Obecně lze popsat zmrazování potraviny jako proces, který se provádí při teplotách pod bodem mrazu, což vede ke krystalizaci molekul vody, snížení aktivity vody v potravinách a oddaluje se zhoršení kvality, čímž se prodlužuje trvanlivost mražených potravin. Přestože se na trhu s potravinami stále prodává více čerstvých nezmrazených produktů, mražené potraviny včetně masa představují významnou část globálního trhu s rychlým růstem. Podle Market Data Forecast (https://www.marketdataforecast.com/market-reports/frozen-meat-market) se v roce 2022 prodalo na celém světě mraženého masa za 22,2 mld. USD a v roce 2028 se očekává vzrůst hodnoty trhu na 33,9 mld. USD. Roční tempo růstu v období 2023-2028 tak dosahuje 4,9 %.
V časopise Meat Science zveřejnili letos vědci z Nového Zélandu a USA přehledový článek, ve kterém se zabývali aktuálními možnostmi mražení a také rozmrazování masa (Zhang et al.: Challenges and processing strategies to produce high quality frozen meat. Meat Science, 205; 2023; 109311). Autoři v článku stručně popsali dopady zmrazování a rozmrazování na fyzikálně-chemické a senzorické vlastnosti červeného masa a identifikovali hlavní výzvy související se zvýšením hodnoty mražených produktů a zajištěním přijetí mraženého masa spotřebiteli. Za druhé se rozepsali o aplikacích technologií zmrazování a rozmrazování na červené maso (zejména hovězí, jehněčí a vepřové) za poslední dvě desetiletí a kriticky diskutovali o jejich životaschopnosti pro průmyslové aplikace. Kromě toho také diskutovali o potenciálu začlenit zrání masa do procesů zmrazování a rozmrazování a o možných mechanismech pro zlepšení kvality. V závěru identifikovali některé mezery ve výzkumu v kvalitě konzervace zmrazeného masa a navrhli slibné strategie pro výrobu vysoce kvalitního mraženého masa.
Běžná průmyslová produkce mraženého masa obecně zahrnuje mražení hlavních částí, příp. vybouraného masa po jejich zabalení do primárních obalů s následným vložením do kartonů o váze 10-30 kg. Použitý způsob balení a kvalita obalů významně ovlivňuje kvalitu a údržnost masa. Individuální přebalení částí masa může snížit hmotnostní ztráty odparem během mražení a skladování, zajišťuje snadnou manipulaci během rozmrazování, ale maso je náchylné k oxidaci. Tento problém odstraní vakuové balení, které se dle autorů používá stále více pro mražené maso vysoké kvality. Díky bariérovým schopnostem použité folie vůči kyslíku, prevenci odpařování vody i růstu bakterií se lépe udržuje kvalita i údržnost mraženého masa. Jakmile je maso zmražené, jeho kvalitu ovlivňuje také teplota jeho skladování. Právní předpisy EU limitují maximální teplotu -18 °C, nicméně optimální teplota je -40 °C nebo ještě nižší, neboť pouze velmi malé procento vody v mase je za těchto podmínek v nezmrazeném stavu. Ale pozor na kolísání teploty během skladování a přepravy mraženého masa – při teplotních výkyvech nastává rekrystalizace vody s následnou tvorbou velkých ledových krystalů v extracelulárních prostorách svalových vláken. Následkem je poškození svalových vláken a spuštění oxidace tuků masa. Další výzvou pro zpracovatele a obchodníky s masem je jeho rozmrazování.
Vliv mražení a rozmrazování na fyzikálně-chemické a senzorické vlastnosti masa
Mražení masa se považuje za jednu z nejefektivnější konzervačních metod, ale výzvou zůstává zachování fyzikálně-chemických vlastností (např. textura, barva a schopnost masa vázat vodu) i vlastností senzorických (chuť a vůně) po následném rozmrazení masa.
Známá je vada spálení mrazem (angl. freezer burn), k níž dochází během skladování mraženého masa. Příčinou je sublimace (odpařování) vody z povrchu mraženého masa. Vadu doprovází korkovitá textura povrchu masa, změna barvy (šedá až „opálená“ barva povrchu), snížená šťavnatost masa a změny aroma masa. Primární příčinou popsaných změn vlastností je oxidace lipidů doprovázená denaturací bílkovin masa. Prevencí je správně zabalené maso s použitím vhodné bariérové fólie, čímž se sníží expozice masa vzduchu během procesu mražení.
