Liofilizacja. Na czym polega, wady i zalety żywności liofilizowanej

Nie wszystkie produkty, zwłaszcza warzywa i owoce są dostępne przez cały rok. Ich cenne właściwości odżywcze, smakowe i zapachowe są cenione przez konsumentów. Jednak wraz z obróbką technologiczną trzeba liczyć się ze stratami witamin, czy nawet barwy produktu. Dzięki zastosowaniu procesu liofilizacji straty te mogą być mniejsze. Dodatkowo produkt będzie charakteryzować się podobnymi walorami sensorycznymi, co świeży owoc.

Co to jest liofilizacja? Na czym polega proces?

Proces liofilizacji jest znany od ponad 30 lat. Wykorzystuje się go do destabilizacji wielu rodzajów składników chemicznych. W postaci ciekłej wiele związków jest niestabilnych. Związki niestabilne są wrażliwe na temperaturę i chemicznie reagują między sobą. Te cechy determinują krótki termin przydatności do spożycia, a także wymóg specjalnego przechowywania tego produktu.

Ze względu na małą stabilizację produkt też może ulegać degradacji. Prawidłowy proces liofilizacji rozwiązuje powyższe problemy, przez wprowadzenie produktu w stan zawieszenia jego aktywności. Jednak na czym właściwie polega ten proces?

Liofilizacja wykorzystuje zjawisko sublimacji. Sublimacja polega na bezpośrednim przejścia produktu między stanem gazowym a stałym bez przechodzenia przez fazę ciekłą. Cały proces jest przeprowadzany w niskiej temperaturze i niskim ciśnieniu. Dlatego nadaje się do suszenia związków termolabilnych, czyli nieodpornych na wysoką temperaturę.

Związki wrażliwe na ciepło i wilgoć w efekcie tego procesu zachowują swoją żywotność. Liofilizacja, rozpoczyna się od przygotowania próbki. Następnie po sobie następują takie etapy jak mrożenie, suszenie pierwotne i suszenie wtórne w celu uzyskania produktu o wilgotności od 1-4%.

Etapy procesu liofilizacji 

Zamrożenie  

Materiał przeznaczony do liofilizacji musi być najpierw odpowiednio zamrożony. Metoda zamrażania i jego końcowa temperatura mogą mieć wpływ na proces liofilizacji. Szybkie chłodzenie materiału powoduje powstawanie małych kryształków lodu, które są przydatne, w celu zachowania struktury materiału.

Wolniejsze zamrażanie powoduje powstanie większych kryształów lodu. Zazwyczaj temperatury zamrażania wynoszą od –50st. C do –80st. C. Pojawienie się kryształów lodu nie świadczy jeszcze, o całkowitym zamrożeniu produktu. Woda oddzielona od rozpuszczalników przyjmuje postać lodu. O całkowitym zamrożeniu produktu możemy mówić, dopiero gdy temperatura rozpuszczalnika spadnie poniżej temperatury eutektycznej. Eutektyki to mieszaniny substancji, które zamarzają w niższych temperaturach niż otaczająca je woda.

Sublimacja (suszenie wstępne) 

Po zakończeniu etapu zamrażania ciśnienie w liofilizatorze ulega obniżeniu. Gdy ciśnienie w komorze spadnie poniżej ciśnienia pary lodu, w produkcie może zajść właściwy proces sublimacji. Lód zostaje usunięty z wierzchniej warstwy zamrożonej, a następnie od razu przekształcony w parę wodną.

Para wodna osiada na płytach skraplacza, charakteryzujących się niższą temperaturą, gdzie woda może ponownie się zestalić. Temperatury skraplacza są zazwyczaj niższe niż -50 st C. Niska temperatura produktu, a zarazem niska prężność pary lodu, powstająca na tym etapie, powodują wydłużenie czasu suszenia wstępnego.

