Osmoaktywne metody
utrwalania żywności
Osmoaktywne metody
utrwalania żywności
Rola wody w rozwoju drobnoustrojów:
• jest niezbędna do rozwoju drobnoustrojów
• od jej obecności w środowisku zależą transport i wchłanianie
składników pokarmowych, przemiany metaboliczne i wydalanie
produktów tej przemiany
• od jej obecności zależy ciśnienie osmotyczne zarówno wewnątrz,
jak
i na zewnątrz komórki żywe
• ciśnienie osmotyczne, panujące wewnątrz komórek, jest cechą
charakterystyczną dla poszczególnych drobnoustrojów, np. u
Saccharomyces cerevisiae i bakterii Escherichia coli wynosi ono
0,5-1,3 MPa, Staphylococcus aureus — ok. 2 MPa
• drobnoustroje mogą adaptować się do różnego ciśnienia
osmotycznego w środowisku, ale w ograniczonym zakresie
• minimalna zawartość wody, umożliwiająca rozwój danego
drobnoustroju, jest różna w różnych produktach spożywczych.
Podział wody:
• woda wolna albo makrokapilarna, która wypełnia pory produktu o
średnicy ponad 10 m
• woda włoskowata albo mikrokapilarna, wypełniającą kanaliki
produktu
o średnicy mniejszej niż 10 m i mogącą się tam przedostawać
wskutek sorpcji wilgoci z otaczającego powietrza
• wilgoć adsorpcyjna — najsilniej związana z produktem za pomocą
sił fizycznych i fizykochemicznych
• w celu uzyskania w pełni trwałego suszu, dąży się do zatrzymania
tylko wody adsorpcyjnej i ewentualnie części wody mikrokapilarnej.
• woda konstytucyjna- wchodząca w skład związku chemicznego,
np.. Uwalniania z Ca(OH)
2
przez prażenie
W praktyce wodę w żywności
przyjęto dzielić na wodę
• wolną
• wodę o obniżonej aktywności.
Ciśnienie osmotyczne roztworów wodnych
to różnica między ciśnieniem statycznym w
roztworze
i ciśnieniem statycznym w rozpuszczalniku (np.
wodzie), przedzielonych przegrodą
półprzepuszczalną (przepuszczalną tylko dla
rozpuszczalnika), utrzymującą stan równowagi
termodynamicznej
w układzie.
Aktywność wody a
w
w żywności jest
definiowana jako stosunek ciśnienia pary
wodnej nad żywnością p do ciśnienia pary
wodnej nad czystą wodą p
0
w tej samej
temperaturze t:
o
w
p
p
a
Minimalna aktywność wody, przy
której rozwijają się:
• bakterie
0,91
• drożdże
0,88
• pleśnie
0,80
Wpływ aktywności wodnej i pH na produkcję toksyn
przez Clostridium botulinum Type A and B w
gotowanych
i pakowanych próżniowo ziemniakach
a
w
0.980
pH
6.10
Zahamowanie
produkcji toksyn (w
dniach)
7
0.981
5.45
7
0.977
4.83
35
0.972
6.07
7
0.973
5.50
14
0.969
4.96
35
0.959
5.74
35
0.960
5.46
>35
0.964
4.95
>35
Ilość wody w środowisku, dostępnej
dla drobnoustrojów, determinuje m.
in.:
• transport składników pokarmowych,
• przemiany metaboliczne,
• ciśnienie osmotyczne komórki,
• a ostatecznie rozmnażanie komórek.
Na obniżanie aktywności wody mają
wpływ:
• monowarstwa
• napięcie powierzchniowe czy działanie substancji
rozpuszczonych w wodzie określone prawem
Raoulta
• temperatura zasadniczo nie wpływa na aktywność
wody produktu żywnościowego do momentu, w
którym woda nie zmienia stanu skupienia
• z chwilą rozpoczęcia zamarzania wody a
w
środowiska zaczyna się obniżać i jest tym niższa, im
więcej cząsteczek wody zmieni stan skupienia.
Istnieje praktyczne pojęcie „ostrzegawczej
zawartości wody", czyli minimalnej ilość wody,
powyżej której istnieje możliwość
mikrobiologicznego rozkładu określonego
produktu
.
proszek jajeczny
mleko pełne
sproszkowane nasiona
strączkowe
skrobia
10-11
8
15
18
warzywa suszone
owoce suszone
14-20
18-25
Artykuły żywnościowe
Zawartość wody
ryż
mąka pszenna
13-15
13-15
Wpływ aktywności wody na
względną szybkość reakcji
chemicznych,
enzymatycznych i rozwój
drobnoustrojów
Sorpcja wody w żywności
zjawisko fizykochemiczne polegające na
pochłanianiu powierzchniowym
(adsorpcja)
i w całej masie (absorpcja) wody przez
żywność.
