AUTOREFERAT PRZEDSTAWIAJĄCY OPIS DOROBKU I OSIĄGNIĘĆ NAUKOWYCH Dr inż. Krzysztof Lech UNIWERSYTET PRZYRODNICZY WE WROCŁAWIU WYDZIAŁ PRZYRODNICZO-TECHNOLOGICZNY INSTYTUT INŻYNIERII ROLNICZEJ WROCŁAW, 2018
Spis treści I. Dane osobowe... 3 II. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej... 3 III. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych... 3 IV. Wskazanie osiągnięcia* wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. 2016 r. poz. 882 ze zm. w Dz. U. z 2016 r. poz. 1311.):... 3 a) tytuł osiągnięcia naukowego,... 3 b) publikacje wchodzące w skład osiągnięcia... 4 c) omówienie celu naukowego ww. prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania.... 5 V. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych.... 22 2
I. Dane osobowe Krzysztof Lech Instytut Inżynierii Rolniczej Zakład Techniki Cieplnej i Inżynierii Procesowej Wydział Przyrodniczo-Technologiczny Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu ul. Chełmońskiego 37a, 51-630 Wrocław e-mail: krzysztof.lech@upwr.edu.pl II. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej 2008 - Tytuł zawodowy inżyniera w zakresie inżynierii rolno spożywczej Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wydział Rolniczy z wynikiem bardzo dobrym, 2009 - Tytuł magistra inżyniera - Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wydział Przyrodniczo-Technologiczny z wynikiem bardzo dobrym, 2014 - Stopień doktora: nauk rolniczych w zakresie inżynierii rolniczej - Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wydział Przyrodniczo-Technologiczny. Temat rozprawy doktorskiej: Wpływ parametrów suszenia mikrofalowo-próżniowego na jakość suszu z buraków ćwikłowych odwadnianych osmotycznie zrealizowany pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Adama Figla III. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych 2014 2016 - zatrudniony na ½ etatu na stanowisku adiunkta w Instytucie Inżynierii Rolniczej, Wydział Przyrodniczo-Technologiczny, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu 2016 do chwili obecnej - zatrudniony na stanowisku adiunkta w Instytucie Inżynierii Rolniczej, Wydział Przyrodniczo-Technologiczny, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu IV. Wskazanie osiągnięcia* wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. 2016 r. poz. 882 ze zm. w Dz. U. z 2016 r. poz. 1311.): a) tytuł osiągnięcia naukowego, Osiągnięcie będące podstawą do ubiegania się o stopień naukowy doktora habilitowanego stanowi cykl 5 publikacji naukowych powiązanych tematycznie, ujętych pod wspólnym tytułem: Analiza właściwości fizyko-chemicznych surowców i roztworów podczas odwadniania osmotycznego w zagęszczonych sokach owocowych 3
b) publikacje wchodzące w skład osiągnięcia 1. Lech K., Michalska A., Wojdyło A., Nowicka P., Figiel A. 2017. The Influence of the Osmotic Dehydration Process on Physicochemical Properties of Osmotic Solution. Molecules 22 (12):2246. (30 pkt. MNiSW, IF = 2,861) Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na opracowaniu koncepcji badań, przeprowadzeniu procesów odwadniania oraz określeniu właściwości fizycznych produktów, analizie uzyskanych wyników oraz opracowanie manuskryptu (autor korespondencyjny). Mój udział procentowy szacuję na 80%. 2. Lech K., Michalska A., Wojdyło A., Nowicka P., Figiel A. 2018. The influence of physical properties of selected plant materials on the process of osmotic dehydration. LWT - Food Science and Technology, 91, s. 588 94 (35 pkt. MNiSW, IF = 2,329) Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na opracowaniu koncepcji badań, przeprowadzeniu procesów odwadniania oraz określeniu właściwości fizycznych produktów, analizie uzyskanych wyników oraz opracowanie manuskryptu. Mój udział procentowy szacuję na 60%. 3. Lech K., Figiel A., Michalska A., Wojdyło A., Nowicka A. 2018. The effect of selected fruit juice concentrates used as osmotic agents on the drying kinetics and chemical properties of vacuum microwave drying of pumpkin. Journal of Food Quality. Opublikowany 18 marca 2018 (20 pkt. MNiSW, IF = 0,968) Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na opracowaniu koncepcji badań, przeprowadzeniu procesów odwadniania i suszenia oraz określeniu właściwości fizycznych produktów, analizie uzyskanych wyników oraz opracowanie manuskryptu (autor korespondencyjny). Mój udział procentowy szacuję na 60%. 4. Lech K., Figiel A., Wojdyło A., Korzeniowska M., Serowik M., Szarycz. M. 2015. Drying Kinetics and Bioactivity of Beetroot Slices Pretreated in Concentrated Chokeberry Juice and Dried with Vacuum Microwaves. Drying Technology (33, 13), s. 1644-1653. (30 pkt. MNiSW, IF = 1,854) Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na opracowaniu koncepcji badań, przeprowadzeniu procesów odwadniania i suszenia oraz określeniu właściwości fizycznych produktów, analizie uzyskanych wyników oraz opracowanie manuskryptu. Mój udział procentowy szacuję na 40%. 5. Cano-Lamadrid M., Lech K., Michalska A., Wasilewska M., Figiel A., Wojdyło A., Carbonell-Barrachina ÁA. 2017. Influence of Osmotic Dehydration Pre-treatment and Combined Drying Method on Physico-chemical and Sensory Properties of Pomegranate Arils, cultivar Mollar de Elche. Food Chemistry, 232, s. 306-315. (40 pkt. MNiSW, IF = 4,523) Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na opracowaniu koncepcji badań dotyczących odwadniania i suszenia, przeprowadzeniu procesów odwadniania i suszenia oraz określeniu właściwości fizycznych produktów, analizie uzyskanych wyników oraz pomocy w opracowaniu manuskryptu. Mój udział procentowy szacuję na 50%. 4
Łączna liczba punktów dokumentujących osiągnięcie naukowe wynosi 155 pkt. MNiSW. Sumaryczny Impact Factor ww. publikacji zgodnie z rokiem opublikowania wynosi: IF=12,541. Część badań, których wyniki przedstawione są w Osiągnięciu została sfinansowana ze środków Narodowego Centrum Nauki w ramach projektu badawczego NCN Sonata 8 nr UMO-2014/15/D/NZ9/05242 pt. Analiza fizyko-chemiczna procesu wymiany masy w modelowych układach złożonych z wybranych surowców roślinnych oraz roztworów hipertonicznych o wysokiej bioaktywności. c) omówienie celu naukowego ww. prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania. 1. WSTĘP Odwadnianie osmotyczne jest to proces usuwania wody z wilgotnego materiału poprzez zjawisko osmozy. Podczas tego procesu woda zawarta w komórkach surowców odwadnianych jest transportowana do roztworu, natomiast substancje stałe z roztworu wnikają do odwadnianego materiału [1]. Odwadnianie osmotyczne jest obróbką wstępną, której zaletą jest poprawa właściwości fizycznych i chemicznych odwadnianych surowców, takich jak: barwa, smak, zapach, tekstura, a także