1.3 Zvyšování odolnosti potraviny anabiosa

Transkript

1 1 1.3 Zvyšování odolnosti potraviny anabiosa Konzervace sníženou teplotou Konzervace potravin sníženou teplotou zmrazování a zchlazování (tj. uložení v chladu) patří mezi nejstarší metody úchovy potravin. Zchlazování a zmrazování patří mezi anabiotické metody úchovy potravin, tj. takové, které nevedou k přímé inaktivaci mikroorganismů, ale působí prostřednictvím významného zhoršení podmínek pro růst mikroorganismů v potravinách. Postupy konzervace potravin založené na použití chladu nebo zahrnující chladírenský řetězec postupně do jisté míry nahrazují jiné klasické metody konzervace zejména termosterilaci a zvyšuje se podíl pasterovaných produktů uchovávaných za chladírenských podmínek. Vliv snížené teploty na mikroorganismy Metabolické aktivity mikroorganismů, enzymové reakce a rychlost jejich růstu je maximální při optimální teplotě, podobně jako při zvyšování teploty také při jejím snižováním od optima se postupně rychlost procesů zpomaluje. Obvykle se udává, že snížením teploty o 10 C klesne rychlost růstu na polovinu, tj. pokud ke zdvojnásobení počtu buněk při 22 C dojde k rozdělení buňky na dvě za 60 minut, trvá tento proces při 12 C 120 minut. Při nižších teplotách je prodloužení doby potřebné ke zdvojnásobení počtu buněk ještě vyšší, při teplotách kolem 0 C až -1 C je růst psychrotrofních mikroorganismů velmi pomalý, mezofilní a termofilní mikroorganismy mohou při nízkých teplotách hynout. K hynutí dochází zejména při delším skladování potravin při teplotách pod 2 C, působí-li současně další faktory, jako je nízké ph, snížení vodní aktivity, přítomnost chemických konzervačních látek atd. Při zmrazování potraviny kromě nízké teploty působí také postupné zmražení volné vody, dochází ke zkoncentrování zbývající vody v kapalném skupenství (zvyšuje se osmotický tlak, klesá ph, snižuje se aktivita vody). Může se uplatnit také mechanický účinek vytvořených krystalků ledu, který je účinný zejména vůči vyšším formám organismů, pomalé zmrznutí a tání je doporučeno jako prevence proti trichinele (svalovci). Pokud při zchlazování nebo zmrazování dochází k hynutí mikroorganismů, není to přímo vyvoláno nízkou teplotou, ale působí výše uvedené nepřímé faktory.

2 2 Podobně jako v případě vlivu záhřevu, také při nízkých teplotách dochází k subletálnímu poškození buněk, změny vyvolané chladem mohou být buňkou napravitelné. Tabulka I: Klasifikace mikroorganismů podle teploty růstu Skupina Podmínky Termofilní mikroorganismy Optimální teplota růstu je kolem 55 C; rozsah růstu v rozmezí 45 až 70 C; minimální teplota růstu C Mezofilní mikroorganismy Optimální teplota růstu je kolem 35 C; rozsah růstu mezi 10 až 45 C; minimální teplota 5 10 C Psychrotrofní mikroorganismy Optimální teplota C; minimální teplota <0 až 5 C Psychrofilní mikroorganismy Optimální teplota růstu je 12 až 18 C; rozsah růstu mezi 5 až 20 C; minimální teplota <0 až 5 C Uvedené hranice i hodnoty optimálních teplot jsou spíše orientační, mohou kolísat v závislosti na vlastnostech konkrétních mikroorganismů a prostředí. Tabulka II: Minimální teploty růstu a produkce toxinů potravinářsky významných mikroorganismů a některých patogenních mikroorganismů (* jednotlivé rody nebo kmeny) Teplota ( C) Rody a druhy mikroorganismů (projev) +15 Clostridium perfringens (produkce toxinů) +12 Bacillus cereus +10 Bacillus, Clostridium, Clostridium botulinum A,B (produkce toxinů), Staphylococcus aureus (produkce toxinů) +8,7 Staphylococcus (rozmnožování, růst) + 8,5 Clostridium perfringens (rozmnožování, růst) +7 Proteus, Escherichia +5 Micrococcus, Citrobacter, Salmonella (rozmnožování, růst), Vibrio parahaemolyticum, S. aureus (rozmnožování, růst) 3,3 Clostridium botulinum E, B* (produkce toxinů) 2 B. thermosphacta, Yersinia enterolytica, Aeromonas hydrophila 0 Lactobacillus*, Streptococus*, Micrococcus*, Brochotris thermosphacta*, Klebsiella, Enterobacter jejuni, Listeria monocytogenes, Aermonas hydrophila -2 B. thermosphacta, Yersinia enterocolytica, Aeromonashydrophila -4 Pseudomonas fluorescens, P. putida -5 Pseudomonas*, Acinetobacter*, Flavobacterium*, Moraxella -6 Pseudomonas fragi, P. putrefaciens -7 Kvasinky -8 Mucor*, Rhizopus*, Thamnidium* -12 Cryptococcus, Cladosporium -18 Fusarium*, Penicillium*

3 3 Různé typy bakterií, kvasinek a plísní mohou růst ještě při teplotách pod bodem mrazu potraviny ( -2 C), adaptační fáze i fáze růstu se s poklesem teploty prodlužuje, teplota má však velký význam a významný vliv může mít teplotní diference v řádu desetin stupně. Například kmeny Pseudomonas fluorescens mají generační dobu při 0,5 C 6,7 hodiny, avšak při 0 C je to již 32,2 hodiny. Ještě významnější je vliv teploty v rozsahu chladírenských teplot Chlazení potravin a uchování potravin v chladu Zchlazování, uchovávání v chladu, dodržování chladírenského řetězce nebo chladírenství zahrnují všechny metody použití nižších teplot do bodu mrazu (za normálního tlaku), resp. do teploty mrznutí potraviny, tj. asi -1 C. Zchlazování se obvykle používá v kombinaci s dalšími postupu, jako je zejména pasterace, různé formy balení, použití balení v modifikované nebo řízené atmosféře, snižování aktivity vody, chemickou konzervaci apod. Proces obvykle zahrnuje rychlé zchlazení, snížení teploty potraviny mimo rozsah optimálních teplot mezofilní mikroflóry, pozvolnější dochlazení na teploty kolem 0 C a chladírenské skladování. Chlazené potraviny lze přibližně rozdělit podle skladovacích teplot do tří skupin: Teplota skladování -1 C až +1 C (syrové ryby, syrové maso, mleté maso, polotovary ze syrového masa) Teplota skladování 0 C až 5 C (tepelně opracované maso, mléko, smetana, jogurt, majonézové saláty, sendviče, syrová těsta, pizza) Teplota skladování 0 C až 8 C (trvanlivé salámy, tepelně opracovaná masa, máslo, tuky, tvrdé sýry, vařená rýže, ovocné šťávy, ovoce) Významnějším hlediskem pro členění podmínek skladování při konzervaci chladem je charakter produktu, tj. zdali je nutné při skladování ovlivňovat kromě mikrobiologických změn produktu také fyziologické procesy živého plodu, nebo zdali se jedná o opracovaný produkt, u kterého jsou podmínkami úchovy tlumeny zejména základní mikrobiologické procesy. Čerstvé potraviny, tzv. dýchající potraviny Mezi tzv. dýchající potraviny patří plody ovoce, zeleniny, části rostlin, které ještě nebyly tepelně nebo jinak opracovány, a ve kterých probíhají alespoň do určité míry

4 4 metabolické procesy charakteristické pro rostlinné pletivo. Nežádoucí změny čerstvých resp. dýchajících potravin jsou vyvolány fyziologickými procesy probíhajícími v produktu, současně musí být zabráněno také nežádoucím enzymovým, chemickým a zejména mikrobiologickým procesům. Rychlost všech uvedených procesů je závislá na teplotě a také na dalších faktorech jako jsou: druh ovoce nebo zeleniny, odrůda část rostliny (rychleji rostoucí části rostlin mají rychlejším metabolismus než pomalu rostoucí části rostlin) stav plodiny po sklizni (míra mechanického poškození, mikrobiologické kontaminace, stupeň zralosti atd.) teplota při sklizni, podmínky skladování, transportu, prodeje (zejména teplota) relativní vlhkost vzduchu při skladování, dopravě a prodeji Trvanlivost závisí zejména na intenzitě dýchání, čím je proces rychlejší, tím dříve dojde k vyčerpání pletiva a k porušení tzv. dynamické rovnováhy. Porušení rovnováhy se projeví hromaděním metabolitů v pletivech, metabolické procesy se zastavují a nastupuje odumírání. Se zastavením metabolických procesů přestávají působit přirozené obranné mechanismy proti mikrobiální infekci a kromě enzymových a chemických změn, které také v produktu probíhají, rychle nastupuje rozkladná činnost mikroorganismů. V případě zeleniny a hub jsou jako potraviny využívány různé části rostlin, jejich trvanlivost je do jisté míry dána charakterem pletiva, který předurčuje intenzitu dýchání a tím také trvanlivost. Intenzita dýchání závisí na teplotě skladování, vzrůstá se skladovací teplotou. Intenzita dýchání je také vyšší v důsledku mechanického poškození, namačkané, natlučené nebo oloupané či jinak mechanicky narušené části rostlin dýchají intenzivněji než zdravé. U plodů ovoce kromě uvedených faktorů je intenzita dýchání ovlivňována procesy dozrávání. Ovoce je možné rozdělit na ovoce tzv. klimakterické a neklimakterické. Klimakterické druhy ovoce se vyznačují krátkým intenzivním zvýšením intenzity dýchání v určité době po sklizni, maximum klimakterického dozrávání se obvykle kryje s optimální zralostí. Mezi klimakterické druhy ovoce patří avokádo, banány, broskve, hrušky, jablka, mango, meruňky, švestky a rajčata. Neklimakterické plody jsou ananas, citron, fíky, grapefruit, hroznové víno, jahody, okurky, pomeranč, třešně a višně. Intenzita dýchání neklimakterických plodů ovoce je ovlivňována podobně jako je tomu u zeleniny, stupeň jejich zralosti nemá výrazný vliv na intenzitu dýchání, která stejně jako u zeleniny závisí zejména na teplotě skladování.

