W artykule zaprezentowano przegląd stosowanych metod chłodzenia i zamrażania kriogenicznego w przemyśle spożywczym. Opisano wady i zalety techniki kriogenicznego utrwalania żywności oraz dokonano przykładowego przeglądu istniejących i stosowanych do tego procesu urządzeń. Ponadto przedstawiono technologie zamrażania wynikające z połączenia techniki kriogenicznego schładzania i zamrażania z tradycyjnymi technikami zabezpieczania produktów spożywczych z użyciem niskiej temperatury.

Przedłużanie trwałości pożywienia, niepowodujące istotnych zmian w produktach, to obecnie bardzo popularny temat. Jedną z optymalnych metod, która umożliwia zachowania cennych składników odżywczych żywności jest proces zamrażania. Niskie temperatury wstrzymują działalność drobnoustrojów powodujących psucie się produktów oraz znacznie zwalniają przebieg procesów enzymatycznych i biochemicznych, jakie zachodzą w żywności niezamrożonej [7, 16, 19]. Współczesna technika dysponuje wieloma metodami zamrażania, a na szczególną uwagę zasługują technologie kriogeniczne, które są coraz powszechniej stosowane nie tylko w przetwórstwie spożywczym, ale również w przemyśle, medycynie, rolnictwie i badaniach naukowych [3, 4].

Kriogenika w przemyśle spożywczym

Słowo kriogenika pochodzi od słów greckich „kruos”, co oznacza „zimno” i „genos” – „pochodzenie” lub „tworzenie”. Pojęcie to stosuje się na określenie metod uzyskiwania i wykorzystywania temperatury niższej od 120 K, a dokładnie 111,1 K, tj. temperatury wrzenia metanu pod ciśnieniem normalnym. Kriogeniczne techniki zamrażania opierają się na wykorzystaniu skroplonych gazów, tzw. kriocieczy (kriogenu) w technologii chłodzenia oraz zamrażania produktów spożywczych.

W praktyce przemysłowej podczas procesu schładzania i zamrażania stosuje się ciekły azot (LN₂ lub LIN) oraz ciekły dwutlenek węgla (LCO₂ lub LIC). Ciekły azot (LN₂) jest źródłem bardzo niskiej temperatury, jego normalna (przy ciśnieniu wynoszącym 0,101 MPa) temperatura wrzenia wynosi ok. -196°C, temperatura wrzenia ditlenku węgla wynosi ok. -78°C, a normalna temperatura wrzenia czynnika chłodniczego np. R404A to ok. -46°C.

Duża różnica temperatury między kriocieczą a oziębianym produktem ma wpływ na intensywność procesu wymiany ciepła. Inne kriociecze nie są używane ze względu na bezpieczeństwo pracy, szkodliwe oddziaływanie na produkty oraz wysoką cenę [3, 5]. Podejście do stosowania skroplonych gazów w procesach mrożenia lub szybkiego schładzania zmieniło się istotnie od czasu, gdy opracowano nowe rozwiązania techniczne i zastosowania przemysłowe [9, 11].

Mrożenie i schładzanie w gazach ciekłych jest przydatne w przemyśle mięsnym i drobiarskim (np. mrożenie mięsa porcjowanego, schładzanie podczas mieszania i kutrowania), owocowo- warzywnym, głównie przy przetwarzaniu produktów delikatnych i drobnych (zamrażanie truskawek, malin, grzybów leśnych i uprawnych), mleczarskim (mrożenie lodów, długookresowe utrwalanie substancji biologicznych), rybnym (zamrażanie ryb i produktów rybnych), piekarniczo-cukierniczym (zamrażanie pieczywa, deserów mrożonych), w produkcji dań gotowych i garmażeryjnych (schładzanie i zamrażanie wyrobów garmażeryjnych, schładzanie farszów, zup, produkcja mrożonych dań gotowych) [11]. Także w przypadku zamrażania płynnej żywności np. masy jajowej czy sosów, korzystny wpływ na efekt końcowy ma zamrażanie przy użyciu kriogenów. Zaletą stosowania LN2 jest możliwość mrożenia koncentratów soków w postaci kulek lub proszkowanie tłuszczów jadalnych [3, 4, 8].

