I glass är små runda iskristaller viktiga för en mjuk och krämig konsistens. Generellt gäller att ju snabbare frysningshastighet desto mindre storlek på iskristallerna. För vissa livsmedelsmaterial finns det dock en övre gräns för fryshastigheten. Om frysningen är för snabb kan det uppstå mekaniska spänningar i livsmedelsmaterialet och frysbrott kan uppstå. I några få fall används frysningsprocessen för att strukturera material, t.ex. den traditionella japanska kori-tofu-skålen, eller ställningar som används vid biologisk vävnadsteknik. För några år sedan undersökte WUR tillsammans med TU Delft och Unilever användningen av frystorkning för att strukturera soppgrönsaker. Här bestämmer iskristallstorleken porutrymmets storlek efter torkning och bidrar till att grönsakerna återfuktas när de blandas med soppan.

Samband mellan iskristallstorlek och fryshastighet

Från perspektivet av kvaliteten på frysta livsmedel är det därför viktigt att ha god kännedom om sambandet mellan iskristallstorlek och fryshastighet. Det finns dock endast några empiriska samband mellan fryshastighet och iskristallstorlek . När det gäller tillverkade livsmedel finns det också en del andra medel som används för att kontrollera iskristallstorleken, t.ex. kryopektanter som socker och frostskyddsproteiner. Detta tyder på att man kan förvänta sig ett samspel mellan livsmedelsmaterialets sammansättning, fryshastighet och iskristallstorlek, men i de empiriska sambanden saknas beroendet av livsmedlens sammansättning. Därför har Food & Biobased Research inlett ett forskningsprojekt inriktat på en mer teoretisk förståelse av förhållandet mellan fryshastighet, sammansättning och iskristallstorlek med hjälp av avancerade datorsimuleringar.

Fasfältsmodell för iskristalltillväxt

För att få denna detaljerade förståelse måste vi dyka ner i mikrometerområdet för livsmedlens mikrostruktur, där enskilda iskristaller upplöses i den utvecklade datormodellen, där kristalltillväxten modelleras som en funktion av matrisens sammansättning. Den mest avancerade metoden på detta område är fasfältsmodellen, som vi har utnyttjat för att beskriva struktureringen av dispersioner som skum och emulsioner, stabiliserade med emulgeringsmedel. Med fasfältsmetoden kan man samtidigt modellera flera enskilda element i dispersioner, t.ex. emulsionsdroppar, skumbubblor och kristaller. Metoden tillåter lätt upplösning och sammanslagning av dessa dispergerade element.

Metodens styrka ligger i hur den behandlar gränssnittet mellan dispergerade och kontinuerliga faser. Här följer metoden förslaget från en berömd nederländsk fysiker, vanderWaals, att inkludera gränssnittet i en termodynamisk ram. Med hjälp av fasfältsmetoden har vi konstruerat en datormodell för att beskriva iskristaller i en sackaroslösning, vars beteende kan ses som representativt för glass3. I tidigare forskning har vi redan klargjort termodynamiken hos vattenhaltiga sackaroslösningar4 och även hastigheten för vattentransport i sockerlösning via diffusion5. För dessa materialegenskaper har vi således prediktiva teorier tillgängliga som funktion av sackaroskoncentrationen för hela intervallet från 0 till 100 %.

Frysningshastighet, sammansättning och iskristallstorlek

Efter att ha utvecklat datormodellen utförde vi flera datorsimuleringar för att undersöka förhållandet mellan frysningshastighet, sammansättning och iskristallstorlek. Vi zoomade in på en liten del av livsmedelsmaterialet och sådde flera kärnor där iskristaller kan växa. Denna del av livsmedelsmaterialet utsattes sedan för en rad olika fryshastigheter. Simuleringar utfördes för två olika sackaroskoncentrationer – och en mängd olika slumpmässiga placeringar av kärnorna – för att få fram bra statistik.

Snapshots av dessa datorsimuleringar visas i figur 1. De mörkblå spridda elementen är enskilda iskristaller. Frysningshastigheten är inte särskilt snabb, så vi kan anta att iskristallerna förblir ungefär sfäriska. För att förstå simuleringsresultaten är det viktigt att veta att iskristaller inte innehåller socker, så tillväxten av iskristaller innebär en ökning av sockerkoncentrationen i den ofrusna fasen. Den ökade sockerkoncentrationen leder till en ökning av fryspunkten, vilket lämnar den kontinuerliga matrisen ofrusen.

Vid ytterligare frysning kan iskristallerna stöta på varandra, vilket föranleder en ökning av sockerkoncentrationen i den ofrusna vätskan mellan dem, vilket leder till en sänkning av fryspunkten. Därför utvecklas ett platt gränssnitt. Om frysningshastigheten är för långsam hinner sockret diffundera ut ur den zon där isen stöter på varandra och kristallerna kan växa samman. I det tidiga frysningsstadiet, då den lokala ökningen av sockerkoncentrationen på grund av iskristalltillväxten är liten, sker flera koalescenshändelser. I det senare skedet av frysningen närmar sig den ofrusna matrisen det glasartade tillståndet – där diffusionen av vatten och socker avstannar och iskristalltillväxten upphör.

Utifrån simuleringarna har vi bestämt den genomsnittliga iskristallstorleken och plottat den mot den påtvingade fryshastigheten för två olika sackaroskoncentrationer. Dessa resultat visas i figur 2.

