Mgr inż. Krzysztof Lech WPŁYW PARAMETRÓW SUSZENIA MIKROFALOWO-PRÓŻNIOWEGO NA JAKOŚĆ SUSZU Z BURAKÓW ĆWIKŁOWYCH ODWADNIANYCH OSMOTYCZNIE

Transkrypt

1 Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Wydział Przyrodniczo-Technologiczny Instytut Inżynierii Rolniczej Mgr inż. Krzysztof Lech WPŁYW PARAMETRÓW SUSZENIA MIKROFALOWO-PRÓŻNIOWEGO NA JAKOŚĆ SUSZU Z BURAKÓW ĆWIKŁOWYCH ODWADNIANYCH OSMOTYCZNIE Influence of vacuum-microwave drying parameters on the quality of osmotically dehydrated beetroot Praca doktorska promotor: dr hab. inż. Adam Figiel, prof. nadzw. Wrocław

2 Słowa podziękowania kieruję do Promotora dr hab. inż. Adama Figla, prof. nadzw. za poświęcony czas, życzliwość i wyrozumiałość oraz cenne uwagi merytoryczne pomocne przy realizacji niniejszej pracy 2

3 Niniejszą pracę dedykuję Żonie i Moim Rodzicom 3

4 Spis treści 1. WSTĘP PRZEGLĄD LITERATURY Charakterystyka buraków ćwikłowych Charakterystyka roztworów osmoaktywnych Odwadnianie osmotyczne surowców roślinnych Struktura tkanki roślinnej Transport masy podczas odwadniania osmotycznego Wpływ warunków odwadniania osmotycznego na kinetykę procesu Zmiana struktury wewnętrznej wskutek odwadniania osmotycznego Wpływ odwadniania osmotycznego na właściwości chemiczne Modelowanie kinetyki odwadniania osmotycznego Wpływ wstępnego odwadniania osmotycznego na proces dosuszania Suszenie surowców roślinnych Suszenie konwekcyjne Kinetyka suszenia konwekcyjnego Suszenie sublimacyjne Kinetyka suszenia sublimacyjnego Suszenie mikrofalowo-próżniowe Kinetyka suszenia mikrofalowo-próżniowego (VM) Właściwości fizyko-chemiczne wysuszonego materiału roślinnego Właściwości fizyczne Tekstura Właściwości chemiczne CEL I ZAKRES PRACY METODYKA BADAŃ Koncepcja realizacji badań Cześć technologiczna Materiał badawczy Odwadnianie osmotyczne Odwadnianie w soku z jabłek z udziałem mięty (Z1) Odwadnianie w soku z buraków ćwikłowych (Z2)

5 Odwadnianie w soku z owoców aronii (Z3) Suszenie mikrofalowo-próżniowe świeżych buraków ćwikłowych (Z4) Suszenie metodą łączoną odwodnienie osmotyczne (OD) i dosuszanie mikrofalowo-próżniowe (VM) Odwadnianie w soku z owoców aronii i dosuszanie VM (Z5) Odwadnianie w soku z jabłek z udziałem mięty i dosuszanie VM (Z6) Odwadnianie w soku z buraków ćwikłowych i dosuszanie VM (Z7) Cześć analityczna Wyznaczanie zawartości suchej masy Obliczanie zredukowanej zawartości wody w materiale (Ured) Obliczanie względnego przyrostu suchej masy (Δm) Pomiar stężenia roztworów hipertonicznych Wyznaczanie zawartości związków polifenolowych (PC) Wyznaczanie zdolności przeciwutleniającej metodą ABTS Pomiar barwy Pomiar objętości Wyznaczanie gęstości właściwej Wyznaczanie skurczu wysuszonego materiału Badanie tekstury Badanie właściwości sensorycznych Analiza struktury wewnętrznej wysuszonego materiału Wyznaczanie kompleksowych modeli empirycznych Analiza statystyczna WYNIKI BADAŃ Odwadnianie osmotyczne Odwadnianie w soku z jabłek z udziałem mięty (Z1) Odwadnianie w soku z buraków ćwikłowych (Z2) Odwadnianie w soku z owoców aronii (Z3) Suszenie mikrofalowo-próżniowe (VM) Suszenie VM świeżych buraków ćwikłowych (Z4) Suszenie VM buraków odwadnianych w soku z owoców aronii (Z5) Suszenie VM buraków odwadnianych w soku z jabłek z udziałem mięty (Z6)

6 Suszenie VM buraków odwadnianych w soku z buraków ćwikłowych (Z7) Analiza struktury wewnętrznej wysuszonego materiału Podsumowanie wyników WNIOSKI LITERATURA Wykaz ważniejszych oznaczeń Spis rysunków Spis tabel ANEKS

7 Wstęp 1. WSTĘP W związku z dynamicznie zachodzącymi zmianami społecznymi oraz postępującym uprzemysłowieniem i intensywną urbanizacją dochodzi do wzrostu liczby czynników powodujących bezpośrednie zagrożenie życia i zdrowia ludzkiego. Największa grupa tych czynników dotyczy chorób cywilizacyjnych. Większość chorób cywilizacyjnych jest wynikiem złego odżywiania (Lappe 1982, Gawęcki i Hryniewiecki 2003). Nowotwory, cukrzyca, choroby serca i układu pokarmowego, nadciśnienie oraz miażdżyca, stanowią główną przyczynę zgonów (Bartnikowska 2004). Niedobory substancji niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania organizmu zwiększają prawdopodobieństwo wystąpienia określonych chorób (Kośmider i Gronowska-Senger 2005). Wysoko przetworzona żywność bardzo często pozbawiona jest naturalnych składników wspomagających metabolizm węglowodanów, białek i tłuszczów. W celu przeciwdziałania negatywnym następstwom nieracjonalnego odżywiania się, należy zwiększyć świadomość konsumentów oraz umożliwić im dostęp do produktów posiadających właściwości prozdrowotne. Jednymi z takich produktów mogą być przekąski z suszonych buraków ćwikłowych o zwiększonej bioaktywności i zmodyfikowanym smaku. Buraki ćwikłowe są źródłem wielu cennych substancji, dzięki czemu są uznawane za uniwersalny lek (Latorre i in. 2010, Schwartz i in. 1980, Váli i in. 2007, Kanner i in. 2001). Specyficzny, ziemisty smak wysuszonych buraków ćwikłowych może negatywnie wpływać na sensoryczną akceptację wyrobu przekąskowego spożywanego bezpośrednio w postaci chipsów. Smak ten można zmodyfikować poprzez odwodnienie osmotyczne w roztworach soli (Lech i in. 2011a) lub sacharozy (Lech i in. 2011b). Zastosowanie zagęszczonego soku z owoców lub warzyw zamiast tradycyjnych roztworów hipertonicznych sporządzonych na bazie soli lub sacharozy służy zwiększeniu bioaktywności wysuszonego produktu (Rózek i in. 2010). Podczas odwadniania osmotycznego dochodzi do wymiany masy złożonej z trzech procesów przebiegających z różnym natężeniem (Bruin i Luyben 1992). Pierwszy proces polega na dyfuzji wody z materiału do roztworu osmotycznego. Drugi proces dotyczy wnikania suchej substancji z roztworu osmotycznego do odwadnianego materiału, podczas gdy trzeci proces stanowi wyciek naturalnych substancji z surowca do roztworu. Intensywność poszczególnych procesów składających się na wymianę masy zależy od 7

8 Wstęp temperatury, stężenia i rodzaju roztworu oraz od właściwości surowca (Shi i Jun Xue 2009). Jednak odwadnianie osmotyczne wymaga dosuszenia, które umożliwia osiągnięcie bezpiecznej wilgotności oraz zapewnienia uzyskanie atrakcyjnej tekstury wysuszonego produktu. Wśród wielu sposobów umożliwiających osiągnięcie tego celu, suszenie mikrofalowo-próżniowe (VM) wydaje się być najbardziej odpowiednią metodą. Ta metoda suszenia, jeśli jest właściwie użyta, sprzyja zachowaniu związków biologicznie czynnych, które są wrażliwe na działanie tlenu i wysokiej temperatury (Figiel 2010, Wojdyło i in. 2013). W dostępnej literaturze brakuje doniesień na temat suszenia metodą łączoną, która polega na wstępnym odwodnieniu osmotycznym w zagęszczonym soku i dosuszeniu mikrofalowo-próżniowym. Ten sposób suszenia może wnieść znaczący wkład do przemysłu spożywczego, jakkolwiek nie jest oczywiste, jakie warunki wstępnej obróbki osmotycznej i dosuszania powinny być zastosowane w celu zapewnienia najwyższej jakości wysuszonego produktu. 8

9 Przegląd literatury 2. PRZEGLĄD LITERATURY 2.1. Charakterystyka buraków ćwikłowych W Polsce uprawa buraków ćwikłowych dotyczy przede wszystkim korzeni. Roczny zbiór oscylujący w granicach tys. t klasyfikuje buraki ćwikłowe na czwartym miejscu w produkcji warzyw. W roku 2011 produkcja buraków ćwikłowych wynosiła 370 tys. t (Rocznik Statystyczny Rolnictwa 2012). Burak ćwikłowy stanowi źródło wielu wartościowych makro i mikro składników mających istotny wpływ na zdrowie człowieka. Warzywo to posiada znaczną ilość substancji włóknistych, oraz zawiera cukry o umiarkowanej kaloryczności. W jego skład wchodzą także witaminy z grupy B (B1, B2, B3 i B6), oraz niezwykle cenny kwas foliowy, który często zalecany jest kobietom w ciąży (Latorre i in. 2010). Podczas gdy świeżo zebrane buraki zawierają około g 5-CH3 H4 folianu/100 g świeżego materiału ( g 5-CH3 H4 folianu/100 g suchej masy) to już po trzy miesięcznym przechowywaniu tracą one od 5 do 18% folianów. Ponadto, wielu badaczy stwierdziło istotny wpływ technologii uprawy na zawartość folianów, która zmienia się w zakresie sięgającym nawet 46% (Jastrebova i in. 2003). Selhub i Rosenberg (1996) podają, że foliany wpływają dodatnio na system nerwowy i mózg, przeciwdziałają chorobom niedokrwiennym serca oraz pomagają w zwalczaniu niektórych nowotworów. Betalainy to kolejny związek, który znajduje się w burakach ćwikłowych. Barwniki betalainowe mają wysokie antyoksydacyjne działanie, które neutralizują wolne rodniki (Schwartz i in. 1980, Váli i in. 2007, Kanner i in. 2001). Na zdolność przeciwutleniającą buraków ćwikłowych istotnie wpływa zawartość czerwonego barwnika sięgająca 4 mg/g suchej substancji (Kidoń i Czapski 2007). Burak posiada także związki pochodne z grupy fenoli. Niektóre polifenole wykazują silne działanie przeciwutleniające, co zmniejsza szansę na wystąpienie chorób układu krwionośnego i raka (Váli i in. 2007). W skład buraka ćwikłowego wchodzi także betaina, która używana jest jako środek zwalczający wysoki poziom homocysteiny aminokwasu będącego czynnikiem ryzyka rozwoju zmian miażdżycowych, chorób serca, udarów mózgu i zmian zakrzepowych oraz ma istotny wpływ na trawienie. W buraku ćwikłowym znajduje się około 750 μg betainy glicynowej /g świeżego materiału (de Zwart i in. 2003). 9

10 Przegląd literatury Kolejną grupą związków, którą zawiera burak ćwikłowy są saponiny. Ta grupa posiada właściwości, które przyspieszają trawienie tłuszczów, działają moczopędnie oraz przeciwzapalnie (Atamanova i in. 2005). W Polsce burak ćwikłowy spożywany jest najczęściej jako produkt przetworzony w formie sałatek, bądź jako składnik zup. Okazuje się jednak, że każdy proces termiczny powoduje spadek zdolności antyoksydacyjnej produktów roślinnych (Horubała 1999). Coraz częściej można spotkać w sprzedaży świeże soki wyciśnięte z buraka. Wiąże się to z coraz większą świadomością żywieniową konsumentów, którzy chcą spożywać produkty zdrowe i nie koniecznie drogie. Burak ćwikłowy jest stosunkowo tanim warzywem o bardzo dobrych właściwościach prozdrowotnych, dlatego jego spożywanie pod każdą formą, zwiększającą asortyment produktów otrzymanych z tego surowca, może pozytywnie wpływać na zdrowie konsumentów Charakterystyka roztworów osmoaktywnych Sacharoza i chlorek sodu (NaCl) są powszechnie stosowanymi substancjami do sporządzania roztworów hipertonicznych używanych do odwadniania osmotycznego (Mayor i in. 2007, Emam-Djomeh i in. 2006, Wang i in. 2010, Pereira i in. 2006, Lech i in. 2011a, Lech i in. 2011b). Roztwory chlorku sodu najczęściej wykorzystywane są do odwadniania warzyw i mięs (Emam-Djomeh i in ), natomiast roztwory sacharozy zwykle używane są do dehydratacji owoców (Pereira i in. 2006). W literaturze naukowej można też spotkać wyniki badań dotyczące innych, rzadziej stosowanych roztworów osmoaktywnych sporządzonych na bazie takich substancji jak: sorbitol (Sritongtae i in. 2011), syrop skrobiowy (Ciurzyńska i Lenart 2007), chlorek wapnia (Kowalska i Lenart 2007) czy też glukoza (Janowicz i in. 2009). Z kolei, Argaiz i in. (1994) stosowali jako roztwór hipertoniczny różnego rodzaju mieszanki jak np. sacharoza z laktozą, oraz maltodekstryna i chlorek sodu do odwadniania papai i jabłek. Podejmowano także próby łączenia chlorku sodu z alkoholem i wodą do odwadniania marchwi (Le Maguer i Biswal 1984). W literaturze jest mało pozycji, które przedstawiają odwadnianie osmotyczne w zagęszczonych sokach z owoców lub warzyw. Jedna z nielicznych publikacji przedstawia odwadnianie cząstek kiwi w zagęszczonym soku z winogron (Escriche i in. 2000). 10

11 Przegląd literatury 2.3. Odwadnianie osmotyczne surowców roślinnych Odwadnianie osmotyczne jest to proces usuwania wody z wilgotnego materiału wykorzystujący zjawisko osmozy. W zależności od tego w jakim roztworze umieścimy materiał roślinny to komórki tworzące strukturę tego materiału będą różnie reagowały. Rozróżniamy trzy rodzaje roztworów osmoaktywnych: izotoniczny, hipotoniczny i hipertoniczny. W roztworze izotonicznym występuje stan równowagi i nie dochodzi do transportu masy, ponieważ ciśnienie osmotyczne w roztworze i w komórkach materiału roślinnego jest podobne. W roztworach hipotonicznych ciśnienie osmotyczne jest niższe niż w komórkach i materiał jest uwadniany. Do odwodnienia osmotycznego dochodzi w roztworze hipertonicznym, czyli takim, w którym ciśnienie osmotyczne jest większe niż w komórkach roślinnych. Podczas tego procesu woda zawarta w komórkach jest transportowana do roztworu, natomiast substancje stałe z roztworu wnikają do odwadnianego materiału (Lewicki i Lenart 2006) Struktura tkanki roślinnej Owoce i warzywa z technologicznego punktu widzenia mogą być traktowane jako materiał kapilarno-porowaty (Pabis 1965). System kapilarno-porowaty istnieje w przestrzeniach międzykomórkowych oraz w tkankach. W zależności od funkcji pełnionej przez tkankę może być on bardziej lub mniej rozbudowany. W burakach objętość kanałów międzykomórkowych wynosi 25%, natomiast w ziemniaku tylko 3% (Poole 1976). Rośliny zbudowane są z tkanek, które są zespołem stworzonym z różnego rodzaju komórek. Przestrzenie międzykomórkowe w roślinie zależą od rodzaju i części rośliny, liście posiadają dużą objętość międzykomórkową natomiast korzenie mają mało przestworów międzykomórkowych. W procesie odwadniania osmotycznego to komórka jako jednostka tworząca strukturę rośliny bierze bezpośredni udział w transferze masy. Komórka roślinna składa się ze ściany komórkowej, oraz z protoplastu, na który składają się m.in. jądro, mitochondrium, cytozol, rybosomy i inne organelle. Ściana komórkowa posiada otwory i nie stanowi bariery dla związków chemicznych. Funkcję bariery stanowi natomiast błona komórkowa, która wyściela otwory ściany komórkowej (Nason i Dehaan 1973). Błonę tworzą plasmolemy (plasmodesmy) sąsiadujących komórek, które są ze sobą połączone. Plasmodesmy mają postać 11

12 Przegląd literatury kanalików o średnicy nm dzięki którym komórki mogą wymieniać między sobą różne substancje (Spanswick 1976). Podczas odwadniania osmotycznego następuje odwodnienie wakuoli, wskutek czego następuje skurczenie protoplastu i oderwanie jego zewnętrznej błony od ściany komórkowej. Ten proces nazywa się plazmolizą. Ponieważ ściana komórkowa nie posiada właściwości błon półprzepuszczalnych to roztwór hipertoniczny, który otacza tkanki materiału wypełnia przestwory powstałe w rezultacie skurczenia protoplastu Transport masy podczas odwadniania osmotycznego Podczas odwadniania osmotycznego zachodzą dwa podstawowe procesy transportu masy. W roztworze hipertonicznym stężenie osmotyczne jest wyższe niż w komórkach roślinnych, dlatego woda znajdująca się w komórce jest usuwana do roztworu. Natomiast substancja stała znajdująca się w roztworze wypełnia kanaliki i przestwory międzykomórkowe, następnie wnika do komórek wskutek procesu plazmolizy, czyli skurczenia się protoplastu i oderwania się błon od ściany komórkowej (Shi i Jun Xue 2009). Rysunek 1 przedstawia utratę wody przez komórkę, która została umieszczona w roztworze hipertonicznym. H 2 O H 2 O H 2 O Rys. 1. Proces plazmolizy w roztworze hipertonicznym. Rysunek 2 przedstawia zachowanie się komórek tkanek roślinnych oraz kierunki transportu masy w trakcie odwadniania osmotycznego. Poza dwoma głównymi procesami wymiany masy polegającymi na usuwaniu wody z materiału do roztworu osmotycznego oraz wnikaniu stałej substancji z tego roztworu do materiału zachodzą również inne procesy. Mianowicie, z materiału odwadnianego następuje wypływ gazów, które znajdują się w przestworach międzykomórkowych, oraz wyciek soku komórkowego, do którego dochodzi w rezultacie zniszczenia komórek. Zniszczenie 12

13 Przegląd literatury komórek najczęściej następuje podczas przygotowania materiału do procesu wskutek rozdrabniania, ale może także być wynikiem działania wysokiej temperatury (Bruin i Luyben 1992). Bilans wymiany masy podczas odwadniania osmotycznego prowadzi do kurczenia się materiału w rezultacie zmniejszenia objętości komórek i zapadania się tworzonej przez nie struktury, przy czym proces ten postępuje od powierzchni kontaktu z roztworem hipertonicznym w kierunku warstwy jednorodnej. Struktura komórkowa Jednorodna Powierzchnia kontaktu Substancja stała materiału odwadnianego (wyciek) Substancja stała z roztworu (wnikanie) Woda Gazy Materiał odwadniany Roztwór hipertoniczny Rys. 2. Schemat transportu masy podczas odwadniania osmotycznego Wpływ warunków odwadniania osmotycznego na kinetykę procesu Na kinetykę procesu odwadniania osmotycznego mają wpływ różne parametry związane z roztworem hipertonicznym i materiałem odwadnianym. Istotnymi czynnikami związanymi z odwadnianym materiałem są: mikrostruktura, porowatość oraz kształt geometryczny próbki. Z kolei, do parametrów związanych z roztworem hipertonicznym należą: temperatura, czas, stężenie, ciśnienie i skład roztworu (Shi i Jun Xue 2009). Burhan Uddin i in. (2004) przedstawili wpływ stężenia roztworu sacharozy (40-60 Bx), jego temperatury (40-60 C) i czasu odwadniania na kinetykę suszenia cząstek 13

