OTŻ II
1.Podstawy procesu dyfuzyjnego
Dyfuzja – zjawisko wzajemnego przenikania cząsteczek jednej substancji względem cząsteczek drugiej w gazach, cieczach i ciałach stałych. Nosi ona również nazwę przenoszenia molekularnego masy, którego siłą napędową jest różnica potencjałów chemicznych. Dyfuzja przebiega w kierunku od większego do mniejszego stężenia (przy zupełnie przepuszczalnej przegrodzie lub przy braku przegrody), a szybkość dyfuzji jest uwarunkowana przede wszystkim tzw. gradientem stężenia składnika c na drodze x. Na ogół wyższa temperatura sprzyja zjawiskom dyfuzyjnym i w praktyce przemysłowej operacje typu dyfuzyjnego zazwyczaj są pobudzane lub związane integralnie z operacjami termicznym.
Do operacji dyfuzyjnych zalicza się typowe dla technologii żywności operacje, jak:
ekstrakcję,
suszenie,
destylację i
sorpcję.
Wzór (Ficka) na ilość substancji G dyfundującej przez powierzchnię F w czasie dτ przedstawia się następująco:
G= DF $\frac{\text{dc}}{\text{dx}}$dτ
gdzie:
G - ilość substancji dyfundującej w [kg],
D - kinematyczny współczynnik dyfuzji, w [m2 /s]
F powierzchnia ekstrakcji w [m2], c- stężenie substancji w [kg/m3],
τ - czas w [s].
-różnica stężeń składnika na drodze o długości x
2.Prawa rządzące procesem destylacji
Destylacją nazywa się rozdzielanie ciekłych mieszanin dwu- i wieloskładnikowych przez odparowanie lotnych, w danych warunkach temperatury i ciśnienia, składników, a następnie skroplenie ich i zebranie w odbieralniku. Rozdzielanie składników ciekłych mieszaniny metodą destylacji jest możliwe tylko wówczas, gdy składniki te różnią się lotnością. Lotnością βA składnika A określa się stosunek ciśnienia cząstkowego pA tego składnika w parze nad cieczą do stężenia ułamka molowego xA danego składnika w mieszaninie cieczy:
βA =$\frac{p_{a}}{x_{a}}$
Lotność czystej substancji (tzw. lotność normalna) jest równa prężności pary nasyconej tej substancji. Im lotniejszy jest składnik, tym większa jest prężność pary nasyconej dla stałej temperatury, tym większa łatwość przechodzenia w stan pary i tym niższa temperatura wrzenia pod stałym ciśnieniem.
W teorii destylacji rozpatruje się związki funkcjonalne wiążące skład cieczy i pary nad nią w stanie równowagi fizykochemicznej. Zjawiska zachodzące podczas destylacyjnego rozdzielania składników w cieczy dwuskładnikowej rozważa się oddzielnie:1) w cieczach wzajemnie rozpuszczalnych w dowolnych stosunkach;2) w cieczach częściowo wzajemnie rozpuszczalnych;3) w cieczach wzajemnie nierozpuszczalnych.
Zgodnie z prawem Daltona całkowite ciśnienie P mieszaniny pary nad roztworem doskonałym złożonym ze skadników A i B równa się w stałej temperaturze sumie ciśnień cząstkowych poszczególnych składników pA i pB
P = pA + pB
Ciśnienie cząstkowe jest to ciśnienie, jakie posiadałaby para danego składnika, gdyby zajmowała całą objętość naczynia. Ciśnienie to jest równe ułamkowi molowemu yA składnika A w mieszaninie par pomnożonemu przez całkowite ciśnienie mieszaniny par
P pA = P · yA
Jednocześnie z prawa Raoulta wynika, że ciśnienie cząstkowe pA pary składnika A równa się prężności pary nasyconej czystego składnika PA (lotności normalnej) pomnożonej przez ułamek molowy składnika w roztworze doskonałym xA
pA = PA· xA
W praktyce destylację prowadzi się najczęściej pod stałym ciśnieniem, dlatego ważna jest znajomość składu cieczy wrzącej i pary pod stałym ciśnieniem, czyli izobara. Izobarę można wyznaczyć na podstawie znajomości przebiegu izoterm, wykreślonych dla różnych ciśnień.
