منجمد سازی

منجمدسازی یک نوع عملیات واحد است که در آن دمای ماده غذایی به پایین تر از نقطه انجماد کاهش یافته و آب به بلورهای یخ تغییر شکل می دهد. با تبدیل آب به یخ و تغلیظ مواد محلول در قسمت یخ نزده آب از فعالیت آبی ماده غذایی کاسته

می شود. برای افزایش محصولات غذایی و نگهداری آنها از دمای پایین ، فعالیت آبی کاهش یافته و در برخی از مواد غذایی با بلانچ کردن استفاده می شود. اگر عملیات منجمدسازی صحیح صورت بگیرد تغییرات وارد شده بر بافت محصول اندک خواهد بود.
محصولاتی که در سطح تجارتی منجمد می شوند به شرح ذیل است :
۱- میوه ها ( توت فرنگی ، زغال اخته و سایر فرآورده های مشابه آلبالو).

۲- سبزی ها ( نخود فرنگی ، لوبیا سبز ، ذرت شیرین ، اسفناج و سیب زمینی).
۳- فیله ماهی و فرآورده های دریایی ( کاد ، میگو و صدف) غذاهایی تهیه شده از ماهی همراه با یک نوع سوسیس
۴- گوشت ( گوشت گاو ، بره ، طیور) به صورت لاشه ، یا قطعه شده و فرآورده های گوشتی (سوسیس ، همبرگر گاو، استیک).
۵- فرآورده های نانوایی ( نان ، کیک ، پای گوشت و میوه)

۶- فرآورده های غذایی آماده ( پیتزا ، دسرها، بستنی ، غذاهای آماده کامل و فرآورده های پخته)
علت افزایش فرآورده های فریز شده به دلیل وجود فریزرهای خانگی و فرهای مایکروویو است.
تئوری

در طی منجمدسازی ، گرمای حسی خارج می شود تا دمای ماده غذایی به نقطه انجماد برسد، در میوه ها و سبزی ها ، گرمای ناشی از تنفس نیز خارج می شود . این مقوله به نام بار حرارتی نامیده شده و در تعیین اندازه و ظرفیت دستگاههای منجمدسازی اهمیت دارد. پس از این مرحله گرمای نهان تبلور خارج می شود و پس از آن بلورهای یخ تشکیل می شود. گرمای نهان سایر ترکیبات ماده غذایی باید قبل از جامد شدن خارج شود. در هر حال اکثر مواد غذایی حاوی مقدار زیادی آب (جدول ) هستند. و سایر ترکیبات به مقدار جزیی گرما برای تبلور نیاز دارند. آب دارای گرمای ویژه زیاد و گرمای نهان زیاد ذوب است . بنابراین به مقدار زیادی انرژی برای منجمد کردن مواد غذایی نیاز است. این کار با استفاده از انرژی الکتریکی که برای کمپرس کردن گازها ( ماده سرمازا ) در دستگاههای منجمدسازی مکانیکی مورد استفاده قرار می گیرد و یا فشردن و سرد کردن مواد کرایوژن صورت می گیرد.
اگر دما در مرکز گرمایی یک ماده غذایی ( نقطه ای که کندتر از سایر نقاط سرد می شود) مورد ارزیابی قرار می گیرد ، هنگامی که گرما خارج می شود ، یک منحنی ویژه به دست می آید.

 

زمان – دما در حین منجمدسازی
مشخصات شش قسمت منحنی به شرح ذیل است :
AS ماده غذایی تا پایین تر از نقطه انجماد سرد می شود به استثناء آب خالص ، بقیه پایین تر از ۰ منجمد می شوند. در نقطه S آب مایع می ماند اگر چه دما پایین تر از نقطه انجماد باشد . این پدیده به Supercooling موسوم است و ممکن است مقدار آن تا ۱۰ پایین تر از نقطه انجماد برسد.

