سرمایش کرایوژنیک در صنایع غذایی

برداشت یخ

استفاده از یخ برای فریز کردن و حفظ غذا به زمان‌های ماقبل تاریخ باز می‌گردد. در طول قرن‌ها برداشت فصلی برف و یخ حرفه‌ای عادی در میان فرهنگ‌ های مختلف باستانی بوده است: چینی‌ ها، عبرانیان، یونانی‌ ها، رومی‌ ها و پارس‌ ها یخ و برف رادر غارها یا حفره‌ ها جمع‌آوری و سپس با مواد عایق مانند کاه پوشانده می‌شد. پارس‌ها یخ را در گودال‌ هایی با نام «یخچال» (yakhchals) ذخیره می‌ کردند. ذخایر یخ به مردم اجازه می‌ داد در طول فصول گرم غذا را سالم نگاه دارند. قرن‌ ها این روش برای حفظ غذا کارآمد بود و حتی در قرن بیستم نیز کاربرد خود را حفظ کرد.

در قرن شانزدهم، کشف فناوری تبرید شیمیایی (chemical refrigeration) یکی از اولین قدم‌ ها در راه رسیدن به تبرید مصنوعی بود. هنگامی که سدیم نیترات یا پتاسیم نیترات در آب حل می‌ شوند، دمای آن را پایین می‌ آورند. آب سرد حالا به عنوان حمامی برای کاهش دمای موادی مانند نوشیدنی‌ ها در ایتالیا استفاده می‌ شد.

در طول نیمه‌ ی اول قرن نوزدهم، برداشت یخ به حرفه‌ ای بزرگ در امریکا تبدیل گشت. «فردریک تودر» (Frederic Tudor) که به پادشاه یخ معروف شد، تلاش می‌ کرد تا عایق بهتری برای حمل‌ و نقل یخ در فواصل زیاد و به ویژه به مناطق گرمسیر تولید کند.

 اولین سیستم‌ های تبرید

اولین روش مصنوعی تبرید توسط ویلیام کولن (William Cullen) در دانشگاه گلاسکوی اسکاتلند در سال ۱۷۵۶ معرفی شد. کولن از یک پمپ برای ایجاد خلأ نسبی بالای ظرفی شامل دی‌اتیل اتر استفاده کرد. همان‌طور که می‌دانید با کاهش فشار روی مایع، مایع در دمای پایین‌ تری شروع به جوشش می‌ کند. دی‌اتیل اتر به همین ترتیب با گرفتن گرما از محیط اطراف می‌ جوشید. با این روش کولن حتی توانست مقداری یخ تولید کند، اما کار او کاربرد عملی در آن زمان پیدا نکرد.

در سال ۱۸۰۵، مخترع امریکایی الیور اوانز (Oliver Evans) سیستم تبریدی بر اساس فشرده‌ سازی بخار طراحی کرد اما هیچ‌ گاه طرح خود را نساخت.

در سال ۱۸۲۰، دانشمند بریتانیایی مایکل فارادی (Michael Faraday) توانست با افزایش فشار و کاهش دما آمونیاک مایع تولید کند.

در سال ۱۸۳۴، ژاکوب پرکینز (Jacob Perkins) توانست اختراع سیستم تبرید تراکمی را به نام خود ثبت کند. پرکینز حتی نمونه‌ای عملیاتی ساخت اما نتوانست این دستگاه را در مقیاس گسترده به فروش برساند.

در سال ۱۸۴۲، فیزیک‌ دان امریکایی جان گاری (John Gorrie) اولین سیستم را برای تولید یخ از آب ساخت. او حتی به سرمایش فضای منزل یا ساختمان‌ های اداری نیز با این روش می‌ اندیشید.

 سیستم جان ابتدا هوا را فشرده می‌ کرد. هوای گرم فشرده در این مرحله با آب قبل از انبساط خنک می‌ شد. در مرحله‌ ی بعد، انبساط هم‌آنتروپی یا آیزنتروپیک (isentropic expansion)  هوا، دمای آن را تا حد زیاد پایین می‌آورد که می‌ توانست منجر به تولید یخ از آب گردد. گرچه جان نیز توانست نمونه‌ ای از دستگاه خود بسازد، اما موفقیت اقتصادی خاصی به دست نیاورد.

