docwykład 4 - Samodzielna Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej
download 
Reklamacja Transkrypt
wykład 4 - Samodzielna Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej
METODY PRZECHOWYWANIA I UTRWALANIA BIOPRODUKTÓW ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Opracował: dr S. Wierzba Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej Uniwersytetu Opolskiego ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Nietrwałość produktów roślinnych i zwierzęcych - podatność na naturalne, ciągłe i z reguły nieodwracalne przemiany fizyczne, chemiczne, biochemiczne i mikrobiologiczne. Jakość produktów uzależniona jest od: • zmian pierwotnych – poprzedzających zamrażanie, zwykle nieodwracalnych • zmian wtórnych – występujących w trakcie zamrażania, stopień odwracalności zależy od warunków procesu. Zamrażanie powoduje: • zahamowanie w pełni zmian mikrobiologicznych w produkcie • spowolnienie przemian fizycznych, chemicznych i biochemicznych w produkcie ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Zmiany cech produktów w trakcie zamrażania i przechowywania można umownie podzielić na: • zmiany fizyczne – spowodowane głównie przemiana fazową • zmiana struktury produktów • procesy rekrystalizacji lodu podczas przechowywania • ubytek masy produktu w wyniku parowania i sublimacji pary wodnej • zmiany chemiczne i biochemiczne – wywołane działaniem enzymów wydzielanych przez drobnoustroje, enzymów tkankowych: • denaturacja białek • utlenianie i hydroliza tłuszczów • przemiana węglowodanów • straty witamin ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Zmiany struktury produktu - mechaniczne uszkodzenia ciągłości membran komórkowych lub nieodwracalna utrata ich specyficznych właściwości, w wyniku: • formowania się kryształów lodu • wzrostu ciśnienia osmotycznego płynów komórkowych • denaturacji składników koloidowych produktów Wpływ na uszkodzenia ma szybkość zamrażania – optymalna 3-4 cm/h (najmniejsze zmiany strukturalne). Zamrażanie kriogeniczne, może powodować wzrost ciśnienia wewnątrz produktu, który jest proporcjonalny do: • rozmiarów produktu • szybkości zamrażania • różnicy temperatur między warstwą zewnętrzną, a środkiem termicznym produktu Zmiany strukturalne produktu powodują: • utratę turgoru, spadek jędrności • zmianę konsystencji, ograniczenie zdolności utrzymywania wody • mechaniczne uszkodzenie komórek, tkanek, zanik pierwotnego kształtu ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Rekrystalizacja – niestabilność struktury krystalicznej, przekształcenia w jej obrębie, zmiana wielkości i lokalizacji kryształów. W temperaturach powyżej punktu eutektycznego następuje postępujący wzrost wymiarów dużych kryształów kosztem ograniczenia liczby małych – powoduje to zacieranie się różnic struktury produktów zamrożonych z różną szybkością. Proces nasila się w miarę zbliżania się do punktu krioskopowego wskutek: • przemieszczania się wilgoci • topnienia w pierwszej kolejności małych kryształów • wymarzanie cieczy z przyłączeniem do kryształów nowych cząsteczek • powstawanie kryształów z masy bezpostaciowej (nie uformowanej uprzednio w struktury krystaliczne) Zjawisko ogranicza – zachowanie możliwie jednakowej szybkości procesu i wielkości kryształów (zamrażanie kontaktowe) ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Rekrystalizacja „wolnych kroków” – początkowo proces przebiega bardzo powoli i nasila się wraz ze wzrostem temperatury i zbliżaniem się do punktu krioskopowego. ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Ubytki masy produktu – przenoszenie wilgoci z produktu do zimniejszego otoczenia produktu (parownik) w czasie: • wstępnego schładzania – parowanie • po osiągnięciu temperatury krioskopowej - sublimacja Wartość ubytków masy zależy od: • różnicy temperatur powierzchni produktu i powietrza • wahań temperatury powietrza w czasie przechowywania • prędkości obiegu powietrza nad produktem (tunele owiewowe) Dla uzyskania możliwie małego ubytku masy proces zamrażania należy prowadzić przy: • jak najniższej temperaturze powietrza • jak najbardziej intensywnej wymianie ciepła ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Procesy chemiczne i biochemiczne w mrożonych produktach • cechy wspólne: • substraty • kierunki przebiegu reakcji • produkty • cechy odróżniające: • oddziaływanie środowiska zewnętrznego na przemiany chemiczne • aktywność egzo- i endoenzymów • dynamika procesu Przemiana fazowa woda-lód w temperaturze poniżej krioskopowej zasadniczo zmienia warunki przebiegu procesów chemicznych i biochemicznych. Postępujący, nierównomierny wzrost stężenia fazy płynnej w obszarze zamrażania powoduje: • śmierć komórek, • procesy osmotyczne prowadzące do nieodwracalnych zmian w produktach ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Im wolniejszy spadek temperatury produktów - tym większe zmiany stężenia roztworów komórkowych. Szybkość reakcji chemicznych i biochemicznych w przedziale temperatury krioskopowej jest: • proporcjonalna do wzrostu stężenia soli w roztworze • odwrotnie proporcjonalna do ilości dostępnej wody w produkcie Poszczególne składniki produktów w różny sposób reagują na proces zamrażania. Składniki trwałe w stanie naturalnym: sole mineralne, kwasy organiczne, niektóre cukry nie wykazują istotnych zmian i po rozmrożeniu ponownie przechodzą do roztworu. ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Przemiany białek i produktów ich metabolizmu określa się jako denaturację mrożeniową. Zmiany są następstwem agregacji lub innych form fizycznej destrukcji elementów tkanek przez m. in. • kryształy lodu, • wzrastające ciśnienie osmotyczne nie wymrożonej fazy płynnej o dużym stężeniu elektrolitów • obecność wolnych kwasów tłuszczowych i innych produktów utleniania lipidów Objawy denaturacji mrożeniowej: • spadek rozpuszczalności białek (zwłaszcza mikrofibrylarnych) • zmniejszenie aktywności ATP-azy miozynowej i liczby wolnych grup –SH • zmniejszenie zdolności wiązania wody i pęcznienia (denaturacja białek globularnych), • wyciek soku komórkowego, pogorszenie konsystencji produktu (denaturacja białek fibrylarnych) Podatność różnych grup białek na zmiany zamrażalnicze: • globuliny - wrażliwe • albuminy – mniej wrażliwe ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Białka które uległy denaturacji o wiele łatwiej ulegają degradacji pod wpływem enzymów proteolitycznych. białka → albumozy i peptony → polipeptydy → aminokwasy Spośród nukleotydów ATP i glikogen rozkłada się najszybciej w początkowych fazach zamrażania – w zakresie temperatur od -1 do -50C. Przeciwdziałanie denaturacji mrożeniowej: • przechowywanie w temperaturze ok.. -300C w warunkach zabezpieczających przed stratami wilgoci i dostępem tlenu • dostatecznie duża szybkość zamrażania do temperatury środka termicznego produktu zbliżonej do temperatury przechowywania • zastosowanie krioprotektantów: wielocukry i dwucukry, alkohole polihydroksylowe, aminokwasy, kwasy karboksylowe, ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Przemiany tłuszczów i lipidów – autooksydacja, w konsekwencji powstają nadtlenki, wodoronadtlenki, ketony, aldehydy, wolne kwasy tłuszczowe (WKT), hydroksykwasy. Utlenianie tłuszczów tlen atmosferyczny enzymy z grupy lipaz Utlenianie tłuszczów zachodzi intensywniej przy: • • • rozdrobnieniu produktu dodatku soli swobodnym dostępie tlenu (rodzaj opakowania) Przeciwdziałanie: • ograniczenie dostępności tlenu, • stosowanie przeciwutleniaczy (kwas askorbinowy), • obniżenie temperatury przechowywania do -300C ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Hydroliza tłuszczów – (lipazy) powstanie WKT, glicerolu, mono- diacylogliceroli. ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Przemiany węglowodanów – stosunkowo najmniej narażone na zmiany w czasie zamrażania i przechowywania (przy odpowiedniej szybkości prowadzenia procesu). Jedynie przy bardzo wolnym mrożeniu produktów mogą występować zmiany fermentacyjne - fermentacja sacharozy zachodzi z dość znaczną szybkością w przedziale temperatur od 12 do -160C – pod wpływem inwertazy (aktywna nawet do -400C). Straty witamin – głównie witaminy C, oraz pewnych witamin z grupy B (B1): • straty kwasu askorbinowego (5-30%) – spowodowane działaniem tkankowych enzymów utleniających (oksydazy askorbinianowej) przy współudziale O2, • największe straty zachodzą w zakresie temperatury krioskopowej (-2 do -50C) • najlepsze rezultaty daje zastosowanie technik szybkiego zamrażania, ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Procesy enzymatyczne - aktywność enzymów zależy od ich rodzaju, oraz warunków przechowywania produktu. Niskie temperatury nie powodują trwałej inaktywacji enzymów, a jedynie zahamowanie ich aktywności wywołane: • zmianami środowiska reakcji • ograniczenie fazy ciekłej w komórkach (krystalizacja wody) • wzrost stężenia jonów, substratów reakcji, inhibitorów enzymów • zmiany pH • reguła Van’t Hoffa • stanem samego enzymu • uszkodzenie struktury komórkowej • denaturacja Aktywność enzymatyczna: • przejściowy wzrost w początkowej fazie zamrażania (zbliżenie cząsteczek enzymu, substratu, aktywatorów enzymów • niskie temperatury – wpływają na wielkość cząsteczek enzymów: • dezagregacja (cząsteczki maleją) występuje w biokoloidach liofilnych przy stężeniu roztworów wodnych do 1% - aktywność wzrasta • agregacja - stężenie powyżej 1,5% - aktywność maleje ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Dla wielu enzymów obserwuje się większą aktywność przy szybszym przebiegu procesów zamrażania: • katalaza, peroksydaza, protreazy roślinne są aktywne w temperaturach -15¸-170C • enzymy lipolityczne i oddechowe -25¸-300C • inwertaza do -400C • trypsyna, pepsyna – szczątkowa aktywność nawet w temperaturach -1800C ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Zmiany mikrobiologiczne Czynnikiem charakteryzującym stosunki wodne w produktach – aktywność wody aw – ilość wody dostępnej dla drobnoustrojów. P n2 = aw = P0 n1 + n2 gdzie: P – prężność par roztworu P0 – prężność par rozpuszczalnika n1 – liczba cząsteczek substancji rozpuszczonej n2 – liczba cząsteczek rozpuszczalnika Aktywność wody zależy od: • ciśnienia osmotycznego (2,4MPa 1mol substancji/1 dm3 rozpuszczalnika, komórka do 2 MPa) • temperatury - maleje wraz z jej spadkiem, w zakresie od -1 do -300C 0,008/1 stopień Minimalna wartość aw przy której jest jeszcze możliwy rozwój i aktywność życiowa drobnoustrojów: • bakterie – 0,90 • drożdże – 0,88 • pleśnie – 0,75 • poniżej 0,4 – brak aktywności enzymatycznej ZMIANY CECH PRODUKTÓW PODCZAS ZAMRAŻANIA Odporność drobnoustrojów na niskie temperatury jest znacznie większa niż na wysokie temperatury. Redukcja OLB następuje głównie w wyniku przemian fazowych wody: • pożywka przechłodzona (-30C) – przeżywalność ok.. 97%, • pożywka zamrożona (-30C) – przeżywalność ok.. 2% • bakterie G- bardziej wrażliwe na niskie temperatury niż G+ • większa przeżywalność dla drobnoustrojów w fazie stacjonarnej niż logarytmicznej • drobnoustroje patogenne i nie patogenne nie wykazują różnic pod względem przeżywalności • Clostridium boutilinum nie rozwija się poniżej -3,3 0C • Staphylococcus aureus, Sallmonella sp. – poniżej -6,70C • dolne granice zdolności rozmnażania: • bakterie -5¸-80C • drożdże -10¸-120C • pleśnie -12¸-150C
