Materiał do badań stanowiły jabłka odmiany „Idared”
przechowywane w chłodni w temperaturze +5– +8oC przy wilgotności względnej powietrza ok. 80-90%. Odmianę wy-brano do badań ze względu na ich zwięzłą i mocną strukturę oraz długi okres dostępności na rynku. Stanowią one również modelową tkankę roślinną o porowatej strukturze, dzięki któ-rej dobrze magazynują różne substancje.
Surowiec myto, obierano i krojono w kostki sześcienne o boku 10 mm. Pokrojony materiał zanurzano w 0,5% roztwo-rze kwasu cytrynowego w celu zabezpieczenia przed reakcjami brunatnienia enzymatycznego, następnie osuszano na bibule.
Tak przygotowane kostki jabłek poddawano obróbce techno-logicznej stosując odwadnianie osmotyczne pod ciśnieniem 0,058; 0,1; 50 i 500 MPa a następnie suszono konwekcyjnie.
Odwadnianie osmotyczne w zmiennych warunkach ciśnie-nia prowadzono w temperaturze 25oC w roztworze sacharozy o aktywności wody 0,9. Stosunek masy surowca do roztworu osmotycznego wynosił 1:4. Czas procesu w zmiennych wa-runkach ciśnienia wynosił 180 minut, jednocześnie materiał poddawano działaniu zredukowanego i podwyższonego ciś-nienia przez czas 5 minut, a pozostała część odwadniania osmotycznego odbywała się pod ciśnieniem atmosferycznym – 0,1 MPa.
Proces suszenia konwekcyjnego prowadzono w suszarce laboratoryjnej z wymuszonym przepływem powietrza. Suro- wiec układano na siatkach metalowych w pojedynczej war-stwie i suszono w temperaturze około 70oC przy prędkości powietrza suszącego 1,5 m/s. Suszenie prowadzono do uzy-skania stałej masy w danych warunkach suszenia przez 20 minut trwania procesu. Ubytek masy rejestrowano w sposób ciągły za pomocą programu komputerowego „Pomiar” pracu-jącego w systemie DOS.
Matematyczne i statystyczne opracowanie wyników spo-rządzono za pomocą programów komputerowych Excel 2002 dla Windows XP oraz TableCurve2D, który umożliwia znale- zienie równania opisującego dane poprzez poszukiwanie roz-wiązań spośród szerokiego zakresu modeli.
WYNIKI
Przebieg suszenia konwekcyjnego jabłek odwadnianych osmotycznie w zmiennych warunkach ciśnienia
Woda jest praktycznie nieściśliwa i odwadnianie w wa- runkach podwyższonego lub obniżonego ciśnienia jest moż-liwe w przypadku tkanek roślinnych, które posiadają znaczne
Rys. 1. Przebieg suszenia konwekcyjnego jabłek odwad-nianych osmotycznie w zmiennych warunkach ciśnienia. A – zawartość wody w funkcji czasu, B – zredukowana zawartość wody w funkcji czasu.
przestrzenie powietrzne, czyli mają porowatą strukturę. Wni- kanie składników roztworu zależy od przemieszczania się ga- zów wewnątrz tych przestrzeni. Pod wpływem podwyższone-go ciśnienia gazy zawarte w porowatych owocach i warzywach zostają ściśnięte wewnątrz przestrzeni międzykomórkowych, a ich miejsce zajmuje roztwór. Gdy układ powróci do ciśnie- nia atmosferycznego, gazy wewnątrz tkanki mogą się rozprę-żać i zajmować poprzednią objętość, powodując wypychanie roztworu na zewnątrz tkanki. Jednocześnie tkanka roślinna, w której znajduje się wprowadzony na skutek zmiany ciśnie-nia procesu odwadniaw której znajduje się wprowadzony na skutek zmiany ciśnie-nia roztwór cukru, poddana suszeniu konwekcyjnemu wykazuje inny mechanizm wymiany ciepła i masy. Na rysunku 1A przedstawiono przebieg suszenia ja-błek wstępnie odwadnianych osmotycznie z zastosowaniem zmiennych warunków ciśnienia. Zmiany początkowej zawar- tości wody wynikające ze wstępnego odwaniania osmotycz-nego jabłek w roztworze sacharozy wpływają na przebieg procesu zmieniając jego mechanizm i wartość współczynnika dyfuzji wody w materiale. Ponadto ciśnienie pod jakim odby- wa się proces obróbki wstępnej wpływa na końcową równo- wagową zawartość wody jabłek, co wyraźniej można zaob-serwować na rysunku 1B przedstawiającym przebieg suszenia konwekcyjnego badanych jabłek w układzie współrzędnych – zredukowana zawartość wody - czas.
Z prac własnych i innych badaczy wynika [1, 10, 11, 12,], że zmiany parametrów odwadniania osmotycznego takich jak:
rodzaj substancji osmotycznej oraz czas i temperatura procesu powodują uzyskiwanie różnych zawartości końcowych wody.