SB هنگامی که بلورهای یخ شروع به تشکیل شدن کنند دما به سرعت به نقطة انجماد به دلیل آزاد شدن گرمای نهان تبخیر افزایش می یابد.
BC گرما از ماده غذایی با همان سرعت قبلی خارج می شود. گرمای نهان خارج شده و یخ تشکیل می شود، اما دما تقریباً ثابت می ماند. نقطه انجماد با افزایش غلظت مواد محلول در قسمت غیر منجمد افت پیدا می کند و بدین ترتیب دما به تدریج پایین

می افتد. در این مرحله است که قسمت عمده یخ تشکیل می گردد.
CD یکی از مواد محلول به حالت فوق اشباع در آمده و کریستال ها تشکیل می شوند. گرمای نهان کریستالیزاسیون آزاده شده و دما به دمای یوتکتیک برای آن محلول افزایش می یابد.
DE کریستالیزاسیون آب و مواد محلول ادامه می یابد. زمان کل Tf (منحنی انجماد) به وسیله میزان گرمایی که خارج می گردد تعیین می شود.
EF دمای مخلوط یخ – آب به دمای فریزر می رسد. قسمتی از آب به صورت غیر یخ زده در دمایی که در سیستم های زیر صفر اعمال می شود باقی می ماند.این مقدار به نوع و ترکیب ماده غذایی و دمای یخچال بستگی دارد. (برای مثال دمای سردخانه ای که ۲۰- باشد درصد یخ در گوشت گوسفند برابر ۸۸ درصد، در گوشت ماهی ۹۱ درصد و سفیدة تخم مرغ ۹۳ درصد خواهد بود).

تشکیل کریستال یخ
نقطه انجماد یک ماده غذایی دمایی است که در آن مقدار اندکی بلور یخ به حالت تعادل با آب اطراف آن وجود دارد، در هر حال ، قبل از اینکه بلور یخ تشکیل شود، هسته ای از مولکول های آب باید موجود باشد ، بدین ترتیب هسته تشکیل کریستال های یخ را افزایش می دهد، دو نوع هسته سازی Nucleation وجود دارد : هسته سازی همگن ( جهت یابی تصادفی و ترکیبی از مولکول های آب) ، و تشکیل غیر یکنواخت هسته در اطراف ذرات معلق یا در دیواره سلول). هسته سازی غیر یکنواخت بیشتر در مواد غذایی و در طی سوپر کولینگ رخ می دهد.

طول دوره سوپر کولینگ به نوع ماده غذایی و سرعتی که گرما خارج می شود بستگی دارد، اگر انتقال گرما خیلی سریع صورت گیرد تعداد زیادی هسته تشکیل خواهد شد. مولکول های آب ترجیح می دهند به سمت هسته ای موجود به جای اینکه هسته های جدید تشکیل دهند مهاجرت کنند. اگر عمل منجمدسازی سریع صورت گیرد تعداد زیادی بلورهای یخ کوچک تولید می شود. در هر حال ،اندازه بلورها در انواع مختلف مواد خوراکی و حتی آنهایی که مشابهه باشند یکسان نیست. نرخ رشد بلور یخ به وسیله نرخ انتقال حرارت کنترل می شود. نرخ انتقال جرم (مولکول های آب که به سمت بلورهای در حال رشد حرکت می کنند و مواد محلول که از کریستال دور می شوند) مقدار رشد کریستال را کنترل نمی کند به استثناء دوره انجماد که در آن مواد محلول به صورت تغلیظ شده در می آیند. زمانی که طول می کشد تا دمای ماده خوراکی از منطقه حرارتی (Crilical zone ) عبور کند تعیین کننده تعداد و اندازه بلورهای یخ خواهد بود.