5 5 Intenzita dýchání ovoce a zeleniny neovlivňuje pouze trvanlivost, ale je významná pro optimalizaci procesu chlazení, pro výpočet potřebného výkonu chladícího zařízení. Dýchající pletiva produkují teplo, které musí být při chladírenském skladování odváděno. Tabulka III: Souvislost mezi funkcí části rostliny, relativní intenzitou dýchání a trvanlivostí vybraných čerstvých (dýchajících) potravin Produkt Relativní Obvyklá trvanlivost Botanická funkce intenzita dýchání (týdny při 2 C) Chřest 40 Houby Artyčok Rychle rostoucí výhonky 0,2 0,5 Špenát Hlávkový salát Zelí Mrkev Tuřín Červená řepa Brambory Česnek Cibule Listy rostliny 1 2 Kořeny zásobní orgány 5 20 Specializované zásobní orgány Tabulka IV: Teplo vytvořené dýcháním vybraných druhů ovoce a zeleniny při skladování za různých teplot Produkt Teplo (W/t) 0 C 5 C 10 C 15,5 C Banány Banány - zelené Broskve, meruňky Hroznové víno Hrušky Jablka Jahody Mango Pomeranče Brambory Brokolice 178 Celer Fazole Hlávkový salát Houby 178 Květák Mrkev Rajčata Špenát 178 Dalším významným faktorem, který ovlivňuje trvanlivost ovoce a zeleniny, je citlivost některých druhů ovoce a zeleniny k nižším teplotám skladování. Při uložení uvedených plodů nebo jiných částí rostlin při teplotě pod tzv. kritickou teplotu dochází k vyvolání projevů

6 6 poškození chladem (chilling injury). Poškození chladem se projevuje nevratnými změnami jako je vznik hnědých skvrn na povrchu (banány), zkrabacení slupky, vznik důlků (okurky), narušení procesu dozrávání apod. Mechanismus poškození chladem není zcela objasněn, ale předpokládá se, že v důsledku působení chladu dochází k porušení rovnováhy mezi procesy probíhajícími v rostlinném pletivu, některé metabolické procesy se zpomalí, zatímco jiné probíhají nezměněnou rychlostí, důsledkem je hromadění metabolitů. Příkladem poškození chladem může být také tzv. namrznutí brambor při jejich uskladnění při teplotách pod 4 C, kdy v důsledku snížené teploty je zpomalena intenzita dýchání, pomaleji se prodýchávají nižší cukry, zatímco nové stále vznikají nezměněnou rychlostí rozkladem škrobu. Důsledkem je hromadění cukrů v hlízách, nasládlá chuť brambor a jejich nevhodnost k některým způsobům zpracování (smažené lupínky hranolky), při kterých vyšší koncentrace cukrů způsobují nežádoucí barevné změny. Kritické teploty pro vybrané ovoce jsou: jablka 2 3 C, avokádo 13 C, banány C, okurky 8 C, rajčata a ananas 7 až 10 C. V živočišných tkáních jsou metabolické procesy významněji narušeny usmrcením zvířete, možný vliv zchlazení se projevuje pouze v prvních fázích po usmrcení. Po omráčení a vykrvení přestává být do tkání přiváděn kyslík, probíhá však prodýchávání glykogenu a glukózy a ve svalech se hromadí kyselina mléčná, dochází k poklesu ph a nastupuje rigor mortis. Přiměřené vychlazení při postmortálních změnách je nezbytné pro jejich správný průběh a dosažení optimální textury masa, je-li maso vychlazeno pod teplotu kolem 10 C ještě před nástupem rigor mortis, dochází ke zkrácení svalových vláken, k tzv. cold shortening. Průběh posmrtných změn v mase je narušen a je snížena kvalita masa. Tabulka V: Minimální bezpečné teploty skladování vybraného ovoce a zeleniny Ovoce/Zelenina Minimální bezpečná teplota skladování ( C) Projev poškození chladem při teplotách pod uvedenou minimální Jablka 1 2 vnitřní hnědnutí, měknutí Avokádo 7 vnitřní hnědnutí Banány 13 tmavnutí Okurky 7 vysýchání, krabacení, tvorba jamek Lilek 7 jamky, prohlubně na povrchu, zvětšení stopky Grapefruit 7 krabacení, prohlubně na povrchu, vodnatění, vnitřní hnědnutí Mango 10 vnitřní tmavnutí Čerstvé olivy 7 vnitřní tmavnutí Pomeranče 1 2 Ananas 7 barevné změny dužniny Zelená rajčata 12 bledá barva po dozrání, nižší uchovatelnost Zralá rajčata 10 zkažení

7 7 Tabulka VI: Optimální podmínky skladování vybraných druhů ovoce a zeleniny Produkt Teplota ( C) Relativní vlhkost Trvanlivost (dny) vzduchu (%) Banány 11 15, Brambory Brokolice Broskve -0, Celer Citrón Fazole (lusky) Hlávkový salát Houby Jahody - 0, Lilek Limeta Meruňky -0, Mrkev Okurky Rajčata Špenát Švestky Višně Meloun (watermelon) Zpracované potraviny, tzv. nedýchající potraviny V případě zpracovaných potravin jako jsou tepelně opracovaná masa a masné výrobky, mléčné výrobky, syrová těsta, polotovary, lahůdky atd. směřuje snížení teploty zejména proti patogenním a kazícím mikroorganismům, zároveň je dosaženo zpomalení nežádoucích chemických případně enzymových změn. Vychlazení potraviny a její úchova v chladu zamezí růstu termofilní a mezofilní mikroflóry. Z pohledu chladírenství jsou významné mikroorganismy, které jsou schopny růst při teplotách pod 5 C, případně patogenní nebo kazící mikroorganismy, které se mohou pomnožit při jakémkoliv zvýšení teploty potraviny (nedodržení technologického postupu, přerušení chladícího řetězce apod.) a mohou ohrozit zdraví konzumenta. Výroba a manipulace z chlazenými potravinami je pokládána za rizikovou. Při jejich výrobě je zejména nutné důsledně dodržovat principy správné výrobní a hygienické praxe (GMP/GHP) a uplatňovat preventivní opatření věcně správným a funkčním systémem kritických bodů (HACCP).

8 8 Tabulka VII: Patogenní a kazící mikroflóra chlazených potravin Mikroorganismus Zdroj Minimální teplota růstu Onemocnění (inkubační doba) Patogeny Aeromonas Sladká nebo 1 5 Průjem, zvracení, horečka (12 36 hydrophila Enteropatogenní Escherichia coli (E157) Vibrio parahaemolyticus Bacillus cereus Yersinia enterocolitica Campylobacter jejuni Salmonella enteritidis Clostridium botulinum Staphylococcus aureus poloslaná voda Trávicí trakt člověka a teplokrevných organismů Pobřežní mořská voda Půda, cereálie, povrch masa a zeleniny h) 4 7 Šest různých typů onemocnění zahrnujících krvácení do trávicího traktu (6 36 h) 5 10 Gastroenteritida, břišní křeče, nucení ke zvracení, horečka (12 36 h) 4 10 Dva typy onemocnění: průjmové onemocnění nebo dávivé nucení k zvracení a zvracení (12 36 h) Prasata -1-7 Horečka, průjem, těžké žaludeční bolesti, zvracení, bolesti kloubů (24 36 h) Voda, mléko, drůbež Drůbež, dobytek, jiná zvářata Vyskytuje se v prostředí, půda, voda Dobytek, jiná zvířata, zařízení, zánětlivá onemocnění 20 Průjem, bolesti svalů, bolesti hlavy, zvracení ( h) 5,2 6 Zvedání žaludku, zvracení, vysoké horečky, bolesti žaludku (6 48 h) Sedm typů toxinů: poruchy vidění, zvracení, průjem, progresivní poruchy polykání, poruchy dýchání. asi v 70 % případů smrtelné. (12 36 h) Skupina I 10 Skupina II 3,3 5 (10 produkce toxinu) Zvracení, zvedání žaludku, průjem, bolesti hlavy, pocity úzkosti, zhroucení, zánětlivá onemocnění (při infekci ran) (2 4 h) Příklady potravin Nejčastěji voda, ale také mléko, drůbež, skopové, sýry, korýši Maso, drůbež, ryby, zelenina, plísňové sýry, voda Syrové nebo nedostatečně tepelně opracované nebo rekontaminované ryby, korýši a měkkýši, voda Potraviny a pokrmy z obilnin, kořeněné potraviny Skopové, vepřové, mořské plody, mléko, tofu, pokrmy z vepřových vnitřností Mléko, mléčné výrobky, drůbeží maso a výrobky, mořské plody, voda Vejce, drůbež, mléko, maso, omáčky, lahůdky, cukrářské výrobky z vajec Konzervovaná zelenina, konzervované maso (málo kyselé potraviny), uzené ryby Mléko, mléčné výrobky, vařená masa, vařené přílohy, mořské plody

9 9 Clostridium perfringens Listeria monocytogenes Kazící mikroorganismy Bakterie mléčného kvašení pracovníků (hnisající rány, infekce dýchacích cest apod.) Půda, prach, vegetace, čerstvé, sušené potraviny Všeobecně v prostředí (půda, zdraví lidé a zvířata, povrchy zařízení apod.) Všeobecně se vyskytující 12 Akutní průjem, zvedání žaludku, mírná horečka nebo zvracení (8 24 h) -0,4 až 3 Gastroenteritida, jedinci s potlačenou imunitou jsou zejména citliví (24 96 h) 0 5 Produkce mléčné kyseliny, octové kyseliny, mravenčí kyseliny, ethanolu, oxidu uhličitého Pseudomonas spp -3 až Tvorba přípachů, hořké pachuti, žluklé chuti, zelené zbarvení Kvasinky (např. Všeobecně se Candida spp) a vyskytující plísně (např. Mucor spp, Rhizopus spp) < 0 Kvašení kvasinkami způsobuje kvasničné, ovocné nebo alkoholické přípachy a pachuti. Viditelné kolonie plísní, měknutí pletiv, změny chuti a vůně, tvorba mykotoxinů Syrová masa, drůbež, ryby, mléčné výrobky, sušené potraviny, polévky, koření, těstoviny Mléko, mořské plody, ryby, sendviče, saláty (zejména obsahující maso), zelí, měkké sýry Mléko a mléčné produkty, masa, ovocné šťávy, zelenina, alkoholické nápoje, cukrovinky Většina chlazených potravin Ovocné šťávy, výrobky z masa, mléčné výrobky

10 10 Bilance tepla V případě chlazení se nejčastěji počítají tepelné bilance, zejména k ověření dostatečnosti výkonu chladícího zařízení a k odhadu rychlosti dosažení požadovaných cílových teplot. Požadavky na chladicí zařízení záleží na způsobu použití. Rozlišují se neustálené stavy pro případ navezení produktů do chladírenského skladu a odebíraná energie směřuje k ochlazení materiálu; ustálené stavy se týkají průběžného odebírání tepla, které směřuje k udržení požadované teploty. Použití různých způsobů předchlazení produktů nevyžaduje instalace předimenzovaných chladicích agregátů, přesto však je při výpočtech bilancí nutné uvažovat další zdroje tepla. Největší úniky chladu souvisejí se změnami tlaku způsobenými změnami teploty v chladírně. Při nejvyšších teplotách cyklu chladný vzduch uniká z místnosti. Při poklesu tlaku v chladírně při nízkých teplotách se teplý vzduch tlačí do místnosti. Popsaný jev je známý i v případě uzavření domácí mrazničky. Během otevřených dveří dochází k výměně vzduchu uvnitř a mraznička je vyplněna teplým vzduchem z okolí. Po uzavření teplota vzduchu se rychle sníží, dojde k ochlazení vzduchu přestupem tepla do uložených potravin a současně poklesne tlak, který brání znovuotevření dveří. K únikům chladu dochází netěsnostmi v zařízení, prasklinami a trhlinami ve stěnách a zejména otevřenými vstupy do zařízení, tj. kdykoliv při vyskladňování a naskladňování produktů a je zdrojem významného množství tepla, které musí být agregátem odebráno. Samotné kolísání teploty uložených potravin (za předpokladu, že nejsou překročeny minimální teploty růstů kazicí a patogenní mikroflóry) má u chlazených potravin minimální význam, ale je významné pro růst krystalů v případě mrazírenského skladování. Další zdroje tepla mohou být motory uvnitř chlazeného prostoru, pohyb pracovníků (příspěvek pracovníka v prostoru představuje asi 293 W, teplo generované pracovníky vzrůstá s klesající teplotou). V případě skladování dýchajících potravin je významným příspěvkem dýchací teplo, teplo generované dýcháním produktů. Zařízení Chladící zařízení je možné rozdělit podle způsobu odebírání tepla na mechanická chladící zařízení a kryogenní systémy. Oba typy umožňují jak vsádkové tak i kontinuální způsoby použití, oba také umožňují dostatečně rychle ochlazení z kritické teploty (50 10 C) maximálního růstu mezofilní mikroflóry.

