Odwadnianie osmotyczne

Suszenie jest procesem o charakterze dyfuzyjnym, zarówno ze względu na transport wilgoci wewnątrz materiału jak i usunięcie wilgoci przetworzonej w parę między suszonym materiałem a otoczeniem. W procesach dyfuzyjnych następuje zmiana różnicy (gradientów) stężeń określonych składników. Ciepło niezbędne jest to przeprowadzenia przemiany fazowej, i stąd też proces suszenia nazywany jest cieplno-dyfuzyjnym. W celu zmniejszenia zużycia energii na tę przemianę, proponuje się wykorzystanie zjawiska osmozy przed suszeniem.

Osmoza polega na dyfuzji wody przez błony półprzepuszczalne i przebiega w wyniku gradientu stężeń cząsteczek wody, tj. z rozpuszczalnika lub roztworu o wyższym potencjale chemicznym do roztworu o niższym potencjale, aż do momentu wyrównania potencjałów chemicznych obu roztworów. Ta różnica stężeń cząsteczek wody między dwoma oddzielonymi membraną roztworami wywołuje ciśnienie osmotyczne, które działa na membranę wyginając ją kierunku

50 rozpuszczalnika. Roztwór, który posiada wyższe ciśnienie osmotyczne od porównawczego, nazywa się hipertonicznym, a o niższym ciśnieniu osmotycznym od porównawczego hipotonicznym (Gawęcki i Mossor-Pietraszwska, 2004).

Jedną z technik opartych na występowaniu ciśnienia osmotycznego jest odwadnianie osmotyczne, które umożliwia usunięcie wilgoci z termolabilnych produktów oraz ogranicza niekorzystne zmiany spowodowane suszeniem, z jednoczesną poprawą cech jakościowych. W czasie odwadniania osmotycznego dochodzi zatem do wymiany masy, podczas której strumień wody przenika z wnętrza materiału roślinnego (wyższy potencjał chemiczny wody) do otaczającego roztworu osmotycznego (niższy potencjał chemiczny wody), a transport substancji osmoaktywnej odbywa się z roztworu osmotycznego do wnętrza materiału (Kowalska i Lenart, 2001). W wyniku tego procesu nie tylko zwiększa się zawartość suchej substancji w tkance odwadnianego surowca, ale zmienia się też jego smak, gdyż tkanka nasyca się substancją, z której przygotowany był roztwór. Schemat przebiegu tego procesu pokazano na rysunku 3.5.

Rys. 3.5. Schemat odwadniania osmotycznego.

W osmoaktywnej metodzie usuwania wody i utrwalania materiałów pochodzenia roślinnego, wykorzystuje się substancje osmoaktywne rozpuszczalne w wodzie, posiadające możliwość wytworzenia wysokich ciśnień osmotycznych, charakteryzujące się przyjemnym smakiem, zapachem, i brakiem toksycznego oddziaływania. Należą do nich roztwory cukrów o różnych stężeniach, jak np.:

 glukoza,

 fruktoza,

 sacharoza.

51 Zazwyczaj ww. cukry stosuje się do odwadniania owoców. W przypadku warzyw wykorzystuje się:

 glicerol,

 syrop skrobiowy,

 chlorek sodu.

Ponadto, wykorzystuje się również miody naturalne i sztuczne, syropy owocowe, np. jabłkowy, bananowy, brzoskwiniowy, winogronowy, czy też kilka różnych substancji jednocześnie oraz dodatki, takie jak witaminy, np. kwas askorbinowy, polisacharydy, związki mineralne, co wpływa na przyspieszenie procesu odwadniania, czy też nadaje specyficzne właściwości, np. funkcjonalne (probiotyki). Graniczne zawartości tych substancji wyznacza się przez ich rozpuszczalność. Przykładowo, w temperaturze pokojowej można uzyskać maksymalne stężenie dla sacharozy równe 65%, a w przypadku soli 25%.

Odwadnianie osmotyczne znalazło szerokie zastosowanie jako samodzielny zabieg, prowadzący do uzyskania gotowego produktu o obniżonej zawartości wody w stosunku do surowca, o pożądanych cechach jakościowych. Pozwala ono uzyskać produkt minimalnie przetworzony, gotowy do bezpośredniego spożycia.

