ĆWICZENIE 5
Ocena zmian właściwości produktów spożywczych w procesie suszenia
Wstęp
Suszenie to jedna z najstarszych i najpowszechniej stosowanych metod utrwalajÄ…cych
żywność i pasze. Znaczne obniżenie zawartości wody w produktach spożywczych powoduje
zahamowanie reakcji enzymatycznych oraz zapewnia trwałość mikrobiologiczną. Wydłuża to
znacznie okres przechowywania, zmniejsza ciężar i objętość produktów, co wpływa na
zwiększenie efektywności ekonomicznej i poprawę logistyki przechowywanych i
transportowanych artykułów.
Często jednak proces suszenia powoduje niekorzystne zmiany cech sensorycznych
surowców i produktów, takich jak barwa, smak czy aromat, a także właściwości
reologicznych, wskutek powstałego skurczu termicznego i modyfikacji struktury materiału.
Suszenie, zwłaszcza owoców i warzyw, wpływa destrukcyjnie na zawartość polifenoli i
związków decydujących o aktywności przeciwutleniającej. Nadal mogą zachodzić takie
procesy jak: utlenianie, np. związków zapachowych, witaminy C czy autooksydacja
tłuszczów, dochodzi też do denaturacji białek czy retrogradacji skrobi. Zachodzące
niekorzystne procesy, często powodujące psucie, zależą od zawartości wody i jej dostępności.
Całkowite ograniczenie przemian enzymatycznych i nieenzymatycznych uzyskujemy dopiero
przy zawartości wody poniżej 5%, lub nawet poniżej 2%. Dodatkowo, należy dodać, że
usuwanie z żywności większości występującej w niej wody, jest procesem charakteryzującym
się wysoką energochłonnością.
Suszenie należy jednak do procesów wykorzystywanych przez wiele branż przemysłu
spożywczego, zwłaszcza w końcowych etapach produkcji, który pozwala zachować i utrwalić
różne artykuły spożywcze, dostępne dzięki temu na rynku przez cały rok. Suszeniu poddaje
się owoce, warzywa, grzyby, zioła, kawę, herbatę, chude mięso, ryby, mleko. Proces ten
znalazł też zastosowanie w przemyśle zbożowo-młynarskim, ziemniaczanym czy
koncentratów spożywczych.
Podstawy teoretyczne
Istnieje wiele metod suszenia, wykorzystywanych w przemyśle spożywczym. O
wyborze tej właściwej decydują nie tylko względy technologiczne i ekonomiczne, ale przede
wszystkim właściwości samego materiału poddanego suszeniu, głównie jego porowatość,
czyli obecność wewnątrz dużych przestrzeni tzw. kapilar, porów o różnym kształcie i
wymiarach. Struktury te decydujÄ™ o wyraz
nym (np. mleko) lub tylko nieznacznym
zmniejszeniu objętości podczas suszenie (np. zboże).
Podstawowym parametrem określającym właściwości materiału jest wilgotność, która
jest wyrażona jako stosunek masowy X=mw/ms, gdzie mw  masa wilgoci, a ms - masa
suchego materiału. W czasie suszenia zawartość wody w materiale suszonym zmienia się,
natomiast sucha masa jest stała. W suszarnictwie wyróżniamy pojęcie wilgotności właściwej
suszonego materiału, czyli liczbę jednostek masy cieczy, które przypadają na jednostkę suchej
masy substancji.
u=w/100-w,
gdzie u  wilgotność właściwa materiału, w  wilgotność materiału.
W czasie procesu suszenia następują zmiany średniej zawartości wilgoci i średniej zawartości
temperatury suszonego materiału. Pozwala to na obliczenie ilości odparowanej wody oraz
zużycie energii cieplnej. Przebieg suszenia najłatwiej jest przedstawić za pomocą wykresów:
krzywej suszenia (wilgotność materiału  czas suszenia), krzywej szybkości suszenia
(szybkość suszenia  wilgotność materiału) i krzywej temperaturowej (temperatura materiału-
wilgotność materiału). Dane do sporządzenia odpowiednich krzywych suszenia uzyskuje się
w trakcie badania procesu suszenia próbki materiału. W tym celu, w toku trwania
doświadczenia należy rejestrować masę materiału w określonych odcinkach czasowych. Na
podstawie zapisanych zmian masy materiału oraz masy ciała suchego można obliczyć kolejne
masy wilgoci w materiale suszonym w poszczególnych odstępach czasowych, a następnie
zawartość wilgoci w materiale - jako stosunek masowy X=mw/ms, gdzie mw  masa wilgoci, a
ms - masa suchego materiału. Na podstawie wyników doświadczenia sporządza się krzywą
suszenia obrazującą zależność zawartości wilgoci w materiale X do czasu suszenia.
