Физико-химические методы консервирования

Сушка (обезвоживание) проводится для предотвращения или замедления физико-химических, биологических и других процессов, способствующих снижению пищевой ценности продуктов или их порче. Сушку используют для увеличения продолжительности хранения зерна, плодов, овощей, грибов, молока, яиц, рыбы и других продуктов. Большинство пищевых продуктов сушат до содержания влаги 4-14 %, в результате чего снижаются ферментативные процессы. Плоды с большим содержанием сахара высушивают до более высокого содержания в них влаги - 20-25 %. Это связано с тем, что при их обезвоживании возрастает осмотическое давление среды, что в свою очередь воздействует на жизнедеятельность микроорганизмов.

Сушёные продукты имеют меньшую массу, занимают значительно меньший объём, имеют более высокую энергетическую ценность по сравнению с продуктами свежими или консервированными другими способами. Это в значительной степени облегчает их транспортирование и хранение. Вместе с тем в процессе сушки часто улетучиваются ароматические вещества, окисляются витамины и некоторые другие вещества. Высушенный продукт не используют без предварительной подготовки.

Существует несколько способов сушки. Сушка нагретым воздухом, или конвективная сушка, до сих пор является наиболее распространённой. Удаление влаги осуществляется подогретым воздухом (80-120^оС) в сушильных установках, состоящих из сушильной камеры и калорифера - подогревателя воздуха. В зависимости от конструкции камеры сушильные установки подразделяются на шкафные, карусельные, ленточные, канальные, распылительные и установки других типов.

Процесс сушки представляет собой комплекс взаимосвязанных и одновременно протекающих процессов. К ним относятся нагрев продукта в результате переноса тепла от нагретого воздуха к обезвоживаемому материалу, испарение влаги, перенос влаги с поверхности продукта в среду сушильной камеры, перенос влаги внутри продукта.

Сушка протекает правильно в том случае, если скорость испарения влаги с поверхности продукта равна скорости переноса влаги внутри него. При более высокой скорости испарения на поверхности высушиваемого продукта образуется корка, замедляющая процесс сушки, при медленном испарении продукт запаривается. Процесс сушки можно интенсифицировать, увеличивая поверхность испарения, для чего сырьё измельчают.

Недостатком конвективной сушки является то, что она протекает сравнительно длительное время (в течении 3-10 часов) при температуре 60-75^оС, а это приводит к потерям компонентов химического состава (окисление витаминов, дубильных и красящих веществ, реакции меланоидинообразования), ухудшению вкуса, аромата и цвета высушенного продукта. Для снижения этих потерь и предупреждения потемнения плодов и овощей при сушке их предварительно обрабатывают сернистым ангидридом либо бланшируют горячей водой или паром для инактивации ферментов. Недостатком является и то, что высушенные плоды и овощи плохо набухают и восстанавливаются до готового блюда при длительном кипячении (в течении 25-30 минут).

Современным способом обезвоживания является сушка в кипящем (псевдоожиженном) и виброкипящем слое.В обычных сушилках обезвоживание осуществляется в плотном слое в условиях, когда не вся поверхность продукта участвует в теплообмене. Процесс сушки протекает медленно, при этом возможны перегревы отдельных участков слоя. Процесс обезвоживания значительно ускоряется при перемешивании высушиваемого продукта.

Сушка в кипящем слое осуществляется следующим образом. Через слой измельчённого зернистого продукта, находящегося на сетке, продувают с определённой скоростью воздух. Слой вначале разрыхляется, набухает, а затем переходит в состояние псевдоожижения, напоминающее кипящую жидкость. Вследствие интенсивного перемешивания и контакта отдельных частиц с нагретым воздухом происходит выравнивание температуры в объёме слоя, сокращается продолжительность сушки.

При сушке в виброкипящем слое происходит интенсивное перемешивание нарезанных кусочков продукта в результате одновременного воздействия вертикальных вибраций решетки и восходящего воздушного потока. Сушка в виброкипящем слое позволяет по сравнению с сушкой в плотном слое в 2-3 раза уменьшить ее продолжительность и получить быстроразваривающиеся сушёные овощи и плоды более высокого качества. В отечественной пищевой промышленности внедрены в производство сушилки с кипящем слоем для сушки дрожжей, подушки подсолнечника и др.

