Modifikation des Vakuums

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 7900 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Das Vakuum-Dampf-Auftauen ist eine der Methoden zum Auftauen von Lebensmitteln, die in einer Wasserdampfatmosphäre unter Unterdruckbedingungen durchgeführt wird. Der im Vakuum entstehende Wasserdampf mit einer Temperatur von 20 °C füllt die Auftaukammer und kondensiert auf der Oberfläche des aufgetauten Produkts. Der kondensierte Dampf dient als Wärmeenergie und ermöglicht das Auftauen des Produkts. Die Studie stellt eine Modifikation dieser Methode vor und führt eine zusätzliche Stufe des Sublimations-Dehydratisierungs-Vakuum-Dampf-Auftauens (SRVST) ein. Die Studie wurde für verschiedene Varianten des anfänglichen Sublimationsgrads (im Bereich von 0 bis 15 %) einer Schweinelendenscheibe (M. longissimus lumborum) durchgeführt, um die endgültige Wirkung des Vakuum-Dampf-Auftauprozesses zu bewerten. Die Auftaukinetik wurde mit der SRVST-Methode, der Grad des Auftauens der Proben und der Grad ihrer Rehydrierung bestimmt. Basierend auf den Ergebnissen wurde gezeigt, dass die Verwendung einer 12-prozentigen Sublimationstrocknung einer Fleischprobe deren vollständiges Auftauen ermöglicht (Erreichen einer Temperatur, die die kryoskopische Temperatur nicht überschreitet).

Da in der Lebensmittelverarbeitung gefrorene Lebensmittel, insbesondere Fleisch und Fisch, verwendet werden, ist das Auftauen erforderlich. Neben dem Einfrieren und Lagern hat dieser Prozess einen erheblichen Einfluss auf die Qualität von Lebensmitteln. Es sollten Bedingungen durchgeführt werden, die eine möglichst vollständige Wiederherstellung der ursprünglichen Eigenschaften des Produkts gewährleisten. Zu diesem Zweck sollten die Überhitzung der Produktoberfläche während des Auftauens und die Tropfverluste beim Auftauen begrenzt werden, die zu erheblichen Qualitätseinbußen und physikalischen, biochemischen und mikrobiologischen Veränderungen des Produkts führen1,2,3,4,5,6. Es stehen zahlreiche Auftaumethoden zur Verfügung7,8,9,10,11,12. Die bekanntesten Methoden zum Auftauen von Fleischrohstoffen sind die traditionellen Methoden – das Auftauen an der Luft und das Eintauchen in Wasser oder Salzlake. Diese Auftaumethode ist ziemlich langwierig (sie kann bis zu 3 Tage dauern), erfordert die Gewährleistung einer großen Lagerfläche und stellt aufgrund der Möglichkeit einer Kreuzkontamination eine erhebliche mikrobielle Gefahr dar13,14,15. Eine Alternative zu dieser Methode sind die Abtaukammern zur Kontakt- oder Dampf-Luft-Abtauung. In den letzten Jahren wurde ein kontinuierliches Interesse an der Erforschung neuer Auftautechnologien geäußert, beispielsweise der Verwendung von Hochdruckmikrowellen, Ultraschall und Infrarot8,12,14,16,17. Es wurden Untersuchungen zum Auftauen von Dielektrika, Radiowellen und elektrostatischen Hochspannungsfeldern durchgeführt5,9,18,19,20. Eine Reihe von Studien befasst sich mit Modifikationen bekannter Methoden, z. B. Vakuum-Dampf-, Sublimationskontakt- oder Sublimation-Vakuum-Dampf-Auftauen10,11,17,21,22. Letztere Methode wird in der vorliegenden Studie behandelt.

Nach der Methode des Dampfauftauens wird die Wärmeenergie durch Wasserdampfkondensation auf der Oberfläche der aufgetauten Lebensmittelprodukte bereitgestellt. Diese Wärme, die für den Phasenübergang von Eis zu Wasser in einem gefrorenen Rohmaterial erforderlich ist, wird durch den Phasenübergang von Dampf zu Wasser gewonnen. Die Variante des Dampfauftauens besteht in der Anwendung von Unterdruck für den Prozess, dem sogenannten Vakuum-Dampf-Auftauen (VST). Das mit dieser Methode aufgetaute Produkt wird in eine Vakuumkammer gegeben, aus der Luft abgepumpt wird. Am Boden der Kammer befindet sich ein offenes Gefäß mit Wasser oder die Kammer ist mit einem externen Tank verbunden. Durch diesen Unterdruck (ca. 2400 Pa) beginnt Wasser bei Raumtemperatur (ca. 20 °C) zu sieden. Um das Wasser im Siedezustand zu halten, muss es erhitzt werden. Dies geschieht normalerweise durch Erhitzen mit Dampf, manchmal auch durch einen Wasserwärmetauscher oder elektrische Heizgeräte. Die Kondensationswärme wird vom gefrorenen Produkt genutzt, was zu dessen schnellem Auftauen führt (ca. 120 g Kondenswasser taut 2 kg gefrorenes Produkt auf)22,23. Ein positives Ergebnis dieser Methode ist die Tatsache, dass das Auftauen mit Vakuumdampf bei einer Temperatur von 20 °C erfolgt. Auf diese Weise wird eine Überhitzung der Oberfläche aufgetauter Lebensmittel vermieden, die beim Auftauen bei Normaldruck mit Dampf mit einer Temperatur von 100 °C auftritt19,23,24,25,26,27. In den 1970er Jahren wurden industrielle Lösungen zum Vakuum-Dampf-Auftauen umgesetzt. Diese Technologie wurde jedoch aufgrund des negativen Phänomens erheblicher Tropfenverluste zurückgezogen. Die Autoren haben diese Methode des Vakuum-Dampf-Auftauens durch die Einführung einer zusätzlichen Stufe der Vortrocknung des Materials modifiziert. Es wurde angenommen, dass bei der Eissublimation aus Produkten mit Zellstruktur das Eis leichter aus den Kanälen und dem Interzellularraum sublimiert als aus dem Inneren der Zellen. Dadurch entsteht eine innere poröse Struktur11,20,25,28,29. Die Modifikation wurde als Sublimation-Dehydration-Vakuum-Dampf-Auftauen (SRVST) bezeichnet.

