RUCH WILGOCI W MIESZANKACH TYPU MUESLI

Transkrypt

1 ŻYWNOŚĆ. Nauka. Technologia. Jakość, 2008, 4 (59), EWA GONDEK, PIOTR P. LEWICKI RUCH WILGOCI W MIESZANKACH TYPU MUESLI S t r e s z c z e n i e Mieszanka płatkó zbożoych z suszonymi oocami i innymi dodatkami jest materiałem niejednorodnym, a przez to trudnym do badania. W momencie produkcji składniki takiej mieszanki różnią się istotnie aktynością ody, produkt nie znajduje się stanie rónoagi termodynamicznej, a pomiędzy jego składnikami zachodzi ymiana masy. Płatki, jako typoe produkty higroskopijne, chłoną intensynie ilgoć, a ooce podlegają desorpcji. Do badań ybrano składniki mieszanek najbardziej różniące się aktynością ody czyli płatki zbożoe (płatki kukurydziane i płatki z otrąb pszennych) i ooce (jabłko). Wyznaczono izotermy sorpcji tych produktó metodą statyczno-eksykatoroą, uzyskano izotermy drugiego typu edług klasyfikacji Brunauera przypadku płatkó kukurydzianych i jabłka oraz trzeciego typu odniesieniu do płatkó z otrąb pszennych. Przygotoano mieszanki płatkó z jabłkiem o zróżnicoanej zaartości ody. Plastry jabłka śieżego i suszonego do zaartości suchej substancji 40, 60 i 80 % mieszano z płatkami, zachoując stały stosunek suchych mas ynoszący 1:10. Po określonym czasie mieszanki rozdzielano, a składnikach oznaczano zaartość ody i aktyność ody. Eksperyment proadzono do uzyskania stanu rónoagi, czyli zrónania się aktyności ody składnikó. Wyznaczono efektyny spółczynnik dyfuzji ody jabłkach metodą Cranka, a przypadku płatkó obliczono iloraz D ef /L 2 ze zględu na trudności określeniu ich ymiaró. Współczynnik dyfuzji ody jabłku yznaczony mieszance płatkó i jabłka śieżego ynosił 2, m 2 /s, a spółczynnik dyfuzji ody jabłku poddanym procesoi suszenia był na zbliżonym poziomie (3,23-3, m 2 /s) niezależnie od arunkó proadzenia eksperymentu. W przypadku płatkó artość ilorazu D ef /L 2 była tym niższa im mniejsza była zaartość ody jabłku, co oznacza, że głóny opór ruchu masy całym rozpatryanym układzie stanoi tempo przemieszczania się ody oocach. W ziązku z tym uzyskane pracy artości D ef /L 2 przypadku płatkó nie mogą być traktoane jako miara spółczynnika dyfuzji ody płatkach. Słoa kluczoe: płatki zbożoe, dyfuzja ody, izotermy sorpcji Wproadzenie Płatki zbożoe oraz mieszanki płatkó z suszonymi oocami i nasionami, zaliczane do zbożoej galanterii śniadanioej, cieszą się ostatnich latach rosnącą popu- Dr inż E. Gondek, prof. dr hab. P.P. Leicki, Katedra Inżynierii Żyności i Organizacji Produkcji, Wydz. Nauk o Żyności, Szkoła Głóna Gospodarsta Wiejskiego, ul. Nooursynoska 159 C, Warszaa

