Der Einfluss von Frostparametern auf die Eigenschaften von Lebensmitteln

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1 Der Einfluss von Frostparametern auf die Eigenschaften von Lebensmitteln Adrien Agoulon Direktor, Agro-Hall Abstract : Verschiedene Studien über Veränderungen des Zustands von Lebensmitteln haben den Einfluss der Qualität von Frost- und Lagermethoden auf die organoleptischen Eigenschaften der Produkte nach dem Auftauen gezeigt. Die Geschwindigkeit des Frostens ist der wichtigste Parameter für die Gewährleistung eines optimalen Frostens. Kryogenes Frosten ist eine besonders gute Methode zur Vermeidung einer Verschlechterung der organoleptischen Qualität (Verlust von Textur und Austrocknung) bei empfindlichen Lebensmitteln wie Meeresfrüchten, Obst und Fleisch.

2 1. Einführung Der Verkauf von tiefgekühlten Lebensmitteln ist weltweit auf dem Vormarsch. Frosten schützt die Qualität von Lebensmitteln zu einem wettbewerbsfähigen Preis. Das Frostverfahren selbst ebenso wie der Markt tiefgekühlter Lebensmittel durchlaufen eine Entwicklung, um schneller, effizienter und kostengünstiger zu werden. Um weiterhin den Interessen der Verbraucher zu entsprechen, die sowohl in Bezug auf Geschmack als auch Ernährung qualitativ hochwertige Produkte verlangen, aber immer weniger Zeit für die Zubereitung von Mahlzeiten aufwenden möchten, benötigen wir ein besseres Verständnis der Grundlagen dieses Prozesses und seine Auswirkungen auf Lebensmittel. Ziel dieses Artikels ist es, die vorhandenen wissenschaftlichen Daten über den Einfluss von Frosttechnologien auf die organoleptischen Eigenschaften (wie Geschmack, Textur, Geruch und Aussehen) empfindlicher Lebensmittel wie Fleisch, Obst und Gemüse oder Meeresfrüchte aufzuzeigen. 2. Der Prozess des Frostens Im Gegensatz zur allgemeinen Annahme ist Tiefkühlkost nicht vollkommen stabil. Obwohl das Produkt mikrobiologisch stabil ist, bleibt es anfällig für physikalische und biochemische Reaktionen, die seine organoleptischen Eigenschaften beeinträchtigen können. Dies ist leichter verständlich, wenn wir den Anteil gefrorenen Wassers betrachten, der in verschiedenen gefrorenen Lebensmitteln vorhanden ist. Betrachten wir tierische Lebensmittel, wie in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1: Einfluss der Temperatur auf den Anteil gefrorenen Wassers in Fleisch Gefrorenes Wasser (%) Temperatur ( C) Geflügel (Muskel) 1 Mageres Rindfleisch 1,2 Fisch (Kabeljau) 1, (1) Aus Reidel (1957), zitiert von Desrosier und Tressler Fundamentals of Food Freezing, ix, 629p., AVI Pub. Co. (1977). (2) IIF (1986) (3) Leistner und Rodel (1976), zitiert von Daudin, Technologie de la viande et des produits carnés, Kapitel 1 (1988) Bei einem Produkt wie Fleisch beträgt der Anteil des nicht gefrorenen Wassers bei einer stabilisierten Temperatur von -20º C noch mehr als 10% des Gesamtwassergehalts des Produkts. Dieser flüssige Anteil weist besondere Eigenschaften auf. Er wird zunehmend mit verschiedenen gelösten Substanzen angereichert, da immer mehr Wasser Eiskristalle bildet. Dies wird als Frostkonzentrationsphase bezeichnet, in der zahlreiche Veränderungen stattfinden, da die Tiefkühlwaren altern. Im Wesentlichen ist in dieser Phase die Umgruppierung von Enzymen und ihren Substraten in einer begrenzten Flüssigkeitsmenge möglich, was trotz der hemmenden Wirkung der niedrigen Temperaturen bestimmte Reaktionen beschleunigen kann. Die Kinetik der Temperaturabnahme beim Prozess des Frostens (und daher das verwendete Frostverfahren) beeinflusst die Eigenschaften (Anzahl und Größe) sowie das Wachstum der Kristalle: Keimbildungsrate. Dies ist die Anzahl der pro Zeiteinheit gebildeten Kristallisationskeime. Dieser Parameter ist größer bei höheren Abkühlgeschwindigkeiten. Beispielsweise wird die Keimbildungsrate mit jedem Grad einer weiteren Abkühlung verzehnfacht. Wachstumsrate von Kristallen. Das Wachstum von Kristallen ist von der Kapazität der Wärmeabführung zum Zeitpunkt der Eiskristallbildung abhängig (bezogen auf die Eigenschaften des Produkts und die Temperatur des Mediums). Größe der Kristalle. Sie hängt von den beiden vorherigen Faktoren ab. Die Bildung einer großen Anzahl von Kernen sowie eine schnelle Wachstumsrate fördern die Bildung kleiner Kristalle. In vielen Fällen kann die von Eis verursachte Verschlechterung der Qualität durch die Steifigkeit und die Größe der Kristalle in der Zellstruktur der Lebensmittel erklärt werden. Dies führt zu einem mechanischen Druck, der die Zellstruktur von Produkten wie Fleisch, Obst und Gemüse beschädigen kann. Abbildung 1 zeigt die Größe und Verteilung von Kristallen in Abhängigkeit von der Kinetik des Frostens.

