08.2015 – „Liofilizacja.”

sierpień 2015, nr 108/86 online

 

    Produkty liofilizowane, czyli powstałe poprzez zastosowanie suszenia sublimacyjnego (inaczej liofilizacji) w ostatnich latach są popularne wśród części konsumentów. Coraz to inne, innowacyjne wyroby pojawiają się w naszych spiżarniach, na naszych talerzach… ale nie tylko. Liofilizacja łączy w sobie osiągnięcia biochemii, chemii, biologii oraz fizyki. Jest dość złożonym, wieloetapowym procesem polegającym na usunięciu wody z zamrożonego produktu w wyniku sublimacji lodu. Pierwszy etap obejmuje zamrożenie pod ciśnieniem atmosferycznym materiału przeznaczonego do suszenia. Kolejno następuje zmniejszenie ciśnienia oraz dostarczenie ciepła do podtrzymania sublimacji lodu, a finalnym etapem jest dosuszanie materiału do żądanej wilgotności końcowej. Proces ten przebiega zawsze w temperaturze poniżej 0ºC i pod zmniejszonym ciśnieniem, a usuwanie wody następuje poniżej punktu potrójnego.

    Tytułowemu procesowi można poddać prawie każdy asortyment przeznaczony do konsumpcji – warzywa, owoce, zioła, mięsa, grzyby, makarony, jaja, środki aromatyzujące, ryby, krewetki, kraby, homary, nawet oliwki czy nabiał w tym sery, jogurty i bakterie kultur mleczarskich. Produkty liofilizowane stosowane są jako przekąski, gotowe pełnowartościowe dania, dodatki smakowe oraz składniki takich potraw jak produkty instant, musli, słodycze, zupy błyskawiczne, sosy i dressingi.

    Liofilizaty od jakiegoś czasu wielce popularne są wśród osób uprawiających sporty outdoorowe i zabierane są podczas ekstremalnych podróży. Znają je dobrze himalaiści, żołnierze czy też astronauci. Stanowią obowiązkowo część ekwipunku na wyprawy w rejony, gdzie panują epidemie czy też trudne warunki bytu – wystarczy zalać septycznym wrzątkiem i ma się pewność, że spożywany posiłek jest nie tylko pełnowartościowy, ale przede wszystkim bezpieczny w sensie epidemiologicznym, wolny od mikroorganizmów i patogenów. Na zachodzie w sklepach ze zdrową żywnością coraz częściej spotyka się gotowe, zbilansowane liofilizowane „koktajle” warzywne, owocowe czy też ziołowe. Dodatkowo popularne są także treściwe i pożywne porcje obiadowe dla osób wymagających specjalnej diety, na przykład ludzi chorych na celiakię, diabetyków i wegetarian.

