Mražení

Hlavní technologické operace pro
dlouhodobou konservaci
potravin :
mražení
5. přednáška část 2
listopad 2012

Mražení potravin
• Ochlazování = chlazení a mražení: Odnímání zjevného či
latentního tepla použitím mechanických chladících zařízení
(domácí chladničky, chladící/mrazící průmyslová zařízení,
chlazení vzduchem (proudové chladírny/mrazáky) vs „prudké“
mražení, kryogenní mražení, mrazírny).
• „Tvorba chladu“ vs. „přenos chladu“.
• Mražení: tvorba krystalů ledu v potravině. Nukleace vs. růst
krystalů. Rychlé vs. pomalé zmrazování.
• Vliv mražení na potraviny: textura, krystaly ledu (někdy i
dalších komponentů např. laktosy ve zmrzlině), ztráty
odkapáním, chuť, chemické změny, životaschopnost
mikroorganismů. Poškození sublimací.

Fyzikální vlastnosti vody - mražení
• Tři skupenství vody – pevné, kapalné, plynné (“pára”)
• Změna skupenství var - kondensace
• Bod varu vody závisí na tlaku (100 o C @ 1 atm = 101.3 kPa)
• Mrznutí – tání: prakticky nezávislé na tlaku
• Bod mrznutí čisté vody : 0 o C …roztoku… ???...ovlivňují
rozpuštěné látky a jejich koncentrace
• Změna stavu spotřebuje či uvolní energii
• Skupenské teplo tání = 80 kcal/kg
• Měrné teplo vody = 1 kcal/kg/ o C
• Měrné teplo ledu = poloviční než vody
• Tepelná vodivost:
skupenství kapalné (voda) = 0.6 J/m.s. o C
skupenství pevné (led) = 2.25 J/m.s. o C

NuFS 454
Freezing of Biological Systems
Podle pramenů které poskytl
Prof. Dr. Locksley McGann
Locksley.mcgann@ualberta.ca
23+9

Zmrazování vodných roztoků
• Separace fází
– Pevná, krystalická fáze
– Tekutá fáze s koncentrovanými rozpuštenými
látkami
• Bod tuhnutí
- 0 o C pro čistou vodu
- pro roztok = podle Raoultova zákona:
• Raoultův zákon pro mražení:
T = - 1.86 . M . n

Raoultův zákon - mražení
• Vliv rozpuštěných látek na fyzikální vlastnosti závisí na POČTU
molekul v jednotkovém množství rozpouštědla.
• Jednotkou koncentrace v systému SI je MOLALITA (# of
moles / 1000 g rozpouštědla (tj. vody)
• Molální konstanty: FPD = -1.86 o C/mol
BPE = +0.51 o C/mol
• Raoultův zákon pro mražení:
T = - 1.86 . M . n

Freezing Point (°C)
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
Fázový diagram
Binárni směs, např. sacharosa ve vodě
H 2O křivka mražení
Roztok (20% sacharosy)
Bod tuhnutí - tání
Složení kapalné fáze při -5°C
Mražení roztoku…
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Solute Composition (%w/w)
Rozpustnost
sacharosy
Eutektický bod

Komplexní systémy
• Pro roztoky s více složkami:
– Některé složky se vyloučí
– Eutektická teplota
– Konečné eutektikum – sklovitá struktura kdy
zbývající tekutá fáze se přemění na tuhou bez
tvorby krystalů

Zmrazování vodných roztoků
• Separace fází
– Pevná, krystalická fáze
– Tekutá fáze s koncentrovanými rozpuštěnými
látkami
• Přeměna fází:
– Latentní teplo tuhnutí
– Latentní teplo tání

Temperature (°C)
10
5
0
-5
-10
-15
-20
Přechlazení
Křivka zmrazování
Bod tání/tuhnutí
Nukleace ledových krystalů
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Time (minutes)

Vliv mražení v biologických systémech
• Voda expanduje při změně skupenství
• Lokalizace ledu v biologických materiálech
– Vně buněk (v mezibuněčném prostoru)
– Uvnitř buněk
• Rozpuštěné látky se koncentrují v
residuálním kapalném roztoku

Freezing of a cell suspension
+°C
-°C
water
ice
cells
cells
water
solutes
solutes

• Rekrystalizace ledu
• Pohyb vodné fáze
Vlivy během tání
– Pronikání do buněk (osmosa)
– Akumulace v systému či odkap

Dopad na buněčné systémy
• Chování buněk - životnost
• Proč je životnost buněk důležitá?
– Bakterie, kvasinky, mikrobiální kultury
– krvinky
– Orgány pro transplantaci
• Kryoprotekční látky - Cryoprotectants
– Penetrující – nepenetrující
– V medicíně a v potravinářství

Vliv pomalé změny teploty při
mražení na buněčné tkáně :
• rozpuštěné materiály se koncentrují uvnitř
• koncentrovaný roztok je velmi „korozivní“
• buňky se zmenší pod limit tolerance
• Mechanické tlaky expandujících krystalů ledu
• Osmotický stres při rehydrataci

Vliv rychlé změny teploty při
mražení na buňky:
• Nukleace intrabuněčného ledu……
• ……Vede ke ztrátě životnosti (proč???)
• Osmotický stres na buněčnou membránu
• Krystaly ledu prorůstající póry membrány
• Rekrystalizace vnitrobuněčného ledu
• Stres při akumulaci vody při tání
vnitrobuněčného ledu

