Замораживание — это хорошо зарекомендовавший себя процесс консервации пищевых продуктов, при котором получают высококачественные питательные продукты, подготовленные для длительного хранения.

Однако даже современные методы заморозки подходят не для всех продуктов: в некоторых из них при замораживании происходят физические и химические изменения состава, что отрицательно сказывается на качестве размораживаемого материала.

Попытки улучшить качество размораживаемых продуктов связаны с уменьшением размера микрокристаллов льда, образующихся в тканях продукта при замораживании, и ускорении самого процесса заморозки.

Некоторые инновационные процессы замораживания (соударение и гидрогидридизация) по сути являются усовершенствованиями существующих методов (воздушной струи и жидкостной заморозки). Эволюция этих методов направлена на ускорение теплопередачи на поверхности продукта. Узким местом таких систем является ограничение толщины замораживаемых продуктов, поскольку быстрому глубокому охлаждению начинает препятствовать низкая теплопроводность тканей самого продукта.

Другие методы (сдвиг давления, магнитный резонанс, электростатика, микроволновое излучение, ультразвук) являются дополнением к существующим системам замораживания и направлены на улучшение качества продукта путем контроля способа образования льда в продуктах во время замораживания.

Альтернативой внешнему воздействию является изменение свойств самого продукта для контроля процесса образования льда. К таким методам относятся, например, обезвоживание и использовании белков антифриза.

Замораживание соударением

Использование технологии соударения для увеличения поверхностного теплообмена в системах замораживания воздухом стало одной из немногих инноваций, получивших коммерческую реализацию.

Удар — это процесс направления струи воздуха на твердую поверхность, вызывающий ускорение теплообмена.

Ударные воздушные струи с очень высокой скоростью (20-30 м/с) разрушают статический поверхностный слой газа, окружающий пищевой продукт.

Получающаяся вокруг продукта среда становится более турбулентной, и теплообмен через эту зону становится намного более эффективным.Ударное замораживание лучше всего подходит для продуктов с высоким отношением площади поверхности к весу (то есть достаточно тонких, таких как рыбное филе).

Испытания показали, что замораживание соударением наиболее эффективно для продуктов толщиной менее 20 миллиметров.Метод хорошо подходит для продуктов, требующих очень быстрого замораживания и охлаждения поверхности.

Замораживание гидрофлюидизацией

Гидрофлюидизация является формой иммерсионного (погружного) замораживания.Её можно рассматривать как жидкостной аналог воздушно-ударной технологии.

Для этого тип заморозки используется циркуляционная система, которая перекачивает охлаждающую жидкость вверх через отверстия или форсунки в холодильной камере, создавая тем самым перемешивающие струи.Они образуют высокотурбулентный псевдоожиженный слой, обеспечивающий чрезвычайно высокие коэффициенты теплопередачи на поверхности, и, как следствие, быстрое равномерное замерзание.

Заморозка при высоком давлении

Замораживание под высоким давлением (от 200 до 400 МПа) и, в частности, замораживание со «сдвигом давления», в последние годы вызывает значительный научный интерес.

Когда вода замерзает при атмосферном давлении, ее объем увеличивается, что приводит к повреждению тканей в пищевых продуктах.Однако, теоретически, замерзание под высоким давлением приводит к образованию особого льда, имеющего большую плотность, чем вода. Такой лед не расширяется в объеме во время формирования и существует в «стекловидном» некристаллическом состоянии, что может уменьшить повреждение тканей.

При давлении 200 МПа точка замерзания падает примерно до -22 ° C, что обеспечивает глубину стеклования около 200 мкм, благодаря чему объекты толщиной до 0,4-0,6 мм могут быть хорошо заморожены.

При этом виде замораживания продукт охлаждается под высоким давлением до минусовых температур, но не подвергается изменению фазы, а замерзает лишь в момент снятия давления.

Таким образом,зародышеобразование льда теоретически должно происходить мгновенно и однородно во всей клеточной структуре продукта.Это должно привести к уменьшению продолжительности фазового перехода, меньшему механическому напряжению во время образования кристаллов льда и уменьшению их размеров, с равномерным распределением по всему продукту.

Теоретически, это было бы особенно полезно при замораживании крупных продуктов, в которых низкая теплопроводность приводит к температурным градиентам, которые затрудняют достижение высоких скоростей замерзания в центре.

Хотя исследования показали, что замораживание со сдвигом давления может привести к образованию более мелких, равномерно распределенных кристаллов льда, перспективы коммерческого внедрения технологии остаются неясными.

Например, исследования свинины и говядины не смогли показать какого-либо реального коммерческого качества этих продуктов.

Главными препятствиями, сдерживающими развитие и распространение замораживания со сдвигом давления, являются большие капитальные затраты на оборудование и пакетный, а не конвейерный, характер процесса заморозки.

Ультразвуковая заморозка

Размораживание с помощью ультразвука практикуется уже достаточно давно, в то время как прецеденты его использование для содействия замораживанию появились относительно недавно.

В исследованиях в основном использовался «мощный ультразвук» низкой частотой (от 18-20 кГц до 100 кГц) и высокой интенсивности (как правило, выше 1 Вт/см2).

Теоретически, ультразвук создает кавитационные пузырьки по всему продукту, что способствует более равномерному зарождению льда и фрагментации крупных кристаллов в более мелкие.Это также может ускорить конвективный теплообмен в охлаждающей среде, тем самым ускоряя процесс замораживания.

В настоящее время предпринимаются попытки встраивать ультразвуковые устройств в существующие воздушные морозильные камеры, но широкого коммерческого распространения и признания технология не получила.