11 11 Mechanická chladící zařízení Mechanická chladící zařízení (viz obrázek 1) se skládají ze čtyř částí: výparníků, kompresoru, kondenzátoru a expanzního ventilu. Jednotlivé díly jsou obvykle konstruovány z mědi, která má vysokou teplotní vodivost a umožňuje rychlý transport tepla a tím vysokou účinnost. Obrázek 1: Kompresní chladící stroj Chladící medium cirkuluje mezi uvedenými čtyřmi součástmi zařízení a postupně mění skupenství z kapalného do plynného a opět do kapalného: Ve výparníku je kapalné chladící medium odpařeno za sníženého tlaku, při tom absorbuje výparné teplo z okolního prostředí nebo teplosměnného media (v systémech s nuceným oběhem obvykle vzduch). Výparník je nejvýznamnější částí chladícího stroje, zbývající části zajišťují regeneraci chladiva. Páry chladiva z výparníku jsou nasávány kompresorem, ve kterém se zvyšuje tlak plynů. Kompresor tlačí plynné chladivo do kondenzátoru, ve kterém je vysoký tlak udržován, stlačené páry jsou ochlazovány vzduchem nebo vodním chlazením a kondenzují. Kapalné chladivo prochází expanzním ventilem, ve kterém je snížen tlak a chladivo vstupuje do výparníku a proces pokračuje dalším cyklem.

12 12 Klasickým chladivem od vynálezu chladicího zařízení je amoniak, který má vynikající tepelné vlastnosti a není mísitelný s olejem, ale je toxický a hořlavý a způsobuje korozi zařízení. Další používaný plyn oxid uhličitý je nehořlavý a netoxický, je vhodnější pro použití na lodích než amoniak, ale vyžaduje použití vyšších tlaků. Z praktického hlediska jsou výhodné freony (sloučeniny chloru, fluoru a uhlíku), které jsou netoxické, nehořlavé, mají výhodné tepelné vlastnosti a jsou lacinější než amoniak nebo oxid uhličitý. Avšak freony přispívají ke vzniku skleníkového efektu a ke globálnímu oteplování. Na základě mezinárodních dohod (Montrealský protokol) jsou postupně nahrazovány méně ekologicky nebezpečnými částečně halogenovanými uhlovodíky. Úplná náhrada by měla proběhnout do konce roku Nahrazování probíhá, hlavními chladivy používanými v současné době jsou Freon 22 (CHClF2) a amoniak, používán se také propan. Amoniak a propan nemají vliv na ozonovou vrstvu, ale mohou představovat vyšší riziko v místě použití. Vlastním chladícím mediem, které je ochlazováno prouděním výparníkem a odnímá teplo z chlazených potravin je nejčastěji vzduch, používá se také voda nebo kovové povrchy- Vzduchová chladící zařízení pracují s nuceným oběhem vzduchu, který je chlazen na teplotu - 4 C a proudí rychlostí kolem 4 m.s -1. Při používání chladících zařízení je nutné respektovat jejich určení, obvykle se rozlišují šoková chladící zařízení s dostatečným výkonem k rychlému vychlazení teplých potravin a chladící agregáty pro chladírenské skladování nebo distribuci chlazených potravin, které jsou schopné zajistit udržení nízké teploty, ale nemohou dostatečně rychle vychladit teplé produkty. Hypobarické chlazení Potraviny s velkým povrchem, například hlávkový salát, zelí a další listová zelenina mohou být chlazeny hypobarickým chlazením. Po umytí se vlhké produkty umístí do prostoru s nižším tlakem (cca 0,5 kpa). Za nižšího tlaku dochází k rychlejšímu odpařování vody z povrchu potraviny, výparné teplo potřebné k odpaření je odebíráno z produktu. Odpařením vody odpovídajícím cca 1 % hmotnosti vlhkého produktu se teplota sníží asi o 5 C. Hypobarická chladicí zařízení jsou využívána i pro rychlé ochlazení sklizeného ovoce a zeleniny v tropických oblastech, zařízení jsou konstruována jako mobilní boxy, které se naplní sklizenými produkty (po předchozím omytí a zvlhčení vodou), hermeticky uzavřou a k boxu je připojena vývěva, kterou je snížen tlak. Na hypobarickém principu jsou konstruovány přepravní kontejnery, které kromě počátečního hypobarického ochlazení

13 13 obsahují i vlastní mechanický chladicí agregát. Velké chladicí komory jsou používány na rychlé vychlazení, např. řezaných květin. S hypobarickým chlazením souvisí také hypobarické skladování, při němž jsou produkty uchovávány za sníženého tlaku a udržovány chladírenské teploty. Hypobarické skladování je jednou z variant skladování v řízené atmosféře, přičemž nižší tlak kyslíku je zajištěn celkovým snížením tlaku ve skladovacím prostoru. Imerzní chlazení V řadě technologií je jako chladivo využívána voda, sklizené plody ovoce a zelenina jsou ochlazovány ponořením do chlazené vody (hydrocooling). Imerzní chlazení vodou využívá mlékárenská technologie pro chlazení sýrů, které jsou namáčeny do chlazeného solného nálevu. Vychlazená voda je využívána také jako chladivo ve výměnících, např. v kontinuálních pasterech nebo ve výměnících se stíraným povrchem, které se používají při výrobě másla nebo ztužených tuků. Kryogenní chlazení Kryogenní chladivo je chladivo, které mění své skupenství a čerpá skupenské teplo z ochlazované potraviny. Jako kryogenní chladiva jsou používány tuhý oxid uhličitý, tzv. suchý led, kapalný oxid uhličitý a kapalný dusík. Sublimační teplo tuhého oxidu uhličitého je 352 kj/kg při teplotě 78,5 C, kapalný dusík odebere výparné teplo 358 kj/kg při 196 C, hodnoty pro kapalný oxid uhličitý jsou podobné sublimačnímu teplu. Významné je také teplo odebrané na ohřev plynu, takže celkový chladicí účinek tuhého nebo kapalného oxidu uhličitého je asi 565 kj/kg a v případě kapalného dusíku 690 kj/kg. Z praktických důvodů je pro chlazení výhodnější oxid uhličitý, který má vyšší bod varu nebo vyšší sublimační teplotu než je bod varu dusíku, další výhodou je, že větší část tepla je odebrána změnou skupenství než ohřevem plynu. Tuhý oxid uhličitý může být použit ve formě pelet, případně kapalný oxid uhličitý je vstřikován do proudu vzduchu a vytváří "sníh", který rychle sublimuje. Při obou způsobech je možné podle typu potraviny chladivo použít přímo do produktu nebo na zabalený výrobek. Zlomky suchého ledu mohou být prosypány zabalené produkty, chladivem je zajištěno udržení chladírenských teplot i během transportu. Nevýhodou použití zlomků suchého ledu nebo pelet tuhého oxidu uhličitého (např. při prokládání vrstev masa) je nehomogenní ochlazení, chlazená potravina v kontaktu s ledem může mrznout.

14 14 Kapalný dusík je spíše využíván při zmrazování, v případě chlazení kapalným dusíkem se obvykle kg vsádky umístí do izolovaného zásobníku, který je vybaven ventilátorem a zařízením pro dávkování kapalného dusíku. Schéma zařízení pro kryogenní chlazení je zobrazeno na obrázku 2. Obrázek 2: Zařízení pro kryogenní chlazení Chladírenské skladování Vychlazené potraviny musí být skladovány v chladírenských podmínkách, chladírenské sklady jsou obvykle ochlazovány proudícím chlazeným vzduchem, podmínky chlazení musí odpovídat velikosti vsádky, tepelným vlastnostem skladu, nebo zařízení, způsobu použití (frekvence otvírání a vstupu do chlazeného prostoru, teplotě zaváženého zboží apod.), charakteru chlazených potravin (v případě dýchajících produktů musí být kompenzováno teplo vznikající dýcháním). Podmínky skladování Teplota uvnitř chladírenského skladu nebo zařízení musí být trvale pod stanovenou hodnotou, zároveň je nezbytné zajistit dostatečnou vlhkost vzduchu, zejména při skladování dýchajících potravin. Při ochlazování prostoru chladírny nuceným oběhem chlazeného vzduchu, který je chlazen průchodem přes výparník mechanického chladícího zařízení,dochází ochlazením vzduchu ke kondenzaci v něm obsažené vody na deskách výparníku. Prostředí chladírny nebo chladícího boxu je neustále vysušováno a potraviny mohu vysychat. V případě chladících boxů bez nuceného oběhu s výparníkem pod stropem nebo na stěnách může při vstupu teplejšího vlhkého vzduchu z okolí docházet ke kondenzaci

15 15 vodní páry na výparníku, ztékající kondenzát je významným zdrojem mikrobiologické kontaminace výrobků. Kondenzovaná voda kapající na produkt může také významně změnit aktivitu vody výrobku a způsobit rozvoj např. plísní přítomných na povrchu skladovaných potravin. Vliv chlazení na potraviny Vliv nízkých teplot na fyziologické procesy u dýchajících potravin (čerstvé ovoce a zelenina) a negativní vliv nízkých teplot na průběh posmrtných změn v mase je popsán výše. Rychlé zchlazení a uchovávání při chladírenských teplotách vede k inhibici nežádoucího rozvoje kontaminující mikroflóry v potravinách. Pozorovatelnou fyzikálně chemickou změnou je ztuhnutí tuků, které se projeví změnou konzistence potravin s obsahem tuků (majonézy, tukové krémy apod.). Při chladírenských teplotách jsou jen mírně zpomaleny další chemické, enzymové a fyzikální změny. V částech rostlin, které nebyly tepelně opracovány, probíhají enzymové reakce, jako je enzymové hnědnutí, oxidace mastných kyselin lipoxygenázou. Při dlouhodobějším skladování se zejména u potravin s vyšším obsahem tuků (zejména nenasycených tuků) projeví autooxidace, probíhají reakce enzymového hnědnutí. Reakce jsou pomalejší než by tomu bylo za normální teploty, ale probíhají v závislosti na složení a podmínkách v dané potravině. Oxidace tuků a degradace složek masa je charakteristická pro výrobky z masa, u kterých delší skladování navazující na předcházející tepelné opracování vede ke vzniku tzv. warm-over-flavour (WOF), typických senzorických vlastností tepelně namáhaného masa ( konzervová pachuť ). Nepříjemné jsou změny pečiva, chladírenské podmínky urychlují retrogradaci škrobu a ztrátu křehkosti pečiva. Nežádoucí fyzikální změnou je v případě skladování lahůdkových salátů migrace oleje z majonézy do zeleniny (zelí, salátu) a změna jejich textury, dalším příklady mohou být synereze šťávy a omáček v důsledku změn konzistence škrobu, vysychání nezabalených potravin odpařováním vody zejména v chladících zařízeních s nuceným oběhem vzduchu. Nutriční změny při chladírenském skladování nejsou příliš významné, v každém případě je degradace vitamínů a dalších nutričně významných složek pomalejší než při vyšších teplotách (viz tabulka VIII).