2 174 Ea Gondek, Piotr P. Leicki larnością. Zapenienie dobrej jakości tego typu produktó jest trudnym zadaniem, gdyż mieszanka płatkó z suszonymi oocami jest układem złożonym, którym podczas przechoyania zachodzi ymiana masy pomiędzy jego składnikami. Płatki zbożoe jako typoe produkty higroskopijne o niskiej aktyności ody chłoną intensynie ilgoć, suszone ooce to z kolei produkty o średniej aktyności ody, które zetknięciu z suchym i higroskopijnym materiałem, jakim są płatki, podlegają desorpcji. Wskutek tego procesu płatki zbożoe tracą chrupkość, a ooce stają się tarde, przez co produkt nie jest akceptoany przez konsumenta [4, 5, 9, 11]. Celem niniejszej pracy była analiza szybkości przemieszczania się ody pomiędzy ybranymi składnikami mieszanek typu muesli. Materiał i metody badań Do badań ybrano składniki mieszanek typu muesli najbardziej różniące się aktynością ody, czyli płatki zbożoe (płatki kukurydziane i płatki z otrąb pszennych) i jabłko Wymiary płatkó były zróżnicoane ich poierzchnia ynosiła ok mm 2, grubość 2-4 mm. Izotermy sorpcji tych produktó yznaczano metodą statyczno-eksykatoroą, jako czynniki higrostatyczne zastosoano nasycone roztory soli i roztory kasu siarkoego. Przygotoano mieszanki płatkó kukurydzianych z jabłkiem o zróżnicoanej zaartości ody dóch potórzeniach. Krążki jabłka średnicy 10 mm i grubości 3,5 mm suszono do zaartości ody 60, 40 i 20 % i mieszano z płatkami, zachoując stały stosunek suchej masy płatkó do jabłka ynoszący 1:10. Przygotoano rónież mieszankę płatkó z otrąb pszennych z jabłkiem oraz mieszankę trójskładnikoą złożoną z płatkó kukurydzianych, płatkó z otrąb pszennych i jabłka suszonego do ilgotności 40 %. Po określonym czasie składniki mieszanek rozdzielano i oznaczano nich zaartość i aktyność ody. W początkoej fazie eksperymentu czas pomiędzy pomiarami ynosił kilkanaście minut, końcoej kilkanaście godzin. Eksperyment proadzono do uzyskania stanu rónoagi, czyli zrónania się aktyności ody składnikó. Zaartość ody oznaczano: oocach metodą suszenia próżnioego temp. 70 ºC przez 24 h oraz płatkach g PN-ISO 6540 [11]. Aktyność ody płatkó i oocó mierzono aparacie Aqua Lab model CX-2 firmy Decagon Devices Inc., o dokładności ± 0,003 temp. 25 ± 1,5 ºC. Izotermy adsorpcji pary odnej opisano rónaniami GAB i Leickiego: Rónanie GAB [1]: u c k a m u = (1) (1 k a )[1 + (c 1) k a ] gdzie: u m, c, k - stałe, u - zaartość ody g ody/100 g s.s., a - aktyność ody

3 RUCH WILGOCI W MIESZANKACH TYPU MUESLI 175 Rónanie Leickiego [7]: E E u = (2) F G ( 1 a ) 1 + a gdzie: E, F, G- stałe Uzyskane krzye zależności zaartości ody składnikach mieszanek od czasu opisano przy użyciu programu Table Curve 2D v3 (Jandel Scientific) następującymi rónaniami: - przypadku desorpcji pary odnej: u ur = Aexp ( Kτ) (3) u0 ur - przypadku adsorpcji pary odnej: ur u u u r 0 = Aexp ( Kτ ) Obliczono z tych rónań: rónoagoą zaartość ody produkcie - ur, spółczynnik kształtu A, oraz parametr K, który informuje o spółczynniku dyfuzji ody badanym materiale; u 0 początkoa zaartość ody produkcie. Def K = 2 ( L (5) ) 2 gdzie: D ef - efektyny spółczynnik dyfuzji, m 2 /s, L- droga dyfuzji, m (4) Wyniki i dyskusja Na rys. 1. przedstaiono izotermy sorpcji pary odnej składnikó analizoanych mieszanek. Uzyskano izotermy II typu edług klasyfikacji Brunauera [2] przypadku płatkó kukurydzianych i jabłka [3] oraz izotermę III typu odniesieniu do płatkó z otrąb pszennych. Izotermy opisano rónaniami GAB (1) i Leickiego (2). W przeażającym obszarze aktyności ody izotermy oocó położone są na rysunku nad izotermami płatkó, co oznacza, że stanie rónoagi składniki mieszanki różnią się zaartością ody. We szystkich analizoanych przypadkach oda przemieszcza się tym samym kierunku: od oocó do płatkó (z przebiegu izoterm składnikó mieszanek ynika, że przy bardzo niskich aktynościach ody teoretycznie możliy jest ruch ody przecinym kierunku). Kierunek przemieszczania się ody mieszance płatkó z jabłkiem zaznaczono na rysunku strzałką.

