Technica Agraria 2(2) 23, 7-27 ANALIZA MIKROFALOWEGO SUSZENIA PIETRUSZKI W WARUNKACH OBNIONEGO CINIENIA. Cz I. KINETYKA SUSZENIA PIETRUSZKI NIEBLANSZOWANEJ I BLANSZOWANEJ Marian Szarycz, Eugeniusz Kamiski, Klaudiusz Jałoszyski, Anna Szponarska Streszczenie. W pracy przedstawiono przebieg krzywych suszenia pietruszki nieblanszowanej i blanszowanej. Proces suszenia prowadzono w warunkach mikrofalowopodcinieniowych. W przebiegu suszenia wyróniono dwa okresy, które opisano równaniami empirycznymi. Stwierdzono, e przy zastosowanych w badaniach przedziałach ci- nie oraz gstoci mocy mikrofal warto cinienia nie wpłynła na przebieg suszenia. Wystpuje natomiast istotna rónica w przebiegu kinetyki suszenia pietruszki nieblanszowanej i blanszowanej. Słowa kluczowe: suszenie, mikrofale, obnione cinienie, pietruszka OZNACZENIA a połowa długoci krawdzi szecianu, m - a m efektywny współczynnik dyfuzji wody, m 2 s K współczynnik suszarniczy, s - p A cinienie górne włczenie pompy, kpa p B cinienie dolne wyłczenie pompy, kpa t temperatura, C U red zredukowana zawarto wody, u zawarto wody, kg kg - u o pocztkowa zawarto wody, kg kg - u r równowagowa zawarto wody, kg kg - współczynnik kształtu, czas, s, min WSTP Warzywa s jednym z głównych składników diety człowieka. Najwiksz wartoci odywcz charakteryzuj si warzywa w stanie wieym. Sezonowo produkcji warzyw sprawia, e dostpno ich poza okresami zbiorów zwizana jest z posiadaniem
8 M. Szarycz, E. Kamiski, K. Jałoszyski, A. Szponarska odpowiedniego zaplecza przechowalniczego i przetwórczego. Niemal wszystkie znane metody konserwacji ywnoci powoduj jej przemiany, przez co otrzymuje si produkt o zmienionej jakoci w stosunku do surowca wyjciowego. Coraz powszechniejsza staje si ywno w formie trwałych koncentratów spoywczych, w skład których wchodz równie suszone warzywa. Susz otrzymywany metodami tradycyjnymi (konwekcyjn, kontaktow) charakteryzuje si stosunkowo nisk jakoci, co zwizane jest z utrat w czasie procesu cennych składników. Dotyczy to zwłaszcza witamin, które ulegaj degradacji w podwyszonej temperaturze przy kontakcie z tlenem. Metod, która pozwala na zachowanie witamin w suszu w znacznym stopniu (ok. 4%), jest suszenie sublimacyjne [Lisowa i in. 999]. Jednake ze wzgldu na wysoki koszt liofilizacji susz uzyskiwany t metod nie jest powszechnie dostpny. Jedn z metod suszenia, w której upatruje si moliwo dalszej poprawy jakoci suszu, jest suszenie mikrofalowe prowadzone w warunkach obnionego cinienia. Wynika to z nastpujcych przesłanek: nagrzewanie mikrofalowe powoduje dostarczenie ciepła do całej masy suszonych czstek w stosunkowo krótkim czasie. W zwizku z tym wewntrzny transport ciepła jest bardziej efektywny ni przy tradycyjnym suszeniu, co skraca czas suszenia [Schmidt i in. 992]; obnione cinienie powoduje wrzenie wody w temperaturach niszych ni przy ci- nieniu atmosferycznym. Efektem tego moe by uniknicie niekorzystnego efektu termicznego wpływajcego na zmiany struktury, tekstury, cech organoleptycznych, a take strat biochemicznych ywnoci, w szczególnoci witamin. Jednoczenie z analizy sprawnociowej suszenia mikrofalowego wynika, e podczas takiego suszenia sprawno moe osiga warto powyej 8% [Szarycz 999]. Warunkiem zastosowania metody mikrofalowo-podcinieniowej