Wykorzystanie ultradźwięków jako techniki wspomagania procesu suszenia owoców i warzyw

Transkrypt

1 DOI / innowacyjne DOI / ? technologie Wykorzystanie ultradźwięków jako techniki wspomagania procesu suszenia owoców i warzyw Ultrasound Application as a Useful Technique in the Enhancement of Fruit and Vegetable Drying dr hab. Dorota Konopacka, prof. dr hab. Witold Płocharski, mgr inż. Karolina Siucińska, prof. dr hab. Stefan J. Kowalski*, dr inż. Dominik Mierzwa* Zakład Przechowalnictwa i Przetwórstwa Owoców i Warzyw, Instytut Ogrodnictwa, Skierniewice *Wydział Technologii Chemicznej, Zakład Inżynierii Procesowej Instytutu Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska Słowa kluczowe: ultradźwięki, suszenie, odwadnianie, jakość, obróbka wstępna, przetwarzanie Keywords: ultrasounds, drying, dehydration, quality, pretreatment, processing During recent years, although a rapid increase of publications related to the possibilities of ultrasound application in drying technology has been observed, this has not resulted in this technique becoming available in everyday practice. The application of ultrasound into drying processes still remains at the experimental stage, what is more, the displayed results clearly indicate the necessity of their individual optimization and scrupulous dosage. To this day the potential benefits of US application seem to be attractive enough, to offset the costs and efforts of the need to undertake meticulous research indispensable to determine the demands of specific raw materials which would potentially benefit from this process. In the article the current state of art concerning the potential of ultrasound application in fruit and vegetable dehydration, related both for predrying and drying operations, are summarized. W ciągu ostatnich kilku lat obserwuje się wręcz lawinowy wzrost liczby publikacji na temat możliwości wykorzystania ultradźwięków w suszarnictwie, co nie przekłada się jeszcze na dostępność tej technologii dla praktyki. Zastosowanie fal akustycznych w procesie suszenia pozostaje nadal w fazie eksperymentalnej, a publikowane wyniki badań dobitnie wskazują na konieczność ich indywidualnego doboru i kontrolowanego dawkowania. Jednak potencjalne korzyści z zastosowania ultradźwięków wydają się wystarczająco atrakcyjne, aby rekompensować trud i koszty prowadzenia drobiazgowych badań, uwzględniających specyfikę indywidualnych wymagań poszczególnych surowców przewidzianych do suszenia. W artykule przedstawiono aktualny stan wiedzy o możliwościach zastosowania ultradźwięków do wstępnego traktowania i suszenia owoców i warzyw. Wprowadzenie Suszenie to jedna z najstarszych metod utrwalania produktów żywnościowych. W miarę kształtowania się potrzeb żywieniowych społeczeństwa zmieniały się zarówno sposoby, jak i cele suszenia. Obecnie suszenie to już nie tylko utrwalenie produktów w celu zachowania składników odżywczych, takich jak węglowodany i białka. O jakości produktu decyduje zachowanie cech charakterystycznych dla surowca, a w szczególności smaku, barwników i związków zapachowych. Stosowane w praktyce tradycyjne metody suszenia produktów ogrodniczych (najczęściej metoda konwekcyjna) są długotrwałe i często prowadzą do znacznego zmniejszenia wartości żywieniowej oraz sensorycznej suszonego produktu. Zagadnienie możliwości wykorzystania fal akustycznych w zakresie ultradźwięków, jako skutecznego sposobu skrócenia czasu suszenia, pojawiło się w literaturze fachowej w latach 60. ubiegłego wieku. Liczne badania w tym kierunku, prowadzone mniej więcej do końca lat 70., głównie przez specjalistów z b. Związku Radzieckiego [32], wskazywały na skuteczność ultradźwięków jako sposobu zarówno na skrócenie czasu suszenia, jak i obniżenie temperatury procesu, co sprzyjało zachowaniu wysokiej jakości suszonego produktu i zmniejszeniu zużycia energii. Niestety, energia ta musiała być wcześniej zużyta na wytworzenie fal ultradźwiękowych, a sam proces rekomendowano do suszenia produktów szczególnie cennych i