Liofilizacja: Proces liofilizacji w przemyśle spożywczym

Liofilizacja jest zaawansowaną techniką konserwacji żywności, która umożliwia usunięcie wody z produktów bez utraty jakości, właściwości odżywczych czy sensorycznych. Ten proces technologiczny odgrywa znaczącą rolę między innymi w przemyśle spożywczym i polega na usuwaniu wody z produktu w warunkach niskiej temperatury i niskiego ciśnienia przy jednoczesnym pominięciu fazy ciekłej. Oznacza to, że woda zawarta w produkcie najpierw zostaje zamrożona, następnie zaś usunięta poprzez sublimację, czyli przejście z fazy stałej bezpośrednio w gazową, z pominięciem stanu ciekłego. Dzięki temu produkt zachowuje swą strukturę, a ponadto także wartości odżywcze, smak i aromat. 

Proces liofilizacji można podzielić na trzy główne etapy: zamrażanie, sublimację i desorpcję. Produkt początkowo jest schładzany do bardzo niskiej temperatury, zazwyczaj poniżej -50°C. Wówczas woda zawarta w produkcie zamarza, tworząc kryształki lodu. Zamrażanie musi być przeprowadzane w warunkach kontrolowanych celem uniknięcia powstawania dużych kryształów, które mogłyby znacząco uszkodzić, rozerwać strukturę komórkową produktu. Ten krok jest kluczowym momentem, ponieważ to od niego zależy powodzenie procesu i końcowa jakość produktu. 

Kolejnym etapem jest proces sublimacji, nie mniej istotny od poprzedniego. Sublimacja to proces zmiany fazy stałej w fazę gazową, zatem lód przechodzi bezpośrednio w parę wodną. W tym celu zamrożony produkt umieszcza się w komorze próżniowej, gdzie ciśnienie jest obniżane, a temperatura stopniowo podnoszona, lecz wciąż ściśle kontrolowana i utrzymywana na poziomie poniżej punktu topnienia lodu. Dzięki takiemu sposobowi prowadzenia procesu lód sublimuje, natomiast para wodna jest odprowadzana z komory, pozostawiając suchy, lecz zachowujący strukturę produkt. 

Ostatnim etapem procesu liofilizacji jest desorpcja. Polega ona na usunięciu resztkowej wilgoci z produktu. Na tym etapie produkt jest ponownie ogrzewany, w sposób kontrolowany i bardzo ostrożny, aby nie doprowadzić do uszkodzeń i uniknąć jego degradacji. Wilgoć, która pozostała po sublimacji, jest z kolei usuwana w wyniku dalszej redukcji ciśnienia i lekkiego podgrzewania. Efektem jest otrzymanie produktu o bardzo niskiej zawartości wilgoci, zazwyczaj poniżej 2%, co zapewnia jego długotrwałą trwałość bez potrzeby stosowania konserwantów. 

Jednym z powodów dużego zainteresowania tym procesem wydaje się być to, że minimalizuje on zmiany w smaku, kolorze i zapachu oraz – co nie mniej istotne – zatrzymuje w produkcie cenne składniki odżywcze, witaminy i minerały, które często ulegają degradacji podczas tradycyjnych metod konserwacji produktów żywnościowych. Zastosowanie liofilizacji wykracza poza przemysł spożywczy i przynosi wiele pożądanych korzyści w różnych obszarach, między innymi w przemyśle farmaceutycznym, biotechnologicznym itp. Dzięki usunięciu wody liofilizowane produkty mogą być przechowywane przez długi okres, zachowując swoje właściwości i jakość. Zachowanie wartości odżywczych i – co istotne – brak konieczności dodawania konserwantów sprawiają, że metoda ta z powodzeniem jest wykorzystywana w produkcji żywności. Dzięki niej wiele produktów może być dłużej przechowywanych i ulegać niejako odnowieniu poprzez wymianę wody. Co więcej, umożliwia ona zachowanie autentycznego smaku, koloru i aromatu. 

Kolejną zaletą liofilizacji jest otrzymywanie produktów o stosunkowo niskiej wadze i prostocie przechowywania. Odpowiednio przeprowadzony proces daje możliwość ponownego uwodnienia produktów spożywczych, które łatwo łączą się z mlekiem czy jogurtami. Nie bez znaczenia pozostaje odpowiednie zapakowanie liofilizowanych artykułów, wymagają one bowiem zastosowania odpowiednich opakowań, które zapewnią właściwą szczelność. Warunki, w których przebiega proces liofilizacji, determinują jakość produktu i jego kształt, a także rozmiar kryształków, które na późniejszym etapie wpływają na proces sublimacji. Bardzo ważne są przy tym tempo prowadzenia procesu, wyjściowy skład podstawowego produktu, początkowa zawartość wody, lepkość płynu oraz obecność niekrystalicznej substancji. 

