Utrwalanie żywności przy zastosowaniu niskiej temperatury jest w dzisiejszych czasach powszechnie i chętnie stosowane. Obniżenie temperatury produktów spowalnia tempo przemian w nich zachodzących, m.in. zmian fizycznych, biochemicznych czy mikrobiologicznych.

Schładzanie żywności pozwala na zachowanie jej świeżości przez kilka do kilkunastu dni, jednak decydując się na produkty mrożone możemy przechowywać je o wiele dłużej. Dążenie do zachowania wysokiej jakości produktu w formie zamrożonej, jak i po rozmrożeniu, przyczyniło się do rozwoju technik indywidualnego mrożenia IQF (Individual Quick Freezing), pozwalających na utrwalenie produktu w formie sypkiej. W niniejszym artykule przedstawione zostaną techniki mrożenia pozwalające zachować wysoką jakość owoców i warzyw: mrożenie kriogeniczne oraz metody fluidyzacyjne.

Proces mrożenia

Mrożenie żywności z punktu widzenia konsumenta indywidualnego jest przede wszystkim ogromnym ułatwieniem: pozwala przechowywać szeroki wachlarz produktów nieprzeznaczonych do bezpośredniego spożycia oraz umożliwia korzystanie z owoców i warzyw, które w formie świeżej dostępne są jedynie sezonowo. Dla przemysłu spożywczego mrożenie zapewnia również zabezpieczenie dużych ilości owoców i warzyw w okresie ich zbiorów, zapobiegając marnowaniu żywności. Dodatkowo możliwy jest transport na duże odległości, nawet w przypadku produktów szybko tracących świeżość.

Na jakość mrożonych owoców i warzyw istotnie wpływa dobór odpowiedniej metody zamrażania. Nie istnieje uniwersalna technologia, która spełniałaby wymagania każdego produktu, dlatego też równolegle rozwijają się różne metody zamrażania. Niektóre produkty nie są szczególnie podatne na uszkodzenia w trakcie procesu mrożenia (np. większość warzyw i grzybów), inne zaś wymagają starannego doboru techniki mrożenia, zapewniającej zachowanie jakości. Takimi „problematycznymi” produktami są te o miękkich cząstkach, na przykład owoce jagodowe (takie jak truskawki i maliny) – są one podatne na uszkodzenia mechaniczne, wymagają możliwie krótkiego czasu mrożenia dla zachowania wysokiej jakości, a także wykazują tendencję do zmrażania w zlepione bloki.

Metody IQF pozwalają na indywidualne zamrażanie cząstek, które ułatwia porcjowanie produktu oraz pakowanie. Krótki czas trwania procesu wpływa korzystnie nie tylko na konsystencję produktu, ograniczając parowanie wody występujące przy wolniejszym mrożeniu, ale często również na kolor i aromat po rozmrożeniu [1]. Jest to związane z rozmiarem tworzących się kryształów lodu, które przy wolniejszym procesie mrożenia osiągają duże rozmiary, naruszając strukturę wewnętrzną owoców i warzyw. Krótki proces mrożenia uniemożliwia powstanie dużych kryształów lodu, co bezpośrednio wpływa na wysoką jakość produktu po rozmrożeniu.

Rys. 1. Owoce tzw. miękkie jak na przykład jagody, truskawki, czy maliny są podatne na uszkodzenia mechaniczne dlatego wymagają możliwie krótkiego czasu mrożenia dla zachowania wysokiej jakości

Mrożenie kriogeniczne

Mrożenie kriogeniczne zaczęto stosować na początku lat 60. XX wieku. W tej metodzie na cząstki produktu kierowany jest czynnik o bardzo niskiej temperaturze wrzenia, znajdujący się w stanie ciekłym. Parowanie cieczy w kontakcie z produktem pozwala na intensywną wymianę ciepła.

Nazwę „mrożenie kriogeniczne” stosuje się dla procesów wykorzystujących różne skroplone gazy mimo, że kriogenika formalnie obejmuje jedynie czynniki o temperaturze wrzenia poniżej -153°C. Z tego powodu właściwsze jest nazywanie tych procesów mrożeniem w skroplonych gazach, choć powszechnie we wszystkich przypadkach mówi się o mrożeniu kriogenicznym.

