Badania wybranych cech mechanicznych marchwi suszonej sublimacyjnie

Transkrypt

1 Bogdan Stpie Instytut Inynierii Rolniczej Akademia Rolnicza we Wrocławiu Badania wybranych cech mechanicznych marchwi suszonej sublimacyjnie Streszczenie Badania suszenia sublimacyjnego marchwi wykonano przy zastosowaniu kontaktowego sposobu dostarczania ciepła, dla temperatury płyty grzejnej wynoszcej 2 C i przy cinieniu w komorze wynoszcym 1Pa. Wartoci pracy ciskania i przecinania obliczono dla surowca, dla marchwi niepoddanej obróbce wstpnej oraz dla marchwi blanszowanej i odwadnianej osmotycznie. Badania wykonano dla suszu oraz dla materiału uwodnionego. Przedstawiono przykładowe przebiegi procesu ciskania i przecinania marchwi. Przeanalizowano wpływ obróbki wstpnej przed suszeniem sublimacyjnym na wartoci pracy ciskania i wartoci pracy przecinania. Słowa kluczowe: suszenie sublimacyjne, marchew, obróbka wstpna, praca ciskania, praca przecinania Wprowadzenie Konieczno uzyskiwania produktów spoywczych o najwyszej jakoci wymaga stosowania coraz bardziej wyrafinowanych sposobów wytwarzania i utrwalania ywnoci. Nowoczesne techniki suszenia s kosztowne, lecz tylko one pozwalaj uzyska produkt o najwyszej jakoci [Szarycz i in. 21]. W doniesieniach na temat badania wpływu warunków, metodyki, i parametrów suszenia sublimacyjnego materiałów rolniczych i spoywczych przewaaj informacje dotyczce niekorzystnych przemian smaku, zapachu, wolnej lub niecałkowitej rehydracji, skurczu suszarniczego oraz zmiany powierzchni i tekstury ywnoci. Informacje dotyczce zmian właciwoci 271

2 mechanicznych suszu w stosunku do surowca oraz przemian nastpujcych w czasie przechowywania suszu s nieliczne [Kramkowski i in. 23; Stpie i in. 22; Sitkiewicz i in. 1998]. Suszenie sublimacyjne jest uznawane za wyjtkowo mało destrukcyjny zabieg utrwalania ywnoci i z tego wzgldu uchwycenie zachodzcych przemian jest trudne a wyniki bada mało powtarzalne [Weber in.,1999; Wurzenberger i Grosch, 1982]. Dla polepszenia właciwoci suszu surowiec jest czsto poddawany zabiegom wstpnym, z których najczciej stosuje si: blanszowanie, odwadnianie osmotyczne, moczenie, zamraanie, otoczkowanie i inne [Witrowa-Rajchert 1999]. W cianach komórkowych warzyw poddanych blanszowaniu przed suszeniem obserwuje si zwikszenie zawartoci amorficznej celulozy. Powoduje to łatwiejsz absorpcj wody, pcznienie i powrót do oryginalnego kształtu [Sterling, Shimazu 1961]. Istniej sprzeczne informacje na temat wpływu odwadniania osmotycznego na właciwoci rekonstytucyjne warzyw. Z jednej strony badania wskazuj, e wstpne odwadnianie blanszowanego jabłka i gruszki w roztworze glukozy i fruktozy poprawia właciwoci rehydracyjne suszy [Barbanti i in. 1991] a z drugiej strony Witrowa-Rajchert i inni [1998] wykazuj, e odwadnianie osmotyczne jabłka przed suszeniem pogarsza jego właciwoci rekonstytucyjne. Metodyka bada Przedmiotem bada była marchew odmiany Cezaro uzyskana z jednego pola. Plon zebrany w pierwszych dniach padziernika 23 roku magazynowano w chłodni producenta. Próbki przygotowano w formie walców o rednicy ϕ =2 mm i wysokoci 5mm. Badaniom poddano surowiec, marchew niepoddan obróbce wstpnej oraz marchew blanszowan i odwadnian osmotycznie. Próbki blanszowano przed suszeniem przez 3 minuty w wodzie o temperaturze 95 C ± 2 C. Odwadnianie osmotyczne 272

