Зависимость интенсивности дыхания растительных продуктов от температуры (работа 1)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

КАФЕДРА ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

ТЕМА КУРСОВОЙ РАБОТЫ:

ЗАВИСИМОСТЬ ИНТЕНСИВНОСТИ ДЫХАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

ВЫПОЛНИЛ: Воробьев.А.Н

ФАКУЛЬТЕТ:ХТиТ

КУРС: 3

ГРУППА: 6

ПРИНЯЛА: Волдова.Т.А

МОСКВА 2002

СОДЕРЖАНИЕ:

1.Введение.

2.Основные процессы и изменения, происходящие в продуктах растительного происхождения.

3.Процессы и изменения связанные с дыханием.

4.Хранение плодов в регулируемой газовой системе.

5.Охлаждение и хранение плодов и овощей в охлажденном состоянии.

6.Замораживание и хранение продуктов растительного происхождения в замороженном состоянии.

7.Режимы хранения.

8.Быстрое замораживание.

9.Замораживание клеток.

10.Количество вымерзающей воды.

11.Рекристаллизация.

12.Замораживание продуктов бестканевой структуры.

13.Водосодержание, теплоемкость и теплота замерзания некоторых продуктов.

14.Преимущества и недостатки.

15.Список используемой литературы.

1)Введение.

В наше сложное время, с больной кризисной экономикой сохранение пищевых продуктов с наименьшими затратами и с большей эффективностью является одной из главных задач.

Структура питания нуждается в улучшении технологии хранения пищевых продуктов, но улучшить структуру питания нельзя с помощью хладовой обработки, структуру питания можно лишь поддерживать с помощью хладовой обработки, что позволяет поднять качество продуктов растительного происхождения при хранении, и что в свою очередь позволяет увеличить сроки хранения продуктов, а так же стабильность хранения. При холодильной обработке и хранении в пищевых продуктах происходят сложные процессы и явления, приводящие к различным изменениям их структуры. Зависимостью интенсивности дыхания растительных продуктов от температуры, и исследованием влияния охлаждения (замораживания) на пищевые продукты я и решил заняться в данной курсовой работе.

2)Основные процессы и изменения, происходящие в продуктах растительного происхождения.

Для понимания и совершенствования технологических про­цессов холодильного консервирования возникает настоятельная необходимость изучения изменений, происходящих в плодах и овощах при хранении, в зависимости от вида продукта, дей­ствия фитогормонов, устойчивости к фитопатогенным микроор­ганизмам и физиологическим заболеваниям.

3) ПРОЦЕССЫ И ИЗМЕНЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ДЫХАНИЕМ

Условия холодильной обработки и хранения плодов и ово­щей должны быть таковы, чтобы понизить до минимума интен­сивность дыхания, не нарушив при этом естественного течения метаболических процессов, поскольку только продукты расти­тельного происхождения с нормальным дыханием обладают не­обходимой лежкоспособностью.

Дыхание является основной формой диссимиляции — расщеп­ления органических веществ. Это окислительный процесс, при котором потребляется кислород и выделяется углекислый газ. Обмен углекислого газа и кислорода происходит путем диффу­зии через устьица и частично через кутикулу.

Главными дыхательными субстратами являются углеводы, жиры и белки. Около '/з количества углеводов в ткани расхо­дуется при дыхании. Жиры и белки используются в меньшей степени, и их участие наиболее характерно для семян.

Расщеплению макромолекулярных субстратов предшествует их гидролиз: поли- и дисахаридов до моносахаридов, жиров до глицерина и жирных кислот, белков до аминокислот.

В результате реакции гликолиза из моносахаридов образу­ется пировиноградная кислота, затем вследствие окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты — ацетил-КоА, который является также продуктом последовательной цепи пре­вращений жирных кислот и аминокислот. В цикле Кребса ацетил-КоА подвергается реакциям декарбоксилирования и дегид­рирования до полного расщепления. Образующиеся в цикле Кребса изолимонная, -кетоглутаровая и яблочная кислоты яв­ляются непосредственными продуктами окисления.

Процессы окисления весьма сложны и осуществляются через многоступенчатую систему специфических ферментативных реакций. Окисление может происходить непосредственным присо­единением кислорода к дыхательному субстрату (А+0 → АО ); отщеплением водорода от субстрата (АН +Х → А+ХН ), при этом окисление субстрата АН и образование продукта окисле­ния А происходят в результате восстановления вещества X; уда­лением электрона от заряженного иона (например, Fe —е → Fe ). В продуктах растительного происхождения происходят окислительные реакции всех трех типов, но процессы второго и третьего типов преобладают, так как они протекают без непо­средственного участия кислорода.

В основе современных представлений о механизме окисли­тельных процессов в биологических объектах лежит теория Баха—Палладина, согласно которой дыхание клетки возможно лишь при наличии активированных форм кислорода и водорода, обладающих высокой реакционной способностью.

Активация и передача водорода дыхательного субстрата про­исходят при участии ферментов дегидрогеназ, характеризую­щихся высокой специфичностью по отношению к окисляемому субстрату. По природе простетических групп дегидрогеназы де­лятся на пиридиновые и флавиновые.

Коферментами пиридиновых дегидрогеназ являются НАД-никотинамидадениндинуклеотид и НАДФ-никотинамидаденин-динуклеотидфосфат, выполняющие функции переносчиков водо­рода. В основе действия пиридиновых дегидрогеназ лежит способность к обратимому гидрированию и дегидрированию пири­динового ядра, входящего в состав коферментов в виде амида никотиновой кислоты—витамина РР. Пиридиновые дегидроге­назы широко распространены в клетках продуктов раститель­ного происхождения и являются в буквальном смысле универ­сальными окислительными системами.

Флавиновые дегидрогеназы имеют коферменты, представля­ющие собой нуклеотидные производные рибофлавина — вита­мина В . Флавиновые ферменты весьма разнообразны, наибо­лее многочисленная их группа представлена дегидрогеназами, являющимися промежуточными переносчиками водорода в цепи окисления. Дегидрогеназы окисляют восстановленные пиридино­вые основания и передают получаемые от них электроны по цепи в направлении к кислороду. Коферментами флавиновых дегидрогеназ, или, как их иногда называют, флавопротеидов (ФП), являются флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинаде-ниндинуклеотид (ФАД).

Последними в цепи окисления переносчиками водорода обычно выступают соединения, известные под общим названием коэнзимы Q. Этим наименованием обозначают ряд веществ, яв­ляющихся нейтральными липидами и представляющих собой соединение бензохинона с углеводородной боковой цепью, кото­рая состоит из различного числа изопреновых групп. Известны коэнзимы Q с 10, 9, 8 и 7 изопреновыми группами.

Будучи способными обратимо окисляться и восстанавли­ваться, коэнзимы Q являются связующим звеном в цепи пере­носа электронов от флавопротеидов к цитохромам.

Активация кислорода в цепи окисления происходит под дей­ствием многочисленных ферментов (оксидаз), большинство из которых содержит в качестве простетических групп железопорфириновый комплекс, являясь Fe-протеидами.

В цепи окисления из оксидаз основную роль играют цитохромы, состоящие из специфического белка и железопорфирина. Цитохромы способны обратимо окисляться и восстанавливаться благодаря ионам железа, входящего в их состав. Восстановле­ние окисленных цитохромов происходит вследствие присоедине­ния электронов KoQ либо флавопротеидов. Окисление цитохро­мов проходит через цепь, состоящую обычно из четырех раз­личных цитохромов. Последним в цепи является цитохром Аз, называемый цитохромоксидазой, окисление которого происходит непосредственно кислородом воздуха.

Как известно, способность какого-либо соединения присо­единять или отдавать электроны определяется в основном соот­ношением величин окислительных потенциалов данного соеди­нения и соединения, с которым оно взаимодействует. Причем реакция проходит тем энергичнее, чем меньше различие между потенциалами взаимодействующих веществ.

К окислительному потенциалу дыхательного субстрата наи­более близки потенциалы, свойственные пиридиннуклеотидам, а к потенциалу кислорода, имеющего наибольшую величину,— потенциал цитохромоксидазы.

Исходя из этого, считают, что первый этап окисления суб­стратов осуществляется с участием пиридиновых дегидрогеназ, второй — флавиновых дегидрогеназ, третий — коэнзима Q. Причем на этих этапах происходит перенос двух атомов водорода. Далее имеет место перенос непосредственно электронов через систему цитохромов на кислород.