Wasser macht etwa 75 % des mageren Schweinefleischs aus1,30. Verschiedene Prozessschritte, also Schneiden, Erhitzen, Mahlen, Pressen und insbesondere das Einfrieren/Auftauen von Fleisch, führen zu zahlreichen ungünstigen qualitativen Veränderungen, die von der Höhe des Gewichtsverlusts abhängen. Unter optimalen Bedingungen für das Einfrieren, Lagern und Auftauen von Schweinefleisch erreichen die durch den Auftauverlust verursachten Gewichtsverluste 10 %, bei Abweichungen können sie sogar 18 % erreichen31. Dies ist auf die kurze Auftauzeit und die fehlende Rehydrierung der aufgetauten wässrigen Phase zurückzuführen. Die Lagerung von Fleisch bei einer Temperatur von −20 °C führt zum Gefrieren von etwa 80 % des darin enthaltenen Wassers19,24,32, dann sind 60 % des gefrorenen Fleisches Eis (75 % Wassergehalt × 80 % gefrorenes Wasser = 60 % Eis). das Fleisch). Nach Gl. (1) Die zum Auftauen von Fleisch benötigte Wärme (Qt) (m = 0,6 · mm) ist ein Produkt aus der Fleischmasse (mm) und dem darin enthaltenen Massenanteil Eis (0,6) multipliziert mit der Wärme der Eis-Wasser-Phase Änderung (ct = 335 kJ/kg).

Die durch den kondensierenden Dampf an das Produkt abgegebene Wärme, also die Wärme des Dampf-Flüssigkeits-Phasenwechsels, beträgt cp = 2260 kJ/kg. Somit wurde die Menge an Dampf (mp), die zum Auftauen einer bestimmten Fleischmasse benötigt wird, durch Gleichung (1) bestimmt. (2):

Zur Kontrolle beträgt das Gewicht des zum Auftauen benötigten Dampfes (mp) im Verhältnis zum Gewicht des Fleisches (mm):

Wenn diese Daten in der Wärmebilanz berücksichtigt werden, zeigt sich, dass das Material vollständig aufgetaut wird, wenn 9 % der Wassermasse aus gefrorenem Fleisch sublimiert werden und an seiner Stelle (der porösen Struktur) Wasserdampf entsteht.

Basierend auf den oben genannten Umständen wurde eine Hypothese aufgestellt, die besagt, dass, wenn etwa 9 % des Eises aus gefrorenem Fleisch sublimiert werden, dieses nach dem Einbringen von Dampf in die so geschaffene poröse Struktur des Fleisches unter Umgehung von Wasser in seinem gesamten Volumen aufgetaut wird Wärmedurchdringung von der Oberfläche. Bei der Vakuum-Dampf-Auftauung kondensiert Dampf auf der Oberfläche des aufgetauten Materials und die Wärme dringt aufgrund des Leitfähigkeitsprinzips in das Material ein. Die Anwendung der Sublimationstrocknung in der Anfangsphase des Vakuum-Dampf-Auftauens führt jedoch zum Eindringen (Absorption) von Wasserdampf in die poröse Struktur des aufgetauten Materials (im Stadium der Kammerbedampfung) und zu seiner Kondensation innerhalb des Materials. Der kondensierende Dampf überträgt die Wärme aus dem Kondensationsphasenwechsel, was zu einem gleichmäßigen Auftauen des Materials über sein gesamtes Volumen führt und so das Auftauen der Oberfläche und den Tropfverlust beim Auftauen begrenzt.

Ziel der Studie war es, die Möglichkeit der Sublimationsanwendung als Vorstufe des Auftauens von Fleischgewebe mit der Vakuum-Dampf-Methode zu demonstrieren und den Einfluss der Wassersublimation auf den Auftaugrad einer Fleischportion zu bestimmen. Basierend auf der aufgestellten Hypothese würde die Anwendung der Sublimation zur Bildung einer porösen Struktur des aufgetauten Materials führen, die eine Dampfaufnahme ermöglichen und somit den Auftauvorgang verkürzen würde. Basierend auf der Untersuchung wurde der Einfluss des Grads der Wassersublimation auf den Auftaugrad der Fleischprobe und den Grad der Rehydrierung sowie die Art dieser Wechselwirkungen bestimmt. Das Zwischenziel der Arbeit bestand darin, die Zeit zum Auftauen der Fleischprobe zu verkürzen und gleichzeitig die Qualität des Rohmaterials aufrechtzuerhalten, die durch den Grad der anfänglichen Gewichtserholung – den Grad der Rehydrierung (Sr) – bestimmt wird.

Das Forschungsmaterial besteht aus dem Musculus longissimus dorsi eines männlichen Mastschweins der polnischen Landrasse (Fleischart) mit einem Gewicht von 100 kg, entnommen aus dem Lendenteil (M. longissimus lumborum). Der Kadaver wurde nach der Schlachtung zwei Tage lang in einem Kühlhaus gelagert. Die Fleischprobe wurde durch kreuzweises Schneiden der Muskelfasern auf eine Dicke von ca. 1 mm hergestellt. 20 mm und Gewicht 100 g ± 5 g (Länge ca. 70 mm, Breite ca. 30 mm). Auf diese Weise wurden 21 Fleischproben hergestellt (3 Wiederholungen für jede Sublimationsvariante). Die Proben mit eingesetzter Thermoelementspitze6 wurden auf eine Temperatur von −30 °C konvektionsgefroren und bei dieser Temperatur für einen Zeitraum von 2 Wochen gelagert. Nach dieser Zeit wurden die Proben mittels Sublimations-Dehydratisierungs-Vakuumdampfauftauen aufgetaut.