może przyczynić się do zwiększenia ilości związków bioaktywnych [2]. Sacharoza i chlorek sodu są powszechnie stosowanymi substancjami do sporządzania roztworów hipertonicznych używanych do odwadniania osmotycznego [3 5]. Roztwry chlorku sodu najczęściej wykorzystywane są do odwadniania warzyw i mięs [6], natomiast roztwory sacharozy zwykle używane są do odwadniania owoców [5]. Rzadziej stosuje się roztwory: sorbitolu [7], syropu skrobiowego [8] czy glukozy [9]. Biorąc pod uwagę, że stosunkowo wysokie zużycie tych substancji może mieć negatywny wpływ na zdrowie człowieka [10-11], podjęto liczne próby poszukiwania alternatywnych roztworów osmotycznych, które można wykorzystać w procesie odwadniania. Jedną z nich jest zastosowanie koncentratów z soków owocowych o udowodnionych korzystnych właściwościach dla zdrowia np. z owoców winogron [12] i wiśni [13]. Dieta bogata w świeże bądź przetworzone owoce i warzywa znacząco zmniejsza ryzyko występowania niektórych typów nowotworów, chorób sercowo-naczyniowych i innych przewlekłych zaburzeń [14]. Podczas odwadniania osmotycznego w roztworach osmotycznych o wysokiej zawartości związków biologicznie aktywnych (zagęszczone soki owocowe) substancja wnikająca do materiału powoduje znaczny wzrost potencjału bioaktywnego odwadnianego materiału [13]. Podczas badań procesu odwadniania szczególną uwagę zwraca się na odwadniany materiał, a roztwór osmotyczny jest często traktowany jako produkt odpadowy [15]. Rozważając zastosowanie zagęszczonych soków owocowych lub warzywnych do procesu odwadniania, które są znacznie droższe niż roztwory soli i sacharozy, należy przeanalizować możliwość ich dalszego zagospodarowania. Na sposób dalszego zagospodarowania wykorzystanych, zagęszczonych soków duże znaczenie mają ich właściwości fizyko-chemiczne ukształtowane po przeprowadzeniu procesu odwadniania osmotycznego. Na przebieg procesu odwadniania osmotycznego mają wpływ różne parametry związane z roztworem hipertonicznym, materiałem odwadnianym oraz warunkami procesowymi. Istotnymi czynnikami związanymi z odwadnianym materiałem są: mikrostruktura, porowatość, wilgotność, turgor oraz kształt geometryczny cząstki. Z kolei, do parametrów związanych z roztworem hipertonicznym należą stężenie i skład roztworu. Do 5
warunków procesowych zalicza się temperaturę roztworu, czas trwania procesu oraz ciśnienie [16]. Wpływ temperatury i stężenia oraz czasu trwania procesu został przedstawiony w wielu publikacjach dotyczących procesu odwadniania osmotycznego. W przypadku odwadniania marchwi w roztworze sacharozy [17] zaobserwowano, że czas i temperatura miały większy wpływ na wymianę masy niż stężenie sacharozy. Kolejna praca dotyczyła odwadniania brzoskwini w roztworze sacharozy. Celem pracy było wyznaczenie optymalnych parametrów procesu odwadniania osmotycznego, które pozwolą uzyskać jak największy ubytek wody przy stosunkowo małym wnikaniu sacharozy. Autorzy zaproponowali obniżenie temperatury procesu do około 37 C przy użyciu najwyższego stężenia roztworu 70 Brix przez blisko 4 godziny [18]. İspir i Toğrul [19] odwadniając cząstki moreli o różnych kształtach w roztworach fruktozy, glukozy, sacharozy, maltodekstryny i sorbitolu stwierdzili większy wpływ stężenia roztworu niż jego temperatury na kinetykę wymiany masy oraz dowiedli, że mniejsze cząstki odwadnianego surowca sprzyjają wymianie masy. Z tego względu można stwierdzić, że wpływ parametrów procesowych zmienia się w zależności od właściwości odwadnianych materiałów. W literaturze znajduję się wiele doniesień naukowych dotyczących wpływu wszystkich wymienionych wyżej czynników związanych z roztworem i warunkami procesowymi, natomiast niewiele można znaleźć informacji na temat wpływu właściwości materiałów odwadnianych na przebieg odwadniania osmotycznego poza kształtem geometrycznym cząstek, który był brany pod uwagę podczas odwadniania truskawek w roztworze sacharozy [20], czy też ananasa w roztworze sacharozy [21]. Zmniejszenie wymiarów cząstki o danym kształcie zwiększało wartość ubytku wody i przyrostu masy podczas odwadniania osmotycznego. Po procesie odwadniania osmotycznego materiał posiada jeszcze bardzo dużo wody, dlatego należy go dosuszyć. Dosuszenie zapewnia bezpieczeństwo mikrobiologiczne produktu w związku ze zmniejszeniem aktywności wody [22]. Spośród kilku metod stosowanych w tym celu odpowiednie wydaje się suszenie mikrofalowo-próżniowe. Podczas tego procesu energia mikrofal pochłaniana jest przez wodę znajdującą się w całej objętości suszonego materiału sprzyjając jej odparowaniu. Wzrost ciśnienia pary wewnątrz materiału umożliwia szybki transport wody do otoczenia o obniżonym ciśnieniu, co zapobiega strukturalnemu zapadaniu się ścian komórkowych [23]. W konsekwencji szybkość suszenia jest znacznie wyższa niż w tradycyjnych metodach [24]. Towarzyszące temu zjawisko tzw. puffingu tworzy porowatą strukturę materiału i ułatwia uzyskanie chrupiącej i delikatnej tekstury produktu również zmniejszając jego gęstość oraz skurcz [25]. Technika mikrofalowo-próżniowa została już z powodzeniem zastosowana w celu zmniejszenia wilgotności materiałów roślinnych, takich jak: marchew [23], żurawina [26], truskawki [27], banany [28], jabłka [25], dynia [29] i czosnek [30]. Na początku suszenia mikrofalowo-próżniowego intensywne odparowanie wody z materiału może przekroczyć wydajność pompy próżniowej. Wymagałoby to zmniejszenia ilości materiału poddawanego suszeniu lub użycia dużej instalacji próżniowej. Ten problem można pokonać przez wstępne odwodnienie materiału przy użyciu suszenia osmotycznego lub konwekcyjnego. W wyniku wstępnego odwadniania ilość wody w materiale można znacząco zmniejszyć [31]. Wstępne suszenie materiału metodą konwekcyjną przed suszeniem próżniowo-mikrofalowym wpłynęło na obniżenie całkowitych kosztów odwodnienia i poprawiło jakość suszonych pomidorów [32], truskawek [33] i buraków ćwikłowych [34]. Natomiast połączenie odwadniania osmotycznego, podsuszania konwekcyjnego i dosuszania mikrofalowo-próżniowego znacząco poprawiło jakość suszonych wiśni [13] i aronii [35]. 6