Stwierdzono, że zastosowanie podczas obróbki osmotycznej ciśnień powyżej ciśnienia atmosferycznego wydłuża znacznie czas suszenia konwekcyjnego do równowagowej zawartości wody w jabłkach suszonych konwekcyjnie w temperaturze 70oC z przepływem powietrza na poziomie 1,5 m/s. Jedno- cześnie zastosowanie ciśnienia powoduje obniżenie równo-wagowej zawartości wody niezależnie od tego czy stosujemy ciśnienie niższe czy wyższe od atmosferycznego. Wartości za-wartości wody w materiale po suszeniu wynosiły odpowiednio dla jabłek wstępnie odwadnianych osmotycznie w warunkach ciśnienia atmosferycznego 0,10 g H2 O/ g s.s., natomiast dla ja-błek odwodnionych pod ciśnieniem obniżonym do 0,058MPa – 0,06 g H2O/ g s.s., a pod ciśnieniem podwyższonym do 50 i 500 MPa odpowiednio 0,03 i 0,01 g H2O/ g s.s.,
Materiał odwadniany pod ciśnieniem atmosferycznym i w warunkach zredukowanego ciśnienia charakteryzuje się innym przebiegiem krzywych szybkości suszenia (rys.2).
Jednocześnie materiał odwadniany pod ciśnieniem atmosfe-rycznym osiąga w całym badanym zakresie zmian zawartości wody, wyższe wartości szybkości suszenia. Krzywe szybkości suszenia jabłek odwodnionych wstępnie pod ciśnieniem atmo- sferycznym i zredukowanym mają prostoliniowy przebieg, na- tomiast podwyższenie ciśnienia powoduje, że charakter prze-biegu krzywych suszenia jest wykładniczy. Jednocześnie przy tych samych zawartościach wody w materiale, jabłka poddane działaniu wysokich ciśnień suszą się wolniej od jabłek odwad-nianych pod ciśnieniem atmosferycznym i zredukowanym do 0,058 MPa. Zmiana charakteru przebiegu suszenia jabłek od- wadnianych osmotycznie pod ciśnieniem wyższym od atmo-sferycznego wynikać może ze zmiany struktury wewnętrznej materiału oraz jego składu chemicznego.
Rys. 2. Przebieg krzywych szybkości suszenia konwekcyj- nego jabłek odwadnianych osmotycznie w zmien-nych warunkach ciśnienia.
Próba wyznaczania współczynnika dyfuzji wody w czasie su-szenia jabłek odwadnianych osmotycznie w zmiennych wa-runkach ciśnienia
Przebiegi krzywych suszarniczych otrzymane w wyniku prowadzonych doświadczeń (rys.1) mają charakter wykładni-czy i opisane są ogólnym równaniem o następującej postaci:
(6)
gdzie: Ψ= – współczynnik kształtu dla kostki sześcien-nej
W celu dokonania analizy porównawczej przebiegów krzywych suszenia konwekcyjnego wprowadzono do ogól-nego równania opisującego kinetykę suszenia współczynnik poprawkowy A. Pozwoliło to na uwzględnienie różnic w za-wartościach wody w jabłkach odwadnianych osmotycznie, które były również początkową zawartością wody w procesie suszenia konwekcyjnego modyfikując równanie do postaci:
(7)
gdzie: A – współczynnik poprawkowy
Po uwzględnieniu w powyższym równaniu kształtu mate-riału wyjściowego (jabłka w postaci kostki sześciennej) oraz zdefiniowanego powyżej współczynnika poprawkowego jak też i warunków brzegowych powszechnie stosowanych w opi- sie wymiany ciepła i masy drugiego okresu suszenia w warun-kach konwekcji, otrzymuje się nową zależność:
(8)
Zaproponowany opis matematyczny drugiego okresu su-szenia pozwala na wyznaczenie umownego współczynnika dyfuzji wody. Posługując się metodą regresji dla każdej serii pomiarowej wyznaczono stałą K według schematu:
(9)
gdzie:
am. – umowny współczynnik dyfuzji wody, m2/s Tak wyznaczone dla całego procesu suszenia jabłek śred-nie współczynniki dyfuzji wody am wyliczone na podstawie powyższych zależności pozwoliły pośrednio na ocenę wpły- wu parametrów odwadniania osmotycznego na kinetykę su-szenia konwekcyjnego (rys.3).
Rys. 3. Wpływ ciśnienia zastosowanego podczas obrób-ki osmotycznej na średni (wyznaczony z całego przebiegu krzywej suszenia) współczynnik dyfuzji wody w jabłkach suszonych konwekcyjnie.
Zmiana ciśnienia w procesie odwadniania obniża wartość współczynnika dyfuzji wody. Podwyższenie ciśnienia powyżej atmosferycznego determinuje spowolnienie procesów dyfu-zyjnych zachodzących w czasie suszenia jabłek odwadnianych osmotycznie. W celu dokładnego przeanalizowania przebiegu zmienności dyfuzji podjęto próbę obliczenia współczynników dyfuzji wody na różnych etapach procesu suszenia. Na rysun- ku 4 przedstawiono zmienność współczynnika dyfuzji w za- leżności od zredukowanej zawartości wody w jabłkach otrzy-manych w czasie suszenia.