4 176 Ea Gondek, Piotr P. Leicki 60 Zaartość ody, g ody/ 100 g s.s. Water content, g ater/100 g d.m Płatki z otrąb pszennych Wheat bran flakes Rys. 1. Izotermy sorpcji pary odnej składnikó badanych mieszanek. Fig. 1. Moisture sorption isotherms of the ingredients of the products investigated. a W pracy podjęto próbę yznaczenia efektynego spółczynnika dyfuzji ody składnikach mieszanek płatkó z jabłkiem. Efektyny spółczynnik dyfuzji ody zaiera sobie kilka możliych mechanizmó transportu masy, poza dyfuzyjnym np. przepły poierzchnioy, kapilarny, ciśnienioy, termodyfuzję, dyfuzję Knudsena i inne [6, 10]. Na rys. 2. przedstaiono zmiany zaartości ody składnikach badanych mieszanek płatkó kukurydzianych z jabłkiem o zróżnicoanych początkoych zaartościach ody. Dużym zmianom zaartości ody jabłku toarzyszyły nieielkie zmiany zaartości ody płatkach, co ynikało z przyjętych dośiadczeniu proporcji. Zapach mieszanki płatkó z jabłkiem śieżym czartej dobie trania eksperymentu sugeroał zepsucie mikrobiologiczne, dlatego eksperyment został przerany mimo braku osiągnięcia stanu rónoagi (a płatkó ynosiła óczas 0,901, a jabłka 0,955). Jabłka suszone do 40% s.s. po zmieszaniu z płatkami najintensyniej oddaały odę przez piersze 20 h eksperymentu, po około 98 h układ osiągał stan rónoagi przy a = 0,625. W kolejnej mieszance, zaierającej jabłko o zaartości suchej substancji 60 %, stan rónoagi stierdzono po około 80 h przy aktyności ody ynoszącej 0,447.

5 RUCH WILGOCI W MIESZANKACH TYPU MUESLI 177 W ostatniej, przedstaionej na rys. 2., mieszance zmiany zaartości ody składnikó były nieielkie, ilgotność płatkó ziększyła się o około 0,7 % stosunku do artości początkoej. Układ osiągał stan rónoagi po 61 h przy a = 0,370. Zaartość ody g ody/g s.s. Water content, g ater/g d.m śieże Fresh apple x x x x x x10 3 Czas, s Time, s Zaartość ody g ody/g s.s. Water content, g ater/g d.m. 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,1 suszone, zaartość ody 60 % 0, x x x x10 3 Czas, s Time, s Zaartość ody g ody/g s.s. Water content, g ater/g d.m suszone, zaartość ody 40 % Zaartość ody g ody/g s.s suszone, zaartość ody 20 % x x x x x x10 3 Czas, s Time, s x x x x10 3 Czas, s Time, s Rys. 2. Przebieg zmian zaartości ody składnikach mieszanek czasie przechoyania płatkó z jabłkiem o różnej początkoej zaartości ody. Fig. 2. Changes in the moisture content in the ingredients of mixtures hen storing the flakes ith apple ith a different initial ater content. Głónym składnikiem mieszanek typu muesli są płatki (80 % i ięcej) oda przemieszcza się ięc z oocó do masy płatkó. Nieliczne badania tego typu produktó doodzą, że zjaisko to ma istotne znaczenie z punktu idzenia ruchu ilgoci. Tutuncu i Labuza [11] obliczyli spółczynnik dyfuzji ody pojedynczych płatkach oraz masie płatkó i stierdzili, że pojedynczym płatku oda przemieszcza się olniej niż arstie płatkó. Rónież Meskine [8], badając dyfuzję ody masie płatkó kukurydzianych i pojedynczych płatkach, uzyskał znaczną różnicę pomiędzy obliczonymi spółczynnikami dyfuzji D ef. Współczynniki D ef ody ży-

