WŁACIWOCI SORPCYJNE GRZANEK ZAWARTYCH W ZUPACH INSTANTYZOWANYCH

Transkrypt

1 YWNO. Nauka. Technologia. Jako, 2006, 2 (47) Sul., MILLENA RUSZKOWSKA, ANETA OCIECZEK, PIOTR PALICH WŁACIWOCI SORPCYJNE GRZANEK ZAWARTYCH W ZUPACH INSTANTYZOWANYCH S t r e s z c z e n i e W racy rzedstawiono charakterystyk właciwoci sorcyjnych grzanek zawartych w zuach instantyzowanych. Pomiaru zjawiska sorcji dokonano metod statyczn na odstawie analizy izoterm adsorcji ary wodnej i metod dynamiczn rzez okrelenie kinetyki adsorcji ary wodnej i szybkoci rocesu. Pocztkow zawarto wody w materiale okrelono metod suszenia w tem.105 C. Izotermy adsorcji wyznaczono w zakresie aktywnoci wody a w = 0,07-0,98. Izotermy oddano rzekształceniu BET w zakresie aktywnoci wody a w = 0,07-0,44, obliczono ojemno warstwy monomolekularnej Vm i odowiadajc jej aktywno wody oraz okrelono owierzchni właciw adsorcji. Izotermy adsorcji ary wodnej badanych roduktów odowiadały tyowi II w klasyfikacji Brunauera. Wysz ojemnoci monowarstwy i owierzchni właciw adsorcji charakteryzowały si grzanki A, uzyskane wyniki wskazywa mog na lesz odatno tych roduktów na roces rehydracji. Przebieg krzywych kinetyki adsorcji ary wodnej uwarunkowany był aktywnoci wody rodowiska oraz ocztkow zawartoci wody w badanych materiałach. Szybko rocesu sorcji w badanych roduktach rzyjmowała najwysze wartoci w czasie ierwszych 2 godz. trwania omiaru (120 min). W rodowisku o aktywnoci wody w zakresie a w = 0,55 0,98, wraz ze wzrostem zawartoci wody w badanych roduktach, stwierdzono zmniejszenie szybkoci rocesu adsorcji ary wodnej. Słowa kluczowe: izotermy, kinetyka adsorcji, owierzchnia właciwa, zuy instant, grzanki Wst Zawarto wody w roduktach soywczych stanowi czynnik determinujcy wiele zmian chemicznych, fizycznych i mikrobiologicznych, a tym samym ma duy wływ na stabilno rzechowalnicz ywnoci suszonej. Wraliwo roduktów soywczych na wilgo i ich zdolno chłonicia wody moe by okrelona na odstawie krzywej izotermy adsorcji, rzedstawiajcej zaleno omidzy aktywnoci wody i równowagow zawartoci wody w rodukcie. Kształt izotermy sorcji odzwierciedla mechanizm wizania wody w Mgr in. M. Ruszkowska, dr in. A. Ocieczek, dr in. P. Palich, rof. nadzw. AM, Katedra Organizacji Usług Turystyczno-Hotelarskich, Akademia Morska, ul. Morska 83, Gdynia

2 272 Millena Ruszkowska, Aneta Ocieczek, Piotr Palich materiale. Izotermy adsorcji wikszoci roduktów soywczych charakteryzuj si sigmoidalnym kształtem z nieznacznymi odchyleniami uwarunkowanymi rzede wszystkim rodzajem roduktu i zawartoci wody [3]. Kształt ten zwizany jest z wystowaniem adsorcji monowarstwowej w rodowisku o aktywnoci wody a w <0,3, adsorcji wielowarstwowej w zakresie 0,3<a w <0,65 oraz kondensacji kailarnej rzy a w >0,65. Zaleno rzyrostu zawartoci wody w ywnoci suszonej od czasu rocesu umoliwia interretacj zjawiska kinetyki adsorcji. Kształt krzywej kinetyki adsorcji zaley od składu chemicznego badanego roduktu oraz arametrów omiaru (temeratury i wilgotnoci wzgldnej owietrza) [1]. W rzyadku roduktów charakteryzujcych si złoonym składem, takich jak zuy instantyzowane z grzankami, wraliwo na wilgo jest wyadkow właciwoci sorcyjnych ywnoci w roszku oraz zastosowanych dodatków (n. grzanki). Biorc od uwag niewielk ilo ublikacji dotyczcych właciwoci sorcyjnych grzanek celem racy było okrelenie tych właciwoci grzanek zawartych w zuach instantyzowanych. Zakres racy obejmował wyznaczenie izoterm i kinetyki adsorcji ary wodnej. Materiał i metody bada Materiał badawczy stanowiły grzanki zawarte w zuach instantyzowanych. Do bada uyto grzanek ochodzcych z zu grochowych, wyrodukowanych rzez dwóch wiodcych roducentów na rynku olskim, firm Knorr (A) i Winiary (B). Zawarto wody w badanych roduktach okrelano metod suszenia rzy cinieniu atmosferycznym, w tem. 105ºC [7]. Izotermy adsorcji wyznaczano metod statyczn. Próbki rzechowywano w higrostatach w tem. 20ºC rzez 30 dni. W celu zaewnienia stałej wilgotnoci rodowiska zastosowano nasycone roztwory soli o aktywnoci wody od 0,07 do 0,98. Na odstawie ocztkowej masy roduktu oraz jej zmian w czasie obliczano równowagowe zawartoci wody i wyznaczano izotermy sorcji. Pomiary masy róbek wykonywano za omoc wagi analitycznej. Izoterm adsorcji rzedstawiono w układzie wsółrzdnych (/ o )/a(1-/ o ) i / o. Na odstawie danych z zakresu a w = 0,07 0,44, wyznaczano objto warstwy monomolekularnej wraz z odowiadajc jej aktywnoci wody, stosujc równanie BET o ostaci [5, 6]: a 1 gdzie: a adsorcja, [kg/kg], 0 1 C 1 0 = V m C + V m C 0 (1)

