Theo nhiều nghiên cứu đã công bố, quá trình kết tinh nước trong sản phẩm khi được cấp đông đông lạnh bị ảnh hưởng bởi một số các thông số như: nồng độ các chất hòa tan (loại thực phẩm) và chất lượng ban đầu của thực phẩm, phương pháp cấp đông và tốc độ cấp đông, điều kiện trước khi cấp đông.
1.5.1. Loại sản phẩm cấp đông
Trạng thái của nước trong sản phẩm đông lạnh thể hiện độ ổn định và chất lượng của sản phẩm thuỷ sản cấp đông. Do có tính chất đặc trưng, nên chúng đóng vai trò quan trọng trong phản ứng phân huỷ tế bào ở nhiệt độ lạnh và nhiệt độ lạnh
17
đông. Nước trong sản phẩm thuỷ sản đông lạnh được phân thành hai loại là nước tự do và nước liên kết. Nước liên kết thường không đông ở nhiệt độ dưới -40ºC [20, 29, 31], nước tự do kết tinh ở -17,7 ºC ÷ -30ºC phụ thuộc vào từng loại thuỷ sản khác nhau [25, 34]. Nhiệt độ kết tinh của nước liên kết và nước tự do phụ thuộc vào từng loại nguyên liệu (bảng 1.4) [39]. Mỗi nguyên liệu có thành phần axit béo và hàm lượng protein là khác nhau do đó có một nhiệt dung riêng và hàm nhiệt là khác nhau. Kết quả là để kết tinh nước thì mỗi sản phẩm có nhiệt lượng cần thiết để cấp đông 1kg mỗi loại thực phẩm rất khác nhau. Bên cạnh đó, sản phẩm có hàm lượng dầu càng cao thì hàm lượng nước tự do càng ít; và hầu hết nhiệt được lấy đi trong quá trình cấp đông là thay đổi nước thành băng; do đó, nếu có ít nước, thì lượng nhiệt sẽ cần phải được lấy đi để cấp đông cá là ít hơn. Điều này tác động trực tiếp đến thời gian cấp đông và sự hình thành các tinh thể đá trong sản phẩm đông lạnh. Khi tốc độ cấp đông nhanh sẽ tạo ra các mầm tinh thể đá nhỏ và đồng nhất [21].
Bảng 1.4. Hàm lượng nước liên kết và nhiệt độ kết tinh của một số loại cá
Loại cá Nhiệt độ
kết tinh(ºC)
Hàm lượng nước liên kết (%)
Cá hồi (Salmo salar) -29,3 22,4
Cá tuyết (Gadus morhua) -33,5/-
16,2
-34,0/32,2
Cá trích (Clupea harengus) -32,8 28,9
Cá thu (Scomber scombrus) -31,7 43,4
Cá hồi cầu vồng(Oncorhynchus mykiss) -30,8 22,7
Cá thu ngựa -35,7 27,2
Cá vua(Scomberomorus cavalla) -17,4 45,7
Cá ngừ đuôi dài(Thunnus tongol) -13,3 38,3
Cá ngừ -29,0 26,6
Cá ngừ vây xanh (Thunnus thynnus) -33,0 -
1.5.2.Ảnh hưởng của chế độ cấp đông đến tốc độ cấp đông và chất lượng
18
sản phẩm
Chất lượng sản phẩm đông lạnh liên quan chặt chẽ với tốc độ cấp đông. Tốc độ cấp đông không chỉ phụ thuộc vào nguyên liệu mà còn phụ thuộc vào chế độ công nghệ cấp đông. Với các chế độ công nghệ cấp đông có hệ số truyền nhiệt lớn sẽ cho nhiệt độ giảm nhanh với thời gian làm lạnh ngắn; khi đó thì các biến đổi hoá học diễn ra với tốc độ rất chậm, ít hư hỏng, chất lượng thực phẩm được đảm bảo. Số lượng và kích thước của tinh thể đá bị tác động trực tiếp bởi phương pháp cấp đông và ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của thực phẩm đông lạnh. Chế độ công nghệ cấp đông có hệ số truyền nhiệt cao giúp tốc độ cấp đông nhanh sẽ tạo ra các mầm tinh thể đá nhỏ và đồng nhất, số lượng và kích thước của tinh thể đá được xem là một tham số quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của phương pháp cấp đông lên sự thay đổi chất lượng của sản phẩm đông lạnh. Bên cạnh đó, tốc độ đối lưu càng cao thì thời gian cấp đông càng nhanh do hệ số toả nhiệt đối lưu tăng, kết quả hệ số truyền nhiệt tăng [21, 22].
Bảng 1.5. Hệ số truyền nhiệt của một số thiết bị cấp đông [17]
Loại thiết bị cấp đông Đặc điểm cấp đông Hệ số truyền nhiệt h (W/m².K)
Phòng lạnh Cấp đông gió 5
Tủ đông cưỡng bức gió Vận tốc khí 2,5 m/s 17
Vận tốc khí 5,0 m/s 26
Cấp đông tiếp xúc 56
Tủ đông tầng sôi 85
Tủ âm sâu Ni tơ khí 40÷60
Ni tơ lỏng 100÷140
Bảng 1.6. Hệ số truyền nhiệt của một số tác nhân lạnh [40]
Tác nhân lạnh Nhiệt độ tác nhân lạnh (ºC)
Hệ số truyền nhiệt h (W/m².K)
Gió - 28 12
CO2 lạnh - 50 40
19
Ni tơ khí -150 40
Ni tơ lỏng - 196 200
Năm 2010, để đánh giá sâu hơn về ảnh hưởng của phương pháp cấp đông đến sự thay đổi chất lượng trong quá trình bảo quản, Somwang và cs. (2010) đã nghiên cứu ảnh hưởng của hai phương pháp cấp đông là IQF trên đối tượng hàu với thời gian đạt -18 ºC tại tâm sản phẩm là 10 phút và phương pháp cấp đông lạnh trực tiếp dạng tấm bản với nhiệt độ cấp đông tại -40 ºC, thời gian cấp đông là 3 giờ; sau đó đưa đi bảo quản tại -20 ºC trong thời gian 12 tháng. Kết quả cho thấy phương pháp cấp đông bằng IQF với tốc độ cấp đông nhanh và thời gian ngắn đã hạn chế sự biến đổi chất lượng tốt hơn phương pháp cấp đông trực tiếp.
