Agata Zgódka, Andrzej Lenart Wydział Technologii ywnoci, Katedra Inynierii ywnoci i Organizacji Produkcji SGGW, Warszawa

Transkrypt

1 Agata Zgódka, Andrzej Lenart Wydział Technologii ywnoci, Katedra Inynierii ywnoci i Organizacji Produkcji SGGW, Warszawa Wpływ składu surowcowego na właciwoci mechaniczne kawy palonej mielonej Streszczenie: Przeprowadzono badania wpływu składu surowcowego kawy palonej mielonej na jej właciwoci mechaniczne. Oceniano właciwoci trzech rodzajów kaw: 100 % Robusta, 100% Arabika oraz Mieszanka składajca si w 75% z kawy Robusta i w 25% z kawy Arabika. Analiza właciwoci mechanicznych badanych kaw została przeprowadzona w tecie bezporedniego cinania, który wykonano przy dwóch poziomach naprenia konsolidujcego 8,2 kpa i 15,6 kpa dla kaw rónicych si składem surowcowym, sposobem pakowania i czasem przechowywania. Wykazano wpływ wszystkich tych czynników na właciwoci mechaniczne kawy palonej mielonej. Kawa Robusta charakteryzuje si lepszymi właciwociami płynicia ni kawa Arabika. Zaobserwowano take pogorszenie si właciwoci mechanicznych kaw palonych mielonych podczas przechowywania, take w zalenie od sposobu pakowania produktu. Słowa kluczowe: kawa palona mielona, właciwoci mechaniczne, test bezporedniego cinania, Robusta, Arabika Oznaczenia: σ E - naprenie konsolidujce (kpa) f c wytrzymało na jednoosiowe ciskanie (kpa) σ 1 - najwiksze naprenie ciskajce (kpa) C - kohezja (kpa) δ E - efektywny kt tarcia wewntrznego ( o ) ϕ - kinetyczny kt tarcia wewntrznego ( o ) ff c czynnik płynicia Wstp Wiele materiałów ziarnistych, m.in. proszków i pyłów, zasadniczo zmienia swoj podatno na płynicie w wyniku wywarcia na nie nacisku. Nastpuje wtedy tzw. skonsolidowanie materiału, w wyniku którego materiał zyskuje znaczn wytrzymało na deformacj. Przy tej samej konsolidacji róne materiały wykazuj inn wytrzymało. Wpływa to na charakter ich przepływu bardziej wytrzymały materiał trudniej wypływa, ni materiał o mniejszej wytrzymałoci (Schubert, 1987). W przemyle spoywczym wiele surowców, półproduktów i wyrobów gotowych wystpuje w formie sypkiej (sproszkowanej). Warunkuje to właciwy dobór parametrów w czasie przetwarzania, pakowania, magazynowania i zagospodarowania przez odbiorc czy konsumenta tego typu artykułów. Jednym ze znaczcych produktów na rynku jest kawa palona mielona. Wyrónia si dwa gatunki kawy o znaczeniu handlowym: Coffea arabica (arabika) oraz Coffea canephora (robusta), a w obu istnieje wiele odmian. 419

2 Dwie trzecie ogólnej produkcji to arabika, która dziki łagodniejszemu smakowi jest preferowana. Robusta za posiada wysz odporno na choroby, zawiera te około dwukrotnie wicej kofeiny ni arabika (Kolanowski,1998). Najwaniejsz z właciwoci mechanicznych materiałów ziarnistych jest ich zdolno do płynicia. Zjawisko to okrela si jako ruch masy czstek wzgldem ssiednich lub wzdłu stykajcej si z nimi powierzchni (Peleg, 1978a). Najwiksze znaczenie dla płynicia materiału maj siły kohezji, bdce