DONDURARAK MUHAFAZA

1. DONDURARAK MUHAFAZA Prof. Dr. Özgül EVRANUZ

2. Tanım Gıdaların dondurulması, sıcaklığın, gıdanın içerdiği suyun bir kısmının buz kristallerine dönüştüğü sıcaklığa düşürülmesi, dondurarak muhafaza ise gıdanın -10°C’nin altında bir sıcaklıkta saklanması işlemidir. Dondurma (freezing) bir gıda muhafaza işlemidir. Gıda maddesinin uzun süre muhafaza edilebilmesi için sıcaklık ne kadar düşük olmalıdır? • Gerçekte ne kadar düşük olursa o kadar iyi. • Uygulamada “ekonomik olarak olabilecek en düşük sıcaklık” • Dondurulmuş gıdaların -18°C’nin altında muhafaza edilmesi önerilmektedir.

3. Dondurulmuş gıdaların dayanma süresi neden uzundur? 1. Düşük sıcaklık bozulma reaksiyon hızlarının yavaşlamasına neden olur. Su dondurulduğu zaman mobilitesi (hareketliliği) azalır. Dolayısıyla reaksiyona girme olanağı azalır veya ortadan kalkar. 2. Dondurulmuş gıda maddelerinde her zaman dondurulamayan su bulunur. Gıda maddelerinin su fazı, içinde çözünmüş katı maddelerinin bulunduğu sulu çözelti olarak düşünülürse, donma sırasında suyun bir kısmı buz kristallerine dönüştüğü için kalan çözeltinin konsantrasyonu artar, su aktivitesi düşer.

4. Dondurulmuş gıdaların dayanma süresi neden uzundur? 3. Mikroorganizma faaliyetleri –10°C’nin altındaki sıcaklıklarda durur. 4. Enzimler çok düşük sıcaklıklarda bile aktivitelerini yavaş da olsa devam ettirebilirler. Bu nedenle gıdalara enzim aktivitelerini yok edecek ön işlemler uygulanır, örneğin, haşlama, pH’yı düşürme, vb. Sonuç olarak: düşük sıcaklık, düşük awve önişlemler dondurma işleminde gıdanın bozulmasını geciktiren/önleyen koruyucu etmenledir.

5. Dondurma temel işleminin aşamaları • Donmamış halde bulunan ürünün soğutulması • Dondurma (Freezing) • Donmuş ürünün depolama sıcaklığına soğutulması

6. Donma sırasında gıdanın sıcaklığının saptanması?? • Gıdanın en geç soğuyan noktası ısıl merkez olarak tanımlanır ve donma sırasında gıdanın sıcaklığındaki değişim bu noktada ölçülür.

7. Saf suyun ve gıdanın dondurulması işlemi sırasında sıcaklık değişimi • Saf su 0°C’de donar. • Saf suyun dondurulması sırasında, donma gizli ısısı uzaklaştırılırken sıcaklık sabit kalır. • Gıda maddesinin donma başlangıç sıcaklığı saf suyun donma başlangıç sıcaklığından düşüktür. Donma sıcaklığındaki düşüş gıda maddesinin bileşimine bağlı olarak değişir. • Gıda maddesinin dondurulması sırasında, sıcaklık kademeli olarak düşer. Sıcaklıktaki düşme, başlıca bileşenin ötektik noktasına kadar devam eder.

8. Typical freezing curves tf = freezing time Tf = freezing temperature Tm = temperature of freezing medium

9. T°C t Msu Mbuz Mkm Buz Kristallerinin Oluşumu A Msu Mkm C D' B' E

10. AB': Soğuma: Sıcaklık donma sıcaklığının altına düşer B': Aşırı soğuma (supercooling): su sıvı haldedir. B'C: Buz kristalleri oluşmaya başlar, kristalizasyon gizli ısısı açığa çıkar, sıcaklık donma sıcaklığına yükselir. CD': Buzlanma: buzlanma nedeni ile donmamış halde bulunan su içindeki katı madde konsantrasyonu devamlı olarak artar ve sonuç olarak donma noktasında sürekli düşme gözlenir. D': Gıda maddesinde donmamış halde bulunan su, içindeki katı madde bakımından aşırı doymuş hale gelir ve katı madde kristallizasyonu olur. Kristalizasyon gizli ısısı açığa çıkar. Sıcaklık söz konusu katı maddenin ötektik sıcaklığına eşittir. D'E: Gıda maddesinin sıcaklığı dondurucu sıcaklığına düşer Toplam donma süresi ısının hangi hızla uzaklaştırıldığına bağlıdır.