Do mrożenia kriogenicznego stosowane są ciekły azot oraz dwutlenek węgla. Są to czynniki nieszkodliwe w stosunku do produktów żywnościowych oraz tańsze niż inne możliwe do zastosowania skroplone gazy. Wysoki współczynnik wymiany ciepła pozwala na uzyskanie bardzo krótkiego czasu zamrażania. Dzięki temu produkty zamrażane metodą kriogeniczną cechuje wysoka jakość oraz znikomy ubytek wilgoci, dlatego metoda ta doskonale sprawdza się przy mrożeniu miękkich owoców i warzyw. Stosowanie tej techniki jest jednak związane z wysokimi kosztami eksploatacyjnymi – para wrzącego czynnika najczęściej tracona jest do atmosfery. Istnieją rozwiązania, w których czynnik przystosowywany jest do ponownego użycia, jednak obarczone są one dużo wyższymi kosztami inwestycyjnymi.

Technika zamrażalnicza z zastosowaniem ciekłego azotu nazywana jest LNF – Liquid Nitrogen Freezing. Produkt może być mrożony immersyjnie, czyli wprowadzany do wanny z ciekłym azotem. Ta metoda niesie jednak ze sobą ryzyko mikropękania tkanek produktu ze względu na bardzo intensywne zamrażanie. Dodatkowo, mrożenie immersyjne pozwala na wykorzystanie jedynie ciepła parowania azotu [2].

Rys. 2. Zamrażarka tunelowa CRYOLINE^® MT firmy Linde Gaz, pracująca zarówno z ciekłym azotem, jak i ciekłym dwutlenkiem węgla [3]

Innym rozwiązaniem jest rozpylanie ciekłego azotu na produkt znajdujący się w szczelnym tunelu kriogenicznym (rys. 2). Ciekły gaz w zetknięciu z produktem zamienia się w parę (temperatura wrzenia azotu wynosi około -196°C), odbierając ciepło od cząstek. Natryski umiejscowione są przy wylocie produktu z komory, natomiast przy wlocie znajduje się wentylator, który kieruje przepływem pary w przeciwnym kierunku niż przesuw produktu na taśmie. Pozwala to na wykorzystanie zimnych par azotu do wstępnego chłodzenia i omrażania produktu [2]. Wraz z przesuwaniem się produktu w tunelu różnica temperatury między cząstkami a parą zwiększa się, co skutkuje większą wymianą ciepła. Gdy produkt trafia bezpośrednio pod natrysk z ciekłego azotu, różnica między temperaturą na jego powierzchni oraz wewnątrz cząstek jest bardzo duża, dlatego ostatnią fazą procesu jest wyrównanie temperatury w cząstkach, co często zachodzi już poza tunelem kriogenicznym. Stopniowanie mrożenia, poza optymalnym wykorzystaniem możliwości wymiany ciepła między parą a produktem, pozwala na zachowanie wilgoci naturalnie występującej w produkcie. Dzięki temu mrożenie kriogeniczne charakteryzuje się znikomym stopniem utraty masy produktu w trakcie procesu mrożenia [1]. Czas potrzebny na pełne zamrożenie cząstek wynosi kilka-kilkanaście sekund, w zależności od rodzaju produktu.

Metoda LCO2 (Liquid Carbon-dioxide Freezing) wykorzystuje ciekły dwutlenek węgla. Tunele do zamrażania tą metodą nie różnią się od tych stosowanych w metodzie LNF – innej budowy są jedynie dysze natryskowe. Choć czynnik ten jest tańszy niż ciekły azot, nie jest on częściej używany: temperatura wrzenia wynosi -78,5ºC, co przekłada się na mniej efektywny proces odprowadzania ciepła z produktu, a co za tym idzie na dłuższy czas mrożenia niż w przypadku ciekłego azotu.

Mrożenie kriogeniczne jest chętnie stosowaną metodą przy mrożeniu warzyw i owoców w okresie szczytów produkcyjnych – aparaty do tej metody nie wymagają wybudowania pod nie fundamentów i są stosunkowo tanie. Jednak z uwagi na koszt czynników, które w trakcie procesu mrożenia są często tracone do atmosfery, metoda ta stosowana jest głównie tam, gdzie wysoka jakość jest priorytetem, również ze względu na sam koszt danego produktu (np. owoce morza, miękkie owoce). W wielu wypadkach jednak metoda ta okazuje się zbyt kosztowna.

