1
Wydział Technologii Chemicznej
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej
Praca doktorska
Efektywność hybrydowego suszenia
materiałów biologicznych z wykorzystaniem ultradźwięków.
Autor: mgr inż. Joanna Łechtańska
Promotor: prof. dr hab. inż. Stefan Jan Kowalski
Poznań 2015
2 Składam serdeczne podziękowania promotorowi Panu prof. dr hab. inż. Stefana Jana Kowalskiego
za życzliwość, cenne uwagi oraz pomoc w opracowaniu niniejszej rozprawy doktorskiej.
3 Pracę dedykuję mojej Rodzinie
4
Spis treści
Wstęp... 7
Spis ważniejszych oznaczeń ... 9
Część Teoretyczna ... 10
1. Metody suszenia ... 11
1.1. Suszenie konwekcyjne ... 11
1.2. Suszenie ze wspomaganiem ultradźwiękowym ... 13
1.3. Suszenie mikrofalowe ... 16
1.4. Suszenie promiennikowe ... 18
1.5. Suszenie hybrydowe ... 21
2. Metody obróbki wstępnej ... 25
2.1. Odwadnianie osmotyczne ... 25
2.2. Blanszowanie oraz siarkowanie ... 29
2.3. Rozdrabnianie ... 31
2.4. Pulsacyjne pole elektryczne (PEF) ... 32
3. Efektywność procesu suszenia... 34
3.1. Aspekt energetyczny ... 35
3.2. Aspekt jakościowy ... 37
3.2.1. Aktywność wody ... 38
3.2.2. Zmiana barwy ... 41
3.2.3. Retencja barwników i witamin ... 43
3.2.4. Rehydratacja ... 48
Część Doświadczalna ... 51
4. Cel i zakres badań doświadczalnych ... 52
4.1. Cel suszenia owoców i warzyw ... 52
4.2. Zakres badań doświadczalnych ... 53
5
5. Charakterystyka biologiczna badanych warzyw i owoców ... 54
5.1. Papryka zielona ... 55
5.2. Burak ćwikłowy ... 56
5.3. Wiśnia ... 58
5.4. Malina ... 59
6. Stanowisko i aparatura badawcza ... 62
6.1 Opis suszarki hybrydowej CVMWIR ... 62
6.2. Opis suszarki hybrydowej CVMWUD ... 64
6.3. Opis odwadniania osmotycznego przed suszeniem ... 65
7. Metody określania jakości produktów suszonych... 66
7.1. Pomiar zmiany barwy (ΔE) ... 66
7.2. Pomiar aktywności wody (aw)... 67
7.3. Określanie retencji witaminy C... 67
7.4. Określanie retencji betaniny... 68
7.5. Określanie zmian struktury produktu suszonego przez rehydratację... 69
8. Odwadnianie osmotyczne buraka czerwonego ... 71
8.1. Metodologia odwadniania osmotycznego ... 71
8.2. Kinetyka odwadniania osmotycznego i suszenia konwekcyjnego ... 72
8.3. Aspekt jakościowy i energetyczny ... 75
9. Efektywność suszenia hybrydowego CVMWIR papryki zielonej... 83
9.1. Dobór parametrów suszenia ... 83
9.2. Kinetyka suszenia ... 85
9.3. Ocena jakości ... 89
9.4. Aspekt energetyczny ... 94
10. Efektywność hybrydowego CVMWIR suszenia wiśni ... 96
10.1. Dobór parametrów suszenia ... 96
6
10.2. Kinetyka suszenia ... 99
10.3. Ocena jakości ... 101
10.4. Aspekt energetyczny ... 104
11. Efektywność suszenia hybrydowego CVMWUD papryki zielonej ... 106
11.1. Dobór parametrów suszenia hybrydowego ... 106
11.2. Kinetyka suszenia ... 109
11.3. Ocena jakości ... 114
11.4. Aspekt energetyczny ... 119
12. Efektywność suszenia hybrydowego CVMWUD malin ... 121
12.1. Dobór parametrów suszenia hybrydowego ... 121
12.2. Kinetyka suszenia ... 122
12.3. Ocena jakościowa ... 126
12.4. Aspekt energetyczny ... 129
13. Modelowanie procesu suszenia konwekcyjnego materiałów biologicznych wspomaganego ultradźwiękami ... 131
13.1. Sposób aplikacji ultradźwięków ... 131
13.2. Efekt działania ultradźwięków na tkankę bilogiczną: „heating effect”, „vibration effect” i „synergistic effect”. ... 134
13.3. Ocena efektywności suszenia wzmocnionego ultradźwiękami materiału papryki zielonej ... 141
Podsumowanie i wnioski ... 144
Literatura ... 148
Streszczenie ... 162
Abstract ... 163
7
Wstęp
Świeże warzywa i owoce należą do grupy materiałów o niskiej stabilności mikrobiologicznej ze względu na wysoką zawartość wody. Suszenie jest jedną z najbardziej popularnych metod przetwórczych zapobiegającą temu zjawisku.
Odwodnienie materiału przez suszenie redukuje aktywność wody, dzięki czemu uzyskuje się bezpieczny pod względem biologicznym produkt. Do głównych zalet tego procesu należy przedłużenie trwałości materiału oraz obniżenie jego objętości oraz masy, przez co zmniejszone zostają koszty magazynowania i transportu. Przetworzona w wyniku suszenia żywność znajduje wiele zastosowań, np. jako przyprawa lub dodatek do herbat owocowych, jako produkt typu „instant” oraz musli, a także jako zdrowe przekąski w postaci batoników i chipsów owocowych lub warzywnych.
Proces suszenie ma też swoje wady. Jest to operacja niezwykle czasochłonna i odznaczająca się wysokim stopniem zużycia energii. Oba te czynniki wpływają na wysokie koszty prowadzenia tego procesu. Nie bez znaczenia jest również wpływ długotrwałej ekspozycji materiału na wysoką temperaturę, co rzutuje na jakość otrzymanego suszu. Zmianie ulega kolor, kształt, smak, aromat, zawartość składników odżywczych oraz inne parametry jakościowe warzyw i owoców. Z uwagi na przedstawione problemy, niezbędnym wydaje się poszukiwanie nowych, innowacyjnych metod suszenia, które umożliwią otrzymanie dobrej jakości suszu przy jednoczesnym obniżeniu energo- i czasochłonności procesu. W niniejszej pracy podjęto próbę opracowania efektywnego sposobu suszenia hybrydowego owoców i warzyw z wykorzystaniem różnych technik suszenia i odwadniania.
Głównym celem rozprawy jest analiza procesu suszenia materiałów spożywczych takich jak warzywa i owoce różnymi technikami suszenia hybrydowego, będącego kombinacją suszenia konwekcyjnego ze wspomaganiem mikrofalowym, promieniowaniem podczerwonym i ultradźwiękami. Efektywność metody suszenia rozpatrywana jest z punktu widzenia czasu prowadzenia procesu, zużycia energii podczas suszenia oraz jakości otrzymanego produktu. W ocenie jakości suszu uwzględniono: wygląd suszu poprzez pomiar całkowitej zmiany
8 barwy, stabilność mikrobiologiczną (pomiar aktywności wody), zawartość naturalnych barwników (betaniny) oraz witamin (witaminy C), a także analizę wpływu suszenia na zmianę struktury materiału poprzez pomiar wtórnego nasycania (rehydratacji).