wynikiem tworzenia si stałych połcze midzy czstkami (mostków stałych), łczenia si czstek poprzez mostki płynne oraz molekularnego i elektrostatycznego oddziaływania midzy czstkami (Schubert, 1987). Funkcja płynicia ff c definiowana jest jako stosunek najwikszego naprenia ciskajcego do wytrzymałoci na jednoosiowe ciskanie. Według Jenike (1964) proszki mog by klasyfikowane zgodnie z ich zdolnoci płynicia w nastpujcy sposób: ff c 2 proszki bardzo kohezyjne, brak płynicia 2 < ff c 4 proszki kohezyjne, trudno płynce 4 < ff c 10 proszki słabo kohezyjne, łatwo płynce 10 < ff c proszki niekohezyjne, swobodnie płynce Cel i zakres pracy Celem pracy była analiza właciwoci płynicia kawy palonej mielonej w zalenoci od jej składu surowcowego, sposobu pakowania i czasu przechowywania. Zakres pracy obejmuje analiz zmiennoci poszczególnych parametrów mechanicznych przy dwóch rónych napreniach konsolidujcyh. Metodyka Badania wykonano na czterech produktach rónicych si składem surowcowym i sposobem pakowania. Produktami tymi były: kawa 100% Robusta (nazwa w pracy - Robusta) pakowana próniowo w opakowania 250g kawa 75% Robusta i 25% Arabika (nazwa w pracy - Mieszanka) pakowana próniowo w opakowania 250g kawa 75% Robusta i 25% Arabika (nazwa w pracy - Mieszanka) pakowana w atmosferze gazu obojtnego (azotu) w opakowania 100g kawa 100% Arabika (nazwa w pracy - Arabika) pakowana próniowo w opakowania 250g Podczas wykonywania pomiarów właciwoci płynicia (Peleg, 1978b) kawy w celce pomiarowej poddano wstpnej konsolidacji przy napreniu normalnym σ o (rys.1.). Nastpnie przeprowadzono test cinania w celu okrelenia naprenia cinajcego τ o. Stan osignitej konsolidacji okrela punkt (σ,τ), bdcy punktem warunku plastycznoci. Oddziaływano coraz mniejszym napreniem normalnym σ A, σ B, σ C. Nastpnie przykładana była 420

3 siła cinajca, a do momentu cicia próbki, której odpowiadało naprenie cinajce τ A, τ B, τ C. Pomiary dla kadego punktu obejmowały konsolidacj, a nastpnie cinanie. Próbki wszystkich badanych kaw poddane zostały testowi cinania przy nastpujcych maksymalnych napreniach konsolidujcych: 8,2 i 15,6kPa. Krelc koła Mohra (rys.1.) wyznaczano wytrzymało na jednoosiowe ciskanie f c, najwiksze naprenie ciskajce σ 1, efektywny kt tarcia wewntrznego δ E i kinetyczny kt tarcia wewntrznego ϕ (Schubert, 1987) Rys.1. Schemat wyznaczania parametrów płynicia materiałów sypkich na podstawie danych z testu bezporedniego cinania Fig.1. Diagram for the determination of the parameters of loose-material flow on the basis of the data obtained from the test of direct shearing Wyniki Na podstawie wykonanych pomiarów okrelono wpływ składu surowcowego badanych kaw na ich właciwoci mechaniczne przy napreniu konsolidujcym 8,2 i 15,6 kpa. Najwiksz wytrzymałoci materiału na jednoosiowe ciskanie (f c ) przy obydwu wartociach naprenia konsolidujcego σ E charakteryzuje si kawa Arabika, a najmniejsz kawa Robusta. Wzrost naprenia konsolidujcego z 8,2 do 15,6 kpa