رفتار تبلور و کیفیت گوشت یخ‌زده

رفتار تبلور و کیفیت گوشت یخ‌زده

نویسنده: دیوید اس.دنگ[1]، لویس جی.باستراکیا[2]، سیلوانا مارتینی[3] و سلیمان کی.مطرنه[4]

چکیده:

نگهداری گوشت به روش انجماد مستلزم استفاده از دماهای پایین برای افزایش ماندگاری محصول است که اساساً با کاهش سرعت فساد میکروبی و واکنش‌های فساد همراه است. گوشت تعدادی ویژگی دارد که حفظ آن مهم است ازجمله، نرمی و لطافت بافت گوشت، ظرفیت نگهداری آب، رنگ و طعم. به طور کلی، انجماد نرم بودن بافت گوشت را بیشتر می‌کند، اما بر سایر ویژگی‌های کیفی آن تأثیر منفی دارد.

میزان تأثیرگذاری انجماد بر این ویژگی‌ها به اندازه‌ و پخش بلورهای یخ بستگی دارد که به خودی خود توسط سرعت انجماد، دمای نگهداری و مدت زمان نگهداری کنترل می‌شود. اگرچه تکنولوژی‌های جدید امکانی ایجاد کرده است تا اثرات منفی انجماد کاهش پیدا کند، اما پیش‌بینی دقیق و درست کیفیت گوشت پس از انجماد به دلیل ماهیت پیچیده بافت ماهیچه‌ای آن دشوار است. این مطلب مروری کلی بر درک انرژی و انتقال گرما در طول انجماد و تأثیر آن بر کیفیت گوشت است. علاوه‌براین، در این مطلب سعی بر آن است تا فناوری‌های جدید فعلی را که برای بهبود سطح کیفی فرآیند انجماد استفاده می‌شود، به طور کلی بررسی کنیم.  

کلمات کلیدی: نگهداری، کریستالیزه شدن، انجماد/یخ‌زدایی، کیفیت گوشت، فناوری‌های انجماد

1. مقدمه

هزاران سال است که برای افزایش ماندگاری غذا از روش‌های مختلف نگهداری استفاده می‌شود. در اصل، نگهداری غذا عبارت از ایجاد تغییرات در خواص ذاتی محصول، عمدتاً تغییرِ ph و فعالیت آبی، به منظور ممانعت از رشد میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا، کپک‌ها و هاگ‌ها است. همچنین از روش‌های نگهداری غذا برای کنترل واکنش‌های شیمیایی که در فساد محصولات غذایی مانند لیپوکافت، اکسیداسیون لیپید، پروتئین‌کافت دخیل هستند، استفاده می‌شود [1]. مثالی که در آن هر دو مانع اصلی (PH و AW) اصلاح می‌شوند، فرآیند فرآوری محصولات گوشتی تخمیرشده نیمه خشک و خشک است که معمولاً در آن محصول با کشت میکروبی برای کاهش PH و پس از آن خشک شدن برای کاهش AW مایه‌کوبی می‌شود [2]. بااین‌حال، تغییر خواص ذاتی محصول تا این حد بدین معناست که محصول دیگر محصولی «تازه» تلقی نمی‌شود، ویژگی که معمولاً اکثرمصرف‌کنندگان در انتخاب محصول گوشتی خود در اولویت قرار می‌دهند[3]. از سوی دیگر، محصولات غذایی را می‌توان بدون نیاز به اعمال تغییرات قابل‌توجه در خواص ذاتی آن در دمای بسیار پایین نگهداری کرد. اگرچه نگهداری مواد غذایی از طریق انجماد برای بسیاری از محصولات استفاده می‌شود، اما تمرکز این مطلب روی انجماد گوشت تازه است.

 گوشت تازه به دلیل مقدار آب زیادی که در بافت خود دارد، حدود 60-70% پایه آب دارد [4]، مستعد فساد میکروبی و واکنش‌های شیمیایی است که می‌تواند بر جنبه‌های کیفیت گوشت مثل رنگ، بافت و طعم آن تأثیر منفی بگذارد [5]. صنعت گوشت به طور گسترده از روش انجماد برای نگهداری از محصولات خود در حین حمل‌ونقل و ذخیره‌سازی استفاده می‌کند. با این وجود، انجماد می‌تواند روی همان خواص کیفی که قرار بود حفظ شود، تأثیر منفی داشته و در نتیجه محصولاتی ایجاد شود که نارضایتی مصرف‌کننده را به همراه داشته باشد [6]. بنابراین، برای درک تغییرات فیزیکی و بیوشیمیایی که در طی فرآیند انجماد رخ می‌دهد و علت ایجاد آن، تحقیقات و زمان زیادی صرف شده است [7]. هدف این مطلب بررسی نگهداری محصولات گوشتی تازه از طریق انجماد، تأثیرات انجماد روی کیفیت گوشت، پیشرفت‌های تکنولوژی بوجود آمده در این زمینه و بهبود کیفیت محصولات گوشتی منجمد است. با این‌حال، قبل از مطرح کردن این موضوعات، باید درک درست و منطقی از فرآیند انجماد و رفتار کریستالیزه شدن آب داشته باشیم.

• انجماد و رفتار کریستالیزه شدن آب

مطابق تعریف، فرآیند انجماد به کاهش حرکت مولکول‌های موجود در محیط گفته می‌شود [8]. این تعریف عمدتاً در غذاهای گوشتی به کاهش حرکت تصادفی مولکول‌های آب که در داخل بافت گوشت وجود دارد، اشاره می‌کند. انجماد آب در گوشت را می‌توان در سه مرحله زمانی مجزا خلاصه کرد: (1) خنک شدن محصول تا نقطه انجماد آن، (2) مرحله‌ی تبدیل حالت که در آن گرمای پنهان حذف می‌شود و (3) در این مرحله محصول به دمای نهایی برای نگهداری می‌رسد (دماآمایی) [9]. کریستال‌های یخ در مرحله تبدیل حالت شکل می‌گیرد که در آن مولکول‌های آب به صورت کریستالیزه شده هدایت می‌شوند. در مرحله کریستالیزه شدن، پدیده هسته‌زایی و رشد بلور رخ می‌دهد. هسته‌زایی در مورد انجماد آب به تشکیل «رویان» یا هسته‌ی بلور یخ اشاره می‌کند که بعداً می‌تواند به یک بلور یخ بزرگ‌تر تبدیل شود [10]. دو نوع هسته‌زایی وجود دارد که می‌تواند اتفاق بیافتد که آنها را هسته‌زایی اولیه و ثانویه می‌نامیم. هسته‌زایی اولیه یعنی تشکیل بلورهای جدید در محیطی که در آن هیچ بلوری از قبل وجود ندارد. زمانی که ساختار بلوری شکل بگیرد، شکستن ناگهانی ساختار می‌تواند تشکیل بلورهای جدید را کاتالیز کند. این پدیده هسته‌زایی ثانویه نامیده می‌شود و برای تشکیل هسته‌های پایدار به انرژی کمتری نسبت به هسته‌زایی اولیه نیاز دارد [10]. به همین نحو، عناصر مختلف ازجمله، پروتئین‌ها و مواد معدنی که در یک بستر پیچیده هستند و شبیه سیستم غذایی عمل می‌کنند، می‌توانند انرژی لازم برای تشکیل هسته را کاهش دهند و به هسته‌زایی ثانویه کمک کنند [11]. ابرسرمایش که کاهش جزئی دما در اثر آرایش اولیه بلورهای آب تعریف می‌شود، در هر دو مورد نیروی محرکه لازم برای هسته‌زدایی را فراهم می‌کند [12]. سرعت هسته‌زایی (β) برای هسته‌زایی اولیه و ثانویه را می‌توان با استفاده از معادله (1) مدل‌سازی کرد که در آن ΔGc برابر است با انرژی آزاد حیاتی برای هسته‌زایی، k ثابت بولتزمن (1.380649 × 10−23 J/K) است، T دما است، z فاکتور زلدوویچ است (که با رابطه بین تعداد هسته‌ها در توزیع تعادل و حالت پایدار با توجه به دمای کشش سطحی، تغلیظ، عدد آوگادرو و مساحت سطح تعریف می‌شود)، f* فرکانس مونومر است که به یک هسته متصل است و C0 تعداد مکان‌های هسته‌زایی است [9]. به طور خلاصه، معادله (1) بیانگر این است که سرعت هسته‌زایی یک پدیده آماری است. البته احتمال هسته‌زایی در سیستمی که ابرسرمایش بیشتری داشته باشد، بالاتر است.

(1)

هسته‌ها پس از تشکیل شرایطی را برای تشکیل بلورهای بیشتری فراهم می‌کنند و درنتیجه امکان رشد بلورها فراهم می‌شود [13]. هسته‌زایی و رشد کریستال دو پدیده مرتبط اما در عین حال معکوس است که با سرعت ابرسرمایش کنترل می‌شود. هر چه سرعت ابرسرمایش بیشتر باشد، هسته‌زایی بیشتری اتفاق می‌افتد و اندازه بلورها کوچکتر می‌شود. بنابراین، سرعت ابرسرمایش عامل اصلی برای تعیین رشد بلورها است، زیرا می‌تواند اندازه، پخش و ساختار بلور یخ را تعیین کند [9]. معادله (2) یک مدل نظری است که ابرسرمایش را یکی از مهم‌ترین تعیین‌کننده‌های رشد بلوری می‌داند که در آن G سرعت رشد بلور تعریف شده است، ΔTs دمای ابرسرمایش است (که به این طریق محاسبه می‌شود: دمای نقطه انجماد [Tf] منهای دمای هسته‌زایی (Tn)) و β ضریب رشد ثابت  و n که ضریب ترتیب رشد است ثابت‌هایی هستند که به طور تجربی تعیین می‌شوند [9]. برای توضیح بیشتر درمورد هسته‌زایی و رشد بلورهای آب به مقاله کیانی و سان [9] مراجعه کنید که به طور کامل رویکردهای مدلسازی برای هسته‌زایی و رشد بلور را توضیح داده است.