Рядом преимуществ по сравнению с конвективной обладает микроволновая сушка с использованием энергии сверхвысокой частоты (СВЧ). В этом случае интенсификация процесса обезвоживания происходит вследствие проникающего эффекта микроволн и высокого поглощения их молекулами воды. Ввиду повышения давления во внутренних слоях материала при превращении поглощённой энергии в тепло кусочки высушиваемых продуктов несколько увеличиваются в объёме. В результате получается пористый сушёный продукт, способный быстро развариваться. Время, необходимое для восстановления сушёного продукта, составляет 10 минут.

Распылительная сушка используется для обезвоживания жидких продуктов. Жидкие или тонко измельчённые продукты попадают в распылительное устройство, которое с помощью форсунок и дисков, вращающихся с большой скоростью, распыляет продукт и превращает его в мельчайшие капельки. Распыление происходит внутри большой сушильной камеры, в которую подаётся горячий воздух. Частицы продукта встречаются с потоком нагретого до 140-160^оС воздуха и обезвоживаются. Сухой участок в виде порошка осаждается в нижней части камеры. Продолжительность сушки в распылительном состоянии измеряется секундами, благодаря чему в пищевых продуктах почти полностью сохраняются даже термолабильные вещества - белки, витамины. Недостатком этого вида сушки является опасность окисления кислородом воздуха составных частей продукта, находящегося в высокодисперсном состоянии. Окислительные процессы можно предупредить, если сушить и хранить высушенный продукт в атмосфере инертного газа - азота или углекислого. Сушка методом распыления широко применяется в пищевой промышленности при производстве сухих молочных продуктов, меланжа, яичного белка, фруктовых и овощных соков, пюре, порошков.

Контактная сушка применяется для обезвоживания высоковлажных жидких и пюреобразных продуктов: молока, картофельного и овощного пюре. Сушка осуществляется при непосредственном контакте жидкого продукта с нагретой поверхностью. При этом способе обезвоживания продукт подаётся непрерывным потоком на горячую поверхность барабана-вальца и высушивается за 4-12 секунд. Готовый продукт с помощью специальных скребков снимается с поверхности барабана в виде плёнки, а затем размельчается в порошок. Недостатком этого способа сушки является то, что при контакте компонентов продукта с нагретой поверхностью происходит денатурация белков, могут происходить процессы меланоидино- и карамелеобразования, значительны потери веществ.

Вакуумная сушка осуществляется в условиях разряжения при сравнительно низких температурах, не превышающих 50^оС, что снижает потери термолабильных компонентов - белков, витаминов, при этом полностью сохраняются органолептические свойства продукта. Так, при обычной сушке яиц потери витаминов составляют 30-50 %, при вакуумной - не превышают 5-7 %.

Сублимационная сушка основана на удалении влаги из замороженных продуктов путём возгонки (сублимации) воды, т.е. в результате непосредственного перехода льда в пар, миную жидкую фазу. Сушка осуществляется в условиях глубокого вакуума (остаточное давление 133-266 Па).

Протекает сушка в три стадии. На первой стадии происходит быстрое замораживание продукта. Температура в массе продукта резко понижается, достигая минус 17^оС и ниже. Замораживание происходит в течении 15-20 минут со скоростью 0,5-1,5^оС в минуту. На этой стадии продукта за счёт сублимации льда удаляется 10-15% влаги. Обезвоживание материала во второй стадии происходит в результате нагрева плит, на которых находятся высушиваемые продукты. При этом продукт не размораживается, кристаллы льда испаряются, минуя жидкую фазу, и он теряет до 80 % влаги. Продолжительность второй стадии зависит от вида и размеров сырья и колеблется от 10 до 20 часов. Третья стадия представляет собой тепловую вакуумную сушку, при которой из высушиваемого продукта удаляется оставшаяся адсорбционно-связанная влага. Продолжительность этой стадии составляет 3-4 часа. Длительность процесса может быть сокращена, если сублимационная сушка будет осуществляться в поле СВЧ. Высушенный продукт имеет влажность 3-6 %, его расфасовывают в герметично закрытую тару.