11. Ötektik Sıcaklık Dondurma işlemi sırasında, gıda maddesinde donmamış halde bulunan suyun, içindeki katı madde bakımından aşırı doymuş hale gelmesi sonucunda gözlenen, katı madde kristalizasyonunun başladığı noktadır. Herhangibir gıda için, tek bir çözünür madde varsa ötektik noktaya ulaştıktan sonra gıdadan uzaklaştırılan ısı enerjisi sıcaklığın düşmesine neden olur. Bu durumda buz kristallerinin yanında katı madde kristalleri de oluşur. Gıda maddelerinde birden fazla çözünür katı madde olduğundan dondurma işlemi sırasında birçok ötektik nokta vardır ve bunlar katı maddelerin çokluğundan dolayı tam olarak gözlemlenemez. Gıdalar için “son ötektik sıcaklık” terimi kullanılır. Bu, en düşük ötektik sıcaklığa sahip bileşeninin ötektik sıcaklığıdır. Bu sıcaklık dondurma için –55°, et için -50/-60°, ekmek için –70°C’dir. Maksimum buzlanma için en düşük ötektik sıcaklığa sahip bileşenin ötektik sıcaklığına dek soğutmak gerekir. Ticari işlemlerde gıdalar bu sıcaklığa kadar soğutulmaz bu nedenle donmuş gıdalarda dondurulamayan su bulunmaktadır.

12. Water content and freezing points • Defined as the temperature where ice crystals initially start to form • What determines freezing point?.

13. ÜrünÖtektik Nokta Dondurma - 50°C Ekmek - 70°C K2CO3 - 36,5°C CaCl2 - 55°C Na2CO3 - 2,1°C Glikoz - 5°C Sakkaroz - 14°C NaCl - 21,13°C

14. Gıdanın dondurulma hızı • Dondurma işleminin gıda maddesinin kalitesine etkisi, gıdanın donma hızına göre değişir. • Dondurma hızı hem gıda kalitesi, hem de kapasiteyi belirler. Dondurulmuş ürünlerde buz kristallerinin küçük olması ve buz kristallerinin, ürün dokusundaki hücreleri parçalamaması önemlidir. • Kristal iriliği ile soğutma hızı arasında bir ilişki vardır. • Yavaş soğutma az sayıda fakat iri buz kristalleri oluşumuna neden olur. • Hızlı soğutma çok sayıda küçük buz kristalleri oluşumuna neden olur. • Küçük buz kristalleri elde etmek için ürünün çok hızlı bir şekilde dondurulması gerekir.

15. Yavaş Soğutmanın ürün kalitesine etkisi Dondurma işlemi sırasında soğutma işlemi yavaş olursa gıda maddesinin içerdiği su büyük buz kristalleri oluşturarak hücrelerin parçalanmasına sebep olur. Gıda çözüldüğü zaman ise, • Kararma, dokuda yumuşama gözlenir. • Damlama kaybı (Drip Loss =hücre sıvısının sızması) artar.

16. Dondurma işlemi sırasında karşılaşılan sorunlar • Donma işleminin sona erdiği sıcaklık tanımı yapmak zordur. • Her zaman üründe belirli bir miktar donmamış su (bağlı su) bulunur. • Dondurulan ürünün farklı noktalarında donma hızı birbirinden farklıdır.

17. Donma noktasındaki düşme ile gıda bileşimi arasındaki ilişkiyi gösteren eşitlik Eşitlik 1 • XA = Çözeltideki suyun mol oranı • TA0 = Saf suyun donma noktası • T = Çözeltinin donma noktası • Rg = Gaz sabiti • = Buharlaşma gizli ısısı

18. Gıdadaki suyun mol oranı mA= gıdadaki su yüzdesi ms= gıdadaki katı madde yüzdesi MA= suyun mol ağırlığı (=18g/mol) MS= gıda katı maddeleri için hesaplanan görünür mol ağırlığı

19. Donmamış halde bulunan su yüzdesinin hesaplanması Gıdanın dondurulması sırasında, herhangibir sıcaklıkta, gıdada donmamış halde bulunan su yüzdesinin hesaplanması için, yine, aynı eşitliklerden yararlanılır. Önce, donma başlangıç noktası kullanılarak Mkm hesaplanır, daha sonra T sıcaklığında XA hesaplanır