Nguyên nhân được giải thích là do hàu được cấp đông bằng IQF được cấp đông với tốc độ nhanh hơn nên mức độ tổn thương cấu trúc mô tế bào của sản phẩm ít hơn trong mẫu hàu cấp đông gió trực tiếp (CPF). Cũng theo kết quả nghiên cứu, tỷ lệ tách nước sau rã đông của phương pháp IQF (16,5%) giảm 50% so với phương pháp cấp đông CPF (27,5%); Sau rã đông, hàm lượng nước trong mẫu cấp đông IQF (81,2%) cao hơn 1,2% so với mẫu cấp đông CPF (80,0%), nhưng sự mất nước thay đổi không có ý nghĩa trong suốt 12 tháng bảo quản [35].
Kết quả được tìm thấy tương tự với Hyun-Wook Kim và cs. (2018) khi nghiên cứu ảnh hưởng của hai phương pháp cấp đông là cấp đông gió và cấp đông bằng nitơ lỏng đến tốc độ cấp đông và chất lượng sản phẩm thịt bò sau rã đông cho thấy, sản phẩm được cấp đông đến tâm đạt - 18ºC, với kích thước sản phẩm là ≈ 8 cm × 13 cm × 5 cm, khi đó phương pháp cấp đông gió có thời gian cấp đông là 294 phút và thời gian cấp đông bằng ni tơ lỏng là 23 phút; kết quả cũng chỉ ra rằng với mức độ với thời gian cấp đông ngắn đã làm giảm kích thước của các tinh thể đá được hình thành [23]. Cũng tương đồng với kết quả trên, Grujić và cs.
(1993) đã chứng minh thịt bò cấp đông đến - 20ºC bằng phương pháp hầm gió cho thời gian cấp đông là 142 phút, mẫu thịt hình thành tinh thể đá không đồng nhất và to hơn so với thịt bò khi được cấp đông bằng ni tơ lỏng với thời gian cấp đông
20
là 8,2 phút [16]. Năm 1985, trong báo cáo của Rahelic và cs. đã chỉ ra rằng thăn thịt bò có thời gian cấp đông là 336 phút khi cấp đông bằng hầm gió đã hình thành các mầm tinh thể đá ở thể không đồng nhất trong khi mẫu thịt bò cấp đông bằng ni tơ lỏng có thời gian cấp đông ngắn là 10 phút với các vùng tinh thể đá hình thành đồng nhất và ở kích thước nhỏ [33].
1.5.3. Độ dầy của lớp màng bao gói
Một số sản phẩm cấp đông được đóng gói trước nên khi cấp đông làm tăng nhiệt trở. Đặc biệt khi bao gói có lọt các lớp khí bên trong tạo ra lớp cách nhiệt thì làm tăng đáng kể thời gian cấp đông. Bên cạnh đó, độ dầy của lớp màng bao gói ảnh hưởng có ý nghĩa đến khả năng truyền nhiệt, đặc biệt đối với màng bao bì bao gói (không phải là coating) có thể giảm khả năng truyền nhiệt từ 14% đến 5%
[36].
1.5.4. Hình dạng và kích thước sản phẩm
Thời gian cấp đông phụ thuộc vào kích thước sản phẩm thực phẩm. Người ta nhận thấy thời gian cấp đông tăng lên một cách nhanh chóng nếu tăng chiều dày thực phẩm. Mối quan hệ này không theo qui luật tuyến tính mà theo bậc bình phương của chiều dày. Đối với sản phẩm dầy dưới 50mm, tăng gấp đôi độ dầy có thể tăng gấp đôi thời gian cấp đông trong khi tăng gấp đôi độ dầy từ 100mm trở lên có thể làm tăng thời gian cấp đông gấp bốn lần. Tốc độ cấp đông thay đổi khi độ dầy thay đổi và phụ thuộc vào tầm quan trọng tương đối của hệ số truyền nhiệt của từng loại của cá [7].
Hình dạng của thực phẩm cũng ảnh hưởng tới tốc độ làm lạnh. Hình dạng có liên quan tới diện tích tiếp xúc. Sản phẩm càng nhỏ sẽ có diện tích tiếp xúc càng lớn nên thời gian cấp đông nhanh. Các sản phẩm cấp đông dạng khối (block) có thời gian cấp đông khá lâu, nhưng dạng rời thì thời gian ngắn hơn nhiều [8, 9].
1.5.5. Diện tích bề mặt tiếp xúc với sản phẩm
Diện tích tiếp xúc giữa thực phẩm với tác nhân hoặc với bề mặt làm lạnh
21
tăng thì thời gian làm lạnh giảm. Khả năng tiếp xúc kém có thể là do đá trên các khay, các gói có độ dầy không đồng đều, một phần chứa đầy hoặc lỗ rỗng ở bề mặt giữa các gói sản phẩm trong khay chứa cấp đông. Khi các gói sản phẩm xếp liền kề nhau thường đi kèm với khoảng trống bên trong và điều này cũng dẫn đến sự trao đổi nhiệt kém [14, 18].