Сублимационная сушка сочетает два способа консервирования: замораживание продукта и его высушивание в замороженном состоянии, поэтому микроструктура, объём, свойства и состав продукта сохраняются почти полностью. Продукт обладает хорошей пористостью, при обводнении быстро восстанавливает первоначальный вид и свойства, может длительное время сохраняться при положительных температурах, в результате чего резко снижается стоимость его хранения. Кроме того, такие продукты могут продаваться на торговых предприятиях, не обеспеченных холодильными установками.

Недостатком сублимационной сушки является то, что при хранении в продуктах ввиду их большой контактной поверхности протекают окислительные процессы. Окислительным реакциям подвергаются липиды, пигменты, витамины, ароматические вещества, что в конечном итоге приводит к нежелательным изменениям вкуса и запаха, а также снижению биологической ценности продукта. Замедлить окислительные процессы можно, упаковывая высушенные продукты в атмосфере инертного газа или под вакуумом.

Перед использованием продукты сублимационной сушки должны быть подвергнуты регидратации - обводнению. Для этого их помещают в тёплую воду (20-30^оС) или растворы веществ, улучшающие органолептические показатели и пищевую ценность продукта. При регидратации поры быстро заполняются водой, а затем начинается процесс взаимодействия воды с основными компонентами пищевых продуктов. Продолжительность регидратации от 1 до 20 минут в зависимости от состава и свойств продукта.

Сублимационная сушка используется для обезвоживания продуктов растительного и животного происхождения.

Радиационная сушка осуществляется путём передачи тепла инфракрасными лучами, использование этого способа сушки позволяет интенсифицировать процесс обезвоживания за счёт увеличения теплового потока на поверхности высушиваемого материала и способности ИК-излучения проникать на некоторую глубину. Энергия ИК-излучения превращается в тепло только в случае поглощения её облучаемым предметом.

Лучшие результаты получаются при использовании конвективно-радиационного метода, при котором сочетается обработка продукта инфракрасными лучами с сушкой нагретым воздухом.

В стадии изучения находится способ конвективно-радиационной сушки в кипящем и виброкипящем слое.

Перспективной является сушка овощных и фруктовых паст, пюре, соков во вспененном состоянии. Сущность этого способа состоит в том, что пюреобразный продукт взбивают в стойкую пену в присутствии пеностабилизирующих веществ и высушивают до содержания влаги 2-4 %. Пену сушат различными способами: радиационным, конвективным и др. Продолжительность сушки состаяляет 3-20 минут. Высушенный продукт измельчают, просеивают и упаковывают в герметичную тару. По качеству вырабатываемого продукта этот способ конкурирует с сублимационной и вакуумной сушками, но при этом значительно их дешевле.

Перспективной является сушка плодов осмотическим обезвоживанием. Сущность её состоит в том, что кусочки плодов выдерживают в концентрированном тёплом сахарном сиропе. При этом происходит переход воды из клеток плодов в окружающую среду (явление осмоса). Переход же сахара из сиропа в клетку незначителен. Хорошо поддаются осмотическому обезвоживанию нарезанные фрукты. Концентрация сахара в сиропе должна быть не менее 70 %. По окончании процесса плоды отделяют от сиропа и досушивают до содержания в них влаги 10%. Высушенные плоды отличаются хорошим ароматом, имеют светлую окраску и могут быть использованы как готовое десертное блюдо.

Близким к сушке является метод концентрирования жидких пищевых продуктов, основанный на частичном удалении влаги при нагревании до 40-60^оС в вакуум-аппаратах. При сгущении жидких пищевых продуктов в них накапливаются вещества, повышающие осмотическое давление и задерживающие развитие микроорганизмов. Этот метод консервирования лежит в основе получения сгущённого молока, томата-пасты, концентрированных плодово-ягодных соков, паст, экстрактов.

Существует и другой способ получения концентрированных соков - вымораживание влаги. Этот способ основан на том, что при замораживании вымерзает растворитель (вода), а экстрактивные вещества (сахар, кислоты, соли) не кристаллизуются, а остаются в растворе. Сок замораживают при температуре минус 10-12^оС, образовавшиеся кристаллы льда отделяют на центрифуге. Вымораживание влаги и отделение льда повторяют 2-3 раза. Полученный концентрированный сок богат эфирными маслами и отличается высоким качеством. Концентрация сухих веществ сока после его вымораживания не превышает 50 %.

