Физические процессы, происходящие при хранении продовольственных товаров

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ ХРАНЕНИИ ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ ТОВАРОВ

Г.Я. РЕЗГО, М.А. НИКОЛАЕВА

Все процессы, происходящие при хранении продовольственных товаров, вызывают количественные и качественные изменения их физических, химических свойств, а для живых товаров и анатомо-морфологических свойств. В зависимости от природы изменений такие процессы можно подразделить на физические, химические, биохимические, микробиологические, биологические и анатомо-морфологические.

Физические процессы - это процессы, вызывающие изменения свойств товаров под воздействием внешних факторов: климатических и механических.

К ним относятся:

- сорбционные процессы - сорбция и десорбция воды, кислорода, других летучих веществ;

- термические процессы - нагревание, замерзание, охлаждение;

- деформационные процессы - деформация, бой, раздавливание, механические повреждения (проколы, нажимы, срезы и т.п.).

Сорбционные процессы происходят под гидротермическим воздействием окружающей среды и являются обратимыми. Все продовольственные товары содержат в своем составе воду, которую они могут испарять в окружающую среду вследствие процесса десорбции.

Интенсивность испарения зависит от многих факторов: температурно-влажностного режима, воздухообмена, количества (массовой доли) воды, ее активности, наличия водоудерживающих веществ, упаковки, для живых товаров - анатомо-морфологические свойства.

Температурно-влажностный режим хранения оказывает существенное влияние на испарение воды продовольственных товаров не только с повышенной влажностью. При этом отмечается прямая зависимость между температурой хранения и количеством испарившейся воды. Чем выше температура, тем больше потери воды от испарения. С относительной влажностью воздуха наблюдается обратная зависимость: испарение воды усиливается при понижении ОВВ. Это объясняется тем, что при снижении ОВВ уменьшается относительное давление водяного пара над поверхностью продуктов, вызывающее интенсивную десорбцию молекул воды из продукта и диффузию их в окружающую среду.

Воздухообмен обуславливает интенсивное испарение воды, если осуществляется постоянно осушающимся воздухом. Например, при батарейном воздушном или панельном охлаждении воздух насыщается водяными парами за счет испарившейся воды. При контакте увлажненного воздуха с охлаждающей поверхностью батарей, воздухоохладителей или панелей происходит конденсация водяных паров и осушение воздуха.

Если в хранилище подается увлажненный воздух, то воздухообмен существенной роли не играет. Более того, при высокой ОВВ и интенсивном воздухообмене может происходить сорбция водяных паров и увлажнение продуктов.

Воздухообмен не оказывает влияния на интенсивность испарения воды, если продукты находятся в упаковках, особенно герметичных, или имеют защитные покрытия поверхности. Например, парафинирование чеснока, яблок; покрытие ледяной глазурью овощной зелени, рыбы; укрытие мясных туш брезентом с намораживанием сверху ледяной корки и т.п.

Количество воды, содержащееся в продовольственных товарах, также влияет на интенсивность ее испарения. Л.Н.Ловачев и др. [20] по количеству воды делят все пищевые продукты на три основные группы:

- продукты с высоким содержанием воды (более 40%);

- продукты со средним или промежуточной влажностью (10-40%);

- продукты с низкой влажностью (менее 10%).

По мнению указанных авторов, в продуктах с высокой влажностью большая часть

воды не связана с компонентом пищевых продуктов. При значительных изменениях влажности таких продуктов наблюдаются небольшие изменения в давлении водяного пара над продуктом (от 0,9 до 1,0).

В продуктах со средней влажностью большая часть воды связана с компонентами сухого вещества. В таких продуктах с изменением их влажности отмечаются существенные изменения в давлении водяного пара над продуктом (от 0,6 до 0,9). Наиболее существенные изменения в давлении водяного пара (от 0 до 0,6) происходит в продуктах с низкой влажностью, у которых почти вся вода находится в связанном состоянии [20].