Ogólna krzywa sorpcji wody w produkcie
spożywczym
Ogólna izoterma sorpcji, przedstawiająca
izotermę adsorpcji i izotermę desorpcji
oraz pętlę histerezy
Metody utrwalania żywności, oparte na
regulacji aktywności wody:
• metody oparte na dodawaniu substancji
osmoaktywnych do żywności
• metody oparte na usuwaniu wody z żywności
(zagęszczanie i suszenie)
• metody kombinowane, a więc takie, w których
stosuje się jednocześnie odwadnianie i dodawanie
substancji osmoaktywnych
• skojarzone metody, gdzie czynnikiem utrwalającym,
oprócz obniżenia aktywności wody, są także inne
czynniki, np. chemiczne środki konserwujące,
zakwaszanie, ogrzewanie itp
Kriokoncentracja
Kriokoncentracja żywności albo zagęszczenie przez
zamrożenie polega na
częściowej krystalizacji wody w żywności i usunięciu
kryształów lodu od zagęszczonej fazy ciekłej. Przy
obecnym wyposażeniu technicznym kriokoncentrację
można prowadzić do zawartości 45-50% suchej
substancji.
Kriokoncentracja (zagęszczenie przez
zamrożenie)-etapy:
1. częściowa krystalizacja wody w żywności
2. usunięcie kryształów lodu od zagęszczonej fazy
ciekłej
3. przy obecnym wyposażeniu technicznym proces
można prowadzić do zawartości 45- 50% suchej
substancji.
Krzywe zamrażania niektórych soków
Typowy zestaw urządzenia do
zagęszczania metodą wymrażania składa
się z trzech podstawowych części:
• krystalizatora, w którym otrzymuje się kryształy
lodu
• wirówki do oddzielania kryształów lodu
• wymiennika ciepła do ochładzania cieczy
(usuwanie
ciepła krystalizacji oraz ciepła powstającego podczas tarcia i
oporów transportowanej cieczy)
Schemat
kriokoncentracji
soków
Schemat urządzenia do kriokoncentracji
1- wymiennik ciepła (frezer), 2-mieszarka-krystalizator, 3-kolumna
przemywająca, 4- urządzenie do topienia lodu, 5-zbiornik do
przechowywania, 6-naczynie rozprężania, 7-pompa
Schemat kriokoncentracji
W praktyce stosuje się krystalizatory
z
1. bezpośrednim (kontaktowym)
2. pośrednim odbiorem ciepła.
Do oddzielania lodu są stosowane:
• prasy hydrauliczne tłokowe lub śrubowe
• wirówki filtracyjne
• filtry próżniowe
• najczęściej kolumny przemywające.
Schemat kolumny
przemywającej
1-urządzenie do
topnienia kryształów
lodu,
2-kryształki lodu w
lodowatej wodzie,
3-kryształki lodu w
koncentracie
Zalety kolumny przemywającej:
• minimalne straty produktu (mniej niż 1%)
• wysoka ekonomika procesu - niewielkie zużycie
energii - niskie koszty ogólne.
Zalety kriokoncentracji:
• soki owocowe zagęszczone metodą kriokoncentracji
wykazują lepsze właściwości w porównaniu z
odpowiednimi produktami zagęszczanymi w
wyparkach próżniowych lub metodą odwróconej
osmozy
• otrzymuje się koncentraty bez znacznych zmian
smaku, zapachu, koloru oraz wartości biologicznej
Porównanie właściwości soków owocowych
zagęszczonych metodą kriokoncentracji i przez
odparowanie w wyparce próżniowej
Sok przed
zagęszczaniem
9,24
3,72
169,8
13,20
3,10
Sok po
kriokoncentracji
31,23
13,00
596,2
21,36
2,82
Sok po
zagęszczeniu
w wyparce
38,70
10,64
493,8
2,08
3,06
Wyszczególnienie
Cukry
ogółem
%
Zawartoś
ć kwasów
Zawartość
kwasu
askorbinow
ego
mg/100g
Substncje
aromatyczne
mg/100g
pH
Straty substancji lotnych z soków zagęszczonych
różnvmi metodami
Jabłkowy
39
92
88
84
Wiśniowy
31
42
56
74
Gruszkowy
-
44
65
73
Sok
Straty w %
wymrażanie
dyfuzja
membran
owa
osmoza
odwrócon
a osmoza
Charakterystyczne cechy
kriokoncentracji to:
• oszczędność energii w porównaniu z parowaniem
(nakład na zamianę wody w lód jest parokrotnie
niższy od ciepła parowania)
• straty składników, usuwanych z kryształkami lodu
• wysoki koszt wytwarzania urządzeń do
kriokoncentracji
Metody membranowe
stosowane do
zagęszczania żywności
Błona półprzepuszczalna:
• stanowi przegrodę, podobnie jak porowata
przegroda w filtrach
• biernie, mechanicznie cząstki większe od średnicy
kanalików
• czynnie zatrzymuje skłądniki roztworu na zasadzie
zjawisk dyfuzyjnych i fizykochemicznych
– pęcznienie
– rozpuszczanie niektórych składników
– sorpcja i desorpcja
– wymiana jonowa
– interakcja ze składnikami roztworu itp.
Przenikanie cząsteczek przez membranę polega
na ich:
• rozpuszczaniu się na jednej powierzchni
membrany
• transporcie (dyfuzji) przez membranę
• usuwaniu z drugiej powierzchni
• natężenie przepływu permeatu wzrasta wraz ze
wzrostem przyłożonego ciśnienia i
przepuszczalności membrany oraz z obniżeniem
stężenia płynu zasilającego.