Процесс окисления субстрата в дыхательной цепи сопровож­дается фосфорилированием АДФ и запасанием энергии в форме АТФ. В цепи окисления есть три участка фосфорилирования: участок окисления флавопротеидов, участок перехода электро­нов от цитохрома В к цитохрому С и участок перехода элект­ронов от цитохрома А к цитохрому Аз (рис. 1).

Каждая из трех карбоновых кислот, образую­щихся в цикле Кребса и являющихся основным субстратом в дыхательной цепи, образует три мо­лекулы АТФ.

Аккумуляция и выделение энергии, которая по мере надобности расходуется клеткой, являются основным назначением дыхания. Фосфорилирование неразрывно связано с окислением в дыхательной цепи, поэтому обычно говорят о процессе окисдительного фосфорилирования. Впервые предположение о наличии сопряжения между окислением и


Рис. 1. Схема окисления в дыхательной цепи


фосфорилированием и экспериментальное доказательство этого были даны академиком В. А. Энгельгартом.

Как правило, процессы дыхания происходят в митохондриях клеток. Каждая стадия дыхания осуществляется мультиферментной системой, за­крепленной на внутренней митохондриальной мембране. Около 1/4 белков внутренней мембраны являются ферментами, участ­вующими в переносе электронов и окислительном фосфорилировании. К ним относятся флавопротеиды, цитохромы, ферменты, участвующие в образовании АТФ.

Флавопротеиды и цитохромы располагаются в мембране в виде отдельных групп, каждая из которых содержит все не­обходимые ферменты и функционирует самостоятельно. Такие группы, называемые дыхательными ансамблями, равномерно распределены по всей плоскости мембраны. Они весьма чувст­вительны к действию различных внешних воздействий. Под влиянием низких температур, ядов, ионизирууэщей радиации на­рушается целостность митохондриальных мембран, и в этом слу­чае сопряжение дыхания утрачивается, или происходит разоб­щение дыхания. Процессы фосфорилирования более чувстви­тельны. Поэтому при разобщении дыхания окислительные про­цессы часто не нарушаются, но при этом энергия окисления не превращается в энергию АТФ, а рассеивается в форме тепла.

Разобщение дыхания представляет собой необратимый про­цесс, являющийся признаком гибели клетки. Однако раститель­ные ткани вследствие наличия у них специальных приспособительных механизмов способны переносить неблагоприятные внешние условия.

Дыхательные процессы, протекающие в клетках, обладают рядом особенностей, обусловленных тем, что продукты расти­тельного происхождения лишены стабильной внутренней среды, например парциального давления кислорода и углекислого газа, температуры, и изменяются под действием непостоянных

и крайне изменчивых факторов внешней среды.

Б. А. Рубин считает, что для структуры аппарата растений характерны три принципиальные особенности:

1. Принцип множественности (мультипринцип) при постро­ении окислительных систем, обусловленный тем, что в клетке имеется, как правило, не один, а несколько ферментов, выпол­няющих одну и ту же функцию.

2. Полифункциональность каталитических систем, или нали­чие ферментов, обладающих не одним, а несколькими свой­ствами.

3. Рассредоточенность (делокализованность) аппарата.

Вследствие этих особенностей процессы окисления биоло­гических объектов могут осуществляться различными путями, или, как говорят, для растительных тканей характерно нали­чие альтернативных механизмов окислительного обмена, что играет исключительную роль как фактор адаптации, обуслов­ливающий способность тканей сохраняться и нормально функционировать в условиях изменчивой внешней среды, а также при действии различных неблагоприятных факто­ров.

Схема окисления дыхательного субстрата в клетках разных тканей различна и зависит от их физиологического состояния и условий существования. Так, в отдельные периоды жизнен­ного цикла плодов, например при созревании, клетки нужда­ются в дополнительном притоке энергии. При этом в качестве дополнительного дыхательного субстрата используется янтар­ная кислота, окисление которой происходит более коротким путем, минуя НАД, непосредственно через ФП на КоQ. При этом сукцинатдегидрогеназа, относящаяся к флавиновым фер­ментам, строго специфична по отношению к янтарной кислоте. Обладая способностью акцептировать водород непосредственно от субстрата и передавать его на КоQ, сукцинатдегидрогеназа образует боковую транспортную цепь окисления.

Кроме того, в клетках имеются альтернативные окисли­тельные механизмы, образующие сопряженные цепи с флавопротеиновыми ферментами и цитохромами. Среди них главную роль играют оксидазы, содержащие в молекуле ионы железа или меди.

В группу Fe-протеидов наряду с флавопротеиновыми фер­ментами и цитохромами входят каталаза и пероксидаза. В про­хождении дополнительного, альтернативного, пути окисления особенно велика роль пероксидаз, разлагающих перекись водо­рода с освобождением активного атомарного кислорода. Пероксидазы, встречающиеся в клетках продуктов растительного происхождения, весьма многочисленны и окисляют различные вещества, в том числе практически все фенолы, ароматиче­ские амины и аскорбиновую кислоту. Их активность возра­стает при изменении условий внешней среды. Так, в паренхимной ткани плодов при пониженных температурах хранения или недостаточной обеспеченности кислородом происходит возра­стание активности пероксидазы.

К группе Сu-протеидов относятся различные полифеноло-ксидазы и аскорбиноксидаза. В основе их действия лежит об­ратимое окисление одновалентной меди в двухвалентную.

Полифенолоксидазы представляют собой ферменты, окис­ляющие в присутствии молекулярного кислорода различные фенолы и их производные с образованием соответствующих хинонов. Полифенолоксидазы катализируют прямое окисление субстратов атмосферным кислородом и участвуют в различных окислительных процессах, в том числе в окислении аминокис­лот, полипептидов, белков и аскорбиновой кислоты. Активность полифенолоксидаз возрастает при механическом повреждении плодов, воздействии низких температур, кристаллизации воды при замораживании и т. д.

Потемнение мякоти многих плодов (яблок, груш, абрико­сов и др.), а также клубней картофеля, наблюдаемое при раз­резании, очистке и механическом повреждении, происходит вследствие возрастания активности полифенолоксидаз и на­рушения координации реакций окисления и восстановления, в результате чего в ткани накапливаются стойкоокрашенные продукты.

Аскорбиноксидаза обладает строгой специфичностью по от­ношению к субстрату и окисляет l-аскорбиновую кислоту, превращая ее в дегидроформу. Являясь переносчиком водо­рода, аскорбиновая кислота тесно связана со всей системой ферментов, участвующих в дыхательных процессах.

Полифенолоксидазы и аскорбиноксидаза принимают уча­стие в окислительных процессах на заключительном этапе ды­хания, заменяя цитохромы.

На рис. 2 показаны возможные альтернативные пути про­цесса окисления, которые в. растительных клетках происходят различным образом в зависимости от видовых особенностей ткани, физиологического состояния данного органа, условий внешней среды и других факторов.

Различная активность оксидаз в условиях измененной га­зовой среды представлена на рис. 3.

Наибольшее сродство к кислороду имеет цитохромоксидаза, ее действие проявляется при содержании кислорода в атмо­сфере всего 1 %. Глубинные слои паренхимной ткани плодов и овощей, для которых характерно пониженное содержание кислорода, более богаты цитохромоксидазой, нежели поверх­ностные.

Рис. 2. Альтернативные пути окисления

Ферменты, участвующие в альтернативных процессах окисления, локализованы в различных струк­турных элементах клетки. Перок­сидазы, полифенолоксидазы, аскор­биноксидаза сосредоточены глав­ным образом в цитоплазме; вся си­стема ферментов, обеспечивающая окислительное фосфорилирование, обнаружена в ядрах и хлоропластах. Благодаря такой делокализации ферментов дыхательной цепи практически все структурные со­ставляющие клетки могут быть источниками того или иного коли­чества энергии и использоваться ею в зависимости от условий внеш­ней среды.

О характере и интенсивности дыхания судят по количеству выделяемого клетками углекис­лого газа либо по величине дыхательного коэффициента ДК:

ДК=Vсо,/Vо„ где Vco, Vo - объемы выделившегося углекислого газа и поглощенного кислорода.

Величина дыхательного коэффициента определяется прежде всего химической природой субстрата. При окислении угле­водов ДК=1 в соответствии с суммарным уравнением окисле­ния глюкозы

С Н О + 60 -> 6СО + 6Н О + Q.

Число выделившихся грамм-молекул углекислого газа равно числу поглощенных грамм-молекул кислорода, а согласно за­кону Авогадро грамм-молекулы всех газов занимают одина­ковый объем.

При дыхании число выделившихся молекул углекислого газа равно числу атомов углерода в молекуле субстрата. По­этому число использованных молекул кислорода на атом угле­рода в субстрате возрастает с увеличением числа Н-атомов и снижается с увеличением содержания O-атомов в молекуле суб­страта.

