Liofilizarea Produselor Aliment Are de Origine Vegetala

UNIVERSITATEA DIN ORADEA FACULTATEA DE PROTECTIA MEDIULUI SPECIALIZAREA: C.E.P.A

LIOFILIZAREA PRODUSELOR ALIMENTARE DE ORIGINE VEGETALA

Profesor: Mintas Ioan

Student: Grupa :a-11-a Anul : -III-

1. Aspecte generale privind privind liofilizarea produselor alimentare Liofilizarea denumita si criodesicare este un procedeu de conservare prin uscare, constand in elimenare apei dintr-un produs congelat in prealabil, prin sublimare sub vid (apa din produs terece direct din stare solida in stare de vapori). Procedeul liofilizarii a fost cunosctut inca de vechii incasi din muntii Anzi, care isi depozitau in acest mod cartofi pe inaltimile muntelui Machu Picchu. Temperaturile montane scazute inghetau alimentele, iar continutul lor de apa se evapora usor in conditiile presiunii scazute, caracteristice marilor inaltimi terestre.Cu toate ca nu se poate spune ca a fost un inventator cu adevarat in cazul liofilizarii , printer cei care si-au adus contrubutia de-a lungul timpului la dezvolatrea instalatiilor si tehnologiilor de liofilizare ( din punct de vedere constructive) se numara :Benedict si Manning(1905) si Shackell care a perfectionat instalatia acestora si a realizat importanta, din punct de vedere tehnologic , a inghetarii procesului inainte de desfasurarea procesului de liofilizare propriu-zis. Utilizarea procesului de liofilizare in industria alimentara comparative cu alte procedee de pastrare a produselor, prezinta urmatoarele avantaje: 

Este singurul procedeu prin care se extrage apa din substanta organic fara adistruge structura celulara si fara a se pierde substantele volatile;

 Confera produselor alimentare propritetati superioare , printr-o mai buna conservare si printr-o capacitate mare de rehidratare.  Pastrarea proprietatilor senzoriale( textura, gust , miros ).Produsul liofilizat isi pastreaza forma sa initiala, nu face spuma, nu se contracta, nu se produc concentrari locale ale anumitor fractiuni solubile.  Diminuarea greutatii si volumului: deoarece apa este eliminata aproape total, greutatea produselor liofilizate este de 1/4, 1/10 din greutatea initiala. In cazul produselor pulbere, reducerea in greutate este insotita de o reducere echivalenta a volumui, ceea ce inseamna ca transportul si depozitarea sunt mai usoare si mai putin costisitoare;  In compartie cu congelarea, produsele liofilizate nu necesita temeperaturi scazute

pentru depozistare, din pacate nu toate produsele alimentare se preteaza prelucrarii prin acest procedeu.Pentru a fi liofilizat, un produs trebuie sa fie de calitate superioara , sa aiaba un continut ridicat in substanta uscata, un continut de grasimi redus si un conrttinut cat mia redus de apa legata. Pe langa avantajele mentionate, liofilizarea prezinta si o serie de dezavantaje cum ar fi :

 Costuri ridicate de investitii ( instalatii de cca. 3 ori mai scumpe decat in cazul altor metode)  Tehnica de lucru este relative complicate conducand la un randament scazut ( durata unui ciclu este de cca 24 de h) 2.

Liofilizarea produselor alimentare de origine vegetala :

Elementale de baza ale tehnicii de liofilizare sunt:  Tratamenete pereliminare;  Congelarea;  Sublimarea(uscarea primara)  Usacarea secundara;  Conditionarea si ambalarea produsului liofilizat;  Depozitarea produsului liofilizat;  Rehidratarea produssului liofilizat in vederea utilizarii sale;

La prelucrarea produselor prin liofilizarese impun 2 cerinte tehnologice, si anume:  Asigurarea unui raport suprafata/ volum cat mai mare pentru a usura sublimarea.  Modul de incarcare a produselor in liofilizator Sublimarea: este o transformare de stare ce consuma in jur de 2800 kJ/kg de gheata sublimate. In legatura cu acest aspect un liofilizator necesita o sursa de caldura.Sublimarea nu poate avea loc decat la o temperatura inferioara valorii de 0°C si la o presiune inferioara valorii de 610 Pa (4,58 torr).Pentru presiunile folosite la liofilizare, vaporii de apa ocupa un volum ernorm : de exemplu , la -25°C, volumul specific al vaporilor este in jurul valorii de 2000 m3/kg de gheata sublimata 2.1 Pretratamentul produslui: Pretratamentul produselor supuse liofilizarii urmareste imbunatatirea calitatii acestora si poate fi : -

de natura mecanica si hidromecanica ( sortare, curatire, macinare, taiere, omogenizare, calibrare, portionare, transare, dezosare);