• تعادل انرژی و انتقال گرما در طول فرآیند کریستالیزه شدن آب در گوشت

به طور کلی، مرکز حرارتی محصول نقطه مرجعی است که زمان اتمام انجماد و درنتیجه زمان بهینه انجماد را تعیین می‌کند [14]. انجام یک‌سری اندازه‌گیری‌ها از دمای کل شی‌ء و تعیین دمای متوسط جرمی راهی جایگزین برای این روش است. با این وجود، میانگین دمای جرمی اشکالاتی نیز دارد؛ برای مثال، برای بدست آوردن تخمین‌های دقیق و درست به جمع‌آوری اطلاعات گسترده نیاز دارد [14.15]. بنابراین، هنگام تعیین زمان انجماد، بیشتر از روش اندازه‌گیری مرکز حرارتی استفاده می‌شود [16]. کل زمان مورد نیاز یک محصول برای رسیدن به دمای انجماد تعیین‌شده در مرکز حرارتی به عنوان زمان انجماد مؤثر/استاندارد تعریف می‌شود [17]. محصولات گوشتی از نظر اندازه و ظاهر متنوع هستند و درنتیجه سرعت انجماد بین این محصولات متفاوت است. بنابراین، برای دستیابی به محصولات باکیفیت‌تر، تلاش‌های زیادی انجام شده است تا به روش‌های انجماد بهتری دست پیدا کنیم. در این راستا، از رویکردهای مدلسازی برای پیش‌بینی زمان انجمادِ محصولات مختلف استفاده می‌شود. درابتدا از مدل‌سازی گرما و جرم استفاده می‌شود [18.19.20].

3-1 تعادل انرژی

از معادله (3) می‌توان برای محاسبه میزان حرارتی که باید برای نمونه غذایی حذف شود، استفاده کرد:

در این معادله Q  مقدار گرمایی است که باید حذف شود (برحسب کیلوژول)، m_s جرم مواد جامد در نمونه است (برحسب کیلوگرم)، c_p,s  و c_p,w مقادیر ویژه‌ی گرمای جامدات و آب است (به ترتیب برحسب کیلوژول و کیلوگرم)، λw آنتالپی کریستالیزه شدن یا همجوشی آب در دمای کریستالیزه شدن است (برحسب کیلوژول/کیلوگرم)،  T_i به دمای اولیه‌ی نمونه گفته می‌شود که بالاتر از دمای کریستالیزه شدن است (برحسب سانتی‌گراد)، T_c  دمای کریستالیزه شدن آب است (برحسب سانتی‌گراد) و T_f  دمای نهایی نمونه زیر دمای کریستالیزه شدن آب است (برحسب سانتی‌گراد). ذکر این نکته بسیار مهم است که ممکن است مقادیر گرمای ویژه در محدوده معینی از دماها ثابت نباشد و گرمای ویژه یک ماده می‌تواند با تغییر حالت تغییر کند [21.22].

همانطور که می‌توان انتظار داشت، وجود حلال‌ها در نمونه‌های غذایی می‌تواند به میزان قابل توجهی کریستالیزه شدن دمای آب موجود در خود را تغییر دهد که همین امر منجر می‌شود تا ارزش کمتری نسبت به دمای کریستالیزه شدن آب خالص داشته باشد. به طور کلی، انحراف از دمای کریستالیزه شدنِ آب خالص به نوع حلال موجود (وزن مولکولی آنها) و غلظت آن بستگی دارد [23]. به همین ترتیب، مقادیر گرمای ویژه جامدات به عناصر تشکیل‌دهنده و وضعیت فیزیکی آنها بستگی دارد. معادلات متعددی برای پیش‌بینی دمای کریستالیزه شدن آب در غذاها، محاسبه‌ی مقدار گرمای ویژه و مهم‌تر از همه دمای کریستالیزه شدن نسبی آب در دسترس است [24.25].

حتی اگر پیش‌بینی ویژگی‌های گرمایی غذاها  (مانند دمای کریستالیزه شدن آب و گرمای ویژه) با معادلات تجربی امکان‌پذیر باشد؛ معادلاتی که پیشتر توضیح دادیم، اما با این‌حال ممکن است که مقدار واقعی گرمای قابل جابه‌جایی که برای انجماد نمونه مورد نیاز است از مقدار Q محاسبه شده در معادله منحرف شود (معادله 3) (می‌توان آن را به عنوان مقدار نظری یا ساده‌سازی در نظر گرفت‌). شکل 1 منحنی‌های انجماد آب خالص و نمونه غذایی را نشان می‌دهد. آب درنتیجه‌ی حذف گرما از نمونه غذایی شروع به کریستالیزه شدن در دمای اولیه فرآیند کریستالیزه شدن می‌کند. دمای کریستالیزه شدن در یک نقطه خاص شروع به کاهش می‌کند و دلیل این امر غلیظ‌تر شدن محلول است، درنتیجه فرآیند کریستالیزه شدن متوقف می‌شود؛ مگر این که گرمای بیشتری از سیستم خارج شود. اگر گرمای بیشتری حذف شود، این امکان وجود دارد تا یک یا چند دمای یوتکتیک (دمایی که در آن فاز مایع و جامد در حالت تعادل باهم وجود دارند) بوجود آید. پس از رسیدن به دمای یوتکتیک، تمام اجزاء تشکیل‌دهنده نمونه غذایی در حالت جامد هستند و همزمان با حذف گرمای بیشتر پس از کریستالیزه شدن، دما به کاهش یافتن خود ادامه می‌دهد [21].

شکل 1

پیشینه دمایی آب خالص و نمونه غذایی در طول فرآیند انجماد. اقتباس از هلدمن و سینگ^[5]

3–2 انتقال گرما و کریستالیزه شدن آب در گوشت

سرعت انتقال گرما یا سرعت انجماد تحت تأثیر عواملی ازجمله گرادیان دمایی بین محصول و محیط انجماد، حالت‌های انتقال گرما که در این فرآیند مشارکت دارند (همرفت، رسانش، تابش یا ترکیبی از همه این موارد)، شکل و اندازه محصول و همچنین بسته‌بندی مواد و مشخصه‌های گرمایی محصول است. این واقعیت که بسیاری از خواص گرمایی (به طور مثال، گرمای ویژه، رسانندگی گرمایی و آنتالپی فاز تغییر) با تغییرات دما، تغییر می‌کنند می‌تواند تعیین‌ سرعت انتقال گرما را مشکل‌ساز کند. این امر به خودی خود نیاز به توسعه راه‌حل‌های ساده برای محاسبه سرعت انتقال گرما و زمان مورد نیاز برای انجماد محصول را فراهم می‌کند. این راه‌حل‌ها معمولاً مشخصه‌های گرمایی را تابعی از دمای ثابت تصور می‌کنند [21]. معادلات حاکم بر انتقال گرما درنتیجه‌ی رسانش هندسی منظم در زیر نشان داده شده است. معادله (4) با مختصات کارتزین (هندسه مستطیلی) و معادله (5) با مختصات استوانه‌ای مطابقت دارد، همچنین معادله (6) برای سیستم کروی استفاده می‌شود [26].