Powszechnie stosowaną w przemyśle metodę suszenia konwekcyjnego przyjęto jako metodę odniesienia w stosunku do przeprowadzonych w niniejszej pracy nowatorskich rozwiązań suszenia hybrydowego. Jako alternatywne metody przetwarzania żywności zastosowano techniki łączące suszenie konwekcyjne, mikrofalowe oraz promiennikowe, a także suszenie wspomagane ultradźwiękami, w różnych wariantach ich zastosowania.
Praca ma charakter teoretyczno-doświadczalny. Część teoretyczna składa się z trzech rozdziałów, w których przedstawiono teoretyczne podstawy związane z różnymi technikami obróbki wstępnej i suszenia produktów rolnych. Opisano istotę różnych metod suszenia oraz obróbki wstępnej, a także omówiono zalety i wady tych procesów. Przedstawiono również metody kontroli jakości suszonych materiałów biologicznych.
W części doświadczalnej natomiast omówiono charakterystykę badanych materiałów oraz zaprezentowano opis stanowisk badawczych, aparatury i przyrządów pomiarowych używanych podczas prowadzonych eksperymentów.
Przedstawiono analizę wyników badań dotyczącą kinetyki procesu, zużycia energii oraz jakości otrzymanego produktu. Procesy suszenia hybrydowego wybranych warzyw i owoców przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych z wykorzystaniem dwóch innowacyjnych suszarek hybrydowych. Hybrydowe suszarki umożliwiają łączenie metod suszenia konwekcyjnego, mikrofalowego i promiennikowego oraz suszenia konwekcyjno-mikrofalowego ze wspomaganiem ultradźwiękowym. Przeprowadzono również eksperymenty odwadniania osmotycznego jako obróbki wstępnej przed zasadniczym suszeniem.
W końcowej części pracy podsumowano wyniki badań oraz wyciągnięto wnioski.
9
Spis ważniejszych oznaczeń
a w aktywność wody, - DR szybkość suszenia, m/s
E zużycie energii elektrycznej, kWh
m masa, kg
MC zawartość wilgoci (wet basis), kg/kg P względny przyrost masy, kg/kg Rbet zawartość betaniny, %
RwitC zawartość witaminy C, % T temperatura, °C
t czas, min
sc stężenie czynnika osmotycznego, % SG Przyrost masy, kg/kg
WL Ubytek wody, kg/kg WR Ubytek masy, kg/kg
ΔE parametr całkowitej zmiany koloru, -
Indeksy dolne
0 początkowy
air czynnik suszący
d suchy
m materiał
t czas
Oznaczenia
CV suszenie konwekcyjne
IR promieniowanie podczerwone MW promieniowanie mikrofalowe OD Odwadnianie osmotyczne UD wspomaganie ultradźwiękowe
10
Część Teoretyczna
11
1. Metody suszenia
Suszenie jest w przemyśle przetwórczym operacją jednostkową polegającą na usuwaniu wilgoci z materiałów porowatych, głównie poprzez jej odparowanie.
Operacja ta ma charakter procesu a jej celem jest nadanie produktom suszonym pożądanych właściwości mechaniczno-fizycznych, a w przypadku materiałów biologicznych przedłużenia okresu trwałości i przydatności produktu do konsumpcji w dłuższym okresie czasu. Ta operacja jednostkowa jest złożona ze względu na jednoczesny transfer energii (ciepła) i masy między suszonym materiałem a otaczającym czynnikiem suszącym. Może zachodzić zarówno wskutek przemiany fizycznej, chemicznej jak i biochemicznej (Kneule, 1970;
Mujumdar, 2008). W przypadku materiałów biologicznych takich jak owoce i warzywa przemiany te powodują znaczny skurcz materiału oraz prowadzą do zmiany barwy, tekstury, zapachu, smaku oraz innych właściwości suszonych produktów. Aby zmniejszyć negatywne oddziaływanie procesu suszenia na produkt, należy wybrać odpowiednią metodę i warunki suszenia mające zasadniczy wpływ na jakość produktów. Dobór odpowiedniej metody suszenia zależy od wielu czynników, między innymi od rodzaju suszonego materiału, stawianych wymagań jakościowych (aktywności wody, koloru, tekstury, kształtu, stopnia zniszczenia struktury i innych) oraz doboru odpowiednich źródeł energii i aparatury, a także automatyzacji procesu (Jangam i inni, 2010; Mujumdar, 2007).
1.1. Suszenie konwekcyjne
W procesie suszenia konwekcyjnego energia w formie ciepła dostarczana jest za pośrednictwem czynnika grzejnego, który przepływa przez porowate złoże lub
12 omywa powierzchnię suszonego materiału (Kneule, 1970). Dzięki dostarczonej energii (ciepłu) wilgoć w stanie ciekłym przechodzi w stan gazowy, początkowo na powierzchni materiału, później we wnętrzu dyfundując ku powierzchni, skąd jest usuwana za pomocą czynnika suszącego (powietrza). Podczas suszenia konwekcyjnego gradient temperatury jest skierowany na zewnątrz materiału, w wyniku czego strumienie wilgoci i ciepła są przeciwstawnie skierowane.
Powoduje to spowolnienie procesu suszenia konwekcyjnego.
Podczas suszenia produktów roślinnych zwykle wyróżnia się dwa okresy suszenia. Pierwszy okres charakteryzuje się stałą szybkością suszenia, a w drugim okresie obserwuje się spowolnienie procesu (Strumiłło 1983). Taki przebieg kinetyki suszenia konwekcyjnego przedstawiono m. in. dla marchwi (Szarycz i inni, 2011) oraz korzenia pietruszki (Skorupska, 2005) i jabłka (Velić i inni, 2004). Jednakże okres stałej szybkości suszenia dla materiałów biologicznych jest często bardzo krótki i kinetyka suszenia opisywana jest tylko poprzez użycie równania wykładniczego opisującego malejącą szybkości suszenia. Opis ten zastosowano dla produktów takich jak: buraki ćwikłowe (Figiel 2010), cebula (Mota i inni 2010), czosnek (Babetto i inni, 2011; Sharma i Prasad, 2001), karczochy (Gunhan i inni, 2014), groszek (Doymaz, 2005), liście mięty (Doymaz, 2006), śliwki (Sacilik i inni 2006) i banany (Maskan, 2000)
Wśród czynników wpływających na czas i przebieg kinetyki suszenia konwekcyjnego warzyw i owoców wyróżnia się:
temperaturę,
szybkość przepływu czynnika suszącego,
kształt i stopień rozdrobnienia próbki,
odmianę warzywa lub owocu,
stopień wilgotności początkowej materiału.
Wraz ze wzrostem temperatury powietrza, rośnie różnica temperatur między materiałem a powietrzem, w wyniku czego zwiększa się migracja wody, a tym samym rośnie szybkość suszenia (Szarycz, 2011; Velić i inni, 2004). Natomiast zwiększenie przepływu powietrza powoduje przyspieszenie odparowania wilgoci z powierzchni materiału (Kaya i inni 2007). Autorzy Fernando i inni (2011) przeprowadzili analizę wpływu wielkości próbki owoców banana, miąższu dyni
13 i korzeni manioku na kinetykę suszenia. Stwierdzili, że wraz ze wzrostem rozdrobnienia próbki materiał osiąga wilgotność równowagową z suszącym powietrzem w krótszym czasie. Z kolei badacze Nowak i inni (2005) porównali wpływ struktury i składu chemicznego materiału na przebieg suszenia poprzez wyznaczenie kinetyki suszenia dla ośmiu odmian selera korzeniowego o różnej początkowej zawartości wody. Wykazali, że znaczący wpływ na kinetykę suszenia ma odmiana selera, większy niż jego początkowa wilgotność.
