تجمد
تجمد Freezing هو تحويل ماء الأغذية المختلفة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة بتأثير درجات الحرارة المنخفضة جداً تحت الصفر، وتهدف هذه العملية إلى خفض حرارة المادة الغذائية إلى درجة تحول دون تكاثر البكتريا والفطريات فيها وفسادها، وإلى تثبيط نشاط الخمائر والأنظيمات التي تسبب بعض التغيرات في مكونات تلك المادة وفي التفاعلات الكيمياوية كالأكسدة والإرجاع والتحلل.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
البلورة
Supercooling
مقالة مفصلة: Supercooling
عملية طرد الحرارة
- مقالة مفصلة: حرارة الانصهار
Vitrification
- مقالة مفصلة: درجة حرارة التحول الزجاجي
التجميد للكائنات الحية
- مقالة مفصلة: علم الحياة التقريسي
البكتريا
النباتات
الحيوانات
حفظ الأغذية
- مقالة مفصلة: المواد الغذائية المجمدة
أولاً:الخصائص التقنية لعملية تجميد المواد الغذائية وآليتها
استخدم التجميد منذ زمن بعيد في حفظ الأغذية وعرف فوائده سكان المناطق الشمالية الباردة وخاصة بلاد الأسكيمو، في حفظ الأسماك واللحوم الحمراء مجمدة في العراء إبان فصل الشتاء، كما عرفت الحضارات القديمة حفظ الأغذية السريعة التلف بغمرها في الثلج، وكانت فواكه الشام تنقل إلى قصور الخلافة في بغداد مغمورة بالثلج على ظهور الجمال أو البغال. إلا أن التجميد الصنعي بدأ ينتشر على نطاق واسع منذ منتصف القرن الثامن عشر بتجميد الأسماك بخلائط من الملح والثلج، وفي نهاية ذلك القرن بدأ استعمال غاز الأمونيا في التجمد، وقد أمكن تطبيق هذه التقانة في بداية القرن العشرين في حفظ الفواكه والخضار على نطاق كبير في الأقطار المتقدمة وتطويرها حتى أصبحت مقياساً لتطور المجتمعات المتقدمة في العالم. والمعروف أن المواد الغذائية تختلف اختلافاً كبيراً فيما بينها بمحتوياتها الكيمياوية وخاصة بنسبة الماء وتركيز العناصر الغذائية فيها، ويكون الماء فيها على شكلين: الماء المرتبط كيمياوياً وهو صعب الإزاحة ولا يمكن تخليص الأغذية منه حتى مع التجفيف الشديد، والماء الحر السهل الإزاحة الذي يتجمد في درجة الصفر المئوي، ومن ثمَّ فإن درجة تجمد المواد الغذائية وسرعته تختلفان بحسب محتواها من الماء المرتبط بها و فاعلية الماء الحر وكميته ودرجة تركيز العناصر الغذائية فيه.وكذلك درجة الحرارة وشروط إنتاج الخضار والفاكهة والخدمات الزراعية.
وفيما يتصل بآلية التجميد وتقدمه في المادة الغذائية فهي متماثلة سواء كانت في كأس حليب أو قطعة لحم أو شرائح تفاح في محلول سكري، ففي كأس الحليب تتجمد بادئ الأمر طبقة الماء النقي المجاورة لجدار الكأس ثم تتجمد طبقة أخرى تاركة محلولاً مركزاً من الحليب، ويزداد هذا التركيز مع تقدم عملية التجميد التي تستمر حتى تعمّ جميع محتوى الكأس باستثناء محور عمودي بطول الكأس يكون تركيزه مرتفعاً جداً ولا يتجمد إلاّ عند انخفاض درجة الحرارة إلى ما دون الصفر. وتتجمد شريحة اللحم البقري على مراحل متتالية كما سبق وهي موضحة في المنحنى البياني لعملية التجمد.
