МОСКОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПРИКЛАДНОЇ БІОТЕХНОЛОГІЇ
КАФЕДРА ХОЛОДИЛЬНОЇ ТЕХНІКИ І ТЕХНОЛОГІЇ
ЗАЛЕЖНІСТЬ ІНТЕНСИВНОСТІ ДИХАННЯ РОСЛИННИХ ПРОДУКТІВ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ
ВИКОНАВ: Воробьев.А.Н
ФАКУЛЬТЕТ: ХТіТ
КУРС: 3
ГРУПА: 6
ПРИЙНЯЛА: Волдова.Т.А
МОСКВА 2002
ЗМІСТ:
1.Вступ.
2.Основні процеси і зміни, що відбуваються у продуктах рослинного походження.
3.Процесси і зміни пов'язані з диханням.
4.Храненіе плодів у регульованому газовому системі.
5.Охлажденіе і зберігання плодів і овочів в охолодженому стані.
6.Заморажіваніе і зберігання продуктів рослинного походження у замороженому стані.
7.Режіми зберігання.
8.Бистрое заморожування.
9.Заморажіваніе клітин.
10.Колічество вимерзає води.
11.Рекрісталлізація.
12.Заморажіваніе продуктів бестканевой структури.
13.Водосодержаніе, теплоємність і теплота замерзання деяких продуктів.
14.Преімущества і недоліки.
15.Спісок використовуваної літератури.
1) Вступ.
У наш складний час, з хворої кризовою економікою збереження харчових продуктів з найменшими витратами і з більшою ефективністю є однією з головних завдань.
Структура харчування потребує поліпшення технології зберігання харчових продуктів, але поліпшити структуру харчування не можна за допомогою хладовой обробки, структуру харчування можна лише підтримувати за допомогою хладовой обробки, що дозволяє підняти якість продуктів рослинного походження при зберіганні, і що в свою чергу дозволяє збільшити терміни зберігання продуктів , а також стабільність зберігання. При холодильній обробці та зберіганні в харчових продуктах відбуваються складні процеси і явища, що приводять до різних змін їх структури. Залежністю інтенсивності дихання рослинних продуктів від температури, і дослідженням впливу охолодження (замороження) на харчові продукти я і вирішив зайнятися в цій роботі.
2) Основні процеси і зміни, що відбуваються у продуктах рослинного походження.
Для розуміння і вдосконалення технологічних процесів холодильного консервування виникає нагальна необхідність вивчення змін, що відбуваються в плодах і овочах при зберіганні, в залежності від виду продукту, дії фітогормонів, стійкості до фітопатогенних мікроорганізмів і фізіологічних захворювань.
3) ПРОЦЕСИ І ЗМІНИ, пов'язані з диханням
Умови холодильної обробки та зберігання плодів і овочів повинні бути такі, щоб знизити до мінімуму інтенсивність дихання, не порушивши при цьому природного перебігу метаболічних процесів, оскільки тільки продукти рослинного походження з нормальним диханням володіють необхідною лежкоспособностью.
Дихання є основною формою дисиміляції - розщеплення органічних речовин. Це окислювальний процес, при якому споживається кисень і виділяється вуглекислий газ. Обмін вуглекислого газу і кисню відбувається шляхом дифузії через продихи і частково через кутикулу.
Головними дихальними субстратами є вуглеводи, жири і білки. Близько '/ з кількості вуглеводів в тканини витрачається при диханні. Жири і білки використовуються меншою мірою, і їх участь найбільш характерно для насіння.
Розщеплення макромолекулярних субстратів передує їх гідроліз: полі-і дисахаридів до моносахаридів, жирів до гліцерину і жирних кислот, білків до амінокислот.
У результаті реакції гліколізу з моносахаридів утворюється піровиноградна кислота, потім внаслідок окисного декарбоксилювання піровиноградної кислоти - ацетил-КоА, який є також продуктом послідовної ланцюга перетворень жирних кислот і амінокислот. У циклі Кребса ацетил-КоА піддається реакцій декарбоксилювання та дегидрирования до повного розщеплення. Утворені в циклі Кребса ізолімонная, a-кетоглутарової і яблучна кислоти є безпосередніми продуктами окислення.
Процеси окислення дуже складні, і здійснюються через багатоступеневу систему специфічних ферментативних реакцій. Окислення може відбуватися безпосереднім приєднанням кисню до дихального субстрату (А +0 → АТ); відщепленням водню від субстрату (АН + Х → А + ХН), при цьому окислення субстрату АН та утворення продукту окислення А відбуваються в результаті відновлення речовини X; видаленням електрона від зарядженого іона (наприклад, Fe-е → Fe). У продуктах рослинного походження відбуваються окислювальні реакції всіх трьох типів, але процеси другого і третього типів переважають, так як вони протікають без безпосередньої участі кисню.
В основі сучасних уявлень про механізм окисних процесів в біологічних об'єктах лежить теорія Баха-Палладіна, згідно з якою дихання клітини можливе лише за наявності активованих форм кисню і водню, що володіють високою реакційною здатністю.
Активація та передача водню дихального субстрату відбуваються за участю ферментів дегідрогеназ, що характеризуються високою специфічністю по відношенню до окислюваного субстрату. За природою простетических груп дегідрогенази діляться на піридинові і флавінових.
Коферментами піридинових дегідрогеназ є НАД-никотинамидадениндинуклеотида і НАДФ-нікотінамідаденін-дінуклеотідфосфат, що виконують функції переносників водню. В основі дії піридинових дегідрогеназ лежить здатність до оборотного гидрированию і дегидрированию піридинового ядра, що входить до складу коферментів у вигляді аміду нікотинової кислоти-вітаміну РР. Піридинові дегідрогенази широко поширені в клітинах продуктів рослинного походження і є в буквальному сенсі універсальними окисними системами.
Флавінових дегідрогенази мають коферменти, що представляють собою нуклеотидні похідні рибофлавіну - вітаміну В. Флавінових ферменти дуже різні, найбільш численна їх група представлена дегідрогенази, які є проміжними переносниками водню в ланцюги окиснення. Дегідрогенази окислюють відновлені піридинові підстави і передають отримані від них електрони по ланцюгу у напрямку до кисню. Коферментами флавінових дегідрогеназ, або, як їх іноді називають, флавопротеїдів (ФП), є флавинмононуклеотид (ФМН) і флавінаде-ніндінуклеотід (ФАД).
Останніми в ланцюги окиснення переносниками водню зазвичай виступають сполуки, відомі під загальною назвою коензими Q. Цим найменуванням позначають ряд речовин, які є нейтральними ліпідами і представляють собою з'єднання бензохинона з вуглеводневої бічним ланцюгом, яка складається з різного числа ізопреновий груп. Відомі коензими Q з 10, 9, 8 і 7 ізопреновий групами.
Будучи здатними оборотно окислюватися і відновлюватися, коензими Q є сполучною ланкою в ланцюзі перенесення електронів від флавопротеїдів до цитохроми.
Активація кисню в ланцюги окиснення відбувається під дією численних ферментів (оксидаз), більшість з яких містить в якості простетических груп железопорфіріновий комплекс, будучи Fe-протеїди.
У ланцюги окиснення з оксидаз основну роль грають цитохроми, що складаються зі специфічного білка і железопорфіріна. Ц. здатні оборотно окислюватися і відновлюватися завдяки іонам заліза, що входить до їх складу. Відновлення окислених цитохромів відбувається внаслідок приєднання електронів KoQ або флавопротеїдів. Окислення цитохромів проходить через ланцюг, що складається зазвичай з чотирьох різних цитохромів. Останнім у ланцюзі є цитохром Аз, званий цитохромоксидази, окислювання якого відбувається безпосередньо киснем повітря.
Як відомо, здатність будь-якого сполуки приєднувати або віддавати електрони визначається в основному співвідношенням величин окисних потенціалів даного з'єднання і з'єднання, з яким воно взаємодіє. Причому реакція проходить тим енергійніше, чим менше різниця між потенціалами взаємодіючих речовин.
До окислювальному потенціалу дихального субстрату найбільш близькі потенціали, властиві піридиннуклеотидів, а до потенціалу кисню, має найбільшу величину, - потенціал цитохромоксидази.
Виходячи з цього, вважають, що перший етап окислення субстратів здійснюється за участю піридинових дегідрогеназ, другий - флавінових дегідрогеназ, третій - коензиму Q. Причому на цих етапах відбувається перенесення двох атомів водню. Далі має місце перенесення безпосередньо електронів через систему цитохромів на кисень.