na skal przemysłow jest rozpoznanie zjawisk zachodzcych podczas tego procesu oraz jego skutków jakociowych. Jedn z podstawowych informacji o procesie suszenia jest przebieg jego kinetyki. Poniewa wanym warzywem wchodzcym w skład trwałych koncentratów spoywczych jest pietruszka, celem pracy jest opisanie przebiegu jej suszenia równaniami empirycznymi. MATERIAŁ I METODY Dla zrealizowania bada zaprojektowano i wykonano stanowisko badawcze przedstawione na rysunku. Przewidziano moliwo mieszania próbek w bbnie suszcym dla równomiernego nagrzewania umieszczonych w nim czstek materiału. Zasadnicz cz stanowiska jest zbiornik suszarniczy o kształcie walca wykonany ze szkła o niskim współczynniku strat dielektrycznych. W celu zapewnienia równomiernego nagrzewania próbek zastosowano układ umoliwiajcy obrót bbna suszarniczego w czasie trwania procesu suszenia. Układ ten składa si z silnika repulsyjnego i przekładni limakowej. Przekazywanie napdu na wał bbna suszcego odbywa si poprzez przekładni łacuchow. Zbiornik suszcy połczono z wałem za porednictwem głowicy umoliwiajcej przekazanie ruchu obrotowego, natomiast stabilno Acta Sci. Pol.
Analiza mikrofalowego suszenia pietruszki w warunkach obnionego cinienia. Cz I... 9 bbna zapewniaj rolki podtrzymujce, wykonane z teflonu. Zbiornik suszcy wraz z głowic umieszczono we wnce mikrofalowej, poprzez któr przepływało powietrze nagrzewane do temperatury wrzenia wody przy rednim cinieniu danego cyklu. Pole elektromagnetyczne we wnce wytwarzaj dwa magnetrony o łcznej mocy maksymalnej 2 W. Moc magnetronów sterowano amplitudowo. Rys.. Schemat stanowiska badawczego: zbiornik suszarniczy, 2 czujnik temperatury, 3 grzałki, 4 wentylator, 5 silnik elektryczny, 6 przekładnia, 7 magnetron, 8 zawór zamykajcy, 9 łcznik, układ sterowania mocy mikrofal, układ sterujcy prac pompy próniowej, 2 pompa próniowa, 3 zbiornik wyrównawczy, 4 układ sterowania temperatury, 5 miernik podcinienia, 6 układ sterowania mocy grzałek, 7 układ sterowania wentylatora, 8 komputer rejestrujcy Fig.. A scheme of experimental stand: drying chamber, 2 temperature sensor, 3 heaters, 4 fan, 5 electric motor, 6 gear, 7 magnetron, 8 cut off valve, 9 connector, control system of microwave power, control system of vacuum pump, 2 vacuum pump, 3 equalising tank, 4 temperature control system, 5 negative pressure meter, 6 power control system of heaters, 7 fan control system, 8 computer W osi wału i głowicy wykonano kanał, przez który para wodna powstajca w bbnie przedostawała si poprzez przewód łczcy do zbiornika wyrównawczego. Przewód łczcy zbiornik wyrównawczy z głowic bbna zakoczony jest łcznikiem umoliwiajcym obrót głowicy i zbiornika suszcego. W łczniku tym zainstalowany jest czujnik połczony z komputerem, rejestrujcy temperatur pary wodnej usuwanej w czasie trwania procesu. Za cinienie panujce w układzie odpowiada miernik podci- nienia wraz z układem sterujcym prac pompy próniowej. Wartoci odczytywane z miernika rejestrowane s przez komputer. Do bada uyto pietruszki korzeniowej odmiany Berliska. Materiał krojono w kostk o boku 9 mm przy uyciu wykrojnika, co zapewniało dokładno utrzymania wymiaru ±,2 mm. Tak przygotowany materiał zostały podzielony na dwie grupy: pierwsza Technica Agraria 2(2) 23
