În înghețată, cristalele mici și rotunde de gheață sunt importante pentru o textură moale și cremoasă. În general, se susține că, cu cât viteza de congelare este mai mare, cu atât dimensiunea cristalelor de gheață este mai mică. Cu toate acestea, pentru unele materiale alimentare există o limită superioară pentru viteza de congelare. În cazul în care înghețarea este prea rapidă, materialul alimentar este supus unor tensiuni mecanice și se poate produce fracturarea prin congelare. În câteva cazuri, procesul de congelare este utilizat pentru a structura materiale, cum ar fi vasul tradițional japonez kori-tofu, sau scheletele utilizate în ingineria țesuturilor biologice. În urmă cu câțiva ani, WUR, împreună cu TU Delft și Unilever, a investigat utilizarea liofilizării pentru a structura supa de legume. Aici, dimensiunea cristalelor de gheață determină dimensiunea spațiului poros după uscare și ajută la rehidratarea legumelor atunci când sunt amestecate cu supa.
Relația dintre dimensiunea cristalelor de gheață și viteza de congelare
În consecință, din perspectiva calității alimentelor congelate, este important să avem o bună cunoaștere a relației dintre dimensiunea cristalelor de gheață și viteza de congelare. Cu toate acestea, există doar câteva relații empirice între viteza de congelare și dimensiunea cristalelor de gheață . De asemenea, în cazul alimentelor fabricate, există și alte mijloace utilizate pentru a controla dimensiunea cristalelor de gheață, cum ar fi criopectanții, cum ar fi zaharurile și proteinele anti-îngheț. Acest lucru indică faptul că ne putem aștepta la o interacțiune între compoziția materialului alimentar, viteza de congelare și dimensiunea cristalelor de gheață, însă în relațiile empirice, dependența de compoziția alimentelor este absentă. Prin urmare, Food & Biobased Research a angajat un proiect de cercetare care vizează o înțelegere mai teoretică a relației dintre rata de congelare, compoziția și dimensiunea cristalelor de gheață, folosind simulări avansate pe calculator.
Model de câmp de fază pentru creșterea cristalelor de gheață
Pentru a obține acest detaliu de înțelegere trebuie să ne scufundăm în gama micrometrică a microstructurii alimentelor, unde cristalele individuale de gheață sunt rezolvate în modelul computerizat dezvoltat, în care creșterea cristalelor este modelată ca o funcție de compoziția matricei. Cea mai avansată metodă din acest domeniu este modelul câmpului de fază, pe care l-am utilizat pentru a descrie structurarea dispersiilor precum spumele și emulsiile, stabilizate cu emulgatori. În metoda câmpului de fază se pot modela simultan mai multe elemente individuale ale dispersiilor, cum ar fi picăturile de emulsie, bulele de spumă și cristalele. Metoda permite cu ușurință ruperea și coalescența acestor elemente dispersate.
Forța metodei constă în modul în care tratează interfața dintre fazele dispersate și cele continue. Aici, metoda urmează propunerea unui celebru fizician olandez, vanderWaals, de a include interfața într-un cadru termodinamic. Utilizând metoda câmpului de faze, am construit un model computerizat pentru descrierea cristalelor de gheață într-o soluție de zaharoză, al cărui comportament poate fi considerat reprezentativ pentru înghețată3. În cercetări anterioare, am clarificat deja termodinamica soluțiilor apoase de zaharoză4 și, de asemenea, viteza de transport a apei în soluția de zahăr prin difuzie5. Astfel, pentru aceste proprietăți materiale avem la dispoziție teorii predictive în funcție de concentrația de zaharoză pentru tot intervalul de la 0 la 100%.
Viteza de congelare, compoziția și dimensiunea cristalelor de gheață
După ce am dezvoltat modelul computerizat, am efectuat mai multe simulări pe calculator pentru a investiga relația dintre viteza de congelare, compoziția și dimensiunea cristalelor de gheață. Am făcut zoom într-o mică parte a materialului alimentar și am însămânțat mai multe nuclee pentru ca cristalele de gheață să crească. Această parte a materialului alimentar a fost apoi supusă la o serie de viteze de congelare. Simulările au fost efectuate pentru două concentrații diferite de zaharoză – și o multitudine de poziții aleatorii diferite ale nucleelor – pentru a obține niște statistici bune.