Die Vakuumkammer bestand aus einem zylindrischen Gefäß (1), das mit einer Glasplatte (2) bedeckt war, die die Beobachtung des Prozesses ermöglichte, und an eine Vakuumpumpe (3) angeschlossen war. Die Kammerbedampfung erfolgte mit Dampf aus einem beheizten Wassertank (4), der über eine Leitung mit Ventil mit der Kammer (1) verbunden war. Die gefrorene Fleischprobe (5) wurde in einer Vakuumkammer unter einem Gewichtssensor (7) platziert. Die Messsignale von Thermoelement (6) (Thermoelement Typ K, Stabdicke 0,2 mm, Messfehler ± 1 °C) und Gewichtssensor (7) (Waagenmodul Typ IL 0,2, von Mensor, Genauigkeitsklasse III, Eichwaage e = 0,01 g) werden von einer Analog-Digital-Karte (8) gesammelt, auf einen Computer übertragen und mit der MatLAB-Software verarbeitet. Die Messwerte (3 Wiederholungen für jede Variante) wurden im Computerspeicher archiviert. Während der Sublimation wurden zwei IR-Lampen (9) mit 2 × 5 W eingeschaltet, die das sublimierte Material (5) mit Wärme versorgen.

Eine Ansicht des Versuchssystems und ein Diagramm mit Messelementen, die für den Inhalt der vorliegenden Arbeit von Bedeutung sind, sind in Abb. 1a,b dargestellt.

Prüfstand für das Auftauen mit Sublimations-Vakuumdampf: (a) Anordnung der Ausrüstung; (b) Diagramm des Versuchsaufbaus: 1 – Vakuumkammerbehälter, 2 – Glasabdeckung, 3 – Vakuumpumpe, 4 – Wassertank mit Heizung, 5 – Fleischprobe, 6 – Thermoelementdraht vom K-Typ (NiCr-NiAl) , 7 – Gewichtsmodul vom Typ IL 0,2, hergestellt von Mensor, 8 – Platte vom Typ PCLD-8710, verbunden mit einem Temperaturkompensator vom Typ PCLD-8710 und einer Messkarte vom Typ PCI-1710, 9 – Infrarotstrahler.

Am Gewichtsmesssensor wurde eine gefrorene Fleischprobe mit Thermoelement aufgehängt. Das Thermoelement und der Gewichtssensor wurden an die Messkette angeschlossen und anschließend wurde die Kammer mit dem Deckel verschlossen. Dem Vakuum-Dampf-Auftauprozess ging die Vorstufe der Fleischtrocknung voraus. Hierzu wurde die Vakuumpumpe bei geschlossenem Wassertankventil gestartet. Nachdem ein Vakuum von 50 Pa erreicht wurde, wurden IR-Lampen eingeschaltet und der Sublimationsprozess durchgeführt, bis der angenommene Dehydratisierungsgrad erreicht war (Ss [%] = 0; 2; 5; 8; 10; 12; 15). Gleichzeitig wurde der Gewichtsverlust der Probe aufgrund ihrer Sublimationsdehydratisierung überwacht. Nachdem das entsprechende Probengewicht erreicht war, wurden die IR-Lampen ausgeschaltet, das Saugventil der Vakuumpumpe geschlossen und das Ventil zum Wassertank geöffnet, was zu einer Dampfbildung in der Kammer führte. Durch die Erwärmung des Wassertanks wurde die Temperatur in der Kammer während des Dampfgarens auf einem Niveau von 20–30 °C gehalten. In diesem Zeitraum kam es zur Wasserdampfaufnahme durch das sublimierte (poröse) Material und zu dessen Auftauen. Das Dämpfen wurde zum Zeitpunkt der Beobachtung von Dampf auf dem aufgetauten Fleisch (Erscheinen von Wassertröpfchen auf der Oberfläche) abgeschlossen (durch Schließen des Dampfzuflusses) und gleichzeitig die Dampfaufnahmezeit der aufgetauten Probe bestimmt. Anschließend wurde die Kammer entspannt und die erhaltene Probe auf den Grad ihrer Auftauung untersucht.

Der Sublimations-Dehydratisierungsgrad (Ss) wurde mit der Gleichung bestimmt. (3), da sich die Beziehung zwischen dem Gewicht des sublimierten Eises (mi) und dem anfänglichen Probengewicht (mo) ergibt und sich das Gewicht des sublimierten Eises aus der Differenz zwischen dem anfänglichen Probengewicht und dem Gewicht nach der Dehydrierungsstufe (ms) ergibt:

Der Auftaugrad (St) wurde durch die Identifizierung des aufgetauten Feldes (Temperatur über 0 °C), des nicht aufgetauten Feldes (Temperatur unter 0 °C) und der Temperatur im Inneren der Probe (Ablesung vom Thermoelement) ermittelt. Dazu wurde die aufgetaute Probe mittig aufgeschnitten, wodurch zwei Messproben mit einer Dicke von ca. 1 mm entstanden. 10 mm. Die Messung der Fläche der aufgetauten und nicht aufgetauten Oberfläche erfolgte mit zwei Methoden. Mittels einer Thermovisionskamera (FLIR Typ 559384, Hersteller FLIR System Inc. Wilsonville) wird die Temperaturverteilung auf dem Probenquerschnitt nach dem Auftauvorgang bestimmt und anhand der Probenhärtebewertung die Grenzen der gefrorenen Zone abgegrenzt der aufgetauten Zone. Der zweite Test wurde durchgeführt, indem die Fleischprobe mit einer Nadel durchstochen wurde, um harte – gefrorene – von weichen – aufgetauten Feldern zu trennen. Anschließend wurde eine Reihe digitaler Fotos der vorbereiteten Proben aufgenommen, die einer Bildanalyse in der MatLAB-Umgebung unterzogen wurden. Die Analyse erforderte eine zusätzliche Identifizierung der Grenzen des markierten Feldes (der Umriss wurde durch Zusammenfügen der Einstichstellen erstellt). Der MatLAB-Algorithmus ermöglicht auf der Grundlage der festgelegten Kanten die Bestimmung der Größe der Oberfläche unter Berücksichtigung ihrer unregelmäßigen Form. Diese Werte wurden zur Berechnung der gefrorenen Fläche verwendet. Aus den Messergebnissen wurde der Abtaugrad St nach Gl. berechnet. (4).

