Invloed van invriesparameters op de eigenschappen

Invloed van invriesparameters
op de eigenschappen
van voedsel
Adrien Agoulon
Directeur, Agro-Hall
Samenvatting:
Uit verscheidene onderzoeken naar veranderingen in de staat van
voedingsmiddelen is gebleken dat de invrieskwaliteit en opslagmethode
invloed hebben op de organoleptische eigenschappen van de producten
na ontdooien. De invriessnelheid is de belangrijkste parameter voor
optimaal invriezen. Cryogeen invriezen is een bijzonder goede methode
om organoleptische achteruitgang (verlies van textuur en uitdroging) in
gevoelige voedingsmiddelen zoals vis, zeevruchten, fruit en vlees
te voorkomen.
1.Introductie
2.Het invriesproces
De verkoop van ingevroren
levensmiddelen neemt wereldwijd
toe. Door voedsel in te vriezen,
blijft de kwaliteit behouden
tegen een concurrerende prijs.
De invriestechnieken worden,
net als de handel in bevroren
levensmiddelen, steeds sneller,
efficiënter en kosteneffectiever.
Als we tegemoet willen blijven
komen aan de behoeften van de
klant, die producten van hoge
kwaliteit eist wat betreft smaak
en voedingswaarde, maar steeds
minder tijd wil besteden aan het
bereiden van maaltijden, moeten
we de achterliggende principes van
dit proces en de invloed daarvan
op voedsel beter leren begrijpen.
Het doel van dit artikel is het
presenteren van de bestaande
wetenschappelijke gegevens over de
invloed van invriestechnologieën
op de organoleptische kenmerken
(bijvoorbeeld smaak, textuur,
geur en uiterlijk) van gevoelige
voedingsmiddelen zoals vlees,
fruit, groenten en zelfs vis en
zeevruchten.
In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, is bevroren voedsel niet
helemaal stabiel. Hoewel het product microbiologisch stabiel is, blijft het
gevoelig voor fysische en biochemische reacties, die de organoleptische
kwaliteit kunnen aantasten. Dit wordt duidelijker als we kijken naar
de hoeveelheid bevroren water die we in verschillende bevroren
voedingsmiddelen aantreffen. Laten we als voorbeeld dierlijke producten
nemen, zie tabel 1.
Tabel 1:
Invloed van temperatuur op het percentage bevroren water in vlees
Bevroren water (%)
Temperatuur (°C) Gevogelte (spiervlees)1 Mager rundvlees 1,2
Vis (kabeljauw)1,2
-5
74
74
77
-10
83
82
84
-15
85
87
-20
87
89
88
-25
-30
89
88
91
(1) Afkomstig van Reidel (1957), geciteerd door Desrosier en Tressler, Fundamentals of Food
Freezing, ix, 629 p., AVI Pub. Co. (1977).
(2) IIF (1986)
(3) Leistner en Rodel (1976), geciteerd door Daudin, Technologie de la viande et des produits
carnés, Chapitre 1 (1988)
In een product zoals vlees bedraagt het percentage niet-bevroren water bij een
gestabiliseerde temperatuur van -20°C nog altijd meer dan 10% van het totale
watergehalte van het product. Dit vloeibare deel heeft specifieke kenmerken.
Het wordt in toenemende mate verrijkt met verscheidene opgeloste stoffen
naarmate er meer en meer ijskristallen uit het water worden gevormd. Dit
wordt de vriesgeconcentreerde fase genoemd; tijdens deze fase treedt een
groot aantal veranderingen op naarmate de bevroren producten verouderen.
In deze fase vindt met name hergroepering van enzymen en hun substraten
binnen een beperkt vloeistofvolume plaats, waardoor bepaalde reacties
worden versneld ondanks het vertragende effect van de lage temperatuur.
De kinetica van de afname in temperatuur tijdens het invriesproces (en dus de
gebruikte invriestechniek) beïnvloedt de kenmerken (aantal en grootte) en de
groei van de kristallen:
• Nucleatiesnelheid. Dit is het aantal kernen dat per tijdseenheid wordt
gevormd. Deze parameter neemt toe met een hogere koelsnelheid.
