Испытания на обезвоживание проводились при трех методах сушки для оценки кривых сушки и поглощения энергии. Кубики яблока сушили в различных условиях обработки, применяя лиофилизацию (FD), лиофилизацию с помощью горячего воздуха и лиофилизацию с помощью инфракрасного излучения. Контрольные образцы были изготовлены методом обычной сублимационной сушки без предварительной сушки. Исследовали горячий воздух в сочетании с сублимационной сушкой (HAD-FD) при температуре воздуха 60 и 80°C. Инфракрасная сублимационная сушка (IR-FD) — относительно новый метод обработки. Кубики яблок Айдаред сушили при мощности ИК-излучения 5 кВт/м2. Было замечено, что уровень мощности инфракрасного излучения и температура горячего воздуха влияют на скорость сушки и время сублимационной сушки.
Нагрев инфракрасным излучением имел более высокую скорость сушки, чем горячий воздух во время предварительного обезвоживания. Измеряли активность воды, цвет, твердость и коэффициент регидратации (RR) готовых продуктов. Высушенный материал, полученный с помощью IR-FD, имел желаемый цвет, более высокую скорость регидратации и меньшую твердость, чем материал, высушенный с помощью HAD-FD. Качество одноступенчатых образцов FD было близко к материалам ИК-ФД. Было замечено, что метод IR-FD резко снизил потребление энергии по сравнению с обработкой сушки FD и HAD-FD. Математические модели, такие как Хендерсон-Пабис и полином третьей степени, используются для описания кинетики сушки пищевого материала. Было обнаружено, что эти математические модели адекватно прогнозируют изменения влажности.
Введение
Яблоко является важным материалом для производства многих пищевых продуктов, и яблоневые плантации выращиваются по всему миру во многих странах. Яблоко — продукт с высоким содержанием влаги, влажность которого составляет 80–85% (в сыром весе). Неподходящие методы консервации и хранения приводят к потерям плодов, которые составляют от 10% до 30%. Техника сушки, вероятно, является старейшим методом консервирования продуктов питания, применяемым человечеством. Сушка пищевых продуктов направлена главным образом на снижение влажности для продления срока хранения. Основная задача при обезвоживании пищевых продуктов — снизить потребление энергии и содержание воды в материале до желаемого уровня без существенной потери цвета, внешнего вида, аромата, вкуса и химических компонентов. При приготовлении функциональных пищевых продуктов и готовых к употреблению продуктов обычно используют метод сублимационной сушки или лиофилизации (FD).
Сублимационная сушка — это операция обезвоживания с сублимацией льда из замороженного материала. Благодаря отсутствию жидкой воды и низкой температуре (около 20°C), используемой в процессе эксплуатации, большая часть порчи и микробиологических реакций прекращается. В процессе FD участвуют три основных этапа: замораживание, сублимация и десорбция. При этом методе исключается усадка, достигается минимальная потеря вкуса, аромата, витаминов и почти идеальные результаты консервации. Хотя сублимационная сушка может применяться для производства продуктов с полным сохранением структуры, это дорогостоящий процесс из-за длительного времени сушки (около 20–30 часов).
В последние годы сублимационная сушка сочетается с различными другими методами обезвоживания, такими как горячий воздух, инфракрасное излучение, микроволновая печь и микроволновая печь-вакуум. Пищевые продукты с высоким содержанием влаги можно эффективно сушить комбинированными методами, поскольку это обеспечивает синергетический эффект. Гибридная сушка, такая как сублимационная сушка горячим воздухом и сублимационная сушка инфракрасным излучением, успешно применяется для повышения эффективности обезвоживания.
Использовали последовательную инфракрасную и сублимационную сушку для производства высококачественных сухофруктов по сниженной цене. Продукты, высушенные с использованием инфракрасной сублимационной сушки, имели лучший цвет, более высокую усадку, более высокую хрусткость, но плохую способность к регидратации по сравнению с продуктами, полученными с использованием одностадийной сублимационной сушки.