Jedním z nejkritičtějších faktorů, které ovlivňují kvalitu mraženého/rozmrazeného masa, je počáteční rychlost mražení. Ovlivňuje totiž velikost, umístění a tvar krystalů ledu uvnitř svalových vláken. Mražení vede k denaturaci bílkovin a způsobuje ztrátu schopnosti masa vázat vodu, což se projeví během rozmrazování masa nebo během tepelné úpravy. Změny barvy mraženého a následně rozmrazeného masa jsou spojené s biochemickými změnami myoglobinu, kdy třešňově-červená barva oxymyoglobinu přechází na hnědou barvu oxidovaného metmyoglobinu. Důvodem je pokles aktivity mitochondriálních enzymů, které v mase ještě několik dnů po porážce dokáží zpětně redukovat metmyoglobin (angl. metmyoglobin redusing aktivity, MRA). Jak již bylo uvedeno, mražení a rozmrazení podporuje oxidaci lipidů v porovnání k masu v chlazeném stavu [pozn.: podle evropské legislativy (nařízení 853/2004) se definice čerstvé maso vztahuje i na maso mražené. Když uvádíme výraz čerstvé maso, zpravidla tím myslíme maso v chlazeném stavu, ale nemusí to tak být (viz legislativní rámec). Angličtina k jasnému rozlišení zavedla pojem: fresh-never-frozen meat, což lze snadno přeložit jako čerstvé maso, které nebylo mražené].
Zvýšená oxidace tuků v mraženém a příp. následně rozmrazeném mase se dává do souvislosti se strukturálním poškozením svalových vláken krystaly ledu. Díky tomu se uvolňují oxidační enzymy a látky s pro-oxidační schopností. Oxidace lipidů je odehrává více na úrovni buněčných membrán s přítomnými fosfolipidy, kde je vyšší podíl nenasycených mastných kyselin (MK). Tyto MK jsou totiž citlivější k oxidačním změnám než nasycené MK v triacylglycerolech zásobního tuku. Změny v aroma a chuti jsou rovněž vázané na oxidaci lipidů (žluknutí). I když v případě důsledného vakuového balení a vhodných skladovacích podmínek nemusí ani mražené maso po 12 měsících vykazovat žádné senzorické odchylky.
Kromě oxidace lipidů nastává při mrazírenském skladování masa také oxidace bílkovin. Tvoří se příčné vazby v molekulách proteinů, což snižuje rozpustnost myofibrilárních bílkovin. Negativně tak může být ovlivněna křehkost masa. Na druhé straně rozmrazování masa naopak maso zkřehčuje, a to díky ztrátám strukturální integrity svalových vláken v důsledku tvorby ledových krystalů (angl. cryo-damage).
Technologie mražení masa
Hluboké zmrazování (deep-freezing)
Hluboké zmrazování znamená použití extra nízké teploty (méně jak − 30 °C) ke zvýšení teplotních rozdílů mezi produktem a mrazícím prostředím, což urychluje rychlost mražení s tvorbou menších ledových krystalků. Mezi běžné metody hlubokého zmrazování patří zmrazování vzduchem (air blast freezing, AB-F) a kryogenní (− 80 °C) zmrazování. AB-F je realizováno s použitím velkých ventilátorů, které produkují rovnoměrnější teploty vzduchu (typicky mezi − 35 až − 45 °C) v mrazicím tunelu a zvyšují součinitel prostupu tepla na povrchu produktu, což má za následek zvýšenou rychlost mražení. Kryogenní zmrazování pomocí kapalného dusíku jemným rozprašováním nebo ponořením je dalším typem hlubokého zmrazování pro vytvoření prostředí s ultra nízkou teplotou pro usnadnění rychlého přenosu tepla z produktu pro lepší zachování kvality čerstvého masa (tvorba malých krystalků ledu). Mezi hlavní omezení technik hlubokého zmrazování patří energetické zatížení chladicích systémů v důsledku použití velkých ventilátorů, náklady na kapalný dusík a omezený prostor pro rozprašování kapalného dusíku a požadavek na obalové materiály, aby se zabránilo spálení mrazem.
