Замораживание мяса и субпродуктов является одним из наиболее совершенных методов консервирования, обеспечивающих длительное хранение продукта.

Замораживание сопровождается потерями массы мяса и некоторым снижением качества продукта. При последующем размораживании также происходит значительная потеря массы. Несмотря на это, замораживание является одним из наиболее дешевых методов длительного сохранения качества мяса.

При замораживании мяса и субпродуктов сначала наступает переохлаждение в тканях (для мышечной ткани до -4 ⁰С), в результате чего возникают кристаллические зародыши. В этот момент выделяется скрытая теплота кристаллизации, и температура системы несколько повышается, достигает криоскопической точки, при которой становится невозможным образование новых зародышей. Начинается вторая фаза замораживания – рост выделившихся кристаллов, которые при размораживании разрушают клеточные структуры, и мясо при этом теряет большое количество мясного сока. В этот момент времени необходимо увеличить теплоотвод.  При высокой скорости теплоотвода обеспечиваются условия для образования новых кристаллов.

Различают медленное и быстрое замораживание. Медленное замораживание сопровождается образованием в мышечной ткани небольшого количества центров кристаллизации, которые зарождаются в первую очередь в межклеточном пространстве, то есть между волокнами. Такой характер кристаллообразования обусловлен тем, что концентрация кислот, солей, и других веществ тканевой жидкости в  межволоконном  пространстве ниже, чем в волокнах. Поэтому межклеточная жидкость замерзает при более высокой температуре, чем жидкость, содержащаяся в клетках..

В процессе роста образовавшихся кристаллов льда и повышения концентрации тканевой жидкости в межволоконном пространстве влага из волокон мигрирует в межволоконное пространство и вызывает дальнейший рост кристаллов. Крупные кристаллы льда расширяют межволоконное пространство и разрушают соединительнотканные прослойки своими острыми краями. Ткань разрыхляется, мышечные волокна деформируются, иногда разрушаются, что сопровождается большими потерями мясного сока.

При медленном замораживании также заметна миграция влаги из более глубоких слоёв мяса к поверхности, а растворённые в мясном соке вещества продвигаются в противоположном направлении. Это обусловлено возникающей разностью концентраций между более концентрированным (вследствие частичного вымораживания воды) мясным соком поверхностного слоя и менее концентрированным соком нижележащего слоя. Следовательно, количество вымерзающей воды всегда больше в поверхностных слоях, чем в толще мяса.

При быстром замораживании в тканях возникает большое количество центров кристаллизации, как в межклеточном пространстве, так и внутри волокон. Это объясняется большой скоростью снижения температуры. Образование большого количества центров кристаллизации обуславливает небольшое увеличение размеров кристаллов и отсутствие разрушения оболочек волокон.

При быстром замораживании образуется множество мелких межфибриллярных и межмышечных кристаллов льда. Внешние очертания и взаимное расположение мышечных пучков, волокон и сарколеммы сохраняется. Высокая степень сохранности морфологической структуры обеспечивает более полное восстановление первоначальных свойств, чем при медленном замораживании. Таким образом, влияние замораживания на качество мяса обусловлено характером процесса кристаллизации.

Изменение свойств мяса в процессе замораживания. При замораживании мяса происходят физические, гистологические, коллоидно-химические, биохимические и биологические изменения.

К физическим изменениям относятся изменения цвета и массы. Окраска разруба мороженого мяса бледно-красная, менее интенсивная, чем охлажденного мяса. Это обусловлено рассеиванием света кристаллами льда. Цвет мороженого мяса зависит от состояния и концентрации пигментов мяса. Потемнение поверхности мясных туш вызывается повышением концентрации пигментов мяса вследствие подсушивания поверхности, а также образования метмиоглобина (MetMb) и метгемоглобина (MetHb). Замораживание мяса сопровождается увеличением его объёма до 10 %, и, следовательно, растяжением и частичным разрывом волокон поверхностных слоёв и сжатием волокон внутренних слоёв.

