Η Κατάψυξη των Τροφίµων I. Ορισµοί Η κατάψυξη περιλαµβάνει την ταπείνωση της θερµοκρασίας του τροφίµου από το σηµείο καταψύξεως και κάτω. 1. Εφαρµόζονται θερµοκρασίες αποθηκεύσεως χαµηλότερες από-2 C, αλλά συνήθως τουλάχιστον -18 C ή χαµηλότερες 2. Το µεγαλύτερο µέρος του νερού του τροφίµου καταψύχεται α. Συνεπώς, ο χρόνος ζωής των τροφίµων είναι της τάξεως µερικών µηνών και σε µερικές περιπτώσεις µερικών ετών β. Η ταχύτητα καταψύξεως επηρεάζεται από µερικούς παράγοντες, οι οποίοι µπορούν να ελεγχθούν από τον παρασκευαστή τροφίµων 3. Η ανάπτυξη των µικροοργανισµών παρεµποδίζεται και µερικοί καταστρέφονται Στα κατεψυγµένα προϊόντα υπάρχει συνδυασµός δύο αντιµικροβιακών παραγόντων, η χαµηλή θερµοκρασία και η µείωση της ενεργότητος ύδατος. Πρέπει να σηµειωθεί ότι καθώς το νερό µετατρέπεται σε πάγο µειώνεται η a w. Κατά τη βιοµηχανική πρακτική, τα τρόφιµα εκτίθεται συνήθως σε θερµοκρασίες -10 C ή χαµηλότερες για ένα ή περισσοτέρους από τους ακολούθους λόγους: 1.- Για να διατηρηθούν η αρχική ποιότητα και υγιεινότητα του προϊόντος ώστε να καταναλωθεί αργότερα. 2.- Για να δηµιουργηθεί ειδική δοµή και συνεκτικότητα στο προϊόν, η οποία είναι επιθυµητή κατά την κατανάλωση, όπως πχ στα παγωτά, γρανίτες και µαλακά κατεψυγµένα γιαούρτια. 3.- Για να επιτελεσθούν ειδικές διεργασίες παραγωγής, όπως η αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση ή λυοφίλιση (freeze-drying), η συµπύκνωση µε κατάψυξη (freeze-concentration), η προετοιµασία των φρούτων για χυµοποίηση, η σταθεροποίηση του κρασιού (αποµάκρυνση κρυστάλλων τρυγικού οξέος ή οξίνου τρυγικού καλίου) και η εφαρµογή ιοντιζουσών ακτινοβολιών. Στη βιοµηχανική και εµπορική πρακτική, για την αποθήκευση, διακίνηση και πώληση, έχουν γίνει αποδεκτές δύο περιοχές θερµοκρασίας, τα κατεψυγµένα τρόφιµα (frozen foods) και τα βαθείας καταψύξεως (ή βαθυκατεψυγµένα) τρόφιµα (deep-frozen foods). Ο όρος κατεψυγµένα τρόφιµα χρησιµοποιείται σε µια περιορισµένη οµάδα προϊόντων (κυρίως κρέας και πουλερικά), τα οποία κατά την αποθήκευση και λιανική πώληση διατηρούνται σε σταθερή θερµοκρασία -10 C ή µικροτέρα. Ο όρος βαθυκατεψυγµένα τρόφιµα χρησιµοποιείται σε θερµοκρασία -18 C ή χαµηλοτέρα µε ελάχιστες διακυµάνσεις της θερµοκρασίας για να διατηρηθεί η ποιότητά τους κατά την αποθήκευση, διακίνηση και πώληση.
Ο όρος ταχεία κατάψυξη (quick freezing), ο οποίος εφαρµόζεται σε όλες τις διεργασίες καταψύξεως, εκτός αυτής σε ακίνητο αέρα, συχνά και λανθασµένα θεωρείται συνώνυµος µε τον όρο βαθεία κατάψυξη (deep freezing). Στη συνέχεια θα δοθούν µερικοί ακόµη ορισµοί σύµφωνα µε το IIR: 1.