Schładzanie i zastosowanie cieczy kriogenicznych

Schładzanie szokowe, czyli szybkoschładzanie pozwala na dynamiczne obniżenie temperatury produktów z zakresu wartości krytycznej granicy dla wzrostu mikroorganizmów (+70°C÷+3°C) (rys. 1.) [18]. Aby jak najskuteczniej ograniczyć namnażanie się mikroorganizmów chorobotwórczych, stosuje się schładziarkę lub schładziarko-zamrażarkę szokową zwaną inaczej chłodziarką/zamrażarką uderzeniową lub szybkoschładzarką (blast chiller/szybkozamrażarką (shock freezer) [7]. Szybkoschładzarki umożliwiają schładzanie przygotowanych produktów od temperatury +90°C do temperatury +3°C w czasie krótszym niż 90 minut, co pozwala na zachowanie bezpieczeństwa i jakości produktów [18].

Rys. 1. Zakres temperatury wartości krytycznej granicy dla wzrostu mikroorganizmów [18]

Chłodzenie przy zastosowaniu cieczy kriogenicznych w procesie masowania, kutrowania mięsa oraz mieszania produktów spożywczych

(...)

Chłodzenie przy użyciu suchego lodu

(...)

Podmrażanie produktów spożywczych z zastosowaniem metod kriogenicznych

Do podmrażania najczęściej stosowane są tunele kriogeniczne oraz zamrażarki immersyjne, w których produkt zanurzany jest w ciekłym gazie. Dzięki temu uzyskuje się:

• redukcję ususzki w trakcie dalszego mrożenia,
• szybką dezaktywację enzymów,
• szybką stabilizację mikrobiologiczną.

Przy zastosowaniu tej technologii można:

• wyeliminować efekt sklejania się produktu,
• nadać produktowi lepszą odporność mechaniczną przed zasypem na tunel taśmowy,
• zamrażać produkty o konsystencji delikatnej lub półpłynnej,
• płynnie regulować i zwiększać wydajność tuneli freonowych,
• zredukować ubytki naturalne w trakcie mrożenia (dla malin ok. 10%),
• uniknąć blanszowania np. grzybów leśnych (straty masy 30÷35%) [5].

Zamrażanie szokowe

(...)

Zalety kriogenicznej techniki zamrażania

Do głównych zalet kriogenicznej techniki zamrażania możemy zaliczyć:

• powstawanie mniejszych kryształów, nienaruszających struktury tkankowej produktu (minimalizacja efektu wycieku),
• szybką dezaktywację enzymów,
• uzyskanie oszczędności wynikających z mniejszych ubytków masy w trakcie zamrażania,
• zminimalizowanie efektu uzyskania produktów niepełnowartościowych (np. grys malinowy, zdeformowana powierzchnia produktu),
• pominięcie procesu blanszowania i uniknięcia ubytku masy 30÷35% (grzyby),
• uzyskanie efektu glazury na powierzchni,
• wydłużenie okresu przydatności do spożycia [1, 10, 15].

Wady wykorzystania techniki kriogenicznej w procesie zamrażania produktów

(...)

Metody i urządzenia zamrażalnicze z bezpośrednim kontaktem produktu z kriocieczą

Zamrażanie immersyjne (zanurzeniowe) 

Zamrażanie immersyjne w cieczach wrzących początkowo było realizowane w kąpieli we freonie R12, jednak zostało wyeliminowane z przemysłu zgodnie z Protokołem Montrealskim. Zanurzenie w ciekłym azocie umożliwia bardzo szybkie zamrożenie, dzięki dużej różnicy temperatury (rys. 3.). Niestety produkty poddane tak gwałtownemu ochłodzeniu pękały i aktualnie stosuje się takie urządzenia w połączeniu z przystawkami. Obecnie wiele rozwiązań opartych na immersji znajduje zastosowanie do zamrażania substancji płynnych i półpłynnych, zamrażania powierzchni delikatnych produktów lub jako wstępna faza mrożenia zasadniczego realizowanego inną metodą (np. podmrożenie produktu) [3].

