LIOFILIZAREA

1. INTRODUCERE s22, 23, 27t

Liofilizarea sau criodesicarea este un procedeu de conservare care presupune eliminarea apei dintr-un produs congelat in prealabil, prin sublimare in vid, cu aport controlat de caldura. Din diagrama curbelor de saturatie pentru apa (fig. 1) se observa ca sublimarea apei (trecerea din starea solida in starea de vapori) are loc doar daca presiunea este sub cea corespunzatoare punctului triplu (PT), fiind deci mai mica de 4,579 mm Hg (0,006 bar); din fig. 1 mai rezulta ca, la presiune constanta, sublimarea are loc prin cresterea temperaturii, deci cu aport de caldura. Se justifica astfel definitia liofilizarii, ca fiind un proces de sublimare in vid (presiune mult mai mica decat presiunea atmosferica normala), cu aport de caldura (pentru cresterea temperaturii produsului).

Trebuie remarcat ca procesul de sublimare al ghetii are loc si la presiune atmosferica normala: la o temperatura de -5⁰C si o umiditate relativa de 20%, presiunea partiala a vaporilor de apa din aer este de 0,6 mm Hg (fiind deci mai mica decat presiunea punctului triplu), gheata sublimand pana la saturarea cu vapori a mediului inconjurator.

Liofilizarea asigura o calitate superioara a produselor alimentare (prin pastrarea proprietatilor produsului proaspat) comparativ cu alte metode de conservare, ceea ce permite stocarea acestora o perioada indelungata. Produsele liofilizate nu impun realizarea unor temperaturi scazute pentru depozitare si transport. Prin liofilizare, masa produselor scade la 1/4..1/10 din valoarea initiala, fenomen insotit si de reducerea volumului.

Principalele dezavantaje ale procedeului sunt:

• costuri ridicate ale investitiilor, instalatiile fiind de aproximativ trei ori mai scumpe decat in cazul altor metode;
• tehnica de lucru relativ complicata si durata mare a procesului (aproximativ 24 de ore);
• consumuri energetice mari.

Tratarea prin liofilizare a unui produs implica parcurgerea urmatoarelor etape (fig. 2):

• executarea unor tratamente preliminare;
• congelarea;
• sublimarea (uscarea primara);
• uscarea secundara;
• conditionarea si ambalarea produsului liofilizat;
• depozitarea.

1.1. Tratamentele preliminare

Orice produs care urmeaza a fi liofilizat trebuie sa fie de calitate superioara, sa aiba un continut ridicat de substanta uscata si un continut mic de grasimi si apa legata.

Produsul trebuie sa aiba un raport suprafata/volum cat mai mare, pentru ca sublimarea sa fie favorizata. In produsele avand grosime mica si suprafata mare frontul de sublimare va avansa mai repede catre centru si ca urmare durata sublimarii va fi mica; la produsele avand grosime mare, pe masura ce frontul de sublimare avanseaza, vaporii din interior vor parasi mai greu produsul.

Produsele trebuie repartizate cat mai uniform in incinta in care are loc sublimarea, pentru ca procesul de sublimare sa se desfasoare pe cat posibil identic pentru fiecare produs in parte.

In functie de natura produsului, acesta poate sa fie supus unor tratamente preliminare inainte de liofilizare; aceste tratamente pot fi:

• de natura mecanica (dezosare, inlaturarea grasimii, transare, pentru carne; macinare si uniformizare pentru sosuri etc.);
• de natura fizica (fierberea sau frigerea pentru carne);
• de natura chimica (adaugarea unor substante pentru protejarea produsului sau pentru obtinerea anumitor calitati specifice).

1.2. Congelarea

Dupa cum s-a mentionat anterior, congelarea produce efecte mecanice si chimice; efectele mecanice se refera la spargerea celulelor, rupturi de tesuturi, perforarea peretilor celulari, in timp ce efectele chimice sunt date de concentrarea solutiilor din produs din cauza solidificarii apei. Diminuarea acestor efecte este posibila printr-o congelare cat mai rapida a produselor ce urmeaza a fi liofilizate. Vitezele mari de congelare duc la formarea de cristale de gheata cu dimensiuni mici, repartizate uniform, iar fenomenul de concentrare a solutiilor are mai putin timp disponibil pentru a afecta calitatea produsului.