Dvoufaktorová hypotéza
nepříznivých vlivů mražení
• Při pomalé změně teploty buňky jsou
ovlivněny nepříznivým vlivem vnitřně
koncentrovaných látek (kyseliny, minerály)
• Při rychlé změně teploty buňky jsou ovlivněny
nepříznivým vlivem okolních podmínek
vedoucích k tvorbě vnitrobuněčného ledu
Snaha najít nejvhodnější rychlost změny
teploty pro minimalizaci obou faktorů

Cell Recovery (%)
100
50
Hypotetické přežívání buněk
0
0.1 1 10 100 1000
Cooling Rate (log scale)
cell damage from exposure
to the concentrated solution

Cell Recovery (%)
100
50
Hypotetické přežívání buněk
cell damage associated
with intracellular freezing
0
0.1 1 10 100 1000
Cooling Rate (log scale)
cell damage from exposure
to the concentrated solution

Cell Recovery (%)
100
50
Hypotetické přežívání buněk
cell damage associated
with intracellular freezing
net cell survival
0
0.1 1 10 100 1000
Cooling Rate (log scale)
cell damage from exposure
to the concentrated solution

Dopad na buněčné systémy
• Chování buněk – zvýšení životnosti
• Proč je životnost buněk důležitá?
– Bakterie, kvasinky, mikrobiální kultury
– krvinky
– Orgány pro transplantaci
• Kryoprotekční látky - Cryoprotectants
– Penetrující – nepenetrující
– V medicíně a v potravinářství

Kryoprotekční činidla (Cryoprotectants)
• snižují množství vytvořeného ledu
• Snižují koncentraci rozpuštěných škodlivých
materiálů
• Příklady
– Glycerol, dimethylsulfoxid (DMSO), propylen glykol

Freezing of a cell suspension
+°C
-°C
water
ice
cells
cells
water
solutes
solutes

+°C
-°C
Mražení buněčných suspenzí
water
ice
Without With
CRYOPROTECTANT
cells solutes cells
cells
CRYOPROTECTANT
water
solutes
cells
water
water
ice

Cell Recovery (%)
100
50
Hypotetické přežívání buněk
cell damage associated
with intracellular freezing
13
4
net cell survival
increasing
concentration
of cryoprotectant
0
0.1 1 10 100 1000
Cooling Rate (log scale)
cell damage from exposure
to the concentrated solution

Cell Recovery (%)
100
50
Hypotetické přežívání buněk
cell damage associated
with intracellular freezing
net cell survival
increasing
concentration
of cryoprotectant
0
0.1 1 10 100 1000
Cooling Rate (log scale)
cell damage from exposure
to the concentrated solution

Shrnutí – buňky za nízkých teplot 9
• Složení roztoku se mění při vymrazování vody
– Fázový diagram
• Reakce buněk na změny složení
– Uvnitř či vně buněk
• Rychlost ochlazování ovlivňuje reakci buněk
– Při pomalém ochlazování, ničivý efekt je způsoben
koncentrovaným roztokem škodlivých materiálů
– Při rychlém ochlazování, ničivý efekt je ovlivněn tvorbou
vnitrobuněčného ledu
• Kryoprotekční činidla zmírňují nepříznivý vliv
– Redukují množství vytvořeného ledu
– Redukují koncentraci škodlivých materiálů (elektrolytů)

Mražení potravin:
inženýrsko-technické hledisko 8
• přestup tepla (skupenské teplo tuhnutí) z potraviny
do okolí
• chladný vzduch o teplotě nižší než je bod tuhnutí
potravin
• mrazicí tunel - chladný vzduch (cca -20 o C) proudí
velkou rychlostí kolem mražené potraviny
• alternativně tekutý dusík (bod varu -197 o C). …
přeměna skupenství téměř okamžitá
• velmi malé krystaly… menším problémy v porušení
struktury mražených potravin

Mražení potravin – hledisko spotřebitele:
Problémy kvality mražených potravin
A) Mrazicí proces
B) dlouhodobá úchova mražených potravin
v mraženém stavu
• zvětšení objemu (9% pro čistou vodu);
• voda v potravinách - změna objemu závislá
na koncentraci roztoku, strukturálním a
buněčném uspořádání potraviny …

Vliv mrazicího procesu na kvalitu
mražených potravin – 4 typy 6
Reakce potravin na mražení se různí
• chléb, pečivo a pod…. mražení nemá vliv
• ovoce typu jahody, zelenina jako cibule, většina sýrů (a
podobných strukturovaných potravin): podstatné a často
nevratné změny.
• čerstvé plodiny, bakterielní kultury (rovněž krev atd…) vliv
vymrazování vody z jednotlivých buněk do mezibuněčného
prostoru…následné rozrušení buněčných stěn „korosivním“
koncentrovaným roztokem kyselin a solí …. použití mražení?
• problém není mražení ale dlouhodobé skladování

Vliv úchovy mražených potravin
na kvalitu
• pomalé odpařování vody z potravin
nedostatečně chráněných obalem před tímto
jevem (sublimace)
• pomalé enzymatické reakce (např. enzymatické
hnědnuti zmražených banánů)
• kolísání skladovací teploty = nežádoucí růst
vodných krystalů (častý problém u mražených
smetanových krémů)
• životnost vegetativních mikrobiálních buněk je
mražením ovlivněna jen částečně
• mražení a úchova čistých mlékařských kultur

Vliv mražení na strukturu – kori-tofu

Princip mechanické tvorby chladu

Mražené smetanové krémy - královská
pochoutka, komplexní systém

Děkuji za pozornost
Tato prezentace je spolufinancována z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky
28.11.2012 35