Obecnie jedną z coraz częściej rekomendowanych metod suszenia konwekcyjnego jest prowadzenie tego procesu w okresowo zmiennych parametrach suszenia, tj. w zmiennej temperaturze, wilgotności czy szybkość przepływu powietrza. Wykazano, że niestacjonarne warunki suszenia mogą zmniejszyć negatywne efekty suszenia konwekcyjnego, między innymi poprawić jakość materiału suszonego oraz zmniejszyć energochłonność procesu (Szadzińska, 2014)
Suszenie konwekcyjne jest najbardziej rozpowszechnioną metodą suszenia produktów roślinnych. Wynika to ze stosunkowo prostej budowy suszarek konwekcyjnych i łatwej ich eksploatacji. Jednak niska sprawność energetyczna tych urządzeń, długi czas suszenia, stosunkowo wysoki koszt procesu oraz coraz większe wymagania dotyczące jakości uzyskanego produktu powodują, że w obecnych czasach zarówno w nauce jak i przemyśle poszukiwane są inne, bardziej efektywne, metody suszenia warzyw i owoców.
1.2. Suszenie ze wspomaganiem ultradźwiękowym
Suszenie konwekcyjne ze wspomaganiem ultradźwiękowym jest jedną z perspektywicznych metod suszenia i praktycznego zastosowania ultradźwięków w technice suszarniczej. W wyniku pochłaniania energii akustycznej suszony produkt poddawany jest działaniu wibracyjnemu, wskutek czego następuje przyspieszenie procesu wymiany masy, a także podwyższanie temperatury materiału suszonego (Strumiłło, 1983). Intensyfikujące działanie pola ultradźwiękowego na procesy wymiany masy pojawia się przy określonych wartościach ciśnienia akustycznego wynikającego z wibracji i absorpcji ultradźwięków w samym ośrodku oraz w warstwie przyściennej materiału.
14 Akustyczne ciśnienie progowe jest zależne od kształtu i gęstości materiału, prędkości nawiewu powietrza oraz temperatury środowiska. Procesy wymiany ciepła i masy podczas suszenia są często intensyfikowane przez zjawisko kawitacji, gdy ciśnienie akustyczne przekracza wartość progową. To zjawisko fizyczne polega na gwałtownej przemianie fazowej cieczy w parę pod wpływem okresowo zmiennego ciśnienia, w wyniku czego następuje obniżenie temperatury wrzenia cieczy. Proces suszenia może być skutecznie przyspieszany przez zastosowanie ultradźwięków o stosunkowo niedużych częstotliwościach (rzędu 20
30 kHz) oraz dużych ciśnieniach akustycznych (140-170dB) (Śliwiński, 2001).
Autorzy Schössler i inni (2012), na przykładzie suszenia papryki czerwonej i jabłka wskazali czynniki, które mogą wpływać na zmniejszeni szybkości suszenia konwekcyjnego wspomaganego ultradźwiękami. Na kinetykę procesu zasadniczo wypływa:
szybkość przepływu powietrza
temperatura powietrza,
tekstura suszonego materiału
masa wsadu suszarki.
Autorzy García-Pérez i inni (2006a, 2007) oraz Cárcel i inni (2007), udowodnili, że wraz ze wzrostem prędkości powietrza zmniejsza się efektywność wpływu ultradźwięków na proces suszenia. Określili oni wartość graniczną 4 m/s, powyżej której zmniejsza się korzystny wpływ przepływu czynnika suszącego na działanie ultradźwięków. Wzrost temperatury powietrza również powoduje zmniejszoną efektywność aplikacji ultradźwięków (García-Pérez i inni, 2013;
Ortuño i inni, 2010; Rodríguez i inni, 2014b). Skolei Ozuna i inni (2011) oraz García-Pérez i inni (2006a) udowodnili, że zwiększona twardość oraz zwiększony wsad suszonego produktu również niekorzystnie wpływa na efektywność działania ultradźwięków podczas suszenia.
Zastosowanie ultradźwięków do wspomagania suszenia warzyw i owoców, przy uwzględnieniu ograniczeń procesowych suszenia konwekcyjnego, korzystnie wpływa na zmniejszenie zużycia energii (Ortuño i inni 2010) oraz transport masy.
Kowalski i Pawłowski (2015) wykazali, że aplikacja ultradźwięków podczas suszenia owocu jabłka skraca czas suszenia z 235 do 160 minut w porównaniu
15 z suszeniem wyłącznie konwekcyjnym. Efekt ten wynika z wysokiej intensywności ultradźwięków powodujących pulsacje wywołujące przepływ wilgoci między porami w tkance roślinnej, a także turbulencję w warstwie granicznej, zwiększając w ten sposób przenoszenie masy i przyspieszając dyfuzję (Rodríguez i inni 2014b). Fale ultradźwiękowe powodują zatem szybkie okresowe skurcze i rozszerzenia materiału (efekt gąbki), sprzyjające przepływowi wilgoci i wspomagają proces jej usuwania (García-Perez 2007). Wpływ ultradźwięków na strukturę jabłka wykazali Nowacka i inni (2012) wykorzystując wannę ultradźwiękową. Stwierdzili, że materiał biologiczny poddany działaniom ultradźwięków w wannie ma o ok. 9-11% wyższy stopień skurczu, o 6-20%
niższą gęstość oraz o 9-14% większą porowatość, a także że aplikacja fal ultradźwiękowych wywiera wpływ na rehydratację suchego materiału.
Zasadniczym problemem suszenia akustycznego jest również wysoki stopień tłumienia fal ultradźwiękowych w powietrzu. Pomimo tego, że idea stosowania ultradźwięków w technologii suszenia nie jest nowa, sięga lat pięćdziesiątych XX wieku (Boucher, 1959), to techniki te nie znalazły jeszcze zastosowania w przemyśle. Obecnie modernizuje się sposób aplikacji ultradźwięków przez budowę nowej aparatury ultradźwiękowej. Zamiast gwizdków i syren stosuje się generatory ultradźwiękowe umożliwiające prowadzenie badań w skali laboratoryjnej i półtechnicznej oraz wykorzystanie innowacyjnych rozwiązań konstruktorskich w procesie suszenia (Kowalski, 2015). Zmienne parametry procesowe (takie jak temperatura, szybkość przepływu powietrza, czy charakterystyka danego biomateriału), wpływają na wielkość efektów ultradźwiękowych. Konieczne jest zatem ustalenie optymalnej wartości tych parametrów dla każdego konkretnego zastosowania. Daje to nowe możliwości dla innowacyjnego prowadzenia procesu suszenia owoców i warzyw, począwszy od oszczędności energii, wydajności procesu jak i jakości uzyskanego produktu.
Zastosowanie ultradźwięków otwiera szerokie pole działania w przetwórstwie żywności.
16
1.3. Suszenie mikrofalowe
Technologia suszenia ze wspomaganiem mikrofalowym polega na oddziaływaniu mikrofal na cząsteczki wody mające strukturę dipoli. W wyniku działania zewnętrznego zmiennego pola mikrofalowego cząsteczki wody wykonują szybkozmienne obroty. Ze względu na tarcie międzycząsteczkowe i wysoką częstotliwość promieniowania mikrofalowego generowana jest duża ilość ciepła w całej objętości materiału. Profil temperatury zmienia się od wysokiej wartości wewnątrz materiału do malejącej w pobliżu powierzchni.
