KINETYKA SUSZENIA, WŁAŚCIWOŚCI MORFOLOGICZNE I MECHANICZNE SUSZONYCH PRÓŻNIOWO TRUSKAWEK*

Inżynieria Rolnicza 5(130)/2011 KINETYKA SUSZENIA, WŁAŚCIWOŚCI MORFOLOGICZNE I MECHANICZNE SUSZONYCH PRÓŻNIOWO TRUSKAWEK* Monika Janowicz, Iwona Sitkiewicz, Dariusz Piotrowski, Andrzej Lenart, Maria Hankus Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Streszczenie. Celem pracy była analiza wpływu odmiany truskawek, wielkości owoców oraz sposobu wstępnego przygotowania i parametrów procesu na kinetykę suszenia, właściwości morfologiczne i mechaniczne suszonych próżniowo truskawek. Stwierdzono istotny wpływ wielkości owoców i odmiany oraz parametrów suszenia (ciśnienie i temperatura) na przebieg krzywych suszenia oraz wartości współczynników dyfuzji wody podczas suszenia przy braku wpływu tych parametrów na właściwości mechaniczne otrzymanych suszy. Słowa kluczowe: suszenie próżniowe, truskawki, struktura, właściwości mechaniczne Wstęp Na cechy gotowego produktu spożywczego ma istotny wpływ rodzaj i odmiana surowca, sposób przygotowania, a w przypadku produktów przetworzonych otrzymanych z surowców o budowie tkankowej, takich jak owoce lub warzywa - stopień dojrzałości [Suutarinen i in. 2000 a,b; Contreras i in. 2007]. Struktura wielu surowców jest bardzo delikatna i podatna na uszkodzenia w trakcie obróbki technologicznej, co sprawia, że nie wszystkie stosowane w technologii żywności metody np. suszenia gwarantują otrzymanie gotowego produktu o wysokiej jakości [Wojdyło i in. 2009]. W celu przedłużenia trwałości produkty poddawane są działaniu różnych czynników, takich jak temperatura i ciśnienie, a także zabiegom biochemicznym - działaniu enzymów i drobnoustrojów. Efekt wpływu określonego czynnika zależy od rodzaju utrwalanego materiału, obecności innych substancji, a nawet stanu dojrzałości biologicznej. Te czynniki decydują o wartości temperatury, ciśnienia i czasu ich oddziaływania [Delgado i Rubiolo 2005; Mandala i in. 2005]. Celem pracy była próba wyjaśnienia wpływu wybranych cech materiałowych oraz parametrów suszenia próżniowego na kinetykę tego procesu, właściwości morfologiczne oraz właściwości mechaniczne suszy z owoców miękkich na przykładzie truskawek odmiany Bounty i Pandora. Zakres badań obejmował analizę wpływu cech materiałowych takich jak * Badania wykonane w ramach pracy naukowej finansowanej ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2008-2011 (projekt badawczy nr N312 197635). 99

Monika Janowicz, Iwona Sitkiewicz, Dariusz Piotrowski, Andrzej Lenart, Maria Hankus odmiana truskawek, wielkość owoców oraz sposób wstępnego przygotowania na ich właściwości mechaniczne po procesie suszenia próżniowego. Analizowano również wpływ temperatury oraz ciśnienia na badane właściwości suszonych próżniowo truskawek. Metodyka pracy Surowcem do badań były mrożone truskawki odmiany Pandora i Bounty, w postaci całych kalibrowanych owoców o średnicach 24 ±1 mm i 27 ±1 mm, przechowywane w temperaturze około -18 C. Owoce zamrożone poddawano przed suszeniem próżniowym procesowi rozmrażania (M/R) w warunkach konwekcji naturalnej (temperatura otoczenia 20-23 C) przez około 3h i układano na siatce suszarki (obciążenie sita 2,2-2,4 kg m -2 ). Suszenie przeprowadzono w laboratoryjnej próżniowej suszarce komorowej, w temperaturze (T) 50 i 70 C, oraz przy ciśnieniu (P) w komorze suszarki 4 i 16 kpa. Jednocześnie wyznaczono wartości współczynnika dyfuzji wody dla suszenia próżniowego truskawek [Jayaraman i in. 2006; Srikiatden i Roberts 2006; Janowicz 2008], korzystając z rozwiązania II prawa Ficka. Przy określonych warunkach brzegowych i przy założeniu niezmiennego kształtu w czasie rozwiązaniem równania jest zależność (1), na podstawie której przy wykorzystaniu danych doświadczalnych wyznaczano współczynnik dyfuzji (a m ). 