллизации на качество замороженной продукции рекомендуется ее хранить при определенной темпера­туре и дефростацию проводить быстро.

Дефростация. Теоретически процесс таяния замороженного ра­створа происходит с началом рекристаллизации, а на практике за точку таяния принимают переход из твердого состояния в жидкое.

Замораживание биологических систем протекает иначе, чем физиологических растворов, так как во время замораживания в живых организмах, с одной стороны, продолжают протекать био­логические процессы, с другой, — происходит разрушение струк­туры ткани и затормаживание биологических процессов.

Характерно, что при замораживании живых тканей криоскопи-ческая температура ниже, чем в случае замораживания мертвых тканей или выжатого сока. Она не является величиной постоян­ной во время всего процесса замораживания. По мере выморажи­вания воды и концентрирования оставшегося раствора криоско-пическая температура снижается.

Изменения в биологических тканях, вызванные замораживани­ем, очень разнообразны. Прежде всего изменяются свойства кле­точных стенок, которые теряют свою полупроницаемость. После размораживания ткань теряет тургор, упругость, наблюдается вы­текание сока, клетки теряют способность к сокращению или увеличению объема под влиянием гипертонических или гипото­нических растворов. Имеет место повреждение ткани кристалла­ми льда, что подтверждают микроскопические исследования. Сво­бодная вода, находящаяся между клетками, служит растворителем для содержащихся в продукте органических соединений и мине­ральных веществ. Эта вода непосредственно участвует в общем процессе биофизико-химического обмена. Под воздействием вне­шних факторов свободная вода легко выделяется из продукта и в первую очередь подвергается кристаллизации при выморажива­нии.

В криобиологии в зависимости от скорости понижения темпе­ратуры объекта замораживания различают охлаждение: медленное (продолжительность охлаждения от 10 мин до 1 ч), быстрое (1...10 мин) и сверхбыстрое (менее 5 с). При этом температура па­дает от 10 до 100 °С в секунду и более.

Крупные кристаллы льда, образующиеся при медленном ох­лаждении, повреждают клетки сильнее, чем мелкие кристаллы, возникающие при быстром замораживании.

Сохранение жизнеспособности биологических объектов при сверхбыстром замораживании связывают с витрификацией (за-стекловыванием) воды в протоплазме клеток и последующей де-витрификацией (расстекловыванием), требующей такого же быст­рого отепления при дефростации. Действительно, витрификация и девитрификация протоплазмы исключают перегруппировку мо­лекул воды, происходящую при кристаллизации и плавлении льда, и тем самым должны способствовать сохранению тонкой структуры протоплазмы.

Обязательными условиями витрификации биологических объектов считают их предварительное частичное обезвоживание в концентрированных растворах, приводящее к повышению вязкос­ти вязкос­ти протоплазмы, и высокую, порядка нескольких сот градусов в секунду, скорость охлаждения.

Однако исследования, проведенные с помощью микроскопии и рентгеноструктурного анализа, показывают, что биологические объекты, охлажденные с максимально доступной скоростью и ра­нее считавшиеся верифицированными, всегда содержат наряду с аморфной массой затвердевшей жидкости определенное количе­ство мельчайших кристаллов льда.