- Η ιεργασία της Καταψύξεως (Freezing process): Κατά τη διεργασία της καταψύξεως τα διάφορα µέρη του τροφίµου διέρχονται από διάφορα στάδια σε διαφορετικές χρονικές στιγµές. Το στάδιο της προκαταψύξεως (prefreezing stage) είναι η χρονική περίοδος µεταξύ της ενάρξεως της καταψύξεως και της ενάρξεως σχηµατισµού παγοκρυστάλλων (επιτυγχάνεται η κρυοσκοπική θερµοκρασία). Το στάδιο της καταψύξεως (freezing stage) είναι η χρονική περίοδος κατά την οποία η θερµοκρασία στο υπό εξέτασιν σηµείο διατηρείται σχεδόν σταθερή επειδή η αποµάκρυνση της θερµότητος προκαλεί µεταβολή της µεγαλυτέρας ποσότητος του νερού σε πάγο. Η ταπείνωση στη θερµοκρασία αποθηκεύσεως (reduction to storage temperature), είναι η χρονική περίοδος κατά την οποία το µεγαλύτερο µέρος του νερού έχει γίνει πάγος και η θερµοκρασία του τροφίµου µειώνεται από τη θερµοκρασία αυτή στην τελική επιθυµητή θερµοκρασία. Η τελική θερµοκρασία µπορεί να είναι (τουλάχιστον) η θερµοκρασία αποθηκεύσεως, την οποία θα πρέπει να έχει κάθε σηµείο του τροφίµου συµπεριλαµβανοµένου και του θερµικού κέντρου (thermal centre) ή η θερµοκρασία ισορροπίας (equilibrium temperature). Το θερµικό κέντρο ενός προϊόντος (συσκευασίας ή τεµάχιο τροφίµου) είναι το σηµείο εντός του προϊόντος το οποίο έχει την υψηλοτέρα θερµοκρασία στο τέλος της καταψύξεως. Η θερµοκρασία ισορροπίας είναι η θερµοκρασία η οποία επιτυγχάνεται, µε αδιαβατικές συνθήκες, όταν υπάρχει στενή προσέγγιση µεταξύ θερµοκρασίας της επιφανείας και του θερµικού κέντρου. 2.- Χρόνος Καταψύξεως (Freezing time): Ως χρόνος καταψύξεως ορίζεται ο χρόνος µεταξύ της ενάρξεως του σταδίου της προκαταψύξεως έως ότου επιτευχθεί η τελική θερµοκρασία. 3.- Ρυθµός ή Ταχύτητα Καταψύξεως (Freezing rate): Για ένα προϊόν ή συσκευασία, ο ρυθµός καταψύξεως ( C/h) είναι η διαφορά µεταξύ αρχικής και τελικής θερµοκρασίας διηρεµένης µε το χρόνο καταψύξεως. Σε ένα δοθέν µέρος του προϊόντος, ο τοπικός ρυθµός καταψύξεως (local freezing rate) είναι ίσος µε τη διαφορά µεταξύ αρχικής θερµοκρασίας και της επιθυµητής θερµοκρασίας διηρεµένης µε το χρόνο, ο οποίος χρειάσθηκε για να επιτευχθεί η επιθυµητή θερµοκρασία. 4.- Ταχύτητα Κινήσεως του Μετώπου του Πάγου (Speed of Movement of the Ice Front): Ο ρυθµός ή ταχύτητα καταψύξεως µπορεί να εκτιµηθεί από την ταχύτητα κινήσεως του µετώπου του πάγου (cm/h), µέσω του προϊόντος. Η ταχύτητα αυτή είναι µεγαλυτέρα κοντά στην επιφάνεια και βραδυτέρα προς το κέντρο. 5.- Χρόνος Ζωής ή Αποθηκεύσεως (Storage Life): Οι φυσικές και βιοχηµικές αντιδράσεις, οι οποίες λαµβάνουν χώρα στα κατεψυγµένα τρόφιµα οδηγούν σε βαθµιαία, συσσωρευτική και µη αντιστρεπτή µείωση της ποιότητος. Χρόνος ζωής είναι ο χρόνος πέραν του οποίου το προϊόν δεν είναι κατάλληλο για κατανάλωση ή την επιθυµητή επεξεργασία. 6.- Ζωή Υψηλής Ποιότητος (High Quality Life, HQL): Η ζωή υψηλής ποιότητος ορίζεται ως ο χρόνος, ο οποίος παρήλθε, µεταξύ της καταψύξεως ενός προϊόντος µε µια αρχική ποιότητα και τη στιγµή όταν, µε οργανοληπτική εκτίµηση, εντοπίζεται µια στατιστικώς σηµαντική διαφορά (p<0,01) από την αρχική ποιότητα (αµέσως µετά την κατάψυξη). Αυτή είναι η Μόλις Εντοπίσιµη ιαφορά (Just Noticeable Difference, JND).