100 U u u u u 6 = 2 π exp π 1 D d 2 τ = τ r 2 (1) red 2 o r gdzie: U red zredukowana zawartość wody, d średnica [m], D współczynnik dyfuzji wody [m 2 s -1 ], u zawartość wody (r równowagowa, o zerowa, τ po czasie τ) [gh 2 O (g s.s.) -1 ] Zmiany mikro- i makrostruktury truskawek suszonych przedstawiono na fotografiach. Zdjęcia makro wykonano za pomocą zestawu do analizy komputerowej obrazu. Dokumentację zmian mikrostruktury sporządzono we współpracy z Pracownią Mikroskopii Elektronowej Centrum Analitycznego SGGW przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego FEI QUANTA 200 z mikroanalizatorem typu EDS i cyfrowym zapisem obrazu. Opracowanie graficzne oraz pomiary parametrów morfologicznych badanych truskawek wykonano w programie MultiScan v. 14.02 firmy Computer Scaning System. Matematyczne i statystyczne opracowanie wyników wykonano przy pomocy programów komputerowych Excel 2003 dla Windows XP, Statistica 8 oraz Table Curve 2D. Za pomocą analizy komputerowej obrazu określano dla suszonych owoców truskawek właściwości geometryczne takie jak: średnica sitowa końcowa, rzeczywiste pole powierzchni przekroju (A), obwód rzeczywisty (O). Na podstawie przeprowadzonych pomia-

Kinetyka suszenia... rów wyznaczono współczynnik kolistości C, wypukłość C o (określającą stan powierzchni, czyli jej nieregularność) oraz wydłużenie E, będące wskaźnikiem stosunku szerokości do długości badanego obiektu [Arcichowski 2006]. Właściwości mechaniczne określono na podstawie testu jednoosiowego ściskania wykonanego za pomocą teksturometru TA.XT 2i firmy Stable Micro Systems. Zastosowano szybkość ściskania 0,3 mm/s. Całe owoce odkształcano do osiągnięcia, obliczonego na podstawie średniej wysokości badanych suszonych owoców, odkształcenia 25%. Dane zapisywano z częstotliwością 25 Hz. Oznaczenia wykonano w dziesięciu powtórzeniach. Przeanalizowano i porównano przebieg krzywych ściskania otrzymanych suszy. Analizę statystyczną wykonano na bazie analizy wariancji na podstawie tablicy sumarycznej ANOVA w programie Statistica 8.0. W celu dokonania analizy porównawczej otrzymanych wyników badań i ich wzajemnych relacji przeprowadzono test NIR (Najmniejszej Istotnej Różnicy). Test ten jest równoważny testowi T dla prób niezależnych lub zależnych, opartemu na liczebności n odpowiednich komórek planu wymaganych w porównaniach. Po wybraniu tej opcji otrzymany arkusz wyników przedstawiano jako macierz wartości poziomu istotności p dla odpowiednich par średnich. Wnioskowanie statystyczne przeprowadzono przy poziomie istotności równym 0,05 [Stanisz 2007]. Omówienie wyników badań Na rysunku 1 przedstawiono krzywe suszenia próżniowego truskawek odmiany Pandora i Bounty w temperaturze 70 o C pod ciśnieniem 16 i 4 kpa z uwzględnieniem wielkości owoców poddanych procesowi. Oznaczenia na wykresie są zgodne z oznaczeniami w tabeli 1. 9 8 7 Zawartość wody [H2O(g s.s.) -1 ] 6 5 4 3 2 1 2 3 4 1 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Czas [min] Rys. 1. Fig. 1. Wpływ odmiany, wielkości owoców oraz ciśnienia suszenia na przebieg suszenia próżniowego truskawek Pandora i Bounty (oznaczenia w tabeli 1) The impact of the variety, size of fruit as well as drying pressure on the vacuum drying process of vacuum drying of Pandora and Bounty strawberries (denotations in table no. 1) 101