14 Przegląd literatury marchwi. Stwierdzili oni, że czas odwadniania i stężenie sacharozy miały bardzo istotny wpływ na ubytek wody z materiału, natomiast temperatura procesu w mniejszym stopniu. Ci sami autorzy określili także wpływ tych parametrów na przyrost suchej substancji w materiale i stwierdzili, że to temperatura i czas wpływały głównie na przebieg tej kinetyki procesu. Zúñiga i Pedreschi (2011) przeprowadzali odwodnienie jabłek w roztworach sacharozy o różnych stężeniach (30, 40, 50, 60 Bx). Otrzymane wyniki potwierdziły istotny wpływ stężenia roztworu na poziom i szybkość przejmowania suchej substancji, ale tylko w zakresie od 30 do 50 Bx. Okazało się, że dalszy wzrost stężenia roztworu (powyżej 50 Bx) nie poprawia przyrostu masy. Yadav i in. (2012) dokonali analizy wpływu stężenia sacharozy (50-70 Bx), temperatury procesu (35-55 C) oraz czasu na przebieg odwadniania osmotycznego owoców brzoskwini. Autorzy stwierdzili, że najlepszy efekt odwadniania nastąpił po 3,97 godz. procesu w roztworze o stężeniu 69,9 Bx i temperaturze 37,63 C. W tych warunkach uzyskano przyrost masy na poziomie 8,39 g/100 g świeżego materiału i ubytek wody równy 28,42 g/100 g świeżego materiału. Wartość optymalnych warunków została odczytana ze stworzonego modelu. Ważnym z metodycznego punktu widzenia zagadnieniem jest ocena wpływu stosunku masy roztworu hipertonicznego do masy materiału na kinetykę odwadniania osmotycznego. W badaniach przeprowadzonych na kostkach marchwi w roztworze mieszaniny sacharozy i NaCl (Singh i in 2007) stwierdzono, że zwiększenie stosunku roztworu osmoaktywnego do materiału odwadnianego w zakresie od 4:1 do 6:1 zwiększa szybkość przejmowania masy, jak również utratę wody z materiału. W badaniach wykazano także korzystny wpływ temperatury na kinetykę procesu wymiany masy. Podobne wyniki uzyskano podczas odwadniania osmotycznego moreli w roztworach hipertonicznych sporządzonych na bazie wybranych węglowodanów takich jak: fruktoza, glukoza, sacharoza, maltodekstryna i sorbitol (Ispir i Togrul 2009). Ocenę wpływu poziomu obniżonego ciśnienia na intensywność przejmowania suchej substancji z roztworu hipertonicznego przeprowadzono podczas odwadniania zielonej papryki w roztworze sorbitolu i NaCl (Quintero-Chávez i in. 2012). Zakres zastosowanego ciśnienia mieścił się w granicach od 4 do 80 kpa. Autorzy obniżając ciśnienie dążyli do osiągnięcia stanu równowagi lub maksymalnego nasycenia próbki. W przypadku ciśnienia 4,05 kpa uzyskano stan nasycenia już po 16 min., przy 14

15 Przegląd literatury czym dla wyższych ciśnień nie osiągnięto stanu nasycenia, gdyż proces odwadniania osmotycznego prowadzono tylko przez godzinę. Ogonek i in. (2005) wyznaczyli wpływ wielkości truskawek o średnicach mieszczących się w zakresie od 23 do 31 mm na kinetykę procesu odwadniania osmotycznego w roztworze sacharozy o temperaturze 30 i 50 C oraz stężeniu 61,5%. Uzyskane wyniki pozwoliły stwierdzić, że owoce o mniejszej średnicy przejmowały w większym stopniu suchą substancję z roztworu sacharozy niż owoce o większej średnicy. Także ubytek wody był większy w przypadku mniejszych owoców. Z kolei, Ruiz-López i in. (2010) przeprowadzili badania wpływu wielkości cząstek ananasa na stopień wymiany masy w roztworze sacharozy. W badaniach użyto dwóch wielkości cząstek, które zostały scharakteryzowane przy użyciu parametru będącego stosunkiem powierzchni cząstki do jej objętości. Wartość tego parametru wynosiła 5,27 cm 2 cm -3, dla cząstek małych oraz 3,88 cm 2 cm -3 dla cząstek dużych. Autorzy stwierdzili, że większa jednostkowa powierzchnia kontaktu cząstek mniejszych sprzyja intensywności wymiany masy Zmiana struktury wewnętrznej wskutek odwadniania osmotycznego Proces odwadniania osmotycznego istotnie wpływa na strukturę odwadnianego materiału, gdyż komórki znajdujące się w hipertonicznym roztworze ulegają skurczeniu, a nawet zniszczeniu wskutek zastosowania wysokich stężeń i temperatur roztworu osmoaktywnego. Dodatkowo uzysk substancji pozyskanej z roztworu staje się częścią badanego materiału. Vicente i in. (2011) przeprowadzili badania struktury wewnętrznej odwadnianych jabłek w roztworach glukozy i trehalozy, a następnie poddali odwodnione jabłka badaniom reologicznym. Autorzy stwierdzili, że już w 22% roztworze glukozy po 7 godzinach odwadniania w komórkach wystąpiła plazmoliza, polegająca na oderwaniu się błon komórkowych od ścian komórkowych, której towarzyszyło zapadnięcie się tkanek. Odwodnienie w roztworze trehalozy wykazało mniejszy wpływ na zmniejszenie wielkości komórek roślinnych niż w przypadku roztworu glukozowego. Miejscami nastąpiło nawet zwiększenie komórek w stosunku do próbek kontrolnych, podobnie jak w glukozie, nastąpił również efekt plazmolizy. Wytrzymałość tkanek po odwodnieniu drastycznie spadła w przypadku niskich stężeń 15

16 Przegląd literatury dla obu roztworów, natomiast dla stężeń wyższych spadek wytrzymałości nie był tak drastyczny. Do podobnych wniosków doszli Garcia Loredo i in. (2013), którzy odwadniali jabłka w 22% roztworze glukozy Wpływ odwadniania osmotycznego na właściwości chemiczne Rizzolo i in. (2007) przeprowadzili badania wpływu odwadniania osmotycznego w 60% roztworach sacharozy i sorbitolu na zawartość substancji lotnych w truskawkach. Autorzy zauważyli spadek zawartości substancji lotnych w odwodnionych truskawkach. Stwierdzili, że substancje lotne emigrowały wraz z wodą do roztworu. Torres i in. (2007) podjęli się wyznaczenia wpływu stężenia roztworu sacharozy na zawartość substancji lotnych w owocach mango. Proces odwadniania osmotycznego przeprowadzono w sześciu stężeniach w zakresie Bx. Stwierdzono, że podczas odwadniania w roztworze o niskim stężeniu sacharozy (30 Bx) nastąpił przyrost związków lotnych, natomiast w roztworze o stężeniu 60 Bx nastąpił znaczny spadek tych związków. Spostrzeżoną prawidłowość wyjaśniono tym, że niskie stężenia oddziałują mniej agresywnie na komórki i nie powodują wypływu cząstek substancji wraz z wodą do roztworu. Z kolei, wysokie zagęszczenie roztworu wywołuje duży gradient ciśnień sprzyjający gwałtownemu odwodnieniu i możliwości zniszczenia struktury komórkowej, co powoduje wypływ substancji z badanego materiału. Badanie wpływu procesu odwadniania osmotycznego na zawartość polifenoli i właściwości antyoksydacyjne przeprowadzono na osnówkach granatowca (Bchir i in. 2012). Osnówki poddano odwodnieniu w roztworze sacharozy. Podczas tego procesu nastąpiła znaczna utrata związków fenolowych, bo aż o 40%. Autorzy stwierdzili także istotny wpływ stężenia i temperatury roztworu na zawartość polifenoli i aktywność antyoksydacyjną. Wzrost tych dwóch parametrów procesowych spowodował obniżenie bioaktywności produktu. Związane było to z tym, że sacharoza posiada niewielką zawartość polifenoli i ma niską aktywność oksydacyjną. Dlatego, przejmowanie przez osnówki cząsteczek sacharozy i usuwanie z nich wraz z wodą stałej substancji powodowało obniżenie bioaktywności osnówek granatowca. Devic i in. (2010) przeprowadzili badania odwadniania jabłek w roztworze sacharozy, oraz określili straty związków polifenolowych spowodowane tym procesem. Wykazali oni, że istotny 16

17 Przegląd literatury wpływ na stratę polifenoli ma czas odwadniania, stężenie i temperatura roztworu. Wzrost tych parametrów powodował większy ubytek polifenoli Modelowanie kinetyki odwadniania osmotycznego W literaturze naukowej można spotkać wiele prób wyznaczania modeli opisujących proces wymiany masy podczas odwadniania osmotycznego. Proces ten można przedstawić przy użyciu dwóch równań. Pierwsze z nich dotyczy ubytku wody z materiału do roztworu, natomiast drugie dotyczy przyrostu suchej masy w materiale jako dodatniego bilansu wymiany suchej substancji między materiałem i roztworem hipertonicznym. Najczęściej można spotkać się z opisem przepływu mass w formie równań empirycznych wyznaczonych na podstawie punktów doświadczalnych. Uddin i in. (2004) opisali ubytek wody i przyrost suchej masy w marchwi odwadnianej w roztworze sacharozy wykorzystując jedną z metod statystycznych, którą jest tworzenie płaszczyzny odpowiedzi. Oba procesy zostały przedstawione przy użyciu wielomianów, przy czym parametrami niezależnymi były czas procesu oraz stężenie roztworu osmotycznego. Otrzymane równania posiadały wysokie współczynniki korelacji (około 0,96). Jednymi z najczęściej stosowanych równań opisujących kinetykę odwadniania osmotycznego są równanie zaproponowane przez Azuara i in. (1992): (1) (2) gdzie, WL oznacza utratę wody, s 1 stałą zależną od utraty wody, t czas odwadniania, WL równowagową zawartość wody, s 2 stałą zależną od przyrostu masy i SG równowagowy przyrost masy. Znając parametry s 1, s 2, WL i SG można wyznaczyć utratę wody i przyrost masy z 10% błędem w stosunku do wyników empirycznych. Kolejnym sposobem wyznaczania kinetyki odwadniania jest zastosowanie równań dyfuzyjnych wykorzystujących drugie prawo Fick a dla stałych warunków procesu. Należy jednak zastosować dwa podstawowe założenia : (I) rozkład wody w materiale jest jednolity, (II) podczas procesu następuje tylko dyfuzja wody z materiału do roztworu i dyfuzja suchej substancji z roztworu do materiału badanego (Crank 1975). 17

18 Przegląd literatury Model dyfuzyjny spełniający obydwa założenia nie uwzględnia jednak utraty części suchej masy przez odwadniany materiał, co ma istotny wpływ na wynik końcowy Wpływ wstępnego odwadniania osmotycznego na proces dosuszania Proces odwadniania osmotycznego jest najczęściej obróbką wstępną przed suszeniem zasadniczym. Ma on na celu usunąć część wody z materiału oraz wzbogacić go w substancje pochodzące z roztworu. Wilgotność materiału wysuszonego wyłącznie w roztworze osmotycznym jest na tyle duża, że podczas jego przechowywania może dojść do niekorzystnych zmian mikrobiologicznych. Jedną z najczęściej stosowanych metod dosuszania produktów odwadnianych osmotycznie jest suszenie konwekcyjne (Janowicz i in. 2009, Pereira da Silva i in. 2013, Garcia i in. 2007). W literaturze można także spotkać inne metody dosuszania produktów odwadnianych osmotycznie takie jak: suszenie mikrofalowo-konwekcyjne (Piotrowski i in. 2004), mikrofalowo-próżniowe (Bórquez i in. 2010) i sublimacyjne (Ciurzyńska i Lenart 2012). Każda z przedstawionych metod dosuszania ma wpływ na właściwości fizyczne i chemiczne produktu końcowego. Mundada i in. (2010) przeprowadzili badania suszenia owoców granatowca, które zostały wstępnie odwodnione w 50% roztworze sacharozy w 40 C przez 100 minut. Próbkami kontrolnymi były owoce świeże wysuszone bez obróbki wstępnej. Okazało się, że materiał poddany wstępnej obróbce został szybciej wysuszony niż świeży surowiec. Także efektywny współczynnik dyfuzji był większy, co miało istotny wpływ na kinetykę procesu. Erle i Schubert (2001) dokonali analizy wpływu odwodnienia osmotycznego i dosuszenia mikrofalowo-próżniowego (VM) na właściwości jabłek i truskawek. Proces przeprowadzono w zagęszczonym roztworze sacharozy (60 Bx). Stwierdzono, że dosuszanie VM prowadzi do znacznej degradacji witaminy C, bo aż o 40%. Materiał, który został poddany wstępnej obróbce osmotycznej odznaczał się mniejszym skurczem suszarniczym niż próbka kontrolna. 18

19 Przegląd literatury 2.4. Suszenie surowców roślinnych Suszenie konwekcyjne Suszenie to jeden z najpowszechniej stosowanych procesów w przetwórstwie rolno-spożywczym. Proces ten jest wykorzystywany w celu przedłużenia okresu przechowywania i przydatności produktu do konsumpcji poprzez odparowanie wody z materiału. Dzięki temu ogranicza się występowanie procesów enzymatycznych i rozwój drobnoustrojów, które pogarszają jakość produktu (Stępień 2008). Najczęściej stosowaną metodą jest suszenie konwekcyjne. Polega ono na dostarczeniu ciepła do materiału za pośrednictwem czynnika suszącego. Najczęściej jest to powietrze, które po ogrzaniu owiewa suszony materiał (Szarycz i in. 2011, Nowak i Syta 2009). Największą zaletą tej metody jest możliwość pozyskania stosunkowo taniego produktu, lecz o znacznie obniżonej jakości (Stępień 2006). Mianowicie, podczas suszenia konwekcyjnego dochodzi do szeregu zmian fizycznych i fizykochemicznych materiału (Witrowa-Rajchert 1999) Kinetyka suszenia konwekcyjnego Podczas suszenia produktów roślinnych wyróżniamy dwa okresy suszenia. Pierwszy okres charakteryzuje się stałą szybkością suszenia, natomiast w drugim okresie następuje spowolnienie szybkości suszenia zgodnie z funkcją wykładniczą. Taki przebieg kinetyki suszenia przedstawiono w wielu publikacjach dotyczących m.in. odwadniania pietruszki (Łapczyńska-Kordon i Szarycz 2003, Skorupska 2005) i marchwi (Szarycz i in. 2011). Jednakże coraz częściej kinetyka suszenia konwekcyjnego opisywana jest przy użyciu jednego równania wykładniczego, które wystarczająco dobrze przedstawia spadek zawartości wody w takich produktach jak: śliwki (Sacilik i in. 2006), buraki ćwikłowe (Figiel 2010), cebula (Mota i in. 2010) i czosnek (Babetto i in. 2011). Najistotniejszym parametrem suszenia konwekcyjnego jest temperatura czynnika suszącego, którym zwykle jest powietrze. Wraz ze wzrostem temperatury powietrza wzrasta szybkość suszenia (Szarycz i in. 2011). Kolejnymi parametrami są wilgotność względna i prędkość przepływu powietrza. Zlatanović i in. (2013) przedstawili wpływ temperatury, prędkości i wilgotności względnej powietrza na kinetykę suszenia jabłek. 19

20 Przegląd literatury Stwierdzili oni, że wraz ze wzrostem temperatury i prędkości powietrza oraz spadkiem jego wilgotności względnej następuje skrócenie czasu suszenia. Dodatkowo, ci sami Autorzy zauważyli, że podobny efekt suszarniczy można osiągnąć obniżając temperaturę powietrza pod warunkiem zmiany jego wilgotności względnej i prędkości, co korzystnie wpływa na jakość wysuszonego produktu. Przebieg procesu suszenia konwekcyjnego w dużym stopniu zależy także od stopnia rozdrobnienia surowca. Fernando i in. (2011) dokonali analizy wpływu wysokości walców wyciętych z owoców banana, korzeni manioku i miąższu z dyni na kinetykę suszenia. Materiał który został bardziej rozdrobniony osiągną w krótszym czasie żądaną wilgotność końcową niż materiał o mniejszym stopniu rozdrobnienia. Dodatkowo Autorzy wyznaczyli efektywny współczynnik dyfuzji dla badanych materiałów roślinnych. Współczynnik dyfuzji rozpatrywano w płaszczyźnie osiowej i promieniowej. Wartości współczynnika dyfuzji ulegały zwiększeniu wraz ze wzrostem temperatury suszenia, przy czym wartości wyznaczone w płaszczyźnie osiowej były większe niż w płaszczyźnie promieniowej. Wiązało się to z izotropową strukturą badanych materiałów. Innym, ważnym czynnikiem wpływającym na przebieg suszenia surowców roślinnych jest struktura wewnętrzna oraz skład chemiczny, który charakteryzuje daną odmianę. Nowak i in. (2005) porównali kinetykę suszenia ośmiu odmian selera korzeniowego o różnej początkowej zawartości wody. Okazało się, że większy wpływ na kinetykę suszenia miała odmiana selera niż początkowa zawartość wody Suszenie sublimacyjne Suszenie sublimacyjne (liofilizacja) jest uznawana za najbardziej zachowawczą metodę suszenia, gdyż jakość otrzymanego suszu jest znacznie wyższa niż w przypadku innych metod suszenia (Genin and René 1995). Proces ten polega na usunięciu wody z materiału wykorzystując sublimację czyli przemianę fazową, która pozwala na bezpośrednie przejście ze stanu stałego do stanu gazowego z pominięciem fazy ciekłej. Warunkiem przeprowadzenia sublimacji jest obniżenie temperatury poniżej temperatury eutektycznej suszonego materiału. Najczęściej jest to temperatura -40, -50 C. konieczne jest także obniżenie ciśnienia do takiego poziomu, aby prężność pary suszonego materiału znajdowała się poniżej punktu potrójnego. Najczęściej stosowane 20

21 Przegląd literatury jest ciśnienie w zakresie 1-50 Pa. W celu przyspieszenia procesu sublimacji należy w sposób kontrolowany dostarczyć ciepło do suszonych próbek (Liu i in. 2008). Doprowadzanie ciepła do materiału najczęściej odbywa się w sposób kontaktowy. Do komory suszenia wkładane są płyty grzejne na których ułożone są próbki (Peroń i in. 2008, Pasławska i in. 2010, Genin i in. 1996). Jednakże coraz częściej stosowane są inne metody doprowadzenia ciepła do suszonej próbki. Jedna z tych metod oparta jest na wykorzystaniu mikrofal (Duan i in. 2007, Duan i in. 2010, Wang i in. 2011, Wu i in. 2010, Jiang i in. 2010). Innym rozwiązaniem jest użycie promienników podczerwieni (Lin i in. 2005) Kinetyka suszenia sublimacyjnego Proces suszenia sublimacyjnego najczęściej trwa około godzin, jednak w przypadku stosowania niskich temperatur suszenia (-25 C) proces ten może trwać nawet 80 godzin. Kinetyka suszenia składa się z dwóch okresów: o stałej szybkości suszenia i zmiennej szybkości suszenia mającej charakter wykładniczy. W początkowej fazie suszenia następuje znaczna utrata wody z materiału. Podczas suszenia sublimacyjnego czosnku w pierwszych 24 godzinach materiał utracił 94% wody, a w trakcie kolejnych 48 godzinach zaledwie 6% (Sablani i in. 2007). Istotny wpływ na szybkość suszenia ma sposób doprowadzenia ciepła do materiału w trakcie sublimacji. W przypadku wykorzystywania płyt grzejnych szybkość suszenia ulega zwiększeniu wraz ze wzrostem temperatury płyt (Ratti 2001). Wpływ jednostkowej mocy mikrofal na szybkość suszenia sublimacyjnego przedstawiono na przykładzie ogórków morskich. Wzrost jednostkowej mocy mikrofal powodował zwiększenie szybkości suszenia (Duan i in. 2010) Suszenie mikrofalowo-próżniowe Suszenie mikrofalowo-próżniowe (VM - Vacuum-Microwave) jest nowoczesną metodą, która łączy w sobie zalety suszenia mikrofalowego i próżniowego (Cui i in. 2004). Suszenie mikrofalowe polega na wnikaniu pola elektromagnetycznego o bardzo wysokie częstotliwości (300 MHz - 30 GHz) do wnętrza suszonego materiału. Woda, która w dużych ilościach znajduje się w świeżych roślinach posiada budowę dipolową. 21

22 Przegląd literatury W polu elektromagnetycznym dipole wykonują ruch obrotowy, jednak przy wysokich częstotliwościach dipole nie nadążają za zmianą pola, w wyniku tego powstają tzw. straty dipolowe. Im większe są te straty, tym większa jest ilość wydzielonego ciepła, która powoduje powstanie gradientu ciśnień oparów wewnątrz materiału w kierunku powierzchni (Warych 1996). Zastosowanie mikrofal do suszenia pozwala dostarczyć energię w całej objętości próbki, co pozwala na skrócenie czasu suszenia i tym samym otrzymanie produktu wysokiej jakości (Kelen i in. 2006). Dodatkowe wykorzystanie próżni pozwala na jeszcze większe skrócenie czasu suszenia, ograniczenie kontaktu surowca z powietrzem i obniżenie temperatury materiału podczas suszenia (Szarycz i in. 2003). Podczas suszenia VM struktura materiału nie ulega zapadnięciu, lecz ulega działaniu tzw. puffingu wskutek intensywnego, wewnętrznego odparowania wody. Dzięki temu, uzyskany materiał posiada porowatą strukturę, która odpowiada za chrupką i delikatną teksturę (Sham i in. 2001) Kinetyka suszenia mikrofalowo-próżniowego (VM) Kinetyka suszenia mikrofalowo-próżniowego materiałów roślinnych może składać się z dwóch lub tylko jednego okresu. Dwa okresy suszenia zostały zaobserwowane podczas suszenia rozmarynu (Calín-Sánchez i in. 2011), bazylii (Calín- Sánchez i in. 2012), owoców głogu (Jałoszyński i in. 2011) i aronii (Szarycz i in. 2006) oraz miąższu dyni (Nawirska i in. 2009). Opis kinetyki suszenia przy użyciu jednego równania wykładniczego zastosowano m.in. w przypadku buraków (Figiel 2010), czosnku, (Figiel 2009), selera (Szarycz i in. 2005) i ziemniaków (Song i in. 2009). Podstawowym parametrem suszenia metodą VM jest moc mikrofal, która często podawana jest jako moc przypadająca na gram świeżego materiału (moc jednostkowa). Poziom zastosowanej mocy jednostkowej zależy od rodzaju surowca roślinnego i w badaniach laboratoryjnych wynosi 8,0-11,2 W g 1 mięty (Therdthai i Zhou 2009), W g 1 w przypadku czosnku (Figiel 2009), 0,8-3,0 W g 1 słodkich ziemniaków ( Li i in. 2007). Wzrost mocy mikrofal prowadzi do skrócenia czasu suszenia (Therdthai i Zhou 2009, Giri i Prasad 2007, Cui i in. 2004). Obniżenie ciśnienie w komorze suszenia powoduje zmniejszenie temperatury wrzenia wody oraz zwiększenie gradientu ciśnienia między wnętrzem suszonego 22