7.- Πρακτικός Χρόνος Ζωής (Practical Storage Life, PSL): Ο πρακτικός χρόνος ζωής ενός προϊόντος είναι η χρονική περίοδος της αποθηκεύσεως υπό κατάψυξη (από τη στιγµή της καταψύξεως) κατά την οποία το προϊόν διατηρεί τις χαρακτηριστικές του ιδιότητες και παραµένει κατάλληλο για κατανάλωση ή περαιτέρω επεξεργασία. II. Λειτουργία του Ψυκτικού Μηχανήµατος A. Ψυγεία 1. Λειτουργούν ως αντλίες θερµότητος και περιέχουν 4 βασικά τµήµατα, τον εξατµιστή, το συµπιεστή, το συµπυκνωτή και τη βαλβίδα εκτονώσεως a. Εξατµιστής (1) Το υγρό ψυκτικό µετατρέπεται σε αέριο (2) Όταν τούτο συµβεί απάγεται θερµότητα από το αποθηκευµένο τρόφιµο b. Συµπιεστής (1) Αυξάνεται η πίεση και η θερµοκρασία των ατµών του ψυκτικού (2) Όταν τούτο συµβεί, απελευθερώνεται η θερµότητα του ψυκτικού c. Συµπυκνωτής (1) Αποµακρύνεται θερµότητα από το ψυκτικό σε ένα άλλο µέσο (αέρας ή νερό) (2) Όταν τούτο συµβεί, µειώνεται η θερµοκρασία του ψυκτικού και µετατρέπεται σε υγρό d. Βαλβίδα εκτονώσεως (1) Ελέγχει τη ροή του υγρού ψυκτικού (2) Όταν τούτο συµβεί, ο εξατµιστής δέχεται σταθερή τροφοδοσία ψυκτικού
Σχηµατικό διάγραµµα ενός µηχανικού ψυκτικού συστήµατος (Singh and Heldman, 1993) III. Επιδράσεις της Καταψύξεως επί των Τροφίµων 1. Επιθυµητές επιδράσεις a. Εξάλειψη της µικροβιακής αναπτύξεως (-18 C) b. Σηµαντική µείωση της ταχύτητος των αντιδράσεων (-18 C) c. Σηµαντική µείωση της ταχύτητος των βιοχηµικών αντιδράσεων (- 18 C) d. Σηµαντική αύξηση του χρόνου ζωής (3-40 φορές για κάθε 10 C µείωση της θερµοκρασίας) 2. Ανεπιθύµητες επιδράσεις (χηµικές ή φυσικές διεργασίες, όχι µικροβιακές) a. Χηµική χειροτέρευση b. Φυσική χειροτέρευση (υφή) IV. Ο Σχηµατισµός και η Κρυστάλλωση του Πάγου Από φυσικής απόψεως, οι ζωικοί και φυτικοί ιστοί χονδρικά µπορούν να θεωρηθούν αραιά υδατικά διαλύµατα. Όταν τα τρόφιµα ψύχονται κάτω των 0 C, αρχίζει να σχηµατίζεται πάγος από την κρυοσκοπική θερµοκρασία (ή το αρχικό σηµείο καταψύξεως), η οποία επίσης είναι η χαρακτηριστική θερµοκρασία τήξεως και στην οποία τήκεται ο τελευταίος παγοκρύσταλλος, όταν η τήξη είναι επαρκώς αργή. Η θερµοκρασία στην οποία αρχίζει η κατάψυξη εξαρτάται από τη γραµµοµοριακή συγκέντρωση των διαλυµένων ουσιών και όχι από την περιεκτικότητα νερού. Η κρυστάλλωση του πάγου είναι ως προς την αρχή ίδια µε την κρυστάλλωση µιας ουσίας από ένα διάλυµα. Όµως, στα τρόφιµα το υπόστρωµα, στο οποίο λαµβάνει χώρα η κρυστάλλωση, είναι πάρα πολύ πολύπλοκο. Πρέπει δε να θεωρηθούν δύο διαδικασίες, ο σχηµατισµός των πυρήνων και η ανάπτυξη των κρυστάλλων.
Για να σχηµατισθούν πυρήνες είναι απαραίτητη η υπέρψυξη (supercooling). Σε θερµοκρασίες κάτω του σηµείου καταψύξεως, σχηµατίζονται και εξαφανίζονται κανονικά διατεταγµένες συναθροίσεις µορίων (clusters). Υπάρχει ένα κρίσιµο µέγεθος στο οποίο η ευκαιρία αναπτύξεως ενός συναθροίσµατος µορίων είναι η ίδια µε την ευκαιρία αναδιαλύσεως. Άνω του κρισίµου αυτού µεγέθους η ευκαιρία αναπτύξεως είναι µεγαλυτέρα και σχηµατίζονται σταθερές συναθροίσεις µορίων, οι οποίες εξυπηρετούν ως πυρήνες κρυσταλλώσεως. Οι πυρήνες σχηµατίζονται ετερογενώς σε µικροτέρους βαθµούς υπερψύξεως. Η παρουσία ξένων σωµατιδίων ενισχύει το σχηµατισµό πυρήνων επειδή τα µόρια του νερού απορροφούνται στην επιφάνεια των σωµατιδίων. Η "σπορά" (seeding) υπερψυγµένων υγρών ή υπερκόρων διαλυµάτων µπορεί να οδηγήσει σε αυθόρµητη κρυστάλλωση. Η δευτέρα φάση της κρυσταλλώσεως είναι η ανάπτυξη των κρυστάλλων του πάγου. Ο ρυθµός της αναπτύξεως των κρυστάλλων εξαρτάται από δύο παράγοντες: 1.- Τη διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ της επιφανείας του κρυστάλλου και του περιβάλλοντος, ήτοι το βαθµό υπερψύξεως ή το ρυθµό αποµακρύνσεως της θερµότητος. [Όσο µεγαλυτέρα είναι η διαφορά τόσο ταχυτέρα είναι η ανάπτυξη των κρυστάλλων]. 2.- Το επίπεδο θερµοκρασίας για τον ίδιο βαθµό υπερψύξεως, όσο χαµηλοτέρα είναι η θερµοκρασία τόσο πιο αργή είναι η ανάπτυξη, λόγω αυξήσεως του ιξώδους. Το µέγεθος των παγοκρυστάλλων καθορίζεται από το ρυθµό σχηµατισµού πυρήνων και το ρυθµό αναπτύξεως των κρυστάλλων. Όταν υπάρχουν λίγοι πυρήνες σχηµατίζονται µεγάλοι παγοκρύσταλλοι. Τούτο αντιστοιχεί σε βραδεία κατάψυξη (βραδεία αποµάκρυνση της θερµότητος), κατά την οποία η θερµοκρασία του προϊόντος παραµένει στην ή κοντά στη θερµοκρασία ισορροπίας στερεού-υγρού. Αντιθέτως, όταν υπάρχουν πολύ πυρήνες σχηµατίζονται µικροί παγοκρύσταλλοι. Τούτο αντιστοιχεί σε ταχεία κατάψυξη. Περαιτέρω η θέση των παγοκρυστάλλων είναι πολύ σπουδαία. Είναι γνωστό ότι η βραδεία κατάψυξη έχει ως αποτέλεσµα σχηµατισµό µεγάλων παγοκρυστάλλων, οι οποίοι σχηµατίζονται εκτός των κυττάρων των φυτικών ή ζωικών ιστών. Σε αντίθεση, η ταχεία κατάψυξη οδηγεί στο σχηµατισµό µικρών παγοκρυστάλλων, οι οποίοι σχηµατίζονται εντός και εκτός των κυττάρων των ιστών. Επίδραση της ταχύτητος καταψύξεως επί της θέσεως των παγοκρυστάλλων σε βακαλάο Ατλαντικού. (a) Μη κατεψυγµένος,(b) Ταχέως κατεψυγµένος, (c) Βραδέως κατεψυγµένος.
