Model suszenia mikrofalowo-podciśnieniowego owoców i warzyw

• Autorzy: Łapczyńska-Kordon B.

Warianty tytułu

EN

The microwave-vacuum drying model for fruit and vegetables

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Na podstawie przeprowadzonych własnych badań kinetyki suszenia oraz danych literaturowych można stwierdzić, że suszenie owoców i warzyw metodą mikrofalowo-podciśnieniową znacznie skraca czas suszenia w porównaniu do konwekcyjnego oraz poprawia jakość suszu. Stwierdzono, że występują znacznie mniejsze zmiany w strukturze wewnętrznej, zawartości witaminy C, beta karotenu w produkcie oraz charakteryzuje się on lepszą podatnością na rehydratację, a także barwą w porównaniu z produktem suszenia konwekcyjnego. Przekroczenie pewnej granicznej mocy przypadającej na jednostkę masy suszonego materiału powoduje jego spalenie. Poza tym jest to metoda bardziej energochłonna w porównaniu do metody konwekcyjnego suszenia. Dokładne poznanie procesów zachodzących w materiale i zmian jego właściwości oraz wpływu parametrów na te zmiany podczas suszenia pozwoli na jego optymalizację pod względem cech jakościowych i zużycia energii. Taką możliwość dają modele matematyczne procesu. Sformułowany w pracy model procesu suszenia mikrofalowo-podciśnieniowego umożliwia określenie rozkładu zawartości wody w czasie i przestrzeni wewnątrz materiału, a także równoczesną ocenę jakości poprzez kinetykę zmian zawartości cukrów ogółem, witaminy C, współczynnika skurczu suszarniczego oraz analizę kinetyki uwadniania suszu. Równania zmian zawartości wody, temperatury i ciśnienia zostały utworzone na bazie teorii Łykowa opisującej transport ciepła i masy w ciałach kapilarno-porowatych. Teoria ta zakłada, że transport odbywa się w wyniku działania trzech gradientów: stężenia, temperatury i ciśnienia. Dodatkowo w strukturze modelu uwzględniono równanie opisujące proces ponownego uwadniania próbki (na podstawie II prawa Ficka). Model ten umożliwił jednoczesną analizę wpływu zmiany mocy mikrofal oraz podciśnienia na szybkość zmian zawartości wody oraz zawartości cukrów ogółem, witaminy C, współczynnika skurczu w materiale, ponadto kinetykę rehydratacji. Struktura tego modelu została wyprowadzona głównie na podstawie praw nauki oraz hipotez. Jedynie współczynnik skurczu został opisany równaniem semiempirycznym. Uwzględnienie zmienności współczynników dyfuzji ciepła i masy w zależności od zmian zawartości wody pozwoliło na dokładniejszy opis przebiegu transportu ciepła i masy w materiale w czasie. W modelu nie zostały uwzględnione cechy sensoryczne takie jak barwa, smak, zapach oraz kinetyka zmian zawartości enzymów i olejków eterycznych. Można jednak próbować znaleźć związek pomiędzy barwą a zawartością cukrów, czy smakiem a zawartością cukrów i witaminy. W modelu nie ma też równań opisujących zmiany zawartości innych witamin poza witaminą C czy innych składników odżywczych, ale struktura modelu pozwala na jego rozszerzenie. Można zatem uznać, że model charakteryzuje się uniwersalnością. Zaproponowany model umożliwia zatem pełniejszą analizę procesu i ocenę wpływu kilku parametrów termodynamicznych na procesy zachodzące wewnątrz materiału. Jednocześnie umożliwia ocenę zmian pod względem zawartości składników odżywczych, odkształceń i kinetyki ponownego uwodnienia.