Taki rozkład temperatury powoduje że strumienie wilgoci, zarówno dyfuzyjny jak i termodyfuzyjny skierowane są ku powierzchni, co powoduje intensyfikację transportu wilgoci. Z tego względu, suszenie ze wspomaganiem mikrofalowym charakteryzuje się znacznie krótszym czasem suszenia oraz większą intensywnością procesu niż w tradycyjne suszenie konwekcyjne (Orsat et al., 2005).
Na rysunku 1.1 wyróżniono spektrum fal elektromagnetycznych (Krishnamurthy i inni, 2008).
Rys. 1.1. Spektrum fal elektromagnetycznych
W praktyce najlepsze efekty suszenia, można uzyskać stosując pole elektromagnetyczne zmieniające się z częstotliwością 2,7·1010 Hz odpowiadającą częstotliwości relaksacji wody (Strumiłło, 1983).
Bouraoui i inni (1994) oraz Chua i Chou (2005) wyróżnili trzy okresy suszenia mikrofalowego ziemniaka. W pierwszym okresie (nagrzewania) temperatura materiału zwiększa się z czasem i następuje podgrzanie wilgoci w materiale. W drugim okresie, profil temperatury jest stały, a ciepło wygenerowane wskutek mikrofalowego promieniowania służy do odparowania
17 wilgoci wewnątrz materiału. Natomiast w trzecim okresie, gdy zawartość wilgoci w materiale jest znacznie mniejsza, zmniejsza się szybkość suszenia. Temperatura materiału może lokalna wzrastać powyżej temperatury wrzenia wody. Zmniejsza się też konwersja energii mikrofalowej na ciepło i może dojść do lokalnego przegrzania a nawet spalenia produktu.
Inni badacze wyróżnili dwa okresy suszenia mikrofalowego: okres stałej i malejącej szybkości suszenia. Badania prowadzone były dla pomarańczy (Ruiz Diazi inni 2003), liści pietruszki (Soysal, 2004; Soysal i inni 2006), marchwi (Wang i Xi, 2005) oraz owocu longanu (Varith i inni 2007).
Główną wadą suszenia mikrofalowego jest problem niejednorodności pola elektromagnetycznego. Chociaż energię mikrofalową można dostarczyć do dużej części suszonego materiału, a niejednorodność pola elektromagnetycznego wewnątrz komory suszarki można częściowo skompensować (np. za pomocą obrotowej szali), to jednak niejednorodność pola jest nadal głównym problemem suszenia mikrofalowego. Ponieważ w końcowym etapie suszenia, wilgotność w materiale jest rozłożona nierównomiernie, temperatura produktu może lokalnie wzrosnąć powodując zniszczenie materiału (spalenie). W ostatnim okresie suszenia utrudniona jest również kontrola temperatury, która wzrasta powyżej temperatury powietrza otaczającego, czyli inaczej niż w przypadku suszenia konwekcyjnego. Wadą działania mikrofal jest również to, że zbyt szybki transport masy może powodować obniżenie jakości materiału oraz niepożądane zmiany w teksturze i powstanie tzw. efektu „puffing`u”, w którym to próbka zostaje jakby nadmuchana. Istnieją również ograniczenia poziomu energii, które mogą być stosowane. Cohen i Yang (1995) przedstawili badania w których wykazali, że iskrzenie w komorze mikrofalowej wystąpiło, gdy moc wzrosła powyżej 500 W. Wprowadzenie tego typu suszarek do procesów technologicznych w przetwórstwie charakteryzuje się również wysokimi kosztami inwestycyjnymi (Zhanga i inni, 2006).
Mimo, wymienionych wad suszarki mikrofalowe coraz częściej wprowadza się do suszenia przemysłowego. Vega-Mercado i inni (2001) stwierdzili, że użycie mikrofal należy do czwartej generacji technologii suszenia. Aplikacja tej metody jest szczególnie korzystna ze względu na krótki czas suszenia, intensywny
18 transfer masy i ciepła, dużą szybkość suszenia oraz niskie koszty operacyjne.
Suszenie mikrofalowe charakteryzuje się również wysokim gradientem wilgoci bez nagrzewania powierzchni materiału oraz wysokim stopniem konwersji energii. Wielu badaczy udowodniło wzrost jakości produktu suszonego mikrofalowo, między innymi marchwi (Wang i Xi, 2005), liści pietruszki (Soysal, 2004), oraz szpinaku (Ozkan i inni 2007) w porównaniu z tradycyjnym suszeniem konwekcyjnym (Kocabɪyɪk, 2012; Chandrasekaran i inni, 2013).
1.4. Suszenie promiennikowe
Promieniowanie podczerwone dostarcza energię bezpośrednio na powierzchnię próbki, a tym samym powoduje jej szybkie nagrzewanie. Energia promieniowania jest pochłaniana przez warstwy powierzchniowe i przekształcana na ciepło, a następnie jest przekazywana dalej do wnętrza materiału przez przewodzenie. Najwyższa temperatura mokrego materiału występuje pod napromieniowaną warstwą powierzchniową i zależy od współczynnika ekstynkcji.
Im większa odległość od powierzchni, w której występuje maksymalna temperatura, tym mniejszy jest współczynnik ekstynkcji (Ginzburg, 1969). Ciepło generowane w warstwie pod powierzchnią jest doprowadzane do środka materiału, jak również do jego powierzchni. Ciepło z powietrza otaczającego powierzchnię jest przesyłane przez konwekcję. Z drugiej strony, strumień wody jest transportowany przez cały czas od środka materiału na jego powierzchnię.
W konsekwencji, w części materiału strumienie ciepła i masy są w przeciwprądzie, a w warstwach w pobliżu powierzchni są współbieżne (rysunek 1.2) (Nowak i Lewicki, 2004). Ten rodzaj zasilania energetycznego jest bardzo skuteczny i przydatny zwłaszcza w okresie stałej szybkości suszenia, gdy powierzchnia materiału jest pokryta cienką warstwą (filmem), wody (Kowalski i Rajewska, 2009).
19 Rys. 1.2. Schemat promieniowania podczerwonego
W kinetyce procesu suszenia podczerwonego Jaturonglumlert i Kiatsiriroat (2010) wyróżnili trzy okresy suszenia biomateriałów. Pierwszy okres charakteryzujący się stałą prędkością suszenia. W drugim okresie szybkość suszenia zaczyna maleć, jednak na powierzchni materiału wciąż utrzymuje się wilgoć, natomiast w trzecim okresie suszenia malejąca szybkość suszenia jest związana z suchą powierzchnią materiału oraz transportem wilgoci ze środka próbki.
Inną klasyfikację przedstawili Wang i Sheng (2006) dla przeprowadzonego procesu suszenia owocu brzoskwini, Wyodrębnili oni dwa okresy malejącej szybkości suszenia. Na kinetykę tego procesu ma wpływ:
grubość próbki,
jej odległość od źródła promieniowania,
moc promienników
temperatura
szybkość przepływu powietrza.
Duże znaczenie w procesie suszenia promiennikowego ma moc zastosowanych promienników. Nowak i Lewicki (2002) wykazali, że dostarczenie ciepła bliskim promieniowaniem podczerwonym NIR (o długości fali 0,77-1,4 µm) skraca czas suszenia jabłek nawet 2,5 krotnie w porównaniu z zastosowaniem dalekiej podczerwieni FIR (o długości fali 3-100 µm). Udowodnili również, że suszenie wykorzystujące promieniowanie FIR jest z kolei bardziej efektywne dla grubszych warstw materiału.