Процес окислення субстрату в дихального ланцюга супроводжується фосфорилюванням АДФ і запасанием енергії у формі АТФ. У ланцюги окиснення є три ділянки фосфорилювання: ділянка окислення флавопротеїдів, ділянку переходу електронів від цитохрому В до цитохрому С і ділянку переходу електронів від цитохрому А до цитохрому Аз (рис. 1).
| Кожна з трьох карбонових кислот, що утворюються в циклі Кребса і є основним субстратом у дихальному ланцюзі, утворює три молекули АТФ. Акумуляція і виділення енергії, яка в міру потреби витрачається клітиною, є основним призначенням дихання. Фосфорилювання нерозривно пов'язане з окисленням в дихального ланцюга, тому зазвичай говорять про процес окісдітельного фосфорилювання. Вперше припущення про наявність сполучення між окислюванням і |
| Рис. 1. Схема окислення в дихальному ланцюзі |
фосфорилюванням та експериментальне доказ цього були дані академіком В. А. Енгельгартом.
Як правило, процеси дихання відбуваються в мітохондріях клітин. Кожна стадія дихання здійснюється мультиферментного системою, закріпленої на внутрішній мітохондріальній мембрані. Близько 1 / 4 білків внутрішньої мембрани є ферментами, що беруть участь у переносі електронів і окисному фосфорилюванні. До них відносяться флавопротеїдів, цитохроми, ферменти, які беруть участь в утворенні АТФ.
Флавопротеїдів і цитохроми розташовуються в мембрані у вигляді окремих груп, кожна з яких містить всі необхідні ферменти і функціонує самостійно. Такі групи, звані дихальними ансамблями, рівномірно розподілені по всій площині мембрани. Вони дуже чутливі до дії різних зовнішніх впливів. Під впливом низьких температур, отрут, іонізірууещей радіації порушується цілісність мітохондріальних мембран, і в цьому випадку сполучення дихання втрачається, або відбувається роз'єднання дихання. Процеси фосфорилювання більш чутливі. Тому при роз'єднанні дихання окислювальні процеси часто не порушуються, але при цьому енергія окислення не перетворюється в енергію АТФ, а розсіюється у формі тепла.
Роз'єднання дихання являє собою незворотний процес, що є ознакою загибелі клітини. Однак рослинні тканини внаслідок наявності у них спеціальних пристосувальних механізмів здатні переносити несприятливі зовнішні умови.
Дихальні процеси, що протікають в клітинах, мають ряд особливостей, зумовлених тим, що продукти рослинного походження позбавлені стабільної внутрішньої середовища, наприклад парціального тиску кисню та вуглекислого газу, температури, і змінюються під дією непостійних
і вкрай мінливих чинників зовнішнього середовища.
Б. А. Рубін вважає, що для структури апарату рослин характерні три принципові особливості:
1. Принцип множинності (мультіпрінціп) при побудові окислювальних систем, обумовлений тим, що в клітині є, як правило, не один, а кілька ферментів, які виконують одну й ту ж функцію.
2. Поліфункціональність каталітичних систем, або наявність ферментів, що володіють не одним, а декількома властивостями.
3. Рассредоточенность (делокалізованность) апарату.
Внаслідок цих особливостей процеси окислення біологічних об'єктів можуть здійснюватися різними шляхами, або, як кажуть, для рослинних тканин характерна наявність альтернативних механізмів окисного обміну, що відіграє виняткову роль як фактор адаптації, що обумовлює здатність тканин зберігатися і нормально функціонувати в умовах мінливого зовнішнього середовища, а також при дії різних несприятливих чинників.
Схема окислення дихального субстрату в клітинах різних тканин різна і залежить від їх фізіологічного стану та умов існування. Так, в окремі періоди життєвого циклу плодів, наприклад при дозріванні, клітини потребують додаткового притоці енергії. При цьому в якості додаткового дихального субстрату використовується бурштинова кислота, окислення якої відбувається більш коротким шляхом, минаючи НАД, безпосередньо через ФП на КоQ. При цьому сукцинатдегідрогеназа, що відноситься до флавінових ферментам, строго специфічна по відношенню до бурштинової кислоти. Маючи здатність акцептувати водень безпосередньо від субстрату і передавати його на КоQ, сукцинатдегідрогеназа утворює бічну транспортний ланцюг окислення.
Крім того, в клітках є альтернативні окисні механізми, що утворюють зв'язані ланцюги з флавопротєїновим ферментами і цитохромами. Серед них головну роль грають оксидази, що містять в молекулі іони заліза або міді.
До групи Fe-протеидов поряд з флавопротєїновим ферментами і цитохромами входять каталаза і пероксидаза. У проходженні додаткового, альтернативного, шляхи окислення особливо велика роль пероксидаз, що розкладають перекис водню із звільненням активного атомарного кисню. Пероксидази, що зустрічаються в клітинах продуктів рослинного походження, дуже численні і окислюють різні речовини, в тому числі практично всі феноли, ароматичні аміни та аскорбінову кислоту. Їх активність зростає при зміні умов зовнішнього середовища. Так, в паренхімної тканини плодів при знижених температурах зберігання або недостатньої забезпеченості киснем відбувається зростання активності пероксидази.
До групи Сu-протеидов відносяться різні поліфенолів-ксідази і аскорбіноксидази. В основі їх дії лежить оборотне окиснення одновалентної міді в двовалентну.
Поліфенолоксидази представляють собою ферменти, що окислюють в присутності молекулярного кисню різні феноли та їх похідні з утворенням відповідних хінонів. Поліфенолоксидази каталізують пряме окислення субстратів атмосферним киснем і беруть участь в різних окислювальних процесах, в тому числі в окисленні амінокислот, поліпептидів, білків і аскорбінової кислоти. Активність поліфенолоксидази зростає при механічному пошкодженні плодів, дії низьких температур, кристалізації води при заморожуванні і т. д.
Потемніння м'якоті багатьох плодів (яблук, груш, абрикосів тощо), а також бульб картоплі, що спостерігається при розрізанні, очищення та механічному пошкодженні, відбувається внаслідок зростання активності поліфенолоксидази і порушення координації реакцій окислення і відновлення, в результаті чого в тканині накопичуються стойкоокрашенние продукти .
Аскорбіноксидази володіє суворої специфічністю по відношенню до субстрату і окисляє l-аскорбінову кислоту, перетворюючи її в дегідроформу. Будучи переносником водню, аскорбінова кислота тісно пов'язана з усією системою ферментів, які беруть участь у дихальних процесах.
Поліфенолоксидази і аскорбіноксидази беруть участь в окисних процесах на заключному етапі дихання, замінюючи цитохроми.
На рис. 2 показані можливі альтернативні шляхи процесу окислення, які в. рослинних клітинах відбуваються різному залежно від видових особливостей тканини, фізіологічного стану даного органу, умов зовнішнього середовища та інших факторів.
Різна активність оксидаз в умовах зміненої газового середовища представлена на рис. 3.
Найбільшу спорідненість до кисню має цитохромоксидази, її дія проявляється при вмісті кисню в атмосфері всього 1%. Глибинні шари паренхімної тканини плодів і овочів, для яких характерне знижений вміст кисню, більш багаті цитохромоксидази, ніж поверхневі.
Рис. 2. Альтернативні шляхи окислення
Ферменти, що беруть участь в альтернативних процесах окислення, локалізовані в різних структурних елементах клітини. Пероксидази, поліфенолоксидази, аскорбіноксидази зосереджені головним чином у цитоплазмі; вся система ферментів, що забезпечує окисне фосфорилювання, виявлена в ядрах і хлоропластах. Завдяки такій делокалізації ферментів дихального ланцюга практично всі структурні складові клітини можуть бути джерелами тієї чи іншої кількості енергії і використовуватися нею в залежності від умов зовнішнього середовища.
Про характер та інтенсивності дихання судять за кількістю виділяється клітинами вуглекислого газу або по величині дихального коефіцієнта ДК:
ДК = Vсо, / Vо "де Vco, Vo - обсяги виділився вуглекислого газу і поглиненого кисню.
Величина дихального коефіцієнта визначається перш за все хімічної природою субстрату. При окисленні вуглеводів ДК = 1 відповідно до сумарним рівнянням окислення глюкози
З Н О + 60 -> 6СО + 6Н О + Q.
Число виділилися грам-молекул вуглекислого газу дорівнює числу поглинених грам-молекул кисню, а відповідно до закону Авогадро грам-молекули всіх газів займають однаковий обсяг.
При диханні число виділилися молекул вуглекислого газу дорівнює кількості атомів вуглецю в молекулі субстрату. Тому число використаних молекул кисню на атом вуглецю в субстраті зростає із збільшенням числа Н-атомів і знижується зі збільшенням змісту O-атомів в молекулі субстрату.
Якщо субстратами дихання є вищі карбонові кислоти або амінокислоти, щодо багаті воднем і бідні киснем, то ДK1.
Так, при окисленні яблучної кислоти
З Н О + ЗО - »4СО + ДТ О; ДК. = 4 / 3 = 1,33.
Інтенсивність дихання і відповідно величина дихального коефіцієнта молодих розвиваються тканин, наприклад меристематичних, тканин проростаючого насіння вище, ніж зрілих плодів. У тканин одного і того ж плоду або овоча інтенсивність дихання периферичних тканин, як правило, вище.