2 M. Szarycz, E. Kamiski, K. Jałoszyski, A. Szponarska suszona w stanie wieym, a druga poddana wstpnej obróbce blanszowania w wodzie o temperaturze 95 C przez 4 minuty. W instalacji suszarniczej stosowano zmienne cinienia w zakresie pomidzy cinieniem górnym p A, przy którym włczano pomp podcinieniow, a dolnym p B, przy którym pomp wyłczano. Prac pompy sterowano regulatorem. Badania suszenia przeprowadzono przy nastpujcych zakresach cinie: seria I p A =6, p B = 4 kpa, seria II p A =8, p B = 6 kpa, seria III p A =, p B = 8 kpa, seria IV p A =2, p B = kpa. Moc mikrofal ustalono na poziomie 4% mocy maksymalnej, tj. 48 W. Próbk materiału o masie ok. 6 g waono na wadze laboratoryjnej i umieszczano w zbiorniku suszcym. Zbiornik podłczano do instalacji podcinieniowej i włczano magnetrony. Kolejne dowiadczenia przerywano po, 2, 3, 6, 9, 2, 5, 8, 2 i 24 minutach. W wyjtych ze zbiornika próbkach oznaczano zawarto wody metod suszarkow, uzyskujc kolejne punkty krzywej suszenia. Dowiadczenia wykonywano w co najmniej trzech powtórzeniach. W kolejnych dowiadczeniach kadorazowo uywano materiału wieego WYNIKI I DYSKUSJA Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy przebieg suszenia mikrofalowo-podcinieniowego. 9 u = a τ + b 8 7 k 6 u k 5 u = A e Βτ 4 3 2 u, kg kg - 5 5 2 25 τ, min Rys. 2. Przykładowa krzywa suszenia przy nagrzewaniu mikrofalowym i obnionym cinieniu. Pierwszy i drugi okres suszenia Fig. 2. Example of drying-curve by microwave heating and reduced pressure. First and second drying period Acta Sci. Pol.
Analiza mikrofalowego suszenia pietruszki w warunkach obnionego cinienia. Cz I... 2 W przebiegu suszenia wyróniono dwa okresy. Okres stałej szybkoci suszenia opisany równaniem liniowym: u = a + b () koczył si, gdy zawarto wody w materiale obniyła si do wartoci właciwej dla punktu k. Po osigniciu wartoci uwilgotnienia, właciwego dla punktu k rozpoczyna si okres malejcej szybkoci suszenia opisany równaniem wykładniczym postaci [Pabis 965]: u = Ae B (2) Na rysunku 3 przedstawiono przebieg okresu stałej szybkoci suszenia pietruszki nieblanszowanej przy cinieniu górnym p A = 6 kpa i dolnym p B = 4 kpa. Przebieg suszenia w tym okresie opisuje równanie liniowe (). u, kg kg - 7 6 5 4 3 2 u = -,578τ + 6,789 R 2 =,993 5 5 2 25 τ, min Rys. 3. Kinetyka suszenia kostki z pietruszki nieblanszowanej przy nagrzewaniu mikrofalowym i obnionym cinieniu (p A = 6 kpa, p B = 4 kpa). Pierwszy okres suszenia Fig. 3. The drying kinetics of cube of non-blanched parsley, by microwave heating and reduced pressure (p A = 6 kpa, p B = 4 kpa). First drying period Tabela. Współczynniki równa i 2 opisujcych kinetyk suszenia pietruszki nieblanszowanej dla poszczególnych cinie Table. The coefficients to equations and 2, concerning kinetics of drying non-blanched parsley by different pressure Zakresy cinie Vacuum range Technica Agraria 2(2) 23 u = a + b u k u = Ae B p A, kpa p B, kpa a b A B 6 4 -,578 6,789 3,5,258 -,83 8 6 -,546 6,494 3,5 7,96 -,47 8 -,59 7,4 3,5 9,47 -,57 2 -,574 6,973 3,5 8,74 -,47 Wartoci rednie Mean values -,572 6,84 3,5 9,8 -,57