PODSUMOWANIE
Wykazano istotny wpływ ciśnienia na warunki wymia-ny ciepła i masy w czasie procesu suszenia konwekcyjnego jabłek wstępnie odwadnianych osmotycznie. Przebieg krzy- wych suszenia i szybkości suszenia determinowany jest zasto-sowaniem wysokich ciśnień rzędu 50 i 500 MPa.
Podwyższenie ciśnienia powyżej atmosferycznego pod- czas obróbki osmotycznej powoduje istotne obniżenie począt- kowej zawartości wody i jednocześnie poprzez zmianę struk-tury wewnętrznej materiału wpływa na obniżenie końcowej równowagowej zawartości wody w danych warunkach su- szenia konwekcyjnego. Przebieg krzywych szybkości susze-nia jabłek odwadnianych wstępnie w zmiennych warunkach
Rys. 4. Zmiany współczynnika dyfuzji wody w czasie su-szenia jabłek wstępnie odwadnianych osmotycznie w zmiennych warunkach ciśnienia. A – 0,1 MPa;
B – 0,058 MPa; C – 50 MPa; D – 500MPa.
ciśnienia ma w całym badanym zakresie zawartości wody charakter malejący. Jednocześnie zastosowanie nadciśnienia (w stosunku do ciśnienia atmosferycznego) podczas obróbki wstępnej powoduje, że krzywe szybkości opisywane są za po-mocą funkcji wykładniczej.
Zmienne ciśnienie podczas odwadniania osmotycznego wpływa istotnie na wartość zarówno średniego (wyznaczone-go dla całego przebiegu krzywej suszenia), jak i wyznaczonego w przedziałach zredukowanej zawartości wody, współczynni- ka dyfuzji. Najniższe wartości średniego współczynnika dy-fuzji wody otrzymano dla jabłek wstępnie przegotowywanych w warunkach nadciśnienia, jednocześnie wyznaczone współ-czynniki dyfuzji w przedziałach zawartości wody na krzywej suszenia charakteryzują się wyraźnie malejącym przebiegiem do osiągnięcia zredukowanej zawartości wody na poziomie około 0,2 (około 200 minuty suszenia).
LITERATURA
[1] Barat J.M., Chiralt A., Fito P.: Effects of osmotic con-centration temperature and vacuum impregnation pret-reatment on osmotic dehydration kinetics of apple slices, Food Science and Technology International, 7, 5, 2001, 451-456.
[2] Doymaz I.: Drying behavior of green beans, Journal of Food Engineering, 69, 2005,161-165.
[3] Janowicz M., Lenart A.: Znaczenie suszenia owoców i warzyw , Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywcze-go, 1, 2003, 28-32.
[4] Janowicz M., Lenart A. : Wpływ wstępnego odwadnia- nia osmotycznego na współczynnik dyfuzji wody w tkan-ce jabłek suszonych konwekcyjnie, Inżynieria Rolnicza 11, 71, 2005, 191-200.
[5] Jayaraman K.S., Das Gupta D.K. : Drying of Fruit and Vegetables Handbook of Industrial Drying, Part 3, eds.
Mujumdar A.S., Dekker M., New York, 2006, 606-6631.
[6] Lewicki P.P., Lenart A.: Osmotic Dehydration of Fruits and Vegetables, Handbook of Industrial Drying, Part 3, eds. Mujumdar A.S., Dekker M., New York, 2006, 665-681.
[7] Praca zbiorowa: Inżynieria procesowa i aparatura prze-mysłu spożywczego (red. P.P Lewicki), WNT, Warszawa, 1999.
[8] Sankat C.K., Castaigne F. : Foaming and drying be-havior of ripe bananas, Lebensmittel Wissenschaft und Technologie, 37, 2004, 517-525.
[9] Sapers G.M., Garzarella L., Pilizota V.: Application of browning inhibitors to cut apple and potato by vacuum and pressure infiltration, Journal of Food Science, 55, 1990, 1049-1053.
[10] Shi X.Q., Fito P.: Mass transfer in vacuumosmotic de- hydration of fruits: A mathematical model approach, Le-benm.-Wiss. U.-Technol., 27, 1993a, 67-72.
[11] Shi X.Q., Fito P.: Vacuum osmotic dehydration of fruits, Drying Technology, 11, 6, 1993b, 1429-1442.
[12] Sikiewicz I., Kozłowski M. : Effects of pressure and os-motic solution on efficiency of osmotic dehydration of apples, Polish Journal of Food and Nutrition Sciences, vol. 10/51, 2001, 4, 45-47.
[13] Strumiłło C.: Podstawy teorii i techniki suszenia, Inży-nieria Chemiczna, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1983.
[14] Strumiłło C.: Aktualne zagadnienia rozwoju suszarni-ctwa, Inżynieria Rolnicza, 2002, 5, 55-85.
[15] Witrowa-Rajchert D.: Współczesne tendencje w suszar-nictwie żywności, Przemysł Spożywczy, 54, 2000, 12, 10-12.