Stwierdzono, że podniesienie temperatury produktu o 1°C może skrócić całkowity czas suszenia wstępnego nawet o 13%. Daje to ogromny potencjał oszczędności czasu procesu i kosztów produkcji. [1] W tej fazie aż 95% wody ulega sublimacji. Jednak jest to długotrwała faza. Trwa do kilku dni.

Desorpcja (suszenie wtórne) 

W wyniku sublimacji cały lód przemienił się w parę wodną, lecz produkcie pozostała jeszcze wilgoć związana. Zawartość wilgoci w produkcie może wynosić jeszcze od 7 do 8%. W tym przypadku konieczne jest dalsze suszenie w cieplejszej temperaturze, by zredukować wilgoć w produkcie.

Wykorzystuje się do tego proces desorpcji. Zachodzi ona, w wyższej temperaturze niż suszenie wstępne. Może wynosić nawet 0 st. C. Proces przebiega w obniżonym ciśnieniu w komorze do najniższego osiągalnego poziomu. Woda pozostała w produkcie jest bardziej związana. W tym wypadku wymagane jest zużycie większej ilości energii, by ją usunąć. Po zakończeniu procesu liofilizacji, próżnia w komorze zostaje przerwana za pomocą obojętnego gazu. Takim gazem może być azot. Końcowa zawartość wody w produkcie wynosi około od 1 do 4%.  

Zastosowanie liofilizacji

Mikroorganizmy takie jak bakterie mogą uwalniać substancje chemiczne, które wpływają na psucie się żywności. Dodatkowo enzymy zawarte w produktach, reagując z tlenem, powodują szybsze dojrzewanie. Powodują również psucie się żywności.

Liofilizacja usuwa aż do 95% wody. Dzięki temu możemy uchronić żywność przed psuciem się na długi czas. [2] W wyniku usunięcia wody z produktu obniża się  jego ciężar. Ułatwia to proces transportu żywności.

Tę charakterystyczną zaletę wykorzystuje wojsko, firmy zaopatrujące campingi oraz NASA.  Liofilizację wykorzystuje się przede wszystkim w produkcji antybiotyków, szczepionek oraz żywności. W szczególności suszonych ziół, warzyw i owoców.  

Wady i zalety żywności liofilizowanej

Jak każdy proces i liofilizacja ma swoje plusy i minusy. Pozytywnym aspektem przeprowadzenia tego procesu jest między innymi wydłużenie okresu przechowywania produktu. Dzieje się to przez wyeliminowanie znacznej większości wody z produktu.

Substancje, które są podatne na utlenienie, zostają chronione w próżni. W efekcie straty składników odżywczych i zapachowych wrażliwych na ciepło zostają zminimalizowane. Zwiększa się także sterylność produktu. Nie następuje również zmiana właściwości produktu.

Za pomocą niskiej temperatury zostaje zahamowane niepożądane działanie mikroorganizmów. Co najważniejsze, w żywności liofilizowanej nie znajdziemy konserwantów, polepszaczy smaku i sztucznych aromatów. Produkty charakteryzują się także lepszym smakiem i aromatem. Proces ten nie wpływa także na barwę.

Nielicznymi wadami, które można przypisać procesowi liofilizacji, jest czas utrwalenia żywności. Proces ten trwa średnio 1-2 doby. Dodatkowo jest aż 4-8 razy droższy od suszenia tradycyjnego za pomocą wysokiej temperatury.  

Wpływ liofilizacji na zdrowie 

Część owoców jest dostępna najczęściej w sezonie letnim i jesiennym. Ważne jest przetwarzanie tego typu surowców w taki sposób, by zachowały jak najwięcej, cennych składników odżywczych.  Dlatego produkty roślinne poddaje się coraz częściej procesowi liofilizacji. Uznaje się, że liofilizacja powoduje mniejsze straty związków bioaktywnych i ich właściwości przeciwutleniających.