3 WŁACIWOCI SORPCYJNE GRZANEK ZAWARTYCH W ZUPACH INSTANTYZOWANYCH 273 V m maksymalna wielko adsorcji odowiadajca całkowitemu okryciu owierzchni jednoczsteczkow warstw adsorbatu, [kg/kg], C stała, zwizana w sosób wykładniczy z rónic omidzy ciełem adsorcji na ierwszej i na nastnych warstwach, rzyjta za niezmienn i równa ciełu kondensacji, rno ar adsorbowanej wody w fazie gazowej, [Pa], 0 rno ar adsorbowanej wody, znajdujcej si nad ciecz w stanie równowagi w temeraturze adsorcji, [Pa]. Powierzchni właciw sorcji wyznaczono jako ochodn warstwy monomolekularnej, osługujc si równaniem [2]: Vm L N PS = (2) M gdzie: PS owierzchnia właciwa sorcji, [m 2 ], M masa czsteczkowa wody, [18g/mol], N liczba Avogadro, [6, czsteczki/mol], L owierzchnia okrywana rzez czsteczk wody, [1, m 2 /czsteczk]. Kinetyk adsorcji ary wodnej w badanych róbach oznaczano metod dynamiczn, korzystajc ze stanowiska zaewniajcego cigły omiar i komuterowy zais zmian masy róbek, w rodowisku o okrelonej aktywnoci wody i temeraturze. Kinetyk adsorcji ary wodnej wyznaczano rzy aktywnoci wody 0,07, 0,55, 0,98, w tem. 20ºC, w cigu 120 godz. Zmiany masy rejestrowano rzez 60 godz. co 30 min i rzez kolejne 60 godz. co 60 min. Interretacj kinetyki adsorcji stanowiły krzywe kinetyczne oraz krzywe szybkoci. Krzywe kinetyczne stanowiły graficzny zais zmian iloci zaadsorbowanej wody (g H 2 0/100 g s.s.) w czasie. Krzywe szybkoci natomiast odzwierciedlały zmiany szybkoci adsorcji ary wodnej w czasie (g H 2 0/100 g s.s. min -1 ) i były róniczk krzywych kinetycznych. Wyniki bada i dyskusja Wykazano, e wiksz zawartoci wody charakteryzowały si grzanki A (3,6 g H 2 0/100 g s.s.). Zawarto wody w grzankach B kształtowała si na oziomie 3,2 g H 2 0/100 g s.s. (tab. 1). Kształt izoterm adsorcji ary wodnej badanych grzanek odowiadał II tyowi izoterm wg klasyfikacji Brunauera [6]. Przebieg izoterm adsorcji odzwierciedlał wraliwo badanych materiałów na oddziaływanie rodowiska o rónym oziomie aktywnoci wody. W grzankach obu firm wykazano odobny sigmoidalny rzebieg izoterm (rys. 1)