23 Przegląd literatury materiału a jego powierzchnią. Szarycz i in. (2006) przeprowadzili analizę wpływu zakresu ciśnień na kinetykę procesu suszenia korzeni selera. Autorzy stwierdzili, że zastosowane zakresy ciśnień: 4-6 kpa, 6-8 kpa i 8-10 kpa nie miały istotnego wpływu na kinetykę suszenia. Motavali i in. (2011) wyznaczali wpływ mocy i ciśnienia na kinetykę suszenia wiśni metodą VM. W badaniach zastosowano ciśnienia mieszczące się w zakresie od kpa. Zgodnie z oczekiwaniem czas suszenia uległ skróceniu wraz ze wzrostem mocy mikrofal i spadkiem ciśnienia. Z kolei, Giri i Prasad (2007) badali przebieg procesu suszenia pieczarek metodą VM, stosując trzy ciśnienia: 6,5, 15 i 23,5 kpa. Okazało się, że ciśnienie 15 i 23,5 kpa nie wpłynęło istotnie na kinetykę suszenia, natomiast ciśnienie 6,5 kpa spowodowało skrócenie czasu suszenia. Dodatkowo stwierdzono, że plastry pieczarek o grubość 14 mm suszyły się znacznie dłużej niż plastry o grubości 6 lub 10 mm, które osiągnęły wilgotność końcową w podobnym czasie. Badanie kinetyki suszenia różnych odmian jabłek metodą VM wykazało, że cechy odmianowe nie miały istotnego wpływu na czas suszenia (Figiel i in. 2006) Właściwości fizyko-chemiczne wysuszonego materiału roślinnego Właściwości fizyczne Jedną z podstawowych zmian fizycznych wysuszonych materiałów jest skurcz, który objawia się zmniejszeniem objętości materiału w rezultacie utraty wody (Wang i Brennan 1995). Skurcz powstały wskutek suszenia zwykle obniża jakość otrzymanego produktu poprzez zmianę kształtu i zwiększenie twardości. Kolejnym negatywnym efektem niejednorodnego kurczenia się suszonego materiału są pęknięcia wynikające z pojawienia się asymetrycznych naprężeń, które prowadzą do zniszczenia próbek, a co za tym idzie powodują utratę soku komórkowego (Mayor i Sereno 2004). Hatamipour i Mowla (2002) przeprowadzili badania wpływu parametrów suszenia w złożu fontannowym na skurcz marchwi. Zauważono, że występuje ścisła korelacja między skurczem i zawartością wody w materiale, natomiast nie stwierdzono istotnego wpływu temperatury i prędkości powietrza na wielkość skurczu. Podobne wyniki badań przedstawiono w pracy dotyczącej suszenia konwekcyjnego gruszek (Mrad i in. 2012). Mianowicie, stwierdzono, że skurcz 23

24 Przegląd literatury powstały w trakcie suszenia zależał liniowo od wilgotności materiału. Także gęstość oraz porowatość zależały od wilgotności, lecz nie była to zależność liniowa. Porowatość gruszek świeżych wynosiła około 10% i w początkowym okresie suszenia utrzymywała się na tym poziomie, lecz gdy wilgotność materiału spadła poniżej 50%, nastąpił gwałtowny wzrost porowatości, aż do osiągnięcia poziomu ponad 50%. Wraz ze spadkiem wilgotności suszonego materiału wzrastała gęstość właściwa, natomiast malała gęstość pozorna. Liu i in. (2012) przeprowadzili badania dotyczące wpływu parametrów suszenia konwekcyjnego na skurcz, gęstość pozorną i porowatość suszu. Stwierdzili, że skurcz suszarniczy miał charakter anizotropowy, a gęstość pozorna zmniejszyła się w stosunku do materiału świeżego. W trakcie suszenia następują istotne zmiany na poziomie komórkowym. W surowcu owiewanym ogrzanym powietrzem następuje odparowanie wody z komórek znajdujących się na powierzchni cząstek, a wewnątrz materiału odbywa się transport wody wskutek dyfuzji. Wyniki badań otrzymanych podczas suszenia korzenia pietruszki w temperaturze 50 C wykazały, że na początku suszenia powierzchnia przekroju poprzecznego komórek zwiększa się, a w końcowej fazie ulega zmniejszeniu (Łapczyńska-Kordon 2005). Podczas suszenia mikrofalowo-próżniowego czosnku zaobserwowano, że zwiększenie mocy mikrofal z 480 W do 720 W spowodowało znaczne obniżenie skurczu wysuszonego produktu (Figiel 2009). Sham i in. (2001) przeprowadzili badania odwadniania jabłek w 1-5% roztworze CaCl 2 i dosuszania metodą VM. Wstępna obróbka przyczyniła się do zwiększenia kruchości otrzymanego suszu. Dodatkowy wpływ na kruchości i gęstość chipsów miało zastosowane ciśnienie. Mianowicie, obniżenie ciśnienia istotnie wpływało na wzrost kruchości oraz zmniejszenie gęstość otrzymanego suszu Tekstura Zgodnie z definicją zaproponowaną przez Surmacką-Szcześniak (1990) tekstura jest sensoryczną reprezentacją struktury żywności oraz sposobem, w jaki ta struktura reaguje na przyłożoną siłę i jest postrzegana przez zmysł wzroku, dotyku i słuchu. Tekstura surowców roślinnych bardzo często badana jest przy użyciu metod 24

25 Przegląd literatury instrumentalnych, mimo że powyższa definicja odwołuje się do wrażeń sensorycznych. Jednym z podstawowych testów instrumentalnych służących do badania tekstury produktów spożywczych jest Analiza Profilu Tekstury (TPA Texture Profile Analysis), w której wyznaczane parametry takie, jak: twardość, spoistość, adhezyjność, sprężystość, gumowatość i żuwalność nawiązują do wrażeń towarzyszących przeżuwaniu pokarmu. Poza tym, maszyny wytrzymałościowe służące do ściskania, przecinania lub zginania produktów spożywczych zazwyczaj nazywane są teksturometrami. Podczas suszenia dochodzi do znacznych zmian tekstury materiałów roślinnych. Charakter tych zmiany często zależy od zastosowanego sposobu suszenia. Przeprowadzone badania wpływu czterech metod suszenia na teksturę suszu marchwiowego wykazały, że najmniejszą twardością charakteryzował się susz uzyskany metodą konwekcyjną, natomiast największą twardość wykazywał produkt otrzymany w złożu fluidalnym oraz przy użyciu metody mikrofalowej (Marzec i Pasik 2008). Bondaruk i in. (2007) porównali teksturę kostek ziemniaków wysuszonych konwekcyjne oraz metodą VM. Autorzy stwierdzili, że susz otrzymany metodą VM charakteryzował się mniejszą pracą ściskania niż produkt wysuszony metodą konwekcyjną. Zauważono także, że ciśnienie w komorze suszenia w zakresie od 6 do 24 kpa nie wpłynęło istotnie na pracę ściskania. Okazuje się, że wpływ parametrów suszenia na teksturę wysuszonego produktu nie jest jednoznaczny i zależy od rodzaju suszonego surowca roślinnego. Mianowicie, wzrost mocy mikrofal w znacznym stopniu obniżył twardość owoców duriana wysuszonego przy użyciu metody VM, dzięki intensyfikacji efektu puffingu przyczyniającego się do uzyskania kruchej tekstury materiału (Bai-Ngew i in. 2011). Z drugiej strony, wzrost mocy mikrofal zwiększył wytrzymałość na ściskanie czosnku wysuszonego przy użyciu tej samej metody, mimo ograniczonego skurczu materiału spowodowanego efektem puffingu (Figiel 2009). Prawdopodobnie różnice dotyczące składu chemicznego oraz struktury wewnętrznej surowców roślinnych powodują, że parametry procesowe mogą w różny sposób kształtować teksturę wysuszonych produktów. 25

26 Przegląd literatury Właściwości chemiczne Calín-Sánchez i in. (2012) dokonali porównania różnych metod suszenia ze względu na zawartość związków lotnych w liściach i łodygach bazylii. Autorzy stwierdzili, że w trakcie suszenia konwekcyjnego nastąpiła największa utrata związków lotnych, przy czym zależała ona od temperatury powietrza suszącego. Przy temperaturze 40 C zawartość tych substancji spadła o ponad 50% w stosunku do materiału świeżego, a przy 60 C uległa redukcji o blisko 70%. Także wzrost mocy mikrofal podczas suszenia VM spowodował spadek zawartości substancji lotnych w bazylii. Najlepszym rozwiązaniem okazało się połączenie dwóch metod suszenia, gdyż starta związków lotnych była wówczas najmniejsza. Bazylię wstępnie podsuszono metodą konwekcyjną w temperaturze 40 C i dosuszono metodą VM przy zastosowaniu mocy mikrofal 360 W. Guiné i in. (2011) przeprowadzili badania jakościowe dyni wysuszonej metodą konwekcyjną z zastosowaniem różnych temperatur od 30 do 70 C. Autorzy dokonali porównania zawartości białka, lipidów, cukrów ogółem i redukujących oraz włókna surowego biorąc pod uwagę świeżą oraz wysuszoną dynię. Najmniejsze zmiany w składzie chemicznym nastąpiły przy zastosowaniu najniższej temperatury 30 C, przy czym niewiele gorszy wynik uzyskano stosując najwyższą temperaturę. Badania wykazały, że czynnikiem wpływającym na jakość suszu jest nie tylko temperatura, ale także czas suszenia, który wynosił 8 godzin w przypadku temperatury 30 C i tylko 2 godziny w przypadku temperatury 70 C. Akbudak i Akbudak (2013) dokonali oceny wpływu metody suszenia na zawartość kwasu askorbinowego (witaminy C) w liściach pietruszki. Najkorzystniejszą metodą okazało się suszenie mikrofalowe przy użyciu mikrofal o mocy W. Biorąc pod uwagę suszenie konwekcyjne zaobserwowano, że stopień redukcji witaminy C wzrastał wraz z wydłużeniem czasu suszenia, który wynosił od 20 do 116 minut dla temperatur od 125 do 50 C. Jeden z najważniejszych parametrów jakościowych bezpośrednio ocenianych przez konsumentów jest barwa produktu. Przeprowadzone badania zmian współrzędnych barwy na przykładzie suszu z papryki wysuszonego metodą konwekcyjną w różnych temperaturach i prędkości przepływu powietrza wykazały, że 26

27 Przegląd literatury im większa temperatura powietrza tym większy spadek parametrów L*, a*, b* (Rudy i Polak 2005). Autorzy badań zaprezentowali zmianę barwy w funkcji czasu. Zmiany te posiadały charakter wykładniczy. Nie stwierdzono wpływu prędkości powietrza na barwę otrzymanych suszy. Badania właściwości chemicznych gruszek wysuszonych metodą konwekcyjną wykazały istotny wpływ temperatury powietrza na zawartość witaminy C i związków fenolowych (Mrad i in. 2012). Także i te badania potwierdziły, że czas procesu jest również bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na jakość wysuszonego produktu. Okazało się, że próbki otrzymane po 10 godzinach suszenia w 30 C miały najniższą zawartość polifenoli ogółem, natomiast próbki otrzymane po 2 godz. suszenia w 70 C posiadały nieco większą zawartość związków polifenolowych. Autorzy przedstawili stratę związków fenolowych w funkcji czasu i temperatury suszenia. Dla podobnych czasów suszenia istotny był negatywny wpływ temperatury powietrza. W pracy przedstawiono także zmianę parametrów barwy L*, a*, b*. Zauważono, że temperatura procesu miała wpływ na wartość parametrów a* i b*, natomiast nie wpływała na jasność materiału czyli na wartość parametru L*. Zwiększenie temperatury spowodowało wzrost parametru a* (przesunięcie barwy w kierunku czerwieni) oraz parametru b* (przesunięcie barwy w kierunku koloru żółtego). Bondaruk i in. (2007) dokonali porównania dwóch metod suszenia biorąc pod uwagę jakość wysuszonych ziemniaków. Suszenie konwekcyjne próbek o masie 80 g przeprowadzono w powietrzu o temperaturze 50 i 70 C, natomiast suszenie metodą VM przy ciśnieniu 6, 12, 18 i 24 kpa i mocy mikrofal równej 480 W. Produkt otrzymany metodą VM charakteryzował się większą zawartością skrobi i cukrów, oraz mniejszą zmianą barwy w porównaniu z produktem wysuszonym konwekcyjnie. W trakcie suszenia degradacji ulega wiele składników zawartych w roślinach. Przykładem mogą być zmiany zawartości β-karotenu i właściwości sensorycznych zachodzące podczas suszenia konwekcyjnego i sublimacyjnego kostek marchwi (Gawałek 2005). Wraz ze wzrostem temperatury suszenia malała zawartość β-karotenu oraz jakość wysuszonego produktu oceniana przez panel sensoryczny. 27

28 Cel i zakres pracy 3. CEL I ZAKRES PRACY Celem pracy było wyznaczenie wpływu parametrów odwadniania osmotycznego i dosuszania metodą mikrofalowo-próżniową (VM) na kinetykę suszenia i wybrane parametry jakościowe buraków ćwikłowych przeznaczonych do konsumpcji w formie produktu przekąskowego o różnych wersjach smakowych i podwyższonej bioaktywności. Wybrane parametry jakościowe wysuszonego produktu obejmowały: właściwości związane z teksturą (wyznaczone w testach TPA i przecinania), podstawowe cechy fizyczne (skurcz i gęstość właściwa), właściwości chemiczne (zawartość polifenoli ogółem, zdolność przeciwutleniająca), właściwości sensoryczne. Dodatkowym celem pracy było opisanie procesu odwadniania osmotycznego i dosuszania mikrofalowo-próżniowego przy użyciu kompleksowego modelu matematycznego. Zakres pracy obejmował: 1. Zbadanie wpływu parametrów odwadniania osmotycznego na kinetykę procesu, oraz jakość odwodnionych buraków ćwikłowych. 2. Przeprowadzenie analizy chemicznej odwodnionych osmotycznie buraków ćwikłowych dosuszonych próżniowo w temperaturze 40 C. Analiza chemiczna obejmowała wyznaczenie zawartości polifenoli oraz zdolność przeciwutleniającą. 3. Wyznaczenie optymalnych warunków dosuszania mikrofalowo-próżniowego (moc mikrofal) oraz wpływu powierzchni właściwej odwodnionych próbek na kinetykę procesu dosuszania i jakość otrzymanego suszu. 4. Przeprowadzenie analizy chemicznej produktu wysuszonego metodą VM obejmującej wyznaczenie zawartości polifenoli i aktywności przeciwutleniającej. 5. Przeprowadzenie badań dotyczących właściwości fizycznych, teksturalnych i sensorycznych oraz analiza struktury wewnętrznej produktu wysuszonego metodą VM. 28

29 Cel i zakres pracy Osiągnięcie celu pracy wiązało się z uwzględnieniem następujących założeń badawczych: 1. Wzrost stężenia i temperatury roztworu hipertonicznego oraz powierzchni właściwej surowca zwiększa intensywność wymiany masy podczas odwadniania osmotycznego. 2. Z uwagi na anizotropową budowę buraka ćwikłowego kształt próbki ma istotny wpływ na proces wymiany masy podczas odwadniania osmotycznego. 3. Czas i wysoka temperatura wpływają negatywnie na bioaktywność surowca roślinnego odwadnianego osmotycznie lub suszonego metodą mikrofalowopróżniową. 4. Kinetykę suszenia materiału roślinnego oraz zmianę wyznaczników bioaktywności wysuszonego produktu można opisać przy użyciu kompleksowych równań, uwzględniających zastosowane parametry procesowe. 29

30 Metodyka badań 4. METODYKA BADAŃ 4.1. Koncepcja realizacji badań Koncepcja badań opierała się na wykonaniu siedmiu zadań w dwóch etapach. Ogólny plan badań przedstawiono na rysunku 3 w formie schematu blokowego. W I etapie zaplanowano trzy zadania, które zmierzały do modyfikacji smaku (Z1), zachowania smaku (Z2) i intensyfikacji bioaktywności (Z3) produktu w procesie odwadniania osmotycznego. Dla zrealizowania tej koncepcji w zadaniu pierwszym (Z1) zastosowano zagęszczony sok jabłkowy z udziałem świeżej mięty. Sok jabłkowy jest popularnym i tanim produktem, a w połączeniu z miętą tworzy doskonały smak (Nosecka i in. 2006). Jedyną możliwością spełnienia warunku postawionego w zadaniu drugim (Z2) było użycie zagęszczonego soku z buraka ćwikłowego. W przypadku zadania trzeciego (Z3) wybrano zagęszczony sok z owoców aronii, które charakteryzują się wyjątkowo wysoką bioaktywnością (Slimestad i in. 2005). W badaniach postanowiono uwzględnić te czynniki, które mogą mieć wpływ na przebieg procesu odwadniania osmotycznego i bioaktywność odwodnionego materiału, przy czym zakres i liczba czynników mogła ulegać zmianie na podstawie wyników realizacji kolejnych zadań badawczych. II etap badań dotyczył suszenia mikrofalowo-próżniowego (VM) materiału świeżego i odwodnionego w optymalnych warunkach wyznaczonych na podstawie realizacji zadań w I etapie. Założono, że zastosowanie najszerszego spektrum parametrów suszenia VM dla materiału świeżego (Z4) (bez odwadniania osmotycznego) oraz materiału podsuszonego osmotycznie w soku o najwyższej bioaktywności (Z5) pozwoli zredukować liczbę i zakres parametrów dosuszania w kolejnych zadaniach badawczych (Z5 i Z6). Uznano, że wyznaczenie wpływu parametrów suszenia VM na kinetykę procesu oraz właściwości fizyko-chemiczne, mechaniczne i sensoryczne pozwoli zaproponować optymalne warunki otrzymania chipsów z buraków ćwikłowych metodą łączoną polegającą na odwadnianiu osmotycznym i dosuszaniu VM. Postanowiono opisać przebieg odwadniania osmotycznego i suszenia VM przy użyciu kompleksowych modeli empirycznych uwzględniających wszystkie parametry procesowe. 30

31 Metodyka badań I Etap badań Odwadnianie osmotyczne buraków ćwikłowych Zadanie 1 (Z1) Modyfikacja smaku (Odwadnianie w soku jabłkowym z udziałem mięty) Zadanie 2 (Z2) Zachowanie smaku (Odwadnianie w soku z buraka ćwikłowego) Zadanie 3 (Z3) Intensyfikacja bioaktywności (Odwadnianie w soku z aronii) Wyznaczenie wpływu parametrów odwadniania osmotycznego na kinetykę procesu i właściwości bioaktywne materiału II Etap badań Suszenie mikrofalowo-próżniowe materiału odwodnionego w optymalnych warunkach Zadanie4(Z4) Zadanie 5 (Z5) Zadanie 6 (Z6) Zadanie 7 (Z7) Suszenie świeżego surowca (bez odwadniania) Dosuszanie po odwodnieniu w soku z aronii Dosuszanie po odwodnieniu w soku jabłkowym z udziałem mięty Dosuszanie po odwodnieniu w soku z buraków ćwikłowych Wyznaczenie wpływu parametrów suszenia mikrofalowo-próżniowego na kinetykę procesu i właściwości fizyko-chemiczne, mechaniczne i sensoryczne wysuszonego produktu Zaproponowanie optymalnych warunków otrzymywania produktu przekąskowego z buraków ćwikłowych metodą łączoną oraz modeli opisujących przebieg odwadniania osmotycznego i suszenia mikrofalowo-próżniowego Rys. 3. Schemat koncepcji badań. 31

32 Metodyka badań 4.2. Cześć technologiczna Materiał badawczy Materiałem wykorzystanym do badań były buraki ćwikłowe (Beta vulgaris) odmiany Alto F1. Buraki zostały pozyskane z gospodarstwa rolnego znajdującego się w Żernikach Wrocławskich (N 51,030895, E 17,064383). Do badań wybrano buraki średniej wielkości o średnicy 50 ±10 mm i długości 200 ± 50 mm. Buraki były zbierane późną jesienią i do czasu rozpoczęcia badań były przechowywane w warunkach chłodniczych (5-10 C, RH 70-90%). Wilgotność buraków przed suszeniem wynosiła 88,92±0,5 %. W badaniach wykorzystano roztwory hipertoniczne sporządzone z zagęszczonych soków z buraka ćwikłowego (68 ºBx), jabłek (70 ºBx) i aronii (65 ºBx). Soki zostały wyprodukowane przez firmę RAUCH POLSKA sp. z o.o., Płońsk. Kolejnym materiałem wykorzystywanym podczas odwadniania buraków ćwikłowych w soku z jabłek była świeża mięta szklarniowa zakupiona w firmie Swedeponic Polska sp. z o.o., Kraśnicza Wola. Parametrem charakteryzującym próbki buraków była powierzchnia właściwa (Ψ). Parametr ten został zdefiniowany (rów.3) jako stosunek powierzchni cząstki (A) do jej objętości (V): (3) Odwadnianie osmotyczne Odwadnianie w soku z jabłek z udziałem mięty (Z1) Z umytych korzeni buraków ćwikłowych wycięto walce o średnicy Ø 18,0±0,5 mm i wysokości h=6,0±0,2 mm. Powierzchnia właściwa tych próbek wynosiła Ψ=548±15 m 2 m -3. W tym etapie badań wykorzystano także świeżą miętę, która została rozdrobniona na kawałki o długości około 0,5 mm. Do zagęszczonego soku jabłkowego dodano wodę w celu uzyskania trzech różnych stężeń: 20±0,1, 40±0,1 i 60±0,1 ºBx. W celu określenia stężenia roztworu wykorzystywano refraktometr PAL-3 (Atago, Japonia) o dokładności ±0,1 ºBx. 32