Магнитно-резонансная заморозка

Запатентованная в Японии система замораживания CAS (Cells Alive System), включающая в себя переменные магнитные поля, была разработана компанией ABI для улучшения замораживания и хранения замороженных продуктов.Представители компании утверждают, что технология CAS сохраняет текстуру и вкус пищи, улучшая переохлаждение продукта, что достигается путем воздействия на него магнитным полем низкой интенсивности перед замораживанием (по существу, той же целью, что и замораживание со сдвигом давления). Сообщается также, что «пульсирующий воздух сводит к минимуму образование кластеров льда».

Имеющиеся в свободном доступе результаты экспериментов показывают их неоднородность и зависимость от вида замораживаемой продукции.

Тем не менее, система CAS довольно широко известна за рубежом, но на отечественном рынке распространения не получила, ввиду высокой стоимости запатентованного оборудования.

Электростатическая заморозка

Электростатическое замораживание в настоящее время изучено только в лабораторных условиях и на уровне моделирования процессов.Принцип технологии состоит в том, что приложение электрического поля к продукту будет ориентировать полярные молекулы, такие как вода, контролируя процесс переохлаждения и кристаллизации льда.

Микроволновая заморозка

Потенциал микроволн для содействия замораживанию был изучен несколькими исследователями.Предложенный принцип замораживания с помощью микроволн заключается в использовании вращения диполей воды, вызванного микроволнами, для разрушения льда во время замерзания.Оба исследования показали некоторый потенциал, но приложения были для криоконсервации небольших биоматериалов, а в одном из них использовался криопротектор (этиленгликоль).Хотя с тех пор было опубликовано мало работ, Samsung Electronics запатентовала устройство, использующее микроволны для предотвращения самопроизвольного зародышеобразования переохлажденной жидкости во время хранения, и недавно было опубликовано исследование с использованием радиочастоты для содействия замораживанию свинины.

Радиочастотная заморозка

Недавно была опубликована работа о потенциале радиочастоты (РЧ) для содействия замораживанию пищи.Предложенный принцип замораживания в микроволновом и радиочастотном диапазонах аналогичен принципу замораживания в микроволновом режиме, т. е. используется вращение диполей воды, вызванное микроволнами, для разрушения образования льда во время замораживания.

Это может также снизить температуру замерзания, создавая больше мест зародышеобразования кристаллов льда.Результаты опубликованных исследований продемонстрировали, что криогенное замораживание жидким азотом мяса свинины с помощью низковольтных РЧ-импульсов приводило к гораздо меньшему количеству межклеточных пустот и меньшему разрушению клеток в микроструктуре мяса.По сравнению с обычно замороженными образцами, замороженное мясо имело более мелкие кристаллы льда, которые были в основном внутриклеточными.

Замораживание с обезвоживанием

Концепция дегидрозамерзания часто упоминается как новая, но фактически она зародилась ещё 50-х годах прошлого века.Обезвоживание является дополнением к замораживанию, при котором пища сначала обезвоживается до желаемой влажности, а затем замораживается.

Теория, лежащая в основе этого процесса, основана на том, что, поскольку свежие фрукты и овощи содержат больше воды, чем мясо, а их клеточная структура менее эластична, уменьшение содержания воды перед замораживанием сокращает время замерзания, начальную температуру замерзания и количество льда, образующегося в продукте. Это потенциально уменьшает ущерб и улучшает качество продукции.

Предварительное обезвоживание также снижает количество энергии, необходимой для замораживания, за счет снижения тепловой нагрузки.А уменьшение массы также может снизить затраты на сбыт.

В большинстве исследований удаляли воду из фруктов и овощей до замораживания путем осмотического обезвоживания в растворах сахара (для фруктов) или хлорида натрия (для овощей) или использовали воздушную сушку.Методы осмотической дегидратации обычно предпочтительнее, чем сушка на воздухе.Такой процесс может быть особенно подходящим для продуктов, предназначенных для использования в качестве ингредиентов в обработанных пищевых продуктах.

Протеины антифриза

Ранний интерес к антифризным белкам был вызван наблюдением за выживанием рыб, обитающих в полярных и северных прибрежных водах, у которых точка замерзания ниже точки замерзания плазмы рыбы.С тех пор антифризные белки были обнаружены также у многих беспозвоночных, грибов, бактерий и растений.

Функция белков антифриза состоит в том, чтобы снизить температуру замерзания и подавить рост зародышей льда, тем самым подавляя образование льда, изменяя рост кристаллов льда и замедляя рекристаллизацию при хранении в замороженном состоянии.Использование антифризных белков будет зависеть от стоимости, безопасности и приемлемости для потребителей4.Одно из применений антифризных белков, которое уже находит применение в пищевой промышленности, — это нежирное мороженое и замороженные йогурты.

Белки с ледяным ядром

Белки с ледяным ядром являются функционально отличным и противоположным классом белков по отношению к антифризным белкам, продуцируемым некоторыми бактериями.Функция белка, содержащего ядро, состоит в том, чтобы повышать температуру зародышеобразования во льду и уменьшать степень переохлаждения, тем самым сокращая время замораживания и способствуя зародышеобразованию льда во всем продукте.

Теоретически это может привести к полезным изменениям текстуры замороженных продуктов.Однако такие белки имеют бактериальное происхождение, и одной из основных проблем является безопасность таких бактерий и то, как обеспечить, чтобы несъедобные микроорганизмы были полностью уничтожены перед потреблением.

Выводы

Многие инновационные технологии, которые в настоящее время исследуются и разрабатываются, обещают улучшение качества замороженных продуктов.Некоторые из этих технологий находятся в стадии разработки, в то время как для других самым большим препятствием являются высокие капитальные затраты.

Ппредлагаем ознакомиться с технологией жидкостного замораживания продуктов питания, доступной уже сегодня, как для промышленного внедрения, так и для сектора малого и среднего бизнеса.