Zdolność rozdzielcza półprzepuszczalnej błony
zależy od wielu czynników, z których
najważniejszymi są:
• porowatość błony i jej grubość
• materiał, z którego została sporządzona
• porowatość błony albo jej gęstość jest określana
przez liczbę por, przypadających na jednostkę
powierzchni, wielkość (średnicę) i kształt
geometryczny por, wyrównanie ich wielkości,
kształtu i rozmieszczenia.
Inne czynniki wpływające na natężenie
przepływu filtratu:
• szybkość płynu zasilającego, jego lepkość,
temperatura, obecność w płynie składników o
wysokiej lub niskiej masie drobinowej
• powstawanie warstewki na powierzchni membrany z
cząstek nie przechodzących przez membranę
• osadzanie to powoduje zatykanie por w membranie
oraz zwiększenie stężenia molarnego warstewki
płynu, bezpośrednio stykającego się z membraną, a
tym samym przyczynia się do zwiększenia ciśnienia
osmotycznego płynu zasilającego.
• opisane zjawisko zostało określone jako polaryzacja
stężeniowa
Podział metod membranowych:
• mikrofiltracja
• osmoza
• dializa
• ultrafiltracja
• odwrócona osmoza
Charakterystyka mikrofiltracji
• proces stosowany do oddzielania zawiesin i
substancji koloidalnych (0,02 do 2,0 m) lub M
w
do300 kDa (mikroorganizmy, komórki, cząstki
włókniste, substancje mineralne, pigmenty
• membrany do mikrofiltracji są z reguły
homogeniczne i izotropowe (średnica 0,02-2 m),
• ciśnienie operacyjne procesu nie przekracza zwykle
170 kPa
• transport przesączu w mikrofiltracji odbywa się na
zasadzie przepływu hydraulicznego
• szybkość przepływu zależy od ciśnienia, powierzchni
membrany oraz stężenia i składu rozdzielanego
roztworu, a także jego lepkości, temperatury i
szybkości cyrkulacji
Porównanie zasady filtracji tradycyjnej (a)
z filtracją krzyżową (b).
Osmoza i dializa są
metodami
membranowymi,
w których selektywne
przenikanie składników
roztworu przez błonę
półprzepuszczalną
zachodzi samorzutnie.
Osmoza:
błony przepuszczają tylko bardzo małe cząsteczki
rozpuszczalnika, czyli wody
Dializa:
oprócz wody, mogą przechodzić także
małocząsteczkowe substancje rozpuszczone w
wodzie, jak np. chlorek sodu czy cukry proste.
Dializa:
• nie jest praktycznie stosowana w technologii
żywności do zagęszczania żywności
• wykorzystuje się ją do:
– oddzielania soli mineralnych, np. z mleka,
serwatki, koncentratów białkowych i innych
surowców (służących później do produkcji
odżywek dla niemowląt i diabetyków)
– uzdatniania wody pitej itp.
– usuwania, oprócz soli, także i innych elektrolitów
(kwasy, zasady) z soków owocowych, roztworów
koloidalnych, zagęszczonego soku cukrowego.
Schemat dializy ciągłej
1,2 — komory dializatora, 3 — błona półprzepuszczalną
Zasada elektrodializy
1- sekcja I,2-sekcja II, 3,4-komory elektrodowe, 5-błona
przepuszczająca aniony, 6-błona przepuszczająca
kationy
Elektrodializę powszechnie stosuje
się do:
• odsalania wody morskiej, a także do otrzymywania
z niej soli jadalnej
• demineralizacji serwatki
• usuwania winianów i soli innych kwasów
organicznych z moszczów, win oraz soków
(zespół
membranowy składa się z membran przepuszczających tylko
aniony. W poszczególnych kanałach naprzemiennie
przepływają odkwaszany sok i roztwór KOH. Tak więc aniony
kwasów organicznych migrują do przestrzeni zawierających
KOH, a jony hydroksylowe przemieszczają się do soku, gdzie z
kationami wodorowymi tworzą wodę).
• usuwania soli z syropów cukru trzcinowego i
odkwaszania soków.
Schemat
osmofora
Odwrócona osmoza i ultrafiltracja
są metodami membranowymi, w których
selektywne przenikanie cząsteczek roztworu
przez błonę półprzepuszczalną nie
zachodzi samorzutnie, zgodnie z
ciśnieniem osmotycznym, jak w osmozie i
dializie, lecz w kierunku odwrotnym,
wymuszonym przez ciśnienie zewnętrzne.
Kierunek przechodzenia rozpuszczalnika przez
błonę półprzepuszczalną:
a) osmoza, b) odwrócona osmoza
1- membrana, 2-rozpuszczalnik, 3-roztwór
Odwrócona osmoza:
• jest zwykle stosowana do oddzielania od wody
niskocząsteczkowych substancji, takich jak sole,
cukry, kwasy organiczne
• błony do RO mają grubość 0,05-0,1
m, są
budowane najczęściej z octanu celulozy, mieszanych
estrów celulozy, poliamidów (zmodyfikowanej formy
nylonu) i innych tworzyw
• pewne drobnocząsteczkowe nieelektrolity, takie jak
monohydroksyalkohole do alkoholu propylowego
włącznie, aldehydy i kwasy do n-masłowego oraz
mocznik, przechodzą przez niektóre typy membran
do odwróconej osmozy bez większych oporów
• jednak już glicerol, sacharoza, glukoza czy sorbitol
są zatrzymywane
.