Die obige Gleichung berücksichtigt das aufgetaute Feld (Ft) im Verhältnis zur Gesamtquerschnittsoberfläche (Fc) und das Temperaturinkrementniveau (ΔT) im Verhältnis zum beobachteten Bereich der kryoskopischen Temperatur (ΔTcr) relativ zum gefrorenen Feld ( Ff). Eine ausführlichere Beschreibung der Identifizierung von ΔT und ΔTcr erfolgt in der Diskussion der Ergebnisse zur Kinetik des Auftauens (Abb. 4).

Die Qualität der Probe nach dem Auftauen wurde anhand des Indikators beurteilt, der den Grad der anfänglichen Gewichtserholung charakterisiert – Grad der Rehydrierung (Sr), bestimmt mit Gleichung Nr. 5, als Verhältnis des Gewichts nach Abschluss des Auftauvorgangs (nach der Rehydrierung) (me) in Bezug auf das anfängliche Probengewicht (mo).

Die Messunsicherheit Δ für die Werte: Sublimations-Dehydratisierungsgrad (Ss), Auftaugrad (St) und Rehydrationsgrad (Sr) basierte auf der Intervallschätzungstheorie unter Verwendung des Student-t-Tests für das Konfidenzintervall α = 0,05, gemäß Gleichung Nr. 6.

Die Studie wurde in drei Wiederholungen für jede Sublimations-Dehydratisierungsvariante Ss durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse der Massenmessung wurden gemittelt und in Diagrammen als Beziehungen zwischen dem Grad des Auftauens (St) und dem Grad der Rehydrierung (Sr) auf dem Grad der Sublimation (Ss) aufgeführt. Für die erhaltenen Ergebnisse wurden Standardabweichungen der Streuung in Bezug auf die erhaltenen Mittelwerte bestimmt. Ein HSD-Tukey-Post-hoc-Test wurde verwendet, um die Signifikanz des Einflusses der Sublimationsdehydratisierung auf den Grad des Auftauens und das Probengewicht nach dem Auftauen zu überprüfen. Zusätzliche statistische Analysen wurden durchgeführt, um die Art des Dehydratisierungsgrads auf der Ebene des Auftauens St = f(Ss) und des Probengewichts nach dem Auftauen Sr = f(Ss) zu bestimmen, indem die Regressionsfunktionen für diesen Zweck bestimmt wurden. Jeder statistische Test wurde im Programm Statistica 13.1 durchgeführt.

Ein Beispiel für die aufgezeichneten Änderungen des Probengewichts während ihrer Sublimation für einzelne Dehydratisierungsgrade ist in Abb. 2 dargestellt. Der Kurvenverlauf soll wie folgt interpretiert werden. Der beobachtete lineare Gewichtsverlust entspricht dem Stadium der vorläufigen Dehydrierung der Fleischprobe auf das im Versuchsplan angenommene Niveau. Andererseits entspricht der schnelle Wachstumsanstieg dem Kammerdämpfungsstadium.

Die Masse der Probe ändert sich während der Sublimation für unterschiedliche Grade der Sublimationsdehydratisierung Ss.

Für jede Variante des angenommenen Dehydrierungsgrads wurde das Endgewicht der Fleischprobe bestimmt, das das Kriterium für den Abschluss der Sublimationsstufe darstellt. Für die Entwässerung von Ss = 8 %; Bei 10 % und 12 % wurde ein geringfügiger wiederholter Gewichtsverlust beobachtet. Dies kann durch ein zu geringes Volumen der bei der Sublimation erzeugten porösen Schicht verursacht werden. Kondensierender Wasserdampf und der beim Auftauen entstehende Tropfverlust werden vom dehydrierten Gewebe nicht vollständig absorbiert und entweichen im weiteren Verlauf des Auftauvorgangs aus der Probe, was zu Gewichtsverlust führt.

Abbildung 3 zeigt ein Beispieldiagramm der Kinetik der Temperaturänderung einer Fleischprobe in ihrem geometrischen Zentrum für verschiedene Ss-Sublimationsniveauvarianten im Zeitverlauf.

Die Temperatur Tc ändert sich in der Mitte der Probe während des Auftauens SRVST-Methode für verschiedene Grade der Sublimationsdehydratisierung Ss.

In der Sublimationsphase wurde die Tc-Temperatur für jede der analysierten Varianten im Bereich zwischen –28 und –22 °C gehalten. Der Zeitpunkt des Temperaturabfalls in der ersten Sublimationsstufe ist auf das wiederholte Einfrieren von Proben zurückzuführen. Nach dieser Phase lag die Temperatur jeder der analysierten Dehydrierungsvarianten zwischen –28 und –26 °C. Die zur Durchführung der Sublimation notwendige Wärmeenergie wurde mittels IR-Lampen bereitgestellt, die nach der Zeit von ca. Nach ca. 1000 s kam es zu einem geringfügigen Temperaturanstieg der aufgetauten Probe, gefolgt von deren Stabilisierung auf dem Niveau von ca. 1000 s. Tc = − 23 °C. Besonders deutlich wird dies bei den Austrocknungsvarianten SS = 5–15 %.

