Κατάψυξη τροφίμων.

Η χρήση της κατάψυξης για την συντήρηση των τροφίμων βασίζεται στην απομάκρυνση θερμότητας από τα προϊόντα με ταυτόχρονη μείωση της θερμοκρασίας τους, ακολουθούμενη από την διατήρησή τους σε θερμοκρασία χαμηλότερες από το σημείο πήξης . Το γεγονός αυτό προκαλεί μετατροπή του περιεχόμενου νερού σε παγοκρυστάλλους, με αποτέλεσμα την αύξηση της συγκέντρωσης των διαλυτών στερεών στην εναπομένουσα

ποσότητα νερού και μείωση της ενεργότητας aw του νερού  του τροφίμου. Η κατάψυξη αναστέλλει την δράση των μικροοργανισμών και επιβραδύνει την δράση των ενζύμων και των χημικών αντιδράσεων ως συνέπεια των χαμηλών θερμοκρασιών συντήρησης των τροφίμων (<-18οC) και των μικρών τιμών ενεργότητας νερού.  Η κατάψυξη των τροφίμων ως μέθοδος διατήρησης μπορεί να συνδυαστεί και με προκατεργασίες όπως το ζεμάτισμα για την αδρανοποίηση των ενζύμων.

Η κατάψυξη των τροφίμων περιλαμβάνει:

Την φάση κατάψυξης, κατά την οποία γίνεται απομάκρυνση θερμότητας από το  προϊόν, μετατροπή του νερού σε παγοκρυστάλλους και μείωση της θερμοκρασία του προϊόντος στην θερμοκρασία διατήρησης του υπό κατάψυξη.

Την φάση συντήρησης του προϊόντος υπό κατάψυξη, συνήθως σε θερμοκρασίες <-18οC.

Την φάση απόψυξης, κατά την οποία λόγω πρόσληψης θερμότητας επέρχεται στο προϊόν τήξη των  παγοκρυστάλλων και επαναφορά του στην αρχική κατάσταση.

Τα πλεονεκτήματα της κατάψυξης ως μεθόδου συντήρησης των τροφίμων είναι οι ελάχιστες μεταβολές στην θρεπτική αξία και τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των  κατεψυγμένων τροφίμων σε σχέση με άλλες μεθόδους διατήρησης όπως η κονσερβοποίηση και η αφυδάτωση.

Ωστόσο για να επιτευχθεί η καλή κατάσταση των κατεψυγμένων τροφίμων, πρέπει να ακολουθούνται ενδεδειγμένες συνθήκες και στις τρείς παραπάνω φάσεις.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, κατά την κατάψυξη των τροφίμων επέρχεται κρυσταλλοποίηση της υγρής φάσης. Ως κρυσταλλοποίηση μπορεί να οριστεί ο σχηματισμός οργανωμένης στερεάς φάσης (κρύσταλλοι) μέσα σε διάλυμα. Περιλαμβάνει τον σχηματισμό πυρήνων κρυστάλλωσης (πυρηνοποίηση) και την ανάπτυξη σε μέγεθος των κρυστάλλων. Πυρήνας κρυστάλλωσης θεωρείται ένα μικροσκοπικό σωματίδιο, το οποίο εξυπηρετεί στην ανάπτυξη κρυστάλλων. Στο καθαρό νερό, η μείωση της θερμοκρασίας κάτω από το σημείο πήξης χωρίς την ανάπτυξη παγοκρυστάλλων καλείται υπέρψυξη (Σχήμα 1). Η διαδικασία της πυρηνοποίησης μπορεί να είναι είτε ομογενής, είτε ετερογενής. Στην ομογενή πυρηνοποίηση (διαλύματα καθαρά από ξένα σωματίδια), η δημιουργία παγοκρυστάλλων γίνεται στιγμιαία κάτω από το σημείο πήξης, ενώ στην ετερογενή πυρηνοποίηση (τρόφιμα), αιωρούμενα σωματίδια του τροφίμου αποτελούν πυρήνες κρυστάλλωσης, π.χ. στο παγωτό προσθήκη σκόνης ζελατίνης αποτελεί πυρήνες κρυστάλλωσης. Σε τρόφιμα με κυτταρική οργάνωση π.χ. κρέας, στα οποία δεν μπορεί να γίνει προσθήκη πυρήνων κρυστάλλωσης, η πυρηνοποίηση απαιτεί την υπέρψυξη του προϊόντος. Η ανάπτυξη των κρυστάλλων για θερμοκρασίες < -80οC, επιταχύνεται από την διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του παγοκρυστάλλου και του περιβάλλοντος. Σε θερμοκρασίες μικρότερες από -80οC, η ανάπτυξη των κρυστάλλων επιβραδύνεται λόγω της αύξησης του ιξώδους του νερού και συνεπώς της δυσκολίας μετακίνησής του για τον σχηματισμό παγοκρυστάλλων. Οι θερμοκρασίες κρυσταλλοποίησης του νερού βρίσκονται συνήθως μεταξύ του σημείου πήξης του προϊόντος και 5 οC κάτω από την θερμοκρασία αυτή. Το θερμοκρασιακό αυτό εύρος καλείται κρίσιμη ζώνη κρυσταλλοποίησης. Τα σημεία ανάπτυξης και το τελικό μέγεθος των κρυστάλλων εξαρτάται από την ταχύτητα κατάψυξης ( ρυθμός απομάκρυνσης θερμότητας από το προϊόν).