2. CEL BADAŃ Celem badań przedstawionych w jednotematycznym cyklu publikacji było opisanie i wyjaśnienie procesów o naturze fizycznej i chemicznej zachodzących w surowcach i roztworach podczas odwadniania osmotycznego w zagęszczonych sokach owocowych, oraz określenie wpływu odwadniania osmotycznego na proces dosuszania i właściwości fizykochemiczne suszu. Osiągnięcie powyższego celu wymagało realizacji następujących zadań: a) określenie wpływu składu roztworów osmotycznych na właściwości chemiczne materiałów odwadnianych na podstawie składu filtratów z zagęszczonego soku owocowego (sok aroniowy), b) wyznaczenie zmiany właściwości fizyko-chemicznych roztworów osmotycznych (stężenie, lepkości, gęstości, aktywności wody, zawartości związków polifenolowych i aktywności przeciwutleniającej) podczas odwadniania, c) określenie wpływu cech fizycznych (aktywności wody, porowatości, gęstości, pozornego modułu sprężystości i barwy) wybranych surowców na ubytek wody, przyrost suchej substancji, właściwości fizyczne (barwę, aktywność wody i gęstość) i pojemność przeciwutleniającą materiału odwadnianego osmotycznie, d) wyznaczenie wpływu właściwości fizyko-chemicznych (lepkości, aktywności wody, barwy oraz zawartości związków polifenolowych i pojemność przeciwutleniającą) roztworu osmotycznego na kinetykę procesu i jakość odwadnianego materiału, e) określenie wpływu procesu odwadniania osmotycznego na kinetykę suszenia (konwekcyjnego i mikrofalowo-próżniowego), f) wyznaczenie wpływu procesu odwadniania osmotycznego i dosuszania na potencjał bioaktywny (zawartość związków polifenolowych i pojemność przeciwutleniającą), oraz właściwości sensoryczne i fizyczne gotowego produktu. 3. WYNIKI BADAŃ 3.1. Wpływ składu roztworu osmotycznego na jakość odwadnianego materiału. Kinetyka procesu odwadniania osmotycznego (ang. osmotic dehydration; OD) przedstawia się jako ubytek wody (ang. water loss; WL) i przyrost substancji (ang. solid gain; SG) w funkcji czasu. Na początku procesu wymiana masy między surowcem a roztworem jest intensywna. Intensywność wymiany masy w miarę upływu czasu zmniejsza się dążąc do wartości asymptotycznych. Taki przebieg zaobserwowano podczas odwadniania wiśni w zagęszczonym soku jabłkowym [13]. Przeprowadzając proces OD w zagęszczonych sokach owocowych, zwłaszcza w takich, które charakteryzują się wysoką zawartością związków polifenolowych, jak np. sok z owoców aronii [36], możemy spodziewać się, że sucha substancja pochodząca z soku, która będzie wnikać do surowca znacząco zwiększy udział tych substancji, tym bardziej im więcej tego roztworu osmotycznego znajdzie się w odwadnianym surowcu. Z przeprowadzonych badań wynika, że nie ma korelacji między przyrostem suchej substancji a pojemnością przeciwutleniającą. W publikacji 1 (IV.b.1.) przedstawiono badania, które miały na celu wyjaśnić wpływ składu roztworu osmotycznego (zagęszczonego soku aroniowego) na zawartość związków polifenolowych i pojemność przeciwutleniającą odwadnianych surowców. 7
Proces OD przeprowadzono w zagęszczonym soku aroniowym (40 Brix) w temperaturze 45 C przez 90 minut dla marchwi i cukinii. Parametrami jakościowymi badanych surowców była zawartość związków polifenolowych ogółem (z ang.: total polyphenolic compounds TPC) oraz pojemność przeciwutleniającą oznaczoną metodami spektrofotometrycznymi (I) wobec wymiatania kationorodników ABTS + i (II) FRAP. Zawartość TPC w badanych produktach znacząco wzrosła po procesie odwadniania w stosunku do surowca. Wiąże się to z wysoką zawartością TPC w soku z aronii [36]. Zawartość TPC na początku procesu znacząco wzrosła w odwadnianym materiale, natomiast po upływie 30 minut w przypadku marchwi i po upływie 15 minut w przypadku cukinii zaczęła spadać, pomimo, że wartość SG podczas odwadniania nadal wzrastała. Następnie, zawartość TPC dla obu surowców ponownie zaczęła wzrastać. Obniżenie zawartości TPC pomimo przyrostu SG podczas odwadniania marchwi i cukinii prawdopodobnie jest związane z różną wielkością cząsteczek (masą cząsteczkową związków) w zagęszczonym soku aroniowym, które w zależności od rozmiarów posiadają różną zawartość TPC. W pracy postawiono hipotezę roboczą, że proces OD składa się z trzech etapów. Na początku procesu roztwór osmotyczny wnika w przestwory międzykomórkowe (pierwszy etap). Przestwory te, są stosunkowo duże w porównaniu do otworów w ściankach komórkowych, których kanaliki mają średnicę od 20 nm do 70 nm [37], dlatego w początkowej fazie procesu mogą napływać cząsteczki o większej masie cząsteczkowej, a w wymianie między komórką a roztworem (drugi etap) biorą udział cząsteczki o mniejszej masie cząsteczkowej, aż do momentu osiągnięcia plazmolizy w komórkach. W rezultacie plazmolizy komórka traci właściwości półprzepuszczalne i roztwór zawierający cząsteczki o różnej masie może swobodnie wypełniać jej wnętrze (trzeci etap) [16]. W celu potwierdzenia tej hipotezy sok aroniowy został poddany filtracji (od 8 μm do 0,2 μm). Stwierdzono, że zawartość TPC była wyższa dla frakcji otrzymanych przy zastosowaniu filtrów od 8 do 0,8 μm, natomiast użycie filtrów od 0,45 do 0,2 μm skutkowało niższą zawartością TPC. Podobnie do TPC, wartości pojemności przeciwutleniającej (ABTS i FRAP) były wyższe dla frakcji 8-0,8 μm w porównaniu do frakcji uzyskanych przy zastosowaniu filtrów 0,45 μm i 0,2 μm. Na podstawie analizy zawartości TPC w filtratach można potwierdzić słuszność założonej hipotezy. 3.2. Zmiany właściwości fizyko-chemicznych roztworu osmotycznego podczas odwadniania osmotycznego. Wykorzystanie zagęszczonych soków zamiast roztworów sacharozy czy syropu glukozowo-fruktozowego w procesie odwadniania osmotycznego (OD) do otrzymywania suszonej żywności, może mieć wpływ na zwiększenie kosztów produkcji. Dlatego bardzo ważne jest, aby zagęszczony sok owocowy w pełni wykorzystać w procesie OD, a następnie zagospodarować go w inny sposób. Możliwości zagospodarowania wykorzystanego soku w istotny sposób będą zależały od jego właściwości. W publikacji 1 (IV.b.1.) przeprowadzono badania dotyczące zmiany właściwości fizyko-chemicznych zagęszczonego soku aroniowego (stężenie, lepkość, gęstość, aktywność wody, zawartość związków polifenolowych i pojemność przeciwutleniającą) podczas odwadniania osmotycznego marchwi i cukinii. Podczas odwadniania osmotycznego usuwana z materiału woda i substancja wnikająca z roztworu do materiału powodowała rozcieńczenie roztworu osmotycznego, którego stężenie na początku procesu było na poziomie 40 Brix. Już po 15 min OD stężenie roztworu wynosiło 36,2 Brix w przypadku marchwi i 36,5 Brix w przypadku cukinii. Takie nagłe zmniejszenie stężenia jest związane z bardzo intensywną wymianą masy na początku procesu. Natomiast od 15 minut do 120 minut trwania procesu stężenie roztworu zmniejszało się znacznie wolniej 8