16 16 Tabulka VIII: Ztráty vitamínů během chladírenského skladování potravin Potravina Ztráty (% za den) Kys. askorbová Thiamin Riboflavin Pyridoxin β-karoten Jablka 0,1 0,5 Bíle zelí 0,1-0,2 Mrkev 0 0, ,6 0,2-0,8 Květák 0,1 0,2 Hlávkový salát 4,8 9,7 4,7 5,4 2,9 Brambory vařené 10,7 1,3 Špenát (vařený) 6,4 Smažená vepř. játra 10,3 0,7 0,7 0 Pečené vepřové 0, Konzervace potravin zmrazováním Konzervační princip zmrazování je stejně jako v případě chladírenství založen na zpomalení nebo zastavení nežádoucích změn. Dalším faktorem, který působí proti rozvoji mikroorganismů je snížení podílu pro mikroorganismy využitelné vody jejím převedením do pevného skupenství. Při překonání bodu mrazu dochází ke tvorbě krystalů ledu a k zakoncentrování zbývajícího matečného roztoku, tím dochází také ke snižování aktivity vody v potravině. Zmrazování je doprovázeno pouze minimálními změnami nutričních a senzorických vlastností potraviny. Zmrazování se používá ke konzervaci různých druhů potravin: ovoce celé, proslazené, ovocná pyré, ovocné koncentráty zelenina rybí filety, mořské plody, rybí polotovary, maso, uzeniny, polotovary z masa pečivo, těsta hotové pokrmy, polotovary pro přípravu pokrmů K velkému rozvoji výroby a distribuce zmražených potravin přispělo rozšíření domácích mrazniček, na trend spotřeby měl vliv také rozvoj použití domácích mikrovlnných zařízení, které umožňují rychlou přípravu pokrmů. Teoretické základy zmrazování potravin Při zmrazování je nejprve potravina ochlazena na bod mrazu, v případě zmrazování dýchajících produktů odebrané teplo musí zahrnout také teplo vyprodukované dýcháním (viz

17 17 výše). Množství tepla, které musí být z potraviny odebráno, závisí zejména na obsahu vody, která má nejvyšší měrné teplo ze všech složek potraviny (4200 J.kg -1 K -1 ) a vysokou hodnotu skupenského tepla krystalizace (335 J.kg -1 K -1 ). K ochlazení dalších složek potravin a k odebrání jejich skupenského tepla (např. skupenské teplo krystalizace tuků) je třeba také odebrat teplo, ale tyto složky jsou většinou v porovnání s obsahem vody minoritní a jejich tepelné charakteristiky jsou nižší, než je tomu v případě vody. Průběh zmrazování závisí na složení potraviny, potraviny obsahují rozpuštěné látky v obsažené vodě, proto bod mrazu není 0 C ale níže podle složení. Tabulka IX: Obsah vody a bod mrazu vybraných potravin Potravina Obsah vody (%) Bod mrazu ( C) Zelenina ,8 až -2,8 Ovoce ,9 až -2,7 Maso ,7 až -2,2 Ryby ,6 až -2,0 Mléko 87-0,5 Vejce 74-0,5 Obrázek 3: Průběh teploty během zmrazování potraviny Průběh zmrazování potraviny při měření teploty uprostřed v nejpomaleji ochlazovaném místě má několik částí: AS Potravina je ochlazována pod hodnotu bodu mrazu, který je s výjimkou čisté vody vždy nižší než 0 C. V bodě S voda zůstává v kapalném skupenství, přestože její teplota je nižší než bod mrazu. Uvedenému jevu se říká podchlazení (supercooling) a teplota může být nižší až o deset stupňů než je bod mrazu. SB Vlivem nukleačních činidel (složky potraviny, buňky mikroorganismů) dochází ke krystalizaci vody, teplota vzrůstá v důsledku uvolnění skupenského tepla krystalizace ledu. BC Teplo je z potraviny odváděno stejnou rychlostí jako v předcházejících fázích, ale pokles teploty je pomalejší, protože kromě ochlazování musí být odváděno postupně uvolňované skupenské teplo. Bod

18 18 CD DE EF mrazu se postupně snižuje se zkoncentrováním rozpuštěných látek. V této části zmrazování dochází k maximální tvorbě ledu. Jedna z rozpuštěných látek, např. chlorid sodný, je přesycena a začíná vypadávat z roztoku ve formě krystalů. Při krystalizaci je uvolňováno skupenské krystalizační teplo a teplota vzrůstá na eutektickou teplotu pro uvedenou rozpuštěnou látku (tj. teplotu, při které existují tři fáze nasycený roztok chloridu sodného, led a krystaly chloridu sodného; eutektická teplota je nejnižší teplota, při které v soustavě existuje kapalná fáze, pod touto teplotou již soustava obsahuje pouze led a tuhý chlorid sodný.). Pokračuje krystalizace vody a rozpuštěných látek, celkový čas τ f potřebný pro zmrazení se určí podle rychlosti ochlazování, končí při opětovném zrychlení poklesu teploty na původní hodnotu, která odpovídá pouze ochlazování materiálu (m c p Δt). Teplota potraviny klesá k teplotě mrazicího zařízení, poměr zmrzlé a nezmrzlé vody závisí na složení potraviny a na dosažené teplotě, např. při 20 C jehněčí maso obsahuje 88 % zmrzlé vody, rybí maso 91 % a vaječný albumin 93 % zmrzlé vody za uvedených podmínek. Tvorba krystalů Bod mrazu potraviny je teplota, při které existuje minimální množství ledu v rovnováze s kapalnou vodou. Předtím, než dojde ke tvorbě krystalů, musí dojít k tzv. nukleaci molekul vody. Existují dva typy nuklease: homogenní nukleace (náhodná orientace a kombinace molekul vody) a heterogenní nukleace (tvorba shluků molekul vody kolem suspendovaných částic nebo buněčných stěn přítomných mikroorganismů). Heterogenní nuklease je častější a nastává ve fázi podchlazení potraviny. Vlastní průběh nuklease, která předchází tvorbě krystalů, závisí na rychlosti chlazení, pokud je zmrazování velmi rychlé, vzniká velký počet krystalizačních jader, se zpomalením ochlazování molekuly vody migrují k již vytvořeným jádrům a počet krystalizačních jader se snižuje. Vysoká rychlost zmrazování vede ke vzniku velkého počtu krystalků ledu malých rozměrů. Počet a velikost krystalů ledu závisí také na vlastnostech potraviny. Velikost krystalů je dána rychlostí jejich zmrazování, zejména závisí na rychlosti překonání tzv. kritické zóny tvorby ledu. Koncentrace rozpuštěných látek Zvyšování koncentrace rozpuštěných látek v kapalné vodě v potravině vede ke změnám aktivity vody, ph, viskozity, povrchového napětí a redox potenciálu. S poklesem teploty se zakoncentrovávají rozpuštěné látky a začínají krystalizovat, teplota, při které jsou krystaly rozpuštěné látky v rovnováze s rozpuštěným podílem, s ledem a vodou je eutektická teplota. Eutektická teplota je pro různé látky různá, např. pro glukózu je -5 C, pro sacharózu -

19 19 14 C, chlorid sodný -21,13 C, pro chlorid vápenatý -55 C. Potraviny jsou většinou mnohasložkové směsi, proto je obtížné přesněji určit eutektickou teplotu, proto je používán termín konečná eutektická teplota (final eutectic temperature), která je např. u zmrzliny - 55 C, masa od -50 do - 60 C, u chleba -70 C. Do překonání eutektické teploty není možné dosáhnout maximální tvorby krystalů ledu, zmražené potraviny nejsou zmrazovány na takové teploty, a proto vždy obsahují poměrně vysoký podíl vody v kapalném skupenství. Eutektické směsi jsou využívány jako chladiva v chladírenství i v mrazírenství, v minulosti eutektické směsi v pláštích nádoby byly využívány v různých zmrzlinových strojcích. Při zmrazení potraviny pod bod E na obrázku 3, i nezmrzlý materiál vytvoří sklovitou strukturu, která brání proti nežádoucím změnám struktury a textury potraviny zejména při zmrazování zeleniny a masa. Ovoce má sice teplotu zesklovatění nižší, ale přesto je obecně více citlivé k negativním změnám konzistence vyvolaným zmrazováním (viz tabulka X). Tabulka X: Teploty zesklovatění (glass transition) Potravina Teplota zesklovatění Ovoce a výrobky z ovoce Jabko -41 až -42 Banán -35 Broskev -36 Jahoda -33 ž -41 Rajče -41 Grapefruitová Šťáva -42 Ananasová šťáva -37 Zelenina Kukuřice čerstvá -15 Brambory syrové -12 Hrášek mražený -25 Brokolice mražená -12 Špenát mražený -17 Zmrlina -31 až -33 Sýr Čedar Smetanový sýr Ryby a maso Treska Makrela (filety) Hovězí sval ,7 ± 0,6-12,4 ± 0,2-12 ± 0,3

