1
Wydział Technologii Chemicznej
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej
Praca doktorska
Efektywność suszenia konwekcyjnego w warunkach okresowo zmiennych
Autor: mgr inż. Justyna Szadzińska
Promotor: prof. dr hab. inż. Stefan Jan Kowalski
Poznań 2014
2 Składam serdeczne podziękowania dla promotora prof. dr hab. inż. Stefana Jana Kowalskiego za życzliwość, ciepłe serce i okazaną pomoc w opracowaniu niniejszej rozprawy doktorskiej.
3 Pracę dedykuję moim rodzicom
4
Spis treści
Wprowadzenie 7
Część teoretyczna 10
1. Suszenie w zmiennych warunkach procesowych 11
1.1. Istota suszenia niestacjonarnego 11
1.2. Zalety i wady suszenia w warunkach niestacjonarnych 15
1.3 Przegląd niestacjonarnych technik suszenia 18
2. Efektywność suszenia w warunkach niestacjonarnych 24
2.1. Aspekt energetyczny 25
2.2. Aspekt jakościowy 26
2.2.1. Zmiana barwy 29
2.2.2. Aktywność wody 35
2.2.3. Retencja składników odżywczych 38
3. Metody kontroli i wspomagania suszenia 42
3.1. Emisja akustyczna 42
3.2. Rehydratacja 45
3.3. Blanszowanie 48
3.4. Odwadnianie osmotyczne 49
3.5. Wspomaganie ultradźwiękami 53
Część doświadczalna 57
4. Efektywność suszenia w warunkach niestacjonarnych 58
4.1. Cel i zakres badań doświadczalnych 58
4.2. Materiał badawczy 59
5
4.3. Stanowisko badawcze, aparatura i metodyka 62
5. Suszenie niestacjonarne materiałów ceramicznych monitorowane metodą emisji akustycznej 71
5.1. Dobór częstotliwości zmian parametrów suszenia 71
5.2. Dobór amplitudy zmian parametrów suszenia 74
5.3. Skorelowanie EA z jakością suszonych produktów 75
6. Suszenie marchwi w warunkach okresowo zmiennych 77
6.1. Suszenie konwekcyjne w stałych i zmiennych warunkach 77
6.2. Suszenie konwekcyjne ze wstępną obróbką osmotyczną 80
6.3. Ocena jakości produktu 83
7. Suszenie buraka ćwikłowego w warunkach niestacjonarnych 90
7.1. Kinetyka suszenia 90
7.2. Aspekt jakościowy 93
7.3. Aspekt energetyczny 98
8. Efektywność suszenia zielonej papryki w warunkach niestacjonarnych 100
8.1 Suszenie konwekcyjne 100
8.2. Ocena jakościowa produktu 102
8.3. Zużycie energii 105
9. Niestacjonarne suszenie wiśni ze wstępnym odwadnianiem osmotycznym wspomaganym ultradźwiękami 107
9.1. Suszenie konwekcyjne 107
9.2. Suszenie ze wstępną obróbką osmotyczną 108
9.3. Ocena jakości produktu 110
10. Matematyczne modelowanie kinetyki suszenia w warunkach
niestacjonarnych 114
6
10.1. Równania kinetyki suszenia 114
10.2. Modelowe krzywe kinetyki suszenia marchwi i ich eksperymentalna walidacja 116
Podsumowanie i wnioski 122
Bibliografia 125
Streszczenie 136
Abstract 137
Wykaz dorobku naukowego 138
7
Wprowadzenie
W niniejszej pracy podjęto problem analizy efektywności suszenia głównie z punktu widzenia jakości produktu suszonego, ale także czasu suszenia i oszczędności energii zużywanej na suszenie. Tradycyjne suszenie konwekcyjne, najczęściej realizowane poprzez dostarczanie do układu gorącego medium o stałych parametrach, jest procesem czasochłonnym i energochłonnym. Ponadto, technika ta uznawana jest za silnie destrukcyjną, pogarszającą jakość produktu w stosunku do surowca, jednakże posiada szereg zalet, które decydują o jej szerokim wykorzystaniu w przemyśle, ponieważ jest metodą stosunkowo tanią, o dobrze poznanych podstawach teoretycznych.
Główny cel tej pracy poświęcony jest modyfikacji powszechnie stosowanej metody suszenia konwekcyjnego, która oprócz niewątpliwych zalet (prosta aparatura, dobrze znany mechanizm suszenia), ma również szereg wad (długotrwały proces, niezbyt dobra jakość produktów suszonych, stosunkowo duże zużycie energii). Wstępny zakres badań opisany w tej pracy, dotyczył suszenia konwekcyjnego w stałych warunkach i prowadzony był na próbkach kaolinu z zastosowaniem metody emisji akustycznej jako metody kontrolnej.
Badania te wykazały, że próbki suszone konwekcyjnie, szczególnie w wyższych temperaturach, łatwo ulegają destrukcji (pękaniu) podczas suszenia.
Bazując na doświadczeniu z tych wstępnych badań postanowiono zmieniać warunki suszenia w trakcie procesu, aby uniknąć destrukcji materiału suszonego.
Podjęto więc próby suszenia w okresowo zmiennych warunkach, tj. w zmiennej temperaturze i wilgotności powietrza suszącego. Efekt tego zabiegu okazał się bardzo korzystny, co wykazał także monitoring zachowania się materiałów podczas suszenia on line przy pomocy metody emisji akustycznej. Po tych wstępnych doświadczeniach postanowiono prowadzić dalsze suszenie konwekcyjne w warunkach niestacjonarnych (ang. intemittent conditions).
Ten zmodyfikowany sposób suszenia konwekcyjnego okazał się niezwykle cenny
w zastosowaniu do suszenia materiałów biologicznych, takich jak owoce
i warzywa, które są niezwykle wrażliwe na podwyższoną temperaturę, bowiem
tracą w ten sposób swoje właściwości fizyczne i biochemiczne, a szczególnie
właściwości odżywcze.
8
W pracy podjęto zatem próbę opracowania alternatywnego sposobu suszenia materiałów szczególnie wrażliwych na obróbkę cieplną, a efektywność tej metody oceniano porównując uzyskane rezultaty badań prowadzonych w okresowo zmiennej temperaturze i wilgotności powietrza, z wynikami otrzymanymi podczas suszenia w stałych warunkach. Analizowano wpływ zmiennych warunków suszenia na kinetykę procesu, wybrane cechy jakościowe, uznawane za ważne z punktu widzenia konsumenta oraz zużycie energii elektrycznej.
Najważniejszym parametrem suszenia konwekcyjnego jest temperatura powietrza, której wzrost z jednej strony przyspiesza proces, poprawiając jego ekonomikę, a z drugiej zaś jest czynnikiem pogarszającym jakość produktu.
W związku z tym, bardzo ważne w praktyce przemysłowej jest znalezienie pewnego optimum, do czego niezbędna jest szczegółowa analiza wpływu tego parametru na różne aspekty procesu suszenia. Konsekwencją suszenia gorącym czynnikiem suszącym, tj. w tak zwanym ostrym reżimie, jest destrukcja materiału.
Obniżenie jakości może dotyczyć skurczu i pękania na skutek generowania naprężeń, bądź też zmiany barwy, czy też składu chemicznego.
Jak wykazały badania jednym ze sposobów minimalizowania negatywnych efektów podczas suszenia konwekcyjnego jest prowadzenie tego procesu w warunkach niestacjonarnych, tj. spowalnianie procesu, gdy zachodzi niebezpieczeństwo destrukcji materiału i jego przyspieszanie, gdy takiego niebezpieczeństwa nie ma. Proces ten, zwany w języku angielskim intermittent
drying, najczęściej polega na kontrolowanym dostarczaniu energii cieplnejzmieniającej się w regularnych bądź nieregularnych odstępach czasu. W związku z tym, postawiono hipotezę zakładającą, że jeżeli proces suszenia konwekcyjnego wywołuje różne zmiany właściwości suszonych materiałów, to zmiana parametrów prowadzenia tego procesu powinna zminimalizować jego negatywne efekty i prowadzić do uzyskania lepszej jakości produktów.