Woda związana przez adsorpcję na powierzchni produktu musi zostać usunięta, zaś w tym celu często należy pokonać siły kapilarne wody. Z tego też względu instalacja liofilizacyjna musi być zaprojektowana tak, aby generowała wysokie ciśnienie podczas fazy suszenia wtórnego. Należy pamiętać o tym, że w większości przypadków nie można podnieść temperatury bez uszkodzenia produktu. Proces suszenia wtórnego należy precyzyjnie kontrolować celem zapobiegnięcia nadmiernemu wysuszeniu produktu.

Warto także wskazać, jak można ochronić produkt po wysuszeniu – należy go szczelnie zamknąć, zanim opuści instalację, ze względu na jego właściwości higroskopijne. Firmy funkcjonujące na rynku dostarczają wiele rozwiązań w postaci produktów i usług, na przykład liofilizatory laboratoryjne, liofilizatory do instalacji pilotażowych, do prowadzenia prac badawczo-rozwojowych czy do niewielkich (testowych) partii produkcyjnych. Dostępne są również liofilizatory przemysłowe, a także kompletnie wyposażone systemy liofilizacyjne.

Liofilizatory kontaktowe zapewniają zadowalające wyniki w wielu zastosowaniach, natomiast liofilizatory wykorzystujące promieniowanie cieplne, zwykle fale podczerwone, są bardziej zaawansowaną technologią. Takie maszyny są wyposażone w wózki z torami, które umożliwiają wydajne przetwarzanie, a nawet podgrzewanie próbek, co jest przydatne w przypadku płytkich tac lub przedmiotów o jednakowych kształtach. Urządzenia te charakteryzują się krótszymi czasami cykli i większą efektywnością energetyczną w porównaniu do innych form liofilizacji, co też może tłumaczyć wybór tych urządzeń przez zakłady, które kierowane chęcią zwiększenia wydajności swoich procesów produkcyjnych nie chcą ponosić wysokich kosztów energetycznych z tym związanych. 

Poza wspomnianymi urządzeniami można spotkać się także z liofilizatorami wspomaganymi mikrofalami. Urządzenia tego typu wykorzystują mikrofale celem przyspieszenia zachodzenia etapów sublimacji oraz ogrzewania. Zwiększona zostaje w ten sposób wydajność i jednocześnie zmniejszony zostaje czas niezbędny na realizację określonych zadań. Niemniej jednak należy mieć na uwadze, że silne pola elektryczne mogą doprowadzić do przekształcania gazów znajdujących się w komorze próbki w plazmę, potencjalnie uszkadzając przechowywany w niej materiał. 

Liofilizatory laboratoryjne z reguły można stosować do prób o masie od ok. 2 kg do ok. 20 kg. Do tego typu urządzeń należy dobrać odpowiednią pompę próżniową w zależności od przeznaczenia. Liofilizatory pilotażowe są z reguły stosowane celem optymalizowania przykładowo danej linii produkcyjnej do procesu liofilizacji dla wskazanych produktów; najczęściej można poddawać testom próby o masie z przedziału od 4 do 16 kg. Natomiast wspomniane wyżej liofilizatory przemysłowe to urządzenia, których zadaniem jest produkowanie liofilizatów w sposób wydajny, z zapewnieniem pełnej kontroli parametrów przebiegu procesu i z zachowaniem pełnej jego powtarzalności. W tym przypadku partia ma masę od ok. 12 kg do ok. 500 kg. 

Na rynku można spotkać się z liofilizatorami jednokomorowymi oraz dwukomorowymi. W przypadku liofilizatorów jednokomorowych komora suszenia jest zintegrowana z kondensatorem lodu. Jeśli chodzi o liofilizatory dwukomorowe, komora suszenia oraz kondensator lodu są od siebie odseparowane. Materiał, który poddaje się procesowi liofilizacji, wprowadzany jest do urządzeń na specjalnych tacach. W przemyśle spożywczym – niezależnie od tego, jaki proces produkcyjny jest realizowany – kluczowe znaczenie ma powtarzalność. Z tego względu zainstalowane urządzenia mają za zadanie sprawowanie kontroli w sposób precyzyjny. Chodzi między innymi o wartość ciśnienia, temperatury czy czas trwania cyklu. Nie bez znaczenia pozostaje konieczność dużej pojemności kondensatorów (nawet 500 kg) celem realizacji produkcji na skalę przemysłową. Ważne jest również, aby liofilizatory przemysłowe – a konkretnie komora suszenia – wykonane były ze stali kwasoodpornej. Konserwacja, mycie urządzeń powinny być przemyślane i umożliwiać dokładne oczyszczenie z wszelkich zabrudzeń. 

