Phân loại giới hạn làm lạnh

* Nhiệt độ đóng băng của thực phẩm

Nước nguyên chất đóng băng ở 0^oC. Tuy nhiên điểm đóng băng của thực phẩm thì khác, vì nồng độ muối khoáng và chất hoà tan trong dịch tế bào của thực phẩm thay đổi tuỳ từng loại thực phẩm nên chúng có điểm đóng băng khác nhau và thường nhỏ hơn 0^oC.

Ví dụ của cá biển có điểm đóng băng khoảng -1,5^oC, cá nước ngọt điểm đóng băng -1,0^oC, tôm biển -2^oC.

* Các cấp làm lạnh thực phẩm:

Ứng với khoảng nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông người ta phân biệt các cấp làm lạnh thực phẩm như sau:

- Làm lạnh: Khi nhiệt độ sản phẩm cuối quá trình nằm trong khoảng

t_đb < t < + 20^oC

- Làm lạnh đông (cấp đông): Khi nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông nằm trong khoảng:

-100^oC < t < t_đb

- Làm lạnh thâm độ: Khi nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông nằm trong khoảng

-273^oC < t < -100^oC

Mục đích và ý nghĩa

Thực phẩm ở nhiệt độ cao dưới tác dụng của men phân giải (enzim) của bản thân và các vi sinh vật sẽ xảy ra quá trình biến đổi về chất, dẫn đến hư hỏng, ươn thối.

Khi nhiệt độ thực phẩm xuống thấp các quá trình trên sẽ bị ức chế và kìm hãm, tốc độ các phản ứng hoá sinh sẽ giảm. Nhiệt độ càng thấp, tốc độ phân giải càng giảm mạnh.

Khi nhiệt độ giảm thì hoạt động sống của tế bào giảm là do:

- Cấu trúc tế bào bị co rút;

- Độ nhớt dịch tế bào tăng;

- Sự khuyếch tán nước và các chất tan của tế bào giảm;

- Hoạt tính của enzim có trong tế bào giảm. Nhiệt độ thấp ức chế tốc độ của các phản ứng hoá sinh trong thực phẩm. Nhiệt độ thấp tốc độ giảm, người ta tính rằng cứ giảm 10^oC thì tốc độ phản ứng hoá sinh giảm xuống còn từ 1/2 đến 1/3. Nhiệt độ thấp tác dụng đến các men phân giải nhưng không tiêu diệt được nó. Nhiệt độ giảm xuống 0^oC hoạt động của hầu hết các enzim bị đình chỉ. Men lipaza, trypsin, catalaza ở nhiệt độ -191^oC cũng không bị phá huỷ. Nhiệt độ càng thấp khả năng phân giải giảm, ví dụ khả năng phân giải của men lipaza phân giải mỡ cho ở bảng 4-1 dưới đây.

Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản hoạt động sống có thể độc lập với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh cao, đa số tế bào thực vật không bị chết khi nước trong nó chưa đóng băng.

Tế bào động vật có cấu trúc và hoạt động sống phức tạp, gắn liền với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh kém. Đa số tế bào động vật chết khi nhiệt độ giảm quá 4^oC so với thân nhiệt bình thường của nó. Tế bào động vật chết là do chủ yếu độ nhớt tăng và sự phân lớp của các chất tan trong cơ thể.

Một số loài động vật có khả năng tự điều chỉnh hoạt động sống khi nhiệt độ giảm, cơ thể giảm các hoạt động sống đến mức không cần nhu cầu bình thường của điều kiện môi trường trong một khoảng thời gian nhất định. Khi tăng nhiệt độ, hoạt động sống của chúng phục hồi, điều này được ứng dụng trong vận chuyển động vật đặc biệt là thuỷ sản ở dạng tươi sống, đảm bảo chất lượng tốt và giảm chi phí vận chuyển.

Như vậy khi nhiệt độ thấp quá trình phân giải của thực phẩm sẽ bị chậm lại hoặc chấm dứt hoàn toàn là do:

- Hoạt động của các men phân giải bị đình chỉ.

- Sự phát triển của các vi sinh vật bị ức chế, đại bộ phận các vi sinh vật ngừng hoạt động trong khoảng -3^oC đến -10^oC. Tuy nhiên ở -10^oC vi khuẩn micrococcuss vẫn sống nhưng phát triển chậm. Các loại nấm mốc chịu đựng lạnh tốt hơn, có thể tới -15^oC. Để nấm mốc sống được độ ẩm phải đảm bảo ít nhất là 15%. Khi nhiệt độ giảm xuống -18^oC thì nước trong thực phẩm mới đóng băng tới 86%, đạt yêu cầu trên. Vì vậy nhiệt độ bảo quản tốt nhất từ -18^oC trở xuống mới làm cho toàn bộ vi sinh vật và nấm mốc ngừng hoạt động hoàn toàn.