Praca ma charakter teoretyczno-doświadczalny. Część teoretyczna składa się z trzech rozdziałów, w których zawarto podstawy teoretyczne związane z procesem suszenia niestacjonarnego. Omówiono istotę suszenia w warunkach zmiennych, jego zalety oraz wady, scharakteryzowano różne techniki suszenia realizowane w sposób przerywany, a ponadto przedstawiono metody kontroli i wspomagania tego procesu. W części doświadczalnej przedstawiono metodykę badań, materiały doświadczalne i stanowisko badawcze z dokładnym opisem aparatury i przyrządów używanych podczas badań.
Testy suszenia konwekcyjnego wybranych produktów biologicznych
przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych z wykorzystaniem konwekcyjnej
suszarki komorowej, która umożliwia prowadzenie procesu w sposób
niestacjonarny, z uwzględnieniem różnych częstotliwości oraz amplitud zmian
parametrów powietrza. Zaprezentowano analizę otrzymanych wyników badań,
tj. krzywe suszenia w warunkach stacjonarnych i niestacjonarnych, zmianę
wybranych wskaźników suszonych produktów, m.in. całkowitą zmianę barwy,
9
aktywność wody oraz zawartość naturalnych barwników i witamin, a także analizę energochłonności procesów suszenia.
Nowatorskim elementem pracy jest nie tylko zastosowanie suszenia niestacjonarnego, ale także zbadanie wpływu różnych metod obróbki wstępnej oraz intensyfikacji usuwania wilgoci przy zastosowaniu ultradźwięków, na kinetykę suszenia w warunkach zmiennych i właściwości uzyskanych produktów.
Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów wyciągnięto wnioski
i dokonano oceny pod kątem założonych w pracy celów. Ponadto przedstawiono
optymalne warunki prowadzenia suszenia okresowego oraz korzyści płynące ze
stosowania tej techniki suszenia.
10
Część teoretyczna
11
1. Suszenie w zmiennych warunkach procesowych
Suszenie jest operacją technologiczną, w której zachodzą jednoczesne procesy wymiany ciepła i masy, a ponadto występują zmiany strukturalno- mechaniczne oraz fizyko-chemiczne materiału suszonego. Suszenie termiczne jest najpowszechniejszą metodą usuwania wilgoci, a jego głównym celem jest zwiększenie trwałości produktów końcowych, ale także zmniejszenie masy materiału i poprawienie jego wytrzymałości. Ponieważ wilgoć stanowi integralną część struktury w większości wilgotnych materiałów, suszenie prowadzi zwykle do zmian fizykochemicznych, skutkujących niekiedy pogorszeniem ich własności technologicznych, a także użytkowych. Aby te negatywne efekty zredukować do minimum, ważny jest dobór odpowiedniej metody i warunków suszenia, mający zasadniczy wpływ na jakość suszonych produktów. Wybór właściwej metody suszenia zależy nie tylko od rodzaju materiału i stawianych wymagań jakościowych, ale i wielu innych czynników, m.in. kwestii rozwiązania aparaturowego, automatyzacji procesu, doboru odpowiednich źródeł ciepła, względów ekonomicznych (koszty), czy też bezpieczeństwa. Dlatego też poszukuje się ciągle coraz doskonalszych metod i rozwiązań alternatywnych w stosunku do metod tradycyjnych. Dzięki modyfikacjom konwencjonalnych technik usuwania wilgoci, a jednocześnie przy minimalnych nakładach inwestycyjnych i maksymalnej wydajności procesu, można uzyskać pożądanej jakości produkty przy zredukowanej konsumpcji energii (Strumiłło, 1983;
Mujumdar, 2007; Chua i inni, 2003).
1.1. Istota suszenia niestacjonarnego
Zróżnicowane właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne, biochemiczne
etc. mokrego materiału oraz wymagania jakościowe suchego produktu,
spowodowały intensywny rozwój różnych technologii suszenia i aparatury
suszącej. Trudno byłoby obecnie wskazać uniwersalną metodę suszenia
i optymalne rozwiązanie konstrukcyjne suszarki spełniające powyższe
wymagania. Z kolei, w przypadku konwencjonalnych metod suszenia
i stosowanej aparatury istnieje wiele problemów związanych z ich efektywnym
użytkowaniem, m.in.:
12
brak jednorodności cech jakościowych materiału spowodowanych przesuszeniem bądź niedosuszeniem materiału w wyniku nierównomiernej lub niedostatecznej ekspozycji na czynnik suszący,
długi czas suszenia wynikający z nieefektywnych i przeciwstawnych mechanizmów suszenia, na przykład dyfuzji i termodyfuzji,
niska wydajność procesu suszenia i stosunkowo wysokie koszty operacyjne.
Dążenie do przezwyciężania wyżej wymienionych ograniczeń charakterystycznych dla konwekcyjnej techniki suszenia przyczyniło się do powstania wielu nowych zmodyfikowanych technologii suszenia. Rozwój nowych alternatywnych technik suszenia podyktowany jest wymogami rynku i zaspokajaniem wzrastającego popytu na coraz lepszej jakości produkty oraz ograniczenia energetyczne. Jednym z ostatnio intensywnie rozwijanych rozwiązań jest suszenie niestacjonarne, zwane też przerywanym lub okresowym (ang.
intermittent drying), polegające na zmianie warunków suszenia w trakcie
prowadzenia procesu. W metodzie tej w określonych odstępach czasu następuje spowalnianie procesu, gdy zachodzi niebezpieczeństwo destrukcji materiału, a następnie przyspieszanie, gdy takie niebezpieczeństwo minęło (Mujumdar 2009;
Mujumdar, 2004; Kowalski i Pawłowski, 2010b).
Ogólnie, mechanizm suszenia w okresowo zmiennych warunkach oparty jest na kontrolowanym dostarczaniu energii cieplnej, zmieniającej się w regularnych bądź nieregularnych odstępach czasu. Najczęściej suszenie w trybie niestacjonarnym odbywa się ze zmianą (wahania/pulsacje) parametrów procesowych, takich jak temperatura i wilgotność w komorze suszarki oraz prędkość przepływu powietrza suszącego. Programowanie tych zmian ściśle wiąże się z ich częstotliwością oraz amplitudą, które po ich zastosowaniu albo pozostają stałe, albo narastają, albo maleją w czasie. Zazwyczaj, w tego typu operacjach częstotliwość zmian tych parametrów nie jest duża.
Zmiany parametrów suszenia mają formę zdarzeń cyklicznych uporządkowanych bądź też nieuporządkowanych (dowolnych). Modyfikacja warunków suszenia może być związana także z różnymi formami dostarczania energii: konwekcja, przewodzenie, promieniowanie mikrofalowe lub podczerwone, czy też pola elektryczne wysokiej częstotliwości. Alternatywnie, energię dostarcza się na drodze kombinacji kilku mechanizmów, np. przez połączenie konwekcji z przewodzeniem lub promieniowaniem, bądź też z ogrzewaniem dielektrycznym, równocześnie lub według ustalonej sekwencji (Chua i inni, 2003; Kumar i inni, 2014).
Ponieważ suszenie niestacjonarne można przeprowadzać różnymi sposobami,
schemat ogólnej klasyfikacji tych sposobów pokazano na rysunku 1.1.
13 Rys. 1.1. Uogólniona klasyfikacja metod suszenia w warunkach zmiennych.
W górnej części schematu przedstawiono przykładowe zmienne, jakie zwykle wykorzystuje się w procesie suszenia, natomiast poniżej zaprezentowano możliwe sposoby operowania tymi zmiennymi. W przypadku suszenia w trybie okresowym, wyróżnia się cztery główne kategorie programów zmian:
a) okresowa zmiana temperatury i/lub wilgotności powietrza, a także okresowa zmiana prędkości przepływu powietrza,
b) kombinacja trzech faz suszenia: 1 – faza suszenia w podwyższonej temperaturze, 2 – faza relaksacji, 3 – faza powolnego chłodzenia,
c) recyrkulacja przepływu powietrza w określonym czasie,
d) oscylacje temperatury, prędkości, wilgotności powietrza lub ciśnienia roboczego wg określonego schematu o charakterze harmonicznym, prostokątnym lub piłokształtnym (Kumar i inni, 2014; Chua i inni 2003).
Poniżej przedstawiano przykładowe schematy zmian parametrów procesu suszenia niestacjonarnego.
Rys. 1.2. Schematy zmian parametrów procesowych.
