WPŁYW TEMPERATURY I WILGOTNOŚCI NA WARTOŚĆ CIEPŁA WŁAŚCIWEGO PIECZAREK
Małgorzata Serowik Instytut Inżynierii Rolniczej
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Wstęp
Prawidłowe kierowanie przebiegiem procesu suszenia wymaga znajomo- ści nie tylko jego ogólnych parametrów, ale także wielu właściwości fizycznych i chemicznych, charakteryzujących suszony surowiec. Ciepło właściwe jest jed- nym z bardzo istotnych parametrów wpływających na proces suszenia żywności [SHRIVASTAVA i DATTA 1999]. Badania właściwości termofizycznych produktów rolniczych umożliwiają projektowanie urządzeń zapewniających optymalną ob- róbkę cieplną. Zainteresowanie zakresem zmienności różnorodnych cech mate- riałów biologicznych wynika z faktu coraz szerszego stosowania numerycznych metod projektowania oraz sterowania procesami technologicznymi [SHRIVASTAVA i DATTA 1999]. Zróżnicowana budowa i skład produktów roślinnych powodują, że ciepło właściwe jest funkcją wielu czynników, głównie wilgotności, temperatury oraz m.in. przemian fazowych składników i składu fazy stałej [HWANG i in. 1999].
Oprócz wilgotności istotny wpływ na wartość ciepła właściwego ma temperatura produktu. Z tego względu analiza wpływu temperatury na wartość ciepła właści- wego suszonego surowca jest bardzo uzasadniona. Do wyznaczania ciepła właś- ciwego bardzo użyteczna jest metoda kalorymetrii skaningowej (DSC) [KARDAS i GROCHOWSKA-NIEDWOROK 2009]. DSC jest uniwersalną, często wykorzystywaną techniką analityczną do śledzenia przemian zachodzących m.in. w materiale biolo- gicznym. Analizie poddano pieczarki, ponieważ liczne badania naukowe wskazu- ją, że stanowią one cenne źródło związków biologicznie aktywnych [KALBARCZYK 2003; RAJEWSKA i BAŁASIŃSKA 2004]. Gatunek ten jest powszechnie dostępny na rynku i ma obecnie duże znaczenie gospodarcze.
Celem niniejszych badań było wyznaczenie i charakterystyka ciepła właści- wego pieczarek w zależności od ich wilgotności i temperatury.
Materiał i metody
Przedmiotem badań były pieczarki uprawne, dwuzarodnikowe, odmiany kremo- wej (Agaricus bisporus). Plastry pieczarek o jednakowej grubości 5 mm zamrożono
w komorze zamrażalniczej z szybkością 1°C·min–1 do temperatury −40°C, a następ- nie suszono sublimacyjnie. Podczas suszenia temperatura płyty grzejnej wynosiła 30°C, a ciśnienie w komorze suszenia utrzymywano na poziomie 25 Pa. Proces su- szenia prowadzono przez 24 h, końcowa wilgotność plastrów wynosiła około 7%.
Wysuszony materiał poddawano nawilżeniu celem uzyskania założonego przedziału wilgotności (7,5–91,0%). Wysuszone plastry pieczarek umieszczano na sicie, nad taflą nasyconego roztworu NaCl, w szczelnie zamkniętym pojemniku. Pojemnik ter- mostatowano w 20 ±2°C. W określonych odstępach czasowych pobierano próbkę do analizy oraz oznaczano zawartość suchej masy. Próbki do badań eksperymentalnych pobierano z części kapeluszowej ze względu na jednolitość struktury komórkowej.
Badania ciepła właściwego pieczarek przeprowadzono metodą różnicowej ka- lorymetrii skaningowej DSC. Pomiary wykonano za pomocą zestawu firmy Mettler Toledo DSC 821 w przedziale temperatury od 0 do 80°C, przy prędkości skano- wania 5°C·min–1. Do obliczeń przyjęto średnie wartości ciepła właściwego próbki o takiej samej wilgotności, wyznaczone z czterech powtórzeń. Wyniki badań pod- dano analizie metodami statystyki matematycznej, wykorzystując w szczególności analizę regresji.
Wyniki i dyskusja
Wyniki analizy pomiarów zależności ciepła właściwego pieczarek od ich tem- peratury i od zróżnicowanych wartości wilgotności przedstawia rysunek 1.