Σχήμα 1 καμπύλες κατάψυξης καθαρού νερού και υδατικού διαλύματος

Από την έναρξη A έως το S συμβαίνει απλή ψύξη. Στο σημείο S συμβαίνει υπέρψυξη. Το σημείο   B είναι το φαινομενικό αρχικό σημείο κατάψυξης, κατά κάτι μικρότερο από το πραγματικό. Κοντά στο σημείο C το διάλυμα γίνεται κορεσμένο ενώ μετά το σημείο αυτό γίνεται ελαφρώς υπερκορεσμένο. Μεταξύ C και D αρχίζει η κρυσταλλοποίηση της διαλυμένης ουσίας. Το σημείο D είναι το ευτηκτικό σημείο και είναι η υψηλότερη θερμοκρασία. Στο σημείο E υπάρχει πλήρης κρυσταλλοποίηση. Το νερό κρυσταλλοποιείται  ταυτόχρονα με τη διαλυμένη ουσία.

Η κατάψυξη χωρίζεται σε βραδεία και ταχεία κατάψυξη ανάλογα με τον ρυθμό αποβολής θερμότητας από το προϊόν στην κρίσιμη ζώνη κρυσταλλοποίησης. Στην ταχεία κατάψυξη η θερμοκρασία του προϊόντος διέρχεται πολύ γρήγορα από την κρίσιμη ζώνη κρυσταλλοποίησης ενώ αντίθετα στην βραδεία κατάψυξη ο χρόνος αυτός είναι πολύ μεγάλος. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα κατάψυξης, τόσο μικρότερο το μέγεθος των παγοκρυστάλλων που δημιουργούνται.

Χαρακτηριστικά, σε τρόφιμα με κυτταρική οργάνωση κατά την βραδεία κατάψυξη δημιουργούνται μεγάλοι παγοκρύσταλλοι στους εξωκυτταρικούς χώρους, όπου η ωσμωτική πίεση είναι χαμηλότερη από το εσωτερικό των κυττάρων, στο οποία βρίσκονται πολλές διαλυμένες ουσίες. Λόγω της ωσμωτικής πίεσης που δημιουργείται από την ύπαρξη των παγοκρυστάλλων, μετακινείται νερό από το εσωτερικό του κυττάρου στον εξωκυτταρικό χώρο. Αποτέλεσμα είναι στους ζωικούς ιστούς η μετουσίωση των πρωτεϊνών, οι οποίες αδυνατούν να επαναπροσλάβουν το νερό κατά την απόψυξη του προϊόντος, το οποίο τελικά αποβάλλεται από το προϊόν ως οπός, είτε η επανατοποθέτηση του νερού ως πάγος στους ήδη υπάρχοντες παγοκρύσταλλους. Οι μεγάλοι σε μέγεθος παγοκρύσταλλοι προκαλούν τραυματισμό των κυτταρικών μεμβρανών και πιθανή απελευθέρωση ενζύμων (αν δεν έχουν αδρανοποιηθεί με ζεμάτισμα) προκαλώντας ποιοτική υποβάθμιση του προϊόντος, ενώ η ύπαρξή τους σε προϊόντα όπως το παγωτό είναι ανεπιθύμητη.

Αντιθέτως στην ταχεία κατάψυξη σχηματίζονται μικροί σε μέγεθος και περισσότεροι παγοκρύσταλλοι τόσο στους εξωκυτταρικούς όσο και στους ενδοκυτταρικούς χώρους των τροφίμων, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει μετακίνηση νερού προς το εξωτερικό των κυττάρων. Συνεπώς προλαμβάνεται ο τραυματισμός των κυτταρικών τοιχωμάτων, η μετουσίωση των πρωτεϊνών ως ένα βαθμό, και αποτρέπεται η ποιοτική υποβάθμιση των προϊόντων.

Μέθοδοι κατάψυξης τροφίμων

Μεθόδους  κατάψυξης των τροφίμων αποτελούν η κατάψυξη σε ρεύμα αέρα, με επαφή με ψυχρές επιφάνειες, με εμβάπτιση σε ψυκτικό μέσο και με κρυογενή μέσα διπλής φάσης.