4 274 Millena Ruszkowska, Aneta Ocieczek, Piotr Palich Zawarto wody, [g/100 g s.s.] / Water content, [ g/100 g. d.m.] 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 Grzanki A Croutons A Grzanki B Croutons B 2,0 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Aktywno wody / Water activity Rys. 1. Fig. 1. Izotermy sorcji grzanek A i B w tem. 20ºC. Sortion isotherms of croutons A and B in a temerature of 20ºC. W kształcie uzyskanych izoterm mona było wyróni tyowe dla ywnoci obszary izotermy sorcji. Obszar I - charakteryzujcy monowarstwow sorcj wody rzez gruy olarne, obejmował obszar od a w = 0,07-0,44. Warstwa wieloczsteczkowa tworzyła si w zakresie a w = 0,44-0,74. Natomiast roces kondensacji kailarnej w obu róbach stwierdzono w zakresie a w = 0,74-0,98. Równowagowa zawarto wody w badanych grzankach uzaleniona była od aktywnoci wody rodowiska oraz interakcji czsteczek wody ze składnikami badanych grzanek [2, 4, 5]. Grzanki A w rodowisku o a w od 0,07 do 0,53, wykazywały nieco wysz sorcyjno w orównaniu z grzankami B. Po rzekroczeniu aktywnoci wody rodowiska 0,53 nastiło odwrócenie tendencji i grzanki B charakteryzowały si wysz sorcyjnoci ni grzanki A. Jednake wyniki testu zgodnoci Smirnowa- Kołmogorowa ozwalaj stwierdzi, e rzy oziomie istotnoci α = 0,05 rozkłady sorcyjnoci w obu badanych rodzajach grzanek były identyczne. Na odstawie rzebiegu izoterm adsorcji wyznaczono arametry równania BET, ojemno warstwy monomolekularnej V m i odowiadajc jej aktywno wody oraz owierzchni właciw sorcji PS (tab. 1). Wiksz ojemnoci monowarstwy charakteryzowały si grzanki A i ojemnoci tej odowiadała wysza aktywno wody. W grzankach B warto monowarstwy ukształtowała si na niszym oziomie, a ojemnoci tej odowiadała nisza aktywno wody (tab. 1). Relacje te mogły by sowodowane rónicami w składzie chemicznym badanych grzanek lub te rónicami w stanie oszczególnych składników (n. zaawansowana retrogradacja skrobi owoduje zmniejszenie dostnoci owierzchni skrobi dla czsteczek wody) grzanek [8]. Mona równie rzyuszcza, e grzanki A bd charakteryzowa si nisz trwałoci rzechowalnicz ze wzgldu na wysz aktywno zawartej w nich wody [2, 4, 8].

5 WŁACIWOCI SORPCYJNE GRZANEK ZAWARTYCH W ZUPACH INSTANTYZOWANYCH 275 Parametry równania BET. The BET equation arameters. T a b e l a 1 Produkt Product Grzanki A Croutons A Knorr Grzanki B Croutons B Winiary rednia zawarto wody [%] Mean water content [%] Pojemno warstwy monomolekularnej [g H 2 O/100 g s.s] Caacity of monolayer [g H 2 O/100 g d. m.] Aktywno wody Water activity Powierzchnia właciwa sorcji [m 2 /g] Secific surface of sortion [m 2 /g] 3,6 2,51 0,20 8,84E+03 3,2 2,45 0,18 8,61E+03 Powierzchnia właciwa sorcji bdc ochodn ojemnoci warstwy monomolekularnej wykazywała wysze wartoci w grzankach firmy A. Kinetyk adsorcji ary wodnej grzanek A i B rzedstawiono na rys. 2 i 3. Zawarto wody, [g wody/100g s.s.] / Water content, [g water/100 g. d.m.] 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 98% 55% 7% Czas, [h] /Time, [h] Rys. 2. Kinetyka adsorcji ary wodnej grzanek A. Fig. 2. Kinetics of water vaour adsortion of croutons A.