3 wykonano w 5% roztworze NaCl przez 24 godziny. Materiał poddany obróbce wstpnej dokładnie osuszano na bibule a nastpnie zamraano. Przy kadym powtórzeniu zabiegu obróbki wstpnej zachowywano jednakowy stosunek iloci płynu do blanszowania bd roztworu do odwadniania osmotycznego do iloci surowca. Zamraanie próbek odbywało si w temperaturze -2 C z szybkoci 1 C/min. Sublimacyjne suszenie marchwi wykonano przy uyciu suszarki OF-95 szerzej opisanej w wielu pracach [Stpie i in. 22; Stpie i in. 23]. Zastosowano kontaktowy sposób dostarczania ciepła, temperatur płyty grzejnej wynoszc 2 C oraz cinienie w komorze suszenia wynoszce 1Pa. Materiał suszono do uzyskania wilgotnoci równowagowej. Do bada wykorzystano maszyn wytrzymałociow Instron 5566 z głowic o maksymalnym obcieniu wynoszcym: 1kN (przy badaniach surowca i suszu) oraz 1N (przy badaniach materiału uwodnionego). Zastosowano głowice o klasie,5. Testy wytrzymałociowe wykonywano w cylindrze ciskajc tłokiem warstw ułoonych na sobie walców tworzcych słup o wysokoci 3mm. Proces ciskania trwał do momentu a próbka została odkształcona o 2% jej wysokoci pocztkowej tzn. o 6mm. Warto pracy ciskania obliczono metod trapezów. Proces przecinania marchwi suszonej sublimacyjnie badano przy wykorzystaniu przystawki własnej konstrukcji. Charakterystyczne kty noa tncego (ostrza i rozwarcia) dobrano w oparciu o analogiczne przystawki produkowane przez firm Instron. Przecinano pojedyncze walce marchwi a wartoci pracy przecinania obliczono równie metod trapezów i przeliczono na jeden cm 2 przecinanej powierzchni. Rehydracj suszu przeprowadzono w wodzie destylowanej o temperaturze 2 C. Czas rehydracji dobierano w taki sposób, aby uzyska wilgotno zblion do wilgotnoci surowca wynoszcej 87%. Testy ciskania wykonano w piciu powtórzeniach natomiast testy przecinania w dziesiciu powtórzeniach. 273

4 Cel pracy Celem pracy było zbadanie wpływu zastosowania obróbki wstpnej przed suszeniem sublimacyjnym na podstawowe cechy mechaniczne suszu a take produktu uwodnionego, na przykładzie marchwi. Analiza wyników Susze uzyskane w wyniku suszenia sublimacyjnego miały wilgotno z zakresu 4,5% 5,5% w zalenoci od zastosowanej obróbki wstpnej. Najwysz wilgotno miał susz otrzymany z marchwi niepoddanej obróbce wstpnej a najnisz wilgotnoci charakteryzował si susz z surowca blanszowanego przed suszeniem. Mona przyj, e wilgotno suszu nie miała istotnego wpływu na obliczone wartoci pracy ciskania i pracy przecinania. W wyniku uwodnienia otrzymano materiał o wilgotnoci z zakresu 84% 86,5%, przy czym najnisz wilgotno miał produkt uzyskany z marchwi niepoddanej obróbce wstpnej a najwysz wilgotno otrzymano dla pietruszki blanszowanej. Przykładowe krzywe ciskania dla suszu (A) i materiału uwodnionego (B) zaprezentowano na rysunku 1. Wpływ obróbki wstpnej na przebieg procesu jest znacznie wikszy dla suszu ni dla materiału poddanego rehydracji po suszeniu sublimacyjnym. Jednak w obu przypadkach wpływ ten zaznacza si dopiero w drugiej fazie procesu, gdy odkształcenie wzgldne próbki przekroczy warto ε =,1. Na rysunku 2 przedstawiono wartoci pracy ciskania dla suszu (A) oraz dla materiału uwodnionego (B). W obu przypadkach najwysze wartoci pracy ciskania uzyskano dla materiału niepodanego obróbce wstpnej, nisze dla marchwi blanszowanej przed suszeniem sublimacyjnym a najnisze dla marchwi odwodnionej osmotycznie. Przyjmujc wartoci odchyle standardowych jako kryterium istotnoci rónic mona stwierdzi, e jedynie warto pracy ciskania suszu uzyskanego z surowca niepoddanego obróbce wstpnej róni si istotnie od wartoci pracy ciskania suszu odwodnionego osmotycznie przed suszeniem sublimacyjnym. 274