Nước trong thực phẩm

Nước trong thực phẩm, đặc biệt trong thuỷ sản chiếm tỷ lệ rất lớn có thể lên đến 80%. Tuỳ theo mức độ liên kết mà người ta chia nước trong thực phẩm ra các dạng: Nước tự do và nước liên kết

- Nước tự do: Chỉ liên kết cơ học. Nước nằm bất động trong mạng lưới cấu trúc mô cơ dưới hình thức dung môi để khuyếch tán các chất qua tế bào.

- Nước liên kết: Không phải là dung môi mà là ở dạng liên kết với các chất prôtit tan và các chất vô cơ, hữu cơ tan khác tạo thành các khung cấu trúc của mô cơ.

Cơ chế đóng băng trong thực phẩm khi cấp đông.

Nước trong thực phẩm do có hoà tan các chất tan nên nhiệt độ đóng băng thấp hơn 0^oC.

Khi hạ nhiệt độ thực phẩm xuống thấp các dạng nước trong thực phẩm đóng băng dần dần tuỳ mức độ liên kết của chúng với tế bào.

Khi nhiệt độ hạ xuống thấp bằng nhiệt độ cấp đông, trước tiên các tinh thể đá xuất hiện ở gian bào (khoảng trống giữa các tế bào). Khi đến điểm đóng băng đa số nước ở gian bào kết tinh và làm tăng nồng độ chất tan lên cao hơn trong tế bào. Do đó áp suất thẩm thấu tăng lên làm cho nước trong tế bào có xu hướng ra ngoài qua gian bào, qua màn bán thấm của tế bào. Nếu tốc độ làm lạnh chậm thì nước trong tế bào ra sẽ làm các tinh thể hiện diện lớn lên mà không tạo nên tinh thể mới.

Nếu tốc độ làm lạnh nhanh thì tinh thể sẽ tạo ra cả ở bên ngoài lẫn bên trong tế bào, tinh thể đá sẽ nhuyễn và đều.

Do đó nếu hạ nhiệt chậm tế bào bị mất nước và các tinh thể đá tạo ra sẽ to và chèn ép làm rách màng tế bào, cấu tạo mô cơ bị biến dạng, giảm chất lượng sản phẩm.

Khi nước tự do đã đóng băng hết thì đến nước liên kết, bắt đầu từ nước có liên kết yếu đến nước có liên kết mạnh.

Tác động của sự kết tinh của nước đối với thực phẩm.

- Có sự phân bố lại nước trong thực phẩm không chỉ giữa gian bào và tế bào mà còn theo chiều sâu của sản phẩm.

- Có sự biến đổi tế bào do sự phân bố lại nước, do tạo thành lớp đá, vỡ tế bào, biến đổi cấu trúc sợi cơ.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự kết tinh của nước trong thực phẩm.

Biến đổi về nhiệt vật lý

Sự kết tinh của nước: Trong quá trình cấp đông nước tách ra và đông thành các tinh thể, làm cho sản phẩm trở nên rắn, tăng thể tích một ít.

Khi nước trong thực phẩm kết tinh tạo thành mạng tinh thể xen kẻ giữa các thành phần khác tạo ra cấu trúc vững chắc, nhưng khi làm tan băng, phục hồi trạng thái ban đầu thì cấu trúc thực phẩm bị mềm yếu hơn, kém đàn hồi hơn do các tinh thể làm rách cấu trúc liên kết tế bào thực phẩm.

Biến đổi màu sắc: Đồng thời với quá trình trên màu sắc thực phẩm cũng biến đổi do hiệu ứng quang học do tinh thể đá khúc xạ ánh sáng. Màu sắc thực phẩm khi nước đóng băng phụ thuộc tính chất quang ánh sáng của các tinh thể nước đá.

Bay hơi nước: Trong quá trình làm lạnh đông có hiện tượng mất nước, giảm trọng lượng sản phẩm. Đó là sự bay hơi nước vào không khí từ bề mặt thực phẩm, do chênh lêch mật độ p giữa không khí sát bề mặt và không khí xung quanh.