По нашему мнению, в приведенной классификации даны чересчур укрупненные группировки, не учитывающие особенности товаров с повышенной, очень высокой и умеренной влажностью. Нами разработана и предложена классификация продовольственных товаров по количеству содержащейся в них воды на пять групп:

1. Очень сухие товары (0,1-12% воды), содержащие в основном связанную воду. К ним относятся сахар, соль, сода, крахмал, орехи, чай, кофе, пряности, сахаристые кондитерские изделия (карамель, шоколад, конфеты, халва и др.), мучные кондитерские изделия (печень, галеты) и т.п. Испарение воды из этих продуктов минимально, поэтому у них отмечается самая низкая естественная убыль.

2. Сухие товары (13-25%), содержащие немного свободной воды, но преобладающей в них является связанная вода.

В эту группу входят мука, крупа, макаронные, сухарные, бараночные, фруктово-ягодные изделия, мед, сушеные плоды, овощи, грибы, вяленая рыба, сливочное масло, маргарин, сырокопченые колбасы и др.

Испарение воды из этих товаров происходит при пониженной ОВВ, при этом потери воды невелики.

3. Товары со средней (умеренной) влажностью (26-60%), содержат в значительных количествах свободную воду (у некоторых товаров почти в равных количествах со связанной водой).

Эта группа представлена хлебобулочными изделиями, сырами, вареными и копчеными колбасами, рыбой соленой и холодного копчения, икрой; жирными и особо жирными мясом, рыбой и др. Испарение воды из этих товаров значительно, причем усушка вызывает существенное ухудшение внешнего вида и структуры продукта.

4. Товары с повышенной влажностью (61-90%), в которых содержание свободной воды достигает 80%.

К ним относятся свежие и замороженные плоды, овощи и грибы, кроме отдельных видов, относящихся к 5-й группе и орехов, многие мясные и рыбные товары (охлажденное и мороженое мясо, полуфабрикаты, кулинарные изделия и т.п.), молоко, сливки, кисломолочные продукты, мороженое, соки, соусы, консервы, кроме молочных и рыбных в масле.

5. Товары с очень высоким содержанием воды (91-99,9%) состоят преимущественно из воды в свободной форме (более 80 до 100%).

В эту группу входят отдельные виды свежих и замороженных овощей и ягод (овощная зелень, томаты, огурцы, земляника, черника и т.п.), квашеные овощи, безалкогольные напитки, кроме соков (питьевая, минеральная вода, квас и т.п.), пиво, молоко и кисломолочные напитки пониженной жирности.

Испарение воды из этих товаров самое высокое, поэтому их хранят в упаковках, предотвращающих испарение, или непродолжительное время. Так, все свежие плоды и овощи, входящие в эту группу, относятся к числу легкоувядающих и кратковременнохранящихся продуктов (срок хранения без полимерной упаковки 2-3 суток).

Общее количество воды, а также соотношение свободной и связанной воды влияют на активность воды, которая в свою очередь играет важную роль в процессе испарения воды. Термин «активность воды» впервые ввел В.И.Скотт в 1953 году.

Активность воды (Aw) - отношение давления водяного пара в пограничном слое над продуктом (Р) к давлению водяного пара над чистой водой (Ро) при одной и той же температуре.

Aw = Р / Ро

Активность воды определяется не только общим ее содержанием и соотношением свободной и связанной воды, но и химическим составом продукта, его структурой. Активность воды служит критерием эффективной концентрации ее в продукте, при которой создаются доступные условия для десорбции водяных паров, а также для развития микробиологических и ряда химических процессов.

Чем выше активность воды, тем интенсивнее она испаряется. Потери воды снижают ее активность.

Различают пищевые продукты с низкой, средней и высокой активностью воды. К продуктам с низкой активностью воды (менее 0,90) относятся сухие продукты: мука, крупа, сахар, копченые колбасы, пищевые жира, сливочное масло. К продуктам со средней активностью воды (0,90-0,95) относят вареные колбасы, мясокопчености, хлеб, соленую и копченую рыбы, консервы и др. В группу продуктов с высокой активностью воды (0,95-1,0) входят свежие плоды и овощи, безалкогольные, слабоалкогольные и алкогольные напитки, молоко, сливки, кисломолочные продукты, охлажденные мясо, рыба и др.

Активность воды зависит также от наличия водоудерживающих веществ, которые способствуют увеличению содержания связанной воды.

