Historia mrożenia żywności w sposób przemysłowy obejmuje około 130 letni okres. W tym czasie zmieniły się możliwości techniczne, oczekiwania rynku oraz sposób traktowania tego procesu w technologii żywności. Mrożenie pozostało jednak niezmiennie najbardziej naturalną metodą utrwalania żywności, powodującą relatywnie mniejsze zmiany produktu.

Istotną cechą mrożonki jest brak specjalnych wymagań w stosunku do opakowania, co ma duże znaczenie dla energochłonności ciągnionej produktu i daje przewagę ekonomiczną w stosunku do żywności utrwalanej termicznie. Jak wynika z istoty tej metody, utrwalanie osiąga się poprzez znaczne spowolnienie procesów mikrobiologicznych, enzymatycznych oraz metabolicznych w produkcie.

Zmiana roli mrożenia w technologii – obserwowane kierunki zmian w zakresie doskonalenia urządzeń do mrożenia

Można zauważyć zmianę w technologicznym postrzeganiu mrożenia, polegającą na traktowaniu tego procesu w mniejszym stopniu jako metody utrwalania surowców lub produktów końcowych, a w większym jako metodę osiągnięcia ukierunkowanych zmian technologicznych w produkcie lub półprodukcie, celem nadania mu odpowiednich parametrów. Przykładami technologii odbiegających od stereotypu mrożenia są:

• podmrażanie produktów celem ułatwienia krojenia,
• mrożenie produktów płynnych dla nadania im nowych właściwości w następującym dalej procesie mieszania,
• tworzenie emulsji,
• zamrażanie jako metoda do proszkowania tłuszczów, czy też koncentracji soków,
• mrożenie dla nadania trwałej formy produktom półpłynnym lub też jako etap pośredni w procesach obróbki termicznej.

Zdjęcie: The Linde Group

Rynek w coraz większym stopniu oczekuje od producentów żywności produktu dopasowanego do nowych i dynamicznie zmieniających się potrzeb konsumentów. Rośnie zainteresowanie produktami ułatwiającymi codzienne życie, a jednocześnie trwałymi i naturalnymi. Wśród najistotniejszych zmian orientacji rynkowej najbardziej wpływających na ewolucję w zakresie metod mrożenia można wymienić:

• wzrost tempa życia, co jednoznacznie kieruje zainteresowanie w stronę żywności wysoko przetworzonej – wygodnej, w której to grupie mrożonki mają znaczące miejsce;
• zmiany w zakresie struktury handlu żywnością wymuszają konieczność osiągania dłuższych okresów przydatności do spożycia, czyli wymagają lepiej utrwalonego produktu – wywiera to presję na producentów skutkującą często stosowaniem niższych temperatur w ciągu technologicznym dla szybkiej stabilizacji mikrobiologicznej produktu;
• rynki determinujące postęp, dyktujące tempo i kierunek zmian są nasycone – kluczem do sukcesu w sprzedaży staje się poszukiwanie nowych potencjałów, tworzenie nowej wartości wizualnej produktów i nowej jakości.

Tradycyjne mrożenie w komorach często zastępuje proces, który można zrealizować w linii produkcyjnej. Trend ten powoduje zmiany w konstruowanych urządzeniach, idące w kierunku zmniejszenia ich wielkości, większej mobilności, elastyczności i funkcjonalności.

Poszukiwanie oryginalności, rozwój technologiczny procesów produkcji, czy też konieczność szybkiego utrwalenia produktu generuje potrzebę zamrażania coraz trudniejszych substancji od płynnych lub półpłynnych poczynając, a na bardzo lepkich kończąc, stąd też urządzenia do zamrażania coraz częściej są indywidualnie dostosowywane do procesu lub też grup produktów.