Abbildung 4 zeigt die Kinetik der Temperaturänderungen einer aufgetauten Fleischprobe im Stadium des Vakuumkammerdämpfens (Temperaturanstiegsphase, entwickelt aus Abbildung 3). Das ΔT-Symbol wurde verwendet, um den Bereich der Phasenänderung zu bestimmen, die im Fleisch während des Auftauens für einzelne Sublimationsvarianten auftritt, während das ΔTcr den Bereich der als kryoskopisch angenommenen Temperaturen bestimmte (von –5 bis 0 °C). Das Diagramm zeigt das Ergebnis für die Dehydrierungsvarianten SS = 8; 10; 12 und 15 %, da für die übrigen Varianten (0; 2 und 5 %) die erhaltenen Temperaturwerte nicht im angenommenen kryoskopischen Bereich lagen. Die Dauer der Bedampfungsphase war für jede analysierte Variante der Sublimationsentwässerung unterschiedlich, was anhand des Verlaufs der Messkurve visualisiert wird. Das Ende der Leitung bestimmt den Zeitpunkt, zu dem Wasser von der Probenoberfläche zu tropfen beginnt. Die dargestellten Temperaturänderungskurven zeigen, dass bei einem Dehydrierungsgrad von SS = 12 % die Probe zum Zeitpunkt des Auftretens von Tropfen vollständig aufgetaut war. Es geht von einer Innentemperatur von ca. − 1 °C. Bei niedrigeren Austrocknungsgraden (8 und 10 %) bleibt das Innere gefroren, bei Temperaturen unter –4 °C. Bei SS = 15 % wiederum taut die Probe auf, bevor eine vollständige Rehydratisierung der dehydrierten Struktur erfolgt, und im letzten Moment des Prozesses erreicht die Temperatur positive Werte, Tc = 5 °C. Die dargestellte Kinetik gibt auch Aufschluss über die Abtaurate. Die Zeit, in der Fleisch in seinem geometrischen Mittelpunkt die Temperatur von 0 °C erreicht, ist umso kürzer, je stärker die Sublimation der Eiskristalle ist.

Vergleichende Kombination von Temperatur-Tc-Änderungen in der Mitte einer Probe im Stadium der Wasserdampfabscheidung für 8 %, 10 %, 12 % und 15 % der Sublimationsdehydratisierung: ΔT ist der Bereich der Phasenänderung, die im Fleisch während des Auftauens für einzelne Personen auftritt Sublimationsvarianten; ΔTcr der Temperaturbereich, der als kryoskopische Temperaturen angenommen wird (von −5 bis 0 °C).

Abbildung 5 zeigt beispielhafte Fotos aus den Messungen der aufgetauten und nicht aufgetauten Oberflächenbereiche der analysierten Probe an ihrem Querschnitt – unter Verwendung der Wärmebildmethode 5a und der Punktionsmethode 5b.

Schnitt durch eine aufgetaute Probe: (a) Bild des Temperaturfeldes von der Wärmebildkamera (Typ 559384, FLIR Systems. Inc., Wilsonville), (b) Grenze des gefrorenen Bereichs – identifiziert durch Einstechen mit Stiften: Ff – gefroren Oberfläche, Ft – aufgetaute Oberfläche.

Das Ergebnis der Messungen war die Bestimmung der Größe der aufgetauten Fläche (Ft) im Verhältnis zur Gesamtquerschnittsfläche (Fc) und der Größe der gefrorenen Fläche (Ff). Die Thermovisionsmethode erwies sich als unzureichend und führte zu einem Messfehler, der auf die schnelle Temperaturschwankung der Probenoberfläche während der Beobachtung zurückzuführen war. Somit wurden weitere Analyseergebnisse basierend auf den Ergebnissen der Punktionsmethode gewonnen, die sich als eindeutiger herausstellten.

Abbildung 6 zeigt Ergebnisse von Messungen und Berechnungen des Auftaugrades (St) und des Grades der primären Gewichtserholung – Rehydratationsgrad (Sr) für alle getesteten Dehydrationsvarianten.

Abhängigkeit des Auftaugrades St und des Rehydratisierungsgrades Sr für unterschiedliche Sublimationsdehydratisierungsgrade Ss.

Es wurde beobachtet, dass mit zunehmender Sublimationsentwässerung der Grad des Auftauens der Probe zunimmt. Dieser Zusammenhang (innerhalb des getesteten Variablenbereichs) kann mit einer Exponentialfunktion erklärt werden. Die erhaltenen Ergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass mit zunehmendem Sublimationsdehydratisierungsgrad der Rehydratisierungsgrad linear abnimmt. Bei Ss = 15 % entwässert ca. Es wird ein Gewichtsverlust des Produkts von 8 % beobachtet. Allerdings ist zu betonen, dass dieser Wert laut Literatur im normalen Bereich für den Prozess des Einfrierens und Auftauens liegt31.

