ОСНОВНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ПРОДУКТАХ ПИТАНИЯ ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКЕ

14.1. Замораживание продуктов растительного происхождения

Консервирование плодоовощной продукции замораживанием позволяет сгладить сезонность в ее потреблении, насытить рацион жизненно необходимыми витаминами, минеральными элементами, сократить время приготовления пищи, значительно улуч­ишь ее санитарно-гигиенические показатели. В качестве полуфабриката замороженные плоды, овощи и ягоды — прекрасное сырье для промышленного производства многих других продуктов (фруктовые и молочные кремы, йогурты, мороженое, кондитерские изделия и др.). Значительную долю концентратов фруктовых соков в мире в настоящее время получают методом замораживания (криоконцентрация).

Потребление быстрозамороженной продукции за рубежом со­ставляет от 5 до 50 кг на душу населения, в СНГ — 0,5 кг.

Способы замораживания.Все способы замораживания подраз­деляют по виду теплообмена на конвективные, кондуктивные, испарительно-конденсационные, смешанные.

Замораживание воздушным способом проводят в морозильных камерах и туннельных морозильных аппаратах. Последние отлича­ются интенсивностью движения воздуха (4—12 м/с) и незначительной продолжительностью замораживания. В зависимости от вида продукта и типа холодильной установки продолжительность за­мораживания плодов и овощей при температуре -25...-45 °С со­ставляет от нескольких минут до нескольких часов.

Преимущество туннельных морозильных камер — универсаль­ность: в них можно замораживать пищевые продукты разной формы, размера и в различной упаковке.

Основные критерии при выборе способа замораживания — бы­строта и экономичность процесса. При этом количество теплоты, отводимой воздухом от продукта, прямо пропорционально пло­щади контакта воздуха с продуктом, разности температур воздуха и продукта и коэффициенту теплопередачи от продукта воздуху.

Замораживание в «кипящем слое» (флюидизационный способ) происходит под действием подаваемого восходящего потока хо­лодного воздуха, достаточного для поддержания продукта во взве­шенном состоянии. Последнее достигается с помощью мощного потока воздуха, подаваемого вентиляторами через охлаждающую батарею, а затем через слой замораживаемого продукта, находя­щегося, как правило, на сетчатой ленте конвейера. Проходя через отверстия ленты, воздух поднимает частицы продукта, отделяет их друг от друга и удерживает во взвешенном состоянии. В уста­новках без сетчатой ленты замораживаемый продукт не только поддерживается потоком воздуха во взвешенном состоянии, но и направленным движением перемещается в установке.

Способ флюидизации применяют для замораживания неупа­кованных мелких или нарезанных плодов и овощей диаметром до 40 мм длиной до 125 мм. Из продуктов, полученных этим спосо­бом, можно готовить различные смеси. Кроме того, легче механизировать упаковку таких овощей и плодов, осуществлять их дози­ровку и употреблять по мере надобности.

Флюидизационные аппараты имеют широкий диапазон про­изводительности — от 0,5 до 15 т/сут, а теплообмен в них проте­кает интенсивнее, чем в обычных воздушных аппаратах.

При контактном способе замораживания продукт зажимается между двумя металлическими плитами, в которых циркулирует жидкий или кипящий хладоноситель. Важное условие — равно­мерность толщины загружаемых порций по всей поверхности плиты. В противном случае ухудшается контакт плиты с остальным про­дуктом и увеличивается продолжительность замораживания. Кон­тактные плиточные аппараты непригодны для замораживания продуктов неправильной формы. При температуре кипения хла­дагента -35...-45 ⁰С продолжительность замораживания продукта в упаковке 0,5 кг составляет 1—3 ч, а небольших порций при толщине 50 мм — до 1 ч.

В кипящих хладоносителях (жидкий воздух, азот, фреон, диоксид углерода) обеспечивается сверхбыстрое замораживание продуктов. В этом случае вся поверхность продукта участвует в тепло­обмене, а очень низкие температуры (-40...-196 °С) обеспечивают замораживание за несколько минут.

Комбинированный способ замораживания с использованием низ­котемпературной газовой среды, создаваемой в результате испа­рения жидкого хладоносителя, позволяет избежать механических повреждений продуктов льдом.

Замораживание с использованием испарительно-конденсационно-го обмена применяют, как правило, в случаях, когда удаление влаги из продукта способствует проведению какого-либо после­дующего процесса, например сублимационной сушки. На первом этапе под вакуумом вследствие бурного испарения воды из про­дукта понижается его температура и образуются кристаллы водя­ного льда, а затем уже под глубоким вакуумом осуществляется сублимация водного льда, тем самым обеспечивается обезвожи­вание продукта.