-

de natura fizica ( crioconcentrare, inactivarea enzimelor, tratamnete antioxidante);

-

de natura chimica ( adaosul unor aditivi de protectie, amelioratori de gust si aroma);

In masura in care liofilizarea este o operatie foarte costisitoare, este important sa se reduca durata de uscare. Pentru un produs lichid avem interesul ca in timpul uscarii sa fie necesara eliminarea unei mici cantitati de apa, ceea ce presupune o crioconcentrare prealabila Un extract de cafea sau un suc de fructe poate suferi un astfel de tratament. In toate cazurile , tehnice de crioconcentrare aleasa. Deoarece din punct de vedere economic sunt de preferat durate cat mia mici ale sublimarii, este necesar ca suprafata produselor sa fie cat mai mare si grosimea cat mia mica astfel frontal de sublimare va avansa mia repede si cu mai multa usurinta care central produselor fata de cazul unor suprafete mai mici si grosimi mai mari ale produselor. In cazul produselor masive vaporii de apa vor reusi din ce in ce mai greu sa paraseasca produsul pe masura inaintarii frontului de sublimare catre centrul produsului. Duratele de uscarii in acest caz vor fi mai mari. Pentru fructe si legume caracteristicie sunt operatiile de triere, splare, curatire, depielare,oparire sau sulfitare( in cazul anumitor fructe). La conservarea prin criodesicare se impun unele diferentieri in ceea ce priveste oparirea si sulfitarea, in scopul limitarii pierderii anumitor arome substante solubile. Prima masura poate fi in cazul legumelor, folosirea exclusive la oparire a vaporilor de apa si stabilirea unei durate optime de oparire. Se apreciaza ca produsele supuseunui tratamnet termic obisnuit devin dupa criodesicare tari si fibroase. Dimpotriva un tratamnet termic exagerat conduce la un produs finit care dupa rehidratare are o consistent pastoasa. Admitand o duarata de oparire cu putin mia ridicata decat cea necesarainactivarii enzimelor s-ar obtine, potrivit aprecierilor unor autori- o structura ce favorizeaza sublimarea ulterioara a cristalelor de gheata in procesul de criodesicare propriu-zis fara dezavantajele mentionate. Tratarea prealabila a fructelor cu anumite substante- de ex ciclamat de sodium- favorizeaza procesul de uscare prin impiedicarea lipirii fructelor.

2.2 Congelarea produsului: Congelarea este practice cea mai importanta faza a ciclului de liofilizare, de care depinde in mare masura calitatea finala a produsului si pretul acesteia. Congelarea se realizeaza in interiorul liofilizatorului si nu intr-un congelator extern, vorbindu-se astfle de o congelare interne. Indifferent de metoda de congelare untilizata, se recomanda respectarea urmatoarelor conditii:

-

O viteza cat mai mare de congelare ( daca este posibil , se prefer congelarea in current de aer in strat fluidizat);

-

Temperatura finala de congelare este de prefeatr sa fie cat mai coborata;

-

Produsul congelat sa aiba o suprafata cat mai mare de transferde caldura si masa;

Congelarea rapida conduce la formarea de cristale de gheata de dimendiuni mici si uniform repartizate in masa produsului, ceea ce face ca produsul sa fie cat mai putin afectat in raport cu o congelare lenta.dupa rehidratare un produs bine liofilizat care a congelat rapid are in general proprietati foarete apropiatate de cele ale unui produs initial. Pentru a se asigura o buna uscare, temperaturile finale de congelare, trebuie sa fie suficient de scazute astfel incat, practic toata masa de apa continuta in produs sa fie solidificata. Temperaturile finale de congelare remomandate ajung : -40°C -60°C. Temperatura finala de congelare a produsului este conditionata de cerinta impusa operatiei de liofilizare, caaroximativ 95% din apa continuta in produs sa se solidifice.procesul de congelare este insotit de o serie de fenomene complexe, cu consecinte mai mari sau mai mici asupra produselor congelate si care depend de natura produsului si de metoda de congelare adoptata. Pe acest considerant alegerea metodei optime de congelare pentru un produs alimentar dat are o influenta foarte mare asupra insusirilor calitative ale produsului liofilizat. Structura specifica a costituientilor si fazelor dintr-un produs si care definesc proprietatile organoleptice, nutritive, fizice si chimice este influentata in foarte mare masura de procesul dfe congelare. Efectele negative ale congelarii asupra acestor proprietati trebuie sa fie reduse la minimum. Acestea pot fi : -