20 20 Změny objemu Objem ledu je o 9% vyšší než objem čisté vody, při zmrazování musí být očekáván nárůst objemu zmrazovaných potravin. Míra nárůstu objemu však závisí na dalších faktorech a obvykle nedosahuje teoretických hodnot pro čistou vodu. Faktory jsou: Obsah vody v potravině Buněčná struktura, zejména rostlinná pletiva obsahují velké množství mezibuněčných prostor vyplněných dýchacími plyny, která mohou do značné míry absorbovat změny objemu způsobené větším objemem ledu., například zmražení celých jahod se zvýší jejich objem pouze asi o 3%, zatímco pokud je zmrazováno pyré, je nárůst objemu až 8,2 % (při zmrazování na -20 C). Koncentrace rozpuštěných látek (vysoké koncentrace rozpuštěných látek snižují bod mrazu zejména při obvyklých mrazírenských teplotách) Teplota zmrazování Obsah a složení krystalizujících látek složek v potravině (krystalizující látky se při ochlazování smršťují a tím dochází k redukci objemu potraviny. Při rychlém zmrazování dochází k vytvoření ledové krusty na povrchu potraviny, která zabrání dalšímu zvětšování objemu, to může u citlivých materiálů vyvolat rozsáhlejší poškození textury uvnitř. Zařízení Zařízení pro zmrazování může být klasifikováno podle různých hledisek. Ke zmrazování se používají zařízení pracujících na stejných principech jako v případě chladírenství, jen s vyššími výkony vzhledem k většímu množství odebíraného tepla. Obecně je možné rozlišit: a) mechanické chladící stroje, která jako chladící medium využívají ochlazovaný vzduch, ochlazovanou vodu nebo povrchy. Media jsou v kontaktu s potravinou a zprostředkovávají transport tepla. b) kryogenní zmrazovací zařízení, která využívají podobně jako v případě chladírenství tuhý nebo kapalný oxid uhličitý, kapalný dusík nebo kapalné freony. Zmrazování chlazeným vzduchem Zmrazování studeným vzduchem může probíhat bez nuceného oběhu v mrazících boxech. Vzduch je ochlazován stěnami a dochází k jeho pomalé samovolné cirkulaci uvnitř

21 21 zařízení. Teploty v mrazících boxech jsou mezi -20 až -30 C, a jsou-li používány ke zmrazování, probíhá proces pomalu (3 až 72 hodin). Mrazící boxy jsou spíše používány ke skladování zmražených potravin, které byly zmraženy jinými účinnějšími způsoby. Stacionární systémy založené na přirozené cirkulaci vzduchu jsou používány spíše v domácích mrazničkách, většina komerčních zařízení využívá nucenou ventilaci vzduchu, kterou je zajištěno homogenní rozložení teplot ve skladovacím prostoru, pro účely zmrazování jsou i tato zařízení nepříliš vhodná, protože koeficienty přestupu tepla jsou nízké. Podobně jako u chladíren je velkým problémem namrzání kondenzované vody na dveřích, stěnách, na výparníku, na produktech. Voda se do chlazeného prostoru dostává zejména s vlhkým teplým vzduchem při otevření boxu nebo odpařením ze skladovaných uložených potravin. Namrzající voda snižuje účinnost zmrazování. V provozním měřítku jsou využívány systémy zajišťující důkladné ofukování potraviny chlazeným vzduchem. Vzduch vychlazený na -30 až 40 C proudí rychlostí 1,5 až 6 ms -1 kolem zmrazovaných potravin, proudícím vzduchem se snižuje vrstva vzduchu nad potravinami a zvyšuje se koeficient přestupu tepla. Zmrazovaní rychle proudícím chlazeným vzduchem je využíváno v různých zařízeních např. komorových, tunelových, pásových, spirálních, fluidních. Imersní zmrazování Chladícím mediem mohou být také kapaliny, zmrazované potraviny procházejí zabalené lázní chlazeného propylenglykolu, solného roztoku, glycerolu nebo roztoku chloridu vápenatého. Na rozdíl od kryogenního zmrazování nedochází u těchto chladiv ke změně skupenství. Kontaktní zmrazování Deskové zmrazovače se skládají z vertikálních nebo horizontálních dutých desek, kterými je čerpáno chladivo o teplotě -40 C. Potraviny např. rybí filety, rybí prsty, hamburgery apod. jsou v jedné vrstvě skládány na desky, po naplnění se jednotlivé vrstvy mírně stlačí mezi deskami. Výhodou deskových zmrazovacích zařízení je kromě nižších nákladů také nižší míra vysychání produktů a tím i namrzání. Dalším typem kontaktního zmrazovače jsou zmrazovače se stíraným povrchem, které jsou používány ke zmrazování polotuhých potravin např. zmrzliny. Zařízení je podobné filmové odparce, ale na rozdíl od odparky není zahříváno, ale plášť je ochlazován chladivem. Na

22 22 chlazený vnitřní povrch válce je přiváděn v tenké vrstvě produkt, který velmi rychle mrzne a je otáčejícím se rotorem seškrabován. Změny probíhající v potravinách Vliv zmrazování I pomalé způsoby zmrazování potravin obvykle neovlivňují významně průběh fyziologických, enzymových, chemických nebo mikrobiologických změn v potravinách. Poškození chladem se vzhledem k rychlosti zmrazování neprojeví, negativní změny jsou vyvolány mechanickým poškozením struktury pletiv a tkání krystaly ledu. Významné je to zejména v případě zmrazování nativních rostlinných pletiv, led způsobí porušení buněčných membrán a umožní kontakt enzymů se substráty. Nejvýznamnější změny jsou: enzymové hnědnutí vyvolané polyfenoloxidázami (porušení pletiv umožní také přístup dalšího substrátu vzdušného kyslíku), oxidace nenasycených mastných kyselin lipoxygenázou (tvorba C6 nebo C9 aldehydů zodpovědných za mrazírenské přípachy), změny textury (pektolytické enzymy, amylázy, celulázy aj.), změny nutriční hodnoty (oxidace citlivých složek peroxidázou, nepřímo katalasou, degradace kyseliny askorbové askorbátoxidázou apod.). Enzymové reakce se projeví v průběhu zmrazování, velmi pomalu mohou probíhat i během mrazírenského zmrazování (např. hydrolýza triacylglycerolů mikrobiálními hydrolázami při skladování másla) a s velkou rychlostí se rozběhnou v průběhu a po rozmražení potraviny. Další negativní vliv je spojen s destrukcí struktury rostlinného pletiva, které je obvykle tvořeno velkým podílem mezibuněčných plynů, které vyplňují mezibuněčné prostory, které vytváří struktura buněčných stěn. Led mechanicky naruší strukturu, která se bortí a produkt po rozmrazení ztrácí šťávu a nemá vlastnosti původní suroviny. Živočišné tkáně a zejména svaly jsou pružnější a jejich struktura je méně citlivá na poškození krystaly ledu. I v případě masa však dochází při nevhodném způsobu zmrazování k nežádoucím vlivům s ke ztrátě exudátu při rozmrazování. Tyto změny se projeví zhoršení křehkosti masa. Míra poškození pletiv nebo tkání závisí v první řadě na rychlosti zmrazování, v případě rychlého zmrazování se vytvoří velké množství malých krystalů, zatímco pomalé zmrazování vede ke tvorbě menšího množství větších krystalů, které postupně mohou narušit okolní buňky. Při růstu větších krystalů, které se v určité fázi růstu dotýkají stěny buněk, začíná být voda odebírána také z buněk, které se postupně vysušují. Při rozmrazování pak voda nehydratuje původní struktury, ale vytéká jako exudát. Zahušťování obsahu buněk a

23 23 mechanický vliv rostoucího krystalu může postupně vést až k prasknutí buňky a vylití jejího obsahu. Velmi rychlé zmrazování je také spojeno s negativními důsledky, na povrchu se vytvoří krust, která brání zvětšování růstu objemu narůstající objem krystalů ledů je kompenzován porušením vnitřních buněčných struktur uvnitř potraviny. Uvedený jev má za následek vyšší míru porušení struktury než v případě pomalejšího zmrazování s vyrovnanějším průběhem sdílení tepla. Vedle optimalizace rychlosti zmrazování (rychlost proudění vzduchu, dávkování kryogenního chladiva, velikost vrstvy, vsádka potraviny apod.) je možné zlepšit průběh zmrazování zvýšením osmotického tlaku ve zmrazované potravině např. proslazením ovoce nebo nasolením potravin před zmrazováním. Vliv mrazírenského skladování Všeobecně při mrazírenském skladování jsou potraviny uchovávány v podmínkách pod teplotami růstu většiny mikroorganismů, zmrazování neinaktivuje enzymy, enzymové reakce zvolna probíhají i v mrazírenských podmínkách, kromě enzymů přítomných v potravinách se uplatňují také extrucelulární enzymy produkované mikroflórou před zmražením potraviny. Zmražení přímo neinaktivuje mikroorganismy, přesto vlivem nízkých teplkot mohou hynout. Vyšší inaktivační účinek na přítomnou mikroflóru mají teploty v rozsahu -4 až -10 C než nižší teploty od -15 do -30 C. Různé typy mikrorganismů jsou různě citlivé k nízkým teplotám, obecně gramnegativní bakterie, např. koliformní a rod Salmonella jsou snadněji poškozeny v podmínkách mrazírenského skladování potravin, naopak grampozitivní bakterie (např. St. aureus, enterokoky) a spóry plísní jsou odolnější. Bakteriální spóry např. spóry klostridií a bacilů nejsou nízkou teplotou prakticky nijak ovlivněny. Většina zeleniny a ovoce prochází před zmrazováním tepelným zákrokem k inaktivaci enzymů (blanšírováním), ošetření parou nebo ponoření do horkého roztoku soli či cukru kromě enzymů inaktivuje i velký podíl kontaminující mikroflóry. Často se zejména u citlivých druhů ovoce používá ošetření vodou s přídavkem desinfekčních prostředků (Persteril apod.). Dlouhodobým skladováním v mrazírenských podmínkách dochází k pomalým chemickým a enzymovým změnám. Degradace barviv. Chloroplasty a chromoplasty rostlinných pletiv jsou porušeny a chlorofyl pomalu degraduje (feofitinace). Chlorofyl a je o něco méně stabilní než chlorofyl b,

24 24 proto je možné posuzovat podmínky skladování i podle, poměru obou typů chlorofylu ve zmražených produktech. Z dalších barviv dochází ke změnám antokyanů v důsledku změn hodnoty ph vlivem zkoncentrování buněčných tekutin zmražením vody. Ztráty vitamínů. Ve vodě rozpustné vitamíny (např. kyselina askorbová, kyselina pantotenová) degradují. Pokles obsahu je způsoben jednak chemickými reakcemi, např. v případě kyseliny askorbové oxidačními reakcemi a reakcemi neenzymového hnědnutí a taká ztrátami se šťávou (exudátem). Chemické reakce jsou závislé na teplotě, za vyšších teplot jsou ztráty vyšší (např. u zeleniny zvýšení teploty o 10 C vede ke zvýšení ztrát kyseliny askorbové šestkrát až dvacetkrát). Větší část poklesu obsahu vitamínů a dalších nutričně významných složek je způsobena ztrátami exudátem, zejména v případech, kdy uvolněná šťáva není konzumována. Enzymové reakce. V nedostatečně blanšírované zelenině a v ovoci probíhají během mrazírenského skladování nežádoucí enzymové procesy, zejména výše uvedené reakce enzymového hnědnutí, reakce lipoxygenáz, které způsobují vznik přípachů a pachutí, proteolytické a lipolitické změny v mase přispívají k nežádoucím změnám textury a smyslových vlastností masa během dlouhodobého skladování. Oxidace tuků. Autooxidační reakce tuků, které jsou významné zejména pro potraviny s vyšším obsahem tuků, pomalu probíhají také během mrazírenského skladování. Rychlost kromě skladovací teploty závisí také na přístupu kyslíku, přístupu světla (UV složky světla) a na době skladování. Oxidační reakce vedou ke vzniku přípachů a pachutí. Rekrystalizace Během skladování zmražených potravin dochází ke změnám struktury krystalů ledu, změny jsou trojího typu: a) změny tvaru krystalu (mění se tvar a vnitřní struktura krystalu tak, že sklesá poměr povrchu k jeho objemu), b) dva dotýkající se krystaly se spojí v jeden, c) zvyšuje se průměrná velikost krystalů ledu a snižuje jejich počet. Posledně uvedená tzv. migrační rekrystalizace je nejvýznamnější a je ovlivněna zejména kolísáním teploty skladování. Může být příčinou narušení struktury potravin, i takových, které byly dostatečně rychle zmrazovány ve správně fungujících výkonných zařízeních. Kromě změn velikosti krystalů dochází při mrazírenském skladování k sublimaci krystalů ledu z povrchu potravin vlivem nízké relativní vlhkosti vzduchu uvnitř chlazeného prostoru (vodní pára ze vzduchu kondenzuje a namrzá na výparníku, nebo chlazených stěnách). Postižená místa se vyznačují světlejší barvou a mikroskopickými mezerami po