Rys. 3. Schematy tuneli fluidyzacyjnych: a) rynnowy, b) jednotaśmowy, c) dwutaśmowy w układzie kaskadowym [1]

Mrożenie fluidyzacyjne

Wykorzystanie metody fluidyzacji w mrożeniu zapoczątkowano w latach 60. ubiegłego stulecia. Jest to metoda, w której wykorzystywane jest powietrze, jednak wymiana ciepła jest intensywniejsza niż w przypadku zamrażania owiewowego. Powietrze o odpowiedniej prędkości, po schłodzeniu w parowniku, kierowane jest ze skrzyni powietrznej od dołu ku górze, przepływając między cząstkami produktu rozłożonego na perforowanej powierzchni. Pod wpływem tak skierowanego strumienia powietrza cząstki unoszą się. W tym stanie cząstki produktu zachowują się podobnie do cieczy: dosypanie pewnej ilości produktu powoduje wyrównanie poziomu warstwy na całej powierzchni. Wymuszony ruch zimnego powietrza powoduje intensyfikację wymiany ciepła, a w konsekwencji szybsze obniżenie temperatury produktu. Dodatkowo zwiększona zostaje powierzchnia omywania cząstek, gdyż nie przylegają one tak ściśle do siebie jak w przypadku swobodnego przepływu powietrza w tradycyjnych metodach zamrażania.

Wraz ze zwiększaniem prędkości strumienia powietrza, zmienia się struktura złoża fluidalnego. Przy niewielkich prędkościach warstwa jest nieruchoma, a powietrze przepływa przez istniejące pustki powietrzne między cząstkami. Przy zwiększaniu prędkości cząstki zmieniają nieznacznie swoje położenie tak, aby opór przepływu powietrza był jak najmniejszy, choć warstwa nadal jest „nieruchoma”. Po osiągnięciu prędkości stanowiącej tzw. minimum fluidyzacji cząstki unoszą się, zwiększając porowatość warstwy. Technikę mrożenia klasyfikuje się jako fluidyzacyjną w każdym przypadku, w którym kierunek przepływu powietrza jest od dołu do góry, nawet gdy nie jest osiągane minimum fluidyzacji i warstwa produktu jest nieruchoma.

Prędkość powietrza w mrożeniu fluidyzacyjnym powinna być dokładnie dobrana – nie tylko z powodu różnic między wielkością i strukturą cząstek różnych warzyw i owoców, ale także w celu ekonomicznie efektywnego wykorzystania tej metody. Utrzymywanie prędkości powietrza powyżej minimum fluidyzacji w ciągu całego procesu zamrażania produktu nie jest potrzebne, a z punktu widzenia zapotrzebowania mocy jest niewskazane [1]. Zbyt mocny strumień powietrza może również przyczynić się do deformacji miękkich owoców. Otrzymanie warstwy fluidalnej jest kluczowe w pierwszej fazie procesu, zwanej omrażaniem produktu. Dzięki temu cząstki są indywidualnie schładzane i stają się bardziej odporne na uszkodzenia. W fazie domrażania produktu prędkość powietrza może zostać zmniejszona, aż do zupełnego unieruchomienia cząstek. Dla każdego rodzaju owoców i warzyw dobrać można również optymalną grubość warstwy, przy której zużycie energii w procesie mrożenia będzie minimalne. Im większe cząstki danego produktu, tym większe różnice w zapotrzebowaniu na moc między procesem przeprowadzanym w warstwie fluidalnej a nieruchomej [1].

Zamrażanie metodą fluidyzacyjną odbywa się w tunelach złożonych z taśmociągów lub w tunelach rynnowych (rys. 3).

W tunelach rynnowych stosuje się zróżnicowany stopień perforacji dna, tak aby w strefie wstępnego omrażania produktu przedmuch powietrza był większy, a dalej powierzchnia prześwitu jest coraz mniejsza. Przy takim rozwiązaniu produkt przenoszony jest z jednego końca łoża na drugi dzięki fluidyzacji, gdyż warstwa zachowuje się jak ciecz.

Tunele jednotaśmowe zostały obecnie w dużej mierze zastąpione dwutaśmowymi, które pozwalają osiągnąć lepsze wyniki. Aparaty jednotaśmowe są jednak mniej skomplikowane, dlatego bywają stosowane do zamrażania warzyw i owoców w mniejszych zakładach.