Απεικόνιση της αναπτύξεως παγοκρυστάλλων σε ιστό. Άνω σειρά (1-4): βραδεία κατάψυξη. Κάτω σειρά: ταχεία κατάψυξη. V. Καµπύλες Καταψύξεως Για την καλλιτέρα κατανόηση της καταψύξεως των τροφίµων είναι απαραίτητο να εξετασθεί µια καµπύλη καταψύξεως για το καθαρό νερό και για ένα απλό διάλυµα. Καµπύλες καταψύξεως του καθαρού νερού και ενός απλού διαλύµατος.
Στην καµπύλη καταψύξεως του διαλύµατος µπορούν να διακριθούν 6 τµήµατα: (1) Το τρόφιµο ψύχεται κάτω του σηµείου καταψύξεως, T f, χωρίς µετατροπή του νερού σε πάγο. Το φαινόµενο αυτό είναι γνωστό σαν υπέρψυξη (supercooling) και µπορεί να είναι τόσο χαµηλότερα από το σηµείο καταψύξεως όπως 10 C. (2) Μετά την κρυστάλλωση του νερού στο σηµείο S, η απελευθέρωση της θερµότητος κρυσταλλώσεως προκαλεί αν ύψωση της θερµοκρασίας στο φαινοµενικό αρχικό σηµείο καταψύξεως. (3) Αποµακρύνεται η λανθάνουσα θερµότητα και σχηµατίζεται πάγος, όµως η θερµοκρασία δεν παραµένει σταθερή και τούτο γιατί, καθώς αποχωρίζονται οι παγοκρύσταλλοι το διάλυµα, το οποίο προκύπτει, έχει συνεχώς µεγαλυτέρα συγκέντρωση διαλυτών µε αποτέλεσµα την συνεχή ταπείνωση του σηµείου καταψύξεως. Κατά το στάδιο αυτό σχηµατίζεται η µεγαλυτέρα ποσότητα του πάγου. (4) Καθώς φθάνεται το σηµείο 1 η υγρή φάση καθίσταται κορεσµένη ως προς τα διαλυτά στερεά. Μόλις το διάλυµα καταστεί υπέρκορο αρχίζει η κρυστάλλωση, απελευθερώνεται η λανθάνουσα θερµότητα κρυσταλλώσεως και η θερµοκρασία ανυψώνεται στο ευτηκτικό σηµείο (σηµείο 2). (5) Η κρυστάλλωση του νερού και των διαλυτών ουσιών συνεχίζει, σχηµατίζοντας ένα πλατώ (2-3), η διάρκεια του οποίου εξαρτάται από το πόσο γρήγορα αποµακρύνεται η θερµότητα. (6) Η θερµοκρασία του µίγµατος πάγου-νερού πέφτει στη θερµοκρασία του καταψύκτη. Ένα µέρος του νερού µένει ακατάψυκτο κατά την εµπορική κατάψυξη. Περιεκτικότητα νερού και σηµεία καταψύξεως µερικών τροφίµων Τρόφιµο Νερό (%) Σηµείο καταψύξεως ( C) Λαχανικά 78-92 -0.8 µε -2.8 Φρούτα 87-95 -0.9 µε -2.7 Κρέας 55-70 -1.7 µε -2.2 Ψάρια 65-81 -0.6 µε -2.0 Γάλα 87-0.5 Αυγά 74-0.5 Στα παρακάτω σχήµατα φαίνεται σχηµατικά η διεργασία της καταψύξεως. Το πρώτο σχήµα δείχνει ότι µεγάλη ποσότητα νερού κρυσταλλώνεται στην περιοχή θερµοκρασίας µεταξύ σηµείου καταψύξεως και 5 C κάτω του σηµείου καταψύξεως.. Η κρυστάλλωση αυτή απελευθερώνει σηµαντικά ποσά θερµότητος, τα οποία πρέπει να αποµακρυνθούν. Αυτός είναι ο λόγος γιατί η ψύξη διαρκεί πολύ στην περιοχή αυτή από ότι σε υψηλότερες ή χαµηλότερες θερµοκρασίες. Όπως φαίνεται από το δεύτερο σχήµα είναι δυνατή η δίοδος από την περιοχή αυτή είτε ταχέως ή αργά µεταβάλλοντας τις συνθήκες καταψύξεως.