معادلات 6-4 سرعت انتقال گرما در سه بعد دستگاه مختصات مربوطه و گرمای تولیدشده در g˙ (برحسب وزن/مترمکعب) را با تغییرات مقدار گرمای مربوطه در حجم کاری (سمت راست معادله) مرتبط می‌داند. اگر تغییری در فاز (مانند کریستالیزه شدن آب در طول فرآیند انجماد) رخ دهد، باید در سمت راست معادلات به عنوان تغییر کلی در آنتالپی گنجانده شود. برای جلوگیری از نادرست بودن ناشی از به کارگیری مدل‌های تجربی در پیش‌بینی خواص گرمایی و محاسبه تغییرات غیرمستقیم در محتوای گرمایی، به نظر می‌رسد که تجزیه و تحلیل گرمایی بهترین رویکرد برای تعیین دقیق مقدار گرمایی است که نیاز است برای رسیدن به سطح مشخصی از کریستالیزه شدن آب حذف شود. برخی از متداول‌ترین روش‌های تجزیه و تحلیل گرمایی مورد استفاده شامل گرماسنجی روبشی تفاضلی (به اختصار DSC)، گرماسنجی تفاضلی (به اختصار DTA) و ترموگراویمتری (به اختصار TG) است [27]. زمانی که تغییر کلی آنتالپی در فرآیند انجماد از طریق هر یک از این روش‌های تجزیه و تحلیل گرمایی تشخیص داده شود، می‌توان آن را به سادگی برای محاسبات زمان انجماد درنظر گرفت. تجزیه و تحلیل گرمایی شرایط تعیین دقیق تأمین انرژی یا حذف انرژی را فراهم می‌کند [27.28]. هوبانی و النساری^[6] [29] تغییر آنتالپی گوشت از منفی 40 درجه سانتی‌گراد به 40 درجه سانتی‌گراد را از طریق روش گرماسنجی روبشی تفاضلی دمای تعدیل شده (به اختصار MDSC) بررسی کردند. این نویسندگان توانستند تا مقدار گرما (که عامل انجماد و کریستالیزه شده آب است) را تابع رطوبت تعیین کنند و تغییرات گرمای ویژه را در طول محدوده گرمایی به طور دقیق پیش‌بینی کنند.  با حل تحلیلی معادلات حاکم که در بالا توضیح داده شده است، تعیین سرعت انتقال گرما و توزیع گرما در جسم امکان‌پذیر می‌شود و اگر ثابت شود که انتقال گرما تنها در یک بُعد انجام می‌شود (که در بسیاری از موقعیت‌ها می‌تواند یک فرض مطمئن باشد)، در آن صورت آن راه‌حل‌های تحلیلی را می‌توان به راحتی تعیین کرد. راه‌حل‌های تحلیلی معادلات حاکم شامل انجام بیلان انرژی نسبی در حجم کاری، اعمال شرایط مرزی شناخته شده و حل معادله دیفرانسیل برای تعیین ثابت‌های یکپارچه‌سازی نسبی است. راه‌حل‌های تحلیلی را می‌توان راه‌حل‌های دقیقی درنظر گرفت، زیرا با شرایط مرزی معادلات دیفرانسیل مطابقت دارند [30]. معادله پلانک (معادله شماره 7) مثالی از یک راه‌حل تحلیلی پرکاربرد برای هندسه‌های منظم است که می‌توان از آن برای محاسبه زمان انجماد با این فرض که انتقال گرما تک‌بعدی است، استفاده کرد [21.23].

معادله 7         

در این معادله t_F‌ زمان انجماد، ρ چگالی جسم است، T_F نقطه انجماد اولیه است، T_∞ دمای محیط خنک‌کننده است، a مشخصه‌ی طول جسم است (ضخامت یک قطعه یا قطر استوانه یا کُره)، P و R ثابت‌هایی هستند که به هندسه جسم بستگی دارند (ضخامت، استوانه یا کره)، h ضریب همرفت انتقال گرمای محیط خنک‌کننده است (که ممکن است نیاز باشد تا مقدار آن را تجربی تعیین کنیم) و k رسانندگی گرمایی جسم است.

از سایر روش‌های تحلیلی، نیمه‌تحلیلی و تجربی برای محاسبه زمان انجماد می‌توان به اصلاح معادله پلانک توسط کلیلند و ارل^[7]، روش لاکروآ و کاستاین^[8]، روش فام^[9]، روش سالوادوری و ماسکرونی^[10]، روش هانگ و تامپسون^[11]، روش ایلیکالی و ساگلام^[12]، روش نویمن^[13]، راه‌حل‌های تائو^[14]، راه‌حل‌های تین^[15] و روش موت^[16] اشاره کرد [21.31]. این روش‌ها را می‌توان برای اجسام با اشکال منظم (استوانه، کره و دال) به کار برد. روش‌های توسعه‌یافته‌ی دیگر را می‌توان برای پیش‌بینی زمان انجماد اجسام با شکل‌های نامنظم به کار برد و شامل روش‌های کلالند و ارل^[17]، کلالند و همکاران، حسین^[18] و همکاران، و لین^[19] و همکاران است [31].

اصلی‌ترین مزیت اکثر راه‌حل‌های تحلیلی، نیمه‌تحلیلی و تجربی ساده بودن آنها است، اما در موقعیت‌های واقعی کاربردپذیری محدودی دارند. بسیاری از آنها برای مطالعه به سیستم یا شیء نیاز دارند که شکل هندسی منظمی داشته باشد که ممکن است برای سیستم‌های بیولوژیکی بسیار بعید باشد. علاوه براین، بسیاری از راه‌حل‌های تحلیلی (مثل معادله پلانک) مشخصه‌های فیزیکی و حرارتی (مانند چگالی، دمای کریستالیزه شدن، رسانندگی گرمایی، گرمای ویژه و آنتالپی کریستالیزه شدن) را ثابت فرض می‌کنند که ممکن است بیش از حد ساده‌سازی محسوب شود و علاوه‌براین می‌تواند منجر به انحراف از اندازه‌گیری‌های واقعی شود. علاوه‌براین، راه‌حل‌های تحلیلی انتقال گرما را در حالت پایدار فرض می‌کند، شرایطی که نشان می‌دهد توزیع گرما در سراسر سیستم در طول زمان‌های مختلف ثابت می‌ماند. این نیز داستان ایده‌آل دیگری است که به ندرت در موقعیت‌های واقعی یافت می‌شود [21.30]. همچنین، در مورد گوشت و سایر زیست‌ماده‌ها (بافت‌های سلولی)، پیچیدگی ساختار آنها باعث ایجاد انحراف بیشتری از نتایج بدست آمده از راه‌حل‌های تحلیلی می‌شود که نمونه‌ها یا اجسام را با جسم همگن در نظر می‌گیرند. این ویژگی فقط در مواد خالص قابل انتظار است. درحقیقت، نمونه‌های گوشت ممکن است مناطق کوچک یا مناطق «خمیر مانندی» را نشان دهند که در آن کریستالیزه شدن یا انجماد به جای اینکه یکنواخت باشد، در نواحی جدا از هم اتفاق بیافتد [26]، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2   انتقال گرما تک‌بعدی و انجماد در دال‌های آب خالص و نمونه گوشت. برگرفته از داتا[20]

برای مقابله با دقت و کاربرد محدود راه‌حل‌های تحلیلی، می‌توان از روش‌های عددی استفاده کرد که شی‌ء یا محیط مورد مطالعه را به بخش‌های فرعی کو‌چک تقسیم می‌کنند. این امر به ایجاد معادلات جبری یکسان برای دماهای نامشخص در گره‌های واقع در خط اتصال زیرمجموعه‌های فرعی منجر می‌شود. سپس می‌توان این معادلات را از طریق روش‌های محاسباتی برای تعیین توزیع دما در محیط حل کرد. برخی از روش‌های عددی پرکاربرد عبارتند از: روش تفاضل محدود، روش اجزاء محدود، روش اِلمان مرزی، روش حجم محدود و روش بیلان انرژی [30.32]. از این روش‌ها می‌توان تحت شرایط پایدار و ناپایدار استفاده کرد، بنابراین، امکان محاسبه زمان انجماد فراهم است. اکثر روش‌ها و نرم‌افزارهای محاسباتیِ دردسترس از روش اجزاء محدود و روش حجم محدود استفاده می‌کنند [32.33]. کاربرد روش‌های عددی نیز مستلزم دانش و آگاهی اولیه از شرایط مرزی فرآیند یا پدیده مورد مطالعه است. برخی از شرایط اولیه و مرزی که اغلب استفاده می‌شود شامل شرایط مرزی دمای اولیه یا مشخص، شرایط مرزی شار گرما، شرایط مرزی همرفت، شرایط مرزی تابش، ترکیب شرایط مرزی تابش و همرفت، شار گرمایی ترکیبی، تابش و شرایط مرزی همرفت و شرایط مرزی خط اتصال است [30].

می‌توان از راه‌حل‌های عددی معادلات دیفرانسیل جزئی (مثل معادلات شماره 6-4) که پدیده‌های فیزیکی را توضیح می‌دهند برای انجام شبیه‌سازی‌های مجازی یا محاسباتیِ انواع عملیات‌های پردازشی، مثل انجماد، استفاده کرد. پیش‌بینی تاریخچه‌های دما-زمان با آگاهی از انرژی لازم برای حذف نمونه غذایی به منظور دستیابی به دمای خاص (و/یا مشخصه‌های گرمایی و فیزیکی نمونه غذایی مورد مطالعه) و همچنین دستیابی به شرایط محیطی مناسب (مثل ضریب انتقال گرما همرفتی و دمای محیط انجماد) نیز امکان‌پذیر است. این مقادیر پیش‌بینی‌شده را می‌توان در یک آزمایش واقعی تأیید کرد که صرفه‌جویی قابل‌توجهی را در زمان، مواد و منابع کار بوجود می‌آورد [32]. سان و ژو[21] [34] برای تعیین زمان انجماد نمونه‌های گوشت گاو که جهت‌گیری‌ ماهیچه‌ تار[22] مختلفی دارند (موازی با جهت انتقال گرما و عمود بر آن)، شبیه‌سازی‌های محساباتی انجام دادند. انتقال گرما در این مطالعه در مختصات دکارتی یک‌جهت فرض شد (معادله 4)، و از روش تفاضل محدود با فرمول کرنک-نیکلسون استفاده شده است. آنها علاوه‌براین تغییرات رسانندگی گرما با دما را نیز در نظر گرفتند. به طور کلی، نتایج حاصله از تحقیق آنها تطبیق خوبی را با شبیه‌سازی‌های پیش‌بینی‌شده نشان داد. با این‌حال، سایر افراد در مطالعاتی که انجام دادند پدیده انتقال جرم را در رویکرد مدل‌سازی خود در نظر گرفتند، زیرا ممکن است آب در طول انجماد یا ذوب شدن از سطح نمونه‌ی گوشت متراکم یا تبخیر شود. دلگادو[23] و سان [35] از روش تفاضل محدود صریح برای انجام شبیه‌سازی‌های انتقال همزمان گرما و جرم در طول یخ‌زدایی نمونه‌های ژامبون استفاده کردند و داده‌های تجربی با معادله دیفرانسیل جزئی به کار برده شده تطبیق خوبی داشت. تروخیلو^[24] و فام^[25] [36] اخیراً ارزیابی درمورد فرآیند سرد کردن لاشه گوشت گاو از طریق دینامیک سیالات محاسباتی (به اختصار CFD) انجام دادند که شامل انتقال همزمان گرما و جرم بود. هندسه سه‌بعدی لاشه گوشت گاو در نرم‌افزاری ساخته شده است که نویسندگان از طریق برقراری ارتباط بین بخش‌های مختلف لاشه به کار گرفته‌اند (شکل 3). نویسندگان دریافتند که انطباق بین داده‌های پیش‌بینی‌شده و اندازه‌گیری‌شده (مانند دما و از دست دادن رطوبت سطحی) به بخشی از لاشه بستگی دارد، احتمالاً به دلیل اثرات مقاومت انتقال جرم یا عایق محلی است.