20. Donma Süresi • Etkin Donma Süresi : Isıl merkez (ürünün en geç soğuyan noktası) sıcaklığının, başlangıçtaki sıcaklıktan, bu noktada kristallenme başlayıp, donma noktasının altında belirli bir sıcaklığa düşmesi için gereken süredir. Gıda maddesinin dondurucu içinde kaldığı süreyi gösterir. Dondurucu kapasitesini belirler. • Nominal Donma Süresi : Ürün yüzey sıcaklığı 0°C’e düştükten sonra başlar, ısıl işlem sıcaklığı, bu noktada ilk buzlanmanın görüldüğü sıcaklığın 10°C altına düştüğü zaman sona erer. Donma hızını belirler. Gıda maddesinin kalitesinin tahmininde yararlanılır.

21. Donma Süresine Etki Eden Faktörler • Ürünün ısıl iletkenliği, • Ürün sıcaklığı ile dondurucu sıcaklığı (ortam sıcaklığı) arasındaki fark, • Ürünü çevreleyen havanın izolasyon etkisi, • Ürünün yüzey alanı, • Ürünün iriliği, şekli, (ısı iletim kalınlığı) • Ürün ambalajının şekli, büyüklüğü,

22. Isıl Tutuklanma Süresi (thermal arrest time) Isıl merkez sıcaklığının 0°C’den –5°C’e değişmesi için geçen süredir. Donma süresinin tanımlanması için kullanılır.

23. Donmuş gıdanın özellikleri • Hacim genleşir, yoğunluk azalır. • Isıl iletkenlik artar. • Entalpi azalır. • Özgül ısı; donma sıcaklığının 20°C altındaki değer donmamış halde bulunan örneğin özgül ısısı ile aynıdır. Özgül ısı, donma başlangıç sıcaklığından başlayarak faz değişiminin gözlendiği sıcaklık aralığında önce artar sonra azalır. • Isıl yayılma (thermal diffusivity) donma noktasında sıfıra düşer, sıcaklık düştükçe artar. • Dondurucu tasarımıyla ilgili olarak, gıdanın ısıl özelliklerinin ve bu özelliklerin sıcaklıkla nasıl değiştiğinin bilinmesi gereklidir. Bu şekilde soğutma gereksinimi veya entalpi değişimi hesaplanabilir.

24. Donma Süresinin Hesaplanması Sorunlar: • Gıda parçacıklarının başlangıç sıcaklığı, şekli ve iriliği homojen olmayabilir, • Aynı parça içinde farklı noktalarda donma sıcaklığı ve buz kristal oluşum hızı farklı olabilir, • Sıcaklık düştükçe, yoğunluk, ısıl iletkenlik, spesifik ısı, ısıl yayılma katsayısı değişir. Plank Eşitliği

25. t = Donma süresi = Donma gizli ısısı • = Donmamış ürünün yoğunluğu Td = Ürünün donma noktası T = Dondurucu ortamın sıcaklığı a = Dondurulan ürünün kalınlığı h = Isı transfer katsayısı k = Donmuş ürün için ısıl iletkenlik

27. Plank Eşitliğinde Yapılan Varsayımlar • Gıda maddesi donma sıcaklığında fakat donmamış halde bulunur. • Isı iletimi kararlı halde gerçekleşir. • Donma çizgisi ürün şeklinde ilerler. • Donma sabit sıcaklıkta gerçekleşir (tek bir donma sıcaklığı vardır). • Ürün yoğunluğu değişmez. • Donmuş haldeki ve donmamış haldeki ürünlerin her biri için verilen ısıl iletkenlik ve spesifik ısılar sıcaklıkla değişmez.

28. Dondurulmuş gıdalarda hacim değişimi Su dondurulduğu zaman hacmi genleşir (~%9), yoğunluğu azalır. Ancak donmuş gıda maddelerinindeki hacim genleşmesi aşağıdaki etmenlere göre farklı derecelerde olabilir: • Gıdanın su içeriği, • Hücrelerarası hava boşlukları, • Gıdanın katı madde konsantrasyonu, • Dondurucunun sıcaklığı-dondurulamayan su miktarını kontrol eder, • Kristalleşen bileşenler-kristaller soğutulduğu zaman büzülür ve hacim küçülür.