غلظت مواد محلول
افزایش غلظت مواد محلول در حین منجمدسازی سبب تغییر pH ، لزجت و پتانسیل اکسیداسیون و احیاء می شود. با پایین آمدن دما هر کدام از مواد حل شده به نقطه اشباع رسیده و پس از تبلور از حالت محلول خارج می شوند. دمایی که در آن کریستال یک محلول ساده در حالت تعادل بالیکور غیر منجمد آن قرار می گیرد به نام دمای یوتکتیک نامیده می شود. (برای مثال برای گلوکز این نقطه ۵- ، کلرورسدیم ۱۳/۲۱ – و کلرورکلسیم ۵۵- ) است. در هر حال تعیین و مشخص کردن دمای یوتکتیک در مخلوط پیچیده محلول های خوراکی کاری ساده و عملی نیست و به نام دمای یوتکتیک نهایی موسوم است. کمترین دمای یوتکتیک مواد محلول در مادة خوراکی به عنوان مثال برای بستنی ۵۵- تا ۶۰- و برای نان ۷۰- است . بیشترین میزان کریستال یخ تا به این دما نرسیم امکان پذیر نیست. مواد خوراکی که در سطح تجارتی تولید می شوند امکان پذیر نیست. بنابراین مقداری از بافت ماده یخ نزده باقی می ماند.
تغییرات حجم
حجم یخ ۹ درصد بیشتر از آب خالص است و انبساط مواد خوراکی پس از انجماد امری طبیعی است در هر حال درجة انبساط بر حسب فاکتورهای ذیل فرق خواهد داشت :
۱- میزان رطوبت ( هر چه میزان آب آن بیشتر باشد افزایش حجم بیشتر خواهد بود).
۲- آرایش سلول ( مواد گیاهی فضای خالی مملو از هوای آنها زیاد است بنابراین حجم داخلی آنها افزایش می یابد بدون اینکه در اندازة کلی آنها تغییری حاصل شود) برای مثال توت فرنگی پس از انجماد ، حجم آن ۳ درصد افزایش می یابد در حال که توت فرنگی خرد شده پس از انجماد افزایش حجم آن برابر ۲/۸ درصد است . ( در دمای ۲۰- ).
۳- غلظت زیاد مواد محلول ( غلظت زیاد نقطة انجماد را کاهش داده و منجمد
نمی شود).
۴- دمای فریزر ( مقدار آب منجمد نشده را نشان می دهد).
ترکیباتی که به متبلور می شوند مانند یخ ، چربی و مواد محلول ، وقتی سرد
می شوند انقباض پیدا می کنند و این حالت حجم مواد غذایی را کاهش می دهد.
محاسبة زمان انجماد
در طی انجماد ، گرما از قسمت مرکزی ماده خوراکی به سطح انتقال یافته و توسط محیط سرماساز خارج می شود، عامل هایی که بر میزان انتقال گرما تأثیر می گذارند عبارتند از :
۱- هدایت گرمایی ماده خوراکی
۲- سطحی از مادة خوراکی که در معرض انتقال حرارت قرار می گیرد.
۳- فاصله ای از مادة غذایی که باید گرما مسافت تا مرکز آن را طی کند.
۴- تفاوت دما بین مادة خوراکی و محیط انجماد.
۵- تأثیر عایق سازی فیلم مرزی هوایی که پیرامون مادة خوراکی را احاطه می کند است.
اگر بسته بندی برای مادة خوراکی بکار رود ، این عامل یک مانع اضافی برای انتقال حرارت خواهد بود.
مشکلات زمان انجماد را به طور دقیق می توان تعریف کرد اما به دو طریقه این کار میسر است. زمان انجماد مؤثر به مدت زمان اطلاق می شود تا دمای اولیه محصول به دمای از پیش تعیین شده در مرکز حرارتی برسد. زمان انجماد اسمی زمانی است بین دمای سطح مادة غذایی که به ۰ رسیده و مرکز گرمایی که به ۱۰ پایین تر از دمایی که اولین یخ تشکیل شود. زمان انجماد مؤثر زمانی است که مادة غذایی در یک فریزر باقی می ماند و از آن برای محاسبه کردن فرآیند تولید مورد استفاده قرار می گیرد ، در حالی که زمان انجماد اسمی راهیافتی است برای تخمین میزان
صدمه ای که به محصول وارد می شود و در این معیار شرایط اولیه یا میزان های متفاوت سرمایش در نقاط مختلف سطح مادة خوراکی در نظر گرفته نمی شود.
محاسبة زمان انجماد به دلایل ذیل مشکل است :
۱- تفاوت دمای اولیه ماده .