Нижче наведена інтенсивність дихання [в мг СO2 / (г * доб)] різних тканин при температурі 15-20 ° С.
| 12,4 69,3 10,6 2,45 11,3 13,8 3,8 |
Лимон
цілі плоди
шкірка
м'якоть
цілі бульби
шкірка
покояться вічка
м'якоть
При зниженні температури інтенсивність дихання плодів знижується і відповідно дихальний коефіцієнт зменшується. Так, за даними Ф. В. Церевітінова, дихальний коефіцієнт для яблук сорту Канада становить 1,14 при 30 ° С і 0,88 при 0 ° С. У більшості продуктів рослинного походження дихання припиняється при температурі близько -10 ° С. У рослин, що переносять в природних умовах суворі зими, дихання відзначається при -20 ° С і більш низьких температурах.
Дихання залежить від газового складу навколишньої атмосфери. При зниженні концентрації кисню інтенсивність дихання знижується, при збільшенні зростає. Інтенсивність дихання знижується внаслідок збільшення концентрації вуглекислого газу.
Коли вміст кисню в навколишній атмосфері зменшується нижче певної межі або при повній відсутності кисню, клітини продуктів рослинного походження переходять до так званого інтрамолекулярного або безкисневого диханню, який представляє собою в хімічному відношенні бродіння.
Бродіння поряд з диханням є основною формою дисиміляції речовин в організмі. При диханні сумарний вихід енергії великий, а кінцевими продуктами є неорганічні сполуки вуглекислого газу і води. При бродінні вихід енергії значно менше, органічний матеріал не розпадається до кінця і накопичуються щодо багаті енергією органічні речовини.
Для більшості тканин продуктів рослинного походження характерна здатність до спиртного бродіння, для деяких - до молочнокислому.
Початкові стадії дихання і бродіння однакові, але в анаеробних умовах процес дисиміляції вуглеводів припиняється на стадії гліколізу при молочнокислому бродінні або на стадії утворення ацетальдегіду і етанолу при спиртовому.
Перехід до інтрамолекулярного диханню у рослин може бути частковим, що визначається не тільки складом газового середовища, але і фізіологічним станом організму. Так, бескислородное дихання відзначається в період дозрівання плодів. При повній відсутності кисню перехід виключно до інтрамолекулярного диханню призводить до загибелі організму, так як накопичується етанол згубно діє на живу клітину.
4) ЗБЕРІГАННЯ ПЛОДІВ у регульованому газовому середовищіПри зберіганні плодів практично єдиною формою їх взаємодії з навколишнім середовищем є дихальний газообмін. Тому їх життєдіяльність в роцессе зберігання в значній мірі визначається складом навколишньої атмосфери. Змінюючи певним чином газове середовище, наприклад підвищуючи вміст вуглекислого газу і зменшуючи вміст кисню, можна знизити інтенсивність обмінних процесів в збережених плодах, для того щоб відокремити стан клімактерію і старіння плоду. На придушенні життєдіяльності шляхом створення певного складу атмосфери засновано зберігання плодів у регульованому газовому середовищі.
Для паренхімної тканини плодів характерна наявність великих міжклітинних просторів, заповнених газом. Газовий склад внутрішньої атмосфери плодів встановлюється в результаті динамічної рівноваги між інтенсивністю споживання кисню і виділенням вуглекислого газу, з одного боку, і швидкістю дифузії цих газів - з іншого. Обмін з навколишнім середовищем відбувається через кутикулу, яка ускладнює циркуляцію газів, внаслідок чого всередині плоду створюється своєрідна газова атмосфера з підвищеним вмістом вуглекислого газу і зниженою концентрацією кисню. Характерно, що склад атмосфери в межклетниках неоднаковий: у розташованих ближче до поверхні межклетниках склад атмосфери більш близький до складу навколишнього середовища. Газовий склад у межклетниках у різних плодів різний, змінюється з їх віком і залежить від температури і зовнішньої атмосфери.
Кутикула плодів різних сортів розрізняється по товщині і складу, в результаті чого надходження усередину кисню і його концентрація в міжклітинниках і клітинному соку також варіюються. У зв'язку з цим одні плоди будуть відчувати брак кисню чи надлишок вуглекислого газу, тоді як для інших ця ж газове середовище виявиться сприятливою.
Кисневі оптимуми дихання неоднакові на різних етапах розвитку плоду, а також зміщуються під впливом температурного фактора. При 30 ° С оптимальною є 5%-ва концентрація кисню, при температурі 10 ° С і нижче-1%-ва. Підвищені концентрації вуглекислого газу особливо сприятливі для затримки обмінних процесів в плодах у постклімактеричному стані.
Отже, склад газового середовища при зберіганні плодів повинен бути таким, щоб зберегти нормальний дихальний газообмін, не порушити співвідношення між аеробною і анаеробною фазами дихання при одночасному уповільненні процесів дозрівання. При цьому необхідна правильна кореляція між температурою зберігання, концентраціями вуглекислого газу і кисню в навколишній атмосфері і станом плодів стосовно до даного сорту і з урахуванням місця його зростання, розмірів, ступеня зрілості, районів вирощування, кліматичних умов року та інших чинників.
При зберіганні, плодів у атмосфері, що містить підвищені кількості вуглекислого газу, останній проникає в межклетники паренхімної тканини. Завдяки хорошій розчинності вуглекислого газу у водних розчинах і ліпідах він надходить у клітини і розчиняється в клітинному соку. Вплив підвищеної концентрації вуглекислого газу на метаболізм клітини проявляється насамперед у придушенні дихання, що пояснюється дією вуглекислого газу на процес декарбоксилювання яблучної кислоти.
У реакції декарбоксилювання яблучної кислоти до піровиноградної вуглекислий газ є одним з кінцевих продуктів. Тому надлишок його в середовищі зрушує рівновагу реакції ліворуч, перешкоджаючи розщепленню субстрату. Крім цього вуглекислий газ блокує систему малік-ферменту. Він є також конкурентним інгібітором етилену і гальмує дозрівання плодів.
Вуглекислий газ стимулює біосинтез жирних кислот, що беруть участь в утворенні поверхневих восків, що призводить до зниження проникності кутикули.
Будучи антисептиком, вуглекислий газ затримує розвиток мікроорганізмів на поверхні плодів. Найбільш чутливі до дії вуглекислого газу цвілеві гриби.
Однак значне підвищення вмісту вуглекислого газу може викликати фізіологічні захворювання.
Допустимі концентрації вуглекислого газу знаходяться в межах 2,5-10%. При зберіганні плодів в атмосфері з підвищеним вмістом вуглекислого газу не рекомендується підтримувати температуру нижче 2-2,5 ° С.
До підвищених концентрацій вуглекислого газу більш чутливі недостиглі плоди.
При зберіганні у зміненій газовій атмосфері на біохімічні процеси в плодах впливають не тільки підвищені концентрації вуглекислого газу, але і знижені концентрації кисню.
При зниженні концентрації кисню до 3-5% дихання послаблюється, але зберігається його нормальний характер і дихальний коефіцієнт дорівнює одиниці. При подальшому зниженні вмісту кисню в навколишньому плоди атмосфері спостерігаються некомпенсоване виділення вуглекислого газу плодами і порушення нормального процесу дихання.
Вплив зниженого вмісту кисню позначається в основному на біосинтезі етилену: плоди перестають синтезувати метіонін, що є попередником етилену, що приводить до затримки дозрівання плодів. Знижені концентрації кисню викликають ослаблення активності поліфенол-оксидази і знижують стійкість плодів до дії низьких позитивних температур.
Таким чином, кожен компонент газового середовища робить специфічний вплив на плоди при зберіганні, в той же час вплив на біохімічні процеси в плодах зміненої газового середовища більш складно. Характерно, що газові суміші, різні за складом, використовувані для зберігання плодів, не знижують, а лише відокремлюють на деякий термін початок клімактеричного підйому дихання: сповільнюються процеси розпаду і витрачання основних запасних речовин у плодах, зменшується витрата цукру на дихання, затримується перетворення крохмалю в цукор, гальмується гідроліз протопектину, призупиняється зміна кольору, тому що зменшується гідроліз хлорофілу, добре зберігається аромат плодів.
Різні види і сорти плодів неоднаково реагують на газовий склад.
Більш того, в залежності від умов зростання один і той же сорт яблук рекомендується зберігати при різному складі газового середовища. Так, для яблук сорту Джонатан, вирощених у Швейцарії, оптимальної газовим середовищем є 4%-ва концентрація кисню і 3-4%-ва концентрація вуглекислого газу при 4 ° С. Яблука цього ж сорту, вирощені в США, рекомендують зберігати при 3%-ної концентрації кіслсрода та 5%-ної концентрації вуглекислого газу при 0 ° С, а вирощені в Голландії-прі, 13%-ної концентрації кисню і 7%-ної концентрації вуглекислого газу при 3,5 ° С.
Відомо, що обсяг газу, що міститься у плодах різних сортів, коливається і, як правило, в пізньостиглих сортах він більше, ніж у ранньостиглих.