wrażliwych na termiczne warunki suszenia, np. osocza krwi [32, 33, 52]. Przez następne dwie dekady prawie zaniechano badań nad suszeniem ultradźwiękowym i dopiero w latach 90. XX w. wzrastająca świadomość konsumentów oczekujących dobrego zachowania składników bioaktywnych w produktach przetwarzanych oraz nowe możliwości techniczne generowania ultradźwięków przywołały ponowne zainteresowanie tą tematyką. Aktualny stan wiedzy i nowo opracowane rozwiązania techniczne wskazują na możliwość zastosowania fal akustycznych jako skutecznego czynnika intensyfikującego proces suszenia, skracając tym samym czas trwania tej operacji jednostkowej, oraz umożliwiającego zachowanie cennych dla zdrowia składników [50]. Proces suszenia z wykorzystaniem ultradźwięków, nazywany także suszeniem akustycznym, jest uważany za metodę bezpieczną, korzystną z punktu widzenia jakości końcowego produktu, sprzyjającą ochronie środowiska. Pomimo konieczności indywidualnego doboru i kontrolowanego dawkowania ultradźwięków w czasie procesów przetwórczych potencjalne korzyści z ich zastosowania wydają się niezwykle atrakcyjne, co wywołuje duże zainteresowanie przedmiotem. Charakterystyka ultradźwięków wykorzystywanych w suszarnictwie Termin ultradźwięki (w skrócie US od ang. ultrasound) odnosi się do fal dźwiękowych wysokiej częstotliwości, pozostających poza zakresem słyszalnym przez człowieka, tj. powyżej 16 khz. Z fizycznego punktu widzenia, ultradźwięki, podobnie jak wszystkie inne fale akustyczne, mają charakter fal mechanicznych. Fala ultradźwiękowa, przemieszczając się przez ośrodek, powoduje lokalne wzrosty i spadki ciśnienia, które są związane z przemieszczaniem się drgających wokół położenia równowagi cząstek ośrodka. Wielkość zmian ciśnienia zależna jest od amplitudy fali ciśnienia, a energia wprowadzona do ośrodka jest proporcjonalna do kwadratu ciśnienia [1]. W suszarnictwie zastosowanie mają tzw. ultradźwięki czynne w zakresie częstotliwości od 20 khz do ok. 1 MHz [29]. Termin ultradźwięki czynne oznacza, że ilość niesionej przez nie energii jest na tyle duża, że ośrodek po przejściu takiej fali harmonicznej nie jest w stanie powrócić w pełni do stanu równowagi i energia fali od razu oddziałuje na materię (np. powoduje zmianę właściwości fizycznych materiałów) lub wywołuje reakcje wtórne w formie kawitacji [3]. Zdolność ultradźwięków czynnych do mechanicznej interakcji z komórkową strukturą tkanki roślinnej otwiera nowe możliwości stymulowania procesów dyfuzyjnych. Zjawisko to zostało wnikliwie przeanalizowane przez naukowców, przy czym widoczne jest wyraźne rozdzielenie zainteresowania badaczy przydatnością ultradźwięków do wstępnego traktowania surowca w roztworze osmotycznym lub też w wodzie (tab. 1) oraz ich wykorzystaniem do wspomagania właściwego procesu suszenia (tab. 2). W wielu pozycjach wymienionych w tabeli 1 surowiec po obróbce wstępnej ultradźwiękami był poddawany suszeniu, co pozwalało na określenie wpływu takiego traktowania na przebieg klasycznych procesów suszenia. Sposób oddziaływania ultradźwięków na suszony materiał Kiedy fala ultradźwiękowa wysokiej mocy przechodzi przez suszoną tkankę warzywa lub owocu, indukuje w niej serie cyklicznych kompresji i dekompresji materiału, co w literaturze jest określane jako sponge effect, gdyż materiał zachowuje się w sposób podobny jak ściskana i puszczana gąbka [6, 32]. Powstające w trakcie tego zjawiska siły mogą mieć dużo większą wartość niż siły napięcia powierzchniowego, utrzymujące wilgoć w porach i kapilarach, przyczyniając się do 27