osiągając na końcu procesu 33,2 Brix w przypadku marchwi i 33,7 Brix w przypadku cukinii. Zawartość związków polifenolowych ogółem (TPC) w roztworze po procesie OD zwiększyła się pomimo, że substancja z tego roztworu wnikała do odwadnianego surowca, co mogło być związane ze strukturą odwadnianego materiału i składem roztworu osmotycznego wynikającym z bilansu wymiany masy. Należy również zaznaczyć, że surowce (marchew i cukinia) posiadały znacznie niższą zawartość TPC niż wykorzystywany sok aroniowy, dlatego substancja, która pochodziła z surowca (podczas wycinania próbek z surowca następuje zniszczenie ścian komórkowych, sok z komórek może przedostać się do roztworu) nie spowodowała wzrostu zawartości TPC w roztworze. TPC w soku aroniowym zmienia się w zależności od wielkości zawartych w nim cząsteczek. W ramach realizacji pierwszego celu badań (3.1.) wykazano, że dla cząsteczek o wymiarze mniejszym niż 0,45 μm TPC jest znacznie mniejsze niż dla większych cząsteczek. Podczas procesu OD cząsteczki z roztworu wnikają w strukturę komórkową materiału w sposób selektywny. Podczas gdy wielkość przestworów i otworów w komórce jest mniejsza niż niektórych cząsteczek w roztworze [37], to zwiększa się w nim udział cząsteczek dużych, które mają wyższą zawartość TPC. Dlatego TPC roztworu po OD ulega zwiększeniu. Z kolei, odwrotną zależność czyli obniżenie zawartości TPC w zagęszczonych sokach owocowych odnotowano podczas odwadniania mrożonych wiśni [38]. Mniejsza zawartość TPC związana była ze zmianą struktury wiśni, która uległa zniszczeniu w skutek usuwania pestki i mrożenia. Wyniki dotyczące zmian pojemności przeciwutleniającej (ABTS i FRAP) podczas OD są mocno skorelowane z TPC, co jest charakterystyczne dla materiałów roślinnych [39]. Określając zmianę właściwości fizycznych stwierdzono, że aktywność wody roztworu osmotycznego w trakcie procesu OD rośnie w związku ze zmniejszeniem jego stężenia. Taka zależność występowała w przypadku zagęszczonego soku jabłkowego [40]. Gęstość roztworu zmniejsza się w trakcie trwania procesu w rezultacie rozcieńczenia roztworu. Gęstość zagęszczonych soków zależy od ich stężenia i temperatury zmniejsza się wraz z obniżeniem stężenia i wzrostem temperatury [41]. Lepkość roztworu osmotycznego zmniejsza się znacząco już w początkowym okresie OD. Lepkość zagęszczonego soku ulega zmniejszeniu w sposób wykładniczy wraz ze zmniejszeniem jego stężenia [42]. Uzyskane wyniki świadczą, że zagęszczony sok aroniowy po procesie odwadniania posiada wysoki potencjał bioaktywny i dlatego może być ponownie wykorzystany w procesie OD po powtórnym zagęszczeniu lub przeznaczony do produkcji napojów na bazie tego soku. 3.3. Wpływ cech fizycznych wybranych surowców na ubytek wody, przyrost suchej substancji oraz wartość potencjału przeciwutleniającego materiału odwadnianego osmotycznie. Na podstawie przeglądu literatury można stwierdzić, że brakuje informacji dotyczących wpływu właściwości fizycznych odwadnianych surowców na proces odwadniania osmotycznego, zwłaszcza w roztworach osmotycznych uzyskanych na bazie zagęszczonych soków owocowych. W publikacji 2 (IV.b.2.) przedstawiono badania, które miały na celu określić wpływ właściwości fizycznych i chemicznych świeżych surowców na proces odwadniania osmotycznego w trzech różnych roztworach (zagęszczonym soku aroniowym, roztworach soli i sacharozy). W badaniu wykorzystano dziesięć różnych surowców roślinnych, takich jak: 1) dynia "Butternut" (PB), 2) dynia "Butternut Orange" (PBO), 3) dynia "Muscat de Provence" (PM), 4) burak "Alto" (BA), 5) pietruszka "Eagle" (PaE), 6) marchewka "Nerac" (CaN), 7) seler "Diamant" (CeD), 8) rzodkiewka "Omny" (RO), 9) czarna rzepa "Kulata Cerna" 9
(BtK) i 10) jabłko "Champion" (ACh). Dla wszystkich surowców wyznaczono wilgotność, porowatość, pozorny moduł sprężystości (związany z turgorem), gęstość powierzchniową, gęstość właściwą suchej substancji, parametry barwy (L*, a* i b*) oraz pojemność przeciwutleniającą (ABTS + ). Wilgotność badanych materiałów była bardzo zróżnicowana od 78,3% wody w przypadku korzeni pietruszki aż do 94,61% wody w przypadku dyni odmiany Muscat de Provence. Dzięki temu uzyskano materiał o stosunkowo dużym zakresie aktywności wody (0,983-0,994), która jest zależna od wilgotności [43]. Aktywność wody (aw) decyduje o potencjale chemicznym, natomiast różnica potencjałów chemicznych między roztworem osmotycznym a surowcem decyduje o sile napędowej podczas wymiany masy w procesie odwadniania osmotycznego [1]. Badane materiały charakteryzowały się dużym zakresem porowatości (3,19%-26,75%), natomiast umowny moduł sprężystości dla większości surowców przyjmował wartość od 3 do 5 MPa. Oba wymienione parametry mają wpływ na proces wymiany masy podczas odwadniania osmotycznego [44, 45]. Gęstość rzeczywista suchej substancji była na zbliżonym poziomie dla wszystkich surowców, podobne wyniki uzyskał Zogzas i in. [46]. Natomiast istotnie statystycznie różniły się wartości gęstości powierzchniowej, która w dużym stopniu zależała od porowatości materiału [47]. Dla badanych surowców wyznaczono parametry barwy w systemie CIE L*a*b*. Wartość pojemności przeciwutleniającej ABTS + wynosiły od 0,08 do 2,34 mmol Trolox 100 g -1 ss. Parametr ten jest wyznacznikiem jakości produktu po procesie odwadniania osmotycznego. Po procesie OD określono właściwości fizyko-chemiczne materiału. Najniższą aktywność wody uzyskano dla próbek odwadnianych w zagęszczonym soku aroniowym (0,957-0,964). Istotny wpływ na obniżenie aktywności wody miała ilość substancji, która wnikała do odwadnianego materiału i była najwyższa dla próbek odwadnianych w soku z aronii. Wyższe wartości aw uzyskały próbki odwaniane w roztworze sacharozy i soli na poziomie bliskim od 0,97 do 0,975. Gęstość suchej substancji po procesie odwadniania zmniejszyła się dla wszystkich materiałów. Oznacza to, że substancje, które wnikały podczas procesu OD miały mniejszą gęstość niż sucha substancja surowca. Najmniejsze zmiany wartości gęstości suchej substancji uzyskano dla materiałów odwadnianych w roztworze sacharozy, średnio o 106,3 kg m -3. W próbkach odwadnianych w zagęszczony soku aroniowym gęstość suchej substancji w odwadnianym materiale zmniejszyła się średnio o 81,7 kg m -3, a w soli średnio o 76,7 kg m -3. Parametry barwy powierzchni materiałów po procesie odwadniania zależały od rodzaju roztworu osmotycznego. Odwadnianie w roztworach soli i sacharozy nie wpłynęły na znaczącą zmianę barwy (ΔEOD*). Wyraźną zmianę koloru uzyskano dla próbek odwadnianych w zagęszczonym soku z aronii. Tylko niewielką zmianę barwy uzyskano dla buraków czerwonych (ΔEOD*=9,39), których kolor naturalny jest bardzo zbliżony do soku aroniowego. Natomiast dla pozostałych surowców wartość ΔEOD* wynosiła od 40,98 do 77,88, co było związane ze znaczącym zmniejszeniem wartości parametrów barwy L* i b*. Nie stwierdzono istotnego wpływu właściwości surowca na pojemność przeciwutleniającą (ABTS + ) odwadnianego surowca, natomiast istotny wpływ miał rodzaj użytego roztworu. Przeprowadzona analiza wykazała, że na SG statystycznie istotny wpływ ma aktywność wody (aw) świeżego materiału niezależnie od zastosowanego roztworu. Najwyższa wartość współczynnika korelacji występowała dla zagęszczonego soku aroniowego (0,8376), a najniższa dla roztworu sacharozy (0,6649). Należy przy tym zauważyć, że dla wszystkich przypadków wartość współczynnika korelacji była dodatnia. Oznacza to, że wraz ze wzrostem aw zwiększa się wartość SG. Istotny wpływ na SG miała również zawartość wody w materiale (Mc) podczas odwadniania w roztworze soli i zagęszczonym soku aroniowym. Biorąc pod uwagę WL dla materiałów odwadnianych osmotycznie w roztworze soli stwierdzono tylko 10
