Krzysztof Kornarzyski

Acta Sci. Pol., Technica Agraria 3(1-2) 24, 39-48 PRÓBA OCENY PROCESU BLANSZOWANIA I ZAMRAANIA PRÓNIOWEGO MATERIAŁU ROLINNEGO NA PODSTAWIE BADANIA KINETYKI ABSORPCJI WODY Krzysztof Kornarzyski Akademia Rolnicza w Lublinie Streszczenie. W pracy podjto prób oceny procesu blanszowania i zamraania próniowego materiału rolinnego pochodzcego z pietruszki na podstawie pomiaru kinetyki absorpcji wody metod wagowo-wyporow. Badania zostały przeprowadzone na próbkach poddanych procesowi blanszowania, blanszowanych, a nastpnie zamraanych próniowo oraz nieblanszowanych. Blanszowanie przeprowadzono w gorcej wodzie o temperaturze 95 C w czasie 3 s, 3 min i 15 min. Do zamraania próniowego wykorzystano komor, w której znajdował si materiał rolinny, odpompowywan za pomoc pompy próniowej. W czasie zamraania próniowego rejestrowano zmian masy i temperatury badanego materiału. Uzyskane wyniki pomiarów wiadcz o tym, e czas blanszowania ma istotny wpływ na przebieg charakterystyk kinetyki absorpcji wody przez badany materiał rolinny. Słowa kluczowe: kinetyka absorpcji wody, blanszowanie, zamraanie próniowe WSTP Technologia ywnoci obejmuje metody przetwarzania, utrwalania i przechowywania ywnoci, do których naley blanszowanie i zamraanie materiału rolinnego. Blanszowanie jest procesem termicznym, polegajcym na poddaniu surowych produktów rolinnych i zwierzcych krótkotrwałemu działaniu gorcej wody, pary wodnej, mikrofal lub roztworu soli kuchennej, cukru i kwasów spoywczych [Pijanowski i in. 1997, Witrowa-Rajchert 1999]. Proces ten ma na celu m.in. zablokowanie działania enzymów utleniajcych, usunicie tlenu z przestrzeni midzykomórkowej, zniszczenie drobnoustrojów i wywołanie podanych cech organoleptycznych. Negatywnym efektem blanszowania s ubytki suchej substancji, wypłukiwanej z materiału oraz zmiany struktury tkanki rolinnej [Abu-Ghannam 1998, Alvarez i in. 1995, Del Valle i in. 1999, Adres do korespondencji Corresponding Author: Krzysztof Kornarzyski, Katedra Fizyki Akademii Rolniczej w Lublinie, ul. Akademicka 13, Lublin, tel. 445-69-9, 445-65-85

4 K. Kornarzyski Stolle-Smits i in. 1998, Varnalis i in. 2]. Blanszowanie jest bardzo czsto stosowane jako obróbka poprzedzajca proces zamraania materiałów rolinnych [Pijanowski i in. 1997]. Zamraanie próniowe materiału rolinnego o duej wilgotnoci jest uzyskiwane poprzez gwałtowne obnienie cinienia w komorze zawierajcej próbk, dziki czemu parujca woda odbiera ciepło od materiału, powodujc jego zamroenie. Zwizany jest z tym ubytek czci masy (w postaci wody) [McDonald i in. 2, Brosnan i in. 21, Grass i in. 22] oraz, podobnie jak w przypadku blanszowania, zmiany struktury tkanki rolinnej zamraanego materiału [McDonald i in. 21]. Badanie kinetyki absorpcji wody przez materiał rolinny zwykle dotyczy nasion ro- lin uprawnych i przemysłowych [Bhattacharya i in. 1997, Verm i in. 1999, Tryka 21, Maskan 21] oraz suszu pochodzcego z warzyw i owoców [Witrowa-Rajchert 1999]. Pomiary prowadzone przez tych autorów polegały na wyjmowaniu materiału z wody, osuszeniu go bibuł, a nastpnie waeniu na wadze, gdzie zmiana masy w czasie okre- lała kinetyk absorpcji