Σχηµατισµός πάγου σε διαφορετικές θερµοκρασίες Μεταβολές της θερµοκρασίας µέσω της κρισίµου ζώνης VI. Υπολογισµός του Χρόνου Καταψύξεως Οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν το ρυθµό µεταδόσεως θερµότητος είναι: 1. η θερµική αγωγιµότητα του τροφίµου 2. η επιφάνεια του τροφίµου που είναι διαθέσιµη για τη µετάδοση θερµότητος 3. το πάχος του τροφίµου (απόσταση µεταφοράς της θερµότητος) 4. η διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ τροφίµου µε ψύχοντος µέσου 5. η µονωτική δράση της οριακής στιβάδος αέρα η οποία περιβάλλει το τρόφιµο. (Αν υπάρχει συσκευασία αποτελεί ένα ακόµη εµπόδιο για τη ροή της θερµότητος) Ο υπολογισµός του χρόνου καταψύξεως είναι µεγάλης σπουδαιότητος και συγχρόνως αποτελεί ένα δύσκολο πρόβληµα.
Η µαθηµατική λύση του ρυθµού (ταχύτητος) καταψύξεως δεν είναι δυνατή (επικρατεί ασταθής ή µη µόνιµη κατάσταση). Μια προσεγγιστική λύση είναι αυτή του Plank. t= H P d T h +R d 2 f ρ k όπου t= o χρόνος καταψύξεως, s. Η f = λανθάνουσα θερµότητα πήξεως, J/kg. ρ= πυκνότητα του προϊόντος, kg/m 3. T= διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ σ.π. και ψύχοντος µέσου, C. d= διάµετρος κυλίνδρου ή σφαίρας, πάχος κύβου, µικροτέρα διάσταση ορθογωνίου, m. h= συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος, W/m² C. k= θερµική αγωγιµότητα στην καταψυγµένη κατάσταση, W/m C. P και R= σταθερές σχήµατος, οι οποίες έχουν τιµές: P=1/6 σφαίρα ή κύβος, 1/4 κύλινδρος, 1/2 αόριστο ορθογώνιο R=1/24 σφαίρα ή κύβος, 1/16 κύλινδρος, 1/8 αόριστο ορθογώνιο Όταν έχουµε ορθογώνιο, οι διαστάσεις του µπορούν να εκφρασθούν µε βάση το µήκος της µικροτέρας πλευράς, η οποία σηµειώνεται σαν d. Έτσι, οι διαστάσεις θα είναι dxβ 1 dxβ 2 d. Οι τιµές των P και R εξαρτώνται από τις τιµές των παραγόντων β 1 και β 2, και µπορούν να ληφθούν από τη γραφική απεικόνιση των σταθερών του Plank, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Η ίδια εξίσωση µπορεί να χρησιµοποιηθεί και για την υπολογισµό του χρόνου τήξεως, αντικαθιστώντας τη θερµική αγωγιµότητα του πάγου µε του νερού. Οι σταθερές P και R σαν συνάρτηση του µεγέθους του ορθογωνίου για χρήση στην εξίσωση του Plank Πρόβληµα: Κύβοι πατάτας ακµής 5 cm καταψύχονται σε καταψύκτη ρεύµατος αέρα θερµοκρασίας -40 C και µε επιφανειακό συντελεστή µεταδόσεως θερµότητος 30 W/m² C. Αν το σηµείο καταψύξεως της πατάτας είναι -1,0 C και η πυκνότητά της 1180 kg/m 3, να υπολογισθεί ο χρόνος καταψύξεως κάθε κύβου. Αν οι κύβοι συσκευασθούν σε χαρτοκιβώτιο διαστάσεων 20x10x10 cm να υπολογισθεί ο χρόνος καταψύξεως. ίδονται: πάχος χαρτονίου