Rys. 4. Dwutaśmowy aparat do mrożenia fluidyzacyjnego w układzie kaskadowym FLoFREEZE^® firmy Frigoscandia [4]

Dwutaśmowe tunele fluidyzacyjne w układzie kaskadowym uznawane są za najbardziej elastyczne rozwiązanie pod względem doboru warunków mrożenia dla konkretnego produktu (rys. 4). Na pierwszej taśmie następuje omrożenie produktu, w trakcie którego zamarza woda powierzchniowa oraz cienka warstwa cząstek. Druga taśma pozwala na domrożenie produktu do końcowej temperatury tak, aby każda cząstka była w całości zamrożona. Prędkości powietrza na obu taśmach są zróżnicowane, co wynika z odmiennych potrzeb w trakcie omrażania i domrażania produktu (wyższe prędkości na pierwszej taśmie, a następnie niższe na taśmie drugiej). Grubość warstwy również różni się dla obu taśm: na początku procesu wymagana jest bardziej płytka warstwa, dzięki której cząstki produktu są omrażane indywidualnie. Grubość warstwy regulowana jest za pomocą prędkości przesuwu taśm oraz prędkości podaży produktu do tunelu [1].

Parowniki w aparatach dwutaśmowych usytuowane są pod taśmami lub obok taśm. Ustawienie obok taśm pozwala na większą swobodę doboru gabarytów parownika (zwiększenie powierzchni czołowej wymiennika), co wydłuża czas pracy między przeprowadzaniem odszraniania parownika.

Stosowanie metody fluidyzacyjnego mrożenia owoców i warzyw związane jest jednak z pewnymi trudnościami: niektóre produkty są bardzo miękkie i podatne na odkształcenia (szczególnie maliny i truskawki), a w wyniku uszkodzeń oraz procesu mycia ich powierzchnia jest lepka i mokra. Przyczynia się to nie tylko do zlepiania się cząstek między sobą, ale również do zanieczyszczania dna i boków łoża. Ten problem jest szczególnie widoczny na początku procesu, zanim produkt zostanie omrożony i zyska dzięki temu dodatkową odporność na uszkodzenia.

W celu ograniczenia trudności związanych z fluidyzacyjną metodą mrożenia stosowane są różne rozwiązania. Przymarzaniu cząstek do dna łoża może zapobiec ruchome dno, wykonujące ruchy oscylacyjne, poprawiające ułożenie produktu w warstwie (głównie w tunelach rynnowych). Często stosowany jest również pulsujący strumień powietrza lub alternatywnie pulsacyjny upust powietrza. Prostym rozwiązaniem, które zapobiega problemom przy mrożeniu produktów o miękkich cząstkach, jest wstępne omrażanie w cieczach kriogenicznych – w tym celu stosowane są dodatkowe aparaty kriogeniczne, znajdujące się przed tunelem fluidyzacyjnym. Po krótkim omrożeniu cząstek tą metodą (kilka-kilkanaście sekund) produkt wprowadzany jest do tunelu, a dodatkową korzyścią z zastosowania wstępnego omrożenia jest możliwość zmniejszenia prędkości powietrza skierowanego na warstwę produktu – cząstki podawane na taśmę nie wykazują tendencji do zlepiania się, w przeciwieństwie do cząstek produktu nie poddanego wstępnemu omrożeniu [1].

Rys. 5. Schemat procesu mrożenia metodą odwróconej fluidyzacji [6]

Mrożenie techniką impingement

Zamrażanie w powietrzu może być wykonywane również inną, wysokoskuteczną techniką zwaną impingement, której początki stosowania datuje się na lata 90. ubiegłego wieku. Metoda ta polega na kierowaniu zimnego powietrza o wysokiej prędkości na produkt za pomocą dysz. Uderzenie powietrza w powierzchnię produktu pozwala na wniknięcie w warstwę przyścienną powietrza otaczającego cząstki, co powoduje znaczną intensyfikację wymiany ciepła, a co za tym idzie skrócenie czasu zamrażania [5].

