DONDURARAK MUHAFAZA

Prof. Dr. Özgül EVRANUZ

TanımGıdaların 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.

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.

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 aw ve önişlemler dondurma işleminde gıdanın bozulmasını geciktiren/önleyen koruyucu etmenledir.

Dondurma temel işleminin aşamaları

• Donmamış halde bulunan ürünün

soğutulması • Dondurma (Freezing) • Donmuş ürünün depolama

sıcaklığına soğutulması

Donma sırasında gıdanın sıcaklığının saptanması??

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

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.

Typical freezing curvestf = freezing timeTf = freezing temperatureTm = temperature of freezing medium

Buz Kristallerinin Oluşumu

T°C

t

Msu Mkm

Msu Mbuz Mkm

A

B'

C

D'E

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.

Ötektik SıcaklıkDondurma 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.

Water content and freezing points

Food Water content Freezing point*

(%) (C)

Vegetables 78‑92 ‑0.8 to ‑2.8

Fruits 87‑95 ‑0.9 to ‑2.7

Meat 55‑70 -1.7 to -2.2

Fish 65-81 -0.6 to -2.0

Milk 87 ‑0.5

Egg 74 ‑0.5

•Defined as the temperature where ice crystals initially start to form•What determines freezing point?.

Ürün Ötektik 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

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.

Yavaş Soğutmanın ürün kalitesine etkisiDondurma 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.

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.

Donma noktasındaki düşme ile gıda bileşimi arasındaki ilişkiyi gösteren eşitlik

TTR

XAg

A

11ln

0

XA = Çözeltideki suyun mol oranı

TA0 = Saf suyun donma noktası

T = Çözeltinin donma noktası

Rg = Gaz sabiti

= Buharlaşma gizli ısısı

Eşitlik 1

Gıdadaki suyun mol oranı

SS MmMm

MmX

AA

AA

A //

/

mA= gıdadaki su yüzdesims= gıdadaki katı madde yüzdesiMA= suyun mol ağırlığı (=18g/mol)MS= gıda katı maddeleri için hesaplanan görünür mol ağırlığı

Gıdanın dondurulması sırasında, herhangibir sıcaklıkta, gıdada donmamış halde bulunan su yüzdesinin hesaplanması için, yine, aynı eşitliklerden yararlanılır.

TTR

XAg

A

11ln

0

SS MmMm

MmX

AA

AA

A //

/

Önce, donma başlangıç noktası kullanılarak Mkm hesaplanır, daha sonra T sıcaklığında XA hesaplanır

Donmamış halde bulunan su yüzdesinin hesaplanması

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.

Donma Süresine Etki Eden FaktörlerÜrünün 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,

Isıl Tutuklanma Süresi (thermal arrest time)

Isıl merkez sıcaklığının 0°C’den –5°C’e

değişmesi için geçen süredir.

Donma süresinin tanımlanması için

kullanılır.

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.

Donma Süresinin HesaplanmasıSorunlar: 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.

k

aR

h

aP

TTt

d

2

Plank Eşitliği

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

P R

Sonsuz Tabaka 1/2 1/8

Sonsuz Silindir 1/4 1/16

Küp ve Küre 1/6 1/24

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.

Dondurulmuş gıdalarda hacim değişimi

Su dondurulduğu zaman hacmi genleşir (~%9), yoğunluğu azalır. Ancak donmuş gıda maddelerinindeki hacim genleşmesi aşağıdaki etmenlere göre farklı derecelerde olabilir:

1. Gıdanın su içeriği,2. Hücrelerarası hava boşlukları,3. Gıdanın katı madde konsantrasyonu,4. Dondurucunun sıcaklığı-dondurulamayan su miktarını

kontrol eder,5. Kristalleşen bileşenler-kristaller soğutulduğu zaman

büzülür ve hacim küçülür.

Dondurulmuş Ürünlerin KalitesiDondurulmuş 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.

Dondurma İşlemi SırasındaHızlı dondurma ile oluşan buz kristalleri

küçük ve çok sayıdadır. Küçük buz kristali hücrelerin parçalanmasına sebep olmadığından doku parçalanmaz ve orjinal yapısını muhafaza eder.

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).

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.

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.

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)

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.

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.

Dondurucu SistemlerGıda 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 püskürtmePlakalı dondurucular (Gıda maddesi soğutucu

ortamla dolaylı olarak temas eder)

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)

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.

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

Plakalı dondurucular(Cooled‑surface freezers)

• Sıyırmalı yüzey dondurucular (Scraped surface freezers)

• Plakalı dondurucular (Plate freezers)

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.

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.

İndirekt kontakt yöntemiyle dondurma

İçten soğutan iki plaka arasına yerleştirilmiş ambalajlı ürünlerin plaka ile teması sonucu -18oC’ye kadar soğutulmasıdır.

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.

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.