Согласно более ранним сообщениям, предварительная сушка горячим воздухом (HAD) может сократить примерно вдвое время сушки, необходимое для традиционной сублимационной сушки. Оптимизация применения IR и HAD для работы FD — это инновационная разработка, которая может повысить эффективность сушки, сократить время сушки и улучшить качество продукции. Сушка горячим воздухом (HAD) является наиболее часто используемым коммерческим методом сушки овощей и фруктов, при котором тепло передается от горячего воздуха к продукту посредством конвекции, а испаренная вода переносится в воздух также посредством конвекции. Однако основным недостатком, связанным с обезвоживанием горячим воздухом, является длительное время сушки даже при температуре около 60°C, что приводит к ухудшению качества материала.
Инфракрасная (ИК) сушка основана на воздействии ИК-излучения источника тепла, которое взаимодействует с внутренней структурой образца и, таким образом, повышает его температуру и способствует испарению влаги. При сушке инфракрасные лучи проникают в влажный образец на определенную глубину и повышают его температуру, не нагревая при этом окружающий воздух. Затем скорость диффузии воды через материал увеличивается и, следовательно, изменяются радиационные свойства образцов из-за уменьшения содержания влаги, которая диффундировала из материалов в воздух.
Инфракрасная сушка приобретает все большую популярность в пищевой промышленности из-за ее преимуществ перед сушкой горячим воздухом. ИК-сушка имеет множество преимуществ, включая равномерный нагрев, высокую скорость теплопередачи, сокращение времени обработки и энергопотребления, а также улучшение качества продукции. Задачи этого исследования заключались в сравнении сублимационной сушки с комбинированной сушкой (IR-FD и HAD-FD) для яблок с учетом времени сушки, энергопотребления, изменения физических свойств (цвета, активности воды, скорости регидратации и твердости). , а также найти модель для описания характеристик сушки FD, HAD-FD и IR-FD. Насколько нам известно, отсутствуют работы или мало подробной информации о влиянии гибридной сушки (HAD-FD и IR-FD) на качество и характеристики сушки яблок.
Сырье
Спелые яблоки Айдаред хранились в холодильнике (5°C) до использования. С помощью бытового инструмента удалили сердцевину, промыли водопроводной водой и нарезали кубиками толщиной 5 мм. Причина относительно тонкого образца: увеличение толщины снижает проникновение ИК-излучения и тем самым снижает скорость высыхания. Образцы были разделены на девять групп, каждая группа образцов весила 100 г. Исходную массу кубиков яблок измеряли с помощью весов с точностью 0,1 г. Образцы нарезанных яблок подвергали сушке сразу после разрезания, чтобы избежать ферментативного потемнения поверхности. Определение содержания влаги. Содержание влаги в сырых и сушеных кубиках яблок определяли гравиметрическим методом. Через равные промежутки времени в процессе сушки образцы вынимали и сушили в течение 8 ч при температуре 105°С до постоянной массы. Взвешивали на цифровых весах, а затем рассчитывали содержание влаги. Влажность выражали во влажном веществе (г на 100 г-1 свежего вещества, %) и в сухом веществе (кг влаги на кг сухого вещества-1). Было обнаружено, что исходное содержание влаги в яблоке составляет 84,8% (влажное вещество: с.в.), 5,578 кг H2O кг сухого вещества-1 (сухое вещество: сухое вещество).
Испытания проводились в трех экземплярах. Порядок сушки. Ломтики яблок сушили различными способами сушки по оптимальной технологии сушки до конечного содержания влаги (5–6 % по влажному пересчету: в.б.). Применяемые методы сушки описаны ниже. Процесс сушки продолжался до тех пор, пока содержание влаги не переставало фиксироваться (образцы сушились до достижения равновесного содержания влаги, в противном случае изменений содержания влаги не наблюдалось). Потери влаги регистрировали с интервалом в 1 минуту в процессе сушки для определения кривых сушки. Наборы экспериментальных данных, полученные в ходе различных циклов сушки, были выражены как соотношение влажности (MR) и время сушки (t). Все эксперименты повторялись трижды, и в данной статье использовалось среднее значение трех результатов для каждой обработки. Высушенная продукция перед оценкой качества охлаждалась и упаковывалась в пакеты из полиэтилена низкой плотности (ПВД), которые подвергались термосварке.