În figura 1 sunt prezentate instantanee ale acestor simulări pe calculator. Elementele dispersate de culoare albastru închis sunt cristale de gheață individuale. Rata de înghețare nu este foarte rapidă, astfel încât putem presupune că cristalele de gheață rămân aproximativ sferice. Pentru înțelegerea rezultatelor simulării, este important de știut că cristalele de gheață nu conțin zahăr, astfel încât creșterea cristalelor de gheață implică creșterea concentrațiilor de zahăr în faza necongelată. Creșterea concentrației de zahăr duce la o creștere a punctului de congelare, lăsând matricea continuă necongelată.
Figura 1: Instantanee ale creșterii cristalelor de gheață într-o soluție de zahăr obținute prin simulări pe calculator pentru diferite rate de congelare (0,01, 0,03 și 0,10 K/s de sus în jos) observate la momente diferite (de la stânga la dreapta). Observați coalescența mai multor cristale de gheață, în special la rata de congelare scăzută (sus)
În urma congelării ulterioare, cristalele de gheață se pot ciocni unele de altele, determinând o creștere a concentrației de zahăr în lichidul necongelat dintre ele, ceea ce duce la scăderea punctului de congelare. Prin urmare, se dezvoltă o interfață plană. Dacă viteza de congelare este prea mică, zaharurile au timp să se difuzeze în afara zonei de ciocnire și cristalele se pot unifica. În stadiul incipient al înghețării, în care creșterea locală a concentrației de zahăr datorată creșterii cristalelor de gheață este mică, au loc mai multe evenimente de coalescență. În ultima etapă a înghețării, matricea necongelată se apropie de starea sticloasă – unde difuzia apei și a zahărului se oprește și creșterea cristalelor de gheață se oprește.
Din simulări am determinat dimensiunea medie a cristalelor de gheață și am trasat-o în funcție de viteza de înghețare impusă pentru două concentrații diferite de zaharoză. Aceste rezultate sunt prezentate în figura 2.
Se poate observa o dispersie considerabilă în datele de simulare, din cauza stocasticii procesului de nucleare. Cu toate acestea, prin efectuarea mai multor simulări, se poate potrivi o relație fiabilă de tip lege de putere prin date, care sunt afișate sub forma liniilor care trec prin punctele de date din figura 2 (pagina 00). Ajustarea arată că exponenții legii puterii sunt de 0,31 și 0,18 pentru concentrația inițială de zahăr de 10% și, respectiv, 15%. Relația noastră empirică anterioară are un exponent al legii puterii de 0,25, care a fost presupus a fi independent de compoziție. Faptul că valoarea empirică este destul de apropiată de exponenții pe care i-am găsit prin simulare este foarte încurajator. În plus, este demn de remarcat faptul că modelul de simulare nu a necesitat nicio ajustare a parametrilor, deoarece toate proprietățile materiale și termodinamice sunt cunoscute.
Figura 2: Dimensiunea medie a cristalelor de gheață în funcție de viteza de îngheț, pentru două concentrații inițiale diferite de zahăr (10% și 15%, indicate prin linia continuă și cea punctată). Raza este măsurată în unități ale ochiului de calcul, care este de aproximativ 3 microni, iar rata de îngheț 1/tcool este măsurată în funcție de rata de difuzie a apei 1/tD. (la 0,01K/s dacă tD/tcool=1) Punctele indică dimensiunea medie a unei singure simulări. Liniile au reprezentat relații de tip lege de putere, ajustate la datele de simulare
Probleme de calitate a alimentelor pentru fructele și legumele congelate
Alimente & Biobased Research concluzionează că modelul are într-adevăr un grad mare de realism. Mai mult, sunt disponibile teorii predictive similare privind proprietățile materiale și termodinamice pentru multe alte materiale alimentare. Prin urmare, modelul este, în principiu, aplicabil la o multitudine de alte materiale alimentare. Pe această bază, am lansat un nou proiect de cercetare care continuă să dezvolte și să adapteze modelul la materialele alimentare congelate cu o structură celulară pentru a investiga aspectele legate de calitatea alimentelor congelate pentru fructe și legume. Modelul câmpului de fază va fi încorporat într-un model multiscală – deoarece în produsele alimentare vor apărea diferențe locale în ceea ce privește viteza de congelare – care trebuie rezolvate cu o abordare avansată, în care profilul de temperatură este calculat la scara produsului, iar creșterea cristalelor de gheață la microscală. Modelul computerizat la macroscală va apela modelul la microscală de mai multe ori pentru o multitudine de locații. Modelul la microscală va raporta fracția locală de gheață, în timp ce modelul la macroscală va emite gradientul de temperatură aplicat către modelul la microscală.