Efektywność rozdzielania mieszanin ciekłych (roztworów) zależy od względnych lotności ich składników, a pośrednio od wielkości sił oddziaływań międzycząsteczkowych w cieczy. Wpływa to na kształt i wielkość obszarów współistnienia w stanie równowagi pary i cieczy (szerokość tzw. „rybki” układów zeotropowych), w tym na wielkość różnic między składem obu faz w różnych temperaturach, możliwość tworzenia azeotropów, heterozeotropów, heteroazeotropów lub innych układów o ograniczonej mieszalności cieczy.W przypadku układów dwuskładnikowych AB przebieg destylacji może być przedstawiany z wykorzystaniem wykresów fazowych równowagi ciecz–para w układzie współrzędnych temperatura (T) – udział molowy (np. xB). Destylacja cieczy o określonej wartości xB rozpoczyna się w temperaturze, w której linia składu przecina linię temperatur wrzenia (dolna granica „rybki”). W tj temperaturze powstaje pierwszy pęcherzyk pary, która jest bogatsza od cieczy w składnik bardziej lotny (np. B) lub bardziej lotny dodatni azeotrop. Ten skład określa punkt przecięcia izotermy z góną granicą „rybki”, czyli krzywą pary nasyconej[5][6][7].W chwili odprowadzenia z kolby do chłodnicy pierwszej porcji pary zaczyna się zmniejszać zawartość lotniejszego składnika (B) we wrzącej cieczy. Równocześnie wzrasta temperatura wrzenia roztworu. Zawartość B w kolejnych porcjach pary jest również coraz mniejsza. Prowadząc destylację można odpływające z chłodnicy porcje kondensatu (frakcje) kierować do odrębnych odbieralników, notując zakres temperatur wrzenia.
3. Destylacja prosta , zasada procesu
Destylacja prosta polega na przeprowadzeniu cieczy wrzącej w parę, a następnie na skropleniu pary i skierowaniu otrzymanego destylatu do odbieralnika.Zwykle jest to proces okresowy. W miarę jego trwania zmienia się skład cieczy w kotle i skład odbieranego destylatu.
Surówkę doprowadza się porcjami do destylatora 1, zaopatrzonego w element grzejny, np. wężownicę. Para destylatu, bogatsza w składnik bardziej lotny zostaje skroplona w kondensatorze 2, z którego destylat (jako produkt) zostaje odprowadzony do odbieralnika 3. Odbierając destylat w kilku odbieralnikach, można otrzymać kilka frakcji destylatu o różnej zawartości składnika bardziej lotnego.
Aparatura do destylacji prostej
1-destylator, 2- skraplacz, 3- odbieralniki, 4- króciec dopływowy surówki, 5, 6- króciec dopływowy pary i odpływowy skroplin 7, 8 - króciec dopływowy i odpływowy wody
4.Możliwości zastosowania adsorpcji w przemyśle spożywczym
Adsorpcja jest to proces polegający na pochłanianiu gazów lub par z mieszanin gazowych za pomocą ciał stałych, zwanych adsorbentami. Charakterystyczną cechą adsorpcji jest selektywność i odwracalność. Dzięki temu można w wyniku procesu adsorpcji wydzielić jeden lub kilka składników z mieszaniny gazowej, a następnie, stwarzając odpowiednie warunki prowadzić proces odwrotny, tzw. desorpcję, a więc oddzielić od adsorbenta składniki przez niego pochłonięte w procesie adsorpcji.