wody. Nie wykonano jak dotychczas oceny procesu blanszowania i zamraania próniowego na podstawie pomiaru kinetyki absorpcji wody przez materiał rolinny o duej wilgotnoci, pochodzcy z warzyw lub owoców. Celem przeprowadzonych bada była próba oceny procesu blanszowania i zamraania próniowego materiału rolinnego pochodzcego z pietruszki na podstawie pomiaru kinetyki absorpcji wody metod wagowo-wyporow. Zmiany zachodzce podczas blanszowania i zamraania próniowego, zmieniajce właciwoci materiału rolinnego, mog mie wpływ na kinetyk absorpcji wody przez taki materiał. Znalezienie zwizku pomidzy przebiegiem charakterystyk kinetyki absorpcji wody a warunkami blanszowania i zamraania próniowego moe umoliwi badanie i ocen tych procesów. MATERIAŁ I METODY Do bada wykorzystano materiał rolinny pochodzcy z pietruszki odm. Eagle, o wilgotnoci pocztkowej W = 3,4 kg wody/kg s.s. Próbki zostały przygotowane w postaci kostek szeciennych o boku 1 mm, masie pocztkowej 4 g, umieszczonych w metalowych koszykach. Pomiar kinetyki absorpcji przeprowadzono dla próbek, które wczeniej zostały poddane procesowi blanszowania, zamraania próniowego poprzedzonego blanszowaniem, wieych oraz nieblanszowanych zamraanych próniowo. Po blanszowaniu i zamraaniu próniowym próbki umieszczane były w szczelnych pojemnikach, a do osignicia temperatury pokojowej, a nastpnie przenoszone do zbiornika pomiarowego z wod destylowan. Pomiary kinetyki absorpcji wody wykonywano dla R H =,8, gdzie R H jest współczynnikiem uwodnienia badanego materiału, wyraajcym stosunek masy materiału do masy wody w zbiorniku pomiarowym. Wykonano równie pomiary charakteryzujce proces zamraania próniowego badanego materiału zmiany masy i temperatury w czasie tego procesu oraz wyznaczono wyciek rozmraalniczy. Blanszowanie przeprowadzono w termostatowanym pojemniku o objtoci 2 litrów w wodzie o temp. 95 C, dla czasu 3 s, 3 min i 15 min, dla trzech powtórze kadej próbki. Masy próbek wyznaczono za pomoc wagi WPS 6/C z dokładnoci ±,1 g. Acta Sci. Pol.

Próba oceny procesu blanszowania i zamraania próniowego materiału rolinnego... 41 1 2 3 4 5 6 7 METEX GENERATOR W. CZ. 8 9 1 11 12 13 14 Rys. 1. Schemat układu do zamraania próniowego: 1 próniomierz membranowy, 2 zbiornik próniowy, 3 i 6 zawory odcinajce, 4 zawór zapowietrzajcy, 5 miernik, 7 połczenie z komputerem, 8 koszyk z materiałem rolinnym, 9 rami dwigni, 1 prt podtrzymujcy, 11 cewka, 12 ruchomy rdze, 13 generator w. cz., 14 pompa próniowa Fig. 1. Scheme of the experimental stand to vacuum freezing: 1 diaphragm vacuum gauge, 2 vacuum vessel, 3 and 6 cut off valves, 4 infect valve, 5 measurer, 7 output to computer registered data, 8 basket with a investigated material, 9 lever arm, 1 support rod, 11 coil, 12 movable core, 13 generator HF, 14 rotary vacuum pump Do zamraania próniowego wykorzystywano układ pomiarowy, którego schemat przedstawia rysunek 1. Układ ten umoliwiał równie rejestracj zmiany masy materiału w trakcie zamraania oraz pomiar temperatury (gdy nie była mierzona zmiana masy). Materiał umieszczony w zbiorniku próniowym odpompowywany był przez pomp próniow BLP 6, cinienie w zbiorniku mierzył próniomierz