Położenie punktów obrazujących wyniki pomiarów wskazuje na istnienie prostoliniowych zależności ciepła właściwego pieczarek w każdej z badanych
1,86 2,45 3,03 3,62 4,20
0 20 40 60 80 t (°C)
Cp (kJ·kg−1 ·°C−1)
7,5%
11,8%
13,5%
19,6%
24,0%
45,0%
51,5%
53,5%
59,2%
71,6%
77,9%
78,8%
91,0%
Rys. 1. Zależność ciepła właściwego pieczarek od temperatury przy różnej wilgot- ności
Fig. 1. The dependence of specific heat mushrooms on temperature for different mo- isture
wilgotności. Wraz ze wzrostem zawartości wody w materiale wzrasta wartość cie- pła właściwego pieczarek i osiąga maksymalną wartość Cp = 4,18 kJ·kg–1·°C–1 dla surowca świeżego o wilgotności 91%. STROSHINE [1998] podaje, że ciepło właści- we grzybów o wilgotności 90% wynosi 3,94 kJ·kg–1·°C–1. Wysoki wynik wartości ciepła właściwego uzyskany w badaniach własnych mógł być spowodowany niedo- stateczną precyzją pomiarów, przy czym błąd metody DSC wynosi ±4%.
W tabeli 1 zestawiono wartości parametrów równania regresji, charakteryzu- jącego przebieg badanych zależności, oraz odpowiadające wartości współczynnika determinacji R2.
Tabela 1; Table 1 Zależność ciepła właściwego od temperatury dla różnej wilgotności
The dependence of specific heat on temperature for different moisture contents
Lp.
No
Wilgotność Moisture (%)
Cp = a · t + b (kJ·kg–1·°C—1) Współczynnik determinacji, R2
Determination coefficient, R2
a b
1 7,5 0,0025 1,8907 0,8727
2 11,8 0,0035 1,9276 0,9700
3 13,5 0,0036 2,0009 0,9957
4 19,6 0,0029 2,1460 0,9594
5 24,0 0,0032 2,2780 0,9823
6 45,0 0,0031 2,6969 0,9858
7 51,5 0,0025 2,9562 0,9783
8 53,5 0,0020 3,0989 0,8424
9 59,2 0,0010 3,3100 1,0000
10 71,6 0,0008 3,8218 0,9814
11 77,9 0,0013 3,8439 0,9895
12 78,8 0,0018 3,900 0,9837
13 91,0 0,0005 4,1364 0,9603
Rysunek 2 przedstawia wyznaczone wartości ciepła właściwego pieczarek o wilgotności w przedziale od 7,5 do 91,0% dla temperatury: 10, 20, 30, 50, 70°C.
Zaobserwowano duży wzrost ciepła właściwego wraz ze wzrostem wilgotności pieczarek. Ciepło właściwe rośnie ze wzrostem temperatury, jednakże zmiany te są nieznaczne i stają się zauważalne dopiero w zakresie wilgotności poniżej 50%.
Omawiane zależności dają się dość dobrze opisać funkcjami liniowymi. Komórki grzybów wykazują wiele cech strukturalnych i biochemicznych, odróżniających je od komórek roślinnych. Celem porównania dokonano zestawienia wyników uzy- skanych w badaniach własnych z wynikami badań czosnku pospolitego i selera korzeniowego, jak również dokonano porównania z wartościami wyliczonymi na podstawie wybranych wzorów literaturowych [RIEDEL 1966; GINZBURG i GROMOV 1987].
Na rysunku 3 przedstawiono zależność ciepła właściwego pieczarek, czosnku [KRAMKOWSKI i in. 2001], selera [GAWLIK i in. 2001] od ich wilgotności. Do po- równania wybrano wartości ciepła właściwego wyznaczone w temperaturze 20°C.
Porównanie dotyczy wilgotności materiału powyżej 15%.