Liofilizacja owoców, warzyw i ich wartości odżywcze

Z uwagi na powyższe, liofilizacja jest najlepszym sposobem na zachowanie wartości odżywczej suszonych produktów. Jeśli chodzi o witaminy, badacze przyjrzeli się stratom witaminy C w produktach liofilizowanych.  Spożywając 15-gramową porcję proszków warzywnych lub owocowych, można pokryć znaczną część zapotrzebowania na naturalną, wysoko przyswajalną witaminę C.

Porcja liofilizowanego proszku z jarmużu i owoców rokitnika pokrywa powyżej 80% zapotrzebowania, żurawiny – powyżej 30%, natomiast aronii – 15%. [3] Dodatkowo owoce liofilizowane były bogatsze w antocyjany, flawonoidy i karotenoidy. Zwłaszcza w suszonych owocach aronii, czarnej porzeczki, borówki czernicy i winogron.

Wyroby otrzymywane z wysuszonych produktów papryki również są źródłem witaminy C, E, beta-karotenu i ksantofili. Natomiast liofilizowana dynia jest cennym źródłem luteiny.

Dla kogo przeznaczona jest liofilizacja?  

Początkowo żywność wytwarzana w procesie liofilizacji była przeznaczona, dla astronautów i kosmonautów. Wraz z upływem lat żywność ta znalazła zastosowanie m.in.: w żywieniu himalaistów.

Jest popularna także w przypadku alpinistów, żeglarzy, żołnierzy, oraz ludzi udających się w dalekie wyprawy samochodowe. Dlaczego jest tak popularna? Przede wszystkim nie wymaga wielu rzeczy do ich przygotowania. Tak naprawdę wystarczy termos z wrzątkiem, by zalać produkt w oryginalnym opakowaniu i przygotować posiłek. Nie jest problematyczna pod względem transportu oraz przechowywania. Jest lekka i nie zajmuje dużo miejsca w ekwipunku.  

Przechowywanie

Produkty liofilizowane wymagają odpowiedniego przechowywania w celu zachowania ich cennych właściwości. Przede wszystkim nie mogą być one wystawiane na światło, dlatego warto chować je w zacienionym miejscu. Dodatkowo zalecane jest przechowywanie produktów liofilizowanych w temperaturze chłodniczej (3˚ C).

Taka temperatura w przypadku owoców aronii pozwala zachować jak najdłużej jej właściwości przeciwutleniające. Po sześciu miesiącach przechowywania w tej temperaturze zawartość związków polifenolowych oraz efektywność zmiatania wolnych rodników w liofilizatach aronii zmniejszyła się o około 30%. Temperatura pokojowa (23˚ C) oraz wyższa (40˚ C) jest mniej korzystna. [4] Opakowania takich produktów koniecznie nie mogą być przepuszczalne dla wilgoci i tlenu atmosferycznego. 

Podsumowanie 

Mimo dużych kosztów produkcji żywności liofilizowanej jest ona zdecydowanie warta zainteresowania. Łatwość przygotowania, lekkość produktu oraz zachowane składniki odżywcze to duży plus dla osób, które cenią sobie czas na trudnym do pokonania szlaku, a także i dla tych, którzy wybierają się na misję w kosmos.

Bibliografia:

1. Gaidhani, K. A., Harwalkar, M., Bhambere, D., & Nirgude, P. S (2015). Lyophilization/freeze drying–a review. World journal of pharmaceutical research, 4(8), 516-543. 
2. Shukla, S. (2011). FREEZE DRYING PROCESS: A REVIEW. IJPSR 2(12), 3061-3068. 
3. Sadowska, A., Dybkowska, E., Rakowska, R., Hallmann, E., & Swiderski, F. (2017). Ocena zawartości składników bioaktywnych i właściwości przeciwutleniających proszków wyprodukowanych metodą liofilizacji z wybranych surowców roślinnych. Żywność Nauka Technologia Jakość, 24(4). 
4. Misiak, M., & Irzyniec, Z. (2009). Wpływ temperatury i czasu przechowywania na zawartość polifenoli i właściwości przeciwutleniające liofilizowanej aronii. Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej 1058, 73-81.