2 Tabela 1. Traktowanie/odwadnianie owoców i warzyw przy zastosowaniu ultradźwięków Gatunki owoców/warzyw Wstępne traktowanie Autorzy Jabłko Simal i in., 1998 [49]; Cárcel i in., 2007 [4] Banany Fernandes i Rodrigues, 2007 [16] Melon Rodrigues i Fernandes, 2007 [42] Borówka niska Stojanovic i Silva, 2007 [53] Grzyby, brukselka, kalafior blanszowanie Jambrak i in., 2007 [27] Jabłko Deng i Zhao, 2008 [11] Banany, melon, papaja, ananas i inne owoce tropikalne Melon Ananas Truskawka Fernandes i Rodrigues, 2008 [15] Fernandes i in., 2008 [13] Fernandes i in., 2008 [14]; Fernandes i in., 2009 [12] Garcia-Noguera i in., 2010 [20, 21] Żurawina Shamaei i in., 2012 [48] Jabłko traktowanie w wodzie Nowacka i in., 2012 [35] Guawa Kek i in., 2013 [28] Owoce kiwi Nowacka i in., 2014 [34] Wiśnie Kowalski i Szadzińska, 2014 [31] Tabela 2. Suszenie owoców i warzyw przy zastosowaniu ultradźwięków Gatunki Suszenie/sposób przekazywania US Autorzy Cebula konwekcyjne/bezkontaktowe Da-Mota i Palau, 1999 [9] Jabłko, marchew, grzyby konwekcyjne/kontaktowe Riera-Franco de Sarabia i in., 2002 [41] Marchew konwekcyjne/kontaktowe de la Fuente-Blanco i in., 2006 [10] Marchew, skórka cytryny konwekcyjne/bezkontaktowe García-Pérez i in., 2006 [24] Marchew, ziemniaki, jabłka Marchew, persymona, skórka cytryny konwekcyjne/bez- oraz kontaktowe konwekcyjne/bezkontaktowe Gallego-Juárez i in., 2007 [18] García-Pérez i in., 2007 [22] Persymona konwekcyjne/bezkontaktowe Cárcel i in., 2007 [6] Marchew i skórka cytryny konwekcyjne/bezkontaktowe García-Pérez i in., 2009 [23] Jabłko, groszek, dorsz fluidyzacyjne niskotemperaturowe/bezkontaktowe Bantle i in., 2010 [2] Marchew konwekcyjne/kontaktowe Soria i in., 2010 [52] Marchew konwekcyjne/bezkontaktowe Frias i in., 2010 [17] Skórka pomarańczy konwekcyjne/bezkontaktowe OrtuĽo i in., 2010 [37] Bakłażan konwekcyjne/bezkontaktowe OrtuĽo i in., 2010b [36] Marchew, żeń-szeń (korzeń) powietrzne/bezkontaktowe Khmelev i in., 2011 [30] Marchew konwekcyjne/bezkontaktowe Cárcel i in., 2011 [7] Ziemniaki konwekcyjne/bezkontaktowe Ozuna i in., 2011 [38] Marchew, bakłażany, jabłko konwekcyjne niskotemperaturowe/bezkontaktowe GarcÍa-Pérez i in., 2012 [25] Skórka pomarańczy konwekcyjne/bezkontaktowe GarcÍa-Pérez i in., 2012 [26] Jabłka konwekcyjne/kontaktowe Sabarez i in., 2012 [44] Jabłko, papryka konwekcyjne/kontaktowe Schössler i in., 2012 [45] Ziemniaki konwekcyjne/kontaktowe Schössler i in., 2012 [47] Papryka sublimacyjne/kontaktowe Schössler i in., 2012 [46] Truskawki konwekcyjne/bezkontaktowe Gamboa-Santos i in., 2014 [19] wypychania wilgoci z tkanki w kierunku powierzchni [3, 52]. Ponadto, oddziaływanie mechaniczne na strukturę tkanki sprzyja powstawaniu mikroskopowych kanałów pomiędzy grupami komórek (tzw. microchannels), którymi wilgoć może uchodzić na zewnątrz materiału [13]. Tworzenie się wspomnianych mikrokanałów można przypisywać zarówno bezpośredniemu działaniu zmiennego ciśnienia, jak też wtórnym efektom zjawiska kawitacji zachodzącego w fazie ciekłej. Zjawisko kawitacji, polegające na powstawaniu, powiększaniu i zanikaniu (implozji) pęcherzyków gazowych w ośrodku płynnym, prowadzi do gwałtownego przejścia wilgoci z fazy ciekłej w gazową (parę). Na skutek przemieszczania się fali harmonicznej w cieczy prędkość cieczy lokalnie gwałtownie wzrasta, a tym samym ciśnienie w ośrodku maleje, co z kolei powoduje spadek temperatury parowania/wrzenia. W obszarze obniżonego ciśnienia ciecz odparowuje do nanopęcherzyków i kawern, znajdujących się naturalnie w fazie ciekłej, a cykliczne zagęszczania i rozrzedzania ośrodka i towarzyszące im naprężenia rozciągające sprzyjają tworzeniu się w strumieniu płynów ciągle nowych mikropęcherzyków z gazem. Pod wpływem działania fal ultradźwiękowych znaczna część pęcherzyków kawitacyjnych łączy się i powiększa, zaś pozostałe zostają rozbite do mniejszych rozmiarów. Pojedynczy pęcherzyk o rozmiarze 0,5 µm jest w stanie powiększyć się nawet 30 razy, zanim jego wymiary ulegną z powrotem redukcji. Gdy energia ultradźwięków jest większa niż energia napięcia powierzchniowego, pęcherze implodują, uwalniając przy tym falę uderzeniową i energię cieplną. Implozji towarzyszy powstawanie silnych mikrostrumieni i turbulencji płynu, temperatura i ciśnienie ośrodka wzrastają lokalnie odpowiednio do 5000 K i 100 MPa [52], a występujące silne naprężenia ścinające zmniejszają lepkość fazy ciekłej, co zwiększa intensywność procesów dyfuzyjnych [8]. Zjawisko kawitacji najsilniej