EN

The paper presents generalised mathematical model of the microwave-vacuum dryling process for fruit and vegetables, which characterises heat and mass transport and changes in selected qualitative characteristics including: content of vitamin C and saccharides, and deformations defined by dehydration shrinkage coefficient. A rehydration kinetics model has been proposed because it is also possible to evaluate dried material by its rehydration capacity. The Lykov model was employed to characterise heat and mass transport. The model was formulated for transient drying process of capillary-porous substances, which takes into account the effects of concentration, temperature and pressure gradient on water transport to the material surface. The analysis of microwave-vacuum drying process shows that it is necessary to take into account these gradients in order to obtain complete specification of this process. Qualitative characteristics were presented by equations defining kinetics of changes for saccharides and vitamin C, and an algebraic equation defining changes of dehydration shrinkage coefficient in relation to water content. Empirical verification for the material of parsley, garlic and apple, carried out by comparing experimental results to computations made using the models, confirmed their correctness and sensitivity to parameter changes. On the grounds of example simulation computations, carried out using the drying and rehydration models for the analysed materials, it was proved that the increase of microwave energy stream at constant underpressure results in higher rate of water content changes. Similar effects are observed in the case of increasing underpressure at constant microwave energy stream. The impact of microwaves gives higher drying effect than the changes of underpressure within assumed variability ranges. Moreover, it was found that the lower water content in dried material, the higher saccharides content and higher shrinkage, but lower vitamin C content and lower susceptibility to rehydration.

Słowa kluczowe

PL

suszenie mikrofalowo-podciśnieniowe; model matematyczny; rehydratacja; owoce; warzywa

EN

microwave-vacuum drying; mathematical model; heat transport; mass transport; shrinkage coefficient; rehydration

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Inżynierii Rolniczej
• Czasopismo: Inżynieria Rolnicza
• Rocznik: 2007
• Tom: R. 11, nr 10(89)
• Strony: 3--80
• Opis fizyczny: Bibliogr. 98 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Łapczyńska-Kordon B.

• Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Agroinżynierii, Katedra Inżynierii Mechanicznej i Agrofizyki