14
Szczególnie ważnym etapem podczas suszenia w warunkach niestacjonarnych jest tzw. okres relaksacji (ang. tempering lub resting period), w czasie którego następuje zmiana poszczególnych parametrów suszenia, względnie przerwa w uprzednio dobranym schemacie zmian. Najczęściej w trakcie tego cyklu nie dostarcza się już ciepła do układu. Różnorodność stosowanych programów suszenia daje nieograniczone możliwości sterowania tym okresem. Przykładem może być: obniżanie mocy grzania, intensywne schładzanie, czy też tymczasowe usuwanie suszonego materiału z suszarki i pozostawianie go w otaczającym powietrzu na klika godzin lub nawet dni. Etap relaksacji pełni kluczową rolę w przebiegu okresowych procesów suszenia z tego względu, że na skutek pauzy w trakcie intensywnego usuwania wilgoci z suszonego materiału dochodzi w nim do wyrównywania się rozkładów wilgotności i temperatury. Wtedy, wilgoć zawarta w materiale dyfunduje z głębszych warstw o wyższej zawartości wilgoci do powierzchni, zapewniając równomierny jej rozkład wewnątrz materiału. Następnie, warunki procesu powracają do wcześniej zaprogramowanych, i w kolejnym cyklu dostarczanie ciepła zostaje wznowione, a wilgoć odparowywana jest ponownie z powierzchni materiału, co zwiększa szybkość suszenia (Pan i inni, 1997; Pan i inni, 1999; Bon i Kudra, 2007; Shei i Chen, 2002).
Ponieważ cykliczne zmiany parametrów suszenia mogą w różny sposób wpływać na jakość końcową produktów oraz zużycie energii, wielkość i częstość tych zmian nie może być dowolna. Powinna zostać dobrana na podstawie ścisłe zdefiniowanych właściwości fizycznych, chemicznych, etc. badanego ciała oraz analizy wymiany ciepła i masy, a także w zależności od indywidualnych cech danej techniki suszenia. W przypadku oscylacji, pulsacji itd., przebiegających w określonych regularnych lub nieregularnych odstępach czasu, możliwe jest scharakteryzowanie współczynnika okresowości zmian α [-]. Parametr ten wyraża stosunek czasu danego cyklu suszenia w określonych warunkach procesowych, lub czasu relaksacji, do czasu pełnego cyklu suszenia (tzn. czasu suszenia i relaksacji razem). Należy zaznaczyć, iż współczynnik ten dotyczy jedynie pojedynczego, pełnego cyklu, a nie całkowitego czasu trwania procesu suszenia:
off on
on on
(1.1)
gdzie odpowiednio: τ, to całkowity czas pełnego cyklu, a τ
oni τ
off, to odpowiednio
czas załączenia zmian oraz ich wyłączenia (okres relaksacji). Zasadniczo
współczynnik α występuje w postaci ułamków, a im większa wartość ułamka, tym
dłuższy czas określonych zmian, bądź relaksacji. Gdy α = 1 to mamy do czynienia
z suszeniem w trybie ciągłym. W przypadku prowadzenia kilku procesów
suszenia w warunkach okresowo zmiennych, przy zastosowaniu tej samej
aparatury oraz jednakowych parametrów, jednakże z zróżnicowanym czasie
15
poszczególnych faz (załącz/wyłącz), współczynnik okresowości α ułatwia porównanie efektywności, tudzież sprawności energetycznej procesu. W związku z tym, ilość oraz czas poszczególnych zmian danego parametru należy starannie zaplanować by osiągnąć optymalną oszczędność energii. W przeciwnym razie, pożądane efekty energetyczne, jak również jakościowe końcowych produktów staną się niemożliwe lub trudne do osiągnięcia (Ho i inni, 2001; Jumah i inni, 2007; Kumar i inni, 2014).
1.2. Zalety i wady suszenia w warunkach niestacjonarnych
Ze względu na różnorodność metod suszenia (konwencjonalne, innowacyjne) oraz ich techniczną realizację (ciągłe, przerywane), zawsze istnieje pewne ryzyko strat i niekorzystnych zmian właściwości suszonych produktów, które mogą wynikać z nieodpowiedniego zaprojektowania wielkości procesowych. Jednym z zasadniczych kryteriów oceny procesu suszenia jest zużycie energii na odparowanie wilgoci zawartej w materiale oraz jakość produktu, niezależnie od wybranej metody suszenia. Zachodzi więc potrzeba zidentyfikowania zakresu możliwości dostarczania ciepła do układu, biorąc pod uwagę fakt, iż każda manipulacja parametrami suszenia może mieć odmienny wpływ na przebieg całego procesu. W środowisku przemysłowym, gdzie suszenie jest często podstawowym procesem jednostkowym, głównym zadaniem jest nie tylko zachowanie dobrej jakości produktu, ale także skrócenie czasu suszenia, co przekłada się na określone koszty operacyjne. W związku z powyższym, bardzo ważne jest znalezienie pewnego optimum w realizacji procesu, do czego niezbędna jest szczegółowa analiza efektywności różnych rozwiązań.
Liczne badania eksperymentalne prowadzone nad suszeniem niestacjonarnym dowodzą, iż taki sposób suszenia pozwala rozwiązać trudności związane, m.in.
z energochłonnością oraz czasochłonnością procesu, co niesie ze sobą o wiele więcej korzyści w porównaniu z metodami konwencjonalnymi, często prowadzonymi w tzw. ostrym reżimie (np. suszenie konwekcyjne). Jak donosi literatura (Ratti i Mujumdar, 1993; Jumah i inni, 1996; Pan i inni, 1999; Tan i inni, 2001; Bon i Kudra, 2007), jednym z ważniejszych atrybutów suszenia w trybie okresowym jest minimalizacja zużycia energii elektrycznej. Dzięki zastosowaniu sekwencji dwu lub więcej cykli składających się z intensywnego usuwania wilgoci (stałe warunki) oraz relaksacji (zazwyczaj zmienne warunki) zaobserwowano znaczący spadek zapotrzebowania energetycznego na jednostkę odparowywanej wilgoci z materiału. Z tego względu, suszenie przerywane stało się jednym z najbardziej energooszczędnych i opłacalnych procesów suszenia, a także przedmiotem optymalizacji prowadzonej przez wielu badaczy.
Przykładowo Jumah i inni (Jumah i inni, 1996) w swojej pracy o charakterze
16
empiryczno-modelowym opisali proces suszenia materiałów ziarnistych z wykorzystaniem nowatorskiej suszarki fontannowej. W badaniach tych przeanalizowano wpływ periodycznych ruchów złoża wywołanych obrotowym strumieniem powierza, jak również oddziaływanie cyklicznego podgrzewania strumienia powietrza na przebieg procesu suszenia. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów dowiedziono, iż aplikacja takich zmian zmniejsza zużycie powietrza (netto), a w związku z tym redukuje pobór energii elektrycznej do ok. 15 – 35% i obniża koszty eksploatacyjne, co z kolei poprawia sprawność energetyczną procesu.
Kolejną zaletą, a zarazem istotnym kierunkiem prowadzenia suszenia w warunkach okresowo zmiennych jest wzrost szybkości procesu i skrócenie efektywnego czasu suszenia materiałów przez zredukowanie ogrzewania (np. w suszarkach konwekcyjnych). Ponieważ o szybkości procesu odwadniania decyduje szybkość migracji wilgoci z wnętrza materiału do powierzchni parowania, z dotychczasowych badań nad kinetyką suszenia niestacjonarnego (Pan i inni, 1997; Devahastin i Mujumdar, 1999; Chou i inni, 2000; Shei i Chen, 2002; Ho i inni, 2002; Jumah i inni, 2007) wynika, że oprócz zmian parametrów procesowych, decydujący wpływ na poprawę wymiany ciepła oraz masy ma stosunek czasu ogrzewania do czasu relaksacji, czyli wspomniany wyżej współczynnik okresowości α. W wymienionych pracach stwierdzono mi.in, że etap relaksacji gwarantuje jednolity rozkład wilgoci w suszonym materiale, co zwiększa prędkość usuwania wilgoci w każdym kolejnym (aktywnym) etapie suszenia, a ponadto znacznie zmniejsza efektywny czas suszenia potrzebny do uzyskania jednakowej końcowej zawartości wilgoci, nawet o 60%, w porównaniu z suszeniem w trybie ciągłym. Jednakże, jak zaobserwował również Jumah (Jumah, 1995) w pewnych przypadkach należy spodziewać się umiarkowanego, niekiedy znacznego, wzrostu czasu suszenia. Zatem, stosowanie długotrwałych zmian wielkości procesowych, tj. gdy współczynnik α > 0,75, może niekorzystnie wpływać na proces usuwania wilgoci (spowolnienie), w związku z czym wydłuża się całkowity czas suszenia. W przypadku niektórych produktów jest to wręcz niedopuszczalne, ponieważ może skutkować ich rehydratacją oraz utratą jakości (Kumar i inni, 2014). Pomijając jednak ten fakt, wyższa sprawność energetyczna w tym procesie kompensuje tę wadę.