Ẩm bốc lên từ bề mặt sản phẩm vào không khí xung quanh, nếu sản phẩm nhập có bề mặt còn ướt thì khi cấp đông chúng sẽ đông lại, sau đó diễn ra quá trình thăng hoa. Nếu chênh lệch nhiệt độ bề mặt sản phẩm và không khí trong buồng cấp đông càng lớn thì ẩm bốc càng mạnh, gây hao hụt khối lượng.

Khuyếch tán nước: Khi cấp đông xảy ra hiện tượng khuyếch tán nước trong cấu trúc thực phẩm, nước khuyếch tán là do các nguyên nhân:

+ Sự chênh lệch nhiệt độ gây nên do chênh lệch mật độ p.

+ Sự lớn lên của tinh thể nước đá luôn thu hút nước từ những vị trí chưa kết tinh dẫn đến, làm cho nước từ nơi có nồng độ chất tan thấp chuyển đến nơi có nồng độ chất tan cao. Sự di chuyển của nước thực hiện nhờ tính bám thấm và mao dẫn của cấu trúc thực phẩm. Động lực của quá trình khuyếch tán, làm cho nước di chuyển từ trong tế bào ra gian bào và từ trong ra ngoài, từ vị trí liên kết ra tự do. Khi nước khuyếch tán cấu trúc tế bào co rút, một số chất tan biến tính, dẫn đến khi làm tan một phần thực phẩm gần bề mặt.

Các thông số nhiệt vật lý thay đổi

- Biến đổi nhiệt dung: Nhiệt dung sản phẩm thay đổi là do nước trong thực phẩm đã được đóng băng. Nhiệt dung khi đó được tính:

C_SP, C_CK, C_đ, C_n – Nhiệt dung riêng của sản phẩm, chất khô, nước đá và của nước, kJ/kg.K;

w- Tỷ lệ nước đã đóng băng ở nhiệt độ t_đb

W – Hàm lượng nước trong sản phẩm.

Nhiệt dung riêng sản phẩm trước khi đóng băng

C_o = C_CK(1-W) + C_n.W ; kJ/kg.K (4-4)

Do đó

C_SP = C_o - (C_n - C_đ).w.W = Co – 2,096.w.W ; kJ/kg.K

Có thể xác định nhiệt dung riêng sản phẩm theo công thức thực nghiệm như sau:

A_c, B_c – Là các hằng số thực nghiệm

- Biến đổi hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt của sản phẩm cũng thay đổi thể hiện ở công thức dưới đây:

λ_SP, λo – Hệ số dẫn nhiệt của sản phẩm lạnh đông và ở nhiệt độ kết tinh ( nhưng sản phẩm chưa kết tinh), W/m.K;

A_λ, B_λ - Hằng số thực nghiệm

t, t_kt – Nhiệt độ sản phẩm cấp đông và nhiệt độ kết tinh (không kể dấu âm), ^oC

- Biến đổi hệ số dẫn nhiệt độ

Hệ số dẫn nhiệt độ của sản phẩm cũng thay đổi và được tính theo công thức sau đây:

a_SP, ao – Hệ số dẫn nhiệt độ của sản phẩm lạnh đông và ở nhiệt độ kết tinh ( nhưng sản phẩm chưa kết tinh), m²/s;

A_a, B_a - Hằng số thực nghiệm.

t, t_kt – Nhiệt độ sản phẩm cấp đông và nhiệt độ kết tinh (không kể dấu âm), ^oC.

Dưới đây là bảng các thông số của một số sản phẩm

Biến đổi hoá học

Bản chất quá trình biến đổi hoá học của thực phẩm khi làm lạnh là sự phân giải của các chất dự trữ năng lượng do tác động của các enzim có sẵn trong thực phẩm.

- Mức độ biến đổi hoá học phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của thực phẩm và phương pháp làm lạnh. Nói chung do nhiệt độ giảm nhanh thời gian làm lạnh ngắn nên các biến đổi hoá học diễn ra với tốc độ rất chậm, ít hư hỏng, chất lượng thực phẩm được đảm bảo.

- Các biến đổi chủ yếu là do sự ôxi hoá các sắc tố làm biến màu thực phẩm. Sự ôxi hoá phụ thuộc mức độ tiếp xúc với không khí của thực phẩm và chất lượng ban đầu.

- Để giảm sự ôxi hoá có thể loại bỏ các sắc tố trước khi làm lạnh, hạn chế bớt các hoạt tính của các enzim, hạn chế tiếp xúc với không khí, làm tăng tốc độ làm lạnh.

Biến đổi do vi sinh

Trước khi làm lạnh thực phẩm thường được rửa sạch để loại bỏ các tạp chất nơi chứa chấp nhiều loại vi sinh vật.