3 (Auszug aus der FICUR-Broschüre) Eiskristalle Zellkerne Zellwände Abb. 1: A-Langsames Frosten B-Schnelles Frosten Darstellung der Kristallbildung in Abhängigkeit von der Kinetik des Frostens 3. Einfluss des Frostens auf die Lebensmittelstruktur 3.1. Merkmale der verschiedenen Frosttechnologien Vor der näheren Betrachtung des Einflusses der Frosttechnologien auf die Lebensmittelstruktur ist es notwendig, sich die wichtigsten Merkmale der im industriellen Maßstab eingesetzten Technologien ins Gedächtnis zu rufen. Mechanische Kühlung: Dies ist die Bezeichnung, die verwendet wird, um herkömmliche, den Kompressionskälteprozess nutzende Gefriergeräte zu beschreiben, die normalerweise bei Temperaturen von -20 C bis -50 C betrieben werden. Kryogenes Frosten wird mithilfe kryogener Flüssigkeiten wie Stickstoff oder Kohlendioxid erreicht und in der Regel bei Temperaturen von weniger als -70 C betrieben. Diese beträchtlichen Temperaturunterschiede führen bei den beiden Technologien zu sehr verschiedenen Kinetiken des Frostens. Abbildung 2 zeigt die typische Frostzeit (Zeit, die benötigt wird, damit die Temperatur in der Mitte des Produkts von -1 C auf -7 C absinkt) eines Rindersteaks (200 g, 2 cm dick) in Abhängigkeit vom verwendeten Frostverfahren. Der große Temperaturunterschied zwischen Produkt und Frostmedium beim kryogenen Verfahren führt zu deutlich kürzeren Frostzeiten als beim mechanischen Frosten. Diese Kinetiken des Abkühlens sind beim Vergleich des Einflusses der Frosttechnologie auf die Lebensmittelqualität weitgehend für die unterschiedlichen Niveaus der im Fertigprodukt beobachteten Verschlechterung der Qualität verantwortlich. Typische Zeit (min) Gefriergerät 14 C Gefriergerät 20 C Kryogener tunnel Kryogener tunnel 40 C 78 C 3.2. Einfluss des Frostens auf die Lebensmittelqualität Frostkonzentration Abb. 2: Typische Frostzeit eines Rindersteaks in Abhängigkeit vom Frostverfahren Langsames Frosten (die Front des Frostens schreitet mit einer Geschwindigkeit von weniger als 0,2 cm/h voran) führt zur Bildung von Eiskristallen im weniger konzentrierten extrazellulären Raum. Die fortschreitende Konzentration im extrazellulären Raum (Frostkonzentration) führt über Osmose zur Austrocknung der Zellen. Das Fehlen von intrazellulärer Flüssigkeit führt zu einer Schwächung des Gewebes und bei Pflanzengewebe zu einem Verlust des Turgordrucks. Tabelle 2 zeigt die qualitativen Unterschiede, die zwischen kryogenem Frosten mit Flüssigstickstoff, belüftetem mechanischem Frosten und unbelüftetem mechanischem Frosten beobachtet wurden. Im Falle von grünen Bohnen war die Verschlechterung der Qualität beim kryogenen Frosten sehr gering und am deutlichsten wahrnehmbar, wenn die Zeit, die benötigt wurde, um die Mitte des Produkts auf -20 C abzukühlen, länger als 30 Minuten war.