Jakość suszonej żywności jest następnym, fundamentalnym czynnikiem,
który należy rozważyć równocześnie z aspektem energetycznym. W większości
procesów suszenia, a szczególnie w przypadku wrażliwych materiałów
biologicznych, np. produktów żywnościowych, wskutek obróbki cieplnej
obserwuje się poważy spadek jakości, związany m.in. z utratą koloru, składników
odżywczych, smaku i tekstury. W obecnych wymaganiach rynkowych, jak
i światowym lobby związanym ze zdrową, pełnowartościową, wysokiej klasy
żywnością, zarówno aspekt jakości, jak i ekonomika procesu suszenia są bardzo
ważne, choć niekiedy wzajemnie przeciwstawne (Woodroof i Luh, 1986;
17
Brennan, 2006). Dlatego też w praktyce przemysłowej właściwy dobór technologii suszenia oraz dokładna selekcja wszystkich parametrów roboczych aparatury suszącej zwiększa szansę na wytwarzanie wysokojakościowych produktów.
Obecnie jedną z coraz bardziej rekomendowanych metod suszenia produktów pochodzenia rolniczego jest właśnie suszenie w okresowo zmiennych warunkach.
Liczne eksperymenty (Pan i inni, 1999; Chua i inni, 2000; Ho i inni, 2001, Thomkapanich i inni, 2007; Guine i inni, 2007) wykazały, iż poprawa cech jakościowych suszonych produktów rolniczych jest efektem utrzymywania się znacznie niższej średniej temperatury materiału suszonego, która w trakcie procesu nie przekracza wstępnie określonej wartości, powyżej której może wystąpić uszkodzenie termiczne. Ważnym elementem uzyskania dobrej jakości produktu przy suszeniu w okresowo zmiennych warunkach jest również skrócenie czasu ekspozycji materiału na działanie gorącego czynnika suszącego, w porównaniu z suszeniem realizowanym w stałych warunkach. Wyniki tych badań wykazały znaczną poprawę barwy materiałów pochodzenia biologicznego, redukcję nieenzymatycznego brązowienia, niższy stopień degradacji β-karotenu oraz zawartości kwasu askorbinowego. Badania eksperymentalne i symulacje numeryczne dotyczące suszenia ryżu i makaronu przedstawione w pracach Li, (1999), Aquerreta i inni (2007) oraz Xing i inni (2007) wykazały, iż wprowadzenie materiału w stan relaksacji (wstrzymanie ogrzewania) redukuje gradienty temperatury i wilgotności, co skutecznie pozwala zminimalizować generowanie naprężeń suszarniczych, a w związku z tym ochronić materiał przed pękaniem. Váquiro i inni (2009) w swojej pracy przedstawili problem optymalizacji suszenia przerywanego owoców mango dla różnych temperatur powietrza oraz różnych ilości poszczególnych cykli w suszarce konwekcyjnej.
Jako funkcję celu przyjęto minimalizację przyrostu entalpii produktu. W wyniku przeprowadzonych symulacji stwierdzono, iż suszenie okresowe pozytywnie wpływa na redukcję przyrostu entalpi produktu (do 23%). Ponadto stwierdzono, że rozpatrując średni przyrost entalpi, jako główne kryterium optymalizacji suszenia niestacjonarnego, można kontrolować temperaturę powierzchni suszonego produktu, co pozwala zminimalizować problemy związane z jakością, np. reakcje nieenzymatycznego brązowienia, czy też utwardzania produktów cechujących się dużą zawartością węglowodanów.
Ponadto, cennym atutem suszenia okresowego są niewielkie, dodatkowe koszty inwestycyjne związane z koniecznością modyfikacji tradycyjnych suszarek wymagających uzupełnienia konstrukcji, bądź też zmian w ich eksploatacji.
Jak zaprezentowano powyżej, bogata literatura związana z tematyką suszenia
niestacjonarnego opisuje liczne eksperymenty, których celem była analiza
wydajności licznych technik i programów suszenia okresowego. Na bazie
modelowania matematycznego i badań empirycznych można bowiem wskazać
18
kilka istotnych zalet odwadniania biomateriałów w warunkach okresowo zmiennych:
a) zmniejszenie zużycia energii, b) skrócenie czasu suszenia,
c) zwiększenie prędkości suszenia mimo okresowych zmian, d) obniżenie temperatury powierzchni materiału,
e) poprawa jakości produktu, m.in. redukcja skurczu, kruchości, pęknięć, poprawa właściwości sensorycznych i retencji składników odżywczych.
Należy tu jednak podkreślić, iż w zależności od zastosowanej metodologii suszenia przerywanego, a przede wszystkim od wartości współczynników okresowości α, stopień poprawy wydajności energetycznej oraz kinetyki suszenia, może być różny i zwykle waha się w granicach od kilku do nawet kilkudziesięciu procent.
1.3. Przegląd niestacjonarnych technik suszenia
Tradycyjne sposoby suszenia prowadzone na szeroką skalę w przemyśle przebiegają z reguły w niezmiennych warunkach, czyli przy stałych wartościach parametrów procesowych. Jednakże, w rzeczywistości procesy przemysłowe ze względu na ich długotrwałość są często przerywane. Do takich procesów można zaliczyć, m.in. liofilizację (suszenie sublimacyjne), suszenie w suszarkach bębnowych, suszenie fluidyzacyjne, czy wielowalcowe suszenie papieru (Chua i inni, 2003). Przy suszeniu przerywanym (niestacjonarnym), zróżnicowana może być częstotliwość pracy suszarek, czy długotrwałość okresów przerw i pracy suszarek, która może być uwarunkowana cechami konstrukcyjnymi lub wynikać z celowo zaprogramowanych i ścisłe kontrolowanych zmian poszczególnych okresów i parametrów procesowych.
Zazwyczaj, suszarki okresowe cechuje prostota konstrukcji, a co najważniejsze możliwość regulacji warunków suszenia, np. poprzez dostarczanie powierza o różnej temperaturze i/lub wilgotności w trakcie różnych faz suszenia, w zależności od postawionego zadania (Strumiłło, 1983; Mujumdar, 2009).
Do suszarek pracujących w trybie okresowo zmiennym należą między innymi:
a) suszarki fontannowe z wirującym strumieniem powietrza,
b) suszarki fluidyzacyjne z pulsującym złożem (okresowa fluidyzacja złoża), c) suszarki fluidyzacyjne ze złożem wibrującym (okresowa relaksacja), d) suszarki promiennikowe i mikrofalowe z pompą ciepła,
e) suszarki z przenośnikiem płytowym (z nieogrzewanym segmentem).
19
Poniżej scharakteryzowano krótko przykłady z literatury, których przedmiotem badań było suszenie materiałów biologicznych w warunkach niestacjonarnych.
Suszenie fluidalne zajmuje ważną pozycję wśród nowoczesnych metod suszarniczych. Jest ono wykorzystywane głównie do suszenia materiałów ziarnistych, a także past i zawiesin, m.in. w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, ceramicznym i rolnictwie. Konkurencyjność tej metody w stosunku do konwencjonalnej aparatury suszącej (np. suszarki komorowe, talerzowe, bębnowe), polega głównie na najlepszej uzyskiwanej intensywności suszenia w stosunku do kosztów przetłaczania gazu. Efektywność tej metody wzrasta wraz z modyfikacją tej metody i jej wspomaganiem, np. efektami wibracyjnymi, czy też pulsacyjnymi (Strumiłło, 1983). Jednym ze sposobów suszenia biomateriałów w trybie okresowo zmiennym w suszarkach fluidalnych jest manipulowanie cyklicznością przepływu powietrza przez złoże (Pan i inni, 1999), bądź też okresowe poddawanie suszonego surowca relaksacji w umiarkowanych temperaturach otaczającego powietrza. W pracy Pan i inni, (1997) przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych suszenia marchwi w złożu wibrofluidyzacyjnym. Na rysunku 1.3 pokazany jest schemat suszarki wibrofluidyzacyjnej obsługiwanej w trybie okresowym.