Конвективную сушку (HAD) проводили в сушилке горячим воздухом при температуре 60 и 80°C со скоростью потока воздуха 1 м/с. Влажность воздуха регулировалась на уровне ≈20%. Образцы (100 г) равномерно, в один слой, разложили на лотках сушилки. Через 1 час лотки вынимали из оборудования, взвешивали и затем помещали обратно в сушилку. В процессе сушки регистрировали массу кубиков яблок для построения кривой сушки, а также измеряли температуру (материала и воздуха), скорость движения воздуха, влажность воздуха с помощью измерителя типа Testo 4510. Массу измеряли на аналитических весах с точностью ±0,1 г. Яблоки сушили до достижения конечного содержания влаги (6% по весу).
Инфракрасная сушка (ИК) проводилась с помощью кварцевого инфракрасного нагревателя, при этом для эффективной сушки использовалась эффективность преобразования электрической энергии в инфракрасную энергию почти 80%. Стенка камеры была изготовлена из алюминизированной стали длиной 15 см, шириной 15 см и высотой 25 см и снабжена единственным дверным отверстием вверху, которое позволяло вставлять и извлекать образец. В сушильной камере над опорой образца располагалась пара излучателей из кварцевого стекла (220 В, максимальная мощность одной лампы 300 Вт). Инфракрасное излучение с длиной волны, выраженной в микронах, можно точно измерить, контролировать и наносить на продукт. Длина волны излучения составляла 2,4–3,0 мкм, а интенсивность нагрева поддерживалась на уровне 5 кВт/м2 (интенсивность инфракрасного излучения обычно выражается как мощность излучения на единицу площади).
Излучатель из кварцевого стекла расположен на расстоянии 15 см от поверхности яблока. Лоток для образцов поддерживали на весах для отслеживания изменения веса образца во время сушки. Образцы равномерно распределяли монослоем на алюминиевом подносе. В верхней части камеры было предусмотрено отверстие для выхода влажного воздуха. Эксперимент проводился при температуре сушки 60°С. Температуру эмиттера и относительную влажность измеряли измерителем типа Testo 4510 (Testo GmbH, Германия) в верхней части камеры. Однако относительная влажность не контролировалась во время лабораторных испытаний.
Сублимационная сушка (FD) осуществлялась в лабораторной лиофилизаторе. В процессе FD кубики яблок равномерно распределяли в один слой на подносе из нержавеющей стали. Образцы яблок (100 г) замораживали при температуре -21°С в морозильно-нагревательной камере и лиофилизировали до влажности 5–6 % (в.в.) при абсолютном давлении 85–90 Па с температурой камеры 20°С. °C и температура конденсатора -48 °C. В яблочные кубики были вставлены термопары (четыре штуки) сублимационной сушки. За потерей веса образцов следил регистратор данных, а RS-232, подключенный к компьютеру, регистрировал данные с ячейки платформы, расположенной внутри камеры для образцов.
Для гибридной или комбинированной сушки образцы яблок сушили с помощью сушилки FD путем соединения с устройствами HAD и IR перед этапом сублимационной сушки до тех пор, пока конечное содержание влаги не составляло 4,88–6,03% (по массе). Образцы после процедуры предварительной сушки (HAD, IR) сразу помещают в ФД. Экспериментальные образцы сушили ГАД при 60°С в течение 3 ч (ГАД-ФД1), ГАД при 80°С в течение 3 ч (ГАД-ФД2), ИК при 60°С в течение 3 мин (ИК-ФД3), ИК при 60°С. Для дальнейшей оценки качества были выбраны °C в течение 4 минут (IR-FD4) и IR при 60 °C в течение 5 минут (IR-FD5), затем высушенные FD. Параметры сушки соответствуют указанным выше (баллы 1–3).
Измерение энергопотребления сушилок. Энергия, используемая в процессе сушки и нагрева, важна для производственных процессов в промышленном и домашнем секторах. Однако цена энергии чрезвычайно высока; следовательно, существует сильный стимул изобретать процессы, которые будут эффективно использовать энергию. В настоящее время широко используемые процессы сушки сложны и неэффективны; более того, это, как правило, вредно для окружающей среды. Что необходимо, так это упрощенный и менее затратный подход к этому процессу, который можно будет воспроизвести в ряде ситуаций (Jindarat et al., 2011). Общее потребление энергии (E, кВтч) во время FD, HAD-FD и IR-FD измерялось с помощью счетчика энергии. Анализ проводился в трех экземплярах.