Na kinetykę suszenia promiennikowego zasadniczo wpływa także szybkość przepływu powietrza. Ponieważ energia promieniowania działa głównie
20 na wilgotną powierzchnię, wzrost szybkości powietrza, który tę warstwę wody usuwa, spowalnia proces suszenia (Witrowa-Rajchert, 2009).
Do podstawowych zalet suszenia promiennikowego należy to, że charakteryzują się one wysokim współczynnikiem przenikania ciepła, stosunkowo krótkim czasem suszenia oraz niskim zużyciem energii elektrycznej.
Ponieważ powietrze jest transparentne dla promieniowania podczerwonego, energia jest przekazywana z elementu ogrzewającego do produktu bez ogrzewania otaczającego powietrza. Ponadto promienie podczerwone mogą wpływać na aktywność enzymów i powodować pozytywne zmiany w smaku i zapachu produktu (Nowak i Lewicki, 2004). Tanaka i Uchino (2011) udowodnili, że aplikacja promieniowania podczerwonego przy konserwacji truskawek i fig ma działanie wysoce bakteriobójcze, przez co wydłuża się trwałość suszonego produktu. Suszarki promiennikowe mogą być niedużych rozmiarów, w pełni zautomatyzowane, są proste w obsłudze i odznaczają się dobrą możliwością kontroli parametrów procesowych. Jest to szczególnie ważne ze względu na szybkie ogrzewanie i możliwość przegrzania materiału.
Głównym ograniczeniem tego procesu jest jego powierzchniowy charakter.
Aby uzyskać najlepsze parametry suszenia, próbka nie powinna być grubsza niż 5 cm (Sakai i Hanzawa, 1994). Ze względu na wysoką temperaturę materiału oraz szybkie nagrzewanie produktu, szczególnie w ostatnim etapie suszenia, mogą powstawać zmiany chemiczne w tkance roślinnej (Datta i Ni, 2002;
Krishnamurthy i inni, 2008). Obserwowana jest duża zmiana barwy wynikająca z nieenzymatycznego brązowienia (Nowak i Lewicki, 2005). Pomimo wymienionych ograniczeń metoda ta stosowana jest do ogrzewania i gotowania soi, ziarna zbóż, ziaren kakao i orzechów oraz produktów „gotowych do spożycia" (Ratti i Mujumdar, 1995). Suszenie wodorostów, ziemniaków, batatów, cebuli, owoców kiwi i jabłek również odbywa się w tunelowych suszarkach podczerwieni. (Krishnamurthy i inni, 2008; Krishnamurthy i inni, 2009)
21
1.5. Suszenie hybrydowe
Suszenie hybrydowe polega na połączeniu w jeden złożony proces kilku prostych technik, na przykład: konwekcyjnej, mikrofalowej, sublimacyjnej, promiennikowej, czy też wspomagania ultradźwiękami, itp. Liczba możliwych kombinacji złożonych z różnych metod, na różnym etapie procesu suszenia jest ogromna, co powoduje, że technologie te są bardzo rozwojowe (Sagar i Kumar, 2010).
Według Chua (2006) hybrydowe techniki suszenia obejmują:
- różne sposoby transferu ciepła,
- suszenie wieloetapowe z takim samym lub różnym typem suszarki na danym etapie procesu,
- suszenie wieloetapowe (np. suszenie połączone z procesem granulowania czy filtracji).
Integracja różnych metod suszenia pozwala na eliminację wad i wykorzystanie zalet połączonych ze sobą technik. Efekt synergistyczny takiego działania, przy odpowiednim doborze technik suszarniczych, charakteryzuje się niejednokrotnie poprawą jakości otrzymywanych produktów, skróceniem czasu suszenia oraz zmniejszeniem zużycia energii elektrycznej.
Kowalski i inni (2005) wykazali, jak duże znaczenie ma suszenie kombinowane – łączące w sobie trzy metody: konwekcyjną, mikrofalową oraz radiacyjną. Na rysunku 1.3. zobrazowano krzywe suszenia dla czterech różnych technik:
- suszenia konwekcyjnego CV
- suszenia hybrydowego konwekcyjno-radiacyjnego CVIR - suszenia hybrydowego konwekcyjno-mikrofalowego CVMW - suszenia hybrydowego konwekcyjno-radiacyjno-mikrofalowego
CVIRMW.
22 Rys.1.3. Porównanie kinetyk suszenia (Kowalski i inni 2005)
Z wykresu można odczytać, że w wyniku aplikacji kombinowanych metod został znacząco skrócony czas suszenia. Szczególnie dobry efekt uzyskano przy udziale suszenia konwekcyjno-radiacyjno-mikrofalowego. Badacze udowodnili również pozytywny wpływ łączonych technik na jakość suszonego materiału.
W przypadku owoców i warzyw wybór odpowiednich technik i czasu suszenia jest zadaniem bardzo ważnym, ale też trudnym ze względu na niejednorodność biomateriałów. W literaturze można znaleźć różne rozwiązania w zależności od rodzaju produktu oraz wymagań jakościowych, energetycznych oraz czasu procesu. Podczas hybrydowego suszenia jabłek Rząca i Witrowa-Rajchert (2007) zaobserwowały pozytywny wpływ połączenia technik suszenia konwekcyjnej i mikrofalowej. Wskazały, że proces charakteryzował się krótszym czasem, a otrzymany susz wyższą jakością. Pozytywny wpływ hybrydowego suszenia z wykorzystaniem konwekcji i mikrofal został potwierdzony również dla owocu kiwi (Maskan, 2001), oliwek (Gogus i Maskan, 2001), winogron (Tulasidas i inni, 1993), ziemniaka (Ahrne i inni, 2003), marchwi (Jia i inni, 2003;) i innych biomateriałów.
Skrócenie czasu suszenia i poprawę jakości suszonych produktów biologicznych można osiągnąć również podczas suszenia hybrydowego łączącego techniki suszenia konwekcyjnego ze wspomaganiem ultradźwiękami o różnych mocach (Kowalski i Mierzwa, 2015). Na rysunku 1.4 przedstawiono wykres
23 obrazujący zmianę kinetyki suszenia hybrydowego w zależności od zastosowania różnej mocy ultradźwięków do wspomagania suszenia konwekcyjnego.
Rys. 1.4. Krzywe suszenia oraz temperatury materiału: 1 – suszenie konwekcyjne, 2 – suszenie konwekcyjne wspomagane ultradźwiękami (100W),
3 – suszenie konwekcyjne wspomagane ultradźwiękami (200W)
Autorzy wykazali, że stosując wyższą moc ultradźwięków (200W) można skrócić czas suszenia o ok. 22% w porównaniu do procesu przeprowadzonego przy niższej mocy ultradźwięków (100W) oraz o ok. 38% w porównaniu do suszenia wyłącznie konwekcyjnego. Zaobserwowali oni również zmniejszenie poboru energii elektrycznej o ok 10%, potwierdzając w ten sposób, że wspomaganie procesu konwekcyjnego suszenia ultradźwiękami odznacza się nie tylko krótszym czasem suszenia ale też większą efektywnością energetyczną.