يبين المنحنى البياني أن ماء قطعة اللحم يبدأ بالتجمد في بضع درجات تحت الصفر ويبقى على حالته السائلة لحين توافر نويّات بّلورية محرِّضة أو بالتحريك، وهنا تبدأ عملية التجمد بتشكّل البّلورات الثلجية فترتفع درجة الحرارة ارتفاعاً مفاجئاً إلى درجة الصفر المئوي نتيجة تحرر الحرارة الكامنة في هذه البلّورات، ثم تنخفض درجة حرارة مزيج الماء النقي مع البلورات الثلجية تدريجياً، ويرافق هذا الانخفاض تحرر الحرارة الكامنة في البلّورات وتجمد تدريجي للماء، ويطلق على هذا الانخفاض في درجة الحرارة في هذه المرحلة نقطة فوق التبرّد Super Cooling Point ولا يتم ذلك إلاّ بعد تجمد كل الماء مكتسباً درجة الحرارة المحيطة داخل المجمدّة، وفي الوقت نفسه يزداد تركيز الأملاح والعناصر في كمية الماء المتبقية مؤدياً إلى انخفاض درجة تجمد الماء المتبقي. وقد تبين أن مدة التجميد تزداد بمقدار2.5مرة عند مضاعفة ثخن كتلة المادة الغذائية من 5سم إلى 10سم وأن آخر المحاليل تجمداً هي أعلاها تركيزاً وأولها ذوباناً.
ثانياً: سرعة التجميد وطرائقه
1ـ سرعة التجميد ومواصفات الأغذية الممكن تجميدها: إن سرعة تشكل بلّورات الجليد في منطقة تكونها الأعظمي في درجة حرارة بين صفر-3ْم تقسّم عملية التجميد إلى قسمين: التجميد البطيء والتجميد السريع.
ففي التجميد البطيء Slow Freezing تستغرق عملية التجميد نحو 12- 72 ساعة بخفض الحرارة تدريجياً إلى -12.4ْم. تستعمل هذه الطريقة في تجميد الفاكهة ولحوم الدواجن المعبأة في صناديق، إذ يتحول معظم ماء المواد الغذائية المذكورة إلى بلّورات كبيرة أو كتل ثلجية نتيجة نزع الحرارة من المادة ببطء وبمعدل درجة مئوية واحدة في الدقيقة وإزاحة كمية كبيرة من الماء وانكماش مظهر خلايا المادة المجمدة وتمزقها. وعند تعريض المادة إلى الجو العادي يسيل جزء كبير من الماء خارجاً من المادة محتوياً على بعض البروتينات وعوامل النكهة مما يقلل من جودة المادة الغذائية،
أما في التجميد السريع Quick Freezing فتستعمل درجات حرارة منخفضة جداً تراوح بين -22.7ْم و-45ْم ولمدة لا تزيد على بضع ساعات، إذ يمكن تجميد عبوة غذائية ثخنها 5سم في درجة حرارة -18ْم في ساعتين، ويؤدي هذا التجميد إلى تكوين بلّورات متناهية في الصغر، كما يؤدي إلى إزاحة كمية قليلة من الماء والمحافظة على جودة المادة الغذائية.
إن أهم العوامل التي تؤثر في سرعة التجميد هي: تركيب الغذاء، وسرعة حركة الهواء، وسماكة العبوة والفرق الحراري بين الغذاء ووسط التبريد. ومن أبرز المزايا الأخرى للتجميد السريع ما يلي:
عدم إتاحة الفرص لتكاثر البكتريا أو الفطريات التي تسبب تحلل المواد الغذائية، وتكوين البلّورات الثلجية الصغيرة، وخفض النشاط الأنظيمي مما يحافظ على جودة المادة المجمدّة، إلى جانب استبعاد ظاهرة الإدماع التي يمكن أن تطرأ على المواد الهلامية والزبدة مؤدية إلى انفصال مائها في أثناء التبريد البطيء.
2ـ طرائق التجميد: تشمل طرائق التجميد السريع في المجال التجاري التجميد المباشر بالغمر والتجميد غير المباشر بالملامسة والتجميد بالهواء البارد والتجميد بالهواء الساكن.