33 Metodyka badań Do odwadniania osmotycznego użyto łaźni wodnych (Labo Play, Bytom), które pozwalają utrzymać zadaną temperaturę z dokładnością ±0,2 C. Proces odwadniania przeprowadzono w zlewkach o pojemności 350 ml. Do sporządzenia próbki wykorzystano 30 g buraków ćwikłowych, 100±2 ml soku jabłkowego i 2 g świeżej mięty. Zlewki zawierające sok umieszczono w łaźni wodnej na 30 minut przed rozpoczęciem procesu odwadniania, aby sok osiągnął zadaną temperaturę. Badania wykonano w trzech temperaturach: 30, 45, 60 C. Następnie odważono próbki buraka i miętę przy użyciu wagi laboratoryjnej XA 60/220/X (Radwag, Radom) z dokładnością 0,1 mg. Próbki wraz z miętą umieszczono w roztworze osmotycznym. Materiał był mieszany w odstępach 15 minutowych. Proces odwadniania osmotycznego trwał 0,5, 1, 2, 3 i 6 godz. Badanie przeprowadzono w trzech powtórzeniach technologicznych. Po odwodnianiu próbki buraka oddzielano od soku przy użyciu sitka i osuszono na ręczniku papierowym. Materiał zważono i po rozłożeniu na płytkach Petriego umieszczono w suszarce próżniowej SPT-200 (ZEAMiL Horyzont, Kraków). Proces suszenia próżniowego prowadzono w temperaturze 40 C przez 15 godz. przy ciśnieniu 40±5 Pa. Otrzymany susz został podzielony w celu wyznaczenia właściwości chemicznych i wyznaczenia wilgotności końcowej Odwadnianie w soku z buraków ćwikłowych (Z2) Buraki ćwikłowe umyto i wycięto z nich próbki o 4 różnych kształtach: -3 walce (W) o średnicy Ø18,0±0,5 mm i wysokości h=6,0±0,2 mm, Ψ=548 m 2 m -3 kostki (K) o boku 11,0±0,5 mm, Ψ=545 m 2 m -3 krążki (T) o średnicy Ø27,0±0,5 mm i wysokości h=3,0±0,2 mm, Ψ=850 m 2 m -3 słupki (S) o przekroju kwadratowym 5,0±0,2x5,0±0,2x40±1,0 mm, Ψ=815 m 2 m Zagęszczony sok z buraka ćwikłowego został rozcieńczony przy użyciu wody w celu uzyskania stężenia 40±0,1 ºBx. Odwadnianie przeprowadzano w łaźniach wodnych, które omówiono w zadaniu 1 (Z1). Do zlewek o objętości 200 ml wlewano 30±1 ml zagęszczonego soku i przykrywano zlewkę. Zlewki z sokiem umieszczano w łaźni na 30 minut przed rozpoczęciem procesu. Następnie do zlewek wkładano około 10 g krajanki z buraka ćwikłowego. Stosunek masy buraków do soku wynosił 1:3. Wartość ta została wyznaczona na podstawie badań wstępnych. Proces odwadniania przeprowadzano w 33

34 Metodyka badań trzech temperaturach: 30±0,2, 45±0,2, 60±0,2 C. Czas odwadniania wynosił 0,5, 1, 2, 3 i 6 godz. Dalsze czynności wykonywano tak jak w zadaniu 1 (Z1) Odwadnianie w soku z owoców aronii (Z3) Z buraków ćwikłowych wycięto walce o tej samej średnicy podstawy i różnych wysokościach, w celu uzyskania różnych powierzchni właściwych (Ψ). Mianowicie średnica walca wyniosła Ø18,0±0,5 mm dla czterech różnych wysokości h: -3 h 1 = 2,6±0,14 mm, Ψ1=998±13 m 2 m -3 h 2 = 3,35±0,25 mm, Ψ2=827±18 m 2 m -3 h 3 = 6,3±0,40 mm, Ψ3=541±15 m 2 m h 4 = 9,6±0,20 mm, Ψ4=429±14 m 2 m -3. Zagęszczony sok z owoców aronii został rozcieńczony przy użyciu wody w celu uzyskania czterech poziomów stężeń 15±0,1, 20±0,1, 30±0,1 i 40±0,1 ºBx. Dalsze czynności wykonywano tak jak w zadaniu 2 (Z2), przy czym proces odwadniania przeprowadzano w czterech temperaturach: 30±0,2, 40±0,2, 50±0,2 i 60±0,2 C, a czas odwadniania wynosił 0,5, 1, 2 i 4 godz Suszenie mikrofalowo-próżniowe świeżych buraków ćwikłowych (Z4) Z buraków ćwikłowych wycięto walce o takich samych wymiarach jak w zadaniu 3 (Z3) w celu uzyskania różnych powierzchni właściwych (Ψ). Świeżo wycięte walce ważono przy użyciu wagi PS600/C/2 (Radwag, Radom) o dokładności ±1 mg tak, aby uzyskać próbki o masie około 60 g. Uzyskane próbki zostały wysuszone w suszarce mikrofalowo-próżniowej SM 200 (Plazmatronika, Wrocław) (rys. 4). Próbki wkładano do komory suszenia, w której następnie obniżono ciśnienie. W badaniach wykorzystano jeden zakres ciśnień, który wynosił 4-6 kpa. Gdy ciśnienie uzyskało żądaną wartość wprawiano komorę suszenia w ruch obrotowy z prędkością 6 obr min -1 i włączano magnetrony. Zastosowano 4 moce wyjściowe magnetronów: 120, 240, 360 i 480 W. Próbki suszono cyklicznie. Czas trwania pojedynczego cyklu wynosił 8, 4, 3 i 2 minuty odpowiednio dla mocy magnetronów 120, 240, 360 i 480 W, aby wyemitowana energia mikrofalowa w jednym cyklu osiągała podobny poziom. Po każdym cyklu materiał był 34

35 Metodyka badań wyjmowany z komory suszenia w celu dokonania pomiaru temperatury i masy. Pomiar temperatury dokonywany był przy użyciu kamery termowizyjnej Flir i50 (FLIR Systems, Szwecja) z dokładnością ±2 C. Proces suszenia przerywano, gdy różnica masy próbki w następujących po sobie pomiarach była mniejsza niż 0,05 g. Takie postępowanie pozwalało uzyskać podobną wilgotność końcową próbek niezależnie od zastosowanej mocy magnetronów. Dodatkowo przeprowadzono suszenie z zastosowaniem redukcji mocy magnetronów. Otóż, w początkowym okresie suszenia, gdy próbka posiada dużą wilgotność, można stosować dużą moc mikrofal wykorzystując efekt chłodzenia związany z intensywnym odparowaniem wody z suszonego materiału. Wraz z ubytkiem wody następuje zmniejszenie efektu chłodzenia i gwałtowny wzrost temperatury materiału (Figiel 2009). W związku z tym, proces suszenia rozpoczynano przy mocy magnetronów 480 W, a następnie zredukowano tę moc do poziomu 120 W, gdy maksymalna temperatura próbki osiągała wartość bliską 80 C. Testy suszarnicze przeprowadzono w trzech powtórzeniach technologicznych. Otrzymany susz został podzielony na porcje służące do oznaczenia wilgotności końcowej i przeprowadzenia badań jakościowych. 35

36 Metodyka badań Rys. 4. Suszarka mikrofalowo-próżniowa. 1- komora suszenia, 2- wentylator, 3- przewód, 4- czujnik ciśnienia, 5- silnik elektryczny, 6- przekładnia, 7- magnetrony, 8- zawór zamykający, 9- regulator ciśnienia, 10- pompa próżniowa, 11-zbiornik wyrównawczy Suszenie metodą łączoną odwodnienie osmotyczne (OD) i dosuszanie mikrofalowo-próżniowe (VM) Odwadnianie w soku z owoców aronii i dosuszanie VM (Z5) Przygotowanie próbek i odwadnianie osmotyczne przebiegało tak jak w zadaniu 3 (Z3), przy czym stężenie i temperatura soku z owoców aronii wynosiły odpowiednio: 40±0,1 ºBx i 50±0,2 C, a czas procesu wynosił 2 godz. Objętość soku wynosiła 180 ml, a masa krajanki z buraka ćwikłowego 60 g. Po wstępnym odwodnieniu materiał został dosuszony metodą VM w ten sam sposób jak w zadaniu 4 (Z4). Otrzymany susz został podzielony na porcje służące do oznaczenia wilgotności końcowej i przeprowadzenia badań jakościowych Odwadnianie w soku z jabłek z udziałem mięty i dosuszanie VM (Z6) Przygotowanie próbek i odwadnianie osmotyczne przebiegało tak jak w zadaniu 1 (Z1), przy czym stężenie i temperatura soku z jabłek wynosiły odpowiednio 40±0,1 ºBx i 45±0,2 C, a czas procesu wynosił 0,5, 1, 2 i 4 godz. Objętość soku wynosiła 200 ml, 36

37 Metodyka badań masa krajanki z buraka ćwikłowego 60 g, a masa świeżej mięty 4 g. Po wstępnym odwodnieniu materiał został dosuszony metodą VM przy zastosowaniu redukcji mocy magnetronów (480/120 W) w sposób przedstawiony w zadaniu 4 (Z4). Otrzymany susz został podzielony na porcje służące do oznaczenia wilgotności końcowej i przeprowadzenia badań jakościowych Odwadnianie w soku z buraków ćwikłowych i dosuszanie VM (Z7) Z buraków ćwikłowych wycięto walce o średnicy Ø27,0±0,5 mm i wysokości h=3,0±0,2 mm. Powierzchnia właściwa próbek wynosiła Ψ=850 m 2 m -3. Odwadnianie osmotyczne przebiegało tak jak w zadaniu 2 (Z2), przy czym stężenie i temperatura soku z buraków ćwikłowych wynosiły odpowiednio 40±0,1 ºBx i 45±0,2 C, a czas procesu wynosił 0,5, 1, 2, 3 i 6 godz. Objętość soku wynosiła 180 ml, a masa krajanki z buraka ćwikłowego 60 g. Po wstępnym odwodnieniu materiał został dosuszony metodą VM przy zastosowaniu redukcji mocy magnetronów w sposób przedstawiony w zadaniu 4 (Z4), przy czym moc magnetronów redukowano z 360 do 120 W. Otrzymany susz został podzielony na porcje służące do oznaczenia wilgotności końcowej i przeprowadzenia badań jakościowych Cześć analityczna Wyznaczanie zawartości suchej masy Wyznaczenie zawartości suchej masy w świeżych, odwodnionych osmotycznie i wysuszonych metodą VM próbkach buraków ćwikłowych przeprowadzano przy użyciu suszarki próżniowej SPT-200 (ZEAMiL Horyzont, Kraków). Próbki suszono w temperaturze 70 C przy ciśnieniu 40±5 Pa przez 24 godz. Masę próbek wyznaczano przy użyciu wagi analitycznej XA 60/220/X (Radwag, Radom) z dokładnością 0,0001 g. 37

38 Metodyka badań Obliczanie zredukowanej zawartości wody w materiale (Ured) Kinetykę suszenia odwadniania osmotycznego i suszenia mikrofalowopróżniowego przedstawiono jako spadek zredukowanej zawartości wody Ured (rów. 4) w funkcji czasu. (4) gdzie: u τ zawartość wody w czasie τ, u o początkowa zawartość wody, u r równowagowa zawartość wody. Podczas wyznaczania wartości Ured dokonano uproszczenia polegającego na pominięciu wartości u r. Takie uproszczenie, powszechnie stosowane, nie ma dużego wpływu na wyniki badań dotyczące kinetyki suszenia (Rasouli i in. 2011) Obliczanie względnego przyrostu suchej masy (Δm) Względny przyrost suchej masy (Δm) obliczono na podstawie równania 5: podczas odwadniania osmotycznego (5) gdzie: sm OD sucha masa po odwadnianiu osmotycznym, sm F sucha masa świeżego materiału, m F masa świeżego materiału Pomiar stężenia roztworów hipertonicznych Pomiar stężenia roztworów hipertonicznych w postaci zagęszczonych soków wykonano przy użyciu refraktometru PAL-3 (Atago, Japonia) o zakresie pomiarowym 0-93 ºBx i dokładności ±0,1 ºBx. 38

39 Metodyka badań Wyznaczanie zawartości związków polifenolowych (PC) Wyznaczenie zawartości związków polifenolowych (PC) przeprowadzono zgodnie z metodą opracowaną przez Gao i in. (2000) z użyciem komercyjnego odczynnika Folina-Ciocalteu, przy długości fali 765 nm. Wyniki przeliczono na kwas galusowy i wyrażono w mg GA/100g s.s. Krzywą kalibracyjną wykonano dla roztworu kwasu galusowego o zadanych stężeniach. Oznaczenie opiera się na reakcji redukcji przez fenole w środowisku alkalicznym molibdenu (VI) do molibdenu (V) zawartego w odczynniku Folina-Ciocalteau. Podczas reakcji powstaje kompleks o barwie niebieskiej (niebiesko-szarej, niebiesko-zielonej), którego maksimum absorpcji obserwuje się przy długości fali nm. Intensywność absorpcji przy tej długości fali jest proporcjonalna do stężenia fenoli. Oznaczenia wykonano przy użyciu spektrofotometru UV-VIS Nicolet Evolution 600 ( THERMO ELECTRON CO., USA) Wyznaczanie zdolności przeciwutleniającej metodą ABTS Całkowitą aktywność antyoksydacyjną (TAA) wyznaczono wykorzystując reakcję z kationorodnikiem ABTS+ (2,2 -azynobis(3-etylobenzotiazolino-6-sulfonian)) (Re i in. 1999). Absorbancję odczytano przy długości fali 743 nm. Zawartość przeciwutleniaczy w badanych próbkach wyrażono jako ilość równoważnika mmol Trolox na 100g suchej substancji. Krzywą kalibracyjną wykonano dla roztworu Trolox o zadanych stężeniach. Mierzona absorbancja jest odwrotnie proporcjonalna do aktywności przeciwutleniającej. Oznaczenia wykonano przy użyciu spektrofotometru UV-VIS Nicolet Evolution 600 ( THERMO ELECTRON CO., USA) Pomiar barwy Pomiar barwy świeżych i wysuszonych próbek został wykonany przy użyciu kolorymetru Minolta CR-400 (Osaka, Japonia). Mierzono barwę powierzchni badanych próbek. Parametry barwy zostały przedstawione w przestrzeni barw L*, a*, b*. Oznaczenia wykonano stosując wzorcowy iluminant D65. Wyznaczono także bezwzględną różnicę barwy (ΔE*) w stosunku do świeżego surowca z równania 6: 39

40 Metodyka badań gdzie: (6) ΔL*, Δa*, Δb* - wskaźniki różnicy barwy powierzchni porównywanych próbek Pomiar objętości Pomiar objętości świeżych próbek wykonano przy użyciu suwmiarki elektronicznej Vorel L-150 z dokładnością ±0,01 mm. Z kolei, objętość próbek wysuszonych, których powierzchnia była bardzo nieregularna wyznaczono przy użyciu piknometru gazowego HumiPyc II (InstruQuest Inc., USA). Do badań wykorzystano argon przy ciśnieniu roboczym wynoszącym 220 kpa. Pojedyncze próbki zostały zapakowane próżniowo w woreczki foliowe tak, aby pokryły one powierzchnię zewnętrzną próbek bez przestworów powietrznych i uniemożliwiły wejście argonu do wnętrza materiału. Następnie dokonano pomiaru objętości osłoniętych próbek w komorze piknometru gazowego. Dokonano także pomiaru objętości samych woreczków korzystając z tego samego urządzenia. Po odjęciu objętości woreczków od objętości próbek zapakowanych w woreczkach wyznaczono objętość wysuszonej próbki (rów. 7): (7) gdzie: V s objętość wysuszonej próbki, V p+w objętość próbek zapakowanych próżniowo w woreczkach foliowych, V w objętość woreczków foliowych Wyznaczanie gęstości właściwej Gęstość właściwą suszu wyznaczono przy użyciu tego samego piknometru gazowego, który służył do pomiaru objętości próbek. Otrzymany susz został zmielony, tak, aby zniszczyć przestwory wewnątrz próbki. Pomiar dokonano stosując argon przy ciśnieniu roboczym 220 kpa. Następnie zmieloną próbkę zważono przy użyciu wagi XA 60/220/X (Radwag, Radom) z dokładnością ±0,0001 g. Gęstość właściwą próbki (ρ) obliczono jako stosunek masy do objętości zmielonej próbki (rów. 8): 40

41 Metodyka badań (8) gdzie: m s masa zmielonej próbki, V z objętość zmielonej próbki Wyznaczanie skurczu wysuszonego materiału Na podstawie zmierzonych objętości próbek świeżych i wysuszonych wyznaczono skurcz wysuszonego materiału (S) na podstawie równania 9: ( ) (9) gdzie: V s objętość wysuszonej próbki, V F objętość świeżej próbki Badanie tekstury Badania tekstury wysuszonego materiału przeprowadzono przy użyciu maszyny wytrzymałościowej Instron 5566 wyposażonej w głowicę tensometryczną, której zakres pomiarowy wynosił 1 kn ± 1 N. Testy przecinania wykonywano w przypadku próbek, których grubość nie przekraczała 3,5 mm. Do badań zastosowano przyrząd do przecinania, w którym ostrze noża było skierowane prostopadle do osi podłużnej próbki. Prędkość noża wynosiła 10 mm min -1. Próbkę układano na podstawce, która pełniła funkcję przeciwostrza. Wartość pracy przecinania wyznaczono przy użyciu programu Bluehill 2, który pozwala sterować pracą maszyny wytrzymałościowej. Jednostkową pracę przecinania wyrażoną w mj cm -2 obliczono uwzględniając wielkość powierzchni cięcia. W przypadku próbek, których grubość wynosiła powyżej 3,5 mm przeprowadzono test TPA (Analiza Profilu Tekstury). Próbka umieszczona między dwiema płytami została poddana dwukrotnemu ściskaniu. Przemieszczenie płyty ściskającej wynosiło 50% wysokości początkowej próbki. Prędkość głowicy ściskającej wynosiła 5 mm min -1. Podstawowe atrybuty tekstury, czyli twardość i spoistość zostały 41

42 Metodyka badań wyznaczone przy użyciu programu Bluehill 2. Twardość zdefiniowano jako maksymalną siłę osiągniętą w pierwszym cyklu ściskania, natomiast spoistość wyrażona została stosunkiem pracy w drugim cyklu ściskania do pracy w pierwszym cyklu ściskania Badanie właściwości sensorycznych Analizę sensoryczną wysuszonych produktów przeprowadzono według normy dotyczącej oceny preferencji konsumenckich (PN-ISO ). Wysuszone produkty poddano ocenie jakościowej z wykorzystaniem metod analizy organoleptycznej w specjalistycznym laboratorium sensorycznym w Katedrze Technologii Surowców Zwierzęcych i Zarządzania Jakością Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Analizy wykonywał zespół składający się z 8 osób przeszkolonych metodą porównań wielokrotnych oraz moderatora badań. Każdy z oceniających miał do dyspozycji wydzielone stanowisko wyposażone w blat do oceny, kran z wodą oraz trzy rodzaje światła (białe, czerwone, zielone). Oceny produktów dokonywano zawsze w godzinach przedpołudniowych. Oceniający otrzymywał przygotowane wcześniej zakodowane (trzycyfrowy kod) próby produktów suszonych w zamkniętych pojemnikach z polietylenu zabezpieczających materiał przed utratą substancji zapachowych oraz przenikaniem wilgoci. Wykonywano analizę preferencji konsumenckich w skali od 1 do 10, gdzie: 1 bardzo nie lubię, 5 ani lubię, ani nie lubię, 10 bardzo lubię. Oceniano wyróżniki smaku oraz tekstury. Do oceny smaku wybrano sześć deskryptorów tj.: typowy (dla danego surowca), słodki, kwaśny, gorzki, słony, obcy, w ocenie tekstury analizowano twardość, kruchość i gumiastość Analiza struktury wewnętrznej wysuszonego materiału Analizę struktury przeprowadzono na podstawie obrazów uzyskanych przy użyciu dwóch mikroskopów. Mikroskop odbiciowy SMZ 1500 (Nikon, Japonia) pozwalał uzyskać obrazy przy niewielkich powiększeniach. Z kolei, mikroskop elektronowy serii EVO LS15 (Zeiss, Niemcy), pozwalał osiągnąć bardzo duże powiększenia obrazu. Na powierzchni wysuszonych próbek została napylona warstwa złota. Następnie próbki 42