Если субстратами дыхания являются высшие карбоновые кислоты или аминокислоты, относительно богатые водородом и бедные кислородом, то ДK<1. Для жиров ДК~0,7, для бел­ков ДК~0,8. В качестве примера приведем окисление стеари­новой кислоты:

С Н О + 26O -»18СО + 18Н О; ДК = 18/26 = 0,69.

Если дыхание происходит с использованием низших ди- и трикарбоновых кислот (яблочной, лимонной, винной и щавелевой), богатых кислородом, то ДК>1.

Так, при окислении яблочной кислоты

С Н О + ЗО -» 4СО + ЗН О; ДК. = 4/3 = 1,33.

Интенсивность дыхания и соответственно величина дыха­тельного коэффициента молодых развивающихся тканей, на­пример меристематических, тканей прорастающих семян выше, чем зрелых плодов. У тканей одного и того же плода или овоща интенсивность дыхания периферических тканей, как правило, выше.

Ниже приведена интенсивность дыхания [в мг СO2/(г*сут)] различных тканей при температуре 15—20 °С.

12,4

69,3

10,6

2,45 11,3 13,8

3,8


Лимон

целые плоды

кожура

мякоть

Картофель

целые клубни

кожица

покоящиеся глазки

мякоть

При понижении температуры интенсивность дыхания плодов снижается и соответственно дыхательный коэффициент умень­шается. Так, по данным Ф. В. Церевитинова, дыхательный ко­эффициент для яблок сорта Канада составляет 1,14 при 30 °С и 0,88 при 0 °С. У большинства продуктов растительного про­исхождения дыхание прекращается при температуре около —10 °С. У растений, переносящих в естественных условиях су­ровые зимы, дыхание отмечается при —20°С и более низких температурах.

Дыхание зависит от газового состава окружающей атмо­сферы. При понижении концентрации кислорода интенсивность дыхания снижается, при увеличении возрастает. Интенсивность дыхания снижается вследствие увеличения концентрации угле­кислого газа.

Когда содержание кислорода в окружающей атмосфере уменьшается ниже определенного предела или при полном от­сутствии кислорода, клетки продуктов растительного проис­хождения переходят к так называемому интрамолекулярному или бескислородному дыханию, представляющему собой в хи­мическом отношении брожение.

Брожение наряду с дыханием является основной формой диссимиляции веществ в организме. При дыхании суммарный выход энергии велик, а конечными продуктами являются не­органические соединения углекислого газа и воды. При брожении выход энергии значительно меньше, органический мате­риал не распадается до конца и накапливаются относительно богатые энергией органические вещества.

Для большинства тканей продуктов растительного проис­хождения характерна способность к спиртовому брожению, для некоторых — к молочнокислому.

Начальные стадии дыхания и брожения одинаковы, но в анаэробных условиях процесс диссимиляции углеводов пре­кращается на стадии гликолиза при молочнокислом брожении либо на стадии образования ацетальдегида и этанола при спиртовом.

Переход к интрамолекулярному дыханию у растений может быть частичным, что определяется не только составом газо­вой среды, но и физиологическим состоянием организма. Так, бескислородное дыхание отмечается в период созревания пло­дов. При полном отсутствии кислорода переход исключительно к интрамолекулярному дыханию приводит к гибели организма, так как накапливающийся этанол губительно действует на жи­вую клетку.

4)ХРАНЕНИЕ ПЛОДОВ В РЕГУЛИРУЕМОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЕ

При хранении плодов практически единственной формой их взаимодействия с окружающей средой является дыхательный газообмен. Поэтому их жизнедеятельность в роцессе хранения в значительной степени определяется составом окружающей атмосферы. Изменяя определенным образом газовую среду, например повышая содержание углекислого газа и уменьшая содержание кислорода, можно снизить интенсивность обменных процессов в хранимых плодах, для того чтобы отделить состоя­ние климактерия и старения плода. На подавлении жизнедея­тельности путем создания определенного состава атмосферы основано хранение плодов в регулируемой газовой среде.

Для паренхимной ткани плодов характерно наличие обшир­ных межклеточных пространств, заполненных газом. Газовый состав внутренней атмосферы плодов устанавливается в резуль­тате динамического равновесия между интенсивностью потреб­ления кислорода и выделением углекислого газа, с одной сто­роны, и скоростью диффузии этих газов — с другой. Обмен с окружающей средой происходит через кутикулу, которая за­трудняет циркуляцию газов, вследствие чего внутри плода со­здается своеобразная газовая атмосфера с повышенным содер­жанием углекислого газа и пониженной концентрацией кисло­рода. Характерно, что состав атмосферы в межклетниках неодинаков: в расположенных ближе к поверхности межклет­никах состав атмосферы более близок к составу окружающей среды. Газовый состав в межклетниках у разных плодов раз­личен, изменяется с их возрастом и зависит от температуры и наружной атмосферы.

Кутикула плодов разных сортов различается по толщине и составу, в результате чего поступление внутрь кислорода и его концентрация в межклетниках и клеточном соке также варьи­руются. В связи с этим одни плоды будут испытывать недоста­ток кислорода или избыток углекислого газа, тогда как для других эта же газовая среда окажется благоприятной.

Кислородные оптимумы дыхания неодинаковы на разных этапах развития плода, а также смещаются под воздействием температурного фактора. При 30 °С оптимальной является 5 %-ная концентрация кислорода, при температуре 10 °С и ниже—1 %-ная. Повышенные концентрации углекислого газа особенно благоприятны для задержки обменных процессов в плодах в постклимактерическом состоянии.

Итак, состав газовой среды при хранении плодов должен быть таким, чтобы сохранить нормальный дыхательный газо­обмен, не нарушить соотношение между аэробной и анаэробной фазами дыхания при одновременном замедлении процессов со­зревания. При этом необходима правильная корреляция между температурой хранения, концентрациями углекислого газа и кислорода в окружающей атмосфере и состоянием плодов при­менительно к данному сорту и с учетом места его произраста­ния, размеров, степени зрелости, районов выращивания, кли­матических условий года и других факторов.

При хранении, плодов в атмосфере, содержащей повышен­ные количества углекислого газа, последний проникает в меж­клетники паренхимной ткани. Благодаря хорошей растворимо­сти углекислого газа в водных растворах и липидах он поступает в клетки и растворяется в клеточном соке. Влияние повы­шенной концентрации углекислого газа на метаболизм клетки проявляется прежде всего в подавлении дыхания, что объясня­ется действием углекислого газа на процесс декарбоксилирования яблочной кислоты.

В реакции декарбоксилирования яблочной кислоты до пировиноградной углекислый газ является одним из конечных продуктов. Поэтому избыток его в среде сдвигает равновесие реакции влево, препятствуя расщеплению субстрата. Кроме этого углекислый газ блокирует систему малик-фермента. Он является также конкурентным ингибитором этилена и тормозит созревание плодов.

Углекислый газ стимулирует биосинтез жирных кислот, уча­ствующих в образовании поверхностных восков, что приводит к снижению проницаемости кутикулы.

Являясь антисептиком, углекислый газ задерживает разви­тие микроорганизмов на поверхности плодов. Наиболее чув­ствительны к действию углекислого газа плесневые грибы.

Однако значительное повышение содержания углекислого газа может вызвать физиологические заболевания.

Допустимые концентрации углекислого газа находятся в пределах 2,5—10 %. При хранении плодов в атмосфере с по­вышенным содержанием углекислого газа не рекомендуется поддерживать температуру ниже 2—2,5 °С.

К повышенным концентрациям углекислого газа более чув­ствительны недозрелые плоды.

При хранении в измененной газовой атмосфере на биохими­ческие процессы в плодах влияют не только повышенные кон­центрации углекислого газа, но и пониженные концентрации кислорода.

При понижении концентрации кислорода до 3—5 % дыхание ослабляется, но сохраняется его нормальный характер и дыха­тельный коэффициент равен единице. При дальнейшем пони­жении содержания кислорода в окружающей плоды атмосфере наблюдаются некомпенсированное выделение углекислого газа плодами и нарушение нормального процесса дыхания.

Влияние пониженного содержания кислорода сказывается в основном на биосинтезе этилена: плоды перестают синтези­ровать метионин, являющийся предшественником этилена, что приводит к задержке созревания плодов. Пониженные концент­рации кислорода вызывают ослабление активности полифенол-оксидазы и снижают устойчивость плодов к действию низких положительных температур.