الکساندر تویینیگ (Alexander Twining) نیز شروع به انجام آزمایش‌ هایی با سیستم تراکمی تبرید کرد و در نهایت توانست در سال ۱۸۵۴ به نخستین تولید کننده اقتصادی یخچال در آمریکا تبدیل گردد.

در همین بین، «جیمز هریسون» (James Harrison) که در اسکاتلند به دنیا آمد و به استرالیا مهاجرت نمود، شروع به بهره‌برداری از ماشین یخ‌ساز مکانیکی در سال ۱۸۵۱ کرد. در سال ۱۸۶۱ تعداد زیادی از سیستم‌ های او در سردخانه‌ های گوشت و کارخانه‌ های تولید نوشیدنی مورد استفاده قرار گرفت.

مهندسان استرالیایی، آرژانتینی و امریکایی در فکر سیستمی برای سردخانه‌ های کشتی بودند تا این که در میانه‌‌ های دهه‌ ی ۱۸۷۰ میلادی، اولین موفقیت اقتصادی توسط ویلیالم سولتائو داویدسون (William Soltau Davidson) رقم خورد. او توانست یک یخچال بزرگ در کشتی «Dunedin» در سال ۱۸۸۲ نصب کند. اختراع او منجر به حمل‌ و‌ نقل راحت گوشت و مواد لبنیاتی شد.

اولین سیستم تبرید جذبی گاز (gas absorption refrigeration system) با استفاده از آمونیاک حل شده در آب توسط فردیناند کاری (Ferdinand Carré) از فرانسه در سال ۱۸۶۰ به ثبت رسید.

با توجه به خاصیت سمی آمونیاک، از این سیستم در خانه‌ ها استفاده نشد اما برای تولید یخ در کارخانه‌ های یخ‌ سازی مورد استفاده قرار گرفت. حتی در همین زمان هم بسته‌ های یخ تولیدی به روش برداشت یخ رایج بود. تادس لو (Thaddeus Lowe) یکی از خلبانان بالن در جنگ داخلی امریکا سال‌ ها روی خواص گازها مشغول به کار بود. یکی از اصلی‌ ترین کارهای او تولید گاز هیدروژن در مقیاس بالا به شمار می‌ رود. وی همچنین اختراعاتی در مورد ماشین تولید یخ به ثبت رساند. ماشین یخ تراکمی او انقلابی در سردخانه‌ های صنعتی به پا کرد. در سال ۱۸۶۹ او و سرمایه‌ گذاران دیگر یک کشتی بخار را خریداری و روی آن یکی از یخچال‌ های خود را نصب کردند. گروه تادس با در اختیار داشتن یک یخچال روی کشتی شروع به تجارت میوه‌ ها و گوشت تازه نموند. البته به دلیل دانش ناکافی این گروه در مورد کشتیرانی و عدم تمایل مردم به مصرف گوشتی که مدت‌ ها در یخچال نگه‌ داری شده بود، تجارت به‌سختی شکست خورد. یخچال‌ های مکانیکی در حدود سال ۱۹۱۱ در ایالات‌ متحده به خانه‌ های مسکونی و ساختمان‌ های اداری / تجاری راه خود را پیدا کردند.

کاربردهای تجاری گسترده

در سال ۱۸۷۰، سازندگان نوشیدنی به بزرگ‌ ترین مصرف‌ کنندگان واحدهای تبرید تبدیل شدند؛ البته بسیاری از این واحدها هنوز از یخ‌ های برداشتی در فصول سرما استفاده می‌ کردند. با اینکه نیاز به مصرف یخ روز‌ به‌ روز در قرن بیستم افزایش می‌ یافت، آلودگی و پساب‌ های شهری و صنعتی با پیشرفت انقلاب صنعتی به ذخایر طبیعی یخ راه پیدا کرد؛ در نتیجه برداشت یخ در بسیاری از کلان‌ شهرها دیگر یک گزینه‌ ی مناسب نبود. کارخانه‌ های مصرف‌کننده‌ ی یخ کم‌کم به کیفیت آن اعتراض می‌ کردند و به همین دلیل تقاضا برای سردخانه‌ های صنعتی بالا رفت. در سال ۱۸۹۵، مهندس آلمانی کارل ون لینده (Carl von Linde) فرایندی در مقیاس بالا برای مایع سازی هوا طراحی کرد و ساخت. در ادامه امکان استفاده از اکسیژن مایع در یخچال‌ های خانگی به‌ صورت امن به وجود آمد. خودروهای ریلی با یخچال در دهه‌ ی منتهی به سال ۱۸۴۰ در امریکا برای انتقال محصولات لبنیاتی در فواصل کوتاه مورد استفاده قرار گرفت. تا سال ۱۹۰۰، کشتارگاه‌ های شیکاگو به سیستم تبرید چرخه‌‌ ی آمونیاک مجهز شدند. در سال ۱۹۱۴، تقریباً در جای‌ جای ایالات‌ متحده از تبرید مصنوعی استفاده می‌شد.