آ ـ التجميد المباشر بالغمر أو بمجمدات السوائل المبرّدة Cooled liquid freezers وهي:
1ـ مجمدّات الغمر: Immersio freezers تجمدّ فيها المواد الغذائية المحمولة على سيور ناقلة بغمرها بالسائل البارد جداً أو برش السائل المبرد مباشرة فوقها أو على سطوح عبواتها. ويستعمل تجارياً مجمدّ الغمر الأسطواني حيث يمر الآزوت السائل المبرد في قنوات حلقية بين علب عصير الحمضيات ولحوم الدواجن، ومن أهم مزايا التجميد بالغمر المباشر: الإقلال من مقاومة النقل الحراري إلى الحد الأدنى، والإقلال من فرص الأكسدة في أثناء التجميد، كما ينبغي أن تكون مادة الغمر نقية ونظيفة وخالية من الطعم والروائح الغريبة والمواد القاصرة وغير سامة ولا تؤثر في لون المادة الغذائية.
2ـ التجميد بالرذاذ أو بوساطة السيور الناقلة: تجمّد المواد الغذائية برشها مباشرة من صمامات خاصة بالمحاليل أو الغازات المبرّدة في أنفاق تسير بداخلها سيور مثقبة وناقلة للمواد التي ما أن يلامسها الآزوت السائل حتى يبدأ بالغليان مستمداً منها الحرارة اللازمة إلى أن تبلغ درجة حرارته -17.7ْم فيتبخر ثم يجمع في أنابيب خاصة تقوده إلى مستودعات التخزين لتبريده من جديد بامتصاص حرارته تحت ضغط عال لتحويله إلى سائل واستعماله ثانية في التجميد.
3ـ المجمدات القرّية: Immersion freezing with Cryogenic liquids تجمّد المادة الغذائية المحملة على سيور ناقلة بتمريرها في غرفة محكمة العزل يرش فيها غاز الآزوت وتخفض درجة حرارة المادة إلى -18ْم أو إلى -30ْم، ويكون الآزوت خاملاً وغير سام مما يقلل من إمكانية الأكسدة، كما تكون نسبة الجفاف في المادتين النباتية والحيوانية أقل من 1%، ويمكن استعمال هذه الطريقة لتجميد مختلف أنواع المنتجات الغذائية.
ب ـ التجميد بالملامسة غير المباشرة: يجمد الغذاء المعبأ بوضعه بين الصفائح أو الرفوف وتزود الرفوف بآلية تمكن من انطباقها على بعضها لتلامس سطوح العبوات عند إغلاق المجمّد. تستغرق عملية التجميد هذه ساعة واحدة إلى ساعتين لعبوات سمكها (4-5 سم) حسب الوسط وحجم العلبة ونوع غذائها ودرجة الملامسة. وتستعمل هذه الطريقة لتجميد الأغذية الصلبة كشرائح اللحوم والأسماك ووحدات الجمبري والخضر.
ج ـ التجميد بالهواء البارد Cooled air freezers: يستعمل هذا التجميد للتخلص من الآثار السيئة للاتصال المباشر بين المواد الغذائية وأوساط التبريد وللتقليل من التكاليف، ويشمل المجمدّات الحادةّ والمجمدّات العاصفة.
1ـ المجمدات الحادّة أو الصاعقة Sharp freezers هي أقدم المجمدات وأقلها كلفة، تتألف من غرفة واحدة أو عدة غرف بأحجام مختلفة وجدران عازلة ومجهزة برفوف لوضع المواد عليها أو بأعمدة أفقية لتعليق الذبائح عليها، تراوح درجة حرارة الغرفة بين -23ْم و-29ْم، ويكون تيار الهواء فيها عادياً أو يحرك بمراوح دافعة لهواء. تستعمل هذه المجمدّات في البيوت والمتاجر والمخابز على نطاق كبير.
2ـ المجمدات العاصفة Air blast freezers الأفقية والشاقولية: قد تتألف من غرفة محكمة العزل أو على شكل نفق تسير فيه عربات محملة بالمواد، أو تتحرك فيه سيور ناقلة للمواد المراد تجميدها.