Rys. 1. Krzywa suszenia
Na podstawie krzywej suszenia łatwo zaobserwować kolejne etapy procesu, który można
podzielić na dwa etapy  stałej i malejącej szybkości suszenia. Na początku bowiem zostaje
usunięta woda wolna z kapilar do momentu uzyskania tzw. wartości równowagowej wody
czyli zrównania się prężności pary na powierzchni materiału z prężnością pary wodnej w
powietrzu. Następnie rozpoczyna się drugi proces malejącej szybkości suszenia. Przejście ze
stałej do malejącej szybkości suszenia w różnych produktach spożywczych następuje przy
różnych zawartościach wilgoci, tzw. wilgotności krytycznej.
Czasami określa się także aktywność wody, będącej miarą wody wolnej, dostępnej dla
mikroorganizmów i podtrzymującej reakcje chemiczne. Często produkty o tej samej ogólnej
zawartości wody mogą mieć różną jej aktywność, w zależności od zawartości i składu
chemicznego wody. I tak np. świeże owoce charakteryzują się 90% zawartością wody, przy
0,97 aktywności, takiej samej jak sery, u których zawartość wody waha się od 35 do 40%
Natomiast suszone owoce, przy 20-25% zawartości wody wykazują aktywność w granicach
0,72-0,80.
Podczas procesu suszenia, doprowadzone w sposób kontrolowany ciepło, usuwa z
żywności większość występującej w niej wody na zasadzie parowania lub sublimacji. W
przemyśle spożywczym stosowane są różne metody suszenia, głównie uzależnione od
wymagań materiału suszonego. W krajach o ciepłym klimacie wykorzystywane są często
czynniki naturalne, takie jak słońce i wiatr. Mówimy wtedy o suszeniu naturalnym, w
odróżnieniu od sztucznego, prowadzonego w warunkach zamkniętych, w urządzeniach
zwanych suszarkami. W zależności od sposobu dostarczenia ciepła do materiału suszonego,
sztuczne metody suszenia możemy podzielić na: konwekcyjne, kontaktowe, radiacyjne i
dielektryczne.
Proces suszenia konwekcyjnego zachodzi w podwyższonej temperaturze, przy silnym
napowietrzeniu materiału. W trakcie suszenia następuje jednocześnie przepływ masy i ciepła
w warstwach wewnętrznych oraz w warstwie granicznej suszonego materiału. Metodą tą na
skalę przemysłową suszone są owoce i warzywa. Suszenie konwekcyjne możemy podzielić w
zależności od kierunku przepływu nagrzanego powietrza w stosunku do suszonego materiału.
Najczęściej stosowane jest suszenie konwekcyjne przeciwprądowe, gdzie nagrzane
powietrze wchodzi do komory bÄ…dz
tunelu od strony, z której wyprowadza się wysuszony
materiał. W celu przyspieszenia początkowego suszenia, stosuje się również suszenie
konwekcyjne współprądowe, w którym ogrzane powietrze wprowadza się od tej samej
strony co wilgotny materiał. Przeciwdziała to końcowemu zapiekaniu się produktu. Ponadto
wyróżniamy suszenie konwekcyjne mieszane (współprądowo  przeciwprądowe),
realizowane w suszarkach tunelowych oraz konwekcyjne krzyżowe, gdzie ruch powietrza
jest prostopadły do kierunku przesuwania się suszonego materiału. W obrębie suszenia
konwekcyjnego możemy wyróżnić także takie warianty jak: owiew adiabatyczny, gdzie
powietrze jest ogrzane tylko na poczÄ…tku i w miarÄ™ trwania procesu stygnie oraz owiew
izotermiczny, jeżeli dostarczane powietrze w miarę utraty ciepła jest dogrzewane.