Bibliografia

• Banga J. R., Singh R. P. 1994. Optimization of air drying of foods. Journal of Food Engineering. 23. s. 189-211.
• Bednarek G., Kudra T., Strumiłło Cz. 1980. Suszenie dielektryczne. X Ogólnokrajowa Konferencja Naukowa Inżynierii Chemicznej i Procesowej. Łódź.
• Bilbao-Sáinz C., Andrés A., Chiralt A., Fito P. 2006. Microwaves phenomena during drying of apple cylinder. Journal of Food Engineering. 74. s. 160-167.
• Bruin S., Luyben K., Ch. A. M. 1980. Drying of food materials: A review of recent developments. W: Advances in drying, t. 1, red. A. S. Mujumdar, Hemisphere Publ. Co. s. 155-215.
• Bondaruk J., Markowski M. 2005. Wpływ mikrofalowo-próżniowego odwadniania kostki ziemniaczanej na jakość suszu. Inżynieria Rolnicza. Nr 1 (61). s. 41-47
• Bondaruk J., Markowski M., Błaszczak W. 2007. Effect of drying conditions on the quality of vacuum-microwave dried potato cubes. Journal of Food Engineering. 81. s. 306-312.
• Calay R. K., Newborough M., Probert D., Calay P. S. 1995. Predictive equations for the dielectric of foods. International Journal of Food Science and Technology. 29. s. 699-713.
• Chapman D. 1994. The role of water in biomembrane structure. Journal of Food Engineering. 22. s. 376-380.
• Crapiste G. H., Whitaker S., Rotstein E. 1988. Drying of cellular material-I. Mass transfer theory. Chemical Engineering Science. Vol. 43 No. 11. s. 2919-2928.
• Datta A. K., Ni H. 2000. Infrared and hot-air-assisted microwave heating of foods for control of surface moisture. Journal of Food Engineering. Vol. 51(4).s. 355-364.
• Drouzas A. E., Schubert H. 1996. Microwave application in vacuum drying of fruits. Journal of Food Engineering. 28. s. 203-209.
• Drouzas A. E., Tsami E., Saravacos G. D. 1999. Microwave/ vacuum drying of model. Journal of Food Engineering. Vol. 39(2). s.117-128.
• Erle U., Schubert H. 2001. Combined osmotic and microwave–vacuum dehydration of apples and strawberries. Journal of Food Engineering. 49. s. 193-199.
• Feng H., Tang J. 1998. Microwave finish drying of diced apples in a spouted bed. Journal of Food Science. Vol. 63, No. 4. s. 679-683.
• Figiel A. 2006. Drying kinetics and drying shrinkage of garlic subjected to vacuum-microwave dehydration. Acta Agrophysica 7(1). s. 49-58.
• Figiel A., Szarycz M., Świerk B. 2006. Suszenie jabłek metoda mikrofalową w warunkach obniżonego ciśnienia. Inżynieria Rolnicza. Nr 2(35).s. 293-298.
• Fortes M., Okos M. R. 1980. Drying theories: Their bases and limitations as applied to foods and grains. W: Advances in drying, t. 1, red. A. S. Mujumdar, Hemisphere Publ. Co. s. 119-154.
• Funebo T., Ahrné L., Kidman S., Langton M., Skjöldebrand 2000. Microwave heat treatment of apple before air dehydration – effects on physical properties and microstructure. Journal of Food Engineering. 46. s. 173-182.
• Heredia A., Jimenez A., Guillen R. 1995. Composition of plant cell walls. Zeitschrift für Lebensmittel-Untersuchung und –Forschung. 200. s. 24-31.
• Jia Lu Wen, Islam R. Mujumdar A. S. 2003. A simulation study on convection and microwave Drying on Different Food Products. Drying technology, Vol. 21, No. 8. s. 1549-1574.
• Jaros M., Sojak M. 1997. Wyznaczanie współczynnika dyfuzji masy w procesie konwekcyjnego suszenia buraka ćwikłowego. Zeszyty Problemowe Postępu Nauk Rolniczych. Nr 445. s. 301-308.
• Jaros M. 1999. Kinetyka suszenia warzyw. Rozprawa habilitacyjna, Wyd. AR w Lublinie.
• Jaros M., Pabis S. 2000. Wpływ liniowych suszarniczych skurczów i kształtów ciał stałych na kinetykę ich suszenia. Inżynieria Rolnicza. Nr 8 (19). s. 183-191
• Jayaraman K. S., Das Gupta D. K. 1992. Dehydration of fruits and vegetables – recent developments. In principles and techniques. Drying Technology. 10(1). s. 1-50.
• Jumah Rami Y., Raghavan G. S. V. 2001. Analysis of heat and mass transfer during combined microwave convective spouted bed drying. Drying Technology. Vol. 19(3&4). s. 485-506.