Trong quá trình làm lạnh do nhiệt độ môi trường làm lạnh có nhiệt độ không phù hợp với các vi sinh vật nên vi sinh vật ở lớp bề mặt thực phẩm bị tiêu diệt. Số còn lại bị hạn chế khả năng hoạt động. Nhưng chúng thích nghi dần với lạnh, nên thời gian bảo quản thực phẩm bị giảm.

Xác định thời gian kết tinh nước trong thực phẩm

Thời gian kết tinh là thời gian để nước trong thực phẩm kết tinh thành đá, trong quá trình này ta coi nhiệt độ của đá kết tinh không đổi và bằng t_đb.

Công thức Plank thường được sử dụng để xác định thời gian làm lạnh thực phẩm:

trong đó

q - Nhiệt lượng cần thải từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ kết tinh cuối cùng, kCal/kg;

v - Thể tích riêng của thực phẩm, m³/kg;

delta t - độ chênh nhiệt độ giữa điểm đóng băng ban đầu của thực phẩm và môi trường, ^oC;

ro - Chiều dày lớp thực phẩm, m;

k - Hệ số truyền nhiệt bề mặt (kể cả bao gói), kCal/m².h.K;

lamđa - Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm, kCal/m.h.K;

P, R - Các hằng số tuỳ thuộc hình dạng thực phẩm.

Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian cấp đông

Làm đông thực phẩm trong không khí lạnh

Thực phẩm được làm lạnh bằng không khí có nhiệt độ âm sâu đối lưu cưỡng bức qua bề mặt. Quá truyền nhiệt là trao đổi nhiệt đối lưu.

Sản phẩm cấp đông có thể dạng block hoặc dạng rời, nhưng thích hợp nhất là dạng sản phẩm rời.

Ưu điểm

- Không khí có nhiệt dung riêng nhỏ nên giảm nhiệt độ nhanh.

- Khi tiếp xúc không gây các tác động cơ học vì thế giữ nguyên hình dáng kích thước thực phẩm, đảm bảo thẩm mỹ và khả năng tự bảo vệ cao của nó.

- Hoạt động liên tục, dễ tự động hoá sản xuất.

Nhược điểm

- Thực phẩm dễ bị khô do bay hơi nước bề mặt và dễ bị ôxi hoá do tiếp xúc nhiều với khí O₂.

Ứng dụng

- Đông thực phẩm dạng rời và block ở các kho và tủ cấp đông.

Làm đông tiếp xúc

Các sản phẩm được đặt trên các khay và được kẹp giữa các tấm lắc cấp đông. Các tấm lắc kim loại bên trong rỗng để cho môi chất lạnh chảy qua, nhiệt độ bay hơi đạt t_o = -40đến -45^oC. Nhờ tiếp xúc với các tấm lắc có nhiệt độ rất thấp, quá trình trao đổi nhiệt tương đối hiệu quả và thời gian làm đông được rút ngắn đáng kể so với làm đông dạng khối trong các kho cấp đông gió, đạt t = 1,5đến 2 giờ nếu cấp dịch bằng bơm hoặc 4đến 4,5 giờ nếu cấp dịch từ bình giữ mức theo kiểu ngập dịch.

Truyền nhiệt trong tủ đông tiếp xúc là dẫn nhiệt.

Phương pháp làm đông tiếp xúc thường được áp dụng cho các loại sản phẩm dạng khối (block).

Làm đông cực nhanh

Thực phẩm được di chuyển trên các băng chuyền và được phun làm lạnh bằng ni tơ lỏng có nhiệt độ bay hơi rất thấp -196^oC. Vì thế thời gian làm lạnh đông cực nhanh từ 5đến 10 phút. Hiện nay các nước phát triển ứng dụng rộng rãi phương pháp này.

Bảng 4-3. Các thông số về phương pháp cấp đông

Làm đông bằng hổn hợp đá và muối

Phương pháp này thực hiện ở những nơi không có điện để chạy máy lạnh. Khi cho muối vào nước đá thì tạo nên hỗn hợp có khả năng làm lạnh. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ muối pha mà đạt được các hổn hợp nhiệt độ khác nhau.

Phương pháp này có ưu điểm đơn giản dễ thực hiện.

Nhưng có nhược điểm là nhiệt độ hỗn hợp tạo ra không cao cỡ -12^oC, vì vậy chỉ có khả năng bảo quản trong thời gian ngắn và thực phẩm tươi sạch. Nhược điểm khác của phương pháp này là thực phẩm mất trọng lượng và giảm phẩm chất bề mặt.