 مراحل تولید گاز به روش کرایوژنیک

فرایند تولید گاز به روش تقطیر جزءبه‌جزء شامل مراحل زیر است:

 روندهای اخیر کاربرد Cryogenics در فرآوری و نگهداری مواد غذایی:

استفاده از Cryogens در ابعاد مختلف فرآوری و حفظ مواد غذایی آغازگر یک دوره جدید از خنک‌کننده غیر از VCR های معمولی بود. همان‌ گونه که هر عملیاتی دارای مزایا و معایبی است، کاربردهای برودتی نیز از این قاعده مستثنی نیستند. بااین‌حال، یک برنامه منطقی می‌ تواند معایب را به حداقل برساند و منافع موجود را از آن به حداکثر برساند. در بین برنامه‌ های کاربردی جهت ایجاد برودت، Cryogrinding از یک پتانسیل فوق‌العاده برخوردار است. بهبود کاهش مصرف برق، کاهش اندازه، حفظ رنگ و عطروطعم نمونه قطعاً در این روش از روش‌های معمول فراتر است.

سازگاری با محیط زیست دیگر مزایای استفاده از کرایوژن هستند. انجماد فوق سریع Cryogen بهترین روش برای انجماد است که به خوبی شناخته‌شده است و می‌تواند به‌راحتی این نیاز را برآورده کند. امروزه، محققان همچنین در تلاش‌اند تا از کرایوژن برای تولید محصولات لبنی مانند بستنی استفاده کنند. از Cryogen می‌توان به‌طور مؤثر برای حمل‌ و نقل غذاهای منجمد استفاده کرد. چندین روش تکامل‌ یافته Cryogen وجود دارد و جایگزین واقعی تکنیک‌ های تبرید مکانیکی موجود در انجماد تغذیه هستند. از یخ خشک (دی‌اکسید کربن جامد) به‌ صورت تجاری برای انتقال مواد غذایی حساس به گرما استفاده می‌شود. ازاین‌ رو، در صورت طراحی و برنامه‌ ریزی صحیح، Cryogen می‌ تواند با صنایع غذایی مطابقت داشته باشد. یکی از مهم‌ ترین روش‌ های کاهش اندازه، آسیاب کردن (ساییدن) ذرات است که در آن اندازه ذرات مواد کاهش می‌ یابد و در نتیجه سطح ذاتی ماده افزایش می‌ یابد. این در واقع به این معنی است که اجزای اصلی ماده، مانند روغن داخل سلول‌ ها، طعم‌دهنده‌ ها و رایحه‌ ها برای کاربردهای بیشتر در دسترس هستند. مشاهده‌ شده است که اندازه اولیه، شکل و مقاومت مواد، نوع آسیاب استفاده‌ شده، پارامترهای عملیاتی مانند دما، اندازه غربال، تعداد دنده‌ های روتور، تعداد چکش یا تعداد وزنه‌ها و غیره به‌طور چشمگیری بر مصرف برق آسیاب برای خرد کردن مواد در اندازه‌ های کوچک‌ تر تأثیر می‌گذارد.