1,5 mm, θερµική αγωγιµότητα χαρτονίου 0,07 W/m C, θερµική αγωγιµότητα της πατάτας 2,5 W/m C και λανθάνουσα θερµότητα κρυσταλλώσεως 2,74x10 5 J/kg. Λύση: Ο χρόνος καταψύξεως των κύβων πατάτας υπολογίζεται από την εξίσωση Plank, οπότε είναι: 5 2,74x10 x1180 0,05 t= - 1 - (-40) 6x30 + (0,05 ) 2 = 2648 s = 44 min 24x2,5 Ο χρόνος καταψύξεως των συσκευασµένων κύβων υπολογίζεται λαµβάνοντας υπ όψιν και το υλικό συσκευασίας, οπότε είναι: t= 2,74x10 x1180-1 - (-40) 0,1 2 1 30 + (0,0015 ) + (0,1 ) = 26700 s = 7,4 h 0,07 8x2,5 5 2 2 Η εξίσωση Plank δίδει ικανοποιητικά αποτελέσµατα εφ όσον η αρχική θερµοκρασία του προϊόντος βρίσκεται στο αρχικό σηµείο καταψύξεως. Μια τροποποίηση της εξισώσεως Plank, η οποία λαµβάνει υπ όψιν την αρχική άνω του σηµείου καταψύξεως, καθώς και την τελική θερµοκρασία κάτω του σηµείου καταψύξεως, αναπτύχθηκε από τους Nagaoka et al. (1955). Αυτή είναι: [ ( ) ( )] 1 0, 008( ) [ ] t c T T X H c T T T T f = pu i f + w f + pf f + i f T f ρ T e Pd h + όπου c pu και c pf οι ειδικές θερµότητες του τροφίµου άνω και κάτω του σηµείου καταψύξεως, αντιστοίχως, X w η περιεκτικότητα νερού (κλάσµα µάζης), υγρή βάση, T i και T η αρχική και τελική θερµοκρασία του τροφίµου. Πρόβληµα προς λύση Να υπολογισθεί ο χρόνος καταψύξεως για τον αρακά σε καταψύκτη µε ιµάντα όπου ο αέρας ψύξεως έχει θερµοκρασία -35 C. Ο αρακάς έχει διάµετρο 0,8 cm και πρόκειται να καταψυχθεί από µια αρχική θερµοκρασία 15 C σε µια τελική -20 C. Το σηµείο καταψύξεως του αρακά είναι -1,0 C, η πυκνότητά του 1000 kg/m 3, η θερµική αγωγιµότητα 2,5 W/m C, ο συντελεστής µετάδοσης θερµότητος 20 W/m² C και η λανθάνουσα θερµότητα κρυσταλλώσεως 2,74x10 5 J/kg. Rd k 2
VΙI. Απαιτήσεις Ενεργείας για την Κατάψυξη Υπολογισµοί 1. Ψύξη Αποµάκρυνση θερµότητος από την αρχική θερµοκρασία µέχρι το σηµείο καταψύξεως του τροφίµου (αισθητή θερµότητα) 2. Κατάψυξη = C m(t - T q1 p 1 2 ) α. Αποµάκρυνση θερµότητος για την αλλαγή φάσεως (µετατροπή του νερού σε πάγο) (λανθάνουσα θερµότητα). q = H m 2 f H f = M 335 kj/kg 100 α. Αποµάκρυνση θερµότητος για ταπείνωση της θερµοκρασίας του τροφίµου στην επιθυµητή τιµή (αισθητή θερµότητα). = C m(t - T q3 p 2 3 ) VIII. Εξοπλισµός Οι καταψύκτες µπορούν να διαιρεθούν στις ακόλουθες κύριες κατηγορίες ανάλογα µε το µέσο µεταδόσεως θερµότητος. α. Καταψύκτες Αµέσου Επαφής. β. Καταψύκτες Εµφυσήσεως Αέρα ή Άλλου Αερίου. γ. Καταψύκτες Εξατµίσεως Υγρού/Στερεού. Σύµφωνα µε µια άλλη ταξινόµηση οι καταψύκτες µπορούν να χωρισθούν σε δύο κατηγορίες: i. Μηχανικά συστήµατα, τα οποία εξατµίζουν και συµπιέζουν ένα ψυκτικό σε συνεχή κύκλο. ii. Κρυογεννικοί καταψύκτες. Οι µηχανικοί καταψύκτες χρησιµοποιούν κρύο αέρα, κρύο υγρό ή κρύες επιφάνειες για την αποµάκρυνση της θερµότητος από τα τρόφιµα. Οι κρυογεννικοί καταψύκτες (cryogenic freezers) χρησιµοποιούν υγρό άζωτο, υγρό φθοράνθρακα (Freon) και υγρό ή στερεό διοξείδιο του άνθρακος. Η εκλογή του εξοπλισµού καταψύξεως πρέπει να γίνεται λαµβάνοντας υπ' όψιν τους ακολούθους παράγοντες: 1) Την απαιτουµένη ταχύτητα καταψύξεως. 2) Το µέγεθος, σχήµα και απαιτήσεις συσκευασίας του τροφίµου. 3) Συνεχής ή ασυνεχής λειτουργία, εξαρτωµένου από την κλίµακα παραγωγής και τον αριθµό των προϊόντων. Ένας εναλλακτικός τρόπος ταξινοµήσεως βασίζεται στην ταχύτητα µετακινήσεως του µετώπου του πάγου και περιλαµβάνει:
i. Αργοί και απότοµοι καταψύκτες (slow and sharp freezers), µε ταχύτητες µετώπου 0,2 cm/h εδώ περιλαµβάνονται οι καταψύκτες ακινήτου αέρα και οι ψυχροί θάλαµοι. ii. Γρήγοροι καταψύκτες (quick freezers), µε ταχύτητες µετώπου 0,5-3 cm/h εδώ περιλαµβάνονται οι καταψύκτες εµφυσήσεως αέρα και οι καταψύκτες µε πλάκες. iii. Ταχείς καταψύκτες (rapid freezers), µε ταχύτητες µετώπου 5-10 cm/h εδώ περιλαµβάνονται οι καταψύκτες ρευστοποιηµένου στρώµατος. iv. Υπερταχείς καταψύκτες (ultrarapid freezers), µε ταχύτητες 10-100 cm/h εδώ περιλαµβάνονται οι κρυογεννικοί καταψύκτες. Κάθε καταψύκτης είναι ιδιαιτέρως κατάλληλος για ένα ειδικό τύπο προϊόντος. Οι απότοµοι καταψύκτες χρησιµοποιούνται για όλα τα είδη συσκευασµένων και µη προϊόντων, οι αµέσου επαφής απαιτούν προϊόντα µε κανονικά σχήµατα, ενώ οι καταψύκτες εµβαπτίσεως (κρυογεννικοί) χρησιµοποιούνται κυρίως για ατοµικά καταψυγόµενα προϊόντα (IQF). Τα υλικά τα οποία υφίστανται κατάψυξη µπορεί να είναι: (α) (β) Στερεά διαφόρων διαστάσεων. Συσκευασµένα ή µη συσκευασµένα στερεά (η συσκευασία παίζει πολύ σπουδαίο ρόλο, γιατί προσφέρει επιπρόσθετη αντίσταση και κάνει τα µικρά σώµατα µεγαλύτερα). (γ) Υγρά µε διαφορετική συνεκτικότητα. Ας δούµε στη συνέχεια τα χρησιµοποιούµενα συστήµατα καταψύξεως. Καταψύκτες Ψυχρού Αέρα 1.- Θάλαµοι Καταψύξεως (Chest Freezers) Θερµοκρασίες 20 µε 30 C, χωρίς µηχανική κίνηση. Χρησιµοποιούνται για την κατάψυξη κρέατος µε µορφή ολοκλήρων σφαγίων, για την αποθήκευση προϊόντων, τα οποία κατεψύχθησαν µε άλλες µεθόδους, και επίσης ως θάλαµοι σκληρύνσεως για το παγωτό. 2.- Καταψύκτες Ρεύµατος Αέρα (Air Blast Freezers) Θερµοκρασίες -30 µε 40 C, ταχύτητες αέρα 1.5-6.00 ms -1 Ταχεία κατάψυξη, συνεχή ή ασυνεχής λειτουργία Καταψύκτες σήραγγας (Tunnel Freezers):
Καταψύκτες Μεταφορικής Ταινίας (Belt Freezers): Σπειροειδής καταψύκτης 3.-Καταψύκτες Ρευστοποιηµένου Στρώµατος (Fluidized Bed Freezers).
Θερµοκρασία αέρα µεταξύ -25 και -35 C, υψηλή ταχύτητα, 2-5 m/s µέσω ενός στρώµατος τροφίµου 2-13 cm, το οποίο είναι τοποθετηµένο σε διάτρητο δίσκο ή διάτρητη µεταφορική ταινία. Χρησιµοποιείται για τρόφιµα µε µορφή σωµατιδίων (τεµαχίων) όπως ο αρακάς, φράουλες, γαρίδες, πατάτες κλπ. Καταψύκτες Εµβαπτίσεως Καταψύκτες Εµµέσου Επαφής µε το Ψυκτικό 1.- Καταψύκτες µε Πλάκες (Plate Freezers).
2.- Καταψύκτες Ταινίας (Band Freezers) 3.- Καταψύκτες Τυµπάνου (Drum Freezers) 4.- Περιστροφικοί καταψύκτες (Rotary Freezers) 5.- Καταψύκτες αποξεοµένης επιφανείας (Scraped-Surface Freezers) Κρυογεννικοί Καταψύκτες Οι κρυογεννικοί καταψύκτες (Cryogenic Freezers) χαρακτηρίζονται από αλλαγή καταστάσεως στο ψυκτικό ή κρυογόνο (cryogen) καθώς απορροφάται θερµότητα από το τρόφιµο. Το κρυογόνο βρίσκεται σε στενή επαφή µε το τρόφιµο και αποµακρύνει ταχέως ενέργεια από το τρόφιµο, τη λανθάνουσα θερµότητα εξατµίσεως ή εξαχνώσεως, µε αποτέλεσµα µεγάλους συντελεστές µεταδόσεως θερµότητος και ταχεία κατάψυξη. Σε χρήση βρίσκονται τρία ψυκτικά το υγρό άζωτο (LN 2 ), το υγρό ή στερεό διοξείδιο του άνθρακος και οι υγροί φθοράνθρακες (LFF, Freon 12 κυρίως).