5 8 4,5 7 4 naprenie σ [kpa] bez obróbki wstpnej blanszowanie odwadnianie osmotyczne,1,2,3 naprenie σ [kpa] 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 b bez obróbki wstpnej blanszowanie odwadnianie osmotyczne,1,2,3 odkształcenie ε [-] odkształcenie ε [-] A B Rys Ps [mj] Ps [mj] ,67 252,15 159,8 5 19,41 14,89 13, A B Rys

6 Wartoci pracy ciskania suszu przeliczone na jeden jego gram przedstawiono na rysunku 3. Okazało si, e w takiej sytuacji istotne rónice obserwuje si midzy suszem blanszowanym i odwodnionym osmotycznie przed suszeniem. Nawet minimalny skurcz suszarniczy obserwowany po suszeniu sublimacyjnym wpływa na wynik testu ciskania, poniewa masa próbek, w poszczególnych powtórzeniach testu, róniła si do 15%. Mona przypuszcza, e przyczyn osłabienia struktury marchwi odwodnionej osmotycznie s kryształki NaCl tworzce si w trakcie suszenia wewntrz tkanki. Z jednej strony powoduj one polepszenie właciwoci rehydracyjnych [Curry i in. 1976], ale z drugiej strony wpływaj negatywnie na właciwoci wytrzymałociowe marchwi Ps [mj/g] ,45 226,39 19, Rys. 3. Przykładowe krzywe przecinania dla suszu (A) i materiału uwodnionego (B) zaprezentowano na rysunku 4. Istotne rónice w przebiegu procesu przecinania marchwi w zalenoci od zastosowanej obróbki wstpnej wystpuj jedynie dla suszy. Tylko w przypadku materiału blanszowanego przed suszeniem sublimacyjnym wiksze wartoci sił rejestrowano dla marchwi uwodnionej ni dla suszu. W pozostałych przypadkach maksymalne 276

7 wartoci sił podczas przecinania suszu s o około 1% wysze od maksymalnych wartoci sił przecinania materiału uwodnionego. Charakter przebiegu krzywych przecinania dla suszu jest inny ni charakter przebiegu krzywych dla materiału uwodnionego i przez to rzutuje na wystpowanie istotnych rónic w wartociach pracy przecinania bez obróbki wstpnej blanszowanie odwadnianie osmotyczne bez obróbki wstpnej blanszowanie odwadnianie osmotyczne siła F [N] 3 siła F [N] odkształcenie L [mm] odkształcenie L [mm] A B Rys. 4. Na rysunku 5 zaprezentowano wartoci pracy przecinania dla marchwi surowej oraz dla suszu i materiału uwodnionego. Stwierdzono wystpowanie istotnych rónic w wartociach pracy przecinania wszystkich suszy w stosunku do wartoci pracy przecinania surowca. Susz z marchwi niepoddanej obróbce wstpnej oraz odwodnionej osmotycznie przed suszeniem wykazuje wiksz odporno na przecinanie ni wiea marchew. Natomiast przecinanie suszu uzyskanego z marchwi blanszowanej wymaga mniejszych nakładów energetycznych ni surowiec. Nie stwierdzono istotnych rónic w wartociach pracy przecinania surowca oraz marchwi uwodnionej, któr blanszowano i odwodniono osmotycznie przed suszeniem. Wiksz warto pracy 277

8 przecinania, w stosunku do surowca, zaobserwowano dla materiału uwodnionego niepodanego obróbce wstpnej. 6 5 susz materiał uwodniony Pp [mj/cm 2 ] ,58 38,98 288,39 18,15 142,64 182,94 18,15 19,71 I II III IV Rys. 5. Wnioski 1. Blanszowanie marchwi przed suszeniem sublimacyjnym powoduje wzrost wartoci pracy ciskania suszu w stosunku do wartoci pracy ciskania suszu odwodnionego osmotycznie. 2. Marchew blanszowana przed suszeniem sublimacyjnym ma najmniejsze opory przecinania zarówno dla suszu jak i materiału uwodnionego. 3. Warto pracy ciskania wieej marchwi jest 5 1 razy wiksza od wartoci pracy ciskania suszu oraz około 1-krotnie wiksza od wartoci pracy ciskania materiału rehydrowanego. Warto pracy przecinania wieej marchwi istotnie róni si od wartoci pracy przecinania suszu odwodnionego osmotycznie i suszu niepoddanego obróbce wstpnej. Dla materiału uwodnionego nie zaobserwowano 278