وقد تصمم هذه المجمدات لتكون حركة الصواني شاقولية نحو الأعلى وسط تيار من الهواء البارد وبسرعة تراوح بين 67 و100م/ثانية، تجمّد فيه مثلاً البازلاء أو الفاصولياء في مدة 15 دقيقة، وتتميز هذه المجمّدات بقلة تكاليفها ومرونتها في تجميد مختلف أنواع المواد الغذائية، وبارتفاع مردودها (200- 1500كغ/ساعة).
3ـ التجميد بتيارات الهواء المندفع: يشمل التجميد بالأنفاق في العربات المتحركة أوالسيور أوالنقل العمودي. ففي طريقة التجميد بالأنفاق والعربات المتحركة تحمل المواد الغذائية في أطباق مناسبة لها على عربات تدفع داخل النفق، على سكك حديدية يدوياً أو آلياً بالسرعة المناسبة للتجميد، وتراوح طاقة التجميد بين 1و 2.5 طن/ساعة. أما في التجميد بالأنفاق والسيور الناقلة، فتنقل المواد الغذائية غير المغلفة كالبازلاء داخل الأنفاق بوساطة سيور صفائحية أو مثقبة بطيئة الحركة يمرر الهواء بسرعة كبيرة من خلال المواد مؤدياً إلى رفعها في الهواء وكأنها سابحة فيه مما يسرع في تجميدها. ويستخدم التجميد بالأنفاق والنقل العمودي في تجميد نحو 70% من المواد الغذائية وباستطاعات ضخمة تراوح بين 3-4 أطنان بازلاء في الساعة الواحدة، وتنقل المواد فيها بوساطة الهواء المبرّد عمودياً إلى جانب تبريدها جانبياً لتقصير مدة التجميد ورفع استطاعة المجمِّدة.
د ـ التجميد بوساطة الهواء الساكن Still air: يستعمل لتجميد القطع الكبيرة من لحوم الماشية وتعلق أو توضع هذه اللحوم على رفوف في غرفة معزولة ومبردة أتماتياً بسرعة بطيئة تراوح درجة الحرارة فيها بين -23.3ْم و-28.9ْم. تحتاج اللحوم إلى (3-4) أيام لتتجمد فيها وقد صممت المجمدات المنزلية على أساس التجميد بالهواء الساكن وفي درجة حرارة -18ْم
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ثالثاً: معاملة المواد الغذائية قبل التجميد
ينبغي أن تكون أصناف الفواكه والخضار المراد تجميدها جيدة وسليمة وناضجة في الفواكه، وغير ناضجة نسبياً في الخضار، وأن تعبأ وتغلف بمواد التغليف الملائمة بعد سلقها لإتلاف الخمائر التي تؤثر في نكهتها وقوامها ولونها، وأما اللحوم فتبرد مباشرة بعد الذبح إلى درجة حرارة 10-20ْم ولمدة 20 ساعة بغية تقويض مولد السكر Glycolysis ببطء ولتقليل نمو الأحياء الدقيقة ومنع قساوة العضلات.
رابعاً: التغيرات التي تحصل في الأغذية المجمدة
تحدث في الأغذية المجمدة تغيرات فيزيائية وكيمياوية وأنظيمية وتغيرات ناجمة عن الأحياء الدقيقة.
تشمل التغيرات الفيزيائية: الجفاف وحروق التجميد وتأكسد الشحوم وتشكل الفجوات الجليدية والتبلور مسببةً تشويه قوامها.
أما التغيرات الكيمياوية فتشمل: أكسدة الأصبغة النباتية وتحللها، وأكسدة الحموض والشحوم مؤدية إلى تغير لونها وتزنخها، كما يحصل فقد كبير في جميع أنواع الفيتامينات وبخاصة C وB1 وB2 في أثناء الخزن.