Podczas suszenia kontaktowego, materiał suszony przylega do nagrzanej
powierzchni i bezpośrednio z niej pobiera ciepło na zasadzie przewodzenia. Ten rodzaj
suszenia znalazł zastosowanie w suszarkach komorowych próżniowych i walcowych.
W suszeniu radiacyjnym energia cieplna jest dostarczana poprzez promieniowanie
podczerwone z umieszczonych nad materiałem promienników. Proces ten jest stosowany w
suszarkach tunelowych, gdzie surowiec po bardzo szybkim nagrzaniu, poddany jest suszeniu.
Metodę używamy do cienkich warstw produktu, albo surowców wcześniej dosuszonych.
Suszenie dielektryczne wykorzystuje drgania elektromagnetyczne wysokiej
częstotliwości (1-5 MHz), a produkt jest umieszczony pomiędzy okładkami kondensatora.
Wśród nowoczesnych metod suszenia można wymienić także suszenie fluidyzacyjne,
suszenie sublimacyjne, suszenie za pomocą mikrofal, suszenie mikrofalowo-próżniowe,
suszenie azeotropowe, suszenie w strumieniu gorącego gazu czy suszenie materiału
płynnego w stanie spienionym
Suszenie fluidyzacyjne polega na przepuszczaniu od dołu strumienia ogrzanego
powietrza, przez drobnoziarnisty materiał, aż cała masa zostanie uniesiona, tworząc stan
fluidalny. W tym stanie suszony materiał jest intensywnie mieszany, a wszystkie cząsteczki
owiewane są przez gorące powietrze. Metoda ta może zapewnić dobrą wydajność
energetyczną i jednorodność suszenia. Suszenie fluidyzacyjne znajduje praktyczne
zastosowanie do suszenia materiałów spożywczych w postaci rozdrobnionych owoców czy
warzyw, a także takich produktów jak groch, rzepak, fasola, zboża. Główna jego wada jest
możliwość zmniejszenia wielkości cząstek spowodowane ich ścieraniem i wzajemnym
zderzaniem siÄ™ o siebie.
Suszenie sublimacyjne (liofilizacyjne) przeprowadza siÄ™ w temperaturze poniżej 0 ºC
i przy bardzo niskim ciśnieniu. Proces ten to połączenie suszenie próżniowego i zamrażania.
Początkowo sublimacja zachodzi na powierzchni produktu, póz
niej przesuwa się w głąb.
Podczas suszenia, do materiału ciepło jest doprowadzane, przez przewodnictwo lub lampy
promiennikowe. Ogrzewanie nie może doprowadzić do rozmrożenia produktu. Suszenie
zostaje zakończone, kiedy żywność osiągnie temperaturę dodatnią. W taki sposób usuwa się
około 80  95% wody. Suszenie sublimacyjne stosuje się do mięsa, grzybów, warzyw,
owoców, ryb. Liofilizacja to proces kosztowny i czasochłonny, ale związany tez z wieloma
zaletami. Niska temperatura pozwala na ograniczenie degradacji cieplnej składników
odżywczych , zachowany zostaje kształt materiału oraz lepsza jest jego zdolność do
rehydratacji.
Suszenie za pomocą mikrofali wykorzystuje pole elektromagnetyczne o dużej
częstotliwości, kiedy wewnątrz produktu wytwarza się wyższa temperatura niż na jego
powierzchni. Suszenie mikrofalowe pozwala na wyeliminowanie niekorzystnych naprężeń,
dzięki równomiernie wydzielanej energii cieplnej wywołanej tarciem międzycząsteczkowym.
Jest stosunkowo szybkie i bardziej skuteczne energetycznie niż suszenie konwekcyjne,
jednakże jest mało opłacalne, ze względu na wysokie koszty. Suszenie mikrofalowe jest
zatem polecane w końcowej fazie suszenia konwekcyjnego, w celu przyspieszenia procesu i
poprawy jakości produktów.