Гистологические изменения при замораживании мяса связаны с нарушением межволоконной структуры и мышечных волокон в связи с образованием кристаллов льда, - чем больше скорость замораживания, тем мельче кристаллы и менее заметны разрушения естественной структуры тканей. Изменения структуры тканей, в частности соединительной, с одной стороны способствуют увеличению нежности мяса, с другой, способствуют вытеканию мясного сока при размораживании.

Степень разрушения структурных элементов тканей зависит и от глубины развития автолитических процессов в тканях на момент замораживания. При замораживании парного мяса структура мышечных волокон сохраняется.

Если мясо заморожено в состоянии посмертного окоченения, имеет место эффект «холодового сжатия». При замораживании созревшего мяса отмечаются большие потери мясного сока, что можно объяснить нарушением структуры тканей в процессе созревания.

Следовательно, мясо необходимо замораживать или в парном состоянии до момента посмертного окоченения, или к моменту разрешения посмертного окоченения (через 30-36 часов после убоя).

Переход воды в твердое состояние вызывает изменение белков и липидов. Это объясняется тем, что вода имеет большое значение для растворимости, набухания, дисперсии. Наибольшее значение имеет снижение степени дисперсности, в результате чего наблюдается коагуляция и слипание частиц. Причиной этих изменений является разрушение сольватных оболочек, изменение электростатических свойств дисперсионной среды, увеличение концентрации электролитов в тканевой жидкости.

При неблагоприятных условиях замораживания (высокая температура и низкая скорость теплоотвода) влагоёмкость и влагосвязывающая способность (ВСС) мяса заметно снижается.  Наибольшей степени коагуляции и агрегации подвержены фибриллярные белки (миозин). При этом резко изменяется растворимость миозина, свойства фракций альбуминов и глобулинов практически не изменяются.

При замораживании протекают автолитические процессы в тканях вследствие существования незамёрзшего центрального слоя. В мышечной ткани продолжается накопление молочной кислоты со сдвигом рН в кислую среду, происходит распад органических соединений фосфора. При быстром замораживании биохимические изменения менее значительны, сохраняется высокая способность белков ткани к набуханию.

Распад АТФ мышечной ткани протекает интенсивно лишь на первой фазе замораживания мяса, основная часть фосфорорганических соединений остаётся в первоначальном виде и скорость их распада зависит от температуры хранения.

Замораживание не обеспечивает полной стерилизации мяса, так как отдельные микроорганизмы приспосабливаются к низкой температуре, переходя в состояние анабиоза. Тем не менее, в процессе хранения мяса и мясопродуктов при достаточно низких температурах большая часть микрофлоры постепенно отмирает. Число микробов на поверхности мяса, хранившегося при -18 ⁰С, через 3 месяца уменьшилось на 50 %, через 6 месяцев на 80 %, а через 9 месяцев - их оставалось 1-2 % к начальному числу клеток.

Причины принудительной приостановки жизнедеятельности и отмирания микроорганизмов: нарушение обмена веществ и повреждение структуры клетки. Пока температура остаётся выше криоскопической точки протоплазмы, жизнедеятельность микроорганизмов может приостановиться или нарушится только вследствие изменения температуры. В этом случае тормозятся все процессы обмена веществ, и нарушается нормальное соотношение скоростей этих процессов.

Если температура ниже криоскопической точки протоплазмы, её действие усугубляется вымерзанием воды в окружающей среде и в самой клетке. Пока температура остаётся выше эвтектической точки среды, микробы вытесняются в оставшуюся жидкую часть, концентрация которой растет по мере снижения температуры. Когда температура становится ниже эвтектической точки среды, клетки вымерзают в затвердевающую эвтектическую смесь.

Следовательно, помимо влияния изменения температуры, клетка оказывается под действием обезвоживания среды и протоплазмы, повышенной концентрации незамёрзшей жидкой фазы, переноса влаги внутри самой клетки и из клетки во внешнею среду в связи с образованием кристаллов и, наконец, механического воздействия кристаллов. Все эти факторы приводят к гибели большинства клеток.