jedną istotnie statystycznie korelację w odniesieniu do parametru barwy L* (-0,7035). W przypadku roztworu sacharozy uzyskano korelacje w odniesieniu do Mc (0,8524) i aw (0,7777). Natomiast w przypadku próbek odwadnianych w zagęszczonym soku aroniowym trzy korelacje w odniesieniu do Mc (0,7761), E (0,7803) i aw (0,6626). W literaturze brakuje danych dotyczących wpływu aktywności wody surowca na wymianę masy podczas odwadniania osmotycznego. Dlatego uzyskanie wysokich współczynników korelacji dla zależności między aktywnością wody i SG oraz WL pozwala w sposób pośredni szybko ocenić użyteczność danego surowca do procesu OD. 3.4. Wpływ właściwości fizyko-chemicznych roztworu osmotycznego na kinetykę procesu i właściwości odwadnianego materiału. Wykorzystując roztwory osmotyczne o wysokiej pojemności przeciwutleniającej, można spodziewać się, że jakość odwadnianego surowca będzie lepsza. Wyniki wielu badań dotyczących wpływu roztworu, bądź jego właściwości na proces odwadniania osmotycznego (OD) uwzględnia jedynie stężenie roztworu. Roztwory różnego rodzaju, nawet przy tym samym stężeniu, będą posiadały inne właściwości fizyczne, które mogą mieć wpływ na wymianę masy podczas OD. Wpływ właściwości fizyko-chemicznych roztworów (lepkość, aktywność wody, barwa oraz zawartość związków polifenolowych i pojemność przeciwutleniającą) na proces OD i właściwości odwadnianych materiałów przedstawiono w publikacji 2 (IV.b.2.), 3 (IV.b.3.) i 5 (IV.b.5.). W publikacji 2 (IV.b.2.) przedstawiono badania, które miały na celu określenie wpływu właściwości trzech różnych roztworów osmotycznych (zagęszczony sok aroniowy, roztworach soli i sacharozy) na proces OD i właściwości odwadnianych materiałów. Najmniejszy przyrost masy uzyskano podczas odwadniania w 5% roztworze soli, a największy w zagęszczonym soku aroniowym (40 Brix). Spowodowane jest to tym, że aktywność wody roztworu soli (aw=0,9851) była największa i dlatego różnica potencjałów chemicznych między roztworem a surowcem jest mniejsza. Z kolei, dla zagęszczonego soku aroniowego (aw=0,9449) różnica potencjału chemicznego była największa i w związku z tym uzyskano największy przyrost masy. Nie wiele mniejszy przyrost masy uzyskano dla materiałów odwadnianych w roztworze sacharozy (aw=0,9808) pomimo, że aktywność wody była zdecydowanie większa niż w soku aroniowym. Dodatkowo lepkość roztworu sacharozy, która była największa spośród zastosowanych roztworów mogła spowodować zablokowanie wnikania suchej substancji do odwadnianego materiału. Wzrost lepkości roztworu powoduje aglomeracje cząsteczek, których wielkość nie pozwala wniknąć w przestrzenie międzykomórkowe [48]. Ubytek wody podczas odwadniania w roztworze soli był również najmniejszy ponieważ różnica potencjału chemicznego była najmniejsza, natomiast dla roztworu sacharozy i zagęszczonego soku wartości były bardzo zbliżone. Może to być spowodowane równoległym przepływem substancji z roztworu do materiału. Większy przyrost masy podczas odwadniania w zagęszczonym soku mógł utrudniać usuwanie wody z materiału [16]. Wartość ilorazu WL/SG jest największa dla próbek odwadnianych w roztworze soli, w której znacząco przeważał proces usuwania wody nad przyrostem masy, natomiast najmniejsza wartość WL/SG była stwierdzona dla odwadniania w zagęszczonym soku aroniowym. Zaletą tego jest to, że podczas odwadniania w roztworach o dużym potencjale prozdrowotnym najważniejszym procesem jest pozyskanie przez materiał jak najwięcej suchej substancji z roztworu. Proces odwadniania osmotycznego w zagęszczonym soku aroniowym spowodował kilkunastokrotne zwiększenie pojemności przeciwutleniającej ABTS +, której wartość była w przedziale od 434,7 do 607,3 mmol 11
Trolox 100 g -1 ss. W przypadku zastosowania roztworów soli i sacharozy nie odnotowano istotnych zmian w pojemności przeciwutleniającej. Jest to typowe dla roztworów, które posiadają relatywnie niską pojemność przeciwutleniającą. W publikacji 3 (IV.b.3.) przedstawiono badania dotyczące odwadniania dyni w zagęszczonych sokach (40 Brix) z aronii, pigwowca i malin. Na początku procesu wymiana masy między dynią a roztworem zachodziła bardzo intensywnie, natomiast z upływem czasu szybkość wymiany masy uległa zmniejszeniu. Charakter wymiany masy był podobny dla wszystkich użytych roztworów. Wartości ubytku wody (WL) były prawie trzykrotnie większe niż wartości przyrostu suchej substancji (SG). Podobną prawidłowość zaobserwowano podczas odwadniania dyni w roztworze sacharozy [49]. Największą wartość WL zaobserwowano dla dyni odwadnianej w zagęszczonym soku z pigwowca, a najmniejszą w zagęszczonym soku z aronii. Może to wynikać z właściwości fizycznych użytych roztworów. Sok z pigwowca posiadał najniższą aktywność wody (aw=0.9381) a sok z aronii najwyższą (aw=0,9449). Im mniejsza jest wartość aktywności wody tym większe jest ciśnienie osmotyczne, które decyduje o intensywności wymiany masy [1]. Wartości SG dla dyni odwadnianej w sokach z pigwowca i aronii były większe niż w soku malinowym. Wynika to prawdopodobnie z lepkości tych roztworów, która była największa w przypadku soku malinowego. Lepkość soku wpływa na wnikanie substancji stałych z roztworu do materiału. Wzrost lepkości roztworu sprzyja aglomeracji zawartych w nim cząsteczek, co może utrudnić ich przenoszenia do przestrzeni wewnątrzkomórkowych [48]. Proces OD spowodował znaczy wzrost zawartości związków polifenolowych, których zawartość wpływała na pojemność przeciwutleniającą uzyskanych suszy. Proces OD w zagęszczonym soku aroniowym spowodował znaczny wzrost zawartości związków polifenolowych w stosunku do świeżej dyni. Jeszcze większy wzrost polifenoli uzyskano w dyni odwadnianej osmotycznie w zagęszczonym soku z pigwowca, natomiast w przypadku próbek odwadnianych w soku z malin wzrost zawartości związków fenolowych był najmniejszy. Wykazane różnice są związane z zawartością związków polifenolowych ogółem i pojemnością przeciwutleniającą soków użytych podczas odwadniania osmotycznego. Roztwory osmotyczne o relatywnie wysokiej zawartości związków bioaktywnych, znacząco wpływają na jakość produktów końcowych poprzez zwiększenie ich udziału w produkcie finalnym (suszu). W kolejnej publikacji 