شکل 3: تصویر مثالی از خروجی بدست آمده از شبیه‌سازی سرمایش یا انجماد از طریق حل معادله دیفرانسیل انتقال گرما از طریق روش‌های عددی را نشان می‌دهد. برگرفته از تروخیلو و فام[26] [36]

• انجماد روشی برای نگهداری گوشت

گوشت محیطی عالی برای رشد کپک، مخمر و باکتری‌های بیماری‌زا فراهم می‌کند [37]، عواملی که محصولات گوشتی را بسیار فسادپذیر می‌کند. سرده‌های معمولی میکروارگانیسم‌هایی که اغلب در محصولات گوشتی یافت می‌شوند عبارتند از: آسینتوباکتر[27]، آئروموناس[28]، کپک سیاه[29]، انتروکوک[30]، میکروکوکوس[31]، مانوسکوس[32]، سودوموناس[33] و پنی‌سیلیوم[34] [5]. صنعت گوشت به دلیل خطری که این میکروارگانیسم‌ها برای سلامت انسان دارند، از دستورالعمل‌های سختگیرانه ایمنی مواد غذایی برای کنترل میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا مانند سالمونلا[35] و اشریشیاکلی[36] پیروی می‌کند [38]. با این‌حال، بیان این نکته بسیاری ضروری است که محصولات گوشتی آلوده نمی‌شوند، مگر اینکه اندام حیوانات برداشت شود و سپس لاشه بسته‌بندی نشود. درواقع، بافت گوشتی زیر پوست حیوان استریل است، مگر اینکه در طول فرآیند برداشت سوراخ شود [39]. آلودگی بیشتر ممکن است در دوران فرآوری و جابه‌جایی لاشه رخ ‌دهد. به طور کلی، آلودگی در برش‌های بزرگ گوشت در کل سطح آن پخش می‌شود، درحالی‌که آلودگی میکروبی در گوشت چرخ‌کرده در سراسر محصول پخش می‌شود و دلیل این امر چرخ شدن گوشت است.

محصولات گوشتی که برای خرده‌فروشی و مصرف‌کننده است را می‌توان برای مدت کوتاهی قبل از فساد در دمای سرد یخچال نگه داشت. از سوی دیگر، گوشت‌های یخ‌زده ماندگاری طولانی‌تری دارند. درحالی که‌ انجماد میکروب‌ها را از بین نمی‌برد، اما از تکثیر میکروبی جلوگیری می‌کند و درنتیجه سرعت فساد را کاهش می‌دهد. به همین دلیل است که باید هنگام یخ‌زدایی گوشت احتیاط کرد، زیرا شرایط یخ‌زدایی مستعد رشد میکروب است [7]. گوشت در حین یخ‌‌زدایی رطوبت داخلی خود را به سطح گوشت می‌فرستد و شرایط لازم برای رشد میکروب‌ها را فراهم می‌کند [7.40]. این امر ممکن است توضیح دهد که چرا گوشت یخ‌زده/یخ‌زدایی شده مرحله‌ی کمون کوتاه‌تری نسبت به گوشت تازه دارد [41.42]، به این معنی که ماندگاری محصولات گوشتی ممکن است پس از یخ‌زدایی کاهش یابد. بنابراین، وزارت کشاورزی ایالات متحده آمریکا توصیه می‌کند که گوشت یخ‌زده باید در دمای یخچال یخ‌زدایی شود تا خطر فساد آن کاهش یابد و کیفیت آن بهتر حفظ شود [43]. اگرچه انجماد عمدتاً برای محدود کردن فاسد شدن گوشت است، اما سایر ویژگی‌های گوشت می‌تواند تحت تأثیر این فرآیند قرار بگیرد.

• جنبه‌های کیفیت گوشت در رابطه با انجماد

سرعت سردشدن در هنگام فرآیند انجماد می‌تواند تا حد زیادی ریز ساختار و کیفیت گوشت را تحت تأثیر قرار دهد (شکل 4). سرعت سردشدن آهسته باعث افزایش تشکیل کریستال‌های بزرگ یخ می‌شود و درنتیجه تغییر شکل مشخص‌تری نسبت به ساختار سلولی اصلی خود دارد. همچنین، کریستال‌های بزرگ در گوشت می‌تواند به صورت مکانیکی به ساختار ماهیچه تارچه‌ای آسیب برساند و منجر به کاهش ظرفیت نگهداری آب (WHC) شود [44] که به نوبه خود روی رنگ، طعم و آبدار بودن گوشت تأثیر منفی دارد [45]. درمقابل، اگر سرعت سردسازی بیشتر باشد منجر به تشکیل کریستال‌های کوچک و درنتیجه آسیب کمتری به ساختار سلولی وارد می‌شود. به همین دلیل، ترجیح داده می‌شود تا برای انجماد محصولات غذایی و به خصوص محصولات گوشتی از سرعت سردسازی سریع استفاده شود. جدول 1 مطالعاتی را نشان می‌دهد که تأثیر سرعت انجماد و یخ‌زدایی را بر کیفیت گوشت از جمله نرم بودن گوشت، رنگ و ظرفیت نگهداری آب بررسی کرده است. تأثیر انجماد/یخ‌زدایی بر هر یک از ویژگی‌های گوشت در بخش بعدی مقاله بررسی خواهد شد.

شکل 4: تأثیر یکپارچگی سلول بر سرعت‌های مختلف سردسازی و کریستالیزه شدن آب. برگرفته از شودل^[37] و همکاران.

جدول 1

تأثیر سرعت انجماد (آهسته در مقابل سریع یا هرگز منجمد نشده) و یخ‌زدایی بر کیفیت گوشت

توضیحات:

SF: سرعت انجماد آهسته؛ FF: سرعت انجماد سریع؛ NF: هرگز منجمد نشده؛ †: هیچ اشاره‌ای از روش یخ‌زدایی نشده است؛ ‡:هیچ اشاره‌ای از روش جا افتادن نشده است؛  ↑: افزایش یافته؛ ↓: کاهش‌یافته؛ LO: اکسیداسیون لیپید؛ L*: سبکی؛ a*: قرمزی؛ b*: زردی؛ WBSF: نیروی برشی وارنر-برتزلر.

علاوه ‌بر سرعت سردشدن، زمان قرارگیری اولیه در معرض دمای انجماد عامل مهم دیگری است که باید در هنگام انجماد محصولات گوشتی در نظر گرفته شود. مثال معمولی که این جنبه را نشان می‌دهد، گوشتی است که دستخوش سختی یخ‌زدایی یا انقباض یخ‌زدایی شده است. سختی یخ‌زدایی زمانی اتفاق می‌افتد که گوشت ماهیچه قبل از تمام شدن جمود لاشه منجمد شود و سپس یخ‌زدایی شود. تشکیل کریستال‌های یخ هنگام انجماد موجب متلاشی شدن شبکه درون‌گوشتیِ درون سلول‌های ماهیچه‌ای می‌شود، درنتیجه کلسیم به طور ناگهانی پس از یخ‌زدایی در سیتوزول آزاد می‌شود. کلسیم در مجاورت ATP باعث انقباض شدید ماهیچه‌ای می‌شود و منجر به کوتاه‌تر شدن طول سارکومر (گوشت پار) و سخت‌تر شدن محصول می‌شود [59]. از این‌رو، انجماد و فریز کردن گوشت پس از تموم شدن جمود لاشه (یعنی کاهش ATP) ضروری است، رویدادی که در مرغ و بوقلمون بین 2 تا 4 ساعت، در گوشت خوک بین 8 تا 12 ساعت، و در گوشت گاو و بره تقریباً 24 ساعت طول می‌کشد [60].