Выбор способа и условий для замораживания и   хранения мясопродуктов. Выбор обусловливается технологическими соображениями, санитарно гигиеническими требованиями и экономичностью способа замораживания и хранения.

Первостепенное значение имеет состояние продукта перед замораживанием, скорость и глубина замораживания, вид и состояние теплоотводящей среды, и наличие или отсутствие контакта продукта с нею.

Учитывая значение глубины автолиза перед замораживанием, замораживать мясо нужно до наступления посмертного окоченения (парного мяса) или к моменту разрешения посмертного окоченения (охлажденное мясо). Мясо, замороженное в парном состоянии, по вкусовым качествам не отличается от мяса, замороженного после охлаждения. Оно лучше сохраняет естественную окраску и обладает более высокой водосвязывающей способностью. Размеры усушки в процессе холодной обработки сокращаются почти вдвое, а общая производительность холодильной обработки на 41-43 %.

Замораживанию в полутушах независимо от глубины автолиза присущи серьезные недостатки: низкий коэффициент использования объёма камер хранения, невысокий санитарный уровень хранения, высокие размеры усушки и снижение качества мяса вследствие его контакта со средой.

Более выгодно замораживать мясо в виде блоков, подбирая их состав в соответствии со стандартными схемами сортовой разделки мяса. Это исключает необходимость размораживания, уменьшает затраты холода и повышает коэффициент использования холодильных ёмкостей.

При замораживании мяса в блоках уменьшается расход холода на единицу массы, особенно при замораживании жилованного мяса. Камера замораживания и хранения мороженого мяса используется эффективнее, потому что норма загрузки блочного мяса и мясопродуктов почти втрое выше, чем для мяса в тушах и полутушах. Замораживание и хранение мяса в блоках повышает его санитарно–гигиеническое состояние, потеря массы сокращается до минимума. Процесс замораживания легче интенсифицировать, потому что его можно осуществлять в скороморозильных аппаратах при высокой скорости циркуляции воздуха, а также использовать жидкую охлаждающую среду.

В блоках можно замораживать и парное мясо, если развитие автолиза задержано применением предубойной адренализации животных. Без этого развитие автолиза и период разделки туш и полутуш, и подготовки блоков может достигнуть уровня близкого к состоянию посмертного окоченения.

Мясные блоки выпускают следующих наименований и сортов:

-говяжьи: высшего, первого, второго и односортные;

-свиные: нежирные, полужирные, жирные и односортные .

Блоки выпускают следующих размеров (табл. 2.9):

Допускается производить блоки размеров, мм: 480х390х65; 750х370х95; и 800х250х60.

Перед замораживанием мясо для производства блоков упаковывают в пакеты из полиэтиленовой плёнки «повиден» или другие влагонепроницаемые плёнки и укладывают в металлические формы или ячейки скороморозильных аппаратов.

Продолжительность замораживания составляет:

при однофазном замораживании: при температуре -30 ⁰С и скорости движения воздуха 1-2 м/с – 18 часов, и при скорости движения воздуха 3-6 м/с – 7  часов;

при двухфазном замораживании: при -30 ⁰С и скорости движения воздуха 3-6 м/с до 4 часов, при -23 ⁰С и скорости движения воздуха 1-2 м/с до 12 часов.

Скорость замораживания. Среднюю скорость замораживания считают как отношение пути, проходимого фронтом кристаллообразования от поверхности продукта в его глубину, к продолжительности прохождения. Скорость замораживания описывается уравнением (2.5).

где  х - толщина промерзающего слоя, м; λ -  коэффициент теплопроводности, Дж(м^.ч^{. 0}С); t_кр -  криоскопическая точка, ⁰С; t_с -  температура среды, ⁰С;W- количество вымерзающей воды, кг;r - скрытая теплота кристаллизации;  - плотность мяса, кг/м³; - время замораживания, ч;  - коэффициент теплоотдачи, кДж/(м^2.ч^.град).

