Efektywność suszenia konwekcyjnego w warunkach okresowo zmiennych

Transkrypt

1 Wydział Technologii Chemicznej Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej Praca doktorska Efektywność suszenia konwekcyjnego w warunkach okresowo zmiennych Autor: mgr inż. Justyna Szadzińska Promotor: prof. dr hab. inż. Stefan Jan Kowalski Poznań

2 Składam serdeczne podziękowania dla promotora prof. dr hab. inż. Stefana Jana Kowalskiego za życzliwość, ciepłe serce i okazaną pomoc w opracowaniu niniejszej rozprawy doktorskiej. 2

3 Pracę dedykuję moim rodzicom 3

4 Spis treści Wprowadzenie 7 Część teoretyczna Suszenie w zmiennych warunkach procesowych Istota suszenia niestacjonarnego Zalety i wady suszenia w warunkach niestacjonarnych Przegląd niestacjonarnych technik suszenia Efektywność suszenia w warunkach niestacjonarnych Aspekt energetyczny Aspekt jakościowy Zmiana barwy Aktywność wody Retencja składników odżywczych Metody kontroli i wspomagania suszenia Emisja akustyczna Rehydratacja Blanszowanie Odwadnianie osmotyczne Wspomaganie ultradźwiękami 53 Część doświadczalna Efektywność suszenia w warunkach niestacjonarnych Cel i zakres badań doświadczalnych Materiał badawczy 59 4

5 4.3. Stanowisko badawcze, aparatura i metodyka Suszenie niestacjonarne materiałów ceramicznych monitorowane metodą emisji akustycznej Dobór częstotliwości zmian parametrów suszenia Dobór amplitudy zmian parametrów suszenia Skorelowanie EA z jakością suszonych produktów Suszenie marchwi w warunkach okresowo zmiennych Suszenie konwekcyjne w stałych i zmiennych warunkach Suszenie konwekcyjne ze wstępną obróbką osmotyczną Ocena jakości produktu Suszenie buraka ćwikłowego w warunkach niestacjonarnych Kinetyka suszenia Aspekt jakościowy Aspekt energetyczny Efektywność suszenia zielonej papryki w warunkach niestacjonarnych Suszenie konwekcyjne Ocena jakościowa produktu Zużycie energii Niestacjonarne suszenie wiśni ze wstępnym odwadnianiem osmotycznym wspomaganym ultradźwiękami Suszenie konwekcyjne Suszenie ze wstępną obróbką osmotyczną Ocena jakości produktu Matematyczne modelowanie kinetyki suszenia w warunkach niestacjonarnych 114 5

6 10.1. Równania kinetyki suszenia Modelowe krzywe kinetyki suszenia marchwi i ich eksperymentalna walidacja 116 Podsumowanie i wnioski 122 Bibliografia 125 Streszczenie 136 Abstract 137 Wykaz dorobku naukowego 138 6

7 Wprowadzenie W niniejszej pracy podjęto problem analizy efektywności suszenia głównie z punktu widzenia jakości produktu suszonego, ale także czasu suszenia i oszczędności energii zużywanej na suszenie. Tradycyjne suszenie konwekcyjne, najczęściej realizowane poprzez dostarczanie do układu gorącego medium o stałych parametrach, jest procesem czasochłonnym i energochłonnym. Ponadto, technika ta uznawana jest za silnie destrukcyjną, pogarszającą jakość produktu w stosunku do surowca, jednakże posiada szereg zalet, które decydują o jej szerokim wykorzystaniu w przemyśle, ponieważ jest metodą stosunkowo tanią, o dobrze poznanych podstawach teoretycznych. Główny cel tej pracy poświęcony jest modyfikacji powszechnie stosowanej metody suszenia konwekcyjnego, która oprócz niewątpliwych zalet (prosta aparatura, dobrze znany mechanizm suszenia), ma również szereg wad (długotrwały proces, niezbyt dobra jakość produktów suszonych, stosunkowo duże zużycie energii). Wstępny zakres badań opisany w tej pracy, dotyczył suszenia konwekcyjnego w stałych warunkach i prowadzony był na próbkach kaolinu z zastosowaniem metody emisji akustycznej jako metody kontrolnej. Badania te wykazały, że próbki suszone konwekcyjnie, szczególnie w wyższych temperaturach, łatwo ulegają destrukcji (pękaniu) podczas suszenia. Bazując na doświadczeniu z tych wstępnych badań postanowiono zmieniać warunki suszenia w trakcie procesu, aby uniknąć destrukcji materiału suszonego. Podjęto więc próby suszenia w okresowo zmiennych warunkach, tj. w zmiennej temperaturze i wilgotności powietrza suszącego. Efekt tego zabiegu okazał się bardzo korzystny, co wykazał także monitoring zachowania się materiałów podczas suszenia on line przy pomocy metody emisji akustycznej. Po tych wstępnych doświadczeniach postanowiono prowadzić dalsze suszenie konwekcyjne w warunkach niestacjonarnych (ang. intemittent conditions). Ten zmodyfikowany sposób suszenia konwekcyjnego okazał się niezwykle cenny w zastosowaniu do suszenia materiałów biologicznych, takich jak owoce i warzywa, które są niezwykle wrażliwe na podwyższoną temperaturę, bowiem tracą w ten sposób swoje właściwości fizyczne i biochemiczne, a szczególnie właściwości odżywcze. 7

8 W pracy podjęto zatem próbę opracowania alternatywnego sposobu suszenia materiałów szczególnie wrażliwych na obróbkę cieplną, a efektywność tej metody oceniano porównując uzyskane rezultaty badań prowadzonych w okresowo zmiennej temperaturze i wilgotności powietrza, z wynikami otrzymanymi podczas suszenia w stałych warunkach. Analizowano wpływ zmiennych warunków suszenia na kinetykę procesu, wybrane cechy jakościowe, uznawane za ważne z punktu widzenia konsumenta oraz zużycie energii elektrycznej. Najważniejszym parametrem suszenia konwekcyjnego jest temperatura powietrza, której wzrost z jednej strony przyspiesza proces, poprawiając jego ekonomikę, a z drugiej zaś jest czynnikiem pogarszającym jakość produktu. W związku z tym, bardzo ważne w praktyce przemysłowej jest znalezienie pewnego optimum, do czego niezbędna jest szczegółowa analiza wpływu tego parametru na różne aspekty procesu suszenia. Konsekwencją suszenia gorącym czynnikiem suszącym, tj. w tak zwanym ostrym reżimie, jest destrukcja materiału. Obniżenie jakości może dotyczyć skurczu i pękania na skutek generowania naprężeń, bądź też zmiany barwy, czy też składu chemicznego. Jak wykazały badania jednym ze sposobów minimalizowania negatywnych efektów podczas suszenia konwekcyjnego jest prowadzenie tego procesu w warunkach niestacjonarnych, tj. spowalnianie procesu, gdy zachodzi niebezpieczeństwo destrukcji materiału i jego przyspieszanie, gdy takiego niebezpieczeństwa nie ma. Proces ten, zwany w języku angielskim intermittent drying, najczęściej polega na kontrolowanym dostarczaniu energii cieplnej zmieniającej się w regularnych bądź nieregularnych odstępach czasu. W związku z tym, postawiono hipotezę zakładającą, że jeżeli proces suszenia konwekcyjnego wywołuje różne zmiany właściwości suszonych materiałów, to zmiana parametrów prowadzenia tego procesu powinna zminimalizować jego negatywne efekty i prowadzić do uzyskania lepszej jakości produktów. Praca ma charakter teoretyczno-doświadczalny. Część teoretyczna składa się z trzech rozdziałów, w których zawarto podstawy teoretyczne związane z procesem suszenia niestacjonarnego. Omówiono istotę suszenia w warunkach zmiennych, jego zalety oraz wady, scharakteryzowano różne techniki suszenia realizowane w sposób przerywany, a ponadto przedstawiono metody kontroli i wspomagania tego procesu. W części doświadczalnej przedstawiono metodykę badań, materiały doświadczalne i stanowisko badawcze z dokładnym opisem aparatury i przyrządów używanych podczas badań. Testy suszenia konwekcyjnego wybranych produktów biologicznych przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych z wykorzystaniem konwekcyjnej suszarki komorowej, która umożliwia prowadzenie procesu w sposób niestacjonarny, z uwzględnieniem różnych częstotliwości oraz amplitud zmian parametrów powietrza. Zaprezentowano analizę otrzymanych wyników badań, tj. krzywe suszenia w warunkach stacjonarnych i niestacjonarnych, zmianę wybranych wskaźników suszonych produktów, m.in. całkowitą zmianę barwy, 8

9 aktywność wody oraz zawartość naturalnych barwników i witamin, a także analizę energochłonności procesów suszenia. Nowatorskim elementem pracy jest nie tylko zastosowanie suszenia niestacjonarnego, ale także zbadanie wpływu różnych metod obróbki wstępnej oraz intensyfikacji usuwania wilgoci przy zastosowaniu ultradźwięków, na kinetykę suszenia w warunkach zmiennych i właściwości uzyskanych produktów. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów wyciągnięto wnioski i dokonano oceny pod kątem założonych w pracy celów. Ponadto przedstawiono optymalne warunki prowadzenia suszenia okresowego oraz korzyści płynące ze stosowania tej techniki suszenia. 9

10 Część teoretyczna 10

11 1. Suszenie w zmiennych warunkach procesowych Suszenie jest operacją technologiczną, w której zachodzą jednoczesne procesy wymiany ciepła i masy, a ponadto występują zmiany strukturalnomechaniczne oraz fizyko-chemiczne materiału suszonego. Suszenie termiczne jest najpowszechniejszą metodą usuwania wilgoci, a jego głównym celem jest zwiększenie trwałości produktów końcowych, ale także zmniejszenie masy materiału i poprawienie jego wytrzymałości. Ponieważ wilgoć stanowi integralną część struktury w większości wilgotnych materiałów, suszenie prowadzi zwykle do zmian fizykochemicznych, skutkujących niekiedy pogorszeniem ich własności technologicznych, a także użytkowych. Aby te negatywne efekty zredukować do minimum, ważny jest dobór odpowiedniej metody i warunków suszenia, mający zasadniczy wpływ na jakość suszonych produktów. Wybór właściwej metody suszenia zależy nie tylko od rodzaju materiału i stawianych wymagań jakościowych, ale i wielu innych czynników, m.in. kwestii rozwiązania aparaturowego, automatyzacji procesu, doboru odpowiednich źródeł ciepła, względów ekonomicznych (koszty), czy też bezpieczeństwa. Dlatego też poszukuje się ciągle coraz doskonalszych metod i rozwiązań alternatywnych w stosunku do metod tradycyjnych. Dzięki modyfikacjom konwencjonalnych technik usuwania wilgoci, a jednocześnie przy minimalnych nakładach inwestycyjnych i maksymalnej wydajności procesu, można uzyskać pożądanej jakości produkty przy zredukowanej konsumpcji energii (Strumiłło, 1983; Mujumdar, 2007; Chua i inni, 2003) Istota suszenia niestacjonarnego Zróżnicowane właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne, biochemiczne etc. mokrego materiału oraz wymagania jakościowe suchego produktu, spowodowały intensywny rozwój różnych technologii suszenia i aparatury suszącej. Trudno byłoby obecnie wskazać uniwersalną metodę suszenia i optymalne rozwiązanie konstrukcyjne suszarki spełniające powyższe wymagania. Z kolei, w przypadku konwencjonalnych metod suszenia i stosowanej aparatury istnieje wiele problemów związanych z ich efektywnym użytkowaniem, m.in.: 11

12 brak jednorodności cech jakościowych materiału spowodowanych przesuszeniem bądź niedosuszeniem materiału w wyniku nierównomiernej lub niedostatecznej ekspozycji na czynnik suszący, długi czas suszenia wynikający z nieefektywnych i przeciwstawnych mechanizmów suszenia, na przykład dyfuzji i termodyfuzji, niska wydajność procesu suszenia i stosunkowo wysokie koszty operacyjne. Dążenie do przezwyciężania wyżej wymienionych ograniczeń charakterystycznych dla konwekcyjnej techniki suszenia przyczyniło się do powstania wielu nowych zmodyfikowanych technologii suszenia. Rozwój nowych alternatywnych technik suszenia podyktowany jest wymogami rynku i zaspokajaniem wzrastającego popytu na coraz lepszej jakości produkty oraz ograniczenia energetyczne. Jednym z ostatnio intensywnie rozwijanych rozwiązań jest suszenie niestacjonarne, zwane też przerywanym lub okresowym (ang. intermittent drying), polegające na zmianie warunków suszenia w trakcie prowadzenia procesu. W metodzie tej w określonych odstępach czasu następuje spowalnianie procesu, gdy zachodzi niebezpieczeństwo destrukcji materiału, a następnie przyspieszanie, gdy takie niebezpieczeństwo minęło (Mujumdar 2009; Mujumdar, 2004; Kowalski i Pawłowski, 2010b). Ogólnie, mechanizm suszenia w okresowo zmiennych warunkach oparty jest na kontrolowanym dostarczaniu energii cieplnej, zmieniającej się w regularnych bądź nieregularnych odstępach czasu. Najczęściej suszenie w trybie niestacjonarnym odbywa się ze zmianą (wahania/pulsacje) parametrów procesowych, takich jak temperatura i wilgotność w komorze suszarki oraz prędkość przepływu powietrza suszącego. Programowanie tych zmian ściśle wiąże się z ich częstotliwością oraz amplitudą, które po ich zastosowaniu albo pozostają stałe, albo narastają, albo maleją w czasie. Zazwyczaj, w tego typu operacjach częstotliwość zmian tych parametrów nie jest duża. Zmiany parametrów suszenia mają formę zdarzeń cyklicznych uporządkowanych bądź też nieuporządkowanych (dowolnych). Modyfikacja warunków suszenia może być związana także z różnymi formami dostarczania energii: konwekcja, przewodzenie, promieniowanie mikrofalowe lub podczerwone, czy też pola elektryczne wysokiej częstotliwości. Alternatywnie, energię dostarcza się na drodze kombinacji kilku mechanizmów, np. przez połączenie konwekcji z przewodzeniem lub promieniowaniem, bądź też z ogrzewaniem dielektrycznym, równocześnie lub według ustalonej sekwencji (Chua i inni, 2003; Kumar i inni, 2014). Ponieważ suszenie niestacjonarne można przeprowadzać różnymi sposobami, schemat ogólnej klasyfikacji tych sposobów pokazano na rysunku

13 Rys Uogólniona klasyfikacja metod suszenia w warunkach zmiennych. W górnej części schematu przedstawiono przykładowe zmienne, jakie zwykle wykorzystuje się w procesie suszenia, natomiast poniżej zaprezentowano możliwe sposoby operowania tymi zmiennymi. W przypadku suszenia w trybie okresowym, wyróżnia się cztery główne kategorie programów zmian: a) okresowa zmiana temperatury i/lub wilgotności powietrza, a także okresowa zmiana prędkości przepływu powietrza, b) kombinacja trzech faz suszenia: 1 faza suszenia w podwyższonej temperaturze, 2 faza relaksacji, 3 faza powolnego chłodzenia, c) recyrkulacja przepływu powietrza w określonym czasie, d) oscylacje temperatury, prędkości, wilgotności powietrza lub ciśnienia roboczego wg określonego schematu o charakterze harmonicznym, prostokątnym lub piłokształtnym (Kumar i inni, 2014; Chua i inni 2003). Poniżej przedstawiano przykładowe schematy zmian parametrów procesu suszenia niestacjonarnego. Rys Schematy zmian parametrów procesowych. 13

14 Szczególnie ważnym etapem podczas suszenia w warunkach niestacjonarnych jest tzw. okres relaksacji (ang. tempering lub resting period), w czasie którego następuje zmiana poszczególnych parametrów suszenia, względnie przerwa w uprzednio dobranym schemacie zmian. Najczęściej w trakcie tego cyklu nie dostarcza się już ciepła do układu. Różnorodność stosowanych programów suszenia daje nieograniczone możliwości sterowania tym okresem. Przykładem może być: obniżanie mocy grzania, intensywne schładzanie, czy też tymczasowe usuwanie suszonego materiału z suszarki i pozostawianie go w otaczającym powietrzu na klika godzin lub nawet dni. Etap relaksacji pełni kluczową rolę w przebiegu okresowych procesów suszenia z tego względu, że na skutek pauzy w trakcie intensywnego usuwania wilgoci z suszonego materiału dochodzi w nim do wyrównywania się rozkładów wilgotności i temperatury. Wtedy, wilgoć zawarta w materiale dyfunduje z głębszych warstw o wyższej zawartości wilgoci do powierzchni, zapewniając równomierny jej rozkład wewnątrz materiału. Następnie, warunki procesu powracają do wcześniej zaprogramowanych, i w kolejnym cyklu dostarczanie ciepła zostaje wznowione, a wilgoć odparowywana jest ponownie z powierzchni materiału, co zwiększa szybkość suszenia (Pan i inni, 1997; Pan i inni, 1999; Bon i Kudra, 2007; Shei i Chen, 2002). Ponieważ cykliczne zmiany parametrów suszenia mogą w różny sposób wpływać na jakość końcową produktów oraz zużycie energii, wielkość i częstość tych zmian nie może być dowolna. Powinna zostać dobrana na podstawie ścisłe zdefiniowanych właściwości fizycznych, chemicznych, etc. badanego ciała oraz analizy wymiany ciepła i masy, a także w zależności od indywidualnych cech danej techniki suszenia. W przypadku oscylacji, pulsacji itd., przebiegających w określonych regularnych lub nieregularnych odstępach czasu, możliwe jest scharakteryzowanie współczynnika okresowości zmian α [-]. Parametr ten wyraża stosunek czasu danego cyklu suszenia w określonych warunkach procesowych, lub czasu relaksacji, do czasu pełnego cyklu suszenia (tzn. czasu suszenia i relaksacji razem). Należy zaznaczyć, iż współczynnik ten dotyczy jedynie pojedynczego, pełnego cyklu, a nie całkowitego czasu trwania procesu suszenia: on on (1.1) on off gdzie odpowiednio: τ, to całkowity czas pełnego cyklu, a τ on i τ off, to odpowiednio czas załączenia zmian oraz ich wyłączenia (okres relaksacji). Zasadniczo współczynnik α występuje w postaci ułamków, a im większa wartość ułamka, tym dłuższy czas określonych zmian, bądź relaksacji. Gdy α = 1 to mamy do czynienia z suszeniem w trybie ciągłym. W przypadku prowadzenia kilku procesów suszenia w warunkach okresowo zmiennych, przy zastosowaniu tej samej aparatury oraz jednakowych parametrów, jednakże z zróżnicowanym czasie 14

15 poszczególnych faz (załącz/wyłącz), współczynnik okresowości α ułatwia porównanie efektywności, tudzież sprawności energetycznej procesu. W związku z tym, ilość oraz czas poszczególnych zmian danego parametru należy starannie zaplanować by osiągnąć optymalną oszczędność energii. W przeciwnym razie, pożądane efekty energetyczne, jak również jakościowe końcowych produktów staną się niemożliwe lub trudne do osiągnięcia (Ho i inni, 2001; Jumah i inni, 2007; Kumar i inni, 2014) Zalety i wady suszenia w warunkach niestacjonarnych Ze względu na różnorodność metod suszenia (konwencjonalne, innowacyjne) oraz ich techniczną realizację (ciągłe, przerywane), zawsze istnieje pewne ryzyko strat i niekorzystnych zmian właściwości suszonych produktów, które mogą wynikać z nieodpowiedniego zaprojektowania wielkości procesowych. Jednym z zasadniczych kryteriów oceny procesu suszenia jest zużycie energii na odparowanie wilgoci zawartej w materiale oraz jakość produktu, niezależnie od wybranej metody suszenia. Zachodzi więc potrzeba zidentyfikowania zakresu możliwości dostarczania ciepła do układu, biorąc pod uwagę fakt, iż każda manipulacja parametrami suszenia może mieć odmienny wpływ na przebieg całego procesu. W środowisku przemysłowym, gdzie suszenie jest często podstawowym procesem jednostkowym, głównym zadaniem jest nie tylko zachowanie dobrej jakości produktu, ale także skrócenie czasu suszenia, co przekłada się na określone koszty operacyjne. W związku z powyższym, bardzo ważne jest znalezienie pewnego optimum w realizacji procesu, do czego niezbędna jest szczegółowa analiza efektywności różnych rozwiązań. Liczne badania eksperymentalne prowadzone nad suszeniem niestacjonarnym dowodzą, iż taki sposób suszenia pozwala rozwiązać trudności związane, m.in. z energochłonnością oraz czasochłonnością procesu, co niesie ze sobą o wiele więcej korzyści w porównaniu z metodami konwencjonalnymi, często prowadzonymi w tzw. ostrym reżimie (np. suszenie konwekcyjne). Jak donosi literatura (Ratti i Mujumdar, 1993; Jumah i inni, 1996; Pan i inni, 1999; Tan i inni, 2001; Bon i Kudra, 2007), jednym z ważniejszych atrybutów suszenia w trybie okresowym jest minimalizacja zużycia energii elektrycznej. Dzięki zastosowaniu sekwencji dwu lub więcej cykli składających się z intensywnego usuwania wilgoci (stałe warunki) oraz relaksacji (zazwyczaj zmienne warunki) zaobserwowano znaczący spadek zapotrzebowania energetycznego na jednostkę odparowywanej wilgoci z materiału. Z tego względu, suszenie przerywane stało się jednym z najbardziej energooszczędnych i opłacalnych procesów suszenia, a także przedmiotem optymalizacji prowadzonej przez wielu badaczy. Przykładowo Jumah i inni (Jumah i inni, 1996) w swojej pracy o charakterze 15

16 empiryczno-modelowym opisali proces suszenia materiałów ziarnistych z wykorzystaniem nowatorskiej suszarki fontannowej. W badaniach tych przeanalizowano wpływ periodycznych ruchów złoża wywołanych obrotowym strumieniem powierza, jak również oddziaływanie cyklicznego podgrzewania strumienia powietrza na przebieg procesu suszenia. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów dowiedziono, iż aplikacja takich zmian zmniejsza zużycie powietrza (netto), a w związku z tym redukuje pobór energii elektrycznej do ok % i obniża koszty eksploatacyjne, co z kolei poprawia sprawność energetyczną procesu. Kolejną zaletą, a zarazem istotnym kierunkiem prowadzenia suszenia w warunkach okresowo zmiennych jest wzrost szybkości procesu i skrócenie efektywnego czasu suszenia materiałów przez zredukowanie ogrzewania (np. w suszarkach konwekcyjnych). Ponieważ o szybkości procesu odwadniania decyduje szybkość migracji wilgoci z wnętrza materiału do powierzchni parowania, z dotychczasowych badań nad kinetyką suszenia niestacjonarnego (Pan i inni, 1997; Devahastin i Mujumdar, 1999; Chou i inni, 2000; Shei i Chen, 2002; Ho i inni, 2002; Jumah i inni, 2007) wynika, że oprócz zmian parametrów procesowych, decydujący wpływ na poprawę wymiany ciepła oraz masy ma stosunek czasu ogrzewania do czasu relaksacji, czyli wspomniany wyżej współczynnik okresowości α. W wymienionych pracach stwierdzono mi.in, że etap relaksacji gwarantuje jednolity rozkład wilgoci w suszonym materiale, co zwiększa prędkość usuwania wilgoci w każdym kolejnym (aktywnym) etapie suszenia, a ponadto znacznie zmniejsza efektywny czas suszenia potrzebny do uzyskania jednakowej końcowej zawartości wilgoci, nawet o 60%, w porównaniu z suszeniem w trybie ciągłym. Jednakże, jak zaobserwował również Jumah (Jumah, 1995) w pewnych przypadkach należy spodziewać się umiarkowanego, niekiedy znacznego, wzrostu czasu suszenia. Zatem, stosowanie długotrwałych zmian wielkości procesowych, tj. gdy współczynnik α > 0,75, może niekorzystnie wpływać na proces usuwania wilgoci (spowolnienie), w związku z czym wydłuża się całkowity czas suszenia. W przypadku niektórych produktów jest to wręcz niedopuszczalne, ponieważ może skutkować ich rehydratacją oraz utratą jakości (Kumar i inni, 2014). Pomijając jednak ten fakt, wyższa sprawność energetyczna w tym procesie kompensuje tę wadę. Jakość suszonej żywności jest następnym, fundamentalnym czynnikiem, który należy rozważyć równocześnie z aspektem energetycznym. W większości procesów suszenia, a szczególnie w przypadku wrażliwych materiałów biologicznych, np. produktów żywnościowych, wskutek obróbki cieplnej obserwuje się poważy spadek jakości, związany m.in. z utratą koloru, składników odżywczych, smaku i tekstury. W obecnych wymaganiach rynkowych, jak i światowym lobby związanym ze zdrową, pełnowartościową, wysokiej klasy żywnością, zarówno aspekt jakości, jak i ekonomika procesu suszenia są bardzo ważne, choć niekiedy wzajemnie przeciwstawne (Woodroof i Luh, 1986; 16

17 Brennan, 2006). Dlatego też w praktyce przemysłowej właściwy dobór technologii suszenia oraz dokładna selekcja wszystkich parametrów roboczych aparatury suszącej zwiększa szansę na wytwarzanie wysokojakościowych produktów. Obecnie jedną z coraz bardziej rekomendowanych metod suszenia produktów pochodzenia rolniczego jest właśnie suszenie w okresowo zmiennych warunkach. Liczne eksperymenty (Pan i inni, 1999; Chua i inni, 2000; Ho i inni, 2001, Thomkapanich i inni, 2007; Guine i inni, 2007) wykazały, iż poprawa cech jakościowych suszonych produktów rolniczych jest efektem utrzymywania się znacznie niższej średniej temperatury materiału suszonego, która w trakcie procesu nie przekracza wstępnie określonej wartości, powyżej której może wystąpić uszkodzenie termiczne. Ważnym elementem uzyskania dobrej jakości produktu przy suszeniu w okresowo zmiennych warunkach jest również skrócenie czasu ekspozycji materiału na działanie gorącego czynnika suszącego, w porównaniu z suszeniem realizowanym w stałych warunkach. Wyniki tych badań wykazały znaczną poprawę barwy materiałów pochodzenia biologicznego, redukcję nieenzymatycznego brązowienia, niższy stopień degradacji β-karotenu oraz zawartości kwasu askorbinowego. Badania eksperymentalne i symulacje numeryczne dotyczące suszenia ryżu i makaronu przedstawione w pracach Li, (1999), Aquerreta i inni (2007) oraz Xing i inni (2007) wykazały, iż wprowadzenie materiału w stan relaksacji (wstrzymanie ogrzewania) redukuje gradienty temperatury i wilgotności, co skutecznie pozwala zminimalizować generowanie naprężeń suszarniczych, a w związku z tym ochronić materiał przed pękaniem. Váquiro i inni (2009) w swojej pracy przedstawili problem optymalizacji suszenia przerywanego owoców mango dla różnych temperatur powietrza oraz różnych ilości poszczególnych cykli w suszarce konwekcyjnej. Jako funkcję celu przyjęto minimalizację przyrostu entalpii produktu. W wyniku przeprowadzonych symulacji stwierdzono, iż suszenie okresowe pozytywnie wpływa na redukcję przyrostu entalpi produktu (do 23%). Ponadto stwierdzono, że rozpatrując średni przyrost entalpi, jako główne kryterium optymalizacji suszenia niestacjonarnego, można kontrolować temperaturę powierzchni suszonego produktu, co pozwala zminimalizować problemy związane z jakością, np. reakcje nieenzymatycznego brązowienia, czy też utwardzania produktów cechujących się dużą zawartością węglowodanów. Ponadto, cennym atutem suszenia okresowego są niewielkie, dodatkowe koszty inwestycyjne związane z koniecznością modyfikacji tradycyjnych suszarek wymagających uzupełnienia konstrukcji, bądź też zmian w ich eksploatacji. Jak zaprezentowano powyżej, bogata literatura związana z tematyką suszenia niestacjonarnego opisuje liczne eksperymenty, których celem była analiza wydajności licznych technik i programów suszenia okresowego. Na bazie modelowania matematycznego i badań empirycznych można bowiem wskazać 17