Dostępne są także liofilizatory z uwzględnieniem podziału na proces wsadowego bądź ciągłego przetwarzania produktów spożywczych z wykorzystaniem procesu liofilizacji. Oprócz przetwarzania żywności producenci oferują także możliwość liofilizacji bakterii, enzymów czy też produktów bioaktywnych innego rodzaju. Warto wskazać, że proces liofilizacji równoważy produkcję żywności ze względu na zagospodarowanie nadwyżek plonów, świeżych produktów spożywczych, które szybko ulegają zepsuciu, nie wspominając już o możliwościach wprowadzania na rynek nowych produktów oraz zapobieganiu stratom. Co więcej, proces ten pozwala na kontrolowanie kosztów magazynowania, transportu itp. 

Na rynku znajdziemy również profesjonalne pompy do liofilizatorów; można wyróżnić wśród nich pompy próżniowe olejowe, pompy próżniowe suche, pompy próżniowe hybrydowe. Dostępne jest także wyposażenie do liofilizatorów takie jak tubusy, moduły, adaptery – w zależności od potrzeb danej branży.

Jak wspomniano wyżej, proces liofilizacji znajduje szerokie zastosowanie w różnych branżach – w przemyśle spożywczym poddaje się mu owoce, warzywa, zioła, kawę, herbatę itp., sprawiając, że produkty nie tracą na atrakcyjności w oczach konsumentów. Niska waga artykułów liofilizowanych, mniejszy wymiar transportowy słowem redukcja masy i objętości dzięki procesowi – to z kolei cechy, które ze względu na znaczne ułatwienie transportu i przechowywania doceniają producenci. Kolejnym aspektem przemawiającym za liofilizacją jest wspomniana możliwość zachowania wartości odżywczych produktu. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod suszenia, takich jak suszenie konwekcyjne, liofilizacja nie naraża produktu na działanie wysokiej temperatury, co pozwala na zachowanie witamin, minerałów i innych składników odżywczych oraz na zachowanie smaku, koloru czy tekstury żywności. Ze względu na to, że proces ten odbywa się w niskiej temperaturze, prawdopodobieństwo, że reakcje chemiczne mogłyby prowadzić do zmiany smaku lub koloru jest zminimalizowane, a dzięki temu liofilizowane produkty są bardzo często trudne do odróżnienia od swoich świeżych odpowiedników. Trwałość produktów liofilizowanych wynika z tego, że charakteryzują się one bardzo niską zawartością wilgoci, co czyni je odpornymi na rozwój mikroorganizmów i pleśni. Dzięki temu mogą być przechowywane przez długi czas bez potrzeby stosowania konserwantów. Konsumenci wybierają liofilizowane produkty spożywcze w coraz bardziej świadomy sposób, często mając na względzie swój komfort i wygodę. Warto wskazać, że dzięki liofilizacji owoce, warzywa czy zioła zachowują swój naturalny smak, aromat i kolor, a to sprawia, że są one smaczną i zdrową alternatywą dla świeżych, sezonowych produktów, szczególnie w okresach jesienno-zimowych, gdy nie są tak powszechnie dostępne. Ze względu na długi okres przydatności do spożycia liofilizowana żywność jest także bardzo dobrym rozwiązaniem w sytuacjach awaryjnych, gdy dostęp do świeżej żywności jest ograniczony. Podsumowując, liofilizacja jest zaawansowanym procesem technologicznym, który zyskuje na znaczeniu i jest doceniany w wielu branżach i gałęziach przemysłu. Szczególnie ceni się go za możliwość zachowania wartości odżywczych, smaku, koloru i tekstury produktów, co czyni go atrakcyjnym rozwiązaniem w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym czy biotechnologicznym. Pomimo wysokich kosztów czy poziomu skomplikowania procesu liofilizacja oferuje wymierne korzyści, które przyczyniają się do wzrostu jej zastosowania. 

Proces liofilizacji będzie prawdopodobnie odgrywał coraz większą rolę, zwłaszcza w kontekście zrównoważonego rozwoju i potrzeby długotrwałego przechowywania żywności i leków. Rozwój technologii, prace i udoskonalanie procesu mogą również przyczynić się do obniżenia kosztów tej metody, co z kolei może przełożyć się na jej szersze zastosowanie dzięki powszechnej dostępności. Uczyniłoby to z niej bardzo wartościowe rozwiązanie w zapewnieniu dostępu do zdrowej i trwałej żywności oraz leków na całym świecie.