Процесс замораживания тканей – это прежде всего замерзание тканевой жидкости, т.е. раствора небольшой концентрации. Поскольку в воде продукта растворены минеральные и органические вещества, фазовое превращение начинается при отводе теплоты в момент нарушения состояния переохлаждения. При этом понижение температуры сопровождается соответствующим изменением концентрации жидкого раствора.
Криоскопическая температура – температура начала льдообразования. Она зависит от конц. раствора, степени диссоциации растворенных веществ и свойств растворения. Для продуктов животн. происхождения она ниже 0°С: мясного сока -1...-1,5°С, крови -0,55...-0,56°С, яичного белка -0,45 °С, яичного желтка -0,65 °С.
При замораживании разбавленных растворов вначале вымерзает чистая вода.
Количество воды в мясе убойных животных составляет 53-75%, а в рыбе - 55-80%. Пo существующей классификации в пищевых продуктах различают связанную (гидратационную) и свободную воду. Содержание связанной воды почти постоянно и составляет около 10% ее общего количества в продукте. Дипольные час-тицы воды посредством адсорбции прочно связаны c ионами и полимерными группами белков. При замораживании продуктов связанная вода не участвует в фазовых превращениях.
Свободная вода находится в межклеточном пространстве продукта и является растворителем минеральных веществ. При температуре ниже кpиоскопической она превращается в лед. Пo мере вымораживания свободной воды увеличивается концентрация солей в незамерзшем межклеточном растворе, что приводит к смещению криоскопической температуры в область более низких температур. При этом вымораживание воды происходит постепенно, с повышением концентрации оставшегося раствора. При достижении концентрации, определенной для данного раствора (тканевого сока), он застывает в сплошную твердую массу, назы-ваемую эвтектикой; температура ее образования называется эвтектической.
В холодильной технологии воду, перешедшую в твердое состояние, принято называть вымороженной.
Количество вымороженной воды ? опр. отношением влаги, превращенной в лед, к общему ее количеству:
? = Gл/(Gл + Gв),
где Gл, Gв - количество соответственно льда и влаги при данной температуре, доли единицы.
Экспериментально установлено, что примерно З/4 воды, содержащейся в мясе, птице, рыбе и яйцах, и до половины в картофеле вымораживается при температуре до -4°С. Считается, что полное вымораживание свободной воды продовольственных продуктов происходит при снижении их температуры до -30°С.
На качество замороженных продуктов большое влияние оказывают размер, форма и распределение кристаллов льда, образующихся в продукте при замораживании. Характер кристаллообразования зависит от состояния клеточных оболочек, концентрации растворенных веществ в клетках, степени гидратации белков, других свойств продукта. Большое значение имеет также скорость замораживания, зависящая от температуры, толщины продукта и способа замораживания.
По скорости замораживание подразделяют на медленное (до 0,01 м/ч), ускоренное (от 0,01 до 0,05 м/ч), быстрое (от 0,05 до 0,1м/ч) и ультрабыстрое (более 0,1 м/ч).
При медленном замораживании процесс кристаллообразования начинается при определенной температуре (ниже криоскопической) прежде всего в межклеточных и межволоконных пространствах, жидкость в которых имеет более высокую криоскопическую точку из-за меньшей концентрации солей и органических веществ и слабее связана с гидрофильными коллоидами продукта. При этом сначала образуются кристаллы - затравки льда из межклеточного (межволоконного) тканевого сока относительно невысокой концентрации. Повышенное давление пара над переохлажденной, но еще не затвердевшей жидкостью внутри клетки вызывает диффузию водяного пара через стенки клеток, что приводит к конденсации его на поверхности кристаллов-затравок и образованию крупных кристаллов льда вне клеток, травмирующих ткани. Медленное замораживание приводит к полной потере свободной воды внутри клеток (процесс криоосмоса, или криоконцентрации). В замороженной таким образом ткани внутри клеток, потерявших упругость, находится незамерзший раствор, а весь образовавшийся лед - вне клеток. При этом количество поврежденных клеток превышает 70 %.
При быстром замораживании образуются мелкие кристаллы льда, которые равномерно распределены по всей толще замораживаемого продукта. Вода почти без перемещения переходит в лед по месту ее нахождения до замораживания. При этом травмирующее действие кристаллов на клетки и ткани минимально.
При ультрабыстром замораживании 90 % всех кристаллов льда формируется внутри клеток при минимальном повреждении ткани.
Существует несколько теорий, объясняющих механизм повреждения клеток и тканей при замораживании различными факторами:
Все эти факторы – результат кристаллизации воды и перехода ее в лед.
Появление кристаллов льда приводит к увеличению концентрации веществ в слое раствора, прилегающем к поверхности кристаллов. Вследствие разности концентраций раствора внутри и вне клеток возникают отток влаги из волокон и клеток и намораживание ее на поверхности кристаллов.
Расширение воды при превращении ее в лед приводит к сдавливанию волокон и клеток, что вызывает дополнительный отток воды из них. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура не станет достаочно низкой, чтобы началось кристаллообразование внутри волокон и клеток, где остается уже небольшое количество влаги в концентрированном растворе.
При быстром замораживании теплота отводится более интенсивно. Прежде чем успеет активно развиться миграционный процесс, температура внутри волокон и клеток становится достаточно низкой, чтобы в соответствии с концентрацией раствора началось кристаллообразование. Таким образом, быстрое замораживание приводит к затвердеванию влаги без значительного ее перераспределения.
Повышение скорости замораживания сокращает миграцию влаги, вызывает образование большого количества мельчайших кристаллов, равномерно размещенных как в межклеточном пространстве, так и в клетках.
Если температуру понижать очень быстро (V = 100°С/мин) до -120...-160°С и ниже, кристаллизация почти не происходит. Вода переходит в стекловидное состояние. Температура, при которой скорость роста кристаллов уменьшается, равна приблизительно -90°С.
Стекловидное состояние отличается от кристаллического тем, что молекулы вещества распределяются хаотически, а не по определенному стереометрическому плану, как это происходит при кристаллизации.
При стекловидном состоянии ткань приобретает некоторые свойства твердого тела. Это состояние менее устойчиво в термодинамическом смысле, поэтому со временем при небольшом повышении температуры наблюдается постепенный переход из стекловидного к кристаллическому состоянию, сопровождающийся небольшим выделением теплоты (девитрификация). При витрификации помимо аморфного (стекловидного) льда образуется небольшое количество мельчайших его кристаллов, неуловимых при оптических методах исследования. Это явление получило название «амортизация».
Стекловидную массу можно сохранить только при температуре ниже -130°С.
При быстром нагревании стекловидное состояние может перейти в жидкое, минуя кристаллическое. Таким образом, минуя структурный распад, который наступает после внутриклеточной кристаллизации, а также при внутренней миграционной перекристаллизации после первоначального процесса замораживания, можно с помощью сверхбыстрого охлаждения предотвратить травмы клеток и достиг обратимости процесса, от которого зависит максимальное сохранение качества продукта.
Вернуться на главную страницу