Podobne wyniki uzyskali Sabarez i inni (2012) dla owocu jabłka a także Gallego-Juarez i inni (1999), García-Pérez i inni (2006b) dla marchwi oraz Gamboa-Santos i inni (2013) dla truskawek. Zaobserwowali oni znaczące skrócenie czasu suszenia w zależności od zastosowanych mocy ultradźwięków bez widocznego pogorszenia jakości próbek
Huang i inni (2009) wykorzystując metodę łączącą w sobie suszenie mikrofalowe, próżniowe oraz liofilizację wykazali nawet 52% niższe zużycie energii oraz znaczące skrócenie czasu suszenia w porównaniu do samej liofilizacji, przy jednoczesnym zachowaniu dobrej jakości suszu. Pozytywny wpływ aplikacji mikrofal podczas suszenia sublimacyjnego wykazano
24 dla winogron (Clary i inni, 2005), bananów (Drouzas i Schubert, 1996), pomidorów (Durance i Wang, 2002), marchwi (Cui, i inni, 2005), kiwi, jabłek i brzoskwiń (Kiranoudis i inni., 1997).
Suszenie hybrydowe to metoda stosunkowo nowa i intensywnie rozwijana w ostatnich latach. Łączenie różnych technik suszenia w jeden proces przeprowadza się po to, aby sprostać wysokim wymaganiom jakościowym i technologicznym jakie stawiane są metodom przetwórczym. Techniki te coraz częściej znajdują zastosowanie w przemyśle, przynoszą korzyści ekonomiczne i jakościowe wynikające z różnorodnych metod suszenia. (Bazyma i Kutovoy, 2005; Zhanga i inni, 2006 ).
25
2. Metody obróbki wstępnej
Metody obróbki wstępnej jako procesy wspomagające lub poprzedzające proces suszenia stosowane są najczęściej w celu przyspieszenia wymiany ciepła i masy, dzięki czemu znacząco mogą obniżyć zużycie energii elektrycznej.
Metody te mogą również skrócić czas procesu suszenia, a tym samym skrócić czas ekspozycji materiału biologicznego na wysoką temperaturę obecną podczas procesu suszenia. Dzięki temu zjawisku możliwe jest uzyskanie produktów o wyższej jakości, niż suszu otrzymanego w konwencjonalny sposób.
Zastosowanie obróbki wstępnej umożliwia również nadanie produktom specjalnych form i cech jakościowych niemożliwych do uzyskania przy wykorzystaniu metod tradycyjnych. Uzyskane produkty mogą posiadać zaprojektowane w procesie przetwórczym pożądane właściwości zarówno w aspekcie zawartości cennych dla zdrowia składników, jak i charakteryzować się określonymi cechami np. kształtem, barwą, zapachem.
Metody obróbki wstępnej można podzielić w zależności od poziomu wykorzystanej do danego procesu temperatury, a mianowicie:
Metody nietermiczne (np. odwadnianie osmotyczne, rozdrabnianie surowca, utrwalanie za pomocą dodatku związków chemicznych i inne)
Metody termiczne (np. blanszowanie, ogrzewanie omowe i inne).
2.1. Odwadnianie osmotyczne
Odwadnianie osmotyczne znajduje szerokie zastosowanie jako samodzielny proces, prowadzący do uzyskania gotowego wyrobu o obniżonej zawartości wody i nadania wyrobom pożądanych właściwości. Wykorzystanie tego zabiegu na szerszą skalę jest możliwe w połączeniu z suszeniem lub zamrożeniem, dzięki
26 czemu otrzymany wyrób jest trwały. Produkt po odwadnianiu osmotycznym zawsze zawiera pewną ilość wody, która może być usunięta dopiero po zastosowaniu konwencjonalnych metod suszenia. Odwadnianie osmotyczne jest więc obróbką wstępną, przygotowującą surowiec do dalszego przetwarzania, jednak znacznie wpływającą na cechy finalnego produktu (Stępień, 2009).
Zjawisko osmozy polega na dyfuzji rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną, która rozdziela dwa roztwory o różnym stężeniu. Przepływ rozpuszczalnika zachodzi od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym stężeniu i prowadzi do wyrównania stężenia w obu roztworach. Aby zaistniało zjawisko osmozy w materiałach roślinnych, musi być spełniony warunek różnej przepuszczalności błony komórkowej tkanki roślinnej dla rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej.
Cząsteczki substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika są w ciągłym chaotycznym i spontanicznym ruchu. Każda cząsteczka zderza się z membraną, jeśli jednak trafi na miejsce z otworem, przepływa przez nią na drugą stronę (Rys. 2.1)
Rys. 2.1. Schemat odwadniania osmotycznego
Przeniknięcie rozpuszczalnika przez membranę wymaga dostarczenia energii, co wynika ze specyficznych oddziaływań cząsteczek z błoną i powoduje, że dojście do stanu równowagi wymaga długiego czasu (Burrows, 2009).
Odwadnianie osmotyczne ma bardzo szerokie zastosowanie w usuwaniu wody z warzyw i owoców, ze względu na łatwość wykorzystania cukrów w nich obecnych jako związków osmoaktywnych. Czynnik osmotyczny, czyli substancja
27 wykorzystana do odwadniania osmotycznego, musi charakteryzować się zdolnością do wytworzenia odpowiednio wysokiego ciśnienia osmotycznego.
Ponadto, powinien mieć również przyjemny smak i zapach oraz nie powinien być toksyczny (Stępień, 2009). Do najczęściej stosowanych substancji osmoaktywnych w odwadnianiu owoców należą cukry takie jak: glukoza, fruktoza i sacharoza. W przypadku warzyw wykorzystuje się glicerol, syrop skrobiowy, cukry oraz chlorek sodu. Do odwadniania surowców roślinnych często wykorzystuje się również syropy owocowe, miody naturalne i sztuczne oraz mieszaniny kilku substancji.
Podczas odwadniania osmotycznego ma miejsce złożony proces przepływu wody z komórki do roztworu osmotycznego oraz transport czynnika osmotycznego do wnętrza materiału. Przebieg tego procesu zależy od wielu czynników takich jak:
Rodzaju substancji osmoaktywnej (oraz ich mieszanin),
Stężenia czynnika osmotycznego w roztworze,
Temperatury,
Ciśnienia,
Czasu trwania procesu,
Rodzaju i stanu struktury komórkowej danego surowca,
Wielkości materiału (lub stopnia rozdrobnienia)
Stosunku masowego lub objętościowego surowca do roztworu osmotycznego (Rastogi i inni, 2002).
Wszystkie te czynniki maja wpływ na transport wody w odwadnianym materiale. Ponadto, dochodzi również do interakcji między poszczególnymi elementami, czyniąc proces odwadniania osmotycznego złożonym. Jednak wielu badaczy podjęło się próby opisu kinetyki transportu masy w trakcie tego procesu (Yao i Le Maguer, 1996; Ghosh i inni, 2004; Azuara i in. 1992, Kowalska i Lenart, 2001).
O szybkości i kierunku osmozy nie decyduje bezpośrednio stężenie roztworu lecz cząstkowe potencjały chemiczne substancji. Potencjał ten jest funkcją stężenia molowego tych substancji, ich wzajemnego oddziaływania oraz współczynnika aktywności (Burrows, 2009).
28 Kowalska i Lenart (2005) podczas badań odwadniania osmotycznego jabłka i marchwi zaobserwowali, że dobór najkorzystniejszej temperatury obróbki wstępnej zależy od rodzaju materiału. Największy ubytek wody oraz najmniejszy przyrost suchej masy monitowali dla jabłek w temperaturze 50ºC oraz dla marchwi w 30ºC. Na wymianę masy w czasie odwadniania osmotycznego wpływa również wielkość surowca. Ogonek i inni (2005) badając kinetykę odwadniania truskawek udowodnili, że im mniejszy owoc tym więcej czynnika osmotycznego wnikało do tkanki. Z kolei rodzaj substancji osmoaktywnej ma wpływ zarówno jakość materiału i strukturę tkanki roślinnej (rys. 2.2.) oraz na kinetykę odwadniania osmotycznego i suszenia konwekcyjnego zastosowanego po obróbce wstępnej (Kowalska i Lenart, 2005; Kowalski i Mierzwa, 2011).
