Sự kết tinh của nước trong thực phẩm khi lạnh đông

Khi thực phẩm được bảo quản lạnh đông, nước trong thực phẩm sẽ di chuyển ra ngoài và đóng băng thành tinh thể băng. Quá trình này được gọi là sự kết tinh của nước.

Sự kết tinh của nước trong thực phẩm

Nước trong thực phẩm

Nước trong thực phẩm, đặc biệt trong thuỷ sản chiếm tỷ lệ rất lớn có thể lên đến 80%. Tuỳ theo mức độ liên kết mà người ta chia nước trong thực phẩm ra các dạng: Nước tự do và nước liên kết

• Nước tự do: Chỉ liên kết cơ học. Nước nằm bất động trong mạng lưới cấu trúc mô cơ dưới hình thức dung môi để khuếch tán các chất qua tế bào.
• Nước liên kết: Không phải là dung môi mà là ở dạng liên kết với các chất protein tan và các chất vô cơ, hữu cơ tan khác tạo thành các khung cấu trúc của mô cơ.

Cơ chế đóng băng trong thực phẩm khi cấp đông

Nước trong thực phẩm do có hồ tan các chất tan nên nhiệt độ đóng băng thấp hơn 0oC.

Khi nhiệt độ hạ xuống thấp bằng nhiệt độ cấp đông, trước tiên các tinh thể đá xuất hiện ở gian bào (khoảng trống giữa các tế bào). Khi đến điểm đóng băng đa số nước ở gian bào kết tinh và làm tăng nồng độ chất tan lên cao hơn trong tế bào. Do đó áp suất thẩm thấu tăng lên làm cho nước trong tế bào có xu hướng ra ngoài qua gian bào, qua màng bán thấm của tế bào.

Nếu tốc độ làm lạnh chậm thì nước trong tế bào ra sẽ làm các tinh thể hiện diện lớn lên mà không tạo nên tinh thể mới. Nếu tốc độ làm lạnh nhanh thì tinh thể sẽ tạo ra cả ở bên ngoài lẫn bên trong tế bào, tinh thể đá sẽ nhuyễn và đều.

Do đó nếu hạ nhiệt chậm tế bào bị mất nước và các tinh thể đá tạo ra sẽ to và chèn ép làm rách màng tế bào, cấu tạo mô cơ bị biến dạng, giảm chất lượng sản phẩm.

Khi nước tự do đã đóng băng hết thì đến nước liên kết, bắt đầu từ nước có liên kết yếu đến nước có liên kết mạnh.

Tác động của sự kết tinh của nước đối với thực phẩm

Có sự phân bố lại nước trong thực phẩm không chỉ giữa gian bào và tế bào mà còn theo chiều sâu của sản phẩm. Có sự biến đổi tế bào do sự phân bố lại nước, do tạo thành lớp đá, vỡ tế bào, biến đổi cấu trúc sợi cơ.

Yếu tố ảnh hưởng đến sự kết tinh của nước

Nồng độ các chất hồ tan

Các chất đường, chất béo, protein, muối vv… trong thực phẩm hồ tan liên kết với nước tạo thành dung dịch keo

Để kết tinh các phân tử nước phải tách ra khỏi sự liên kết của các chất tan. Vì vậy khi có các chất tan thì nhiệt độ của nước phải giảm để giảm động năng, tăng lực liên kết phân tử giữa các phân tử nước với nhau để kết tinh. Do đó nồng độ chất hồ tan tăng thì nhiệt độ kết tinh nước giảm. Độ giảm nhiệt độ để nước kết tinh phụ thuộc vào nồng độ chất tan như sau:

∆t = – 1,18 x n(4-1) 

Trong đó: n – Nồng độ phân tử các chất tan.

Khi nhiệt độ kết tinh nước giảm thì tốc độ hình thành mầm tinh thể tăng dần. – Khi giảm nhiệt độ kết tinh các tinh thể nước đá hình thành sẽ có xu hướng phát triển chiều dài và giảm kích thước chiều ngang nhờ đó việc làm hỏng cấu trúc tế bào thực phẩm giảm.

Kích thước ngang của các tinh thể được phân chia như sau:

• Kích thước 0,2 ÷ 0,6mm – tinh thể lớn
• Kích thước 0,1 ÷ 0,2mm – tinh thể vừa
• Kích thước 0,01 ÷ 0,1mm – tinh thể bé ở khoảng nhiệt độ -1÷-2oC các tinh thể tạo thành các kích thước lớn, ở nhiệt độ -10÷-20oC các tinh thể có số lượng rất nhiều và kích thước nhỏ.

Tốc độ cấp đông

Tốc độ làm lạnh thực phẩm là tỉ số giữa chiều dày lớp thực phẩm được cấp đông với thời gian để làm đông lớp đó.

Tốc độ làm lạnh đông phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó yếu tố nhiệt độ buồng cấp đông đóng vai trị quan trọng nhất. Căn cứ vào tốc độ làm đông người ta chia ra như sau:

• Cấp đông chậm: Khi tốc độ cấp đông dưới 0,5cm/h và thời gian cấp đông lớn hơn 10 giờ.
• Cấp đông nhanh: Khi tốc độ cấp đông từ 1 ÷ 3 cm/h và thời gian cấp đông từ 2 đến 6 giờ.
• Cấp đông cực nhanh: Khi tốc độ cấp đông lớn hơn hoặc bằng 15cm/h, thời gian cấp 

Cụ thể:

• Khi cấp đông chậm nước khuếch tán nhiều, các tinh thể nước đá thu hút nước để tăng thể tích mà không có xu hướng tạo nên các mầm tinh thể. Kết quả là số lượng các tinh thể ít, kích thước lớn và không đều, điều đó ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc liên kết tế bào thực phẩm.
• Khi cấp đông nhanh nước ít khuếch tán vì các mầm tinh thể hình thành đều khắp trong cấu trúc với tốc độ nhanh nhờ đó số tinh thể nhiều, kích thước nhỏ và đều
• Cấp đông cực nhanh sẽ không có sự khuếch tán nước. Các phần tử nước sẽ kết tinh ở những vị trí liên kết với các chất tan vì vậy các tinh thể có kích thước rất nhỏ, các tính chất của thực phẩm được giữ gìn như nguyên vẹn.

Chất lượng ban đầu của thực phẩm

Thực phẩm tươi sống đem làm lạnh đông sẽ có chất lượng cao nhất vì cấu trúc và sự liên kết của nước với các thành phần còn nguyên tính tự nhiên.

Khi các cấu trúc bị hư hỏng do va chạm hoặc do chất lượng bị giảm vì quá trình tự phân giải, thối rửa thì khả năng giữ nước giảm, tỷ lệ nước tự do tăng, tính đàn hồi của cấu trúc giảm. Tương tự như ở thịt động vật có giai đoạn co cứng, cấu trúc giảm tính đàn hồi vì khả năng giữ nước giảm.

Trong những trường hợp này nước kết tinh sẽ khuếch tán nhiều,cấu trúc liên kết tế bào bị nước đá giãn nở sẽ rách vỡ làm cho chất lượng sản phẩm giảm.