RO umożliwia:
• oddzielenie wody i koncentrowanie wszystkich składników
suchej substancji (odsalanie r-ru laktozy, oczyszczanie
ścieków)
• zagęszczenie do ok. 25 - 30% s.s
• zagęszczenie surowców bogatych w wodę, jak np. serwatka,
mleko chude, soki owocowe i ziemniaczane
• klarowanie wina i piwa, soków owocowych (96-98%
wydajność), usuwanie alkoholu z piwa
• koncentrację kwasu cytrynowego, białka jaja, naturalnych
ekstraktów i substancji zapachowych
• uzyskanie czystej wody — RO znalazła zastosowanie do
uzdatniania wody (np. odsalanie wody morskiej, usuwanie
bakterii i demineralizacja wody, przeznaczonej do celów
pitnych i technologicznych)
Charakterystyka ultrafiltracji:
• pozwala na odseparowanie substancji o masach cząsteczkowych
z przedziału od 0,5 - 300 kDa (białka, polipeptydy, polisacharydy i
inne substancje organiczne, niektóre koloidy).
• membrany stosowane do ultrafiltracji mają charakter
anizotropowy (rozmiary porów 0,001-0,1
m)
• ciśnienia operacyjne 70-2000 kPa
• transport przesączu przez membrany do ultrafiltracji odbywa się
na zasadzie przepływu hydraulicznego
• szybkość transportu zależy od zastosowanego ciśnienia,
powierzchni membrany oraz stężenia i składu rozdzielanego
roztworu, a także jego lepkości, temperatury i szybkości
cyrkulacji
• odwadnianie wiąże się z usuwaniem substancji
niskocząsteczkowych, ich stężenie w koncentracie pozostaje w
związku z tym na tym samym poziomie w trakcie całego procesu.
Siła jonowa i pH nie zmieniają się, a więc nie ma ryzyka
denaturacji białek i precypitacji składników.
Mikroporowata membrana do
ultrafiltracji
Przekrój poprzeczny przez membranę do ultrafiltracji z
widoczną warstwą skórną i sztywną warstwą
wspierającą o porowatej strukturze. Powiększenie 200-
krotne.
Typy membran i modułów membranowych: płaskie
(a,b) spiralne nawijane (c) „hollow fibre” osadzone w
rurach (d) przekrój membrany zbudowanej z
polieteroterketonu (PEEK) (e) przekrój kapilarnej
asymetrycznej membrany wykonanej z poliamidów
membrany do ultrafiltracji:
• mają grubość 0,1 -0,5
m
• otrzymuje się je ze znacznie większej ilości różnych
materiałów, niż w wypadku membran do RO; m.in. także
z polichlorku winylu, aromatycznych polisulfonów,
poliwęglanów i innych polimerów
• obecnie mówi się o trzeciej generacji membran z
materiałów nieorganicznych, jak np. z tlenku cyrkonu,
wbudowanego w grafity
• błony półprzepuszczalne, niezależnie od budowy, w celu
nadania im mechanicznej wytrzymałości, są wyposażone
w mikroporowaty podkład ceramiczny, metalowy lub
węglowy
• ważne jest też, aby błony te można było myć i
dezynfekować.
Membrany z tlenku cyrkonu, wbudowanego w
grafity:
• charakteryzują się bardzo dużą wytrzymałością
mechaniczną
• mogą pracować w temp. do 400°C
• pod ciśnieniem do 4 MPa i w całym zakresie pH
• bardzo ważna jest też ich odpowiednia gąbczasta,
mikroporowata struktura
Różne wersje modułów membranowych do
ultrafiltracji w konfiguracji rurowej.
Moduł membranowy do ultrafiltracji w
konfiguracji kapilarnej.
miniaturowe rurki (średnica wewnętrzna 0,5 -1 mm)
wewnątrz których przepływa strumień zasilający.
Moduł membranowy do ultrafiltracji w
konfiguracji ramowej.
Budowa i działanie modułu membranowego w
konfiguracji spiralnej.