5 (IV.b.5.) przedstawiono proces odwadniania osmotycznego osnówek stanowiących jadalną część owoców granatowca w 5-ciu różnych roztworach osmotycznych uzyskanych na bazie soków owocowych: i) zagęszczony sok z owoców granatowca, ii) 50% soku z granatowca i 50% soku z aronii, iii) 50% soku z granatowca i 50% soku z jabłka, iv) 50% soku z jabłka i 50% soku z aronii, v) 75% soku z jabłka i 25% soku z aronii. Dla wszystkich mieszanek określono lepkość dynamiczną, która wyniosła odpowiednio 5,13 ± 0,10; 4,13 ± 0,15; 4,76 ± 0,13; 4,20 ± 0,1 i 4,39 ± 0,12 mpa s. Odwodnianie osmotyczne przeprowadzone w różnych roztworach osmotycznych zmniejszyło wilgotność osnówek granatowca z 81,5 ± 0,7% do około 71% dla wszystkich użytych roztworów. Rodzaj roztworu osmotycznego nie miał istotnego wpływu na ubytek wody (WL), którego wartość mieściła się w zakresie od 28,9% do 30,7%. Z kolei, rodzaj roztworu miał wpływ na wartość przyrostu suchej substancji (SG), która mieściła się od 15,3% dla roztworu ii) do 23,3% dla roztworu i). Znacznie mniejsze wartości SG występowały, gdy w skład roztworu wchodził sok aroniowy. Prawdopodobnie było to związane z dużym rozmiarem cząstek tego soku i gromadzeniem się substancji stałych w warstwie powierzchniowej. To z kolei, spowodowało zagęszczenie tej warstwy i zwiększenie oporu transferu masy zarówno w odniesieniu do wody, jak i do cząstek stałych [50, 51]. Zaobserwowano znaczącą (p <0,05) dodatnią korelację (R 2 = 0,789) pomiędzy 12
lepkością dynamiczną a SG, która wynika z tego, że większa lepkość sprzyja przyczepności cząsteczek soku do powierzchni osnówek granatowca [52]. Wpływ lepkości podczas odwadniania osnówek granatowca jest odwrotnie skorelowany z SG w porównaniu z procesem odwadniania miąższu dyni (IV.b.3.). Prawdopodobnie jest to związane ze skórką osnówek, która zdecydowanie utrudnia wnikanie substancji z roztworu osmotycznego. Pojemność przeciwutleniająca (ABTS + i FRAP) w próbkach odwadnianych w zagęszczonym soku z granatowca (i) i w mieszaninie soku z granatowca i aronii (ii) wzrosła w stosunku do próbek nie poddawanych odwadnianiu, natomiast wykorzystanie soku z jabłek spowodowało obniżenie pojemności przeciwutleniającej, ponieważ sok jabłkowy posiada niższą pojemność niż osnówki z granatowca. 3.5. Wpływ procesu odwadniania osmotycznego na kinetykę suszenia. Proces odwadniania osmotycznego prowadzony nawet przez długi okres czasu, nie umożliwi otrzymania produktu o wilgotności końcowej gwarantującej stabilność pod względem mikrobiologicznym.. Dlatego po procesie odwadniania osmotycznego materiał należy jeszcze dosuszyć wykorzystując inne sposoby suszenia. Wyniki badań dotyczące wpływu odwadniania osmotycznego w zagęszczonych sokach owocowych na kinetykę dosuszania przedstawiono w trzech publikacjach: publikacji 3 (IV.b.3.), publikacji 4 (IV.b.4.) oraz publikacji 5 (IV.b.5.). W publikacji 3 (IV.b.3.) wyznaczono wpływ czasu odwadniania osmotycznego oraz rodzaju roztworu osmotycznego na kinetykę suszenia mikrofalowo-próżniowego (ang. Vacuum Microwave Drying - VMD). Miąższ z dyni odwadniano w zagęszczonych sokach otrzymanych z owoców aronii, pigwowca i malin przez: 0,5; 1; 2; 3 i 6 godz. Następnie odwodniony materiał został dosuszony metodą VMD stosując moc mikrofal równą 480 W na początku procesu, a gdy próbka nagrzewała się do około 80 C moc redukowano do 120 W (480/120 W). Czas suszenia dyni metodą VMD bez odwadniania był znacznie krótszy i wynosił tylko 36 minut, natomiast po odwodnieniu w zagęszczonym soku aroniowym suszenie VMD trwało od 64 do 66 minut w zależności od czasu odwadniania osmotycznego. To nieoczekiwane wydłużenie czasu suszenia wywołane wstępną obróbką osmotyczną można tłumaczyć zmniejszeniem dyfuzyjności wody w odwodnionym materiale, wzbogaconym w substancje wiążące wodę pochodzące z zagęszczonego soku. Innym czynnikiem utrudniającym dosuszanie materiału wstępnie odwodnionego osmotycznie było uszczelnianie porów przez wspomniane substancje, co dodatkowo przyczyniło się do uzyskania przez próbkę wyższej temperatury podczas VMD. Mianowicie, temperatura materiału suszonego metodą VMD zależy od ciśnienia wewnętrznego pary wodnej, która jest zamknięta w roślinnym systemie komórkowym [34]. Prawdopodobnie impregnacja ścian komórkowych, która nastąpiła podczas odwadniania osmotycznego, spowodowała, że są mniej przepuszczalne dla pary wodnej. Można to wyjaśniać zarówno wyższą temperaturą, jak i mniejszą szybkością suszenia w porównywaniu z procesem dosuszania próbek nie poddawanych odwadnianiu osmotycznemu. Podobne wyniki uzyskano podczas dosuszania próbek dyni wstępnie odwadnianych w zagęszczonym soku z pigwowca oraz malin. W przypadku dosuszania próbek dyni odwadnianych w soku z pigwowca czas procesu był nieco krótszy z uwagi na największą wartość utraty wody (WL) stwierdzoną dla tego soku. Kinetykę suszenia VMD opisano przy użyciu równania logarytmicznego. Współczynnik determinacji (R 2 ) dla wszystkich badanych próbek uzyskał bardzo wysokie wartości od 0,9631 do 0,9914, natomiast wartości średniego błędu kwadratowego (RMSE) 13
znajdowały się poniżej 0,129, co świadczy o dobrym dopasowaniu funkcji do punktów empirycznych. W kolejnej publikacji (IV.b.4.) przedstawiono badania dotyczące wpływu odwadniania osmotycznego, powierzchni właściwej próbki oraz mocy mikrofal na kinetykę suszenia mikrofalowo-próżniowego (VMD). Proces odwadniania osmotycznego w zagęszczonym soku z aronii przeprowadzono dla walców wyciętych z buraka ćwikłowego o średnicy 18 mm i różnych wysokościach (9,6; 6,3; 3,35 i 2,6 mm). Dla każdego walca o danej wysokości obliczono jego powierzchnię właściwą (Ψ) jako iloraz ich pola powierzchni do ich objętości. Proces dosuszania przeprowadzono przy użyciu suszarki mikrofalowo-próżniowej stosując różny zakres mocy mikrofal 120, 240, 360, 480 i 480/120 W (480 W stosowano na początku procesu, a gdy próbka nagrzewała się do około 80 C moc redukowano do 120 W). Badania wykazały, że zarówno wyższa moc mikrofal i większa powierzchnia właściwa zwiększają szybkość suszenia, co skutkowało krótszym czasem suszenia dla próbek odwadnianych i nie poddawanych odwadnianiu. Stosowanie wysokich mocy mikrofal powodowało, że próbki nie poddawane odwadnianiu nagrzewały się do temperatury przekraczającej 100 C, a próbki odwadniane uzyskiwały nawet temperaturę 138 C. Tak wysoka temperatura znacząco obniża jakość produktu. Wartość maksymalnej temperatury suszonego materiału również zależała od mocy mikrofal i powierzchni właściwej. Mianowicie, była ona wyższa dla większych mocy mikrofal i mniejszej powierzchni właściwej próbek. W przypadku większości próbek odwadnianych czas suszenia był niewiele krótszy w porównaniu do próbek