Физико-химические и структурные изменения пищевых продуктов в процессе переработки могут существенно повлиять на качество конечного продукта. Изменение цвета и отсутствие стабильности цвета являются важными проблемами, возникающими во время обработки и хранения пищевых продуктов. Кроме того, процедуры обработки влияют на пористость, текстуру, вкус, удержание питательных веществ и сорбцию материалов. Применение процесса сушки приводит ко многим изменениям физических, химических и пищевых свойств пищевых продуктов. Сублимационная сушка является менее разрушительным процессом, чем сушка на воздухе и сушка распылением. По этой причине лиофилизация признана лучшим методом обезвоживания пищевых продуктов. Для получения сублимированного продукта надлежащего качества необходим контроль скорости замораживания, уровня температуры, общего давления газа и конечного среднего содержания влаги.
Параметры процесса сублимационной сушки могут существенно влиять на многие качественные характеристики пищевых продуктов и других материалов, подвергающихся такому виду обезвоживания. Температура нагревательной пластины является одним из параметров, играющих важную роль в создании структуры материала при сублимационной сушке. Нежелательные изменения в структуре материала могут быть результатом применения неподходящей температуры в процессе. Чрезмерное разрушение структуры может привести к снижению скорости сублимационной сушки при вторичной сушке, а также к ухудшению многих характеристик изделий, связанных с текстурой, пористостью, объемом, формой, липкостью, регидратационной способностью и стабильностью.
Показано, что подходящие условия процесса сублимационной сушки были определены многими исследователями методом проб и ошибок. Пищевые материалы различаются по структуре, исходной влажности и составу, и их поведение при сублимационной сушке прогнозировать сложно. Однако был предложен иной подход, основанный на сочетании динамического моделирования с эффективным и оптимизированным офф-лайн и онлайн-управлением процессом сублимационной сушки для получения требуемого качества продукции.
Механизмы сушки и порообразования, а также стабильность продуктов различны на первичном и вторичном этапах сублимационной сушки. Сублимация льда является самой длительной частью процесса сушки и требует больше энергии, чем стадия вторичной сушки. По этой причине была проведена обширная работа по разработке соответствующих циклов сублимационной сушки и особенно первичной сушки для различных пищевых продуктов.
Применялась различная температура хранения (20, 30 и 40°С) на первичном этапе лиофилизации растворов гуммиарабика с концентрацией 20–60%. Вторичную сушку проводили при температуре 20°С и постоянном давлении в камере 0,1 мбар. Исследование показало, что эффект вспучивания был значительным для 60%-ной концентрации гуммиарабика в образце, когда сушка происходила при температуре полки 30 и 20°С. Пористость лиофилизированного гидроколлоида также была выше при более высоких температурах. полку во время первичной сушки. Температур 20 и 30°С было недостаточно для охлаждения образца, поскольку эти температуры превышали точку плавления.
В литературе описано влияние температуры нагрева полки на показатель качества и время сушки различных сублимированных продуктов. Грейпфрутовое пюре подвергали сублимационной сушке при комнатной температуре без подогрева полки и при температуре полки 40 С. Было замечено, что повышение температуры полки приводило к сокращению времени сушки более чем на 50%.
Традиционная сублимационная сушка грибов (Cordyceps militaris) также показала значительное сокращение времени сушки примерно на 37% при повышении температуры процесса с 40 до 70 C. Скорость сублимации обычно выше при более высоких температурах, но материал, высушенный при чрезмерных температурах, может разрушиться и потерять пористую структуру, созданную в процессе замораживания. Чтобы контролировать стабильность продукта, особенно на этапе вторичной сушки, температура продукта должна быть ограничена от 10 до 35 C для термочувствительных материалов, а для менее термочувствительных материалов температура может быть выше 50 С.
Более высокие температуры сублимационной сушки на вторичном этапе ускоряют процесс сушки, поскольку для удаления оставшейся воды в материале требуется больше энергии. Однако слишком высокая температура может вызвать таяние льда на этапе сублимационной сушки, что приведет к структурным изменениям, таким как усадка. Выбор подходящей температуры на полке должен основываться на балансе между подачей и требуемым теплом. Кроме того, окончательное качество высушенного материала является решающим фактором при разработке процесса сублимационной сушки.
Сообщалось, что применение более высоких температур при сублимационной сушке фруктового пюре позволило им получить продукт более высокого качества и с меньшими затратами процесса за счет сокращения времени сушки. Повышение температуры полки от комнатной до 40 С способствовало незначительному увеличению пористости лиофилизированного грейпфрутового пюре с 0,81 до 0,83. Кроме того, увеличилась и средняя площадь пор. Результаты работы могут свидетельствовать о том, что изменилась не только структура материала, но и снизилась механическая стойкость (сила разрушения) материала, высушенного при более низкой температуре нагревательной пластины.