zwiksza wytrzymało na jednoosiowe ciskanie f c o 55% dla kawy Robusta, o 60% dla kawy Mieszanka i o 64% dla kawy Arabika (tab.1.). W kawie Mieszanka pakowanej w atmosferze gazu obojtnego wraz ze wzrostem σ E warto f c wzrosła o około 53% wartoci pierwotnej. Wartoci f c dla Mieszanki pakowanej próniowo i w atmosferze gazu obojtnego s do siebie dosy zblione i wynosz odpowiednio 7,4 kpa i 7,8 kpa przy napreniu konsolidujcym 8,2 kpa oraz 11,9 kpa dla obu opakowa przy napreniu konsolidujcym 15,6 kpa. Najwiksze naprenie ciskajce σ 1 jest zblione dla wszystkich kaw i wynosi od 22,0 do 23,0 kpa przy mniejszym napreniu konsolidujcym i od 42,1 do 44,5 kpa przy wikszym napreniu konsolidujcym (tab.1.). Niewielkie rónice miedzy poszczególnymi kawami obserwuje si w wartociach efektywnego kta tarcia wewntrznego δ E przy ronych 421

4 napreniach konsolidujcych (tab.1.). Przy obu wartociach σ E najwiksz wartoci kinetycznego kta tarcia wewntrznego charakteryzuje si kawa Arabika. Warto kinetycznego kta tarcia wewntrznego ϕ poszczególnych kaw zmieniała si wraz ze wzrostem naprenia konsolidujcego σ E (tab.1.). Dla wszystkich kaw z wyjtkiem Mieszanki pakowanej próniowo nastpiło jego nieznaczne zwikszenie. Jednak rónice pomidzy wielkoci tego kta dla poszczególnych kaw nie były due. We wszystkich kawach czynnik płynicia ff c uległ zwikszeniu wraz ze wzrostem naprenia konsolidujcego σ E (tab.1.). Zarówno przy napreniu konsolidujcym 8,2 kpa, jak i przy 15,6 kpa najmniejsza wartoci czynnika płynicia charakteryzuje si kawa Arabika, a najwiksz kawa Robusta. Czynnik płynicia ff c kawy Robusta jest o 18,6 % wikszy od czynnika płynicia ff c kawy Arabika przy σ E równym 8,2 kpa i o 31 % wikszy od czynnika płynicia ff c kawy Arabika przy σ E równym 15,6 kpa. Na podstawie czynnika płynicia mona stwierdzi, e kaw o najgorszych właciwociach płynicia jest kawa Arabika, a o najlepszych kawa Robusta. Wraz z upływem czasu przechowywania nastpiły zmiany w wartociach wytrzymałoci na jednoosiowe ciskanie f c badanych kaw. Po 3 miesicach przechowywania wartoci f c dla kaw Robusta i Mieszanka nieznacznie si zmieniły (tab.1). Natomiast dla kawy Arabika wystpił wzrost wartoci f c w tym okresie o 13,8% przy napreniu konsolidujcym 8,2 kpa oraz o 1,8% przy napreniu konsolidujcym 15,6 kpa. Wartoci f c dla kaw Robusta i Mieszanka w czasie zerowym i po 3 miesicach były do siebie zblione. W tym przedziale czasowym kawa Arabika charakteryzowała si najwikszymi wartociami naprenia ustpie zakłócenia. Po upływie 5 miesicy wartoci f c dla kaw Robusta i Mieszanka wzrosły, a dla kawy Arabika zmalały. Wartoci najwikszego naprenia ciskajcego 1 zmieniaj si podczas przechowywania dla wszystkich kaw (tab.2.). Po upływie piciu miesicy przechowywania były one znacznie nisze ni w czasie zerowym. Tab.1. Wpływ czasu przechowywania na właciwoci mechaniczne badanych kaw Tab.1. Influence of the carrier storage time on the mechanical properties of test coffees 422

