3. Metody kontroli i wspomagania suszenia
3.5. Wspomaganie ultradźwiękami
Ultradźwięki to fale akustyczne o częstotliwości powyżej 16 kHz, tj. poza granicą słyszalności ucha ludzkiego. W przyrodzie ultradźwięki wykorzystane są przez niektóre zwierzęta do nawigacji (delfiny) i polowania (nietoperze) za pomocą wysyłania i odbierania sygnałów akustycznych odbitych od otoczenia.
Ultradźwięki w przemyśle spożywczym są stosunkowo nową, a także jedną z wschodzących technologii, której stosowanie ma na celu zminimalizowanie przetwarzania, poprawę jakości i zapewnienie bezpieczeństwa produktom żywnościowym. Pozytywne efekty działania ultradźwięków w zakresie przetwórstwa spożywczego, to m.in. poprawa wymiany masy, utrwalanie żywności, wspomaganie obróbki termicznej oraz analiza składu i struktury produktów żywnościowych. Co ważniejsze, odwadnianie z pomocą ultradźwięków może się odbywać w temperaturze otoczenia, co zmniejsza potencjalną degradację termiczną.
W zależności od przeznaczenia, wyróżnia się ultradźwięki czynne, o dużym natężeniu oraz bierne, o małym natężeniu. Ultradźwięki o wysokiej intensywności (powyżej 1 W/cm2), tj. o częstotliwości między 20 – 500 kHz wykazują działanie destrukcyjne i wpływają na fizyczne, mechaniczne lub chemiczne/biochemiczne właściwości żywności. Znalazły one zastosowanie w procesach: koagulacji, dyspergowania, ekstrakcji, filtracji, krystalizacji, zamrażania, suszenia oraz odwadniania osmotycznego, inaktywacji drobnoustrojów, czy też modyfikacji funkcjonalnych właściwości białek. Z kolei ultradźwięków o niskiej intensywności (poniżej 1 W/cm2), tj. o częstotliwości powyżej 100 kHz używa się w nieinwazyjnych metodach analizy oraz kontroli surowców i produktów, podczas przetwarzania oraz przechowywania, w celu zapewnienia wysokiej jakości i bezpieczeństwa (Awad i inni, 2012; Banaszak i Kowalski, 2011).
Ultradźwięki o wysokiej częstotliwości powodują różne zmiany w materiałach. Zjawisko znane jako kawitacja akustyczna, generuje powstawanie i zanikanie małych pęcherzyków wypełnionych parą lub pustych przestrzeni w płynie. W rezultacie dochodzi do szybkich fluktuacji ciśnienia w mokrym materiale. Na skutek absorpcji energii akustycznej dochodzi także do ogrzewania oraz zmian strukturalnych, w wyniku serii szybkiego ściskania i rozprężania materiału biologicznego, tzw. „efektu gąbki” oraz powstawania mikroskopijnych kanałów (Carcel i inni, 2007).
Jak donosi literatura (De la Fuente-Blanco i inni, 2006; Fernandes i inni, 2008; Gallego-Juárez i inni, 2007), mechanizm odwadniania owoców i warzyw ze wspomaganiem ultradźwiękowym opiera się dokładnie na kawitacyjnym
54 ściskaniu i rozszerzaniu elementów materiału biologicznego wywołanym przez fale ultradźwiękowe, dzięki czemu następuje migracja wilgoci do otoczenia.
Stopień kawitacji zależy od częstotliwości ultradźwięków. Ultradźwięki można aplikować oddzielnie lub w połączeniu z innymi źródłami energii, np. z gorącym powietrzem. W tym przypadku obserwuje się znaczną redukcję czasu suszenia ze względu na przyspieszenie transportu ciepła i masy (nawet dwu-, trzykrotny wzrost prędkości suszenia), a ponadto niższe wartości końcowej zawartości wilgoci, zachowanie właściwości surowca oraz niższe zużycie energii elektrycznej. Energia akustyczna przyspiesza szczególnie proces suszenia w jego pierwszym stadium, gdyż wprowadzenie strumienia akustycznego wywołuje turbulencje w warstwie granicznej. Zaobserwowano także przyspieszenie suszenia w jego drugim okresie, na skutek wzrostu dyfuzyjności i ruchliwości wilgoci w kapilarach i tworzenia wspomnianych wcześniej pęcherzyków. Oprócz tego na przebieg suszenia wspomaganego akustycznie wpływają także parametry, takie jak prędkość przepływu powietrza oraz jego temperatura.