Owoce i warzywa poddawane odwadnianiu osmotycznemu wykazują także mniejsze zmiany fizykochemiczne w porównaniu z innymi metodami stosowanymi w technologii żywności. Należy pamiętać jednak, iż produkty spożywcze odwodnione osmotycznie są tylko częściowo utrwalone, dlatego też traktuje się je jako półprodukty, a proces odwadniania osmotycznego jako obróbkę wstępną. Metoda ta jednak nie zabezpiecza produktu w pełni przed rozwojem pleśni. Dlatego też, najczęściej przemysłowe owoce i warzywa poddawane są obróbce osmotycznej, a następnie procesom suszenia lub zamrażania (Lewicki i Lenart, 2007; Stępień, 2009).

Głównym celem odwadniania osmotycznego jest zahamowanie rozwoju drobnoustrojów przez obniżenie aktywności wody. Ta metoda utrwalania żywności pozwala zredukować aktywność wody w surowcach do poziomu 0,9 – 0,95, co ogranicza rozwój bakterii i drożdży wrażliwych na substancje osmotyczne. Zastosowanie kilku czynników osmotycznych jednocześnie, powoduje wiązanie wody niezależnie przez każdy z nich i umożliwia redukcję aktywności wody poniżej wartości 0,9. Kolejną zaletą odwadniania osmotycznego jest zachowanie wielu cech charakterystycznych dla świeżych owoców i warzyw, m.in. stabilności naturalnych barwników podczas suszenia, składników odżywczych. Obserwuje się także poprawę właściwości smakowo-zapachowych produktu, ze względu na ograniczone utlenianie, zahamowanie brązowienia enzymatycznego oraz nieznaczny wpływ na strukturę gotowego produktu.

Surowce poddawane obróbce osmotycznej charakteryzują się gładką powierzchnią, porowatą strukturą oraz niewielkimi zmianami kształtu

52 i wymiarów, co pozytywnie wpływa na ich walory sensoryczne i ułatwia proces rehydratacji w wodzie (Sikorski, 2007a; Lewicki i Lenart, 1996; Kowalski i Mierzwa, 2013; Moazzam, 2012).

Jak donosi literatura (Rastogi i Raghavararo, 1997) poprzez zanurzanie świeżych warzyw i owoców w roztworach osmotycznych powoduje się zmniejszenie zawartości wilgoci nawet do 50%, co korzystnie wpływa na skrócenie całkowitego procesu suszenia, przy jednoczesnym uzyskaniu wyższych równowagowych zawartości wody w suszu. W badaniach (Janowicz i Lenart, 2001) stwierdzono, że odwadnianie osmotyczne znacząco wpływa na przebieg procesu nagrzewania powierzchni w czasie suszenia konwekcyjnego, powodując skrócenie czasu osiągnięcia przez powierzchnię materiału jednakowych temperatur. Ponadto, osmoaktywne metody utrwalania żywności należą do jednych z najbardziej efektywnych procesów pod względem energetycznym.

Według Lewickiego i Lenarta (Lewicki i Lenart, 2007), podczas suszenia konwekcyjnego zużywane jest 5 MJ na kilogram odparowanej wody, tj. dwa razy więcej niż w przypadku odwadniania osmotycznego.

Bogata literatura opisująca zjawisko odwadniania osmotycznego dostarcza wielu cennych wskazówek prowadzenia tego typu obróbki wstępnej przed właściwymi procesami suszenia. Kinetyka metod osmoaktywnych zależy bowiem od wielu czynników zewnętrznych, które należy rozważyć przy doborze parametrów prowadzenia tego zabiegu do określonego materiału roślinnego.

Stopień odwodnienia warzyw i owoców zależy od:

 rodzaju substancji osmoaktywnych (w tym ich mieszanin),

 stężenia czynnika osmotycznego w roztworze,

 temperatury,

 ciśnienia,

 czasu,

 stosunku objętościowego/masowego surowca do roztworu osmotycznego,

 rodzaju surowca,

 stanu rozdrobnienia materiału.

Metody osmoaktywne pozwalają pozyskać produkty o zmodyfikowanej wartości energetycznej i odżywczej, o specyficznych cechach sensorycznych, dlatego też asortyment tego typu przetworzonej żywności cieszy się w ostatnich czasach dużym zainteresowaniem. Mimo tego, że odwadnianie osmotyczne pociąga za sobą pewne niekorzystne zmiany, jak np. straty składników niskocząsteczkowych owoców, takich jak cukry owocowe, kwasy organiczne, witaminy, sole mineralne, to nadal odwodnione produkty po utrwaleniu, np. za

53 pomocą suszenia konwekcyjnego stanowią wygodne i atrakcyjne produkty m.in.

w postaci zdrowych przekąsek owocowo-warzywnych i składników do żywności (Konopacka i inni, 2009).