Отбор сырья.Пригодность растительного сырья для заморажи­вания, а также качество замороженной продукции определяются прежде всего генетическими особенностями сортов и видов, сте­пенью созревания, условиями вегетации, сбора, транспортиров­ки и предварительной обработки.

Для получения высококачественной продукции следует отби­рать сырье соответствующей степени зрелости, пригодное для за­мораживания.

Плоды, собранные в стадии полной зрелости, при разморажи­вании часто размягчаются. Чтобы лучше сохранить форму плодов, быстрое замораживание следует проводить до наступления стадии биологической зрелости.

На качество продукции существенно влияет также время от сбора продукции до ее замораживания. При удлинении этого сро­ка до нескольких дней ослабляется консистенция мякоти после ее размораживания.

На крупнейших зарубежных предприятиях по производству за­мороженной плодоовощной продукции продолжительное хране­ние сырья от момента сбора до начала переработки сокращена до 1,5 ч. Если невозможно переработать продукцию сразу после убор­ки, свежие плоды и ягоды следует немедленно охладить и хранить до замораживания при температуре от 0 до 6 °С в зависимости от вида сырья от 5 ч до 7 сут.

Важный показатель пригодности растительного сырья для за­мораживания — влагоудерживающая способность, которая определяется его видовыми свойствами, а также зависит от условий обработки, замораживания и хранения.

Вода в тканях удерживается посредством химических связей с протеинами, полисахаридами, пектиновыми соединениями. Отдельные сорта плодов и ягод в большей степени подходят для замораживания, так как их ткани обладают высокой влагоудерживающей способностью.

Влагоудерживающая способность плодов и ягод при заморажи­вании снижается, так как кристаллы льда повреждают клеточные мембраны. При этом существенное значение имеет предваритель­ная подготовка сырья к замораживанию.

Основные этапы подготовки растительного сырья к заморажи­ванию — инспекция, сортировка, калибровка. В процессе этих опе­раций удаляют посторонние примеси, перезревшие, недозревшие, больные, поврежденные при транспортировании плоды, ягоды, овощи. Для каждой замораживаемой партии отбирают продукцию одинакового размера, одной степени зрелости и окраски.

Отсортированное сырье моют проточной водой, причем такие ягоды, как земляника, малина и др., должны находиться в воде минимальное время. После мойки проводят повторные сортиров­ку и калибровку, что обеспечивает однородность партий продукта. Подготовленное сырье подсушивают и замораживают без сахара, с сахаром и в сахарном сиропе. Замораживание с сахаром предох­раняет плоды от окислительного действия кислорода воздуха, тор­мозит ферментативные и микробиологические процессы, способствует лучшему сохранению вкуса и аромата. Кроме того, раство­ры сахара обладают криопротекторными свойствами, что позво­ляет уменьшить повреждающее действие кристаллов льда. Во из­бежание растрескивания плоды, ягоды, виноград предварительно охлаждают до 0 — 1 ⁰С, а затем быстро замораживают при -35 °С до заданной конечной температуры в центре продукта (-18...-25 °С).

Овощи при замораживании сортируют по качеству, иногда по размеру, моют, очищают, режут, как правило, бланшируют (кроме томатов, баклажанов, перца) в целях разрушения окислительных ферментов, вызывающих потемнение продукта, охлаждают и замораживают, иногда с применением 2%-ного раствора поварен­ной соли.

Замораживают плоды, ягоды и овощи россыпью или в таре (картонной, полимерной, стеклянной, металлической). Плоды и овощи, замороженные россыпью, быстро фасуют в тару, преиму­щественно в пакеты из полимерных материалов, которые затем герметизируют.

Изменение состава и свойств плодов и овощей при заморажива­нии.Интенсивность и характер изменений продуктов при замора­живании зависят от условий и параметров процесса, а также ка­чественных характеристик плодов и овощей. Специфика состава и строения плодов и овощей, особенности и взаимосвязь протека­ющих в них физико-химических и биохимических реакций оказы­вают существенное влияние на сохранение их свойств.

При замораживании вода превращается в лед, что изменяет осмотические условия и резко сокращает скорость большинства биохимических процессов в плодах и овощах. Замораживание при­водит к повышению концентрации растворенных веществ вслед­ствие миграции влаги из микробной клетки во внешнюю среду на первой стадии и к внутриклеточной кристаллизации воды на пос­ледующих стадиях, а также нарушению согласованности биохи­мических реакций за счет различий в степени изменения их ско­ростей.