6 178 Ea Gondek, Piotr P. Leicki ności mieszczą się przedziale m 2 /s, przy czym yższe artości dotyczą produktó poroatych, jak np. produkty zbożoe, a niższe produktó o zartej strukturze, jak np. rodzynki i jabłka [6]. Na tym tle spółczynnik dyfuzji ody poietrzu jest bardzo ysoki i ynosi 2, m 2 /s, co tłumaczy istotny pły przestrzeni poietrznych na procesy przenoszenia ody układach ieloskładnikoych. Jeśli przyjąć, że poietrze uięzione złożu płatkó zachouje się jakby stanoiło składnik układu, to spraia ono, że spółczynnik D ef yznaczony złożu jest yższy niż uzyskany przypadku pojedynczej cząstki i rośnie ze zrostem ilości poietrza zaartego złożu. Tutuncu i Labuza [11] ykazali rónież, że D ef dużej mierze zależy od geometrii układu i eksperymenty poinny uzględniać konfigurację przestrzenną produktu, co nie jest łate badanych produktach. W analizoanym eksperymencie dochodziło ponadto do kontaktu pomiędzy składnikami mieszaniny, przy czym niemożliość zdefinioania poierzchni kontaktu dodatkoo utrudnia interpretację ynikó. W tab. 1. podano uzyskane dośiadczeniu spółczynniki dyfuzji ody jabłkach oraz artości ilorazu D ef /L 2 płatkó kukurydzianych. Wykazano, że badanych mieszankach spółczynnik dyfuzji ody jabłkach ysuszonych do różnych zaartości ody był zbliżony. Współczynnik dyfuzji ody jabłku, yznaczony mieszance płatkó z jabłkiem śieżym, był ponad 7-krotnie yższy od spółczynnikó uzyskanych jabłku suszonym, tym przypadku oda ze zniszczonych na skutek cięcia komórek jabłka znajdujących się na poierzchni ydostaała się bardzo łato. T a b e l a 1 Wyznaczone parametry rónania (5), odnoszące się do mieszanek płatkó kukurydzianych z jabłkiem o zróżnicoanej początkoej zaartości ody. The determined parameters of equation (5) referring to corn flakes & apple mixtures ith a different initial ater content level. D ef /L 2, (s -1 ) D ef, (m 2 /s) Płatki kukrydziane D ef /L 2 1, / D ef /L 2 D ef Początkoa zaartość ody jabłku, % Initial ater content in apple [%] 88, (jabłko śieże / fresh apple) 7, , , , , , , , , , ,