Скорость замораживания в полутушах при температуре -20 ⁰С и естественной циркуляции не превышает 0,5 см/ч. В туннельных морозилках при температуре -25 ⁰С и скорости движения 5 м/с скорость замораживания мяса составляет 0,9 см/ч, а при -35 ⁰С и скорости 9 м/с -1,3 см/ч.

Как видно из уравнения (2.5) скорость замораживания может быть увеличена (до 5 см/ч и более) повышением интенсивности теплоотвода за счёт увеличения коэффициента теплоотдачи, температурного перепада между продуктом и теплоотводяшей средой и уменьшением толщины образца.

Наибольшее значение для увеличения коэффициента теплоотвода имеют: агрегатное состояние теплоотводящей среды, скорость её движения и температура.

Скорость теплоотвода возрастает пропорционально разности температур продукта и теплоотводящей среды, которую можно увеличить снижением температуры среды.

Выбор того или иного приёма увеличения скорости теплоотвода определяется практической целесообразностью, технологическими требованиями, техническими возможностями и экономичностью.

Продолжительность замораживания. Время, необходимое для снижения температуры продукта от начальной t_н  до криоскопической может быть учтено коэффициентом (1+0,0053^.t_н). Общая продолжительность процесса с учётом этого коэффициента равна:

где  t_о - температура охлаждающей среды, ⁰С; t_з - температура продукта в начале замерзания, ⁰С; - общее тепловое сопротивление между поверхностью продукта и охлаждающей средой, м^2.ч^.град/кДж; ω - количество вымороженной воды, кг; r₃ - удельная теплота льдообразования в среднем 250 кДж/кг; δ - толщина замораживаемого слоя, м; γ- объёмный вес продукта, 1000 кг/м³, коэффициент теплопроводности замороженного продукта в среднем 4,9 кДж/(м^2.ч^.град); с - удельная теплоёмкость продукта, с=7,5 кДж/(кг ^.град); n- поправочный коэффициент (при быстром замораживании n=1,05;  при медленном n=1,2); λ -  коэффициент теплопроводности, Дж(м^.ч^{. 0}С); t_н – начальная температура тела, ⁰С; t_r – конечная температура тела, ⁰С; r – скрытая теплота кристаллизации, кДж/кг;.  - продолжительность замораживания, ч.

В зависимости от состояния мяса применяют одно- или двухфазное замораживание. Парное мясо, поступающее после первичной переработки, замораживают однофазным способом. Температура в толще мышц бедра должна быть не менее 35 ⁰С. Длительность транспортирования мяса от приёмных весов холодильника до камеры замораживания не должна превышать 10-20 мин. Парные туши или полутуши загружают в камеру непрерывно потоком по мере их поступления из убойного цеха синхронно с работой  главного конвейера или циклично небольшими партиями по 10-15 полутуш.

Продолжительность однофазного замораживания парных полутуш говядины массой до 110 кг составляет: при температуре -23 ⁰С и естественной циркуляции воздуха в камере 32 часа, а при принудительной циркуляции со скоростью 0,8 м/с -35 часов; при температуре -30 ⁰С и со скоростью воздуха 0,8 м/с -27 часов, а при -35 ⁰С - 23 часа.

Продолжительность замораживания свиных полутуши бараньих туш массой соответственно не более 45 и 30 кг составляет 80 и 60 % от продолжительности замораживания говяжьих полутуш.

Двухфазное замораживание. На замораживание двухфазным способом направляют мясо, предварительно охлажденное до температуры 0-4 ⁰С в толще мышцы бедра. Продолжительность замораживания говяжьих полутуш массой до 110 кг при естественной циркуляции скорости воздуха: при -23 ⁰С составляет 35 часов, при -30 ⁰С -26 часов. При принудительной циркуляции воздуха и его скоростью 0,8 м/с продолжительность замораживания составляет: при -23 ⁰С -28 часов, при -30 ⁰С -22 часа, -35 ⁰С -18 часов. Продолжительность замораживания свиных полутуши бараньих туш массой соответственно не более 45 и 30 кг составляет 80 и 60 % от продолжительности замораживания  говяжьих полутуш.