29. Dondurulmuş Ürünlerin Kalitesi Dondurulmuş ürün işlemesinde, ürün tarladan geldiği kalitede dondurularak düşük sıcaklıklarda muhafaza edilir. İşleme ve depolama sırasında uygun koşullar sağlanırsa kalitede azalma gözlenmez. Kalitenin korunmasında etkili faktörler : • Dondurma işlemi sırasında • Depolama sırasında • Çözündürme sırasında olmak üzere ayrı ayrı değerlendirilmelidir.

30. Dondurma İşlemi Sırasında • Hızlı dondurma ile oluşan buz kristalleri küçük ve çok sayıdadır. Küçük buz kristali hücrelerin parçalanmasına sebep olmadığından doku parçalanmaz ve orjinal yapısını muhafaza eder.

31. Depolama Sırasında • Dondurulmuş gıdaların depolanması ve dağıtımında soğuk zincirin kırılmaması, üretim sonrasında ürünün sahip olduğu düşük sıcaklığın korunması zorunludur. Dağıtım, pazarlama ve tüketime kadar geçen sürede ürün -18°C’nin altındaki sıcaklıklarda saklanmalıdır. • Depo sıcaklığı sabit tutulmalı, dalgalanmamalıdır. Tekrar kristallenme oluşumu önlenmelidir. Sıcaklık dalgalanması sonucu küçük buz kristallerinin erimesi kristallerin birbirine yapışarak büyümesine ve hücrelerin parçalanmasına neden olur. Çözündürme esnasında hücreleri parçalanmış üründen daha çok su sızar (damla kaybı artar).

32. Dondurucu Yanığı (freezer burn) • Soğuk depo içinde hava soğutuldukça bağıl nemi düşer, eğer yüksek nemli gıdalar soğuk kuru hava ile dondurulursa, dış yüzeylerinde enzimatik reaksiyonlar artar ve dış yüzeylerinde renk koyulaşır, kahverengi lekeler gözlenir. • Düşük basınç soğuk havanın daha fazla kurumasına sebep olduğundan istenmez. • Gıdalarda dondurucu yanığı gözlenmemesi için ambalaj ile dondurma önerilebilir. Burada önemli olan ambalaj materyalinin ısıl iletkenlik katsayısıdır. Ayrıca ambalajlamada hava olması da bir izolasyon etkisi yaratacaktır.

33. Yüzey cilalama (Glazing) • Dondurucu yanığının önlenmesi için ürün yüzeyinin ince bir buz tabakası ile kaplanmasıdır. • Soğuk muhafaza sırasında yüzeyin kuruması bu şekilde önlenir. Kuruma, ürün ve kalite kaybına neden olur. • Yüzeydeki buz tabakası çözündürüldüğünde meydana gelen sulu ortam bozulma reaksiyonlarının başlaması için uygun ortam sağlar. Çözündürme oda sıcaklığında yapılırsa bozulma riski artar.

34. Çözündürme • Dondurulmuş gıdalar çok kere çözündürüldükten sonra tüketilirler. Çözündürme gıda kalitesini etkiler bu nedenle çözündürme için önerilen kurallara uyulması zorunludur. • Çözündürme, dondurma işleminden daha uzun sürer (eriyen buzun yüzeyde oluşturduğu su tabakasının izolasyon etkisi) • Damlama kaybı (donma sırasında hücre parçalanması veya tekrar kristallenme) • Enzim aktivitesi ve mikrobiyal gelişme (eğer kontaminasyon varsa)

35. Çözündürme Sırasında Dikkat Edilecek Hususlar • Ürünün kontamine olmaması gerekir. Kontamine olmuş ürünün tekrar dondurulması, gıdaya bulaşan mikroorganizmaların özellikle çözündürme işlemi sırasında hızla çoğalmasına ve dolayısıyla gıdanın tüketim güvenliğinin azalmasına neden olur. • Dondurularak muhafaza edilen ürünlerin kuruması ambalajlama ile önlenir. Depolama/taşıma sırasında sıcaklık dalgalanmaları, ambalaj içindeki havanın su buharı miktarının artmasına ve sıcaklık düşünce de ambalaj içinde karlanmaya neden olur.