25 25 původně přítomných krystalech ledu. Prevencí proti uvedenému jevu je skladování zabalených potravin, obal zabrání ztrátám vody. Skladovatelnost Mrazírenské skladování při dodržení podmínek málokdy vede ke vzniku zdravotních nebezpečí pro spotřebitele, pravděpodobně také proto je obtížné definovat jaké vlastnosti má potravina mít na konci trvanlivosti, aby bylo možné určit její skladovatelnost. Vedle obecných definic direktiv EU nebo podkladů IIF (l Institute International du Froid) je jako objektivnější přístup přijímána definice praktické trvanlivosti (Practical storage life - PSL nebo Highquality life HQL) jako doba skladování, po kterou je produkt přijatelný pro spotřebitele. PSL je definována jako doba skladování, za kterou se projeví statisticky významné odchylky v senzorických vlastnostech od původního produktu (na hladině významnosti P<0,01). PSL není totéž co trvanlivost výrobku (tj. doba skladování po kterou je akceptovatelný pro spotřebitele), která může třikrát až šestkrát delší než PSL. Tabulka XI: Skladovatelnost masa a zeleniny vyjádřená jako PSL (maso) a HQL (zelenina) Potravina Praktická skladovatelnost PSL resp. HQL (měsíce) -12 C -18 C -24 C Hovězí Mleté hovězí Vepřové Slanina plátky Kuřata 9 18 >24 Játra Zelený hrášek 1 3,1 9,8 Květák 0,4 2 9,7 Fazolky ,1 Špenát 0,76 1,9 6,2 Rozmrazování Při rozmrazování vodou nebo vzduchem se teplo dostává do potraviny zvenčí, voda má nižší tepelnou vodivost a tepelnou difuzivitu než led, čím je vrstva vody silnější, tím hůře probíhá sdílení tepla dovnitř potraviny, proto je rozmrazování déletrvající proces než zmrazování. Nejprve teplota ledu poměrně rychle stoupá do dosažení teploty tání, poté následuje poměrně dlouhá doba, při které je teplota rozmrazovaného produktu těsně pod teplotou tání, v této fázi dochází k uvolnění buněčných šťáv a dalších tekutin z ledem

26 26 porušených tkání nebo pletiv. Ztráty tekutin jsou hlavní příčinou nutričních změn zmrazovaných potravin, např. u vitaminů mohou dosahovat až 30 % původního obsahu. Kromě uvedených ztrát je šťáva vhodným prostředím pro nežádoucí enzymové a zejména mikrobiologické procesy. Proces rozmrazování ovlivňuje kvalitu potravin stejně jako způsob zmrazování a podmínky mrazírenského skladování, je nezbytné rozmrazovat tak, aby se minimalizovaly ztráty tekutin, aby voda z tajícího ledu mohla hydratovat původní struktury, ze kterých byla při zmrazování vymražena. Obecně by rozmrazování mělo být vedeno co nejpomaleji, je výhodné využití mikrovlnného ohřevu, při kterém na rozdíl od klasického rozmrazování vodou nebo vzduchem je energie absorbována také uvnitř potraviny. Komerčně se rozmrazování provádí např. ve vakuových komorách kondenzující parou, teplou vodou (asi 20 C), vlhkým vzduchem který cirkuluje kolem potravin apod.

27 Osmoanabiosa Osmoanabiosa zahrnuje konzervační metody založené na snižování obsahu využitelné vody v potravině (snižování aktivity vody) a na zvyšování osmotického tlaku. Mezi metody osmoanabiosy patří: Sušení horkým vzduchem kontaktním sušením sublimačním sušením Zakoncentrování odpařováním membránovými procesy vymražováním Proslazování Solení Snižování množství dostupné vody se uplatňuje také u zmrazování potravin, při kterém je snížení dosaženo v důsledku změny skupenství významného podílu vody v potravinách, ještě významnějším konzervačním zákrokem je však v tomto případě snížení teploty. Zejména sušení patří k nejstarším konzervačním metodám, které člověk používá, schopnost sušených semen, obilek, oddenků nebo plodů ovoce odolávat procesu kažení byla známa patrně již předchůdci člověka, samotné sušení zemědělských plodin ve velkých objemech bylo využíváno v celé historii vývoje člověka. Zřejmě o něco později bylo sušení využíváno ke konzervaci dalších potravin a potravinářských surovin (masa, ryb, mléka), rovněž o něco mladší je také snižování obsahu využitelné vody přídavkem vodu vázajících látek cukru, polysacharidů, soli apod.

28 28 Voda v potravinách Obsah vody v potravinách je proměnlivý, závisí na složení surovin, na použité technologii, obvykle tvoří 50 až 90 % hmotnosti surovin (rostlinného i živočišného původu), zbytek je tzv. sušina (rozpustná a nerozpustná). Tabulka XII: Obsah vody v různých potravinách Potravina Obsah vody (%) Potravina Obsah vody (%) maso vepřové med, sirupy maso hovězí cukr (sacharóza) 0 0,5 maso kuřecí ovoce, džusy maso rybí zelenina mléko kravské brambory sýry luštěniny vejce 74 obiloviny 1 14 žloutek 49 chléb bílek 88 těstoviny 9 12 máslo, margaríny ořechy 3 6 olej, sádlo 0 0,5 pivo Tabulka XIII: Změny obsahu vody během zpracování vybraných potravin Potravina Obsah vody (%) Potravina Obsah vody (%) vepřové maso brambory syrové 68 syrové 80 pečené 55 vařené ve slupce 80 smažené 53 vařené bez slupky 83 rybí maso (treska) sušená 8 bramborová kaše syrové 81 předsmažené hranolky 74 konzervované 79 smažené hranolky 55 smažené 65 smažené lupínky 2 sušené (solené) jablka mléko čerstvá po sklizni, skladovaná syrové 87 vařená s cukrem 80 pasterované 87 sušená 24 zahuštěné neslazené 74 jablečná šťáva 88 kondenzované 27 cibule slazené sušené 4 syrová 89 vařená 92 smažená 42 sušená 4

29 29 Princip osmoanabiosy Z přehledu potravin je zřejmé, že potraviny s nižším obsahem vody jsou údržnější a vydrží déle, avšak kromě samotného obsahu vody záleží také na složení potraviny, protože například med je údržný při obsahu vody kolem 20%, zatímco např. obiloviny při stejném obsahu vody by jistě podlehly mikrobiálnímu rozkladu. Zkazitelnost potraviny nezávisí na celkovém obsahu vody, ale na obsahu tzv. volné vody, kterou mohou mikroorganismy využívat. Mikroorganismy potřebují vodu pro transport živin, k odstraňování metabolitů z buněk. Voda přítomná v potravině je volná a vázaná, vázaná voda je navázána na molekuly hydrokoloidů, na rozpuštěné látky, případně je poutána ve struktuře potraviny kapilárními silami. Volná voda není v potravině vázána, je využitelná pohybuje se v potravině a její množství vyjadřuje hodnota aktivity vody aw. Různé skupiny mikroorganismů jsou různě citlivé na aktivitu vody potraviny. Princip osmoanabiosy spočívá v cíleném snižování obsahu volné vody ve snižování aktivity vody v potravině, jedná se o konzervační metodu nepřímou, zákrokem nejsou nijak ovlivňovány přímo buňky (např. usmrcovány), ale zhoršují se podmínky pro jejich život, v důsledku nedostatku vody se přestávají množit, tlumí se jejich metabolické projevy, u velmi suchých potravin (např. sušené mléko) dochází po několika měsících k zániku (počty kontaminujících buněk se postupně snižují). Na druhé straně je nutno chápat osmoanabioticky konzervované potraviny jako potenciální zdroj kontaminace, významné je to například u koření (sušených částí rostlin), které mohou výrazně zvýšit mikrobiální kontaminaci např. masných výrobků, lahůdek apod. Při výrobě citlivých produktů se s tímto musí počítat a volí se další metoda ošetření, kterou jsou přítomné buňky usmrceny (např. ozařování koření gama zářením). Vedle snižování vodní aktivity pro mikroorganismy dostupné vody působí osmoanabiosa také zvyšováním osmotického tlaku. Kromě klasického sušení patří mezi osmoanabiotické metody také zakoncentrování, proslazování a solení, ve všech uvedených případech se snižováním aktivity vody se zvyšuje také osmotický tlak, buňky jsou nuceny být v prostředí s vyšším osmotickým tlakem, než je v buňkách. Buňka mikroorganismu musí bránit uniku vody ze svých do okolního prostředí, toto ji vyčerpává, neroste a postupně hyne.