Η κατάψυξη με ρεύμα αέρα αποτελεί την πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδο κατάψυξης των τροφίμων βιομηχανικά. Η ταχύτητα κυκλοφορίας του αέρα καθορίζει την ταχύτητα κατάψυξης, καθώς υψηλή ταχύτητα αέρα αυξάνει την ταχύτητα κατάψυξης.  Οι καταψύκτες ψυχρού αέρα διακρίνονται σε συνεχούς και διακεκομμένης λειτουργίας. Πλεονεκτήματα της κατάψυξης με ρεύμα αέρα αποτελούν το χαμηλό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας και η ευελιξία  κατάψυξης διάφορων τροφίμων ανεξαρτήτως μεγέθους και σχήματος, όμως μη συσκευασμένα τρόφιμα υφίστανται έντονη αφυδάτωση και απώλεια βάρους. 

Κυριότερα είδη καταψυκτών με ρεύμα αέρα αποτελούν ως διακεκομμένης λειτουργίας οι ερμητικοί θάλαμοι κατάψυξης (walk-in cold rooms) και τα στατικά τούνελ (stationary tunnels) και ως συνεχείς λειτουργίας οι σήραγγες κατάψυξης όπου το προϊόν συνεχώς μετακινείται  (continuous tunnel freezers), οι σπειροειδής καταψύκτες ( spiral belt freezers), και οι καταψύκτες ρευστοποιημένου στρώματος (fluidized bed freezers).

Στην κατάψυξη με επαφή με ψυχρή επιφάνεια το τρόφιμο τοποθετείται μεταξύ των ψυχρών πλακών όπου και συμπιέζεται με την βοήθεια υδραυλικού συστήματος. Οι πλάκες τοποθετούνται είτε σε οριζόντια (horizontal plate-contact freezer) για συσκευασμένα τρόφιμα σε μορφή ορθογωνίου ή κύβου, είτε σε κατακόρυφη διάταξη (vertical plate-contact freezer), για μη συσκευασμένα τρόφιμα με μεταβαλλόμενο σχήμα (ψάρια). Ως πλεονέκτημα της μεθόδου μπορεί να αναφερθεί το χαμηλό κόστος επένδυσης, όμως ο ρυθμός κατάψυξης χαρακτηρίζεται ως βραδύς.

Η κατάψυξη με εμβάπτιση σε ψυκτικά υγρά περιλαμβάνει την βύθιση ή τον ψεκασμό συσκευασμένου τροφίμου σε ψυκτικά μέσα όπως η προπυλενική γλυκόλη, η γλυκερόλη, διάλυμα χλωριούχου ασβεστίου κ.α. μέχρι το προϊόν να καταψυχθεί. Τρόφιμα στα οποία εφαρμόζεται κατάψυξη με εμβάπτιση σε ψυκτικά υγρά αποτελούν χυμοί εσπεριδοειδών ή προϊόντα πουλερικών.

Διάγραμμα 1  Μέθοδοι κατάψυξης τροφίμων

Τα θετικά σημεία της μεθόδου είναι η δυνατότητα γρήγορης κατάψυξης και η χρήση σε προϊόντα ανομοιόμορφου σχήματος. Όμως είναι απαραίτητη η χρήση συσκευασίας των τροφίμων ενώ είναι πιθανό να προκληθούν στο προϊόν εγκαύματα κατάψυξης υποβαθμίζοντας την ποιότητα του.

Η κατάψυξη με κρυογενή μέσα περιλαμβάνει την έκθεση του τροφίμου σε ψυκτικό μέσο το οποίο κατά την διάρκεια της κατάψυξης αλλάζει φάση και μετατρέπεται από υγρό σε αέριο (υγρό άζωτο) ή από στερεό σε αέριο (στερεό διοξείδιο του άνθρακα). Βασικά μειονεκτήματα της μεθόδου είναι το υψηλός κόστος γι’ αυτό και εφαρμόζεται σε προϊόντα υψηλής εμπορικής αξίας.

Μεταβολές των τροφίμων υπό κατάψυξη

 Οι κυριότερες μεταβολές που υποβαθμίζουν την ποιότητα των υπό κατάψυξη προϊόντων είναι:

•    Η επανακρυστάλλωση

•    Η μετουσίωση των πρωτεϊνών

•    Η οξείδωση των λιπαρών

•    Η αφυδάτωση των τροφίμων

•    Η διάσπαση χρωστικών ουσιών

•    Η απώλεια βιταμινών

•    Η συνέχιση της ενζυμικής δραστηριότητας

Επανακρυστάλλωση:

περιλαμβάνει μεταβολές στο σχήμα και στο μέγεθος των παγοκρυστάλλων ή συνένωση παρακείμενων παγοκρυστάλλων, που συμβαίνουν ιδιαίτερα κατά την διατήρηση του προϊόντος σε μη σταθερές θερμοκρασίες. Αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός μεγάλου μεγέθους παγοκρυστάλλων, που επηρεάζει αρνητικά την ποιότητα του κατεψυγμένου τροφίμου όπως στην βραδεία κατάψυξη.