Розчинність вуглекислого газу в клітинному соку залежить від рН, і ця величина у плодів одного сорту, але різних місць зростання може розрізнятися на 0,5 і навіть 1.
Мабуть, сорти плодів, у тканинах яких може розчинятися вуглекислий газ у великій кількості, краще переносять зберігання у зміненій газовому середовищі, ніж сорти плодів зі зниженою розчинністю вуглекислого газу.
5) ОХОЛОДЖЕННЯ І ЗБЕРІГАННЯ ПЛОДІВ І ОВОЧІВ в охолодженому стані
Режим зберігання охолоджених продуктів рослинного походження вибирається таким чином, щоб створити умови для збереження їх життєздатності і природного імунітету при максимальному зниженні інтенсивності біохімічних процесів і придушенні розвитку мікрофлори. Як відомо, більшість біохімічних реакцій підкоряються правилу Вант.Гоффа. Для тканин продуктів рослинного походження, величина Q дорівнює 1,8-6,8 і складає для картоплі 1,85, цибулі ріпчастої-1, 95, капусти білокачанної-2,18, яблук-2, 54, моркви-3, 74, чорної смородини-6, 77. За величиною Q можна судити перш за все про інтенсивність зниження окислювальних процесів дихання при зберіганні. Так, з наведених даних видно, що знижені температури сильніше впливають на зниження дихання чорної смородини і моркви, ніж яблук і картоплі. Однак за значенням Q важко судити про інших внутрішньоклітинних процесах, що відбуваються в плодах і овочах, не тільки через складність біохімічних реакцій, а й з-за їх взаємозв'язку зі структурними змінами тканини, неоднозначного впливу знижених температур на клітинні органели, окремі компоненти клітини і процеси.
Згідно з дослідженнями Гора залежність інтенсивності дихання Р від температури t в інтервалі від початкової температури продукту до температури зберігання (порядку 1-2 ° С) можна виразити експоненційної функцією такого вигляду:
P = P exp (kt),
де Р - інтенсивність дихання при 0 ° С; k - температурний коефіцієнт інтенсивності дихання.
Величина k для плодів кожного виду і овочів постійна, за її значенням судять про стійкість до зберігання.
Знижені температури впливають на всі структурні елементи клітини продуктів рослинного походження і перш за все мембрани. Слід зазначити, що мембрани надзвичайно чутливі до щонайменших змін зовнішнього середовища. При цьому змінюється насамперед стан ліпідів та функціональної води.
Згідно сучасним уявленням ліпіди, що становлять основу мембран, безперервно рухаються, утворюючи так зване ліпідну море, в якому плавають молекули білка окремо або згруповані в певних поєднаннях. Частина білків в мембрані зафіксована в певному положенні. Тому основними структурними компонентами мембран вважають ліпопротеїнових комплекси з вбудованими молекулами води. Роль цієї функціональної води особливо велика: утворюючи водневі зв'язки між білками і ліпідами, саме вона визначає структуру мембран. Крім того, ця вода є активним учасником біохімічних реакцій, що відбуваються в мембранах.
Під впливом низьких температур зменшується рухливість молекул ліпідів і білка молекул, що є однією з 'причин зниження швидкості реакцій і порушення структури мембран, а також відбивається на характері відбуваються в клітині процесів.
При різкому зниженні температури може статися часткове роз'єднання дихання, в результаті чого. Зросте тепловиділення. При знижених температурах в клітинах продуктів рослинного походження спостерігається розвиток альтернативних окислювальних процесів дихання за участю пероксидази, сукцинатдегідрогенази, поліфенолоксидази і аскорбіноксидази. Уповільнення швидкості внутрішньоклітинних реакцій при знижених температурах призводить до зниження інтенсивності дихання. Однак у результаті випаровування води дихання може зростати. У різних продуктів інтенсивність випаровування вологи залежить не тільки від параметрів охолоджуючої середовища, але і від об'єкта. Великі розміри паренхімних клітин і міжклітинниками, незначна товщина покривних клітин, більшою частиною розташованих в один ряд, зумовлюють інтенсифікацію випаровування води тканинами продуктів рослинного походження, особливо овочевих культур.
Основна частина води дифундує через систему міжклітинниками у напрямку до покривної тканини. Навіть плоди, покриті товстим шаром кутикулярних речовин, наприклад цитрусові, втрачають міститься в них вологу в результаті випаровування.
Випаровування вологи при зберіганні плодів і овочів порушує нормальний перебіг обміну речовин у тканинах, викликає ослаблення тургору і їх в'янення. У результаті в'янення прискорюються процеси розпаду містяться в клітинах речовин, збільшується їх витрата на дихання, порушується енергетичний баланс, що призводить до зниження стійкості плодів і овочів до поразки мікроорганізмами і погіршення якості.
Під впливом низьких температур змінюються в'язкість і рухливість протоплазми. Як відомо, в'язкість протоплазми клітин продуктів рослинного походження в 12 - 20 разів більше в'язкості води і залежить від процесів життєдіяльності клітини. При зниженні температури у зв'язку зі зростанням в'язкості може відбутися порушення структури протоплазми і тим самим життєздатності клітини.
Інтервал температур, в якому життєдіяльність клітин продуктів рослинного походження зберігається, досить широкий. Але для успішного холодильного консервування цей інтервал скорочується: від температури замерзання продукту до 11-12 ° С.
Прагнучи максимально знизити інтенсивність процесів і в той же час не порушити нормальну життєдіяльність організму рослинного походження, плоди та овочі, як правило, зберігають зазвичай при температурі, приблизно на 1 ° С перевищує температуру замерзання. Виняток становлять продукти рослинного походження, схильні при знижених температурах фізіологічних захворювань, наприклад банани зберігають при 11-13 ° С, цитрусові-прі 3 - 4 ° С.
При зберіганні в продуктах рослинного походження тривають, але вкрай повільно, фізіологічні процеси. У плодах знижується інтенсивність дихання і віддаляється стан клімактерій (рис. 11). З рис. 4 видно, що плоди при знижених температурах зберігаються протягом більш тривалого часу. У плодах повільно збільшується вміст Сахаров, знижується вміст органічних кислот, відбуваються процеси, що призводять до поліпшення смаку, аромату, а часто і кольору плоду. До кінця зберігання посилено витрачаються органічні кислоти, утримання їх у тканини знижується. Особливо зменшується кількість яблучної кислоти. У результаті анаеробного дихання зростає вміст етилового спирту і ацетальдегіду. Так, через 7,5 міс зберігання яблук Ренет Симиренка втрати Сахаров склали 20%, органічних кислот - 50% при одночасному збільшенні вмісту спирту і ацетальдегіду в 4-5 разів.
У плодах частково зменшується вміст аскорбінової кислоти. Найменші втрати вітаміну С відмічені у цитрусових, причому в м'якоті зміст його практично не змінюється. Чим нижче допустима температура зберігання, тим менше втрати вітамінів.
При знижених температурах зберігання у овочів більшості видів інтенсифікуються процеси розщеплення крохмалю і освіти цукрів. У овочевого гороху, квасолі, цукрової кукурудзи та деяких інших культур при зберіганні, навпаки, синтезується крохмаль.
Картоплі особливо властиво вплив температури на спрямованість реакції крохмаль ↔ цукор, що необхідно враховувати при розробці умов його зберігання. При зниженні температури в бульбах відбувається накопичення цукрів, а при підвищенні збільшується вміст крохмалю, що пов'язано з активністю ферментів, що каталізують пряму і зворотну реакції і мають різну оптимальну температуру дії. Зі зниженням температури зростає розчинність вуглекислого газу у внутрішньоклітинному соку, змінюється рН останнього і зростає швидкість розпаду крохмалю.
6) ЗАМОРОЖУВАННЯ І ЗБЕРІГАННЯ ПРОДУКТІВ рослинного походження у замороженому стані
Основними факторами, що визначають ступінь оборотності заморожування, є характер кристаллообразования і локалізація льоду.
Як правило, перші кристали льоду утворюються в міжклітинниках. При зниженні температури нижче точки замерзання водяний пар у великих межклетниках починає конденсуватися у вигляді крапельок води на прилеглих клітинних стінках. Ця вода і перетворюється в перші мікроскопічні кристалики льоду. Ці кристали л'да поширюються по межклетниках, обволікаючи стінки клітин. Кристалики бувають у вигляді лінз або розгалужених кристалів, розростаються між клітинами епідермісу і паренхіми. Далі зростання кристалів відбувається за рахунок води, що міститься в. клітинах, що пояснюється різницею між тисками пари усередині клітини і поза нею. Активність перебігу цього процесу залежить від хімічного складу, проникності клітинних стінок, змісту вільної води в клітині, в'язкості протоплазми, індивідуальних особливостей тканини, ступеня за-розжарювання та ін
Внаслідок дегідратації температура замерзання вмісту клітин знижується. При зниженні температури в клітинах спочатку настає стан переохолодження, а потім у них спонтанно виникають центри кристалізації, що призводять до утворення внутрішньоклітинного льоду.