30 30 Aktivita vody aw Voda je významnou složkou potravin, která zásadně ovlivňuje jejich fyzikálněchemické vlastnosti a podílí se na chemických, enzymových a mikrobiologických změnách probíhajících v potravinách. Rychlost změn v potravinách je ovlivňována jednak obsahem vody v potravině, jednak tím, jak je voda v potravině vázána. Voda může být v potravinách vázána chemicky, fyzikálně a mechanicky. Jedná se o vazby dipól-dipól, iontové vazby, vodíkové, iontové a hydrofobní můstky. Další možností vazby vody je povrchová interakce s nerozpustnými složkami, při níž se mohou uplatnit kapilární síly. Voda vázaná pevně je méně dostupná než voda slabě vázaná nebo než tzv. voda volná. Aktivita vody (aw) je měřítkem mobility vody v potravinách a její využitelnosti pro mikrobiální, enzymové a chemické změny. Aktivita vody se používá jako veličina pro odhad chemické a mikrobiální stability potravin. Na obrázku 4 je znázorněna závislost mezi relativní reakční rychlostí a aktivitou vody v potravinách. V rozmezí aktivity vody potraviny přibližně od 0,0 až 0,25 (oblast A) je voda pevně vázána, je nedostupná pro reakce, je v tzv. monomolekulární vrstvě. V rozmezí asi od 0,25 do 0,70 (oblast B) jde o vodu vícevrstvou a od aktivity vody okolo 0,70 (oblast C) je voda v kapilárách, volná, snadno dostupná. Obrázek 4: Závislost relativní reakční rychlosti na aktivitě vody v potravinách

31 31 Aktivita vody je definována vztahem a w p p w w0 kde pw je parciální tlak vodní páry nad roztokem (pevné látky, kapaliny nebo nad potravinou), pw0 je parciální tlak vodní páry čisté vody stejné teploty. Hodnota vodní aktivity je bezrozměrná veličina a pohybuje se v mezích hodnot 0 až 1. Je-li potravina v rovnováze s okolním vzduchem, je aktivita vody v potravině stejná, jako rovnovážná relativní vlhkost vzduchu (, vyjádřená v procentech se pohybuje v mezích %) a můžeme ji vyjádřit jako a w 100 Hodnota aktivity vody potravin se mění s vlhkostí resp. s teplotou okolního vzduchu a neustále dochází k sorpci nebo desorpci vody. Aktivita vody při konstantním obsahu vody v potravině roste se zvyšující se teplotou, nárůst teploty o 10 C způsobí nárůst aktivit vody o asi 0,03 až 0,20. Uvedený jev může negativně ovlivnit stabilitu balených potravin, u kterých je obsah vody v systému stálý. V souvislosti s balenými potravinami, jejichž údržnost je dána snížením aktivity vody, je velmi významné zabránit kondenzaci vody na vnitřních stěnách obalu, ke které může docházet v důsledku balení příliš teplého produktu (např. pečivo), případně zabránit prudkým změnám teploty skladování balených výrobku. Při prudkém snížení skladovací teploty dojde k překonání tzv. rosného bodu teploty, při kterém dosáhne relativní vlhkost vzduchu uvnitř balení hodnoty nasycení (vlhkost vzduchu je 100%), po jejím dalším snížení kondenzuje voda nejčastěji na chladné vnitřní stěně folie. Kapičky vody pak mohou zvlhčit a významně zvýšit aktivitu vody v místě doteku s potravinou a zapříčinit rozvoj kazící mikroflóry, nejčastěji plesnivění. Všechny nežádoucí i žádoucí mikrobiální změny v potravinách mohou probíhat pouze tehdy, umožňuje-li vodní aktivita rozmnožování mikroorganismů. Většina bakterií je schopna se rozmnožovat v živných prostředích o aktivitě vody v rozmezí 0,99 0,93. Minimální aktivita vody kvasinek se pohybuje v rozmezí 0,88 0,91. Plísně se většinou rozmnožují za nižší aktivity vody než většina bakterií a kvasinek. Osmofilní plísně mají dolní limit aktivity vody 0,60. Mikroorganismy u potravin s aktivitou vody nižší než 0,60 se nerozmnožují, ani nerostou, ale přežívají po dlouhou dobu. U potravin s aktivitou vody 0,1 0,2 se mikroorganismy nerozmnožují, nerostou, jenom přežívají a jejich počet postupně klesá. Pro

32 32 bakteriální spory je minimální aktivita vody okolo 0,25. Tabulka XIV: Vliv aktivity vody na různé procesy v potravinách a w Projev Příklady potravin 1,00 Vysoce neúdržné čerstvé potraviny 0,95 Pseudomonas, Bacillus, Potraviny obsahující cca 40 % sacharosy Clostridium perfringens a nebo 70 % vody, některé kvasinky jsou masné výrobky, chléb inhibovány 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 Spodní limit pro bakteriální růst (obecně), Salmonella, Vibrio parahaemolyticus, Clostridium botulinum, Lactobacillus a některé kvasinky a plísně jsou inhibovány Většina kvasinek je inhibována Spodní limit pro aktivitu většiny enzymů a růst většiny hub; je úplně inhibován růst Staphylococcus aureus Spodní limit pro halofilní bakterie Spodní limit pro růst většiny xerofilních hub Maximální rychlost Maillardových reakcí Spodní limit pro růst osmofilních nebo xerofilních kvasinek a hub Potraviny obsahující cca 55 % sacharosy nebo 12 % soli, sušená šunka, tvrdé sýry, potraviny se středním obsahem vody Potraviny obsahující cca 65 % sacharosy nebo 15 % soli, fermentované salámy, zrající sýry, margarín Potraviny obsahující cca % vody, mouka, rýže, slazené kondenzované mléko, ovocné sirupy, fondánové hmoty Potraviny obsahující cca % vody Marcipán, džemy, ovocné pomazánky Melasa, pražené ořechy Potraviny obsahující cca % vody Sušené ovoce, karamely, med 0,50 Sušené potraviny, koření, těstoviny 0,40 Minimální rychlost Potraviny obsahující cca 5 % vody, oxidačních reakcí sušená melanž 0,30 Potraviny obsahující cca 3 5 % vody, crakery, kůrka chleba 0,25 0,20 Maximální termorezistence bakteriálních spor Potraviny obsahující cca 2 5 % vody, sušené mléko, sušená zelenina, kukuřičné lupínky, sušenky Potřebná ochrana potraviny Obal k zamezení ztráty vody odparem Minimální ochrana, hodnoty relativní vlhkosti vzduchu odpovídají aktivitě vody Obal k zamezení vlhnutí z prostředí

33 33 Tabulka XV: Požadavky vybraných potravinářsky významných mikroorganismů na hodnotu aktivity vody aw bakterie kvasinky plísně 0,96 Pseudomonas 0,95 Salmonela Escherichia Bacillus Clostridium 0,94 Lactobacillus Pediococcus Mycobacterium 0,93 Rhizopus Mucor 0,92 Rhodotorula Pichia 0,90 Micrococcus Saccharomyces Hansenula 0,88 Candida Cladosporium Torulopsis 0,87 Debaryomyces 0,86 Staphylococcus 0,85 Penicillium 0,65 Asoergillus 0,62 Zygosaccharomyces 0,60 Xeromyces Tabulka XVI: Vliv aktivity vody na různé procesy v potravinách aw Projev Příklady 1,00 vysoce neúdržné čerstvé potraviny 0,95 Pseudomonas, Bacillus, Clostridium perfringens a některé kvasinky jsou inhibovány 0,90 Spodní limit pro bakteriální růst (obecný), Salmonella, Vibrio parahaemolyticus, Clostridium botulinum, Lactobacillus a některé kvasinky a plísně jsou inhibovány potraviny obsahující ca 40 %cukru, nebo 7% vody, např. masné výrobky, chléb potraviny obsahující cca 55 % sacharózy, nebo 12 % soli, sušená šunka, tvrdé sýry, potraviny se středním obsahem vody (aw = 0,90 0,55) 0,85 Většina kvasinek je inhibována potraviny s 65 % sacharózy, 15 % soli, fermentované salámy, zrající sýry, margarin 0,80 Spodní limit pro aktivitu většiny enzymů a růst většiny hub; je úplně inhibován růst Staphylosoccus aureus mouka, rýže (15 17 % vody), slazené kondenzované mléko, ovocné sirupy, fondánové hmoty 0,75 Spodní limit pro halofilní bakterie marcipán (15 17 % vody, džemy 0,70 Spodní limit pro růst většiny xerofilních hub 0,65 maximální rychlost Maillardových reakcí melasa, pražené ořechy 0,60 Spodní limit pro růst osmofilních nebo sušené ovoce (15 20 % vody), xerofilních kvasinek a hub karamely, med 0,50 Sušené potraviny (aw = 0 0,55),

34 34 koření, těstoviny 0,40 Minimální rychlost oxidačních reakcí sušená melanž (5 % vody) 0,30 kvekry, kůrka chleba (3 5 % vody) 0,25 Maximální termorezistence bakteriálních spor 0,20 sušené mléko (2-3 % vody), sušená zelenina (5% vody), kukuřičné lupínky (5% vody) Aktivitu vody je možné měřit aw-metry, které pracují na různých principech. V praxi je používána tzv. gravimetrická metoda, která spočívá ve sledování změn obsahu vody a aktivita vody je odečítána ze sorpční izotermy připravené pro daný materiál. Častější je využití elektrických vlhkoměrů, které jsou buď kapacitní (sleduje se kapacitance polymerního kondenzátoru v měřicí komoře jako funkce vlhkosti) nebo vodivostní (senzorem je elektrolytický článek, zahrnující vrstvičku hygroskopického materiálu, jehož vlastnosti se mění v závislosti na vlhkosti okolního prostředí). Méně je používána metoda manometrická (přímé měření tlaku vodní páry ve vakuovaných nádobách s nutností pracovat při nízkých teplotách a s citlivými manometry). Dalším typem zařízení jsou vlhkoměry založené na měření rosného bodu. Teplota, při které se dosáhne nasycení vzduchu vodními parami a začne kondenzace vody na povrchu chlazeného zrcátka, je úměrná tlaku vodních par. Fotodetekce kondenzace na chlazeném zrcátku spolu s přesným měřením teploty zrcátka umožní zjištění relativní vlhkosti vzduchu v komůrce se vzorkem. Vztah mezi obsahem vody v potravině a rovnovážnou relativní vlhkostí prostředí nebo aktivitou vody v potravině popisuje tzv. sorpční izoterma potraviny. Sorpční izotermy pro mnoho potravin vykazují typický esovitý tvar, viz obrázek 5. Různé potraviny mají různý tvar sorpčních izoterem v závislosti na fyzikální mikrostruktuře a makrostruktuře, kvalitativním a kvantitativním chemickém složení a distribuci chemických složek. Znalost průběhu sorpční izotermy může být užitečná, např. pro odhad aktivity vody podle stanovení obsahu sušiny, může napomoci posoudit citlivost dané suroviny, polotovaru nebo produktu ke změnám relativní vlhkosti vzduchu v prostoru manipulace a skladování. Při konstrukci izotermy je v některých případech významné, zdali se jedná o sorpční izotermu desorpční nebo adsorpční, jejichž průběh se pro některé druhy potravin liší. Příklady sorpčních izoterem sušených potravin jsou znázorněny na obrázku 5.

35 35 Obrázek 5: Sorpční izotermy sušených potravin (měřeno při teplotě 25 C) Kromě posouzení průběhu sorpční izotermy mohou být hodnoty aktivity vody a obsahu sušiny využity ke zjištění dalších vlastností potraviny. Například proložením získaných bodů rovnicí, tzv. BET (Brunauer-Emmet-Teller) izotermou, je možné vypočítat množství vody odpovídající monomolekulární vrstvě. Rovnice BET izotermy: a c 1 w w 1 1 a w 1 a M M c M c 1 kde aw je aktivita vody, c je konstanta související s adsorpčním teplem, M je obsah vody vyjádřený jako % sušiny, M1 je obsah vody vyjádřený jako % sušiny při obsazení všech aktivních míst k vytvoření monomolekulární vrstvy vody. BET izoterma slouží hlavně k určení tzv. BET bodu - množství aktivních míst, tj. kriteria k posouzení do jaké míry je daná potravina schopná vázat vodu. Tyto hodnoty jsou např. pro želatinu a škrob 11 g/100 g sušiny, krystalickou sacharosu 0,4 g/100g, nakrájené brambory 6 g/100 g sušiny, sušené mléko 3 g/100 g sušiny.

