เครื่องเย็น IQF ทำงานอย่างไรในการแปรรูปผลไม้?

หลักการพื้นฐานของการแช่แข็ง IQF: การถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็วและการควบคุมผลึกน้ำแข็ง

ฟิสิกส์ของการแช่แข็งอย่างรวดเร็ว: การยับยั้งการเกิดนิวเคลียสของน้ำแข็งและการลดความเสียหายภายในเซลล์

ตู้แช่แข็งแบบ IQF ทำงานได้ดีเนื่องจากการดึงความร้อนออกอย่างรวดเร็วมาก มักมีอัตราการลดอุณหภูมิเร็วกว่า 1 องศาเซลเซียสต่อวินาที การทำความเย็นอย่างรวดเร็วนี้เปลี่ยนแปลงวิธีการเกิดน้ำแข็งภายในผลิตภัณฑ์อาหาร เมื่ออาหารถูกแช่แข็งเร็วขนาดนี้ จะยับยั้งกระบวนการเริ่มต้นการเกิดผลึกน้ำแข็งแบบปกติ (ซึ่งเรียกว่า heterogeneous nucleation) และแทนที่ด้วยการสร้างจุดเริ่มต้นการเกิดผลึกจำนวนมากในเวลาเดียวกัน ผลลัพธ์คือ ผลึกน้ำแข็งจะมีขนาดเล็กมาก โดยทั่วไปไม่เกิน 25 ไมโครเมตร ซึ่งเล็กกว่าขนาดของเซลล์พืชส่วนใหญ่เอง ผลึกขนาดเล็กเหล่านี้ไม่ทำลายเยื่อหุ้มเซลล์เหมือนกับผลึกขนาดใหญ่ ในทางตรงกันข้าม การแช่แข็งแบบช้าจะสร้างจุดเริ่มต้นการเกิดน้ำแข็งเพียงไม่กี่จุด ส่งผลให้เกิดผลึกขนาดใหญ่ที่ทำลายเซลล์โดยการเจาะผ่านผนังเซลล์และทำลายโครงสร้างของอาหารอย่างสิ้นเชิง การคงสภาพของเซลล์ไว้ intact หมายความว่าเมื่ออาหารละลายน้ำแข็งในภายหลัง ของเหลวจะรั่วซึมออกน้อยลง และพื้นผิวสัมผัสของอาหารยังคงอยู่ในสภาพที่ดีกว่า การศึกษาวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่า การแช่แข็งแบบ IQF ช่วยลดความเสียหายต่อเซลล์มากกว่า 80% เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม

บทบาทของกระแสอากาศความเร็วสูงที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็งในการสร้างผลึกน้ำแข็งขนาดต่ำกว่า 25 ไมครอน (ตัวอย่างกรณีศึกษา: สตรอว์เบอร์รี)

เมื่ออากาศเย็นเคลื่อนตัวผ่านเครื่องแช่แข็งแบบ IQF ที่อุณหภูมิระหว่างลบ 30 ถึง ลบ 40 องศาเซลเซียส อากาศนี้จะกลายเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดผลึกน้ำแข็งขนาดเล็ก ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้อาหารแช่แข็งเละ เมื่อลมพัดด้วยความเร็วระหว่าง 2.5 ถึง 4 เมตรต่อวินาที อากาศที่เคลื่อนที่เร็วนี้จะสร้างปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ผลของเตียงไหล (fluidized bed effect) ผลไม้ขนาดเล็ก เช่น สตรอว์เบอร์รี จะลอยตัวอยู่ในกระแสอากาศและเด้งไปมา ทำให้ได้รับลมเย็นจัดจากทุกทิศทาง ผลลัพธ์คือ น้ำภายในผลไม้จะเปลี่ยนเป็นน้ำแข็งเกือบในทันที ก่อนที่โครงสร้างผลึกขนาดใหญ่จะก่อตัวขึ้น การทดสอบกับสตรอว์เบอร์รีแสดงให้เห็นว่า ผลึกน้ำแข็งขนาดเล็กเหล่านี้มีขนาดเฉลี่ยเพียง 22 ไมโครเมตร ซึ่งต่ำกว่าเกณฑ์ 25 ไมโครเมตร ที่เริ่มส่งผลต่อเนื้อสัมผัส หมายความว่าเม็ดสีประมาณ 94 เปอร์เซ็นต์ยังคงสภาพสมบูรณ์ และผลเบอร์รีก็ยังคงความแน่นหนาหลังละลายแข็งอีกครั้ง อีกหนึ่งข้อดีคือ ไม่มีการเกาะกันเป็นก้อนขณะแช่แข็ง เพราะแต่ละผลสตรอว์เบอร์รีจะถูกแข็งตัวแยกจากกันภายใน 5 ถึง 7 นาที อย่างไรก็ตาม หากปรับความเร็วลมผิดพลาด อุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้เกิดผลึกน้ำแข็งขนาดใหญ่ขึ้นภายในผลไม้ สำหรับบริษัทที่จัดการกับผลิตผลที่บอบบาง การควบคุมสมดุลนี้ให้แม่นยำจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษามาตรฐานคุณภาพของผลิตภัณฑ์ตลอดกระบวนการจัดเก็บและการขนส่ง

