Pakastamisen fysiikkaa - Miksi lämpötila on -18 C?

Ihmiset toimivat paljon autopilotilla. Aika moni asia tehdään tietyllä tavalla, koska näin on aina tehty ja se on osoittautunut järkeväksi. Kädet pestään ennen syömistä, hampaat harjataan ennen nukkumaanmenoa ja kesän marjat säilötään pakastamalla. Kuinka moni on joskus pysähtynyt miettimään, miksi jokin asia tehdään niin kuin se tehdään? Miksi pakastimen lämpötila on juurikin -18 °C, eikä vaikkapa pari astetta vähemmän? Eikö -16 °C olisi riittävä, tai paljon kylmempi -22 °C vähintään parempi? Kysyvä ei tieltä eksy ja kausaliteetin ymmärtäminen on tie oppimiseen. Tämä teksti syntyi tekoälyn ansiosta. Pohdiskelin aikoinaan pari vuotta sitten yllä olevaa kysymystä. Ravintolatyöntekijänä kyselin tästä myös töissä, mutta kenelläkään ei ollut antaa tästä "tieteellistä" selitystä, joka olisi tyydyttänyt itseäni. Tähän ei myöskään löytynyt hyvää vastausta Googlella. Nyt muistin kysyä asiasta myös tekoälyltä ja pienen sparrailun jälkeen olen nyt paljon fiksumpi. Uskoisin vastauksen kiinnostavan myös tämän blogin lukijoita, joten siksi tällainen vähän tynkä juttu.

 

Pakastamisessa käytettävä -18 astetta oleva lämpötila on standardi, mutta se ei ole sattumanvaraisesti valittu. Juurikin tämä lämpötila perustuu elintarviketurvallisuuteen, bakteerien kasvun estämiseen, ruoan laadun säilyttämiseen ja energiatehokkuuteen. Käytännössä lopputulos on siis kompromissi näistä kaikista. Katsotaan näitä vähän tarkemmin erikseen.

Bakteerien ja mikrobien kasvun estäminen

Useimpien patogeenisten bakteerien (esim. Salmonella, Listeria) kasvu pysähtyy täysin -18 °C:ssa. Vaikka jotkut mikrobit voivat selviytyä jäätyneinä, ne eivät lisäänny tässä lämpötilassa. Tietyt mikrobit (esim. psykrotrofiset bakteerit) voivat hidastetusti jatkaa toimintaa tai säilyä aktiivisempina myös tässä lämpötilassa. -18 °C on kuitenkin taso, jossa bakteerien solukalvot jähmettyvät ja tämä estää ravinteiden ja jätteiden kuljetuksen. Jääkiteet voivat myös puhkoa solukalvoja ja tuhota solurakenteita, jolloin bakteerit siirtyvät lepotilaan tai kuolevat hitaasti.

Energiatehokkuus ja kustannukset

-18 °C on tasapaino tehokkuuden ja säilyvyyden välillä. Kotitalouksien ja kaupallisten pakastimien teknologia on optimoitu tähän lämpötilaan, mikä pitää sähkönkulutuksen kohtuullisena. -16 astetta säästää energiaa, mutta vaarantaa turvallisuuden ja lyhentää säilytysaikaa. -22 astetta puolestaan kuluttaa enemmän energiaa (noin 10–20 % enemmän per aste), mikä nostaa kustannuksia ilman merkittävää hyötyä useimmille elintarvikkeille.

Ruoan laadun säilyttäminen

Pakastamisessa -18 astetta estää entsyymitoiminnan ja hapettumisen (esim. rasvojen hajoaminen ja härskiintyminen lipaasi-entsyymillä) riittävällä tasolla. Korkeimmissa lämpötiloissa, kuten -16 asteessa jääkiteet voivat kasvaa suuremmiksi hitaamman jäätymisen vuoksi, mikä vahingoittaa ruoan rakennetta (esim. lihaskudosta tai vihanneksia). Kylmemmässä -22 asteessa laatu siis paranee marginaalisesti, mutta ero on vähäinen verrattuna energiakustannuksiin.