43 Metodyka badań umieszczono w komorze roboczej z której usunięto powietrze. Obrazy próbek zarejestrowano w 500-krotnym i krotnym powiększeniu Wyznaczanie kompleksowych modeli empirycznych Tworzenie kompleksowego modelu empirycznego opisującego kinetykę odwadniania osmotycznego i suszenia metodą VM polegało na uwzględnianiu kolejnych czynników (zmiennych niezależnych) przy jednoczesnym ustaleniu współczynników równania zachowując wysokie wartości wskaźników dopasowania (Szarycz i in. 2011). Przy tworzeniu modeli wykorzystano program TableCurve 2D v5.0 (Systat) i programu STATISTICA 10 (StatSoft) Analiza statystyczna Analizę statystyczną uzyskanych wyników przeprowadzono przy użyciu programu STATISTICA 10 (StatSoft). Przeprowadzono analizę wariancji (ANOVA) czynników niezależnych oraz ich interakcji na poziomie istotności α=0,05. W ramach analizy wariancji dotyczącej badanych czynników wyznaczono następujące parametry zmienności międzygrupowej: SS suma kwadratów, stopnie- stopnie swobody, MS średni kwadrat, F wartość statystyki F, oraz p wartość granicznego poziomu istotności. Dla zmienności wewnątrzgrupowej czynników (występującej jako błąd) wyznaczono SS, stopnie swobody oraz MS. Dodatkowo, dla wybranych pomiarów przeprowadzono analizę grup jednorodnych średnich wartości wyników wykorzystując test Tukeya HSD. 43

44 5. WYNIKI BADAŃ 5.1. Odwadnianie osmotyczne Odwadnianie w soku z jabłek z udziałem mięty (Z1) Kinetykę odwadniania osmotycznego walców z buraka ćwikłowego (Ø18x6 mm) w zagęszczonym soku jabłkowym z udziałem świeżej mięty z uwzględnieniem różnych stężeń i temperatur, zrealizowaną w ramach zadania 1 (Z1), przedstawiono na rysunkach 5 i 6. W początkowym okresie odwadniania następował znaczny spadek zredukowanej zawartości wody Ured związany z gwałtownym ubytkiem wody (rys. 5a i 6a) oraz intensywny przyrost suchej substancji w odwadnianym materiale (rys. 5b i 6b). Taki charakter przebiegu wymiany masy potwierdzają wyniki wielu badań poświęconych odwadnianiu osmotycznemu (Azoubel i Murr 2004, Lazarides i in i Park i in. 2002). Związane jest to z dużą różnicą potencjałów osmotycznych w układzie złożonym z roztworu hipertonicznego i zanurzonego w nim wilgotnego materiału (Ispir i Togrul 2009). Z drugiej strony, w trakcie wycinania próbek następuje zniszczenie ścian komórkowych i podczas zanurzania surowca znaczna masa płynu komórkowego, głównie wody, przechodzi do roztworu. Z kolei, intensywny przyrost suchej masy jest spowodowany dużą porowatością buraków ćwikłowych sięgającą 25% (Poole 1976) i tym samym łatwością wnikania roztworu hipertonicznego do przestworów między komórkami (Shi i Jun Xue 2009). Stopniowe zahamowanie procesu ubytku wody z materiału można tłumaczyć tym, że komórka jako żywy organizm biologiczny, doznając z upływem czasu stresu osmotycznego, zaczyna bronić się spowalniając transport wody przez błony plazmatyczne (Moraga i in. 2009). Jednocześnie, wraz z wyrównywaniem potencjałów osmotycznych w rozpatrywanym układzie, zmniejszeniu ulega przyrost suchej masy związany z wnikaniem do zanurzonego materiału cząstek stałych pochodzących z otaczającego roztworu. Na rysunku 5a przedstawiono wpływ stężenia roztworu hipertonicznego o stałej temperaturze (45 C) na intensywność spadku zredukowanej zawartości wody U red. Można zauważyć, że zgodnie z oczekiwaniem, wraz ze wzrostem stężenia roztworu następował większy ubytek wody z materiału, jakkolwiek wpływ stężenia roztworu w zakresie od 40 do 60 Bx na spadek zredukowanej zawartości wody U red był wyraźnie mniejszy niż w zakresie 20 do 40 Bx. 44

45 Wpływ temperatury roztworu hipertonicznego o stałym stężeniu (40 Bx) na kinetykę odwadniania przedstawiono na rysunku 6a. Okazało się, że wzrost temperatury roztworu w nieznacznym stopniu zwiększył intensywność procesu odwadniania. Uddin i in. (2004) także zauważyli, że temperatura roztworu miała niewielki wpływ na ubytek wody podczas odwadniania osmotycznego marchwi. Z kolei, wpływ stężenia soku o temperaturze 45 C na intensywność przyrostu suchej masy zaprezentowano na rysunku 6b. Wzrost stężenia roztworu z 20 do 40 Bx przyczynił się do znacznego zwiększenia przyrostu suchej masy, natomiast dalsze zwiększenie stężenia do 60 Bx nie przyczyniło się do zwiększenia przyrostu suchej masy. Podobne wnioski wyciągnęli Zúñiga i Pedreschi (2011) zauważając, że wzrost stężenia roztworu sacharozy powyżej 50 Bx nie zwiększył przyrostu suchej masy podczas odwadniania jabłek. Z drugiej strony, zwiększenie temperatury soku w zakresie od 45 do 60 C okazało się bardziej efektywne niż w zakresie od 30 do 45 C (rys. 6b). Związane jest to z tym, że wraz ze wzrostem temperatury następuje zmniejszenie lepkości zagęszczonego soku, co ułatwia jego wnikanie do przestworów międzykomórkowych. Zwiększenie temperatury prowadzi także do uplastycznienia błon komórkowych, które ulegając rozerwaniu pod wpływem różnicy ciśnień osmotycznych ułatwiają wnikanie suchej substancji z roztworu hipertonicznego bezpośrednio do wnętrza komórek. Podobne wyniki dotyczące wpływu temperatury roztworu na przyrost suchej masy podczas odwadniania różnych owoców i warzyw odnotowali inni badacze (Kaymak-Ertekin i Sultanoglu 2000, Sutar i Gupta 2007, Abbasi Souraki i in. 2012). a) b) Rys. 5. Zmiany wartości Ured (a) oraz Δm (b) podczas odwadniania buraków ćwikłowych w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty o stężeniu 20, 40, 60 Bx i temperaturze 45 C. 45

46 a) b) Rys. 6. Zmiany wartości Ured (a) oraz Δm (b) podczas odwadniania buraków ćwikłowych w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty o temperaturze 30, 45, 60 C i stężeniu 40 Bx. Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono także dopasowanie modeli do punktów eksperymentalnych. Mianowicie, przebieg spadku zredukowanej zawartości wody (U red ) i przyrostu suchej masy (Δm) opisano przy użyciu kompleksowych modeli empirycznych (rów. 10 i 11), które uwzględniają wpływ czasu (τ) oraz temperatury (t) i stężenia (C) zagęszczonego soku jabłkowego. Dopasowanie zilustrowane w układzie dwuwymiarowym, i przez to mające charakter fragmentaryczny, może wydawać się mało dokładne. Należy jednak wziąć pod uwagę to, że w zaproponowanych modelach brane są pod uwagę jednocześnie trzy niezależne parametry procesowe w prognozowaniu wartości U red lub Δm. Wysokie wartości współczynnika determinacji R 2 oraz małe wartości błędów standardowych estymacji SE e świadczą o bardzo dobrym dopasowaniu modeli do punktów pomiarowych. R 2 =0,9851, SE e =0,0348 (10) R 2 =0,9752, SE e =0,00524 (11) Poprawność funkcjonowania modeli została zweryfikowana dla próbek w kształcie walców o średnicy 18±0,5 mm i wysokości 6,3±0,40 mm w następujących zakresach: Czas odwadniania: 0-6 h, Temperatura roztworu: C, 46

47 Stężenie roztworu: Bx. Na rysunku 7 przedstawiono weryfikację modeli 10 i 11 dotyczących zredukowanej zawartości wody (rus. 7a) oraz przyrost masy (rys.7b) w oparciu o dane empiryczne uzyskane podczas odwadniania buraków w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty. Liniowe ułożenie punktów na wykresach świadczy o bardzo dobrym funkcjonowaniu obu modeli. a) b) Rys. 7. Weryfikacja modeli dotyczących zredukowanej zawartości wody Ured (a) oraz przyrostów suchej masy Δm (b) w oparciu o dane empiryczne uzyskane podczas odwadniania buraków ćwikłowych w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty. Wyniki analizy wariancji dotyczącej wpływu badanych parametrów na zredukowaną zawartość wody i przyrost suchej masy z uwzględnieniem interakcji między tymi parametrami przedstawiono w tabelach 1 i 2. Bardzo niskie wartości granicznego poziomu istotności (p) świadczą o tym, że wszystkie wzięte pod uwagę parametry procesowe miały istotny wpływ na kinetykę odwadniania osmotycznego buraków w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty na poziomie istotności α=0,05. Z drugiej strony, wartości statystyki F mówią o sile wpływu danego parametru na wyznaczaną wielkość. Na tej podstawie można stwierdzić, że największy wpływ na zredukowaną zawartość wody Ured miał czas odwadniania (tab. 1), a na przyrost suchej masy Δm największy wpływ posiadało stężenie roztworu osmotycznego (tab. 1). Z kolei, najmniejszy wpływ zarówno na Ured jak i na Δm miała temperatura roztworu osmotycznego (tab. 1 i 2). 47

48 Tabela 1. Analiza wariancji dotycząca wpływu badanych parametrów na zredukowaną zawartość wody Ured buraków odwadnianych w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 26, , ,3 0,00001 τ (min) 6, , ,2 0,00001 C (Bx) 1, , ,1 0,00001 t ( C) 0, , ,9 0,00001 τ (min)*c (Bx) 0, , ,5 0,00001 t (min)*t ( C) 0, , ,5 0,00001 C (Bx)*t ( C) 0, , ,0 0,00001 τ (min)*c (Bx)*t ( C) 0, ,0006 3,7 0,0001 Błąd 0, ,0000 0,0002 Tabela 2. Analiza wariancji dotycząca wpływu badanych parametrów na przyrost zawartości suchej masy Δm w burakach odwadnianych w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 241, , ,9 0, τ (min) 56, , ,7 0, C (Bx) 25, , ,1 0, t ( C) 12, ,26 792,8 0, τ (min)*c (Bx) 5, ,57 72,1 0, τ (min)*t ( C) 3, ,32 40,4 0, C (Bx)*t ( C) 0, ,20 25,7 0, τ (min)*c (Bx)*t ( C) 0, ,02 2,0 0,02165 Błąd 0, ,0079 Ocena jakościowa produktów otrzymanych na tym etapie badań sprowadzała się do wyznaczenia właściwości bioaktywnych. Zawartość związków fenolowych (PC) i wartości pojemności przeciwutleniającej (ABTS) buraków ćwikłowych odwadnianych w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty przy zastosowaniu wybranych parametrów procesowych (stężenie i temperatura roztwory hipertonicznego) przedstawiono na rysunkach 8 i 9. Szczegółowe wyniki dotyczące wpływu wybranych parametrów na bioaktywność odwadnianych buraków przedstawiono w aneksie w tabeli 1 analizując wyniki przedstawione na rysunkach 8 i 9 należy mieć na uwadze to, że zagęszczony sok jabłkowy jest surowcem, który posiada tylko nieznacznie większe 48

49 wartości wyróżników bioaktywności (PC=449,36±2,06 mg/100g s.m i ABTS=1,9±0,03 mmol Tx/100g s.m.) w porównaniu z burakiem ćwikłowym (PC=357,68±8,47 mg/100g s.m i ABTS=1,6±0,005 mmol Tx/100g s.m.). W związku z tym, podczas odwadniania buraków ćwikłowych w zagęszczonym soku jabłkowym nie można było spodziewać się znacznego wzrostu bioaktywności finalnego produktu wobec szeregu czynników negatywnych takich jak: wypływ substancji bioaktywnych z buraków do otaczającego roztworu osmotycznego, oddziaływanie podwyższonej temperatury oraz czasu trwania procesu. Obniżenie zawartości związków fenolowych oraz aktywności przeciwutleniającej zaobserwowano także podczas odwadniania jagód w roztworze hipertonicznym sporządzonym z sacharozy (Stojanovic i Silva 2007). Na rysunku 8 przedstawiono wpływ stężenia zagęszczonego soku jabłkowego na zawartość związków fenolowych oraz na aktywność przeciwutleniającą odwadnianych buraków. W początkowej fazie odwadniania nastąpił spadek wartości obu wyznaczanych parametrów, lecz w trakcie kontynuowania procesu trend spadkowy został wyhamowany. Mianowicie, po 2 godz. dał się zauważyć początek wzrostu bioaktywności próbek odwadnianych w soku o stężeniu 20 ºBx. W przypadku stężenia 40 ºBx tendencja wzrostowa bioaktywności nastąpiła po upływie 3 godz. odwadniania. W rezultacie po 6 godz. próbki odwadniane w sokach o stężeniu 20 i 40 ºBx charakteryzowały się podobną bioaktywnością, która była wyższa od bioaktywności wykazywanej przez próbki odwadniane w soku o stężeniu 60 ºBx, mimo że początkowo większe stężenie soku sprzyjało osiąganiu większej zawartości związków fenolowych i wykazywaniu większej pojemności przeciwutleniającej. Również niższa temperatura zagęszczonego soku początkowo sprzyjała osiąganiu przez odwadniane próbki większej bioaktywności, jakkolwiek po 6 godz. procesu największą zawartością związków fenolowych i największą pojemnością przeciwutleniającą charakteryzowała się próbka odwadniana w soku o najwyższej temperaturze wynoszącej 60 ºC (rys. 9). Należy przy tym zauważyć, że w próbce tej nastąpił największy przyrost suchej masy. Ten skomplikowany profil bioaktywności buraków ćwikłowych ukształtowany wpływem czasu, temperatury i stężenia soku nie udało się ująć kompleksowymi równaniami przy zadawalających współczynnikach estymacji mimo, że przedstawione w tabelach 3 i 4 wyniki analizy wariancji pozwalają stwierdzić, że na zawartość związków fenolowych i pojemność przeciwutleniającą istotny wpływ miały wszystkie badane parametry na poziomie istotności α=0,05. Zatem założenie nr 4 w części dotyczącej możliwości 49

50 prognozowania bioaktywności na podstawie kompleksowych równań matematycznych nie znalazło potwierdzenia empirycznego. Aby wyjaśnić mechanizm kształtowania się właściwości bioaktywnych buraków ćwikłowych odwadnianych w zagęszczonym soku jabłkowym należałoby dokonać precyzyjnej identyfikacji poszczególnych substancji bioaktywnych uczestniczących w procesie wymiany masy w ujęciu czasowym. Należy przypuszczać, że skład strumienia suchej masy dyfundującego ze zróżnicowanego pod względem chemicznym roztworu hipertonicznego do odwadnianego surowca biologicznego o złożonej strukturze komórkowej nie jest jednorodny i ulega zmianie w czasie trwania procesu. Poza tym, trzeba mieć na uwadze nieustalony wypływ bioaktywnych składników z surowca do otaczającego roztworu. Temperatura i stężenie roztworu są dodatkowymi czynnikami komplikującymi charakter wymiany bioaktywnych składników. Rys. 8. Wpływ stężenia na bioaktywność buraków ćwikłowych odwodnionych w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty w temperaturze 45 C. 50

51 Rys. 9. Wpływ temperatury roztworu na bioaktywność buraków ćwikłowych odwodnionych w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty dla stężenia 40 Bx. Przedstawione w tabeli 3 wyniki analizy wariancji pozwalają stwierdzić, że także wszystkie możliwe interakcje miedzy parametrami wykazują istotny wpływ na bioaktywność odwodnionych buraków ćwikłowych. Warto także zwrócić uwagę na funkcję F, która dla obu wyznaczanych czynników jakościowych najwyższą wartość przybierała dla temperatury soku, co świadczy o największym znaczeniu tego czynnika. Najmniejszym wpływem na bioaktywność odwadnianych buraków odznaczało się stężenie soku, z uwagi na najmniejszą wartość funkcji F. Tabela 3. Analiza wariancji badanych parametrów na zawartość polifenoli ogółem PC odwadnianych w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny , ,6 0,00001 τ (min) ,9 0,00001 C (Bx) ,7 0,00001 t ( C) ,8 0,00001 τ (min)*c (Bx) ,1 0,00001 τ (min)*t ( C) ,1 0,00001 C (Bx)*t ( C) ,7 0,00001 τ (min)*c (Bx)*t ( C) ,5 0,00001 Błąd ,

52 Tabela 4. Analiza wariancji badanych parametrów na aktywność przeciwutleniającą ABTS odwadnianych w zagęszczonym soku z jabłek z udziałem mięty. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 194, , ,4 0,00001 τ (min) 3, , ,7 0,00001 C (Bx) 0, , ,7 0,00001 t ( C) 7, , ,7 0,00001 τ (min)*c (Bx) 1, , ,9 0,00001 τ (min)*t ( C) 1, , ,5 0,00001 C (Bx)*t ( C) 0, , ,2 0,00001 τ (min)*c (Bx)*t ( C) 3, , ,3 0,00001 Błąd 0, , Odwadnianie w soku z buraków ćwikłowych (Z2) Kolejne zadanie (Z2) polegało na takim prowadzeniu odwadniania buraków ćwikłowych, aby nie doszło do zmiany smaku otrzymanego produktu. Dlatego roztwór hipertoniczny sporządzono z zagęszczonego soku pochodzącego także z buraków ćwikłowych. Stężenie soku ustalono na poziomie 40 ºBx, ponieważ analiza kinetyki odwadniania przeprowadzona w ramach poprzedniego zadania (Z1) wykazała, że zwiększenie stężenia roztworu z 40 do 60 ºBx nie wpłynęło tak znacząco na przyrost suchej masy jak zwiększenie stężenia roztworu z 20 do 40 ºBx. Z kolei, wzięto pod uwagę kształt wycinanych próbek, który decyduje o ekspozycji powierzchni surowca względem roztworu hipertonicznego. Mianowicie, anizotropowa struktura surowca sprawia, że powierzchnia kontaktu próbki z roztworem może przebiegać pod różnym kątem względem wiązek przewodzących. Poza tym, zróżnicowanie kształtu próbek przyczynia się do uzyskania różnych wartości powierzchni właściwej rozdrobnionego surowca. Na rysunkach 10a i 10b przedstawiono wpływ kształtu próbek tworzących próbkę na kinetykę odwadniania w zagęszczonym soku z buraków ćwikłowych w temperaturze 45 C i stężeniu roztworu 40 Bx. Na początku procesu odwadniania nastąpił gwałtowny przyrost suchej masy Δm i ubytek wody związany ze zmniejszeniem wartości Ured. Taki przebieg kinetyki odwadniania został już omówiony w przypadku buraków odwadnianych w zagęszczonym soku jabłkowym z udziałem mięty (rozdział ). Można zauważyć, że walce (W) o średnicy Ø18,0±0,5 mm, wysokości h=6,0±0,2 mm i powierzchni właściwej Ψ=548 m 2 m -3 oraz kostki (K) o boku 11,0±0,5 52

53 -3 mm i Ψ=545 m 2 m charakteryzowały się podobnym przebiegiem kinetyki odwadniania. W przypadku prostopadłościennych słupków (S) o wymiarze 5,0±0,2x5,0±0,2x40±1,0 mm i Ψ=815 m 2 m -3 oraz krążków (T) o średnicy Ø27,0±0,5 mm, wysokości h=3,0±0,2 mm i Ψ=850 m 2 m -3. Na podstawie uzyskanych wyników można wnioskować, że to nie kształt cząstek miał wpływ na kinetykę suszenia, lecz powierzchnia właściwa (Ψ), która przyjęła dwie pary zbliżonych wartości, mianowicie 548 i 545 m 2 m -3 dla walców i kostek oraz 815 i 850 m 2 m -3 dla słupków i krążków. Początkowo sądzono, że anizotropowa budowa buraków ćwikłowych (Łapczyńska- Kordon i in. 2006) będzie miała istotny wpływ na proces odwadniania. Zakładano, że w próbkach, które podsiadają większą powierzchnię wzdłuż wiązek przewodzących, proces wymiany masy będzie zachodził wolniej niż w próbkach, które posiadają większą powierzchnię w poprzek wiązek przewodzących. Jednak założenie to nie znalazło potwierdzenia na przykładzie wyników uzyskanych dla słupków (S) i krążków (T). Otóż krążki posiadały znacznie większą powierzchnię usytuowaną w poprzek wiązek przewodzących niż słupki, a mimo to w obu przypadkach przebieg odwadniania był podobny. Zadecydowała o tym podobna wartość powierzchni właściwej, która jest wskaźnikiem stopnia rozdrobnienia materiału. Zatem założenie nr 2 dotyczące istotnego wpływu kształtu próbki na poziom wymiany masy podczas odwadniania osmotycznego zostało negatywnie zweryfikowane. Wyniki otrzymane przez Ruiz-López i in. (2010) potwierdzają, że zwiększenie powierzchni właściwej próbek z ananasa powoduje zwiększenie wymiany masy podczas odwadniania w roztworze sacharozy. Także wyniki uzyskane przez Ogonka i in. (2005) dotyczące odwadniania truskawek w roztworze sacharozy dowodzą, że zmniejszenie rozmiaru cząstek, czyli zwiększenie powierzchni właściwej sprzyja procesowi odwadniania. Na rysunkach 11 i 12 przedstawiono wpływ temperatury na proces odwadniania próbek w kształcie krążków (T) i kostek (K). Uzyskane wyniki zostały potwierdzone rezultatami innych badań, na podstawie których stwierdzono, że wzrost temperatury roztworu hipertonicznego sprzyja wymianie masy między roztworem a odwadnianym materiałem (Burhan Uddin i in. 2004, Yadav i in. 2012). Na podstawie otrzymanych wyników można także stwierdzić, że w przypadku cząstek o mniejszej powierzchni właściwej, takich jak kostki (K), temperatura ma większy wpływ na przebieg kinetyki odwadniania niż w przypadku cząstek o większej powierzchni właściwej, takich jak 53