6 276 Millena Ruszkowska, Aneta Ocieczek, Piotr Palich Zawarto wody, [g wody/100g s.s.] / Water content, [g water/100 g d.m.] 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 98% 55% 7% Czas, [h] /T ime, [h] Rys. 3. Kinetyka adsorcji ary wodnej grzanek B. Fig. 3. Kinetics of water vaour adsortion of croutons B. Przebieg krzywych kinetyki uwarunkowany był aktywnoci wody rodowiska oraz ocztkow zawartoci wody w badanych materiałach, które wsólnie determinowały wielko siły sscej. Produkty umieszczone w rodowisku o wyszej aktywnoci wody charakteryzowały si wiksz adsorcj ary wodnej. Krzywe kinetyki adsorcji ary wodnej badanych roduktów rzebiegały odobnie. Grzanki A w rodowisku o aktywnoci wody a w = 0,98 o ierwszej godzinie rocesu zwikszyły zawarto wody, osigajc oziom 4,82 g H 2 O/100 g s.s., a do koca omiaru nastiło otrojenie tej wartoci (14,41 g H 2 O/100 g s.s.). Grzanki B w cigu ierwszej godziny trwania omiaru zaadsorbowały ok. 5,37 g H 2 O/100 g s.s., osigajc w kocowej fazie badania warto rawie trzykrotnie wysz (15,48 g H 2 O/100 g s.s.). Grzanki B charakteryzowały si, w ocztkowej fazie adsorcji, nieznacznie wiksz kinetyk adsorcji ary wodnej (rónica w kcie jaki tworz styczne do krzywej z osi czasu) ni grzanki A, co wynika mogło z rónic ocztkowej zawartoci wody. Rónice wilgotnoci roduktu i jego otoczenia, warunkuj rónic otencjału wilgotnociowego, stanowic tym samym sił nadow rocesu kinetyki adsorcji ary wodnej. W rodowisku o a w = 0,55 grzanki A o ierwszej godzinie osignły około 3,96 g H 2 O/100 g s.s. i do koca rocesu zawarto wody wzrosła o ok. 39%, osigajc warto 5,52 g H 2 O/100 g s.s. W grzankach B o ierwszej godzinie omiaru (a w = 0,55) zawarto wody wyniosła 3,63 g H 2 O/100 g s.s. i do koca rocesu warto ta wzrosła o ok. 53% i wynosiła 5,54 g H 2 O/100 g s.s. (rys. 2 i 3) W rodowisku o a w = 0,07, o ierwszej godzinie omiaru zawarto wody w grzankach A zmniejszyła si do ok. 3,23 g H 2 O/100 g s.s. i do koca rocesu wielko ta zmalała o ok. 36%, osigajc warto 2,07 g H 2 O/100 g s.s. Grzanki B o ierwszej godzinie w rodowisku o najniszej aktywnoci wody osignły zawarto wody na oziomie 2,88 g H 2 O/100 g s.s., do koca omiaru zawarto ta zmalała o 31%, rzyjmujc warto ok. 2,00 g H 2 O/100 g s.s. (rys. 2 i 3).

7 WŁACIWOCI SORPCYJNE GRZANEK ZAWARTYCH W ZUPACH INSTANTYZOWANYCH 277 Szybko adsorcji ary wodnej w badanych wyrobach uwarunkowana była zawartoci wody w roduktach oraz wilgotnoci otoczenia. Na odstawie krzywych szybkoci adsorcji ary wodnej (rys. 4 i 5), stwierdzono, e szybko rocesu adsorcji w badanych grzankach malała wraz ze wzrostem zawartoci wody w rodukcie. W rodowisku o aktywnoci wody a w =0,07 szybko adsorcji wykazywała wartoci ujemne. Szybko adsorcji, [g wody/100 g s.s.min 1 ]/ The seed of water adsortion, [g water/ 100 g d.m.*min 1 ] 0,048 0,041 0,034 0,027 0,020 0,013 0,006-0,001-0,008-0,015 98% 55% 7% Czas, [h] / Time [h] Rys. 4. Szybko adsorcji ary wodnej grzanek A. Fig. 4. The seed of water vaour adsortion of croutons A. Szybko adsorcji, [g wody/100 g s.s. min -1 ] / The seed of water adsortion, [g water/ 100 g d.m.*min -1 ] 0,048 0,041 0,034 0,027 0,020 0,013 0,006-0,001-0,008-0,015 98% 55% 7% Czas, [h] /Time, [h] Rys. 5. Szybko adsorcji ary wodnej grzanek B. Fig. 5. The seed of water vaour adsortion of croutons B. Najszybciej roces adsorcji rzebiegał w czasie ierwszych dwóch godzin omiaru, w rodowisku o aktywnoci wody a w = 0,98. W grzankach B na ocztku rocesu szybko adsorcji wynosiła około 0,04 g H 2 O/(100 g s.s.min -1 ), rzy zawartoci wody 5,37 g H 2 O/100 g s.s., a rzy zawartoci wody 15,10 g H 2 O/100 g s.s. szybko wykazywała warto blisk zeru. Grzanki A w rodowisku o aktywnoci wody a w = 0,98 wykazywały ocztkow szybko adsorcji ary wodnej zblion do szybkoci grzanek B i wynosiła ona w grzankach A ok. 0,03 g H 2 O/(100 g s.s.min -1 ). Grzanki A uzyskały szybko adsorcji blisk zeru rzy zawartoci wody około 13,88 g H 2 O/100 g s.s.