22 M. Szarycz, E. Kamiski, K. Jałoszyski, A. Szponarska u, kg kg - u =,258e -,83τ R 2 =,993, 5 5 2 25 τ, min Rys. 4. Kinetyka suszenia kostki z pietruszki nieblanszowanej przy nagrzewaniu mikrofalowym i obnionym cinieniu (p A = 6 kpa, p B = 4 kpa). Drugi okres suszenia Fig. 4. The drying kinetics of cubes of non-blanched parsley, by microwave heating and reduced pressure (p A = 6 kpa, p B = 4 kpa). Second drying period Na rysunku 4 przedstawiono przebieg suszenia pietruszki w tych samych granicach cinieniach w okresie malejcej szybkoci suszenia w skali półlogarytmicznej. Okres ten trwał od chwili osignicia przez materiał krytycznej zawartoci wody do koca procesu i opisuje go równanie wykładnicze (2). W podobny sposób przedstawiono i opisano przebiegi suszenia pietruszki wieej przy pozostałych zakresach cinie górnych i dolnych. Wartoci stałych a i b w równaniu liniowym () oraz A i B w równaniu wykładniczym (2), jak równie wartoci zawartoci wody w punktach krytycznych dzielcych proces suszenia na okresy przedstawiono w tabeli. 8 7 6 u = -,572τ + 6,84 R 2 =,985 u, kg kg - u k 5 4 3 2 k u = 9,8e -,57τ R 2 =,984 6-4kPa 8-6kPa -8kPa 2-kPa 5 5 2 25 τ, min Rys. 5. Przebiegi suszenia pietruszki nieblanszowanej w warunkach mikrofalowo-podcinieniowych dla wszystkich zakresów cinie oraz krzywa wartoci urednionych poszczególnych współczynników równa liniowych i wykładniczych Fig. 5. The run of drying of non-blanched parsley in microwave-vacuum conditions and the curve of averaged coefficient in linear and exponential equations Acta Sci. Pol.
Analiza mikrofalowego suszenia pietruszki w warunkach obnionego cinienia. Cz I... 23 Dla porównania, na rysunku 5 naniesiono punkty pomiarowe dla wszystkich zakresów stosowanych cinie oraz krzyw urednion. Dla okrelenia wartoci efektywnego współczynnika dyfuzji, w dalszej czci pracy operowano zredukowan zawartoci wody. W równaniu definiujcym zredukowan zawarto wody U red = f() jako: gdzie: u() zawarto wody, kg kg - u o pocztkowa zawarto wody, kg kg - u r równowagowa zawarto wody, kg kg - U red u( τ) ur = (3) u u przy zastosowanych parametrach procesowych przyjmowano, e równowagowa zawarto wody u r wynosiła zero, gdy suszenie odbywało si kadorazowo w pobliu temperatury wrzenia wody właciwej dla wartoci zastosowanych cinie. Std: r U red u( τ) = (4) u Na rysunku 6 przedstawiono przebieg zmian zredukowanej zawartoci wody we wszystkich dowiadczeniach na tle krzywej urednionej.,2 Ured = -,82τ +,992 R 2 =,994 Ured,8,6,4,2 k Ured =,34e -,49τ R 2 =,984 6-4kPa 8-6kPa -8kPa 2-kPa 5 5 2 25 τ [min] Rys. 6. Przebieg zmian zredukowanej zawartoci wody w pietruszce nieblanszowanej suszonej mikrofalowo-podcinieniowo dla wszystkich zakresów cinie, wraz z krzyw urednion Fig. 6. The run of drying of non-blanched parsley in microwave-vacuum conditions for all ranges of pressure and the mean curve Analiza wariancji, przedstawiona w tabelach 2 i 3, wykazała brak istotnoci rónic pomidzy punktami otrzymanymi w kolejnych dowiadczeniach suszenia pietruszki nieblanszowanej a wartociami urednionymi dla wszystkich zakresów stosowanych cinie. Technica Agraria 2(2) 23