Таким образом, каждый компонент газовой среды оказывает специфическое воздействие на плоды при хранении, в то же время влияние на биохимические процессы в плодах изменен­ной газовой среды более сложно. Характерно, что газовые смеси, различные по составу, используемые для хранения плодов, не снижают, а лишь отделяют на некоторый срок начало климактерического подъема дыхания: замедляются процессы распада и расходования основных запасных веществ в плодах, уменьшается расход сахара на дыхание, задерживается преоб­разование крахмала в сахар, тормозится гидролиз протопек­тина, приостанавливается изменение цвета, так как уменьша­ется гидролиз хлорофилла, хорошо сохраняется аромат плодов.

Разные виды и сорта плодов неодинаково реагируют на газовый состав.

Более того, в зависимости от условий произрастания один и тот же сорт яблок рекомендуется хранить при различном со­ставе газовой среды. Так, для яблок сорта Джонатан, выра­щенных в Швейцарии, оптимальной газовой средой являются 4 %-ная концентрация кислорода и 3—4 %-ная концентрация углекислого газа при 4 °С. Яблоки этого же сорта, выращенные в США, рекомендуют хранить при 3 %-ной концентрации кислсрода и 5 %-ной концентрации углекислого газа при 0°С, а выращенные в Голландии—при 13 %-ной концентрации кис­лорода и 7 %-ной концентрации углекислого газа при 3,5 °С.

Известно, что объем газа, содержащегося в плодах разных сортов, колеблется и, как правило, в позднеспелых сортах он больше, чем у раннеспелых.

Растворимость углекислого газа в клеточном соке зависит от рН, и эта величина у плодов одного сорта, но разных мест произрастания может различаться на 0,5 и даже 1.

По-видимому, сорта плодов, в тканях которых может раст­воряться углекислый газ в большом количестве, лучше пере­носят хранение в измененной газовой среде, чем сорта плодов с пониженной растворимостью углекислого газа.

5) ОХЛАЖДЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ ПЛОДОВ И ОВОЩЕЙ В ОХЛАЖДЕННОМ СОСТОЯНИИ

Режим хранения охлажденных продуктов растительного про­исхождения выбирается таким образом, чтобы создать условия для сохранения их жизнеспособности и естественного иммуни­тета при максимальном снижении интенсивности биохимиче­ских процессов и подавлении развития микрофлоры. Как известно, большинство биохимических реакций подчиняются пра­вилу Вант.Гоффа. Для тканей продуктов растительного проис­хождения, величина Q равняется 1,8—6,8 и составляет для картофеля 1,85, лука репчатого—1,95, капусты белокочанной— 2,18, яблок—2,54, моркови—3,74, черной смородины—6,77. По величине Q можно судить прежде всего об интенсивности снижения окислительных процессов дыхания при хранении. Так, из приведенных данных видно, что пониженные темпера­туры сильнее влияют на снижение дыхания черной смородины и моркови, чем яблок и картофеля. Однако по значению Q трудно судить о других внутриклеточных процессах, происходя­щих в плодах и овощах, не только из-за сложности биохимиче­ских реакций, но и из-за их взаимосвязи со структурными из­менениями ткани, неоднозначного влияния пониженных темпе­ратур на клеточные органоиды, отдельные компоненты клетки и процессы.

Согласно исследованиям Гора зависимость интенсивности дыхания Р от температуры t в интервале от исходной темпе­ратуры продукта до температуры хранения (порядка 1—2 °С) можно выразить экспоненциальной функцией следующего вида:

P=P exp(kt),

где Р — интенсивность дыхания при 0°С; k — температурный коэффициент интенсивности дыхания.

Величина k для плодов каждого вида и овощей постоянна, по ее значению судят об устойчивости к хранению.

Пониженные температуры оказывают влияние на все струк­турные элементы клетки продуктов растительного происхожде­ния и прежде всего мембраны. Следует отметить, что мем­браны чрезвычайно чувствительны к малейшим изменениям внешней среды. При этом изменяется прежде всего состояние липидов и функциональной воды.

Согласно современным представлениям липиды, составляю­щие основу мембран, беспрерывно движутся, образуя так на­зываемое липидное море, в котором плавают молекулы белка по отдельности или сгруппированные в определенных сочета­ниях. Часть белков в мембране зафиксирована в определенном положении. Поэтому основными структурными компонентами мембран считают липопротеиновые комплексы со встроенными молекулами воды. Роль этой функциональной воды особенно велика: образуя водородные связи между белками и липидами, именно она определяет структуру мембран. Кроме того, эта вода является активным участником биохимических реакций, происходящих в мембранах.

Под влиянием пониженных температур уменьшается под­вижность молекул липидов и белка молекул, что является од­ной из' причин снижения скорости реакций и нарушения струк­туры мембран, а также отражается на характере происходя­щих в клетке процессов.

При резком понижении температуры может произойти час­тичное разобщение дыхания, в результате чего. Возрастет теп­ловыделение. При пониженных температурах в клетках про­дуктов растительного происхождения наблюдается развитие альтернативных окислительных процессов дыхания с участием пероксидазы, сукцинатдегидрогеназы, полифенолоксидазы и аскорбиноксидазы. Замедление скорости внутриклеточных реак­ций при пониженных температурах приводит к снижению интенсивности дыхания. Однако в результате испарения воды дыхание может возрастать. У разных продуктов интенсивность испарения влаги зависит не только от параметров охлаждающей среды, но и от объекта. Большие размеры паренхимных клеток и межклетников, незначительная толщина покровных клеток, большей частью расположенных в один ряд, обусловливают интенсификацию испарения воды тканями продуктов раститель­ного происхождения, особенно овощных культур.

Основная часть воды диффундирует через систему межклет­ников в направлении к покровной ткани. Даже плоды, покры­тые толстым слоем кутикулярных веществ, например цитрусо­вые, теряют содержащуюся в них влагу в результате испаре­ния.

Испарение влаги при хранении плодов и овощей нарушает нормальное течение обмена веществ в тканях, вызывает ослаб­ление тургора и их увядание. В результате увядания ускоря­ются процессы распада содержащихся в клетках веществ, уве­личивается их расход на дыхание, нарушается энергетический баланс, что приводит к снижению устойчивости плодов и ово­щей к поражению микроорганизмами и ухудшению качества.

Под влиянием пониженных температур изменяются вязкость и подвижность протоплазмы. Как известно, вязкость прото­плазмы клеток продуктов растительного происхождения в 12— 20 раз больше вязкости воды и зависит от процессов жизнедея­тельности клетки. При понижении температуры в связи с воз­растанием вязкости может произойти нарушение структуры протоплазмы и тем самым жизнеспособности клетки.

Интервал температур, в котором жизнедеятельность клеток продуктов растительного происхождения сохраняется, довольно широк. Но для успешного холодильного консервирования этот интервал сокращается: от температуры замерзания продукта до 11—12 °С.

Стремясь максимально понизить интенсивность процессов и в то же время не нарушить нормальную жизнедеятельность ор­ганизма растительного происхождения, плоды и овощи, как правило, хранят обычно при температуре, примерно на 1 °С превышающей температуру замерзания. Исключение состав­ляют продукты растительного происхождения, подверженные при пониженных температурах физиологическим заболеваниям, например бананы хранят при 11—13 °С, цитрусовые—при 3— 4 °С.

При хранении в продуктах растительного происхождения продолжаются, но крайне медленно, физиологические процессы. В плодах снижается интенсивность дыхания и отдаляется со­стояние климактерия (рис. 11). Из рис. 4 видно, что плоды при пониженных температурах сохраняются в течение более длительного времени. В плодах медленно увеличивается содер­жание Сахаров, снижается содержание органических кислот, происходят процессы, приводящие к улучшению вкуса, аромата, а часто и цвета плода. К концу хранения усиленно расходуются органические кислоты, содержание их в ткани снижается. Осо­бенно уменьшается количество яблочной кислоты. В резуль­тате анаэробного дыхания возрастает содержание этилового спирта и ацетальдегида. Так, через 7,5 мес хранения яблок Ре­нет Симиренко потери Сахаров составили 20 %, органических кислот — 50 % при одновременном увеличении содержания спирта и ацетальдегида в 4—5 раз.

В плодах частично уменьшается содержание аскорбиновой кислоты. Наименьшие потери витамина С отмечены у цитру­совых, причем в мякоти со­держание его практически не изменяется. Чем ниже допустимая температура хранения, тем меньше по­тери витаминов.

При пониженных тем­пературах хранения у ово­щей большинства видов интенсифицируются про­цессы расщепления крах­мала и образования саха­ров. У овощного гороха, фасоли, сахарной кукурузы и некоторых других куль­тур при хранении, наоборот, синтезируется крахмал.