18 kilka istotnych zalet odwadniania biomateriałów w warunkach okresowo zmiennych: a) zmniejszenie zużycia energii, b) skrócenie czasu suszenia, c) zwiększenie prędkości suszenia mimo okresowych zmian, d) obniżenie temperatury powierzchni materiału, e) poprawa jakości produktu, m.in. redukcja skurczu, kruchości, pęknięć, poprawa właściwości sensorycznych i retencji składników odżywczych. Należy tu jednak podkreślić, iż w zależności od zastosowanej metodologii suszenia przerywanego, a przede wszystkim od wartości współczynników okresowości α, stopień poprawy wydajności energetycznej oraz kinetyki suszenia, może być różny i zwykle waha się w granicach od kilku do nawet kilkudziesięciu procent Przegląd niestacjonarnych technik suszenia Tradycyjne sposoby suszenia prowadzone na szeroką skalę w przemyśle przebiegają z reguły w niezmiennych warunkach, czyli przy stałych wartościach parametrów procesowych. Jednakże, w rzeczywistości procesy przemysłowe ze względu na ich długotrwałość są często przerywane. Do takich procesów można zaliczyć, m.in. liofilizację (suszenie sublimacyjne), suszenie w suszarkach bębnowych, suszenie fluidyzacyjne, czy wielowalcowe suszenie papieru (Chua i inni, 2003). Przy suszeniu przerywanym (niestacjonarnym), zróżnicowana może być częstotliwość pracy suszarek, czy długotrwałość okresów przerw i pracy suszarek, która może być uwarunkowana cechami konstrukcyjnymi lub wynikać z celowo zaprogramowanych i ścisłe kontrolowanych zmian poszczególnych okresów i parametrów procesowych. Zazwyczaj, suszarki okresowe cechuje prostota konstrukcji, a co najważniejsze możliwość regulacji warunków suszenia, np. poprzez dostarczanie powierza o różnej temperaturze i/lub wilgotności w trakcie różnych faz suszenia, w zależności od postawionego zadania (Strumiłło, 1983; Mujumdar, 2009). Do suszarek pracujących w trybie okresowo zmiennym należą między innymi: a) suszarki fontannowe z wirującym strumieniem powietrza, b) suszarki fluidyzacyjne z pulsującym złożem (okresowa fluidyzacja złoża), c) suszarki fluidyzacyjne ze złożem wibrującym (okresowa relaksacja), d) suszarki promiennikowe i mikrofalowe z pompą ciepła, e) suszarki z przenośnikiem płytowym (z nieogrzewanym segmentem). 18

19 Poniżej scharakteryzowano krótko przykłady z literatury, których przedmiotem badań było suszenie materiałów biologicznych w warunkach niestacjonarnych. Suszenie fluidalne zajmuje ważną pozycję wśród nowoczesnych metod suszarniczych. Jest ono wykorzystywane głównie do suszenia materiałów ziarnistych, a także past i zawiesin, m.in. w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, ceramicznym i rolnictwie. Konkurencyjność tej metody w stosunku do konwencjonalnej aparatury suszącej (np. suszarki komorowe, talerzowe, bębnowe), polega głównie na najlepszej uzyskiwanej intensywności suszenia w stosunku do kosztów przetłaczania gazu. Efektywność tej metody wzrasta wraz z modyfikacją tej metody i jej wspomaganiem, np. efektami wibracyjnymi, czy też pulsacyjnymi (Strumiłło, 1983). Jednym ze sposobów suszenia biomateriałów w trybie okresowo zmiennym w suszarkach fluidalnych jest manipulowanie cyklicznością przepływu powietrza przez złoże (Pan i inni, 1999), bądź też okresowe poddawanie suszonego surowca relaksacji w umiarkowanych temperaturach otaczającego powietrza. W pracy Pan i inni, (1997) przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych suszenia marchwi w złożu wibrofluidyzacyjnym. Na rysunku 1.3 pokazany jest schemat suszarki wibrofluidyzacyjnej obsługiwanej w trybie okresowym. Rys Laboratoryjna suszarka wibrofluidyzacyjna. W celu przyspieszenia procesu wymiany masy i ciepła oraz wyrównania wilgoci w suszonym materiale, zastosowano dwuetapowy proces suszenia polegający na odwadnianiu złoża fluidalnego ze stałą częstością i stałą temperaturą gazu oraz powolnym schładzaniem trwającym ok. 9,5 h w otaczającym powietrzu (15/25 C). Zaobserwowano zredukowanie efektywnego czasu suszenia z 76 min do około 45 min, co przyniosło oszczędność energetyczną rzędu 30 40%. Prekursorem suszenia w warunkach okresowo zmiennych w Polsce byli Maria Głowacka i Jerzy Malczewski (Głowacka i Malczewski, 1986). W swojej 19

20 pracy przedstawili wyniki badań teoretycznych i eksperymentalnych procesu suszenia konwekcyjnego materiałów ziarnistych (m.in. pszenicy) w suszarce fluidyzacyjnej w oscylującej temperaturze gazu. Zbadano wpływ częstotliwości zmian temperatury powietrza oraz współczynnika okresowości α (tj. stosunek czasów chłodzenia do ogrzewania w jednym okresie zmian temperatury gazu) na przebieg procesu. Rysunek 1.4 przedstawia schemat aparatury wykorzystany w omawianych badaniach oraz profil zmian (oscylacji) temperatury gazu. a) b) Rys Suszarka fluidyzacyjna pracująca z gazem o oscylującej temperaturze (a) oraz przebieg temperatury gazu w trakcie suszenia (b). Na podstawie uzyskanych rezultatów stwierdzono, iż suszenie fluidyzacyjne pszenicy w warunkach oscylującej temperatury gazu jest znacznie mniej energochłonne (od kilku do kilkunastu procent) w porównaniu do suszenia prowadzonego w warunkach izotermicznych. Ponadto wykazano, że oszczędność energii rośnie wraz ze wzrostem wartości współczynnika α i spadkiem częstotliwości zmian temperatury powietrza. Suszenie w złożu fontannowym, to technika suszarnicza opierającą się na zasadzie usuwania wody z materiału w formie cząstek, ziaren, granulek, w trakcie unoszenia go przez strumień powietrza, umożliwiająca zachowanie relatywnie niskiej temperatury materiału suszonego, oraz korzystniejsze wskaźniki techniczno-ekonomiczne i jakościowe. Za zastosowaniem suszarki fontannowej do suszenia materiałów pochodzenia biologicznego przemawia fakt uzyskania większego objętościowego strumienia wilgoci uzyskanego z jednostki objętości komory w porównaniu, np. z suszarkami tunelowymi do owoców i warzyw. Aparaty takie wykazują istotne dla techniki suszarniczej realizowanej w warunkach okresowych zalety, tj. możliwość operowania prędkością przepływu gazu od dołu do góry, co pozwala poddawać jednoczesnemu suszeniu cząstki ciała stałego o różnych wymiarach i w zakresie różnorakiej intensywności, a także 20

21 dostatecznie duże prędkości przepływu czynnika suszącego (Strumiłło, 1983; Glaser, 1991). Cykliczny tryb pracy suszarki fontannowej przetestowali Oliveira i Rocha (2007). Materiał badawczy stanowiły ziarna fasoli Carioca, a sam proces przeprowadzono w dwóch konfiguracjach, jako okresowe zmiany prędkości przepływu powietrza przez złoże oraz cykliczne odcinanie dopływu powietrza do złoża (20/40min). Stwierdzono, iż suszenie materiałów ziarnistych w postaci periodycznego ruchu w złożu fontannowym jest obiecującą techniką, głównie ze względu na poprawę efektywności energetycznej oraz jakości suszonych produktów (redukcja ścierania i uszkodzeń mechanicznych). W badaniach nad suszeniem owoców jałowca w sposób ciągły i cyklicznie z przerwami w warunkach złoża fontannowego (Peroń i inni, 2011), zaobserwowano (rys. 1.5a), że 3-godzinne przerwy w suszeniu fontannowym skracają efektywny czas ich suszenia i skutkują około 20% wzrostem wielkości objętościowego strumienia wilgoci w porównaniu z suszeniem ciągłym. Podobną zależność zaobserwowano w eksperymentach suszarniczych ziaren kukurydzy w suszarce fontannowej z wirującym strumieniem powietrza (Bon i Kudra, 2007) (rys. 1.5b). W tym przypadku ziarnisty materiał poddawany był okresowemu działaniu gorącego powietrza z obrotowej dyszy. Poniżej, na rysunku 1.5 przedstawiono schemat aparatury, którą wykorzystano w powyżej opisanych testach suszarniczych. a) b) Rys Laboratoryjne suszarki fontannowe pracujące w warunkach okresowo zmiennej temperatury powietrza. Jednym z ciekawszych i efektywnych sposobów dostarczania ciepła do suszonego produktu jest zastosowanie promieniowania mikrofalowego. Suszenie mikrofalowe umożliwia, między innymi redukcję kurczenia się produktu, zapewnienie sterylności procesu, znaczną jego intensyfikację i ścisłą kontrolę parametrów procesowych. Z kolei suszenie radiacyjne charakteryzuje się znacznie krótszym czasem suszenia, inhibitującym działaniem na niektóre drobnoustroje i sprzyja zachowaniu większej ilości substancji biologicznie czynnych w porównaniu z tradycyjnym suszeniem konwekcyjnym. Główną wadą tych 21

22 suszarek są niestety wysokie koszty energetyczne (Strumiłło, 1983; Chou i Chua, 2001; Wang i Sheng, 2006). W ostatnich latach nastąpił wzrost zainteresowania możliwością wdrożenia metody suszenia niestacjonarnego z wykorzystaniem pola mikrofalowego oraz promieniowania podczerwonego (często razem z suszeniem konwekcyjnym) do produktów pochodzenia biologicznego bogatych w cenne dla zdrowia składniki odżywcze. Na rysunku 1.6 pokazano eksperymentalny system do suszenia mikrofalowego. Rys Schemat suszarki mikrofalowej działającej w trybie okresowo zmiennym. Okazało się, iż metoda ta przy właściwym doborze zmian mocy mikrofal, czasu promieniowania oraz długości okresów relaksacji, pozwala na uzyskanie dobrej tekstury, jak również umożliwia bardzo szybkie usunięcie wody z materiału w umiarkowanej temperaturze, a straty wrażliwych składników odżywczych, w tym witamin i związków aromatycznych, są stosunkowo niewielkie, a barwa i smak w dużym stopniu zachowane (Wang i Xi, 2005; Chua i Chou, 2005; Soysal i inni, 2009; Guilherme i inni, 2011). Warto również dodać, iż suszenie słoneczne, jedna z najstarszych metod odwadniania produktów żywnościowych poprzez działanie promieni słonecznych, z natury przebiega w warunkach okresowo zmiennych, kiedy to etap relaksacji zachodzi na skutek zapadnięcia zmroku. Słoneczne techniki cieplne wykorzystuje się po dzień dzisiejszy na szeroką skalę do suszenia m.in. kawy, ryżu, manioku, mango, bananów, roślin leczniczych oraz ziół. Minusem tej techniki suszenia jest ryzyko absorpcji wilgoci i zmian sensorycznych, kiedy to uprawy przykrawa się plandeką na noc. Ciekawym zatem pomysłem na zminimalizowanie tych negatywnych cech jest prowadzenie procesu przy wykorzystaniu ogrzanego energią słoneczną powietrza w suszarkach solarnych. Fagunwa i inni (2009) w swej pracy zaprezentowali wyniki testów suszenia okresowego ziaren kakaowca na zasadzie konwekcji swobodnej oraz wymuszonej, w suszarni solarnej z komorą magazynującą ciepło (rys. 1.7). 22

23 Rys Eksperymentalna suszarka solarna. Wykazano, iż suszenie przerywane w suszarce solarnej umożliwia zachowanie dobrej jakości ziarnistego produktu, zabezpiecza go przed wchłanianiem wilgoci, a tym samym przed biochemiczną degradacją oraz rekcjami brązowienia, a ponadto pozwala uzyskać niższą zawartość wilgoci i w krótszym czasie, w porównaniu z procesem prowadzonym wyłącznie na wolnym powietrzu. 23

24 2. Efektywność suszenia w warunkach niestacjonarnych Pojęcie efektywności określane jest w ekonomii jako stosunek wielkości produkcji do wielkości poniesionych nakładów (Marciniak, 1998). W przypadku suszenia, jednym z podstawowych wskaźników pomiaru efektywności jest zużycie energii oraz czas suszenia, a także jakość suszonego produktu. Z oszacowań prowadzonych w różnych gałęziach przemysłu wiadomo, że suszenie jest procesem energochłonnym. Suszenie pochłania od 10 15% (Wielka Brytania, Francja, USA, Kanada) do nawet 20 25% (Dania, Niemcy) całkowitej energii zużywanej w przemyśle (Strumiłło, 2007; Jangam i Mujumdar, 2010). W trakcie suszenia może dochodzić również do niekorzystnych zmian jakości, w tym skurczu, odkształceń, utraty barwy, smaku, zapachu oraz obniżenia wartości odżywczej w przypadku produktów spożywczych. Dlatego też, o efektywności każdej metody suszenia decyduje także jakość uzyskiwanych produktów. Kolejnym, istotnym wskaźnikiem efektywności procesu suszenia jest czas potrzebny na całkowite usunięcie wilgoci. Suszenie jest operacją niezwykle czasochłonną, a przebieg odwadniania zależy głównie od struktury materiału suszonego i sposobu związania z nim wilgoci. Skuteczność usuwania wilgoci z danego materiału zleży zarówno od zastosowanej metody suszenia jak i aparatury suszarniczej. Jest wiele typów surowców, a do nich należą materiały biologiczne, takie jak owoce i warzywa, których suszenie wymaga wysublimowanych technik ze względu na ich termiczną wrażliwość. W tym przypadku, metody suszarnicze dające żądane efekty oraz możliwość intensyfikacji procesu i skrócenia czasu suszenia są dość ograniczone. Stąd też ciągle rośnie zapotrzebowanie na coraz doskonalsze metody suszenia dopasowane do danego sortymentu surowca. Coraz częściej stosuje się kombinowane (hybrydowe) techniki suszenia umożliwiające podnoszenie sprawności i efektywności tego procesu. Rozwojowi nowatorskich metod suszenia towarzyszy zawsze wnikliwa analiza parametrów charakteryzujących efektywność procesu oraz ich ciągłe kontrolowanie. Dokonuje się w ten sposób oceny danej technologii suszenia oraz wyciąga wnioski, wskazujące na kierunki 24

25 dalszego doskonalenia i wprowadzania innowacji (Mujumdar, 2004; Tkaczyk i Wojtaszek, 2002) Aspekt energetyczny Zarówno intensywność sposobów suszenia oraz ich energochłonność mają istotne znaczenie w strukturze kosztów wytwarzania suszonych produktów. W dobie trwającego kryzysu energetycznego i podwyżek cen paliw stałych, gazu, energii oraz stale rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną, a z drugiej strony nacisk regulacji prawnych dotyczących zrównoważonego rozwoju, mobilizuje producentów aparatury suszącej i inspiruje naukowców do ciągłego poszukiwania oszczędności energetycznych. Najczęściej, zmniejszenia zużycia energii dokonuje się poprzez projektowanie procesów określanych jako efektywne oraz przez budowę nowych modeli suszarek bądź modernizację aparatury suszarniczej, a także samych urządzeń grzewczych, wentylacyjnych o mniejszym zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Duże oszczędności zarówno czasowe jak i energetyczne można uzyskać wykorzystując uprzednie modelowanie matematycznie i komputerowe symulacje procesów suszenia w celu poszukiwania rozwiązań optymalnych. Ilość zużywanej energii w procesach suszenia jest jednym z elementów świadczących o jego efektywności. A zatem, im mniej energii pochłaniane jest na odwadnianie możliwie jak największej ilości materiału, tym bardziej efektywnym energetycznie staje się proces suszenia. Z doświadczenia wynika, że pospolite suszenie konwekcyjne z użyciem gorącego powietrza jako medium suszącego jest procesem silnie energochłonnym. Jest to jeden z najbardziej energochłonnych procesów jednostkowych i szacuje się, że pochłania około 15% całkowitej energii wykorzystywanej w całym przemyśle, przy czym sprawność energetyczna aparatury jest stosunkowo niska i waha się w granicach od 25 do 50%. Sprawność termiczna suszarek, a szczególnie tych najbardziej rozpowszechnionych, tj. konwekcyjnych, gdzie wraz z opuszczającym wilgotnym i ciepłym powietrzem tracona jest znaczna ilość energii, jest niska i wynosi w przypadku niektórych aparatów konwekcyjnych zaledwie 20%. W dzisiejszych czasach problem energochłonności jest niezwykle istotny, m.in. ze względu na ochronę środowiska, efekt cieplarniany oraz wyczerpywanie się paliw kopalnianych. Dlatego też bardzo ważne jest zminimalizowanie konsumpcji energii i jej rozważne użytkowanie także w suszarnictwie. Wśród wielu możliwości osiągnięcia tego celu testuje się różne metody suszenia i rozwiązania aparaturowe o niższej energochłonności w stosunku do konwencjonalnej metody konwekcyjnej, m.in. przez zastosowanie suszenia mikrofalowego, dielektrycznego, solarnego, recyrkulacji czynnika suszącego (rekuperatory), czy też pomp ciepła i innych metod (Strumiłło i inni, 2007; Kudra, 2004). 25

26 Jedną z coraz częściej ostatnio rozwijanych metod poprawy efektywności procesu suszenia i wydajności energetycznej urządzeń suszarniczych jest aplikacja okresowych zmian warunków suszenia w ścisłe zdefiniowanych odstępach czasu (ang. intermittent drying). W przypadku suszenia konwekcyjnego, najczęściej wiąże się to z obniżaniem ustalonych wartości temperatur lub zmianą wilgotności czynnika suszącego, czy też wprowadzaniem zmiennych prędkości przepływu gorącego czynnika suszącego. Stosuje się tu tzw. fazy relaksacji polegające na okresowym schładzaniu materiału lub też całkowitym jednokrotnym lub wielokrotnym zatrzymaniu pracy suszarki. Z tego powodu, suszenie okresowo zmienne lub przerywane stanowi jedno z obiecujących rozwiązań poprawy efektywności suszenia z punktu widzenia zużycia energii, niejednokrotnie bez znacznego zwiększania kosztów kapitałowych suszarni (Gunasekaran, 1999; Chua i inni, 2003; Chin i Law, 2010; Kowalski i Pawłowski, 2011). Aby dokładniej określić efektywność energetyczną suszenia w warunkach okresowo zmiennych, należy określić na podstawie równań kinetyki stosunek zużycia całkowitej energii elektrycznej do ilości obliczonej energii netto, która konsumowana jest jedynie na ogrzanie wilgotnego materiału oraz odprowadzenie wilgoci. Dzięki temu możliwe jest określenie najbardziej korzystnych programów zmian, a zarazem zmniejszenie strat energii (Kowalski i Pawłowski, 2011; Pawłowski, 2011) Aspekt jakościowy Wobec rosnących wymagań konsumenckich niezwykle ważnym wskaźnikiem efektywności procesu suszenia jest jakość uzyskiwanych produktów, która charakteryzuje jego funkcje użytkowe. Dla materiałów biologicznych, takich jak warzywa i owoce, które cechują się nietrwałością oraz niezwykle delikatną i wrażliwą na działanie ciepła strukturą wewnętrzną, jakość ma znaczenie priorytetowe. Wysoka jakość przetworzonych produktów żywnościowych kojarzy się z naturalnością oraz świeżością, co świadczy o niskim stopniu jej przetworzenia i zachowaniu naturalnych walorów, właściwości sensorycznych, a przede wszystkim o wysokiej zawartości składników odżywczych. Suszenie materiałów biologicznych bogatych w wodę (zazwyczaj ponad 80%) ma na celu głównie obniżenie zawartości wilgoci i aktywności wody, a więc utrwalenie produktu i przedłużenie jego czasu przydatności (konserwacja) do dalszej konsumpcji oraz magazynowania. Wymaga to spowolnienia lub wręcz zahamowania wielu reakcji enzymatycznych oraz nieenzymatycznych, a także ograniczenia rozwoju drobnoustrojów, w wyniku czego produkt staje się trwały. Zmniejszenie masy i objętości suszonych materiałów biologicznych ułatwia oraz obniża koszty opakowań, transportu i magazynowania. Suszenie jest niezbędne 26

27 w prowadzeniu wielu dalszych zabiegów w technologii żywności, wymagających zastosowania suchych komponentów dla nadania nowych cech modyfikowanej żywności. W ten sposób zwiększa się asortyment wyrobów dla konsumentów. Niestety, odwadnianie termiczne świeżych produktów żywnościowych jest procesem niezwykle złożonym i dlatego wiąże się z licznymi negatywnymi konsekwencjami, gdzie do najważniejszych z należą: modyfikacja struktury zmiany biochemiczne, fizyczne i mechaniczne (żywotność i zanik komórek, skurcz, elastyczność, twardość, ścieralność, kruchość), pogorszenie właściwości sensorycznych (barwa, smak, zapach), zmiana składu chemicznego i utrata składników bioaktywnych (degradacja witamin: A, C, prowitamin: β-karoten, denaturacja białek etc.). Właściwości suszonych materiałów pochodzenia biologicznego w dużej mierze zależą od zastosowanej metody suszenia. W przypadku technik konwencjonalnych, tj. metody konwekcyjnej, suszone produkty znacznie zmniejszają swoje wymiary oraz kształt. Wad tych z kolei nie posiadają susze liofilizowane. Suszenie sublimacyjne jest zatem uważane za jedną z najbardziej zachowawczych metod utrwalania żywności, jednakże produkty liofilizowane charakteryzują się dużą porowatością, co przyspiesza procesy oksydacyjne i zwiększa ich higroskopijność. Ponieważ produkty spożywcze charakteryzują się różnorodnymi właściwościami biologicznymi, fizykochemicznymi, cieplnofizycznymi, strukturalno-mechanicznymi, etc. należy zwracać na ich zmiany szczególną uwagę, gdyż proces suszenia powinien być prowadzony w taki sposób, by większość z nich pozostała zachowana (Ginzburg i Riezczikow, 1969; Pabis, 1982; Gawęcki i Mossor-Pietraszwska, 2004). Jakość produktu może być określana wieloma czynnikami. Analiza jakościowa owoców i warzyw zarówno świeżych, jak i poddawanych obróbce, jest szerokim zagadnieniem, opierającym się na ocenie jakości i ilości pewnych właściwości, stosowanych jako kryteria. Pod pojęciami jakości rozumie się zatem zbiór cech, do których należą: a) cechy sensoryczne: wygląd, tekstura, smak, aromat, konsystencja, b) wartość odżywcza (biologiczna): witaminy, białka, barwniki, błonnik, sacharydy etc., c) wartość użytkowa lub technologiczna: zawartość suchej substancji, np. cukier w burakach cukrowych, skrobia w ziemniakach, d) bezpieczeństwo: zawartość substancji toksycznych, np. metale ciężkie, azotany, azotyny, pestycydy). 27

28 Kontrola techniczno-analityczna jest niezbędna przy wyborze parametrów procesu technologicznego, jak i jakości produktu gotowego. Oprócz ww. parametrów jakościowych dokonuje się także oceny mikrobiologicznej, jednolitości produktu oraz weryfikuje się uszkodzenia mechaniczne i sprawdza się stopnień szkodliwości produkcji dla środowiska. Wszystkie te wymagania precyzują określone regulacje prawne, tj. normy krajowe (Polskie Normy PN, tureckie: Turkish Standards, amerykańskie: United States Standards), normy międzynarodowe (Europejskiej Komisji Gospodarczej przy ONZ, do spraw Wyżywienia i Rolnictwa FAO, światowej organizacji zdrowia WHO), regulacje szczegółowe w obszarach nieobjętych normami, czyli specjalne procedury określające jakość i bezpieczeństwo tego typu produktów (standardy USDA w USA). Bardzo ważną rolę odgrywa również postrzeganie jakości suszu przez konsumentów, a wiec obszar regulowany opinią i potencjałem nabywczym konsumentów (Kumirska i inni, 2010; Mitek i Słowiński, 2006). Ocena jakości suszonych owoców oraz warzyw przeprowadzana jest w dwojaki sposób, w zależności od przeznaczenia suszu, tj. susz handlowy i susz eksperymentalny. W pierwszym przypadku ocena jakościowa regulowana jest prawem i/lub akceptacją konsumentów, i nie zależy od rodzaju surowca. Natomiast w przypadku drugim, dokonuje się oceny porównawczej z koniecznością zachowania powtarzalnych cech wejściowych, zwykle w odniesieniu do jakości surowca. Wybór cech jakościowych owoców i warzyw przydatnych do monitorowania przebiegu oraz optymizacji procesu suszenia składa się z kilku etapów, tj. identyfikacji podstawowych cech danego surowca, i cech charakterystycznych dla gatunku, bądź też szczególnie wrażliwych na obróbkę termiczną, oceny ważności poszczególnych cech i ich wpływu na jakość, a także określenia tzw. cech krytycznych, które decydują o przydatności oraz zaakceptowaniu końcowego wyrobu, są to przede wszystkim: zmiana barwy skorelowana z zawartością i retencją składników bioaktywnych (β-karoten, antocyjany, barwniki batalainowe), zawartość wody, aktywności wody stabilność mikrobiologiczna, zawartość składników odżywczych wskaźnik zachowania właściwości bioaktywnych (kwas askorbinowy, związki polifenolowe), skurcz, zachowanie porowatości struktury i kruchości (delikatna tekstura przekąsek typu chipsy), zawartość suchej substancji, zmiana smaku gorycz, zjełczenie. 28

29 Z kolei, ocena jakości sensorycznej określa w jakim stopniu takie cechy jak aromat, wygląd, smakowitość oraz tekstura są zgodne z preferencjami konsumentów. Przeprowadza się ją z wykorzystaniem zmysłów wzroku, smaku, powonienia oraz dotyku, a badania przeprowadza się w specjalistycznych laboratoriach w standardowych warunkach, a próbki poddaje się ocenie przeszkolonym zespołom degustatorów. Wyniki ocen są skwantyfikowane i podlegają procedurom statystycznym (Baryłko-Pikielna i Matuszewska, 2009). Suszenie jest w wielu przypadkach ostatnim etapem procesu technologicznego, i dlatego też w dużym stopniu decyduje o finalnej jakości produktu. Jednakże, zanim materiały pochodzenia biologicznego zostaną przetworzone, podlegają wpływowi także innych czynników, które kształtują ich parametry jakościowe, są to m.in.: praktyki agronomiczne w uprawach pastewnych, czynniki wewnętrzne, np. aktywność wody, zróżnicowanie odmian, rodzaj podłoża, zawartość składników odżywczych, czynniki niejawne, np. szczepy grzybów i występowanie zarodników, interakcje z owadami oraz roztoczami, ekosystem mikrobiologiczny, choroby roślin. Analizując problem jakości suszonego produktu należy wziąć pod uwagę fakt, iż końcowy rezultat wynika z integracji całości łańcucha, począwszy od surowca, poprzez obróbkę wstępną, suszenie, przechowywanie i końcowe przygotowanie do spożycia. Bardzo ważnym elementem tego łańcucha jest przechowywanie, podczas którego może dojść do znacznego obniżenia jakości produktu, dlatego też należy stosować opakowania o małej przepuszczalności dla gazów oraz pary wodnej (Mujumdar, 2009; Tsotsas i Mujumdar, 2011) Zmiana barwy Barwa jest jednym z ważniejszych wskaźników jakości zarówno świeżych jaki przetworzonych produktów żywnościowych. Ciechy wizualne produktów, takie jak atrakcyjny wygląd oraz kolor w głównej mierze wpływają na zmysły i sugerują odczucie pewnych smaków oraz zapachów, dlatego też silnie pobudzają apetyt i pozytywnie wpływają na decyzję konsumenta. Z drugiej strony, kolor może ostrzegać przed spożyciem produktu zepsutego. Barwa zależy głównie od składu i zawartości naturalnych barwników. Ze względu na budowę chemiczną, barwniki naturalne są nietrwałe i łatwo ulegają degradacji (głównie reakcji utleniania) w czasie przetwarzania (także suszenia) i przechowywania, na skutek oddziaływania tlenu, światła, podwyższonej temperatury i ph, co objawia się w postaci zmiany zabarwienia, ale i zapachu. W wyniku zachodzących przemian powstają także związki lotne. Wszystkie reakcje, które powodują zmiany 29