    Proces liofilizacji ma również bardzo ważne znaczenie z punktu widzenia farmaceuty. Jest uznany w naszych czasach za standardowy tok technologiczny stosowany do sporządzania tabletek rozpadających się w jamie ustnej, utrwalania w szczególności produktów termolabilnych (wrażliwych na wysoką temperaturę), przechowywania lub zwiększania trwałości antybiotyków, białek enzymów, hormonów, przeciwciał, szczepionek (także tych doustnych) czy suszenia bakterii i wirusów. Liofilizacja jest także istotnym procesem stabilizacji substancji podczas badań laboratoryjnych, stosowanym na etapie przygotowania próbek oraz do konserwacji i przechowywania materiału biologicznego, linii komórkowych, kultur starterowych, nanomateriałów czy też nanoemulsji. Także preparaty tkankowe, używane do transplantacji chirurgicznych mogą być poddawane procesowi liofilizacji. Różnego rodzaju kosmetyki produkowane są również za pomocą liofilizacji. Na przykład, przetworzony tą metodą kolagen wykorzystuje się podczas produkcji kremów, masek, balsamów i płatów kolagenowych. Jednym z ciekawych zastosowań suszenia sublimacyjnego jest utrwalanie bukietów kwiatów, które mogą być przechowywane przez wiele miesięcy, co jest niezmiernie interesujące głównie z punktu widzenia zachowania „świeżości wiązanek kwiatów” sezonowych czy też zachowania bukietów z ważnych dla nas uroczystości. Suszenie sublimacyjne popularne jest także podczas konserwowania okazów muzealnych, archeologicznych i cennych rarytasów bibliotecznych. Z powyższych względów wydawałoby się, że liofilizacja to stosunkowo nowy sposób stabilizacji różnorakiego asortymentu. Nic bardziej mylnego! Wręcz przeciwnie – suszenie sublimacyjne może być uznane za jeden z najstarszych procesów przetwarzania – i to nie tylko żywności. Technika ta wykorzystywana była już przeszło 1000 lat p.n.e. W starożytnym Peru Inkowie zaobserwowali fakt, iż niskie ciśnienie na dużych wysokościach prowadzi do odparowania wody z produktów przeznaczonych do konsumpcji. Ugotowane nad Machu Picchu bulwy ziemniaków i inne rośliny, Inkowie pozostawiali na mrozie, te kurczyły się mocno, na ich powierzchni powstawał niewielki fragment lodu. Kartofle takie poprzez działanie niskiej temperatury i ciśnienia stawały się mniejsze, lekkie, łatwe w transporcie, a po wrzuceniu do wrzątku, smakowały tak samo jak produkt wyjściowy. Także andyjscy Indianie Quechua stosowali prymitywną metodę liofilizacji w celach konserwacji żywności, która mogłaby się szybko zepsuć. Takową żywność nazwano chuño. Nie tylko na kontynencie amerykańskim takie zachowania znane były od dawnych czasów. Również wiadome są doniesienia na temat stosowania liofilizacji do suszenia tofu przez buddyjskich Mnichów, zamieszkujących Świętą Górę Koya (Koya-san). Konserwowali oni twarożek sojowy przechowując go głęboko w śniegu na dużych wysokościach na zboczu góry, gdzie panowało niskie ciśnienie, a temperatura schodziła poniżej punktu zamarzania wody. Teren ten dodatkowo charakteryzował się występowaniem bardzo zimnych wiatrów. Zakonserwowane w ten sposób tofu można było przechowywać bez zmiany w jakości przez bardzo długi okres czasu. Również znani z podbojów Wikingowie wykorzystywali swoje lokalne, suche i zimne warunki do suszenia – rzec można – techniką prymitywnej liofilizacji. Dużo później, bo pod koniec XIX wieku proces suszenia sublimacyjnego – rozumiany odpowiednio w czasie – wielce interesował ludzi nauki. W 1890 roku Altman w ciśnieniu niższym od atmosferycznego, w temperaturze około -20^oC uzyskał liofilizowaną tkankę. Na początku XX wieku Benedict i Manning przy ciśnieniu niższym niż 1 MPa z zastosowaniem pompy chemicznej skutecznie otrzymali suszoną tkankę zwierzęcą.

    W późniejszych latach skupiono się już nad konstrukcją jak najbardziej wydajnej maszynerii czyli m.in. pompy próżniowej, wykorzystania różnych substancji chemicznych w celu wytworzenia niezbędnego podciśnienia do prowadzenia przyszłościowego jak się słusznie wówczas wydawało procesu utrwalania. Dzięki wypracowaniu odpowiednich metod, zastosowaniu parametrów technologicznych, machina liofilizacji rozkręciła się na dobre w latach 40-tych XX wieku. W branży spożywczej motorem napędowym była przede wszystkim istniejąca wówczas luka w sposobach przechowywania i trudności w magazynowaniu dużej nadprodukcji kawy w Brazylii. Wówczas to, na zlecenie chemik Max Morgenthaler po 7 latach żmudnych eksperymentów skompresował ziarenka kawy, zachowując smak, aromat i właściwości pobudzające małej czarnej – powstała kawa liofilizowana, dostępna wówczas wyłącznie dla sfer wojskowych, zapakowana w kostki, którą należało zalać jedynie wrzątkiem – taki prekursor popularnie spożywanej przez nas kawy instant, czyli tej rozpuszczalnej. W okresie II wojny światowej proces liofilizacji odegrał bardzo istotną rolę na polu farmaceutycznym, w sferze ratowania ludzkiego życia. Technika suszenia sublimacyjnego używana była do zachowania próbek biologicznych, takich jak osocze krwi, by móc swobodnie transportować je do sił zbrojnych. Liofilizację stosowano także do otrzymania łatwej w przechowywaniu i transportowaniu na polu bitwy formy penicyliny. Na początku podbojów kosmosu – podczas programów Gemini i Apollo produkty liofilizowane, ze względu na łatwość w przygotowaniu, niewielkie rozmiary, lekkość etc. także wznosiły się na wyżyny. Firmy systematycznie opracowywały nowatorskie receptury w ramach kontraktów m.in. dla NASA. W latach 70-tych techniki liofilizacji powszechnie używano już do konserwowania żywności i sporadycznie do produkcji farmaceutycznej – jednak zarówno metody jak i aparatura nie były jeszcze tak dopracowane jak w obecnych czasach, a liofilizaty odbiegały głównie smakiem od znanego nam asortymentu. Obecnie na rynku znajduje się wiele produktów które są liofilizowane – a my często nawet nie zdajemy sobie z tego sprawy.