W przemyśle spożywczym stosuje się jako adsorbent najczęściej węgiel aktywny. Adsorpcja ma praktyczne wykorzystanie w wielu operacjach w technologii produkcji żywności. Jako przykład można tu podać:
adsorbowanie na powierzchni cieczy substancji obniżających napięcie powierzchniowe, substancje te nazywane powierzchniowo czynnymi albo kapilarnie aktywnymi wykorzystuje się w procesie mycia, w wytwarzaniu i stabilizacji różnych układów dyspersyjnych typu emulsji, pian itp.;
wymiana jonów adsorbentu z jonami znajdującymi się w roztworze, która znalazła zastosowanie m.in. w odkwaszaniu żywności, usuwaniu soli mineralnych z mleka i z serwatki przy produkcji odżywek dla niemowląt i dzieci, otrzymywaniu laktozy itp.;
adhezja, polegająca na łączeniu i zlepianiu się pod wpływem różnych sił powierzchniowych warstw stykających się z sobą faz stałych i ciekłych, zjawisko to wykorzystywane jest np. przy aglomerowaniu substancji sproszkowanych,
chłoniecie rozpuszczalnika i pęcznienie ciał, np. chłonięcie wody przez ziarenka skrobi przy jej kleikowaniu, czy przez ziarna zbóż podczas kiełkowania związanego np. z otrzymaniem słodu.
5.Możliwości zastosowania absorpcji w przemyśle spożywczym
Proces absorpcji polega na rozpuszczeniu jednego lub kilku składników mieszaniny gazowej w cieczy podczas ich bezpośredniego zetknięcia się. Jest on prowadzony w celu oczyszczenia mieszaniny gazów przez wydzielenie składnika gazowego stanowiącego składnik zanieczyszczający, lub w celu wydzielenia z niej składników cennych.
Spośród różnych typów absorpcji największe zastosowanie w technologii żywności ma pochłanianie gazu przez ośrodek ciekły. W przemyśle urządzenia służące do absorpcji nazywa się absorberami. Gaz przepuszcza się tu albo :
nad powierzchnią cieczy,
doprowadza od dołu przewodem z drobnymi otworkami (barbotaż),
miesza się rozpyloną ciecz z gazem w odpowiedniej wieży.
W przemyśle spożywczym absorpcję gazów stosuje się w kilku ważniejszych przypadkach.
W siarkowaniu (sulfitacji) win,
Konserwowanie moszczów owocowych za pomocą SO2,
Produkcja win szampańskich oraz różnych napojów gazowanych
W cukrownictwie (saturacja soków cukrowniczych).
Absorpcja odgrywa również ważną wolę w napowietrzaniu podłoża w hodowli tlenowych drobnoustrojów.
6. Podział emulsji
Emulsja jest to makroskopowo jednorodny układ dyspersyjny dwóch nie mieszających się ze sobą cieczy. Jedna
z tych cieczy występuje w postaci drobnych, oddzielnych kuleczek i stanowi tzw. fazę zdyspergowaną, rozproszoną albo wewnętrzną, natomiast druga ciecz, w której są zawieszone kuleczki, nosi nazwę fazy dyspergującej, ciągłej albo zewnętrznej. W technologii żywności najczęściej spotyka się emulsje, w których jedną z faz jest woda z rozpuszczonymi w niej solami i substancjami organicznymi, czyli tzw. faza wodna, natomiast drugą jest tzw. faza olejowa złożona z substancji nierozpuszczalnych w wodzie, jak tłuszcze roślinne i zwierzęce, niektóre witaminy, barwniki itp.
Ze względu na wzajemny układ faz, ich stężenie oraz wielkość kuleczek fazy zdyspergowanej emulsje dzieli się na:
emulsje typu olej w wodzie (o/w), w których fazą ciągłą jest woda, a rozproszoną tłuszcz;
emulsje typu woda w oleju (w/o), w których fazą ciągłą jest tłuszcz, a rozproszoną woda;
emulsje rozcieńczone, w których faza wewnętrzna (rozproszona) stanowi mniej niż 50% objętości układu i emulsje stężone, w których faza wewnętrzna zajmuje ponad 50% objętości układu;
emulsje drobne, w których średnia wielkość kuleczek dochodzi do ok. 1 μm i emulsje grube o kuleczkach
5-10 μm, przy czym rozróżnia się w emulsjach jeszcze zakresy wielkości kuleczek - szeroki,
np. od 0,1 do 11 μm i wąski, np. od 1,0 do 7 μm.