Temperatura finala a produsului, dupa congelare, trebuie sa fie suficient de scazuta pentru ca intreaga cantitate de apa sa fie solidificata; temperaturile finale recomandate pot atinge valori de -40.-60⁰C.

In cazul produselor alimentare lichide, acestea sunt congelate sub forma de blocuri, care sunt apoi sfaramate, rezultand un produs sub forma de pudra.

1.3. Sublimarea (uscarea primara)

In faza de uscare primara se elimina din produs apa libera si de constitutie. Pentru realizarea sublimarii, produsul este introdus intr-o incinta (1, fig. 3) care se inchide ermetic; cu ajutorul unei pompe de vacuum (5), presiunea din incinta este scazuta pana la valori de 0,3.1 mm Hg. Presiunea este mai mica decat cea corespunzatoare punctului triplu al apei deoarece apa continuta de produsele alimentare nu este chimic pura.

Pentru sublimarea ghetii, rafturile (2) pe care sunt asezate produsele pot fi incalzite controlat, cu ajutorul unor placi de incalzire; prin cresterea temperaturii are loc procesul de transformare a starii solide in stare lichida. Fluxul de caldura trebuie controlat permanent pentru a se evita decongelarea partiala a produselor.

Pentru ca sublimarea sa aiba loc in mod continuu este necesara evacuarea vaporilor din incinta. Avand in vedere ca volumul mare de vapori rezultat nu poate fi evacuat de catre pompa de vid, vaporii de apa rezultati din sublimare sunt condensati pe suprafata rece a vaporizatorului (3), aflat in incinta de condensare (6).

In timpul acestui proces temperatura placilor de incalzire atinge 120.140⁰C, iar temperatura produselor este de -25.0⁰C (fig. 4).

La sfarsitul fazei de uscare primara, produsul mai contine 10.30% apa, care se afla sub forma lichida adsorbita si in stare de vapori. Aceasta cantitate de apa are efecte negative asupra comportarii produsului pe perioada de stocare. Pentru eliminarea acestei cantitati de apa se aplica faza de uscare secundara.

1.4. Uscarea secundara

Faza are ca scop eliminarea apei ramase din faza precedenta; la sfarsitul uscarii secundare, cantitatea de apa din produs scade sub 6% putand ajunge chiar pana la 2.3%, in functie de tipul produsului.

Pentru eliminarea apei, presiunea in incinta trebuie sa fie sub 1 mm Hg; temperatura la suprafata produselor se ridica la 20.40⁰C pentru produse sensibile sau la 60⁰C pentru carne de vita, porc, pasare, peste (fig. 4). Trecerea de la temperatura de sublimare la temperatura corespunzatoare desorbtiei apei se face mai rapid sau mai lent, durata uscarii secundare fiind cuprinsa intre o ora si sase ore. Uscarea primara si cea secundara pot dura in total intre 6 si 20 de ore.

Dupa terminarea uscarii secundare, incinta de uscare este presurizata (de obicei cu un gaz neutru - argon sau bioxid de carbon) pana la o valoare usor superioara presiunii barometrice. Se impiedica astfel intrarea de aer din exterior la deschiderea usii camerei de uscare.

1.5. Conditionarea si ambalarea produselor liofilizate

In urma celor doua faze de uscare, produsul liofilizat este poros si higroscopic; contactul cu vaporii de apa din aer poate conduce la imbibarea rapida a porilor cu vapori de apa, fenomen care anuleaza efectul uscarii secundarde. O umiditate reziduala a produselor mai mare de 2.6% va avea efecte negative asupra calitatii lor (apar reactii enzimatice, se dezvolta flora microbiana, produsul se decoloreaza etc.). Din acest motiv se recomanda ca imediat dupa scoaterea produselor din incinta in care a avut loc liofilizarea acestea sa fie depozitate timp de 2.3 zile in containere vacuumate de capacitati mari, pentru omogenizarea umiditatii reziduale; dupa aceasta etapa se efectueaza conditionarea definitiva in ambalaje de dimensiuni mici.