24 M. Szarycz, E. Kamiski, K. Jałoszyski, A. Szponarska Tabela 2. Analiza wariancji dla pietruszki nieblanszowanej Table 2. Analysis of variance for non-blanched parsley Analysis of Variance for Ured - Type III Sums of Squares Source of variation Sum of Squares d.f. Mean square F ratio Sig. level MAIN EFFECTS A:CINIENIE.5955 4 3.98864E-4.3.94652 RESIDUAL 6.8843342 5.376867 TOTAL (CORRECTED) 6.8859296 54 missing values have been excluded. Tabela 3. Analiza jednorodnoci grup i porównanie rednich grupowych dla pietruszki nieblanszowanej Table 3. Multiple range analysis for non-blanched parsley Multiple range analysis for Ured by pressure Method: 95 Percent LSD Level Count LS Mean Homogeneous Groups 6-4 kpa.42799 X rednia.43699 X 8-6 kpa.436454 X -8 kpa.43999 X 2- kpa.4435455 X contrast difference limits (6-4 kpa)-(8-6 kpa) -.9.3787 (6-4 kpa)-rednia -.936.378 (6-4 kpa)-(-8 kpa ) -.2.3787 (6-4 kpa)-(2- kpa) -.645.3787 (8-6 kpa)-rednia -.36.3787 (8-6 kpa) (-8 kpa) -.3.3787 (8-6 kpa) (2- kpa) -.745.3787 rednia (-8 kpa) -.264.3787 * denotes a statistically significant difference W zwizku z tym dla dalszej analizy zmian zawartoci wody w pietruszce przyjto urednione wartoci funkcji U red = f(). Przebieg tej krzywej opisuj równania: dla u o > u u k U red =,83 +,992 (5) dla u k > u U red =,34e,49 (6) Zgodnie z teori suszenia, z wartoci współczynnika suszarniczego K mona okreli warto efektywnego współczynnika dyfuzji wody w materiale podczas suszenia [Pabis 965]. Dla badanego kształtu czstek (szeciany) równanie wice współczynnik suszarniczy K i efektywny współczynnik dyfuzji wody przedstawia si nastpujco: gdzie: a m efektywny współczynnik dyfuzji wody, m 2 min - a połowa długoci krawdzi szecianu, m 2 π K = 3 am (7) 2 4 a Acta Sci. Pol.
Analiza mikrofalowego suszenia pietruszki w warunkach obnionego cinienia. Cz I... 25 Mimo e w dowiadczeniach wymiary czstek ulegały zmianie (warto a w równaniu 7), dla zobrazowania efektu zastosowanej metody na przebieg procesu przyjmowano warto a jako połow pocztkowej długoci krawdzi kostki. Obliczona warto efektywnego współczynnika dyfuzji wody dla szecianów z pietruszki wieej, suszonych w zakresie stosowanych parametrów procesowych wynosi: a m = 24,6-6, m 2 s - (8) W podobny sposób opisano przebieg kinetyki suszenia szecianów z pietruszki blanszowanej. Na rysunku 7 przedstawiono przebieg zmian zredukowanej zawartoci wody we wszystkich dowiadczeniach na tle krzywej urednionej.,8 Ured = -,77τ +,997 R 2 =,997 k Ured,6,4,2 Ured =,23e -,22τ R 2 =,994 6-4kPa 8-6 kpa -8 kpa 2- kpa 5 5 2 25 τ [min] Rys. 7. Przebieg zmian zredukowanej zawartoci wody we wszystkich przedziałach cinie dla pietruszki blanszowanej przed suszeniem mikrofalowo-podcinieniowym, wraz z krzyw urednion Fig. 7. The run of drying of blanched parsley in microwave-vacuum conditions for all ranges of pressure and the mean curve Równie w przypadku pietruszki blanszowanej analiza wariancji pomidzy punktami otrzymanymi w kolejnych dowiadczeniach suszenia a wartociami urednionymi dla wszystkich zakresów stosowanych cinie wykazała brak istotnoci rónic pomidzy tymi przebiegami, co przedstawiaj tabele 4 i 5. Tabela 4. Analiza wariancji dla pietruszki blanszowanej Table 4. Analysis of variance for blanched parsley Analysis of Variance for Ured - Type III Sums of Squares Source of variation Sum of Squares d.f. Mean square F ratio Sig. level MAIN EFFECTS A: CINIENIE.3359 4 3.33973E-4.3. RESIDUAL 6.5549455 5.3989 TOTAL (CORRECTED) 6.556283 54 missing values have been excluded. Technica Agraria 2(2) 23