membranowy. Zmiana masy materiału w trakcie zamraania mierzona była przez czujnik indukcyjny konstrukcji własnej, składajcy si z ruchomej dwigni dwustronnej, na kocach której zawieszony był badany materiał i rdze ferromagnetyczny umieszczony wewntrz cewki podłczonej do generatora w.cz. Zmiana masy materiału rolinnego powodowała przesuwanie si rdzenia wewntrz cewki i zmian indukcyjnoci układu. Pomiar zmiany natenia prdu elektrycznego przez miernik, który dla prostoliniowego zakresu pracy układu był proporcjonalny do zmiany masy materiału rolinnego, rejestrował komputer. Do pomiarów wykorzystano miernik METEX M 3859D, który umoliwiał równie pomiar temperatury próbki z dokładnoci do ±1 K, a po podłczeniu do komputera rejestracj danych przez komputer. Cinienie kocowe w zbiorniku próniowym zawierajcym próbk, wynoszce ok. 1 2 mm Hg, było uzyskiwane przez układ po czasie ok. 15 2 s. Metoda wagowo-wyporowa wykorzystywana w pracy, opiera si na metodzie wyznaczania gstoci ciał stałych i cieczy, która jest stosowana dla materiałów niepobierajcych wody w trakcie pomiaru [Szydłowski 1975]. Siła wypadkowa F wyp działajca na ciało zanurzone w cieczy wyraa si wzorem (prawo Archimedesa): Technica Agraria 3(1-2) 24

42 K. Kornarzyski F wyp = F g F w = m m g V m ρ c g (1) gdzie: F g siła cikoci, F w siła wyporu, m m masa materiału, g przyspieszenie ziemskie, V m objto materiału, ρ c gsto cieczy. W przypadku materiału porowatego, jakim jest materiał rolinny pczniejcy i pobierajcy wod, naley pamita o tym, e jego masa i objto bd ulegały zmianie. Pobieranie wody powodowało bdzie wzrost masy (ciaru), natomiast przyrost objto- ci wzrost siły wyporu [Kornarzyski i in. 2, Kornarzyski i in. 21, Kornarzyski i in. 22]. Równoczenie zachodzi proces wypłukiwania substancji rozpuszczalnych w wodzie (suchej substancji), co powoduje spadek masy materiału i zmian gsto- ci roztworu w zbiorniku pomiarowym, prowadzcy do wzrostu siły wyporu. W takiej sytuacji zmiana siły wypadkowej F wyp jest wyraona przez zaleno: F wyp = (m m pocz m ub)g (V m pocz + V m )(ρ w + ρ ub)g (2) gdzie: m m pocz masa pocztkowa materiału w czasie t =, m ub zmiana masy materiału na skutek ubytków, czyli wypłukiwania substancji rozpuszczalnych w wodzie z materiału rolinnego, V m pocz objto pocztkowa materiału, V m zmiana (przyrost) objtoci materiału, ρ w gsto wody, ρ ub zmiana (wzrost) gstoci cieczy, spowodowana wzrostem zawartoci substancji wypłukiwanych z materiału rolinnego. 4 1 5 2 6 7 F wyp F w 3 Rys. 2. Schemat układu pomiarowego absorpcji wody metod wagowo-wyporow: 1 waga elektroniczna, 2 zbiornik główny termostatowany, 3 układ do regulacji temperatury (regulator RE6A21, z termometrem PT-1), 4 wyjcie na komputer, 5 linka łczca, 6 termometr (dokł. ±,1 K), 7 badany materiał (nasiona, susz) Fig. 2. Scheme of the experimental stand to measure water absorption by using of weighingdisplacement method: 1 electronic balance, 2 - main container (thermostatic control), 3 arrangement to temperature regulation, 4 output to computer registered data, 5 joint line, 6 thermometer (acc. ±,1 K), 7 investigated material (grain, dried vegetable) F g Acta Sci. Pol.