در شرایط انجماد، گوشت را می‌توان برای مدت طولانی‌تری قبل از مشاهده مشکل در کیفیت آن نگه داشت. مطالعات زیادی تأثیر مدت زمان انجماد بر کیفیت گوشت را ارزیابی کرده‌اند [53.61.62] که نشان‌دهنده رابطه منفی بین این دو است. ویر[38]ا، دیاز[39]، مارتینز[40] و گارسیا-کچان[41] دریافتند [53] که استیک‌های گوشت گاو که به مدت 90 روز منجمد شده بودند نسبت به استیک‌هایی که به مدت 30 منجمد شده‌ بودند، آب بیشتری از دست داده‌اند و میزان سبکی، قرمزی و زردی آن کاهش پیدا کرده است. مولا[42] و همکارانش[63] در مطالعه‌ای گوشت بره را که به مدت 21 ماه منجمد شده بود با گوشت‌هایی که فقط 1 ماه منجمد شده بودند بررسی کردند و  شاهد کاهش a* و نرمی بیشتر بافت گوشت بره بودند. مطالعات قبلی به منظور تعیین مدت زمان بهینه‌ی ذخیره‌سازی در دوران انجماد صورت گرفته‌اند [51.55.64]. سویر[43]، اوزلپ[44]، دالمیس[45] و بیلگین[46] [64] گزارش کردند که گوشت مرغ ذخیره شده در دمای منفی 18 درجه سانتی‌گراد تا 3 ماه قبل از وقوع فساد پایدار است، درحالی که این مدت زمان در شرایط و دمای یکسان برای گوشت بره بین 3 تا 21 ماه و برای گوشت گاو بین 42 روز تا 12 ماه است [53.61]. نگهداری طولانی‌مدت گوشت در محدوده دمایی  °C 18- تا  °C 20- شرایطی را فراهم می‌کند تا آب یخ‌نزده با سایر ترکیبات (برای مثال پروتئین و لیپید) واکنش‌ شیمیایی داشته باشد، که همین امر منجر به از دست رفتن کیفیت گوشت می‌شود[7]. استیوز و همکارانش [66] توصیه می‌کنند که گوشت باید در دمای  °C 40- منجمد شود، زیرا تنها بخش کوچکی از آب در این دما منجمد نمی‌شود. به طور کلی، پیشنهاد مدت زمان ایده‌آل برای ذخیره گوشت که کمترین افت کیفیت را داشته باشد چالش‌برانگیز و سخت است، زیرا عواملی مانند انواع گوشت، سرعت انجماد و دمای ذخیره‌سازی نقش مهمی در تعیین کیفیت گوشت ایفا می‌کنند [7]. برای درک دقیق و درست تأثیر انجماد بر کیفیت گوشت به جدول 1 مراجعه کنید. این جدول حاوی اطلاعاتی درمورد انواع گوشت و دما و مدت زمان نگهداری است که در هر مطالعه استفاده شده است.

5-1 نرمی و لطافت بافت گوشت

نرم بودن بافت گوشت یک مشخصه کیفی بسیار مهم است که پذیرش کلی محصولات گوشتی توسط مصرف‌کنندگان را مشخص می‌کند [67.68]. درحالی‌که برخی از مطالعات گزارش داده‌اند که انجماد هیچ تأثیری [52.56] یا تأثیر منفی [54.55] بر نرمی بافت گوشت ندارد، اما اکثر مطالعات انجام شده نمایانگر رابطه مثبت بین انجماد و نرمی گوشت است [50.51.53.69.70]. لاگرستد[47] و همکارانش [50] در مطالعاتی که انجام دادند شاهد کاهش 10 نیوتونی در نیروی برش وارنر-برتزلر (به اختصار WBSF) استیک‌های گوشت گاو بودند که قبل از جا افتادن[48] منجمد شده بودند. به همین ترتیب، هیئت مشاوران حسی استیک‌های گوشت گاو یخ‌زده/یخ‌زدایی شده را نسبت به نمونه‌های تازه نرم‌تر می‌دانستند [53]. اثرات مثبت انجماد بر نرمی بافت گوشت در گوشت خوک [71]، مرغ [72] و بره [54] نیز مشاهده شده است. این افزایش نرمی بافت گوشت تا میزان زیادی به آسیب مکانیکی ساختار ماهیچه تارچه‌ای گوشت که توسط کریستال‌های یخ ایجاد می‌شود، مرتبط است [7]. کی[49] و همکارانش [73] با استفاده از میکروسکوپ اکترونی عبوری شاهد خطوط گوشت‌پار M و Z ضعیف‌شده پس از پنج دوره انجماد و یخ‌زدایی بودند. همین اثر در گوشت پخته‌شده نیز مشاهده شده است، زیرا وقتی گوشت بره پخته می‌شود تخریب بیشتری در ساختار ماهیچه‌ تارچه‌ای رخ می‌دهد و بافت آن نرم‌تر می‌شود [74]. همچنین نرمی بیشتر بافت گوشت را می‌توان علاوه‌بر تخریب فیزیکی از طریق تخریب ساختار پروتئین‌های ماهیچه تارچه‌ای توسط پروتئازهای درون‌زا (پروتئین‌کافت) در دوران نگهداری بدست آورد. پروتئین کافتِ پس از مرگ یکی از مهم‌ترین رویدادهایی است که نرمی بافت محصول نهایی را تعیین می‌کند[75]. درواقع، آرویرا و همکارانش [76] و گریسون[50] و همکارانش [77] نشان دادند که نرم بودن بیش از حد بافت استیک یخ‌زده و یخ‌زدایی‌شده به پروتئین‌کافت بیشتر پس از مرگ بستگی دارد.

چندین سیستم زی مایه‌ی پروتئین کافتی وجود دارد که در پروتئین کافت پس از مرگ نقش دارند، ازجمله پروتئینازهای وابسته به کلسیم (کالپین)، کاتپسین و کاسپاز. در میان این سیستم‌ها کالپین‌ها، علی‌الخصوص کالپین 1، به دلیل نقشی که در نرم شدن پس از مرگ دارند، بیشتر شناخته شده هستند [78]. کالپین 1 اصلی‌ترین پروتئاز مسئول تخریب پروتئین‌های ماهیچه تارچه‌ای مانند تایتین[51]، نبولین[52]، تروپونین تی[53]، دسمین[54] در دوران جا افتادن گوشت است، درنتیجه نرمی گوشت افزایش می‌یابد [79.80]. بنابراین، فرض می‌شود که افزایش پروتئین‌کافت در گوشت منجمد/یخ‌زدایی‌شده به دلیل بهبود فعالیت کالپین1 باشد که احتمالاً از طریق افزایش غلظت کلسیم درون‌سلولیِ درنتیجه اختلال در شبکه درون گوشتی توسط کریستال‌های یخ بوجود می‌آید. درواقع، ژانگ و ارتبیرگ [81] گزارش دادند که غلظت کلسیم در ماهیچه‌ی راسته‌ی خوک که در معرض انجماد قرار می‌گیرد و سپس یخ‌زدایی می‌شود به 400 تا 900 میکرومتر می‌رسد که غلظتی بسیار بالاتر از آستانه مورد نیاز برای فعال کردن کالپین1 (3-50 میکرومتر کلسیم برای نصف حداکثر فعالیت) است [82]. کوهمرایی[55] [83] در حمایت از این ساختار، کاهش سریع فعالیت کالپاستاتین[56] (بازدارنده درون‌‌زا کالپین1) جدا شده از ماهیچه گوشت راسته گاو یخ‌زده را نشان داد، تأثیری که در تکه‌های گوشت بره یخ‌زده نیز مشاهده شده است [84.85]. احتمالاً کاهش فعالیت کالپاستاتین در اثر انجماد/یخ‌زدایی تابعی از افزایش غلظت کلسیم درون‌سلولی است. کالپاستاتین در غلظت پایین کلسیم به کالپین1 متصل می‌شود و آن را مهار می‌کند، درحالی که کالپاستاتین در غلظت بالای کلسیم توسط کالپین1 و سایر پروتئازهای درون‌زا تجزیه می‌شود که همین امر باعث کاهش اثر بازدارندگی آن بر کالپین1 می‌شود [86]. با این‌حال، تا جایی که ما اطلاع داریم، هیچ‌یک از تحقیقات قبلی افزایش فعالیت کالپین1 در اثر انجماد/یخ‌زدایی را نشان نداده است که همین موضوع نشان می‌دهد که باید تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام شود.

درحالی‌که کالپین1 عامل اصلی نرمی بافت گوشت در زمان جا افتادن گوشت در نظر گرفته می‌شود، اما گزارشات اخیر حاکی از آن است که کاتپسین‌ها و کاسپازها نیز می‌توانند به نرم شدن بافت گوشت پس از مرگ کمک کنند [87]. ثابت شده است که شکل‌گیری کریستال‌های یخ باعث اختلال در لیزوزوم (اندامکی که خانه‌ی کاتپسین‌ها است) می‌شود و این امکان را فراهم می‌کند تا کاتپسین‌ها درون‌گوشت آزاد شوند و پروتئین‌کافت را آغاز کنند [88]. لی[57] و همکارانش [89] در حمایت از این نظریه، فعالیت کاتپسینB بیشتری را در ماهیچه نیم‌وتری گاو که قبل از جا افتادن به مدت 24 ساعت در دمای  °C20- منجمد شده بودند، مشاهده کردند. البته قابل ذکر است که این نتیجه‌گیری در مقایسه با نمونه‌های غیرمنجمد حاصل شده‌ است. تا جایی که اطلاع داریم هیچ مطالعه و تحقیقی مبنی بر مشارکت کاسپازها در پروتئین‌کافت گوشت یخ‌زده/یخ‌زدایی شده انجام نشده است. با این‌حال، ثابت شده است که انجماد بافت ماهیچه استخوانگانی باعث مختل شدن میتوکندری می‌شود [90] که امکان آزاد شدن پروتئین پروآپوپتوز سیتوکروم C به داخل سیتوزول را فراهم می‌کند. سیتوکروم C در سیتوزول آغازگر رویدادهایی است که در نهایت منجر به فعال شدن مسیر آپوپتوز درونی می‌شود، فرآیندی که برای فعال شدن سیستم کاسپاز ضروری است [91.92]. مطالعات نشان داده‌اند که تجزیه زودهنگام میتوکندری در گوشت منجر به فعالیت بیشتر کاسپاز3، اصلی‌ترین کاسپاز مؤثر در آپپتوز، می‌شود [93.94]. با این‌حال، انجماد گوشت و فعال شدن سیستم کاسپاز به بررسی‌های بیشتری نیاز دارد. به طور کلی، انجماد می‌تواند تغییرات بزرگ و کوچکی در گوشت ایجاد کند که در اکثر موارد نرمی بافت گوشت را بیشتر می‌کند. بااین‌حال، آسیب مکانیکی ناشی از کریستال‌های یخ در گوشت می‌تواند توانایی بافت گوشت در حفظ آب را مختل کند [7]. بنابراین، ثابت شده است که سایر ویژگی‌های کیفی گوشت مانند ظرفیت نگهداری آب تحت تأثیر نامطلوب فرآیند انجماد قرار می‌گیرند [95].