Преимуществами однофазного способа замораживания мяса являются: сокращение продолжительности производства замороженного мяса, более эффективное использование производственных площадей, уменьшение потерь массы, сокращение затрат труда на транспортирование, более высокое качество мяса. Интенсивный теплоотвод на первых стадиях процесса обеспечивает понижение скорости химических и биохимических реакций, что приводит к увеличению сроков хранения мороженого мяса.

Мясо, замороженное двухфазным способом, при размораживании теряет больше мясного сока, белковых и экстрактивных  веществ, чем мясо, замороженное в парном состоянии. Мясо однофазного способа размораживания менее нежное, чем замороженное после предварительного созревания.

Замораживание мяса сопровождается усушкой. Усушка при замораживании мяса и субпродуктов в воздушной среде зависит от вида и упитанности мяса и вида субпродуктов, а также от температуры замораживания. Потери массы при однофазном замораживании, в зависимости от категории упитанности говяжьих полутуш, составляют 1,58-2,1 %. При двухфазном замораживании  суммарная потеря массы при охлаждении и размораживании выше на 30-45 %. Потери массы жилованного мяса при замораживании в блоках зависят от вида упаковочного материала и составляют: при замораживании в морозильных камерах - 0,6 % без упаковки, 0,25 % в упаковке, в скороморозильных аппаратах 0,12 %.

Хранение мороженого мяса и субпродуктов. Температура хранения замороженных продуктов не должна быть выше -10 ⁰С для предотвращения микробиальной порчи. Чем данная температура ниже, тем лучше сохраняется продукт.

Возможная длительность хранения при определенной температуре зависит от вида и упитанности мяса, вида субпродуктов, температуры хранения.

Сроки хранения мяса при различных температурах представлены в табл. 2.10.

Потери массы мороженого мяса при хранении тем меньше, чем больше степень загрузки камеры, плотность укладки мяса и размеры штабелей, лучше теплоизоляция камер.

Потери при хранении зависят также от расположения охлаждающих батарей, времени года, этажности холодильника, места расположения камеры в холодильнике, географического расположения. Действующие нормы усушки мяса учитывают большинство из перечисленных выше факторов.

Для препятствия миграции влаги из продукта к приборам охлаждения штабеля мороженого мяса укрывают брезентовыми чехлами. В этом случае обмен воздуха  между штабелями и окружающей средой почти прекращается, под брезентом создаётся микроклимат, воздух насыщается до 100 % влажности, что замедляет усушку на 2-2,5 раза.

Эффективным способом снижения усушки является экранирование пристенных батарей. На брезентовые занавески намораживается ледяная стенка, укреплённая на рейках. Экраны образуют вокруг наружных стен теплозащитную воздушную рубашку, и в камере устанавливается более высокая относительная влажность и пониженная температура воздуха. Усушка мяса при таком способе хранения снижается в 2 раза.

Упаковка мясопродуктов в картонную тару значительно снижает усушку. Наиболее прогрессивным способом борьбы с усушкой является применение паронепроницаемых плёночных материалов, обеспечивающих плотное прилегание плёнки к поверхности продукта.

Эффективным приёмом снижения потерь массы мяса является нанесение снега на поверхности штабелей, что способствует повышению влажности воздуха в камере в результате сублимации снега.

Потери можно также снизить введением в камеры пара, нанесением покрытий, получаемых из коллагена или глицеридов.

В процессе хранения мяса в мороженом виде могут меняться его органолептические свойства и пищевая ценность. Они проявляются в ухудшении консистенции, вкуса, ВСС. Минимальное снижение пищевой ценности происходит при хранении мяса однофазного замораживания.