5 Czas przech. [mies.] Kawa pakowana próniowo Naprenie konsolidujce Wytrzymało na jednoosiowe ciskanie Najwiksze naprenie ciskajce Kohezja Efektywny kt tarcia wewntrzne go ð E ( o ) Kinetyczny kt tarcia wewntrzn ego ( o ) Czynnik płynicia E (kpa) f c (kpa) 1 (kpa) C (kpa) ff c 0 Robusta 8,2 7,2 22,0 1,9 42,7 33,8 3,1 15,6 11,1 44,4 2,8 43,1 36,8 4,0 Mieszanka 8,2 7,4 23,0 1,9 43,9 35,3 3,1 15,6 11,9 42,1 3,1 42,1 34,8 3,5 Arabika 8,2 8,9 23,0 2,4 44,9 34,1 2,6 15,6 14,6 44,5 3,8 44,2 35,5 3,0 3 Robusta 8,2 7,1 22,4 1,9 43,1 34,5 3,1 15,6 11,8 36,5 3,4 38,6 29,4 3,1 Mieszanka 8,2 7,4 19,0 2,2 39,6 27,9 2,6 15,6 11,6 35,1 3,5 37,5 27,9 3,0 Arabika 8,2 10,2 21,6 2,9 44,8 30,5 2,1 15,6 14,9 37,5 4,4 40,6 28,8 2,5 5 Robusta 8,2 8,5 20,4 2,5 42,2 29,6 2,4 15,6 13,6 26,8 4,0 45,6 29,6 2,0 Mieszanka 8,2 10,3 19,9 3,2 43,5 26,7 1,9 15,6 13,6 37,1 4,0 39,8 29,0 2,7 Arabika 8,2 8,9 20,5 2,6 42,6 29,6 2,3 15,6 14,0 26,5 4,3 44,1 26,6 1,9 Efektywny kt tarcia wewntrznego δ E po czasie 3 miesicy zmniejszył si w porównaniu do wartoci w czasie zerowym dla wszystkich kaw z wyjtkiem kawy Robusta przy σ E 8,2 kpa (tab.2.). Po 5 miesicach przechowywania jego warto była dla wikszoci kaw wiksza ni po 3 miesicach. Wyjtkami były kawy Robusta i Arabika przy mniejszym obcieniu konsolidujcym. Warto kinetycznego kta tarcia wewntrznego ϕ wikszoci kaw maleje wraz z upływem czasu przechowywania (tab.2.). Wyjtkiem jest wzrost wartoci tego kta z 33,8 o w czasie zerowym do 34,5 o (2,0%) po 3 miesicach przy napreniu konsolidujcym σ E 8,2 kpa i z 29,4 o po 3 miesicach do 29,6 o (0,6%) po 5 miesicach przy napreniu konsolidujcym σ E 15,6 kpa dla kawy Robusta oraz z 27,9 o po 3 miesicach do 29,0 o (4,2%) po 5 miesicach dla kawy Mieszanka przy napreniu konsolidujcym σ E 15,6 kpa. Dla wszystkich kaw niezalenie od składu surowcowego warto kohezji ronie wraz ze zwikszajcym si obcieniem konsolidujcym i z upływem czasu przechowywania. Parametry płynicia badanych kaw pogarszaj si wraz z upływem czasu przechowywania. Szybko zmian poszczególnych parametrów zaley od składu surowcowego kawy. Na pogorszenie właciwoci mechanicznych kaw podczas przechowywania miały wpływ najprawdopodobniej zachodzce w nich przemiany fizyko-chemiczne m.in. zmiany wilgotnoci i aktywnoci wody. Podobne wyniki otrzymali Tenou i Fitzpatrick (1999), którzy wykazali na przykładzie mki pszennej, herbaty instant i proszku serwatkowego, e wzrost wilgotnoci danego materiału wpływa na pogorszenie jego właciwoci płynicia. Tab.2. Wpływ sposobu pakowania na właciwoci mechaniczne przechowywanej kawy Tab.2. Influence of packaging methods on mechanical properties of the coffee being stored 423