Vysokotlaké zmrazování (high pressure assisted freezing, HP-F)
HP-F bylo navrženo pro zlepšení kvality mraženého masa a produktů z něj použitím vysokého tlaku (např. 210 MPa) během zmrazování za účelem vytvoření stavu podchlazení (bod tuhnutí vody se sníží z 0 na asi -21 °C), když se tlak uvolní. Výsledkem je, že nukleace ledu probíhá rychle a stejnoměrně v celém vzorku a ve zmraženém mase se vytvářejí malé krystalky ledu. Vhodnost HP-F závisí na hladinách tlaku. Autoři citovali studii, kdy použité tlaky 100, 150 a 200 MPa významně snížily hmotnostní ztráty ve vepřovém mase rozmraženém při 20 °C ve srovnání s AB-F. Nicméně při zvýšení tlaku ze 150 na 200 MPa se objevily změny barvy (vyšší parametr světlosti L* a parametr červené barvy a*), denaturace bílkovin a zvýšení tuhosti masa. Některé zdroje uvádějí, že předmražení masa může být prospěšné pro ochranu před škodlivými účinky vysokotlakého ošetření na kvalitu masa, zejména před změnou barvy a snížením schopnosti masa vázat vodu. HP-F lze aplikovat na maso různých velikostí a tvarů, protože jde o izobarický proces, avšak náklady na zařízení jsou vyšší než u běžného atmosférického zmrazování, což může bránit jeho využití v masném průmyslu.
Kryogenní zmrazování pomocí radiofrekvenčního pulzu (radiofrequency pulse assisted cryogenic freezing, RPC-F)
RPC-F bylo vyvinuté na základě techniky kryogenního zmrazování k využití nízkofrekvenčního pulsu ke snížení velikosti ledových krystalků vznikajících během kryogenního zmrazování. Radiofrekvence představuje neionizující formu elektromagnetických vln (1–300 MHz), která může vyvolat rotaci vodního dipólu a řídit velikost ledových krystalů během mražení. Doposud byla technika RPC-F zkoumána pouze v předběžné studii na malých kouscích vzorků vepřové pečeně (délky 4,5 cm) s omezeným opakováním (n = 5). Výsledky této studie ukázaly, že RPC-F s nízkonapěťovými pulzy (2 kV) vedlo k většímu množství malých ledových krystalů, zlepšené vaznosti (nižší ztráta odkapáváním) a snížení poškození tkáně a tuhosti vepřových kostek (rozmrazené při 10 ◦C po dobu 15 h) ve srovnání s ekvivalentními vzorky vystavenými pouze kryogennímu zmrazení a zmrazení vzduchem (− 40 °C) na teplotu jádra − 18 °C). Aplikace RPC-F pro mražení masa však zůstala zatím v laboratorních podmínkách než v provozech, s použitím malých velikostí vzorků spíše než standardních kusů masa.
Zmrazování pomocí elektromagnetické rezonance (electro-magnetic resonance assisted freezing, EMR-F)
EMR-F je komerčně dostupná zmrazovací technika, která využívá statické a oscilující magnetické pole k orientaci, vibraci a/nebo roztočení molekul vody, aby se zabránilo jejich shlukování, což podporuje stav podchlazení (supercooling), což má za následek rovnoměrné zmrazení s malými krystalky ledu. Zvyšující se dopad EMR-F na kvalitu masa se může lišit v závislosti na typech svalů (masa), přičemž menší velikosti ledových krystalů a vyšší vaznost byly v jedné studii pozorovány u hovězího nízkého roštěnce než u květové špičky. Tato pozorování však musí být následována použitím robustnější matrice vzorků s vyšší mírou opakování s ohledem na variace mezi zvířaty a s větším počtem hodnotitelů senzorických vlastností.
Zmrazování pomocí elektrostatického pole (electrostatic field assisted freezing, EF-F)
EF-F je jednotka komorového typu s deskovou elektrodou, která generuje statické elektrické pole ke zmrazování potravin umístěných mezi elektrodami a podporuje nukleaci ledových krystalů. Aplikace elektrického pole by mohla vytvořit silnější a relativně dlouhotrvající vodíkové vazby, snížit energetickou bariéru pro fázový přechod a tím usnadnit tvorbu kompaktnějšího jádra ledových krystalů. Použití nízkonapěťového EF-F také podpořilo nukleaci ledu a tvorbu stejnoměrných krystalických jader, snížilo poškození buněčné mikrostruktury a migraci imobilizované vody do volné vody, čímž se zlepšila vaznost soleného hovězího masa. Autoři citovali studie, které prokázaly potenciál pro zachování mikrostruktury a zlepšení vaznosti rozmraženého masa pomocí EF-F, zatímco požadavek na malé vzorky je hlavním omezením, které vyžaduje zvážení budoucích studií. Dále je také vyžadována optimalizace ošetřovacího napětí a vzdálenosti mezi vzorkem a elektrodou pro různé druhy masa a velikosti mražených částí. Dalším hlediskem je použití vysokonapěťových elektrických polí, které by mohlo mít za následek vysokou spotřebu energie a obavy o bezpečnost, což by v krátkodobém horizontu bránilo použití EF-F při zpracování masa ve velkém.