4 Tab. 2: Einfluss der Geschwindigkeit des Frostens auf die sensorischen Eigenschaften von grünen Bohnen Erforderliche Zeit, um die Mitte des Sensorische Eigenschaften Produkts auf -20 C abzukühlen des gekochten Produkts Frostverfahren < 30 Minuten 30 Minuten - 2 Stunden > 12 Stunden Kein Verlust von Festigkeit; Farbe und Geschmack wie gewohnt Verlust der Textur; Farbe und Geschmack wie gewohnt Verlust der Textur; Farbe und Geschmack verschlechtert Kryogenes Frosten (Flüssigstickstoff) Belüftetes mechanisches Frosten Unbelüftetes mechanisches Frosten CJ Kennedy, GP Archer, Maximising Quality and Stability of Frozen Foods, Report 2, 14. Zunächst tritt ein Verlust der Textur aufgrund des Verlusts des Zellturgors in Erscheinung. Aufgrund der Geschwindigkeit des Abkühlens beim kryogenen Frosten wird die Frostkonzentration eingeschränkt, und Eiskristalle bilden sich sowohl im intrazellulären als auch extrazellulären Raum. Dies liegt daran, dass die Menge der übertragenen Kälte nicht durch die alleinige Bildung von Kristallen im extrazellulären Raum absorbiert werden kann, sodass sich Kerne in homogener Weise in der gesamten Matrix bilden (siehe Abbildung 1). Die Homogenität der Kernbildungsstellen beschränkt daher die Auswirkungen des osmotischen Drucks, der einen Verlust der Textur verursachen würde. Die Verschlechterung von Farbe und Geschmack variiert im Allgemeinen in Abhängigkeit von den Lagerbedingungen und der Art der Tiefkühlprodukte. Dennoch ist es klar, dass trotz der niedrigen Temperaturen durch das Vorhandensein von Enzymen und ihren Substraten in einem begrenzten Flüssigkeitsvolumen Bedingungen für schnell wirkende, schädigende Reaktionen geschaffen werden. Schnelles Frosten (z. B. kryogenes Frosten) stabilisiert die Umgebung, da ein Fluss der Materie durch das Gewebe begrenzt wird. Flüssige Phasen halten daher niedrigere Konzentrationen gelöster Stoffe zurück, was zu langsamerer enzymatischer Verschlechterung der Qualität führt (z. B. Oxidation, Hydrolyse und Decarboxylierung). Die Beschleunigung dieser enzymatischen Reaktionen bei der langsamen Abkühlung führt ebenfalls zu einem zweiten Änderungsmechanismus, der auf dem von den Eiskristallen verursachten mechanischen Druck basiert. Mechanische Veränderung Langsame Frostverfahren, bei denen die Frostfront mit einer Geschwindigkeit von weniger als 0,2 cm/h voranschreitet, beeinflussen die Größe und Anzahl der Kristalle. Abbildung 3 veranschaulicht den Einfluss der Geschwindigkeit des Frostens auf Zellen und damit auf die organoleptischen Eigenschaften. Die großen Kristalle, die sich bei langsamen Frostbedingungen bilden, sorgen für einen mechanischen Druck und scharfe Kanten, die alle zellulären Bestandteile (z. B. Organellen, Zellmembranen usw.) beschädigen. Durch diese Beschädigung werden zuvor getrennte Enzyme und Substrate zusammen gebracht, was wiederum zu andersartigen enzymatischen Reaktionen führt. Die organoleptischen Eigenschaften des Fleischs, die vom Frostverfahren beeinflusst werden, sind im Wesentlichen die Zartheit, die Saftigkeit und das Wasserrückhaltevermögen. (c) Schnelles Frosten Risse (b) Intermediäre Geschwindigkeit Temperaturschwankungen Reifung Tropfverluste Muskel Fleisch (a) Langsames Frosten Temperaturschwankungen Tropfverluste Saftigkeit : Zartheit? Abb. 3: Veranschaulichung des Einflusses der Geschwindigkeit des Frostens auf die Qualität des Fleischs Abbildung aus Congélation et Qualité de la Viande, Claude Genot, INRA Edition, 2000.