التغيُّرات الأنزيمية: يوقف التجميد أنشطة الكائنات الحية الدقيقة إلاّ أنه يبطىء فاعلية الأنزيمات بل وينشطها خاصة، عند نقطة فوق التبرد، ويسبب ضرراً بالغاً في مظهر المادة وقيمتها الغذائية عند حفظها في هذه الدرجة المنخفضة من الحرارة، كما أن تخزين المادة في الدرجة -6ْم يجعلها غير مقبولة غذائياً.
التغيرات الناجمة عن تكاثر الأحياء الدقيقة: قد تؤدي حرارة التجميد إلى أضرار كبيرة في خلايا الأحياء الدقيقة، لكنها قلما تؤثر في أبواغها، وتبين أن المواد الغذائية الغضّة تحتوي قبل تصنيعها وحفظها على أعداد كبيرة من الأحياء الدقيقة، وتؤدي عملية سلق البازلاء مثلاً إلى خفض عددها عدة مئات ثم تعود لتزداد في أثناء تصنيعها متأثرة بدرجات الحرارة وطول العملية التصنيعية وطور سكون المواد الغذائية
خامساً: مواصفات مواد التغليف وتوزيع الأغذية المجمدة واستخدامها
تباع غالباً المواد الغذائية المجمدة بعرضها في واجهات أماكن البيع أو تبقى خاضعة لدرجات حرارة -18ْم، كما يمكن حفظها في المجمدات المنزلية في درجة حرارة تراوح بين -6ْم حتى -18ْم. وتستهلك هذه المواد بعد إزالة حالة تجمدها وإعادتها إلى حالتها الأصلية قبل التجميد باتباع إحدى الطرائق التالية:
1) إزالة التجمد بالماء: وذلك بتمرير الماء الساخن في أحواض نقع المادة المجمدّة إلى نحو 60-70ْم. وتحدد سرعة الماء ودرجة حرارته والزمن اللازم لإزالة الجليد حسب المادة الغذائية.
2) إزالة التجمد بالهواء الساخن: توضع المواد الغذائية المجمدة على سير متحرك في نفق بسرعة محددة حيث يدفع الهواء الساخن موازياً أو معاكساً لاتجاه نقل العبوات وتنظم درجة الحرارة ونسبة الرطوبة في النفق بمعاير حراري (ترموستات).
3) إزالة التجمد بالكهرباء: تستخدم هذه الطريقة عند تماثل قوام المواد وشكلها وأبعادها وذلك بوضع المادة بين قطبي تيار كهربائي، وتؤدي مقاومة الماء لمرور التيار إلى رفع درجة حرارتها وإزالة التجمد عنها كذلك تستعمل لهذه الغاية أجهزة الموجات الميكروية.
سادساً: القيمة الغذائية للأغذية المجمّدة
تتميز المواد الغذائية المجمدّة بفوائد كثيرة أدت إلى توسع كبير في استعمالها وتسويقها، وتتوافر اليوم في الأسواق أنواع كثيرة مجمدة من الخضراوات واللحوم والأسماك وغيرها بسبب عدم حصول تغييرات كبيرة في قيمتها الغذائية وتقديم الأغذية الملائمة والمتنوعة بأشكالها وحجومها، والتي تصبح جاهزة للاستهلاك بعد تسخينها، كما تحتفظ هذه المواد المجمدّة بخصائصها الطبيعية وبخاصة اللون والطعم من دون تغيير ملحوظ، وقد أسهم التجميد في تخزين المواد الغذائية مدداً طويلة من الزمن مما ساعد على تثبيت الأسعار وتقليل الفاقد من المحاصيل عندما تفيض عن الاحتياج وتقديم المساعدات العاجلة إلى المنكوبين بفضل الكوارث الطبيعية في أقطار مختلفة من العالم ونقل الغذاء من مناطق الإنتاج البعيدة إلى مناطق الاستهلاك، ومكّن كذلك من توافر السلع على مدار السنة.[1]
انظر أيضاً
إلى من صلب سائل غاز بلازما صلب تغير صلب-صلب ذوبان/انصهار تسامي N/A سائل تجميد N/A غليان/تبخر N/A غاز ترسيب تكثف N/A تأين بلازما N/A N/A Recombination/إزالة التأين N/A