При зниженні температури в'язкість протоплазми зростає в результаті об'єднання окремих білків у довгі ланцюги, що утворюють, тривимірну сітчасту структуру. Протоплазма внаслідок зв'язування води переходить в гелевидні стан.
При дозріванні плодів відбувається перетворення протопектину, що входить до складу стінок клітин. Утворений пектин має високі гідрофільними властивостями: він пов'язує великі кількості води і сприяє утворенню гелеобразной структури, що позитивно позначається на оборотності процесу заморожування. У недостиглих плодах міститься більше вільної води і відбувається в основному внутрішньоклітинна кристалізація, що призводить до загибелі плодів.
Клітини листової тканини оточені оболонками, що складаються з одного шару стінок, тому ця тканина піддається руйнівному впливу негативних температур.
Що міститься в овочах крохмаль надає певний вплив на характер кристалізації. Багато овочів, наприклад цибуля, картопля, покриті щільною природної оболонкою, що сприяє переохолодженню, тоді як інші, наприклад капуста білокачанна, яка не має подібної оболонки, не переохолоджувався, що пояснюється наявністю великих міжклітинниками і великим вмістом вільної води.
У бульб картоплі в стані спокою підвищується газо-і водопроникність покривних тканин, що зумовлює велику ймовірність позаклітинної кристалізації льоду.
Процес заморожування, зокрема позаклітинна кристалізація, залежить від холодостійкості і ступеня загартовування продукту даного виду.
При зниженні температури тканин зменшується кінетична енергія молекул, підвищується в'язкість внутрішньоклітинної рідини, зменшуються розчинність газів і дифузія речовин, що в сукупності призводить до зниження швидкості хімічних реакцій. У рідкій фазі відзначається підвищена концентрація електролітів, серед яких інтерес представляють хлористі солі натрію, амонію, калію і органічних речовин (цукрів, нуклеотидів і низькомолекулярних білкових сполук). Концентровані розчини агресивні по відношенню до білків, насамперед ферментам. Тому, незважаючи на зниження кінетичної енергії і обмеження можливості дифузії, деякі ферментативні реакції в заморожених тканинах можуть прискорюватися або буде змінюватися їх перебіг. Заморожування діє насамперед ліпопротеїнових комплекси. Розрив водневих зв'язків у сукупності з підвищенням іонної сили внутрішньоклітинних розчинів призводить до руйнування комплексів.
З ферментів легше інших пошкоджуються ті, які утворюють складні мультиферментного системи, локалізовані на внутрішніх мембранах органоїдів клітини: ферментні системи дихальної ланцюга та окислювального фосфорилювання мітохондрій. При цьому порушуються координація і збалансованість окремих реакцій, а також їх синхронність. Відбувається роз'єднання процесів дихання (окисного фосфолірірованія), що виражається у втраті організмом основних життєвих функцій, а саме дихання і здібності до генерації енергії.
У вакуолі локалізована інвертаза, особливістю якої є активність в широкому діапазоні рН (3,0-7,5). Тому зміна кислотності середовища при заморожуванні не знижує її активності. Актівіруемие інвертаза реакції зумовлюють накопичення цукру в замороженої тканини.
Збереження активності пектолітіческіх ферментів сприяє підвищенню гідрофільних властивостей колоїдів та зменшення ступеня пошкодження стінок.
Каталаза і пероксидаза каталізують дегидрирование фенолів, амінів, флавонів і амінокислот. Їх дія іноді є причиною появи у заморожених плодів і овочів стороннього присмаку. З цих ферментів пероксидаза більш стійка до дії негативних температур.
Існують і такі ферменти, активність яких підвищується при заморожуванні. До них відносяться поліфенолоксидаза і ліполітичні ферменти. Дія ліпази проявляється навіть при температурі -40 ° С.
Пектолітіческіе ферменти в залежності від виду продукту надають різну дію. Так, в яблуках їх активність призводить до розм'якшення тканини.
7) РЕЖИМИ ЗБЕРІГАННЯ
Для кожного виду продукції розроблені оптимальні режими зберігання (табл. 1 (а)). Температуру і вологість повітря в сховищах вимірюють психрометром Августа. У невеликих підвалах його розміщують у середній частині проходу на висоті 1,5 м від підлоги. У льохах і сховищах, віддалених від житла, має бути чотири-п'ять таких психрометрів. Їх розташовують у середині, в кінці (на відстані 1 м від підлоги) і під коником.
РЕЖИМ ЗБЕРІГАННЯ ОВОЧІВ І КАРТОПЛІ
| Продукція | Тсмпсретура, ° С | Относітсяьн »» вологість повітря »,% | Тривалість зберігання, міс |
| Томати: | |||
| зелені | 12 ... 15 | 85-90 | 1-2 |
| рожеві | 8 ... IO | 85-90 | До I |
| червоні | 0 ... 2 | 85-90 | До 0,5 |
| Перці | 8 ... IO | 90-95 | До 0,5 |
| Баклажани | 7 ... 10 | 90-95 | 0,5-0,7 |
| Морква | 1 ... 0 | 90-95 | 4-7 |
| Буряк | 0 ... 1 | 90-95 | - 8-10 |
| Редис | 0 | 90-95 | До 1 |
| Петрушка | 0 ... 2 | 95 | 2-2,5 |
| Селера | - 0.5 ... 0 | 90-95 | 2-4 |
| Цибуля (ріпчаста) | - 3 ... 0 | 70-80 | 6-8 |
| Цибуля-перо | 0 | 90-95 | До 1 |
| Часник | - 3 ... 0 | 70-80 | 6-8 |
| Картопля | 4 ... 5 | 90-95 | 7-8 |
Таблиця 1 (а).
Восени, коли температура повітря буває підвищеною, на ніч для створення протягу відкривають всі вікна, витяжні труби, люки, двері, а вдень їх закривають, щоб зберегти запас холоду. Іноді в льохах відзначається висока вологість повітря. Її ознаками служать затхлий сперте повітря, відчуття вогкості, появі цвілі і конденсованої вологи на стелі, стінах, стелажах, ящиках.
Щоб знизити надмірну вологість повітря, одночасно відкривають двері та віддушини. Можна поставити в підвал ящик з негашеним вапном, сіллю або деревним вугіллям - ці матеріали вбирають воду.
При похолоданнях утеплюють дах. З грудня настає небезпека промерзання сховища. До цього часу двері, а при необхідності і стіни оббивають матами і рогожею. Вентиляційні труби, крім потрібних для роботи, щільно закривають соломою або іншими матеріалами.
8) ШВИДКЕ ЗАМОРОЖУВАННЯ
Мета швидкого заморожування, як і будь-якого іншого консервуючої процесу, звести нанівець або, принаймні, уповільнити реакції, що погіршують якість продуктів і в кінцевому підсумку роблять їх непридатними до вживання.
Практично можна говорити тільки про те, що ж переважає право застосовується процесі. За цього вирішального дії чи характеру процесу його відносять до тієї чи іншої групи.
Будь-який процес консервування тим краще, чим менші зміни він викликає в продуктах у порівнянні з їхніми первісними властивостями і чим триваліший термін зберігання він забезпечує. В даний час з вживаних в промислових масштабах методів консервування продуктів процеси холодильної обробки і заморожування найкраще задовольняють згаданим вище вимогам, оскільки, з одного боку, вони по відношенню до інших процесів консервування викликають більш слабкі зміни властивостей продуктів, а з іншого-забезпечують досить довгу для практичних цілей сохраняемость їжі.
Процес консервування шляхом холодильної обробки займає особливе місце ще й тому, що після охолодження або заморожування продукти можна зберігати за допомогою будь-якого іншого процесу консервування і, навпаки, продукти, законсервовані за допомогою інших методів, зберігаються довше всього тільки в охолодженому стані;
Процеси, що погіршують якість продуктів, або процеси, що призводять в остаточному підсумку до їх псування, розвиваються в комплексних умовах. Розрізняють фізичні, біохімічні та біологічні процеси псування продуктів. Холодильна обробка незалежно від характеру оброблюваного продукту діє на ці процеси з певною закономірністю.
З фізичних процесів псування до основних відносяться процеси усушки продуктів або втрати маси. Вони викликають не тільки кількісні зміни (зменшення маси), але й можуть призвести до погіршення якості. Втрата маси продуктів підпорядкована наступної закономірності:
Δ S = Βa (Pп-φ p)
де Δ S - втрачаємо продуктами кількість води за одиницю часу, г / год; Β - коефіцієнт випаровування води, г / (Н-ч); А-площа поверхні продуктів, м2;
рп - тиск водяної пари при температурі поверхні продуктів, Па; φ - відносна вологість повітря у вигляді десяткового дробу; р-тиск насичених водяних парів при температурі навколишнього середовища, Па.