Rys. 3. Zamrażalnia zanurzeniowa [3]

Zamrażarki komorowe

(...)

Zamrażarki bębnowo-spiralne

(...)

Metoda natrysku

Metoda natrysku produktu cieczą jest kolejnym krokiem w ewolucji rozwiązań technicznych. Proces ten charakteryzuje się dłuższym czasem zamrażania i mniejszym gradientem temperatury pomiędzy środkiem a powierzchnią produktu. Wykorzystuje się chłód medium w sposób bardziej optymalny. Pozwala też na bardzo precyzyjną kontrolę parametrów procesu. Tunele do zamrażania kriogenicznego umożliwiają szybkie i wysokiej jakości mrożenie. Ponadto tunele zamrażalnicze pozwalają na redukcję wilgoci, zmniejszają straty produktu (ususzkę) w trakcie mrożenia oraz minimalizują zmiany w kolorze, smaku, strukturze i wyglądzie wyrobów. Dodatkową zaletą tych urządzeń jest fakt, iż można je łatwo i szybko czyścić [1, 5, 6, 9].

Tunele liniowe

(...)

Tunele taśmowo-spiralne

(...)

Kriomechaniczne zamrażanie

Rozwój i doskonalenie metod zamrażania produktów spożywczych przyczyniły się do powstania technik zamrażania kriomechanicznego tzw. kombinowanych technik zamrażania, które powstają w wyniku połączenia zamrażania kriogenicznego z tradycyjną techniką zamrażania. Najczęstszym połączeniem jest zastosowanie zamrażania kriogenicznego do podmrażania produktu i zamrażania owiewowego, w którym czynnikiem oziębiającym produkt jest zimne powietrze, w celu dokończenia procesu głębokiego zamrażania. Dotychczasowe próby łączenia wymienionych technik polegały na zestawianiu autonomicznych urządzeń na wspólnej linii technologicznej przeznaczonej do oziębiania produktu tj. produkt jest wstępnie podmrażany (technologia opisana powyżej), a następnie kierowany do tradycyjnego urządzenia zamrażalniczego [5].

Technika owiewowo-kriogenicznego chłodzenia i zamrażania produktów

Technika owiewowo-kriogenicznego oziębiania produktów powstała z połączenia techniki zamrażania kriogenicznego z tradycyjną techniką zamrażania, a mianowicie: bardzo szybkiego podmrożenia przy użyciu ciekłego azotu lub skroplonego dwutlenku węgla do temperatury około -3°C oraz późniejszego domrożenia przy zastosowaniu tradycyjnej metody owiewowej do temperatury zamrażalniczego przechowywania [5, 6]. Istota tej techniki polega na współpracy układów owiewowego oraz kriogenicznego oziębiania produktu w jednym pomieszczeniu chłodzonym, którym może być komora, tunel owiewowy lub fluidyzacyjny [5]. Istotne jest, że podczas zastosowania tej techniki, niejako przy okazji, następuje zmiana składu powietrza oziębiającego produkt. W tym przypadku obniża się stężenie tlenu, w wyniku doprowadzenia do przestrzeni komory azotu i wzrost stężenia azotu w komorze. Zastosowanie tej metody w przemyśle chłodniczym może prowadzić do zwiększenia zdolności zamrażalniczej oraz redukować zużycie skroplonych gazów w procesie zamrażania [6].

Podsumowanie

Produkty żywnościowe stanowią w większości skomplikowane systemy biologiczne, tworzące struktury tkankowe podlegające zmianom podczas zamrażania. Zmiany strukturalne w produktach mrożonych, ogólnie niezbyt duże, są wyraźnie zróżnicowane (mniejsze w produktach zwierzęcych niż w roślinnych). Istotny wpływ na struktury tkankowe ma szybkość zmrażania. 

Wybór najlepszej technologii mrożenia nie jest prosty ze względu na ilość zmiennych, które należy wziąć pod uwagę. Z całą pewnością na rynku nie ma jednej uniwersalnej technologii. Technologia kriogeniczna ma liczne zalety, jeżeli chodzi o czas zamrażania i możliwość mrożenia różnych produktów, oferując tym samym wyroby wysokiej jakości. Urządzenia mechaniczne, choć wymagają sporych nakładów kapitału, po dłuższym czasie mogą być korzystne fi nansowo. Największą szybkością procesu charakteryzują się metody kriogeniczne (dla zamrażania w ciekłym azocie od 12 cm/h przy natrysku, do 120 cm/h przy zanurzaniu).