9 Bibliografia istotnych rónic bez wzgldu na sposób przygotowania próbki przed suszeniem sublimacyjnym. Barbanti D., Mastracola D., Pinnavaia G., Severini C., Dalla Rosa M. 1991, Air drying of fruit: Effect of different pre-treatments on drying rate and product quality, Proceedings of the 7 th International Drying Symposium, Drying 91, Elsevier Sci. Publ., Amsterdam, pp Curry J.C., Burns E.E., Heidelbaugh N.D. 1976, Effect of sodium chloride on rehydration of freeze-dried carrots. J. Food Sci., 41, Jakubczak E., Lewicki P.P. 22, Effect of pretreatment prior to drying on mechanical properties of dried apples, Inynieria Rolnicza, 5 (38), pp Szarycz M., Krakowski R., Kamieski E. 21, Moliwoci zastosowania mikrofal w suszarnictwie ywnoci, Maszyny do przetwórstwa płodów rolnych, Nr 1(14) 1, s Sterling C., Shimazu F. 1961, Cellulose crystallinity and the reconstitution properties of dehydrated carrots, J. Food Sci., 26, pp Stpien B., Krakmowski R., Gsiorek E. 22, The effect of the freeze-drying terms and storage time on the quality of driad musheooms, Inynieria Rolnicza 5 (38), Part II, pp Stpie B., Kramkowski R., Figiel A. 23, The effect of freeze-drying temperature on the rheological properties of root celery, Inynieria Rolnicza nr 9 (51), pp , Kraków Witrowa-Rajchert D. 1999, Rehydration as an index of changes occurring in plant tissues during drying, Fundacja Rozwój SGGW, Warszawa Witrowa-Rajchwrt D., Lewicki P.P. 1998, Kinetics of rehydration of dried vegetables, Proceedings of the 11 th International Drying Symposium, Drying 98, Ziti Editions, Thessaloniki, v. B, pp

10 Studies on selected mechanical properties of freeze-dried carrot Summary Freeze-drying of carrot was studied using contact heating, temperature of the heating plate 2 C and pressure in the drying chamber 1 Pa. The values of deformation and cutting force were calculated for raw carrot, for carrot without pre-treatment and for blanched and osmosis dehydrated carrot. The assays were carried out for dried and rehydrated material. Courses of carrot deformation and cutting processes are presented as a examples. The effect of pre-treatment on the value of deformation work and cutting work was analysed. Key words: freeze-drying, carrot, pre-treatment, mechanical properties 28

11 Rys. 1. Przykładowe przebiegi procesu ciskania marchwi dla suszu (A) i materiału uwodnionego (B) Fig 1. Examples of courses of a deformation process for dried (A) and rehydrated material (B) Rys.2. Wartoci pracy ciskania marchwi dla suszu (A) i materiału uwodnionego (B): 1-bez obróbki wstpnej, 2-blanszowanie, 3-odwadnianie osmotyczne Fig. 2. Deformation work values for dried (A) and rehydrated material (B): 1-without pretreatment, 2-blanching, 3-osmotic dehydration Rys. 3. Wartoci pracy ciskania marchwi przeliczone na jeden gram suszu: 1-bez obróbki wstpnej, 2-blanszowanie, 3-odwadnianie osmotyczne. Fig. 3. Deformation work values for a dried carrot calculated on one its gram: 1-without pretreatment, 2-blanching, 3-osmotic dehydration Rys. 4. Przykładowe przebiegi procesu przecinania marchwi dla suszu (A) i materiału uwodnionego (B). Fig. 4. Examples of courses of a cutting process for dried (A) and rehydrated material (B) Rys. 5. Wartoci pracy przecinania marchwi dla suszu (A) i materiału uwodnionego (B): 1- surowiec, 2-bez obróbki wstpnej, 3-blanszowanie, 4-odwadnianie osmotyczne Fig. 5. Cutting work values for dried (A) and rehydrated material (B): 1-raw carrot, 2-without pretreatment, 3-blanching, 4-osmotic dehydration 281