Rys. 1.3. Laboratoryjna suszarka wibrofluidyzacyjna.
W celu przyspieszenia procesu wymiany masy i ciepła oraz wyrównania wilgoci w suszonym materiale, zastosowano dwuetapowy proces suszenia polegający na odwadnianiu złoża fluidalnego ze stałą częstością i stałą temperaturą gazu oraz powolnym schładzaniem trwającym ok. 9,5 h w otaczającym powietrzu (15/25°C). Zaobserwowano zredukowanie efektywnego czasu suszenia z 76 min do około 45 min, co przyniosło oszczędność energetyczną rzędu 30 – 40%.
Prekursorem suszenia w warunkach okresowo zmiennych w Polsce byli
Maria Głowacka i Jerzy Malczewski (Głowacka i Malczewski, 1986). W swojej
20
pracy przedstawili wyniki badań teoretycznych i eksperymentalnych procesu suszenia konwekcyjnego materiałów ziarnistych (m.in. pszenicy) w suszarce fluidyzacyjnej w oscylującej temperaturze gazu. Zbadano wpływ częstotliwości zmian temperatury powietrza oraz współczynnika okresowości α (tj. stosunek czasów chłodzenia do ogrzewania w jednym okresie zmian temperatury gazu) na przebieg procesu. Rysunek 1.4 przedstawia schemat aparatury wykorzystany w omawianych badaniach oraz profil zmian (oscylacji) temperatury gazu.
a) b)
Rys. 1.4. Suszarka fluidyzacyjna pracująca z gazem o oscylującej temperaturze (a) oraz przebieg temperatury gazu w trakcie suszenia (b).
Na podstawie uzyskanych rezultatów stwierdzono, iż suszenie fluidyzacyjne pszenicy w warunkach oscylującej temperatury gazu jest znacznie mniej energochłonne (od kilku do kilkunastu procent) w porównaniu do suszenia prowadzonego w warunkach izotermicznych. Ponadto wykazano, że oszczędność energii rośnie wraz ze wzrostem wartości współczynnika α i spadkiem częstotliwości zmian temperatury powietrza.
Suszenie w złożu fontannowym, to technika suszarnicza opierającą się na zasadzie usuwania wody z materiału w formie cząstek, ziaren, granulek, w trakcie unoszenia go przez strumień powietrza, umożliwiająca zachowanie relatywnie niskiej temperatury materiału suszonego, oraz korzystniejsze wskaźniki techniczno-ekonomiczne i jakościowe. Za zastosowaniem suszarki fontannowej do suszenia materiałów pochodzenia biologicznego przemawia fakt uzyskania większego objętościowego strumienia wilgoci uzyskanego z jednostki objętości komory w porównaniu, np. z suszarkami tunelowymi do owoców i warzyw.
Aparaty takie wykazują istotne dla techniki suszarniczej realizowanej
w warunkach okresowych zalety, tj. możliwość operowania prędkością przepływu
gazu od dołu do góry, co pozwala poddawać jednoczesnemu suszeniu cząstki
ciała stałego o różnych wymiarach i w zakresie różnorakiej intensywności, a także
21
dostatecznie duże prędkości przepływu czynnika suszącego (Strumiłło, 1983;
Glaser, 1991).
Cykliczny tryb pracy suszarki fontannowej przetestowali Oliveira i Rocha (2007). Materiał badawczy stanowiły ziarna fasoli Carioca, a sam proces przeprowadzono w dwóch konfiguracjach, jako okresowe zmiany prędkości przepływu powietrza przez złoże oraz cykliczne odcinanie dopływu powietrza do złoża (20/40min). Stwierdzono, iż suszenie materiałów ziarnistych w postaci periodycznego ruchu w złożu fontannowym jest obiecującą techniką, głównie ze względu na poprawę efektywności energetycznej oraz jakości suszonych produktów (redukcja ścierania i uszkodzeń mechanicznych). W badaniach nad suszeniem owoców jałowca w sposób ciągły i cyklicznie z przerwami w warunkach złoża fontannowego (Peroń i inni, 2011), zaobserwowano (rys.
1.5a), że 3-godzinne przerwy w suszeniu fontannowym skracają efektywny czas ich suszenia i skutkują około 20% wzrostem wielkości objętościowego strumienia wilgoci w porównaniu z suszeniem ciągłym. Podobną zależność zaobserwowano w eksperymentach suszarniczych ziaren kukurydzy w suszarce fontannowej z wirującym strumieniem powietrza (Bon i Kudra, 2007) (rys. 1.5b). W tym przypadku ziarnisty materiał poddawany był okresowemu działaniu gorącego powietrza z obrotowej dyszy. Poniżej, na rysunku 1.5 przedstawiono schemat aparatury, którą wykorzystano w powyżej opisanych testach suszarniczych.
a) b)
Rys. 1.5. Laboratoryjne suszarki fontannowe pracujące w warunkach okresowo zmiennej temperatury powietrza.
Jednym z ciekawszych i efektywnych sposobów dostarczania ciepła do
suszonego produktu jest zastosowanie promieniowania mikrofalowego. Suszenie
mikrofalowe umożliwia, między innymi redukcję kurczenia się produktu,
zapewnienie sterylności procesu, znaczną jego intensyfikację i ścisłą kontrolę
parametrów procesowych. Z kolei suszenie radiacyjne charakteryzuje się znacznie
krótszym czasem suszenia, inhibitującym działaniem na niektóre drobnoustroje
i sprzyja zachowaniu większej ilości substancji biologicznie czynnych
w porównaniu z tradycyjnym suszeniem konwekcyjnym. Główną wadą tych
22
suszarek są niestety wysokie koszty energetyczne (Strumiłło, 1983; Chou i Chua, 2001; Wang i Sheng, 2006).
W ostatnich latach nastąpił wzrost zainteresowania możliwością wdrożenia metody suszenia niestacjonarnego z wykorzystaniem pola mikrofalowego oraz promieniowania podczerwonego (często razem z suszeniem konwekcyjnym) do produktów pochodzenia biologicznego bogatych w cenne dla zdrowia składniki odżywcze. Na rysunku 1.6 pokazano eksperymentalny system do suszenia mikrofalowego.
Rys. 1.6. Schemat suszarki mikrofalowej działającej w trybie okresowo zmiennym.
Okazało się, iż metoda ta przy właściwym doborze zmian mocy mikrofal, czasu promieniowania oraz długości okresów relaksacji, pozwala na uzyskanie dobrej tekstury, jak również umożliwia bardzo szybkie usunięcie wody z materiału w umiarkowanej temperaturze, a straty wrażliwych składników odżywczych, w tym witamin i związków aromatycznych, są stosunkowo niewielkie, a barwa i smak w dużym stopniu zachowane (Wang i Xi, 2005; Chua i Chou, 2005; Soysal i inni, 2009; Guilherme i inni, 2011).
Warto również dodać, iż suszenie słoneczne, jedna z najstarszych metod
odwadniania produktów żywnościowych poprzez działanie promieni słonecznych,
z natury przebiega w warunkach okresowo zmiennych, kiedy to etap relaksacji
zachodzi na skutek zapadnięcia zmroku. Słoneczne techniki cieplne wykorzystuje
się po dzień dzisiejszy na szeroką skalę do suszenia m.in. kawy, ryżu, manioku,
mango, bananów, roślin leczniczych oraz ziół. Minusem tej techniki suszenia jest
ryzyko absorpcji wilgoci i zmian sensorycznych, kiedy to uprawy przykrawa się
plandeką na noc. Ciekawym zatem pomysłem na zminimalizowanie tych
negatywnych cech jest prowadzenie procesu przy wykorzystaniu ogrzanego
energią słoneczną powietrza w suszarkach solarnych. Fagunwa i inni (2009)
w swej pracy zaprezentowali wyniki testów suszenia okresowego ziaren
kakaowca na zasadzie konwekcji swobodnej oraz wymuszonej, w suszarni
solarnej z komorą magazynującą ciepło (rys. 1.7).