7. Warunki tworzenia się emulsji
Utworzenie emulsji, a zwłaszcza jej odpowiedniego typu, zależy nie tyle od mechanicznego rozdrobnienia, ile od obecności substancji zdolnych do obniżania napięcia powierzchniowego na granicy wytworzonych faz, czyli od tzw. emulgatora. Dzięki adsorpcji emulgatora, na granicy faz następuje nie tylko obniżenie napięcia powierzchniowego, ale tworzy się błonka powierzchniowa, która przeciwdziała zlewaniu się kuleczek fazy wewnętrznej. Adsorpcja emulgatora na powierzchni międzyfazowej ma charakter uporządkowany. Mianowicie grupa polarna cząsteczki jest zwrócona w stronę fazy hydrofilowej (wodnej), natomiast grupa niepolarna w stronę fazy hydrofobowej (olejowej). Cząsteczki emulgatorów, podobnie jak innych związków powierzchniowo czynnych, składają się z dwóch członów, z których jeden ma charakter polarny - hydrofilowy, a drugi niepolarny - hydrofobowy.
8. Emulgatory w przemyśle spożywczym
Emulgatory stosowane w technologii żywności, poza właściwym działaniem emulgującym i stabilizacją emulsji, mogą dawać wiele dodatkowych bardzo korzystnych efektów, jak:
podniesienie oporności na utlenianie,
zwiększenie rozpuszczalności,
poprawa właściwości technologicznych itp.
W technologii żywności stosowane są emulgatory naturalne i sztuczne. Są one traktowane jako substancje dodatkowe dozwolone do żywności i muszą spełniać odpowiednie warunki, z których najważniejsze jest zastrzeżenie, że nie mogą być szkodliwe dla zdrowia. Tylko stosunkowo nieliczne emulgatory, np. lecytyna, niepełne glicerydy, żółtko jaja, są uznawane powszechnie za nieszkodliwe dla organizmu ludzkiego i mogą być stosowane bez ograniczeń.
9. Podstawy procesu krystalizacji
Krystalizacją nazywa się wydzielanie fazy stałej w postaci kryształów. Wydzielanie to może się odbywać z fazy płynnej
(z roztworu lub stopu) lub z gazowej. Ten ostatni proces nazywa się sublimacją. Atomy w krysztale (jony lub cząsteczki) są ułożone w przestrzeni w sposób uporządkowany, według określonej symetrii, tworząc strukturę, zwaną siatką krystaliczną. Krystalizacja jest więc procesem porządkowania atomów lub cząsteczek, będących w stanie bezładnego ruchu charakterystycznego dla płynu, do stanu trwałego, regularnego, krystalicznego.
10. Czynniki sprzyjające krystalizacji
Warunkiem koniecznym do powstawania fazy krystalicznej z fazy ciekłej jest przesycenie roztworu, które w praktyce uzyskuje się albo przez zmianę temperatury roztworu nasyconego, albo przez usunięcie części rozpuszczalnika, albo też obydwoma sposobami razem. Sposób krystalizacji zależy od tego, czy rozpuszczalność ciała maleje czy wzrasta ze spadkiem temperatury. Gdy rozpuszczalność ciała maleje, wystarczy roztwór oziębić, w przeciwnym razie należy rozpuszczalnik odparować albo dodać substancji wiążących rozpuszczalnik.
W tworzeniu fazy krystalicznej z roztworu lub stopu można wyróżnić dwa etapy:
tworzenie zarodków krystalizacji,
wzrost zarodków, z ewentualnym tworzeniem nowych.
Liczba zarodków powstających w jednostce objętości i czasu, czyli tzw. zdolność do krystalizacji wg Tammana zależy od:
stopnia przechłodzenia i,
lepkości roztworu lub stopu.