Próba oceny procesu blanszowania i zamraania próniowego materiału rolinnego... 43 Schemat układu pomiarowego przedstawia rysunek 2. Badany materiał, umieszczony w koszyku i zanurzony w wypełnionym wod destylowan zbiorniku głównym, zmieniał swoj mas, co rejestrowała waga elektroniczna, jako zmian siły wypadkowej F wyp. Koszyk z próbk został zawieszony na lince, która przechodziła przez otwór o rednicy φ = 1 mm w pokrywie zbiornika głównego, połczonej z wag, co zapewniło ograniczenie parowania wody ze zbiornika. Termostatowanie i regulacj temperatury pracy układu pomiarowego, z dokładnoci do 1 C, umoliwiał regulator RE6A21 współpracujcy z termometrem Pt-1. WYNIKI Proces zamraania próniowego próbek, przeprowadzony przed pomiarem kinetyki absorpcji wody, charakteryzuj rysunki 3 i 4 oraz tabela 1. Na rysunku 3 przedstawiono zmian masy materiału podczas zamraania próniowego dla materiału nieblanszowanego i blanszowanego, dla rónych czasów blanszowania. Dla czasu t = (pocztek wykresu) podana została kocowa warto ubytku masy materiału po czasie t = 6 min. Rysunek 4 przedstawia zmian temperatury materiału w czasie zamraania próniowego, tabela 1 wybrane parametry charakteryzujce ten proces. 2 18 15 min / 95 C Zmiana masy Change of mass, % 16 14 12 1 8 6 4 2 nieblansz 3 min / 95 C 3 s / 95 C nieblansz 3 s / 95 C 3 min / 95 C 15 min / 95 C -2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 Czas Time, min Rys. 3. Zmiana masy pietruszki podczas zamraania próniowego Fig. 3. Change of mass during vacuum freezing of parsley Wyciek rozmraalniczy wyznaczono dla materiału, który po zamraaniu próniowym umieszczony został w szczelnych pojemnikach na piciu suchych bibułach filtracyjnych, o znanych masach pocztkowych. Materiał rozmraał si przez ok. 5 h, a nastpnie bibuły zostały ponownie zwaone. Technica Agraria 3(1-2) 24

44 K. Kornarzyski Temperatura Temperature, C 3 25 2 15 1 5-5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11-1 3 s / 95 C -15-2 -25 nieblansz 3 s / 95 C 3 min /95 C 15 min / 95 C 15 min / 95 C 3 min / 95 C Czas Time, min Rys. 4. Zmiana temperatury pietruszki podczas zamraania próniowego Fig. 4. Change of temperature during vacuum freezing of parsley nieblansz 4 2 nieblansz 3 s / 95 C Siła wypadkowa Resultant force, mn -2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5-4 15 min / 95 C -6-8 3 min / 95 C -1-12 -14-16 -18 Czas Time, h Rys. 5. Kinetyka absorpcji wody przez pietruszk blanszowan i nieblanszowan, przy wykorzystaniu metody wagowo-wyporowej Fig. 5. Kinetics of water absorption by parsley of blanching and no blanching measured by weighing-displacement method Acta Sci. Pol.

Próba oceny procesu blanszowania i zamraania próniowego materiału rolinnego... 45 Siła wypadkowa Resultant force, mn 4 2 nieblansz 3 min / 95 C -2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5-4 3 s / 95 C 15 min / 95 C -6-8 -1-12 -14-16 Czas Time, h Rys. 6. Kinetyka absorpcji wody przez pietruszk zamraan próniowo przy wykorzystaniu metody wagowo-wyporowej Fig. 6. Kinetics of water absorption by parsley of vacuum freezing measured by weighingdisplacement method Tabela 1. Wybrane parametry zamraania próniowego badanego materiału Table 1. Select parameters of vacuum freezing investigated material Temperatura kocowa, C Final temperature Ubytek masy, % Loss of mass Wyciek zamraalniczy, % Outflow freezing Nieblanszowany No blanching 3 s / 95 C 3 min / 95 C 15 min / 95 C - 4 ± 1-15 ± 1-2 ± 1-23 ± 1 15,6 ±,3 16, ±,28 16,6 ±,35 18, ±,32 3,43 ±,22 3,74 ±,25 4,55 ±,26 12,38 ±,21 Tabela 2. Punkty zagicia charakterystyki