5-2 ظرفیت نگهداری آب

آب به سه شکل محصور شده، بی‌تحرک، آزاد در بافت عضله استخوانگانی وجود دارد. آب محصور شده حدود 5% از کل آب ماهیچه را تشکیل می‌دهد و فقط محدود به پروتئین‌های ماهیچه است، که همین امر از حرکت به سایر بخش‌ها جلوگیری می‌کند. این نوع آب در برابر انجماد مقاوم است و در حین گرم شدن به راحتی تبخیر نمی‌شود [96]. از سوی دیگر، حدود 85% از آب موجود در بافت ماهیچه‌ای به صورت استریکی[58] در داخل سلول‌های ماهیچه‌ای ثابت می‌شود، درحالی که 10% باقیمانده که آزادانه حرکت می‌کنند در فضاهای خارج سلولی بوسیله نیروهای مویینگی نگهداری می‌شوند [44]. هم آب بی‌تحرک و هم آب آزاد نسبت به تغییرات دما و فشار حساس هستند و می‌توانند به صورت تخلیه و چکه از بین بروند [96].

در شرایط عادی، از دست دادن آب ماهیچه بعد از مرگ یک امر اجتناب‌ناپذیر است. این امر عمدتاً به دلیل کاهش Ph عضلانی نزدیک به نقطه همبارِ پروتئین‌های ماهیچه (PH برابر با 5.1- 5.2) و انقباض شبکه ماهیچه تارچه‌ای است [7]. نگهداری گوشت (به طور مثال نگهداری در سرما/انجماد) می‌تواند توانایی آن در حفظ آب را کاهش دهد. آنون[59] و کالولو[60] [97] گزارش دادند که در شرایط انجماد آهسته آب بیشتری از فضای درون‌سلولی سلول‌های ماهیچه‌ای خارج می‌شود تا کریستال‌های بزرگ یخ در فضای خارج از سلولی تشکیل شود که این امر به نوبه خود باعث یخ‌زدایی کمتر می‌شود. علاوه‌براین، کریستال‌های بزرگ یخ می‌توانند سلول‌های ماهیچه‌ای را منحرف کنند و از بین ببرند، بدین ترتیب تراوش بیشتر آب را تسهیل می‌کند. ژانگ و ارتبیرگ [81] به این نتیجه رسیدند که گوشت خوک که در دمای °C20- منجمد شده است و سپس یخ‌زدایی می‌شود دچار افت پخت‌زاد[61] می‌شود. در مطالعات انجام شده یافته‌های مشابهی بدست آمده است که ظرفیت نگهداری آب را در گوشت گاو، بره و مرغِ  منجمد شده/یخ‌زدایی شده ارزیابی می‌کند [58]. لازم به ذکر است که سرعت کاهش دمای محصول از 1- به 7- درجه سانتی‌گراد نشان‌دهنده‌ی تأثیر میزان آب از دست رفته به هنگام یخ‌زدایی است که با سرعت انجماد سریع‌تر در این محدوده منجر به از دست دادن آب کمتر می‌شود [97].

آبدار و نرم بودن بافت گوشت یکی از اصلی‌ترین ویژگی‌های کیفی غذا است که به طور قابل توجهی تحت تأثیر ظرفیت نگهداری آبِ گوشت است. به طور کلی آبدار و نرم بودن بافت گوشت با افزایش ظرفیت نگهداری آبِ گوشت بیشتر می‌شود و درنتیجه کاهش ظرفیت نگهداری آب در اثر انجماد تأثیر منفی بر آبدار و نرم بودن گوشت می‌گذارد. لاگرستد، انفلت[62]، یوهانسون[63] و لوندستروم[64] خاطر نشان کردند [50] که اعضای هیئت حسی میزان نرم و آبدار بودن گوشت گاو پخته شده را که از قبل منجمد شده بود نسبت به استیک‌های پخته‌شده اما منجمد نشده بیشتر می‌دانستند. ظرفیت نگهداری آب مختل شده در اثر انجماد می‌تواند بر خواص عملکردی گوشت تأثیر منفی بگذارد. در طول فرآیند تولید سوسیس، ظرفیت نگهداری آب کیفیت محصول نهایی را مشخص می‌کند و ظرفیت نگهداری آب بیشتر برابر است با سوسیس‌های نرم‌تر و آبدارتر [98]. علاوه‌براین، ظرفیت نگهداری آب بیشتر شرایط تشکیل خمیر گوشت مقاوم‌تری را فراهم می‌کند و بافت یک‌دست محصول نهایی را تضمین می‌کند [99]. کاربالو[65] و همکارانش [100] گزارش کردند که خمیر گوشتی که از گوشت خوک منجمد شده و سپس یخ‌زدایی شده بدست می‌آید آب بیشتری نسبت به گوشت خوک یخ‌نزده از دست می‌دهد که حاکی از خمیر گوشت با مقاومت کمتر است. اگرچه استفاده از گوشت نیمه منجمد برای کنترل دما و تسهیل فرآیند برش و چرخ شدن گوشت در طول فرآیند تولید سوسیس ضروری است، اما باید هنگام استفاده از گوشت‌های یخ‌زده به دلیل اختلال در ظرفیت نگهداری آب دقت بیشتری به عمل آورد [101].

5-3 رنگ

رنگ سطح گوشت یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های بصری گوشت است و می‌تواند به شدت بر تصمیم‌گیری مصرف‌کننده تأثیر بگذارد [102]. این امر عمدتاً به این دلیل است که مصرف‌کننده رنگ گوشت را با سالم بودن، تازگی و کیفیت آن یکی می‌داند [103]. رنگ گوشت در وهله اول به  مقدار و کاهش اکسایش رنگدانه هِم میوگلوبین در گوشت است.

میوگلوبین پروتئینی متشکل از یک زنجیره پلی‌پپتیدی منفرد (گلوبین) است که به گروهی از کوفاکتور هِم متصل است. بخش هِم مولکول در کیسه آبگریز درون گلوبین قرار گرفته شده است و حاوی یک اتم آهن در مرکز است. آهن با چهار اتم نیتروژن پیرول و نیتروژن ایمیدازول از باقیمانده هیستیدین گلوبین سازگار می‌شود. درنهایت، یک سایت هماهنگی ششم برای اتصال لیگاند و واکنش‌های اکسایش-کاهش دردسترس است. میوگلوبین می‌تواند باتوجه به ماهیت لیگاند و حالت اکسایش-کاهش آهن به سه شکل مختلف وجود داشته باشد: دئوکسی هموگلوبین^[66]، اکسی میوگلوبین^[67] و مِت میوگلوبین^[68]. دئوکسی میوگلوبین حاوی آهن به شکل آهن کاهش‌یافته (Fe2+) است که پیوند لیگاندی با سایت هماهنگی ششم ندارد و رنگ آن قرمز ارغوانی تیره است. هنگامی که اکسیژن دو اتمی ششمین سایت اتصال Fe2+ را اشغال کرد، رنگ قرمز روشن گوشت تازه، اکسی میوگلوبین، ایجاد می‌شود. تغییر رنگ گوشت تازه (قهوه‌ای رنگ شدن) ناشی از تجمع مِت میوگلوبین است، فرآیندی که شامل اکسایش آهن به حالت آهن سه ظرفیته (Fe3+) است. توانایی گوشت برای نگهداشتن آب (به عنوان مثال، ظرفیت نگهداری آب) در تعیین رنگ نهایی محصول امری ضروری است. میوگلوبین به عنوان یک پروتئین محلول در آب همراه با مایعاتی که پس از مرگ از گوشت خارج می‌شود باعث می‌شود تا محصول کم‌رنگ‌تر به نظر برسد. به این ترتیب، گوشتی که ظرفیت نگهداری آب بیشتری دارد می‌تواند آب بیشتری را در خود نگه دارد و ظاهر آن تیره‌تر و قرمزتر به نظر می‌رسد [103.104]. مطالعات متعددی ثابت کردند که انجماد منجر به روشن‌تر شدن رنگ گوشت می‌شود و رنگ قرمزی آن کمتر است [53.54.56]. کیم[69]، کیم، سئو[70]، ستیابراتا[71] و کیم [47] گزارش دادند که مقدار L* و a* در گوشت راسته‌ی خوک یخ‌زدایی شده که در دمای °C20- منجمد شده است به ترتیب افزایش و کاهش یافته است. آرویرا و همکارانش [105] گزارش دادند که سطح a* در استیک گوشت گاو که ابتدا منجمد شده و سپس یخ‌زدایی شده است و درنهایت به مدت 14 روز جا افتاده است در مقایسه با نمونه‌هایی که منجمد نشده‌اند، پایین‌تر است. علاوه‌براین، نویسندگان متعددی گزارش دادند که انجماد باعث تغییر شکل میوگلوبین در گوشت می‌شود [106.107.108]. آرویرا و همکارانش [76] گزارش دادند که سطح مت میوگلوبین در استیک‌ گاو که در دمای °C20- منجمد شده است و سپس به مدت 14 روز جا افتاده است نسبت به استیک‌هایی که منجمد نشدند حدود 8 الی 22 درصد بیشتر است. در مطالعه دیگری که رنگ گوشت گاوهای نلور و آنگوس منجمد شده/یخ‌زدایی شده بررسی شد، مشخص شد که محتوای مت میوگلوبین بیشتری در گوشت گاو نلور وجود دارد [105]. این امر به دلیل اسیدهای چرب اشباع نشده بیشتر در گوشت گاو نلور است که باعث اکسیداسیون میوگلوبین می‌شود. جئونگ و همکارانش[107] در مطالعه‌ی دیگری دریافتند که استیک‌های گوشت که پس از انجماد دوره‌ی جاافتادگی را سپری می‌کنند اکسی میوگلوبین کمتری نسبت به استیک‌های منجمد نشده پس از همان دوره‌ی جاافتادگی دارند. با این‌حال، آلوارنگا[72] و همکارانش [109] نشان دادند که سطح اکسی میوگلوبین در استیک‌ گوشت بره که پس از دوره جاافتادگی منجمد شده است در مقایسه با نمونه‌های منجمد نشده بیشتر است. این اکسی میوگلوبین در استیک‌های منجمد/یخ‌زدایی شده به کاهش عملکرد میتوکندری در اثر تخریب کریستال‌های یخ و درنتیجه افزایش اکسیژن موجود برای میوگلوبین مرتبط است.