Bei den angenommenen Varianten (mit Ausnahme der 0 % Nullprobe) ist ein Sublimationsstadium erkennbar, das durch eine Gewichtsabnahme der untersuchten Proben gekennzeichnet ist. Sobald die Kammer bedampft wird, diffundiert der Wasserdampf in das System und gibt Wärme ab. Dadurch erhöht sich das Probengewicht – es kommt zur Rehydrierung. In dem Moment, in dem eine Dampfkondensation auf der Materialoberfläche beobachtet wurde (es trat ein Tropfen auf und das Probengewicht begann sich zu verringern), wurde die Dampfbehandlungsphase unterbrochen. Temperaturänderungen innerhalb der Probenzentren für diese beiden Auftauphasen sind in den Abbildungen dargestellt. 3 und 4. Die Dampfbehandlung in der Kammer führte zum Auftauen der Probe aufgrund der Wärmeübertragung durch den kondensierenden Dampf an der Oberfläche, hauptsächlich jedoch innerhalb der porösen Struktur des aufgetauten Materials. Der kondensierte Dampf füllte die freien Räume der porösen Struktur der dehydrierten Fleischprobe, kondensiert dann im Inneren, gibt latente Wärme ab und führt zum Auftauen. Nach der Rehydrierung der dehydrierten porösen Struktur, die schneller erfolgt als das vollständige Auftauen der Probe, erfolgt der Auftauvorgang mittels Leitfähigkeit. Die Studienergebnisse stimmen mit Berichten anderer Autoren überein und zeigen, dass durch den Vakuumsublimationsprozess – Rehydratationsauftauen – auch die Auftaurate im Vergleich zur herkömmlichen Methode des Vakuum-Dampf-Auftauens (Nullproben-Ss = 0 %) deutlich verbessert wird11. Dies wird durch die latente Wärme verursacht, die durch den in der Fleischprobe kondensierenden Dampf freigesetzt wird. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass die Effizienz dieses Prozesses auch vom Grad der Eiskristallsublimation im gefrorenen Produkt abhängt. Der Grad der Sublimation beeinflusst die Anzahl der Kanäle (Räume), die im Material gebildet werden und für die Wanderung der Wasserpartikel in der Dampfphase erforderlich sind. Je größer die Anzahl der Kanäle (Poren), desto geringer ist der Widerstand gegen den Austausch von Wärme und Dampfgewicht, das von außen nach innen im Material wandert. Dadurch wird nicht nur die Auftaugeschwindigkeit erhöht, sondern auch die Rehydrierungszeit verlängert (Beispielvariante Ss = 15 %) und die Gewichtsverluste verringert. Damit wird die aufgestellte Hypothese über die Möglichkeit des Vakuum-Dampf-Auftauens von Fleisch unter Nutzung der Vorphase der Sublimationstrocknung bestätigt.

Die Analyse des Wärmehaushalts beim Vakuum-Dampf-Auftauen von Fleisch zeigt, dass es ausreicht, die Eismasse der Probe, die 9 % ihrer Masse ausmacht, zu sublimieren, um durch Ausgleich dieses Verlusts durch diffundierenden Wasserdampf ein vollständiges Auftauen zu erreichen das im Fleisch verbleibende Eis21,22. Die erhaltenen experimentellen Studienergebnisse bestätigten im Allgemeinen diese Hypothese, da SS = 12 % Dehydrierung es ermöglichte, ein Auftauen des Fleisches auf dem Niveau von 96 ± 0,5 % zu erreichen. Der Hauptgrund für den erhaltenen Unterschied (in Höhe von 3 %) könnte die Bildung einer heterogenen porösen Struktur im gesamten Volumen der aufgetauten Fleischprobe im Sublimationsstadium sein. Für die obige Sublimationsvariante hatte der Rehydratisierungsgrad einen ähnlichen Wert von 96 ± 2 %. Bei aufgetautem Fleisch (Ss = 12 %-Variante) konnten keine zusätzlichen Auftauverluste oder Verfärbungen beobachtet werden, das Fleisch war an der Oberfläche leicht feucht, tropfte nicht und zeichnete sich durch natürliche Elastizität aus. Ein niedrigerer Dehydrierungsgrad (SS < 12 %) führte nicht zu einem vollständigen Auftauen der Fleischprobe. Die bei dieser Variante sublimierte Eismenge reichte nicht aus, um die entsprechende Anzahl an Kanälen und Zwischenräumen zu erzeugen, was dazu führte, dass weniger Dampf in das gefrorene Produkt eindrang und keine Kondensationswärme abgegeben wurde. Allerdings erwies sich die Dehydrierung auf dem Niveau von SS = 15 % als zu hoch. Die bei dieser Entwässerungsvariante erzeugten vielen Kanäle (Poren) führten dazu, dass eine große Menge Wasserdampf in die aufgetaute Probe eindiffundierte und so ein schnelles Auftauen von innen und eine Überhitzung des Materials einsetzte. Bei dieser Probe entsprach der Moment, in dem Wasser von der Oberfläche der Probe tropfte (ein beobachtbares Kriterium für das Ende des Auftauvorgangs), der Temperatur, die 0 °C überstieg (die Temperatur erreichte sogar 5 °C), also deutlich höher als notwendig.

Die Studie präsentiert eine Modifikation der Vakuum-Dampf-Auftaumethode für Fleisch durch die Einführung einer zusätzlichen Sublimations-Dehydrierungsstufe vor der Bedampfung der Vakuumkammer (SRVST-Sublimations-Rehydratisierungs-Vakuum-Dampf-Auftauen). Als Versuchsobjekt wurde der längste Rückenmuskel eines Mastschweins vom Lendenbereich (M. longissimus lumborum) ausgewählt, der durch kreuzweises Schneiden der Muskelfasern zerkleinert wurde und so Kochelemente mit einer Dicke von etwa 20 mm und einem Gewicht von 100 erhalten wurden g ± 5 g. Das Material wurde bei einer Temperatur von −30 °C eingefroren und nach zwei Wochen mit der empfohlenen SRVST-Auftaumethode aufgetaut. Die Methode wurde experimentell verifiziert und auf Grundlage der erhaltenen Studienergebnisse wurden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen.