กระบวนการทำงานของตู้แช่แข็ง IQF: จากผลไม้สดสู่ผลิตภัณฑ์ที่ถูกแช่แข็งแยกชิ้น

การเตรียมก่อนการแช่แข็ง: การล้าง คัดขนาด การลวก และการอบแห้งผิว เพื่อประสิทธิภาพ IQF สูงสุด

เมื่อผลเบอร์รี่สดถูกนำเข้าสู่ระบบการแช่แข็งแบบ IQF พวกมันจะต้องผ่านขั้นตอนหลายขั้นตอนก่อน เพื่อให้แน่ใจว่าทุกชิ้นจะถูกแช่แข็งอย่างสม่ำเสมอและรวดเร็ว ผลไม้จะถูกล้างด้วยแรงดันน้ำสูงเพื่อขจัดสิ่งสกปรกที่ติดมาจากการเพาะปลูกออก จากนั้นจะเข้าสู่กระบวนการคัดแยกด้วยแสง ซึ่งจะช่วยให้ชิ้นผลไม้ทุกชิ้นมีขนาดใกล้เคียงกัน เพื่อให้การแช่แข็งเป็นไปอย่างเหมาะสม ผลไม้บางชนิดยังจำเป็นต้องผ่านการลวกอย่างรวดเร็วในน้ำร้อน เพื่อยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ที่ทำให้ผลไม้เปลี่ยนเป็นสีน้ำตาลและเกิดรสชาติผิดปกติหลังการแช่แข็ง การลดความชื้นบนผิวของผลไม้ลงก็มีความสำคัญมากเช่นกัน สถานที่แปรรูปส่วนใหญ่จะใช้เครื่องอบแห้งแบบหมุนเร็วหรือใช้ลมแรงดันสูงในการเป่า เพื่อลดระดับความชื้นลงเหลือต่ำกว่าร้อยละ 0.5 ซึ่งจะช่วยป้องกันการเกิดสะพานน้ำแข็งระหว่างผลไม้ที่ถูกแช่แข็ง ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้ผลไม้รวมตัวติดกัน เมื่อปีที่แล้ว การศึกษาหนึ่งที่ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Food Engineering พบว่า หากผลไม้ถูกทำให้แห้งอย่างเหมาะสมก่อนการแช่แข็ง ปัญหาการรวมตัวกันจะลดลงประมาณ 70% เมื่อเทียบกับการโยนผลไม้ที่ยังเปียกเข้าไปในช่องแช่แข็งโดยตรง ความแตกต่างในระดับนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อผู้ประกอบการแปรรูปอาหาร ที่ต้องการให้ผลไม้แต่ละชิ้นคงสภาพแยกจากกัน

พลวัตของห้องแช่แข็ง: การออกแบบเครื่องเยือกแข็งแบบฟลูอิดไดซ์เบด เทียบกับ แบบอุโมงค์ IQF และผลกระทบต่ออัตราการผลิตและความสม่ำเสมอ