W pracy (Riera-Franco de Sarabia i inni, 2002) omówiono wpływ wspomagania ultradźwiękowego na proces suszenia różnego rodzaju materiałów roślinnych, tj. jabłka, marchwi oraz grzybów. Przeanalizowano różne metody, m.in. kontakt bezpośredni oraz falę stojącą, wykorzystując wymuszony obieg powietrza i wibracje ultradźwiękowe generowane przez płytowy przetwornik ultradźwiękowy (20 kHz, 100 W). Na rysunku 3.6 przedstawiono aparaturę do suszenia materiałów biologicznych za pomocą ultradźwięków. Na podstawie przeprowadzonych testów suszarniczych stwierdzono, iż bezpośredni kontakt wibracji ultradźwiękowych z badanym materiałem znacząco przyspiesza proces suszenia nie wywołując przy tym zmian w jakości, a w przypadku grzybów trzykrotnie skraca czas obróbki termicznej.
Rys. 3.6. Schemat aparatury suszącej z przetwornikiem ultradźwiękowym.
55 Ultradźwięki aplikuje się również w zabiegach obróbki wstępnej jako proces alternatywny do blanszowania. Nowacka i inni (2012) w badaniach nad konwekcyjnym suszeniem jabłek ze wstępną obróbką ultradźwiękową wykazali, że czas suszenia skrócił się o 31%, jednakże zaobserwowano także większy skurcz, mniejszą gęstość oraz wyższy stopień porowości jabłek, w porównaniu z próbkami bez obróbki ultradźwiękowej. Zatem, ultradźwięki wpływają niekiedy negatywnie na właściwości produktów roślinnych, mogą powodować kawitację komórek, lokalne przegrzanie, a także prowadzą do powstania wolnych rodników.
Tradycyjne odwadnianie osmotyczne jest zabiegiem stosowanym do częściowego odwodnienia materiałów roślinnych i poprawy jakości, jednakże jest procesem czasochłonnym. Jednym z nowszych sposobów zwiększenia wydajności tej obróbki wstępnej jest aplikacja ultradźwięków. Jak donosi literatura (Gallego-Juarez i inni, 1999; Azarpazhooh i Ramaswamy, 2010), stosowanie ultradźwięków podczas odwadniania osmotycznego wywiera istotny wpływ na kinetykę usuwania wilgoci, przyrost suchej masy, i zmianę mikrostruktury materiału. Akustyczne wspomaganie osmozy stosuje się głownie w celu zapewnienia efektywnej dyfuzyjności wody, jednakże jak zauważył Fernandes i inni (Fernandes i inni, 2009), efektywny współczynnik dyfuzji maleje wraz ze wzrostem stężenia substancji osmoaktywnej w roztworze hipertonicznym.
W pracy (Kek i inni, 2013) przedstawiono wpływ odwadniania osmotycznego wspomaganego ultradźwiękami na kinetykę suszenia konwekcyjnego i cechy jakościowe owoców guawy. Na rysunku 3.7 przedstawiono zmiany analizowanych wyróżników jakości po procesie suszenia.
Rys. 3.7. Całkowita zmiana barwy, zawartość witaminy C, twardość i żuwalność suszonych owoców guawy.
Zaobserwowano m.in, że wstępna obróbka osmotyczna z ultradźwiękami redukuje czas suszenia o 33%, zwiększa dyfuzję o 35%, a ponadto obniża wartość całkowitej zmiany barwy o 38%.
56 Ultradźwięki to niekonwencjonalna metoda wspomagania procesu suszenia i obróbki wstępnej surowców, umożliwiająca uzyskanie produktów dobrej jakości, jak również kształtowanie ich specyficznych właściwości. Oprócz poprawy wydajności tych procesów, pozytywnie wpływa na redukcję kosztów oraz ogranicza zużycie energii elektrycznej, co w dzisiejszej dobie jest priorytetem. Aparatura susząca z urządzeniami wytwarzającymi ultradźwięki jest droga i stale unowocześniana, dlatego też procesowi suszenia akustycznemu głównie poddaje się materiały biologiczne wymagające szczególnej obróbki termicznej. Niewątpliwą zaletą jest jednak wysoka wartość suszy owocowo-warzywnych, jak i bezpieczeństwo tego typu produktów, co usprawiedliwia wysokie koszty inwestycyjne.
57
Część doświadczalna
58