    Coraz bogatszy asortyment liofilizatów ma wiele zalet. W obszarze przemysłu spożywczego poprzez dopracowanie technologii, metod suszenia, nowych rozwiązań technicznych można otrzymać niezmienioną żywność. Suszenie sublimacyjne prowadzi do usunięcia wody z produktu przy niskiej temperaturze, co powoduje, że większość reakcji chemicznych i mikrobiologicznych mogących zachodzić w artykułach żywnościowych, sprzyjających ich psuciu się zostaje zahamowana. Występują warunki uniemożliwiające rozwój drożdży, grzybów, patogenów i przetrwanie szkodliwych bakterii. Bardzo niewielka zawartość wody (mniej niż 2%) sprzyja także długotrwałemu przechowywaniu. Liofilizowane dania zachowują trwałość około 2 lat. Zakonserwowany w ten sposób asortyment jest bardzo lekki, co znacznie zmniejsza koszty jego transportu. Żywność takowa nie wymaga przechowywania w niskich temperaturach (lodówkach, zamrażarkach), co redukuje dodatkowo kwoty magazynowania. Liofilizaty charakteryzują się świetnie zachowanym kształtem, teksturą, kolorem, wyglądem i po przygotowaniu do spożycia przez wprowadzenie wody – smakiem charakterystycznym dla produktów wyjściowych. Dzieje się tak poprzez fakt, że wymrożona podczas liofilizacji woda chroni artykuły przed zmianami struktury, kształtu, przy niewielkich tylko zmianach objętości. Co ważne, do tak przetworzonej żywności nie dodaje się środków konserwujących, co ma istotne znaczenie przy wytarzaniu „zdrowego” jedzenia. Suszenie sublimacyjne ogranicza także chemiczne jak i enzymatyczne reakcje, straty aromatu oraz, co bardzo ważne, degradację witamin, makro i mikroelementów. Dodatkowo, liofilizacja jest także ciekawym sposobem zachowania na dłużej własności części owoców deserowych, które zwykle cieszą nasze podniebienie wyłącznie w sezonie, a ich struktura miękiszowa utrudnia standardowe suszenie, jak np. owoce borówki amerykańskiej, maliny czy tarniny. Łatwość w przygotowaniu żywności liofilizowanej w pewnych sytuacjach jest in plus. Ziemniaki i ryż wymagają około 20 minut gotowania, makaron blisko 5-10 minut. Liofilizaty zalewa się wrzątkiem – i już są gotowe.

    W przemyśle farmaceutycznym, szczególne właściwości produktów liofilizowanych przydatne są w przypadku szczepionek, przeciwciał, czyli materiałów, które zazwyczaj muszą być podane tak szybko, jak to możliwe. Udoskonalenie techniki suszenia sublimacyjnego otworzyło wiele drzwi i ułatwiło przechowywanie, transport i składowanie środków leczniczych. Często substancje biologiczne trafiają do krajów, gdzie brak łańcucha chłodniczego, a liofilizowany materiał zajmuje mniej miejsca i niejednokrotnie składowany jest w spartańskich warunkach. Firmy farmaceutyczne często wykorzystują liofilizację w celu zwiększenia dopuszczalnego okresu przechowywania produktów. Przez usunięcie wody i uszczelnienie materiału w fiolce, może być on łatwo pakowany, wysłany, a następnie rekonstytuowany do jego pierwotnej postaci przed podaniem, na przykład przed wstrzyknięciem. Tabletki ODT (z ang. oral disintegrating tablet) otrzymane w procesie liofilizacji (np. przy zastosowaniu technologii Zydis®, Lyoc®, Quicksolv®, Nanocrystal™, Kryotab™),  charakteryzują się najkrótszym czasem rozpadu, tj. nawet około 10 sekund. Jest on uwarunkowany wytworzeniem bardzo porowatej tekstury, ułatwiającej wnikanie wody do wnętrza tabletek.