30 w strukturze naturalnych barwników niestety wpływają również na zmniejszenie aktywności biologicznych tych substancji. Przemiany substancji barwnych i zakres tych zmian, mogą mieć różny przebieg i uzależnione są od warunków prowadzenia procesów technologicznych, dlatego też barwa stała się kluczowym wyróżnikiem przy ocenie jakości produktów suszonych. Należy zatem w taki sposób dobierać parametry procesu suszenia, aby zminimalizować skutki tych interakcji i uzyskać produkt jak najlepszej jakości o intensywnych cechach sensorycznych i dużej wartości odżywczej (Kumirska i inni, 2010; Sikorski, 2007a, b). Barwniki naturalne to związki organiczne, które nie posiadają wartości budulcowej, energetycznej, nie są też zaliczane do witamin. Związki te pochłaniają światło w zakresie promieniowania od 400 do 700 nm i występują w surowcach roślinnych oraz zwierzęcych. W zależności od struktury wyróżnia się następujące grupy barwników: izoprenoidowe: karotenoidy, porfirynowe: chlorofile, hemoglobina, flawonoidowe: antocyjany, betalainowe: betaniny, betaksantyny, chinoidowe: koszenila, inne: ryboflawina, kurkuma. Barwę świeżym i przetwarzanym produktom pochodzenia biologicznego nadają głównie karotenoidy, chlorofile, antocyjany oraz barwniki betalainowe. Karotenoidy to żółte barwniki syntetyzowane, występujące w warzywach oraz owocach (marchew, dynia, morele), a także w kwiatach, liściach i nasionach w postaci złożonych związków. Barwniki te nadają również barwę skórze ryb i pancerzom skorupiaków morskich, tj. żółtą, pomarańczową, czerwoną purpurową, niebieską, srebrzystą lub zieloną. Karotenoidy zbudowane są z 8 jednostek izoprenowych i mogą występować w formie związków acyklicznych, monocyklicznych oraz bicyklicznych. Karotenoidy należą do związków polienowych rozpuszczalnych w tłuszczach, gdzie podwójne wiązania są w układzie sprzężonym. Gdy cząsteczka zawiera przynajmniej 7 wiązań podwójnych, to pojawia się barwa żółta, natomiast wzrost sprzężonych wiązań objawia się zmianą barwy, z żółtej na pomarańczowo-czerwoną. Skład tych barwników jest charakterystyczny dla gatunku i odmiany, najczęściej jest to α-karoten, β-karoten i ksantofile. Na największą uwagę zasługuje tzw. β-karoten, barwnik o kolorze pomarańczowym, który stanowi przeciętnie 80% wszystkich karotenów roślin wyższych. 30

31 W produktach żywnościowych zawartość karotenoidów zwykle nie przekracza 0,1% suchej masy. Do najbogatszych w ten składnik należą warzywa takie jak: jarmuż, czerwona papryka, szpinak oraz marchew. Natomiast w owocach ich zawartość jest jeszcze mniejsza, np. w grapefruitach, nektarynkach i morelach przekracza zaledwie 1 mg w 100 g części jadalnych. Karotenoidy nie tylko nadają atrakcyjną barwę produktom spożywczym, ale posiadają tez cenne właściwości biologiczne. Bezpośrednimi prekursorami witamin z grupy A są właśnie karotenoidy. Dlatego też β-karoten nazywany jest prowitaminą A. Karotenoidy cechują się również silną aktywnością antyoksydacyjną, dzięki czemu hamują procesy utleniania i opóźniają rozwój wielu chorób degeneracyjnych. Zawarty w diecie karoten pełni funkcje ochronne, np. przed chorobą wieńcową. Karotenoidy są wrażliwe na światło, czynniki utleniające i ogrzewanie, co prowadzi do utraty charakterystycznego koloru (rozjaśnienie barwy lub nawet jej zanik) oraz pojawienia się obcego zapachu. Produkty degradacji niekorzystnie wpływają na inne składniki, co może wywołać reakcje Maillarda i przyspieszyć proces brunatnienia. Duże straty tych składników obserwuje się w trakcie przechowywania suszonych produktów, a szczególnie w przypadku suszy otrzymywanych na drodze liofilizacji. Oznaczanie karotenoidów w produktach naturalnych przeprowadza się najczęściej metodami spektrofotometrycznymi. Identyfikacja oparta jest na pomiarze absorbancji w zakresie światła widzialnego. Widmo absorpcyjne oraz wzór cząsteczki β-karotenu pokazano na rysunku 2.1. Rys Widmo absorpcyjne oraz wzór β-karotenu. Do barwników betalainowych należą czerwonofioletowe betacyjaniny oraz żółte betaksantyny. Źródłem tych barwników w żywności są buraki ćwikłowe, ponadto barwniki te występują także w kwiatach i nasionach Amarantusa, owocach kaktusów (np. Opuntia ficus-indica) i w niektórych grzybach. Betalainy posiadają układ chromoforowy trzech podwójnych wiązań sprzężonych we fragmencie 1,7-diazoheptametinowym. Ilość barwników betalainowych, a także stosunek ww. grup uzależnione są od odmiany buraka oraz sposobu jego uprawy. Betacyjaniny wykazują się też większą trwałością niż betaksantyny. Głównym barwnikiem w burakach ćwikłowych (75 95%) jest czerwonofioletowa betanina. Budowę cząsteczki betaniny przedstawiono na rysunku

32 Rys Wzór strukturalny betaniny. Betanina jest dobrze rozpuszczalna w wodzie i posiada stabilną barwę w przedziale ph od 4 do 6, zaś maksimum absorbcji światła przypada na długość fali równą λ max = 540 nm. Barwnik ten charakteryzuje się niską odpornością na ogrzewanie w kwaśnym środowisku oraz na utlenianie, szczególnie w obecności światła i jonów metali. Betanina znalazła zastosowanie jako barwnik żywności w postaci ciekłych koncentratów z buraków ćwikłowych, czy też sypkich preparatów. Oprócz tego, że batanina nadaje charakterystyczną i atrakcyjną czerwona barwę, posiada również właściwości prozdrowotne, jest silnym antyoksydantem, a ponadto działa przeciwnowotworowo, przeciwbakteryjnie oraz przeciwwirusowo. Antocyjany to główne barwniki owoców oraz kwiatów rozpuszczalne w wodzie, które w zależności od struktury, zawartości, odczynu środowiska i obecności kationów mogą przyjmować odpowiednio barwę żółtą, pomarańczową, czerwoną, fioletową lub niebieską. Antocyjany to drugorzędne metabolity roślin zaliczane do grupy flawonoidów o szkielecie węglowym C 6 -C 3 -C 6. W produktach naturalnych istnieją jako mono-, di- lub triglikozydy, gdzie barwnymi aglikonami są antocyjanidyny (np. cyjanidyna, pelargonidyna lub delfinidyna), a ich występowanie oraz skład zależy ściśle od gatunku i odmiany. Macierzystą strukturę antocyjanów, czyli tzw. kation flawyliowy pokazano na rysunku 2.3. Rys Ogólny wzór strukturalny antocyjanów. 32

33 Szacuje się, że ilość wszystkich wyodrębnionych naturalnych antocyjanów sięga 200, a otrzymywanych na drodze syntezy wynosi około 100. Szczególnie bogatym źródłem antocyjanów są owoce: ciemne winogrona, czarne porzeczki i jagody, aronia, żurawina, wiśnie, śliwki, truskawki, maliny. Barwniki te charakteryzują się niską stabilnością, są wrażliwe na działanie enzymów, czynniki utleniające, ogrzewanie, światło i jony metali (Fe 3+, Sn 2+, Al 3+ ), a szybkość tych przemian zależy od budowy danego antocyjanu. Na przykład, w zależności od ph, w silnie kwaśnym środowisku występuje jedynie czerwony kation flawyliowy, natomiast wzrost wartości ph powoduje sukcesywny zanik czerwonej barwy. Nieodwracalna zmiana barwy antocyjanów związana jest z procesami oksydatywnej polimeryzacji, co objawia się kolorem czerwonobrunatnym, zwłaszcza przy długim okresie przechowywania produktów żywnościowych. W przypadku suszenia, ogrzewanie materiałów biologicznych zawierających antocyjany znacznie przyspiesza ten proces, czego wynikiem jest widoczna zmiana barwy. Degradację tych barwników można zredukować poprzez zastosowanie obróbki wstępnej polegającej na blanszowaniu lub dodatku inhibitorów enzymów, np. SO 2. Barwniki te wykazują cenne właściwości biologiczne, przede wszystkim jako naturalne antyoksydanty, substancje antyrodnikowe, przeciwzapalne, mają znaczenie w profilaktyce chorób cywilizacyjnych, tj. opóźniają rozwój choroby wieńcowej, arteriosklerozy, stosowane są także jako paraleki i dodatki do żywności funkcjonalnej (Sikorski, 2007a, b; Kumirska i inni, 2010; Zalewski, 2009). Oceny barwy dokonuje się m.in. w zakładach przemysłowych, w gastronomii, czy też stacjach sanitarno-epidemiologicznych. Wizualna (sensoryczna) ocena barwy jest subiektywna i zależy od składu spektralnego światła, powierzchni materiału oraz czułości oceniającego, dlatego też ten sposób określania zmiany barwy obarczony jest dużym błędem. Z kolei fizyczna (obiektywna) metoda oceny barwy umożliwia dokładną, liczbową analizę zmian kolorystyki w stosunku do przyjętego wzorca. Do badań instrumentalnych różnicy barwy pomiędzy surowcem a produktem suszonym wykorzystuje się najczęściej kolorymetry, które analizują różnicę między wystandaryzowanym światłem wysyłanym przez lampę aparatu, a promieniowaniem, które odbija się od badanej próbki i wraca do urządzenia pomiarowego. Najpopularniejszym sposobem wyznaczenia parametrów barwy świeżych i suszonych produktów żywnościowych, który stanowi obecnie podstawę systemów zarzadzania barwą jest system CIEL*a*b*. Przestrzeń CIEL*a*b* to przestrzenny układ barw, który został znormalizowany w 1976 roku przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową (CIE), i stanowi on modyfikację przestrzeni barw L,a,b, opracowanej przez Huntera w roku Głównymi parametrami układu CIE opisującymi matematycznie barwę są trzy składowe barwy X, Y, Z, wynikające z układu trzech podstawowych barw, tj. czerwonej, 33

34 zielonej i niebieskiej. Na podstawie tych standardowych wartości barw określa się pozostałe współrzędne układu CIE, określane jako parametry barwy. Przestrzenny układ barw przedstawiono na rysunku 2.4. Pomiar barwy w systemie CIEL*a*b* opiera się na liczbowym oznaczeniu trzech parametrów, tj.: L* - opisuje jasność barwy (luminancja) i przyjmuje wartości od 0 (absolutna czerń) do 100 (absolutna biel), a* - opisuje zmianę udziału barwy zielonej (wartości ujemne) oraz czerwonej (wartości dodatnie), b* - opisuje zmianę udziału barwy niebieskiej (wartości ujemne) oraz żółtej (wartości dodatnie). Rys. 2.4 Schemat układu barw w systemie CIEL*a*b*. Na podstawie zmierzonych parametrów barwy na próbce badanej oblicza się współczynnik całkowitej różnicy barw, w odniesieniu do próbki wzorcowej ΔE, który jest zwykłą odległością euklidesową między dwoma punktami w przestrzeni trójwymiarowej i przyjmuje postać poniższego wzoru: E 2 L a 2 b 2 (2.1) gdzie: ΔL* - różnica jasności Δa* - różnica barwy w zakresie (zielony-czerwony) Δb* - różnica barwy w zakresie (niebieski-żółty) Im większa wartość całkowitej zmiany barwy ΔE, tym barwa materiału badanego bardziej odbiega od barwy materiału wzorcowego, co oznacza niekorzystną zmianę w kolorze produktu, a tym samym niską jakość, z punktu widzenia barwy. 34

35 W wyniku suszenia wszystkie ww. parametry barwy ulegają zmianom. Najczęściej jest to związane z degradacją naturalnych barwników, utlenianiem kwasu askorbinowego (witaminy C) i reakcjami enzymatycznego oraz nieenzymatycznego brązowienia. Intensywność tych zmian zależy jednak od składu surowca oraz warunków obróbki termicznej. W celu zminimalizowania utraty koloru podczas suszenia praktykuje się różnego rodzaju zabiegi wstępne, są to m.in. odwadnianie osmotyczne i termiczna inaktywacja enzymów, tzw. blanszowanie (DeMan, 1999; Walkowiak-Tomczak, 2013) Aktywność wody Woda należy do głównych składników budulcowych produktów żywnościowych i wywiera decydujący wpływ na przebieg procesów biochemicznych, chemicznych i fizycznych, a tym samym na jakość żywności, ich wartość odżywczą oraz trwałość. Zawartość wody jest cechą charakterystyczną dla danego materiału biologicznego, i stanowi o jego konsystencji, wyglądzie oraz smaku. W artykułach spożywczych woda występuje w postaci dwóch form, tj. jako woda wolna (5 96%) i związana w postaci monowarstwy i w dalszych kilu warstwach (0,1 5%). Woda wolna to woda ruchliwa, powiązana siecią wzajemnych wiązań wodorowych, która uczestniczy w procesach chemicznych, natomiast woda związana to woda, której cząsteczki nie są zupełnie nieruchome, odziaływująca silnie na substancje rozpuszczone i składniki niewodne w niej zawieszone. Zmiana stosunku wody wolnej do wody związanej oraz zwiększanie, bądź obniżanie ilości wody wpływa na rozwój drobnoustrojów i parametry jakościowe produktów żywnościowych (Sikorski, 2007a; Kumirska i inni, 2010). Aktywność wody jest jednym z ważniejszych parametrów jakościowych w przemyśle rolno-spożywczym i farmaceutycznym, ponieważ to od jej wartości zależy wzrost mikroorganizmów, a co za tym idzie stabilność mikrobiologiczna. Aktywność wody (a w ) określa się jako stosunek prężności pary nad badaną próbką (p) do prężności pary nad idealnie czystą wodą (p 0 ) w danej temperaturze i ciśnieniu: p p 0 n a w n n (2.2) gdzie: n 1 i n 2 to ułamki molowe substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika. Aktywność wody jest miarą termodynamiczną potencjału chemicznego wody w układzie oraz miarą obecności wody wolnej w materiale, i przyjmuje wartości od 1 dla czystej wody do 0 dla układów o małej zawartości wody. W tabeli

36 przedstawiono wartości aktywności wody dla niektórych produktów żywnościowych w zależności od zawartości wilgoci. Tabela 2.1. Aktywność wody w żywności. Produkt Zawartość wilgoci [%] Aktywność wody a w lód (0 C) 100 1,00 świeże mięso 70 0,985 chleb 40 0,96 marmolada 35 0,86 mąka pszenna 14,5 0,72 orzechy laskowe 5 0,70 rodzynki 27 0,60 makaron 10 0,45 herbatniki 5 0,20 prażone orzechy laskowe 2,5 0,35 mleko w proszku 3,5 0,11 chipsy ziemniaczane 1,5 0,08 W surowcach pomiar aktywności wody pełni ważną rolę przy ocenie jakości, ponieważ określa intensywność interakcji z różnymi niewodnymi składnikami. Okazuje się, że przebieg wielu procesów chemicznych i biochemicznych oraz rozwój mikroflory można oszacować dokładniej na podstawie pomiaru aktywności wody, w porównaniu z wyznaczeniem jej całkowitej zawartości w produkcie. Z tego względu aktywność wody stanowi krytyczny parametr oceny jakościowej i przydatności do spożycia żywności. Aktywność wody jest kluczowym parametrem przy kreowaniu receptur i procesów technologicznych dla produktów o wydłużonym terminie przydatności do spożycia. W dobie wysokich wymagań jakościowych i konsumenckich, kontrola aktywności wody w produkcji zapewnia wytwarzanie produktów bezpiecznych, a co najważniejsze zdrowych (Dilbaghi i Sharma, 2007). Aktywność wody bezpośrednio wpływa na rozwój drobnoustrojów, przy czym większość z nich rozwija się przy wartościach a w > 0,6. Rozwój bakterii jest charakterystyczny dla dość wysokich wartości aktywności wody. Jeżeli aktywność wody utrzymuje się poniżej wartości 0,9, to większość bakterii jest nieaktywna, natomiast większa część droży i pleśni rozmnaża się w granicach a w = 0,8. Na ogół, aktywność wody przy której rozwijają się mikroorganizmy, zmniejsza się w następującej kolejności: bakterie > drożdże > pleśnie. Wzajemne relacje między aktywnością wody i względną szybkością zmian chemicznych, enzymatycznych oraz mikrobiologicznych przedstawił schematycznie (rys. 2.5) Labuza (Labuza i inni, 1970). 36

37 Rys Diagram aktywności wody i stabilności żywności. Wielkość zmian fizycznych, biochemicznych, chemicznych oraz mikrobiologicznych, które zachodzą podczas przechowywania produktów żywnościowych można zredukować zmniejszając zawartość wody oraz poprzez zamianę wody wolnej w związaną, zablokowaną przed reakcjami enzymatycznymi, nieenzymatycznymi (np. Maillarda), utlenianiem oraz przemianami fizycznymi (np. utrata kruchości i zbrylanie). Do tych metod należą: suszenie, wędzenie, mrożenie oraz odwadnianie osmotyczne. W przypadku suszenia, zawartość wody spada do około 3 10%, co warunkuje aktywność wody na poziomie 0,2 0,65. W tabeli 2.2 przedstawiono aktywność wody niektórych produktów żywnościowych oraz i ich podatność na rozwój mikroorganizmów (Adams i Motarjemi, 1999; Bonazzi i Dumoulin, 2011). Tabela 2.2. Aktywność wody i mikroorganizmy w żywności. 37

38 Trwałość żywności suszonej wynika zatem nie tylko z niskiej wartości aktywności wody, ale i z unieruchomienia składników będących reagentami wspominanych negatywnych reakcji i pożywką dla mikroorganizmów. Taki sposób utrwalania produktów hamuje większość niekorzystnych przemian powodujących ich psucie, m.in. gnicie i rozwój pleśni. Tak więc, suszone produkty żywnościowe, takie jak mleko w proszku, ciastka, herbatniki itp., są bardziej trwałe i bezpieczne w porównaniu do wilgotnych lub pół-wilgotnych produktów. Jednakże suszone warzywa i owoce powinny charakteryzować się nie tylko możliwie jak najniższą wartością a w, ale i zostać w odpowiedni sposób zabezpieczone przed resorpcją wody poprzez właściwy dobór opakowań (Tsotsas i Mujumdar, 2011) Retencja składników odżywczych Składniki odżywcze to związki chemiczne, które po strawieniu i wchłonięciu wykorzystywane są przez organizm jako źródło energii (białka, tłuszcze oraz węglowodany), materiał budulcowy (białka oraz składniki mineralne) lub czynnik regulujący procesy życiowe (witaminy oraz składniki mineralne). Owoce i warzywa to bogate źródło witamin, składników mineralnych, mikroelementów oraz związków terpenowych, flawonowych, garbników, chinonów i fitoncydów. Jednakże ich skład chemiczny jest bardzo zróżnicowany, tj. do 96% składu stanowi woda, w dalszej kolejności są to sacharydy (2 30%), białka (3 4%), lipidy (< 1%), kwasy organiczne, sole mineralne i barwniki, zatem różna jest ich wartość odżywcza. Dzięki dużej zawartości wody, większość owoców oraz warzyw charakteryzuje się niską wartością energetyczną, jednakże stanowi główne źródło witaminy C oraz karotenoidów (Kumirska i inni, 2010; Gawęcki i Mossor-Pietraszwska, 2004). Pod pojęciem retencji składników odżywczych w produktach pochodzenia rolniczego rozumie się ich zachowaną ilość po procesie technologicznym. Najczęstszą przyczyną utraty składników odżywczych w żywności jest przetwórstwo, a szczególnie obróbka termiczna. Tradycyjne metody utrwalania, w tym również suszenie metodami konwencjonalnymi warzyw i owoców, prowadzą do znacznej degradacji związków odżywczych i aromatycznych. Ocenę jakości uzyskanego suszu najczęściej przeprowadza się na podstawie zmian zawartości składników labilnych, takich jak witaminy (np. witamina C). Jakość wielu produktów spożywczych ulega degradacji już w temperaturze pokojowej, głównie pod wpływem działania tlenu atmosferycznego, a dodatkowe doprowadzenie ciepła oraz długi czas obróbki termicznej wpływają na większy stopień degradacji wartości odżywczej (Chou i Chua, 2001). Dlatego też, celem wielu badań naukowych jest ocena różnych technik suszenia pod kątem zawartości, a głównie retencji witaminy C, gdyż to właśnie ona jest najbardziej 38

39 wrażliwa, a w związku z tym stanowi bardzo dobry wskaźnik zachowania własności bioaktywnych surowca. Witamina C czyli kwas L-askorbinowy jest pochodną sacharydów, związkiem krystalicznym dobrze rozpuszczalnym w wodzie, o właściwościach redukujących, a jego formą utlenioną jest kwas L-dehydroaskorbinowy (rys. 2.6). Kwas L-askorbinowy jest odporny na wysoką temperaturę w warunkach beztlenowych, natomiast kwas L-dehydroaskorbinowy jest mniej trwały w tych warunkach, i dlatego wywołuje straty witaminy C podczas obróbki termicznej. W obecności tlenu oba kwasy ulegają nieodwracalnemu utlenianiu do form nieaktywnych biologicznie, a zwłaszcza w obecności jonów metali, np. Cu 2+ i Fe 3+. Rys Wzory kwasu L-askorbinowego i kwasu L- dehydroaskorbinowego Witamina C uczestniczy w wielu reakcjach biochemicznych, usuwa wolne rodniki, wpływa na odporność organizmu na infekcje i stanowi jeden z najważniejszych przeciwutleniaczy. Ponadto, witamina C posiada właściwości bakteriostatyczne i bakteriobójcze w stosunku do niektórych drobnoustrojów i obniża ryzyko rozwoju nowotworów. Witamina C zawarta jest tylko w nielicznych produktach, tj. pochodzenia roślinnego, skutkiem czego jej niedobory są zjawiskiem powszechnym (tab. 2.3). Zalecane dzienne spożycie tego składnika wynosi mg. Głównym źródłem witaminy C są: owoce dzikiej róży, czarna porzeczka, kiwi, truskawki, poziomki, maliny, czarne jagody, agrest, papryka, kalafior, pomidor, zielony groszek, fasolka szparagowa, kapusta, natka pietruszki. Inne owoce, jak np. jabłka, śliwki, borówki, wiśnie, czereśnie, są ubogie w witaminę C, a sposób ich przetwarzania niszczy nawet tę małą zawartość, która się w nich znajduje. Ze względu na duże zapotrzebowanie na tą witaminę, a także jej straty podczas przygotowywania posiłków i w wyniku procesów technologicznych, rośnie produkcja wyrobów wzbogaconych w witaminę C. 39

40 Tabela 2.3. Zawartość witaminy C w niektórych produktach spożywczych. Główne objawy niedoboru witaminy C to: krwawienie dziąseł, gnilec (szkorbut) i skłonność to przeziębień. Witamina C jest bardzo wrażliwa na ph środowiska (zasadowe i obojętne), tlen, jony metali, podwyższoną temperaturę, działalność enzymów utleniających, gdzie pod wpływem tych czynników rozkłada się lub traci swoją aktywność biologiczną. Oznaczanie witaminy C w produktach spożywczych opiera się na metodach fizykochemicznych oraz chemicznych (Kumirska i inni, 2010; Gawęcki i Mossor-Pietraszwska, 2004). Do metod fizykochemicznych należą: wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC), metoda fluorymetryczna, metoda spektrofotometryczna, metoda chromatografii cienkowarstwowej. 40

41 Chemiczne metody oznaczania witaminy C to: metoda Tillmansa, modyfikacje metodytillmansa, oznaczanie jodanometryczne, oznaczanie kompleksometryczne. Ogólnie, straty witaminy C w suszonych owocach i warzywach mogą dochodzić nawet do 90%, a ich poziom zależy przede wszystkim od zastosowanej metody i parametrów suszenia (Orsat i Raghavan, 2007). W takiej sytuacji istnieje zatem duża potrzeba inwestowania w rozwój nowoczesnych technologii, w tym technologii suszenia żywności, które to ograniczyłyby utratę cennych substancji, a jednocześnie pozwoliłyby zachować dotychczasowe walory produktów spożywczych. Jedną z takich metod jest suszenie w okresowo zmiennych warunkach poprzez dostarczanie ciepła na drodze konwekcji, promieniowania lub mikrofal w sposób przerywany, co znacznie minimalizuje uszkodzenia termolabilnych materiałów biologicznych (Chou i inni, 2000). 41

42 3. Metody kontroli i wspomagania suszenia W dobie rozwoju różnych trendów w suszarnictwie, zarówno w zakresie badań naukowych jaki i zastosowań w przemyśle, duży nacisk kładzie się na podwyższenie sprawności energetycznej aparatów suszących, zintensyfikowanie procesu suszenia celem skrócenia czasu prowadzenia obróbki termicznej oraz zwiększenia jakości produktów i pozyskania optymalnej wydajności procesu. Prawidłowe kierowanie procesem suszenia wymaga zatem pełnej znajomości parametrów procesowych i ich wpływu na zmiany właściwości fizycznych, chemicznych, biochemicznych, mechanicznych etc. suszonego materiału. Ponieważ zmiany te mają decydujący wpływ na cechy charakterystyczne gotowego produktu, konieczna jest stała kontrola przebiegu procesu suszenia oraz jakości uzyskanego wyrobu. Jedną z metod umożliwiających kontrolę kinetyki procesu suszenia oraz jednoczesną ocenę destrukcji materiału w trakcie suszenia jest metoda emisji akustycznej (EA). Pozwala ona na monitorowanie rozwoju mikrozmian, tj. mikroi makropęknięć struktury produktu, a także sterowanie odpowiednim prowadzeniem procesu suszenia, takich materiałów jak drewno, kaolin, czy też glina. W przypadku produktów pochodzenia roślinnego wielkość przemian, do których zalicza się m.in. skurcz i modyfikacje tekstury, można kontrolować poprzez rehydratację, tj. wskaźnik zmian zachodzących w tkankach w czasie suszenia. Właściwości suszonych produktów żywnościowych oraz ich jakość można jednakże kształtować, poprzez zastosowanie różnych metod obróbki wstępnej polegającej na osmoaktywnym utrwalaniu żywności oraz jej blanszowaniu. Z kolei, jednym ze skutecznych i rozwijanych ostatnio sposobów wspomagania procesu suszenia w celu poprawy warunków wewnętrznego i zewnętrznego transportu ciepła i masy w materiałach biologicznych, jest zastosowanie promieniowania akustycznego Emisja akustyczna Popularną, nieinwazyjną metodą badania i określania stanu różnych obiektów w sposób ciągły jest emisja akustyczna (EA). Jako metoda pomiarowa, a zarazem zjawisko fizyczne, polega na powstawaniu i rejestrowaniu propagacji sygnałów, 42

43 tj. fal sprężystych powstających wewnątrz lub na powierzchni ciała stałego na skutek lokalnej, dynamicznej deformacji ciała stałego. Zmiana struktury materiału powoduje, że nagromadzona energia odkształcenia zostaje wyzwolona w postaci fal akustycznych, które przenoszą energię mechaniczną poprzez drgające cząstki ośrodka. Przyczyną tych deformacji są przede wszystkim generowane w materiale naprężenia mechaniczne lub termomechaniczne, które powodują mikropęknięcia lub pęknięcia w strukturze materiału, wyzwalając w ten sposób fale akustyczne. Fale te rozchodzą się w sprężystym materiale od źródła ich powstania, czyli od miejsca deformacji do granic ośrodka, gdzie są rejestrowane przez czujnik emisji akustycznej, już jako impuls elektryczny przetworzony przez przetwornik piezoelektryczny (Malecki, 1993; Basztura, 1988). Na rysunku 3.1 przedstawiono schemat powstawania i propagacji fali akustycznej w wyniku działania zewnętrznego bodźca (mechaniczny, temperaturowy, chemiczny) na ciało stałe. Rys Proces powstawania i detekcji sygnałów emisji akustycznej. Ze względu na charakter sygnału EA wyróżnia się dwa rodzaje emisji akustycznej, tj. ciągłą i dyskretną. W pierwszym przypadku czas trwania sygnału (narastania i zaniku) jest większy od odstępu między impulsami (np. defekty sieci krystalicznej), a w drugim przypadku odstęp czasu pomiędzy impulsami jest większy lub równy czasowi ich trwania (np. mikro- i makropęknięcia). Zakres częstotliwości fal akustycznych jest bardzo szeroki i obejmuje zarówno infradźwięki, dźwięki słyszalne oraz ultradźwięki, jednakże zasięg oddziaływania fali spada wraz ze wzrostem jej częstotliwości (Banaszak i Kowalski, 2011). Analiza sygnałów EA polega na określeniu jego źródła, i procesów w nim zachodzących, bądź też identyfikacji fragmentów sygnału pochodzącego od różnych źródeł. W celu uzyskania charakterystyki źródła EA korzysta się z tzw. 43