Rys. 2. Ciepło właściwe pieczarek w zależności od ich wilgotności dla różnej wartości temperatury
Fig. 2. Specific heat of mushrooms depending on their moisture content for different temperatures
Rys. 3. Zależność ciepła właściwego od wilgotności wybranych materiałów biologicz- nych (pieczarki, czosnek, seler)
Fig. 3. The relation between specific heat and moisture content of selected biological materials (mushrooms, garlic, celery)
1,95 2,40 2,85 3,30 3,75 4,20
7 28 49 70 91 W (%)
Cp (kJ·kg−1·°C−1)
t = 10°C t = 20°C t = 30°C t = 50°C t = 70°C
t=20 °C 1,75
2,24 2,73 3,22 3,71 4,20
15 34 53 72 91 W (%)
Cp (kJ·kg−1·°C−1)
pieczarki mushrooms czosnek garlic seler celery
Położenie punktów pomiarowych wskazuje prostoliniową zależność ciepła właściwego od wilgotności w przypadku każdego z badanych materiałów. W tabe- li 2 zestawiono równania regresji, charakteryzujące przebieg zależności Cp od wil- gotności pieczarek, czosnku i selera.
Tabela 2; Table 2 Zależność ciepła właściwego pieczarek, czosnku, selera od ich wilgotności
w temperaturze 20°C
The relation between specific heat of mushrooms, garlic, celery and their moisture content at temperature 20°C
Materiał Material
Cp = a · W + b (kJ·kg–1·°C–1) Współczynnik determinacji, R2 Determination coefficient, R2
a b
Pieczarki; Mushrooms 0,0290 1,5979 0,9846
Czosnek; Garlic 0,0275 1,6696 0,9841
Seler; Celery 0,0296 1,3016 0,9779
Wartości ciepła właściwego analizowanych warzyw, w zależności od wil- gotności, w takich samych warunkach eksperymentu są nieznacznie różne. Ciepło właściwe pieczarek i czosnku przyjmuje nieco większe wartości niż selera. Uza- sadnieniem może być różnica w budowie i składzie chemicznym omawianych su- rowców roślinnych. Dokonana analiza wyników badań wskazuje na złożony cha- rakter zmian Cp pieczarek, czosnku i selera w funkcji wilgotności.
Na rysunku 4 przedstawiono średnie wartości ciepła właściwego wyzna- czone w prezentowanych badaniach oraz obliczone według wzoru RIEDLA [1966]:
Cp = 1,675 + 0,025W, a także równania GINZBURGA i GROMOVA [1987]:
Cp = 1,401 + 0,02786W. Oba równania opisują uogólnioną zależność ciepła właści-
t = 20°C 1,50
2,04 2,58 3,12 3,66 4,20
7 28 49 70 91 W (%)
badania własne own studies
wg Riedla by Riedel
wg Ginzburga i Gromova by Ginzburg and Gromov Cp (kJ·kg−1·°C−1)
Rys. 4. Zależność ciepła właściwego od wilgotności pieczarek według danych literatu- rowych i wyników badań własnych
Fig. 4. The relation between specific heat and the moisture content of cultivated mush- rooms according to literature data and the results of the authors’ studies
wego w funkcji wilgotności warzyw korzeniowych. Do porównania wybrano war- tości ciepła właściwego w temperaturze 20°C.
Uzyskane w badaniach własnych wartości ciepła właściwego są nieco więk- sze niż wartości wyliczone ze wzorów Riedla oraz Ginzburga i Gromova. Nie- znaczna rozbieżność może być związana zarówno z precyzją pomiarów, jak i cha- rakterystyczną, odmienną budową komórkową grzybów w porównaniu ze strukturą komórek roślinnych.
Wnioski
1. Wartość ciepła właściwego pieczarek rośnie znacząco wraz ze wzrostem wil- gotności i nieznacznie ze wzrostem temperatury materiału.
2. Zależność ciepła właściwego pieczarek od ich temperatury oraz przebieg za- leżności ciepła właściwego od wilgotności badanego materiału można opisać funkcjami liniowymi.
3. Wartości ciepła właściwego pieczarek wyznaczone w badaniach własnych są nieznacznie większe w porównaniu z wynikami uzyskanymi przez innych au- torów dla czosnku i selera. We wszystkich eksperymentach uzyskano liniowe zależności ciepła właściwego od wilgotności materiału.
4. Wyznaczone wartości ciepła właściwego według wzorów Riedla, Ginzburga i Gromova są nieco mniejsze niż uzyskane w badaniach własnych.
Literatura
GAWLIK P., KRAMKOWSKI R., PEROŃ S., BANASIK K. 2001. Ciepło właściwe selera korzeniowego w funkcji jego wilgotności. Inżynieria Rolnicza 12 (32): 83–88.