Konfiguracja spiralna
Ultrafiltracja przy
użyciu drążonych
włókien
z membraną
półprzepuszczalną
1-koncentrat,
2 - permeat
3-błona
półprzepuszczalną 4-
ścianka porowata,
5-roztwór przed
ultrafiltracją
Typowe wydajności linii do
ultrafiltracji soków:
• podukty klarowane metodą filtracji membranowej
nie muszą być wstępnie wirowane
• wyeliminowana została potrzeba stosowania
środków klarujących, takich jak żelatyna czy
bentonit
• proces depektynizacji soków wymaga zaledwie
jednej czwartej ilości enzymów, jakie muszą być
użyte przed tradycyjną filtracja
• instalacja składająca się z 10 modułów
filtracyjnych (powierzchnia membrany każdego
modułu wynosi 2,23 m
2
) pozwala w ciągu doby
sklarować ok. 40 000 litrów soku jabłkowego
Schematyczne
porównanie
procesów
mikrofiltracji,
ultrafiltracji
i odwróconej
osmozy
Porównanie niektórych cech ultrafiltracji i
odwróconej osmozy
Porównywana cecha
Ultrafiltracja
Odwrócona osmoza
Graniczna rozdzielczość
membran masa cząteczki
(dalton) zatrzymanej
przechodzącej
<500
>500
Średnica porów membrany,
mm
0,001 - 0,1
0,0001- 0,001
Rodzaj cząsteczek
przechodzących przez
membranę
woda i
niskocząsteczkowe jony,
sole i cukry
woda (ewentualnie
śladowe ilości małych
cząsteczek)
Stopień zatrzymania, %
NaCl
Sacharoza
0-65
5-90
78-99
99-100
Ciśnienie zewnętrzne, MPa
0,1 + 1,0
5,0+7,5/10
Ciśnienie osmotyczne
małe
duże
Główny typ przepływu filtratu
przez membranę
kapilarny
rozpuszczalno--dyfuzyjny
Gęstość strumienia objęto
ściowego filtratu, dm
3
/ (m
2
h)
2-20
(przy ciśnieniu 0,035-0,350
MPa)
0,4-1,0
(przy ciśnieniu 10 MPa)
Główne zastosowanie w
technologii żywności
oddzielenie
makrocząsteczek i ich
oczyszczanie,
frakcjonowanie, filtracja
soków owocowych i
napojów
oddzielenie wody z żywności i
jej zagęszczanie, usuwanie z
wody składników w niej
rozpuszczonych, uzdatnianie
wody
Suszenie żywności
Wyrób proszku mlecznego obejmuje
następujące etapy technologiczne:
• obróbkę wstępną (oczyszczenie mleka, odtłuszczenie
i normalizacja)
• kilkuminutową pasteryzację w temperaturze 80-85°C
lub krótkotrwałą sterylizację w czasie 10-20 sekund,
• zagęszczanie mleka w wyparkach próżniowych do
zawartości s.s. 42-48% (pierwotna s.s. 12-13%),
• suszenie w urządzeniach rozpyłowych za pomocą
powietrza nagrzanego do temperatury 150-200°C,
• pakowanie i chłodzenie proszku w warunkach
aseptycznych.
Proces suszenia odgrywa ważną rolę również
w innych branżach przemyski spożywczego:
• w przemyśle ziemniaczanym, przy produkcji mączki
ziemniaczanej,płaków, puree ziemniaczanego,
• w przemyśle koncentratów spożywczych w produkcji
różnych płatków zbożowych, ekstraktów kawowych,
suchych zup, odżywek czy makaronów,
• w przemyśle jajczarsko-drobiarskim przy produkcji
proszku jajowego, suszonych żółtek i albuminy,
• w przemyśle mięsnym i rybnym,
• w rolnictwie i przechowalnictwie rolniczym przy suszeniu
pasz zielonych, wysłodków, wytłoków oraz zboża i nasion
oleistych.
Niekorzystne zmiany zachodzące
odwodnionej żywności:
• utlenianie (zwłaszcza witaminy C)
• autooksydacja tłuszczu
• reakcje Maillarda
• stopniowa denaturacja białka
• krystalizacja błonnika i pektyn
• retrogradacja skrobi
• ulatnianie się substancji zapachowych
• zmiany barwy (np. pociemnienie lub rozjaśnienie)
• utrata zdolności do rehydratacji czy rozpuszczania
się w wodzie.
suszenie konwekcyjne
• owiew adiabatyczny, gdzie powietrze jest nagrzane
tylko na początku w ogrzewnicy, a następnie,
oddając swoje ciepło materiałowi suszonemu,
stopniowo stygnie
• owiew izotermiczny, gdzie ogrzane zewnątrz
powietrze jest dogrzewane jeszcze wewnątrz
suszarki i ma stałą temperaturę w czasie suszenia
Rodzaje suszenia:
• suszenie kondukcyjne, przez przewodzenie, w
wyniku kontaktu wilgotnego materiału z
ogrzewanymi wewnętrznie metalowymi pólkami,
podłogą lub walcem
• suszenie radiacyjne, w którym wykorzystuje się
promienniki podczerwieni jako elementy grzejne w
suszarkach
• suszenie dielektryczne, w którym wilgotny materiał
jest ogrzewany między okładkami kondensatora,
włączonego do obwodu drgań elektromagnetycz
nych o częstotliwości 1-5 MHz
W zależności od kierunku owiewu, w
stosunku do przesuwania się suszonego
materiału, wyróżnia się sposoby suszenia:
• przeciwprądowy
• współprądowy
• mieszany
• krzyżowy
Przebieg suszenia materiałów o konsystencji stałej
gorącym powietrzem o stałej temperaturze i wilgotności:
a) krzywa suszenia, b) szybkość suszenia
Suszarki
• konwekcyjne
• kondukcyjne
• promiennikowe
• dielektryczne
Etapy suszenia konwekcyjnego:
• przejmowanie ciepła od czynnika suszącego przez
suszony produkt
• zamiana wody znajdującej się w produkcie na parę
dzięki ciepłu przejętemu od czynnika suszącego
• przejmowanie wody (w postaci pary) od ciała
stałego przez czynnik suszący
• przemieszczanie się wody wewnątrz suszonego
produktu od jego wnętrza w kierunku powierzchni.