Физические свойства описывают некоторые характеристики пищевых продуктов, которые особенно важны для покупателей, такие как форма, объем, цвет и текстура пищевых продуктов. Пористость лиофилизированного продукта является важным фактором, определяющим его качество. Размер пор и их распределение в материале оказывают существенное влияние на текстуру пищевых продуктов, особенно на их свежесть и хрусткость. В литературе представлены работы по взаимосвязи температуры полки, а также плотности, усадки и пористости сублимированных продуктов.
Отмечаются тенденции к уменьшению кажущейся пористости и увеличению кажущейся плотности с повышением температуры полки в диапазоне от 45 до 15 С для морского ушка, картофеля и финика коричневого. Об аналогичной тенденции сообщалось для сублимированного картофеля, моркови и бананов. Однако для лиофилизированных фруктов, таких как яблоки и желтые финики, кажущаяся пористость увеличивалась с увеличением температуры пластины. Усадка материала также была меньше. Концепция стеклования, которая утверждает, что значительные изменения кажущейся пористости (уменьшение порообразования) и коллапс структуры происходят при температуре Tg или близкой к ней, не может быть применена ко всем высушенным продуктам.
Механизм образования пор и усадки при сушке может быть различным для пищевых продуктов из-за их различной структуры, состава, начальной пористости материалов, разнообразия, спелости, размера, формы, предварительной обработки перед сушкой и условий процесса. Некоторые конструкции также могут быть более устойчивыми к разрушению в процессе высыхания. Исследования показали, что применяемая температура хранения 5, 15 и 25°С не влияет на конечную пористость и кажущуюся плотность сублимированного чеснока. Однако исследование показало, что пористость непрерывно увеличивалась с уменьшением содержания воды в материале в процессе сушки при температуре полки 5 С, тогда как при более низких температурах полки общая тенденция была аналогичной, но колебание пористости (падение) происходило при была достигнута критическая влажность. На этом этапе предполагалось, что в высушенном материале не осталось льда и влияние температуры на порообразование не наблюдалось.
Тип материала и его состав могут влиять на усадку лиофилизированного продукта. Усадка материала существенно не различалась при различных температурах хранения 20, 40 и 70°С для сублимированных яблок (13%) и клубники (8%). Это соответствовало исследованиям для лиофилизированной цельной клубники при различных температурах в диапазоне от 30 до 70 С. Это исследование показало, что величина усадки также не зависит от температуры на полке, но количество разрушившихся плодов увеличивается с увеличением температуры нагрева. В случае с грушами высокая температура полки (70 С) вызывала максимальную усадку образца на 12 %, а при более низких температурах приводила к снижению этого параметра примерно до 6 %. Был сделан вывод, что склонность к усадке образца груши при высоких температурах сублимационной сушки может быть связана со стеклованием груши.
Пористая структура высушенных изделий может влиять на цветовые характеристики, особенно на легкость материала из-за наличия воздушных пустот и пор. Определение цветовых показателей сушеных продуктов имеет решающее значение, поскольку цвет продукта является одним из основных критериев качества, оцениваемых потребителями. Изменения цвета высушенных продуктов могут быть индикатором нежелательной термической деградации многих биологически активных соединений.
Влияние температуры полки на цвет различных продуктов анализировалось в ряде публикаций, где применяли различные температуры хранения (20, 40 и 60 C) во время сублимационной сушки пюре из красного перца. Время процесса сократилось более чем вдвое за счет повышения температуры полки в диапазоне 20–60 С. Аналогичная тенденция наблюдалась при сушке цельной и размолотой клюквы при повышении температуры нагревательной пластины с 30 до 70°С. Время высыхания сократилось примерно на 40%. Сублимационная сушка перцового пюре увеличила его светлость и желтизну по сравнению со свежим материалом. Однако покраснение уменьшилось при 20 C, но усилилось при 40 и 60 C. Как правило, длительное время сушки перца при 20 С и применение высокой температуры 60 С приводили к снижению интенсивности окраски из-за деградации каротиноидов. Сублимационная сушка мякоти клюквы и целых плодов с повышением температуры хранения вызывала увеличение светлоты, красноты и интенсивности окраски. Интенсивная термическая обработка вызвала изменение цвета в результате деградации красноватых антоциановых пигментов.
Отмечается, что светлота лиофилизированной кожицы и мякоти не менялась с увеличением температуры нагревательной пластины. Однако температура хранения выше 60 С привела к небольшому уменьшению светлости клубники, что может быть связано с наличием темно-коричневого цвета на поверхности плода. Побурение кожицы приводило к значительному уменьшению цветовых координат, что было вызвано чрезмерным нагревом продуктов и непотемнением или реакцией Майяра. Аналогичные явления наблюдались для сублимированных яблок, когда температура нагревательной полки превышала 55 С.
При сублимационной сушке апельсинового пюре не наблюдались изменения светлоты L* при повышении температуры процесса от 30 до 50 С, однако цветность С* усиливалась при более высоких температурах полки 40 и 50 С и угол оттенка уменьшался при температуре ниже 50 С.
