Cá ngừ đông lạnh đang được cắt khúc tại Nhật Bản

Quá trình lạnh đông trong sản xuất thực phẩm là quá trình hạ thấp nhiệt độ của sản phẩm thực phẩm xuống nhiệt độ đóng băng nhằm mục đích chế biến và bảo quản. Phương pháp này đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ trước và được cấp bằng sáng chế ở Anh đầu năm 1842 về làm bảo quản thực phẩm bằng cách ngâm trong nước muối và nước đá. Tuy nhiên, cho đến khi sự ra đời của máy lạnh, quy trình này mới được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Vào năm 1880, một chuyến hàng vận chuyển thịt từ Úc đến Anh được đựng trong tủ lạnh đã vô tình bị đóng băng, chất lượng thịt tốt đến mức quy trình này ngay lập tức được áp dụng cho các quá trình bảo quản và vận chuyển đường dài. Ở Việt Nam, quá trình lạnh đông được sử dụng nhiều trong các ngành chế biến và bảo quản thực phẩm đông lạnh như thủy hải sản, thịt, một số sản phẩm rau củ quả.

Với vai trò quan trọng trong chế biến và bảo quản sản phẩm thực phẩm, quá trình làm lạnh đông các sản phẩm thực phẩm ngày nay được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Nhìn từ góc độ kinh tế, thực phẩm đông lạnh những năm gần đây đã thực sự trở thành một phân ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam, chủ yếu phục vụ xuất khẩu. Theo một số liệu thống kê, thị trường thực phẩm đông lạnh của Việt Nam đang có tốc độ phát triển từ 20 đến 40% mỗi năm, đã có mặt khắp thể giới, nhất là các thị trường Mỹ, EU, Trung Quốc, Nhật Bản, từ đó hình thành các vùng nuôi thả lớn gia súc, cá tra, tôm…, đem lại việc làm và thu nhập ổn định cho số đông lao động. Thực phẩm đông lạnh cũng có mặt trong các siêu thị, cửa hàng chuyên doanh cả nước, là một phần nhu cầu của cuộc sống hiện đại.

Nguyên lý

Các loại thịt gia súc, gia cầm, thủy hải sản, các loại rau, củ, quả là những loại thực phẩm dễ hư hỏng. Chúng dễ hư hỏng vì được cấu tạo từ các chất hữu cơ như: đạm, chất béo, hydrat cacbon, các vitamin, chất vô cơ như nước, muối khoáng. Ở nhiệt độ thường, thực phẩm bị phân hủy nhanh bởi sự sinh sôi và phát triển mạnh của các vi sinh vật và các quá trình sinh hóa. Khi nhiệt độ xuống thấp sẽ ức chế, kìm hãm hoạt động của enzyme trong bản thân thực phẩm và vi sinh vật, làm giảm các hoạt động sống của tế bào, do đó làm chậm lại hoặc chấm dứt các quá trình biến đổi gây ra hư hỏng, ươn thối. Người ta tính rằng cứ giảm 10 độ C thì tốc độ phản ứng hoá sinh giảm xuống còn từ 1/2 đến 1/3 và đại bộ phận vi sinh vật đều ngừng hoạt động trong khoảng -3 độ C đến -10 độ C, các loại nấm mốc chịu đựng lạnh tốt hơn khoảng -15 độ C và độ ẩm ít nhất 15%, tuy nhiên cần hạ nhiệt độ xuống -18 độ C thì nước trong thực phẩm mới có độ ẩm ở mức 14%, vì vậy nhiệt độ bảo quản tốt nhất từ -18 độ C trở xuống mới làm cho hầu hết vi sinh vật và nấm mốc ngừng hoạt động hoàn toàn.

Nước trong thực phẩm tồn tại ở dạng dung dịch (hòa tan các muối khoáng), nó lấp đầy không gian giữa các phân tử cấu tạo nên từng loại thực phẩm. Nước tạo điều kiện cho các quá trình lý hóa, các phản ứng sinh hóa xẩy ra và là môi trường thuận lợi cho sự phát triển của các loài vi sinh vật. Thành phần của nước trong các loại thực phẩm khác nhau là rất khác nhau như: trong thịt gia súc gia cầm từ 52-75%, các loại thủy hải sản từ 60-85%, rau củ quả từ 65-95%.