występuje w pobliżu brzegów i interfaz płyn/ciało stałe i płyn/płyn. Ten brzegowy efekt jest szczególnie ważny w zagadnieniach suszarnictwa, gdyż warstwy brzegowe stawiają największy opór procesom wymiany ciepła i masy. Zmniejszeniu oporów dyfuzyjnych na granicy ciecz ciało stałe gaz w czasie suszenia wspomaganego drganiami akustycznymi sprzyjają również pulsacyjne zmiany ciśnienia bezpośrednio nad suszonym materiałem oraz silne turbulencje powietrza suszącego. Oba te czynniki przyspieszają proces odparowania [3]. Cykliczne generowanie przez ultradźwięki obszarów lokalnie podwyższonego i obniżonego ciśnienia zwiększają siłę napędową procesu odparowania oraz zmniejszają grubość przyściennej warstwy granicznej/laminarnej, co ułatwia odprowadzenie wilgoci od suszonego ciała do czynnika suszącego [5, 51]. Opisane powyżej zjawiska, wywoływane falą akustyczną i skutkujące zmniejszeniem oporu dyfuzyjnego na granicy faz materiału i otaczającego go ośrodka mogą skutecznie intensyfikować wymianę masy zarówno w trakcie operacji wstępnego odwadniania, jak i suszenia tkanki owoców i warzyw. Odwadnianie/traktowanie wstępne tkanki przed suszeniem Obróbka wstępna owoców i warzyw przed suszeniem, oprócz rutynowych czynności oczyszczania i nadawania kształtu, może obejmować m.in. operacje blanszowania, wstępnego odwadniania osmotycznego lub uszlachetniania. Zastosowanie ultradźwięków na tym etapie stwarza olbrzymi potencjał zarówno w odniesieniu do skrócenia czasu suszenia następującego po tej obróbce, jak i możliwości kształtowania cech jakościowych materiału. W zależności od rodzaju cieczy, użytej jako medium przenoszące US do traktowanego materiału, możliwe jest zarówno zmniejszenie w nim zawartości niepożądanych składników, jak i jego wzbogacenie w określone substancje. Przy sonikacji tkanki owoców w wodzie lub roztworze osmotycznym o małym stężeniu glukozy i fruktozy z tkanki będą najpierw dyfundować związki niskocząsteczkowe, takie właśnie jak glukoza i fruktoza [15]. Wybór takiego medium ma uzasadnienie, gdy celem jest wyprodukowanie suszu o zmniejszonej zawartości cukrów [14, 15, 16]. Z kolei traktowanie ultradźwiękami tkanki owoców w roztworze osmotycznym o dużym stężeniu czynnika osmoaktywnego, np. sacharozy, przyczynia się do zwiększenia zawartości tego czynnika w materiale w odniesieniu do procesu prowadzonego w takim samym roztworze bez zastosowania US [4, 14, 16, 49]. Taki wariant wspomagania procesu ultradźwiękami jest korzystny w przypadku, gdy celem obróbki jest wzbogacenie tkanki w dany składnik osmoaktywny. 28

3 W obu przypadkach intensyfikacja zjawisk dyfuzyjnych indukowana ultradźwiękami ma związek ze zmianami mikrostruktury wskutek działania energii fali akustycznej. Zastosowanie do biomateriałów wysokoenergetycznych ultradźwięków (o gęstości mocy > 1 W cm 2 przy częstotliwości khz) będzie powodować w jego strukturze mniej bądź bardziej destrukcyjne zmiany, niezależnie od tego, czy jako medium użyje się roztworu osmotycznego, czy wody destylowanej. Specyfika i stopień zaawansowania zmian mikrostruktury tkanki owoców i warzyw, wynikających z zastosowania US, została już opisana w przypadkach wielu gatunków owoców, m.in. jabłek [35, 43], ananasa [12], skórki pomarańczowej [26], melona [13], truskawek [20] czy kiwi [34]. Niezależnie od różnic w budowie morfologicznej tkanki, wynikających ze specyfiki gatunku, autorzy obserwowali pod wpływem US tworzenie się mikrokanalików, które w zależności od rodzaju procesu mogą ułatwiać penetrację czynnika osmotycznego lub odprowadzenie cząsteczek wody na powierzchnię. Znalezienie odpowiedniej dawki energii ultradźwiękowej, która pozwoli na wygenerowanie odpowiedniej ilości mikropęknięć, bez nadmiernej destrukcji struktur komórkowych, jest kluczowym elementem uzyskania pożądanego efektu skrócenia czasu suszenia [20, 27], gdyż przekłada się na potencjalne korzyści finansowe [15]. W większości opisywanych w literaturze eksperymentów autorom udało się ustalić optymalne warunki stosowania