Làm đông bằng nước muối lạnh

Có 2 cách:

Ngâm trong nước muối

Cá được xếp vào giỏ lưới rồi nhúng vào bể nước muối được làm lạnh bởi giàn bốc hơi amôniăc. Nước muối được lưu động bằng bơm, nhiệt độ -18^oC, thời gian làm đông 3 giờ.

Phun nước muối lạnh

Phương pháp này được ứng dụng trong chế biến thuỷ sản.

Cá vận chuyển trên băng chuyền và được phun nước muối lạnh -25^oC. Khi đã đông lạnh cá được phun nước sạch 20^oC để rửa muối bám lên cá, cuối cùng cá được phun nước 0^oC để mạ băng trước khi chuyển về kho bảo quản.

Theo phương pháp này thời gian làm đông ngắn mà hao hụt trọng lượng ít, lượng muối ngấm vào ít. Tuy nhiên phương pháp này cũng làm cho thực phẩm ngấm muối ít nhiều.

Mạ băng sản phẩm đông

Phương pháp mạ băng sản phẩm đông

Có 2 phương pháp mạ băng: Nhúng trong nước lạnh và phun nước lên bề mặt sản phẩm.

Phương pháp nhúng đảm bảo đều hơn, đẹp hơn, thực hiện đơn giản nhưng tổn hao lạnh lớn, sau khi nhúng một số lần thì nước bị nhiễm bẩn nên phải thay thế. Nước nhúng có nhiệt độ khoảng 3đến 5^oC.

Phương pháp phun thực hiện từ nhiều phía, hệ thống điều khiển tự động phải nhịp nhàng giữa các khâu. Tuy nhiên khi phun mặt dưới của sản phẩm sẽ không được mạ nên phải có biện pháp bổ sung.

Do vậy người ta thường sử dụng kết hợp cả 2 phương pháp trên là vừa nhúng vừa phun. Ở vị trí phun sản phẩm chuyển động vòng xuống máng chứa nước nên cả hai mặt đều được mạ băng: mặt trên được mạ do phun còn mặt dưới được mạ nhờ nước trong máng. Phương pháp này đảm bảo đều 2 mặt nhưng lượng nước cần thiết không nhiều và mất mát lạnh không đáng kể.

- Sau khi làm ướt bề mặt sản phẩm được để trong không khí, nước lấy lạnh từ thực phẩm và kết tinh trên bề mặt thực phẩm tạo thành lớp băng bám chặt bề mặt thực phẩm. Để tăng lớp băng mạ không nên kéo dài thời gian mạ băng, vì như vậy sẽ bị mất nhiệt mà nên thực hiện nhiều lần, giữa các lần xen kẻ làm lạnh tiếp thực phẩm.

- Để mạ đều sản phẩm cần tiến hành mạ nhiều lần, không để cho các lớp thực phẩm tiếp xúc với nhau nhiều. Chiều dày băng mạ ít nhất là 0,3mm.

Sau khi mạ băng xong do nhiệt độ sản phẩm tăng nên người ta đưa vào tái đông lại lần nữa để làm lạnh thực phẩm.

Bao gói thực phẩm

Để bảo vệ, bảo quản và làm tăng thẩm mỹ thực phẩm, sau cấp đông thực phẩm được chuyển sang khâu đóng gói bao bì. Đây là khâu hết sức quan trọng làm tăng giá trị thực phẩm, thu hút khách hàng và quảng bá sản phẩm. Bao bì phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau đây:

- Phải kín tránh tiếp xúc không khí gây ra ôxi hoá sản phẩm. Mặt khác phải chống thâm nhập hơi ẩm hoặc thoát ẩm của thực phẩm. Thường sản phẩm được bao bọc bên trong là bao ny lông bên ngoài là thùng cactôn tráng sáp.

- Bao bì phải đẹp và hấp dẫn, đảm bảo thẩm mỹ công nghiệp.

- Bao bì dạng khối dễ dàng xếp đặt và vận chuyển.

Tái đông thực phẩm

Các mặt hàng thực phẩm sau khi cấp đông được phải qua một số khâu như mạ băng và đóng gói nên mất một phần nhiệt. Vì thế, trước khi đem bảo quản thường người ta đưa qua thiết bị để tái đông lại để hạ nhiệt độ nhằm bảo quản tốt hơn.

Buồng tái đông có cấu tạo giống buồng cấp đông dạng thẳng nhưng kích thước ngắn hơn.