8 278 Millena Ruszkowska, Aneta Ocieczek, Piotr Palich W rodowisku o a w = 0,55, wysz ocztkow szybko adsorcji stwierdzono w grzankach B, tj. 0,01 g H 2 O/(100 g s.s.min -1 ), rzy zawartoci wody 3,49 g H 2 O/100 g s.s. W grzankach A szybko na ocztku rocesu wynosiła ok. 0,009 g H 2 O/(100 g s.s.min -1 ), rzy zawartoci wody ok. 3,86 g H 2 O/100 g s.s. Badane rodukty A i B w rodowisku o a w = 0,07 charakteryzowały si równie ujemn szybkoci adsorcji, która rzyjmowała najwiksze wartoci w czasie ierwszych 2 godz. omiaru. Wnioski 1. Izotermy adsorcji ary wodnej badanych grzanek A i B miały rzebieg zgodny z rzebiegiem izoterm tyu II według klasyfikacji Brunauera. Sigmoidalnym kształt izotermy zwizany był z wystowaniem adsorcji monowarstwowej w rodowisku o aktywnoci wody a w <0,44, zakresu adsorcji wielowarstwowej (0,44<a w <0,72) i kondensacji kailarnej (a w >0,72). 2. Grzanki A w zakresie aktywnoci wody a w = 0,42-0,98, adsorbowały mniejsze iloci wody ni grzanki B. Produkty A charakteryzowały si wiksz ojemnoci monowarstwy i owierzchni właciw sorcji, co sugerowa moe ich wysok odatno na roces rehydracji. 3. Krzywe kinetyki adsorcji ary wodnej badanych roduktów rzebiegały odobnie. Produkty umieszczone w rodowisku o wyszej aktywnoci wody, charakteryzowały si wiksz adsorcj ary wodnej. 4. Szybko rocesu adsorcji w badanych grzankach malała wraz ze wzrostem w nich zawartoci wody. W rodowisku o aktywnoci wody a w = 0,07 szybko adsorcji wykazywała wartoci ujemne, co wskazuje na zachodzenie rocesu desorcji. Literatura [1] Domian E., Lenart A.: Adsorcja ary wodnej rzez ywno w roszku. ywno. Nauka. Technologia. Jako., 2000, 4 (25), [2] Foster K.D., Bronlund J.E., Paterson A.H.J.: The rediction of moisture sortion isotherms for dairy owders. Internat. Dairy J., 2005, 15, [3] Lenart A.: Charakterystyka właciwoci sorcyjnych odwodnionej ywnoci. Przem. Ferm. Owoc. Warz., 1991, 2 (25), 1-4. [4] Mathlouthi M.: Water content, water activity, water structure and the stability of foodstuffs. Food Control, 2001, 12, [5] Ocieczek A.: Badania modeli oceny trwałoci rzechowalniczej roduktów higroskoijnych na rzykładzie makaronu. Praca doktorska. WSM, Gdynia [6] Ocik J.: Adsorcja. PWN. Warszawa [7] PN-A Koncentraty soywcze. Metody bada. Oznaczenie zawartoci wody. [8] Rahman M.S.: State diagram of foods: Its otential use in food rocessing and roduct stability. Food Sci. Technol. dane bibliogr.

9 WŁACIWOCI SORPCYJNE GRZANEK ZAWARTYCH W ZUPACH INSTANTYZOWANYCH 279 SORPTION PROPERTIES OF CROUTONS IN INSTANT SOUPS S u m m a r y This study resents characteristics of sortion roerties of croutons contained in instant sous. The sortion henomenon was measured by means of static method analysing the water vaour adsortion isotherm and dynamic method by determining the water vaour adsortion kinetics and the rocess seed. The initial water content in the material was determined by means of thermal drying in 105 C. The adsortion isotherms were determined within the water activity a w = The isotherms were subjected to the BET transformation within a w = water activity, the monomolecular layer caacity Vm was calculated and the resective water activity and also the adsortion surface roer was determined. The water vaour adsortion isotherms in the roducts under study corresonded to Tye II of the Brunauer classification. Croutons A had greater caacity of the monolayers and the adsortion surface roer; the obtained data may indicate those roducts being rone to the rehydration rocess. The water vaour adsortion kinetics curves was u to the environment water activity and the initial water content in the material under study. The sortion seed in the roducts under study was the greatest during the first 2 hours of the measurement taking (120 minutes). The water vaour adsortion seed droed in the environment with water activity a w = , along with an increase in water content in the roducts under study. Key words: isotherms, adsortion kinetics, roer surface, instant sous, croutons