Pionowa suszarka
talerzowo-kaskadowa
1- podnośnik kubełkowy
cukru,
2-obudowa
suszarki,
3-wał z półkami,
4-stożki zsypowe
cukru,
5-napęd wału,
6- przenośnik taśmowy cukru,
7- suchy, cyklonowy
oddzielacz pyłu,
8 -wentylator wyciągowy
powietrza
Suszarka komorowa:
a) z podłużnym przepływem powietrza, b) z poprzecznym przepływem
powietrza
1-podgrzewacz zewnętrzny, 2-przesłona regulacji recyrkulacji, 3-wózek,
4-prowadnica powietrza
Suszarki komorowe lub szafowe
charakteryzują się:
• małą zdolnością odparowywania wody z
powierzchni (0,15-5-1,5 kg/(m
2
• h), przy przepływie
powietrza równoległym do powierzchni i do ok. 12
kg/(m
2
• h) przy przepływie prostopadłym)
• dużym zużyciem ciepła (ok. 5 MJ/kg odparowanej
wody) i długim czasem suszenia (dochodzącym,
zależnie od materiału i warunków suszenia, do 24
godzin dla jednego załadunku).
Suszarki piecowe albo
siatkowe
Suszarki piecowe
albo siatkowe
Schemat suszarni
jednosiatkowej
1- komora suszenia, 2 —
komora ciśnieniowa
gorącego powietrza, 3-
komora paleniskowa, 4-
przenośnik mokrego
materiału, 5-przenośnik
ślimakowy, 6- rura
zsypowa, 7-napęd
urządzenia wywrotowego
siatki, 8-wylot oparów, 9-
zasuwa obrotowa, 10-
siatka uchylna, 11-redler,
12-przewód zwrotnego
powietrza, 13- zasłona
rozdzielająca, 14-wlot
powietrza, 15-wentylator,
16-silnik, 17- tablica
pomiarowa, 18 -drzwi, 19-
palenisko
Suszarki tunelowe
Suszarka tunelowa systemu TAG (Berlin), umożliwiająca
pracę w przeciw-i współprądzie, z recyrkulacją powietrza
1- wózek z sitami, 2-przewód odlotowy powietrza zużytego, 3-
ekshaustor, 4-silnik, 5-ogrzewnica powietrza, 6-strona tunelu,
służąca zwykle do wstawiania wózków z surowcem, 7-
odprowadzanie wózków z suszem
Suszarki taśmowe
Suszarka taśmowa, tzw. płótniarka
1-zasilacz (doprowadzenie materiału wilgotnego), 2-miejsce
doprowadzenia powietrza, 3- grzejnik, 4-odprowadzenie
powietrza zużytego, 5-korytko odbioru i odprowadzenia suszu
Suszarki bębnowe
Suszarka bębnowa:
a) obrys zewnętrzny podłużny
1-bęben, 2-przekładnia zębata, 3-grzejnik, 4-doprowadzenie
powietrza, 5-wentylator, 6-lej zasilający, 7-komora rozdzielcza
8-ślimak wyładowczy b) rozmieszczenie półek w suszarkach
bębnowych1- bęben, 2-półki
Suszarki
rozpyłowe
Schemat współprądowej suszarki rozpyłowej systemu
Bowena, do mleka
1- wlot powietrza do filtru i ogrzewnicy, 2- ogrzewnica, 3-
doprowadzenie
mleka
zagęszczonego,
4-napęd
tarczy
rozpyłowej, 5-powietrze filtrowane gorące, 6-tarcza rozpyłowa,
7-odbiór proszku z wieży suszarniczej, 8-wylot powietrza
zapylonego, 9-odpylacz cyklonowy, 10-wylot powietrza
odpylonego, 11-odbiór proszku z cyklonu
Fluidyzacyjna
suszarka do past
z wewnętrznym
złożem
1-blachy udarowe,
2-wziernik,
3-
produkt,
4-złoże
inertne,
5- zasilanie
Ciągła
suszarka
fluidyzacyjna
1-porowata przegroda, 2-
grzejnik
powietrza,
3-
przenośnik ślimakowy, 4-
zastawka,
5-drobne
cząstki 6-wentylator
Suszarka
pneumatyczna
dwustopniowa
1-podgrzewacz, 2-drugi stopień, 3-cyklon, 4-multicyklon,
5-
pierwszy
stopień,
6-odprowadzenie
zużytego
powietrza
Inne typy suszarek
• suszarki kontaktowe
• suszarki walcowe
• suszarki z mieszadłami
• suszarki próżniowe
• suszarki sublimacyjne
Suszarki
walcowe
a) jednowalcowa, b) dwuwalcowa, c) bliźniacza, d)
próżniowa 1-zasilanie, 2-odprowadzenie produktu, 3-nóż
zeskrobujący, 4- walki zasilające, 5-komora próżniowa, 6-
odprowadzenie do systemu redukującego ciśnienie
Suszarki z mieszadłami
Suszarka Spirocon, firmy Babcock-BSH 1-płaszcz grzejny,
2- łopatki mieszające, 3-spiralne elementy grzejne
Suszenie fluidyzacyjne
Charakter zmian struktury ładunku ziarna w zależności od
prędkości strumienia powietrza
: a-ładunek nieruchomy, b-
ładunek spulchniony /ekspandowany/, c-początek fluidyzacji
/przepływ powietrza kanałami/, d-pierwsze stadium fluidyzacji,
e-stadium intensywnej fluidyzacji („burzliwego wrzenia")
Istotna zaleta suszenia produktów
spożywczych metodą fluidyzacyjną
załadunek materiału może osiągać 100-120
kg/m
2
załadunek surowca przy suszeniu w nieruchomej
warstwie z zastosowaniem suszarek taśmowych,
tunelowych, szafkowych wynosi od 5 do 17
kg/m
2
Podział suszarek fluidyzacyjnych:
• suszarki o działaniu periodycznym, w których
załadunek materiału prowadzony jest okresowo, a
po zakończeniu każdego cyklu pracy suszarka jest
całkowicie wyładowywana
• suszarki o działaniu ciągłym-załadunek i wyładunek
materiału przebiegają w sposób ciągły; w każdym
miejscu
aparatu
wilgotność
materiału
oraz
parametry czynnika suszącego pozostają stałe pod
czas całego procesu.