36. Dondurularak saklanan gıdaların dayanma süresi • Gıdada dondurulamayan olarak bulunan suyun pH’sı, viskozitesi, aw’si, redoks potansiyeli, gıdanın dondurulmadan önceki değerlerinden farklıdır, örneğin bileşenlere bağlı olarak pH ve redox potansiyeli artar veya azalır, aw düşer, viskozite artar. Sonuç olarak dondurulmuş gıdanın bozulma mekanizması, aynı gıdanın taze haldeyken bozulma mekanizmasından farklıdır.

37. Dondurucu Sistemler • Gıda maddesinin soğutucu ortamla doğrudan temas ettiği sistemler (soğuk hava üflemeli), - Tepsili dondurucu - Bantlı dondurucu - Soğuk depolar veya soğuk dolaplar (Chest freezers) • Akışkan yatak dondurucular, Bireysel Hızlı Dondurucu (IQF) • Kriyojenik : Sıvılaştırılmış gazlara daldırma veya sıvılaştırılmış gaz püskürtme • Plakalı dondurucular (Gıda maddesi soğutucu ortamla dolaylı olarak temas eder)

38. Dondurucu seçiminde etkili faktörler (Selection criteria) • Arzu edilen dondurma hızı (rate of freezing required); • Gıda ambalajının irilik, şekil ve malzemesi (size, shape and packaging requirements of the food); • Kesikli veya sürekli sistem gereksinimi (kapasiteye ve kaç çeşit ürün işleneceğine bağlıdır) (batch or continuous operation, depending on the scale of production and the number of product types)

39. Soğuk depolar veya soğuk dolaplar (Chest freezers) • Gıda maddesi ‑20°C and -30°C’de durgun havada (hava sirkülasyonu yok) dondurulur. • Ticari olarak uygulanmaz, donma hızı yavaş, düşük kalite, ekonomik değil.

40. Hava Üflemeli dondurucular (Blast freezers) • Dondurucu içinde ‑30°C and ‑40°C de 1.5 - 6 ms-1 hızla hava sirkülasyonu vardır. • Hava akımı yüzey ısı transfer katsayısının artmasına neden olur. • Kesikli sistemler- gıda maddesi tepsiler içinde üst üste kabinlere yerleştirilir, içeriye soğuk hava üflenir. • Sürekli sistemler- bantlı veya tünel dondurucular

41. Plakalı dondurucular(Cooled‑surface freezers) • Sıyırmalı yüzey dondurucular (Scraped surface freezers) • Plakalı dondurucular (Plate freezers)

42. Dondurma Yöntemleri • Durgun soğuk hava ile dondurma: Durgun hava dondurma odalarında hareketi sağlayan hiçbir düzen yoktur. Hava doğal akımla hareketlidir. • Dondurulacak gıda raflar arasına istiflenir. Soğuk odanın sıcaklık derecesi -15 ile -30oC arasında değişir. Havanın ısı iletkenliği düşük olduğundan gıda • maddesinin donması çok uzun süre alır.

43. Hava akımında dondurma Dondurma odalarında hava sirkülasyonunu sağlayan düzenek vardır. -30 veya -45oC’deki hava çok hızlı bir şekilde ürün üzerine üflenir. Böylece gıda maddesinin hızla dondurulması sağlanır.

44. İndirekt kontakt yöntemiyle dondurma İçten soğutan iki plaka arasına yerleştirilmiş ambalajlı ürünlerin plaka ile teması sonucu -18oC’ye kadar soğutulmasıdır.

45. Daldırarak dondurma yöntemi Ambalajlanmış veya ambalajlanmamış gıda maddesinin düşük derecelere kadar soğutulmuş uygun bir sıvıya daldırılması veya bu sıvının ürün üzerine püskürtülmesi ile yapılır. Daldırarak dondurmada kullanılan sıvılardan en yaygınları; salamura, tuz çözeltisi, şeker şurubu ve gliserol çözeltileridir.

46. Kriyojenik sıvılarda dondurma Kaynama noktası çok düşük olan sıvılaştırılmış gazlara “kriyojenik sıvılar” denir. En çok kullanılanlar sıvı azot ve sıvı karbondioksit gazlarıdır. Sıvı azot ile dondurmada dondurulacak gıda ya sıvı azota daldırılır ya da sıvı azot damlacıklar hâlinde gıda üzerine püskürtülür veya düşük derecelerdeki azot gazı dondurulacak gıda üzerinden geçirilir.