Картофелю особенно свойственно влияние температуры на направленность реакции крахмал ↔ сахар, что необходимо учи­тывать при разработке условий его хранения. При понижении температуры в клубнях происходит накопление сахаров, а при повышении увеличивается содержание крахмала, что связано с активностью ферментов, катализирующих прямую и обратную реакции и имеющих различную оптимальную температуру дей­ствия. С понижением температуры возрастает растворимость углекислого газа во внутриклеточном соке, изменяется рН по­следнего и возрастает скорость распада крахмала.

6) ЗАМОРАЖИВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ ПРОДУКТОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В ЗАМОРОЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

Основными факторами, определяющими степень обратимости замораживания, являются характер кристаллообразования и локализация льда.

Как правило, первые кристаллы льда образуются в меж­клетниках. При понижении температуры ниже точки замерзания водяной пар в крупных межклетниках начинает конденсироваться в виде капелек воды на прилегающих кле­точных стенках. Эта вода и превращается в первые микроско­пические кристаллики льда. Эти кристаллики лъда распростра­няются по межклетникам, обволакивая стенки клеток. Кристал­лики бывают в виде линз или разветвленных кристаллов, разрастающихся между клетками эпидермиса и паренхимы. Далее рост кристалликов происходит за счет воды, содержа­щейся в. клетках, что объясняется разностью между давлениями пара внутри клетки и вне ее. Активность протекания этого про­цесса зависит от химического состава, проницаемости клеточ­ных стенок, содержания свободной воды в клетке, вязкости протоплазмы, индивидуальных особенностей ткани, степени за-каливания и др.

Вследствие дегидратации температура замерзания содер­жимого клеток понижается. При понижении температуры в клетках сначала наступает состояние переохлаждения, а за­тем в них спонтанно возникают центры кристаллизации, при­водящие к образованию внутриклеточного льда.

При понижении температуры вязкость протоплазмы возрас­тает в результате объединения отдельных белков в длинные цепи, образующие, трехмерную сетчатую структуру. Прото­плазма вследствие связывания воды переходит в гелеобразное состояние.

При созревании плодов происходит преобразование прото­пектина, входящего в состав стенок клеток. Образующийся пектин обладает высокими гидрофильными свойствами: он свя­зывает большие количества воды и способствует образованию гелеобразной структуры, что положительно сказывается на об­ратимости процесса замораживания. В недозрелых плодах со­держится больше свободной воды и происходит в основном внутриклеточная кристаллизация, приводящая к гибели плодов.

Клетки листовой ткани окружены оболочками, состоящими из одного слоя стенок, поэтому эта ткань подвергается разру­шительному воздействию отрицательных температур.

Содержащийся в овощах крахмал оказывает определенное влияние на характер кристаллизации. Многие овощи, напри­мер лук, картофель, покрыты плотной естественной оболочкой, что способствует переохлаждению, тогда как другие, напри­мер капуста белокочанная, не имеющая подобной оболочки, не переохлаждается, что объясняется наличием крупных межклет­ников и большим содержанием свободной воды.

У клубней картофеля в состоянии покоя повышается газо-и водопроницаемость покровных тканей, что обусловливает большую вероятность внеклеточной кристаллизации льда.

Процесс замораживания, в частности внеклеточная кристал­лизация, зависит от холодостойкости и степени закаливания продукта данного вида.

При понижении температуры тканей уменьшается кинети­ческая энергия молекул, повышается вязкость внутриклеточной жидкости, уменьшаются растворимость газов и диффузия ве­ществ, что в совокупности приводит к снижению скорости хи­мических реакций. В жидкой фазе отмечается повышенная кон­центрация электролитов, среди которых интерес представляют хлористые соли натрия, аммония, калия и органических ве­ществ (сахаров, нуклёотидов и низкомолекулярных белковых соединений). Концентрированные растворы агрессивны по отно­шению к белкам, прежде всего ферментам. Поэтому, несмотря на снижение кинетической энергии и ограничение возможности диффузии, некоторые ферментативные реакции в заморожен­ных тканях могут ускоряться либо будет изменяться их тече­ние. Замораживание действует прежде всего на липопротеиновые комплексы. Разрыв водородных связей в совокупности с по­вышением ионной силы внутриклеточных растворов приводит к разрушению комплексов.

Из ферментов легче других повреждаются те, которые обра­зуют сложные мультиферментные системы, локализованные на внутренних мембранах органоидов клетки: ферментные системы дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования митохондрий. При этом нарушаются координация и сбалансирован­ность отдельных реакций, а также их синхронность. Происходит разобщение процессов дыхания (окислительного фосфолирирования), что выражается в утрате организмом основных жизнен­ных функций, а именно дыхания и способности к генерации энергии.

В вакуоли локализована инвертаза, особенностью которой является активность в широком диапазоне рН (3,0—7,5). По­этому изменение кислотности среды при замораживании не сни­жает ее активности. Активируемые инвертазой реакции обус­ловливают накопление сахара в замороженной ткани.

Сохранение активности пектолитических ферментов способ­ствует повышению гидрофильных свойств коллоидов и умень­шению степени повреждения стенок.

Каталаза и пероксидаза катализируют дегидрирование фе­нолов, аминов, флавонов и аминокислот. Их действие иногда является причиной появления у замороженных плодов и овощей постороннего привкуса. Из этих ферментов пероксидаза более устойчива к действию отрицательных температур.

Существуют и такие ферменты, активность которых повы­шается при замораживании. К ним относятся полифенолоксидаза и липолитические ферменты. Действие липазы проявля­ется даже при температуре —40 °С.

Пектолитические ферменты в зависимости от вида продукта оказывают различное действие. Так, в яблоках их активность приводит к размягчению ткани.

7)РЕЖИМЫ ХРАНЕНИЯ

Для каждого вида продукции разработаны оптимальные режимы хранения (табл. 1(а)). Температуру и влажность воздуха в хранили­щах измеряют психрометром Августа. В небольших подвалах его размещают в средней части прохода на высоте 1,5 м от пола. В погребах и хранилищах, удаленных от жилища, должно быть четыре-пять таких психрометров. Их располагают в середине, в конце (на расстоянии 1 м от пола) и под коньком.

РЕЖИМ ХРАНЕНИЯ ОВОЩЕЙ И КАРТОФЕЛЯ

Продукция

Тсмпсретура, °С

Относитсяьн»» влажность воз­дух», %

Продолжитель­ность хране­ния, мес

Томаты:

зеленые

12...15

85—90

1—2

розовые

8...IO

85—90

До I

красные

0...2

85—90

До 0,5

Перцы

8...IO

90—95

До 0,5

Баклажаны

7...10

90—95

0,5-0,7

Морковь

1...0

90-95

4—7

Свекла

0...1

90—95

- 8—10

Редис

0

90—95

До 1

Петрушка

0...2

95

2—2,5

Сельдерей

- 0.5...0

90—95

2-4

Лук (репчатый)

- 3...0

70—80

6—8

Лук-перо

0

90—95

До 1

Чеснок

- 3...0

70—80

6-8

Картофель

4...5

90—95

7—8

Таблица 1(а).

Осенью, когда температура воздуха бывает повышенной, на ночь для создания сквозняка открывают все окна, вытяжные трубы, люки, двери, а днем их закрывают, чтобы сохранить запас холода. Иногда в погребах отмечается высокая влажность воздуха. Ее признаками служат затхлый спертый воздух, ощущение сырости, появление плесени и конденсированной влаги на потолке, стенах, стеллажах, ящиках.

Чтобы понизить чрезмерную влажность воздуха, одновременно открывают двери и отдушины. Можно поставить в подвал ящик с негашеной известью, солью или древесным углем — эти материалы впитывают воду.

При похолоданиях утепляют крышу. С декабря наступает опас­ность промерзания хранилища. К этому времени двери, а при необходимости и стены обивают матами и рогожей. Вентиляционные трубы, кроме нужных для работы, плотно закрывают соломой или другими материалами.

8)БЫСТРОЕ ЗАМОРАЖИВАНИЕ

Цель быстрого замораживания, как и любого другого консервирующего процесса, свести на нет или, по крайней мере, замедлить реакции, ухудшающие качество продуктов и в конечном итоге делающие их непригодными к употреблению.

Практически можно говорить только о том, что же преоблада­ет в применяемом процессе. По этому решающему действию или характеру процесса его относят к той или иной группе.