44 deskryptorów, tj. parametrów impulsu będących funkcjami sygnałowymi jego wartości wyjściowych. Deskryptory dzieli się ze względu na stosowaną metodę pomiarową, a mogą to być deskryptory punktowe i wektorowe, które charakteryzują sygnał EA przy pomocy parametru liczbowego lub zbioru liczb. Należą do nich m.in. wielkości w dziedzinie czasu, częstotliwości i energii. W badaniach metodą emisji akustycznej rejestruje się sygnały generowane przez impulsowe źródło EA w postaci tłumionej sinusoidy (rys. 3.2). Powszechnie używanym deskryptorem jest zdarzenie sygnał, który po przekroczeniu progu dyskryminacji szumów rejestrowany jest przez czujnik. Suma ilości przekroczeń przez amplitudę sygnału zadanego progu określa tzw. zliczenie, natomiast liczba zliczeń i zdarzeń w jednostce czasu, to odpowiednio tempo zliczeń oraz tempo zdarzeń. W przypadku deskryptorów pochodnych energii, często dokonuje się pomiarów energii EA, która jest wyznacznikiem wielkości i mocy źródeł sygnału. Energia EA to obszar mierzony poniżej obwiedni sygnału, przy czym nie jest to rzeczywista wartość energii emitowanej przez źródło, a jedynie informuje badacza o tym, czy sygnał jest wysoko- czy też niskoenergetyczny. Wyróżnia się dwie definicje tego deskryptora, tj.: amplituda sygnału pomnożona przez czas trwania zdarzenia [mv s], amplituda sygnału podniesiona do kwadratu i pomnożona przez czas trwania zdarzenia [mv 2 s] (Kowalski i inni, 2000; Banaszak i Kowalski, 2011). Rys Sygnał EA. Najważniejszym elementem aparatury do pomiarów emisji akustycznej jest czujnik EA, którego działanie opiera się na zjawisku piezoelektryczności, polegającej na generowaniu potencjału elektrycznego pod wpływem naprężeń mechanicznych. Czujniki EA odbierają fale sprężyste i przetwarzają je na sygnały elektryczne. Zazwyczaj zbudowane są z ceramiki PZT (cyrkonian-tytan ołowiu- 44

45 roztwór stały PbZrO 3 i PbTiO 3 ), a ponadto muszą ściśle przylegać do powierzchni badanego materiału. Zasadniczo wyróżnia się trzy kierunki rozwoju metody emisji akustycznej, a mianowicie, do badania właściwości różnych materiałów, np. metali, ceramiki, skał, tj. rozwoju pęknięć, plastyczności, pełzania etc., do wykrywania defektów podczas wytwarzania wyrobów oraz do monitorowania obiektów, np. kopalni, zbiorników, rurociągów etc. Jak donosi literatura (Kitayama i inni, 1985; Malecki i Ranachowski, 1994; Kowalski i Smoczkiewicz-Wojciechowska, 2007; Kowalski i Pawłowski, 2010b, Rosner, 2012; Banaszak, 2014) emisja akustyczna znalazła szerokie zastosowanie w technice suszarniczej, jako skuteczna i efektywna metoda określania zjawisk zachodzących w materiałach w trakcie suszenia. Wykazano, iż zjawisko emisji akustycznej podczas suszenia drewna i glinki kaolinowej jest silnie związane z rozwojem defektów i poprzedza destrukcję materiału. Zwiększona aktywność akustyczna jest przejawem narastających w materiale naprężeń suszarniczych. Przykładowo analiza tempa zdarzeń EA oraz całkowitej energii sygnałów EA, pozwala wskazać momenty rozwoju zjawiska pękania oraz pojawienie się makropęknięcia w suszonym materiale. Wielkości te dostarczają wystarczająco dużo informacji na temat zachodzących zjawisk, i z tego względu są najczęściej wykorzystywane do opisu zniszczeń. W pracy (Marzec i Pasik, 2008) wykorzystano emisję akustyczną do oceny wpływu różnych metod suszenia (sublimacyjnego, konwekcyjnego, fluidalnego, mikrofalowego) na właściwości mechaniczne i akustyczne biomateriału, tj. suszu marchwiowego. Podczas testów wytrzymałościowych polegających na ściskaniu rejestrowano sygnały EA i wykazano, iż najmniejszą ilością zdarzeń oraz energią sygnału EA charakteryzują się próbki marchwi suszone w sposób fluidalny, a największe wartości tych parametrów odnotowano w przypadku próbek suszonych mikrofalowo. Ponadto stwierdzono, że parametry akustyczne zależą od porowatości suszonego biomateriału. A zatem, zastosowanie metody EA do monitorowania rozwoju zmian pojawiających się wskutek suszenia, umożliwia synchroniczne i dynamiczne analizowanie postępującej degradacji produktów, a jednocześnie zaplanowanie odpowiednich warunków suszenia i wczesne wykrywanie inicjacji pęknięć. W rezultacie, emisja akustyczna pozwala dokonać oceny jakościowej suszonych wyrobów Rehydratacja Suszenie materiałów biologicznych wiąże się z ich zmianami natury fizyczno-chemicznej, na skutek powstawania gradientów stężenia i temperatury. Głównie w wyniku gradientów wilgoci zawartej w tkankach generowane są naprężenia: rozciągające w warstwach powierzchniowych i ściskające wewnątrz, 45

46 czego efektem jest skurcz, deformacja, pęknięcia i szczeliny w suszonym materiale (Musielak, 2000; Lewicki, 1998). Zagęszczanie suchej substancji, czego przejawem jest skurcz, jest zjawiskiem naturalnym podczas procesów suszenia, a z drugiej strony bardzo niekorzystnym, ponieważ świadczy o zmianie, a niekiedy o uszkodzeniu struktury, a więc zmianie gęstości i porowatości materiału. W przypadku zastosowania suszenia konwekcyjnego skurcz ten kształtuje się na poziomie 90% dla marchwi. Z tego względu produkty charakteryzujące się pofałdowaną i pomarszczoną powierzchnią, a także deformacją kształtu, są negatywnie odbierane przez konsumentów. Zatem, zachowanie możliwie dobrej struktury suszy owocowo-warzywnych stanowi istotny argument komercyjny dla potencjalnych nabywców. Ponieważ skurcz suszarniczy stanowi jeden z krytycznych wskaźników jakości produktu suchego, w badaniach kontrolnych dużą rolę odgrywa stopień rehydratacji. Wszelkie zmiany struktury suszonych wyrobów uwzględnia się również w przebiegu dalszych procesów, tj. mieszaniu, pakowaniu oraz przechowywaniu. Rehydratacja to proces odwrotny do odwadniania, polegający na nasycaniu uprzednio wysuszonego materiału przez określony czas, zazwyczaj w temperaturze pokojowej, przy czym nawet po nieskończenie długim czasie nawadniania materiał ten nigdy nie wraca do swoich właściwości wyjściowych. Produkty suszone nie są w stanie wchłonąć takiej samej ilości wody, jaką charakteryzowały się przed procesem suszenia i zachować w niezmiennej postaci składniki suchej substancji oraz powrócić do początkowej objętości. Wynika to z deformacji struktury podczas suszenia oraz obniżenia zdolności wiązania wody. Ubytki rozpuszczalnych składników są istotnym wskaźnikiem mówiącym o stopniu degradacji komórek roślinnych. Dla suszu o mało zdeformowanej strukturze, proces rehydratacji powinien zachodzić w miarę szybko i całkowicie. Problematyka rehydratowanej żywności jest często pomijana przez wielu badaczy, jednakże może dostarczyć wielu cennych informacji dotyczących zjawisk przebiegających zarówno w czasie suszenia, jak i samego nawadniania suszy. Dokładna analiza wymiany masy w czasie rehydratacji na poziomie makroskopowym i mikroskopowym może dać istotną informację o strukturze wewnętrznej materiałów i zróżnicowanym składzie chemicznym. Intensywność zmian struktury silnie zależy od rodzaju materiału, co potwierdza różny charakter wchłaniania wody, sposób przyrostu masy i ubytek rozpuszczalnych składników suchej substancji (Witrowa-Rajchert, 2004). W pracy (Stępień, 2009) przeanalizowano wpływ metod suszenia na wybrane cechy mechaniczne marchwi po ponownym nasyceniu. Wykazano, iż sposób usuwania wody z materiałów roślinnych wpływa na stopień degradacji struktury tkanek. Zaobserwowano, że w trakcie nasycania największe ubytki suchej substancji wykazują rośliny podczas konwekcyjnej wymiany masy i ciepła. Zjawisko to spowodowane jest rozmiękczaniem suchej tkanki podczas uwadniania. Na rysunku 3.3 pokazano ubytek suchej substancji w czasie 46

47 rehydratacji marchwi, jako stosunek masy suchej próbki po określonym czasie uwadniania do masy suchej próbki przed rehydratacją. Rys Zmiana zawartości suchej substancji podczas rehydratacji oraz zdjęcia struktury wewnętrznej marchwi po uwodnieniu: A surowiec, B suszenie konwekcyjne. Na rysunku 3.4 zaprezentowano wyniki badań z pracy (Witrowa-Rajchert, 1999), przedstawiające ilość wody wchłanianej przez suszony materiał w czasie rehydratacji. Odnotowano znaczne różnice w masie wody wchłoniętej w trakcie uwadniania przez różne materiały roślinne. Najmniejszą zdolnością chłonięcia wody wykazały się próbki ziemniaka i dyni, ze względu na skleikowanie skrobi na ich powierzchni, przy czym żaden z badanych materiałów nie osiągnął zawartości wody surowca. Rys Względny przyrost masy wody w trakcie rehydratacji. Jak wynika z zaprezentowanych prac, na proces rehydratacji ma wpływ wiele czynników, są to m.in.: mechanizm usuwania wody, rodzaj suszonego materiału, 47

48 obróbka wstępna, temperatura. Zdolność suszy owocowo-warzywnych do rehydratacji jest zatem ważnym wyróżnikiem jakości, jak również przedmiotem kontroli prawidłowości przebiegu procesów suszenia. Jeżeli proces suszenia nie spowodował znaczących zmian w naturalnym układzie tkanek, to po rehydratacji produkt powinien odzyskać właściwości zbliżone do surowca. Znajomość właściwości rehydratacyjnych suszonych produktów ma istotne znaczenie również dlatego, że wiele z nich jest spożywanych w różnej formie lub dalej przetwarzanych przemysłowo po wcześniejszym uwodnieniu (Kaleta i inni, 2005). Z punktu widzenia konsumentów, problem rehydratowanej żywności stanowi jeden z głównych aspektów wysokiej klasy produktów obok retencji składników żywności Blanszowanie Właściwy proces suszenia poprzedzają różne operacje jednostkowe mające miejsce na etapie obróbki wstępnej surowca, m.in: blanszowanie. Tradycyjnie, zabieg blanszowania polega na poddawaniu obranych i pokrojonych warzyw krótkotrwałemu (0,5 5 min) działaniu pary wodnej bądź też gorącej wody, w zależności od rodzaju surowca ( C) w celu: zneutralizowania enzymów, usunięcia powietrza z przestrzeni międzykomórkowych tkanek, częściowego zniszczenia mikroflory wegetatywnej blanszowanych surowców. Inaktywacja enzymów następuje przez termiczną denaturację nośników białkowych. Ponadto, blanszowanie usuwa także niepożądane składniki, np. zapachowe, znacznie obniża zawartość metali ciężkich w żywności i skraca czas gotowania warzyw. Blanszowanie warzyw przed suszeniem można również prowadzić w roztworach wodnych z dodatkiem różnych substancji wspomagających, np. disiarczanu potasu, roztworu soli, tlenku magnezu, roztworu chlorku sodu itp., jak również mikrofalowo. Proces blanszowania jest zjawiskiem korzystnym, jednakże narusza strukturę materiału i wywołuje przemiany związków termolabilnych. W wyniku blanszowania dochodzi do utraty witaminy C (nawet do 40%), białek, soli mineralnych, olejków eterycznych, węglowodanów, barwników, np. karotenoidów, ale z drugiej strony proces ten ma korzystny wpływ na zachowanie karotenoidów po procesie suszenia, ze względu na inaktywację enzymów biorących udział w ich degradacji. 48

49 Podczas blanszowania na skalę przemysłową zużywa się duże ilości energii i wody oraz powstają ścieki. Ponadto, blanszowanie w gorącej wodzie powoduje większe straty składników pokarmowych, w porównaniu z blanszowanym parą wodną. Należy zaznaczyć, iż czas blanszowania dużo silniej oddziałuje na straty składników pokarmowych niż temperatura, dlatego też zaleca się prowadzanie obróbki w wyższej temperaturze, ale w krótszym czasie. Zabieg blanszowania nie wskazany jest do obróbki niektórych warzyw, jak np. pomidorów, ogórków, bakłażanów, gdyż proces ten niekorzystnie wpływa na ich cechy jakościowe. Podobnie nie stosuje się blanszowania w stosunku do warzyw mających naturalny, silny aromat, np. papryka, cebula, seler czy czosnek, jeżeli są one używane jako warzywa przyprawowe (Klimczak i Irzyniec, 1994; Kaleta, 1999). W pracy (Kaleta i inni, 2005) wykazano, iż próbki rehydratowanej pietruszki poddane procesowi blanszowania przed suszeniem charakteryzują się większym względnym przyrostem masy w porównaniu do próbek nieblanszowanych, co oznacza mniejszy stopień uszkodzenia struktury w wyniku wstępnego zabiegu blanszowania. Pomimo kilku niekorzystnych zmian, jakie wywołuje blanszowanie w produktach pochodzenia roślinnego, do najważniejszych zalet tej obróbki wstępnej należy zachowanie naturalnej barwy suszu, a także poprawa cech sensorycznych. Jeżeli warzywa nie są poddawane blanszowaniu, działanie enzymów może spowodować twardnienie powierzchni lub zmieniać cechy smakowo-zapachowe oraz kolor. Jednakże, dla każdego surowca należy doświadczalnie ustalić optymalne parametry blanszowania. Poprzez odpowiednie zaprojektowanie procesu technologicznego uwzględniającego obróbkę wstępną, można osiągnąć zwiększenie zawartości substancji pożądanych z punktu widzenia wartości żywieniowej Odwadnianie osmotyczne Suszenie jest procesem o charakterze dyfuzyjnym, zarówno ze względu na transport wilgoci wewnątrz materiału jak i usunięcie wilgoci przetworzonej w parę między suszonym materiałem a otoczeniem. W procesach dyfuzyjnych następuje zmiana różnicy (gradientów) stężeń określonych składników. Ciepło niezbędne jest to przeprowadzenia przemiany fazowej, i stąd też proces suszenia nazywany jest cieplno-dyfuzyjnym. W celu zmniejszenia zużycia energii na tę przemianę, proponuje się wykorzystanie zjawiska osmozy przed suszeniem. Osmoza polega na dyfuzji wody przez błony półprzepuszczalne i przebiega w wyniku gradientu stężeń cząsteczek wody, tj. z rozpuszczalnika lub roztworu o wyższym potencjale chemicznym do roztworu o niższym potencjale, aż do momentu wyrównania potencjałów chemicznych obu roztworów. Ta różnica stężeń cząsteczek wody między dwoma oddzielonymi membraną roztworami wywołuje ciśnienie osmotyczne, które działa na membranę wyginając ją kierunku 49

50 rozpuszczalnika. Roztwór, który posiada wyższe ciśnienie osmotyczne od porównawczego, nazywa się hipertonicznym, a o niższym ciśnieniu osmotycznym od porównawczego hipotonicznym (Gawęcki i Mossor-Pietraszwska, 2004). Jedną z technik opartych na występowaniu ciśnienia osmotycznego jest odwadnianie osmotyczne, które umożliwia usunięcie wilgoci z termolabilnych produktów oraz ogranicza niekorzystne zmiany spowodowane suszeniem, z jednoczesną poprawą cech jakościowych. W czasie odwadniania osmotycznego dochodzi zatem do wymiany masy, podczas której strumień wody przenika z wnętrza materiału roślinnego (wyższy potencjał chemiczny wody) do otaczającego roztworu osmotycznego (niższy potencjał chemiczny wody), a transport substancji osmoaktywnej odbywa się z roztworu osmotycznego do wnętrza materiału (Kowalska i Lenart, 2001). W wyniku tego procesu nie tylko zwiększa się zawartość suchej substancji w tkance odwadnianego surowca, ale zmienia się też jego smak, gdyż tkanka nasyca się substancją, z której przygotowany był roztwór. Schemat przebiegu tego procesu pokazano na rysunku 3.5. Rys Schemat odwadniania osmotycznego. W osmoaktywnej metodzie usuwania wody i utrwalania materiałów pochodzenia roślinnego, wykorzystuje się substancje osmoaktywne rozpuszczalne w wodzie, posiadające możliwość wytworzenia wysokich ciśnień osmotycznych, charakteryzujące się przyjemnym smakiem, zapachem, i brakiem toksycznego oddziaływania. Należą do nich roztwory cukrów o różnych stężeniach, jak np.: glukoza, fruktoza, sacharoza. 50

51 Zazwyczaj ww. cukry stosuje się do odwadniania owoców. W przypadku warzyw wykorzystuje się: glicerol, syrop skrobiowy, chlorek sodu. Ponadto, wykorzystuje się również miody naturalne i sztuczne, syropy owocowe, np. jabłkowy, bananowy, brzoskwiniowy, winogronowy, czy też kilka różnych substancji jednocześnie oraz dodatki, takie jak witaminy, np. kwas askorbinowy, polisacharydy, związki mineralne, co wpływa na przyspieszenie procesu odwadniania, czy też nadaje specyficzne właściwości, np. funkcjonalne (probiotyki). Graniczne zawartości tych substancji wyznacza się przez ich rozpuszczalność. Przykładowo, w temperaturze pokojowej można uzyskać maksymalne stężenie dla sacharozy równe 65%, a w przypadku soli 25%. Odwadnianie osmotyczne znalazło szerokie zastosowanie jako samodzielny zabieg, prowadzący do uzyskania gotowego produktu o obniżonej zawartości wody w stosunku do surowca, o pożądanych cechach jakościowych. Pozwala ono uzyskać produkt minimalnie przetworzony, gotowy do bezpośredniego spożycia. Owoce i warzywa poddawane odwadnianiu osmotycznemu wykazują także mniejsze zmiany fizykochemiczne w porównaniu z innymi metodami stosowanymi w technologii żywności. Należy pamiętać jednak, iż produkty spożywcze odwodnione osmotycznie są tylko częściowo utrwalone, dlatego też traktuje się je jako półprodukty, a proces odwadniania osmotycznego jako obróbkę wstępną. Metoda ta jednak nie zabezpiecza produktu w pełni przed rozwojem pleśni. Dlatego też, najczęściej przemysłowe owoce i warzywa poddawane są obróbce osmotycznej, a następnie procesom suszenia lub zamrażania (Lewicki i Lenart, 2007; Stępień, 2009). Głównym celem odwadniania osmotycznego jest zahamowanie rozwoju drobnoustrojów przez obniżenie aktywności wody. Ta metoda utrwalania żywności pozwala zredukować aktywność wody w surowcach do poziomu 0,9 0,95, co ogranicza rozwój bakterii i drożdży wrażliwych na substancje osmotyczne. Zastosowanie kilku czynników osmotycznych jednocześnie, powoduje wiązanie wody niezależnie przez każdy z nich i umożliwia redukcję aktywności wody poniżej wartości 0,9. Kolejną zaletą odwadniania osmotycznego jest zachowanie wielu cech charakterystycznych dla świeżych owoców i warzyw, m.in. stabilności naturalnych barwników podczas suszenia, składników odżywczych. Obserwuje się także poprawę właściwości smakowo-zapachowych produktu, ze względu na ograniczone utlenianie, zahamowanie brązowienia enzymatycznego oraz nieznaczny wpływ na strukturę gotowego produktu. Surowce poddawane obróbce osmotycznej charakteryzują się gładką powierzchnią, porowatą strukturą oraz niewielkimi zmianami kształtu 51

52 i wymiarów, co pozytywnie wpływa na ich walory sensoryczne i ułatwia proces rehydratacji w wodzie (Sikorski, 2007a; Lewicki i Lenart, 1996; Kowalski i Mierzwa, 2013; Moazzam, 2012). Jak donosi literatura (Rastogi i Raghavararo, 1997) poprzez zanurzanie świeżych warzyw i owoców w roztworach osmotycznych powoduje się zmniejszenie zawartości wilgoci nawet do 50%, co korzystnie wpływa na skrócenie całkowitego procesu suszenia, przy jednoczesnym uzyskaniu wyższych równowagowych zawartości wody w suszu. W badaniach (Janowicz i Lenart, 2001) stwierdzono, że odwadnianie osmotyczne znacząco wpływa na przebieg procesu nagrzewania powierzchni w czasie suszenia konwekcyjnego, powodując skrócenie czasu osiągnięcia przez powierzchnię materiału jednakowych temperatur. Ponadto, osmoaktywne metody utrwalania żywności należą do jednych z najbardziej efektywnych procesów pod względem energetycznym. Według Lewickiego i Lenarta (Lewicki i Lenart, 2007), podczas suszenia konwekcyjnego zużywane jest 5 MJ na kilogram odparowanej wody, tj. dwa razy więcej niż w przypadku odwadniania osmotycznego. Bogata literatura opisująca zjawisko odwadniania osmotycznego dostarcza wielu cennych wskazówek prowadzenia tego typu obróbki wstępnej przed właściwymi procesami suszenia. Kinetyka metod osmoaktywnych zależy bowiem od wielu czynników zewnętrznych, które należy rozważyć przy doborze parametrów prowadzenia tego zabiegu do określonego materiału roślinnego. Stopień odwodnienia warzyw i owoców zależy od: rodzaju substancji osmoaktywnych (w tym ich mieszanin), stężenia czynnika osmotycznego w roztworze, temperatury, ciśnienia, czasu, stosunku objętościowego/masowego surowca do roztworu osmotycznego, rodzaju surowca, stanu rozdrobnienia materiału. Metody osmoaktywne pozwalają pozyskać produkty o zmodyfikowanej wartości energetycznej i odżywczej, o specyficznych cechach sensorycznych, dlatego też asortyment tego typu przetworzonej żywności cieszy się w ostatnich czasach dużym zainteresowaniem. Mimo tego, że odwadnianie osmotyczne pociąga za sobą pewne niekorzystne zmiany, jak np. straty składników niskocząsteczkowych owoców, takich jak cukry owocowe, kwasy organiczne, witaminy, sole mineralne, to nadal odwodnione produkty po utrwaleniu, np. za 52

53 pomocą suszenia konwekcyjnego stanowią wygodne i atrakcyjne produkty m.in. w postaci zdrowych przekąsek owocowo-warzywnych i składników do żywności (Konopacka i inni, 2009) Wspomaganie ultradźwiękami Ultradźwięki to fale akustyczne o częstotliwości powyżej 16 khz, tj. poza granicą słyszalności ucha ludzkiego. W przyrodzie ultradźwięki wykorzystane są przez niektóre zwierzęta do nawigacji (delfiny) i polowania (nietoperze) za pomocą wysyłania i odbierania sygnałów akustycznych odbitych od otoczenia. Ultradźwięki w przemyśle spożywczym są stosunkowo nową, a także jedną z wschodzących technologii, której stosowanie ma na celu zminimalizowanie przetwarzania, poprawę jakości i zapewnienie bezpieczeństwa produktom żywnościowym. Pozytywne efekty działania ultradźwięków w zakresie przetwórstwa spożywczego, to m.in. poprawa wymiany masy, utrwalanie żywności, wspomaganie obróbki termicznej oraz analiza składu i struktury produktów żywnościowych. Co ważniejsze, odwadnianie z pomocą ultradźwięków może się odbywać w temperaturze otoczenia, co zmniejsza potencjalną degradację termiczną. W zależności od przeznaczenia, wyróżnia się ultradźwięki czynne, o dużym natężeniu oraz bierne, o małym natężeniu. Ultradźwięki o wysokiej intensywności (powyżej 1 W/cm 2 ), tj. o częstotliwości między khz wykazują działanie destrukcyjne i wpływają na fizyczne, mechaniczne lub chemiczne/biochemiczne właściwości żywności. Znalazły one zastosowanie w procesach: koagulacji, dyspergowania, ekstrakcji, filtracji, krystalizacji, zamrażania, suszenia oraz odwadniania osmotycznego, inaktywacji drobnoustrojów, czy też modyfikacji funkcjonalnych właściwości białek. Z kolei ultradźwięków o niskiej intensywności (poniżej 1 W/cm 2 ), tj. o częstotliwości powyżej 100 khz używa się w nieinwazyjnych metodach analizy oraz kontroli surowców i produktów, podczas przetwarzania oraz przechowywania, w celu zapewnienia wysokiej jakości i bezpieczeństwa (Awad i inni, 2012; Banaszak i Kowalski, 2011). Ultradźwięki o wysokiej częstotliwości powodują różne zmiany w materiałach. Zjawisko znane jako kawitacja akustyczna, generuje powstawanie i zanikanie małych pęcherzyków wypełnionych parą lub pustych przestrzeni w płynie. W rezultacie dochodzi do szybkich fluktuacji ciśnienia w mokrym materiale. Na skutek absorpcji energii akustycznej dochodzi także do ogrzewania oraz zmian strukturalnych, w wyniku serii szybkiego ściskania i rozprężania materiału biologicznego, tzw. efektu gąbki oraz powstawania mikroskopijnych kanałów (Carcel i inni, 2007). Jak donosi literatura (De la Fuente-Blanco i inni, 2006; Fernandes i inni, 2008; Gallego-Juárez i inni, 2007), mechanizm odwadniania owoców i warzyw ze wspomaganiem ultradźwiękowym opiera się dokładnie na kawitacyjnym 53

54 ściskaniu i rozszerzaniu elementów materiału biologicznego wywołanym przez fale ultradźwiękowe, dzięki czemu następuje migracja wilgoci do otoczenia. Stopień kawitacji zależy od częstotliwości ultradźwięków. Ultradźwięki można aplikować oddzielnie lub w połączeniu z innymi źródłami energii, np. z gorącym powietrzem. W tym przypadku obserwuje się znaczną redukcję czasu suszenia ze względu na przyspieszenie transportu ciepła i masy (nawet dwu-, trzykrotny wzrost prędkości suszenia), a ponadto niższe wartości końcowej zawartości wilgoci, zachowanie właściwości surowca oraz niższe zużycie energii elektrycznej. Energia akustyczna przyspiesza szczególnie proces suszenia w jego pierwszym stadium, gdyż wprowadzenie strumienia akustycznego wywołuje turbulencje w warstwie granicznej. Zaobserwowano także przyspieszenie suszenia w jego drugim okresie, na skutek wzrostu dyfuzyjności i ruchliwości wilgoci w kapilarach i tworzenia wspomnianych wcześniej pęcherzyków. Oprócz tego na przebieg suszenia wspomaganego akustycznie wpływają także parametry, takie jak prędkość przepływu powietrza oraz jego temperatura. W pracy (Riera-Franco de Sarabia i inni, 2002) omówiono wpływ wspomagania ultradźwiękowego na proces suszenia różnego rodzaju materiałów roślinnych, tj. jabłka, marchwi oraz grzybów. Przeanalizowano różne metody, m.in. kontakt bezpośredni oraz falę stojącą, wykorzystując wymuszony obieg powietrza i wibracje ultradźwiękowe generowane przez płytowy przetwornik ultradźwiękowy (20 khz, 100 W). Na rysunku 3.6 przedstawiono aparaturę do suszenia materiałów biologicznych za pomocą ultradźwięków. Na podstawie przeprowadzonych testów suszarniczych stwierdzono, iż bezpośredni kontakt wibracji ultradźwiękowych z badanym materiałem znacząco przyspiesza proces suszenia nie wywołując przy tym zmian w jakości, a w przypadku grzybów trzykrotnie skraca czas obróbki termicznej. Rys Schemat aparatury suszącej z przetwornikiem ultradźwiękowym. 54