۲- تفاوت اندازه و شکل تکه های سادة انفرادی مادة غذایی.
۳- تفاوت در نقطة انجماد و میزان تشکیل کریستال یخ بین نقاط مختلف یک مادة غذایی.
۴- تغییرات در چگالی ، هدایت گرمایی ، گرمای ویژه و نفوذ پذیری گرمایی با کاهش دمای مادة غذایی.

 

انجماد : (a) تشکیل یخ در دماهای انجماد متفاوت ؛ (b ) تغییرات دمای مادة خوراکی از منطقة بحرانی
خارج کردن گرمای نهان ، محاسبات انتقال حرارت به حالت ناپایدار را مشکل ساخته و لذا راه حل ریاضی برای تعیین میزان انجماد ممکن نیست. برای اکثر اهداف صنعتی یک راه حل تقریبی براساس بسط فرمول توسط پلانک ارائه شده است. این فرضیه شامل نکات ذیل می باشد :

۱- انجماد از تمام آبی که در مادة غذایی به صورت منجمد نشده باقی است شروع می شود و از گرمای حسی صرف نظر می شود.
۲- انتقال حرارت به قدر کافی و آهسته برای شرایط حالت پایدار صورت می گیرد.
۳- یک نقطه ساده انجمادی وجود دارد.

۴- چگالی مادة غذایی تغییر نمی کند.
۵- هدایت گرمایی و گرمای ویژة مادة خوراکی تا هنگامی که به حالت غیر منجمد است ثابت می باشد و سپس وقتی محصول منجمد می شود مقدار آن دارای ثابت متفاوتی خواهد شد.

دستگاههای منجمدسازی
فریزرها به طور کلی به صورت ذیل طبقه بندی می شوند :
۱- یخچال های مکانیکی که در آنها مادة سرمازا تبخیر شده و در یک سیکل پیوسته متراکم می شود.
۲- فریزرهای کرایوژنیک.

در فریزرهای مکانیکی از هوای سرد شده ، مایع سرد شده و یا سطوح سرد شده استفاده می شود. فریزرهای کرایوژنیک کربن دی اکسید ، ازت مایع یا فرئون مایع را به طور مستقیم در تماس با مادة غذایی قرار می دهند.
در انتخاب دستگاه منجمدساز باید فاکتورهای ذیل مورد نظر قرار گیرد :
۱- مقدار انجمادی که مورد نظر است.

۲- اندازه ، شکل و نیازمندی های مربوط به بسته بندی.
۳- تولید به روش غیر پیوسته یا پیوسته ، که به مقیاس تولید و ارقامی از انواع محصول برای منجمدسازی بستگی دارد.
در یک نوع طبقه بندی دیگر میزان تحرک یخ از قسمت جلو محصول ملاک و معیار انجماد در نظر گرفته می شود.
۱- فریزرهای کند و تند (۱-cmh 2/0) که فریزرهای فاقد جریان هوا و انباری سرد را در بر می گیرد.