Исследовались изменения цвета яблок, груш и клубники во время сублимационной сушки при температуре хранения 20, 40 и 70°С. Цветовые характеристики яблок и груш существенно не различались при более низких температурах нагрева 20 и 40°С. Кроме того, в случае клубники увеличение значения b* по сравнению с сырьем было вызвано непосредственно процессом сублимационной сушки, а не интенсивностью нагрева. Более высокая температура повлияла на потемнение груши и яблока. Температуру стеклования использовали как индикатор возможных изменений цвета. Наибольшее значение Tg наблюдалось у клубники, а наименьшее – у груши. Был сделан вывод, что клубника должна быть менее чувствительна к ухудшению цвета, чем груша, при тех же условиях сублимационной сушки.
Сообщалось, что повышение температуры нагревательной полки до 70 C не оказало существенного влияния на цвет и объем сублимированной клубники. При сублимационной сушке грейпфрутового пюре нагрев материала до 40 С не повлиял на цвет конечного продукта [16]. Замечено, что при сублимационной сушке закуска из мандарина сохраняет оранжевый цвет, характерный для этого типа фруктов. Хотя добавление биополимеров (арабская камедь, изолят сывороточного протеина WPI) повлияло на цвет снека сильнее, чем повышение температуры хранения до 40 С.
Текстура является одним из наиболее важных показателей при оценке качества пищевых продуктов. Полуэмпирические модели использовались для описания механических свойств пористых пищевых продуктов на основе изменения плотности во время обработки. Кроме того, для прогнозирования текстурных свойств пищевых продуктов на основе их микроструктуры применялось моделирование методом конечных элементов. Помимо механических свойств, пористость и плотность также используются для характеристики некоторых текстурных особенностей высушенных продуктов. Переменные состояния (температура, влажность, деформация при сушке), состояние материала (стекловидное и эластичное) и внешней среды, а также другие условия сушки могут существенно влиять на конечную текстуру высушенных продуктов. Многочисленные публикации показали, что процесс сушки влияет на механические свойства различных материалов. Влажный материал, подвергнутый сушке, часто оказывается вязкоупругим, и по мере развития процесса обезвоживания продукт становится более хрупким при малом содержании влаги.
Влияние температуры на полке на текстуру сублимированных продуктов можно обнаружить в нескольких научных исследованиях. Отмечается, что сжатые цилиндры лиофилизированного апельсинового пюре, полученные при более высокой температуре полки, вели себя так же, как материал с более высокой жесткостью. Кроме того, значения наклона кривой разрушения были связаны с сопротивлением образца и ростом деформации с повышением температуры полки. Высокая температура 50 C создала механическую жесткость лиофилизированного продукта до его разрушения. Это было важной особенностью высушенного материала, поскольку могло быть связано с более высокой механической стойкостью продукта во время его транспортировки.
Тесты на проникновение использовались для оценки текстуры лиофилизированной клубники после регидратации. Было обнаружено, что температура нагревательной пластины не оказала существенного влияния на текстурные свойства регидратированной клубники. Аналогичная тенденция наблюдалась и для сублимированных яблок. Минимальное ухудшение текстуры сублимированной клубники наблюдалось при следующих оптимальных условиях процесса: температура хранения 15 С и скорость повышения температуры 1,6 С/мин или температура хранения 45 С и скорость нагрева 0,4 С/мин. Применение низкой температуры полки и высокой скорости нагрева позволило им сохранить целостность ячеек. Высокая температура полки при низкой скорости нагрева предотвращала расплавление и коллапс клеток.
Испытание на прокол применялось для измерения некоторых механических свойств лиофилизированной мандариновой закуски. Исследование показало, что нагрев полок от комнатной температуры до 40°С оказал существенное влияние на текстуру. Сила разрушения и площадь под кривой прокола уменьшались, но количество пиков увеличивалось с увеличением температуры шельфа. Образец без включения биополимера, лиофилизированный при 40 С, оценивался как хрустящий продукт со всякой хрупкой структурой, однако он был более стабилен при хранении по механическим параметрам, чем снек, полученный при более низкой температуре нагрева. Исследовалось влияние температуры хранения (30, 40 и 50°С) на текстуру лиофилизированных драцен во время вторичной сушки. Мякоть высушивалась при температуре 40 С и характеризовалась наименьшей твердостью и наибольшей хрустящей корочкой. Однако при повышении температуры твердость цедры существенно не менялась, но увеличивалась ее хрусткость.
Текстурные свойства высушенного материала тесно связаны с содержанием в нем воды и активностью воды. Хотя эти параметры важны для правильной оценки многих других свойств сублимированных пищевых продуктов, было замечено, что многие исследователи не всегда измеряют и контролируют значения содержания воды и активности воды после лиофилизации. В литературе приводятся значения активности воды и содержания воды, полученные для лиофилизированных материалов в различных условиях эксплуатации. Содержание воды для большинства лиофилизированных продуктов варьировало от 0,01 до 0,1 г/г св. м, а активность воды — от 0,08 до 0,330.