kinetyki absorpcji wody Table 2. Points of bend plot of kinetics of water absorption Niezamraany próniowo, h No vacuum freezing Zamraany próniowo, h Vacuum freezing Nieblanszowany No blanching 3 s / 95 C 3 min / 95 C 15 min / 95 C 1,1 ±,45 25,7 ± 1,3 3 ± 1,5 32,4 ± 1,6 3,9 ± 1,73 27,3 ± 1,42 3,2 ± 1,35 32,3 ± 1,5 Charakterystyk kinetyki absorpcji wody przez materiał nieblanszowany i poddany blanszowaniu przedstawia rysunek 3, podczas gdy rysunek 4 prezentuje kinetyk absorpcji wody przez materiał blanszowany i nieblanszowany zamraany próniowo. Pomiary wykonane zostały dla czasu zamraania wynoszcego 6 min. Technica Agraria 3(1-2) 24

46 K. Kornarzyski DYSKUSJA Przebieg charakterystyki zmiany temperatury zamraanej próbki, uzyskany przed pomiarem kinetyki absorpcji wody, pokazuje, e po upływie 7 8 min próbka osiga swoj temperatur kocow (rys. 4), a stabilizacja zmiany masy (rys. 3) nie nastpuje nawet po godzinie zamraania próniowego. Powodem tego jest sublimacja wody z materiału rolinnego, zachodzca w warunkach stałej temperatury i cinienia. Osignicie temperatury kocowej przez próbk jest zwizane z ubytkiem masy na poziomie 6 1%, który zaley od czasu blanszowania i jest najwikszy dla czasu 15 min, a najmniejszy dla próbki nieblanszowanej. Dłuszy czas blanszowania materiału rolinnego przyspiesza proces zamraania próniowego i umoliwia uzyskanie niszej temperatury kocowej. Wyciek rozmraalniczy, najwikszy dla czasu blanszowania 15 min, wiadczy o du- ych uszkodzeniach struktury tkanki rolinnej, z której wypływa wicej wody w trakcie odmraania. Analizujc przebieg kinetyki absorpcji wody, mona stwierdzi, e materiał nieblanszowany (zamraany i niezamraany próniowo) w pocztkowej fazie procesu zwiksza swoj mas. Jednake po krótkim czasie jego masa gwałtownie spada (rys. 5 i 6), co wiadczy o szybkim wypłukiwaniem z materialu substancji rozpuszczalnych w wodzie. W przypadku próbek blanszowanych i zamraanych próniowo pocztkowa faza kinetyki absorpcji wody charakteryzuje si du stabilnoci dla wszystkich czasów blanszowania, co oznacza, e zmiany masy i objtoci s niewielkie. Po upływie okrelonego czasu nastpuje gwałtowny spadek siły wypadkowej działajcej na próbk umieszczon w wodzie, wiadczcy o zmianie właciwoci badanego materiału (tab. 2). Jedynym wyjanieniem tego zjawiska jest załamanie struktury tkanki rolinnej i uszkodzenie błon komórkowych, skutkiem czego nastpuje szybkie wypłukiwanie zwizków rozpuszczalnych w wodzie. Punkt zagicia charakterystyki zaley od czasu blanszowania im był on dłuszy, tym czas ten był póniejszy zarówno dla próbek blanszowanych, jak i blanszowanych, a potem zamraanych próniowo (rys. 5 i 6). Mona równie stwierdzi, e czasy zagicia charakterystyki dla próbek blanszowanych i zamraanych próniowo dla tych samych czasów blanszowania, wykazuj niewielkie rónice. Oznacza to, e zamraanie próniowe próbek poddanych blanszowaniu ma niewielki wpływ na kinetyk absorpcji wody przez badany materiał rolinny. WNIOSKI 1. Na podstawie przebiegu charakterystyk kinetyki absorpcji wody przez materiał blanszowany i nieblanszowany, moemy stwierdzi, e blanszowanie powoduje mniejsze wypłukiwanie suchej substancji z badanego materiału rolinnego. 2. Punkty zagicia charakterystyki kinetyki absorpcji wody zale jedynie od czasu blanszowania, co oznacza, e zamraanie próniowe poprzedzone blanszowaniem ma niewielki wpływ na przebieg absorpcji wody przez badany materiał rolinny. 3. Uzyskane wyniki pozwalaj na stwierdzenie, e zastosowana w badaniach metoda wagowo-wyporowa pomiaru kinetyki absorpcji wody przez materiały rolinne poddane Acta Sci. Pol.