Efecte mecanice : de ruptura a elementelor de structura, datorate cresterii volumului apei prin solidificare ( la solidificare, volumul apei depaseste 9%).Rupturile elementelor de structura pot fi : spargerea celulelor, forfecarea sau perforarea peretilor celulari si pierderea sucului cellular. Aceste efecte se pot produce datorita congelarii sau datorita recristalizarii ghetii in cursul operatiilor ulterioare congelarii.

-

Efecte biochimice si chimice : au la baza solidificarea apei care poate produce soc osmotic sau pot fi consecintele efectelor mecanice in urma carora se elibereaza constituienti celulari capabili sa reactioneze cu anumite substante din compozitia produsului si in special cu enzimele. In urmara contactului cu constituientii celulari si cu enzimele pot aparea modificari de culoare, gust si miros.

•

Durata de pastrare a unui produs in stare congelata este perioada scrusa intre procesele derefrigerare sau congelare si momentul consumului sau transformarii acestuia in stare corespunzatoare, respective durata de mentinere a insussirilor calitative ale produsului destinat consumului

•

Durata de conservarea produselor prin frig depinde de temperature de depozitare.

•

In tabelele de mai jos sunt prezentate valorile duratei practice de conservare in functie de temperatura de conservare.

Produse congelate 1.FRUCTE

-12°C 2 luni

Durata de depozitare [luni] -18°C 3 luni

a). zmerura fragi b) zmeura fragi cu zahar c).piersici- caise-cirese d).piersici-caise-cirese-cu zahar e) suc de fructe concentrat

5 3 4 3 -

24 24 18 18 24

>24 >24 >24 >24 >24

-12°C 2 luni

Durata de pastrare [luni] -18°C 3 luni

-24°C 4 luni

3 4 6 10 4 4

12 15 18 15 15 18 12 12 15

>24 >24 >24 24 >24 >24 >24 18 >24

Produse congelate 2. LEGUMELE a). sparanghel b) fasole verde c). fasole boabe d). brocoli e). varza de Bruxelles f). morcovi g). conopida h). porumb pe stiulete i). porumb boabe

-24°C 4 luni

2.3 Uscarea primara -

Dupa congelare, urmata in unele cazuri de o maruntire a produsului congelat, produsul este introdus in incinta unde urmeaza sa se efectueze liofilizarea propriu-zisa.

In incinta de liofilizare se sacde prsiunea cu ajutorul unie pompe de vid pana la o valoarea de 1-0,3 mm Hg la inceputul usacrii primare. Deoarece peunctul triplu al apei se afla la o presiunea de 4,6 nm Hg, rezulta ca la orice presiune sub aceasta valoare singurele doua schimbari de faze posibile sunt sublimarea si dedublimarea. Aceste schimbari de faza se por realize, theoretic, fie prin scaderea presiunii( izoterm ) sub o anumita valoare, fie prin cresterea temepraturii( izolar )peste o anumita valoare. Apa continuta in

produsele alimentar nefiind chimic pura, nu are acelas punct triplu ca apa chimic pura. Punctual triplu in acest caz este determinat de o temepratura si o presiune mai scazuta. Ca urmare a punerii sub vid aprodusului congelat, presiunea totala fiind sub punctual triplu, are loc un efect de deshidratare a produsului prin sublimare. Sublimarea provoaca o sacadere a temepraturii produslui cu 2- 15°C sau mai mul, urmata de o umezire superficial a produsului. Deoarece sublimarea estre o reactie endoterma, pentru o buma desfasurare a acesteia este necesar un aport de caldura din exteriorul produsului. Produsul este astfel incalzit, sub o presiune scazuta, cu o sursa de caldura a carui flux termic este progresiv reglat in functie de cantitatea de caldura egala cu cea absorbita de gheata pentru sublimare. Fluxul de calsura trebuie reglat permanent astefel incat sa se evite decongelarea partial sau totala a mijlocului congelat al produsului, supraincalzirea partilor uscate ale produsului si respective supraracirea produsului. Uscarea primara se considera terminata in momentul in care a sublimat total intreaga masa de apa cristalizata din produs. Vaporii de apa care rezulta in urma sublimarii ghetii sunt dirijati pana la un schimbator de caldura racit, pe suprafata caruia sunt condensati. Acest schimbator de caldura se numeste condensatorul instalatiei de liofilizare. Factorii care influenteaza transferul de caldura si d emasa in timpul sublimarii sunt:  Rezistenta la curgere prin stratul de produs déjà uscat;  Conductibilitatea termica a stratului de produs uscat;  Conductibilitatea stratului de produs inghetat;  Aportul de caldura catre produs  Rezistenta presiune/temperatura in produs si in incinta de uscare;  Rezistenta la curgere pe traseul produs- schimbatoru lde caldura;