Rys. 2.2. Struktura tkanki marchwi a –surowa; odwadniana (24 godz, 30 oC) w roztworze: b - glukozy, c – sacharozy. Powiększenie 200x (Kowalska i Lenart, 2005)
Najnowsze badania pokazują, że odwadnianie osmotyczne pozytywnie wpływa na zawartość składników odżywczych oraz sensoryczne i funkcjonalne właściwości żywności, teksturę i stabilność pigmentów (Chavan i Amarowicz, 2012). Proces odwadniania osmotycznego skraca czas ekspozycji materiałów na wysoką temperaturę i w konsekwencji minimalizuje niebezpieczeństwo uszkodzenia tekstury, a także zmiany koloru, zapachu i smaku. (Pakowski i Adamski, 2007; Witrowa-Rajchert i Rząca, 2009; Piasecka i inni, 2012; Khan, 2012). Proces osmozy niejednokrotnie pozawala też zachować wiele cech charakterystycznych dla świeżych owoców i warzyw.
Następuje również zmiana ich składu chemicznego bowiem tkanka roślinna stanowi dogodny materiał do wprowadzania dodatkowych pożądanych substancji takich jak witaminy i sole mineralne. Wstępna obróbka osmotyczna powoduje
29 usunięcie z surowca części soli i kwasów organicznych, następuje zmiana stosunku zawartości cukrów do kwasów. Odwadnianie osmotyczne proponowane jest w warunkach przemysłowych głównie do przetwarzania warzyw i owoców.
Stopień odwodnienia, a także stopień impregnacji substancją osmoaktywną można kontrolować poprzez odpowiedni dobór parametrów procesu takich jak:
czas, temperatura, przygotowanie i dobór surowca. Pozwala to na zachowanie w większym stopniu wartości odżywczych i własności organoleptycznych suszonego materiału (Cerkowniak i Lenart, 1998; Kowalska i Lenart, 2005;
Ogonek i inni, 2005). Produkty wysuszone konwekcyjnie z zastosowaniem odwadniania osmotycznego jako obróbki wstępnej stanowią wygodne i atrakcyjne wyroby m. in. w postaci zdrowych przekąsek owocowo-warzywnych oraz dodatków do żywności (Konopacka i inni, 2009).
2.2. Blanszowanie oraz siarkowanie
Blanszowanie jest jednym z podstawowych metod termicznych stosowanych przed dalszą obróbką produktów rolnych. Proces ten może być przeprowadzony w różny sposób, na przykład poprzez zanurzenie produktu w gorącej wodzie, poddanie działaniom mikrofal czy też wystawienie biomateriału na działanie pary wodnej. Właściwości materiału po tej obróbce wstępnej zależą również od czasu przeprowadzania procesu.
Komórki roślinne składają się głównie z pektyn celulozy i hemicelulozy, lignin oraz białek. Za sztywność tych komórek odpowiadają enzymy oraz ciśnienie osmotyczne wewnątrz materiału. Pod wpływem ogrzewana występującego podczas blanszowania tkanki roślinne tracą swój turgor (Lentas i Witrowa-Rajchert, 2009). Pektynometyloesteraza, enzym odpowiedzialny za jędrność tkanek, uaktywnia się powyżej 50°C i oddziałuje z pektynami ściany komórkowej nadając im sztywność. Jednak powyżej 70°C enzymy te są dezaktywowane, w wyniku czego komórka traci swoją jędrność (Bartolome i Hoff, 1972).
Blanszowanie przeprowadza się przede wszystkim w celu zachowania naturalnej barwy suszu. Proces ten spowalnia reakcje enzymatyczne, które odpowiadają za dojrzewanie warzyw i owoców, tym samym mogą powodować
30 pogorszenie smaku, zapachu, barwy, tekstury i wartości odżywczej podczas przechowywania suszu czy też materiału zamrożonego. Ponadto blanszowanie zmiękcza surowiec, niszczy niektóre bakterie oraz pomaga usunąć zabrudzenia z powierzchni (Ciurzyńska i inni, 2013).
Krzykowski (2008) udowodnił korzystny wpływ wydłużenia czasu blanszowania papryki od 1 do 3 min na skrócenie czasu suszenia sublimacyjnego i tym samym zmniejszenie nakładów energetycznych. Wykazał również, że obecność obróbki wstępnej oraz wydłużenie czasu balanszowania korzystnie wpływa na wartość wskaźnika rehydratacji. Podobną zależność korzystnego wpływu wydłużenia czasu blanszowania (od 3 do 6 min) na proces ponownego nawodnienia zaobserwowali Kaleta i inni (2005) dla korzenia pietruszki. Lentas i Witrowa-Rajchert (2008) udowodniły skrócenie czasu suszenia konwekcyjnego korzenia selera w miarę wydłużania czasu blanszowania w wodzie destylowanej.
Nie zauważyły jednak takiej zależności dla blanszowania w roztworze mleczanu wapnia, ale wykazały wzrost wartości jonów wapnia w tkance roślinnej podczas blanszowania w tym roztworze. Natomiast Ciurzyńska i inni (2013) zaobserwowali pozytywny efekt blanszowania na zmianę barwy liofilizowanej dyni. Wykazali jednak, że blanszowany liofilizat cechował się gorszymi innymi własnościami jakościowymi takimi jak: wyższą aktywnością wody, większym skurczem oraz mniejszą porowatością, niż susz dyni nie poddany obróbce wstępnej.
Do głównych problemów tej metody należy utrata substancji odżywczych, zmniejszenie zawartość soli mineralnych i witamin, a także zmiana właściwości mechanicznych żywności. Własności te wynikają ze zmiany budowy wewnętrznej poszczególnych komórek powstałej w wyniku ekspozycji na wysoką temperaturę (Lentas i Witrowa-Rajchert, 2009).
W przemyśle spożywczym blanszowanie stosuje się głównie w podczas suszenia warzyw, natomiast w przypadku suszenia owoców, proces ten zastąpiony jest głównie siarkowaniem odbywającym się na sucho (w komorach gazowych) lub na mokro (z zastosowaniem roztworu). Siarkowanie zapobiega procesom ciemnienia i brązowienia wywołanym utlenianiem, a także zapobiega rozwojowi mikroorganizmów w suszu.
31 Pomimo, że podczas suszenia tylko nieznaczna ilość dwutlenku siarki ulega reakcji z tkanką roślinną, a większość tego związku ulega ulotnieniu to niektórzy naukowcy udowadniają, że aplikacja tego związku (nawet w ilościach dozwolonych) może mieć niekorzystny wpływ na walory smakowe oraz zdrowie konsumenta (Freedman 1980; Vally i inni, 2009; Gunnison i Jacobsen, 1987).
Mimo tych negatywnych czynników dwutlenek siarki w przetwórstwie żywności, nadal uznawany jest za jeden z lepszych środków konserwujących, gdyż dobrze zabezpiecza przed rozwojem drobnoustrojów, a także korzystnie wpływa na barwę suszonego materiału i zapobiega ciemnieniu produktu (Lempka, 1974; Pijanowski i Dłuzewszki, 1997; Kaleciak, 1976).