 متأسفانه، از کل توان مصرف‌ شده برای خرد کردن مواد، فقط حدود 1٪ از انرژی مصرف‌ شده در شل شدن پیوند بین ذرات و درنهایت کاهش اندازه ذرات خردشده و افزایش سطح کل موجود می‌ شود. بقیه ورودی توان، یعنی 99٪ انرژی هدر خواهد رفت. این امر در درجه اول به این دلیل است که انرژی استفاده‌ نشده به‌صورت گرما از بین می‌ رود و دما را به 42 تا 93 درجه سانتیگراد می‌ رساند.

 بسیاری از مواد ارزشمند مانند روغن‌ های فرار و طعم‌ دهنده هاکه در ماده آسیاب شده وجود دارند با افزایش دما ناخواسته از دست خواهد رفت. هرچه دما بیشتر باشد، از بین رفتن این مواد فرار بیشتر است. یکی دیگر از مشکلات مرتبط این است که اگر ماده‌ ای که آسیاب می‌ شود دارای مقدار زیادی روغن باشد، در هنگام آسیاب کردن، روغن زیادی از آن خارج می‌ شود ماده‌ ای که محصول را چسبناک و لزج می‌ کند که باعث مسدود شدن الک می‌ شود.

 یکی از محدودیت‌ های اصلی فرآیند سابیدن معمولاً افزایش حرارت است. یكی از روش‌ های عملی برای كنترل خسارت‌ های حرارتی، انجام آسیاب یا خرد كردن در شرایط دمایی کنترل‌شده است. ازاین‌رو، سابیدن در دمای کاهش‌ یافته از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. مالکین و گوو محاسبه دما و تأثیر آن در آسیب حرارتی به ماده تحت آسیاب را بررسی کرده‌اند. آن‌ ها پیشنهاد کردند که اگر دمای سطوح تماسی آسیاب را کاهش دهیم می‌ توانیم محصول بهتری به دست آوریم. در قاعده کلی سابیدن تحت روش کرایوژنیک تغییری ایجاد نمی‌شود. تغییرکیفیت مواد در هنگام سابیدن برای مواد بسیار پیچیده حاوی مقدار زیادی روغن فرار و چربی به این دلیل است که به‌ راحتی قابل اکسایش هستند. استفاده از کرایوژن، مانند نیتروژن مایع (LN₂) به دو منظور انجام می‌ شود؛ دمای آسیاب را کاهش می‌ دهد و شرایط محیطی را فراهم می‌ کند که برای تغییرات اکسیداتیو در مواد آسیاب شده مضر نیست. تمام گیاهان دارویی حساس به حرارت و مواد غذایی مهم می‌ توانند زیر دمای شکننده آن‌ ها (دمایی که در آن مواد شکننده می‌ شوند یا مواد برای آسیاب شدن مناسب می‌ شوند) خرد شوند. مزیت آسیاب کرایوژنیک این است که رنگ و سایر خواص محصولات تغییر نمی‌کند و طعم و ارزش غذایی آن‌ ها از بین نمی‌ رود.

مزیت‌ های آسیاب کرایوژنیک:

(1) بهبود کمبودها در پی استفاده از آسیاب‌ های معمولی که منجر به کاهش کیفیت محصول می ­شود و همچنین رفع مشکل تشکیل گرد و غبار.

(2) ازنظر علمی ثابت‌ شده است که استفاده از فناوری کرایوژنیک برای آسیاب ادویه‌ جات یک تکنیک مناسب بدون از دست دادن محتوای روغنی فرار مواد است و باعث بهبود رنگ می‌ شود، همچنین موجب تسهیل عمل آسیاب می‌شود.

(3) استفاده از اطلاعات و داده‌ ها در مورد خواص ادویه‌ جات و آسیاب کرایوژنیک جهت توسعه سیستم آسیاب کارآمد.

مشاهده‌شده است که آسیاب برودتی Gelucire 44/14 را به‌ صورت پودر تولید می‌ کند که باعث می ­شود خصوصیات فیزیکی، ظرفیت امولسیون و عملکرد انحلال آن را تغییر نکند

آسیاب عادی پودرهای با کیفیت پایین تولید می‌ کند که مطابق با استاندارد بین‌ المللی کیفیت نیست. در نتیجه یا قیمت‌ های پایین‌ تری برای آن دریافت می‌ کنند یا توسط کشورهای واردکننده پذیرفته نمی‌ شود.