23 Rys. 1.7. Eksperymentalna suszarka solarna.
Wykazano, iż suszenie przerywane w suszarce solarnej umożliwia
zachowanie dobrej jakości ziarnistego produktu, zabezpiecza go przed
wchłanianiem wilgoci, a tym samym przed biochemiczną degradacją oraz
rekcjami brązowienia, a ponadto pozwala uzyskać niższą zawartość wilgoci i
w krótszym czasie, w porównaniu z procesem prowadzonym wyłącznie na
wolnym powietrzu.
24
2. Efektywność suszenia w warunkach niestacjonarnych
Pojęcie efektywności określane jest w ekonomii jako stosunek wielkości produkcji do wielkości poniesionych nakładów (Marciniak, 1998). W przypadku suszenia, jednym z podstawowych wskaźników pomiaru efektywności jest zużycie energii oraz czas suszenia, a także jakość suszonego produktu.
Z oszacowań prowadzonych w różnych gałęziach przemysłu wiadomo, że suszenie jest procesem energochłonnym. Suszenie pochłania od 10 – 15%
(Wielka Brytania, Francja, USA, Kanada) do nawet 20 – 25% (Dania, Niemcy) całkowitej energii zużywanej w przemyśle (Strumiłło, 2007; Jangam i Mujumdar, 2010). W trakcie suszenia może dochodzić również do niekorzystnych zmian jakości, w tym skurczu, odkształceń, utraty barwy, smaku, zapachu oraz obniżenia wartości odżywczej w przypadku produktów spożywczych. Dlatego też, o efektywności każdej metody suszenia decyduje także jakość uzyskiwanych produktów.
Kolejnym, istotnym wskaźnikiem efektywności procesu suszenia jest czas
potrzebny na całkowite usunięcie wilgoci. Suszenie jest operacją niezwykle
czasochłonną, a przebieg odwadniania zależy głównie od struktury materiału
suszonego i sposobu związania z nim wilgoci. Skuteczność usuwania wilgoci
z danego materiału zleży zarówno od zastosowanej metody suszenia jak
i aparatury suszarniczej. Jest wiele typów surowców, a do nich należą materiały
biologiczne, takie jak owoce i warzywa, których suszenie wymaga
wysublimowanych technik ze względu na ich termiczną wrażliwość. W tym
przypadku, metody suszarnicze dające żądane efekty oraz możliwość
intensyfikacji procesu i skrócenia czasu suszenia są dość ograniczone. Stąd też
ciągle rośnie zapotrzebowanie na coraz doskonalsze metody suszenia dopasowane
do danego sortymentu surowca. Coraz częściej stosuje się kombinowane
(hybrydowe) techniki suszenia umożliwiające podnoszenie sprawności
i efektywności tego procesu. Rozwojowi nowatorskich metod suszenia
towarzyszy zawsze wnikliwa analiza parametrów charakteryzujących
efektywność procesu oraz ich ciągłe kontrolowanie. Dokonuje się w ten sposób
oceny danej technologii suszenia oraz wyciąga wnioski, wskazujące na kierunki
25
dalszego doskonalenia i wprowadzania innowacji (Mujumdar, 2004; Tkaczyk i Wojtaszek, 2002).
2.1. Aspekt energetyczny
Zarówno intensywność sposobów suszenia oraz ich energochłonność mają istotne znaczenie w strukturze kosztów wytwarzania suszonych produktów.
W dobie trwającego kryzysu energetycznego i podwyżek cen paliw stałych, gazu, energii oraz stale rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną, a z drugiej strony nacisk regulacji prawnych dotyczących zrównoważonego rozwoju, mobilizuje producentów aparatury suszącej i inspiruje naukowców do ciągłego poszukiwania oszczędności energetycznych. Najczęściej, zmniejszenia zużycia energii dokonuje się poprzez projektowanie procesów określanych jako efektywne oraz przez budowę nowych modeli suszarek bądź modernizację aparatury suszarniczej, a także samych urządzeń grzewczych, wentylacyjnych o mniejszym zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Duże oszczędności zarówno czasowe jak i energetyczne można uzyskać wykorzystując uprzednie modelowanie matematycznie i komputerowe symulacje procesów suszenia w celu poszukiwania rozwiązań optymalnych.
Ilość zużywanej energii w procesach suszenia jest jednym z elementów świadczących o jego efektywności. A zatem, im mniej energii pochłaniane jest na odwadnianie możliwie jak największej ilości materiału, tym bardziej efektywnym energetycznie staje się proces suszenia. Z doświadczenia wynika, że pospolite suszenie konwekcyjne z użyciem gorącego powietrza jako medium suszącego jest procesem silnie energochłonnym. Jest to jeden z najbardziej energochłonnych procesów jednostkowych i szacuje się, że pochłania około 15% całkowitej energii wykorzystywanej w całym przemyśle, przy czym sprawność energetyczna aparatury jest stosunkowo niska i waha się w granicach od 25 do 50%. Sprawność termiczna suszarek, a szczególnie tych najbardziej rozpowszechnionych, tj. konwekcyjnych, gdzie wraz z opuszczającym wilgotnym i ciepłym powietrzem tracona jest znaczna ilość energii, jest niska i wynosi w przypadku niektórych aparatów konwekcyjnych zaledwie 20%.
W dzisiejszych czasach problem energochłonności jest niezwykle istotny,
m.in. ze względu na ochronę środowiska, efekt cieplarniany oraz wyczerpywanie
się paliw kopalnianych. Dlatego też bardzo ważne jest zminimalizowanie
konsumpcji energii i jej rozważne użytkowanie także w suszarnictwie. Wśród
wielu możliwości osiągnięcia tego celu testuje się różne metody suszenia
i rozwiązania aparaturowe o niższej energochłonności w stosunku do
konwencjonalnej metody konwekcyjnej, m.in. przez zastosowanie suszenia
mikrofalowego, dielektrycznego, solarnego, recyrkulacji czynnika suszącego
(rekuperatory), czy też pomp ciepła i innych metod (Strumiłło i inni, 2007; Kudra,
2004).
26
Jedną z coraz częściej ostatnio rozwijanych metod poprawy efektywności procesu suszenia i wydajności energetycznej urządzeń suszarniczych jest aplikacja okresowych zmian warunków suszenia w ścisłe zdefiniowanych odstępach czasu (ang.
intermittent drying).W przypadku suszenia konwekcyjnego, najczęściej wiąże się to z obniżaniem ustalonych wartości temperatur lub zmianą wilgotności czynnika suszącego, czy też wprowadzaniem zmiennych prędkości przepływu gorącego czynnika suszącego. Stosuje się tu tzw.
fazy relaksacji polegające na okresowym schładzaniu materiału lub też całkowitym jednokrotnym lub wielokrotnym zatrzymaniu pracy suszarki. Z tego powodu, suszenie okresowo zmienne lub przerywane stanowi jedno z obiecujących rozwiązań poprawy efektywności suszenia z punktu widzenia zużycia energii, niejednokrotnie bez znacznego zwiększania kosztów kapitałowych suszarni (Gunasekaran, 1999; Chua i inni, 2003; Chin i Law, 2010;
Kowalski i Pawłowski, 2011).
Aby dokładniej określić efektywność energetyczną suszenia w warunkach okresowo zmiennych, należy określić na podstawie równań kinetyki stosunek zużycia całkowitej energii elektrycznej do ilości obliczonej energii netto, która konsumowana jest jedynie na ogrzanie wilgotnego materiału oraz odprowadzenie wilgoci. Dzięki temu możliwe jest określenie najbardziej korzystnych programów zmian, a zarazem zmniejszenie strat energii (Kowalski i Pawłowski, 2011;
Pawłowski, 2011).
2.2. Aspekt jakościowy
Wobec rosnących wymagań konsumenckich niezwykle ważnym wskaźnikiem efektywności procesu suszenia jest jakość uzyskiwanych produktów, która charakteryzuje jego funkcje użytkowe. Dla materiałów biologicznych, takich jak warzywa i owoce, które cechują się nietrwałością oraz niezwykle delikatną i wrażliwą na działanie ciepła strukturą wewnętrzną, jakość ma znaczenie priorytetowe. Wysoka jakość przetworzonych produktów żywnościowych kojarzy się z naturalnością oraz świeżością, co świadczy o niskim stopniu jej przetworzenia i zachowaniu naturalnych walorów, właściwości sensorycznych, a przede wszystkim o wysokiej zawartości składników odżywczych.