Измерение цвета
Цвет кубиков яблок измеряли непосредственно перед сушкой и сразу после нее с помощью колориметра. Колориметр (осветитель Д65, угол наблюдения 10°) калибровали по стандартной керамической белой плитке. Для каждого эксперимента по сушке измерение цвета проводили на десяти высушенных образцах и значения цвета сравнивали со значениями цвета свежих образцов (контроль). Для оценки цвета использовали порошок, полученный путем измельчения высушенного материала в бытовом миксере. Спектрофотометр поставляется со специальным адаптером. Адаптер MA38 преобразует пятно сканирования с 3,5 до 38 мм. Это устройство можно использовать для измерения яблочного порошка (образцы исследовались с разных точек). Все эксперименты проводили в трех экземплярах и сообщали средние значения.
Определение активности воды (aw) Активность воды (aw) показывает, насколько прочно вода связана в пищевом материале. К продуктам с низкой активностью воды относятся продукты с уровнем активности воды ниже 0,8. Таким образом, целевой aw сушеных продуктов составлял 0,6, общий уровень пределов роста дрожжей, плесени и бактерий (Shi et al., 2008). Примерно 3 г нарезанных образцов сушеных яблок помещали в держатель образцов ауметра Novasina Labmaster (модель CH-8853, Novasina AG, Швейцария). Температура и продолжительность испытаний составляли 25°С и 30 мин. Тесты повторялись трижды.
Испытание текстуры (твердости)
Текстура считается одним из наиболее важных критериев пищевых качеств сушеных кубиков яблок. Характеристики текстуры свежего и обезвоженного яблока измеряли с помощью анализатора текстуры CT3-4500, оснащенного сферическим зондом. Испытание на сжатие было проведено для построения графика зависимости силы (Н) от времени (с). Этот график использовался для определения значения твердости. Использованные параметры были следующими: датчик силовой нагрузки 4,5 кг, испытательная скорость 2 мм с-1, расстояние перемещения 20 мм и диаметр цилиндрического зонда 4 мм. Максимальная глубина проникновения составляла 3 мм, сила спуска — 10 г. Пластина диаметром 115 мм (поворотный стол) использовалась в качестве основания при сжатии образцов яблок.
До проведения анализа образцы хранили при комнатной температуре при 23°С. Измерения пенетрометра выражаются в Ньютонах (Н). Было протестировано десять образцов и выведены средние значения.
Процесс регидратационной способности
Характеристики регидратации высушенного материала всегда используются в качестве показателя структурного качества и во многом зависят от используемых условий дегидратации. Измерение коэффициента регидратации воды было основано на следующем: процедура. 100 мл дистиллированной воды доводили до температуры 22°С на водяной бане постоянной температуры. Затем точную навеску высушенного материала массой 0,5 г помещали в пластиковый сосуд и погружали на 30 и 60 мин. После этого образцы вынимали (когда время достигало 30 и 60 мин) и промокали папиросной бумагой для удаления излишков воды на поверхности. Массу высушенных и регидратированных образцов измеряли с помощью электронных цифровых весов, имеющих чувствительность 0,1 г. Значения RR определяли в трех повторностях.
Результаты
Кинетика сушки при сушке ФД, ХАД-ФД и ИК-ФД. Время, необходимое для сушки яблока, и конечная влажность образца при различных режимах обезвоживания представлены в таблице 3. Сокращение времени сушки составило от 45,5% до 27,3% при гибридной сушке (IR-FD и HAD-FD) соответственно по сравнению с сублимационной сушкой (FD). Из рис. 1 видно, что традиционный процесс ФД требует наибольшего времени сушки (22 часа). Это связано с тем, что FD в условиях вакуума передает тепло сублимации за счет проводимости. Скорость теплопередачи низкая, поэтому сушка занимает много времени. Требуемое время сушки HAD-FD1-2 и IR-FD3-5 для получения конечных продуктов составило 16, 14, 14, 12 часов соответственно. Сублимационная сушка с использованием инфракрасного излучения (IR FD4-5) значительно сократила время сушки по сравнению с сублимационной сушкой горячим воздухом (HAD FD1-2) в обоих случаях. Результаты показали синергетический эффект IR-FD сушки. Сокращение времени сушки может привести к потреблению меньшего количества энергии для обработки.
