Замораживание продуктов связано с переходом воды из жидкого состояния в кристаллическую решётку льда. Этот процесс сопровождается редукцией активности воды (a_w), что уменьшает скорость большинства химических реакций и микроорганизмов. При температуре ниже 0 °C вода в продуктах начинает образовывать кристаллы льда, при этом растворенные соли, сахара и белки концентрируются в оставшейся жидкой фазе, вызывая локальное повышение осмотического давления и изменение химической активности макромолекул.
Скорость кристаллизации зависит от температуры замораживания, состава продукта и присутствия криопротекторов. Медленное замораживание способствует образованию крупных кристаллов, которые разрушают клеточные структуры, что влияет на последующую химическую реактивность компонентов. Быстрое замораживание формирует мелкие кристаллы льда, минимизирующие повреждения тканей и замедляющие химические реакции.
Белки подвергаются структурным изменениям при замораживании за счёт десорбции воды и концентрации растворенных веществ. Частичная денатурация может происходить вследствие изменения ионной силы и pH оставшейся жидкой фазы. В белках мясных и рыбных продуктов наблюдается интрафибриллярная коагуляция, что уменьшает их функциональные свойства, такие как способность удерживать воду.
Особое значение имеет образование кристаллов льда между клетками и внутри клеток, что приводит к разрыву мембран и высвобождению ферментов. Это ускоряет реакции окисления липидов и аминокислот, а также гидролиз белков после размораживания.
Жиры и масла в замороженных продуктах менее подвержены гидролизу, однако окислительные процессы могут продолжаться, особенно при наличии ненасыщенных жирных кислот. Замораживание снижает активность кислорода в продукте, но концентрация свободных радикалов в жидкой фазе может увеличиваться, что ускоряет локальные реакции окисления.
Липидная автоокислительная цепь после размораживания становится более выраженной, особенно при повторных циклах замораживания и оттаивания, что приводит к образованию пероксидов и альдегидов, влияющих на вкус, запах и питательную ценность.
Сахара и полисахариды при замораживании концентрируются в немороженой фазе, что приводит к изменению коллоидных свойств, вязкости и осмотической активности. Кристаллизация сахарозы и других углеводов может происходить как внутри клеток, так и в межклеточном пространстве, изменяя текстуру продукта.
Для крахмалистых продуктов характерна ретроградация крахмала, которая усиливается при замораживании и длительном хранении. Это связано с перестройкой амилозы и амилопектина, что проявляется в потере клейкости и изменении структуры желеобразных систем.
Замораживание не полностью останавливает ферментативные процессы. Липазы, протеазы и полифенолоксидазы сохраняют активность в концентрированной немороженой фазе, что может приводить к постепенному разрушению жиров, белков и фенольных соединений.
Снижение температуры замедляет кинетику ферментативных реакций, однако не предотвращает образование нежелательных соединений полностью. Поэтому важны первичная обработка и контроль pH, ионов металлов и антиокислителей перед замораживанием для минимизации химических изменений.
Замораживание стабилизирует большинство микроэлементов и витаминов, однако водорастворимые витамины (C, группы B) частично теряются при контакте с растворами внутри клеток, особенно после размораживания и отжима жидкости. Жирорастворимые витамины (A, D, E, K) менее подвержены разрушению, но их окисление усиливается при повреждении мембран липидов.
В концентрированной немороженой фазе наблюдается ускорение некоторых конденсационных и окислительно-восстановительных реакций, таких как:
Понимание химических аспектов замораживания позволяет:
Сочетание физико-химических и биохимических процессов при замораживании формирует уникальный профиль химической стабильности продукта и определяет эффективность технологий хранения.