Azeotropowe suszenie w rozpuszczalnikach
organicznych:
• w suszeniu produktów spożywczych jako rozpuszczalnik można
stosować octan etylu
• mieszanina azeotropowa octan etylu + woda może być
odparowana w wysokiej próżni w temperaturze pokojowej
• proces suszenia przebiega w trzech etapach:
a)mieszanina azeotropowa wrze w temp. 24°C i ciśnieniu 100
mm Hg
b) ciśnienie obniża się do 3 mm Hg i dalej prowadzi się
odwadnianie
c) ciśnienie obniża się do 0,1 mm Hg w celu usunięcia
śladowych
ilości mieszaniny azeotropowej
• metoda znalazła zastosowanie do suszenia warzyw i owoców
• koszt suszenia tą metodą jest niższy w porównaniu z kosztem
suszenia metodami konwencjonalnymi
• modyfikacja suszenia azeotropowego to połączenie z suszeniem
sublimacyjnym.
Suszarki próżniowe
Komorowo-półkowa suszarka próżniowa:
a)
urządzenie do suszenia próżniowego
l — komora (szafa) suszarki, 2—skraplacz, 3—zbiornik do skroplin, 4
— tłokowa pom pa próżniowa
b)
przekrój pionowo-podłużny komory suszarniczej
l — półki metalowe ogrzewane parą pod zredukowanym ciśnieniem
lub gorącą wodą, 2, 3 —króćce (przewody): odprowadzający i
doprowadzający czynnik grzejny (np. parę i skropliny), 4 — drzwi z
górnym urządzeniem lewarowym, 5 — zawór, 6 — wzmocnio ne ściany
suszarki
Suszarki sublimacyjne
Próżniowa, ciągła suszarka taśmowa
1- walec chłodzący, 2-taśma, 3-odpowietrzacz, 4-
promiennikowy grzejnik, 5-walec ogrzewający, 6-
odprowadzenie do pompy próżniowej, 7-okienko do
kontroli wałka zasilającego, 8-wałek zasilający, 9-odbiór
gotowego produktu, 10-zastawka powietrzna, 11-nóż
zeskrobujący
Wykres równowagi faz dla wody:
I - obszar stanu stałego (lód), II - obszar cieczy, III -
obszar pary
Usuwanie pary wodnej z sublimatora odbywa się:
• przez kondensację w chłodnicy w niskiej
temperaturze, niższej od temperatury produktu
suszonego
• przez adsorpcję wilgoci materiałem pochłaniającym,
np. siarczanem wapniowym, żelem krzemionkowym
itp.
• przez zastosowanie pomp inżektorowych do
szybkiego usuwania dużych objętości pary pod
niskim ciśnieniem
Wybór urządzenia do zamrażania zależy od rodzaju
żywności:
• żywność w małych kawałkach jest zamrażana
szybko, aby utworzyły się małe kryształki lodu, nie
powodujące niszczenia struktury komórkowej
żywności
• żywność płynną zamraża się tak, by powstały
skupienia kryształów i kanaliki, ułatwiające ruch
pary wodnej
Suszarka sublimacyjna o działaniu
ciągłym
1-doprowadzenie materiału ziarnistego, 2-przenośnik
wibracyjny,
3-podłączenie do kondensatora i pomp, 4-odprowadzenie
produktu
Suszarka sublimacyjna o działaniu ciągłym
1-doprowadzenie materiału ziarnistego, 2-zgarniaki, 3-
płyty grzejne, 4-podłączenie do kondensatora i pomp, 5-
odbiór produktu
Schematyczny przekrój poprzeczny komory
próżniowej suszarki sublimacyjnej
1-tace na przenośniku, 2-grzejniki, 3-kondensator
pracujący, 4- kondensator odszraniany
Wady i zalety liofilizacji:
• zaletą suszu liofilizowanego jest dobre zachowanie w
nim pierwotnych cech jakościowych
• wada- duża porowatość-sprzyja niekorzystnym
zmianom oksydacyjnym w żywności i podraża koszt
opakowania
• koszty suszenia sublimacyjnego są parokrotnie wyższe
od kosztów w zwykłych metodach suszenia żywności
• suszenie sublimacyjne stosuje się rzadko i to
wyłącznie do produktów drogich, np. ekstraktów kawy
lub herbaty, żywność dla kosmonautów.