54 krążki (T). Dotyczy to przede wszystkim kinetyki przyrostu suchej masy (rys. 11b i 12b). a) b) Rys. 10. Zmiany wartości Ured (a) oraz Δm (b) podczas odwadniania próbek buraków ćwikłowych o różnych kształtach (W-walec, S-słupek, T-krążek, K-kostka) w zagęszczonym soku z buraków ćwikłowych o stężeniu 40 Bx i temperaturze 45 C. a) b) Rys. 11. Zmiany wartości Ured (a) oraz Δm (b) podczas odwadniania próbek buraków ćwikłowych kształcie krążków (T) w zagęszczonym soku z buraków ćwikłowych o temperaturze 30, 45, 60 C i stężeniu 40 Bx. 54

55 a) b) Rys. 12. Zmiany wartości Ured (a) oraz Δm (b) podczas odwadniania próbek buraków ćwikłowych w kształcie kostek (K) w zagęszczonym soku z buraków ćwikłowych o temperaturze 30, 45, 60 C i stężeniu 40 Bx. Spadek zredukowanej zawartości wody (Ured) i przyrost suchej masy (Δm) podczas odwadniania w zagęszczonym soku z buraków ćwikłowych opisano przy użyciu kompleksowych modeli empirycznych (rów. 12 i 13), które uwzględniają wpływ czasu (τ), temperatury (t) i powierzchni właściwej (Ψ). R 2 =0,9923, SE e =0,0228 (12) (13) R 2 =0,9721, SE e =0,0062 Poprawność funkcjonowania modeli została zweryfikowana podczas odwadniania próbek buraka ćwikłowego w soku z buraka ćwikłowego o stężeniu 40 Bx w następujących zakresach: Czas odwadniania: 0-6 h, Temperatura zagęszczonego soku: C, Powierzchnia właściwa próbek: m 2 m -3. Na rysunkach 13a i 13b przedstawiono weryfikację modeli 12 i 13 dotyczących zredukowanej zawartości wody (rys. 13a) oraz przyrostu suchej masy (rys. 13b) w oparciu o dane empiryczne uzyskane podczas odwadniania buraków ćwikłowych w zagęszczonym soku sporządzonym także z buraków. Liniowe ułożenie punktów na wykresach świadczy o bardzo dobrym funkcjonowaniu obu modeli. 55

56 a) b) Rys. 13. Weryfikacja modeli dotyczących zredukowanej zawartości wody Ured (a) oraz przyrostów suchej masy Δm (b) w oparciu o dane empiryczne uzyskane podczas odwadniania buraków ćwikłowych w zagęszczonym soku z buraków ćwikłowych. Wyniki analizy wariancji dotyczącej wpływu parametrów procesowych na zredukowaną zawartość wody i przyrost suchej masy, z uwzględnieniem interakcji między tymi parametrami, przedstawiono w tabelach 5 i 6. Małe wartości p świadczą o tym, że wszystkie wzięte pod uwagę parametry procesowe miały istotny wpływ na kinetykę odwadniania osmotycznego buraków ćwikłowych w zagęszczonym soku z tychże buraków na poziomie α=0,05. Z kolei, wartości F wskazują, że na spadek zredukowanej zawartości wody i przyrost suchej masy w największym stopniu wpływał czas odwadniania, natomiast w najmniejszym stopniu - kształt próbki. Tabela 5. Analiza wariancji dotycząca wpływu badanych parametrów na Ured próbek odwadnianych w zagęszczonym soku z buraka ćwikłowego. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 50, , ,6 0,00001 τ (min) 12, , ,0 0,00001 t ( C) 0, , ,7 0,00001 Kształt 0, , ,4 0,00001 τ (min)* t ( C) 0, , ,1 0,00001 τ (min)*kształt 0, , ,8 0,00001 t ( C)*Kształt 0, , ,1 0,00001 τ (min)* t ( C)*Kształt 0, ,0004 5,1 0,00001 Błąd 0, ,

57 Tabela 6. Analiza wariancji dotycząca wpływu badanych parametrów na Δm próbek odwadnianych w zagęszczonym soku z buraka ćwikłowego. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 0, , ,9 0,00001 t (min) 0, , ,5 0,00001 t ( C) 0, , ,1 0,00001 Kształt 0, , ,1 0,00001 τ (min)* t ( C) 0, , ,2 0,00001 τ (min)*kształt 0, , ,7 0,00001 t ( C)*Kształt 0, , ,3 0,00001 τ (min)* t ( C)*Kształt 0, , ,6 0,00001 Błąd 0, ,00001 Zmianę właściwości bioaktywnych próbek buraków ćwikłowych o różnych kształtach zachodzącą podczas odwadniania w zagęszczonym soku z buraków ćwikłowych przedstawiono na rysunku 14. Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, że proces odwadniania przyczynił się do zwiększenia bioaktywności próbek. Niewątpliwie przyczyniły się do tego dobre właściwości bioaktywne zagęszczonego sok z buraków ćwikłowych związane z wysoką zawartością związków fenolowych (PC = 747,58±7,63 mg/100g s.m) oraz dużą pojemnością przeciwutleniającą (ABTS = 5,129±0,06 mmol Tx/100g s.m.). Rózek i in. (2010) stwierdzili, że odwadnianie surowca roślinnego w roztworach hipertonicznych o większej bioaktywności niż bioaktywność tego surowca wzbogaca produkt końcowy w związki biologicznie aktywne. Natomiast stosowanie roztworów o niskiej bioaktywności (roztwór soli czy sacharozy) powoduje znaczne obniżenia walorów prozdrowotnych tego produktu. Analizując otrzymane wyniki (rys. 14) można dostrzec charakterystyczną prawidłowość polegającą na gwałtownym wzroście bioaktywności na początku procesu (do 0,5 h) i następującym po tym spadku, który z upływem czasu przechodzi w kolejną fazę wzrostu bioaktywności. Może to być związane z niejednorodnością roztworu hipertonicznego w postaci zagęszczonego soku oraz ze zmieniającą się w czasie wymianą masy między roztworem a odwadnianym surowcem. Otóż, w początkowej fazie procesu odwadniania osmotycznego następuje znaczna utrata soku komórkowego z buraka ćwikłowego spowodowana uszkodzeniem ścian komórkowych w trakcie wycinania próbek oraz bardzo duży napływ substancji stałych z soku w związku z dużą porowatością surowca. Z kolei, dalszej wymianie masy 57

58 towarzyszy przejmowanie cząsteczek z roztworu, które cechują się gorszymi właściwościami bioaktywnymi co skutkuje spadkiem bioaktywności odwadnianego materiału. Wzrost bioaktywności materiału w końcowej fazie odwadniania można tłumaczyć przejmowaniem z zagęszczonego soku tych substancji, które odznaczają się dużą bioaktywnością. Taka interpretacja wymaga jednak dokładnego rozpoznania składu chemicznego zagęszczonego soku oraz monitorowania zmian tego składu w trakcie procesu odwadniania osmotycznego. Wobec złożonego procesu wymiany masy między materiałem a roztworem hipertonicznym podczas odwadniania osmotycznego trudno w sposób jednoznaczny stwierdzić, który kształt próbki sprzyja uzyskaniu wyższej zawartość związków fenolowych i większej pojemności przeciwutleniającej. Na rysunku 15 przedstawiono wpływ temperatury roztworu na bioaktywność buraków odwadnianych w zagęszczonym soku z buraków ćwikłowych. W przypadku krążków (rys. 15a) można zauważyć, że wzrost temperatury sprzyjał uzyskaniu większej bioaktywności przez materiał w znacznym przedziale czasowym procesu odwadniania, co przeczy założeniu nr 3. W przypadku kostek (rys. 15b) wpływ temperatury na bioaktywność materiału nie był jednoznaczny, a w początkowej fazie procesu był negatywny, tym razem zgodnie z założeniem nr 3. Rys. 14. Bioaktywność próbek buraka ćwikłowego o różnych kształtach odwadnianych w zagęszczonym soku z buraka ćwikłowego o temperaturze 45 C i stężeniu 40 Bx. 58

59 a) b) Rys. 15. Bioaktywność próbek buraka ćwikłowego w kształcie krążków T (a) oraz kostek K (b) odwadnianych w zagęszczonym soku z buraka ćwikłowego o temperaturze 30, 45, 60 C i stężeniu 40 Bx. Przeprowadzona analiza wariancji (tabele 7 i 8) dotycząca wpływu badanych czynników na właściwości bioaktywne buraków odwadnianych w zagęszczonym soku z buraków ćwikłowych wykazała, że temperatura roztworu i kształt próbek nie miały istotnego wpływu na bioaktywność odwadnianego materiału, natomiast istotny wpływ miał czas odwadniania. Prawie wszystkie interakcje czynników miały wpływ na bioaktywność odwadnianego materiału z wyjątkiem interakcji między czasem a kształtem w odniesieniu do pojemności przeciwutleniającej. Tabela 7. Analiza wariancji wpływu badanych parametrów na zawartość polifenoli ogółem PC w próbkach odwadnianych w zagęszczonym soku z buraka ćwikłowego. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 0 τ (min) , ,37 20,72 0, t ( C) 4592, ,60 3,56 0, Kształt 2658, ,91 2,06 0, τ (min)* t ( C) 64056, ,36 5,52 0, τ (min)*kształt 57500, ,08 3,43 0, t ( C)*Kształt 58588, ,07 11,36 0, τ (min)* t ( C)*Kształt , ,58 9,66 0, Błąd , ,12 59

60 Tabela 8. Analiza wariancji badanych parametrów na aktywność przeciwutleniającą próbek odwadnianych w zagęszczonym soku z buraka ćwikłowego. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 0 τ (min) 1,89 4 0,4737 4,07 0,00373 t ( C) 0,06 1 0,0578 0,50 0,48250 Kształt 0,14 1 0,1367 1,17 0,28053 τ (min)* t ( C) 3,52 9 0,3914 3,36 0,00091 τ (min)*kształt 1, ,1001 0,86 0,59672 t ( C)*Kształt 2,45 4 0,6128 5,26 0,00055 τ (min)* t ( C)*Kształt 7, ,2648 2,27 0,00089 Błąd 861, , Odwadnianie w soku z owoców aronii (Z3) Otrzymane wyniki podczas realizacji zadań 1 i 2 pozwoliły określić istotność i charakter wpływu badanych parametrów procesowych na kinetykę odwadniania w sokach z jabłek i buraków ćwikłowych oraz na bioaktywność produktu dosuszonego metodą próżniową. Okazało się, że zarówno kształt próbek, jak i temperatura roztworu osmotycznego nie miały istotnego wpływu na bioaktywność odwadnianego materiału, a zaobserwowane tendencje nie były w pełni jednoznaczne. W kolejnym zadaniu (Z3) do odwadniania próbek buraka ćwikłowego użyto sok z owoców aronii, które charakteryzują się wyjątkowo dużą bioaktywnością. W związku z tym postanowiono rozszerzyć zakres zastosowanych parametrów procesowych, aby precyzyjnie wyznaczyć ich wpływ na bioaktywność odwodnionego materiału. Szczególną uwagę zwrócono na konieczność zróżnicowania powierzchni właściwej próbek. Na rysunkach od 16 do 18 przedstawiono wpływ wybranych parametrów na kinetykę procesu odwadniania buraków ćwikłowych w zagęszczonym soku z aronii. W tym przypadku także mamy do czynienia z gwałtownym ubytkiem wody i szybkim przyrostem suchej masy na początku odwadniania. Przyczyna tego zjawiska została już wyjaśniona na przykładzie odwadniania buraków w soku jabłkowym z udziałem mięty (roz. 5.1.). Na rysunku 16 przedstawiono wpływ stężenia roztworu hipertonicznego na spadek zredukowanej zawartości wody Ured (rys. 16a) i przyrost suchej masy Δm (rys. 16b). Wzrost stężenia soku z owoców aronii sprzyjał procesowi odwadniania, co jest zgodne z wynikami uzyskanymi przez Giraldo i in. (2003), którzy zaobserwowali, że 60

61 wraz ze wzrostem stężenia roztworu sacharozy rośnie szybkość kinetyki odwadniania owoców mango. Na rysunku 17 został przedstawiony wpływ temperatury na kinetykę odwadniania osmotycznego dla wybranych parametrów procesowych. Nie stwierdzono wyraźnego wpływu temperatury na zmniejszenie zredukowanej zawartości wody Ured (rys. 17a). Fakt ten znalazł potwierdzenie w wynikach badań przeprowadzonych przez Burhan Uddin i in. (2004), którzy zauważyli, że podczas odwadniania cząstek marchwi w roztworze sacharozy temperatura roztworu miała znacznie mniejszy wpływ na ubytek wody z materiału niż na przyrost suchej masy. Wpływ powierzchni właściwej Ψ na kinetykę odwadniania przedstawiono na rysunku 18. Otrzymane wyniki wykazały, że większy stopień rozwinięcia powierzchni sprzyjał procesowi wymiany masy, co zostało potwierdzone w badaniach wykonanych przez Ruiz-López i in. (2010) dotyczących odwadniania cząstek ananasa w roztworze sacharozy. a) b) Rys. 16. Zmiany wartości Ured (a) oraz Δm (b) podczas odwadniania próbek buraków ćwikłowych o powierzchni własciwejψ2=827 m 2 m -3 w zagęszczonym soku z aronii o stężeniu 15, 20, 30, 40 Bx i temperaturze 40 C. 61

62 a) b) Rys. 17. Zmiany wartości Ured (a) oraz Δm (b) podczas odwadniania próbek buraków ćwikłowych o powierzchni właściwej Ψ2=827 m 2 m -3 w zagęszczonym soku z aronii o temperaturze 30, 40, 50, 60 C i stężeniu 40 Bx. a) b) Rys. 18. Zmiany wartości Ured (a) oraz Δm (b) podczas odwadniania próbek buraków ćwikłowych o stopniu rozwinięcia powierzchni Ψ1=998, Ψ2=827, Ψ3=541, Ψ4=429 m 2 m -3 w zagęszczonym soku z aronii o stężeniu 40 Bx i temperaturze 40 C. Przebieg kinetyki odwadniania w zagęszczonym soku z aronii opisano przy użyciu kompleksowych modeli empirycznych (rów. 14 i 15), które uwzględniają wpływ czasu (τ), temperatury (t), stężenia roztworu (C) oraz powierzchni właściwej (Ψ) materiału. R 2 =0,9765, SE e =0,0395 (14) R 2 =0,9587, SE e =0,0071 (15) 62

63 Poprawność funkcjonowania modeli została zweryfikowana podczas odwadniania osmotycznego próbek buraka ćwikłowego w soku z aronii w następujących zakresach: Czas odwadniania: 0-4 h, Temperatura roztworu: C, Stężenie roztworu: Bx, Powierzchnia właściwa próbki: m 2 m -3. Na rysunkach 13a i 13b przedstawiono weryfikację modeli 14 i 15 dotyczących zredukowanej zawartości wody (rys. 13a) oraz przyrost masy (rys. 13b) w oparciu o dane empiryczne uzyskane podczas odwadniania buraków ćwikłowych w zagęszczonym soku z owoców aronii. Liniowe ułożenie punktów na wykresach świadczy o bardzo dobrym funkcjonowaniu obu modeli. Punkty, które nieco bardziej odbiegają od wyznaczonej prostej dotyczą głównie skrajnych wartości. a) b) Rys. 19. Weryfikacja modeli dotyczących zredukowanej zawartości wody Ured (a) oraz przyrostów suchej masy Δm (b) w oparciu o dane empiryczne uzyskane podczas odwadniania buraków ćwikłowych w zagęszczonym soku z aronii. Wyniki analizy wariancji dotyczącej wpływu parametrów procesowych na zredukowaną zawartość wody i przyrost suchej masy z uwzględnieniem interakcji między tymi parametrami przedstawiono w tabelach 9 i 10. Na podstawie tych wyników można stwierdzić, że wszystkie uwzględnione w badaniach parametry miały istotny wpływ na przebieg wymiany masy w trakcie odwadniania osmotycznego. Ponadto, prawie wszystkie interakcje wpływały istotnie na kinetykę procesu z wyjątkiem tej, która dotyczyła wszystkich 4 parametrów w odniesieniu do przyrostu masy. Ta interakcja nie była istotna na poziomie ufności α=0,05. W przypadku zredukowanej 63

64 zawartości wody Ured największą rolę odgrywał czas odwadniania oraz stężenie, a najmniejszą temperatura, co także stwierdzono w badaniach wykonanych przez Burhan Uddin i in. (2004) dotyczących odwadniania marchewki w roztworze sacharozy. Biorąc pod uwagę wpływ warunków odwadniania na przyrost suchej masy Δm, można stwierdzić, że również czas i stężenie roztworu miały największy wpływ, natomiast najmniejszy wpływ miała powierzchnia właściwa próbek. Tego rodzaju spostrzeżenia nie zostały w pełni potwierdzone w badaniach Burhan Uddin i in. (2004), którzy stwierdzili, że czas i temperatura mają największy wpływ na przyrost suchej masy w cząstkach marchwi, a wpływ stężenia roztworu sacharozy jest o wiele mniejszy. Natomiast badania dotyczące odwadniania moreli wykazały, że stężenie roztworu hipertonicznego ma większy wpływ na przyrost masy niż na ubytek wody (Ispir i Togrul 2009). Tak niejednoznaczne wyniki uzyskane przez różnych autorów mogą świadczyć, że charakter wpływu parametrów procesowych na kinetykę odwadniania osmotycznego zależy od rodzaju odwadnianego surowca i zastosowanego roztworu hipertonicznego. Tabela 9. Analiza wariancji dotycząca wpływu badanych parametrów na Ured próbek buraków ćwikłowych odwadnianych w zagęszczonym soku z aronii. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 212, , ,5 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 2,61 3 0, ,1 0,00001 t ( C) 0,30 3 0, ,6 0,00001 C ( Bx) 6,99 3 2, ,0 0,00001 τ (min) 30,47 4 7, ,7 0,00001 Ψ*t 0,16 9 0, ,4 0,00001 Ψ*C 0,03 9 0,004 29,6 0,00001 t*c 0,01 9 0,001 9,1 0,00001 Ψ*τ 1, ,6 0,00001 t*τ 0, ,009 71,2 0,00001 C*τ 1, , ,6 0,00001 Ψ*t*C 0, ,000 2,8 0,00001 Ψ*t*τ 0, ,002 15,6 0,00001 Ψ*C*τ 0, ,001 7,8 0,00001 t*c*τ 0, ,001 2,9 0,00001 Ψ*t*C*τ 0, ,001 1,5 0,0050 Błąd 0, ,001 64

65 Tabela 10. Analiza wariancji wpływu badanych parametrów na Δm próbek buraków ćwikłowych odwadnianych w zagęszczonym soku z aronii. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 105, , ,6 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 7,45 3 2, ,3 0,00001 t ( C) 8,22 3 2, ,1 0,00001 C ( Bx) 20,08 3 6, ,2 0,00001 τ (min) 32,56 4 8, ,9 0,00001 Ψ*t 0,65 9 0,072 75,8 0,00001 Ψ*C 1,04 9 0, ,9 0,00001 t*c 1,23 9 0, ,4 0,00001 Ψ*τ 1, , ,0 0,00001 t*τ 2, , ,0 0,00001 C*τ 6, , ,5 0,00001 Ψ*t*C 0, ,004 4,1 0,00001 Ψ*t*τ 0, ,009 9,1 0,00001 Ψ*C*τ 0, ,008 8,6 0,00001 t*c*τ 0, ,011 11,5 0,00001 Ψ*t*C*τ 0, ,001 1,1 0,2601 Błąd 0, ,001 Sok aroniowy charakteryzując się bardzo wysoką zawartością związków fenolowych (PC=3671,93±17,12mg/100g s.m) oraz wysoką pojemnością przeciwutleniającą (ABTS=26,7±0,3 mmol Tx/100g s.m.) posiada kilkunastokrotnie większą bioaktywność niż burak ćwikłowy. Podczas odwadniania osmotycznego substancja stała z zagęszczonego soku z aronii wnikała do próbek wyciętych z buraków ćwikłowych przyczyniając się do znacznego wzrostu ich bioaktywności (rys. 20, 21, 22). Już po półgodzinnym odwadnianiu w próbkach doszło do dwukrotnego, a w niektórych przypadkach nawet trzykrotnego zwiększenia zawartość polifenoli ogółem i aktywność przeciwutleniającej. Następnie, podobnie jak w przypadku wcześniej omówionych soków, doszło do krótkotrwałej fazy spadku lub spowolnienia przyrostu bioaktywności próbek, po której nastąpił ponowny wzrost zawartości polifenoli i pojemności przeciwutleniającej. W rezultacie odwodnione osmotyczne próbki charakteryzowały się blisko ośmiokrotnie większą bioaktywnością niż surowiec. Na rysunkach 21 i 22 można zaobserwować, że podczas odwadniania w skrajnych temperaturach próbki osiągnęły maksymalną bioaktywność nie na końcu procesu lecz po dwóch godzinach. Należy pamiętać o tym, że wymiana masy między surowcem a 65