7 RUCH WILGOCI W MIESZANKACH TYPU MUESLI 179 Obliczono rónież spółczynnik dyfuzji ody jabłku o zaartości 60 % s.s. mieszance z płatkami z otrąb pszennych oraz mieszance trójskładnikoej płatkó kukurydzianych, płatkó z otrąb pszennych i jabłka, ynosił on odpoiednio 3, i 3, m/s 2. Rónież tych przypadkach artości Def były zbliżone, stierdzić ięc można że analizoanych przypadkach spółczynnik dyfuzji ody jabłku nie zależał od substancji adsorbującej odę. Wnioski 1. Izotermy sorpcji jabłka i płatkó kukurydzianych charakteryzują się przebiegiem II typu, a płatkó z otrąb pszennych III typu edług klasyfikacji Brunauera i sp. 2. W badanych mieszankach płatkó zbożoych z oocami spółczynnik dyfuzji ody jabłku poddanym suszeniu jest na zbliżonym do siebie poziomie, niezależnie od początkoej ilgotność jabłka ani rodzaju płatkó użytych do sporządzania mieszanki. 3. Wartość ilorazu D ef /L 2 płatkó zbożoych zależy od początkoej ilgotności jabłka, nie może być ięc uażana za skaźnik opisujący dyfuzję ody płatkach. Praca była prezentoana podczas VI Konferencji Naukoej nt. Nooczesne metody analityczne zapenieniu jakości i bezpieczeństa żyności, Warszaa, 6-7 grudnia 2007 r. Literatura [1] Bizot H.: Using the GAB model to construct sorption isotherms. In: Physical Properties of Food. (eds.joitt R., Escher F., Hällström B., Meffert H. F. T., Spiess W.E.L., Vos G.) Applied Science Publishers, London 1983, pp [2] Brunauer S., Deming L. S., Deming W. E., Teller E.: On the theory of van der Waals adsorption of gases. J. Am. Chem. Soc., 1940, 62, [3] Ertugay M. F., Certel M.: Moisture sorption isotherms of cereals at different temperatures. Nahrung, 2000, 44, [4] Gondek E., Leicki P.P.: Antiplasticization of cereal-based products by ater. Part II: Breakfast cereals. J. Food Eng., 2006, 77 (2), [5] Gondek E., Leicki P.P.: Kinetics of ater vapor sorption by selected ingredients of muesli-type mixtures. Pol. J. Food Nutr. Sci., 2007, 57(3), [6] Labuza T. P., Hyman C.R.: Moisture migration and control in multi-domain foods. Trends Food Sci. Technol., 1998, 9, [7] Leicki P. P.: A three parameter equation for food moisture sorption isotherms. J. Food Proc. Eng., 1998, 21, [8] Meskine A.: Analysis of effect of relative mass diffusion resistances on moisture transport in foodpackage systems. M.S. thesis, The Univ. of Minnesota, St Paul, MN. (za Tutuncu i Labuza), [9] Noak D., Leicki P.P., Stasiak M.: Procesy dyfuzyjne mieszankach ieloskładnikoych. Mat. Konf. Nauk. PTTŻ Żyność funkcjonalna, Krakó, 1999, s

8 180 Ea Gondek, Piotr P. Leicki [10] Sapru V., Labuza T. P.: Moisture transfer simulation in packaged cereal-fruit systems, J. Food Eng., 1996, 27, [11] Tutuncu M. A., Labuza T. P.: Effect of geometry on the effective moisture transfer diffusion coefficient. J. Food Eng., 1996, 30, MOISTURE DIFFUSION IN MIXTURES OF THE MUESLI TYPE S u m m a r y A mixture of cereal flakes ith dried fruit and ith other additions is not a homogeneous material, thus, it is difficult to investigate it. During the production of such a mixture, its ingredients significantly differ by ater activity, the product is not in the state of thermodynamic equilibrium, and the mass exchange occurs among those ingredients. The flakes, being a typical hygroscopic product, intensely absorb moisture, and the fruit is subject to desorption. Ingredients of the mixtures ith the highest differences in ater activity ere selected for the investigation, i.e. cereal flakes (corn flakes and heat bran flakes) and fruit (apple). Moisture sorption isotherms of those products ere determined using a static exsiccation method. In the case of corn flakes and apples, the obtained isotherms represented type II according to the isotherm classification of Brunauer et al., and in the case of heat bran flakes: type III of the same classification. Next, mixtures of flakes and apples ere prepared; they had different ater content levels. Slices of the fresh apples and of the apples dried so as to have 40, 60, and 80 % of dry matter ere mixed ith the flakes at a 1:10 constant ratio of dry matter. After a fixed time period, the mixtures ere separated and the content of ater & ater activity ere determined in the ingredients of those mixtures. The experiment as continued until the state of equilibrium as achieved, i.e. until the ater activity levels of all the ingredients became equal. An effective ater diffusion coefficient as determined for apples using the Crank method, and, as for the flakes, a D ef /L 2 quotient as calculated because it as difficult to measure their sizes. The ater diffusion coefficient of the apple as measured in the flakes & fresh apple mixture as m 2 /s hile the ater diffusion coefficient for the apple subject to drying as similar ( m 2 /s) regardless of the experiment conditions. As for the flakes, the loer the ater content in the apple as the loer the D ef /L 2 quotient value as. This means that the ater diffusion speed in the fruit constitutes the major resistance to mass transfer ithin the entire system. Therefore, the D ef /L 2 values as obtained under this experiment cannot be regarded to be a reliable measure of ater diffusion coefficient for the flakes. Key ords: cereals flakes, ater diffusion, ater sorption isotherms