Próba oceny procesu blanszowania i zamraania próniowego materiału rolinnego... 47 procesowi blanszowania i zamraania próniowego umoliwia ocen tych procesów na podstawie przebiegu charakterystyk absorpcji wody. PIMIENNICTWO Abu-Ghannam N., 1998. Modeling Textural Changes During the Hydration Process of Red Beans. J. Food Eng. 38, 341 352. Alvarez C. A., Aguerre R., Gómez R., Vidales S., Alzamora S. M., Gerschenson L. N., 1995. Air Dehydration of Strawberries: Effects of Blanching and Osmotic Pretreatments on the Kinetics of Moisture Transport. J. Food Eng. 25, 167 178. Bhattacharya S., Bal S., Mukherjee R. K., 1997. Kinetics of Tamarind Seed Hydration. J. Food Eng. 33, 129 138. Brosnan T., Da-Wen Sun., 21. Compensation for Water Loss in Vacuum-Precooled Cut Lily Flowers. J. Agric. Eng. Res. 79 (3), 299 35. Del Valle J. M., Aranguiz V., Leon H., 1999. Effect of blanching and calcium infiltration on PPO activity, texture, microstructure and kinetics of osmotic dehydration of apple tissue. Food Research International 31, 8, 557 569. Gras M., Vidal-Brotons D., Betoret N., Chiralt A., Fito P., 22. The response of some vegetables to vacuum impregnation. Innovative Food Science & Emerging Technologies 3, 263 269. Kornarzyski K., Pietruszewski S., 2. Metody pobierania wody przez nasiona rolin uprawnych. In. Roln. 4 (15), 87 94. Kornarzyski K., Pietruszewski S., Łacek R., 21. Metoda wagowo-wyporowa pomiaru szybko- ci pobierania wody przez nasiona rolin uprawnych. In. Roln. 2 (22), 137 142. Kornarzyski K., Pietruszewski S., Łacek R., 22. Measurement of the water absorption rate in wheat grain. Int. Agrophysics 16, 33 36. Maskan M., 21. Effect of maturation and processing on water uptake characteristic of wheat. J. Food Eng. 47, 51 57. McDonald K., Da-Wen Sun., 2. The formation of pores their effects in a cooked beef product on the efficiency of vacuum cooling. J. Food Eng. 47, 175 183. McDonald K., Da-Wen Sun., 21. Vacuum cooling technology for the food processing industry: a review. J. Food Eng. 45, 55 65. Pijanowski E., Dłuewski M., Dłuewska A., Jarczyk A., 1997. Ogólna technologia ywnoci. PWN Warszawa, 187 189. Stolle-Smits T., Donkers J., van Dijk C., Derksen J., Sassen M. M. A., 1998. An electron microscopy study of the texture of fresh, blanched and sterilized green bean pods (Phaseouls vulgaris L.). Lebensm.-Wiss u.-technol. 31, 237 244. Szydłowski H., 1975. Pracownia fizyczna. PWN, Warszawa. Tryka S., 21. Wpływ temperatury na zaleno ultrasłabej luminescencji od szybkoci pobierania wody w okresie pcznienia ziarna pszenicy. Acta Agroph. 46, 197 214. Witrowa-Rajchert D., 1999. Rehydracja jako wskanik zmian zachodzcych w tkance rolinnej w czasie suszenia. Praca hab. SGGW, Warszawa. Varnalis A. I., Brennan J. G., MacDougall D. B., 2. A proposed mechanism of high temperature puffing of potato. Part II. Influence of blanching and initial drying on the permeability of the partially dried layer to water vapor. J. Food Eng. 48, 369 378. Verm R. C., Prasad S., 1999. Kinetics of absorption of water by maize grains. J. Food Eng. 39, 395 4. Technica Agraria 3(1-2) 24

48 K. Kornarzyski THE ESTIMATION OF BLANCHING AND VACUUM FREEZING PROCESSES OF VEGETABLE MATERIAL BASED ON OF KINETICS ABSORPTION OF WATER Abstract. This paper presents the estimation of blanching and vacuum freezing processes of vegetable material, originating from parsley, based on measurements of kinetics of water absorption with weighting-displacement method. The investigations was passed on blanching and both blanching and vacuum freezing samples. Blanching process was conducted using hot water at temperature 95 C during 3 s, 3 min i.e. 15 min. Vacuum chamber with vegetable material contain, evacuated by means vacuum pumps to vacuum freezing was used. During vacuum freezing process change of mass and temperatures of investigated material was registered. The results of measurements shows that blanching time has essential influence on kinetics of water absorption by investigated vegetable material. Key words: kinetic of water absorption, blanching, vacuum freezing Zaakceptowano do druku Accepted for print: 29.3.24 Acta Sci. Pol.