Mục đích chính của quá trình lạnh đông thực phẩm là làm giảm nhiệt độ và đồng thời đóng băng lượng nước có trong nó nên đã ức chế sự phát triển của vi sinh vật, hoạt hóa các enzyme, làm giảm tốc độ các phản ứng sinh hóa nhằm bảo quản các sản phẩm thực phẩm được lâu dài hơn trong môi trường ở nhiệt độ thấp. Điểm đóng băng của thực phẩm thay đổi tuỳ từng loại thực phẩm, thường nhỏ hơn 0 độ C vì chúng có nồng độ muối khoáng và chất hoà tan trong dịch tế bào. Như cá biển có điểm đóng băng khoảng -1,5 độ C, cá nước ngọt điểm đóng băng -1,0 độ C, tôm biển -2 độ C.

Cơ chế đóng băng trong thực phẩm khi cấp đông

Khi hạ nhiệt độ thực phẩm xuống thấp thì các mầm tinh thể sẽ bắt đầu xuất hiện ở các khoảng trống giữa các tế bào (gian bào), khi nhiệt độ hạ đến điểm kết tinh thì đa số nước ở gian bào kết tinh làm nồng độ chất tan trong tế bào cao hơn ngoài tế bào, do đó dưới áp suất thẩm thấu làm nước trong tế bào có xu hướng chảy ra ngoài gian bào qua màng bán thấm.

• Nếu lạnh đông nhanh: Với tốc độ cấp đông nhanh từ 1 đến 3 cm/h và thời gian cấp đông từ 2 đến 6 giờ hoặc tốc độ cấp đông lớn hơn hoặc bằng 15cm/h, thời gian cấp đông dưới 20 phút. Khi đó quá trình tạo mầm tinh thể diễn ra rất nhanh, nước ít hoặc không khếch tán ra bên ngoài, tạo nên nhiều mầm tinh thể, nhuyễn, đều nhau. Phương pháp này ít ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
• Nếu lạnh đông chậm: Tốc độ cấp đông dưới 0,5 cm/h và thời gian cấp đông lớn hơn 10 giờ, khi đó nước trong tế bào chảy ra ngoài gian bào, bồi đắp làm tinh thể đá ở gian bào lớn dần lên mà không tạo ra tinh thể đá mới, do đó tinh thể đá to, có thể chèn ép làm rách màng tế bào, làm cấu tạo mô cơ bị biến dạng, ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm. Ở khoảng nhiệt độ -1đến -2 độ C các tinh thể tạo thành các kích thước lớn, ở nhiệt độ -10 đến -20 độ C các tinh thể có số lượng rất nhiều và kích thước nhỏ.

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 vững chắc nhưng với thực phẩm có chất lượng kém thì khả năng giữ nước giảm, tỷ lệ nước tự do tăng, tính đàn hồi cấu trúc giảm, khi đó nước kết tinh sẽ khuyếch tán nhiều, cấu trúc liên kết tế bào bị tinh thể đá làm rách, vỡ, do đó khi tan băng thì cấu trúc thực phẩm bị mềm yếu, kém đàn hồi hơn.

Quá trình mất nước khi lạnh đông

Khi nước chưa đóng băng, có hiện tượng bay hơi nước từ bề mặt thực phẩm ra môi trường lạnh do chênh lệch nhiệt độ và độ ẩm. Khi nước đã đóng băng, có sự di chuyển nước từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. Làm tăng lượng nước tự do, giảm lượng nước liên kết. Khi làm tan băng, một phần nước không thể quay lại vị trí cũ do cấu trúc và tính chất các chất đã bị thay đổi dẫn đến hao hụt khối lượng. Ngoài ra trong quá trình bảo quản có sự thăng hoa nước đá, nếu chênh lệch nhiệt độ bề mặt sản phẩm và không khí trong buồng cấp đông càng lớn thì ẩm bốc càng mạnh, gây hao hụt khối lượng.

Các phương pháp làm lạnh đông

Cá được làm đông nhanh bằng băng chuyền phun nitơ lỏng, tại Đức năm 1970

Một số phương pháp làm lạnh đông được liệt kê dưới đây:

• Làm lạnh đông thực phẩm trong không khí lạnh: thực phẩm được dòng không khí lạnh truyền nhiệt đối lưu.
• Làm lạnh đông tiếp xúc: sản phẩm được đặt trên các khay và được kẹp giữa các tấm lắc cấp đông (bên trong các tấm lắc rỗng có môi chất làm lạnh chảy qua, nhiệt độ bay hơi -40 đến -45 độ C)
• Làm đông nhanh (cryogenic): thực phẩm được di chuyển trên các băng chuyền và được phun làm lạnh bằng nitơ lỏng có nhiệt độ bay hơi rất thấp -196 độ C, vì thế thời gian làm lạnh chỉ kéo dài 5 đến 10 phút.
• Làm lạnh đông bằng hỗn hợp băng đá và muối.