Rys. 1. Urządzenie typoszeregu CRYOLINE®CW
Zdjęcie: The Linde Group

Zwiększenie szybkości mrożenia

Z wymienionych powyżej powodów, jak i udowodnionej znaczącej poprawy jakości większości produktów mrożonych wraz ze wzrostem szybkości mrożenia, obserwuje się tendencję do przyspieszania procesu. Jedną z metod realizacji tego celu jest zwiększenie użytecznej różnicy temperatur pomiędzy medium a produktem. Ekstremalnym przykładem jest tu mrożenie w zakresie kriogenicznym realizowane poprzez zastosowanie ciekłego azotu, gdzie do dyspozycji jest medium o temperaturze – 196°C. 

Zamrażanie immersyjne (zanurzeniowe) jest uważane za najstarszą metodę zamrażania żywności. Stosowano ją początkowo przy wykorzystaniu cieczy niewrzących. W okresie międzywojennym znalazło zastosowanie do mrożenia ryb. Medium chłodnicze – roztwór soli kuchennej dawał dobre warunki wymiany ciepła, jednak miał wiele wad natury technicznej jak adsorpcja roztworu i korozja urządzeń. Do kontaktu bezpośrednio z produktem dopuszczone były tylko roztwory soli kuchennej i cukru. Inne rozwory; chlorku wapnia, glicerolu, etanolu, glikolu dopuszczalne były tylko dla produktów skutecznie opakowanych [1].

Obecnie wraz z rozwojem techniki opakowań temat mrożenia w cieczach niewrzących powraca w przypadku niektórych produktów. Zanurzenie w ciekłym azocie daje większą możliwość bardzo szybkiego zamrożenia dzięki dużej różnicy temperatur. Rozwiązania oparte o immersję znajdują zastosowanie do zamrażania substancji płynnych, półpłynnych, zamrażania powierzchni delikatnych produktów lub jako wstępna faza mrożenia zasadniczego, realizowanego dalej inną metodą. Skuteczność szybkiego mrożenia powierzchni produktu, a tym bardziej przenikania chłodu w głąb, zależy od oporów termicznych samego produktu. Proces wymiany ciepła w mrożeniu immersyjnym jest zjawiskiem bardzo złożonym, w którym współczynnik wnikania ciepła od wartości bardzo wysokich drastycznie spada wraz z pojawieniem się warstwy fazy gazowej – izolatora. O skuteczności metody decyduje intensywność ruchu produktu w cieczy oraz precyzyjne, indywidualne dla danego produktu dopracowanie parametrów czasu kąpieli, głębokości zanurzenia itp. Metoda ta miała dotychczas ograniczenia wynikające ze zbyt dużych (dla niektórych produktów) naprężeń termicznych, zjawiska tworzenia warstwy gazowego azotu wokół produktu oraz znacznego zużycia azotu na skutek wykorzystania jednokrotnie ciepła odparowania gazu.

Obecnie wiele rozwiązań opartych o immersję wyróżnia się wyjątkowo wysokim współczynnikiem wnikania ciepła, co powoduje, że kilku lub kilkunastosekundowe przejście przez zamrażarkę immersyjną daje efekt podmrożenia, zapewniający odpowiednią twardość powierzchni produktu. Małe wymiary urządzeń są dodatkową zaletą, pozwalającą podać produkt w linii bezpośrednio na taśmę następującego urządzenia. We wcześniejszych rozwiązaniach kąpiel w ciekłym azocie pozwalała na wykorzystanie jedynie ciepła parowania azotu, czyli niewiele ponad 50% jego potencjału chłodniczego. Nowe urządzenie CRYOLINES^® I posiada strefę zanurzenia i strefę kontaktu zimnego gazu, powstałego w sekcji immersyjnej z produktem, co pozwala na lepsze wykorzystanie chłodu i poprawia współczynnik zużycia gazu.