Monika Janowicz, Iwona Sitkiewicz, Dariusz Piotrowski, Andrzej Lenart, Maria Hankus Tabela. 1. Parametry morfologiczne suszonych próżniowo mrożonych truskawek [Janowicz i in. 2011] Table 1. Morphological parameters of vacuum dried frozen strawberries [Janowicz i in. 2011] Oznaczenie Odmiana truskawek Obróbka przed suszeniem T [ o C] P [kpa] Współczynnik dyfuzji D [m 2 s -1 ] Średnica sitowa początkowa, mm Średnica sitowa końcowa mm Wpływ odmiany truskawek 1 Pandora M/R 70 16 9,367. 10-10 27±1 15,7±0,3 0,66±0,02 0,825±0,003 0,349±0,020 Kolistość C Wypukłość Co Wydłużenie E 2 Bounty M/R 70 16 9,855. 10-10 27±1 18,4±0,6 0,68±0,10 0,810±0,014 0,167±0,070 3 Pandora M/R 70 4 1,208. 10-9 24±1 16,5±0,3 0,70±0,04 0,821±0,026 0,341±0,002 4 Bounty M/R 70 4 1,305. 10-9 24±1 18,5±0,3 0,77±0,04 0,861±0,014 0,237±0,001 Wpływ sposobu przygotowania truskawek 5 Pandora brak 70 4 5,091. 10-10 24±1 14,6±0,24 0,60±0,02 0,863±0,033 0,420±0,028 3 Pandora M/R 70 4 9,367. 10-10 24±1 16,5±0,3 0,70±0,04 0,821±0,026 0,341±0,002 Wpływ temperatury i ciśnienia suszenia 6 Pandora brak 50 16 6,578. 10-10 24±1 16,9±1,7 0,70±0,12 0,857±0,084 0,368±0,022 7 Pandora brak 70 16 4,358. 10-10 24±1 15,3±0,4 0,70±0,07 0,930±0,041 0,338±0,030 5 Pandora brak 70 4 5,091. 10-10 24±1 14,6±0,24 0,60±0,02 0,863±0,033 0,420±0,028 Przeprowadzona analiza statystyczna otrzymanych wyników wykazała istotny wpływ odmiany truskawek na przebieg suszenia próżniowego (zmiany zawartości wody w truskawkach w czasie suszenia) w przypadku owoców o średnicy 27±1 mm, a dla owoców mniejszych nie stwierdzono tej zależności. Jednocześnie wykazano istotny wpływ ciśnienia stosowanego podczas suszenia na jego przebieg, niezależnie od odmiany truskawek i ich wielkości. Zaobserwowano również, że dla truskawek o średnicy 24±1 mm, niezależnie od odmiany, współczynniki dyfuzji przyjmują wartości istotnie wyższe, co wynika zarówno z wymiarów surowca jak i z zastosowanych wartości ciśnienia podczas suszenia (tab. 1). Wykazano istotny wpływ sposobu przygotowania surowca oraz parametrów suszenia próżniowego na jego przebieg (rys. 2). Wykazany wpływ właściwości surowca jak i ciśnienia w suszeniu próżniowym wynika ze zmian struktury truskawek jak i stopnia usunięcia powietrza z wnętrza owoców. Również we wcześniejszych badaniach Reppa i in. [1999], Delgado i Rubiolo [2005], Mandala i in. [2005], Riva i in. [2005], Contreras i in. [2007] oraz Deng i Zhao [2008] wskazali na znaczenie struktury owoców w kształtowaniu zmian zawartości wody w czasie suszenia. Stwierdzono, istotny wpływ odmiany truskawek na wartości wyznaczonych parametrów morfologicznych (tab.1) i przebieg krzywych ściskania owoców (rys. 3). Owoce truskawek odmiany Bounty suszone w temperaturze 70 o C, niezależnie od początkowej 102

Kinetyka suszenia... 12 10 Zawartość wody [H2O(g s.s.) -1 ] 8 6 4 3 5 6 7 2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Czas [min] Rys. 2. Fig. 2. Wpływ sposobu przygotowania surowca oraz temperatury i ciśnienia suszenia na przebieg suszenia próżniowego truskawek odmiany Pandora (oznaczenia w tabeli 1) The impact of the preparation method of the raw material as well as temperature and drying pressure on the course of the process of vacuum drying of Pandora strawberries 60 60 50 50 A 40 40 Siła [N] Siła [N] 30 30 B 20 20 10 10 0 0 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Odkształcenie względne Rys. 3. Fig. 3. Krzywe ściskania oraz przekrój i struktura wewnętrzna suszonych próżniowo truskawek: A Bounty, B Pandora Compression curves as well as the cross-section and the inner structure of vacuum dried strawberries: A Bounty, B Pandora 103