Водоудерживающие вещества продовольственных товаров обуславливают возникновение адсорбционной, осмотической и химической форм связей воды. В результате этого в продуктах появляется химически-связанная, адсорбционно-связанная и осмотически-связанная вода. Наиболее прочными являются химические связи, поэтому такая вода практически не испаряется из продукта. Адсорбционно-связанная и осмотически-связанная вода характеризуется средней прочностью связи и может испаряться из продукта, хотя и более медленно, после испарения основного количества свободной воды.

Упаковка продовольственных товаров может задерживать испарение воды. Причем эта способность зависит от вида упаковки. Герметически укупоренная упаковка предотвращает испарение воды в окружающую среду, поэтому интенсивность этого процесса минимальная.

Тара и упаковочные материалы, способные поглощать водяные пары, а затем отдавать их в окружающую среду, лишь замедляют испарение воды. К такой упаковке относится бумажная, картонная, деревянная, тканевая тара, а также аналогичные упаковочные материалы. В стеклянных бутылках с укупоркой пробками из натуральных материалов испарение воды происходит путем физической адсорбции ее через пробку.

Анатомо-морфологическое строение влияет на интенсивность испарения воды живых товаров, так как растительные или животные клетки обладают природными защитными свойствами от потерь воды. Наличие у клеток оболочек, защищающих их излишнего испарения воды, а внутри клеток мембран, покрывающих органеллы и ядро, обуславливают защитный барьер, который замедляет диффузию молекул воды в окружающую среды. В то же время этот механизм затрудняет и сорбцию водяных паров и летучих веществ.

Наряду с клеточным строением, испарение воды задерживается и с помощью покровных тканей, которые состоят из плотно сомкнутых опробковевших у растительных тканей клеток или состоящих из трудноусвояемых, слабопоглощающих воду белков у животных клеток.

Результатом испарения воды является усушка пищевых продуктов. Отечественными учеными [20] установлены закономерности усушки различных продуктов в зависимости от интенсивности поступления влаги к поверхностному слою. В продуктах растительного происхождения миграция влаги происходит сравнительно быстро, поэтому интенсивность усушки определяется внешними условиями испарения с поверхности продукта. В товарах животного происхождения вода мигрирует медленнее, а в замороженном мясе миграция отсутствует. Вследствие этого интенсивность испарения воды снижается и сокращается усушка.

Наряду или взамен с испарением воды в продовольственных товарах могут происходить сорбция воды и/или других летучих веществ. Этот процесс прямо противоположен десорбции по конечным результатам. Так, в процессе испарения (десорбции воды) теряется масса продукта, его внешний вид из-за усыхания или

увядания, ухудшается структура за счет изменения коллоидов, появления микротрещин или пустот, снижается активность воды и повышается устойчивость к микроорганизмам. Кроме того, клетки живых товаров теряют тургор и естественный иммунитет.

При сорбции воды масса продукта увеличивается, коллоиды набухают, заполняя трещины и пустоты, вследствие чего восстанавливается внешний вид продукта, его структура. Активность воды увеличивается, что создает повышенную опасность микробиологической порчи.

Сорбция воды происходит при повышенной ОВВ, близкой к 100%, а также в упаковках, ограничивающих воздухообмен с окружающей средой. Наличие в продуктах водоудерживающих и/или водопоглощающих (гигроскопичных) веществ интенсифицирует десорбию воды.

Этот процесс может оказывать положительное воздействие на легкоувядающие плоды и овощи (например, овощная зелень восстанавливает свою свежесть), черствый хлеб, который также восстанавливает свежесть, сыр и др. В то же время сорбция воды отрицательно влияет на качество сухих товаров (муки, крупы, сахара, крахмала, сушеных плодов, овощей, рыбы и т.п.), которые увлажняются и вследствие этого подвергаются микробиологической порче.

Сорбция кислорода является начальным этапом многих окислительных процессов. Кислород поглощается из воздуха. Происходит сначала его физическая, а затем и химическая адсорбция или хемосорбция.

Таким образом, физические процессы переходят в химические (прогоркание жиров, окисление витаминов и т.п.). Следствием этого является изменение химического состава продовольственных товаров.

Поглощение кислорода наиболее активно происходит у живых товаров, так как кислород используется в процессе дыхания. Следствием этого является выделение энергии, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности организма, в том числе энергетического баланса, а также десорбция диоксида углерода СО2. При этом происходит окислительный распад энергетических веществ и количественные потери сухих веществ.