ultradźwięków, które umożliwiły znaczące skrócenie właściwego czasu suszenia. W doświadczeniach z konwekcyjnym suszeniem tkanki jabłek skrócenie czasu suszenia wynosiło aż od 31% do 40% [35]. W przypadku traktowania ultradźwiękami bananów w wodzie, oprócz spadku zawartości cukru w końcowym produkcie, uzyskano skrócenie czasu suszenia o 11% [16]. Również traktowanie melonów ultradźwiękami w wodzie pozwoliło na skrócenie czasu suszenia o około 25% [42]. Kek i in. [28], stosując ultradźwięki do odwadniania plastrów guawy w 70-procentowym roztworze osmotycznym sacharozy, zaobserwowali wzrost współczynnika dyfuzji efektywnej o 35% i skrócenie czasu suszenia o 17 33%. W przypadku ananasów wstępnie traktowanych ultradźwiękami w wodzie lub w syropie cukrowym uzyskano istotne, porównywalne z jabłkami skrócenie czasu suszenia, nawet do 39% [14]. W przeprowadzonych przez Kowalskiego i Szadzińską [31] badaniach wiśni wstępnie traktowanych US w 60-procentowym roztworze glukozy, stosując przerywaną metodę suszenia konwekcyjnego, skrócono czas suszenia o ok. 16%. Również Garcia- Noguera i in. [20], odwadniając osmotycznie truskawki w roztworze sacharozy, po zastosowaniu ultradźwięków w końcowym efekcie uzyskali znaczące skrócenie czasu suszenia. Efektywna dyfuzja wody na etapie suszenia następującego po obróbce ultradźwiękowej zależy od stężenia roztworu wykorzystanego do tej obróbki, i wyraźnie zmniejsza się, gdy roztwór osmotyczny jest bardziej zagęszczony [12]. Uzyskane różnice w efektywności wymiany masy na etapie suszenia należy też wiązać ze specyfiką struktury materiału [33], w tym z różnicą w porowatości i sprężystości tkanki [39]. Porównując wpływ medium płynnego na efektywność obróbki ultradźwiękowej Fernandes i Rodrigues [16] stwierdzili, że traktowanie bananów US w wodzie umożliwia usunięcie większych ilości wody w procesie późniejszego suszenia niż gdy zastosuje się odwadnianie w roztworze osmotycznym. Zależność ta została potwierdzona także w przypadku suszenia tkanki ananasów odwadnianej w roztworze sacharozy o stężeniu 35 i 70 Bx [12]. Uważa się, że jednym z powodów obserwowanej zależności może być wysycenie cukrem kanalików powstałych wskutek działania ultradźwięków, co stwarza dodatkowe opory w przenoszeniu mas. W związku z powyższym, z wykorzystaniem ultradźwięków nie jest zalecane w przypadku konieczności usuwania dużych ilości wody dla osiągnięcia małej końcowej wilgotności produktu [16]. Wchłonięty w czasie odwadniania osmotycznego cukier nie tylko wiąże wodę, ale stanowi także powierzchniową barierę przeszkadzającą jej usuwaniu podczas suszenia. Z kolei Kek i in. [28] zwracają uwagę, że wieksze stężenie roztworu osmotycznego może obniżać efektywność US, w związku z prawdopodobieństwem ograniczenia procesu kawitacji w ośrodku o dużej lepkości. Im większa intensywność kawitacji, tym większe zaburzenia w odwadnianym układzie. Z punku widzenia wymiany masy, właśnie towarzyszące JUż JEST bezpłatny DOStĘp DO lektury ponad 30 czasopism fachowych z lat oraz wybranych publikacji z lat wejdź na stronę więcej informacji prenumerata@sigma-not.pl 29

4 kawitacji silne mikrostrumienie i turbulencje powodują ruch ośrodka, zmniejszając przez to opór dyfuzyjny na granicy faz [29]. Według Simal i in. [49] zastosowanie ultradźwięków do obróbki osmotycznej tkanki jabłek daje możliwość obniżenia temperatury prowadzenia procesu z 70 do 40 C, zachowując podobny poziom efektywnych współczynników dyfuzji. W opisywanym doświadczeniu porównywano proces odwadniania osmotycznego kostki jabłkowej, prowadzony w 70-procentowym roztworze sacharozy, wspomagany ultradźwiękami o częstotliwości 44,6 khz i gęstości mocy 0,2 W cm 2 lub intensyfikowany poprzez dynamiczne mechaniczne mieszanie układu, w sposób zapewniający niwelowanie miejscowych gradientów stężenia roztworu (50 cykli na minutę). Według Cárcel i in. [4] istotne przyśpieszenie procesu odwadniania może nastąpić tylko wtedy, gdy przekroczony zostanie próg intensywności fali akustycznej; na przykład w przypadku