Monika Janowicz, Iwona Sitkiewicz, Dariusz Piotrowski, Andrzej Lenart, Maria Hankus wielkości surowca, charakteryzują się większą wartością średnicy sitowej końcowej w porównaniu do owoców odmiany Pandora. Znacznie wyższa wartość współczynnika wypukłości C o dla odmiany Bounty świadczy o mniej pofałdowanej strukturze powierzchni truskawek tej odmiany niż odmiany Pandora. Wartość współczynnika C o dla obiektów o gładkiej powierzchni wynosi 1. Odmiana Bounty charakteryzuje się również wyższymi, w porównaniu do Pandory, wartościami współczynnika kolistości C suszonych owoców i niższymi wartościami współczynnika wydłużenia E (tab. 1), co wskazuje, że badane próbki w rozumieniu rzutu na płaszczyznę charakteryzują się kształtem zbliżonym do idealnego - koło. Zarejestrowane krzywe ściskania suszonych truskawek wykazują, w przypadku odmiany Bounty dużą ilość pików, co świadczy o kruchości suszonych owoców tej odmiany. Zaobserwowano rozpadanie się owoców podczas ściskania. Owoce odmiany Pandora po suszeniu były mniej twarde i mniej kruche. Jednocześnie dla truskawek odmiany Bounty wartość maksymalnej siły ściskającej F max była prawie dwukrotnie wyższa w porównaniu do odmiany Pandora (rys. 3). Istotny wpływ na strukturę otrzymanych suszy z truskawek, niezależnie od odmiany, ma proces wstępnego mrożenia przed suszeniem próżniowym. Wykazano, że wstępne mrożenie truskawek powoduje zmniejszenie średnicy sitowej końcowej, co pociąga za sobą również zmiany pola powierzchni przekroju i dalej kolejno również istotne zmiany współczynników kolistości (C), wypukłości (C o ) i wydłużenia (E), co jest szczególnie widoczne dla odmiany truskawek Pandora (tab.1). Stwierdzono istotny wpływ temperatury procesu suszenia na wartość średnicy sitowej końcowej oraz wartość współczynnika wypukłości w przypadku truskawek odmiany Pandora. Podwyższenie, przy stałej wartości ciśnienia, temperatury procesu suszenia z 50 do 70 o C, spowodowało obniżenie wartości średnicy sitowej końcowej otrzymanych suszy z truskawek oraz podwyższenie wartości współczynnika kolistości C o, co świadczy o bardziej gładkim, regularnym kształcie suszonych owoców (tab. 1). Podsumowanie Wykazano istotny wpływ wielkości początkowej owoców i odmiany na przebieg suszenia próżniowego truskawek. W przypadku owoców drobnych (24±1 mm) odmiana owoców nie wpływa na szybkość suszenia próżniowego (zmianę warunków usuwania wody) owoców z tkanki w wyniku suszenia próżniowego. Jednocześnie zastosowane parametry procesu, jak temperatura w zakresie 50-70 o C i ciśnienie w zakresie 4-16 kpa, istotnie zmieniają przebieg krzywych suszenia oraz wartości współczynników dyfuzji. Susze otrzymane z truskawek mrożonych odmiany Bounty charakteryzują się dobrymi cechami morfologicznymi niezależnie od zastosowanych parametrów suszenia próżniowego. Wykorzystanie w badaniach wstępnie mrożonych truskawek odmiany Pandora oraz zastosowanie procesu suszenia próżniowego w niższej temperaturze przy wyższym ciśnieniu, lub w wyższej temperaturze przy niższym ciśnieniu, wpływa korzystnie na omawiane parametry geometryczne otrzymanych suszy. Przeprowadzona analiza wpływu odmiany, sposobu wstępnego przygotowania oraz parametrów suszenia próżniowego wykazała występowanie niewielkich różnic we właściwo- 104

Kinetyka suszenia... ściach mechanicznych truskawek suszonych próżniowo. Suszenie próżniowe mrożonych truskawek odmiany Bounty, w porównaniu do truskawek odmiany Pandora, prowadzi do otrzymania suszy bardziej kruchych i twardych, chociaż różnice w wartościach wskaźników charakteryzujących właściwości mechaniczne suszy są niewielkie. Bibliografia Arcichowski P. 2006. Pomiar kształtu i wielkości cząstek: automatyczna analiza obrazu, LAB Laboratoria, Aparatura, Badania. Nr 11 (4). s. 12-16. Contreras C., Martín-Esparza M.E., Martínez-Navarrete N., Chiralt A. 2007. Influence of osmotic pre-treatment and microwave application on properties of air dried strawberry related to structural changes. European Food Research and Technology. 