2.3. Rozdrabnianie
Do jednych z pierwszych zabiegów obróbki wstępnej podczas prawie każdego procesu suszenia należy (oprócz czyszczenia i mycia) rozdrabnianie surowca. Proces ten polega na podzieleniu materiału na mniejsze części, poprzez miejscowe zmniejszenie spójności międzycząsteczkowej wskutek działania sił zewnętrznych. Do metod tych zalicza się krojenie, mielenie, proszkowanie, drążenie i inne metody powodujące naruszenie struktury materiału biologicznego.
Materiał rozdrabnia się przede wszystkim w celu przyspieszenia procesów fizykochemicznych i chemicznych, zwiększenia kontaktu faz – przez co zwiększa się szybkość przeprowadzanych reakcji lub procesów. Tę metodę obróbki wstępnej stosuje się również w celu ułatwienia transportu, składowania lub osiągnięcia wymaganych własności użytecznych produktu. Stosowanie tego typu zabiegów zależy przede wszystkim od gatunku warzywa czy owocu oraz dalszych wymagań procesowych i rynkowych.
Naukowcy wykazali, że stopień rozdrobnienia danego materiału może mieć również korzystny wpływ na sam proces suszenia. Wiąże się to z osiągnięciem większej powierzchni wymiany ciepła i masy, a także grubości materiału.
Pożądana grubość próbki może być różna w zależności od zastosowanej metody suszenia oraz rodzaju produktu (Selecki i Gradoń, 1985; Lempka, 1974;
Pijanowski i Dłuzewszki, 1997; Kaleciak, 1976). Autorzy Kadam i Dhingra
(2011) badając wpływ stopnia rozdrobnienia banana (plastrów pociętych na 4 cm,
32 8cm i 12cm) na kinetykę oraz jakość produktu określili, że najbardziej optymalną grubością dla tego materiału jest 8cm. Inną zależność mającą wpływ na jakość produktu oraz krótszy czas suszenia przy zmniejszeniu stopnia grubości materiału udowodniono między innymi dla pora (Doymaz, 2008), kurkumy (Bezbaruah Hazarika, 2014), mango (Kabiru i inni, 2013) oraz dyni (Limpaiboon, 2011)
2.4. Pulsacyjne pole elektryczne (PEF)
Pulsacyjne pole elektryczne (ang. Pulsed Electric Field) jest to nowoczesna metoda obróbki wstępnej, która stanowi alternatywę dla konwencjonalnych chemicznych lub termicznych operacji poprzedzających suszenie. Operacja ta polega na zastosowaniu krótkich impulsów wysokiego napięcia (0,5-80 kV/cm) w materiale umieszczonym między dwoma elektrodami. Prąd elektryczny o wysokim napięciu (wyższym od naturalnego potencjału komórki ok. 1V) przepływa przez produkt w krótkim czasie (równym mikro lub milisekundom).
Ładunki elektryczne, oddziałując wzajemnie na siebie, powodują lokalne wzrosty ciśnienia, co ostatecznie prowadzi do lokalnych zmian struktury, a czasem nawet do przerwania ciągłości błony komórkowej materiału biologicznego (Wiktor i Witrowa-Rajchert, 2012). Mechanizm działania pulsacyjnego pola elektrycznego pokazany jest na rysunku 2.3.
Rys. 2.3. Mechanizm działania pulsacyjnego pola elektrycznego (Nowacka, 2012) Amami i inni (2008) badając wpływ pulsacyjnego pola elektrycznego podczas odwadniania osmotycznego marchwi udowodnili, że proces ten skraca czas suszenia o ok 20%. Lebovka i inni (2007) wykazali pozytywny wpływ zastosowania pulsacyjnego pola elektrycznego oraz zamrażania materiału
33 na przebieg suszenia konwekcyjnego ziemniaka. Zwrócili uwagę, że obie metody obróbki wstępnej skracają czas suszenia o ok. 20% poprzez dezintegrację komórek roślinnych. Podobne wyniki z 20% skróceniem czasu suszenia otrzymał Toepfl (2006) dla ziemniaka poddanego PEF. Autorzy Gachovska i inni (2009) porównali wpływ zastosowania blanszowania i pulsacyjnego pola elektrycznego jak obróbki wstępnej na efekt suszenia konwekcyjnego marchwi. Udowodnili oni, że zarówno blanszowanie jak i PEF zmniejsza zawartość wody w materiale.
Wykazali również pozytywny wpływ zastosowania prądu o wyższym natężeniu (1,5kV/cm) na obniżenie zawartości wilgoci w materiale. Ponadto, Castarena- Garcíal i inni (2007) badając aplikację pulsacyjnego pola elektrycznego podczas obróbki wstępnej awokado, udowodnili, zahamowanie aktywności mikroorganizmów takich jak bakterie i grzyby oraz inhibicję enzymów.
Zastosowanie pulsacyjnego pola elektrycznego powoduje zwiększenie ubytku wody oraz modyfikację właściwości otrzymanego produktu i minimalizuje chemiczne zanieczyszczenie środowiska oraz ogranicza termiczną destrukcję składników odżywczych podczas procesu suszenia. Metoda ta dezaktywuje enzymy oraz rozwój mikroorganizmów w temperaturach niższych niż tradycyjne techniki. Do głównych ograniczeń tej metody należą wysokie nakłady inwestycyjne oraz stosunkowo wysokie koszty eksploatacji (porównywalne z kosztami procesów tradycyjnych), które jednak mogą być rekompensowane wyższą jakością otrzymanego suszu (Castarena-Garcíal i inni, 2007).
34
3. Efektywność procesu suszenia
Efektywność procesu suszenia rozważana jest w kilku aspektach, a mianowicie, zużycia energii, czasochłonności procesu, jakości oraz trwałości otrzymanych produktów. Każdy z tych elementów jest ważny przy produkcji suszonych materiałów biologicznych takich jak owoce i warzywa. Kluczowym problemem, z którymi musi się zmierzyć technologia suszarnicza, jest poprawa efektywności energetycznej procesów oraz zrównoważony rozwój i względy ekologiczne. Suszenie jest jednym z najbardziej czasochłonnych i energochłonnych procesów jednostkowych w procesie produkcyjnym. Szacuje się, że w suszarnictwie zużywa się średnio około 15% do 20 % całkowitej energii wykorzystywanej w procesach przemysłowych (Motevali i inni 2014).
Długi czas prowadzenia procesu suszenia nierozerwalnie związany jest ze zwiększonym stopniem zużycia energii. Wynika to z faktu, że owoce i warzywa posiadają wysoki procent wilgotności, średnio ok. 85%-92% materiału stanowi woda, co wiąże się z długim czasem jej odparowania. Wydłużony czas suszenia materiałów biologicznych wynika też z braku odporności tkanki biologicznej na wysoką temperaturę. Powoduje to konieczność obniżenia temperatury procesu, a tym samym dalszego wydłużenia czasu suszenia.
Niejednokrotnie proces suszenia jest kilkunastogodzinny i stanowi najdłuższy etap w technologii przetwórstwa warzyw i owoców. Dlatego zasadne wydaje się poszukiwane metod skrócenia czasu suszenia bez konieczności zwiększenia temperatury wpływającej na destrukcję, czy też zniszczenie (spalenie) tkanki biologicznej.
Suszenie materiałów biologicznych takich jak warzywa i owoce jest złożonym i odpowiedzialnym procesem, wynikającym ze zróżnicowanej struktury