En betydande spridning kan observeras i simuleringsdata, på grund av stokastiken i kärnbildningsprocessen. Genom att utföra många simuleringskörningar kan man dock anpassa en tillförlitlig potensrättsrelation genom data, som visas som de linjer som löper genom datapunkterna i figur 2 (sidan 00). Anpassningen visar att exponenterna för potenslagen är 0,31 och 0,18 för 10 % respektive 15 % ursprunglig sockerkoncentration. Vårt tidigare empiriska förhållande har en exponent för potenslagen på 0,25, som antogs vara oberoende av sammansättningen. Det faktum att det empiriska värdet ligger ganska nära de exponenter som vi har funnit genom simulering är mycket uppmuntrande. Dessutom är det värt att notera att simuleringsmodellen inte krävde någon parameteranpassning, eftersom alla material- och termodynamiska egenskaper är kända.

Food quality issues for frozen fruits and vegetables

Food & Biobased Research drar slutsatsen att modellen har en stor grad av realism. Dessutom finns liknande prediktiva teorier om material- och termodynamiska egenskaper för många andra livsmedelsmaterial. Följaktligen kan modellen i princip tillämpas på en mängd andra livsmedelsmaterial. På grundval av detta har vi inlett ett nytt forskningsprojekt som fortsätter att utveckla och anpassa modellen till frysta livsmedelsmaterial med en cellulär struktur för att undersöka kvalitetsproblem i frysta livsmedel för frukt och grönsaker. Fasfältsmodellen kommer att inlemmas i en modell med flera skalor – eftersom det i livsmedelsprodukter kommer att uppstå lokala skillnader i fryshastighet – som måste lösas med ett avancerat tillvägagångssätt, där temperaturprofilen beräknas på produktskala och iskristalltillväxten på mikroskala. Datormodellen i makroskala kommer att kalla modellen i mikroskala flera gånger för en mängd olika platser. Modellen på mikroskala rapporterar tillbaka den lokala isfraktionen, medan modellen på makroskala utfärdar den tillämpade temperaturgradienten till modellen på mikroskala.

I detta nya projekt, Food & Biobased Research, kommer vi inte bara att fokusera på det inledande frysningssteget, utan även på den frysta lagringen. Under lagringen kan temperaturfluktuationer uppstå på grund av mekanisk kylning eller att dörren öppnas och stängs. Man antar att dessa temperatursvängningar gör att iskristaller kan växa ytterligare, vilket är ofördelaktigt för produktkvaliteten6. Vi vill undersöka om en sänkning av lagringstemperaturen gör livsmedlet mindre känsligt för temperatursvängningar och till och med om energianvändningen kan minskas. Även om förvaringstemperaturen är någorlunda konstant, kan iskristallfördelningen fortfarande grovnackas under förvaring vid de konventionella förhållandena på -18oC. Detta framgår av jämförelsen mellan livsmedel som frysts med hjälp av luftblåsfrysning och tryckförskjutningsfrysning (PSF). I början är iskristallstorleken som erhålls genom PSF mycket mindre än den som erhålls genom konventionell luftfrysning. Efter flera veckors förvaring finns det dock liten skillnad i den slutliga iskristallstorleksfördelningen, vilket tyder på att en förgröning har skett under förvaringen av PSF-livsmedel7.

Sammanfattningsvis är den nya simuleringsmodellen ett viktigt verktyg för att undersöka hur industrin för frysta livsmedel kan styra frysta livsmedels textur och iskristallstorlek på områden som 1) produktformulering, 2) bearbetningsvillkor och fryshastighet. Med kunskap om hur formulering och bearbetning påverkar kvaliteten på frysta livsmedel kan nya strategier för fryst lagring utvärderas på grund av deras inverkan på både produktkvalitet och energibesparingar.

1. 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). Effekten av frystorkning på mikrostruktur och rehydreringsegenskaper hos morot. Food Research International, 49(2), 687-693
2. van der Sman, R. G. M., Voda, A., van Dalen, G., & Duijster, A. (2013). Iskristallers interspacing i frysta livsmedel. Journal of Food Engineering, 116(2), 622-626
3. van der Sman, R. G. M. (2016). Fasfältssimuleringar av iskristalltillväxt i sockerlösningar. International Journal of Heat and Mass Transfer, 95, 153-161
4. van der Sman, R. G. M., & Meinders, M. B. J. (2011). Prediktion av tillståndsdiagrammet för stärkelsevattenblandningar med hjälp av Flory-Huggins teori om fri volym. Soft Matter, 7(2), 429-442
5. van der Sman, R. G. M., & Meinders, M. B. J. (2013). Fuktdiffusion i livsmedelsmaterial. Food chemistry, 138(2), 1265-1274
6. Regand, A & Goff HD. ”Struktur och isrekristallisering i frysta stabiliserade glassmodellsystem”. Food Hydrocolloids1 (2003): 95-102
7. Fernández PP, Otero L, Martino MM ,Molina-García AD, & Sanz PD ”High- pressure shift freezing: recrystallization during storage” European Food Research and Technology 5 (2008): 1367-1377

Om författaren

Ruud van der Sman har en civilingenjörsexamen i tillämpad fysik vid Delfts tekniska universitet och en doktorsexamen i jordbruksteknik vid Wageningen University. Han arbetar som senior forskare vid Food & Biobased Research och på deltid som biträdande professor vid Food Process Engineering – båda delar av Wageningen UR (University & Research centre). Hans forskningsintressen omfattar mjuka materialfysik för livsmedelsmaterial, datormodellering av livsmedelsstrukturering på mikrometerskala och fysiologisk modellering. Hans expertis på köttområdet omfattar termodynamik för vattenhållande kapacitet, värme- och massöverföring samt fysiologi efter slakt. www.wageningenur.nl/en/fbr