• Kaensup W. Chutima S., Wongwises S. 2002. Experimental study on drying of chilli in a combined microwave-vacuum-rotary drum dryer. Drying Technology. Vol. 20(10). S. 2067-2079.
• Kaleta A., Górnicki K. 2003. Możliwość wykorzystania modelu pierwszego okresu suszenia do określania zmienności przebiegu skurczu suszarniczego podczas suszenia warzyw. Acta Agrophysica. 82 s. 89-97.
• Kamiński E., Szarycz M. 1998. The effect of air temperature and applesheating on the process of microwave-convection drying. Properties of water in foods. Warsaw Agricultural University Press. Warsaw.
• Kamiński E., Szarycz M., Peroń S., Janowicz L. 1998. Wpływ temperatury powietrza na wysychanie śliwek podczas suszenia konwekcyjnego z nagrzewaniem mikrofalowym. Inżynieria Rolnicza. Nr 5. s. 247-253.
• Karathanos V., Anglea S., Karel M. 1993. Collapse of structure during drying of celery. Drying Technology 11(5). s. 1005-1023.
• Karim, M.A., Hawlader, M.N.A. 2005. Mathematical modelling and experimental investigation of tropical fruits drying. International Journal of Heat and Mass Transfer, 48 (23). s. 4914-4925.
• Kironoudis C. T., Tsami E., Maroulis Z. B. 1997. Microwave vacuum drying kinetics of some fruits. Drying Technology, 15(10). s. 2421-2440.
• Lian G., Harris C.S., Evans R., Warboys M. 1997. Coupled heat and moisture transfer during microwave vacuum drying. Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 32 (1). s. 34-44.
• Lin, T. M., Durance, T. D., & Scaman, C. H. 1998. Characterization of vacuum microwave, air and freeze-dried carrot slices. Food Research International. 31. s. 111-117.
• Lisiecki K. 1994. Model kinetyki suszenia pojedynczych obiektów marchwi w warunkach konwekcji naturalnej. Zeszyty Problemowe Postępu Nauk Rolniczych, z. 417. s. 107-119.
• Litvin S., Mannheim C. H., Miltz J. 1998. Dehydration of carrots by a combination of freeze drying, microwave heating and air or vacuum drying. Journal of Food Engineering 36, s. 103-111.
• Lozano J.E., Rotstein E. and Urbicain M.J. 1983. Shrinkage, porosity and bulk density of foodstuffs at changing moisture contents. Journal of Food Science 48. s. 1497–1502.
• Luikov A. V. 1975. System of differential equations of heat and mass transfer in capillary-porous bodies (Review). International Journal of Heat Mass Transfer. 18. s. 1-14.
• Lu Wen Jia, Islam Raisul, Mujumdar A. S. 2003. A simulation study on convection and microwave drying of different food products. Drying Technology. Vol.21. Nr 8. s. 1549-1574.
• Łapczyńska-Kordon B. 2000. Analiza zmian zawartości wody podczas suszenia selera. Problemy Inżynierii Rolniczej. Nr 4. s. 51-58.
• Łapczyńska-Kordon B. 2003. Komputerowa analiza w oznaczaniu skurczu suszarniczego. Inżynieria Rolnicza. Nr 11(53). s. 145-149.
• Łapczyńska-Kordon B., Szarycz M. 2003. Kinetyka suszenia konwekcyjnego i mikrofalowo-konwekcyjnego pietruszki. Inżynieria Rolnicza. Nr 9 (51). s. 109-117.
• Łapczyńska-Kordon B., Francik S., Frączek J., Ślipek Z. 2006. Modelowanie skurczu suszarniczego wybranych warzyw korzeniowych za pomocą sieci neuronowych. Inżynieria Rolnicza. Nr 13 (88). s. 303-311.
• Łykow A. V. 1968. Teoria suszenia. Energia. Moskwa.
• Łykov A., Mihajłov J. A. 1963. Tieoria tiepło- i massopierienosa. GEI, Moskwa.
• Madamba P. S., Driscoll R. H., Buckle K. A. 1994. Shrinkage, density and porosity of garlic during drying. Journal of Food Engineering. Vol. 23(3). s. 309-319.
• Mayor L., Sereno A. M. 2004. Modelling shrinkage during convective drying of food materials: a review. Journal of Food Engineering. 61. s. 373–386.
• Markowski M. 1995. Matematyczne modelowanie procesów konwekcyjnego suszenia warzyw. Acta Academiae Agriculturae Ac Technice Olstenensis. No 61. Wyd. ART Olsztyn.
• Markowski M., Jaros M., Kaleta A. 1994. Analiza procesu konwekcyjnego suszenia buraków ćwikłowych. Zeszyty Problemowe Postępu Nauk Rolniczych. z. 417. s. 77-91.