Любой процесс консервирования тем лучше, чем меньшие изменения он вызывает в продуктах в сравнении с их первоначальными свойствами и чем более длительный срок хранения он обес­печивает. В настоящее время из применяемых в промышленных масштабах методов консервирования продуктов процессы холо­дильной обработки и замораживания лучше всего удовлетворяют упомянутым выше требованиям, поскольку, с одной стороны, они по отношению к другим процессам консервирования вызывают бо­лее слабые изменения свойств продуктов, а с другой—обеспечи­вают достаточно долгую для практических целей сохраняемость пищи.

Процесс консервирования путем холодильной обработки зани­мает особое место еще и потому, что после охлаждения или замо­раживания продукты можно сохранять с помощью любого друго­го процесса консервирования и, наоборот, продукты, законсерви­рованные с помощью других методов, хранятся дольше всего толь­ко в охлажденном состоянии;

Процессы, ухудшающие качество продуктов, или процессы, при­водящие в конечном итоге к их порче, развиваются в комплекс­ных условиях. Различают физические, биохимические и биологиче­ские процессы порчи продуктов. Холодильная обработка незави­симо от характера обрабатываемого продукта действует на эти процессы с определенной закономерностью.

Из физических процессов порчи к самым основным относятся процессы усушки продуктов или потери массы. Они вызывают не только количественные изменения (уменьшение массы), но и мо­гут привести к ухудшению качества. Потеря массы продуктов подчинена следующей закономерности:

ΔS = Βa(Pп-φp)

где Δ S — теряемое продуктами количество воды за единицу времени, г/ч; Β — коэффициент испарения воды, г/(Н-ч); А—площадь поверхности продуктов, м2;

рп — давление водяных паров при температуре поверхности продуктов, Па; φ — относительная влажность воздуха в виде десятичной дроби; р—давление насы­щенных водяных паров при температуре окружающей среды, Па.

При данной поверхности продуктов и данной величине коэффи­циента испарения потеря массы зависит от величин Pп, φр и р. Ес­ли одни и те же продукты с равновесным паросодержанием, на­пример 95%, хранить при различных температурах в помещении с относительной влажностью 80%, то величина Рп—φр будет изме­няться следующим образом (при условии, что температура продук­тов равна температуре окружающего пространства):

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 образом, при прочих равных условиях потеря массы при температуре 40° С примерно в 100 раз больше, чем потеря массы при —20° С, т. е. низкие температуры значительно уменьшают сте­пень усушки продуктов.

Мы говорили уже о том, что потерю массы можно уменьшить с помощью соответствующей упаковки, но даже в этом случае ос­тается явление так называемой внутриупаковочной потери массы.

Биохимические процессы порчи играют исключительно важную роль. Сюда относятся вызванные ферментами катализные процес­сы распада, включая даже микробиологические процессы порчи, поскольку ясно, что и эти процессы при ближайшем рассмотрении тоже носят биохимический характер. При высоких температурах химические изменения вещества проходят очень быстро, а скорость реакций высока, при низких температурах эти изменения часто едва заметны. Понижение температуры приводит к замедлению постоянных химических реакций, т. е. к уменьшению их скорости. Этот факт выражается законом Аррениуса, который связывает аб­солютную температуру Т и логарифм коэффициента химической реакции следующим соотношением:

logK=a—b/T.

Коэффициенты а и b уравнения Аррениуса не зависят от тем­пературы и находятся экспериментальным путем для каждой кон- j кретной реакции. Приведенное соотношение дает возможность вы- i числить скорость химической реакции при любой температуре. На основании этих расчетов и экспериментальных данных можно сде­лать вывод, что скорость наиболее простых (мономолекулярных, ;

бимолекулярных) реакций при повышении температуры на 10° С увеличивается в 2—3 раза и соответственно понижение температу­ры на 10° С уменьшает ее до половины или до одной трети. На ос­новании такой закономерности легко видеть, что скорость химиче­ских и биохимических реакций сильно замедляется с понижением температуры. Предположим, начальная скорость какой-нибудь ре­акции v при понижении температуры на 10° С уменьшилась до '/з своей величины, т. е. стала равна v/3. Если температура умень­шится теперь еще на 10° С, то скорость станет равной уже v/(3-3)=v/32 начальной скорости.

Рассуждая подобным образом, увидим, что скорость уменьша­ется по степенному закону:

v/33, v/3…v/з.

Показатель степени п равен десятой части разности темпера­тур реакции. Например, если скорость реакции при 40ْС равна v, то при температуре —20° С она составит уже v/729.

Интересно, однако, заметить, что биохимические реакции про­ходят на основании этого закона даже при очень низких темпера­турах, только их скорость становится исключительно малой.

Степень снижения скорости биохимических реакций при умень­шении температуры на 10°С, следуя ван Гоффу, принято обозначать

Qio. Степенью Qio принято, однако, описывать снижение ско­рости не только какой-нибудь одной определенной реакции. Эту величину используют также для характеристики снижения скоро­сти всей совокупности биохимических реакций в целом. Например, поскольку сохраняемость зависит главным образом от действия совокупности биохимических реакций, то срок хранения также может характеризоваться величиной Qio.

Куприянов установил для различных видов пищи увеличение времени ее сохраняемости при изменении температуры на 10° С.

Qio =

где Qio—температурный коэффициент сохраняемости; длительность хранения при t=10°C; —продолжительность хранения при t С.

Как установил Куприянов, при низкотемпературной хранении быстрозамороженных овощей величина Qio равна 2, нежнрной ры­бы—3,1, а птицы—4.

Интересная картина получается, если срок хранения какого-нибудь продукта, определенный различными авторами (например, продолжительность хранения говядины или свинины), отложить на графике зависимости от температуры в температурной области ни­же и выше точки замерзания (рис. ).

Проделав соответствующие расчеты для значения Qio в обла­сти температур выше и ниже точки замерзания, мы получим сле­дующие величины:

Qio=3,85

Qio=5,5

Qio=4,16 Qio=4,85


Говядина выше точки замерзания » ниже » »

Свинина выше точки замерзания » ниже » »

Видно, что при температурах ниже точки замерзания продол­жительность хранения увеличивается быстрее при уменьшении температуры, чем в температурной области выше точки замерза­ния. Таким образом, после перехода через точку замерзания не только уменьшается скорость биохимических реакций, но вступает в силу и новый фактор, влияющий на удлинение срока сохраняемо­сти продуктов. Таким фактором является вымерзание находящей­ся в продуктах воды (табл. ).

Снижение температуры оказывает многостороннее и комплекс­ное воздействие на биологические процессы. Ниже мы будем рас­сматривать этот вопрос более подробно. Сейчас только заметим, что применение низких температур приводит к приостановлению и замедлению биологических процессов. С другой стороны, при низ­ких температурах эти процессы могут прекратиться вообще, что вызывает иногда вредные, а иногда полезные изменения.

Во время быстрого замораживания таких влагосодержащих ве­ществ, как пищевые продукты, значительная часть воды становит­ся льдом. Поэтому применение низких температур в подобных процессах консервирования обязательно сопровождается явлени­ем замерзания. Следует, однако, упомянуть, что все-таки есть и та­кие процессы, где применение низких температур не сопровожда­ется вымерзанием влаги из обрабатываемого продукта. Явление вымерзания удается исключить, когда точка замораживания про­дуктов сильно понижается с помощью введения в них каких-нибудь веществ, например, сахара или соли. Тогда температура хранения может быть ниже температуры замерзания. Другой пример тому—наличие связанной воды в материале, подвергаемом процессу быстрого замораживания. Связанная вода не вымерзает даже при очень низких температурах, например даже при вымерзании бактериальных спор. Так как процесс замерзания обычно играет важную роль при быстром замораживании продуктов в изменении их качества, мы познакомимся с ним более подробно.

9) ЗАМОРАЖИВАНИЕ КЛЕТОК

Как животные, так и растительные клетки можно заморозить и в живом, и в мертвом состоянии. Замораживаются отдельные клет­ки в суспензии и клетки, образующие структуру тканей. Однако для всех этих случаев можно установить и одинаково справед­ливые общие закономерности.

Как известно, химический состав клеток сложен. С точки зрения замораживания главную роль играет поведение клеточных белковых соединений. Благодаря своим физическим свойствам белки относятся к коллоидам. Растворяясь в воде, они образуют гидрогели и гидрозоли. Та часть воды, активность которой в гид­розолях и гидрогелях ниже нормальной, называется связанной во­дой, а остальное водосодержание—свободной водой. Под действи­ем таких внешних воздействий, как изменение температуры, золи переходят в гели и наоборот.