Устойчивость микробной клетки к замораживанию зависит от вида и рода микроорганизмов, стадии их развития, скорости и температуры замораживания состава среды обитания. Наиболее вы­сокая степень отмирания микроорганизмов наблюдается при тем­пературе -4...-6 °С, а их рост и размножение полностью исключа­ются при -10...-12 °С. В этих условиях плоды и овощи не подверга­ются микробиологической порче, хотя полного уничтожения мик­роорганизмов не происходит. В замороженных ягодах или фруктово-ягодных соках при температуре хранения выше -8 ⁰С под дей­ствием дрожжей происходит спиртовое брожение и накапливает­ся спирт.

При определении условий и режимов замораживания стремятся максимально учитывать особенности свойств и строения плодов и овощей, чтобы достичь максимальной обратимости процесса.

Особенности состояния плодов и овощей при замораживании обусловливаются фазовым переходом воды в твердое состояние и повышением концентрации растворенных в жидкой фазе веществ. Процесс кристаллообразования приводит к изменению физичес­ких характеристик плодов и овощей, сопровождающемуся изме­нениями физико-химических, биохимических и морфологичес­ких свойств.

Размер, форма и распределение кристаллов льда в структуре плодов и овощей зависят от их свойств и условий замораживания. Состояние мембран и клеточных оболочек, их проницаемость, ионная, молярная концентрация растворенных веществ отдель­ных структурных образований растительных тканей, степень гид­ратации основных компонентов предопределяют особенности рас­пределения льда в системе, размер и форму кристаллов.

Более низкая концентрация растворенных веществ в межкле­точном пространстве определяет разницу в значениях криоскопических температур структурных элементов, вследствие чего крис­таллы льда формируются в первую очередь в межклеточной жид­кости. При температуре ниже точки замерзания водяной пар в крупных межклеточных пространствах начинает конденсировать­ся в виде капелек влаги на прилегающих клеточных стенках. Эта вода и превращается в первые микроскопические кристаллики льда, которые распространяются, обволакивая стенки клеток. Кристаллы разной формы (в виде линз, разветвленные и др.) разрастаются между клетками эпидермиса и паренхимы. Процесс сопровождается повышением осмотического давления вследствие роста концентрации растворенных в жидкости солей, что, в свою очередь, обусловливает миграцию влаги из клеток. Дальнейший рост кристаллов происходит за счет влаги, содержащейся в клет­ках, что объясняется разницей в давлении пара поверхности раз­ных кристаллов.

При понижении температуры в клетках сначала наступает со­стояние переохлаждения, а затем спонтанно возникают центры кристаллизации, приводящие к образованию внутриклеточного льда. Граница перехода из одного агрегатного состояния в другое обусловлена не только концентрацией раствора, свойствами от­дельных его компонентов, но и рядом других факторов. Так, в тонких капиллярах воду можно переохладить до -20 °С. Граница переохлаждения отдельных растворов пищевых продуктов различ­на, а температура ниже этой границы или механическое встряхи­вание приводят к очень быстрому, практически массовому пре­вращению воды в лед.

При медленном замораживании с образованием крупных кри­сталлов вне клеток изменяется первоначальное соотношение объе­мов за счет перераспределения влаги и фазового перехода воды. Быстрое замораживание предотвращает значительное диффузионное перераспределение влаги и растворенных веществ и спо­собствует образованию мелких, равномерно распределенных кри­сталлов льда.

С изменением скорости замораживания по мере перемещения границ фазового перехода от периферии к центру продукта из­меняются размер и характер распределения кристаллов льда. Наи­более мелкие кристаллы образуются в поверхностных слоях про­дукта.

Максимальное кристаллообразование в плодах и овощах про­исходит при температуре от -2 до -8 ⁰С. При быстром прохожде­нии этого интервала можно избежать значительного диффузион­ного перераспределения воды и образования крупных кристаллов. Степень повреждения тканевых структур плодов и овощей при замораживании зависит от размеров кристаллов льда и физико-механических превращений, протекающих в тканях на молеку­лярном уровне.

На размер кристаллов льда и характер их распределения между структурными элементами существенно влияют состав и свойства плодов и овощей. Так, лук, картофель и некоторые другие овощи покрыты плотной естественной оболочкой, что способствует переохлаждению, тогда как капуста белокочанная, не имеющая та­кой оболочки, не переохлаждается из-за крупных межклетников и большого содержания свободной воды.