55 Ultradźwięki aplikuje się również w zabiegach obróbki wstępnej jako proces alternatywny do blanszowania. Nowacka i inni (2012) w badaniach nad konwekcyjnym suszeniem jabłek ze wstępną obróbką ultradźwiękową wykazali, że czas suszenia skrócił się o 31%, jednakże zaobserwowano także większy skurcz, mniejszą gęstość oraz wyższy stopień porowości jabłek, w porównaniu z próbkami bez obróbki ultradźwiękowej. Zatem, ultradźwięki wpływają niekiedy negatywnie na właściwości produktów roślinnych, mogą powodować kawitację komórek, lokalne przegrzanie, a także prowadzą do powstania wolnych rodników. Tradycyjne odwadnianie osmotyczne jest zabiegiem stosowanym do częściowego odwodnienia materiałów roślinnych i poprawy jakości, jednakże jest procesem czasochłonnym. Jednym z nowszych sposobów zwiększenia wydajności tej obróbki wstępnej jest aplikacja ultradźwięków. Jak donosi literatura (Gallego- Juarez i inni, 1999; Azarpazhooh i Ramaswamy, 2010), stosowanie ultradźwięków podczas odwadniania osmotycznego wywiera istotny wpływ na kinetykę usuwania wilgoci, przyrost suchej masy, i zmianę mikrostruktury materiału. Akustyczne wspomaganie osmozy stosuje się głownie w celu zapewnienia efektywnej dyfuzyjności wody, jednakże jak zauważył Fernandes i inni (Fernandes i inni, 2009), efektywny współczynnik dyfuzji maleje wraz ze wzrostem stężenia substancji osmoaktywnej w roztworze hipertonicznym. W pracy (Kek i inni, 2013) przedstawiono wpływ odwadniania osmotycznego wspomaganego ultradźwiękami na kinetykę suszenia konwekcyjnego i cechy jakościowe owoców guawy. Na rysunku 3.7 przedstawiono zmiany analizowanych wyróżników jakości po procesie suszenia. Rys Całkowita zmiana barwy, zawartość witaminy C, twardość i żuwalność suszonych owoców guawy. Zaobserwowano m.in, że wstępna obróbka osmotyczna z ultradźwiękami redukuje czas suszenia o 33%, zwiększa dyfuzję o 35%, a ponadto obniża wartość całkowitej zmiany barwy o 38%. 55

56 Ultradźwięki to niekonwencjonalna metoda wspomagania procesu suszenia i obróbki wstępnej surowców, umożliwiająca uzyskanie produktów dobrej jakości, jak również kształtowanie ich specyficznych właściwości. Oprócz poprawy wydajności tych procesów, pozytywnie wpływa na redukcję kosztów oraz ogranicza zużycie energii elektrycznej, co w dzisiejszej dobie jest priorytetem. Aparatura susząca z urządzeniami wytwarzającymi ultradźwięki jest droga i stale unowocześniana, dlatego też procesowi suszenia akustycznemu głównie poddaje się materiały biologiczne wymagające szczególnej obróbki termicznej. Niewątpliwą zaletą jest jednak wysoka wartość suszy owocowowarzywnych, jak i bezpieczeństwo tego typu produktów, co usprawiedliwia wysokie koszty inwestycyjne. 56

57 Część doświadczalna 57

58 4. Efektywność suszenia w warunkach niestacjonarnych 4.1. Cel i zakres badań doświadczalnych Celem tej części pracy jest projektowanie procesów suszenia w warunkach okresowo zmiennych i analiza efektywności takich procesów z punktu widzenia czasu suszenia, zużycia energii oraz wybranych cech jakościowych produktów suszonych. W niniejszej pracy podjęto próbę opracowania alternatywnego sposobu suszenia konwekcyjnego surowców szczególnie wrażliwych na obróbkę cieplną, a efektywność tej metody oceniono przede wszystkim w aspekcie jakościowym uzyskanego produktu. Zakres badań doświadczalnych obejmuje: 1. Dobór odpowiednich parametrów procesu suszenia konwekcyjnego, celem uzyskania optymalnych warunków prowadzenia tego procesu w warunkach okresowo zmiennych. 2. Monitorowanie destrukcji materiałów kapilarno-porowatych metodą emisji akustycznej. 3. Zbadanie wpływu zmiennych parametrów procesowych, takich jak temperatura i wilgotność powietrza na kinetykę suszenia konwekcyjnego. 4. Określenie wpływu różnego rodzaju zabiegów obróbki wstępnej, tj. odwadniania osmotycznego, blanszowania, wspomagania ultradźwiękowego na przebieg suszenia w stałych i zmiennych warunkach. 5. Analiza wybranych wskaźników jakości suszonych materiałów z i bez obróbki wstępnej, obejmująca całkowitą zmianę barwy, aktywność wody, zawartość naturalnych barwników i witaminy C oraz ich zdolność do rehydratacji. 6. Ocenę procesu suszenia okresowego pod kątem zużycia energii. 7. Porównanie efektów uzyskanych w trakcie suszenia w warunkach niestacjonarnych z wynikami otrzymanymi podczas suszenia w stałych warunkach. 58

59 4.2. Materiał badawczy Materiał do badań stanowiły surowce przemysłowe, szczególnie wrażliwe na działanie termiczne, o różnych właściwościach fizykochemicznych oraz użytkowych, tj. surowiec ceramiczny (glinka kaolinowa) oraz surowce pochodzenia biologicznego, takie jak warzywa i owoce: korzenie marchwi zwyczajnej (Daucus carota L.) i buraka ćwikłowego (Beta vulgaris L.), zielona papryka (Capsicum L.) oraz owoce wiśni (Prunus cerasus L.). Glinka kaolinowa, zwana również kaolinem to osadowa skała ilasta składająca się głównie z kaolinitu, zwykle o barwie białej, szarej lub żółtawej, stosowana do produkcji porcelany, porcelitu, kamionki, płytek i wyrobów sanitarnych, a także do produkcji gumy, farb, tworzyw sztucznych, papieru, włókna szklanego i innych. W badaniach wykorzystano kaolin (KOC) dostarczony przez firmę Surmin-Kaolin S.A. (Nowogrodziec), którego skład przedstawiono w tabeli 4.1. Surowiec w postaci granulek ucierano w moździerzu do postaci sypkiej, a następnie mieszano z wodą destylowaną do momentu uzyskania przez materiał początkowej zawartości wilgoci X 0 = 41 2%, w przeliczeniu na materiał wilgotny. Wilgotność określono na podstawie wskazań laboratoryjnej wagosuszarki XM120 firmy Precisa (Szwajcaria). Przygotowany w ten sposób materiał przechowywano w szczelnym pojemniku przez 48 godzin, w celu ujednorodnienia konsystencji, a do formowania cylindrycznych próbek z kaolinu użyto kształtki wykonanej z PMMA o promieniu R = 25 mm i wysokości H = 60 mm. Tabela 4.1. Charakterystyka kaolinów. RODZAJ BADANIA KOC KOO FKW KOS KSP KOS-F TC1/WB skład chemiczny skład mineralogiczny klasa ziarnowa wilgotność jedn. 12±2 24±2 12±2 12±2 24±2 26±2 17±1 SiO 2 % 51,5 52,7 52,5 53,3 71,8 53, 0 56,6 Al 2O 3 % 34,5 33,5 33,2 33,3 20,2 33,6 30,1 Fe 2O 3 % 0,54 0,52 0,55 0,38 0,26 0,40 0,73 TiO 2 % 0,54 0,49 0,50 0,38 0,27 0,34 0,88 CaO % 0,08 0,08 0, 09 0,06 0,04 0,08 0,06 MgO % 0,12 0,12 0,26 0,09 0,07 0,10 0,24 K 2O % 0,63 0,58 0,63 0,40 0,27 0,41 0,84 Na 2O % 0,01 0,01 0,02 0,01 0,01 0,01 0,02 strata prażenia % 12, 0 11,8 11,6 11,9 7, ,5 kaolinit % illit % montmorylonit % kwarc % inne % > 63 µm, na mokro % 0,04 0,02 3,9 0,02 2,7 > 45 µm, na mokro % 0,03 0,9 0,04 0,03 11,4 0,04 5,7 poniżej 15 µm % poniżej 2 µm % d 50 µm 1,3 1,4 1,2 1,2 5,8 1,2 1,9 odczyn ph - 6,7 6,5 6,9 5,6 5,5 5,9 7,4 59

60 Warzywa i owoce to bogate źródło witamin, składników mineralnych, mikroelementów oraz związków terpenowych, flawonowych etc., a ponadto bogactwo zapachów oraz barwników, co bardzo ważne jest w kontekście żywieniowym. Surowce pochodzenia rolniczego cechuje bardzo zróżnicowany skład chemiczny i budowa anatomiczna, a oprócz tego występują różnice gatunkowe. Składnikiem występującym w największej ilości jest woda (do 96% ogólnej masy). Strukturalną różnorodność budowy biomateriałów przedstawiono na przykładzie marchwi i buraka ćwikłowego (rys. 4.1). Subtelna budowa tkanek warzyw i owoców oraz ich względne proporcje występowania, mają zasadniczy wpływ na teksturę i inne właściwości fizyczne, co determinuje sposób przetwarzania (Sikorski, 2007a). Rys Budowa anatomiczna marchwi i buraka ćwikłowego: 1 drewno, 2 miazga twórcza, 3 łyko, 4 dodatkowe pierścienie miazgi, 5 przyrastający miękisz. Marchew, buraki ćwikłowe oraz papryka pochodziły z lokalnego rynku, natomiast owoce wiśni w postaci odpestczonych mrożonek zakupiono w firmie Celiko S.A. w Poznaniu. Warzywa do momentu rozpoczęcia badań przechowywano w warunkach chłodniczych, w temperaturze około 4 C, bez dostępu światła, natomiast wiśnie przetrzymywano w zamrażalniku w temperaturze około -25 C. Materiały biologiczne bezpośrednio przed procesem suszenia myto i/lub w zależności od surowca, obierano w sposób mechaniczny i krojono nożem ceramicznym w plastry o określonych wymiarach, z których formowano próbki przy pomocy wykrawaczek o określonych wymiarach. Mrożone owoce wiśni przed suszeniem rozmrażano do temperatury pokojowej, tj. około 21 2 C. Zdjęcia próbek pokazano na rysunku 4.2. Materiał do suszenia przygotowano w następującej postaci: marchew: plastry (średnica D = 35 mm, grubość H = 5mm, masa wsadowa m 0 = 12,5 ± 0,5 g), burak ćwikłowy: plastry (średnica D = 53 mm, grubość H = 5 mm, masa wsadowa m 0 = 25 ± 0,5 g), 60

61 zielona papryka: paski (średnica D = 2 ± 0,5 mm, długość L = 80 ± 1 mm, masa wsadowa m 0 = 25 ± 0,5 g ), wiśnie (średnica D = 20 ± 2 mm, masa wsadowa m 0 = 40 ± 0,5 g). a) b) c) d) Rys Zdjęcia próbek surowców pochodzenia biologicznego: a marchew, b burak ćwikłowy, c zielona papryka, d wiśnia. Względną zawartość wilgoci w surowcach roślinnych wyznaczono korzystając z wagosuszarki XM120 firmy Precisa. Początkowa zawartość wilgoci (X 0 ) w przeliczeniu na materiał mokry w badanych materiałach wynosiła odpowiednio: marchew: X 0 = 88 2%, burak ćwikłowy: X 0 = 87 2%, zielona papryka: X 0 = 92 1%, wiśnie X 0 = 86 1%. 61

62 4.3. Stanowisko badawcze, aparatura i metodyka Badania eksperymentalne przeprowadzono w laboratorium Zakładu inżynierii Procesowej Politechniki Poznańskiej. Proces suszenia Testy suszenia konwekcyjnego prowadzono w laboratoryjnej komorowej suszarce konwekcyjnej 42/250/M firmy Zalmed (Polska), pracującej bez wymuszonego obiegu powietrza, zmodernizowanej na potrzeby suszenia zarówno w warunkach stałej oraz zmiennej temperatury i wilgotności powietrza. Schemat stanowiska badawczego przedstawiono na rysunku 4.3. Rys Schemat stanowiska badawczego: 1 - suszarka komorowa, 2 - próbka, 3 - czujnik temperatury i wilgotności powietrza, 4 czujnik emisji akustycznej (EA), 5 lanca parowa, 6 szalka, 7- termometr (termopara typu K), 8 - waga elektroniczna, 9 - chłodnica, 10 - nawilżacz, 11 - sterownik, 12 analizator parametrów sieci. Próbki z glinki kaolinowej umieszczano bezpośrednio na czujniku emisji akustycznej (czujnik piezoceramiczny). Oprócz tego, w skład aparatury EA wchodziły: przedwzmacniacz transmisyjny, wzmacniacz oraz impulsowy 62

63 przetwornik liniowy (ILC). Z kolei, materiały biologiczne układano na perforowanej teflonowej szalce w postaci pojedynczej warstwy. Ubytek masy suszonych surowców rejestrowano na wadze elektronicznej model WPS 2100/C firmy Radwag (Polska), o dokładności 0,01 g. Pomiaru temperatury oraz względnej wilgotności czynnika suszącego dokonywano za pomocą czujnika o dokładności 0,1 C i 0,01%, model DO9861T-R1 firmy Delta OHM (Włochy). Natomiast temperaturę suszonego materiału biologicznego w trakcie procesu mierzono za pomocą termometru (termopara typu K) o dokładności 0,1 C, model CENTER 309 firmy CENTER TECHNOLOGY CORP (Taiwan), umieszczonej wewnątrz dodatkowej próbki, której pomiar masy nie był rejestrowany. Cykliczne zmiany temperatury czynnika suszącego realizowano poprzez dostarczanie chłodniejszego powietrza z otoczenia o temperaturze 21 ± 2 C, z prędkością 1,1 m/s przez tylni otwór w komorze suszarki, wykorzystując do tego celu chłodnicę EVS060BED firmy ECO Refrigerazione (Włochy). Elementem umożliwiającym zmianę wilgotności powietrza był nawilżacz serii AT3000 model 434 firmy Nordmann Engineering AG (Szwajcaria), a generowana para wodna wprowadzana była do komory suszarki przez lancę parową model WO 20/06 firmy Nordmann Engineering AG. Czasowe zmiany parametrów czynnika suszącego programowano na sterowniku typu 512-AC-RC firmy Moeller Easy (Niemcy). Wszystkie pomiary rejestrowano w odstępie czasowym co pół minuty na komputerze wyposażonym w oprogramowanie SAPS (System Analizy Procesu Suszenia), opracowanego na Politechnice Poznańskiej i archiwizującego dane w połączeniu z kartą akwizycji danych. Zarówno przed jak i po procesie suszenia próbki badanego materiału ważono na wadze AJH-2200CE firmy VIBRA (Polska) i fotografowano aparatem Nikon model D90 (Japonia) i poddawano ocenie jakościowej. Każdy test suszenia przeprowadzono w dwóch powtórzeniach technologicznych. Na podstawie przeprowadzonych i zarejestrowanych pomiarów w programie komputerowym (SAPS) wykreślono krzywe kinetyki suszenia przedstawiające zmianę zawartości wilgoci (X) w czasie, a także krzywe temperaturowe obrazujące zmiany temperatury badanego materiału (T m ) oraz czynnika suszącego (T p ). Ubytek wilgoci, w przeliczeniu na materiał suchy, w trakcie procesu suszenia obliczono wg wzoru: X m mk (4.1) a m 0 gdzie: m a aktualna masa próbki [kg] m k masa próbki po suszeniu [kg] 63

64 m 0 masa początkowa próbki [kg] X ubytek wilgoci [kg/kg sm] Poniżej przedstawiono tok prowadzenia badań suszarniczych: etap I: suszenie w stałych warunkach (stała temperatura powietrza), etap II: dobór częstotliwości i amplitudy zmian temperatury lub wilgotności powietrza na podstawie analizy krzywej kinetyki suszenia uzyskanej w warunkach stałych, etap III: suszenie w warunkach zmiennych (okresowo zmienna temperatura lub wilgotność powietrza). Odwadnianie osmotyczne Odwadnianie osmotyczne prowadzono w zlewkach polipropylenowych o pojemności 500 ml w temperaturze pokojowej. Substancje osmotyczne odważano na wadze model AJH-2200CE firmy VIBRA (Polska), o dokładności 0,01g i mieszano z wodą demineralizowaną z wykorzystaniem mieszadła magnetycznego. Stosunek masowy badanego materiału do roztworu osmotycznego wynosił 1:4. W zależności od badanego surowca wykorzystano następujące roztwory wodne substancji osmoaktywnych: marchew: 40% i 60% roztwór fruktozy (czas odwadniania 120 min), burak ćwikłowy: 5% roztwór chlorku sodu (czas odwadniania 30 min), wiśnia: 60% roztwór glukozy (czas odwadniania 30 min). Masę substancji osmoaktywnej oraz wody demineralizowanej potrzebną do sporządzenia określonego stężenia roztworu osmotycznego obliczono ze wzoru: ms C p 100% (4.2) m m gdzie: s r C p stężenie roztworu osmotycznego [%] m s masa substancji osmoaktywnej [g] m r masa rozpuszczalnika (wody demineralizowanej) [g] 64

65 Odwadnianie osmotyczne wspomagane ultradźwiękami zastosowano tylko w przypadku marchwi oraz owoców wiśni. Proces dehydratacji osmotycznej marchwi z ultradźwiękami przeprowadzono z wykorzystaniem laboratoryjnej myjki ultradźwiękowej model SW3H (38 khz, 320 W) firmy Sonoswiss (Szwajcaria), przy nastawie programu sweep, tj. ciągła zmiana częstotliwości fali o ± 10%, w temperaturze czynnika osmotycznego 30 ± 2 C (rys. 4.4). Natomiast odwadnianie osmotyczne wiśni wspomagane ultradźwiękami wykonano w wannie ultradźwiękowej model IS-145 (25 khz, 700 W) firmy InterSonic (Polska) z włączoną funkcją mechanicznego mieszania, w temperaturze roztworu osmotycznego 28 ± 1 C (rys. 4.5). Proces osmozy wykonano w dwóch powtórzeniach. Rys Myjka ultradźwiękowa. Rys Wanna ultradźwiękowa. Efektywność, a zarazem kinetykę wymiany masy podczas odwadniania osmotycznego określono na podstawie wielkości takich jak przyrost suchej substancji SG [kg/kg mm] (ang. Solid Gain) oraz ubytku wody WL [kg/kg mm] (ang. Water Loss), w przeliczeniu na masę wilgotnego materiału. Parametry te obliczono zgodnie z poniższymi wzorami. Ponadto obliczono całkowity błąd SG i WL. SG s s m t i (4.3) i WL ( m m ) ( s s ) m i t t i (4.4) i gdzie: s i masa suchej próbki (bez obróbki osmotycznej) [kg] s t masa suchej próbki (po odwadnianiu osmotycznym) [kg] 65

66 m i masa próbki świeżej [kg] m t masa próbki po odwadnianiu osmotycznym [kg] Blanszowanie Proces obróbki wstępnej polegającej na blanszowaniu zastosowano tylko w przypadku buraka. Blanszowanie przeprowadzono w zbiorniku z gorącą wodą o temperaturze 95 ± 2 C przez 5 minut. Następnie próbki buraka umieszczano w zbiorniku z zimną wodą, by zatrzymać proces gotowania. Proces blanszowania wykonano w dwóch powtórzeniach. Rehydratacja Rehydratację przeprowadzono w suszonym buraku ćwikłowym zgodnie z metodą opisaną przez Witrową-Rajhert (1999). W tym celu próbki suszonego buraka o znanej masie umieszczano w zlewkach z wodą destylowaną (200 ml) o temperaturze pokojowej. Pomiar trwał 5 godzin. Kinetykę wchłaniania wody w trakcie rehydratacji kontrolowano w odstępie czasowym co 30 minut w pierwszej godzinie, a następnie co godzinę. Przyrost masy próbek określano przy użyciu wagi AJH-2200CE firmy VIBRA (Polska). Proces rehydratacji wykonano dwukrotnie. Pomiar całkowitej zmiany barwy (ΔE) oraz aktywności wody (a w ) Parametry barwy świeżych i suszonych materiałów mierzono instrumentalnie w układzie CIEL*a*b* kolorymetrem CR-400 (rys. 4.6) firmy Konica Minolta (iluminant D65, obserwator standardowy 2 ) (Japonia), wyposażonym w program komputerowy Color Data Software Spectra Magic NX CMs 100W (wersja 1.9). Każdorazowo przed wykonaniem pomiaru urządzenie zostało skalibrowane na białej płytce, w celu precyzyjnego określenia koloru badanej próbki. Pomiar zmiany barwy wykonywano trzykrotnie. Na podstawie zmierzonych parametrów barwy obliczono współczynnik całkowitej różnicy barw w odniesieniu do próby wyjściowej (ΔE) według wzoru (2.1). Aktywność wody biomateriałów mierzono z wykorzystaniem miernika aktywności wody (rys. 4.7) model 650/ firmy Testo (Niemcy) o dokładności 0,001, umieszczając małą próbkę w zamkniętej komorze aż do momentu osiągnięcia równowagi. Pomiar wykonano trzykrotnie. Ponieważ profile zawartości wilgoci w wysuszonym materiale muszą się wyrównać, pomiaru aktywności wody w próbkach dokonywano po 3 godzinach od momentu 66

67 zakończenia procesu suszenia. W przypadku zmiany barwy obliczono całkowity błąd ΔE, a dla aktywności wody średnią arytmetyczną i odchylenie standardowe. Rys Kolorymetr. Rys Miernik aktywności wody. Retencja naturalnych barwników i witaminy C Marchew β-karoten Zawartość β-karotenu w surowcu i suszu marchwiowym oznaczono zmodyfikowaną metodą opisaną w literaturze (Prakash i inni, 2004; Ranganna, 1986). W celu zbadania retencji β-karotenu, uprzednio zamrożony surowiec oraz susz rozdrabniano w młynku firmy IKA Werke GmbH & Co. KG (Niemcy) i sporządzano po 3 naważki, odpowiednio po 0,04 g i 0,005 g na precyzyjnej wadze AS 110/X firmy Radwag (Polska). W pierwszym etapie przeprowadzono ekstrakcję typu ciecz ciało stałe: probówki z naważkami zalewano 15 ml acetonu cz.d.a., szczelnie zamykano i przechowywano 24 h w ciemnym miejscu. Aby zwiększyć stopień ekstrakcji barwnika, próbki poddano homogenizacji (3 2 min) przy obr/min z użyciem laboratoryjnego homogenizatora model H 500 POL-ECO (Polska), za każdym razem zlewając klarowną fazę acetonową znad osadu do kolbek o pojemności 100 ml. W drugim etapie przeprowadzono ekstrakcję typu ciecz ciecz: do kolbek z fazą acetonową dodawano kolejno 10 ml eteru naftowego (40/60 cz.d.a.), 20 ml wody destylowanej i szczyptę siarczanu sodu (granulat) i pozostawiano na 30 min w ciemnym miejscu, w wyniku czego następował rozdział na dwie fazy górną eterową z barwnikiem oraz dolną wodno-acetonową. Następnie dokonano pomiaru absorbancji w spektrofotometrze UV-2401PC firmy Shimadzu (Niemcy) przy długości fali 449 nm wobec próby zerowej (eter naftowy). Z wartości absorbancji na krzywej wzorcowej odczytano zawartość β-karotenu wyrażoną w g/ml. Krzywą kalibracyjną przedstawiono na rysunku 4.8. Retencję tego barwika określono jedynie dla marchwi suszonej bez wstępnej obróbki osmotycznej. Na podstawie równania opisującego zależność absorbancji (y) od stężenia β-karotenu (x), 67

68 wyliczono zawartość tego barwnika w mg/100g suchego materiału, uwzględniając masę naważek oraz zawartość suchej substancji: 0,0558 x y (4.5) Rys Krzywa kalibracji β-karotenu. Burak ćwikłowy betanina Zawartość betaniny w próbkach buraka określono wg zmodyfikowanej metody Nilsona (Nilson, 1970) opartej na ekstrakcji tego barwnika w 0,1 M buforze fosforanowym o ph = 6,5. W tym celu uprzednio zamrożony surowiec oraz susz zmielono młynkiem IKA Werke, sporządzono po 3 naważki, odpowiednio o masie 7 g i 0,7 g, które przeniesiono do kolbek miarowych o pojemności 100 ml uzupełniając buforem do kreski, i pozostawiono na 24 h w ciemnym miejscu. Uzyskany ekstrakt przesączano na bibule filtracyjnej, i wówczas dokonano pomiaru absorbancji w spektrofotometrze UV-2401PC firmy Shimadzu, przy długości fali 538 nm wobec próby zerowej (bufor fosforanowy). Na rysunku 4.9 przedstawiono krzywą kalibracji betaniny. Rys Krzywa kalibracji betaniny. 68

69 Analogicznie jak w przypadku β-karotenu, zawartość betaniny w mg/100 g suchego materiału obliczono korzystając z równania krzywej kalibracji. Zielona papryka witamina C Zawartość witaminy C w zielonej papryce oznaczono zgodnie z metodą Tillmansa (Hirsch i inni, 1932). Metoda ta polega na utlenieniu kwasu L-askorbinowego do L-dehydroaskorbinowego za pomocą niebieskiego barwnika 2,6-dichlorofenoloindofenolu (DCIP). Roztwór barwnika przygotowano w następujący sposób: odważono 210 mg wodorowęglanu sodu oraz 250 mg barwnika, rozpuszczono w kolbie (500 ml) na gorąco w wodzie demineralizowanej (300 ml) o temperaturze 80 ± 2 C, a następnie ostudzono i uzupełniono do kreski. Roztwór barwnika przechowano w lodówce. Do sprawdzenia poprawności przygotowanego roztworu przeprowadzono tzw. próbę ślepą. W tym celu przygotowano standardowy roztwór kwasu askorbinowego: naważkę o masie 15 mg umieszczano w kolbie miarowej (250 ml) i zalano 250 ml 3% kwasu szczawiowego. Następnie pobierano pipetą 5 ml roztworu kwasu askorbinowego do zlewki i miareczkowano barwnikiem, aż do uzyskania zmiany barwy na kolor jasnoróżowy. Roztwory do próby ślepej wykonywano za każdym razem bezpośrednio przed jej oznaczaniem, ze względu na nietrwałość kwasu askorbinowego. Do oznaczenia zawartości witaminy C w próbkach zielonej papryki przygotowano po 3 naważki surowca (w postaci półpłynnej) o masie 10 g, oraz suszu o masie 0,5 g. Następnie próbki umieszczano w zlewkach, zalewano 3% kwasem szczawiowym (50 ml), przykrywano i odstawiano na 15 min w ciemne, chłodne miejsce. Po upływie tego czasu roztwór przesączano na bibule filtracyjnej, a do oznaczenia pobierano pipetą 5 ml przesączu. Następnie mieszając, miareczkowano dodając z biurety roztwór 2,6- dichlorofenoloindofenolu aż do wystąpienia lekko różowego zabarwienia, utrzymującego się przez 30 sekund. Miareczkowanie powtórzono trzykrotnie. Zawartość witaminy C (x) w mg/100g suchego materiału obliczono wg wzoru: (0,3 V p b) x 100 (4.6) ( n V V ) gdzie: i V objętość przesączu pobrana do miareczkowania [ml] V i objętość 2,6- dichlorofenoloindofenolu zużyta do miareczkowania próby ślepej [ml] V p objętość kwasu szczawiowego [ml] 69

70 b objętość 2,6- dichlorofenoloindofenolu zużyta do miareczkowania próbek [ml] n naważka [g] W przypadku analizy zawartości barwników i witaminy C obliczono wartości średnie i ich odchylenia standardowe. Analiza energochłonności Oceny energochłonności procesów suszenia zarówno w stałych jak i okresowo zmiennych warunkach dokonano na podstawie testów suszarniczych buraka ćwikłowego oraz zielonej papryki. Pomiar zużycia energii elektrycznej w trakcie każdego z programów suszarniczych rejestrowano co minutę za pomocą podłączonego do sieci elektrycznej analizatora parametrów sieci model MPR53S, firmy Entes (Turcja), z precyzją do 0,1 kwh. 70