Met elke graad temperatuurverlaging door subkoelen wordt de
nucleatiesnelheid bijvoorbeeld met een factor 10 verhoogd.
• Groeisnelheid van kristallen. De groei van kristallen is gekoppeld
aan het vermogen om warmte te onttrekken aan de plaats waar de
ijskristallen worden gevormd (hangt samen met de kenmerken van het
product en de temperatuur van het medium).
• Grootte van de kristallen. De grootte van de kristallen hangt af van de
twee eerder genoemde factoren. Zowel de vorming van een groot aantal
kernen als een hoge groeisnelheid bevorderen de vorming van kleine
kristallen.
In veel gevallen kan de achteruitgang die wordt veroorzaakt door ijs, worden
verklaard door de rigiditeit en de grootte van de kristallen in de cellulaire
structuur van het voedsel. Deze factoren leiden tot een mechanische druk
die de cellulaire structuur van producten zoals vlees, fruit en groenten
kan beschadigen. Afbeelding 1 laat zien hoe de grootte en distributie van
kristallen afhangt van de invrieskinetica.
(Fragment uit het FICUR-boekje)
 IJskristallen
 Celkernen
 Celwanden
A-Langzaam invriezen
B-Snel invriezen
Afbeelding 1: Weergave van kristalvorming als gevolg van invrieskinetica
3.Invloed van invriezen op de voedselstructuur
3.1.Kenmerken van de verschillende invriestechnologieën
Voordat we gedetailleerd naar de invloed van invriestechnologieën op de voedselstructuur gaan kijken, moeten
we teruggrijpen naar de basis kenmerken van de gebruikte technologieën op industrieel niveau.
– Mechanische koeling: deze term wordt gebruikt voor traditionele vriezers die werken met een
dampcompressiecyclus en waarbij gewoonlijk een bedrijfstemperatuur tussen -20°C en -50°C wordt bereikt.
– Bij cryogeen invriezen wordt gekoeld met behulp van cryogene vloeistoffen zoals stikstof of koolstofdioxide
en wordt gewoonlijk een bedrijfstemperatuur lager dan -70°C gehanteerd.
Deze opmerkelijke verschillen in temperatuur ontstaan door het grote verschil in invrieskinetica tussen de twee
technologieën.
Afbeelding 2 toont de invriestijd (de tijd die nodig is om de temperatuur in het midden van het product van -1°C
naar –7°C te brengen) van een biefstuk (200 g, 2 cm dik) voor verschillende invriestechnieken.
Invriestijd (min)
Door het grote temperatuurverschil tussen product en vriesmedium bij de cryogene techniek wordt een
aanzienlijk kortere invriestijd behaald dan met mechanisch invriezen. Deze verschillen in koelkinetica zijn voor
een groot deel verantwoordelijk voor de verschillen in de mate van achteruitgang die worden waargenomen in
het eindproduct wanneer we de invloed van de invriestechnologie vergelijken met de kwaliteit van het voedsel.
vriezer –14°C
vriezer –20°C
cryogene tunnel
cryogene tunnel
–40°C
–78°C
Afbeelding 2: Invriestijd van een biefstuk voor verschillende invriestechnieken
3.2.Invloed van invriezen op de voedselkwaliteit
• Vriesconcentratie
Langzaam invriezen (vriesfront breidt zich uit met een snelheid kleiner dan 0,2 cm/u) leidt tot de vorming
van ijskristallen in de minder geconcentreerde extracellulaire ruimte. De toenemende concentratie van de
extracellulaire ruimte (vriesconcentratie) heeft dehydratie van de cellen via osmose tot gevolg. Doordat er
intracellulaire vloeistof naar buiten lekt, treedt er verzwakking van het weefsel en verlies van volheid in
plantenweefsel op. In tabel 2 worden de kwantitatieve verschillen weergegeven tussen cryogeen invriezen met
vloeibaar stikstof, geventileerd mechanisch invriezen en niet-geventileerd mechanisch invriezen.
Bij sperziebonen was de achteruitgang, die zeer gering bleek te zijn bij cryogeen invriezen, het meest opmerkelijk ;
de tijd die nodig was om het midden van het product op -20°C te brengen, was langer dan 30 minuten.