5-4 مزه

نگهداری گوشت از طریق انجماد برای به حداقل رساندن میزان واکنش‌های بیوشیمیایی استفاده می‌شود که می‌تواند در فرآورده‌های گوشتی رخ دهد. با این حال، در دماهای غیربهینه، که بین دمای 0 تا °C20- است، بخشی از آب درون بافت ماهیچه منجمد نمی‌شود و شرایط واکنش‌های شیمیایی را در طول زمان فراهم می‌کند [110]. هر چه تشکیل کریستال‌های یخ بیشتر باشد، یعنی مواد تشکیل‌دهنده‌ی (یعنی پروتئین‌ها، کربوهیدارت‌ها، لیپیدها، ویتامین‌ها و مواد معدنی) گوشت در فاز آب منجمد نشده قرار گرفته‌اند، درنتیجه احتمال اکسایش لیپید و پروتئین افزایش می‌یابد [7]. علاوه‌براین، تجزیه ساختارهای سلولی توسط کریستال‌های بزرگ یخ باعث آزاد شدن عوامل اکسایش مانند هِم، آهن غیرهِم و لیپیدهای غشاء می‌شود که واکنش‌های اکسایش را تسریع می‌کنند [64.111]. در این راستا، مطالعات مختلف نشان داده است که افزایش اکسایش در حین انجماد/یخ‌زدایی گوشت باعث بهبود تغییرات نامطلوب طعم، رنگ و بافت می‌شود [64.112.113.114.115]. به طور خاص، گوشت ماکیان در برابر اکسایش بسیار حساس است، زیرا گوشت ماکیان نسبت به سایر گونه‌ها اسیدهای چرب غیر اشباع زیادی دارند [116]. از این گذشته، سویر و همکارانش [64] اکسایش پروتئین بیشتری را در پاهای مرغ (رنگ تیره‌تر) در مقایسه با سینه مرغ  (رنگ روشن‌تر) پس از 6 ماه نگهداری مشاهده کردند که دلیل این امر را میزان آهن و چربی بیشتر در پاها می‌دانستند [117]. بدین ترتیب، هنگامی که استیوز^[73] و همکارانش [66] اکسایش پروتئین بین گوشت راسته خوک (رنگ روشن‌تر) و ماهیچه مازویی بزرگ (رنگ تیره‌تر) که در دمای °C20- منجمد و به مدت 20 هفته نگهداری شده بود را مقایسه کردند، متوجه شدند که اکسایش پروتئین در گوشت راسته بیشتر است. در این مورد، افزایش اکسایش پروتئین در گوشت راسته را ظرفیت نگهداری آب کمتر نسبت به گوشت ماهیچه مازویی بزرگ دانستند.

تعداد چرخه‌های انجماد/یخ‌زدایی عامل مهم دیگری است که بر میزان اکسایش پروتئین و لیپید تأثیر می‌گذارد [118.119.120]. رحمان[74] و همکارانش [121] شاهد افزایش مداوم اکسایش لیپید در ماهیچه گاو بودند که تحت سه چرخه انجماد/یخ‌زدایی قرار گرفته است. توضیح قابل قبول برای این امر می‌تواند این باشد که افزایش تعداد چرخه‌های انجماد/یخ‌زدایی باعث تجزیه بیشتر اجزای سلولی می‌شود. این امر به نوبه خود احتمال آزاد شدن عوامل اکسایش و مشارکت در واکنش‌های اکسایش لیپید و پروتئین را بیشتر می‌کند. بنژاکول[75] و بائر[76] [122] در حمایت از این فرضیه افزایش آهن غیرهِم در گوشت ماهی را پس از هر چرخه انجماد/یخ‌زدایی مشاهده کردند. برای جلوگیری از از دست رفتن کیفیت در اثر اکسایش پیشنهاد شده است که گوشت در دمای °C40- یا پایین‌تر نگهداری شود تا وقوع واکنش‌های اکسایش محدود شود [123]. با این‌حال، استفاده از فریزرهای تجاری که فقط در دمای نزدیک به  °C20- کار می‌کنند برای ‌مصرف‌کنندگان عمومی رایج‌تر است. در این مورد، به حداقل رساندن چرخه‌ی انجماد/یخ‌زدایی توصیه می‌شود.

یکی از اصلی‌ترین نگرانی‌ها در مورد اکسایش لیپید و پروتئین، ایجاد شدن طعم ترش در نتیجه‌ی ترکیبات بی‌ثباتی است که بوسیله واکنش‌های اکسایش ایجاد می‌شوند. با این‌حال، مطالعات متعددی که مبتنی بر حس چشایی انجام شده است نشان می‌دهد که گوشت منجمد «طعم بد» قابل تشخیصی تولید نمی‌کند که مصرف‌کننده بتواند احساس کند [55.65.69]. موئلا و همکارانش [55] مطالعه‌ای مبتنی بر حس چشایی برای مقایسه نمونه‌های گوشت بره که با استفاده از سه روش مختلف (یخزن دمشی [°C30-]، تونل انجماد[°C40-]، نیتروژن مایع [°C75-]) منجمد شده‌اند با گوشت‌های منجمد نشده انجام دادند و هیچ تفاوتی در ادارک حسی بین گوشت منجمد و تازه درک نکردند. در مطالعه دیگری که هرگنردر^[77] و همکارانش انجام دادند، سه گوشت مختلف (راسته سینه، راسته کمر و ماهیچه سرینی متوسط) که از قبل در دمای °C28- منجمد شده بودند را با نمونه‌های غیرمنجمد مقایسه کردند. در این مطالعه، اعضای شورای حسی هیچ تفاوتی را در بدمزه بودن بین گوشت راسته سینه و گوشت راسته کمر تشخیص ندادند، اما توانستند بدمزه بودن بیشتری را در گوشت ماهیچه سرینی متوسط در مقایسه با نمونه‌های غیرمنجمد تشخیص دهند.

• روش‌های کاهش اثر انجماد و یخ‌زدایی بر فرآورده‌های گوشتی

در سال‌های اخیر، روش‌های جدید انجماد و یخ‌زدایی فرآورده‌های گوشتی بررسی شده است تا به کیفیت بهتری در این فرآوری‌ها دست پیدا کنیم. انجماد فشار بالا روشی است که اثر ابرسرمایش زیادی ایجاد می‌کند تا شرایط لازم برای تشکیل کریستال‌های یخ همگن را داخل محصول ایجاد کند. آب در فشارهای بالا، حدود 200 تا 400 مگاپاسکال، و دمای زیر صفر درجه سانتی‌گراد در حالت مایع باقی می‌ماند و تشکیل سریع یخ با افت سریع فشار اتفاق می‌افتد [125]. علاوه‌براین، تشکیل کریستال‌های یخ نوع IV در حین انجماد با فشار بالا رخ می‌دهد [126]. این کریستال‌ها کوچک‌تر و متراکم‌تر از آب هستند که توانایی خود برای متورم شدن (افزایش حجم) در طول انجماد را کاهش می‌دهند، درنتیجه آسیب مکانیکی تحمیل شده به بافت‌های اطراف کاهش می‌یابد. جیا^[78] و همکارانش در حمایت از این موضوع به کاهش 35% از دست دادن آب گوشت راسته خوک که در فشار 400 مگاپاسکالی قرار گرفته بود و سپس در دمای °C20- منجمد شده بود، دست یافتند. مطالعات مشابه دیگر، کیفیت بهتر گوشت گاو [128]، مرغ [129] و ماهی [130] که در معرض انجماد با فشار بالا قرار گرفته‌ بودند را در مقایسه با انجماد معمولی نشان دادند. از سوی دیگر، کریستال‌های یخ نوع I زمانی تشکیل می‌شوند که آب در فشار اتمسفر منجمد شود. کریستال‌های یخ نوع I در مقایسه با کریستال‌های یخ نوع IV، 9 تا 13% حجم بیشتری در دماهای انجماد بین 0 تا °C20- دارند [133]. بنابراین، انجماد در فشار بالا روشی است که می‌تواند مضرات ناخواسته ناشی از انجماد، به خصوص کریستال‌های یخ نوع I را کاهش دهد.