nieodwadnianych, tylko w przypadku dwóch próbek było odwrotnie, gdy zastosowano moc 480/120 W oraz dla Ψ=998 m 2 m-3 i Ψ=827 m 2 m-3. Kinetykę suszenia próbek odwadnianych i nie poddawanych odwadnianiu opisano złożonym równaniem empirycznym uwzględniającym powierzchnię właściwą (Ψ), moc mikrofal (P) i czas suszenia (τ). W publikacji 5 (IV.b.5.) przedstawiono badania, w których do wysuszenia osnówek granatowca wstępnie odwadnianych wykorzystano dwa sposoby dosuszania. Materiał odwadniany i bez odwadniania podsuszano konwekcyjnie przez 4 godziny w powietrzu o temperaturze 60 C i prędkości przepływu 0,6 m/s. Następnie materiał ten dosuszano mikrofalowo-próżniowo stosując moc 360 W na początku procesu, a gdy próbka uzyskała temperaturę około 80 C moc zredukowano do 120 W (360/120 W). Na podstawie wyników badań stwierdzono, że rodzaj roztworu osmotycznego wpływa na kinetykę suszenia. Najdłuższy czas suszenia mikrofalowo-próżniowego (VMD) stwierdzono dla nieodwadnianych osnówek granatowca. W przypadku próbek odwadnianych czas suszenia metodą VMD był krótszy w materiałach odwadnianych w roztworach, które zawierały zagęszczony sok z granatowca w całości lub w określonej części. Z kolei, w roztworach stanowiących inne kompozycje soków czas suszenia był znacząco dłuższy. Biorąc pod uwagę całkowity czas procesu, czyli odwadnianie osmotyczne (90 min), suszenie konwekcyjne (240 min) i dosuszanie mikrofalowo-próżniowe, stwierdzono, że najkrócej trwał proces bez odwadniania osmotycznego (323 min), natomiast najdłużej dla osnówek odwadnianych w roztworach, w którego skład wchodził sok jabłkowy (ponad 381 min). Taką prawidłowość można wytłumaczyć fizykochemicznym mechanizmem wiązania wody i zmian w strukturze komórkowej osnówek granatowca, które nastąpiły w wyniku odwadniania osmotycznego. Cukry obecne w soku jabłkowym utrudniały transport wody z materiału podczas odwadniania osmotycznego poprzez zatykanie porów [50], co przyczyniło się do wzrostu ciśnienia wewnątrzkomórkowego i tym samym do osiągnięcia największej wartości temperatury maksymalnej zarejestrowanej podczas VMD. Efekt chłodzenia wynikający z intensywnego odparowywania wody zmniejszył maksymalną temperaturę osnówek, co było widoczne w 14
początkowym etapie VMD [34]. Kinetykę suszenia konwekcyjnego i VMD opisano przy użyciu zmodyfikowanego modelu Page a. 3.6. Wpływ procesu odwadniania osmotycznego i dosuszania na właściwości bioaktywne, sensoryczne i fizyczne gotowego produktu. Każdy proces utrwalania żywności, w tym również odwadnianie osmotyczne i suszenie, wpływa znacząco na właściwości produktu. Ważne jest, aby przeprowadzić ten proces w sposób zapewniający uzyskanie jak najwyższej jakości suszu. W przypadku produktów suszonych ważnym aspektem są właściwości sensoryczne (m.in. smak, wygląd, zapach), fizyczne (m.in. barwa) oraz chemiczne (zawartość związków polifenolowych, pojemność przeciwutleniająca). Wpływ procesu odwadniania osmotycznego i sposobu suszenia na jakość suszu przedstawiono w trzech publikacjach w 3 (IV.b.3.), 4 (IV.b.4.) oraz 5 (IV.b.5.). W publikacji 3 (IV.b.3.) przedstawiono wpływ odwadniania osmotycznego (OD) dyni w zagęszczonych sokach z aronii, pigwowca i malin oraz dosuszania mikrofalowo-próżniowego (VMD) na barwę, zawartość związków polifenolowych (TPC) i pojemność przeciwutleniającą (ABTS + i FRAP) otrzymanego suszu. Zawartość związków polifenolowych w świeżej dyni wynosiła 167,4 mg GA 100 g -1 ss, a aktywność przeciwutleniająca wyznaczona metodą ABTS i FRAP posiadała wartość odpowiednio 0,33 mmol Trolox 100 g -1 ss i 0.39 mmol Trolox 100 g -1 ss. Podobna zawartość związków polifenolowych ogółem oraz pojemność przeciwutleniającą ABTS + dla świeżej dyni odmiany Hokkaido odnotowano przez Obradović i in. [53]. W dyni suszonej metodą VMD bez wstępnego odwadniania nastąpiła degradacja związków polifenolowych oraz zmniejszyła się pojemność przeciwutleniająca oznaczona dwoma metodami. Podczas suszenia w materiałach biologicznych następuje degradacja związków polifenolowych, które wpływają na pojemność przeciwutleniającą m.in. wiśni [54], różnych odmian dyni [55] i borówek [56]. Proces OD stosowany przed VMD spowodował znaczy wzrost zawartości związków polifenolowych, dzięki którym znacząco wzrosła pojemność przeciwutleniająca suszu. Pojemność przeciwutleniająca była związana z zawartością polifenoli. Proces OD prowadzony tylko przez 0,5 godz. w zagęszczonym soku aroniowym spowodował ponad 5-krotny wzrost zawartości związków polifenolowych. Dalszy proces OD zwiększał zawartość tych związków, który po 6 godz. był ponad 10 - krotnie większy niż w świeżej dyni. Przyrost związków polifenolowych związany jest z wnikaniem substancji stałej z roztworu do materiału. Jeszcze większy ponad 15 - krotny wzrost związków polifenolowych uzyskano w dyni odwadnianej osmotycznie w zagęszczonym soku z pigwowca, natomiast w przypadku próbek odwadnianych w soku z malin wzrost ten był tylko ponad 2 - krotny. Pomiar barwy świeżej i wysuszonej dyni wykonano biorąc pod uwagę powierzchnię próbek. Koordynaty barwy świeżej dyni wykorzystano jako wzorzec. Suszenie metodą VMD spowodowało zmniejszenie wartości wszystkich parametrów barwy, jest to typowe dla tej metody suszenia [29]. Proces odwadniania osmotycznego spowodował znaczną zmianę barwy suszonej dyni (ΔE*), która wynosiła od 27,6 do 76. Tak duża zmiana związana jest z barwą wykorzystanych roztworów osmotycznych. Substancja z roztworu osmotycznego wnikała do odwadnianego materiału powodując zmianę koloru próbki w kierunku barwy roztworu [57]. Im dłuższy czas odwadniania, tym parametry barwy próbek bardziej przesuwały się w kierunku parametrów barwy soku. Proces odwadniania osmotycznego w zagęszczonych sokach owocowych może zwiększyć atrakcyjność wyglądu suszu poprzez ukrycie nieatrakcyjnych naturalnych przebarwień powstających w owocach i warzywach podczas zbioru, transportu i przechowywania. 15