Zmrazování ponorným roztokem (immersion solution freezing, IS-F) a IS-F s využitím ultrazvuku (U-IS-F)
IS-F je metoda rychlého zmrazování, která používá kryogenní chladicí kapaliny (obvykle sestávající ze sodíku, chloridu vápenatého, alkoholu a cukru) ke zmrazení balených potravin a k rychlému zmrazení povrchu materiálů. Ve srovnání s AB-F lze dosáhnout vyšší rychlosti zmrazování, což je způsobeno především rychlejším přenosem tepla konvekcí mezi potravinami a chladicími kapalinami. Ve srovnání s AB-F zvýšil IS-F šesti vzorků vepřové pečeně při − 22 °C (do teploty jádra − 18 °C) rychlost zmrazování, snížil ztráty rozmrazováním (v 4 °C po dobu 12 h) a oxidaci lipidů bez vlivu na barvu, ztrátu při tepelné úpravě a na křehkost po skladování (- 18 °C) po dobu až 3 měsíců.
Pro další zkrácení doby fázového přechodu pro vytvoření jednotnějších a menších ledových krystalů některé studie začlenily ultrazvukovou technologii do procesu zmrazování a zavedly režim U-IS-F. Ultrazvuková jednotka může generovat cyklickou zvukovou vlnu (> 20 kHz) komprese a zředění molekul, aby se během zředění vytvořily dutiny a/nebo bubliny. Tlak vzniká, když se kavitační bubliny zhroutí, což vyvolá nukleaci ledu a rozloží existující jádra na menší velikosti. Další výhodou použití ultrazvuku pro zmrazení je schopnost vyvolat nukleaci při vyšších teplotách mražení bez nutnosti hlubokého zmrazení. Bylo by také potřeba prozkoumat optimální výkon ultrazvuku, protože bylo pozorováno, že rychlost zmrazování a rozmrazování se zvyšují s výkony ultrazvuku v rozsahu od 120, 180, 240 do 300 W. Střední výkon 180 W byl navržen jako optimální nastavení pro vepřovou pečeni (3 cm silné plátky, ~120 g), která měla nejnižší ztráty rozmrazováním (rozmrazování vzduchem přes noc při 4 °C), nejvyšší rychlost zmrazování a nejmenší a nejrovnoměrněji rozmístěné ledové krystaly ve srovnání s jinými nastaveními výkonu. Podobná barva (L*, a a b) a řezná síla byly také nalezeny mezi 180 W ultrazvukem asistovaným mraženým vepřovým masem a čerstvými nemraženými kontrolními vzorky.
Zdá se, že U-IS-F je životaschopná technika pro zmrazování celých částí masa (např. pečeně), nicméně je vyžadováno zabalení do uzavřeného nebo vakuového sáčku, aby bylo maso chráněno před přímým stykem s chladicími kapalinami. Budoucí studie by se měly zaměřit na ověření zesilujících účinků U-IS-F na celé části různých druhů masa, stanovení dopadů obalů a variací zvířat a vývoj životaschopného procesu pro průmyslové využití.
Na závěr autoři uvedli, že pro masný průmysl zůstává výzvou zachovat kvalitu mraženého masa a získat z masa optimální hodnotu, a to během celého procesu od průmyslového zpracování až po spotřebitelské vnímání mraženého masa. Během posledních dvou dekád došlo k rostoucímu počtu výzkumů zaměřených na pokrok v různých technologiích, jako je mimo jiné vysokofrekvenční zmrazování, zmrazování/rozmrazování elektrostatickým polem, ohmické rozmrazování ad. V tomto přehledu jsme vybrali jen popsané metody pro mražení masa. Pokud se čtenáři chtějí seznámit s metodami rozmražování masa, odkazuji na originální článek uvedený v úvodu tohoto přehledu.