GINZBURG A.S., GROMOV M.A. 1987. Teplofiziczjeskije charakteristiki kartofela, owoscej i plodov. V O Agropromizdat, Moskva.
HWANG C.H., HELDMAN D.R., TAYLOR T.A., CAO R.R. 1999. Changes in Specific Heat of Corn Starch Due to Gelatinization. Journal of Food Science 64, 1: 141–149.
KALBARCZYK J. 2003. Impact of freeze on the contents of biologically active sub- stances in the fruiting bodies of selected edible mushrooms species. Acta Agrophysi- ca 2 (2): 321–330.
KARDAS M., GROCHOWSKA-NIEDWOROK E. 2009. Różnicowa kalorymetria skanin- gowa jako metoda termoanalityczna stosowana w farmacji i analizie żywności. Bro- mat. Chem. Toksykol. XLII 2: 224–230.
KRAMKOWSKI R., KAMIŃSKI E., SEROWIK M. 2001. Effect of moisture and tempera- ture of garlic on its specific heat. Electronic Journal of Polish Agricultural Universi- ties, Food Science and Technology 4, 2.
RAJEWSKA J., BAŁASIŃSKA B. 2004. Związki biologicznie aktywne zawarte w grzy- bach jadalnych i ich korzystny wpływ na zdrowie. Postępy Hig. Med. Dośw. 58: 352–
–357.
RIEDEL L. 1966. Versuche zur Bestimmung der Spezifischen Warme des gebunden Wassers. Kaltetechnik – Klimatisierung 18: 193–199.
SHRIVASTAVA M., DATTA A.K. 1999. Determination of specific heat and thermal con- ductivity of mushrooms (Pleurotus florida). Journal of Food Engineering 39: 255–
–260.
STROSHINE R. 1998. Physical properties of agricultural materials and food products.
Purdue University, West Lafayette, IN.
Słowa kluczowe: pieczarki, ciepło właściwe, kalorymetria skaningowa DSC, suszenie sublimacyjne
Streszczenie
W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące zmian ciepła właściwe- go pieczarek dwuzarodnikowych (Agaricus bisporus) w funkcji wilgotności oraz temperatury. Do wyznaczenia ciepła właściwego pieczarek wykorzystano metodę różnicowej kalorymetrii skaningowej DSC. Pomiary przeprowadzono w zakresie wilgotności materiału od 7,5 do 91,0% i przedziale temperatury od 0 do 80°C.
Uzyskane zależności opisano funkcjami liniowymi. Celem porównania zestawiono dane dotyczące zmiany ciepła właściwego pieczarek z wynikami analiz wykona- nych dla czosnku pospolitego (Allium sativum) [KRAMKOWSKI i in. 2001] i selera korzeniowego (odmiana Makar) [GAWLIK i in. 2001]. Dokonano również porówna- nia wyników uzyskanych w badaniach własnych z wynikami wyliczonymi z wzo- rów literaturowych [RIEDEL 1966; GINZBURG i GROMOV 1987].
EFFECT OF TEMPERATURE AND MOISTURE CONTENT ON MUSHROOMS SPECIFIC HEAT
Małgorzata Serowik
Institute of Agricultural Engineering Wroclaw University of Environmental and Sciences
Key words: mushrooms, specific heat, scanning calorimetry, DSC, freeze- -drying
Summary
The paper presents the results of studies on the relationship between the spe- cific heat of bisporous mushrooms (Agaricus bisporus), its moisture content and temperature. The method of differential scanning calorimetry DSC was used to de- termine the specific heat of mushrooms. The measurements were performed for
moisture contents ranging from 7.5 to 91.0% and in the temperature range from 0 to 80°C. The obtained relations were presented as linear functions. The data concern- ing changes of specific heat of mushrooms were compared with the results of analy- sis performed on common garlic (Allium sativum) [KRAMKOWSKI et al. 2001], and rooted celery (Makar cv.) [GAWLIK et al. 2001]. Besides, a comparison of results obtained in the authors’ studies with the results calculated on the basis of literature formulas was made [RIEDEL 1966; GINZBURG and GROMOV 1987].
Mgr inż. Małgorzata Serowik Uniwersytet Przyrodniczy Instytut Inżynierii Rolniczej ul. Chełmońskiego 37/41 51-630 WROCŁAW
e-mail: malgorzata.serowik@up.wroc.pl