26 M. Szarycz, E. Kamiski, K. Jałoszyski, A. Szponarska Tabela 5. Analiza jednorodnoci grup i porównanie rednich grupowych dla pietruszki blanszowanej Table 5. Multiple range analysis for blanched parsley Multiple range analysis for Ured by pressure Method: 95 Percent LSD Level Count LS Mean Homogeneous Groups 6-4 kpa.4592727 X rednia.467273 X 8-6 kpa.46599 X -8 kpa.4788 X 2- kpa.4742363 X contrast difference limits (6-4 kpa)-(8-6 kpa) -.245.37 (6-4 kpa)- rednia -.664.37 (6-4 kpa)-(-8 kpa ) -.39.37 (6-4 kpa)-(2- kpa) -.9.37 (8-6 kpa)- rednia -.48.37 (8-6 kpa) (-8 kpa) -.64.37 (8-6 kpa) (2- kpa) -.845.37 rednia (-8 kpa) -.645.37 * denotes a statistically significant difference Obliczona warto efektywnego współczynnika dyfuzji wody dla szecianów z pietruszki blanszowanej, suszonych w zakresie stosowanych parametrów procesowych wynosi: a m = 9,6-6, m 2 s - (9) Z przedstawionych wartoci efektywnego współczynnika dyfuzji wody wynika, e mikrofalowo-podcinieniowe suszenie pietruszki powoduje wielokrotne skrócenie procesu w stosunku do suszenia konwekcyjnego. WNIOSKI Przeprowadzone badania pozwalaj na nastpujcych stwierdzenia:. W przebiegu kinetyki suszenia pietruszki nieblanszowanej i blanszowanej mona wyróni okresy stałej i malejcej szybkoci suszenia. Okres stałej szybkoci suszenia opisuje równanie liniowe, a okres malejcej szybkoci suszenia mona opisa równaniem wykładniczym. 2. Analiza wariancji wykazała, e w zakresie zastosowanych w badaniach parametrów procesowych nie stwierdzono wpływu przedziałów cinie, w których realizowany był proces na przebieg zmian zredukowanej zawartoci wody dla kadego z badanych materiałów. Natomiast stwierdzono istotne rónice w suszeniu pietruszki nieblanszowanej i blanszowanej. wiadcz o tym róne wartoci efektywnego współczynnika dyfuzji wody. Acta Sci. Pol.
Analiza mikrofalowego suszenia pietruszki w warunkach obnionego cinienia. Cz I... 27 PIMIENNICTWO Lisowa H., Lis T., Kozak P., Piwowarski E, 999. Wpływ temp. na cechy jakociowe suszów, czas procesu liofilizacji i zuycie energii. Inynieria Rolnicza 5, 2. Pabis S., 965. Suszenie płodów rolnych. PWRiL, Warszawa. Schmidt P. S., Bergman T. L., Peace J. A., Chen P., 992. Heat and Mass Transfer Considerations in Dielectrically-Enhaced Drying. Drying 92, A. S. Mujumdar ed., Elsevir Science Publishers, Amsterdam. Szarycz M., 999. Aspekty energetyczne suszenia mikrofalowo-konwekcyjnego. Inynieria Chemiczna i Procesowa. Wyd. Polit. Łódzkiej, 89 96. THE ANALYSIS OF MICROWAVES DRYING OF PARSLEY IN CONDITIONS OF LOW PRESSURE. Part I. DRYING KINETICS OF UNBLANCHED AND BLANCHED PARSLEY Abstact. The drying kinetics of unblanched and blanched parsley were presented. Drying process carried out in microwave-vacuum conditions. During dehydration two periods of process were singled out and described with empirical equations. It was observed that in conditions of experiment applied value of pressure had no influence on drying process. The significant differences between drying kinetics of unblanched and blanched parsley were found. Key words: drying, microwaves, reduced pressure, parsley Marian Szarycz, Eugeniusz Kamiski, Klaudiusz Jałoszyski, Anna Szponarska, Instytut Inynierii Rolniczej, Akademia Rolnicza we Wrocławiu, ul. Chełmoskiego 37/4, 5 63 Wrocław Technica Agraria 2(2) 23