Zamrażanie LIN lub LIC jest konkurencyjne w stosunku do metod tradycyjnych przy niewielkiej produkcji oraz wówczas, gdy mrozi się produkty drogie. Zamrażanie w tunelach fl uidyzacyjnych jest najtańsze i najczęściej wykorzystywane, gdy zamrażamy duże ilości produktów o stosunkowo małych wymiarach, przede wszystkim owoce i warzywa.

dr inż. Beata GRABOWSKA
absolwentka Politechniki Wrocławskiej

LITERATURA:

[1] BETLIOSKI Ł., BONCA Z.: Urządzenia typu LIN do kriogenicznego zamrażania produktów żywnościowych. Część 1. TChiKl. 2/2001. 

[2] BETLIOSKI Ł., BONCA Z.: Urządzenia typu LIN do kriogenicznego zamrażania produktów żywnościowych. Część 2. TChiKl. 3/2001. 

[3] CHOROWSKI M., KONOPKA–CUPIAŁ G., PIOTROWSKA A.: Kriogenika w przemyśle spożywczym. Technologie kriogeniczne – wykład.

[4] CHOROWSKI M., KONOPKA G.: Kriogenika w przemyśle spożywczym. Chłodnictwo i klimatyzacja. 3/2003.

[5] GAZDA W.: Techniki kriogenicznego chłodzenia i zamrażania. Przemysł Spożywczy. 9/2010. ss.24–30.

[6] GRUDA Z., POSTOLSKI J.: Zamrażanie żywności. WNT. 1999.

[7] GRZESIŃSKA W.: W szoku. Przegląd Gastronomiczny. 3/2005.

[8] KONDRATOWICZ J.: Badania nad zastosowaniem mrożenia kriogeniczno-owiewowego do utrwalania wybranych gatunków owoców i warzyw. Chłodnictwo. 4/2006. ss.44–45.

[9] MARKOWSKA J., POLAK E., KASPRZYK I.: Technologie chłodzenia i mrożenia w przetwórstwie żywności. Przemysł Spożywczy. 9/2014. ss.10–15. 

[10] PAWLONKA G.: Kierunki rozwoju myśli technicznej w zakresie mrożenia gazami. Chłodnictwo. 9/2005. ss.44–47.

[11] PAWLONKA G., BETLIŃSKI Ł.: Mrożenie i schładzanie ciekłymi gazami wczoraj i dziś. Przemysł Spożywczy. 10/2005.

[12] POLAK E.: Unia europejska – szanse i zagrożenia dla polskiej żywności. Materiały z seminarium producentów żywności schłodzonej i mrożonej. Przegląd Piekarski i Cukierniczy. 2/2004. ss.74–75. 

[13] RYWOTYCKI R.: „Efekty utrwalania produktów mięsnych przez doskonalenie metod technologii i techniki chłodzenia oraz zamrażania”, Chłodnictwo, 2011, 3, 44-46;

[14] SALAMINIK I.: Wybrane technologie gazowe stosowane w sektorze owocowo-warzywnym. Przemysł Spożywczy. 7/2005. ss.22–23.

[15] ŻÓŁTY A.: Zastosowania gazów w przemyśle mięsnym. Przemysł Spożywczy. 3/2005. ss.26–27. Materiały reklamowe Linde Gaz.

[16] http://www.klimatyzacja.pl/klimatyzacja/air-products-nowoczesne-i-skutecznesystemy-kriogenicznego-zamrazania-i-schladzania-zywnosci-oraz-bogata-gamaczynnikow-chlodniczych.pdf;

[17] http://www.dohmeyer.be/pl/produkty

[18] http://ztzyw.sggw.pl

[19] Materiał firmy Air Liquide: Mrożenie kriogeniczne – technologia z przyszłością. Chłodnictwo&Klimatyzacja. 7/2011. ss.56–57.