Сильное влияние на характер кристаллообразования оказыва­ет также степень зрелости плодов. В недозрелых плодах содержится значительное количество свободной воды и происходит в основ­ном внутриклеточная кристаллизация, что губительно действует на клетки. В созревших плодах накапливается пектин, обладаю­щий высокими гидрофильными свойствами. Он связывает значи­тельное количество воды и способствует образованию гелеобразной структуры, что положительно сказывается на обратимости процесса замораживания.

Замороженные плоды и овощи приобретают новые свойства: твердость (следствие превращения воды в лед), плотность, ин­тенсивность и яркость окраски (результат оптических эффектов) и др.; кроме того, значительно изменяются их теплофизические свойства.

Вследствие снижения кинетической энергии молекул при по­нижении температуры, повышения вязкости внутриклеточной жидкости, уменьшения растворимости газов и диффузии веществ значительно снижается скорость химических реакций, однако полное прекращение их возможно только при абсолютном нуле (-273 °С).

При постепенном вымораживании влаги в жидкой фазе про­дукта повышается концентрация минеральных солей (электроли­тов), агрессивных по отношению к белкам и оказывающих наибо­лее повреждающее действие на ферментные системы. При этом происходит как ускорение, так и замедление отдельных реакций, меняется их направленность. В первую очередь при заморажива­нии повреждаются ферментные системы дыхательной цепи и окис­лительного фосфорилирования митохондрий, вследствие чего исчезают основные жизненные функции: дыхание и способность к генерации энергии.

Поскольку при замораживании плодов и овощей окислитель­но-восстановительные процессы, присущие свежим продуктам, сдвигаются в сторону окислительных реакций, качество получен­ного продукта зависит в основном от степени активности оксидоредуктаз, среди которых особое значение имеют полифенолоксидаза, аскорбатоксидаза, каталаза и пероксидаза.

Деятельность ферментов является, пожалуй, основной причи­ной появления посторонних привкусов в продуктах. При этом, как правило, снижается содержание крахмала и витамина С, уве­личиваются кислотность и количество редуцирующих сахаров, в результате ферментативного потемнения изменяется окраска про­дукта, ухудшаются консистенция, вкус, запах.

Из-за разрушения части ферментов при замораживании на­рушаются сбалансированность и координация отдельных реак­ций, их синхронность. При этом устойчивая к изменению рН инвертаза проявляет активность в широком диапазоне (3 — 7,5), что инициирует реакции накопления сахаров в замороженных плодах и овощах.

Сохранение активности пектолитических ферментов способ­ствует повышению гидрофильных свойств коллоидов и уменьше­нию степени повреждения клеток. В зависимости от вида продукта они оказывают различное действие: в ткани сливы эти ферменты теряют активность и замороженный продукт имеет плотную кон­систенцию, в яблоках же их активность приводит к размягчению ткани.

Каталаза и пероксидаза катализируют дегидрирование амино­кислот, фенолов, аминов, флавонов и др., при этом ухудшается качество плодов и овощей, которые приобретают посторонние привкусы. Каталаза и пероксидаза часто действуют антагонистически по отношению друг к другу. Так, в неразрушенных тканях каталаза тормозит действие пероксидазы; в разрушенных действие последней более активно. В отдельных случаях эти ферменты ока­зывают одинаковое действие.

Некоторые ферменты (липаза) сохраняют активность даже при очень низких температурах.

Изменения углеводов при замораживании в значительной сте­пени зависят от их состава. Так, имеются сведения, что высоко­молекулярные углеводы в процессе замораживания подвергаются агрегатированию. Для систем, богатых крахмалом, характерно сни­жение способности связывать воду.

Изменение состава и содержания витаминов при заморажива­нии зависит от их химической структуры, вида и строения ткани. Потери витаминов имеют место при предварительной обработке сырья и непосредственно в процессе замораживания. Наиболее устойчивы к замораживанию тиамин, рибофлавин, пантотеновая кислота, каротин. Непосредственно при замораживании теряется около 10 % витамина С, а с учетом подготовки сырья (бланширо­вание, мойка и др.) потери могут составить до 20 — 30 %. Сохра­нению витамина С при замораживании способствует интенсифи­кация процесса.

При замораживании плодов и овощей в неупакованном виде неизбежны поверхностное испарение и сублимация части воды, что приводит к усушке продукта. Так, при замораживании разных видов неупакованных плодов и овощей в туннельном морозиль­ном аппарате с принудительной циркуляцией воздуха при -35 °С потери массы колеблются от 0,2 до 0,9 %.