Tabel 2: Effect van de invriessnelheid op de perceptuele eigenschappen
van sperziebonen
Benodigde tijd om midden van
Perceptuele kenmerken
product op -20°C te brengen van gekookt product
Invriesmethode
Geen verlies van stevigheid,
Kryogenes Frosten
normale kleur en smaak
(Flüssigstickstoff)
< 30 minuten
30 minuten-2 uur
> 12 uur
Verlies van textuur,
Geventileerd
normale kleur en smaak
mechanisch invriezen
Verlies van textuur, achteruitgang Niet-geventileerd
van kleur en smaak
mechanisch invriezen
• Mechanische verandering
Langzame invriestechnieken
waarbij het vriesfront zich met een
snelheid lager dan 0,2 cm/u uitbreidt,
hebben invloed op het aantal en
de grootte van de ijskristallen.
Afbeelding 3 toont de invloed van
de invriessnelheid op de cellen, en
daarmee op de organoleptische
eigenschappen.
De grote kristallen die bij langzamere
Als eerste treedt verlies van textuur op, als gevolg van het verlies aan volheid invriescondities worden gevormd,
genereren een mechanische druk
(gezwollenheid) van de cellen. Door de snelle koeling bij cryogeen invriezen
en vormen scherpe randen die alle
is de vriesconcentratie beperkt en worden er zowel in de intracellulaire
cellulaire componenten (bijvoorbeeld
ruimte als in de extracellulaire ruimte ijskristallen gevormd. Omdat
celorganellen en celmembranen)
de hoeveelheid overgedragen koude niet alleen door de vorming van
beschadigen. Door deze
ijskristallen in de extracellulaire ruimte kan worden geabsorbeerd, worden
beschadigingen kunnen enzymen en
er homogeen verdeeld over de hele matrix kernen gevormd (zie afbeelding
substraten die voorheen gescheiden
1). Door de homogeniteit van de nucleatielocaties blijft het effect van de
waren, bij elkaar komen, waardoor
osmotische druk, en dus het verlies van textuur, beperkt.
verschillende enzymatische
De mate van achteruitgang in kleur en smaak varieert sterk naargelang de
reacties kunnen optreden. De
opslagcondities en de aard van het bevroren product. Toch is het duidelijk
organoleptische kwaliteitsfactoren
dat er door de aanwezigheid van enzymen en hun substraten in een beperkt
van het vlees die worden beïnvloed
vloeistofvolume snelle, schadelijke reacties kunnen optreden, ondanks
door de invriesmethode, zijn met
de lage temperaturen. Door snel invriezen (cryogeen invriezen) wordt de
name malsheid, sappigheid en het
omgeving gestabiliseerd doordat de stroming van stoffen door het weefsel
vermogen om water vast te houden.
wordt beperkt. Vloeistoffasen bevatten daardoor lagere concentraties
opgeloste stoffen, met als gevolg een langzamere enzymatische
achteruitgang (bijvoorbeeld oxidatie, hydrolyse en decarboxylatie).
CJ Kennedy, GP Archer, 1999. Maximising Quality and Stability of Frozen Foods, Report 2, 14.
De versnelling van deze enzymatische reacties bij langzaam koelen leidt
tevens tot een tweede veranderingsmechanisme vanwege de mechanische
druk die wordt veroorzaakt door de ijskristallen.
(c)
Snel invriezen
(b)
Middelmatige
snelheid
Scheuren
Temperatuurfluctuaties
Rijping
Druppelverlies
Spier
Vlees
(a)
Langzaam invriezen
Temperatuurfluctuaties
Druppelverlies
Sappigheid↘: Malsheid↘ ?
Afbeelding 3: Weergave van de invloed van de invriessnelheid op de kwaliteit van het vlees
Afbeelding overgenomen uit Congélation et Qualité de la Viande, Claude Genot, INRA Edition, 2000.
Een kortere invriestijd, wat kan worden bereikt door cryogene processen
te gebruiken, leidt tot betere organoleptische kenmerken, waarbij het
vermogen om water vast te houden sterk gekoppeld is aan andere
kwalitatieve descriptors van vlees, zoals malsheid en sappigheid.