Metoda natrysku cieczy na produkt była kolejnym krokiem w ewolucji rozwiązań technicznych w zakresie mrożenia kriogenicznego. Przy tej metodzie w porównaniu z immersją zyskujemy dłuższe czasy procesu, mniejszy gradient temperatury pomiędzy środkiem a powierzchnią produktu, ale również wykorzystujemy chłód medium w sposób bardziej optymalny. 

Zależnie od zadanej temperatury w tunelu jesteśmy w stanie uzyskać od 300 do 350 kJ / kg ciekłego azotu całkowitego ciepła użytkowego, czyli znacznie więcej niż ciepło odparowania gazu w stanie ciekłym. Jest to proces, którego parametry jesteśmy w stanie kontrolować w sposób bardziej precyzyjny. Praktycznie w nowoczesnych zamrażarkach w optymalnie prowadzonym procesie można wyróżnić 4 fazy, których długość możemy regulować:

• faza wstępnego schładzania,
• podmrażania oparami gazu,
• mrożenia w strefie natrysku,
• wyrównywania temperatury.

(...)

W przypadku pewnych produktów o bardzo zróżnicowanej podaży pojawiają się piki zapotrzebowania na mrożenie, szczególnie kłopotliwe w przypadku produkcji kilku sezonowych produktów o nakładających się okresach szczytowych. Często rozbudowa tradycyjnego mrożenia poprzez zakup dodatkowego tunelu lub rozbudowę maszynowni dla pokrycia zwiększonego zapotrzebowania okazuje się nieuzasadniona ekonomicznie [2, 3].

Zwiększenie elastyczności wydajności układu krio-mechanicznego oznacza możliwość zagospodarowania pików podaży, na które zwykle nie jest przygotowana baza mroźna zakładu.

Poddano analizie relacje kosztu jednostkowego mrożenia kroi- mechanicznego w różnych wariantach w stosunku do mrożenia mechanicznego. Cytowane żródło wskazuje na atrakcyjność metody kombinowanej w wariancie domrażania kriogenicznego do 1700 t dodatkowej produkcji modelowego produktu (truskawki) rocznie [2, 3]. Stworzony do tego celu algorytm kalkulacyjny pozwala na poziomie koncepcji ocenić sensowność zastosowania technologii CryoAssistTM dla realizacji dodatkowej produkcji vs zwiększenia potencjału zamrażalniczego metodą tradycyjną. Uwzględnia on spodziewaną redukcję ubytków podczas mrożenia, zakładaną nadpodaż surowca w okresie sezonu oraz wybór wariantu jednej z kilku kombinacji metody tradycyjnej i kriogenicznej (podmrażanie przed lub za tunelem mechanicznym w urządzeniu immersyjnym, lub wspomaganie tunelem kriogenicznym pracującym równolegle do urządzenia mechanicznego). Symulacje przy hipotetycznych parametrach produkcji i warunkach handlowych zakupu/dzierżawy urządzeń wskazują na silne uzależnienie efektu końcowego od ceny surowca, wyboru metody zamrażania determinującej współczynnik ubytków, a przede wszystkim od zakładanej nadpodaży surowca (skala dodatkowej produkcji) możliwej do zagospodarowania dzięki CryoAssist^TM.

Grzegorz PAWLONKA
Product Manager Food
Linde Gaz Polska Sp. z o.o.

LITERATURA:

[1] Zbigniew GRUDA, Jerzy POSTOLSKI: Zamrażanie żywności 1999 warszawa WNT.

[2] Zbigniew GRUDA: International Congress of Refrigeration, ITR/ITF, Sydney 1999.

[3] Zbigniew GRUDA: Kombinowana fluidyzacyjno-kriogeniczna metoda zamrażania. Chłodnictwo nr 12 str 32-37, 1999.

[4] Janina JĘDRZEJEWSKA: Nowości techniczne i technologiczne w polskich chłodniach wielobranżowych. Przemysł Spożywczy nr 9 str 8-12, 2004.

[5] Materiały informacyjne Koach Enineering.