    Powyżej zaprezentowano niewątpliwe zalety asortymentu konserwowanego poprzez suszenie sublimacyjne. Jednak są również pewne ograniczenia w swobodnym wprowadzaniu tytułowych produktów na rynek. Spowodowane są one głównie wysokimi kosztami realizacji samego procesu liofilizacji. Aparatura niezbędna do prowadzenia suszenia sublimacyjnego wymaga bardzo dużych inwestycji pieniężnych, a sam jego przebieg jest niezmiernie czasochłonny i pracochłonny. Niejednokrotnie również samo przygotowanie materiału przeznaczonego do suszenia jest różne w zależności od struktury, co także podnosi koszty. Niektóre rodzaje żywności wymagają wstępnej obróbki przed poddaniem procesowi liofilizacji, np. owoce morza i mięso, muszą być gotowane przed liofilizacją. Owoce i warzywa przed poddaniem obróbce są zwykle obrane, pokrojone na cienkie plasterki, koniecznie z usuniętymi pestkami. Część warzyw, takich jak groch i kukurydza winna być parzona lub blanszowana przed pierwszą fazą procesu. Ważnym elementem decydującym również o nakładach jest także sam sposób pakowania tak przetworzonej żywności. Najczęściej produkty pakowane są w zakładzie natychmiast po wyjściu z komory suszącej. Muszą być one zamknięte w opakowaniach hermetycznych, aby zapobiec pochłanianiu wilgoci z powietrza. Niektóre liofilizaty są pakowane próżniowo, a powietrze usuwane jest z pojemnika przed szczelnym zamknięciem. Do innych opakowań liofilizowanych produktów spożywczych wprowadza się dodatkowo obojętne gazy np. azot, aby wyprzeć tlen z powietrza i w ten sposób zapobiec utlenianiu i psuciu się produktów. Podczas konserwacji substancji biologicznych, farmaceutycznych, często bardzo higroskopijnych, suszonych w butelkach, kolbach lub fiolkach należy zamknąć te zbiorniki bezpośrednio po suszeniu. Do tego celu stosuje się żebrowane korki gumowe umieszczone w szyjkach butelki lub fiolki mocno ściśnięte w czopach po zakończeniu suszenia. Opakowania takie winny być zamknięte pod próżnią lub w atmosferze gazu ochronnego. Trudności pojawiają się w przypadku liofilizowanych tabletek, często niezbędne jest zastosowanie specjalnego sposobu pakowania liofilizatów w celu zabezpieczenia ich przed uszkodzeniami mechanicznymi, jak również przed dostępem wilgoci. Wybór metody zamknięcia zależy od rodzaju produktu, ale co ważne, determinuje w dużej mierze też kwoty końcowe. Biorąc pod uwagę powyżej zaprezentowane względy, specjaliści z branży szacują, że liofilizacja całościowo jest 4-8 krotnie droższa niżeli inne sposoby stabilizacji. Koszty te, w szczególności jeśli chodzi o produkty spożywcze, przeważnie przekazywane są na konsumenta, co sprawia, że liofilizaty są stosunkowo drogie w porównaniu do produktów konserwowanych innymi metodami, tych otrzymanych poprzez np. zamrażanie lub puszkowanie. Za istotną wadę produktów liofilizowanych uznać należy także fakt, że są one wrażliwe na wilgoć. Bezwzględnie należy je przechowywać w suchych warunkach. Również brak świadomości i przekonania pośród części społeczeństwa do nowych produktów, pokutuje powszechnym przekonaniem, że liofilizaty (w szczególności dotyczy to całych, gotowych dań) są niezdrowe, niesmaczne, wręcz niezjadliwe. Dylematy pojawiają się także w momencie wyboru dokonywanego przed półką sklepową, często mimo, iż paczki wytworów liofilizowanych zawierają szczegółowy opis składu, kaloryczności, gramatury – pomijamy takowy asortyment sądząc, że to chemiczne, syntetyczne produkty, bo takie dziwne, gąbczaste, kolorowe, niewielkie… Kategorycznie nie jest to prawda. Żywność przetworzona przy zastosowaniu suszenia sublimacyjnego odpowiada walorom zdrowotnym, jak również smakowi produktom źródłowym. A liofilizacja  jest zdecydowanie pożądaną metodą utrwalania.