2.4 Uscarea secundara

Faza de uscare principal( sublimare) este terminat atunci cand a sublimat ultimul cristal de gheata din produs. In acest moment apa care mai este continuta in produs ( 10-30%) se afla in stare lichida si sub forma de vapori. Apa adsorbita este puternic legata si joaca un rol de filtru evitand astfel pierderile de substante volatile.

Aceasta apa adosorbita de peretii porilor produsului, desi se afla in cantitate mica, are efecte daunatoare asupra bunei conservarii a produsului in timpul depozitarii si din acest motiv trebuie indepartata. In consecinta procesul de desortie trebuie astefel condus incat sa se evite ca odata cu indepartarea apei sa se antreneze si substantele volatile in vapori de apa. Indepartarea complete a apei din produs este absolut imposibila, fapt care face ca , pnetru fiecarea caz in parte operatia de desortie sa fie oprita atunci cand continutul in apa din produs a scazut sub o anumita valoare minima stabile. Satarea umiditatii reziduale acceptate in produs la sfarsitul fazei de uscare secundara este in general dificila, variaza de la produs la produs, si se stabileste in functie de rezultatele experimentale obtinute in prealabil, de natura produsului, de modul de ambakare si conditionare a produsului liofilizat, de modul si durata depozitarii si de modul de utilizare a produsului, Temperature in timpul uscarii secundare este cuprinsa intre : 20-65°C. Durata eusacrii secundare este cuprinsa intre 1-6 ore este determinate de natura produsuui, timpul instalatiei de liofilizare si umiditatea reziduala dorita

2.5 Conditionarea si ambalarea produselor liofilizate Dupa terminarea fazei de uscare sevundara si a presurizarii incintei ininate d euscare produsele liofilizate sunt scoase din incinta si este recomandabil sa se faca o depozitare de 2-3 zile in containere vacuumate de capacitati mari in vederea omogenizarii umiditatii reziduale, dupa care se efectueaza conditionarea definitive in ambalaje de dimensiuni mici destinate distributiei catre utilizator. Conditionarea produselor liofilizate se face in vderea eliminarii sau reducerii la maximum a cauzelor care determina modificari in calitatea produselor pe perioada depozitatii, transportului si manipularii. Factorii care influenteaza conservabilitatea produselor liofilizate sunt:  Umiditatea reziduala;  Lumina  Oxigenul;  Deteriorarile mecanice; Produsele liofilizate sunt ambalate de preferinta sub vid sau in atmosfera de gaz inert( azot, sioxid de carbon, aer uscat u o umiditate relative de 10-20%). Materialele utilizate pentru ambalaje sunt impermeabile la gaze , arome, vapori de apa, grasimi. Ambalajele utilizate trebuie sa fie perfect etanse..

Sistemele utilizate la ambalarea produselor liofilizate sunt in general:  Cutii metalice cu sau fara lacuire interioara, cu sistem de inchidere care permite ambalarea sub vid sau in atmosfera de gaz inert;  Cutii de aluminiu acoperit sau nu cu lac interior, cu vid sau gaz inert in interior;  Ambalaje de sticla, sistem care permite utilizarea unei game largi de atmosfera interioara dar care prezinta deficiete legate de influent razelor luminoase asupra etansietatii  Abalaje pe baza de material plastic.