При даній поверхні продуктів і для розрахунку коефіцієнта випаровування втрата маси залежить від величин Pп, φр і р. Якщо одні й ті ж продукти з рівноважним паровміст, наприклад 95%, зберігати при різних температурах у приміщенні з відносною вологістю 80%, то величина Рп-φр буде змінюватися таким чином (за умови, що температура продуктів дорівнює температурі навколишнього простору):
| Температура, ˚ C | 40 | 30 | 20 | 10 | 0 | -10 | -20 |
| Рп-φр | 10.8 | 4.9 | 2.7 | 1.3 | 0.69 | 0.29 | 0.11 |
Таким чином, за інших рівних умов втрата маси при температурі 40 ° С приблизно в 100 разів більше, ніж втрата маси при -20 ° С, тобто низькі температури значно зменшують ступінь усихання продуктів.
Ми говорили вже про те, що втрату маси можна зменшити за допомогою відповідної упаковки, але навіть у цьому випадку залишається явище так званої внутріупаковочной втрати маси.
Біохімічні процеси псування грають виключно важливу роль. Сюди відносяться викликані ферментами каталізние процеси розпаду, включаючи навіть мікробіологічні процеси псування, оскільки ясно, що і ці процеси при найближчому розгляді теж носять біохімічний характер. При високих температурах хімічні зміни речовини проходять дуже швидко, а швидкість реакцій висока, при низьких температурах ці зміни часто ледве помітні. Зниження температури призводить до уповільнення постійних хімічних реакцій, тобто до зменшення їхньої швидкості. Цей факт виражається законом Арреніуса, який пов'язує абсолютну температуру Т і логарифм коефіцієнта хімічної реакції наступним співвідношенням:
logK = a-b / T.
Коефіцієнти а і b рівняння Арреніуса не залежать від температури і знаходяться експериментальним шляхом для кожної кон-j ної реакції. Наведене співвідношення дає можливість ви-i числити швидкість хімічної реакції при будь-якій температурі. На підставі цих розрахунків і експериментальних даних можна зробити висновок, що швидкість найбільш простих (мономолекулярних,;
молекулярних) реакцій при підвищенні температури на 10 ° С збільшується в 2-3 рази і відповідно зниження температури на 10 ° С зменшує її до половини або до однієї третини. На підставі такої закономірності легко бачити, що швидкість хімічних і біохімічних реакцій сильно сповільнюється з пониженням температури. Припустимо, початкова швидкість якої-небудь реакції v при зниженні температури на 10 ° С зменшилася до '/ з своєї величини, тобто стала дорівнювати v / 3. Якщо температура зменшиться тепер ще на 10 ° С, то швидкість стане рівною вже v / (3-3) = v/32 початкової швидкості.
Міркуючи подібним чином, побачимо, що швидкість зменшується за степеневим законом:
v/33, v / 3 ... v / з.
Показник ступеня п дорівнює десятій частині різниці температур реакції. Наприклад, якщо швидкість реакції при 40С дорівнює v, то при температурі -20 ° С вона складе вже v/729.
Цікаво, однак, зауважити, що біохімічні реакції проходять на підставі цього закону навіть при дуже низьких температурах, тільки їх швидкість стає винятково малої.
Ступінь зниження швидкості біохімічних реакцій при зменшенні температури на 10 ° С, дотримуючись ван Гоффу, прийнято позначати
Qio. Ступенем Qio прийнято, проте, описувати зниження швидкості не тільки який-небудь однієї певної реакції. Цю величину використовують також для характеристики зниження швидкості всієї сукупності біохімічних реакцій в цілому. Наприклад, оскільки сохраняемость залежить головним чином від дії сукупності біохімічних реакцій, то термін зберігання також може характеризуватися Qio.
Купріянов встановив для різних видів їжі збільшення часу її зберігання при зміні температури на 10 ° С.
Qio =
де Qio-температурний коефіцієнт зберігання; тривалість зберігання при t = 10 ° C;-тривалість зберігання при t С.
Як встановив Купріянов, при низькотемпературній зберіганні швидкозаморожених овочів величина Qio дорівнює 2, нежнрной риби-3, 1, а птахи-4.
Цікава картина виходить, якщо термін зберігання якого-небудь продукту, певний різними авторами (наприклад, тривалість зберігання яловичини або свинини), відкласти на графіку залежності від температури в температурній області нижче і вище точки замерзання (мал.).
Проробивши відповідні розрахунки для значення Qio в області температур вище і нижче точки замерзання, ми отримаємо такі величини:
| Qio = 3,85 Qio = 5,5 Qio = 4,16 Qio = 4,85 |
Яловичина вище точки замерзання »нижче» »
Свинина вище точки замерзання »нижче» »
Видно, що при температурах нижче точки замерзання тривалість зберігання збільшується швидше при зменшенні температури, ніж в температурній області вище точки замерзання. Таким чином, після переходу через точку замерзання не тільки зменшується швидкість біохімічних реакцій, але вступає в силу і новий чинник, що впливає на подовження терміну зберігання продуктів. Таким чинником є вимерзання знаходиться в продуктах води (табл.).
Зниження температури робить багатобічна і комплексний вплив на біологічні процеси. Нижче ми будемо розглядати це питання більш докладно. Зараз тільки зазначимо, що застосування низьких температур призводить до призупинення та уповільнення біологічних процесів. З іншого боку, при низьких температурах ці процеси можуть припинитися взагалі, що викликає іноді шкідливі, а іноді корисні зміни.
Під час швидкого заморожування таких влагосодержащих речовин, як харчові продукти, значна частина води стає льодом. Тому застосування низьких температур в подібних процесах консервування обов'язково супроводжується явищем замерзання. Слід, однак, згадати, що все-таки є й такі процеси, де застосування низьких температур не супроводжується вимерзанням вологи з оброблюваного продукту. Явище вимерзання вдається виключити, коли точка заморожування продуктів сильно знижується за допомогою введення в них яких-небудь речовин, наприклад, цукру або солі. Тоді температура зберігання може бути нижче за температуру замерзання. Інший приклад-наявність зв'язаної води в матеріалі, що піддається процесу швидкого заморожування. Пов'язана вода не вимерзає навіть при дуже низьких температурах, наприклад навіть при вимерзання бактеріальних спор. Так як процес замерзання зазвичай грає важливу роль при швидкому заморожуванні продуктів у зміні їх якості, ми познайомимося з ним більш докладно.
9) ЗАМОРОЖУВАННЯ КЛІТИН
Як тварини, так і рослинні клітини можна заморозити і в живому, і в мертвому стані. Заморожуються окремі клітини в суспензії і клітини, що утворюють структуру тканин. Проте для всіх цих випадків можна встановити і однаково справедливі спільні закономірності.
Як відомо, хімічний склад клітин складний. З точки зору заморожування головну роль відіграє поведінка клітинних білкових сполук. Завдяки своїм фізичним властивостям білки відносяться до колоїду. Розчиняючись у воді, вони утворюють гідрогелі і гідрозолі. Та частина води, активність якої в гідрозолі і гідрогелю нижче нормальної, називається зв'язаною водою, а решта водовміщення-вільною водою. Під дією таких зовнішніх впливів, як зміна температури, золі переходять в гелі і навпаки.
Зміни в клітинах при їх охолодженні починають відбуватися вже поблизу точки замерзання. В'язкість клітинної протоплазми зростає, утворюється гель, а що містяться в клітинах ліпіди вимерзають. Істотні зміни, однак, починаються після замерзання деякої кількості води клітинної вологи. Замерзання клітинного колоїду зазвичай починається так само, як і замерзання істинного розчину. Тут теж виникає явище зниження температури замерзання, а з колоїдного розчину вимерзає тільки чиста вода. Внаслідок вимерзання води залишкова концентрація розчину зростає, і температура його замерзання подібно істинного розчину зменшується. Чим нижче температура клітин, тим більше з них вимерзає води, але завдяки колоїдний характер системи зв'язана вода зазвичай не замерзає. Так, за даними Морана, в 2%-ном розчині желатину приблизно 35% води не виморожується навіть при температурі рідкого повітря (-196 ° С).
На рис. температура t відповідає точці замерзання. Її значення залежить від концентрації розчинених в клітинній волозі речовин. При зниженні температури і подальшому відборі тепла деяка частина води клітинної вологи вимерзає, але життєздатність організму поки не змінюється і не зникає. Це явище справедливо навіть для самих загальних випадків. Такий стан триває до температури t.
Говорячи про вимерзання води на ділянці t1-t2, ми мали на увазі біохімічно (і навіть біологічно) вільну воду. На цій ділянці швидкість замерзання не грає особливої ролі. Трапляється навіть так, що при повільному замерзанні біологічна оборотність виявляється кращою і більшу кількість клітин залишається в живому стані. Після відтавання клітинний обмін речовин знову поновлюється. Тут, однак, стає важливим фактор часу, протягом якого клітини знаходилися при температурі t1 до tг, і те, яким чином відбувалося відтавання. Значення температури t2, або межі біологічної оборотності, неодим-наково для різних клітин і клітинних структур. Біологічна оборотність при заморожуванні або повне відновлення життєвих функцій після заморожування характерно тільки для деяких порід риб (карасів), деяких рослин і зазвичай структур більш низького порядку і організації.