Conditionarea si ambalarea produselor liofilizate se fac cu scopul reducerii la maximum a cauzelor ce determina modificari ale calitatii produselor in timpul stocarii. Ambalarea produselor liofilizate se realizeaza in vid sau in atmosfera controlata (azot, bioxid de carbon sau aer uscat pentru produsele mai putin sensibile); materialele pentru ambalaje trebuie sa fie impermeabile la grasimi, gaze, vapori de apa, iar ambalajele trebuie sa fie etanse. Ambalarea produselor liofilizate se face in:

• cutii din tabla de otel sau aluminiu, cu sistem de inchidere care sa permita ambalarea sub vid sau in atmosfera controlata;
• ambalaje din sticla, mai rar utilizate din cauza greutatii mai mari, a dificultatii asigurarii etanseitatii si a transparentei lor;
• amabalaje din materiale multistrat, formate din folii din plastic si metalice.

1.6. Depozitarea produselor liofilizate

Temperatura de depozitare influenteaza durata de pastrare a produselor liofilizate; marea majoritate a produselor pot fi depozitate la temperaturi de pana la 30⁰C fara efecte negative. Durata maxima de pastrare variaza intre un an si cinci ani; astfel, la o temperatura de stocare de 25⁰C, carnea grasa si pestele pot fi stocate de la sase luni la un an, iar carnea slaba si carnea de pasare pot fi depozitate intre 1,5 ani si 2 ani.

1.7. Rehidratarea produsului liofilizat

Unele produse liofilizate (ceaiul, cafeaua, sucurile de fructe etc.) se rehidrateaza instantaneu, prin adaugare de apa; produsele de origine animala se rehidrateaza cu respectarea anumitor conditii, referitoare la cantitatea de apa, temperatura acesteia, duritatea apei etc. Pentru produse cum ar fi carnea, pestele etc., viteza de rehidratare creste odata cu scaderea temperaturii, recomandandu-se rehidratarea la temperatura de 0⁰C. Pentru preparatele culinare liofilizate rehidratarea se face cu apa calda, pentru a se favoriza dispersia grasimilor, dupa care urmeaza racirea produsului.

2. INFLUENTA LIOFILIZARII ASUPRA PRODUSELOR s22, 23, 27t

Influentele liofilizarii asupra produselor se manifesta prin modificari de natura fizica, chimica si biochimica.

2.1. Modificari fizice

In functie de produs, de modul de congelare si de parametrii procesului de liofilizare, criodesicarea conduce la o micsorare cu 2.10% a volumului fata de produsul proaspat; in acelasi timp, greutatea se reduce la 50.90% din valoarea initiala.

Liofilizarea poate produce modificari de culoare ale produsului, care sunt puse pe seama indepartarii apei si a unor reactii chimice si biochimice, dar care pot apare si din cauza unor deficente in procesul tehnologic de liofilizare. De cele mai multe ori culoarea mai inchisa a produselor liofilizate nu influenteaza insa calitatea produselor.

In urma rehidratarii, textura produsului se modifica fata de situatia initiala; in principiu, cu cat congelarea are loc mai lent, cu atat produsul rehidratat va avea o textura mai moale, care poate fi accentuata in cazul suprarehidratarii. La produsele lichide, vascozitatea acestora scade dupa rehidratare.

Dupa rehidratarea produsului este posibil sa apara si modificari ale gustului si mirosului fata de situatia initiala.

2.2. Modificari chimice si biochimice

Modificarile chimice si biochimice apar ca urmare a unor reactii de substitutie, oxidare etc. ce fac ca unii dintre constituientii initiali sa dispara la rehidratare si sa apara in schmb constituienti noi. Radiatiile ultraviolete pot cataliza unele reactii.