4.Conclusie
Uit verscheidene onderzoeken
naar veranderingen in de staat
van voedingsmiddelen is gebleken
Tabel 3 geeft de verliezen bij invriezen en ontdooien weer voor de
dat de invrieskwaliteit en
verschillende invriestechnieken. De verliezen zijn hier significant hoger bij
opslagmethode invloed hebben op
het gebruik van een mechanische vriestunnel (+625% bij -20°C en +300% bij
de organoleptische eigenschappen
–40°C) dan bij de proef die werd uitgevoerd met cryogeen invriezen.
van de producten na ontdooien. De
invriessnelheid is de belangrijkste
• Uitdroging
Tijdens het invriesproces kunnen producten een hoge mate van uitdroging parameter voor optimaal
ondergaan vanwege de sublimatie van oppervlaktewater. Deze uitdroging invriezen. Cryogeen invriezen is
een bijzonder goede methode om
kan een aanzienlijk gewichtsverlies tot gevolg hebben (in sommige
organoleptische achteruitgang
gevallen zelfs tot 10%) en de smaak van het product beïnvloeden. Door
cryogene invriesprocessen te gebruiken, kan een significante vermindering (verlies van textuur en uitdroging)
in gevoelige voedingsmiddelen
van deze uitdroging worden bereikt (tot 10 keer minder dehydratie)
zoals vis/zeevruchten, fruit en vlees
(Löndahl et al., 1195) vergeleken met mechanisch invriezen.
te voorkomen. Tabel 4 bevat een
De mate van dehydratie is rechtstreeks gekoppeld aan de tangentiële
overzicht van de doeltreffendheid
snelheid van het gas (lucht, N2 of CO2) bij contact met het product. Bij
van verschillende invriestechnieken
mechanisch invriezen is er een hoge tangentiële snelheid nodig om de
voor verschillende typen
benodigde tijd voor het invriesproces te beperken, waardoor er in bepaalde
vleesproducten:
voedingsmiddelen een aanzienlijke dehydratie optreedt.
Tabel 3: Gewichtsverlies (in %) voor ham bij verschillende invries- en
ontdooiprocessen
Invriezen x ontdooien
Verlies bij invriezen Verlies bij ontdooien (magnetron)
tunnel -20°C x magnetron0,50
0,80
tunnel -40°C x magnetron0,24
0,70
Vloeibare stikstof x magnetron0,08
0,58
(1) Aus Jacquet et al. (1976)
De efficiëntie van de thermische overdracht hangt ook af van het verschil
in temperatuur tussen het oppervlak van het product en het invriesgas.
Omdat cryogene vriezers bij lagere temperaturen werken, wordt snel
invriezen niet alleen bereikt door een hogere tangentiële snelheid.
Bovendien wordt de verzadigde dampdruk (de druk waarbij de gasfase
en de vaste fase in evenwicht zijn) bij elke 10°C temperatuurverlaging
ongeveer gehalveerd. Omdat cryogene vriezers bij een lagere temperatuur
werken, is de verzadigde dampdruk bij deze temperatuur lager en treedt er
minder uitdroging op.
5. Tell me more
Over de auteur
Adrien Agoulon is afgestudeerd aan de ENSIA (Ecole Nationale Supérieure
des Industries Alimentaires), gaf acht jaar lang leiding aan de afdeling
Research & Development in het technologiecentrum en is sinds 2010
directeur van Agro-Hall.
Agro-Hall is gevestigd in Evreux (Frankrijk) en werd in 1986 opgericht om
bedrijven ondersteuning te bieden op het gebied van R&D en innovatieve
projecten.
Meer informatie over Air Products of invriestechnologieën
Als u een gesprek wilt over de beste invriestechnologie voor uw industriële
bedrijf of als u zonder verdere verplichtingen een analyse van uw huidige
invriesproces wilt laten uitvoeren, kunt u contact opnemen met één van de
experts van Air Products:
Nederland
Air Products Nederland BV
Schalkwijkpolderweg 2
1165 AC Halfweg
T +31 20 4 35 35 35
E [email protected]
België
Air Products N.V.
J.F. Willemsstraat 100
1800 Vilvoorde
T +32 2 255 28 95
E [email protected]
tell me more
airproducts.nl/food
airproducts.be/food
© Air Products and Chemicals, Inc., 2012 (EU002348) 332-13-001-NL