Влияние условий сублимационной сушки на выбранные физические свойства материалов. Давление и скорость замерзания

Камера низкого давления

Применение адекватных рабочих параметров лиофилизации, в том числе рабочего давления, может существенно повлиять на ход процесса, а также на качество получаемых продуктов. Апельсиновое пюре подвергали сублимационной сушке при различных давлениях внутри камеры (5 и 100 Па). Наблюдался значительный эффект давления на цветовые характеристики. Низкое давление привело к более высоким значениям светлоты L* и более низким значениям цветности C*. Образцы, высушенные при более высоком рабочем давлении, были более темными и имели насыщенный цвет. Увеличение рабочего давления с 12 до 100 Па приводило к уменьшению L*, а также к увеличению желтизны и зелени лиофилизированного киви.

Проводилась лиофилизация пластинок папайи при трех различных уровнях давления в камере и при постоянной температуре полки 20°С. Все показатели цвета были одинаковыми для образцов, высушенных при рабочем давлении 28 и 77 кПа. Применение более низкого давления 9 кПа привело к увеличению значений L*, b* и DE (общее цветовое различие), но к уменьшению значения a*. Также наблюдалось уменьшение значения L* при более высоком давлении для сублимированной клубники, что сопровождалось значительной усадкой образца. Прилагаемое давление во время сублимационной сушки должно быть ниже 50 Па, чтобы уменьшить усадку образцов фруктов, таких как клубника.

Рабочее давление не оказало очевидного влияния на кажущуюся плотность, плотность твердого вещества и пористость лиофилизированной папайи. Несколько более высокая пористость зафиксирована у образцов, высушенных при наименьшем давлении 9 кПа. СЭМ-микрофотографии показали, что давление во время лиофилизации оказало заметное влияние на изменения поверхности и структуры конечного продукта. Образцы, полученные при 28 кПа, характеризовались менее разрушенной и более однородной и пористой структурой, чем образцы папайи, высушенные при 9 и 77 кПа, в структуре которых присутствовали плотные сухие слои и крупные полости. Также наблюдалась более высокая пористость и увеличение количества крупных пор в случае применения более низкого рабочего давления для сублимированного картофеля, грибов и клубники. Насыпная плотность этих лиофилизированных материалов уменьшалась вместе с уменьшением приложенного давления (с 1,5 до 0,06 мбар).

Давление оказывает сильное влияние на процесс сублимации, особенно на температуру сублимации льда. Удаление льда сублимацией создает поры и зазоры с разными характеристиками. Следовательно, желаемую пористость, плотность и конечное содержание воды можно получить, манипулируя параметрами сублимационной сушки.

Дескрипторы структуры, такие как плотность и пористость, могут характеризовать текстуру высушенных продуктов. Кроме того, образование пор и их распределение в продуктах при сушке позволяет проектировать процесс и влияет на многие различные свойства, например, на текстурные свойства пищевых продуктов.

Различные рабочие давления незначительно влияли на силу разрушения сушеного апельсинового пюре, хотя эффект был статистически значимым. Авторы предположили, что более низкое технологическое давление может привести к созданию высушенного продукта с более устойчивой к разрушению текстурой. Напротив, отмечалось, что более низкое давление вызывает уменьшение силы проникновения.

Более высокая сила, зафиксированная для образцов киви, полученная при более высоком давлении, была связана с разрушением структуры во время вымораживания сушки. Процесс происходит без нагрева пластин. Следовательно, повышение давления вызвало повышение температуры лиофилизации, что приводило к разрушению образцов.

Скорость замерзания

Замораживание материалов перед процессом сублимации также является важным этапом создания сублимированных продуктов. Скорость замораживания влияет на структуру замороженного и высушенного материала. Цветовые характеристики лиофилизированного апельсинового пюре, которое было заморожено при низкой скорости (45 C в обычной морозильной камере) и быстрой скорости (38 C в камере шоковой заморозки), характеризовались схожими средними значениями. Скорость замерзания также не оказала существенного влияния на текстуру. Кроме того, медленное и быстрое замораживание не повлияло на цветовые показатели и текстуру образцов лиофилизированной моркови.