jabłek traktowanych falami o częstotliwości nominalnej 20 khz określony on został na bardzo wysokim poziomie: ~10 W cm 2 (170 db). Niestety, niespójność sposobu definiowania intensywności zastosowanych fal akustycznych w poszczególnych opracowaniach utrudnia porównanie wyników uzyskanych przez różnych autorów. Pomimo że intensywna kawitacja łatwiejsza jest do osiągnięcia przy wyższych częstotliwościach fal ( khz), większość autorów rekomenduje do suszenia owoców i warzyw niższe częstotliwości, gdyż lepiej zachowane są wtedy cechy jakościowe. Spośród dwóch badanych częstotliwości (35 i 135 khz), wykorzystywanych przy obróbce żurawiny, Shamaei i in. [48] zdecydowanie polecają niskie częstotliwości, gdyż umożliwiły one zarówno efektywne usuwanie wody, jak i pozwoliły na uzyskanie produktu o bardziej miękkiej teksturze i lepszej barwie. Ostatnim czynnikiem, który może decydować o efektywności wspomagania procesu odwadniania osmotycznego ultradźwiękami, jest sposób propagacji fal. Kek i in. [28] wykazali, że pośrednia sonikacja z użyciem łaźni ultradźwiękowej dała znacznie lepsze efekty w stosunku do metody bezpośredniej, czyli w przypadku gdy przetwornik US był zanurzony bezpośrednio w zbiorniku zawierającym materiał i roztwór osmotyczny. Suszenie przy zastosowaniu ultradźwięków Korzystne efekty stosowania ultradźwięków na etapie zasadniczego procesu suszenia opisano szczegółowo w odniesieniu do wielu gatunków owoców i warzyw (tab. 2). Podstawowym czynnikiem, determinującym efektywność ultradźwięków we wspomaganiu suszenia, jest poziom ich intensywności. W czasie suszenia konwekcyjnego marchwi (temp. 30 C, przepływ powietrza 2 m/s, zakres intensywności US od 25 do 100 W) Fuenta-Blanco i in. [10] wykazali, że im większa moc zastosowanych US, tym większych ubytków masy produktu na jednostkę czasu można oczekiwać. Z kolei García-Pérez i in. [23] udowodnili, że po przekroczeniu określonego progu zależność pomiędzy mocą ultradźwięków a współczynnikiem wnikania masy ma charakter prostoliniowy. Podobne wyniki uzyskali OrtuĽo i in. [36]. Również Ozuna i in. [38] są zgodni, że im większa moc ultradźwięków, tym większa dynamika suszenia; w opracowanym przez nich modelu kinetyczne parametry, takie jak efektywne współczynniki dyfuzji wilgoci oraz współczynniki wymiany masy, w sposób proporcjonalny zależały od mocy stosowanych ultradźwięków. Cárcel i in. [5], prowadząc badania nad suszeniem konwekcyjnym marchwi, zwrócili uwagę, że wzrost mocy ultradźwięków intensyfikuje dynamikę suszenia, ale warunkiem jest właściwa gęstość masy suszonego materiału. W zakresie od 12 do 96 kg/m 3 stwierdzili istotny wpływ mocy na współczynniki wymiany masy, podczas gdy przy gęstości masy w zakresie od 108 do 120 kg/m 3 nie było już takiej zależności. Oprócz intensywności pola akustycznego, skuteczność działania ultradźwięków w procesie suszenia zależy także od szybkości przepływu powietrza w suszarce. Uważa się, że największy wzrost efektywności związanej z zastosowaniem US uzyskuje się przy małych szybkościach powietrza [5]. Cárcel i in. [6], susząc persymonę, stwierdzili, że korzystne efekty wspomagania ultradźwiękowego występują głównie wtedy, gdy szybkość powietrza nie przekracza 4 m/s. Podobny wniosek wyciągnęli García-Pérez i in. [22], dodając jednak, że również rodzaj suszonego surowca jest istotnym czynnikiem zmienności przy suszeniu konwekcyjnym ze wspomaganiem ultradźwiękami. W przypadku surowca o dużej porowatości można oczekiwać korzystnych efektów US, nawet przy dużych szybkościach przepływu powietrza. Zdaniem Riera i in. [40] obniżenie efektywności ultradźwięków przy większych przepływach należy tłumaczyć tym, że zwiększenie szybkości powietrza powoduje zmniejszenie poziomu ciśnienia ultradźwięków w komorze suszarni i w konsekwencji dostępna dla próbek energia ultradźwięków staje się niewystarczająca, aby wpływać na proces przenoszenia mas. Efektywność zastosowania ultradźwięków zależy też od sposobu ich propagowania w komorze suszarki. W eksperymentalnych