Zabiegi stosowane w procesie suszenia
sublimacyjnego pozwalają wyeliminować formy
wegetatywne drobnoustrojów:
• wymierają pałeczki rodzaju Pseudomonas
• liczba pałeczek Salmonella maleje o ok. 99%,
gronkowców o 90%, a paciorkowców fekalnych o
50%
• w
środowisku
mogą
pozostać
jedynie
przetrwalniki, które w produkcie zawierającym
kilka procent wody nie namnażają się
• wysuszone produkty dopiero po wchłonięciu wody
stanowią pożywkę dla uśpionych przetrwalników.
Wpływ suszenia na jakość żywności zależy od:
• rodzaju i jakości żywności
• sposobu obróbki żywności przed suszeniem
• zastosowanej metody suszenia.
Zmiany suszarnicze dotyczą głównie takich cech
jakościowych, jak:
•tekstura,
•smak i zapach,
•barwa,
•wartość odżywcza
Zmiany tekstury żywności:
• kleikowaniem skrobi
• krystalizacja celulozy
• nierównomierne odparowywanie wody w czasie suszenia
• rozciąganie, zgniatanie i ciągłe skręcanie stosunkowo
sztywnych komórek nadaje żywności zeschnięty,
skurczony i pomarszczony wygląd
• mięso: denaturacja i agregacja białka, utrata zdolności
wiązania wody, prowadzące do łykowatości tkanki
mięśniowej
• tworzenie twardej, nieprzepuszczalnej skorupki na
powierzchni suszonych cząstek i niedostatecznie
wysuszony środek cząstek
• aglomeracja cząstek
Zmiany
smaku i zapachu
• straty związków zapachowych i smakowych
• straty tych substancji zależą od temperatury i
koncentracji suchej substancji w żywności,
ciśnienia pary związków lotnych i ich
rozpuszczalności w parze wodnej
• stosuje się odzyskiwanie tych substancji i
zawracanie ich do produktu w czasie suszenia bądź
do suszu.
Zmiany barwy:
• zmiany chemiczne w barwnikach karotenoidowych i chlorofilu
• straty barwników są tym większe, im wyższa jest temperatura i
dłuższy czas suszenia
• przyspieszane są nieenzymatyczne reakcje brązowienia, tzw.
reakcje Maillarda
• mogą pozostawać enzymy katalizujące procesy utleniania i
brunatnienia
• tym niekorzystnym zmianom zapobiega się przez blanszowanie i
dodatek np. do owoców kwasu askorbinowego lub dwutlenku
siarki
• jednak dwutlenek siarki wybiela barwniki antocyjanowe i nawet
niewielkie pozostałości SO
2
są przyczyną niszczenia barwy w
przechowywanym suszu owocowym i warzywnym
• suszenie zmienia charakterystykę powierzchni żywności i, co za
tym idzie, odbijanie światła, a więc barwę.
Zmiany wartości odżywczej:
• koncentracja składników suchej substancji w żywności i
ogólny ilościowy wzrost wartości odżywczej
• straty wartości odżywczej dotyczą przede wszystkim
witamin wrażliwych na ogrzewanie i utlenianie, a więc
głównie witaminy C i tiaminy
• straty witamin w czasie samej operacji suszenia mogą
być w niektórych wypadkach znacznie mniejsze od
strat w operacjach poprzedzających suszenie (np.
blanszowania)
• witaminy A, D,E i K oraz NNKT są narażone w czasie
suszenia na wzmożone utlenianie, katalizowane przez
metale ciężkie
• strawność i biologiczna wartość białka nie zmieniają się
w czasie suszenia większości produktów spożywczych
Schemat
zamrażania
mieszaniny
dwuskładnikowej: W
e
-
stężenie
w
punkcie
eutektycznym
T
E
-
temperatura w punkcie
eutektycznym,
T
A
-
początkowa temperatura
roztworu, W
A
- początkowe
stężenie roztworu, T
f
-
punkt
zamarzania
czystego rozpuszczalnika,
T
A
-punkt
zamarzania
rozpuszczalnika,
W
B
-
końcowe
stężenie
roztworu,
T
B
-końcowa
temperatura roztworu
AirDrying Freeze-Drying Vacuum-Drying
Chemicals Used for
Dipping Treatment
Type
Chemicals Esters Methy! oleate, ethyl
oleate, butyl oleate Salts Potassium
carbonate, sodium carbonate, sodium chloride, potassium
sorbate, sodium polymetaphosphate Organie acids
Oleić acid, steric acid, caprillic acid, tartaric acid,
oleanolic acid Oils Olive oil Alkali
Sodium hydroxide Wetting agents Pectin,
tween, nacconol Others Sugar, liquid pectin
Surfactants
3
Nonionic Monoglycerides,
diglycerides, alkylated aryl polyester alcohol,
polyoxyethylene sorbitan monostearate, sorbitan
monostearate, o-sorbitol, polyoxyethylene Anionie
Sodium oleate, stearic acid, sorbitan heptadecanyl
sulfate Cationic Dimethyl-benzyl-octyl
ammonium chloride