2.6 Depozitarea produselor liofilizate In general daca liofilizarea, conditionarea, ambalarea s-au efectuat in conditii bune, atunci depozitarea nu implica nici un fel de efecte negative asupra produsului liofilizat. Nivelul temperaturii de depositare influenteaza conservabilitatea produselor liofilizate. Temperature optima de dezvoltarea difere de la un produs la altul. Exista produse liofilizate care necesita temperature de depozitare de pana la 0°C, in timp ce altele pot fi depozitate si la temperature de 30°C. Prin sacderea temperaturii de depozitare se poate prelungii durata de pastrare in unele cazuri de peste 10 ori. 2.7 Rehidratarea produselor liofilizate in vederea utilizarii lor In raport cu produsele alimnetare uscate prin alte procedee, produsele liofilizate pot fi rehidratate mult mai repede si mai complet.. o serie de peroduse liofilizate ( cafeaua , ceaiul, sucurile de fructe) se rehidrateaza instantaneu la cald sau la rece prin adaugare de apa. Caliattea unui produs alimentar liofilizat se apreciaza in primul rand dupa rapiditatea cu care se poate construe prin rehidratare. 2.8

Instalatii de liofilizare

Caracterul ciclic al liofilizarii, ce se deruleaza in mai multe faze, favorizeaza utilizarea instalatiilor cu functionare discontinuua. In aceelasi timp exista si variante cu functionare continuua care, in ultimul timp tind sa se extinda. O instaltie de liofilizare se compune din urematoarele elemente : •

o camera de uscare in care produsul este dispus pe etajere paralele si orizontale.

•

O sursa de caldura.

•

O sursa de producere a frigului artificial.

•

O pompa de vid.

Schema de functionare a unui liofilizator tipic ( circulatia fluidelor):

Exista 2 mari categorii de instalatii:  Destinate liofilizarii produselor alimentare lichide sau pastoase  Destinate liofilizarii produselor alimentare cu textura. Pentru lichide se adopta din ce in ce mai mult o congelare separate urmata de o maruntire si de o criodesicare continuua. Liofilizarea continuua a produselor lichide sau pastose este denumita si liofilizare ,,de particole in miscare”. Pentru produsele cu textura sunt utilizate instalatii de liofilizare de tipul :continuu, discontinuu, si semicontinuu. Principalul avantaj al acestor instalatii este evitarea manipularilor produsului congelat si deci posibilitatea de arelizare a unor incinte de volume mari. Toate instalatiile de liofilizare a acaror siteme de vidare sunt cu pompe mecanice sunt prevazute cu un condensator care acumuleaza vaporii de apa si vaporii condensabili care nu pot fi adsorbiti de catre pompele mecanice in vid. Sistemul de condesnsare a vaporilor de apa cel mai raspandit cuprinde ca parte principal vaporizatorul unei instalatii frigorifice. Temperaturile de vaporizare la condensatorul instaltiei de liofilizare sunt cuprinse intre : 40°C si -5°C si sunt realizate cu instaltii frigorifice intr-o treapta cu agent frigorific R22. Instalatiile cu congelare exterioara si condensator exterior sunt cu functionare discontinuua, caz in care sunt prevazute cu un singur condensator, sau semicontinuua caz in care incinta de criodesicare este prevazuta cu doua condensatoare. Instalatiile cu congelare interioara si condensator interior sunt instaltii discontinue realizate astfel incat congelarea sa se realizeze in aceeasi incinta ca si criodesicarea iar condensatoarele sunt de asemenea interioare. In cazul unor instaltii de liofilizare se utilizeaza ca siteme de incazire:  Incalzirea cu placi prin care circula un fluid.  Incazlirea cu resiatente electrice;  Incalzirea cu current de inalta frecventa;  Incalzirea cu radiatii infra tosii

Liofilicarea ramane cu o sfera relative restransa ca aplicabilitate pentru produsele alimentare, ea realizandu-se doar in cazul unorm produse scumpe cum ar fi: cafea, cacao, ingredient pentru produse culinare.

Bibliografie: 1. Ioan Mintas, 2009, Tehnica Frigului-Aplicatii practice de laborator, Editura Univesitatii Agora, Oradea, pag 46-52.

2. Popovici Mariana, 2009, Note de curs – Operatiuni unitare in industria alimentara.

3. Alexandru Naghiu, Adrian Timar, Anca Naghiu, Adrian David, 2005, Tehnica Frigului si Climatizare, Editura Risoprint, ClujNapoca, pag 241-244.

4. Dumitru Beceanu, Adrain Chira, 2003 , Tehnologia Produselor Horticole,Editura Ceres, Bucuresti, pag 473.

5. Prof . dr. ing.Ioan Tofan, conf . dr .ing.Clemansa Tofan, 2002, Utilizarea frigului artificial , la procesarea, depozitarea si comercializarea produselor alimentare perisabile, Editura Agir Bucuresti, pag274-275,276-277,278-290 , 290-292.