Сорбция кислорода происходит и в неживых товарах, в которых он используется на окисление ряда веществ химического состава. Это приводит к окислительной порче жиросодержащих товаров, в которых прогоркают или осаливаются жиры, а также вследствие необратимого окисления разрушаются аскорбиновая кислота, каротин, каротиноиды, антоцианы и др.

Результатом сорбции кислорода у ряда товаров является десорбция диоксида углерода, который в ограниченном от воздухообмена пространстве (например, в полиэтиленовых мешках, вкладышах и т.п.) накапливается и проявляет при определенной концентрации асептические свойства. За счет этого предотвращается микробиологическая порча хранящихся товаров.

Сорбционные процессы: сорбция О2 и десорбция СО2, снижающие в окружающей среде концентрацию О2 и повышающие - СО2 до определенных концентраций являются основополагающими при использовании метода хранения свежих плодов и овощей в модифицированной газовой среде.

При хранении товаров, содержащих легколетучие вещества (этиловый спирт, ароматические вещества, летучие кислоты и т.п.), отмечается их десорбция в окружающую среду. В результате этого ухудшаются органолептические свойства (запах, иногда вкус и вкусность). Количественные изменения массы и объема наблюдаются только при хранении крепких алкогольных напитков за счет улетучивания этилового спирта. Это одна из значимых причин возникновения у таких напитков недолива.

Потери ароматических веществ и летучих кислот в количественном выражении невелики, поэтому они не оказывают влияние на естественную убыль.

Сорбция летучих веществ в товары отмечается, если они обладают достаточными сорбционными свойствами и хранятся с нарушением правила товарного соседства вместе с пахучими товарами, выделяющими в окружающую среду ароматические и другие летучие вещества. Вследствие этого сорбирующие их товары приобретают несвойственный посторонний запах. Такой дефект переводит стандартные товары в нестандартные.

Следует отметить, что сорбционные процессы активно происходят при интенсивном гидротермическом воздействии окружающей среды на продовольственные товары. Сорбционные процессы обратимы. По мере поглощения молекул воды или иных летучих веществ давление их над поверхностью продукта возрастает и наступает момент сорбционного равновесия, когда давление водяного пара или иных веществ над поверхностью продукта и в окружающем воздухе выравнивается, а скорости адсорбции и десорбции уравновешиваются.

Изменение температуры продукта происходит под воздействием окружающей среды, чаще всего при контакте с воздухом и/или упаковкой, имеющими другую температуру, чем продукт. При этом может иметь место нагревание, замораживание или охлаждение продукта в зависимости от характера и величины градиента температур.

При нагревании в продукте усиливаются многие физические, химические и микробиологические процессы, приводящие к ухудшению качества и увеличению потерь. Для большинства продовольственных товаров нагревание нежелательно. Однако нагревание сухих продуктов оказывает меньшее негативное влияние, чем влажных.

Замораживание продуктов происходит при температуре ниже замораживания воды или растворов веществ, содержащихся в них. Температура замерзания зависит от общего количества воды и растворенных в них веществ, причем чем выше концентрация последних, тем ниже температура замерзания. Поэтому пищевые продукты с повышенным содержанием растворимых сухих веществ (сахара, соли и др.) могут храниться при температурах, близких к 0°С, без замерзания воды, в переохлажденном состоянии. Сухие продукты не замерзают даже при низких температурах воздуха, если содержат только связанную влагу.

Охлаждение продуктов происходит при температурах выше точки замерзания, но ниже, чем температура самого продукта. При этом процессы, происходящие в продуктах, замедляются, но в меньшей степени, чем при замораживании. Зато нет разрушающего воздействия кристаллов льда, ухудшающего качество продукта. Замораживание и охлаждение широко используются в практике как наиболее эффективные методы консервирования пищевых продуктов.

Деформационные процессы - процессы, вызываемые различными нагрузками и приводящие к изменениям внутренней структуры и внешнего вида. Разновидностями таких процессов являются раздавливание, бой, приобретение несвойственной формы, раскрошка, раскалывание, нажимы, проколы и т. п.