Кривая сушки начинается с периода прогрева (при IR и HAD), когда материал нагревается. В период заморозки (при ФД) материал охлаждается. По мере прогрева образца (замораживание – через 0,5 ч после прогрева на FD) скорость сушки увеличивается до пиковой скорости сушки, которая сохраняется в течение периода времени, известного как период постоянной скорости сушки. Со временем влажность материала падает до уровня, известного как критическая влажность, при котором невозможно поддерживать высокую скорость испарения. Это начало периода снижения скорости высыхания. Не был обнаружен период постоянной скорости сушки или очень короткий этап на кривой ИК-сушки. Это могло быть связано с быстрым высыханием поверхности образца при высокой температуре. Можно заметить, что соотношение влаги уменьшается со временем высыхания. Влияние температуры на сушку существенно при сушке горячим воздухом (HAD). При повышении температуры с 60°С до 80°С время высыхания сокращается на 2 часа. Однако очень высокая температура воздуха (выше 80°C) может привести к нестабильности продукта, что приведет к снижению его качества (Kerekes & Antal, 2006).
Гибридная сушка имела более высокую среднюю скорость массопереноса, что приводило к более короткому времени сушки по сравнению с сушкой FD. Свободная вода (большое количество влаги) быстро удаляется в начале процесса IR и HAD, что ускоряет скорость высыхания ФД. ИК-сушка имела гораздо более высокую скорость сушки по сравнению с сушкой HAD при той же температуре сушки (60°C). HAD — это медленный процесс, основанный на теплопроводности от внешней поверхности внутрь. Быстрая диффузия влаги и прямая передача тепла материалу за счет инфракрасной сушки (ИК) привели к более быстрому процессу сушки. Поскольку нагрев эмиттера из кварцевого стекла обеспечивает излучение среднего инфракрасного диапазона, что означает большую глубину проникновения, излучение накапливалось в материале (внутреннем слое).
По данным исследования, кинетика сушки яблок с помощью инфракрасной энергии зависела от расстояния между излучателями и поверхностью образца. Снижение времени ИК-ФД обработки почти на 14,3% наблюдалось при увеличении времени ИК-сушки с 3 до 4–5 мин. MR IR экспоненциально уменьшался со временем высыхания. Сообщается, что лиофилизированные грибы, приготовленные в среднем инфракрасном диапазоне, имели более низкое потребление энергии по сравнению с продуктом FD. Замечено, что потребление электроэнергии IR-FD4 и IR-FD5 практически одинаково. Это связано с тем же временем сушки при финишной сушке ФД (12 ч), которое дополнительно увеличивается на 4 и 5 мин (при предварительной сушке ИК).
Потребление электроэнергии в процессах сушки
Потребление энергии для сушки оценивалось на основе потребляемой мощности. Результаты представлены на рис. 3. Значения энергопотребления для режима сушки IR-FD4-5 были несколько ниже (6,52 и 6,53 кВтч) по сравнению с сушкой HAD-FD2 (6,7 кВтч) яблока. Гибридная сушка IR-FD3-5 и HAD-FD1-2 также дала значительно более низкие значения поглощения энергии (7,78, 6,7 и 7,58, 6,52, 6,53 кВтч), чем сушка FD (11,88 кВтч). Это может быть связано, прежде всего, с более высокой скоростью сушки и меньшим потреблением энергии ИК. Это связано с тем, что инфракрасные волны могут проникать внутрь яблока, где они преобразуются в тепловую энергию, обеспечивая механизм быстрого нагрева. Потребление энергии, полученное в процессе сушки с использованием FD, было почти в два раза выше, чем у IR-FD4-5 и HAD. -ФД2. Эту тенденцию наблюдали и другие исследователи (Xu et al., 2005). Кроме того, уменьшаются точки изменения кривой сушки, а также существенно снижается потребление энергии, за исключением IR-FD5.
Оценка качества
В литературе показано изменение цвета образцов яблок Айдаред, подвергнутых различным методам сушки. Значения цвета, измеренные с использованием системы измерения цвета, как общее изменение цвета (ΔE), показали меньшие различия для образцов, высушенных сублимацией с помощью инфракрасного излучения (IR-FD), по сравнению с FD.