• Markov A. V., Yulenets Yu., P. 2002. Mass-Transfer mechanism in high-intensity drying in the presence of internal heat sources. Theoretical Fundations of Chemical Engineering. Vol. 36. No. 3. s. 241-246.
• Maskan M. 2001. Kinetics of colour of kiwifruits during hot air and microwave drying. Journal of Food Engineering. 48. s. 169-175.
• Mattea, M., Urbicain, M.J., Rotstein, E. 1989. Computer model of shrinkage and deformation of cellular tissue during dehydration. Chemical Engineering Science. 44 (12). s. 2853-2859.
• Metaxas A. C., Meredith R. J. 1983. Industrial Microwave Heating. Peter Peregrinus, London.
• Motyka M. 2002. Symulacje komputerowe w fizyce. Wydawnictwo Helion, Gliwice.
• Nelson S. O. 1999. Dialectric Properties Measurement Techniques and Applications. Transctions of the ASAE. Vol. 42(2). s. 523-529.
• Nowak D., Witrowa-Rajchert D., Lewicki P. P. 1998. Skurcz objętościowy i zmiana gęstości marchwi i ziemniaka podczas suszenia konwekcyjnego. Zeszyty Problemowe Postępu Nauk Rolniczych. 454. s. 461-468.
• Oliveira, M.E.C., Franca, A.S. 2002. Microwave heating of foodstuffs. Journa of Food Engineering. 53 (4). s. 347-359.
• Pabis S. 1982. Teoria konwekcyjnego suszenia produktów rolniczych. PWRiL, Warszawa.
• Pabis S. 1994. Uogólniony model kinetyki suszenia warzyw i owoców w pierwszym okresie. Zeszyty Problemowe Postępu Nauk Rolniczych.417. s. 34.
• Pabis S., Jaros M. 2002. The frst priod of cnvection dying of vgetables and the efect of sape-dependet srinkage. Biosystems Engineering. 81(2). s. 201-211.
• Pang Tao. 2001. Metody obliczeniowe w fizyce. PWN, Warszawa.
• Pijanowski E., Dłużewski M., Dłużewska A., Jarczyk A. 1996. Ogólna technologia żywności. WNT Warszawa.
• Prothon F., Ahrné L.,Funebo T., Kidman S., Langton M., Sjöholm I., 2001. Effects of combined osmotic and microwave dehydration of apple on texture, microstructure and rehydration characteristics. Lebensmittel-Wissenschaft und Underschung und Farschung. Vol. 34, No. 2. s. 95-101.
• Prothon F., Ahrné L., Sjöholm I., 2003. Mechanisms and prevention of plant tissue collapse during dehydration: A critical Review. Critical Reviews in Food Science and Nutrients, 43(4). s. 447-479.
• Raghavan G. S. V., Silveira A. M. 2001. Shrinkage characteristics of strawberries osmotically dehydrated in combination with microwave. Drying Technology, 19(2). s. 405–414.
• Ressing, H., Ressing, M., Durance, T. 2007. Modeling the mechanisms of dough puffing during vacuum microwave drying using the finite element method. Journal of Food Engineering. Vol. 82 (4). s. 498-508.
• Romankov P. G., Raszkowska N. B., Frołov V. F. 1980. Procesy wymiany masy w technologii chemicznej. Układy z fazą stałą. WNT, Warszawa.
• Rossen T. L., Hayakawa K. 1977. Simultaneous heat and moisture transfer in dehydrated food: A review of theoretical models. AIChE Symp. Ser., 73.
• Sanga E. C. H., Mujumdar A. S., Raghavan G. S. V. 2002. Simulation of convection-microwave drying for a shrinking material. Chem. Engng and Proces. 41. s. 487-499.
• Sarker N. N., Kunze O. R., Strouboulis T. 1994. Finite element simulationof rough rice drying. Drying Technology, 12(4). s. 761-775.
• Sharma G. P., Prasad S. 2000. Dryling of garlic (Pallium sativum) cloves by microwave-hot air combination. Journal of Food Engineering. Vol. 50(2). s. 99-105.
• Solomon A. K. 1969. Pores in cell membrane. Sci. Am. 203. s. 146-156
• Soysal Y., Öztekin S., Eren Ö. 2006. microwave drying parsley: modelling, kinetics and energy aspects. Biosystems Engineering, 93(4). s. 403-413.
• Strumiłło Cz. 1983. Podstawy teorii i techniki suszenia. WNT, Warszawa.
• Sunjka P. S., Rennie T. J., Beaudry C., Raghavan G. S. V. 2004. Microwave-Convective and Microwave-Vacuum Drying of Cranberries: A Comparative Study Drying Technology, Vol. 22, No 5. s. 1217-1231.