При хранении мяса в мороженом виде устойчивость белков мяса к воздействию протеолитических ферментов повышается. При температуре хранения -30 ⁰С значительно лучше сохраняется качество мяса, чем при -20 ⁰С, замедляется окисление миоглобина, лучше сохраняются нативные свойства белков, их перевариваемость.

Сохранность качества мороженого мяса и субпродуктов при хранении, а также усушка зависят от постоянства температуры воздуха. Колебания температуры приводят к потерям массы и ухудшению качества. Допустимое отклонение температуры 2 ⁰С, при загрузке и выгрузке 3- 4 ⁰С. Даже небольшие колебания температуры воздуха вызывают перекристаллизацию льда в тканях мяса.

При повышении температуры мяса происходит частичное оттаивание более крупных кристаллов льда. Наиболее мелкие кристаллы льда внутри мышечных волокон оттаивают полностью, и, выделившаяся влага частично мигрирует в межволоконное пространство. Полное оттаивание мельчайших кристаллов обусловлено более низкой температурой замерзания внутри клеточной жидкости.

При понижении температуры новые центры кристаллизации не образуются, а выделившаяся влага намерзает на имеющиеся кристаллы, в первую очередь на более крупные кристаллы. Следовательно, при колебаниях температуры в основном увеличиваются размеры более крупных кристаллов льда, расположенных между волокнами. Колебания температуры в процессе хранения приводят к постепенному исчезновению кристаллов льда в мышечных волокнах и к значительному увеличению размеров кристаллов в межволоконном пространстве. При этом происходит разрушение структуры мышечных волокон. Колебания температуры при хранении мороженого мяса могут привести к тому, что по обратимости процесса быстро замороженное мясо станет равноценным медленно замороженному.

Техника замораживания. Мясо и мясопродукты замораживают в помещениях камерного и туннельного типа, а также в морозильных аппаратах. Камеры оборудованы пристенными или поточными батареями, в которых циркулирует хладоагент. Серьезным недостатком камер является большая продолжительность процесса, неравномерность замораживания и высокая усушка мяса. Интенсифицировать процесс можно в туннелях быстрого замораживания, где батарея охлаждения или замораживания размещены между рядами подвесных путей. В таких камерах при температуре -35 ⁰С и скорости движения воздуха 3 м/с продолжительность замораживания составляет 14-15 часов. Использование туннелей позволяет уменьшить усушку мяса на 40-50 %.

Блочное мясо, субпродукты, полуфабрикаты, готовые блюда, эндокринно-ферментное сырьё можно замораживать в морозильных аппаратах. Продукты помещают на ленточный транспортёр, тележки или на этажерки, движущиеся по рельсу. На этой установке можно замораживать пельмени, кнели, котлеты и другие полуфабрикаты.

В морозильном аппарате для замораживания штучных изделий (рис. 2.7) ленточно-спирального типа вокруг вращающего цилиндра смонтирована спираль, по которой перемешается ленточный конвейер. Продукт с помощью загрузочного устройства попадает на ленту и перемещается по спирали вверх к разгрузочному устройству. Поток холодного воздуха направлен сверху вниз, перпендикулярно к ленте, т.е. движется противоточно по отношению к продукту, что обеспечивает повышение скорости замораживания и уменьшение усушки. Аппарат оборудован автоматическим устройством для мойки и сушки ленты.

Наряду с воздушным морозильными аппаратами используют плиточные аппараты, в которых замораживают мясо в блоках, субпродукты, фарши, эндокринно-ферментное сырьё. В плиточных аппаратах продукт размещают между подвижными морозильными плитами. В результате перемещения плит происходит подпрессовывание продукта, что обеспечивает хороший контакт с охлаждаемой поверхностью и способствует интенсификации теплообмена.

Упакованное жилованное мясо, субпродукты можно замораживать в роторных аппаратах. Достоинством роторных морозильных аппаратов являются: сокращение продолжительности замораживания в 1,5-2 раза (по сравнению с воздушными морозильными аппаратами); непрерывность процесса, механизация загрузки и выгрузки, небольшие габаритные размеры (рис. 2.8) (4).