Im Hinblick auf das bekannte Vakuum-Dampf-Auftauverfahren, bei dem die zum Auftauen benötigte Wärme erst durch die Kondensation von Wasserdampf auf der Oberfläche des Materials entsteht und das Auftauen dann durch dessen Einleitung in das Material erfolgt, wurde das Verfahren um erweitert Die Stufe der vorläufigen Sublimationsdehydratisierung ist vorzuziehen. Das Auftauen erfolgt bei dieser Methode gleichmäßig im gesamten Materialvolumen (nicht von der Oberfläche) und mit einer höheren Geschwindigkeit. Das ungünstige Phänomen des Abtauverlustes tritt beim Auftauen mit dieser Methode nicht auf.

Es liegt ein optimaler Grad der Sublimationstrocknung vor, der das Auftauen ermöglicht. Ist der Dehydrierungsgrad zu niedrig, sind die Kanäle (Poren) im Material zu klein für die Migration von Wassermolekülen, was zu einer Verringerung des diffundierbaren Wasserdampfvolumens und damit zu einer geringeren Freisetzung von Kondensationswärme führt. In einem solchen Fall nimmt die Auftaurate ab. Bei einem zu hohen Dehydrierungsgrad besteht jedoch die Gefahr einer Überhitzung der Probe durch unkontrollierten Temperaturanstieg im aufgetauten Material.

Die durchgeführte Regressionsanalyse ermöglichte die Bestimmung des Zusammenhangs zwischen den Auswirkungen des Dehydratisierungsgrads auf den Auftaugrad St = f(Ss) und dem Probengewicht nach dem Auftauen Sr = f(Ss). Die entwickelten Beziehungen (linear und exponentiell) passen gut zu empirischen Daten. Die Werte der Bestimmungsindizes für die ermittelten Gleichungen sind hoch (R2 = 0,97 − 0,99), was es ermöglicht, die Gleichungen als mathematische Beschreibung dieser Zusammenhänge zu betrachten. Weitere Analysen in diesem Bereich könnten auf der Verwendung der entwickelten Gleichungen zur Modellierung des Prozesses basieren (z. B. numerische Modellierung).

Weitere Forschungen zur Entwicklung dieser Auftaumethode sind unter anderem unter Berücksichtigung von Prozessparametern, also Druck in der Kammer, Wasserdampfvolumen oder Prozesskontrolle, sinnvoll. Die Anwendung dieser Auftaumethode sollte auch bei anderen Produkten, z. B. Obst und Gemüse oder Fischblöcken, unter Berücksichtigung ihrer Abmessungen getestet werden. Darüber hinaus sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Prozessparameter unter kommerziellen Bedingungen zu bestimmen.

Kim, GD et al. Einfluss von Fleischausscheidungen auf die Qualitätsmerkmale von frischem und aufgetautem Schweinefleisch. Fleischwissenschaft. 95, 323–329. https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2013.05.007 (2013).

Artikel PubMed Google Scholar

Boonsumrej, S., Chaiwanichsiri, S., Tantratian, S., Suzuki, T. & Takai, R. Auswirkungen des Einfrierens und Auftauens auf die Qualitätsänderungen von Tigergarnelen (Penaeus monodon), die durch Luftstoß und kryogenes Einfrieren eingefroren wurden. J. Food Eng. 80, 292–299 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Delgado, AE & Sun, D.-W. Einfluss der Oberflächenwasseraktivität auf die Gefrier-/Auftauzeiten und die Vorhersage des Gewichtsverlusts. J. Food Eng. 83, 23–30 (2007).

Artikel Google Scholar

Leygonie, C., Britz, TJ & Hoffman, LC Vergleich der Fleischqualität zwischen frischem und gefrorenem/aufgetautem Strauß M. iliofibularis. Fleischwissenschaft. 91(3), 364–368 (2012).

Artikel Google Scholar

Li, D., Jia, S., Zhang, L., Li, Q. & Luo, Y. Qualitätsänderungen von Karpfenwürfeln (Cyprinus carpio), die während der Kühllagerung mit einem elektrostatischen Hochspannungsfeld (HVEF) behandelt wurden, nach dem Auftauen. Innov. Lebensmittelwissenschaft. Emerg. Technol. 42, 25–32 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Shelly, J., Schmidt, SJ & Lee, WJ Wie verbrennt der Gefrierschrank unsere Lebensmittel? J. Lebensmittelwissenschaft. Educ. 8, 45–52 (2009).

Artikel Google Scholar

Bedane, TF, Altin, O., Erol, B., Marra, F. & Erdogdu, F. Auftauen von gefrorenen Lebensmitteln in einem gestaffelten Hochfrequenzsystem mit Durchgangsfeldelektroden. Eine Fallstudie für gefrorenes Hähnchenbrustfleisch mit Auswirkungen auf Tropfverlust und Textur. Innov. Lebensmittelwissenschaft. Emerg. Technol. 50, 139–147 (2018).

Artikel Google Scholar

Cai, L., Cao, M., Cao, A., Regenstein, J. & Guan, R. Ultraschall- oder Mikrowellen-Vakuumauftauen von Rotbrassenfilets (Pagrus Major). Ultraschall. Sonochem. 47, 122–132 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Velickova, E., Tylewicz, U., Rosa, MD, Winkelhausen, E. & Roman, S. Wirkung eines gepulsten elektrischen Feldes gekoppelt mit Vakuuminfusion auf Qualitätsparameter von gefrorenen/aufgetauten Erdbeeren. J. Food Eng. 233, 57–64 (2018).

Artikel Google Scholar

Li, B. & Sun, D.-W. Neuartige Methoden zum schnellen Einfrieren und Auftauen von Lebensmitteln – Ein Überblick. J. Food Eng. 54, 175–182 (2002).

Artikel Google Scholar

Shanshan, C., Weidong, W., Yingying, Y., Hao, W. & Hua, Z. Experimentelle Studie eines neuartigen Vakuumsublimations-Rehydratisierungs-Auftauens für gefrorenes Schweinefleisch. Int. J. Refrig 118, 392–402. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.06.004 (2020).