При охолодженні нижче температури t2 процес вимерзання води продовжується і, хоча клітки та клітинні структури відмираючи-
ють, вола вимерзає з колоїдного розчину оборотним чином вимерзлій кількість води до температури t3 повністю представлено колоїдно вільною водою. У фруктів температури t2 і t3 перебувають звичайно дуже близько один від одного, тобто припинень життєдіяльності практично супроводжується настанням колоїдної незворотності процесу. Нижче температури tз починає замерзати пов'язана колоїдна вода. Колоїдні частинки які до цього були надійно відокремлені один від одного оболонкою гідратів, тепер можуть зближуватися настільки, що різні сили тяжіння склеюють міцели. Вивільнені зв'язку, на яких раніше перебували молекули води, тепер діють один на одного так, що при взаємодії деяких головних з'єднань колоїдних частинок можуть відбутися хімічні зміни та колоїд може денатурувати. Якщо пізніше до місць цих зв'язків підійдуть молекули води, то вони не зможуть взаємодіяти з ними. Дослідження Ріделя показали, що навіть якщо температура клітин знизиться нижче температури t3, то і тоді вся вода не вимерзне з розчинів, тобто міститься в клітинах воду неможливо виморозило повністю.
Лінг (1968) пояснює стан зв'язаної води наявністю на | молекулярної поверхні речовини, що утворює колоїдний розчин, багатошарового поляризованого покриття з водяних молекул (мал.). Властивості поляризованих водних молекул (їх точка замерзання, здатність розчиняти різні речовини тощо) відрізняються від властивостей нормальних неполяризованих молекул. Можна припустити, що повне вологовміст живих клітин складається саме з таких поляризованих молекул.
Зменшення оборотності колоїдів у міру вимерзання води веде до ущільнення залишкового розчину. Водні розчини, що утворюють клітинну вологу, в залежності від виду продуктів з-
Рис. 91. Розташування шарів поляризованих молекул води між молекулами білка. Риски усередині кіл, що позначають молекули води, показують напрямки дипольних моментів.
Рис. 92. Вплив температури на оборотність замерзання. Крива / показує, що зменшення температури і збільшення швидкості замерзання сприятливо діють на оборотність, а крива / / показує, що зниження температури внаслідок концентрації клітинної вологи діє на оборотність несприятливим чином. Характеризує сумарний вплив цих процесів крива / / / виходить суперпозицією кривих / і / /.
тримають солі, кислоти, цукру, колоїдні білки і т. д. Концентрація утворюють електроліти або перебувають у діссоціірованном стані солей і кислот викликає коагуляцію або денатуровані білків.
Під час заморожування недостатньо амортизованих систем може змінюватися величина рН. Так, наприклад, рН овочів:
при заморожуванні може зменшуватися, а рН м'яса збільшуватися. Ці дані вказують на те, що під час заморожування величина рН може досягти ізоелектричної точки випадання білків або наблизитися до неї. Ізоелектрична точка глютеніну і яєчного білка при рН 4,8, оксигемоглобіну-прі рН 6,8. З іншого боку, це означає, що шляхом належної фіксації величини рН можна уникнути виділення білків. Остання вдалося підтвердити експериментально заморожуванням м'яса з фіксованим значенням рН 6,3, після відтавання якого втрата соку, характеризує ступінь денатуровані білків, виявилася дуже малою.
10) Кількість вимерзає води. Вимерзання води з рослинних і тваринних клітин починається при температурі їх замерзання. У міру відбору тепла вимерзає все більше води, а концентрація розчинених в клітинній волозі речовин збільшується. Після досягнення певної точки знижувати температуру далі марно, оскільки вода з клітин більше не вимерзає. Деякий її кількість навіть при дуже низьких температурах залишається в рідкій фазі. За допомогою сучасного диференціального термоаналізу Дакуорт (1971) встановила кількість невимерзающей з продуктів води при температурі -180 ° С (табл.).
Наявність у продуктах невимерзшей води, що знаходиться в рідкому агрегатному стані навіть при дуже низьких температурах, вказує на той факт, що активізація деякої частини водосо-тримання клітин сильно утруднена. Незалежно від того, викликається такого роду зв'язаність освітою поляризованої багатошарової «шуби» молекул води або водневими зв'язками, її енергія достатньо велика. За даними Оленєва і Чижова (1973), енергія зв'язку слабкозв'язаного води крохмалю становить 155 кДж / кг, енергія проміжних зв'язків-155-655 кДж / кг, енергія зв'язку сильно зв'язаною і не вимерзає навіть при дуже низьких температурах води становить більш ніж 655 кДж / кг. Якщо згадати, що питома теплота випаровування води 2345 кДж / кг, то ці величини здаються не такими вже малими.
Згідно Дорсі, навіть у чистому льоді залишається невимерзшая рідка фаза, яка покриває кристалики льоду плівкою товщиною приблизно 8 мкм.
11) Рекристалізація. Як виявляється з викладеного вище, замерзлі клітини і тканини містять кристалики льоду різних розмірів і незамерзаючих воду в рідкому агрегатному стані, тобто певний розчин. Наявність кристаликів різної величини пов'язане з різницею швидкостей замерзання знаходяться на неоднаковій глибині від поверхні продуктів шарів клітин, що містять воду. Ця гетерогенна система кристаликів різної величини слабо стійка. Вона постійно змінюється в бік зменшення числа кристалів льоду і збільшення обсягу кристалів. Процес рекристалізації, за нашими сучасними уявленнями, триває більш-менш тривалий проміжок часу до температури -30 ° С.
Явище рекристалізації виникає, як можна припустити, з двох причин. Перша причина полягає в тому, що парціальний тиск водяної пари над дрібними кристалами льоду вище, ніж над великими. Внаслідок різниці тисків водяних парів молекули води постійно сублимируют з дрібних кристаликів і осідають на великих.
Друга причина-безперервне коливання температури зберігання продуктів. Оскільки температура плавлення дрібних кристаликів нижче, ніж великих, при невеликому підігріві вони підтає в першу чергу. Новоутворена від їх танення вода при наступному за невеликим підвищенням температури охолодженні намерзає на невеликі кристали, збільшуючи тим самим їх розміри.
Рекристалізація сильно сповільнюється при зниженні температури зберігання. Різниця тисків пари над дрібними і великими кристалами при температурі -25 ° С складає тільки '/ 4 різниці тисків при температурі -10 ° С. Крім того, коливання температури продуктів близько 0,05 ° С, яке виникає в результаті коливань температури сховища на 1 ° С, при охолодженні до -10 ° С відповідає зміна агрегатного стану, тобто розплавлення або замерзання приблизно 0,04% води, а при охолодженні до -25 ° С агрегатний стан змінюють всього 0,005% води.
На досвіді добре видно, як різниця в числі і розмірах кристаликів льоду у швидко і повільно заморожених продуктів поступово зникає при зберіганні.
Дуже цікавими видаються з цієї точки зору дослідження Нотеварпа, який вимірював розміри кристалів льоду у замороженій із різною швидкістю трісці через різні проміжки зберігання при температурі -20 ° С. Наприклад, через 2,5 години після заморожування (крива а на рис.) Середні розміри кристалів становили 250 мкм. Після 5-місячного зберігання при температурі -20 ° С вони збільшилися до 480 мкм (крива ///). З малюнка видно також, що до 480 мкм кристали виростають через 8 год після заморожування (крива b).
12) Заморожування продуктів бестканевой структури. До цієї групи можна віднести продукти, які ведуть себе як справжні розчини, наприклад проціджені, освітлені фруктові соки та широке коло продуктів від молока до хліба, які проявляють властивості колоїдних розчинів або гелів.
На фруктові соки, кавові екстракти і т. д., які можна вважати справжніми розчинами, заморожування (утворення льоду), не робить ніякого впливу. Після заморожування, зберігання і відтавання якість продуктів повністю зберігається. Зовсім інше становище виникає тоді, коли метою заморожування є згущення, кріогенне концентрування. У цьому випадку винятково важливим з точки зору наступних фаз технології, поділу концентрату і кристалів льоду стають їх відповідні розміри, а в деяких аспектах 'і правильний напрямок кристаллообразования.
Поділ полегшується, а втрати речовини зменшуються, якщо в процесі заморожування, проведеного з метою кріоконцентрі-вання, в розчині утворюються великі кристали. У цьому випадку питома поверхня льоду зменшується, а значить, і стає меншим кількість зв'язаного внаслідок адсорбції і важко віддільного концентрату.
Для полегшення відцентрового розділення в процесі Крау-зе-Лінде зазвичай прагнуть отримати зростання кристалів в радіальному напрямку перпендикулярно осі речовини, що складається з льоду і концентрату.