urządzeniach hybrydowych wspomaganych energią akustyczną stosowane są zasadniczo dwa sposoby dostarczania ultradźwięków do suszonego materiału. Opisywane dotychczas zależności dotyczyły urządzeń, w których ultradźwięki emitowane przez generator przekazywane były do suszonego materiału w sposób pośredni, z wykorzystaniem strumienia powietrza [2, 9, 17, 22, 24]. Druga metoda, nazywana kontaktową, dotyczy rozwiązań technicznych, w których materiał umieszcza się w bezpośrednim sąsiedztwie generatora, czyli styka się z drgającą płytą emitującą fale, lub jest wprost na niej rozłożony [4, 10, 11, 30, 45]. Uważa się, że bezpośredni kontakt suszonego materiału z generatorem umożliwia bardziej efektywną transmisję ultradźwięków niż jest to możliwe przez powietrze, nawet wtedy, gdy stosuje się fale o wysokiej intensywności [10, 18]. W modelowym doświadczeniu z suszeniem kontaktowym, przeprowadzonym przez Riera- Franco de Sarabia i in. [41], w którym plastry jabłek, marchwi i pieczarek układano na jednej płycie i dociskano do wibrującej tarczy, wykazano, że zastosowanie ultradźwięków wysokiej mocy (100 W, 20 khz) umożliwia znaczące (nawet trzykrotne) skrócenie czasu suszenia. Najlepsze wyniki uzyskiwano, gdy minimalizowano ilość powietrza pomiędzy drgającymi tarczami a materiałem przez zastosowanie nacisku statycznego rzędu 0,05 kg/cm 2. Spektakularne wyniki w zakresie możliwości skrócenia czasu suszenia, uzyskane dzięki próżniowemu odsysaniu wilgoci z otoczenia materiału, nie zostały potwierdzone przez innych badaczy. Wykorzystując pośrednią metodę transmisji ultradźwięków do komory suszarniczej, znaczące skrócenie czasu suszenia materiałów roślinnych (65 70%) w warunkach ciśnienia atmosferycznego i temp. 17 C uzyskali GarcÍa-Pérez i in. [25] wspomagając proces suszenia falami akustycznymi o częstotliwości 21,9 khz i średnim natężeniu 155 db. Jak wynika z badań suszenia cylindrów ziemniaka (1,2 x 1,0 cm), bezpośredni kontakt materiału z przetwornikiem US może przyczynić się do uszkodzenia komórek tkanki, ale wg Schössler i in [47] ograniczają się one do cienkiej warstwy (<1 mm), będącej w pobliżu źródła US. Pomimo pozornie ograniczonego zakresu interakcji US z materiałem stwierdzono intensyfikację przemieszczania się mas w całej objętości próbki, co autorzy interpretują skumulowanym efektem skutków propagacji fali na poziomie tkankowym, bez ingerencji w integralność komórek znajdujących się w głębszych warstwach. Na podstawie tej obserwacji wysunięto hipotezę, że bardzo korzystne efekty powinno dać połączenie kontaktowego oddziaływania ultradźwiękowego z pulsacyjnym polem elektrycznym (PEF), zdolnym do perforacji ścian komórkowych w głębszych warstwach tkanki. Kontaktowa metoda przekazywania energii ultradźwięków do suszonego materiału okazała się bardzo przydatna do intensyfikacji procesu liofilizacji. Schössler i in. [46] komorę liofilizatora pracującego przy ciśnieniu 46 Pa zintegrowali z sonotrodą, która emitowała fale ultradźwiękowe o częstotliwości 24 khz do materiału o początkowej temp. 20 C i osiągnęli skrócenie czasu liofilizacji papryki o 11,5%. Zastosowany w układzie przerywany sposób dozowania ultradźwięków, który pierwotnie miał zapobiec przegrzewaniu się zamrożonego materiału, okazał się bardzo efektywny i korzystny z energetycznego punktu widzenia [46]. Aktualnie za najbardziej perspektywiczne rozwiązanie techniczne, wykorzystujące US, uważa się metodę liofilizacji przy ciśnieniu atmosferycznym (atmospheric freeze drying). Wspomaganie tego procesu ultradźwiękami w zakresie khz przy ujemnej temperaturze procesu pozwoliło na wielokrotne zwiększenie wartości współczynników dyfuzji (96 428%), co z kolei umożliwiło skrócenie czasu procesu o 65 70% [25]. Metodę tę skutecznie wykorzystano do suszenia jabłek, marchwi, groszku i bakłażanów [2, 25]. 30