5 Kürzere Frostzeiten, die durch den Einsatz kryogener Prozesse erreicht werden können, führen zu besseren organoleptischen Eigenschaften, wie dem Wasserrückhaltevermögen, das in engem Zusammenhang mit anderen die Fleischqualität beschreibenden Merkmalen wie der Zartheit und der Saftigkeit steht. Tabelle 3 beziffert die Verluste beim Frosten und Auftauen in Abhängigkeit vom verwendeten Frostverfahren. Dabei treten deutlich höhere Verluste bei Verwendung eines mechanischen Frosttunnels auf (+625% bei -20 C und +300% bei -40 C) verglichen mit dem Test, der unter Einsatz des kryogenen Frostens durchgeführt wurde. Austrocknung Beim Prozess des Frostens können Produkte aufgrund der Sublimation von Oberflächenwasser unter starker Austrocknung leiden. Diese Austrocknung kann zu einem deutlichen Gewichtsverlust führen (in bestimmten Fällen bis zu 10%) und den Geschmack des Produkts beeinträchtigen. Durch den Einsatz von Verfahren des kryogenen Frostens kann diese Austrocknung erheblich verringert werden (bis zu 10-mal geringere Austrocknung) (Löndahl et al., 1195) verglichen mit dem mechanischen Frosten. Das Niveau der Austrocknung hängt direkt von der Zirkulationsgeschwindigkeit des Gases (Luft, N2 oder CO2) ab, von dem das Produkt umgeben ist. Mechanisches Frosten erfordert eine hohe Zirkulationsgeschwindigkeit, um die für den Prozess des Frostens benötigte Zeitdauer zu verkürzen, was bei bestimmten Lebensmitteln zu einer erheblichen Austrocknung führt. 4. Zusammenfassung Verschiedene Studien über Veränderungen des Zustands von Lebensmitteln haben den Einfluss der Qualität von Frostund Lagermethoden auf die organoleptischen Eigenschaften der Produkte nach dem Auftauen gezeigt. Die Geschwindigkeit des Frostens ist der wichtigste Parameter für die Gewährleistung eines optimalen Frostens. Kryogenes Frosten ist eine besonders gute Methode zur Vermeidung der Verschlechterung der organoleptischen Qualität (Verlust von Textur und Austrocknung) in empfindlichen Lebensmitteln wie Meeresfrüchten, Obst und Fleisch: Tab. 3: Gewichtsverlust (in %) bei Schinken durch verschiedene Frost-/Auftauprozesse Frosten x Auftauen Frostverlust Auftauverlust (Mikrowelle) Tunnel (-20 C) x Mikrowelle 0,50 0,80 Tunnel (-40 C) x Mikrowelle 0,24 0,70 Flüssigstickstoff x Mikrowelle 0,08 0,58 (1) Aus Jacquet et al. (1976) Die Effizienz der thermischen Übertragung hängt ebenfalls vom Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche des Produkts und des Frostgases ab. Da kryogene Gefriergeräte mit niedrigeren Temperaturen betrieben werden, ist eine höhere Zirkulationsgeschwindigkeit nicht der einzige Weg zum Erreichen eines schnellen Frostens. Darüber hinaus verringert sich der gesättigte Dampfdruck (Druck, bei dem die Gasphase und die feste Phase im Gleichgewicht sind) bei einem Temperaturrückgang von 10 C jeweils etwa um die Hälfte. Da kryogene Gefriergeräte bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, ist der gesättigte Dampfdruck bei dieser Temperatur niedriger und die Austrocknung somit geringer.

6 5. Tell me more Über den Autor Adrien Agoulon ist ein Absolvent der ENSIA (Ecole Nationale Supérieure des Industries Alimentaires) und seit 2010 Direktor der Agro-Hall, nachdem er acht Jahre lang die Forschungs- und Entwicklungsabteilung geleitet hat. Das in Evreux (Frankreich) ansässige Unternehmen Agro-Hall wurde 1986 gegründet, um Unternehmen einen maßgeschneiderten Support für ihre F&E-Abteilung und Innovationsprojekte zu bieten. Weitere Informationen über Air Products oder Frosttechnologien Wenn Sie die am besten geeignete Frosttechnologie für Ihren Industriebetrieb besprechen oder eine unverbindliche Analyse Ihres gegenwärtigen Frostverfahrens wünschen, können Sie sich an einen Spezialisten von Air Products wenden: Air Products Rensingstraße Bochum Deutschland tell me more airproducts.de/food Air Products and Chemicals, Inc., 2012 (EU002380) DE