Lipidele se modifica cel mai usor, formand in produs substante oxidate si conducand la aparitia gustului de rancezire; glucidele pot intra in reactie cu aminoacizii sau proteinele.

2.3. Modificari ale valorii nutritive

Pastrarea valorii nutritive a produselor liofilizate, dupa rehidratare, depinde de tipul de produs si de parametrii procesului. Astfel, o viteza de congelare mica va conduce la distrugeri ale peretilor celulari; ca urmare, principiile active sunt eliberate si se produc reactii care diminueaza valoarea nutritiva.

Pierderile de proteine prin liofilizare sunt relativ mici (1,21% pentru carnea de vitel, 3,17% pentru carnea de vita etc.). Glucidele sunt bine conservate prin liofilizare, in timp ce lipidele, fiind sensibile la oxidare, pot contribui la scaderea valorii nutritive.

3. INSTALATII DE LIOFILIZARE s22, 23, 27t

Pentru produsele cu textura (carne, de exemplu), liofilizarea se poate realiza in instalatii cu functionare discontinua, semicontinua sau continua.

In fig. 5 este prezentata schema de principiu a unei instalatii de liofilizare cu functionare discontinua, avand condensator interior, la care placile (7) asigura initial congelarea prin contact, fiind alimentate cu agent frigorific de catre instalatia (4).

Dupa congelarea produselor asezate pe placi, in incinta se creaza vid, iar placile (7) sunt incalzite cu ajutorul sistemului de incalzire (9), pentru desfasurarea uscarii primare si a celei secundare. Vaporii de apa eliminati de produs condenseaza pe vaporizatorul (11). Dupa scoaterea produselor din incinta de liofilizare, prin robinetul (3) se trimite apa peste vaporizator, pentru degivrare; apa este apoi eliminata din incinta (1) prin deschiderea robinetului (10).

In fig. 6 este prezentata o instalatie de liofilizare cu functionare semicontinua; produsele intra in instalatie prin gura de alimentare (1) si trec in tunelul de congelare (2); produsele congelate sunt depozitate in depozitul (3) si apoi sunt introduse in una din cele doua incinte de liofilizare (4), pe masura ce acestea sunt golite de sarja precedenta

Instalatia din fig. 7 este de tipul cu functionare continua, incarcarea si descarcarea produselor realizandu-se prin sasurile (4) si (5), care permit inchiderea etansa a tunelului in care are loc liofilizarea. Tunelul contine unitati de liofilizare cuplate in linie; fiecare unitate este separata de precedenta si de cea urmatoare si este deservita de incinte de condensare exterioare, care pot fi izolate prin robinete si degivrate fara ca procesul de liofilizare sa fie oprit. Produsele congelate sunt incarcate prin sasul de intrare si trec prin unitatile de liofilizare pana la sasul de iesire; in momentul in care un carucior cu produse intra in tunel, un altul, cu produse liofilizate, iese pe la capatul opus.

Incalzirea produselor in vederea sublimarii si uscarii secundare se poate realiza prin intermediul unor placi prin interiorul carora circula un fluid cald, cu rezistente electrice, folosind curenti de inalta frecventa sau cu radiatii infrarosii. Temperaturile de vaporizare la vaporizatorul din incinta de condensare sunt cuprinse intre -40⁰C si -60⁰C.

Pentru realizarea vidului se utilizeaza pompe rotative cu lamele culisante in rotor (vezi 2.3.2.2), pompe cu rotor profilat etc.

Pentru produsele alimentare lichide procesul tehnologic presupune congelarea acestora, urmata de maruntire (pentru marirea suprafetei) si apoi de o criodesicare continua. Produsul maruntit sub forma de particule se deplaseaza in incinta de liofilizare sub actiunea vibratiilor, cu ajutorul unei benzi transportoare sau ca urmare a miscarii de rotatie a incintei. Durata procesului de liofilizare este de 20.30 minute, iar capacitatea mica de incarcare a aparatului conduce la pierderi tehnologice reduse in cazul in care se produc accidente tehnologice.