Invloed van invriesparameters op de eigenschappen van voedsel

Transcriptie

1 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.

2 1. Introductie 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. 2. Het invriesproces 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, (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.

3 (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. 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. Invriestijd (min) 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.

4 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 < 30 minuten 30 minuten-2 uur > 12 uur Geen verlies van stevigheid, normale kleur en smaak Verlies van textuur, normale kleur en smaak Verlies van textuur, achteruitgang van kleur en smaak Kryogenes Frosten (Flüssigstickstoff) Geventileerd mechanisch invriezen Niet-geventileerd mechanisch invriezen CJ Kennedy, GP Archer, Maximising Quality and Stability of Frozen Foods, Report 2, 14. Als eerste treedt verlies van textuur op, als gevolg van het verlies aan volheid (gezwollenheid) van de cellen. Door de snelle koeling bij cryogeen invriezen is de vriesconcentratie beperkt en worden er zowel in de intracellulaire ruimte als in de extracellulaire ruimte ijskristallen gevormd. Omdat de hoeveelheid overgedragen koude niet alleen door de vorming van ijskristallen in de extracellulaire ruimte kan worden geabsorbeerd, worden er homogeen verdeeld over de hele matrix kernen gevormd (zie afbeelding 1). Door de homogeniteit van de nucleatielocaties blijft het effect van de osmotische druk, en dus het verlies van textuur, beperkt. De mate van achteruitgang in kleur en smaak varieert sterk naargelang de opslagcondities en de aard van het bevroren product. Toch is het duidelijk dat er door de aanwezigheid van enzymen en hun substraten in een beperkt vloeistofvolume snelle, schadelijke reacties kunnen optreden, ondanks de lage temperaturen. Door snel invriezen (cryogeen invriezen) wordt de omgeving gestabiliseerd doordat de stroming van stoffen door het weefsel wordt beperkt. Vloeistoffasen bevatten daardoor lagere concentraties opgeloste stoffen, met als gevolg een langzamere enzymatische achteruitgang (bijvoorbeeld oxidatie, hydrolyse en decarboxylatie). 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. 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 invriescondities worden gevormd, genereren een mechanische druk en vormen scherpe randen die alle cellulaire componenten (bijvoorbeeld celorganellen en celmembranen) beschadigen. Door deze beschadigingen kunnen enzymen en substraten die voorheen gescheiden waren, bij elkaar komen, waardoor verschillende enzymatische reacties kunnen optreden. De organoleptische kwaliteitsfactoren van het vlees die worden beïnvloed door de invriesmethode, zijn met name malsheid, sappigheid en het vermogen om water vast te houden. (c) Snel invriezen Scheuren (b) Middelmatige snelheid 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.

5 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. Tabel 3 geeft de verliezen bij invriezen en ontdooien weer voor de verschillende invriestechnieken. De verliezen zijn hier significant hoger bij het gebruik van een mechanische vriestunnel (+625% bij -20 C en +300% bij 40 C) dan bij de proef die werd uitgevoerd met cryogeen invriezen. Uitdroging Tijdens het invriesproces kunnen producten een hoge mate van uitdroging ondergaan vanwege de sublimatie van oppervlaktewater. Deze uitdroging kan een aanzienlijk gewichtsverlies tot gevolg hebben (in sommige gevallen zelfs tot 10%) en de smaak van het product beïnvloeden. Door cryogene invriesprocessen te gebruiken, kan een significante vermindering van deze uitdroging worden bereikt (tot 10 keer minder dehydratie) (Löndahl et al., 1195) vergeleken met mechanisch invriezen. De mate van dehydratie is rechtstreeks gekoppeld aan de tangentiële snelheid van het gas (lucht, N2 of CO2) bij contact met het product. Bij mechanisch invriezen is er een hoge tangentiële snelheid nodig om de benodigde tijd voor het invriesproces te beperken, waardoor er in bepaalde voedingsmiddelen een aanzienlijke dehydratie optreedt. 4. Conclusie 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. Tabel 4 bevat een overzicht van de doeltreffendheid van verschillende invriestechnieken voor verschillende typen vleesproducten: 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 magnetron 0,50 0,80 tunnel -40 C x magnetron 0,24 0,70 Vloeibare stikstof x magnetron 0,08 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.

6 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 AC Halfweg T E nlinfo@airproducts.com België Air Products N.V. J.F. Willemsstraat Vilvoorde T E beinfo@airproducts.com tell me more airproducts.nl/food airproducts.be/food Air Products and Chemicals, Inc., 2012 (EU002348) NL