    Podsumowując, technologia suszenia sublimacyjnego jest sposobem konserwowania i stabilizacji produktów, która w szybkim świecie produktów instant zyskuje coraz więcej na znaczeniu. Ciągle wzrastające zapotrzebowanie na tego typu żywność sprzyja także szybkiemu rozwojowi rozważań, prowadzeniu badań, które związane są z poszukiwaniem technologii pozwalających na jak najmniejsze straty w cennych właściwościach surowca. Wymagający rynek i konsumenci decydują o tym, że niepełnowartościowy, bezsmakowy asortyment o złej konsystencji, strukturze czy nienaturalnym zapachu, nie znajduje już  nabywcy. Naprzeciw tym wymaganiom wychodzi suszenie sublimacyjne (liofilizacja). Po przetworzeniu tym sposobem artykuły przeznaczone do konsumpcji posiadają kruchą, otwartą strukturę, zachowaną barwę, teksturę, stabilność objętości, dużą szybkość i wysoki stopień rehydratacji, czyli wszystko to, co wpływa na dużą atrakcyjność nabywanej żywności. Oczywiście, jeśli tylko mamy możliwość, starajmy się spożywać świeże produkty, ale nie musimy się obawiać nowych na rynku liofilizowanych przekąsek, dodatków, czy – jeśli sytuacja tego wymaga – nawet gotowych dań.

Fot. Fotolia.pl

Piśmiennictwo:
1.    Ciurzyńska A., Lenart A. Freeze-Drying – Application in Food Processing and Biotechnology – A Review. Polish Journal of Food and Nutrition Sciences, 2011, 61 (3), 165-171
2.    Hui, Y.H. Encyclopedia of Food Science and Technology, tom 2. John Wiley and Sons, 1992
3.    Jachowicz R., Krupa A. Tabletki ulegające rozpadowi w jamie ustnej. Kierunki badań, technologie. Część I. Farmacja Polska, 2010, 66(6), 443-447
4.    Jones H.W., Wisniewski R., Flynn M. Shaw H. Space and Industrial Brine Drying Technologies, 2014, International Conference on Environmental Systems
5.    Kondratowicz J., Burczyk E., Janiak: Liofilizacja jako sposób utrwalania żywności. Chłodnictwo, 2009, 54 (1-2), 58-61
6.    Nawrocki T. Szybko, szybko, coraz szybciej, czyli nowe postacie leków szybkodziałających. Aptekarz Polski, 2009, 31 (9), [online] http://archiwum.aptekarzpolski.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=299&Itemid=66
7.    Nireesha G.R., Divya L., Sowmya C., Venkateshan N., Niranjan Babu M., Lavakumar V. Lyophilization/Freeze Drying – An Review. International Journal of Novel Trends in Pharmaceutical Sciences, 2013, 4 (3), 87-98
8.    Pijanowski E., Dłużewski M., Dłużewska A., Jarczyk A. Ogólna technologia żywności. Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa, 2004
9.    Pržić D.S., Ružić N.LJ., Petrović S.D. Lyophilization – the process and industrial use. Procedia Chemistry, 2004, 58 (12), 552-562
10.    Rey S., Xialoin T., Michael J. Study of optimization of the freeze dried product: practical advice pharmaceutical research. The European Journal of Pharmacology, 2004, 78-94
11.    Tang X., Pikal M. Design of freeze-drying processes for pharmaceuticals: practical advice. Pharmaceutical Research, 2004, 21, 191-200
12.    Woźnica A., Lenart A. Właściwości fizyczne suszonej sublimacyjnie żywności. Inżynieria żywności. Postępy techniki przetwórstwa spożywczego, 2005, 1, 17-20