Suszenie materiałów biologicznych bogatych w wodę (zazwyczaj ponad 80%) ma na celu głównie obniżenie zawartości wilgoci i aktywności wody, a więc utrwalenie produktu i przedłużenie jego czasu przydatności (konserwacja) do dalszej konsumpcji oraz magazynowania. Wymaga to spowolnienia lub wręcz zahamowania wielu reakcji enzymatycznych oraz nieenzymatycznych, a także ograniczenia rozwoju drobnoustrojów, w wyniku czego produkt staje się trwały.
Zmniejszenie masy i objętości suszonych materiałów biologicznych ułatwia oraz
obniża koszty opakowań, transportu i magazynowania. Suszenie jest niezbędne
27
w prowadzeniu wielu dalszych zabiegów w technologii żywności, wymagających zastosowania suchych komponentów dla nadania nowych cech modyfikowanej żywności. W ten sposób zwiększa się asortyment wyrobów dla konsumentów.
Niestety, odwadnianie termiczne świeżych produktów żywnościowych jest procesem niezwykle złożonym i dlatego wiąże się z licznymi negatywnymi konsekwencjami, gdzie do najważniejszych z należą:
modyfikacja struktury – zmiany biochemiczne, fizyczne i mechaniczne (żywotność i zanik komórek, skurcz, elastyczność, twardość, ścieralność, kruchość),
pogorszenie właściwości sensorycznych (barwa, smak, zapach),
zmiana składu chemicznego i utrata składników bioaktywnych (degradacja witamin: A, C, prowitamin: β-karoten, denaturacja białek etc.).
Właściwości suszonych materiałów pochodzenia biologicznego w dużej mierze zależą od zastosowanej metody suszenia. W przypadku technik konwencjonalnych, tj. metody konwekcyjnej, suszone produkty znacznie zmniejszają swoje wymiary oraz kształt. Wad tych z kolei nie posiadają susze liofilizowane. Suszenie sublimacyjne jest zatem uważane za jedną z najbardziej zachowawczych metod utrwalania żywności, jednakże produkty liofilizowane charakteryzują się dużą porowatością, co przyspiesza procesy oksydacyjne i zwiększa ich higroskopijność. Ponieważ produkty spożywcze charakteryzują się różnorodnymi właściwościami biologicznymi, fizykochemicznymi, cieplno- fizycznymi, strukturalno-mechanicznymi, etc. należy zwracać na ich zmiany szczególną uwagę, gdyż proces suszenia powinien być prowadzony w taki sposób, by większość z nich pozostała zachowana (Ginzburg i Riezczikow, 1969; Pabis, 1982; Gawęcki i Mossor-Pietraszwska, 2004).
Jakość produktu może być określana wieloma czynnikami. Analiza jakościowa owoców i warzyw zarówno świeżych, jak i poddawanych obróbce, jest szerokim zagadnieniem, opierającym się na ocenie jakości i ilości pewnych właściwości, stosowanych jako kryteria. Pod pojęciami jakości rozumie się zatem zbiór cech, do których należą:
a) cechy sensoryczne: wygląd, tekstura, smak, aromat, konsystencja,
b) wartość odżywcza (biologiczna): witaminy, białka, barwniki, błonnik, sacharydy etc.,
c) wartość użytkowa lub technologiczna: zawartość suchej substancji, np. cukier w burakach cukrowych, skrobia w ziemniakach,
d) bezpieczeństwo: zawartość substancji toksycznych, np. metale ciężkie,
azotany, azotyny, pestycydy).
28
Kontrola techniczno-analityczna jest niezbędna przy wyborze parametrów procesu technologicznego, jak i jakości produktu gotowego. Oprócz ww.
parametrów jakościowych dokonuje się także oceny mikrobiologicznej, jednolitości produktu oraz weryfikuje się uszkodzenia mechaniczne i sprawdza się stopnień szkodliwości produkcji dla środowiska. Wszystkie te wymagania precyzują określone regulacje prawne, tj. normy krajowe (Polskie Normy PN, tureckie: Turkish Standards, amerykańskie: United States Standards), normy międzynarodowe (Europejskiej Komisji Gospodarczej przy ONZ, do spraw Wyżywienia i Rolnictwa FAO, światowej organizacji zdrowia WHO), regulacje szczegółowe w obszarach nieobjętych normami, czyli specjalne procedury określające jakość i bezpieczeństwo tego typu produktów (standardy USDA w USA). Bardzo ważną rolę odgrywa również postrzeganie jakości suszu przez konsumentów, a wiec obszar regulowany opinią i potencjałem nabywczym konsumentów (Kumirska i inni, 2010; Mitek i Słowiński, 2006).
Ocena jakości suszonych owoców oraz warzyw przeprowadzana jest w dwojaki sposób, w zależności od przeznaczenia suszu, tj. susz handlowy i susz eksperymentalny. W pierwszym przypadku ocena jakościowa regulowana jest prawem i/lub akceptacją konsumentów, i nie zależy od rodzaju surowca.
Natomiast w przypadku drugim, dokonuje się oceny porównawczej z koniecznością zachowania powtarzalnych cech „wejściowych”, zwykle w odniesieniu do jakości surowca. Wybór cech jakościowych owoców i warzyw przydatnych do monitorowania przebiegu oraz optymizacji procesu suszenia składa się z kilku etapów, tj. identyfikacji podstawowych cech danego surowca, i cech charakterystycznych dla gatunku, bądź też szczególnie wrażliwych na obróbkę termiczną, oceny ważności poszczególnych cech i ich wpływu na jakość, a także określenia tzw. cech krytycznych, które decydują o przydatności oraz zaakceptowaniu końcowego wyrobu, są to przede wszystkim:
zmiana barwy – skorelowana z zawartością i retencją składników bioaktywnych (β-karoten, antocyjany, barwniki batalainowe),
zawartość wody, aktywności wody – stabilność mikrobiologiczna,
zawartość składników odżywczych – wskaźnik zachowania właściwości bioaktywnych (kwas askorbinowy, związki polifenolowe),
skurcz,
zachowanie porowatości struktury i kruchości (delikatna tekstura przekąsek typu chipsy),
zawartość suchej substancji,
zmiana smaku – gorycz, zjełczenie.
29
Z kolei, ocena jakości sensorycznej określa w jakim stopniu takie cechy jak aromat, wygląd, smakowitość oraz tekstura są zgodne z preferencjami konsumentów. Przeprowadza się ją z wykorzystaniem zmysłów wzroku, smaku, powonienia oraz dotyku, a badania przeprowadza się w specjalistycznych laboratoriach w standardowych warunkach, a próbki poddaje się ocenie przeszkolonym zespołom degustatorów. Wyniki ocen są skwantyfikowane i podlegają procedurom statystycznym (Baryłko-Pikielna i Matuszewska, 2009).
Suszenie jest w wielu przypadkach ostatnim etapem procesu technologicznego, i dlatego też w dużym stopniu decyduje o finalnej jakości produktu. Jednakże, zanim materiały pochodzenia biologicznego zostaną przetworzone, podlegają wpływowi także innych czynników, które kształtują ich parametry jakościowe, są to m.in.:
praktyki agronomiczne w uprawach pastewnych,
czynniki wewnętrzne, np. aktywność wody, zróżnicowanie odmian, rodzaj podłoża, zawartość składników odżywczych,
czynniki niejawne, np. szczepy grzybów i występowanie zarodników, interakcje z owadami oraz roztoczami, ekosystem mikrobiologiczny, choroby roślin.
Analizując problem jakości suszonego produktu należy wziąć pod uwagę fakt, iż końcowy rezultat wynika z integracji całości łańcucha, począwszy od surowca, poprzez obróbkę wstępną, suszenie, przechowywanie i końcowe przygotowanie do spożycia. Bardzo ważnym elementem tego łańcucha jest przechowywanie, podczas którego może dojść do znacznego obniżenia jakości produktu, dlatego też należy stosować opakowania o małej przepuszczalności dla gazów oraz pary wodnej (Mujumdar, 2009; Tsotsas i Mujumdar, 2011).