6 Czas przech. [mies.] Kawa pakowana próniowo 0 Mieszanka (prón.) Mieszanka (gaz oboj.) 3 Mieszanka (prón.) Mieszanka (gaz oboj.) 5 Mieszanka (prón.) Mieszanka (gaz oboj.) Naprenie Wytrzymało Najwiksze Kohezja Efektywny Kinetyczny Czynnik konsoliduj na jednoosiowe naprenie kt tarcia kt tarcia płynicia ce E (kpa) ciskanie f c (kpa) ciskajce 1 (kpa) C (kpa) wewntrzneg o ð E ( o ) wewntrzne go ( o ) ff c 8,2 7,4 23,0 1,9 43,9 35,3 3,1 15,6 11,9 42,1 3,1 42,1 34,8 3,5 8,2 7,8 22,3 2,1 43,4 33,8 2,9 15,6 11,9 42,7 3,1 42,4 35,1 3,6 8,2 7,4 19,0 2,2 39,6 27,9 2,6 15,6 11,6 35,1 3,5 37,5 27,9 3,0 8,2 8,1 21,3 2,2 42,8 31,9 2,6 15,6 11,8 36,7 3,4 38,7 29,6 3,1 8,2 10,3 19,9 3,2 43,5 26,7 1,9 15,6 13,6 37,1 4,0 39,8 29,0 2,7 8,2 9,1 14,2 2,9 48,4 25,2 1,6 15,6 12,4 26,2 3,7 42,7 27,7 2,1 Wraz z upływem czasu przechowywania nastpiły zmiany właciwoci mechanicznych badanej kawy w zalenoci od sposobu pakowania (tab.2.). Po upływie 3 miesicy dla kawy pakowanej próniowo wytrzymało na jednoosiowe ciskanie f c nieznacznie zmalało przy obu obcieniach konsolidujcych. W kawie pakowanej w atmosferze gazu obojtnego f c wzrosło o 4,4% przy mniejszym napreniu konsolidujcym, a zmalało o 0,9% przy wikszym. Duo wiksze zmiany w wartociach f c zaobserwowano w przedziale czasowym 3-5 miesicy. Dla kawy pakowanej próniowo warto wytrzymałoci na jednoosiowe ciskanie f c przy napreniu konsolidujcym 8,2 kpa wzrosła o 38,1% w stosunku do f c po czasie 3 miesicy, a o 37,7 % w stosunku do f c w czasie zerowym. Przy napreniu konsolidujcym 15,6 kpa rónice w tych wartociach wynosiły odpowiednio 16,6 % i 14,0%. Dla kawy pakowanej w atmosferze gazu obojtnego warto f c take wzrosła, ale rónice te s nieznacznie mniejsze. Widoczna jest silniejsza tendencja zmian wartoci wytrzymałoci na jednoosiowe ciskanie f c dla kawy pakowanej próniowo. Dla obu sposobów pakowania kawy przy dwóch napreniach konsolidujcych wartoci efektywnego kta tarcia wewntrznego δ E (tab.2.) zmniejszaj si w okresie 0 do 3 miesicy i ponownie rosn w czasie 3 do 5 miesicy osigajc wartoci do zblione do pocztkowych. Jedynie warto efektywnego kta tarcia wewntrznego δ E dla kawy pakowanej w gazie obojtnym dla wikszego obcienia konsolidujcego jest po upływie 5 miesicy wyra nie wiksza (11,4%) ni na pocztku. Warto kinetycznego kta tarcia wewntrznego ϕ obu kaw maleje wraz z upływem czasu przechowywania (tab.2.). Wyjtkiem jest wzrost wartoci tego kta z 27,9 o po 3 miesicach do 29,0 o po 5 miesicach przy napreniu konsolidujcym σ E 15,6 kpa dla kawy pakowanej próniowo. Sposób zmniejszania si wartoci tego kta jest zaleny od sposobu pakowania kawy i stosowanego obcienia konsolidujcego. Zmiany zachodzce w kawie podczas przechowywania zale take od sposobu pakowania. Właciwoci mechaniczne kawy Mieszanka pakowanej próniowo i w gazie obojtnym pogarszaj si wraz z upływem czasu przechowywania, jednake w róny sposób. Nie obserwuje si duych zmian w wytrzymałoci kawy na jednoosiowe ciskanie w obu opakowaniach po 424