71 5. Suszenie niestacjonarne materiałów ceramicznych monitorowane metodą emisji akustycznej Celem eksperymentu było zbadanie wpływu częstotliwości oraz amplitudy zmian parametrów powietrza na proces suszenia konwekcyjnego oraz jakość nasyconych materiałów kapilarno-porowatych, tj. glinki kaolinowej KOC. Zmiany destrukcyjne suszonego materiału, w postaci pęknięć i mikropęknięć, monitorowano on-line za pomocą metody emisji akustycznej (EA). Głównym celem tych badań było opracowanie niestacjonarnej metody suszenia materiałów porowatych, realizowanej w okresowo zmiennych warunkach, która następnie została z powodzeniem zastosowana do suszenia biomateriałów, tj. owoców i warzyw Dobór częstotliwości zmian parametrów suszenia Materiały kapilarno-porowate takie jak ceramika i drewno, często ulegają destrukcji podczas suszenia w ostrym reżimie. W przemyśle suszarniczym dużą uwagę przywiązuje się do szybkości suszenia, ale jednocześnie zapobiegania powstawaniu pęknięć, które istotnie wpływają na jakość tych produktów, a niekiedy dyskwalifikują je z dalszej obróbki. Główną przyczyną destrukcji są naprężenia suszarnicze generowane skurczem, w wyniku nierównomiernego rozkładu wilgoci i temperatury w suszonym materiale. Na podstawie wstępnych testów suszenia konwekcyjnego kaolinu w stałych warunkach, tj. w stałej temperaturze powietrza (T p = 100 ± 1 C) oraz zarejestrowanej aktywności emisji akustycznej (EA) stwierdzono, iż suszony materiał ulega destrukcji pod koniec pierwszego okresu suszenia CDRP (ang. constant drying rate period), tj. około w 120 min prowadzenia procesu (rys. 5.1). Ponadto, analiza rozkładu wilgoci podczas suszenia (Kowalski i inni 1992; Kowalski i Rybicki 1996) wykazała, iż najwyższy stopień jego niejednorodności występuje głównie pod koniec CDRP, gdzie pękanie jest najbardziej prawdopodobne, a zwłaszcza przy dużej prędkości suszenia. 71

72 Rys Krzywa suszenia kaolinu w stałych warunkach oraz całkowita energia EA. Aby doprowadzić do wyrównania wilgotności w suszonym materiale, i w ten sposób zapobiec jego zniszczeniu, pod koniec pierwszego okresu suszenia należy proces spowolnić. Z drugiej strony, aby nadmiernie nie wydłużać procesu suszenia, należy go ponownie przyspieszyć po określonym czasie relaksacji, czyli ujednorodnieniu rozkładu wilgotności. W pierwszym etapie badań zaproponowano różne częstotliwości zmian parametrów powietrza, tj. temperatury i wilgotności na początku drugiego okresu suszenia (FDRP) (ang. falling drying rate period), przy czym przez pierwsze 2 godziny suszenia proces prowadzono w stałych warunkach w temperaturze powietrza (T p = 100 C), by zapewnić możliwie szybką wymianę masy i ciepła (tab. 5.1). Każdy eksperyment trwał 360 min. Tabela 5.1. Programy częstotliwości zmian parametrów czynnika suszącego. Numer próbki Program zmian temperatury powietrza 60 min chłodzenia + 60 min grzania 50 min chłodzenia + 30 min grzania 40 min chłodzenia + 40 min grzania 4 zmiany nieregularne Liczba cykli 2 x chłodzenie + 2 x grzanie 3 x chłodzenie + 3 x grzanie 3 x chłodzenie + 3 x grzanie 3 x chłodzenie + 3 x grzanie Numer próbki Program zmian wilgotności powietrza 30 min nawilżania + 60 min grzania 15 min nawilżania + 60 min grzania 5 min nawilżania + 30 min grzania 8 zmiany nieregularne Liczba cykli 3 x nawilżanie + 3 x grzanie 3 x nawilżanie + 3 x grzanie 8 x nawilżanie + 8 x grzanie 2 x nawilżanie + 2 x grzanie Na rysunku 5.2 przedstawiono przykładowe krzywe suszenia kaolinu w warunkach niestacjonarnych, tj. przy częstotliwości zmian temperatury (50 min chłodzenia + 30 min grzania) i wilgotności (5 min nawilżania + 30 min grzania). Na krzywych suszenia oznaczono charakterystyczne etapy suszenia, tj. okres podgrzewania materiału H (ang. heating), a także pierwszy i drugi okres suszenia, odpowiednio CDRP (prosty odcinek krzywej) i FDRP (nieliniowy odcinek krzywej suszenia). Z kolei krzywe temperaturowe (T p ) i wilgotności powietrza 72

73 (X p ) obrazują zaprogramowane zmiany (chłodzenie grzanie, nawilżanie grzanie), wywołane naprzemiennym załączaniem chłodnicy, nawilżacza oraz suszarki. a) b) Rys Krzywe suszenia kaolinu w warunkach zmiennych: a częstotliwość zmian temperatury powietrza (50 30), b częstotliwość zmian wilgotności powietrza (5 30). Jak wynika z zaprezentowanej na krzywej suszenia rysunku 5.2a, dostarczanie chłodniejszego powietrza (T = 21 ± 1 C) do komory suszarki powoduje gwałtowny spadek temperatury. Spowalnia to chwilowo szybkość suszenia i powoduje kondensowanie się pary na powierzchni kaolinu, czego efektem jest wzrost masy próbki i schodkowy trend krzywej. Minimalna temperatura powietrza w okresie malejącej prędkości suszenia wynosiła średnio 28,7 ± 0,9 C, natomiast maksymalna (ze względu na bezwładność suszarki) 130 ± 0,7 C. Podczas suszenia w warunkach zmiennej wilgotności powietrza (rys. 5.2b), każdorazowe wtłaczanie pary wodnej z nawilżacza skutkowało jej kondensacją na powierzchni próbki, co znacznie silniej niż w przypadku zmian temperatury spowalniało szybkość suszenia. Maksymalna i średnia wartość wilgotności suszącego medium w FDRP wynosiły odpowiednio 84,25 ± 1,17% oraz 77,41 ± 6,03%. Na podstawie przeprowadzonych badań nie stwierdzono znaczniej różnicy w całkowitym czasie suszenia w poszczególnych testach ze zmienną częstotliwością parametrów suszącego medium, bowiem mimo okresowego spowolnienia czasu suszenia w okresie chłodzenia następowało jego znaczne przyspieszenie w okresie podgrzewania. Odnotowano jedynie różnice w końcowej masie suszonych próbek kaolinu, zwłaszcza po procesie prowadzonym z dużą intensywnością nawilżania podczas FDRP. Jednakże, diametralne różnice w sensie pozytywnym zaobserwowano w jakości uzyskanych produktów (rys. 5.3). W przypadku suszenia ze zmienną temperaturą powietrza o większej częstotliwości (próbka nr 2 i 3) uzyskano lepszą jakość kaolinu, redukując znacznie zjawisko pękania, w porównaniu z próbką suszoną w stałych warunkach (rys. 5.3a). Podobnie, po zastosowaniu większej częstotliwości zmian wilgotności powietrza (próbka nr 6) otrzymano dobrej jakości produkty. Natomiast najlepszej 73

74 jakości próbki bez widocznych pęknięć na powierzchni materiału, uzyskano po zaaplikowaniu krótkotrwałych cykli nawilżania (próbka nr 7). a) b) c) Rys Zdjęcia próbek kaolinu: a stała temperatura, b częstotliwość zmian temperatury (50 30), c częstotliwość zmian wilgotności powietrza (5 30) Dobór amplitudy zmian parametrów suszenia W drugim etapie badań podjęto próbę określenia wpływu amplitudy zmian temperatury oraz wilgotności czynnika suszącego zarówno na kinetykę suszenia, jak i końcową jakość produktów. Wykonano serię 4 eksperymentów (tab. 5.2). Cykliczną pracę chłodnicy bądź nawilżacza wprowadzano analogiczne jak w przypadku próbek nr 2 i 7 w 120 min trwania procesu suszenia, odpowiednio z zaprogramowanymi zmianami czasowymi tych parametrów, tj. (50-30) i (5-30). Tabela 5.2. Programy amplitudy zmian parametrów czynnika suszącego. Numer próbki Program zmian temperatury powietrza [ C] Liczba cykli 3 x chłodzenie + 3 x grzanie 3 x chłodzenie + 3 x grzanie Numer próbki Program zmian wilgotności powietrza [%] Liczba cykli 8 x nawilżanie + 8 x grzanie 8 x nawilżanie + 8 x grzanie Analiza krzywych suszenia uzyskanych w warunkach zmiennej temperatury powietrza wykazała, iż 20 C różnicy pomiędzy zaprogramowanymi amplitudami nie spowodowało istotnych zmian w przebiegu procesu suszenia. W obu przypadkach odnotowano jednakowy ubytek masy, tj. około 55g i otrzymano zbliżoną jakość próbek. Uzyskano także podobne krzywe suszenia kaolinu z różnym stopniem nawilżania powietrza, jednakże zaobserwowano istotne różnice w jakości próbek. Okresowe zmiany wilgotności o większej amplitudzie (próbka nr 11) zredukowały naprężenia suszarnicze w suszonym materiale, poprawiając tym samym jego jakość. Na rysunku 5.4 pokazano przykładowe krzywe suszenia kaolinu dla amplitudy zmian temperatury ( C) oraz wilgotności (15 60%) powietrza. 74

75 a) b) Rys Krzywe suszenia kaolinu w warunkach zmiennych: a amplituda zmian temperatury ( C), b amplituda zmian wilgotności (15 60%) powietrza. Po zastosowaniu różnej amplitudy temperatury suszącego medium, zaobserwowano, że otrzymane na tej drodze produkty charakteryzowały się zbliżoną ilością spękań na powierzchni, w porównaniu z próbkami suszonymi z różną częstotliwością chłodzenia i ogrzewania. Stwierdzono także, że próbki kaolinu suszone z różną amplitudą wilgotności powietrza posiadały mniej pęknięć na powierzchni, w stosunku do próbek suszonych z okresowo zmienną temperaturą. Zdjęcia kaolinu suszonego z w warunkach niestacjonarnych z zaprogramowaną amplitudą temperatury i wilgotności powietrza pokazano na rysunku 5.5. a) b) Rys Zdjęcia próbek kaolinu: a amplituda temperatury powietrza ( C), b amplituda wilgotności powietrza (15-60%) Skorelowanie EA z jakością suszonych produktów W badaniach nad zmianami strukturalnymi glinki kaolinowej wykorzystano deskryptory sumarycznej energii impulsów EA oraz intensywności energii impulsów w 30 sekundowych przedziałach czasowych. Na rysunku 5.6 przedstawiono zarejestrowaną aktywność EA oraz fotografie obrazujące rozwój zniszczenia suszonego kaolinu (próbka nr 10 i 11). 75

76 a) b) Rys Monitoring destrukcji kaolinu: a w okresowo zmiennej temperaturze, b w okresowo zmiennej wilgotności powietrza. Jak wynika z rysunku 5.6a większość impulsów EA pojawiła się okresie malejącej prędkości suszenia, jednakże rozwój destrukcji (pękania) odnotowano po 240 min suszenia. Impuls EA o największej wartości energii równej 0,079 [mv 2 s], zarejestrowany po 300 min świadczy o pojawieniu się szczeliny na powierzchni suszonej próbki, natomiast kolejne piki są efektem propagacji zniszczenia próbki, co dokładnie widać na zdjęciu z 360 min procesu suszenia. W przypadku glinki kaolinowej suszonej w warunkach zmiennej wilgotności powietrza (rys. 5.6b), zarejestrowano znacznie więcej sygnałów EA, jednakże o mniejszej energii. Impuls o najwyższej wartości energii w przedziale, tj. 0,04 [mv 2 s] odnotowano w 267 min trwania procesu suszenia. Należy tutaj podkreślić, że każdorazowe załączanie nawilżacza skutkowało pojawianiem się impulsów o wyższej energii. Ponieważ w tym przypadku suszony produkt charakteryzował się lepszą jakością, gdyż nie zaobserwowano wyraźnych szczelin na powierzchni próbki, stwierdzono, iż dostarczanie pary do układu zakłóca w dużym stopniu monitorowanie procesu suszenia metodą emisji akustycznej. Zatem, ze względu na dużą czułość aparatury akustycznej, nie zaleca się jej funkcjonowania z jednocześnie działającym nawilżaczem. 76

77 6. Suszenie marchwi w warunkach okresowo zmiennych Celem badań była analiza efektywności suszenia konwekcyjnego marchwi (Daucus carota L.) w warunkach okresowo zmiennych z punktu widzenia poprawy kinetyki oraz jakości suszonego produktu. Zbadano wpływ częstotliwości i amplitudy zmian temperatury powietrza suszącego oraz obróbki wstępnej polegającej na odwadnianiu osmotycznym ze wspomaganiem ultradźwiękowym na przebieg procesu suszenia (czas) oraz wybrane cechy jakościowe, a w szczególności zawartość naturalnego barwika (β-karotenu) oraz barwę suszu marchwi Suszenie konwekcyjne w stałych i zmiennych warunkach W pierwszym etapie badań przeprowadzono testy suszenia konwekcyjnego w stałych warunkach w temperaturze powietrza T p = 70 ± 2 C. Dobór temperatury czynnika suszącego podyktowany był wrażliwością na obróbkę termiczną tego biomateriału oraz brakiem stabilności karotenoidów, ulegających degradacji powyżej 80 C (von Loesecke, 1955). Ponieważ początkowa zawartość wilgoci w świeżej marchwi wynosi średnio 88 ± 2%, z tego względu temperatura suszącego medium powinna być możliwie jak najwyższa, by zapewnić stosunkowo szybką wymianę ciepła i masy. Marchew suszono do końcowej zawartości wilgoci, średnio 2 ± 0,5%. Na rysunku 6.1 przedstawiono krzywą suszenia uzyskaną w stałej temperaturze powietrza (T p ) oraz krzywą temperaturową suszonego materiału (T m ). Oznaczono również charakterystyczne etapy procesu suszenia, tj. okres podgrzewania materiału (H), okres stałej szybkości suszenia (CDRP) i okres malejącej szybkości suszenia (FDRP). Całkowity czas suszenia w warunkach stałych wyniósł średnio 382 ±4 min. Po około 120 min trwania procesu zaobserwowano spadek prędkości suszenia, wzrost temperatury suszonego materiału, a także około 50% ubytek masy próbek marchwi. 77

78 Rys Krzywa suszenia marchwi i profile temperatury w warunkach stałych. Moment ten obrano za koniec pierwszego okresu suszenia (CDRP), a zarazem początek drugiego okresu suszenia (FDRP), kiedy to rozkład wilgoci w suszonym materiale staje się nierównomierny i zachodzi niebezpieczeństwo jego destrukcji. Ze względu na dość szybkie tempo odprowadzania wilgoci z materiału w trakcie pierwszego okresu suszenia oraz stosunkowo wysoką zawartość początkową wilgoci w korzeniu marchwi zadecydowano, iż cykliczne zmiany temperatury suszącego medium będą wprowadzane dokładnie po 2 godzinach suszenia w stałej temperaturze. Celem tych badań było znalezienie optymalnego programu zmian temperatury powietrza w suszarce z punktu widzenia poprawy kinetyki, a w szczególności skrócenia całkowitego czasu suszenia, oraz poprawy cech jakościowych produktu. Ponieważ ideą suszenia przerywanego jest okresowe wyrównywanie rozkładu wilgoci i temperatury w suszonym materiale, co wiąże się z wydłużeniem całkowitego czasu obróbki termicznej surowca, zaproponowano kilka różnych konfiguracji zmian temperatury powietrza, tj. regularne zmiany (5 i 10-minutowe chłodzenia) o różnej częstotliwości oraz zmiany nieregularne ze stopniowo wydłużającym się okresem relaksacji (chłodzenia), tj. o różnej amplitudzie zmian. Łącznie zaproponowano 10 kombinacji czasowych zmian temperatury czynnika suszącego (tab. 6.1). W przypadku regularnych zmian minimalna temperatura powietrza w suszarce wynosiła 44 ± 2 C, a maksymalna 80 ± 1 C. Z kolei dla serii pomiarów z nieregularnymi zmianami, maksymalne i minimalne wartości temperatury uzależnione były od długości trwania okresów relaksacji. Najdłuższy okres chłodzenia wynosił 40 minut, co odpowiadało schłodzeniu komory suszarniczej do około 26 ± 3 C. 78

79 Tabela 6.1. Programy suszenia ze zmienną temperaturą powietrza. Nr próbki Programy zmian temperatury powietrza 5 min chłodzenia + 20 min grzania (5-20) 5 min chłodzenia + 30 min grzania (5-30) 5 min chłodzenia + 40 min grzania (5-40) 10 min chłodzenia + 50 min grzania (10-50) 5/5/10/10 min chłodzenia i 55/55/50/15 min grzania (5/5/10/10) 5/10/15 min chłodzenia i 55/50/87 min grzania (5/10/15) 5/10/15/20 min chłodzenia i 55/50/45/35 min grzania (5/10/15/20) 10/20/30 min chłodzenia i 50/40/105 min grzania (10/20/30) 15/25/35 min chłodzenia i 55/45/107 min grzania (15/25/35) 20/30/40 min chłodzenia i 60/50/90 min grzania (20/30/40) Ilość cykli 9 cykli chłodzenia + 9 cykli grzania 6 cykli chłodzenia + 6 cykli grzania 5 cykli chłodzenia + 5 cykli grzania 4 cykle chłodzenia + 4 cykle grzania 4 cykle chłodzenia + 4 cykle grzania 3 cykle chłodzenia + 3 cykle grzania 4 cykle chłodzenia + 4 cykle grzania 3 cykle chłodzenia + 3 cykle grzania 3 cykle chłodzenia + 3 cykle grzania 3 cykle chłodzenia + 3 cykle grzania Całkowity czas chłodzenia (min) Średni czas suszenia (min) ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 2 Na rysunku 6.2a pokazano przykładową krzywą suszenia oraz krzywe temperaturowe dla próbki suszonej w okresowo zmiennej temperaturze powietrza z 5-min okresem chłodzenia i 30-min okresem grzania. W trakcie okresu chłodzenia zawartość wilgoci w materiale gwałtownie maleje. Wilgoć znajdująca się na powierzchni suszonego materiału odparowuje, na skutek wtłaczania do układu chłodniejszego powietrza, natomiast wilgoć znajdująca się w głębszych warstwach przemieszcza się ku warstwom zewnętrznym, by następnie ulec odparowaniu w kolejnym okresie ogrzewania. Takie okresowe spadki wilgoci i temperatury determinują charakter krzywej suszenia, która przybiera trend schodkowy. Podczas okresów chłodzenia i grzania temperatura powietrza wahała się w granicach C. W drugim okresie suszenia temperatura marchwi stopniowo wzrasta wraz z ubytkiem wilgoci z materiału, jednakże w wyniku okresowego schładzania komory jest ona o C niższa w stosunku do temperatury powietrza, a ponadto nigdy nie osiąga maksymalnej temperatury suszenia. Przykładową krzywą suszenia oraz krzywe temperaturowe z nieregularnymi zmianami temperatury powietrza pokazano na rysunku 6.2b. 79

80 a) b) Rys Krzywe suszenia marchwi w warunkach zmiennej temperatury powietrza: a zmienna częstotliwość, b zmienna amplituda. W tym przypadku zastosowano kombinację trzech cykli chłodzenia o różnej długości, odpowiednio: 20, 30 i 40 minut. Z uzyskanej krzywej suszenia można wywnioskować, że długotrwałe okresy relaksacji znacznie zmniejszyły szybkość suszenia. W trakcie drugiego i trzeciego chłodzenia widoczne jest wręcz zahamowanie procesu, co wpływa na wydłużenie się całkowitego czasu suszenia, aż do 410 ± 2min. Dla nieregularnych zmian temperatury powietrza otrzymano analogiczny charakter krzywych suszenia. Jednakże, jak wynika z krzywych temperaturowych, stopniowo wydłużające się okresy chłodzenia spowodowały znacznie większy spadek temperatury zarówno powietrza w komorze suszarki jak i suszonej marchwi, odpowiednio o około 45 C i 18 C. W przypadku regularnych zmian temperatury powietrza uzyskano porównywalne czasy suszenia marchwi. Dla programu zmian z 5-min chłodzeniem i 30-min grzaniem uzyskano najkrótszy czas suszenia, tj. 323 ± 3 min, spośród wszystkich przeprowadzonych testów suszarniczych. Taki program zredukował całkowity czas prowadzenia procesu o około 1 godzinę, w stosunku do suszenia prowadzonego w stałych warunkach. Z kolei dla zmian nieregularnych zaobserwowano wyraźną zależność pomiędzy czasem suszenia, a całkowitym czasem chłodzenia. Zbyt długie cykle relaksacji zmniejszają prędkość suszenia, co dokładnie widać na przykładzie próby 9 i 10 (tab. 6.1). Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, iż najkorzystniejszymi warunkami suszenia korzenia marchwi są cykliczne, regularne zmiany temperatury powietrza o dużej częstotliwości, które pozwalają efektywnie odprowadzać wilgoć z materiału w trakcie drugiego okresu suszenia Suszenie konwekcyjne ze wstępną obróbką osmotyczną W kolejnym etapie badań przeprowadzono testy suszenia konwekcyjnego marchwi ze wstępną obróbką osmotyczną. Celem badań była poprawa kinetyki suszenia, a przede wszystkim skrócenie czasu obróbki termicznej za pomocą 80

81 gorącego powietrza, a tym samym podniesienie sprawności energetycznej procesu oraz jakości produktu. Zatem, aby uzyskać możliwie jak największy stopnień odwodnienia biomateriału w jak najkrótszym czasie, zaproponowano wodne roztwory hipertoniczne fruktozy o dość wysokich stężeniach procentowych tego cukru, wynoszących odpowiednio 40% i 60%. Proces odwadniania osmotycznego prowadzono w temperaturze roztworu 25 ± 1 C przez 120 minut. By jednak zwiększyć efektywność osmozy i suszenia konwekcyjnego, przeprowadzono dodatkowe badania z wykorzystaniem ultradźwięków, przy czym temperatura roztworu cukru na skutek generowanych wibracji ultradźwiękowych była wyższa o około 5 C, tj. 30 ± 2 C. Testy suszenia konwekcyjnego marchwi odwadnianej osmotycznie zrealizowano w stałej temperaturze czynnika suszącego 70 ± 2 C, oraz w zmiennych warunkach przy zastosowaniu programu zmian (5 30). Wykonano po dwa powtórzenia technologiczne. Na rysunku 6.3 zaprezentowano krzywe suszenia marchwi w stałych warunkach po osmozie w 40% roztworze fruktozy. a) b) Rys Krzywe suszenia marchwi w stałych warunkach po odwadnianiu osmotycznym (40%): a - bez ultradźwięków, b z ultradźwiękami. Całkowity czas suszenia marchwi po odwanianiu osmotycznym bez ultradźwięków w 40% roztworze fruktozy wyniósł średnio 265 ± 6 min, co oznacza, że w stosunku do procesu suszenia w stałych w warunkach bez obróbki osmotycznej, skrócił się o około 120 min. Stosunkowo wysokie stężenie cukru w roztworze osmotycznym zredukowało początkową zawartość wilgoci z około 7,48 do 2,23 [kgkg -1 sm] (por. rys.6.1 i 6.3a). Jak wynika z krzywej kinetyki suszenia oraz krzywej temperatury marchwi, usuwanie wilgoci miało głownie miejsce w drugim okresie suszenia, zaraz po krótkim okresie podgrzewania. W przypadku procesu prowadzonego ze wstępnym odwanianiem osmotycznym wspomaganym ultradźwiękami, zawartość wilgoci w marchwi spadła do około 1,76 [kgkg -1 sm], a czas suszenia konwekcyjnego skrócił się do 220 ± 3 min (rys. 6.3b). Testy suszarnicze przeprowadzone po odwadnianiu osmotycznym w 60% roztworze fruktozy wykazały, iż wyższe stężenie cukru spowodowało jeszcze większy ubytek wilgoci, maksymalnie do około 1,22 [kgkg -1 sm], a czasy suszenia po zastosowaniu ultradźwięków wyniosły odpowiednio 220 ± 5 min oraz 81

82 205 ± 3 min. Efektywność odwaniania osmotycznego porównano na podstawie charakterystycznych parametrów SG oraz WL (tab. 6.2). Tabela 6.2. Parametry odwadniania osmotycznego. Warunki procesu SG [kgkg -1 mm] WL [kgkg -1 mm] Odwadnianie osmotyczne (40%) 0.08± ± Odwadnianie osmotyczne (40%) + ultradźwięki 0.10± ± Odwadnianie osmotyczne (60%) 0.12± ± Odwadnianie osmotyczne (60%) + ultradźwięki 0.14± ± Zaobserwowano wyraźną różnicę pomiędzy wartościami SG oraz WL uzyskanymi w przypadku odwaniania osmotycznego prowadzonego bez i ze wspomaganiem ultradźwiękowym. Jak wynika z danym zaprezentowanych w tabeli 6.2, zastosowanie ultradźwięków zwiększyło zarówno ubytek wilgoci z materiału o około 2%, jak również zawartość cukru w marchwi o około 11 i 7%, odpowiednio dla 40 i 60% stężenia cukru w roztworze osmotycznym. Oznacza to, że aplikacja ultradźwięków pozytywnie wpłynęła na wydajność osmozy. Jednakże, jak wskazują wartości WL, 20% wzrost stężenia cukru w roztworze w połączeniu ze wspomaganiem ultradźwiękowym zwiększa zawartość suchej substancji i zmniejsza dyfuzję wilgoci. W kolejnym etapie badań przeprowadzono testy suszenia konwekcyjnego w zmiennej temperaturze powietrza marchwi odwadnianej osmotycznie. Celem tych eksperymentów było zbadanie wpływu obróbki osmotycznej oraz ultradźwięków na przebieg suszenia konwekcyjnego w warunkach okresowo zmiennych. Ponieważ proces osmozy zredukował znacznie początkową zawartość wilgoci w marchwi zadecydowano, iż zmiany temperatury powierza suszącego wprowadzane będą po 60 min suszenia w stałej temperaturze powietrza 70 ± 2 C. Rysunek 6.4 obrazuje kinetykę suszenia ze zmienną temperaturą powietrza marchwi odwadnianej osmotycznie w 40% roztworze fruktozy. Całkowity czas suszenia wyniósł odpowiednio 237 ± 4 min (rys.6.4a) oraz 210 ± 2 min po aplikacji ultradźwięków (rys.6.4b), co oznacza że w porównaniu z procesami prowadzonymi po osmozie w stałych warunkach skrócił się o około 30 min, i tylko o około 10 min w przypadku testu suszenia marchwi odwadnianej ze wspomaganiem ultradźwiękowym (por. rys. 6.3). W przypadku suszenia marchwi odwadnianej osmotycznie w 60% roztworze fruktozy, czas suszenia w warunkach okresowo zmiennych wyniósł 215 ± 2 min oraz 200 ± 3 min. 82