۲- فریزرهای (۱- cmh 3 – ۵/۰ ) شامل فریزرهایی است که هوای سرد در آنها جریان می یابد.
۳- فریزرهای سریع (۱-cmh 10 – ۵) شامل فریزرهای بستر مایع است.
۴- فریزرهای با قدرت انجمادی فوق زیاد (Ultra Rapid Freezers )

(۱- cmh 100- 10 ) . این فریزرها از نوع کرایوژنیک هستند، در این فریزرها می توان یک محصول به قطر ۱۰ تا ۱۰۰ سانتی متر را در عرض یک ساعت منجمد کرد. تمام فریزرها با پلی استیرن منبسط شونده ، پلی یوریتان یا سایر مواد که هدایت گرمایی پائینی داشته باشد عایق می شوند.
فریزرهای هوای سرد

فریزرهای صندوقی
مادة غذایی در یک فضای ( با سیرکولاسیون طبیعی) بین ۲۰- و ۳۰- منجمد می شود. فریزرهای صندوقی برای مقیاس صنعتی به دلیل سرعت انجماد کم
(h 72-7) و فرآیند ضعیف از نظر اقتصادی توجیه ندارند و کیفیت محصول در این نوع فریزرها افت می کند. انبارهای سرد (Cold Stroes ) از نظر اصول شبیه فریزرهای صندوقی هستند. از این سردخانه ها برای منجمد کردن لاشه های گوشت ، برای نگهداری مواد خوراکی که در سیستم های منجمد کننده دیگر منجمد شده اند ، و همچنین برای سفت کردن بستنی پس از تولید که به نام اتاق سفت کننده (Hardening Room ) نامیده می شود مورد استفاده قرار می گیرد.

هوا به وسیلة پنکه برای بهبود یکنواخت توزیع دما جریان می یابد ، اما ضریب انتقال حرارت پایین است.
فریزرهای منجمد کننده سریع

هوا بر محصول خوراکی ما بین ۳۰- و ۴۰- با سرعت ۱-ms 6-5/1 جریان داده می شود. سرعت زیاد هوا ضخامت فیلم مرزی پیرامون مادة خوراکی را کاهش می دهد. و موجب افزایش ضریب انتقال حرارت می شود. در روش غیر پیوسته ، مادة غذایی را بر روی سینی ها در یک اتاق یا کابینت قرار می دهند. در روش انجماد پیوسته بر روی واگن تعدادی سینی که مادة غذایی روی آنها پهن شده است قرار داده می شود. در یک سیستم دیگر محصول روی نوار نقاله ریخته می شود و نوار در داخل یک تونل به حرکت در می آید. واگن ها به طور کامل برای جلوگیری از پراکندگی هوا از محصول باید پر شوند. تونل های چند گذره از تعداد نوار تشکیل

می شوند و محصول از روی یکی به دیگری منتقل می گردد. با این روش از کلوخه شدن مادة غذایی و بهم چسبیدن آن جلوگیری می شود (برای مثال ابتدا بستری به عمق ۵۰-۲۵ میلی متر را برای مدت ۱۰- ۵ دقیقه منجمد کرده و سپس لایة دیگری به ضخامت ۱۲۵- ۱۰۰ میلی متر را بر روی نوار می ریزند. به دلیل نسبت کمتر سطح به حجم در این فریزرها موجب می شود که در مصرف انرژی ۳۰ درصد و در فضا ۲۰ درصد صرفه جویی شود.

جریان هوا بر مادة خوراکی ممکن است به طوری موازی یا عمودی وزیده شود و وزش جریان هوا طوری طراحی می شود که به تمام قطعات محصول به طور یکنواخت انتقال یابد. انجماد تند به دلیل انعطاف پذیری آن برای اشکال مختلف و اندازه های متفاوت مادة غذایی قابل استفاده است. دستگاه حجم کمی را اشغال کرده و هزینة سرمایه گذاری آن پائین است. ظرفیت آن (۱-KGh 1500 – ۲۰۰) است. در هر حال به دلیل حجم زیاد هوا ممکن است در محصول سوختگی ناشی از انجماد و تغییرات اکسیدشوندگی به دلیل عدم استفاده از بسته بندی و یا IQF بروز کند.