Artikel Google Scholar

Gan, S., Zhang, M., Mujumdar, AS & Jiang, Q. Auswirkungen verschiedener Auftaumethoden auf die Qualität von ungefrorenem Fleisch. Int. J. Refrig. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.11.030 (2021).

Artikel Google Scholar

Lan, W., Zhao, Y., Gong, T., Mei, J. & Xie, J. Auswirkungen verschiedener Auftaumethoden auf die physikalisch-chemischen Veränderungen, die Wassermigration und die Proteineigenschaften von gefrorenem Pompano (Trachinotus ovatus). J. Lebensmittelbiochem. 21, e13826. https://doi.org/10.1111/jfbc.13826 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Guo, Z. et al. Ultraschallunterstütztes Auftauen von gefrorenem weißem Yakfleisch: Auswirkungen auf Auftaugeschwindigkeit, Fleischqualität, Nährstoffe und Mikrostruktur. Ultraschall. Sonochem. 70, 105345. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105345 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hong, GP, Chun, JY, Jo, YJ & Choi, MJ Auswirkungen des Eintauchens in Wasser oder Salzlake in Kombination mit Ultraschall auf die Qualitätsmerkmale von gefrorenem Schweinefilet. Lebensmittelwissenschaft. Anim. Ressource. 33(1), 115–121. https://doi.org/10.5851/kosfa.2014.34.1.115 (2014).

Artikel Google Scholar

Rouillé, J., Lebail, A., Ramaswamy, HS & Leclerc, L. Hochdruckauftauen von Fisch und Schalentieren. J. Food Eng. 53, 83–88 (2002).

Artikel Google Scholar

Zielinska, M., Sadowski, P. & Błaszczak, W. Einfrieren/Auftauen und mikrowellenunterstütztes Trocknen von Blaubeeren (Vaccinium corymbosum L.). LWT Lebensmittelwissenschaft. Technol. 62(1), 555–563. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2014.08.002 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

He, Innov. Lebensmittelwissenschaft. Emerg. Technol. 22, 110–115. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2013.12.019 (2014).

Artikel Google Scholar

Pham, QT Kapitel 17 – Auftauen; Barresi, AA & Fissore, D. Kapitel 18 – Gefriertrocknungsausrüstung. In Operations in Food Refrigeration (Hrsg. Mascheroni, RH) (CRC Press Taylot & Francis Group, 2012).

Parniakov, O., Lebovka, NI, Bals, O. & Vorobie, E. Einfluss von elektrischen Feldern und osmotischen Vorbehandlungen auf die Qualität von Äpfeln nach dem Einfrieren und Auftauen. Innov. Lebensmittelwissenschaft. Emerg. Technol. 29, 23–30. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2015.03.011 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Kopeć, A. & Diakun, J. Darlegung des Grades der Sublimationsentwässerung während des Sublimations-Vakuum-Dampf-Fleischauftauprozesses. Landwirtschaft. Ing. 5(93), 229–236 (2007).

Google Scholar

Kopeć, A., Diakun, J. & Milewski, T. Auftauen von Erdbeeren mit der Vakuum-Dampf-Methode. Landwirtschaft. Ing. 2(111), 83–89 (2009).

Google Scholar

Jason, AC Auftauen von gefrorenem Fisch. Ministerium für Landwirtschaft, Fischerei und Ernährung, Theorieforschungsstation (HMSO Press, 1974).

Google Scholar

Gruda, Z. & Postolski, Z. Einfrieren von Lebensmitteln. (WNT Warszawa, 1999).

Pham, QT-Auftauen. In Encyclopedia of Meat Sciences Refrigeration and Freezing Technology 202–208 (Elsevier, 2014).

Everington, DW & Cooper, A. Vakuum-Hitze-Auftauen von gefrorenen Lebensmitteln. II Bull. Inst. Inter. du froid 327–378 (1972).

Fatichov JA Tjechnologicjeskoje oborudowanje otrasli (auf Englisch: Technologische Ausrüstungen in Branchen der Lebensmittelindustrie.) (KGTU Kaliningrad, 2004).

Harris, RJC Biological Applications of Freezing and Drying (Academic Press Inc., 1954).

Google Scholar

Zhao, Y. & Takhar, PS Mikroröntgen-Computertomographie und Bildanalyse von gefrorenen Kartoffeln, die Gefrier-Tau-Zyklen unterzogen wurden. LWT Lebensmittelwissenschaft. Technol. 79, 278–286 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Huff-Lonergan, E. & Lonergan, SM Mechanismen der Wasserhaltekapazität von Fleisch: Die Rolle postmortaler biochemischer und struktureller Veränderungen. Fleischwissenschaft. 71, 194–204. https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2005.04.022 (2005).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Xia, Fleischwissenschaft. 83, 239–245. https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2009.05.003 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Gujgo, E., Żurawska, NK & Kauchczeszwili, EI Sublimationstrocknung von Lebensmitteln (WPL Warszawa, 1968).

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Adam Kopeć, Sylwia Mierzejewska, Aldona Bać, Jaroslaw Diakun und Joanna Piepiórka-Stepuk

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JD und SM schrieben den Haupttext des Manuskripts, Analyse oder Interpretation der Daten. AK und JP Stepuk bereiteten alle Abbildungen, Analyse oder Interpretation der Daten vor. AK, AB – Konzeption oder Design der Arbeit. Alle Autoren überprüften das Manuskript.

Korrespondentin ist Sylwia Mierzejewska.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kopeć, A., Mierzejewska, S., Bać, A. et al. Modifikation der Vakuum-Dampf-Auftaumethode von Fleisch durch Nutzung der Anfangsphase der Sublimationstrocknung. Sci Rep 12, 7900 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12114-7

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Eingegangen: 08. April 2021

Angenommen: 03. Mai 2022

Veröffentlicht: 12. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12114-7

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