Изменения в клетках при их охлаждении начинают происходить уже вблизи точки замерзания. Вязкость клеточной протоплазмы возрастает, образуется гель, а содержащиеся в клетках липиды вы­мерзают. Существенные изменения, однако, начинаются после за­мерзания некоторого количества воды клеточной влаги. Замерза­ние клеточного коллоида обычно начинается так же, как и замер­зание истинного раствора. Здесь тоже возникает явление понижения температуры замерзания, а из коллоидного раствора вымерзает только чистая вода. Вследствие вымерзания воды ос­таточная концентрация раствора возрастает, и температура его замерзания подобно истинному раствору уменьшается. Чем ниже температура клеток, тем больше из них вымерзает воды, но благо­даря коллоидному характеру системы связанная вода обычно не замерзает. Так, по данным Морана, в 2%-ном растворе желатина примерно 35% воды не вымораживается даже при температуре жидкого воздуха (—196° С).

На рис. температура t соответствует точке замерзания. Ее значение зависит от концентрации растворенных в клеточной вла­ге веществ. При понижении температуры и дальнейшем отборе тепла некоторая часть воды клеточной влаги вымерзает, но жизнеспособность организма пока не изменяется и не исчезает. Это явление справедливо даже для самых общих случаев. Такое состо­яние продолжается до температуры t.

Говоря о вымерзании воды на участке t1—t2, мы имели в виду биохимически (и даже биологически) свободную воду. На этом участке скорость замерзания не играет особой роли. Случается даже так, что при медленном замерзании биологическая обрати­мость оказывается лучшей и большее количество клеток остается в живом состоянии. После оттаивания клеточный обмен веществ снова возобновляется. Тут, однако, становится важным фактор времени, в течение которого клетки находились при температуре t1 до tг, и то, каким образом происходило оттаивание. Значение температуры t2, или границы биологической обратимости, неоди- наково для разных клеток и клеточных структур. Биологическая обратимость при замораживании или полное восстановление жиз­ненных функций после замораживания характерно только для некоторых пород рыб (карасей), некоторых растений и обычно струк­тур более низкого порядка и организации.

При охлаждении ниже температуры t2 процесс вымерзания воды продолжается и, хотя клетки и клеточные структуры отмира-

ют, вола вымерзает из коллоидного раствора обратимым образом Вымерзшее количество воды до температуры t3 полностью представлено коллоидно свободной водой. У фруктов температуры t2 и t3 находятся обычно очень близко друг от друга, т. е. прекращений жизнедеятельности практически сопровождается наступлением коллоидной необратимости процесса. Ниже температуры tз начинает замерзать связанная коллоидная вода. Коллоидные частички которые до этого были надежно отделены друг от друга оболочкой гидратов, теперь могут сближаться настолько, что различны силы притяжения склеивают мицеллы. Высвобожденные связи, на которых раньше находились молекулы воды, теперь действуют друг на друга так, что при взаимодействии некоторых главных соединений коллоидных частичек могут произойти химические изменения и коллоид может денатурироваться. Если позже к местам этих связей подойдут молекулы воды, то они не смогут взаимодействовать с ними. Исследования Риделя показали, что даже если температура клеток понизится ниже температуры t3, то и тогда вся вода не вымерзнет из растворов, т. е. содержащуюся в клетках воду невозможно выморозить полностью.

Линг (1968) объясняет состояние связанной воды наличием на| молекулярной поверхности вещества, образующего коллоидный раствор, многослойного поляризованного покрытия из водяных молекул (рис. ). Свойства поляризованных водных молекул (их точка замерзания, способность растворять различные вещества и т.д.) отличаются от свойств нормальных неполяризованных моле­кул. Можно предположить, что полное влагосодержание живых клеток состоит именно из таких поляризованных молекул.

Уменьшение обратимости коллоидов по мере вымерзания воды ведет к уплотнению остаточного раствора. Водные растворы, об­разующие клеточную влагу, в зависимости от вида продуктов со-

Рис. 91. Расположение слоев поляри­зованных молекул воды между моле­кулами белка. Черточки внутри круж­ков, обозначающих молекулы воды, показывают направления дипольных моментов.

Рис. 92. Влияние температуры на об­ратимость замерзания. Кривая / по­казывает, что уменьшение температу­ры и увеличение скорости замерзания благоприятно действуют на обрати­мость, а кривая // показывает, что снижение температуры вследствие концентрации клеточной влаги дейст­вует на обратимость неблагоприят­ным образом. Характеризующая сум­марное воздействие этих процессов кривая /// получается суперпозицией кривых / и //.

держат соли, кислоты, сахара, коллоидные белки и т. д. Концен­трация образующих электролиты или находящихся в диссоциированном состоянии солей и кислот вызывает коагуляцию или денатурирование белков.

Во время замораживания недостаточно амортизированных си­стем может изменяться величина рН. Так, например, рН овощей:

при замораживании может уменьшаться, а рН мяса увеличивать­ся. Эти данные указывают на то, что во время замораживания ве­личина рН может достичь изоэлектрической точки выпадения бел­ков или приблизиться к ней. Изоэлектрическая точка глютенина и яичного белка при рН 4,8, оксигемоглобина—при рН 6,8. С дру­гой стороны, отсюда следует, что путем должной фиксации вели­чины рН можно избежать выделения белков. Последнее удалось подтвердить экспериментально замораживанием мяса с фиксиро­ванным значением рН 6,3, после оттаивания которого потеря сока, характеризующая степень денатурирования белков, оказалась очень малой.

10)Количество вымерзающей воды. Вымерзание воды из расти­тельных и животных клеток начинается при температуре их за­мерзания. По мере отбора тепла вымерзает все больше воды, а концентрация растворенных в клеточной влаге веществ увеличи­вается. После достижения определенной точки снижать темпера­туру далее бесполезно, поскольку вода из клеток больше не вымерзает. Некоторое ее количество даже при очень низких тем­пературах остается в жидкой фазе. С помощью современного дифференциального термоанализа Дакуорт (1971) установил ко­личество невымерзающей из продуктов воды при температуре —180° С (табл. ).

Наличие в продуктах невымерзшей воды, находящейся в жид­ком агрегатном состоянии даже при очень низких температурах, указывает на тот факт, что активизация некоторой части водосо-держания клеток сильно затруднена. Независимо от того, вызы­вается такого рода связанность образованием поляризованной многослойной «шубы» молекул воды или водородными связями, ее энергия достаточно велика. По данным Оленева и Чижова (1973), энергия связи слабосвязанной воды крахмала составляет 155 кДж/кг, энергия промежуточных связей—155—655 кДж/кг, энергия связи сильно связанной и не вымерзающей даже при очень низких температурах воды составляет более чем 655 кДж/кг. Если вспомнить, что удельная теплота испарения воды 2345 кДж/кг, то эти величины представляются не такими уж малыми.

Согласно Дорсею, даже в чистом льде остается невымерзшая жидкая фаза, которая покрывает кристаллики льда пленкой тол­щиной примерно 8 мкм.

11)Рекристаллизация. Как явствует из изложенного выше, за­мерзшие клетки и ткани содержат кристаллики льда различных размеров и незамерзшую воду в жидком агрегатном состоянии, т. е. определенный раствор. Наличие кристалликов различной величины связано с разницей скоростей замерзания находящих­ся на неодинаковой глубине от поверхности продуктов слоев кле­ток, содержащих воду. Эта гетерогенная система кристалликов разной величины слабо устойчива. Она постоянно изменяется в сторону уменьшения числа кристаллов льда и увеличения объема кристаллов. Процесс рекристаллизации, по нашим современным представлениям, продолжается более или менее длительный про­межуток времени до температуры —30° С.

Явление рекристаллизации возникает, как можно предполо­жить, по двум причинам. Первая причина заключается в том, что парциальное давление водяных паров над мелкими кристаллика­ми льда выше, чем над крупными. Вследствие разницы давлений водяных паров молекулы воды постоянно сублимируют с мелких кристалликов и осаждаются на крупных.

Вторая причина—непрерывное колебание температуры хране­ния продуктов. Поскольку температура плавления мелких кри­сталликов ниже, чем крупных, при небольшом подогреве они подтаивают в первую очередь. Образовавшаяся от их таяния вода при следующем за небольшим повышением температуры охлаж­дении намерзает на небольшие кристаллики, увеличивая тем самым их размеры.