În acest nou proiect, Food & Biobased Research, nu ne vom concentra doar pe etapa inițială de congelare, ci și pe depozitarea congelată. În timpul depozitării pot apărea fluctuații de temperatură din cauza răcirii mecanice, sau a deschiderii și închiderii ușilor. Se presupune că aceste fluctuații de temperatură permit creșterea în continuare a cristalelor de gheață, ceea ce este dezavantajos pentru calitatea produsului6. Scopul nostru este de a investiga dacă scăderea temperaturii de depozitare face ca alimentele să fie mai puțin sensibile la fluctuațiile de temperatură și chiar dacă se poate obține o reducere a consumului de energie. Mai mult decât atât, chiar și în cazul în care temperatura de depozitare este rezonabil de constantă, în timpul depozitării în condițiile convenționale de -18oC se produce încă o grosime a distribuției cristalelor de gheață. Acest lucru este demonstrat prin compararea alimentelor congelate prin congelare cu aer comprimat și prin congelare cu schimbare de presiune (Pressure Shift Freezing – PSF). Inițial, dimensiunea cristalelor de gheață obținută prin PSF este mult mai mică decât cea obținută prin congelare convențională cu aer comprimat. Cu toate acestea, după câteva săptămâni de depozitare, se constată puține diferențe în distribuția finală a dimensiunii cristalelor de gheață, ceea ce indică faptul că în timpul depozitării alimentelor PSF s-a produs o grosime mai mare7.
În concluzie, noul model de simulare este un instrument esențial pentru a cerceta posibilele mijloace prin care industria alimentelor congelate poate controla textura alimentelor congelate și dimensiunea cristalelor de gheață, în domenii precum: 1) formularea produsului, 2) condițiile de procesare și viteza de congelare. Cunoscând impactul formulării și al procesării asupra calității alimentelor congelate, pot fi evaluate noi strategii de depozitare a produselor congelate datorită impactului lor atât asupra calității produselor, cât și asupra economiilor de energie.
- Voda, A., Homan, N., Witek, M., Duijster, A., van Dalen, G., van der Sman, R., Nijsse, J, van Vliet, L. Van As, H. & van Duynhoven, J. (2012). Impactul liofilizării asupra microstructurii și proprietăților de rehidratare a morcovului. Food Research International, 49(2), 687-693
- van der Sman, R. G. M., Voda, A., van Dalen, G., & Duijster, A. (2013). Intercalarea cristalelor de gheață în alimentele congelate. Journal of Food Engineering, 116(2), 622-626
- van der Sman, R. G. M. (2016). Phase field simulations of ice crystal growth in sugar solutions (Simulări de câmp de fază a creșterii cristalelor de gheață în soluții de zahăr). International Journal of Heat and Mass Transfer, 95, 153-161
- van der Sman, R. G. M., & Meinders, M. B. J. (2011). Prediction of the state diagram of starch water mixtures using the Flory-Huggins free volume theory (Predicția diagramei de stare a amestecurilor de amidon și apă folosind teoria volumului liber Flory-Huggins). Soft Matter, 7(2), 429-442
- van der Sman, R. G. M. M., & Meinders, M. B. J. (2013). Difuzivitatea umezelii în materialele alimentare. Food chemistry, 138(2), 1265-1274
- Regand, A & Goff HD. „Structure and ice recrystallization in frozen stabilized ice cream model systems”. Food Hydrocolloids1 (2003): 95-102
- Fernández PP, Otero L, Martino MM ,Molina-García AD, & Sanz PD „High-pressure shift freezing: recristalizare în timpul depozitării” European Food Research and Technology 5 (2008): 1367-1377
Despre autor
Ruud van der Sman are o diplomă de master în fizică aplicată la Universitatea de Tehnologie din Delft și un doctorat în inginerie agricolă la Universitatea Wageningen. El lucrează ca cercetător senior la Food & Biobased Research și profesor asistent cu jumătate de normă la Food Process Engineering – ambele fac parte din Wageningen UR (Centrul de cercetare al Universității &). Interesele sale de cercetare cuprind fizica materiei moi a materialelor alimentare, modelarea computerizată a structurării alimentelor la scară micrometrică și modelarea fiziologiei. Expertiza sa în domeniul cărnii cuprinde termodinamica capacității de reținere a apei, transferul de căldură și de masă și fiziologia post-mortem. www.wageningenur.nl/en/fbr
.