83 a) b) Rys Krzywe suszenia marchwi w warunkach zmiennych po odwadnianiu osmotycznym (40%): a - bez ultradźwięków, b z ultradźwiękami. Zatem odnotowano jedynie niewielką poprawę czasu suszenia (do ok. 25 min) w porównaniu z testami suszenia prowadzonymi w zmiennych warunkach na marchwi odwadnianej roztworze o mniejszym stężeniu. Jednakże, jak potwierdziły wyniki badań, najkrótszy czas suszenia uzyskano po osmozie z ultradźwiękami w 60% roztworze fruktozy, co ostatecznie pozwoliło zredukować czas suszenia gorącym powietrzem o około 3 godziny, w stosunku do procesu realizowanego w stałej temperaturze bez obróbki wstępnej (por. rys. 6.1) Ocena jakości produktu Badanymi wyróżnikami jakości dla otrzymanego suszu marchwi były: zmiana barwy (ΔE), aktywność wody (a w ) oraz zawartość (retencja) β-karotenu po procesie suszenia. Całkowita zmiana barwy (ΔE) Jak donosi literatura (Sikorski, 2007a), degradacja barwników karotenoidowych podczas przetwarzania produktów żywnościowych prowadzi do powstawania form mniej aktywnych biologicznie i objawia się zmianami sensorycznymi, m.in. rozjaśnieniem. Efekt jaśniejszej barwy (wzrost parametru L*) zaobserwowano w przypadku wszystkich próbek marchwi suszonych zarówno w stałej jak i zmiennej temperaturze powietrza. Na rysunku 6.5 zaprezentowano przykładowe zdjęcia suszonych próbek marchwi po suszeniu konwekcyjnym bez i z obróbką osmotyczną. Proces suszenia gorącym powietrzem o stałej temperaturze ok. 70 C spowodował deformację i silny skurcz biomateriału, a ponadto powierzchnia marchwi stała się twarda, szorstka i znacznie utraciła naturalny kolor surowca (por. rys. 4.2a i 6.5a). Próbka marchwi wstępnie odwadniania osmotycznie w 40% roztworze sacharozy, poddana suszeniu w warunkach zmiennych diametralnie różni się od próbki suszonej czysto konwekcyjnie (rys. 6.5b). W tym przypadku, barwa i tekstura 83

84 marchwi po suszeniu zmieniła się w mniejszym stopniu. Wizualnie najlepszy materiał uzyskano jednakże po suszeniu w zmiennych warunkach po osmozie z ultradźwiękami. Pomimo deformacji, materiał ten zachował w dużym stopniu kolor surowca. a) b) c) Rys Zdjęcia próbek marchwi po suszeniu: a stałe warunki, b zmienne warunki po osmozie (40%), c zmienne warunki po osmozie z ultradźwiękami (40%) Jak wynika z pomiarów zaprezentowanych na rysunku 6.6, najwyższą wartością całkowitej zmiany barwy ΔE = 14,13 ± 0,43, charakteryzowała się próbka suszona w stałych warunkach. W przypadku wszystkich próbek marchwi suszonych w warunkach okresowo zmiennych uzyskano mniejsze wartości ΔE, w stosunku do marchwi suszonej w warunkach stacjonarnych, a wartości te wahają się w granicach od 8,77 ± 0,60 do 12,11 ± 0,68. Jednakże dla regularnych zmian temperatury powietrza otrzymano znacznie niższe wartości całkowitej zmiany barwy niż w przypadku zmian nieregularnych. Taka różnica barwy wynika z redukcji czasu ogrzewania biomateriału, a ściśle mówiąc z dynamicznego dostarczania chłodnego strumienia powietrza do komory suszarki. Ponieważ stabilność barwników karotenoidowych zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury suszenia, cykliczne obniżanie temperatury suszącego medium w dowolnie zaprogramowany sposób, zmniejsza stopień degradacji barwy i wpływa na poprawę koloru suszonego produktu. 84

85 Rys Całkowita zmiana barwy marchwi. Wyniki badań całkowitej zmiany barwy marchwi odwadnianej osmotycznie z i bez wspomagania ultradźwiękowego z dosuszaniem konwekcyjnym pokazano na rysunku 6.7. Rys Całkowita zmiana barwy marchwi odwadnianej osmotycznie (+ud wspomaganie ultradźwiękami). W przypadku marchwi odwadnianej osmotycznie w 40% i 60% roztworach fruktozy i suszonych w warunkach stałej temperatury powietrza, uzyskano ponad dwukrotnie niższe wartości całkowitej zmiany barwy, tj. od 6,16 ± 0,26 do 5,66 ± 0,30 oraz od 5,67 ± 0,17 do 4,02 ± 0,18, po zastosowaniu osmozy z ultradźwiękami. Z kolei dla próbek marchwi odwadnianych osmotycznie i suszonych w warunkach zmiennej temperatury powietrza wartości ΔE były od 3 do 5 razy niże, co oznacza, że zastosowanie obróbki wstępnej polegającej na odwadnianiu osmotycznym nie tylko zredukowało czas suszenia konwekcyjnego, ale i pozwoliło zachować naturalną barwę surowca. Jednakże najlepszej jakości biomateriał, z punktu widzenia zmiany barwy uzyskano w połączeniu techniki 85

86 osmozy wspomaganej ultradźwiękami z dosuszaniem konwekcyjnym w warunkach niestacjonarnych. Najniższą wartością ΔE charakteryzowały się próbki marchwi odwadniane w 60% roztworze fruktozy z ultradźwiękami, suszone w okresowo zmiennej temperaturze powietrza, tj. 2,94 ± 0,20. Zatem dowiedziono, iż odwadnianie osmotyczne wspomagane ultradźwiękowo w połączeniu z suszeniem konwekcyjnym w cyklicznie zmieniającej się temperaturze medium suszącego zapobiega degradacji naturalnych barwników i pozwala zachować atrakcyjny kolor suszu. Aktywność wody (a w ) Aktywność wody zawartej w produktach żywnościowych wpływa na wiele czynników, które decydują o ich trwałości, a m.in. o rozwoju mikroflory. Suszenie, jako jedna z metod utrwalania żywności pozwala skutecznie zredukować aktywność wody, a tym samym ograniczyć wiele niekorzystnych przemian mikrobiologicznych. W tabeli 6.3 zestawiono wyniki pomiarów aktywności wody w marchwi suszonej w stałych i zmiennych warunkach. Tabela 6.3. Aktywność wody przed i po procesie suszenia marchwi. Jak wynika z powyższej tabeli, aktywność wody w świeżym korzeniu marchwi jest bliska jedności i wynosi średnio 0,97 ± 0,00, natomiast średnia wartość aktywności wody ze wszystkich testów suszarniczych po procesie suszenia marchwi wynosi 0,59 ± 0,03. Z kolei najniższą wartość a w uzyskano w przypadku programu zmian temperatury powietrza (5 30), tj. 0,49 ± 0,06. Zaobserwowano również, że dla próbek marchwi suszonych z krótkimi okresami chłodzenia otrzymano nieco niższe wartości aktywności wody, co świadczy o zablokowaniu ruchliwości niektórych składników i trwałości suszu. Ponadto, dla większości rozpatrywanych zmian temperaturowych czynnika suszącego 86

87 uzyskano aktywność wody mniejszą niż 0,6. Z jednej strony, oznacza to zahamowanie wielu szkodliwych reakcji biochemicznych oraz rozwoju niektórych grzybów i pleśni, a z drugiej strony nie wyklucza jednak nieenzymatycznego brązowienia. Im wyższa aktywność wody, tym większe prawdopodobieństwo wystąpienia reakcji Maillarda, gdzie maksimum tych reakcji mieści się w przedziale a w od 0,5 do 0,8. Wyniki pomiarów aktywności wody dla próbek marchwi odwadnianych osmotycznie i suszonych konwekcyjnie w stałych i zmiennych warunkach przedstawiono na rysunku 6.8. Rys Zmiana aktywności wody marchwi odwadnianej osmotycznie po procesie suszenia (+ud ultradźwięki). Jak wynika z danych zaprezentowanych powyżej, aktywność wody próbek marchwi odwadnianych osmotyczne z dosuszaniem konwekcyjnym uległa redukcji z wartości 0,97 ± 0,01 do 0,40 ± 0,02. Zatem proces osmozy nie tylko obniżył zawartość wody w marchwi, ale i znacznie obniżył jej aktywność. Ponadto zaobserwowano, że próbki marchwi odwadniane osmotycznie ze wspomaganiem ultradźwiękowym charakteryzują się nieco niższą wartością a w. Najmniejszą aktywność wody odnotowano w przypadku marchwi odwadnianej w 60% roztworze fruktozy z ultradźwiękami i suszonej w warunkach zmiennej temperatury powietrza, tj. 0,33 ± 0,02, co oznacza spadek aktywności o około 0,20 w stosunku do próbki suszonej czysto konwekcyjnie. Ponieważ, próbki marchwi suszone konwekcyjnie w warunkach zmiennych ze wstępnym odwadnianiem w 60% roztworze cukru z ultradźwiękami wykazały najmniejszą aktywność wody ze względu na wyższą zawartość cukru (SG) spośród wszystkich zrealizowanych testów suszenia, stwierdzono iż taki sposób usuwania wilgoci z biomateriałów jest najbardziej efektywny i zapewnia lepszą trwałość suszu. 87

88 Retencja β-karotenu Ważnym aspektem przetworzonych produktów żywnościowych, oprócz własności sensorycznych takich jak atrakcyjny wygląd, barwa, smak, jest zawartość substancji odżywczych. Suszenie konwekcyjne powoduje znaczą utratę składników odżywczych, naturalnych barwników i witamin, jednakże zmodyfikowanie metody suszenia może przyczynić się do większego zachowania tych cennych elementów. Retencję, a zatem zachowaną zawartość β-karotenu w suszu marchwi, przedstawiono w procentach (rys. 6.9), w odniesieniu do zawartości początkowej w surowcu przed suszeniem. Rys Retencja β-karotenu w marchwi w zależności od zmian temperatury powietrza. W przypadku suszenia w okresowo zmiennych warunkach największy ubytek zawartości β-karotenu zaobserwowano dla nieregularnych zmian temperatury powietrza, a retencja β-karotenu wynosi 61 68%. Oznacza to, że straty tego składnika po suszeniu ze zmienną amplitudą temperatury czynnika suszącego wyniosły 32 39%. Po procesie suszenia z regularnymi zmianami temperatury, próbki marchwi charakteryzowały się znacznie wyższą zawartością tego składnika niż w przypadku zmian nieregularnych, tj. od około73 do 92%, co oznacza straty tego barwnika na poziomie 8 27%. W przypadku zastosowania programu zmian z 5-min chłodzeniem oraz 20-min ogrzewaniem, uzyskano najwyższą zawartość barwnika w próbkach marchwi, a dokładnie 92,39 ± 5,09%. Należy zauważyć, że w przypadku suszenia stacjonarnego uzyskano podobne wartości retencji β-karotenu, jak przy zmianach amplitudy temperatury powietrza. Jak wynika z obliczeń zaprezentowanych na rysunku 6.9, wartości te są porównywalne i wynikają przede wszystkim z długotrwałej obróbki termicznej. Zatem retencja β-karotenu zależy w dużym stopniu zarówno od częstotliwości oraz amplitudy zmian parametrów suszenia. Bezpośredni wpływ na zawartość tego barwnika w suszu marchwi ma także czas suszenia. Porównując retencję β-karotenu z czasem suszenia, można zauważyć że dla zmian regularnych 88

89 o dużej częstotliwości, dla których czas suszenia był najkrótszy, udało się zachować znacznie więcej tego barwika. Ponadto, degradacja β-karotenu jest efektem przegrzewania się marchwi. Dlatego też dla regularnych zmian temperatury czynnika suszącego, gdzie temperatura suszonego materiału przez dłuższy okres czasu utrzymywała się poniżej 50 C, zaobserwowano najmniejsze straty tego składnika. 89

90 7. Suszenie buraka ćwikłowego w warunkach niestacjonarnych Głównym celem badań było przeanalizowanie wpływu zmiennych warunków suszenia buraka ćwikłowego (Beta vulgaris L.) w zakresie dwóch różnych temperatur czynnika suszącego oraz programów zmian o różnej częstotliwości na wybrane cechy jakościowe, takie jak całkowita zmiana barwy, aktywność wody, zawartość betaniny oraz zdolność do rehydratacji. Dla najlepszego programu suszenia z punktu widzenia kinetyki suszenia i jakości produktu podjęto dodatkowo próbę zastosowania obróbki wstępnej surowca polegającej na odwadnianiu osmotycznym oraz blanszowaniu. Ponadto zbadano możliwość redukcji zużycia energii elektrycznej w procesie suszenia prowadzonego w warunkach niestacjonarnych w stosunku procesu realizowanego w warunkach stacjonarnych Kinetyka suszenia W pierwszej kolejności przeprowadzono testy suszenia konwekcyjnego buraka ćwikłowego w stałych warunkach. Ponieważ w wysokich temperaturach betanina, naturalny barwik występujący w burakach ćwikłowych degraduje i traci swoją aktywność biologiczną, zdecydowano się na prowadzenie procesu suszenia w temperaturze równej 70 ±0,5 C (rys. 7.1a), jako maksymalnej, a zrazem względnie bezpiecznej dla biomateriałów wrażliwych na ogrzewanie. Następnie wykonano testy suszenia w temperaturze 80 ± 1 C (rys. 7.1b), w celu określenia wpływu podwyższonej temperatury na kinetykę oraz jakość suszu. Materiał suszono do końcowej zawartości wilgoci, średnio 3 ± 1%. Podczas procesu suszenia w warunkach stałej temperatury powietrza, a zwłaszcza w jego początkowym stadium zaobserwowano stosunkowo dużą prędkość suszenia, co spowodowało nierównomierny rozkład wilgoci, a w konsekwencji nadmierny skurcz suszonego materiału. W przypadku suszenia w warunkach stacjonarnych uzyskano najdłuższe czasy suszenia spośród wszystkich testów suszarniczych, odpowiednio 423 ± 4 min oraz 305 ± 3 min w temperaturze równiej 70 C i 80 C. 90

91 a) b) Rys Krzywe suszenia buraka ćwikłowego w stałej temperaturze: a - 70 C, b - 80 C. Jak wynika z zaprezentowanych krzywych suszenia, zwiększenie temperatury powietrza o 10 C spowodowało skrócenie czasu suszenia o około 2 godziny. Jednakże, w obu przypadkach otrzymano suszony produkt charakteryzujący się niską jakością. W związku z tym, w kolejnym etapie badań podjęto próbę modyfikacji warunków suszenia, celem uzyskania optymalnego programu zmian temperatury powietrza, z punktu widzenia kinetyki (skrócenia czasu suszenia) oraz poprawy jakości suszu. Na podstawie wyżej zaprezentowanych krzywych suszenia oraz krzywych temperaturowych stwierdzono, iż w pierwszym okresie suszenia nie jest konieczne wprowadzanie zmian warunków suszenia. Okres ten, zwany okresem stałej prędkości suszenia (CDRP) charakteryzuje się wysoką zawartością wilgoci w buraku ćwikłowym, co powoduje ciągły dopływ wilgoci siłami kapilarnymi do powierzchnia buraka. Zatem, powierzchnia buraka jest w tym okresie pokryta warstwą filmu cieczy i odparowanie wilgoci następuje tak jak z otwartego lustra cieczy. Ponadto zaobserwowano, że w trakcie okresu stałej prędkości suszenia, próbki buraka utraciły około 50% swojej masy. Zatem zmiany warunków suszenia poprzez okresowe zmiany temperatury czynnika suszącego, zdecydowano się wprowadzić dopiero na początku okresu malejącej prędkości suszenia (FDRP), a dokładnie w 170 min w przypadku suszenia w temperaturze 70 C oraz w 120 min, podczas suszenia w 80 C. Jednakże, biorąc pod uwagę możliwość wydłużenia całkowitego czasu prowadzenia procesu, postanowiono przetestować dwa programy zmian temperatury powietrza o zróżnicowanej częstotliwości zmian, a mianowicie z 5-min chłodzeniem i 25-min grzaniem oraz 10-min chłodzeniem i 40-min grzaniem, czyli z krótkotrwałym 5-min i 10-min okresem relaksacji. Na rysunku 7.2 pokazano przykładowe krzywe suszenia buraka ćwikłowego oraz profile temperatury w warunkach okresowo zmiennej temperatury powietrza. Okresowe obniżanie temperatury czynnika suszącego spowodowało chwilowe zmniejszenie prędkości suszenia, a tym samym obniżenie temperatury 91

92 suszonych próbek, o czym świadczy schodkowy trend krzywych suszenia oraz krzywych temperatury suszonego materiału (T m ). a) b) Rys Krzywe suszenia buraka ćwikłowego w warunkach zmiennych: a program (10-40) dla 70 C, b program (10-40) dla 80 C. Jednakże w trakcie cyklu chłodzenia, do komory suszarniczej wtłaczane było chłodne powietrza o mniejszej bezwzględnej wilgotności. Wskutek ogrzania tego powietrza w następnym cyklu, jego wilgotność względna drastycznie spadała, co skutkowało nagłym wzrostem prędkości suszenia, co można zaobserwować na krzywych suszenia. Efektem cyklu chłodzenie-ogrzewanie był widoczny znaczny spadek zawartości wilgoci w próbkach, co pozytywnie wpłynęło na skrócenie całkowitego czasu suszenia do 361 ± 4 oraz 250 ± 5 min, odpowiednio dla procesu prowadzonego w warunkach okresowo zmiennych z temperatura bazową powietrza 70 C i 80 C. Takie cykliczne zmiany temperatury powietrza nie tylko spowodowały skrócenie całkowitego czasu suszenia, ale również zabezpieczyły materiał przed przegrzewaniem, a tym samym utratą jakości. W przypadku zastosowanego programu zmian z 5-min chłodzeniem i 25-min grzaniem uzyskano czasy suszenia próbek buraka wynoszące średnio 356 ± 5 min oraz 251 ± 3 min, odpowiednio dla temperatury bazowej powietrza równej 70 C i 80 C. A zatem, zmodyfikowanie procesu suszenia poprzez cykliczne chłodzenie umożliwiło skrócenie czasu suszenia w dwóch różnych temperaturach o około 1 godzinę w stosunku do suszenia w stałych warunkach. Ponieważ próbki suszonego buraka uzyskane po procesie suszenia w 80 C ze zmianami (10 40) charakteryzowały się najmniejszą wartością całkowitej zmiany barwy (ΔE), postanowiono zbadać dodatkowo efektywność tego programu suszenia w połączeniu ze wstępną obróbką surowca polegającą na blanszowaniu (rys. 7.3a) i odwadnianiu osmotycznym w 5% roztworze chlorku sodu (rys. 7.3b). Jak wynika z zaprezentowanych krzywych suszenia, całkowity czas suszenia buraka w warunkach zmiennej temperatury powietrza po blanszowaniu wyniósł średnio 280 ± 2 min, a zatem wydłużył się o około 25 min w stosunku do procesu przeprowadzonego bez obróbki wstępnej (por. rys. 7.2b). 92

93 a) b) Rys Krzywe suszenia w okresowo zmiennych warunkach (10-40): a burak blanszowany, b- burak odwadniany osmotycznie. Natomiast w wyniku zastosowania wstępnego odwadniania osmotycznego surowca przed suszeniem w warunkach okresowo zmiennych (rys.7.3b), nastąpiło zmniejszenie początkowej zawartości wilgoci, a całkowity czas obróbki termicznej buraka wyniósł średnio 238 ± 3 min. W tym przypadku uzyskano najkrótszy czas suszenia spośród wszystkich testów suszarniczych buraka, a ponadto suszony materiał w dużym stopniu zachował naturalny kolor oraz kształt Aspekt jakościowy Jakość suszonego buraka ćwikłowego oceniono na podstawie wybranych wskaźników jakości, takich jak całkowita zmiana barwy, aktywność wody, zawartość betaniny, a także w oparciu o zdolność suszu do rehydratacji. Całkowita zmiana barwy (ΔE) Pierwszym analizowanym wskaźnikiem jakości po procesie suszenia buraka była całkowita zmiana barwy. Ocena kolorymetryczna polegała na porównaniu różnicy parametrów barwy ΔL*, Δa* oraz Δb*, pomiędzy materiałem świeżym a wysuszonym (tab. 7.1). Tabela 7.1. Parametry barwy suszonych buraków po procesie suszenia. Jak wynika z zaprezentowanych wyników pomiarów parametrów barwy, dość wysoka temperatura czynnika suszącego w procesach prowadzonych w stałych 93

94 warunkach, doprowadziła do częściowego rozkładu betaniny w suszonym buraku ćwikłowym, o czym świadczy wzrost składowej barwy L* oraz spadek parametru a* (kolor czerwony). Największą wartość parametru jasności odnotowano w przypadku próbki suszonej w stałej temperaturze 80 C, tj. około 17. Znacznie niższą wartością ΔL* charakteryzowały się próbki suszone w warunkach zmiennych ze wstępną obróbką polegającą na blanszowaniu i odwadnianiu osmotycznym, tj. od ok. 5 do 7,5. Jednakże, tylko w przypadku próbek buraka wstępnie blanszowanych i suszonych w okresowo zmiennej temperaturze powietrza (10 40) w 80 C zaobserwowano niewielką zmianę parametrów L* oraz a*. Na rysunku 7.4 pokazano wartości całkowitej zmiany barwy (ΔE). Rys Całkowita zmiana barwy buraka ćwikłowego. Ponieważ próbki buraka suszone w warunkach stałej temperatury powietrza charakteryzowały się najwyższą wartością parametru L*, dlatego też w ich przypadku odnotowano najwyższe wartości całkowitej zmiany barwy, odpowiednio 16,51 ± 0,36 po suszeniu w temperaturze 80 C oraz 13,70 ± 0,60 po suszeniu w temperaturze 70 C. Z kolei, dla próbek suszonych w warunkach okresowo zmiennej temperatury powietrza, zarówno przy zastosowaniu programu zmian z 5-min chłodzeniem oraz 10-min chłodzeniem, zaobserwowano znacznie niższe wartości ΔE, w granicach 13,47 9,44. Jak wynika z powyżej zaprezentowanych pomiarów, najmniejszą zmianę koloru uzyskano w przypadku próbki blanszowanej oraz odwanianej osmotycznie i poddanej suszeniu ze zmianami (10 40) w 80 C. Wartości te wyniosły odpowiednio 9,42 ± 0,10 oraz 5,15 ± 0,09. Na rysunku 7.5 zaprezentowano przykładowe zdjęcia próbek suszonego buraka ćwikłowego w warunkach stacjonarnych i niestacjonarnych. Najwyższym stopniem degradacji barwy, a także zdeformowaną i utwardzoną powierzchnią charakteryzowała się próbka suszona w stałej temperaturze 80 C (rys. 7.5a). W przypadku próbek buraka suszonych w zmiennych warunkach bez i z obróbką wstępną (blanszowanie i osmoza), zaobserwowano znaczną poprawę koloru 94

95 i tekstury biomateriału, co potwierdziły także badania całkowitej zmiany barwy ΔE (por. rys. 7.4). Wizualnie, najlepszej jakości próbki otrzymano na drodze suszenia ze zmianami (10 40) w bazowej temperaturze powietrza 80 C ze wstępnym blanszowaniem surowca (rys. 7.5d). a) b) c) d) Rys Zdjęcia suszonego buraka ćwikłowego: a stała temperatura 80 C, b zmienna temperatura 80 C (10-40), c osmoza + zmienna temperatura 80 C (10-40), d blanszowanie + zmienna temperatura 80 C (10-40). Na podstawie analizy wizualnej suszonego produktu oraz wyników pomiarów całkowitej zmiany barwy stwierdzono, iż redukcja czasu ogrzewania biomateriału wynikająca ze okresowej zmiany temperatury medium suszącego, jak również aplikacja zabiegów wstępnych przed procesem suszenia, pozwoliły w dużym stopniu zachować naturalną barwę buraka ćwikłowego. Aktywność wody (aw) Przy niskich wartościach aktywności wody mobilność niektórych składników w żywności ulega zmniejszeniu, co prowadzi do zwiększenia trwałości i odporności biomateriału na procesy gnilne. W tabeli 7.2 porównano zawartość wilgoci suszonych próbek buraka ćwikłowego z pomiarami aktywności wody po procesie suszenia. Średnia wartość aktywności wody w świeżych próbkach buraka ćwikłowego wyniosła 0,97 ± 0,00. Jak wynika z zestawionych w tabeli poniżej obliczeń i pomiarów, większość próbek po procesie suszenia, zarówno w stałych 95

96 jak i zmiennych warunkach, charakteryzuje się końcową zawartością wilgoci równą 0,03 ± 0,01 [kgkg -1 mm], tj. w przeliczeniu na materiał wilgotny, oraz aktywnością wody, średnio 0,43 ± 0,04. Tabela 7.2. Zawartość wilgoci i aktywność wody w buraku po procesie suszenia. Numer próbki Warunki suszenia [ C] Program suszenia [min] Zawartość wilgoci po suszeniu [kgkg -1 mm] Aktywność wody po suszeniu [-] 1 stałe 70-0,03 ± 0,01 0,40 ± 0,07 2 stałe 80-0,03 ± 0,01 0,40 ± 0,03 3 zmienne ,03 ± 0,01 0,43 ± 0,03 4 zmienne ,03 ± 0,01 0,43 ± 0,05 5 zmienne ,04 ± 0,01 0,50 ± 0,00 6 zmienne ,04 ± 0,01 0,51 ± 0,00 7 zmienne 80 + blanszowanie 8 zmienne 80 + osmoza ,03 ± 0,01 0,36 ± 0, ,02 ± 0,01 0,39 ± 0,01 Najniższą zawartość wilgoci odnotowano w próbkach buraka po procesie suszenia ze zmienną temperaturą powietrza (10 40), poprzedzonym odwadnianiem osmotycznym, tj. 0,02 ± 0,01. W tym przypadku, na skutek wytworzenia wysokiego ciśnienia osmotycznego nastąpił spadek zawartości wilgoci w materiale i przyrost suchej masy w postaci soli, co wpłynęło na redukcję jej aktywności. Najmniejszą aktywnością wody, tj. 0,36 0,39 charakteryzowały się próbki suszone ze wstępnymi zabiegami polegającymi na blanszowaniu i odwadnianiu osmotycznym. Należy podkreślić, iż dla wszystkich próbek suszonych konwekcyjnie w stałych i zmiennych warunkach uzyskano aktywność wody mniejszą niż 0,6, co oznacza, że zahamowano wiele szkodliwych reakcji biochemicznych powodujących m.in. rozwój pleśni i grzybów. Zawartość betaniny Zawartość betaniny w suszu z buraków ćwikłowych jest jednym z najważniejszych wskaźników jakości, nie tylko ze względu na jej bezpośredni związek z atrakcyjną, czerwoną barwą, ale przede wszystkim z punktu widzenia właściwości prozdrowotnych tego składnika. Rysunek 7.6 obrazuje zawartość betaniny w procentach, w odniesieniu do zawartości początkowej w surowcu. Najniższą zawartością (retencją) betaniny charakteryzowały się próbki buraka ćwikłowego suszone w stałych warunkach, tj. średnio 31,4 ± 5% po suszeniu w temperaturze równej 80 C, co oznacza, że starty tego barwnika wyniosły około 70%. 96

97 Rys Retencja betaniny po suszeniu konwekcyjnym. Dla próbek suszonych w warunkach okresowo zmiennych retencja betaniny mieści się w granicach 38 69%. Jednakże w przypadku buraków suszonych ze zmianami temperatury według cyklu (5 25) przy nastawie bazowej temperatury powietrza 70 C, wartości te były znacznie wyższe, od kilkunastu do około 30%. Najwyższą zawartość betaniny odnotowano w przypadku próbek buraka suszonych w warunkach zmiennych ze wstępna obróbką osmotyczną, tj. 77,4 ± 5%. Oznacza to, że stosowanie zmiennej temperatury powietrza suszącego, a także obróbki wstępnej surowca, znacząco minimalizuje niekorzystne zmiany chemiczne, biologiczne etc., które pojawiają się w trakcie suszenia konwekcyjnego w stałych warunkach. Rehydratacja Suszenie powoduje wiele zmian strukturalnych biomateriałów, które determinują proces absorpcji wody oraz utratę rozpuszczalnych składników suchej substancji. Rehydratacja, jako proces odwrotny do odwadniania pozwala określić stopień uszkodzenia suszonego materiału biologicznego. Zależność pomiędzy stopniem rehydratacji, a parametrami prowadzenia procesu suszenia konwekcyjnego przedstawiono w procentach na rysunku 7.7. Najmniejszą zdolnością do wchłaniania wody charakteryzowały się próbki buraka ćwikłowego suszone konwekcyjnie w stałej temperaturze, zarówno w 80 jak i 70 C. Stopień ich rehydratacji wyniósł około 68 i 71%, co świadczy o destrukcyjnym wpływie suszenia konwekcyjnego w warunkach stałej i podwyższonej temperatury powietrza. Dla próbek suszonych w warunkach okresowo zmiennych z 5-min oraz 10-min chłodzeniem zaobserwowano wyższy stopień rehydratacji, maksymalnie do 79 ± 3%, co oznacza mniejsze zmiany strukturalne w porowatości i gęstości tych biomateriałów. 97