Dysze mogą kierować powietrze od dołu ku górze – jest to jednak rozwiązanie rzadko stosowane, gdyż wtedy metoda impingement pozwala na osiąganie takiego efektu, jak przy stosowaniu klasycznej metody fluidyzacyjnej. W praktyce zastosowanie znajdują rozwiązania z kierowaniem powietrza od góry do dołu lub w obie strony jednocześnie (dysze z obu stron produktu znajdującego się na perforowanej taśmie).

Przy zastosowaniu podmuchu z góry mówimy o metodzie odwróconej fluidyzacji, gdyż takie skierowanie powietrza o dużej prędkości również wywołuje efekt fluidyzacji warstwy produktu (rys. 5). Proces ten częściowo przypomina zachowanie się cząstek przy fluidyzacji fontannowej, w której ruch cząstek podobny jest do ruchu wody w fontannie [5]. Przy odpowiednio wysokiej prędkości powietrza, które odbija się od dna komory, siła z jaką napiera ono na cząstki przewyższa siłę ciężkości oraz siły przylegania produktu do dna – cząstki unoszone są w kierunku wierzchołka fontanny. W wyniku stykania się sąsiednich cząstek część z nich wypierana jest na brzeg szczytu fontanny, skąd opadają w kierunku strumienia powietrza wypływającego z dyszy. W ten sposób cząstki trafiają do strefy najmocniejszego oddziaływania powietrza i opadają gwałtowanie w dół – proces ten charakteryzuje się wysokimi wartościami współczynnika wymiany ciepła. Po przemieszczeniu się do podstawy fontanny, cząstka rozpoczyna ponowny cykl wznoszenia się i opadania.

Metoda impingement początkowo stosowana była do mrożenia tak zwanych produktów płaskich, takich jak filety rybne czy mięso do hamburgerów: czas zamrażania oraz jakość produktu nie odbiegała od efektów uzyskanych przy mrożeniu kriogenicznym, jednak koszty były znacząco niższe. Jednak wraz z dopracowaniem parametrów prędkości powietrza oraz rozstawienia dysz i ich wymiarów zaczęto zamrażać tą metodą również inne produkty, np. marchewkę pokrojoną w kostki oraz frytki ziemniaczane. Metoda impingement najskuteczniejsza jest jednak w przypadku produktów o wysokiej wartości stosunku powierzchni do masy (produkty „cienkie”), gdyż grubsze cząstki mogą być poddane nadmiernemu wysuszeniu ich powierzchni, co oznacza spadek jakości produktu zamrożonego.

Podsumowanie

Przemysłowe mrożenie warzyw oraz owoców wykonywane może być wieloma metodami, z których trzy zostały opisane w niniejszym artykule. Otrzymanie wysokiej jakości produktu mrożonego możliwe jest przy przemyślanym doborze metody do konkretnego produktu, gdyż nie istnieje uniwersalna technika, sprawdzająca się przy wszystkich rodzajach owoców czy też warzyw.

Poza wymaganiem jakości produktu zamrożonego, istotne jest dobranie techniki ekonomicznie najefektywniejszej. Przedstawione metody generują różne koszty, zarówno inwestycyjne, jak i eksploatacyjne. Dążenie do ekonomicznej optymalizacji procesu mrożenia skutkuje wprowadzaniem na rynek licznych rozwiązań mieszanych, w których wstępne omrażanie realizowane jest jedną techniką, a domrażanie – inną. Pozwalają one bez strat na jakości produktu zmniejszyć koszty mrożenia.

LITERATURA:

[1] GRUDA Z., POSTOLSKI J.: Zamrażanie żywności, Wyd. 3 rozszerzone, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1999.
[2] Technika chłodnicza dla praktyków: Przechowalnictwo żywności, pod red.: GAZIŃSKI B., Wyd. 2 rozszerzone, Systherm D. Gazińska, Poznań, 2013.
[3] Materiały firmy Linde Gaz.
[4] Materiały firmy Frigoscandia.
[5] GÓRAL D., KLUZA F., KOZŁOWICZ K.: Analiza warunków wymiany ciepła podczas zamrażania warzyw metodą odwróconej fluidyzacji Z19.K19/1, Inżynieria Rolnicza, 2013, Z.1 (141) T.1, s. 53-63.
[6] GÓRAL D., KLUZA F.: Physical changes of vegetables during freezing by conventional and impingement methods, Acta Agrophysica, 2006, 7(1), s. 59-71.

mgr inż. Barbara KOELBLEN
Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa,
Politechnika Warszawska