Раздавливание продуктов вызывается разрушающими рас-сосредоточенными нагрузками, в результате воздействия которых продукты полностью утрачивают свойственную форму, целостность и внутреннюю структуру. При этом отмечаются критические качественные и количественные изменения, в результате чего многие продукты не могут использоваться по назначению.

Этот процесс наиболее характерен для продуктов с невысокой механической прочностью (ягоды, косточковые плоды, творожные изделия, бисквитные и взбивные торты, пирожные и т. п.). Раздавленная масса может использоваться для промпереработки, если не произошла микробиологическая порча. Предотвращает раздавливание применение устойчивой к нагрузкам упаковки.

Бой возникает чаще всего под воздействием разрушающих сосредоточенных нагрузок, оказываемых на поверхность продукта или тары. При этом происходит нарушение их целостности, что может привести к частичной или полной утрате продукта. Наиболее часто бой наблюдается у яиц, а также у продуктов в стеклянной таре. Для предотвращения боя необходимы бережное обращение с товаром и применение механически устойчивой упаковки.

Приобретение несвойственной формы происходит за счет неразрушающих нагрузок, воздействующих на товары с повышенной пластичностью. При этом товары утрачивают свойственный им внешний вид. Указанный процесс служит причиной появления дефектной деформированной продукции - хлебобулочных изделий, арбузов, сыров и т. п. Иногда этот процесс происходит под воздействием повышенной температуры, например у конфет, шоколада, твердых жиров и т. п.

Раскрошка (разламывание) является следствием неравномерных разрушающих нагрузок, оказываемых на продукт при его транспортировании, хранении, подготовке к продаже, реализации и потреблении. Образующиеся при этом крошка или лом снижают выход стандартной продукции, так как относятся к отходу. Раскрошка наблюдается у макаронных, хлебобулочных изделий, при рубке мяса и рыбы, резке халвы, мучных кондитерских изделий, фасовке или взвешивании печенья, халвы и т. п. Для предупреждения возникновения этого процесса необходимо применять соответствующую упаковку, соблюдать установленную высоту размещения товаров или использовать щадящие режимы механической обработки.

Раскалывание (растрескивание) происходит при сосредоточенных разрушающих динамических нагрузках внешнего или внутреннего действия. При этом образуются трещины разной глубины, иногда настолько глубокие, что продукт раскалывается на части, утрачивает целостность. Этот процесс ухудшает внешний вид, а также сохраняемость. Раскалывание или растрескивание наиболее часто встречается у свежих плодов и овощей, особенно у корнеплодов, кочанов капусты, ягод при избыточном поступлении воды или нанесении механических повреждений, а также у сыров (самокол), хлеба (трещины на корке при выпечке), батонов вареных колбас и т. п. Трещины могут быть внешние и внутренние. Внутренние трещины со временем могут превратиться в пустоты. Причиной их образования служат процессы газообразования или внутреннее давление. Пустоты могут быть следствием нарушений технологического процесса (например, пустоты в вареных колбасах, крупные разрывы в мякише хлеба и т. п.).

Нажимы - механические повреждения, возникающие под воздействием

неразрушающих поверхность нагрузок. Они сосредоточены на определенной площади поверхности. Прилегающие к поверхности слои или клетки продукта под внешним механическим воздействием становятся плоскими и смещаются к центру, поэтому и возникает нажим. Этот дефект считается значительным, поскольку ухудшаются внешний вид, внутреннее строение или структура, а также сохраняемость. Встречается часто у свежих плодов и овощей с невысокой твердостью, мучных кондитерских изделий при нарушении способов упаковки, транспортирования и хранения.

Проколы - механические повреждения, возникающие под воздействием

разрушающих нагрузок твердых объектов, сосредоточенных на небольшой площади.

При этом разрушаются поверхность и нижележащие слои продукта, нарушается их целостность. Проколы наносятся острыми предметами (гвоздями, плодоножками,

щупами и др.), а также насекомыми-вредителями. Они ухудшают качество, сохраняемость и относятся к значительным дефектам.

Таким образом, все деформационные процессы приводят к возникновению механических повреждений, относящихся в основном к критическим или значительным дефектам. В результате этого снижается качество и сохраняемость, возрастают потери. Физические процессы наряду с химическими относятся к наиболее распространенным.