7 pierwszych trzech miesicach przechowywania. Natomiast po upływie nastpnych dwóch miesicy zmiany te s ju wyra ne i wiksz wytrzymałoci materiału na jednoosiowe ciskanie charakteryzuje si kawa Mieszanka pakowana próniowo. Pomimo wikszej pocztkowej kohezji kawy Mieszanka pakowanej w gazie obojtnym, wynikajcej najprawdopodobniej z niewielkich rónic w składzie granulometrycznym kaw, po piciu miesicach przechowywania kawa pakowana próniowo charakteryzuje si wiksz wartoci kohezji. Szybko zmian w kawie pakowanej próniowo jest bardziej równomierna. Widoczna jest wic wyra na korelacja pomidzy rosnc zawartoci wody w produkcie, a jego pogarszajcymi si właciwociami mechanicznymi. Pocztkowo kawa pakowana próniowo lepiej płynła, po trzech miesicach wartoci współczynnika płynicia obu kaw były podobne, a po piciu miesicach znowu lepsze właciwoci płynicia miała kawa pakowana próniowo, pomimo wikszej kohezji. Wnioski Test bezporedniego cinania pozwolił scharakteryzowa właciwoci płynicia badanych kaw palonych mielonych przy wysokich napreniach konsolidujcych od 8,2 do 15,6 kpa. Badane kawy mona zakwalifikowa do grupy proszków kohezyjnych, trudno płyncych. Najlepsze właciwoci płynicia ma kawa Robusta, a najgorsze kawa Arabika. Na zmiany właciwoci mechanicznych kaw palonych mielonych w trakcie ich przechowywania ma wpływ take sposób pakowania. W kawie pakowanej próniowo obserwuje si ogólnie bardziej wyra ne pogorszenie właciwoci mechanicznych po piciomiesicznym przechowywaniu, ni w kawie pakowanej w gazie obojtnym. W obu kawach kohezja ulega zwikszeniu wraz z upływem czasu przechowywania. Bibliografia Jenike A.W. (1964): Storage and flow of solids, 123, Utah Engineering Experiment Station (maszynopis; tłum. z jz.ang) Kolanowski W. (1998): Kawa charakterystyka i znaczenie zdrowotne, ywno, ywienie a Zdrowie, 3 Peleg M. (1978a): Characterisation of the stress relaxation curves of solid foods, Journal of Food Science, 1, Peleg M. (1978b): Flowability of food powders and methods for its evaluation a review, Journal of Food Science, 1, Schubert H. (1987): Food Particle Technology Part I: Properties of Particles and Particulate Food Systems, Journal of Food Engineering, 6,1,

8 Teunou E. i Fitzpatrick J.J. (1999): Effect of relative humidity and temperature on food powder flowability, Journal of Food Engineering 42, Influence of row-material content on mechanical properties of ground roasted coffee Summary The research was carried out in order to examine the influence of ground coffee components on its mechanical factors. There were 3 types of coffee examined: 100% Robusta coffee, 100% Arabica coffee and 100% Compound consisting of 75% Robusta coffee and 25% Arabica coffee. The analysis of mechanical factors was carried out in the shear test that was done at 2 levels of consolidation stress for the types of coffee different in raw materials, packing method and storing time. The influence of the above on mechanical factors of ground coffee was proved. Robusta coffee has got better flowability than Arabica coffee. The worsening of mechanical factors of ground coffee while storing was observed and it depends on packing method as well. Keywords: ground roasted coffee, mechanical properties, test of direct shearing, Robusta, Arabica 426