Suszenie mikrofalowo-próżniowe łączy w sobie zalety zarówno ogrzewania
mikrofalowego i suszenia próżniowego. Niska temperatura i szybkie przenoszenie masy
spowodowane podciśnieniem w połączeniu z szybkim transportem energii przez ogrzewanie
mikrofalowe, może powodować poprawę efektywności i jakości produktów.
Suszenie azeotropowe polega na dodaniu do surowca dozwolonego do żywności
składnika, który będzie tworzył z wodą mieszaninę azeotropową, o temperaturze wrzenia
niższej od temperatury wrzenia wody, a następnie suszeniu aż do całkowitego usunięcia
składnika azeotropowego.
Suszenie w strumieniu gorÄ…cego gazu przebiega w temperaturze 1400 ºC,
pulsującego z częstotliwością 250 Hz. Gaz przepływa z dużą szybkością, dzięki rezonansowej
komorze spalania.
Suszenie materiału płynnego w stanie spienionym, następuje pod normalnym albo
obniżonym ciśnieniem, po uprzednim dodaniu do płynu gazu obojętnego, np.CO2
Rehydratacja jest złożonym proces mający na celu przywrócenie właściwości
świeżego surowca suszonemu materiałowi, poprzez nawadnianie wysuszonego wcześniej
materiału. Zmiany zachodzące wskutek obróbki wstępnej i suszenia mają często charakter
nieodwracalny, dlatego rehydratacja nie powinna być traktowana jako proces odwrotny do
suszenia. W czasie procesu rehydratacji zachodzą trzy równoczesne procesy: absorpcja wody
do materiału, jego pęcznienie oraz dyfuzja lub straty składników rozpuszczalnych. Może
wówczas dochodzić do zmian w materiale uwadnianym, będące wynikiem transferu wody z
fazy cieklej do produktu żywnościowego i substancji rozpuszczalnych w przeciwnym
kierunku. Stopień uwodnienia suszu i czas przebiegu tego procesu uzależniony jest głównie
od budowy morfologicznej i składu chemicznego surowca, a także zastosowanej obróbki
wstępnej, warunków suszenia i rehydratacji
Dynamika i charakter zmian zachodzących w suszonej żywności zależą od rodzaju i
jakości suszonego materiału, metod i parametrów suszenia, a także obróbki zastosowanej
przed procesem suszenia, aczkolwiek jakość konwekcyjnie suszonego produktu jest często
niższa niż świeżego. Dlatego też istotne znaczenie ma obróbka wstępna oraz dobór
odpowiednich parametrów suszenia, takich jak temperatura, zawartość wody oraz gęstość i
porowatość suszonego materiału. Zmiany żywności, które zachodzą pod wpływem procesu
suszenia to przede wszystkim zmiany w obrębie tekstury, barwy i aromatu, koloru i
wartości odżywczej.
Zmiany w teksturze owoców i warzyw w trakcie suszenia spowodowane są
kleikowaniem skrobi, krystalizacją celulozy i nierównomiernym odparowaniem wody,
powodujących wewnętrzne napięcia, najpierw z powierzchni materiału, podczas, gdy warstwy
wewnętrzne pozostają jeszcze wilgotne. Podczas szybkiego odparowania wody z
powierzchni, dyfuzja wody z głębszych warstw nie nadąża za nią i powoduje tworzenie się
twardej skorupy zewnętrznej, wklęsłej powierzchni i wolnych przestrzeni wewnątrz Tak
wysuszone produkty sÄ… skurczone i twarde. Szybie suszenie i wysoka temperatura powodujÄ…
zdecydowanie większe zmiany w obrębie struktury produktu niż wartości średnie tych
parametrów, a podczas rehydratacji produkt chłonie wodę wolno i nie odzyskuje pierwotnej,
jędrnej struktury.
Proces suszenia powoduje także straty w związkach lotnych, uzależnionych od
zawartości suchej masy, ciśnienia pary substancji lotnych i ich rozpuszczalności w fazie
gazowej. Większość związków lotnych jest tracona już we wstępnej fazie procesu suszenia,
dlatego też produkty o dużej zawartości związków zapachowych, takie jak zioła, powinny być
suszone w niskich temperaturach. Ponadto do utraty aromatu może przyczyniać się również
utlenianie barwników, witamin czy tłuszczów powstające w czasie przechowywania
produktów. Proces ten jest uzależniony od temperatury i aktywności wody w magazynowanej
żywności. Niska temperatura składowania, zastosowanie odpowiednich opakowań, dodatek
antyoksydantów i utrzymanie odpowiedniej wilgotności w produkcie minimalizuje
niekorzystne zmiany i tym samym wydłuża okres przechowywania.