66 roztworem hipertonicznym trwała przez cały czas procesu odwadniania. Nasuwa się przypuszczenie, że wraz ze wzrostem suchej masy spowodowanym przejmowaniem substancji z soku przez materiał powinien następować nieustanny wzrost bioaktywności odwadnianych próbek. Jednakże, może być to związane z niejednorodnością roztworu osmoaktywnego, który to może posiadać cząstki, których właściwości bioaktywne są różne. Brak ścisłej zależności między wzrostem zawartości suchej masy a bioaktywnością może być związany z niejednorodnością soku aroniowego i skomplikowanym mechanizmem wnikania substancji o zróżnicowanej bioaktywności z soku do odwadnianego materiału. Mianowicie cząstki o większej bioaktywności mogły wniknąć szybciej do materiału i znacząco podnieść jego bioaktywność, która zaczęła spadać w rezultacie dalszego przejmowania cząstek o gorszych parametrach bioaktywnych. Osiągnięcie przez większość próbek podobnej bioaktywności na końcu procesu odwadniania (rys. 21) może być potwierdzeniem słuszności takiego rozumowania. Z drugiej strony, należy wziąć pod uwagę tę część założenia nr 3, która dotyczy negatywnego wpływu czasu na bioaktywność surowca roślinnego odwadnianego osmotycznie. Ten negatywny wpływ czasu w początkowej fazie odwadniania był rekompensowany intensywnym przejmowaniem suchej masy z soku aroniowego. W końcowej fazie odwadniania o zmianie bioaktywności materiału decydował głównie czas, ponieważ szybkość przejmowaniem suchej masy z soku uległa znacznemu zmniejszeniu. Rys. 20. Bioaktywność próbek buraków ćwikłowych o powierzchni właściwej Ψ=827 m 2 m -3 odwodnionych w soku z aronii o stężeniu 15, 20, 30, 40 Bx i temperaturze 40 C. 66

67 Rys. 21. Bioaktywność próbek buraków ćwikłowych o powierzchni właściwej Ψ=827 m 2 m -3 odwodnionych w soku z aronii o stężeniu 40 Bx i temperaturze 30, 40, 50, 60 C. Rys. 22. Bioaktywność próbek buraków ćwikłowych o powierzchni właściwej Ψ1=998, Ψ2=827, Ψ3=541, Ψ4=429 m 2 m -3 odwodnionych w soku z aronii o stężeniu 40 Bx i temperaturze 40 C. Wyniki analizy wariancji dotyczącej wpływu parametrów procesowych na zawartość polifenoli ogółem i aktywność przeciwutleniającą buraków odwadnianych w zagęszczonym soku z aronii przedstawiono w tabelach 11 i

68 Na podstawie tych wyników można stwierdzić, że wszystkie uwzględnione w badaniach parametry oraz zachodzące między nimi interakcje miały istotny wpływ na bioaktywność odwadnianego materiału. Największy wpływ na właściwości bioaktywne miał czas i temperatura (zgodnie z założeniem nr 3), a najmniejszy powierzchnia właściwa próbek. Tabela 11. Analiza wariancji dotycząca wpływu badanych parametrów na zawartość polifenoli ogółem PC w próbkach buraków ćwikłowych odwadnianych w zagęszczonym soku z aronii. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny ,8 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) ,6 0,00001 t ( C) ,6 0,00001 C ( Bx) ,3 0,00001 τ (min) ,4 0,00001 Ψ*t ,6 0,00001 Ψ*C ,0 0,00001 t*c ,7 0,00001 Ψ*τ ,0 0,00001 t*τ ,2 0,00001 C*τ ,8 0,00001 Ψ*t*C ,7 0,00001 Ψ*t*τ ,2 0,00001 Ψ*C*τ ,6 0,00001 t*c*τ ,1 0,00001 Ψ*t*C*τ ,8 0,00001 Błąd

69 Tabela 12. Analiza wariancji dotycząca wpływu badanych parametrów na aktywność przeciwutleniającą próbek buraków ćwikłowych odwadnianych w zagęszczonym soku z aronii. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 9393, , ,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 60,9 3 20, ,00001 t ( C) 268,9 3 89, ,00001 C ( Bx) 178,4 3 59, ,00001 τ (min) 2292, , ,00001 Ψ*t 299,3 9 33, ,00001 Ψ*C 53,9 9 5, ,00001 t*c 105,2 9 11, ,00001 Ψ*τ 51,3 12 4, ,00001 t*τ 350, , ,00001 C*τ 111,4 12 9, ,00001 Ψ*t*C 359, , ,00001 Ψ*t*τ 339,2 36 9, ,00001 Ψ*C*τ 197,6 36 5, ,00001 t*c*τ 218,0 36 6, ,00001 Ψ*t*C*τ 609, , ,00001 Błąd 21, , Suszenie mikrofalowo-próżniowe (VM) Suszenie VM świeżych buraków ćwikłowych (Z4) Kinetyka suszenia Wpływ mocy mikrofal i powierzchni właściwej (Ψ) na kinetykę suszenia metodą mikrofalowo-próżniową (VM) przedstawiono na rysunkach od 23 do 26. Kinetyka suszenia dotyczyła zarówno spadku zredukowanej zawartości wody Ured, jak i zmian temperatury powierzchni cząstek. Na podstawie wykresów przedstawiających spadek wartości Ured można stwierdzić, że wraz ze wzrostem mocy magnetronów wzrasta szybkość suszenia. Pozytywny wpływ mocy mikrofal na szybkość suszenia potwierdziły także wyniki badań dotyczące suszenia metodą VM jabłek (Figiel i in. 2006), oregano (Jałoszyński i in. 2008a) oraz mięty (Therdthai i Zhou 2009). Zgodnie z oczekiwaniem moc mikrofal wpłynęła na temperaturę próbek w trakcie suszenia. Na przykład przy mocy 480 W maksymalna temperatura próbki o powierzchni właściwej Ψ=998 m 2 m -3 osiągnęła wartość bliską 90 C, a przy 120 W nie przekroczyła 65 C (rys. 23). Analiza kształtu krzywych przedstawiających temperaturę powierzchni próbek suszonych metodą VM pozwoliła stwierdzić, że w początkowej fazie suszenia 69

70 stosowanie wysokich mocy mikrofal nie powoduje niebezpiecznego nagrzewania próbek. Dopiero po osiągnięciu przez próbki pewnej krytycznej zawartości wody następuje gwałtowny wzrost ich temperatury. Związane jest to z bilansem energii generowanej przez dipole wody w polu elektromagnetycznym (Warych 1996) oraz energii potrzebnej do odparowania wody z powierzchni materiału. Otóż, przy krytycznej zawartości wody zdolność generowania energii przez cząsteczki wody, które są niejako zamknięte w strukturze komórkowej materiału, jest znacznie większa od energii potrzebnej do odparowania wody z powierzchni tego materiału, czego efektem jest wzrost temperatury próbki (Figiel 2010). Przy zastosowaniu mniejszych mocy mikrofal proces generowania energii przebiega wolniej dzięki czemu więcej cząsteczek wody może przedostać się wskutek dyfuzji wewnętrznej na powierzchnię materiału i tam odparować przy bardziej zrównoważonym bilansie energii. Dzięki poznaniu mechanizmu kształtowania temperatury materiału suszonego metodą VM zdecydowano się przeprowadzić proces suszenia z zastosowaniem wysokiej mocy mikrofal w początkowej fazie suszenia, a następnie zredukowaniem tej mocy, gdy temperatura próbki zaczyna wzrastać. Kinetyka suszenia buraków ćwikłowych zgodnie z tą procedurą została przedstawiona kolorem żółtym na rysunkach Dzięki zastosowaniu redukcji mocy temperatura próbek nie przekroczyła znacząco temperatury osiąganej przy najmniejszej mocy wynoszącej 120 W, natomiast czas suszenia uległ skróceniu o połowę. Na kinetykę suszenia miał także wpływ stopień rozdrobnienia próbek. W przypadku cząstek mniejszych, które odznaczały się dużą powierzchnię właściwą (Ψ) suszenie przebiegało szybciej niż w przypadku cząstek większych, przy czym zwiększenie stopnia rozdrobnienia przyczyniło się do zmniejszenia temperatury powierzchni suszonego materiału. Także podczas suszenia pieczarek metodą VM zmniejszenie wymiarów cząstek surowca spowodowało skrócenie czasu suszenia (Giri i Prasad 2007). Z kolei, odmienne wyniki uzyskano podczas suszenia czosnku (Figiel 2009). Okazało się, że zwiększenie stopnia rozdrobnienia surowca przyczyniło się do zmniejszenia szybkości suszenia i tym samym wydłużenia procesu suszenia. Przyczynę tak różnego wpływu stopnia rozdrobnienia na kinetykę suszenia surowców roślinnych należy upatrywać w różnicach dotyczących budowy morfologicznej oraz składu chemicznego. Mianowicie czosnek, w przeciwieństwie do buraków ćwikłowych i pieczarek posiada zwartą strukturę komórkową i tym samym mniejszą porowatość oraz 70

71 bogaty jest w olejki eteryczne. Czynniki te sprawiają, że efektywna dyfuzja wody podczas suszenia wymaga wyższej temperatury, którą osiągają cząstki o większych wymiarach. Rys. 23. Wpływ mocy mikrofal na kinetykę suszenia VM i temperaturę próbek świeżych buraków ćwikłowych o powierzchni właściwej Ψ1=998 m 2 m -3. Rys. 24. Wpływ mocy mikrofal na kinetykę suszenia VM i temperaturę próbek świeżych buraków ćwikłowych o powierzchni właściwej Ψ2=827 m 2 m

72 Rys. 25. Wpływ mocy mikrofal na kinetykę suszenia VM i temperaturę próbek świeżych buraków ćwikłowych o powierzchni właściwej Ψ3=541 m 2 m -3. Rys. 26. Wpływ mocy mikrofal na kinetykę suszenia VM i temperaturę próbek świeżych buraków ćwikłowych o powierzchni właściwej Ψ4=429 m 2 m -3. Kinetykę suszenia próbek świeżego buraka ćwikłowego metodą VM z zastosowaniem stałej mocy mikrofal opisano przy użyciu kompleksowego modelu 72

73 empirycznego (rów. 16), który uwzględnia wpływ czasu (τ), mocy mikrofal (N), oraz powierzchnię właściwą próbek (Ψ). ( ) (16) R 2 =0,9919, SE e =0,0291 Z kolei, opisanie kinetyki suszenia po zredukowaniu mocy mikrofal przy użyciu modelu (rów. 17) wymagało modyfikacji równania (rów. 16), polegającej na wprowadzeniu parametrów Ured oraz τ R, przy czym Ured R oznacza zredukowaną zawartość wody uzyskaną w czasie τ R, w którym następuje zmniejszenie mocy mikrofal. ( ) (17) R 2 =0,9971, SE e =0,0174 Na rysunkach 27 i 28 przedstawiono dopasowanie modeli (rów. 16 i 17) do punktów empirycznych uzyskanych podczas suszenia VM próbek buraka ćwikłowego o różnej powierzchni właściwej Ψ. 73

74 Rys. 27. Kinetyka suszenia VM próbek buraka ćwikłowego o powierzchni właściwej Ψ1=998, Ψ2=827, Ψ3=541, Ψ4=429 m 2 m -3 przy mocy mikrofal 360 W. Rys. 28. Kinetyka suszenia VM próbek buraka ćwikłowego o powierzchni właściwej Ψ1=998, Ψ2=827, Ψ3=541, Ψ4=429 m 2 m -3 przy mocy mikrofal zredukowanej z 480 do 120 W. Niewielkie wartości parametru p uzyskane w ramach analizy wariancji (tab. 13 i 14) dowodzą, że wszystkie parametry zastosowane podczas suszenia VM świeżych buraków ćwikłowych miały istotny wpływ na zredukowaną zawartość wody Ured, a także na temperaturę powierzchni suszonych cząstek. Z kolei, wartości parametru F wskazują, że największy wpływ na kinetykę suszenia miała moc mikrofal, natomiast najmniejszy wpływ miała powierzchnia właściwa próbek. Tabela 13. Analiza wariancji wpływu powierzchni właściwej próbek Ψ i mocy mikrofal N na zredukowaną zawartość wody Ured podczas suszenia VM świeżych buraków ćwikłowych SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 2, , ,72 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 0, ,0143 3,32 0,02091 N (W) 1, , ,23 0,00001 Błąd 0, ,

75 Tabela 14. Analiza wariancji wpływu powierzchni właściwej próbek Ψ i mocy mikrofal N na temperaturę materiału podczas suszenia VM świeżych buraków ćwikłowych. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny , ,3 6842,6 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 6393, ,2 26,0 0,00001 N (W) 10829, ,3 33,1 0,00001 Błąd 16379, ,9 Bioaktywność Zawartość związków polifenolowych oraz pojemność przeciwutleniającą wyznaczoną metodą ABTS dla próbek buraków ćwikłowych o różnej powierzchni właściwej Ψ wysuszonych metodą VM przy zastosowaniu różnych mocy mikrofal przedstawiono na rysunkach 29 i 30. Proces suszenia spowodował zmniejszenie właściwości bioaktywnych charakteryzujących świeży materiał w stopniu zależnym od przyjętych parametrów procesowych. Proces degradacji właściwości bioaktywnych materiału biologicznego podczas suszenia przy użyciu metody VM został przedstawiony na przykładzie owoców truskawek przez Wojdyło i in. (2009). W tej metodzie suszenia istotny wpływ na kształtowanie się składu chemicznego odpowiedzialnego za zawartość związków polifenolowych oraz aktywność przeciwutleniającą ma temperatura materiału, która zależy od zastosowanej mocy mikrofal i stopnia rozdrobnienia próbki. Wzrost mocy mikrofal z jednej strony powoduje zwiększenie temperatury materiału, która wzmaga degradację związków bioaktywnych, z drugiej zaś strony przyczynia się do skrócenia czasu suszenia i tym samym ekspozycji materiału na negatywne działanie temperatury (Figiel 2010). Istotną, choć wciąż niedostatecznie wyjaśnioną rolę wpływającą na bioaktywność suszonego materiału odgrywa proces formowania się pod wpływem wysokiej temperatury produktów reakcji Mailarda (Wojdyło i in. 2009), które charakteryzują się większą aktywność przeciwutleniającą niż związki chemiczne, z których powstały (Yilmaz i Toledo 2005). Z drugiej strony, zdaniem Piga i in. (2003) produkty reakcji Mailarda nie są w stanie zrekompensować walorów prozdrowotnych utraconych w rezultacie rozpadu związków fenolowych, jakkolwiek taka opinia wymaga weryfikacji na podstawie wyników badań przeprowadzonych metodami in vivo. Wyniki przedstawione na rysunkach 29 i 30 wskazują, że w procesie kształtowania bioaktywności suszu z buraków ćwikłowych przy zastosowaniu metody 75

76 VM przeważyły pozytywne konsekwencje zwiększenia mocy mikrofal. Należy przy tym mieć na uwadze to, że wyniki te zostały uzyskane na podstawie testów instrumentalnych, które mają charakter badań in vitro i przez to trudno jest ocenić w sposób autorytatywny, czy zwiększenie mocy mikrofal przyczynia się do polepszenia walorów prozdrowotnych wysuszonego produktu. Rys. 29. Zawartość związków polifenolowych PC w świeżych i wysuszonych metodą VM próbkach buraka ćwikłowego o powierzchni właściwej Ψ1=998, Ψ2=827, Ψ3=541, Ψ4=429 m 2 m -3. Rys. 30. Aktywność przeciwutleniająca ABTS świeżych i wysuszonych metodą VM próbek buraka ćwikłowego o powierzchni właściwej Ψ1=998, Ψ2=827, Ψ3=541, Ψ4=429 m 2 m

77 Przeprowadzona analiza wariancji dotycząca buraków ćwikłowych wysuszonych metodą VM (tab. 15 i 16) wykazała, że moc mikrofal i powierzchnia właściwa próbek oraz ich interakcje miały istotny wpływ na zawartość polifenoli ogółem i pojemność antyoksydacyjną ABTS wysuszonego produktu. Tabela 15. Analiza wariancji wpływu powierzchni właściwej próbek Ψ i mocy mikrofal N na zawartość polifenoli ogółem PC w burakach ćwikłowych wysuszonych metodą VM. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny , , ,9 0,00001 N (W) 48998, ,7 303,5 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 49525, ,5 409,0 0,00001 N*Ψ , ,1 365,8 0,00001 Błąd 1614, ,4 Tabela 16. Analiza wariancji wpływu powierzchni właściwej próbek Ψ i mocy mikrofal N na pojemność przeciwutleniającą buraków ćwikłowych wysuszonych metodą VM. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny , , ,5 0,0000 N (W) , ,0 128,4 0,0000 Ψ(m 2 m -3 ) , ,8 231,6 0,0000 N*Ψ , ,5 130,9 0,0000 Błąd 68442, ,1 Skurcz i gęstość właściwa suszu Podczas suszenia następuje skurcz materiału wynikający z utraty wody utrzymującej tkanki roślinne w stanie turgoru. W przypadku stosowania tradycyjnych metod suszenia skurcz może sięgać 90% (Szarycz i in. 2002). Wyniki badań wpływu mocy mikrofal i powierzchni właściwej na skurcz powstały w rezultacie wysuszenia metodą VM świeżych próbek buraków ćwikłowych przedstawiono na rysunku 31. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że wraz ze wzrostem mocy mikrofal skurcz wysuszonego produktu ulega zmniejszeniu. Jest to związane z efektem puffingu, który przeciwdziała zapadaniu się struktury komórkowej suszonego materiału dzięki różnicy ciśnień, która istnieje miedzy wnętrzem materiału, a jego otoczeniem (Zheng i in. 2013). 77

78 Cząstki o mniejszej powierzchni właściwej (większe walce) charakteryzował nieco mniejszy skurcz. Spowodowane mogło to być tym, że wewnątrz większych cząstek podczas nagrzewania mikrofalowego dochodziło do wygenerowania wyższej temperatury prowadzącej do zwiększenia względnej różnicy ciśnień, co potęgowało efekt puffingu, a w konsekwencji przyczyniło się do uzyskanie mniejszego skurczu. Jednak wpływ stopnia rozdrobnienia surowca na wartości skurczu nie był tak jednoznaczny jak wpływ mocy mikrofal, co potwierdziły wyniki uzyskane przez Jałoszyńskiego i in. (2008b) dotyczące suszenia selera. Rys. 31. Skurcz próbek buraków ćwikłowych o różnych powierzchniach właściwych -3 Ψ1=998, Ψ2=827, Ψ3=541, Ψ4=429 m 2 m wysuszonych metodą VM przy zastosowaniu różnych mocy mikrofal. Gęstość właściwa (rys. 32) otrzymanych suszy była podobna wynosząc około 1400 kg m -3. Nieznaczne różnice mogły być związane z tym, że wilgotność końcowa próbek była nieco różna (Koç i in. 2008), wynosiła od 4 do 6%. 78

79 Rys. 32. Gęstość właściwa próbek buraków ćwikłowych o różnych powierzchniach właściwych Ψ1=998, Ψ2=827, Ψ3=541, Ψ4=429 m 2 m -3 wysuszonych metodą VM przy zastosowaniu różnych mocy mikrofal. Przeprowadzona analiza statystyczna wykazała istotny wpływ wszystkich badanych parametrów oraz ich interakcji na skurcz próbek (tab. 17). Największy wpływ miała moc mikrofal, a najmniejszy interakcja między mocą i powierzchnią właściwą próbek. Analiza wpływu parametrów suszenia na gęstość właściwą przedstawiono w tabeli 18. Wszystkie badane parametry oraz ich interakcje miały istotny wpływ na gęstość właściwą suszu. Tabela 17. Analiza wariancji dotycząca wpływu mocy mikrofal i powierzchni właściwej na skurcz buraków ćwikłowych wysuszonego metodą VM. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny , , ,9 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 1039, ,5 8,3 0,00010 N (W) 3876, ,2 23,3 0,00001 Ψ*N 1069, ,1 2,1 0,0230 Błąd 3331, ,6 79