Вяление - частичный случай применения сушки. Этот способ консервирования основан на медленном обезвоживании в естественных условиях предварительно посоленных мясных и рыбных продуктов. Процесс вяления длится от 10 до 30 суток при температуре 10-25^оС. При вялении под действием солнечного света, воздуха и медленного обезвоживания в тканях продукта протекают сложные физические и биохимические процессы. Происходит частичная денатурация белков, мышечная ткань уплотняется, пропитывается жиром, приобретая янтарно-жёлтый цвет, и становится полупрозрачной. Одновременно протекают окислительные процессы. Происходит созревание продукта, он приобретает приятные специфичные вкус и запах. Вялят воблу, тарань, деликатесные балычные изделия из осетровых и лососевых рыб. Содержание влаги в вяленых продуктах должно быть не более 38-45 %.

Как ранее отмечалось, консервирование возможно под воздействием высоких концентраций осмотического давления. Осмотически активными являются такие вещества, которые не могут проникнуть через ультрамикроскопические поры биологических мембран растительных клеток. Вследствие этого при погружении биологической ткани в раствор осмотически активных веществ диффузионный процесс выравнивается концентрацией веществ, содержащихся внутри и вне клетки, происходит за счет перемещения молекул растворителя - воды, т.е. путем осмоса. Осмотическое давление Р, вызываемое веществами, определяется по уравнению:

Р= , (4.3)

где G - концентрация раствора осмотически активного вещества, г/дм³;

М - относительная молекулярная масса вещества;

R - молярная газовая постоянная, R=8,31 ;

Т - абсолютная температура, К

Из уравнения (4.3) следует, что возникающее осмотическое давление будет тем выше, чем больше массовая концентрация и чем меньше его молекулярная масса.

Инактивированные под действием плазмолиза микроорганизмы не способны вызывать порчу пищевых продуктов. На этом способе основано консервирование пищевых продуктов, например, поваренной солью и сахаром, в результате чего происходит обезвоживание клеток микроорганизмов и прекращается их жизнедеятельность. Микроорганизмы обладают различной устойчивостью к повышению осмотического давления. Некоторые бактерии, например Bact. gummosum, могут развиваться в 18-20 %-ом растворе поваренной соли или в 70 %-ом сахарном сиропе. Галофильные бактерии хорошо развиваются в 25-30 %-ом рассоле.

Поваренную соль в концентрациях 8-14 % используют для консервирования рыбы, мяса, овощей и некоторых других продуктов. Различают следующие способы посола: сухой, когда продукт обрабатывают сухой солью, мокрый - водным раствором поваренной соли и смешанный - комбинирование сухого и мокрого способов. В зависимости от температуры, при которой солят продукт, различают посол холодный (от 0 до 10^оС), охлаждённый (0-5^оС) и тёплый (10^оС и выше).

При посоле происходит диффузионно осмотический обмен, изменяются консистенция и структура продукта, формируются его специфические вкус и аромат, происходят также потери белковых веществ в результате их перехода в рассол, а также вследствие их гидролитического распада, что приводит к понижению пищевой ценности и ухудшению органолептических свойств продукта. В некоторых случаях посол является одним из целесообразных способов консервирования, например, сельдевых и лососевых рыб, т.к. при этом значительно улучшаются и вкусовые достоинства. При посоле свинины также наблюдается образование специфического вкуса и аромата ветчинности.

Поскольку поваренная соль влияет на вкус пищевых продуктов, содержание её для многих изделий устанавливается в пределах 2,5-6 %. В этом случае консервирующий эффект достигается сочетанием посола с другими видами консервирования: охлаждением, копчением, сушкой и т.д.

Сахароза в концентрации не менее 65 % применяют для консервирования при изготовлении варенья, джема, повидла, желе, сиропов и др. При получении этих продуктов избыток влаги удаляют выпариванием, в результате чего ещё больше повышается осмотическое давление. Однако при этом частично разрушаются витамины, и снижается ценность продукта.