Рекристаллизация сильно замедляется при понижении темпе­ратуры хранения. Разность давлений пара над мелкими и круп­ными кристалликами при температуре —25°С составляет только '/4 разности давлений при температуре —10° С. Кроме того, коле­банию температуры продуктов око­ло 0,05° С, которое возникает в ре­зультате колебаний температуры хранилища на 1° С, при охлаждении до —10° С соответствует изменение агрегатного состояния, т.е. расплавление или замерзание примерно 0,04% воды, а при охлаждении до —25° С агрегатное состояние изме­няют всего 0,005% воды.

На опыте хорошо видно, как разница в числе и размерах кри­сталликов льда у быстро и медлен­но замороженных продуктов посте­пенно исчезает при хранении.

Очень интересными представ­ляются с этой точки зрения иссле­дования Нотеварпа, который изме­рял размеры кристаллов льда в замороженной с разной скоростью треске через различные промежутки хранения при температуре —20° С. Например, через 2,5 ч после замораживания (кривая а на рис. ) средние размеры кристаллов составляли 250 мкм. После 5-месячного хранения при температуре —20° С они увеличились до 480 мкм (кривая ///). Из рисунка видно также, что до 480 мкм кристаллы вырастают через 8 ч после замораживания (кривая b).

12)Замораживание продуктов бестканевой структуры. К этой группе можно отнести продукты, которые ведут себя как настоя­щие растворы, например процеженные, осветленные фруктовые соки и широкий круг продуктов от молока до хлеба, которые проявляют свойства коллоидных растворов или гелей.

На фруктовые соки, кофейные экстракты и т. д., которые мож­но считать настоящими растворами, замораживание (образование льда), не оказывает никакого влияния. После замораживания, хранения и оттаивания качество продуктов полностью сохраня­ется. Совсем другое положение возникает тогда, когда целью за­мораживания является сгущение, криогенное концентрирование. В этом случае исключительно важным с точки зрения следующих фаз технологии, разделения концентрата и кристаллов льда ста­новятся их соответствующие размеры, а в некоторых аспектах' и правильное направление кристаллообразования.

Разделение облегчается, а потери вещества уменьшаются, если в процессе замораживания, проведенного с целью криоконцентри-рования, в растворе образуются большие кристаллы. В этом случае удельная поверхность льда уменьшается, а значит, и становится меньшим количество связанного вследствие адсорбции и трудно отделимого концентрата.

Для облегчения центробежного разделения в процессе Крау-зе—Линде обычно стремятся получить рост кристаллов в радиаль­ном направлении перпендикулярно оси вещества, состоящего из льда и концентрата.

Обратное положение возникает при производстве мороженого, когда существенно, чтобы образующиеся кристаллы льда имели как можно меньшие размеры и давали при потреблении желае­мую «гладкую» консистенцию. Эта цель достигается не только посредством быстрого замораживания, но и путем применения различных эмульгаторов (яичный желток, желатин, агар и т. д.), которые при смешивании способствуют образованию мелких ледя­ных кристаллов.

Можно еще также упомянуть о том, что во время лиофилизации растворов большую роль играют размеры кристаллов льда, возникающих при замораживании перед проведением основной операции. Согласно экспериментальным данным, образование как слишком больших, так и слишком маленьких кристаллов не способствует высококачественному проведению технологического процесса, поскольку маленькие кристаллы затрудняют сублимацию водяного пара, а большие после своего исчезновения оставляют много нежелательных пустот.

Преобладающее большинство принадлежащих к этой группе продуктов являются коллоидными растворами или гелями. Изучением изменения структуры коллоидов при замораживании за­далось много исследователей. Современная точка зрения на этот счет может быть сформулирована следующим образом.

Коллоидные растворы под действием замораживания страдают большей частью от необратимых, но частично и от обратимых физических изменений. Такими изменениями может быть дезагрегация, а иногда и агрегация коллоидных частиц.

В жидких растворах наступает главным образом дезагрегация, а в концентрированных растворах — агрегация частиц. Установлено также, что однополярные коллоиды при замораживании в неполярных растворителях агрегируют, а в полярных растворителях дезагрегируют. Дезагрегация обратима.

Гетерополярные коллоиды в полярных растворителях могут покаазать оба этих физических изменения. Агрегация возникает под действием сил Ван-дер-Ваальса, а дезагрегация — под действием ктростатических и дипольных сил. В продуктах коллоидного актера имеет место обычно процесс агрегации. Однако в то время увеличение активности ферментов при замораживании объясняется явлением дезагрегации.

13.Водосодержание, теплоемкость и теплота замерзания некоторых продуктов.

Водосодсржание, теплоемкость и теплота замерзания некоторых продуктов

Теплоемкость

Продукт

Водосо-

Держание, %

Теплота замерзания или плавления­

выше точки замерзания

ниже точки

замерзания

са

кДж/(кг*К)

ккал/(кг*град)

кДж/(кг*К)

ккал/(кг*град

кДж/(кг)

ккал/(кг)

Яблоки

83

3,85

0,92

1,76

0,42

280,52

67

.Бананы

75

3,35

0,80

—

—

251,21

60

Птица

173

2,93-3,18

0.70-0,76

1,68

0,40

247,02

59

Вино

—

3,77

0,90

—

—

—

—

Картофель

74

3,35

0,80

1,76

0,42

242,83

58

Лимоны

83—89

3,85

0,92

1,93

0,46 276—297

66-71

Сахар

0,1

—

—

1,26

0,30

—

Черешня

82

3,64

0,87

1,84

0,44

276,33

66

Орехи

7,2

1,05

0,25

0,92

0,22

37,68

9

Крыжовник

90

3,85

0,92

1,93

0,46

301,45

72

Мороженое

40—65

3,27

0,78

1,88

0,45

217,71

52

Чеснок

91

3,89

0,93

2,01

0,48

305,64

73

Арбузы

89

3,85

0,92

1,93

0,46

297,26

71

Рыба

жирная

60

2,85

0,68

1,59

0,38

209,34

50

тощая

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

Говядина

тощая

72

3,25

0,78

1,76

0,42

234,46

56

упитанная

51

2,55

0,61

1,49

0,36

171,66

41

Свинина

упитанная

39—46

2,13

0,51

1,34

0,32 129—154 31-37

Бобовые

89

3,85

0,92

1,97

0,47

297,26

71

Савойская ка­

91

3,89

0,93

3,01

0,48

305,64

73

пуста

Груши

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

—

—

Апельсины

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

Томаты

94

3,89

0,93

2,05

0,49

314,01

75

Сыр

нежирный

53

2,85

0,68

1,68

0,40

175,85

42

жирный

35—50

1,88—2,51

0,45—0,60

1,26

0,30 108 —155 26-37

Морковь

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

Ежевика

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

Сливки, смета­

59

3,56

0,85

1,51

0,36

196,78

47

на

Морские раки

77

3,39

0,81

1,80

0,43

259,58

62

Тесто

—

1,88

0,45

—

—

—

—

Яйца

70

3,18

0,76

1,68

0,40

234,46

56

Творог

80

2,93

0,70

1,88

0,45

—

—

Масло

14—15

2,51—2,68

0,60—0,64

1,26

0,30

—

-

Преимущества и недостатки.

Здесь можно отметить, что для каждого продукта есть свои режимы охлаждения

(замораживания) при которых этот продукт пробудет без значительного изменения

своей структуры. Например, при замораживании пищевых продуктов бестканевой

структуры, таких как осветленные фруктовые соки и широкий круг продуктов

от молока до хлеба, которые проявляют свойства коллоидных растворов или

гелей замораживание не оказывает никакого влияния, после замораживания,

хранения и оттаивания качество продуктов полностью сохраня­ется. В отличии

от пищевых продуктов бестканевой структуры продукты, имеющие тканевую

структуру имеют способность окисляться, развивать микрофлору, что приводит

к нежелательным изменениям в структуре продуктов, а в свою очередь это

приводит к порче продукта. Так же следует учитывать время в течении, которого

тот или иной продукт охлаждается (замораживается), немаловажно учитывать

продолжительность хранения, ведь при хранении происходит испарение пищевых

продуктов. Большую роль играет исходное состояние пищевых продуктов

питания. Скорость охлаждения (замораживания) влияет на исходное состояние

кристаллов перед тем как продукт будет помещен в хранилище, каждому продукту

соответствует своя скорость охлаждения (замораживания) которая формирует

размер кристаллов так чтобы они не повреждали тканевую структуру продукта

и что в свою очередь влияло бы на более долгий срок хранения.

15.Список используемой литературы.

1) Э.Алмаши, Л.Эдели, Т.Шарой “Быстрое замораживание пищевых продуктов”

  1. Н.А.Головкин “Холодильная технология пищевых продуктов”

  2. А.Ф.Намесников “Консервирование плодов и овощей в домашних условиях”