80 Tabela 18. Analiza wariancji dotycząca wpływu mocy mikrofal i powierzchni właściwej na gęstość właściwą buraków ćwikłowych wysuszonego metodą VM. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny , , ,0 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) , ,0 83,5 0,00001 N (W) 27520, ,1 12,8 0,00001 Ψ*N , ,9 15,8 0,00001 Błąd 21569, ,2 Barwa suszu Tabela 19 przedstawia wyniki analizy barwy suszu uzyskanego metodą VM z próbek buraka ćwikłowego o różnej powierzchni właściwej (Ψ) przy zastosowaniu różnych mocy mikrofal. Najmniejszą jasność wykazywały próbki wysuszone przy mocy 120 W. Wraz ze wzrostem mocy mikrofal następowało rozjaśnienie barwy próbek związane ze wzrostem wartości parametru L*. Podobne wyniki uzyskano podczas dosuszenia metodą mikrofalową zielonego groszku, który został wstępnie odwodniony osmotycznie w roztworze NaCl (Alibas 2007). Próbki buraka ćwikłowego wysuszone przy zastosowaniu największej mocy mikrofal (480 W) wykazały najmniejszą różnicę barwy w stosunku do świeżego materiału. Podobne wyniki uzyskano podczas badania barwy suszu z marchwi (Chua i Chou 2005). Także zwiększenie powierzchni właściwej próbek sprzyjało zmniejszeniu różnicy barwy w stosunku do materiału świeżego. Należy przy tym zauważyć, że zarówno zwiększenie mocy mikrofal jak i zwiększenie powierzchni właściwej próbek powodowało skrócenie czasu suszenia, co mogło przyczynić się do najlepszego zachowania barwy w odniesieniu do surowca. 80

81 Tabela 19. Parametry barwy próbek buraków ćwikłowych o różnych powierzchniach właściwych wysuszonych metodą VM przy zastosowaniu różnych mocy mikrofal Ψ (m 2 m ΔE* L* a* b* -3 Moc (W) ) SD SD SD SD Świeże buraki 22,76 1,00 29,92 2,00 5,05 0, ,15 2,22 24,58 1,74 21,47 2,54 2,06 0,84 Ψ1= ,18 0,49 27,50 1,35 28,76 1,94 1,26 0, ,05 0,94 27,53 1,45 30,26 2,19 1,35 0, ,95 1,43 25,27 1,60 26,51 2,55 2,49 0,90 480/120 6,62 1,67 26,98 1,92 27,06 2,37 0,83 1, ,03 2,27 25,41 1,47 23,66 2,85 0,78 1,26 Ψ2= ,71 1,61 26,36 1,59 25,72 2,87-0,32 0, ,88 0,67 27,12 0,97 28,04 1,84 0,07 0, ,43 0,76 26,93 0,78 28,21 2,06 0,48 0,67 480/120 9,23 0,84 29,92 1,01 26,54 2,68 0,32 0, ,14 1,59 25,78 0,92 20,11 1,84-1,43 0, ,48 1,01 27,57 0,67 23,81 1,68-0,38 0,53 Ψ3= ,09 1,05 29,29 1,28 26,48 2,26-0,25 1, ,23 1,12 28,54 1,01 24,92 1,93-0,13 0,76 480/120 13,20 2,78 25,77 1,96 18,94 3,24-1,62 0, ,93 2,56 22,72 0,94 16,42 2,54-3,39 0, ,64 1,45 25,69 1,09 23,46 1,96-1,47 0,55 Ψ4= ,67 1,46 26,35 1,83 26,20 2,36-0,62 0, ,33 2,87 26,83 1,43 24,56 3,88 0,14 0,81 480/120 12,36 3,17 24,41 1,23 19,10 3,36-0,68 0,97 Wyniki analizy statystycznej przedstawione w tabelach wykazały że moc mikrofal i powierzchnia właściwa próbek buraka ćwikłowego oraz interakcja między tymi parametrami procesowymi ma istotny wpływ na wszystkie badane wyróżniki barwy produktu wysuszonego metodą VM. Tabela 20. Analiza wariancji dotycząca wpływu mocy mikrofal i powierzchni właściwej na wartość parametru L* buraków ćwikłowych wysuszonego metodą VM. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny , , ,1 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 147,1 3 49,0 26,3 0,00001 N (W) 199,2 4 49,8 26,7 0,00001 Ψ*N 202, ,9 9,1 0,00001 Błąd 335, ,9 81

82 Tabela 21. Analiza wariancji dotycząca wpływu mocy mikrofal i powierzchni właściwej na wartość parametru a* buraków ćwikłowych wysuszonego metodą VM. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny , , ,0 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 914, ,8 48,4 0,00001 N (W) 1338, ,7 53,1 0,00001 Ψ*N 345, ,8 4,6 0,00001 Błąd 1134, ,3 Tabela 22. Analiza wariancji dotycząca wpływu mocy mikrofal i powierzchni właściwej na wartość parametru b* buraków ćwikłowych wysuszonego metodą VM. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 0,55 1 0,55 0,80 0,3730 Ψ(m 2 m -3 ) 232, ,53 111,56 0,00001 N (W) 38,52 4 9,63 13,86 0,00001 Ψ*N 79, ,59 9,48 0,00001 Błąd 125, ,69 Tabela 23. Analiza wariancji dotycząca wpływu mocy mikrofal i powierzchni właściwej na wartość parametru E* buraków ćwikłowych wysuszonego metodą VM. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 17280, ,3 5472,91 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 612, ,1 64,64 0,00001 N (W) 510, ,6 40,40 0,00001 Ψ*N 203, ,0 5,37 0,00001 Błąd 568, ,2 Tekstura wysuszonego produktu Jednostkową pracę cięcia suszu otrzymanego metodą VM z próbek buraków -3 ćwikłowych w kształcie walca o powierzchni jednostkowej Ψ1=998 m 2 m oraz Ψ2=827 m 2 m -3 (wysokość do 3,5 mm) przedstawiono na rysunku 33. Wraz ze wzrostem mocy mikrofal następowało zmniejszenie jednostkowej pracy przecinania. Jest to związane z tym, że wzrost mocy mikrofal powodował jednocześnie zmniejszenie skurczu (rys. 31) i uzyskanie przez próbki kruchej tekstury pod wpływem efektu puffingu. Próbki wysuszone przy zastosowaniu redukcji mocy 480/120 W oraz przy mocy 120 lub 240 W charakteryzowały się podobnymi, nie różniącymi się statystycznie wartościami jednostkowej pracy przecinania. Wynikało to z tego, że początkowy etap suszenia przy mocy 480 W nie miał wpływu na strukturę wysuszonego produktu, która 82

83 została utrwalona dopiero w końcowym etapie suszenia pod wpływem mocy 120 W. Zbyt mała moc mikrofal nie była w stanie wywołać na tyle dużego efektu puffingu, aby doszło do zmniejszenia skurczu i uzyskania kruchej tekstury wysuszonego produktu. Przeprowadzona analiza statystyczna wykazała, że powierzchnia właściwa próbki wpłynęła istotnie na pracę przecinania jedynie w przypadku zastosowania najmniejszej mocy mikrofal. W pozostałych przypadkach parametr ten nie miał istotnego wpływu na teksturę wysuszonego produktu. Z kolei, w większości przypadków dał się zauważyć istotny wpływ mocy mikrofal na kształtowanie tej tekstury. Rys. 33. Praca przecinania próbek buraków ćwikłowych o powierzchni właściwej Ψ1=998 m 2 m -3 oraz Ψ2=827 m 2 m -3 wysuszonych metodą VM przy zastosowaniu różnych mocy mikrofal. Takie same litery a, b, c, d przy słupkach oznaczają brak istotnej różnicy statystycznej między wartościami średnimi przy =0,05. Analizę profilu tekstury (TPA) wykonano dla suszu otrzymanego metodą VM z próbek buraków ćwikłowych w kształcie walca o powierzchni jednostkowej Ψ3=541 m 2 m -3-3 oraz Ψ4=429 m 2 m (wysokość powyżej 3,5 mm). W pracy przedstawiono dwa podstawowe parametry testu TPA, którymi były twardość (rys. 34) i spoistość (rys. 35). Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, że zwiększenie mocy mikrofal ze 120 do 240 W istotnie wpłynęło na obniżenie twardości, natomiast dalsze zwiększanie mocy nie miało już istotnego wpływu na wartość tego parametru. Próbki 83

84 wysuszone z zastosowaniem redukcji charakteryzowały się twardością zbliżoną do twardości próbek wysuszonych przy mocy 120 W. Wpływ parametrów procesowych na spoistość próbek wysuszonych metodą VM był taki sam jak na twardość. Rys. 34. Twardość próbek buraków ćwikłowych o powierzchni właściwej Ψ3=541 m 2 m -3 oraz Ψ4=429 m 2 m -3 wysuszonych metodą VM przy zastosowaniu różnych mocy mikrofal. Takie same litery a, b, c, d przy słupkach oznaczają brak istotnej różnicy statystycznej między wartościami średnimi przy =0,05. Rys. 35. Spoistość próbek buraków ćwikłowych o powierzchni właściwej Ψ1=998 m 2 m -3 oraz Ψ2=827 m 2 m -3 wysuszonych metodą VM przy zastosowaniu różnych mocy mikrofal. Takie same litery a, b, c, d przy słupkach oznaczają brak istotnej różnicy statystycznej między wartościami średnimi przy =0,05. 84

85 Przeprowadzona analiza wariancji wykazała, że na pracę przecinania (tab. 24) oraz twardość (tab. 25) istotny wpływ miała moc mikrofal i interakcja między mocą mikrofal a powierzchnią właściwą. Z kolei, na spoistość istotny wpływ miała jedynie moc mikrofal (tab. 26). Tabela 24. Analiza wariancji dotycząca wpływu mocy mikrofal i powierzchni właściwej na pracę przecinania buraków ćwikłowych wysuszonego metodą VM. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny , ,1 744,6 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 469, ,3 0,0 0,8929 N (W) , ,9 43,4 0,00001 Ψ*N , ,4 5,9 0,0027 Błąd , ,6 Tabela 25. Analiza wariancji dotycząca wpływu mocy mikrofal i powierzchni właściwej na twardość buraków ćwikłowych wysuszonego metodą VM. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny , , ,5 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 324, , ,364 0,5520 N (W) , , ,09 0,00001 Ψ*N 93659, , ,26 0,00001 Błąd 17831, , Tabela 26. Analiza wariancji dotycząca wpływu mocy mikrofal i powierzchni właściwej na spoistość buraków ćwikłowych wysuszonego metodą VM. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 0, , ,41 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 0, ,0019 0,982 0,3333 N (W) 0, ,081 41,61 0,00001 Ψ*N 0, ,0010 0,533 0,7126 Błąd 0, ,

86 Suszenie VM buraków odwadnianych w soku z owoców aronii (Z5) Kinetyka suszenia Próbki buraków ćwikłowych o różnej powierzchni właściwej zostały wstępnie odwodnione w zagęszczonym soku z aronii o stężeniu 40 Bx i temperaturze 50 C, a następnie dosuszone metodą VM przy zastosowaniu różnej mocy mikrofal. Na rysunkach od 36 do 39 przedstawiono kinetykę suszenia obejmującą spadek zredukowanej zawartości wody Ured oraz temperaturę materiału. Zwiększenie mocy mikrofal oraz stopnia rozdrobnienia materiału, podobnie jak w przypadku surowca nie poddawanego odwadnianiu osmotycznemu, przyczyniło się do zwiększenia szybkości suszenia i tym samym skrócenia czasu tego procesu. Proces wstępnego odwadniania osmotycznego tylko nieznacznie skrócił czas suszenia metodą VM. W przypadku próbek o powierzchni właściwej Ψ1 i zastosowania mocy 480 W czas suszenia świeżego surowca wyniósł 18 minut (rys. 23), natomiast czas dosuszania przy tych samych parametrach procesowych próbki wstępnie odwodnionej w zagęszczonym soku aroniowym wyniósł 16 minut (rys. 36). Spowodowane jest to tym, że zagęszczony sok wypełnił kapilary wewnątrz materiału, co utrudniło transport wody ku powierzchni. Pokrycie powierzchni warstwą soku dodatkowo utrudniło odparowanie wody. Podobne spostrzeżenia uzyskano w trakcie dosuszania VM truskawek i jabłek odwodnionych w roztworze sacharozy (Erle i Schubert 2001). Ponadto, należy wziąć pod uwagę to, że sucha substancja pochodząca z soku nie tylko uszczelniała porowatą strukturę komórkową buraków ćwikłowych, ale także wzbogaciła ją w składniki silniej wiążące wodę niż składniki występujące w burakach w sposób naturalny. Profil temperatury próbek w sposób istotny zależał od mocy mikrofal. Materiał osiągał najwyższą temperaturę przy mocy 480 W i najniższą przy mocy 120 W. Powierzchnia właściwa próbek także wpływała na ich temperaturę. Dla walców o mniejszej wysokości (Ψ1=998 m 2 m -3 ) maksymalna temperatura jaka wystąpiła w trakcie suszenia to około 110 C (rys. 36), natomiast dla większych cząstek (Ψ4=429 m 2 m -3 ) (rys. 39) maksymalna temperatura osiągnęła blisko 140 C. Zastosowanie redukcji mocy podczas suszenia z 480 do 120 W, podobnie jak w przypadku usuwania wody ze świeżych buraków, pozwoliło utrzymać maksymalną temperaturę materiału na poziomie nieznacznie przekraczającym 80 C, przy jednoczesnym skróceniu czasu 86

87 suszenia w porównaniu z suszeniem przy zastosowaniu stałej mocy 120 W. Porównując temperatury uzyskiwane przy suszeniu świeżych buraków (rys ) i odwodnionych w zagęszczonym soku z aronii (rys ) można stwierdzić, że wstępna obróbka spowodowała znaczne podwyższenie temperatury w trakcie suszenia metodą VM. Podobny wzrost temperatury zauważono podczas dosuszania buraków ćwikłowych wstępnie odwodnionych w roztworze chlorku sodu (Lech i in. 2011a) i w roztworze sacharozy (Lech i in. 2011b). Przyczynę tego zjawiska należy upatrywać w utrudnieniu odparowania wody z powierzchni odwodnionego osmotycznie materiału i tym samym zmniejszeniu efektu chłodzenia w stosunku do energii cieplnej generowanej przez dipole wody znajdujące się pod wpływem działania mikrofal. Rys. 36. Wpływ mocy mikrofal podczas suszenia VM na zredukowaną zawartość wody Ured i temperaturę próbek buraka ćwikłowego o powierzchni właściwej Ψ1=998 m 2 m -3 wstępnie odwodnionych w soku z aronii. 87

88 Rys. 37. Wpływ mocy mikrofal podczas suszenia VM na zredukowaną zawartość wody -3 Ured i temperaturę próbek buraka ćwikłowego o powierzchni właściwej Ψ2=827 m 2 m wstępnie odwodnionych w soku z aronii. Rys. 38. Wpływ mocy mikrofal podczas suszenia VM na zredukowaną zawartość wody -3 Ured i temperaturę próbek buraka ćwikłowego o powierzchni właściwej Ψ3=541 m 2 m wstępnie odwodnionych w soku z aronii. 88

89 Rys. 39. Wpływ mocy mikrofal podczas suszenia VM na zredukowaną zawartość wody -3 Ured i temperaturę próbek buraka ćwikłowego o powierzchni właściwej Ψ4=429 m 2 m wstępnie odwodnionych w soku z aronii. Kinetykę suszenia metodą VM próbek z buraków ćwikłowych wstępnie odwodnionych w zagęszczonym soku z aronii z zastosowaniem stałej mocy mikrofal opisano przy użyciu kompleksowego modelu empirycznego (rów. 18), który uwzględnia wpływ czasu (τ), mocy mikrofal (N), oraz powierzchnię właściwą próbek (Ψ). R 2 =0,9779, SE e =0,0128 (18) Z kolei, opisanie kinetyki suszenia po zredukowaniu mocy mikrofal przy użyciu modelu (rów. 19) wymagało modyfikacji równania (rów. 18), polegającej na wprowadzeniu parametrów Ured R oraz τ R, przy czym Ured R oznacza zredukowaną zawartość wody uzyskaną w czasie τ R, w którym następuje zmniejszenie mocy mikrofal. (19) R 2 =0,9849, SE e =0,

90 Na rysunkach 40 i 41 przedstawiono dopasowanie modeli (rów. 18 i 19) do punktów empirycznych uzyskanych podczas suszenia VM próbek buraka ćwikłowego o różnej powierzchni właściwej Ψ wstępnie odwodnionych w soku z aronii. Rys. 40. Kinetyka suszenia VM, przy mocy mikrofal 360 W, próbek buraka ćwikłowego o powierzchni właściwej Ψ1=998, Ψ2=827, Ψ3=541, Ψ4=429 m 2 m -3 wstępnie odwodnionych w soku z aronii. Rys. 41. Kinetyka suszenia VM, przy mocy mikrofal zredukowanej z 480 do 120 W, próbek buraka ćwikłowego o powierzchni właściwej Ψ1=998, Ψ2=827, Ψ3=541, Ψ4=429 m 2 m -3 wstępnie odwodnionych w soku z aronii. 90

91 Niewielkie wartości parametru p uzyskane podczas analizy wariancji (tab. 27 i 28) świadczą o tym, że powierzchnia właściwa próbek i mocy mikrofal miały istotny wpływ na zredukowaną zawartość wody Ured, a także na temperaturę buraków ćwikłowych suszonych metodą VM po wstępnym odwodnieniu w zagęszczonym soku z aronii. Tabela 27. Analiza wariancji wpływu powierzchni właściwej próbek Ψ i mocy mikrofal N na zredukowaną zawartość wody Ured podczas suszenia VM buraków ćwikłowych wstępnie odwodnionych w soku z aronii. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny 0, , ,8 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 0, , ,7 0,00001 N (W) 0, , ,8 0,00001 Błąd 0, ,0004 Tabela 28. Analiza wariancji wpływu powierzchni właściwej próbek Ψ i mocy mikrofal N na temperaturę materiału podczas suszenia VM buraków ćwikłowych wstępnie odwodnionych w soku z aronii. SS Stopnie MS F p Wyraz wolny , ,3 6518,0 0,00001 Ψ(m 2 m -3 ) 1222, ,3 3,0 0,0308 N (W) 16328, ,2 30,4 0,00001 Błąd 22693, ,3 Bioaktywność Właściwości bioaktywne próbek buraków ćwikłowych o różnej powierzchni właściwej wysuszonych metodą VM po wstępnym odwodnieniu w zagęszczonym soku z aronii przedstawiono na rysukach 42 i 43. Proces odwadniania osmotycznego w większości przypadków przyczynił się do wzrostu zawartości związków polifenolowych (PC) w próbkach dosuszonych metodą VM w porównaniu z świeżym materiałem (rys. 42). Zwiększenie mocy mikrofal generalnie spowodowało znaczą degradację związków polifenolowych w rezultacie wzrostu temperatury próbek (rys ). Podobne wyniki uzyskano podczas suszenia metodą VM wiśni (Wojdyło i in. 2013). Istotny wpływ na zawartość związków polifenolowych w wysuszonym produkcie miała również powierzchnia właściwa próbek, która także decydowała o wysokości temperatury materiału podczas dosuszania metodą VM. Mianowicie, próbki o mniejszej powierzchni właściwej (Ψ3 i Ψ4) osiągały wyższą temperaturę w zakresie od 80 do 110 ºC (rys. 25 i 91

92 26) niż próbki o większej powierzchni właściwej (Ψ1 i Ψ2), których temperatura mieściła się w zakresie od 60 do 92 ºC. Dodatkowym czynnikiem związanym z powierzchnią właściwą próbek był przyrost suchej masy podczas odwadniania osmotycznego w zagęszczonym soku z aronii, odznaczającym się bardzo wysoką bioaktywnością. Otóż, na podstawie wyników przedstawionych na rysunku 18b można stwierdzić, że próbki o większej powierzchni właściwej w większym stopniu przejmowały suchą substancję z soku aroniowego ( m=0,1-0,12 kg kg -1 surowca) niż próbki o mniejszej powierzchni właściwej ( m=0,07 kg kg -1 surowca). W rezultacie próbki o mniejszej powierzchni właściwej na ogół charakteryzowały się mniejszą wartością PC niż próbki o większej powierzchni właściwej. Pojemność przeciwutleniająca próbek dosuszanych metodą VM (rys. 43) kształtowała się pod wpływem parametrów procesowych podobnie jak zawartość polifenoli (rys. 42). Mianowicie, łagodne warunki suszenia sprzyjały osiąganiu wysokiej pojemności przeciwutleniającej, przy czym stosunkowo wysokie wartości tego parametru odnotowane w przypadku zastosowania mocy 480 W mogą być rezultatem formowania się produktów reakcji Millarda pod wpływem wysokiej temperatury materiału (Yilmaz i Toledo 2005), która w zależności od powierzchni próbek wynosiła od 110 do 140 C. Duża powierzchnia właściwa próbek także sprzyjała osiąganiu wysokiej pojemności przeciwutleniającej w związku z większym przejmowaniem suchej masy podczas odwadniania osmotycznego w zagęszczonym soku aroniowym (rys. 18b). 92

93 Rys. 42. Zawartość związków polifenolowych PC w próbkach buraków ćwikłowych o różnej powierzchni właściwej Ψ wysuszonych metodą VM po wstępnym odwodnieniu w zagęszczonym soku z aronii. Rys. 43. Aktywność przeciwutleniająca ABTS próbek buraków ćwikłowych o różnej powierzchni właściwej Ψ wysuszonych metodą VM po wstępnym odwodnieniu w zagęszczonym soku z aronii. 93