224(4). s. 499-504 Delgado A.E., Rubiolo A.C. 2005. Microstructural changes in strawberry after freezing and thawing processes. LWT - Food Science and Technology. 25 (2). s. 135-142. Deng Y., Zhao Y., 2008. Effects of pulsed-vacuum and ultrasound on the osmodehydration kinetics and microstructure of apples (Fuji). Journal of Food Engineering. 85 (1), s. 84-93. Janowicz M. 2008. Dyfuzyjność suszonej tkanki jabłek wstępnie modyfikowanej w procesie odwadniania w zmiennych warunkach ciśnienia. Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywczego. 1. s. 34-38. Janowicz M., Piotrowski D., Ciurzyńska A., Sitkiewicz I., Pomarańska-Łazuka W, Lenart A. 2011. Właściwości geometryczne suszonych próżniowo mrożonych truskawek odmiany Bounty i Pandora. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych. 563. s. 83-90. Jayaraman K.S., Das Gupta D.K. 2006. Drying of Fruit and Vegetables. Handbook of Industrial Drying, Part 3. eds. Mujumdar A.S., Dekker M. New York. s. 606-631. Mandala I.G., Anagnostaras E.F., Oikonomou C.K. 2005. Influence of osmotic dehydration conditions on apple air-drying kinetics and their quality characteristics. Journal of Food Engineering. 69(3). s. 307 316. Reppa, A., Mandala, J., Kostaropoulos, A. E., & Saravacos, G. D. 1999. Influence of solute temperature and concentration on the combined osmotic and air drying. Drying Technology. 17. s. 1449 1458 Riva M., Stefano Campolongo S., Avitabile Leva A., Maestrelli A., Torreggiani D 2005. Structure property relationships in osmo-air-dehydrated apricot cubes. Food Research International. 38. s. 533 542 Srikiatden J., Roberts J.S. 2005. Measuring moisture diffusion of potato and carrot (core and cortex) during convection hot air and isothermal drying. Journal of Food Engineering. 74(1). s. 143-152. Stanisz A. 2007. Przystępny kurs statystyki z zastosowaniem STATISTICA PL na przykładach z medycyny. Tom 2. Modele liniowe i nieliniowe. StatSoft Sp. z o.o. Kraków. Suutairnen J., Heiska K., Moss P., Autio K. 2000 a. The Effect of Calcium Chloride and Sucrose Prefreezing Treatments on the Structure of Strawberry Tissue. LWT - Food Science and Technology. 33. s. 89-102. Suutairnen J., Honkapää K., Heiniö R-L., Autio K., Mokkila M. 2000 b. The Effect of Different Prefreezing Treatments on the Structure of Strawberries Before and After Jam Making. LWT - Food Science and Technology. 33. s. 188-201. Wojdyło A., Figiel A., Oszmiański J. 2009. Effect of Drying Methods with the Application of Vacuum Microwaves on the Bioactive Compounds, Color, and Antioxidant Activity of Strawberry Fruits. Journal Agricultural and Food Chemistry. 57 (4). s. 1337-1343. 105

Monika Janowicz, Iwona Sitkiewicz, Dariusz Piotrowski, Andrzej Lenart, Maria Hankus DRYING KINETICS, MORPHOLOGICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF VACUUM DRIED STRAWBERRIES Abstract. The purpose of the survey was to analyse the influence of strawberries variety, size of fruit as well as the method of initial preparation and the parameters of the process on the drying kinetics, as well as morphological and mechanical properties of vacuum dried strawberries. The essential influence of the size of fruit and their variety as well as drying parameters (pressure and temperature) on drying curve forms and the values of water diffusion coefficients during the process of drying with no influence of these parameters on the mechanical properties of the obtained dried fruit was determined. Key words: vacuum drying, strawberries, structure, mechanical properties Adres do korespondencji: Monika Janowicz; e-mail: monika_janowicz@sggw.pl Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie ul. Nowoursynowska 159C 02-776 Warszawa 106