انجماد میدان الکترواستاتیک (به اختصار SEF)، یکی دیگر از فناوری‌های جدید و بالقوه انجماد است که در دهه گذشته بررسی شده است. با استناد به این حقیقت که مولکول‌های آب قطبی است، میدان الکترواستاتیک باعث تغییر جهت مولکول‌های آب با توجه به جهت میدان الکتریکی می‌شود که منجر به کاهش آنتروپی و انرژی آزاد سیستم می‌شود [132]. استفاده از میدان الکترواستاتیک در ترکیب با انجماد باعث کاهش تشکیل کریستال‌های بزرگ یخ می‌شود و هسته‌زایی یخ را افزایش می‌دهد، همچنین موجب کاهش دمای ابرسرمایش سیستم می‌شود [133]. زانتاکیس^[79] و همکارانش [134] شاهد کاهش 56% اندازه کریستال‌های یخِ فیله خوک که در معرض میدان الکترواستاتیک با بزرگی 12 کیلوولت قرار گرفتند، بودند. علاوه براین، تجزیه و تحلیل بافت‌شناسی این نمونه‌های قرار گرفته شده در میدان الکترواستاتیک نمایانگر حداقل آسیب مکانیکی توسط کریستال‌های یخ است. در مطالعه‌ی دیگر که تأثیر انجماد از طریق میدان الکترواستاتیک یا بدون میدان الکترواستاتیک بر کیفیت گوشت بره بررسی شده است، شاهد از دست دادن آب و عدم تأثیر رنگ در نمونه‌هایی بودیم که در معرض میدان الکترواستاتیک قرار گرفته بودند [135]. با این‌حال، کاربرد موفقیت‌آمیز این فناوری به بزرگی میدان الکترواستاتیک مورد استفاده بستگی دارد که خود این میدان تحت تأثیر مشخصه‌های ذاتی سیستم غذایی مورد ارزیابی است [132]. از این رو، برای بدست آوردن اطلاعات قطعی‌تر درمورد کاربرد این فناوری به تحقیقات بیشتری نیاز است.

استفاده از فناوری اولتراسونیک که اخیراً در انجماد مواد غذایی مورد بررسی قرار گرفته است، نتایج امیدوارکننده‌ای را در رابطه با تقویت پایداری محصولات غذایی منجمد نشان داده است [136]. در بین فناوری‌های التراسونیک که وجود دارد، استفاده از نیروی مافوق صوت برای بهبود نرمی و رنگ گوشت تازه استفاده می‌شود و با علاقه روزافزون در حوزه‌ی غذاهای منجمد همراه است. نیروی مافوق صوت فناوری است که از فرکانس پایین و نیروی بالا برای تولید امواج صوتی در سیستم خاص استفاده می‌کند. نیروی مافوق صوت در محیط‌های مایع می‌تواند حباب‌های حفره‌زا تولید کند که در میان مایع نوسان می‌کنند و در طول مسیر جریان‌های ریز ایجاد می‌کند، درنتیجه جریان‌های گردابی قوی ایجاد می‌شود که می‌تواند مواد پیرامون خود را منحرف کند [137]. علاوه‌براین، حباب‌های حفره‌دار درنهایت از بین می‌روند که باعث ایجاد شدن نیرو و فشار بسیار زیادی در محیط پیرامون می‌شود. استفاده از اولتراسوند در هنگام انجماد گوشت باعث می‌شود تا سرعت سرد شدن افزایش یابد و رشد کریستال را محدود می‌کند [138]. آستراین-ردین^[80] و همکارانشان [139] در تحقیقات خود شاهد کاهش 11% زمان انجماد گوشت سینه مرغ به هنگام استفاده از اولتراسونیک در زمان انجماد بودند، البته قابل ذکر است که هیچ تأثیر منفی بر ظرفیت نگهداری آب نداشته است. به همین نحو، ژانگ و همکارانش [140] در تحقیقاتشان شاهد کاهش اندازه کریستال‌های یخ و از دست رفتن آب در تکه‌های گوشت فیله خوک بودند که با کمک اولتراسونیک منجمد شدند. سان و همکارانش [141] اظهار کردند که انجماد با کمک اولتراسونیک باعث تقویت شکل‌گیری شبکه‌های پروتئینی در گوشت می‌شود، درنتیجه حرکت آب ثابت و آزاد را در طول انجماد و متعاقباً از دست رفتن آب حین یخ‌زدایی را کاهش می‌دهد. اخیراً از فناوری اولتراسونیک به جای انجماد، برای کمک به یخ‌زدایی نمونه‌های گوشت استفاده می‌شود. ثابت شده است که استفاده از اولتراسونیک برای کمک به یخ‌زدایی زمان یخ‌زدایی و آسیب به ساختار ماهیچه تارچه‌ای ناشی از انجماد را کاهش می‌دهد [142.143].

• نتیجه‌گیری

چندین هزار سال است که از روش انجماد برای نگهداری مواد غذایی استفاده می‌شود. فرآیند انجماد بر ویژگی‌های کیفی گوشت از جمله نرمی، رنگ، ظرفیت نگهداری آب و طعم تأثیر می‌گذارد. به طور کلی، انجماد تأثیر مثبتی بر نرمی بافت گوشت دارد، اما ظرفیت نگهداری آب و ثبات رنگ گوشت را مختل می‌کند و تأثیر منفی بر طعم آن دارد. میزان هر یک از این تأثیرات بوسیله اندازه و توزیع کریستال‌های یخ که در طول انجماد گوشت تشکیل می‌شود، مشخص می‌شود. کاهش اثرات منفی انجماد بر کیفیت گوشت یک چالش است، زیرا اندازه و توزیع کریستالی یخ توسط عوامل متعددی مانند سرعت انجماد، دما و مدت نگهداری کنترل می‌شود. از این رو، محققان برای بهینه‌سازی روش‌های انجماد به منظور داشتن کیفیت بهتر، ترکیب‌های مختلفی از دمای انجماد، سرعت انجماد و مدت زمان نگهداری را بررسی کرده‌اند. علاوه‌براین، در سال‌های اخیر فناوری‌های جدید از قبیل فشار بالا، الکترواستاتیک و انجماد با کمک اولتراسونیک جزو روش‌های بالقوه برای محدود کردن اثرات منفی انجماد بر گوشت در نظر گرفته شده است و مورد استفاده واقع شده است. با این‌حال، بسیاری از این برنامه‌ها برای استفاده در صنعت تجاری‌سازی نشده است، زیرا بهینه‌سازی بیشتری مورد نیاز است.

[1] David S. Dang

[2] Luis J. Bastarrachea

[3]  Silvana Martini

[4] Sulaiman K. Matarneh

[5] Heldman and Singh

[6] Hobani and Elansari

[7] Cleland and Earle

[8] method of Lacroix and Castaigne

[9] method of Pham

[10]method of Salvadori and Mascheroni

[11]method of Hung and Thompson

[12] method of Ilicali and Saglam

[13] the Neumann method

[14] the Tao solutions

[15] the Tien solutions

[16] the Mott procedure

[17] Cleland and Earle

[18] Hossain

[19] Lin

[20] Datta

[21] Sun and Zhu

[22] muscle fiber

[23] Delgado

[24] Trujillo

[25] Pham

[26]  Trujillo and Pham

[27] Acinetobacter

[28] Aeromonas

[29] Alternaria

[30] Enterococcus

[31] Micrococcus

[32] Manoscus

[33] Pseudomonas

[34] Penicillium

[35] Salmonella

[36] Escherichia coli

[37] Schudel

[38] Vieira

[39]  Diaz

[40]  Diaz

[41] García-Cachán

[42] Muela

[43] Soyer

[44] Özalp

[45] Dalmış

[46] Bilgin

[47] Lagerstedt

[48] aging

[49] Qi

[50] Grayson

[51] titin

[52] nebulin

[53] troponin-T

[54] desmin

[55] Koohmaraie

[56]  calpastatin

[57] Lee

[58] sterically

[59] Añón

[60] Calvelo

[61] cooking loss

[62] Enfält

[63] Johansson

[64] Lundström

[65] Carballo

[66] deoxymyoglobin

[67] oxymyoglobin

[68] metmyoglobin

[69] Kim

[70] Seo

[71] Setyabrata

[72] Alvarenga

[73] Estévez

[74] Rahman 

[75] Benjakul

[76] Bauer

[77] Hergenreder

[78] Jia

[79] Xanthakis

[80] Astráin-Redín