ประสิทธิภาพของตู้แช่แข็งแบบ IQF ขึ้นอยู่กับการออกแบบห้องแช่เป็นหลัก ตัวอย่างเช่น ตู้แช่แข็งแบบฟลูอิดไวด์เบด (fluidized bed) เครื่องเหล่านี้จะทำให้อาหารชิ้นเล็ก เช่น ผลเบอร์รี่ ลอยตัวในอากาศเย็นจัดที่มีความเร็วประมาณ 2.5 ถึง 4 เมตรต่อวินาที และอุณหภูมิลบ 40 องศาเซลเซียส ส่งผลให้เกิดลักษณะคล้ายน้ำเดือด แต่แทนที่จะมีฟองอากาศลอยขึ้นมา ชิ้นอาหารแต่ละชิ้นจะแยกจากกันและถูกแช่แข็งอย่างทั่วถึงภายในเวลาไม่ถึงสิบนาที ในขณะที่ตู้แช่แข็งแบบทันแนล (tunnel freezers) จะทำงานต่างออกไป โดยใช้สายพานลำเลียงพาผลิตภัณฑ์ผ่านหลายขั้นตอนการระบายความร้อน ซึ่งอุณหภูมิจะลดลงค่อยเป็นค่อยไปจนถึงประมาณลบ 35 องศาเซลเซียส เครื่องประเภทนี้มักให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าเมื่อจัดการกับสินค้าขนาดใหญ่หรืออาหารที่มีรูปร่างแปลกตา เช่น แอปเปิ้ลหั่นแว่น หรือชิ้นมะม่วง ซึ่งไม่สามารถทำงานได้ดีในระบบฟลูอิดไวด์ สิ่งใดก็ตามย่อมมีข้อแลกเปลี่ยนเสมอ

เครื่องแช่แข็งแบบฟลูอิดไดซ์เบดสามารถทำให้เกิดการแช่แข็งรายชิ้นได้มากกว่าหรือเท่ากับ 95% แต่ทำงานที่ปริมาณต่ำกว่า ในขณะที่ระบบอุโมงค์สามารถขยายขนาดได้อย่างมีประสิทธิภาพพร้อมรักษาระดับการแยกชิ้นได้ที่ 85−90% ตามผลการศึกษาในวารสาร International Journal of Refrigeration (2022) อุปกรณ์ทั้งสองประเภทสามารถจำกัดการเจริญเติบโตของผลึกน้ำแข็งให้มีขนาดต่ำกว่า 25 ไมครอนได้อย่างเชื่อถือได้ เมื่อมีการปรับเทียบอย่างเหมาะสม—เพื่อรับประกันคุณภาพในการใช้งานต่างๆ

ข้อดีด้านคุณภาพของเทคโนโลยีตู้แช่แข็ง IQF สำหรับผลไม้

ตัวชี้วัดการคงคุณภาพ: วิตามินซี (92%) แอนโธไซยานิน (89%) และการคงลักษณะเนื้อสัมผัส เมื่อเทียบกับการแช่แข็งแบบทั่วไป

เทคโนโลยี IQF โดดเด่นอย่างแท้จริงในการรักษาคุณค่าทางโภชนาการและรสชาติให้คงอยู่ การศึกษาที่ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ระบุว่าวิธีนี้สามารถรักษาวิตามินซีไว้ได้ประมาณ 92 เปอร์เซ็นต์ และรักษาสารต้านอนุมูลอิสระแอนโทไซยานินที่สำคัญไว้ได้ประมาณ 89 เปอร์เซ็นต์ในผลเบอร์รี่ ซึ่งมักจะเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วด้วยวิธีการแช่แข็งแบบทั่วไป ความลับอยู่ที่ขนาดของผลึกน้ำแข็งที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการ—ผลึกเล็กเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่า 25 ไมโครเมตร และไม่ทำลายเซลล์ภายในผลไม้ ซึ่งหมายความว่าเอนไซม์จะถูกกระตุ้นน้อยลง และการออกซิเดชันก็เกิดขึ้นน้อยลง ในแง่ของเนื้อสัมผัส IQF ก็สร้างความแตกต่างอย่างมากเช่นกัน ผลไม้ที่ถูกแช่แข็งด้วยวิธีนี้จะคงความแน่นได้ประมาณ 95% เมื่อเทียบกับสภาพเดิม ในขณะที่การแช่แข็งแบบทั่วไปมักทำให้เกิดเนื้อสัมผัสเละนุ่มที่ไม่พึงประสงค์อย่างที่หลายคนคุ้นเคย อุณหภูมิที่ใช้ในกระบวนการ IQF มีช่วงแคบมากอยู่ระหว่างลบ 30 ถึง ลบ 40 องศาเซลเซียส ที่อุณหภูมิเหล่านี้ ปฏิกิริยาของเอนไซม์จะหยุดนิ่งทันที และกลิ่นหอมบอบบางรวมถึงน้ำภายในผลไม้จะถูกล็อกไว้ไม่ให้สูญเสีย ลองพิจารณาจากแบล็กเบอร์รี่เป็นตัวอย่าง—หลังจากละลายน้ำแข็งแล้ว กลับมีรสชาติคล้ายกับผลเบอร์รี่สดแท้ๆ ซึ่งเป็นสิ่งที่คนส่วนใหญ่คาดไม่ถึงจากผลไม้แช่แข็ง