Зворотне становище виникає при виробництві морозива, коли істотно, щоб утворюються кристали льоду мали якомога менші розміри і давали при споживанні бажану «гладку» консистенцію. Ця мета досягається не тільки за допомогою швидкого заморожування, а й шляхом застосування різних емульгаторів (яєчний жовток, желатин, агар і т. д.), які при змішуванні сприяють утворенню дрібних крижаних кристалів.
Можна ще також згадати про те, що під час ліофілізації розчинів велику роль грають розміри кристалів льоду, що виникають при заморожуванні перед проведенням основної операції. Згідно з експериментальними даними, освіта як занадто великих, так і дуже маленьких кристалів не сприяє високоякісному проведення технологічного процесу, оскільки маленькі кристали ускладнюють сублімацію водяної пари, а великі після свого зникнення залишають багато небажаних порожнеч.
Переважна більшість належать до цієї групи продуктів є колоїдними розчинами або гелями. Вивченням зміни структури колоїдів при заморожуванні задалося багато дослідників. Сучасна точка зору на цей рахунок може бути сформульована наступним чином.
Колоїдні розчини під дією заморожування страждають здебільшого від незворотних, але частково і від оборотних фізичних змін. Такими змінами може бути дезагрегації, а іноді і агрегація колоїдних частинок.
У рідких розчинах настає головним чином дезагрегації, а в концентрованих розчинах - агрегація часток. Встановлено також, що однополярні колоїди при заморожуванні у неполярних розчинниках агрегує, а в полярних розчинниках дезагрегіруют. Дезагрегації оборотна.
Гетерополярность колоїди в полярних розчинниках можуть покаазать обидва цих фізичних зміни. Агрегація виникає під дією сил Ван-дер-Ваальса, а дезагрегації - під дією ктростатіческіх і дипольних сил. У продуктах колоїдного актора має місце зазвичай процес агрегації. Однак у той час збільшення активності ферментів при заморожуванні пояснюється явищем дезагрегації.
13.Водосодержаніе, теплоємність і теплота замерзання деяких продуктів.
| Водосодсржаніе, теплоємність і теплота замерзання деяких продуктів | ||||||||||
| Теплоємність | ||||||||||
| Продукт | Водосо-Тримання,% | Теплота замерзання або плавлення | ||||||||
| вище точки замерзання | нижче точки замерзання | |||||||||
| са | ||||||||||
| кДж / (кг * К) | ккал / (кг * град) | кДж / (кг * К) | ккал / (кг * град | кДж / (кг) | ккал / (кг) | |||||
| Яблука | 83 | 3,85 | 0,92 | 1,76 | 0,42 | 280,52 | 67 | |||
| . Банани | 75 | 3,35 | 0,80 | - | - | 251,21 | 60 | |||
| Птах | 173 | 2,93-3,18 | 0.70-0,76 | 1,68 | 0,40 | 247,02 | 59 | |||
| Вино | - | 3,77 | 0,90 | - | - | - | - | |||
| Картопля | 74 | 3,35 | 0,80 | 1,76 | 0,42 | 242,83 | 58 | |||
| Лимони | 83-89 | 3,85 | 0,92 | 1,93 | 0,46 276-297 | 66-71 | ||||
| Цукор | 0,1 | - | - | 1,26 | 0,30 | - | ||||
| Черешня | 82 | 3,64 | 0,87 | 1,84 | 0,44 | 276,33 | 66 | |||
| Горіхи | 7,2 | 1,05 | 0,25 | 0,92 | 0,22 | 37,68 | 9 | |||
| Агрус | 90 | 3,85 | 0,92 | 1,93 | 0,46 | 301,45 | 72 | |||
| Морозиво | 40-65 | 3,27 | 0,78 | 1,88 | 0,45 | 217,71 | 52 | |||
| Часник | 91 | 3,89 | 0,93 | 2,01 | 0,48 | 305,64 | 73 | |||
| Кавуни | 89 | 3,85 | 0,92 | 1,93 | 0,46 | 297,26 | 71 | |||
| Риба | ||||||||||
| жирна | 60 | 2,85 | 0,68 | 1,59 | 0,38 | 209,34 | 50 | |||
| худа | 73 | 3,43 | 0,82 | 1,80 | 0,43 | 255,34 | 61 | |||
| Телятина | 63 | 2,95 | 0.70 | 1,60 | 0,40 | 209,34 | 50 | |||
| Яловичина | ||||||||||
| худа | 72 | 3,25 | 0,78 | 1,76 | 0,42 | 234,46 | 56 | |||
| дебела | 51 | 2,55 | 0,61 | 1,49 | 0,36 | 171,66 | 41 | |||
| Свинина | ||||||||||
| дебела | 39-46 | 2,13 | 0,51 | 1,34 | 0,32 129-154 31-37 | |||||
| Бобові | 89 | 3,85 | 0,92 | 1,97 | 0,47 | 297,26 | 71 | |||
| Савойська ка | 91 | 3,89 | 0,93 | 3,01 | 0,48 | 305,64 | 73 | |||
| порожня | ||||||||||
| Груші | 83 | 3,85 | 0,92 | 1,76 | 0,42 | 280,52 | 67 | |||
| Маргарин | 18-18 | 2,72-2,93 | 0,65-0,70 | 1,47 | 0,35 | - | - | |||
| Апельсини | 84 | 3,85 - | 0,92 | 1,84 | 0,44 | 284,70 | 68 | |||
| Персики | 87 | 3,85 | 0,92 | 1,72 | 0,41 | 293,08 | 70 | |||
| Томати | 94 | 3,89 | 0,93 | 2,05 | 0,49 | 314,01 | 75 | |||
| Сир | ||||||||||
| нежирний | 53 | 2,85 | 0,68 | 1,68 | 0,40 | 175,85 | 42 | |||
| жирний | 35-50 | 1,88-2,51 | 0,45-0,60 | 1,26 | 0,30 108 -155 26-37 | |||||
| Морква | 83 | 3,64 | 0,87 | 1,88 | 0,45 | 276,33 | 66 | |||
| Пиво | 89-91 | 3,77 | 0,90 | - | - | 301,45 | 72 | |||
| Спаржа | 94 | 3,89 | 0,93 | 1,97 | 0,47 | 314,01 | 75 | |||
| Сало | . | 2,30 | 0,55 | 1,30 | 0,31 | 71,18 | 17 | |||
| Ожина | 90 | 3,85 | 0,92 | 1,97 | 0,47 | 299,78 | 72 | |||
| Виноград | 81 | 3,68 | 0,88 | 1,88 | 0,45 | 263,77 | 63 | |||
| Молоко | 88 | 3,94 | 0,94 | 2,51 | 0,60 | 293,08 | 70 | |||
| Вершки, кошторис | 59 | 3,56 | 0,85 | 1,51 | 0,36 | 196,78 | 47 | |||
| на | ||||||||||
| Морські раки | 77 | 3,39 | 0,81 | 1,80 | 0,43 | 259,58 | 62 | |||
| Тісто | - | 1,88 | 0,45 | - | - | - | - | |||
| Яйця | 70 | 3,18 | 0,76 | 1,68 | 0,40 | 234,46 | 56 | |||
| Сир | 80 | 2,93 | 0,70 | 1,88 | 0,45 | - | - | |||
| Масло | 14-15 | 2,51-2,68 | 0,60-0,64 | 1,26 | 0,30 | - | - | |||
Переваги та недоліки.
Тут можна відзначити, що для кожного продукту є свої режими охолодження
(Заморожування) при яких цей продукт пробуде без значної зміни
своєї структури. Наприклад, при заморожуванні харчових продуктів бестканевой
структури, таких як прояснені фруктові соки та широке коло продуктів
від молока до хліба, які проявляють властивості колоїдних розчинів або
гелів заморожування не робить ніякого впливу, після заморожування,
зберігання і відтавання якість продуктів повністю зберігається. На відміну
від харчових продуктів бестканевой структури продукти, що мають тканинну
структуру мають здатність окислюватися, розвивати мікрофлору, що призводить
до небажаних змін в структурі продуктів, а в свою чергу це
призводить до псування продукту. Так само слід враховувати час на протязі, якого
той чи інший продукт охолоджується (заморожується), важливо враховувати
тривалість зберігання, адже при зберіганні відбувається випаровування харчових
продуктів. Велику роль відіграє початковий стан харчових продуктів
харчування. Швидкість охолодження (замороження) впливає на початковий стан
кристалів перед тим як продукт буде поміщений в сховище, кожному продукту
відповідає своя швидкість охолодження (замороження) яка формує
розмір кристалів так щоб вони не пошкоджували тканинну структуру продукту
і що в свою чергу впливало б на більш довгий термін зберігання.
15.Спісок використовуваної літератури.
1) Е. Алмаші, Л. Едель, Т. Шарой "Швидке заморожування харчових продуктів"
2) М. О. Головкін "Холодильна технологія харчових продуктів"
3) А. Ф. намісником "Консервування плодів і овочів у домашніх умовах"