Καταψύκτης υγρού αζώτου Μέθοδος Καταψύξεως Σύγκριση των µεθόδων καταψύξεως Επιφανειακός συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος Χρόνοι καταψύξεως στους 18 C (min) Τρόφιµο Ακίνητος αέρας 6-9 180-4320 Κρέας, σφάγια Ρεύµα αέρα (5 ms -1 ) 25-30 15-20 Αρακάς, µη συσκευασµένος Ρεύµα αέρα (3 ms -1 ) 18 - Σπειροειδής 25 12-19 Hamburgers, fish fingers Ρευστοποιηµένου στρώµατος 90-140 3-4 Αρακάς, µη συσκευασµένος 15 Fish fingers Με πλάκες 100 75 Μπλοκ ψαριών των 25 kg 25 Χαρτοκιβώτια λαχανικών του 1 kg Αποξεοµένης επιφανείας - 0.3-0.5 Παγωτό (στιβάδα πάχους 1mm) Κρυογεννικός (υγρό N) 1.5 Ψωµί 0,5 kg 1500 0.9 Κέικ 0,5 kg 2-5 Hamburgers, θαλασσινά.5-0.6 Φρούτα & λαχανικά IX. ΑΠΟΨΥΞΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ Η απόψυξη ή τήξη είναι, θα έλεγε κανείς, η ενοχλητική πλευρά της καταψύξεως. Πρώτα απ' όλα, η απόψυξη των λιανικής συσκευασίας τροφίµων διεξάγεται από άτοµα µη εκπαιδευµένα και αδιάφορα ως προς τον κατάλληλο χειρισµό των κατεψυγµένων τροφίµων. Περαιτέρω (1) η τήξη των µη ρευστών προϊόντων (ιστοί, πηκτές) είναι βραδυτέρα από την κατάψυξη όταν χρησιµοποιούνται συγκριτικά ίδιες διαφορές θερµοκρασίας, (2) οι θερµοκρασιακές διαφορές συχνά είναι µικρότερες κατά την τήξη από ότι κατά την κατάψυξη, ειδικά µε τα φρούτα, και (3) ο τρόπος µεταβολής της θερµοκρασίας είναι λιγότερο επιθυµητός κατά την τήξη από ότι κατά την κατάψυξη. Υπό το πρίσµα των απόψεων αυτών, η τήξη πρέπει να θεωρείται µεγαλυτέρα δυναµική πηγή βλάβης από την κατάψυξη.
Όταν ένα τρόφιµο τήκεται στον αέρα ή νερό, ο πάγος της επιφανείας τήκεται και σχηµατίζει µια στιβάδα νερού. Το νερό έχει µικροτέρα θερµική αγωγιµότητα και θερµική διαχυτικότητα από τον πάγο. Εποµένως, η επιφανειακή στιβάδα του νερού µειώνει το ρυθµό αγωγής της θερµότητος προς το κατεψυγµένο εσωτερικό. Η µονωτική αυτή επίδραση αυξάνει καθώς η στιβάδα του τακέντος τροφίµου γίνεται παχυτέρα. Σε αντίθεση, κατά την κατάψυξη η αύξηση του πάχους του πάγου προκαλεί επιτάχυνση της µεταδόσεως θερµότητος. Εποµένως, η τήξη είναι σηµαντικά πιο αργή διεργασία από την κατάψυξη. Μεταβολές της θερµοκρασίας κατά την τήξη και κατάψυξη Μέθοδοι Τήξεως 1. Μέθοδοι Επιφανειακής Θερµάνσεως 2. Τήξη µε Αέρα 3. Τήξη µε Νερό 4. Τήξη υπό Κενό 5. Τήξη µε Ηλεκτρικές Μεθόδους 6. Τήξη µε Ηλεκτρική Αντίσταση 7. ιηλεκτρική Τήξη 8. Τήξη µε Μικροκύµατα X. Βιβλιογραφία Cleland, A.C. (1990). Food Refrigeration Processes: Analysis, Design and Simulation. Elsevier Applied Science, London. Fellows, P.J. (1990). Food Processing Technology: Principles and Practice. Ellis Horwood Ltd, London. Fennema, O. 1975. Preservation of food by storage at chilling temperatures. Ch. 5 in Physical Principles of Food Preservation, p. 133-171. Marcel Dekker, Inc., New York. Fennema, O. 1975. Freezing preservation. Ch. 6 in Physical Principles of Food Preservation, p. 173-215. Marcel Dekker, Inc., New York. Fennema, O. 1996. Water and ice. Ch. 2 in Food Chemistry, 3rd ed., p. 17-94. Marcel Dekker, Inc., New York. IIR (1986). Recommendations for the Processing and Handling of Frozen Foods. International Institute of Refrigeration, Paris.
Λάζος, Ε. Σ. (2002). Επεξεργασία Τροφίµων Ι. 3 η Έκδοση. Τµήµα Τεχνολογίας Τροφίµων. ΤΕΙ Αθηνών. Singh, R.P. and Heldman, D.R. 1993. Refrigeration. Ch. 7 in Introduction to Food Engineering, 2nd ed., p. 259-298. Academic Press, Inc., San Diego. Singh, R.P. and Heldman, D.R. 1993. Food freezing. Ch. 8 in Introduction to Food Engineering, 2nd ed., p. 299-326. Academic Press, Inc., San Diego. ρ. Ευάγγελος Σ. Λάζος Καθηγητής elazos@teiath.gr