W publikacji 4 (IV.b.4.) opisano wpływ odwadniania osmotycznego (OD) i dosuszania mikrofalowo-próżniowego (VMD) na zawartość związków polifenolowych (TPC), pojemność przeciwutleniającą (ABTS + ) oraz właściwości sensoryczne suszu z buraka ćwikłowego odwadnianego w zagęszczonym soku aroniowym. Proces dosuszania buraków ćwikłowych metodą VMD bez odwadniania osmotycznego spowodował obniżenie TPC i ABTS w stosunku do świeżego surowca. Jednak wzrost mocy mikrofal wpłynął na poprawę obu parametrów. Było to związane ze znacznym skróceniem czasu suszenia bez znaczącego wzrostu temperatury próbek. Synergistyczny efekt temperatury i czasu suszenia może być korzystny w procesie tworzenia nowych związków, znanych jako produkty reakcji Maillarda, o wysokim potencjale bioaktywnym [27]. Proces odwadniania osmotycznego spowodował nawet 3-krotne zwiększenie TPC i ponad 4-krotne zwiększenie ABTS +. Wzrost mocy mikrofal w próbkach odwadnianych spowodował obniżenie właściwości bioaktywnych suszu ponieważ próbki nagrzewały się do bardzo wysokich temperatur, które prawdopodobnie degradowały te związki. W próbkach o większej powierzchni właściwej wartości TPC i ABTS + były większe, co było wiązane z tym, że podczas OD więcej substancji z soku wniknęło do buraków. Ponadto, podczas dosuszania metodą VMD cząstki o większej powierzchni właściwej nagrzewały się do znacznie niższych temperatur. Ogólnie ocena sensoryczna wykazała, że próbki buraków poddane odwadnianiu osmotycznemu w soku z aronii, a następnie dosuszone metodą VMD miały wysoką jakość pod względem tekstury, smaku i zapachu. Jedynie dla próbek suszonych przy mocy mikrofal 480/120 W jakość w odniesieniu do tekstury i chrupkości była niska. Spośród wszystkich badanych próbek relatywnie wysokie wartości oceny sensorycznej wraz z wysokim poziomem potencjału bioaktywnego zostały zaobserwowane w próbkach o powierzchni właściwej 827 m 2 m -3 wysuszonych przy 240 W i dlatego te parametry procesowe mogą być zalecane do produkowania przekąsek z buraków ćwikłowych o wysokiej jakości. W publikacji 5 (IV.b.5.) przedstawiono badania, w których określono wpływ odwadniania osmotycznego (OD) osnówek granatowca i suszenia łączonego (konwekcyjne i mikrofalowo-próżniowe VMD) na profil antocyjanów, pojemność przeciwutleniającą (ABTS + i FRAP), barwę i właściwości sensoryczne suszu. Najwyższą sumaryczną zawartość antocyjanów zaobserwowano w osnówkach suszonych sublimacyjnie (kontrola), natomiast w przypadku próbek odwadnianych najwyższa wartość została stwierdzona dla osnówek odwadnianych w soku, który składał się z soku z granatowca i soku z aronii w proporcji 1:1. Najwyższą wartość ABTS + i FRAP uzyskano w osnówkach odwadnianych w zagęszczonym soku z granatowca. W przypadku pozostałych roztworów wartości ABTS + i FRAP były również wyższe niż dla materiału nieodwadnianego. Suszone osnówki owoców granatowca dostępne na rynku mają zwykle kolor zbyt brązowy i tym samym posiadają wygląd nieatrakcyjny dla konsumentów z powodu degradacji antocyjanów [58]. Proces odwadniania osmotycznego w soku z granatowca i aronii znacząco poprawił barwę czerwoną produktu dzięki zwiększeniu wartości parametru a*. Analiza korelacji wykazała, że całkowita zawartość antocyjanów jest dodatnio skorelowana z parametrem L*, a* i b* (R 2 = 0,81; R 2 = 0,59; R 2 = 0,62). W ocenie sensorycznej przeprowadzonej dla wszystkich badanych materiałów nie uzyskano wysokich wartości w przypadku nieprzyjemnego smaku. Może to świadczyć o tym, że produkt pod względem smaku był wysokiej jakości. Dodatkowo należy zaznaczyć, że próbki odwadniane uzyskały wyższe noty w ocenie barwy produktu, która jest istotnym i najczęściej postrzeganym atrybutem jakości decydującym o akceptacji przez konsumentów. 16
4. PODSUMOWANIE W cyklu publikacji stanowiącym osiągnięcie naukowe opisano procesy zachodzące w surowcach i roztworach podczas odwadniania osmotycznego w zagęszczonych sokach owocowych, oraz określono wpływ odwadniania osmotycznego na proces dosuszania i właściwości fizyko-chemiczne suszu. Proces odwadniania osmotycznego w zagęszczonych sokach owocowych ma istotny wpływ na jakość odwadnianego materiału. Jest to głównie związane z wnikaniem cennych substancji z soków owocowych do odwadnianego materiału. Na podstawie wyników badań wykazano, że następuje selektywne wnikanie cząsteczek o różnej masie cząsteczkowej i że jest to proces periodyczny, który składa się z 3 etapów. Na początku procesu roztwór osmotyczny wpływa w przestwory międzykomórkowe (pierwszy etap), które są stosunkowo duże w porównaniu do otworów w komórce. Dlatego w początkowej fazie procesu wnikają cząsteczki o większej masie cząsteczkowej, a w wymianie między komórką a roztworem (drugi etap) biorą udział cząsteczki o mniejszej masie cząsteczkowej, aż do momentu osiągnięcia w komórkach plazmolizy. W rezultacie plazmolizy komórka traci właściwości półprzepuszczalne i roztwór może wypełniać jej wnętrze (trzeci etap). Dodatkowo stwierdzono, że skoncentrowany sok owocowy, stosowany jako roztwór osmotyczny, może być ponownie zagęszczony i wykorzystany do dalszego procesu odwadniania osmotycznego lub może być stosowany jako półprodukt w produkcji soku pitnego. Badania roztworu osmotycznego podczas odwadniania wykazały, że istnieje silna korelacja pomiędzy stężeniem koncentratu owocowego i jego aktywnością wodną, gęstością i lepkością. Aktywność wody w roztworze osmotycznym wzrasta, natomiast gęstość i lepkość zmniejsza się wraz ze spadkiem stopnia zagęszczenia soku. Ponadto wykazano istotny wpływ lepkości i aktywności wody roztworu na proces wymiany masy podczas odwadniania osmotycznego. Stwierdzono, że im mniejsza jest aktywność wody tym większe jest ciśnienie osmotyczne, które decyduje o intensywności wymiany masy. Zauważono, że lepkość soku wpływa na wnikanie substancji stałych z roztworu do materiału, przy czym wzrost lepkości roztworu, sprzyjający aglomeracji cząsteczek roztworu, może utrudnić transfer tych cząsteczek do przestrzeni wewnątrzkomórkowych. Takie zjawisko zaobserwowano w przypadku miąższu z dyni, natomiast podczas odwadniania osmotycznego osnówek granatowca zależność była odwrotna. Wyższa lepkość sprzyjała przywieraniu cząsteczek soku do powierzchni osnówek. Dlatego nie można jednoznacznie ocenić wpływu lepkości roztworu na proces wymiany masy, ponieważ struktura odwadnianego materiału odgrywa istotną rolę w zjawiskach towarzyszących procesowi odwadniania osmotycznego. W ramach przeprowadzonych badań wykazano także wpływ właściwości surowców na proces odwadniania osmotycznego. Analiza statystyczna zależności pomiędzy właściwościami fizyko-chemicznymi materiałów przed odwadnianiem osmotyczny a kinetyką wymiany masy i właściwościami fizyko-chemicznymi materiałów po odwadnianiu osmotycznym wykazała 43 statystycznie istotnych zależności. Najważniejsza z nich, dotyczy wpływu aktywność wody świeżego materiału, niezależnie od zastosowanego roztworu, na przyrost suchej substancji. Okazało się, że wraz ze wzrostem aktywności wody surowca zwiększa się przyrost suchej substancji. Podczas odwadniania w zagęszczonym soku aroniowym wykazano również wpływ aktywności wody surowca na utratę wody podczas odwadniania. Uzyskane wyniki mogą pozwolić na szybką ocenę przydatności danego surowca do procesu odwadniania na podstawie jego aktywności wody. Proces odwadniania osmotycznego stanowi obróbkę wstępną przed suszeniem. W badaniach wykazano wpływ procesu odwadniania na proces dosuszania i jakość suszu. Proces 17