Zbyt wysoka temperatura i wydłużenie procesu suszenia powoduje zmiany chemiczne
takich barwników jak karotenoidy i chlorofile. Wysoka temperatura wpływa również na
reakcje nieenzymatycznego brÄ…zowienia (reakcja Maillarda), katalizowane przez enzymy.
Tym niekorzystnym zmianom przeciwdziała się stosując blanszowanie, dodatek kwasu
askorbinowego lub dwutlenku siarki. Blanszowanie jest podstawowÄ… metodÄ…, stosowanÄ… jako
obróbka wstępna warzyw i owoców, która decyduje o nie tylko o barwie, ale również o
właściwościach mechanicznych produktu podczas suszenia jest często czynnikiem
przyczyniającym się w dużym stopniu do podatności na deformacje komórek w trakcie
suszenia konwekcyjnego. Proces ten ma na celu przede wszystkim inaktywację enzymów,
których aktywność może być przyczyną niepożądanych zmian surowca. Następuje wówczas
redukcja zanieczyszczeń mikrobiologicznych oraz usunięcie powietrza z przestrzeni
międzykomórkowych. Blanszowanie stosuje się również w celu poprawy właściwości
rehydratacyjnych suszu.
W czasie suszenia ulegają degradacji wielonienasycone kwasy tłuszczowe oraz
witaminy rozpuszczalne w tłuszczach (A,D,E,K) w wyniku interakcji z nadtlenkami
powstałymi podczas utleniania tłuszczu. Straty można ograniczać stosując niskie stężenie
tlenu, ochronę przed światłem i niską temperaturę składowania. Tylko w niektórych
suszonych produktach może nastąpić obniżenie wartości biologicznej białka w porównaniu z
produktem świeżym.
Straty wartości odżywczej, zwłaszcza w przypadku owoców i warzyw, są
zdecydowanie wyższe podczas obróbki wstępnej, niż podczas prawidłowo przeprowadzonego
procesu suszenia.
Proces suszenia przeprowadzamy w urządzeniach nazywanych suszarkami, różniących
się w zależności od rodzaju materiału poddanemu suszeniu, charakteru pracy (ciągła i
okresowa), sposobu dostarczenia ciepła (konwekcyjne, kontaktowe itp.) czy rodzaju czynnika
suszącego (powietrze, para podgrzana). Ze względu na konstrukcję wyróżnimy suszarki
tunelowe, komorowe, bębnowe, taśmowe, walcowe, rozpyłowe.
Cel ćwiczenia
Celem praktycznej części ćwiczenia jest zbadanie kinetyki procesu suszenia surowców
spożywczych oraz ocena wpływu wielkości, kształtu i obróbki wstępnej na zmiany
zachodzÄ…ce w badanym produkcie podczas procesu suszenia.
Piśmiennictwo
Gawełek J. 2005. Wpływ warunków konwekcyjnego i sublimacyjnego suszenia korzeni
marchwi na jakość suszu. Inżyniera Rolnicza, 11, 71, 119-125.
Janowicz M, Lenart A. 2003. Znaczenie suszenia owoców i warzyw. Postępy Techniki i
Przetwórstwa Spożywczego, 1, 28-32.
Kaleta A. 1999. Metody obróbki wstępnej stosowane w procesie konwekcyjnego suszenia
warzyw i grzybów. Problemy Inżynierii Rolniczej, 7,3, 43-56.
Ogólna technologia żywności (pod red. E. Hajduk) 2010.Wydawnictwo Akademii Rolniczej,
Kraków.
Pabis S.1982. Teoria konwekcyjnego suszenia produktów rolniczych. PWRiL, Warszawa
Pijanowski E., Dłużewski M, Dłużewska A, Jarczyk A. 1996. Ogólna technologia żywności.
WNT, Warszawa.