2.2.1. Zmiana barwy
Barwa jest jednym z ważniejszych wskaźników jakości zarówno świeżych
jaki przetworzonych produktów żywnościowych. Ciechy wizualne produktów,
takie jak atrakcyjny wygląd oraz kolor w głównej mierze wpływają na zmysły
i sugerują odczucie pewnych smaków oraz zapachów, dlatego też silnie pobudzają
apetyt i pozytywnie wpływają na decyzję konsumenta. Z drugiej strony, kolor
może ostrzegać przed spożyciem produktu zepsutego. Barwa zależy głównie od
składu i zawartości naturalnych barwników. Ze względu na budowę chemiczną,
barwniki naturalne są nietrwałe i łatwo ulegają degradacji (głównie reakcji
utleniania) w czasie przetwarzania (także suszenia) i przechowywania, na skutek
oddziaływania tlenu, światła, podwyższonej temperatury i pH, co objawia się
w postaci zmiany zabarwienia, ale i zapachu. W wyniku zachodzących przemian
powstają także związki lotne. Wszystkie reakcje, które powodują zmiany
30
w strukturze naturalnych barwników niestety wpływają również na zmniejszenie aktywności biologicznych tych substancji. Przemiany substancji barwnych i zakres tych zmian, mogą mieć różny przebieg i uzależnione są od warunków prowadzenia procesów technologicznych, dlatego też barwa stała się kluczowym wyróżnikiem przy ocenie jakości produktów suszonych. Należy zatem w taki sposób dobierać parametry procesu suszenia, aby zminimalizować skutki tych interakcji i uzyskać produkt jak najlepszej jakości o intensywnych cechach sensorycznych i dużej wartości odżywczej (Kumirska i inni, 2010; Sikorski, 2007a, b).
Barwniki naturalne to związki organiczne, które nie posiadają wartości budulcowej, energetycznej, nie są też zaliczane do witamin. Związki te pochłaniają światło w zakresie promieniowania od 400 do 700 nm i występują w surowcach roślinnych oraz zwierzęcych. W zależności od struktury wyróżnia się następujące grupy barwników:
izoprenoidowe: karotenoidy,
porfirynowe: chlorofile, hemoglobina,
flawonoidowe: antocyjany,
betalainowe: betaniny, betaksantyny,
chinoidowe: koszenila,
inne: ryboflawina, kurkuma.
Barwę świeżym i przetwarzanym produktom pochodzenia biologicznego nadają głównie karotenoidy, chlorofile, antocyjany oraz barwniki betalainowe.
Karotenoidy to żółte barwniki syntetyzowane, występujące w warzywach
oraz owocach (marchew, dynia, morele), a także w kwiatach, liściach i nasionach
w postaci złożonych związków. Barwniki te nadają również barwę skórze ryb
i pancerzom skorupiaków morskich, tj. żółtą, pomarańczową, czerwoną
purpurową, niebieską, srebrzystą lub zieloną. Karotenoidy zbudowane są z 8
jednostek izoprenowych i mogą występować w formie związków acyklicznych,
monocyklicznych oraz bicyklicznych. Karotenoidy należą do związków
polienowych rozpuszczalnych w tłuszczach, gdzie podwójne wiązania są
w układzie sprzężonym. Gdy cząsteczka zawiera przynajmniej 7 wiązań
podwójnych, to pojawia się barwa żółta, natomiast wzrost sprzężonych wiązań
objawia się zmianą barwy, z żółtej na pomarańczowo-czerwoną. Skład tych
barwników jest charakterystyczny dla gatunku i odmiany, najczęściej jest to
α-karoten, β-karoten i ksantofile. Na największą uwagę zasługuje tzw. β-karoten,barwnik o kolorze pomarańczowym, który stanowi przeciętnie 80% wszystkich
karotenów roślin wyższych.
31
W produktach żywnościowych zawartość karotenoidów zwykle nie przekracza 0,1% suchej masy. Do najbogatszych w ten składnik należą warzywa takie jak: jarmuż, czerwona papryka, szpinak oraz marchew. Natomiast w owocach ich zawartość jest jeszcze mniejsza, np. w grapefruitach, nektarynkach i morelach przekracza zaledwie 1 mg w 100 g części jadalnych. Karotenoidy nie tylko nadają atrakcyjną barwę produktom spożywczym, ale posiadają tez cenne właściwości biologiczne. Bezpośrednimi prekursorami witamin z grupy A są właśnie karotenoidy. Dlatego też β-karoten nazywany jest prowitaminą A.
Karotenoidy cechują się również silną aktywnością antyoksydacyjną, dzięki czemu hamują procesy utleniania i opóźniają rozwój wielu chorób degeneracyjnych. Zawarty w diecie karoten pełni funkcje ochronne, np. przed chorobą wieńcową. Karotenoidy są wrażliwe na światło, czynniki utleniające i ogrzewanie, co prowadzi do utraty charakterystycznego koloru (rozjaśnienie barwy lub nawet jej zanik) oraz pojawienia się obcego zapachu. Produkty degradacji niekorzystnie wpływają na inne składniki, co może wywołać reakcje Maillarda i przyspieszyć proces brunatnienia. Duże straty tych składników obserwuje się w trakcie przechowywania suszonych produktów, a szczególnie w przypadku suszy otrzymywanych na drodze liofilizacji.
Oznaczanie karotenoidów w produktach naturalnych przeprowadza się najczęściej metodami spektrofotometrycznymi. Identyfikacja oparta jest na pomiarze absorbancji w zakresie światła widzialnego. Widmo absorpcyjne oraz wzór cząsteczki β-karotenu pokazano na rysunku 2.1.
Rys. 2.1. Widmo absorpcyjne oraz wzór β-karotenu.
Do barwników betalainowych należą czerwonofioletowe betacyjaniny oraz żółte betaksantyny. Źródłem tych barwników w żywności są buraki ćwikłowe, ponadto barwniki te występują także w kwiatach i nasionach Amarantusa, owocach kaktusów (np. Opuntia ficus-indica) i w niektórych grzybach. Betalainy posiadają układ chromoforowy trzech podwójnych wiązań sprzężonych we fragmencie 1,7-diazoheptametinowym. Ilość barwników betalainowych, a także stosunek ww. grup uzależnione są od odmiany buraka oraz sposobu jego uprawy.
Betacyjaniny wykazują się też większą trwałością niż betaksantyny. Głównym barwnikiem w burakach ćwikłowych (75 – 95%) jest czerwonofioletowa betanina.
Budowę cząsteczki betaniny przedstawiono na rysunku 2.2.
32 Rys. 2.2. Wzór strukturalny betaniny.
Betanina jest dobrze rozpuszczalna w wodzie i posiada stabilną barwę
w przedziale pH od 4 do 6, zaś maksimum absorbcji światła przypada na długość fali równą λ
max= 540 nm. Barwnik ten charakteryzuje się niską odpornością na ogrzewanie w kwaśnym środowisku oraz na utlenianie, szczególnie w obecności światła i jonów metali. Betanina znalazła zastosowanie jako barwnik żywności w postaci ciekłych koncentratów z buraków ćwikłowych, czy też sypkich preparatów. Oprócz tego, że batanina nadaje charakterystyczną i atrakcyjną czerwona barwę, posiada również właściwości prozdrowotne, jest silnym antyoksydantem, a ponadto działa przeciwnowotworowo, przeciwbakteryjnie oraz przeciwwirusowo.
Antocyjany to główne barwniki owoców oraz kwiatów rozpuszczalne
w wodzie, które w zależności od struktury, zawartości, odczynu środowiska i obecności kationów mogą przyjmować odpowiednio barwę żółtą, pomarańczową, czerwoną, fioletową lub niebieską. Antocyjany to drugorzędne metabolity roślin zaliczane do grupy flawonoidów o szkielecie węglowym C
6-C
3-C
6. W produktach naturalnych istnieją jako mono-, di- lub triglikozydy, gdzie barwnymi aglikonami są antocyjanidyny (np. cyjanidyna, pelargonidyna lub delfinidyna), a ich występowanie oraz skład zależy ściśle od gatunku i odmiany.
Macierzystą strukturę antocyjanów, czyli tzw. kation flawyliowy pokazano na rysunku 2.3.
Rys. 2.3. Ogólny wzór strukturalny antocyjanów.
33