با گردش هوای سرد یا آب در اطراف دستگاه آسیاب می‌ توان افزایش دما را تا حدی کاهش داد؛ اما این تکنیک برای کاهش قابل‌ توجه افزایش دمای محصول کافی نیست. از دست دادن مواد فرار می‌ تواند به‌ طور قابل‌ توجهی توسط آسیاب برودتی کاهش یابد.

روش سابیدن کرایوژنیک با استفاده از نیتروژن مایع (LN₂) یا کربن دی‌اکسید مایع (LCO₂) تبرید مورد نیاز برای کاهش گرمایش ادویه‌ ها و حفظ دمای پایین مطلوب را با جذب گرما در حین کار آسیاب فراهم می‌ کند. روغن موجود در مواد به دلیل درجه حرارت بسیار پایین در روتور، جامد می‌ شود، به‌ طوری‌ که مواد شکننده می‌ شوند و به‌ راحتی خرد می‌ شوند و اجازه می‌ دهند تا آسیاب به‌ اندازه مناسب و سازگارتر به محصول آسیاب شده باکیفیت بالا تولید کند.

تقاضای میوه‌ های تازه در بازار داخلی یا بین‌ المللی همیشه بسیار بالا است. مشتریان حتی در مقایسه با منابع موجود دیگر، به دنبال میوه تازه حتی باقیمت‌ های بالاتر هستند. اما به دلیل فاسدشدنی بودن میوه‌ ها، ماندگاری آن‌ ها بسیار کوتاه است. فعالیت‌ های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی مواد میوه دلیل اصلی فسادپذیری میوه‌ ها است و از همان لحظه جدا شدن از گیاه مادر شروع می‌ شود

سلول‌ های زنده محصولات گیاهی برداشت‌ شده به‌ طور مداوم، با استفاده از اکسیژن موجود (O₂) از محیط اطراف و انتشار دی‌اکسید کربن (CO₂) به محیط اطراف آن تنفس می‌ کنند. مشخص‌ شده است که تنفس شامل مجموعه‌ ای از واکنش‌ های اکسیداسیون است که در آن انواع مواد موجود در سلول‌ ها به CO₂ اکسید می‌ شوند. فرآیند تنفس پس از برداشت محصول تازه ازنظر غلظت O₂، CO₂ و اتیلن به دمای هوای ذخیره‌سازی و ترکیب آن بستگی دارد. فعالیت‌ های آنزیمی با تأمین دمای پایین به حداقل می‌ رسند. از کرایوژن ها مانند LN₂ می‌ توان به‌طور مؤثر برای کنترل ترکیبات گاز و دمای محیطی محصولات استفاده کرد.

انجماد یکی از آسان‌ترین، راحت‌ ترین و گسترده‌ ترین روش‌ های صنعتی برای نگهداری مواد غذایی است.

غذای منجمد اندکی قبل از جنگ جهانی دوم ظاهر شد. کیفیت غذای منجمد تابعی از شرایط اولیه غذا و دمای نگهداری است. غذاهای منجمد به‌طور مناسب، رنگ، طعم و بافت اصلی و به‌ طورکلی مواد مغذی بیشتری نسبت به غذاهای نگهداری شده با روش‌های دیگر، حفظ می‌ کنند. در فرآیند انجماد، تحرک مولکولی محدود شده و در نتیجه واکنش‌ های شیمیایی و بیولوژیکی مانند فعالیت آنزیم و اکسیداسیون در آن دما کاهش می‌ یابد. برخلاف عملیات حرارتی، انجماد میکروارگانیسم را از بین نمی‌ برد بلکه فعالیت آن‌ ها را کاهش می‌ دهد. اگرچه ازنظر میکروبیولوژیکی پایدار است، اما محصول مستعد واکنش‌ های فیزیکی و بیوشیمیایی است که ممکن است کیفیت ارگانولپتیک آن را به خطر بیندازد.

تکنیک انجماد در حال پیشرفت است تا سریع‌ تر، کارآمدتر و مقرون‌ به‌ صرفه تر شود. با این‌ حال درک بهتر از اصول انجماد برای تهیه کالای منجمد باکیفیت بالا و تغذیه بهتر با هزینه و زمان کمتر برای مصرف‌کنندگان ضروری است.