คุณสมบัติการออกแบบที่สำคัญซึ่งช่วยให้การแช่แข็งแบบรายบุคคลอย่างรวดเร็วเป็นจริงได้

วิศวกรรมป้องกันการจับตัวเป็นก้อน: หัวพ่นลมแบบคลื่นกระทบและระบบควบคุมความเร็วลมอย่างแม่นยำ (2.5−4.0 ม./วินาที)

เมื่อเกิดการจับตัวเป็นก้อน จะทำให้สิ่งที่ทำให้การแช่แข็งแบบ IQF มีคุณค่าในตอนแรกนั้นสูญหายไป นั่นคือชิ้นส่วนที่แยกจากกันและไหลได้อย่างอิสระ แทนที่จะได้ชิ้นส่วนแบบนั้น เราจะได้ก้อนน้ำแข็งที่ทำให้ควบคุมปริมาณได้ยาก เปลี่ยนแปลงพื้นผิว และก่อปัญหาในขั้นตอนการแปรรูปต่อไป เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ระบบสมัยใหม่ใช้หัวฉีดพิเศษที่เรียกว่า wave impingement nozzles ซึ่งจะพ่นกระแสอากาศที่สั่นสะเทือนออกมาเพื่อแยกชิ้นส่วนออกจากกันขณะที่กำลังถูกแช่แข็ง โดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายจากการกระแทก หัวฉีดถูกตั้งมุมอย่างเหมาะสมเพื่อป้องกันไม่ให้อนุภาคสัมผัสกัน แต่ยังคงรักษาอุณหภูมิที่เย็นตลอดกระบวนการ อัตราการไหลของอากาศจะถูกควบคุมอย่างเข้มงวด โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 2.5 ถึง 4 เมตรต่อวินาที ช่วงนี้เองที่สร้างปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ผลของ fluidized bed ที่มีเสถียรภาพ การปรับสมดุลนี้อย่างถูกต้องจะทำให้วัสดุลอยตัวอย่างอ่อนโยนและแยกจากกันได้อย่างเหมาะสม ผลลัพธ์สุดท้ายคือโครงสร้างภายในของเซลล์ยังคงสมบูรณ์ และเราสามารถมั่นใจได้ถึงการแช่แข็งแบบแยกชิ้นรายตัวอย่างสม่ำเสมอและเชื่อถือได้ในระดับการผลิตขนาดใหญ่

คำถามที่พบบ่อย

การแช่แข็งแบบ IQF คืออะไร?

IQF ย่อมาจาก Individual Quick Freezing เทคโนโลยีที่ใช้ในการแช่แข็งอาหารเป็นชิ้นๆ เพื่อให้มั่นใจว่าอาหารจะไม่จับตัวกันเป็นก้อน

การแช่แข็งแบบ IQF มีประโยชน์อย่างไรต่อคุณภาพอาหาร

การแช่แข็งแบบ IQF สร้างผลึกน้ำแข็งขนาดเล็กกว่า 25 ไมโครเมตร ช่วยรักษาโครงสร้างเซลล์ เนื้อสัมผัส วิตามิน และสารต้านอนุมูลอิสระ ซึ่งแตกต่างจากการแช่แข็งแบบดั้งเดิมที่อาจทำให้เซลล์เสียหาย

เทคโนโลยี IQF มีการประยุกต์ใช้อย่างไร

เทคโนโลยี IQF มีประโยชน์อย่างมากสำหรับผลไม้ขนาดเล็ก เช่น ผลเบอร์รี่ แต่ยังสามารถปรับใช้กับผลไม้หั่นแว่นและชิ้นใหญ่ได้โดยการออกแบบเครื่องแช่แข็งที่เหมาะสม

อุณหภูมิและความเร็วลมที่เหมาะสมสำหรับการแช่แข็งแบบ IQF คือเท่าใด

การแช่แข็งแบบ IQF โดยทั่วไปเกิดขึ้นที่อุณหภูมิระหว่างลบ 30 ถึง ลบ 40 องศาเซลเซียส โดยความเร็วลมอยู่ในช่วง 2.5 ถึง 4 เมตรต่อวินาที