36 Sušení Sušení zahrnuje současné přívod tepla k sušenému materiálu a odvedení vlhkosti. Základní principy sušení jsou sušení vzduchem - vzduch přivádí teplo a odvádí vodní páru, a sušení kontaktní, kdy přívod tepla sušenině zajišťuje vyhřívaný povrch (např. válcové sušárna). Při sušení je možné přivést teplo také prostřednictvím mikrovlnné energie, nebo energie radiových vln tyto postupy jsou popsány v kapitole věnované konzervaci teplem v části popisující další aplikace různých forem ohřevu potravin). Zvláštním příkladem sušení je sušení sublimační (kryosikace, nebo lyofilizace). Sušení vzduchem Schopnost vzduchu absorbovat vodní páru závisí na: množství vodní páry obsažené v sušícím vzduchu teplotě sušícího vzduchu objemu vzduchu omývající sušené potraviny Množství vodní páry ve vzduchu je možné vyjádřit buď ve formě absolutní vlhkosti (obsah vody) nebo jako relativní vlhkost vzduchu v %. Studiu vztahů v systémech vzduch - vodní pára se věnuje věda psychrometrie, obecné vlastnosti systému vyjadřuje psychrometrický diagram. Teplo přiváděné vzduchem je absorbováno sušenou potravinou a odpovídá jednak teplu potřebnému k ohřevu potraviny na teplotu sušení a zejména představuje výparné teplo nutné ke změně skupenství vody. Teplota sušícího vzduchu je charakterizována teplotou suchého teploměru (obvyklá teploměr v proudu sušícího vzduchu) a teplotou tzv. mokrého teploměru (teploměr s vlhkým návlekem), jehož teplota je snižována odnímáním tepla potřebného k odpařování vody. Rozdíl mezi uvedenými dvěma teplotami umožňuje určit relativní vlhkost sušícího vzduchu z psychrometrického diagramu. Relativní vlhkost sušícího vzduchu je významnou veličinou pro řízení procesu sušení, zvýšení teploty vzduchu nebo snížení jeho relativní vlhkosti urychluje odpařování vody z povrchu potraviny. Další významný údaj je rosný bod (teplota rosného bodu), teplota, při které je vzduch nasycen vodní parou a jeho relativní vlhkost je 100 %, další ochlazování vede ke kondenzaci vodní páry.

37 37 Třetím faktorem ovlivňujícím rychlost sušení kromě teploty vzduchu a jeho relativní vlhkosti je rychlost proudění vzduchu. Když horký vzduch proudí kolem vlhké potraviny, vodní pára difunduje malou vrstvou nepohybujícího se vzduchu, který ji obklopuje a je unášena proudící vzduchem. Mezi nepohybující se vrstvou vzduchu obklopující potravinu a proudícím vzduchem se vytváří gradient v koncentraci vodní páry, který urychluje sušení. Vrstva nepohybujícího se vzduchu tvoří bariéru pro přenos tepla i vodní páry, její šířka závisí na rychlosti proudícího vzduchu. Pokud je rychlost proudění nízká, je bariéra větší a zpomaluje jak transfer tepla, tak i vodní páry. Vodní pára zůstává u povrchu potraviny, zvyšuje vlhkost vzduchu obklopujícího potravinu a tím snižuje gradient koncentrace vodní páry a rychlost sušení. Proto platí, čím rychleji sušící vzduch proudí, tím tenčí je bariéra nepohybujícího se vzduchu a vyšší rychlost sušení. V souhrnu tři hlavní vlastnosti sušícího vzduchu pro úspěšné sušení vlhkých potravin jsou: Přiměřeně vysoká teplota vlhkého teploměru Nízká relativní vlhkost Vysoká rychlost proudění Pro výpočty sušení je vlhký vzduch považován za směs vodní páry (relativní molová hmotnost 0,018 kg/mol) a suchého vzduchu (střední relativní molová hmotnost 0,02898 kg/mol). Vzduch je popisován hodnotami těchto veličin: P celkový tlak (Pa); t teplota ( C), případně podle potřeby alternativně T absolutní teplota (K); p parciální tlak vodní páry ve vlhkém vzduchu (Pa); pˆ tlak nasycených par nad hladinou vody, případně nad ledem (Pa). Tlak nasycených par pˆ je rostoucí funkcí teploty. Obsah vodní páry ve vzduchu nemůže stoupnout natolik, aby byl tlak par vody ve vzduchu vyšší, než tlak nasycených par. Vlhkost vzduchu se vyjadřuje, kromě výše definovaného parciálního tlaku, některou z těchto veličin: Y měrná vlhkost vzduchu (kg vodní páry/kg suchého vzduchu), dále (kg v./kg suchého vzduchu), kterou lze vypočítat z výše uvedených tlaků P, p a předpokladu o směsi ideálních plynů a relativní molové hmotnosti jako p Y 0, 622. P p Relativní vlhkost (%) je definována jako poměr aktuálního parciálního tlaku vodní páry a tlaku nasycených par při téže teplotě vyjádřený v procentech, 100 p. pˆ ( t )

38 38 Při ochlazování vzduchu zůstává tlak par vody p konstantní, zatímco tlak nasycených par pˆ vystupující ve jmenovateli zlomku klesá, takže relativní vlhkost vzduchu roste. Rosný bod tr ( C) je teplota, na kterou se musí vzduch ochladit, aby parciální tlak vodní páry byl právě roven tlaku nasycených par ("rosný bod" od toho, že při dalším poklesu teploty nastanou podmínky pro kondenzaci, "rosení" páry ze vzduchu). Jestliže vzduch o parametrech P, t, p proudí kolem teploměru, který je v textilní punčošce ovlhčené vodou, pak údaj teploměru je tzv. teplota mokrého teploměru tw ( C), která je pro relativní vlhkosti vzduchu pod 100 % nižší než teplota vzduchu t. O teplotě vzduchu t se někdy hovoří jako o teplotě suchého teploměru td. Z údajů t a tw lze opět vyhodnotit ostatní vyjádření vlhkosti vzduchu pomocí tzv. psychrometrické tabulky, která obvykle uvádí vztah mezi teplotou vzduchu t, rozdílem teplot vzduchu a mokrého teploměru t - tw a relativní vlhkostí vzduchu. Důležitou veličinou pro modelování sušicího procesu je měrná entalpie i [J/((kg s.v.).k), která se obdobně jako měrná vlhkost vztahuje na kilogram suchého vzduchu. Tato měrná entalpie je pak dána vztahem i (( t) t ( t) Y Poslední vlastností vlhkého vzduchu potřebnou pro popis sušení je hustota vlhkého vzduchu (kg/m 3 ), kterou lze vyjádřit za předpokladů výše uvedené rovnice jako 1 Y P. 0,622 Y 461,5 T Pro daný tlak vlhkého vzduchu P je jeho stav zcela charakterizován hodnotami libovolných dvou veličin z výše definovaných t, tw, tr,, p, Y, i. Vzhledem k tomu, že i bod v rovině je zcela charakterizován hodnotami dvou souřadnic, lze sestrojit nomogram, na kterém jsou pro konstatní tlak P vyneseny sítě izočar pro všechny uvedené veličiny. Určíme-li pak v tomto nomogramu bod jako průsečík příslušných izočar pro dvě veličiny, jejichž hodnotu známe, pak můžeme z nomogramu odečíst hodnoty všech ostatních uvedených veličin. Tento nomogram se označuje jako i-x diagram, Mollierův diagram, případně Ramzinův diagram a pro manuální výpočty sušení se široce používá. Tyto diagramy jsou konstruovány pro konstantní atmosférický tlak vzduchu; nejčastěji pro tlak 100 kpa, což odpovídá zhruba průměrnému tlaku ve výšce 111 m nad mořem. Příkladem Mollierova diagramu je následující obrázek 6.

39 39 Obrázek 6: Entalpický diagram vlhkého vzduchu Na vodorovné ose grafu je stupnice pro měrnou vlhkost Y vyjádřenou v kg vodní páry obsažených v 1 kg suchého vzduchu. Tato stupnice vyznačuje síť svislých izočar, které jsou vyneseny teprve nad tzv. čarou sytosti. Stupnice na svislé ose grafu označuje síť vodorovných izoterem, tj. stavů s konstantní teplotou vzduchu. Stupnice na svislé ose grafu rovněž označuje siť šikmo dolů padajících izoentalp, tj. stavů s konstantní měrnou entalpií vzduchu. Stupnice vedoucí šikmo vzhůru středem grafu a pokračující na pravé straně grafu vyznačuje rovněž měrnou entalpii a teplotu mokrého teploměru, pouze usnadňuje orientaci v síti izočar různých veličin. Síť křivek označených od 10 do 90 % tvoří izočáry pro konstantní hodnoty relativní vlhkosti vzduchu. Neoznačená křivka oddělující dolní a horní část grafu je tzv. čára sytosti, tj. izočára, na které je relativní vlhkost = 100 %.

40 40 Příklad: U sušicího vzduchu byly naměřeny následující teploty: teplota suchého teploměru t = 20 C, teplota mokrého teploměru tw = 13 C. Z Mollierova diagramu určete: a) relativní vlhkost sušícího vzduchu ( ), b) teplotu rosného bodu sušícího vzduchu (tr). a) Řešení je znázorněno na obrázku 7: td = 20 C, tw = 13 C (teplota mokrého teploměru se získá při adiabatickém zvlhčování vzduchu až na relativní vlhkost 100 %). Průsečíkem izotermy pro tw = 13 C a křivky pro RV = 100 % se vede adiabata, která se protne s izotermou pro td = 20 C. V tomto bodu se odečte relativní vlhkost sušicího vzduchu = 45 %. Obrázek 7: Entalpický diagram vlhkého vzduchu určení relativní vlhkosti sušícího

41 41 b) K dalšímu postupu se využije nalezená hodnotu relativní vlhkosti. Řešení je ukázáno na obrázku 8. t = 20 C, = 45 %, teplota rosného bodu se získá, jestliže vzduch se ochlazuje při konstantní měrné vlhkosti až na stav nasycení ( = 100 %). Průsečíkem izotermy pro t = 20 C a křivky pro = 45 % se vede svislá přímka (chlazení při konstantní měrné vlhkosti), která se protne s křivkou pro = 100 %. Z tohoto bodu se vede izoterma a odečte se teplota rosného bodu sušicího vzduchu tr = 8 C. Obrázek 8: Entalpický diagram vlhkého vzduchu určení rosného bodu sušícího vzduchu. Sušený materiál (sušenina) se pro základní výpočty sušení charakterizuje obdobně jako vzduch, tj. považuje se za dvousložkový systém složený ze sušiny a vlhkosti, takže m m s m w kde m hmotnost sušeného materiálu (sušeniny) (kg); ms hmotnost sušiny (kg), mw hmotnost vlhkosti v sušenině (kg). Koncentrace vody v sušenině se pak definuje jako