Για την αποφυγή του φαινομένου της επανακρυστάλλωσης, απαιτείται η θερμοκρασία συντήρησης του προϊόντος υπό κατάψυξη, να είναι σταθερή και όσο το δυνατόν χαμηλότερη, ενώ ο χρόνος συντήρησης να μην είναι πολύ μεγάλος.

Μετουσίωση πρωτεϊνών

Εξαιτίας του φαινομένου της επανακρυστάλλωσης, ο σχηματισμός εξωκυττάριων παγοκρυστάλλων οδηγεί στην απομάκρυνση νερού από τα κύτταρα και συνεπώς στην αύξηση της συγκέντρωσης των διαλυμένων ουσιών – αλάτων στο εσωτερικό του κυττάρου. Συνεπώς η αύξηση της συγκέντρωσης των αλάτων επηρεάζει τις ιδιότητες των πρωτεϊνών, αποσταθεροποιώντας τους δεσμούς υδρογόνου στα μόριά τους (μετουσίωση). Οι μετουσιωμένες πρωτεΐνες, έχουν μειωμένη ικανότητα συγκράτησης νερού, με αποτέλεσμα κατά την απόψυξη του προϊόντος να αποβάλλονται μεγάλες ποσότητες οπού, στον οποίο περιλαμβάνονται νερό και υδατοδιαλυτές ουσίες, βιταμίνες, άλατα κ.α., μειώνοντας την θρεπτική αξία του τροφίμου.

Οξείδωση λιπαρών

 Σημαντικό παράγοντα υποβάθμισης της ποιότητας των κατεψυγμένων τροφίμων αποτελεί η παρουσία οξυγόνου, η οποία προκαλεί τάγγιση των λιπών και συνεπακόλουθα δυσάρεστη οσμή ή γεύση. Η κρυσταλλοποίηση του νερού στα υπό κατάψυξη προϊόντα αυξάνει τον ρυθμό οξειδώσεων, καθώς αυξάνει η συγκέντρωση των διαλυτών συστατικών στα κύτταρα, τραυματίζονται οι κυτταρικές μεμβράνες και απελευθερώνονται ένζυμα. Φαινόμενα οξείδωσης είναι εντονότερα σε προϊόντα με λίπος όπως κρέατα ή ψάρια, τα οποία περιέχουν πολυακόρεστα λιπαρά οξέα.

Αφυδάτωση

Κατά την παραμονή των προϊόντων στο θάλαμο κατάψυξης, ο ψυχρός αέρας που κυκλοφορεί συμπυκνώνεται λόγω επαφής με τα ψυκτικά μέσα, σχηματίζοντας πάγο. Αποτέλεσμα είναι η μείωση της πίεσης υδρατμών του ψυχρού αέρα που ασκείται στην επιφάνεια του προϊόντος, προκαλώντας απώλεια υγρασίας από την επιφάνεια του προϊόντος λόγω εξάχνωσης. Συνεπώς η επιφάνεια του προϊόντος σκληραίνει και προκαλούνται εγκαύματα κατάψυξης (με την μορφή της αλλαγής χρώματος ή της εμφάνισης στιγμάτων). 

Διάσπαση χρωστικών παρατηρείται κυρίως σε λαχανικά και φρούτα, όπου η παρατεταμένη παραμονή τους υπό κατάψυξη προκαλεί μεταβολή του χρώματος. Στα λαχανικά, προκαλείται διάσπαση της χλωροφύλλης σε φαιοφυτίνη, ενώ στα φρούτα οι μεταβολές του pΗ μεταβάλλουν το χρώμα των ανθοκυανινών.

Απώλεια βιταμινών παρατηρείται κυρίως σε υδατοδιαλυτές βιταμίνες. Οι οποίες απομακρύνονται από το τρόφιμο μαζί με τον οπό κατά το στάδιο της απόψυξης.   

Ενζυμική δραστηριότητα παρατηρείται σε φρούτα και λαχανικά, τα οποία έχουν ανεπαρκώς ζεματιστεί πριν την κατάψυξη, με κυριότερη την δράση της πολυφαινολοξειδάσης, η οποία μεταβάλλει το χρώμα, ενώ στα κρέατα, η δράση πρωτεολυτικών και λιπολυτικών ενζύμων

Κλεοπάτρα Δ. Τσατσαράγκου,  Χημικός Μηχανικός

Στυλιανή Β. Πρωτονοταρίου, Γεωπόνος- Τεχνολόγος Τροφίμων

Πηγή:www.foodbites.eu