98 Rys Stopień rehydratacji suszonych buraków ćwikłowych. Jednakże, w przypadku próbek wstępnie odwadnianych osmotycznie i suszonych w warunkach okresowo zmiennych (10 40) w temperaturze 80 C, odnotowano stosunkowo niską efektywność procesu rehydratacji, zbliżoną do ilości zaabsorbowanej wody w próbkach suszonych w stałej temperaturze powietrza, tj. 72 ± 3%. Ten ujemny efekt wynika ze zmniejszonej zdolności do pochłaniania wody biomateriałów odwadnianych osmotycznie wskutek zatykania porów przez czynnik osmotyczny (sól) Aspekt energetyczny Jednym z ważniejszych aspektów procesu suszenia jest zużycie energii. Suszenie konwekcyjne w stałych warunkach jest jednym z najbardziej energochłonnych procesów. Dlatego też, w niniejszych badaniach podjęto próbę zredukowania wydatku energetycznego na odparowanie wilgoci z suszonych biomateriałów. W tabeli 7.3 zestawiono pomiary całkowitej energii elektrycznej zużytej na proces suszenia konwekcyjnego buraka ćwikłowego w stałych i zmiennych warunkach. Tabela 7.3. Zużycie energii w procesie suszenia buraka ćwikłowego. Numer próbki Program suszenia Średnie zużycie energii [kwh] 1 stałe 70 C 1,0 2 stałe 80 C 0,8 3 zmienne 70 C (5-25) 1,1 4 zmienne 70 C (10-40) 1,1 5 zmienne 80 C (5-25) 1,0 6 zmienne 80 C (10-40) 1,0 7 zmienne 80 C (10-40) + blanszowanie 1,0 8 zmienne 80 C (10-40) + osmoza 0,9 98

99 Jak wynika z zaprezentowanych pomiarów w tabeli powyżej, najmniejsze zużycie energii odnotowano po suszeniu buraka ćwikłowego w stałych warunkach w temperaturze 80 C, tj. 0,8 kwh. Dla procesów suszenia zrealizowanych w zmiennych warunkach, z 5-min oraz 10-min okresami relaksacji w dwóch różnych zakresach temperatur powietrza, zaobserwowano wyższe, jednakże zbliżone wartości wydatku energetycznego 1,0 1,1 kwh. Wzrost zużycia energii spowodowany był cyklicznym dostarczaniem chłodniejszego powietrza do komory suszarki, a w przypadku zmian (5 25) dodatkowo większą liczbą okresów relaksacji. Jednakże, po procesie suszenia buraka odwadnianego osmotycznie w zmiennej temperaturze bazowej 80 C (10 40) uzyskano wartość zużycia energii równą 0,9 kwh. Stwierdzono zatem, iż zastosowanie obróbki wstępnej surowca (osmoza) pozwoliło efektywnie skrócić czas suszenia, a tym samym zmniejszyć całkowity wydatek na odprowadzenie wilgoci z biomateriału. 99

100 8. Efektywność suszenia zielonej papryki w warunkach niestacjonarnych W niniejszym rozdziale przedstawiono wyniki badań wpływu zmiennych parametrów procesowych na kinetykę suszenia, zużycie energii i jakość zielonej papryki (Capsicum L.). Celem badań była ocena efektywności okresowego suszenia konwekcyjnego w zakresie dwóch różnych temperatur powietrza oraz trybów suszenia pod kątem jakości materiału roślinnego o wysokiej zawartości witaminy C. Ponadto dokonano porównania wydatku energetycznego procesu suszenia zrealizowanego w stałych warunkach w stosunku do procesu prowadzonego w warunkach zmiennych Suszenie konwekcyjne Na początku eksperymentu przeprowadzono testy suszenia konwekcyjnego zielonej papryki w stałych warunkach, tj. ze stałą średnią temperaturą powietrza suszącego T p = 70 ± 1,5 C. Kolejną serię badań również zrealizowano w stałych warunkach, lecz w niższej temperaturze, tj. średnio 52 ± 1 C. Jednakże, w obu przypadkach w okresie stałej prędkości suszenia zaobserwowano stosunkowo szybkie tempo usuwania wilgoci z biomateriału. Na rysunku 8.1 przedstawiono przykładową kinetykę suszenia zielonej papryki w temperaturze czynnika suszącego 70 C. Rys Krzywa suszenia zielonej papryki w stałej temperaturze powietrza 70 C. 100

101 Z krzywej kinetyki suszenia oraz krzywej temperatury suszonego materiału (T m ) uzyskanej w warunkach stacjonarnych wynika, iż suszenie papryki przebiegało gównie w okresie stałej prędkości suszenia. Całkowity czas suszenia, po którym próbki osiągnęły końcową zawartość wilgoci, tj. około 1 1,5%, wyniósł średnio 188 ± 5 min. Natomiast, całkowity czas suszenia próbek w temperaturze 50 C wyniósł średnio 242 ± 8 min. Zatem obniżenie temperatury powietrza o 20 C spowodowało wydłużenie procesu suszenia o około 1 godzinę. Mimo tego iż, w podwyższonej temperaturze powietrza proces suszenia wydawał się być bardziej ekonomiczny, niestety negatywnie wpłynął na cechy jakościowe suszonego produktu takie jak kolor i zawartość witaminy C. Ponadto, ze względu na stosunkowo wysoką początkową zawartość wilgoci w papryce, tj. około 12,65 [kgkg -1 sm] w przeliczeniu na materiał suchy, w obu przypadkach odnotowano stosunkowo długie czasy suszenia. W związku z tym, w kolejnym etapie badań, starano się opracować sposób suszenia, który poprawi zarówno jakość suszonego materiału biologicznego, jak również kinetykę suszenia. Suszenie przerywane wiąże się z okresową modyfikacją parametrów procesowych. Na podstawie wcześniejszych badań doświadczalnych procesu suszenia biomateriałów (marchew, burak) zrealizowanych w warunkach okresowo zmiennych, również w przypadku zielonej papryki zadecydowano wprowadzić krótkotrwałe cykle chłodzenia. Wyniki badań uzyskane w stałych warunkach pokazały, iż próbki zielonej papryki utraciły mniej więcej 50% swojej masy po około 1 godzinie suszenia w temperaturze 70 C ± 1,5 C oraz po około półtorej godzinie w temperaturze 52 ± 1 C. Aby nie dopuścić do nadmiernej destrukcji suszonego produktu, okresowe zmiany temperatury powietrza zaaplikowano dokładnie po 60 min suszenia w stałej temperaturze 70 C i po 80 min suszenia w temperaturze 50 C, tj. zanim suszony materiał osiągnął wilgotność krytyczną. Przetestowano dwa programy zmian temperatury powietrza o różnej częstotliwości z 5-min oraz 10-min chłodzeniem, a mianowicie: program I: 5 min chłodzenia + 30 min grzania (5-30), program II: 10 min chłodzenia + 30 min grzania (10-30). Na rysunku 8.2 przedstawiono krzywe kinetyki suszenia zielonej papryki w warunkach okresowo zmiennej temperatury powietrza, o temperaturze wyjściowej odpowiednio 50 C i 70 C. Podczas suszenia w warunkach okresowo zmiennych według zaprogramowanych zmian (5 30) temperatura powierza suszącego wahała się w granicach C oraz C, odpowiednio w przypadku testów suszenia przy nastawie temperatury na 50 C i 70 C. Próbki zielonej papryki osiągnęły końcową zawartość wilgoci średnio po 196 ± 3 min oraz 134 ± 4 min suszenia. 101

102 a) b) Rys Krzywe suszenia papryki w warunkach zmiennych (5 30): a- temperatura wyjściowa 50 C, b - temperatura wyjściowa 70 C. Jak widać na powyższym rysunku, okresowe zmiany temperatury powietrza wywołane chłodzeniem komory suszarki, spowodowały spadek temperatury materiału (T m ), zwłaszcza w próbkach suszonych z temperaturą wyjściową 50 C, których temperatura przez dłuższy okres suszenia nie przekraczała 40 C. W tym przypadku zarówno większa ilość cykli chłodzenia, jak i niższa temperatura prowadzenia procesu suszenia wpłynęły na wydłużenie całkowitego czasu suszenia o około 1 godzinę. Dzięki temu wyeliminowano efekt przegrzewania powierzchni biomateriału, co pozwoliło zachować dobrą jakość papryki. Po zastosowaniu programu zmian z 10-min chłodzeniem i 30-min grzaniem próbki zielonej papryki osiągnęły końcową zawartość wilgoci średnio po 215 ± 10 min przy nastawie temperatury wyjściowej na 50 C oraz 140 ± 9 min przy nastawie temperatury wyjściowej na 70 C. Mimo tego, że dłuższe okresy chłodzenia wydłużyły całkowity czas suszenia, ich wpływ na cechy jakościowe suszu był nieznaczny Ocena jakościowa produktu W celu określenia wpływu zmian temperatury suszącego medium na jakość zielonej papryki, po procesie suszenia dokonano oceny całkowitej zmiany barwy, aktywności wody, a ponadto zmierzono retencję witaminy C. Całkowita zmiana barwy (ΔE) Wyniki pomiarów całkowitej zmiany barwy zielonej papryki po procesie suszenia zarówno w stałych jak i zmiennych warunkach pokazano na rysunku 8.3. Próbki zielonej papryki po procesie suszenia w stałych warunkach zarówno w temperaturze powietrza 70 C i 50 C, charakteryzowały się znaczną różnicą koloru w stosunku do surowca. Dlatego też w tym przypadku odnotowano najwyższe wartości całkowitej zmiany barwy, odpowiednio 8,42 ± 1,16 oraz 5,18 ± 1,

103 Rys Całkowita zmiana barwy zielonej papryki po procesie suszenia. Wysoka temperatura prowadzenia procesu suszenia i długotrwała ekspozycja na działanie gorącego powietrza spowodowały spadek parametru jasności L* oraz a* (zielony-czerwony) i niewielki wzrost parametru b* (żółty-niebieski). A zatem, próbki zielonej papryki w wyniku suszenia w stałej temperaturze czynnika suszącego utraciły naturalną barwę surowca i pociemniały. Jednakże, jak wynika z zaprezentowanych pomiarów na rys. 8.3, wartość całkowitej zmiany barwy po suszeniu w temperaturze 52 ± 1 C jest znacznie niższa w stosunku do wartości uzyskanej po procesie przeprowadzonym w 70 C ± 1,5 C. Dla próbek zielonej papryki suszonych w warunkach okresowo zmiennych, zaobserwowano znacznie większe zachowanie barwy. Zatem okresowe zmiany warunków suszenia pozytywnie wpłynęły na kolor suszu, zabezpieczając przed nadmiernym przegrzewaniem i utratą naturalnych barwników. Ponadto, w przypadku próbek suszonych w programie zmian (5 30) odnotowano wyższy stopień zachowania koloru, aczkolwiek ΔE po suszeniu ze zmianami (10 30) jest również zadowalająca. Najlepszej jakości próbki suszonej papryki z punktu widzenia koloru, tj. ΔE = 3,53 ± 0,28, otrzymano po zastosowaniu programu zmian (5 30) przy nastawie temperatury na 50 C. Aktywność wody (a w ) Kolejnym ważnym wskaźnikiem jakości suszonej papryki był pomiar zmiany aktywności wody. Na rysunku 8.4 zaprezentowano wyniki pomiarów aktywności wody dla surowca oraz suszu w poszczególnych testach suszarniczych. Aktywność wody w świeżych próbkach zielonej papryki wyniosła średnio 0,97 ± 0,01, natomiast proces suszenia konwekcyjnego spowodował obniżenie aktywności do około 0,

104 Rys Aktywność wody w zielonej papryce. Z kolei, najniższą wartość a w wynoszącą 0,29 ± 0,05 odnotowano w przypadku próbek suszonych w okresowo zmiennych warunkach z 5-min chłodzeniem i 30-min grzaniem dla temperatury wyjściowej 50 C. Należy tu jednak podkreślić, iż wszystkie suszone próbki charakteryzowały się aktywnością wody poniżej wartości 0,40, co pozwala stwierdzić, że uzyskany susz jest stabilny mikrobiologicznie. Retencja witaminy C Zawartość kwasu askorbinowego w suszonych biomateriałach, tzw. retencja witaminy C, jest jednym z krytycznych wskaźników jakości, ponieważ świadczy o zachowaniu przez materiał suszony właściwości bioaktywnych. Zachowaną ilość witaminy C po procesie suszenia konwekcyjnego zielonej papryki przedstawiono w procentach na rysunku 8.5, w odniesieniu do jej początkowej zawartości w surowcu. Rys Retencja witaminy C po procesie suszenia zielonej papryki. 104

105 Najwyższy spadek zawartości witaminy C, tj. około 40%, zaobserwowano w próbkach suszonych w stałych warunkach w temperaturze 70 C. W przypadku próbek zielonej papryki suszonych zarówno w stałych warunkach w temperaturze czynnika suszącego 50 C, a także w okresowo zmiennych warunkach, stopień retencji witaminy C był znacznie wyższy i oscylował w granicach 73 88%. Zaobserwowano także znaczącą różnicę w zawartości kwasu askorbinowego pomiędzy próbkami suszonymi ze zmianami temperatury powietrza w temperaturze wyjściowej 50 i 70 C.Oznacza to zatem, że ilość zachowanej witaminy C zależy w nie tylko od temperatury prowadzenia procesu suszenia, ale również od zaprogramowanych zmian tego parametru. Najwyższą zawartością witaminy C, pomimo stosunkowo długiego czasu suszenia (ogrzewania), tj. 88 ± 6% charakteryzowały się próbki suszone w niższej temperaturze ok. 50 C w warunkach niestacjonarnych ze zmianami (5 30). W tym przypadku straty tego składnika wyniosły średnio 13% Zużycie energii Podstawą oceny efektywności procesu suszenia zielonej papryki w warunkach okresowo zmiennych było zużycie energii elektrycznej. W tabeli 8.1 zestawiono pomiary całkowitej energii elektrycznej zużytej na proces suszenia konwekcyjnego w stałych i zmiennych warunkach. Tabela 8.1. Porównanie zużycia energii w procesach suszenia papryki. Numer próbki Warunki suszenia Średnie zużycie energii [kwh] 1 Stałe 70 C 0,4 2 Zmienne 5 30/70 C 0,4 3 Zmienne 10 30/70 C 0,5 4 Stałe 50 C 0,3 5 Zmienne 5 30/50 C 0,4 6 Zmienne 10 30/50 C 0,5 Jak wynika z pomiarów zaprezentowanych w tabeli powyżej, najniższe zużycie energii elektrycznej zaobserwowano po procesie suszenia w stałych warunkach w temperaturze powietrza 52 ± 1 C, a dokładnie 0,3 kwh. Z kolei najwyższy wydatek energetyczny, tj. 0,5 kwh, odnotowano w przypadku procesów suszenia prowadzonych ze zmianami (10 30), zarówno w temperaturze wyjściowej 70 C jak i 50 C. Wzrost zużycia energii we wszystkich testach suszarniczych zrealizowanych w warunkach niestacjonarnych jest ściśle związany z pracą układu chłodzącego. Gdy zastosowano dłuższy czas 105

106 relaksacji (chłodzenia komory suszarki), bądź też większą liczbę cykli chłodzenia, zaobserwowano bardziej energochłonny proces suszenia okresowego. W przypadku testów suszenia prowadzonych w temperaturze 50 C, zarówno w stałych jak i zmiennych warunkach, dostrzeżono stopniowy wzrost wydatku energetycznego. Natomiast dla próbek suszonych w temperaturze powietrza około 70 C, w trybie stacjonarnym oraz przerywanym (5 30), uzyskano takie same wartości zużycia energii elektrycznej. Zatem, na podstawie przeprowadzonych badań, stwierdzono, iż przy odpowiednio zaprogramowanych zmianach parametrów suszącego medium i porównywalnych kosztach energetycznych można uzyskać produkt znacznie lepszej jakości. 106

107 9. Niestacjonarne suszenie wiśni ze wstępnym odwadnianiem osmotycznym wspomaganym ultradźwiękami Głównym celem badań była ocena efektywności niestacjonarnego suszenia wiśni (Prunus cerasus L.) poprzedzonego odwadnianiem osmotycznym ze wspomaganiem ultradźwiękowym. Dokonano analizy wpływu wstępnej obróbki osmotycznej wspomaganej ultradźwiękami na kinetykę suszenia konwekcyjnego owoców wiśni w warunkach okresowo zmiennej temperatury powietrza i wybrane cechy jakościowe, takie jak zmiana barwy oraz aktywność wody. Efektywność odwadniania osmotycznego oceniono na podstawie charakterystycznych dla procesu osmozy parametrów, tj. przyrostu suchej substancji (SG solid gain) oraz ubytku wody (WL water loss) Suszenie konwekcyjne Testy suszenia konwekcyjnego wiśni w warunkach stacjonarnych przeprowadzono w temperaturze powietrza równiej 62 ± 1 C, by zapewnić możliwie szybkie tempo usuwania wilgoci, a z drugiej strony by zapobiec nadmiernej degradacji zawartych w wiśniach cennych antocyjanów. W pierwszym stadium procesu suszenia w stałych warunkach (rys. 9.1a) zaobserwowano stosunkowo szybki ubytek wilgoci z materiału, jednakże ze względu na wysoką początkową zawartość wilgoci, średnio 6,40 ± 0,3 [kgkg -1 sm] w przeliczeniu na materiał suchy, odnotowano najdłuższy całkowity czas suszenia równy 454 ± 2 min. Końcowa zawartość wilgoci wynosiła około 6%. W wyniku suszenia w stałej temperaturze powietrza, suszone wiśnie charakteryzowały się silnie skurczoną i pofałdowaną skórką. Jak wynika z krzywej suszenia oraz krzywej temperatury suszonego materiału (T m ) w stałej temperaturze około 60 C, okres stałej prędkości suszenia wiśni był stosunkowo krótki i wynosił około 30 min. Zatem usuwanie wilgoci miało miejsce głównie w okresie malejącej prędkości suszenia. Zaobserwowano również, że po osiągnięciu temperatury 40 ± 2 C, nastąpił gwałtowny wzrost temperatury w suszonym materiale. 107

108 a) b) Rys Krzywe suszenia wiśni: a stałe warunki, b zmienne warunki. Aby więc ustabilizować wymianę masy i ciepła, jak również zapobiec pogorszeniu jakości suszonych wiśni, w okresie malejącej prędkości suszenia przeprowadzono testy suszenia konwekcyjnego z okresowo zmienną temperaturą powietrza (rys. 9.1b). Zastosowano program zmian o dużej częstotliwości, mianowicie z 5-min okresami chłodzenia i dłuższymi 30-min okresami ogrzewania (5 30). Temperatura powietrza (T p ) w drugim okresie procesu suszenia w warunkach niestacjonarnych oscylowała w przedziale C. Dzięki temu, temperatura suszonych wiśni (T m ) przez dłuższy czas nie przekraczała 50 C. Dynamiczne zmiany temperatury powietrza wywołane okresowym chłodzeniem wpłynęły na skrócenie całkowitego czasu suszenia wiśni o około 1 godzinę, tj. średnio do 395 ± 7 min Suszenie ze wstępną obróbką osmotyczną Kolejną serię testów suszenia konwekcyjnego owoców wiśni, zarówno w stałych warunkach T p = 62 ± 1 C, jak i okresowo zmiennych (program 5 30), przeprowadzono ze wstępną obróbką osmotyczną polegającą na odwadnianiu osmotycznym w 60% roztworze glukozy przez 30 min. Podjęto również próbę zintensyfikowania procesu wymiany masy w roztworze hipertonicznym aplikując dodatkowo ultradźwięki czynne o mocy 700 W i częstotliwości 25 khz. Rysunek 9.2 przedstawia krzywe suszenia wiśni po procesie odwadniania osmotycznego. Zastosowanie zabiegu wstępnego odwadniania osmotycznego spowodowało redukcję początkowej zawartości wilgoci z około 6,40 [kgkg -1 sm] do około 3,26 i 2,31 [kgkg -1 sm], odpowiednio w próbkach odwadnianych osmotycznie bez (rys. 9.2a) i ze wspomaganiem ultradźwiękowym (rys. 9.2b). Ponieważ aplikacja ultradźwięków spowodowała większy ubytek wilgoci z owoców wiśni, całkowity czas suszenia w stałych warunkach uległ skróceniu z 438 ± 3 min do 400 ± 5 min. Jak wynika z krzywych temperaturowych, profile temperatury suszonych biomateriałów (T m ) ze wstępną obróbką osmotyczną, również uległy zmianie. 108

109 a) b) Rys Krzywe suszenia wiśni w stałych warunkach: a po odwadnianiu osmotycznym, b po odwadnianiu osmotycznym z ultradźwiękami. W przypadku tych biomateriałów, pierwszy okres suszenia trwał bardzo krótko, w wyniku czego wiśnie osiągnęły temperaturę mokrego termometru (ok. 40 C) znacznie szybciej, niż owoce suszone bez zabiegów wstępnych. W dalszym etapie eksperymentu przeprowadzono badania suszenia konwekcyjnego w warunkach niestacjonarnych wiśni odwadnianych osmotycznie z i bez wspomagania ultradźwiękowego (rys. 9.3). a) b) Rys Krzywe suszenia wiśni w warunkach okresowo zmiennych: a po odwadnianiu osmotycznym, b po odwadnianiu osmotycznym z ultradźwiękami. Całkowity czas suszenia wiśni w warunkach zmiennej temperatury powietrza (5 30) po osmozie wyniósł średnio 374 ± 4 min, a w przypadku próbek odwadnianych osmotycznie ze wspomaganiem ultradźwiękowym, całkowity czas suszenia skrócił się do 330 ± 5 min. A zatem, obróbka wstępna surowca przed suszeniem, jak również okresowe chłodzenie komory suszarki, wpłynęły na poprawę kinetyki suszenia wiśni. Krzywe temperaturowe wiśni nie różnią się znacząco w porównaniu z próbkami suszonymi w zmiennych warunkach bez obróbki osmotycznej. Jednakże, można zauważyć że w przypadku procesu suszenia prowadzonego po odwadnianiu osmotycznym z ultradźwiękami (rys. 9.3b), suszony materiał ze względu na przyrost suchej substancji (cukru), nie osiągnął temperatury suszącego medium. Najbardziej efektywnym sposobem 109

110 usuwania wilgoci z owoców wiśni jest zatem połączenie odwadniania osmotycznego z okresowym suszeniem konwekcyjnym. Metoda ta pozwala skrócić czas suszenia maksymalnie o około 2 godziny, zapewniając jednocześnie dobrą jakość suszonego produktu. Efektywność odwadniania osmotycznego owoców wiśni w 60% roztworach glukozy scharakteryzowano na podstawie obliczeń dwóch parametrów, tj. przyrostu suchej substancji (SG) oraz ubytku wody (WL). Wartości tych parametrów w przeliczeniu na materiał wilgotny oraz ich błąd całkowity zestawiono w tabeli 9.1. Tabela 9.1. Parametry odwadniania osmotycznego. Warunki osmozy SG [kgkg -1 mm] WL [kgkg -1 mm] Odwadnianie osmotyczne (T = 25 ± 2 C) 0,10 ± 5, ,18 ± 7, Odwadnianie osmotyczne ze wspomaganiem ultradźwiękowym (T = 28 ± 1 C) 0,13 ± 5, ,24 ± 7, Jak wynika powyższej tabeli, wartości parametrów osmotycznych SG oraz WL uzyskane po odwadnianiu osmotycznym ze wspomaganiem ultradźwiękowym są wyższe w porównaniu z wartościami dla procesu prowadzonego bez ultradźwięków. Ubytek wody zwiększył się o około 6% natomiast przyrost substancji o około 3%. Zatem, aplikacja ultradźwięków nie tylko zmieniła kinetykę odwadniania biomateriałów podnosząc sprawność tego procesu, ale wpłynęła też na właściwości fizyczne wywołując, tzw. efekt gąbki. Zjawisko to przyspiesza dyfuzję wilgoci z suszonego materiału do opływającego go gorącego czynnika suszącego, a w konsekwencji skraca czas suszenia konwekcyjnego Ocena jakości produktu Korzyści, jakie płyną z osmotyczno-konwekcyjnej metody odwadniania materiałów pochodzenia roślinnego, to przede wszystkim zachowanie naturalnego koloru, smaku i zapachu surowca, a ponadto zahamowanie reakcji utleniania i degradacji enzymatycznej. W związku z tym suszone wiśnie poddano ocenie jakościowej polegającej na oszacowaniu wielkości zmiany barwy oraz aktywności wody. Na rysunku 9.4 zaprezentowano zdjęcia próbek wiśni suszonych konwekcyjnie w trybie ciągłym i przerywanym, bez i z obróbką wstępną polegającą na odwadnianiu osmotycznym. 110

111 a) b) c) Rys Zdjęcia suszonych owoców wiśni: a stałe warunki, b osmoza + zmienne warunki, c osmoza z ultradźwiękami + zmienne warunki. Próbki suszone wyłącznie konwekcyjnie (rys. 9.4a) charakteryzowały się niską jakością, tj. silnym skurczem, twardą powierzchnią oraz utratą koloru surowca (pociemniały). Z kolei próbki odwadniane osmotycznie i suszone w zmiennych warunkach posiadały lepszą teksturę oraz barwę. Jednak najbardziej atrakcyjny wygląd miały próbki wiśni suszone w trybie okresowo zmiennym ze wstępną obróbką osmotyczną wspomaganą ultradźwiękami (rys.9.4c). Wiśnie te posiadały przyjemny słodkawy zapach oraz zachowały delikatny miąższ. Całkowita zmiana barwy (ΔE) Wyniki pomiarów całkowitej zmiany barwy wiśni po procesie suszenia konwekcyjnego przedstawiono na rysunku 9.5. Rys Całkowita zmiana barwy owoców wiśni po procesie suszenia. Ponieważ degradacja naturalnych barwników w owocach wiśni (antocyjany) objawia się zmianami sensorycznymi, m.in. utratą czerwonego zabarwienia, w przypadku wszystkich próbek po procesie suszenia zaobserwowano spadek parametru jasności L* oraz a* (parametru barwy czerwonej). Dla próbek 111

112 suszonych wyłącznie konwekcyjnie, zarówno w stałych jak i zmiennych warunkach (5 30) uzyskano najwyższe wartości całkowitej zmiany barwy, odpowiednio 15,88 ± 0,34 oraz 13,04 ± 0,36. Dowodzi to, iż długotrwałe suszenie gorącym powietrzem powoduje znaczącą zmianę koloru wiśni. Obróbka wstępna surowca polegająca na odwadnianiu osmotycznym pozwoliła na lepsze zachowanie barwy wiśni, a zwłaszcza w przypadku próbek suszonych w okresowo zmiennej temperaturze powietrza. Jednakże, najlepszej jakości susz owocowy uzyskano po zastosowaniu odwadniania osmotycznego ze wspomaganiem ultradźwiękowym przed suszeniem okresowym, tj. ΔE=8,62±0,23. Oznacza to, że kombinacja obróbki osmotycznej z ultradźwiękami i suszenia z okresowymi zmianami temperatury umożliwia zachowanie atrakcyjnego koloru wiśni do około 46%, a także cennych antocyjanów. Aktywność wody (a w ) Aktywność wody w owocach wiśni zarówno przed jak i po procesie suszenia konwekcyjnego przedstawiono na rysunku 9.6. Rys Zmiana aktywności wody w owocach wiśni po procesie suszenia. Średnia aktywność wody w owocach wiśni po rozmrożeniu wynosiła 0,98 ± 0,00, natomiast po procesie suszenia, zarówno w stałych jak i zmiennych warunkach zaobserwowano spadek aktywności poniżej wartości 0,6. Średnia aktywność wody suszonych wiśni wyniosła 0,50 ± 0,01. Stwierdzono zatem, że otrzymany na drodze suszenia konwekcyjnego susz owocowy charakteryzuje się stabilnością mikrobiologiczną. W przypadku wiśni odwadnianych osmotycznie, a zwłaszcza w przypadku wiśni ze wstępną obróbką osmotyczną wspomaganą ultradźwiękami, zaobserwowano znaczny spadek aktywności wody, tj. o ok. 18%, w porównaniu z próbkami suszonymi wyłącznie konwekcyjnie w warunkach stacjonarnych. Jednakże, z powodu dość wysokiego przyrostu 112