• Suzuki K., Kubota K., Hasegawa T., Hosaka H., Shrinkage in dehydration of root vegetables. Journal of Food Science 41 ,1189–1193.
• Szargut J., Guzik A., Górniak H. 1979. Programowany zbiór zadań z termodynamiki technicznej. PWN, Warszawa.
• Szarycz M. 2001. Matematyczne modelowanie mikrofalowo-konwekcyjnego suszenia surowców rolniczych na przykładzie jabłek. Rozprawa habilitacyjna, Zeszyty naukowe Akademii Rolniczej we Wrocławiu, Rozprawy CLXXXIII, nr 420.
• Szarycz M., Kamiński E., Jaroszyński K., Szponarska A. 2003a. Analiza mikrofalowego suszenia pietruszki w warunkach obniżonego ciśnienia. Część I. Kinetyka suszenia pietruszki nie blanszowanej i blanszowanej. Technica Agraria Scientiarum Polonorum Acta, 2(2). s. 17-27.
• Szarycz M., Kamiński E., Jaroszyński K., Szponarska A. 2003b. Analiza mikrofalowego suszenia pietruszki w warunkach obniżonego ciśnienia. Część II. Skurcz suszarniczy i rehydracja suszu. Technica Agraria Scientiarum Polonorum Acta, 2(2). s. 29-36.
• Szarycz M., Fidos M., Jałoszyński K. 2005. Analiza mikrofalowego suszenia selera korzeniowego w warunkach obniżonego ciśnienia. Kinetyka suszenia i skurcz suszarniczy. Inżynieria Rolnicza. Nr 7 (67). s. 305-311.
• Szarycz M., Jałoszyński K., Pełka A., Ostrowska M., Świerk B. 2006. Wpływ parametrów mikrofalowo-próżniowego suszenia truskawek na przebieg procesu i skurcz suszarniczy. Inżynieria Rolnicza. Nr 4 (79). s. 229-237
• Tsukada T., Sakai N., Hayakawa Kan-Ichi, 1991. Computerized Model for Strain-Stress Analysis of Food Undergoing Simultaneous Heat and Mass Transfer. Journal of Food Scien., Vol. 56, No. 5. s. 1438-1445.
• Tulasidas T. N., Raghavan G. S. V., Norris E. R. 1993. Microwave and convective drying of grapes. Transactions of the ASAE, Vol. 36(6). s. 1861-1865.
• Turner I.W. and Jolly P.G. 1991. Combined Microwave and Convective Drying of a Wet Porous Material, J. Drying Technology, 9, 5. s. 1209-1269.
• Vega-Mercado H., Gongora-Nieto M., M., Bartosa-Canovas G., V. 2001. Advens In dehydration of foods. Journal of Food Engngineering 49. s. 271-289.
• Villee C. A. 1972. Biologia. PWRiL, Warszawa.
• Waananen K., M., Lichtfield J. B., Okos M., R. 1993. Classification of drying models for porous solids. Drying Technology, 1191). s. 1-40.
• Wang N., Brennan J. G. 1995. Changes in structure, density and porosity of potato during dehydration. Journal Food Engineering 24, s. 61–76.
• Wang Z., Sun J., Chen F., Liao X.,Hu X. 2007. Mathematical modeling on thin layer microwave drying of apple pomace with and without hot air pre-drying. Journal of Food Engineering 80(2). s. 536-544.
• Weres J. 1991. Analiza wpływu materiałowych własności suszonego ośrodka na transport wody w procesach konwekcyjnego suszenia ziarna kukurydzy w cienkiej warstwie. Rocz. AR w Poznaniu, Rozprawy Naukowe.
• Whitaker S. 1977. Simultanous heat, mass, and momentum transfer in porous media: A theory of drying. Advances in Heat Transfer. 13. s. 11-203.
• Willis C. A., Teixeira A.A. 1988. Controlled reduction of water activity in celery: Effect of membrane integrity and biophysical properties. Journal of Food Science. 53. s. 111-116.
• Wiśniewski S. 1980. Termodynamika techniczna. WNT, Warszawa.
• Witrowa-Rajchert, 1999. Rehydracja jako wskaźnik zmian zachodzących w tkance roślinnej w czasie suszenia. Katedra Inżynierii i Maszynoznawstwa Przemysłu Spożywczego. Wydział Technologii Żywności. Fundacja „Rozwój SGGW”, Warszawa.
• Zadernowski R., Oszmiański J. 1994. Wybrane zagadnienia z przetwórstwa owoców i warzyw. Olsztyn.
• Zheng-Wei Cui, Shi-Ying Xu, Da-Wen Sun 2004. Microwave-vacuum drying kinetics of carrot slices. Journal of Food Engineering. 65. s. 157-164.
• Zogzas N.P., Maroulis Z.B., Marinous-Kouris D. 1994. Densities, shrinkage and porosity of some vegetables during air drying. Drying Technology. 12 (7). s. 1653–1666.