Käytännössä kaikki yllä oleva energiatehokkuudesta bakteerien kasvuun on ihan perusjuttua ja käy järkeen. Vaikka ruokaa voisi säilyttää pakastimessa turvallisesti vaikka vuosikymmenen, niin miksi sen maku ja rakenne sitten kärsii? Tieteellistä selitystä kaipaavalle avainsana on kuitenkin entsyymiaktiivisuus, joka vaikuttaa ruuan säilyvyyteen. Totuus on yksityiskohdissa, joten katsotaanpa, miten entsyymiaktiivisuus riippuu lämpötilasta huomioiden eri pakastuslämpötilat. Entsyymiaktiivisuus riippuu lämpötilasta monimutkaisella tavalla, ja tämä suhde vaihtelee entsyymin tyypin ja ympäristön (esim. pH, substraatti) mukaan. Tavallinen tallaaja luulisi, että kun vesi jäätyy, niin kaikki jämähtää paikoilleen, joten entsyymiaktiivisuutta ei ole. Väärin.

Esimerkiksi -16 asteessa jääkiteet muodostuvat, mutta osa vedestä voi jäädä nestemäiseksi mikroskooppisissa taskuissa, jolloin entsyymit toimivat hitaasti. Nämä mikroskooppiset taskut syntyvät liuenneiden aineiden takia. Vesi elintarvikkeissa (esim. lihassa tai vihanneksissa) ei ole puhdasta H₂O:ta, vaan sisältää suoloja, sokereita, proteiineja ja muita liuenneita aineita. Nämä alentavat veden jäätymispistettä (ns. jäätymispisteen lasku), jolloin osa vedestä jää nestemäiseksi, vaikka lämpötila laskee alle 0 °C:n.  

Yleisluontoinen kuvaus entsyymiaktiivisuudesta. Pakastaminen ei täysin pysäytä sitä. Luvut ovat pieniä, mutta ero entsyymiaktiivisuudessa on 25 % -16 °C  ja -18 °C välillä (2% vs 1,5%). Toisin päin sanoen aktiivisuus nousee 33 %, jos lämpötila nousee -18 °C:sta -16 °C:een.

Kun vesi jäätyy, jääkiteet kasvavat ja työntävät liuenneita aineita sivuun (ns. segregaatio). Tämä luo mikroskooppisia taskuja, joissa on väkevämpää liuosta (esim. suolaa tai sokeria), joka pysyy nestemäisenä. Esimerkiksi suolavesiliuos voi jäätyä vasta -21 °C:ssa (100 g vettä kohden noin 30 g suolaa), joten -16 °C:ssa osa vedestä on yhä nestettä. Taskujen koko voi olla nanometreistä mikrometreihin (10⁻⁹ – 10⁻⁶ m), joten ne ovat näkymättömiä paljain silmin.

Nestemäiset taskut ovat avainasemassa, koska entsyymit tarvitsevat nestemäistä vettä toimiakseen. Nestemäiset taskut mahdollistavat hitaat kemialliset reaktiot, kuten hapettumisen tai ruskistamisen, jotka heikentävät elintarvikkeen makua ja rakennetta. Yllä olevaa kuvaaja näyttää hyvin yleisluontoisen kuvauksen antsyymiaktiivisuudesta eri lämpötiloissa. Vaikka luvut ovatkin absoluuttisesti pieniä, on esimerkiksi ero entsyymiaktiivisuudessa 33%, jos lämpötila nousee -18 °C:sta -16 °C:een. Käytännössä siis näissä mikroskooppisissa taskuissa tapahtuu entsyymien aikaansaamia muutoksia ruuan laadussa hyvin pitkällä aikavälillä. Siksi ruuan rakenne ja maku muuttuu, vaikka sen turvallisuus olisi kunnossa.

Pitkiin säilytyksiin liittyy myös englanninkielinen termi freezer burn, eli suomeksi ehkä pakastekuivuminen. Tämä tarkoittaa ilmiötä, jossa pakastetun ruoan pinnasta haihtuu kosteutta, mikä johtaa kuivumiseen ja rakenteen vaurioitumiseen. Fysiikassa termi on sublimoituminen, eli vesi muuttuu suoraan jäästä höyryksi ilman sulamista. Ilmatiivis pakkaus onkin ehkä tärkein tekijä, joka rajoittaa ruuan säilymistä pitkällä aikavälillä, jos muut asiat ovat kunnossa. Lämpötilan vaihtelut pahentavat freezer burn -ilmiötä ja tämä on erityinen ongelma itseään sulattavissa (frost-free) pakastimissa, jotka käyttävät lämmitysvaiheita jään sulattamiseen.

Tuollaisia mietteitä ja tieteellistä tietoa siitä, miksi pakastamisen lämpötilana käytetään -18 astetta. Jos tällainen vähän lyhyempi juttusarja mielenkiintoisista asioista kiinnostaa, niin kertokaa. Ehkä niitä voisi kirjoittaa sitten lisää.