Цвет поверхности не изменился существенно за короткое время обработки. Кроме того, в случае обработки с относительно высокой интенсивностью излучения (5 кВт·м-2) происходило неприемлемое изменение цвета после 6-минутной сушки. Предварительно высушенный продукт HAD имел большее изменение цвета (ΔE), чем яблоко, предварительно высушенное IR. По сравнению с кубиками свежего яблока ΔE в образцах ФД увеличилась на 5,01. Для исследованного свежего яблока параметр а* является отрицательным, что указывает на зеленый цвет образцов яблок. Было обнаружено, что светлота (L) яблока HAD-FD уменьшалась, а ΔE яблока HAD-FD значительно увеличивалась с увеличением температуры горячего воздуха (с 60°С до 80°С), тогда как краснота (а) увеличивалась с увеличением температуры горячего воздуха. из-за реакции потемнения, происходящей в процессе обезвоживания. Низкий параметр L⃰ указывал на то, что цвет предварительно высушенного продукта HAD смещается в сторону более темной области.
Сушеное яблоко FD и IR-FD дает несколько более высокие значения светлоты (L), покраснения (а) и желтизны (b). Значения параметра L* кубиков яблок, высушенных FD и IR-FD, увеличиваются по сравнению со значениями, измеренными на свежем образце, таким образом, яркость обработанного яблока улучшается за счет сушки FD и IR-FD. Скорость замораживания оказывает заметное влияние на легкость лиофилизированных образцов: замороженные ломтики яблок сохраняют более белый цвет. Аналогично нашим результатам, Boudhrioua et al. (2009) установили, что значение параметра L⃰ ИК-высушенных листьев оливы увеличивается по сравнению с легкостью образцов свежих листьев оливы. По данным Пана и др. (2008), предварительная ИК-сушка привела к значительно более высоким значениям светлоты (L) и желтизны (b) ломтиков банана, чем у свежих образцов и образцов FD. Гибридная сушка приводит к ухудшению показателей зелености (а). Фактически, параметр цвета a* становится положительным. Было обнаружено, что светлота (L) яблока IR-FD уменьшалась, а покраснение (а) и желтизна (b) яблока IR-FD увеличивались с уменьшением точки изменения кривой сушки.
Выводы
Была изучена сушка кубиков яблок с использованием сублимационной сушки (FD), сублимационной сушки горячим воздухом (HAD FD) и сублимационной сушки с использованием инфракрасного излучения (IR-FD). Было исследовано влияние процессов сушки на потребление энергии, цвет, активность воды, твердость и коэффициент регидратации. При обработке образцов гибридной сушкой (HAD-FD и IR-FD) скорость сушки была выше. Наблюдалось уменьшение времени обработки всех точек смены по сравнению с одностадийной сушкой ФД. Сушка HAD-FD и IR-FD значительно сокращает время обработки (27,3–45,5 %) и потребляет значительно меньше электроэнергии (34,5–45,1 %) по сравнению с FD. Сушка с применением IR происходит намного быстрее, чем HAD, а продукт, предварительно обработанный IR, имел значительно лучшее качество (цвет, активность воды, твердость и коэффициент регидратации).
Согласно нашему экспериментальному исследованию, методы IR-FD3-5 лучше по сравнению с FD по времени сушки, энергопотреблению и степени регидратации. Предварительная ИК-сушка позволила получить значительно более твердую текстуру продукта по сравнению с сушкой FD. Показано, что сушка FD сохраняет цвет образцов яблок Айдаред. Однако на общее изменение цвета существенно влияют гибридные методы сушки по сравнению с FD. Общая разница в цвете предварительно высушенных продуктов FD и IR была незначительной. Увеличение температуры с 60°C до 80°C показало, что сокращение времени сушки оказало существенное негативное влияние на качество продукции HAD-FD.
Применяемые математические модели – Хендерсона-Пабиса и полином третьей степени – хорошо зарекомендовали себя для описания поведения процесса сушки на основе статистических параметров, таких как коэффициент детерминации и среднеквадратическая ошибка. Процесс сушки, сочетающий инфракрасное излучение (время обработки: 5 минут) и лиофилизацию, представляет собой потенциальную альтернативу сублимационной сушке яблок. Необходимы дальнейшие исследования для определения адекватной точки изменения кривой сушки и химического компонента конечного продукта.