5 Podsumowanie Aktualny stan wiedzy z zakresu przydatności fal ultradźwiękowych wysokiej intensywności do suszenia tkanki roślinnej wskazuje, że energia akustyczna może być z powodzeniem wykorzystywana do zwiększenia intensywności wymiany masy, co skutkuje potencjalnymi oszczędnościami energetycznymi, wynikającymi zarówno ze skrócenia czasu procesu, jak i możliwości obniżenia temperatury czynnika suszącego. Głównym ograniczeniem praktycznego zastosowania US jest konieczność indywidualnego doboru parametrów procesowych do poszczególnych surowców i produktów. Wyzwaniem dla wdrożenia techniki ultradźwiękowej w suszarnictwie na skalę przemysłową jest konieczność wypracowania zupełnie nowych rozwiązań technicznych, pozwalających na efektywne dostarczenie wygenerowanej fali ultradźwiękowej do materiału. Obecnie stosowane na skalę laboratoryjną prototypowe urządzenia eksperymentalne charakteryzują się małą wydajnością produkcyjną, co uniemożliwia ich przeniesienie do skali wielkolaboratoryjnej czy technicznej. Niniejsze opracowanie zostało przygotowane w ramach projektu Wykorzystanie ultradźwięków do wspomagania procesów suszenia materiałów biologicznych szczególnie wrażliwych na termiczne warunki suszenia PBS1/A8/13/2012; współfinansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Literatura [1] Banaszak J., Kowalski S. J.: Metody akustyczne w badaniach inżynierskich. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. 123 s. [2] Bantle M., Eikevik T. M., Grüttner A.: Mass transfer in ultrasonic assisted atmospheric freeze drying. 17 th International Drying Symposium, Magdeburg, Germany, 3 6 October. [3] Bezzubow A. D., Garlinskaja E. I., Frydman W. M.: Ultradźwięki i ich zastosowania w przemyśle spożywczym. Wydawnictwo Przemysłu Lekkiego i Spożywczego. Wrocław, 192 s. [4] DOI: /j.jfoodeng [5] DOI: /j.jfoodeng [6] DOI: / [7] DOI: / [8] DOI: /j.tifs [9] DOI: / [10] DOI: /j.ultras [11] DOI: /j.lwt [12] DOI: /j.jfoodeng [13] DOI: /j.lwt [14] Fernandes F. A. N., Linhares Jr. F. E., Rodrigues S.: Ultrasound as pre-treatment for drying of pineapple. Ultrasonic Sonochemistry, 15, [15] DOI: / [16] DOI: /j.jfoodeng [17] DOI: /jf102797y. [18] DOI: / [19] DOI: /j.foodchem [20] DOI: / [21] Garcia-Noguera J., Weller C. L., Oliveira F. I. P., Fernandes F. A. N., Rodrigues S.: Ultrasound-assisted osmotic dehydration as a pre-treatment for freeze dried strawberries. 17 th International Drying Symposium. Magdeburg, Germany, 3 6 October. [22] DOI: /fbp [23] DOI: / [24] DOI: /j.ultras [25] DOI: / [26] DOI: /s [27] DOI: /j.jfoodeng [28] DOI: /j.fbp [29] Kentish S., Ashokkumar M.: The Physical and Chemical Effects of Ultrasound. In (Eds): Feng H., Barbosa-Canovas G. V., Weiss J. Ultrasound Technologies for Food and Bioprocessing. Springer, pp [30] Khmelev V. N., Shalunov A. V., Barsukov R. V., Abramenko D. S., Lebedev A. N.: Studies of ultrasonic dehydration efficiency. Journal of Zhejiang University-Science A (Applied Physics & Engineering), 12(4), [31] DOI: /j.cep [32] Kudra T., Mujumdar A. S.: Advanced Drying Technologies. Taylor and Francis Group: Boca Raton, FL, USA. [33] DOI: / [34] DOI: /j.foodchem [35] DOI: /j.jfoodeng [36] OrtuĽo C., Garcia-Perez J. V., Carcel J. A., Femenía A., Mulet A.: Modelling of ultrasonically assisted convective drying of eggplant. 17 th International Drying Symposium. Magdeburg, Germany, 3 6 October. [37] DOI: /j.phpro [38] DOI: /jsfa [39] DOI: /j.ultsonch [40] Riera E., García-Pérez J. V., Cárcel J. A., Acosta V., Gallego-Juárez J. A.: Computational Study of Ultrasound-Assisted Drying of Food Materials. In (Eds.): Knoerzer K., Juliano P., Roupas P., Versteeg C. (Eds.), Innovative Food Processing Technologies: Advances in Multiphysics Simulation, John Wiley & Sons Ltd., pp [41] Riera-Franco de Sarabia E., Gallego-Juárez J. A., Rodríguez-Corral G., Acosta-Aparicio V. M., Andrés-Gallego E.: Application of high-power ultrasound for drying vegetables. Forum Acusticum Sevilla Ultrasonics, ULT IP. [42] DOI: / [43] DOI: /s [44] DOI: / [45] DOI: /j.jfoodeng [46] DOI: /j.ifset [47] DOI: /j.foodres [48] DOI: /j x. [49] DOI: /S (98) [50] DOI: / [51] DOI: /jf100762e. [52] DOI: /j.tifs [53] DOI: /j.foodchem , 31