Однако применение быстрого замораживания в жидком азоте вместо медленного замораживания (бытовая морозильная камера при 15 С) снизило усадку лиофилизированных образцов моркови с 3,2% до 2,2%. Влияние скорости замораживания на свойства сублимированных продуктов может быть связано с исходной структурой и составом материалов. Сообщалось, что текстура, степень спелости и содержание влаги в растительных тканях оказывают значительное влияние на процесс сублимационной сушки. На скорость сублимационной сушки также могут влиять плотность загрузки, высота слоя продукта, поверхность продукта и емкость конденсатора.

Образцы яблок замораживали до температуры 25°С с разными скоростями 0,5, 2 и 3°С/мин, а затем лиофилизировали. Медленная заморозка сократила время сушки на 8,3% по сравнению с самой быстрой заморозкой. Медленная скорость замораживания вызывала повреждение клеточной стенки, что способствовало удалению влаги. Уменьшение скорости охлаждения также привело к более мягкой текстуре яблок и более высокой регидратационной способности.

Структура лиофилизированной системы мальтодекстрин–агар показала, что при температурах замерзания 40 и 80 С образуется больше гетерогенных пор, чем при 20 С. Более низкие температуры замерзания и более высокие скорости нуклеации создали однородные структуры с более однородными и мелкими порами. Более высокие температуры замерзания привели к менее быстрому зародышеобразованию и более длительному времени роста кристаллов льда, что привело к появлению крупных пор. Гель мальтодекстрин-агар, замороженный при температуре 80°С и лиофилизированный, оказался наиболее устойчивым к сжатию. Было установлено, что быстрое замерзание вызвало образование корки. Продукт также имел меньшие поры и более тонкие мембраны. Кроме того, были существенно ограничены зазоры между стенами. По этой причине более высокая скорость замораживания привела к увеличению механической прочности лиофилизированных материалов. Аналогичный эффект повышения устойчивости к сжатию, вызванный более высокой скоростью охлаждения, наблюдался для лиофилизированных альгинатных гелей.

Резюме и выводы

Цитируемая литература по анализу явлений, происходящих в течение всего процесса сублимационной сушки, исходит главным образом из области фармации. Сохранение биологической активности этой группы продуктов как после обработки, так и после периода хранения является первоочередной целью. Поэтому было проведено множество исследований, касающихся влияния отдельных стадий сублимационной сушки на конечную активность продукта. Поэтому современный технолог должен приложить все усилия, чтобы сохранить не только вещества, заметные потребителю, но и витамины и другие биологически активные вещества, часто весьма лабильные, разрушающиеся в процессе переработки.

В представленных статьях также показано влияние условий технологического процесса на физические свойства сублимированных продуктов. Это анализировалось некоторыми авторами, главным образом, в отношении усадки и пористости высушенного материала. В небольшом диапазоне исследовали текстуру лиофилизированного продукта, полученного при различных параметрах процесса, таких как температура полки, давление в камере и скорость замораживания.

Текстура — основная характеристика, оцениваемая потребителями. Это было удивительно, поскольку текстурные свойства продуктов питания тесно связаны с сенсорным анализом пищевых продуктов. Дополнительные публикации можно найти относительно цвета высушенного материала. Это также важно, поскольку изменение цвета в процессе лиофилизации дает некоторую информацию о разложении биологически активных соединений, таких как антиоксиданты.

Следует понимать, каким изменениям подвергается выбранный материал на каждом этапе сублимационной сушки, и параметры каждого этапа следует подбирать исходя из специфики сырья. Выбор условий сублимационной сушки пищевого материала следует осуществлять исходя из характеристик сырья, таких как состав (содержание воды, наличие сахаров, белков и биологически активных соединений), тип материала (ткани, жидкий материал, полужидкий материал и гель) и температура стеклования пищевых продуктов.

Выбор параметров сублимационной сушки иногда произволен, но он должен основываться на предварительных исследованиях, поскольку каждый пищевой материал различен, и невозможно использовать некоторые параметры сублимационной сушки для всех типов пищевых продуктов. Контроль подачи тепла необходим, чтобы не превысить температуру плавления, что может привести к деградации материала. Такой контроль обеспечит сокращение времени сушки и более равномерную концентрацию связанной воды в конце вторичной сушки. Это способ добиться высокого качества продукта.