Krystalizację roztworu metastabilnego można zapoczątkować przez tzw. zaszczepienie kryształów, czyli dodanie do niego niewielkiej ilości drobno zmielonego ciała stałego, które ma krystalizować lub podobnego pod względem postaci i wymiarów elementarnych zarodków do ciała krystalizowanego.
11. Przykłady krystalizacji w przemyśle spożywczym i ich uwarunkowania
Krystalizacja cukru
przez oziębianie roztworu cukru o wysokim stężeniu sacharozy (powyżej 70%),
przez odparowanie wody i po osiągnięciu stanu przesycenia krystalizacja w stałej temperaturze.
Krystalizacja tłuszczu
Jest przykładem krystalizacji ze stopu. Jest to proces bardzo skomplikowany, gdyż tłuszcze są układem złożonym. Stanowią one mieszaninę cząsteczek różnych glicerydów, występujących w różnych formach polimorficznych o różnych punktach topnienia, stopniach przesycenia oraz różnej zdolności do tworzenia kryształów mieszanych. Przez kryształy mieszane rozumie się kryształy, w których część cząsteczek jednego komponenta została zastąpiona w siatce krystalicznej przez cząsteczki drugiego komponenta.
Krystalizacja tłuszczu kakaowego
Masa czekoladowa rozlewana do form w temperaturze procesu konszowania (40—90°C) i pozostawiona do zastygnięcia w temperaturze pokojowej (20—25°) będzie miała oprócz białoszarego nalotu i torfiastego przełomu gruzełkowatą strukturę. Gruzełki te składać się będą ze stałych cząstek masy czekoladowej powiązanych kryształami tłuszczu. Na języku zamiast delikatnego rozpływania się cząstki czekolady odczuwa się nieprzyjemne w dotyku gruzełki, które są nawet widoczne nie uzbrojonym okiem.Wady spotykane w strukturze (gruzełkowatość i torfiasty przełom) oraz w postaci matowej, szarej, siwej powierzchni wyrobów czekoladowych związane są z występowaniem tłuszczu kakaowego, w różnych odmianach krystalicznych.
12. Istota procesów utrwalania żywności
Utrwalanie żywności (albo konserwowanie) jest to działanie zmierzające do przedłużenia trwałości żywności poprzez:
niedopuszczenie do rozwoju i działalności drobnoustrojów (poprzez ich zabicie lub usunięcie z zabezpieczeniem przed zakażeniem wtórnym),
wstrzymanie tkankowych procesów biochemicznych (utleniania biologicznego, fermentacji, reakcji rozpadu różnych związków organicznych i ciemnienia katalizowanego przez różne enzymy),
wstrzymanie zmian fizycznych (np. zbrylania się, żelowania, twardnienia, rozwarstwiania, i innych zmian struktury i konsystencji),
wstrzymanie zmian chemicznych (np. autooksydacji tłuszczów, utleniania witamin, nienzymatycznego brunatnienia),
zabezpieczenia przed inwazją i rozwojem różnego rodzaju szkodników (np. szkodników magazynowych),
zabezpieczenie przed zanieczyszczeniami fizycznymi, chemicznymi i pochodzenia organicznego (np. kurzem, ziemią, różnymi substancjami zapachowymi i barwnymi),
zabezpieczenie przed skażeniami (np. metalami ciężkimi, drobnoustrojami chorobotwórczymi i ich toksynami).
Utrwalanie żywności sprawia, że:
żywność może być przechowywana przez dłuższy okres czasu i transportowana na większe odległości, niż żywność nie utrwalona,
pozwala łagodzić sezonowość produkcji w rolnictwie,
pozwala zaopatrywać w żywność duże ośrodki miejski, leżące z dala od rejonów produkcji rolnej,
pozwala rozwijać handel zagraniczny żywnością,
pozwala lepiej wykorzystać żywność w gospodarstwach domowych itp.,
13. Podział metod utrwalania żywności
Utrwalanie żywności osiąga się w różny sposób, wykorzystując metody:
fizyczne, jak obniżenie temperatury (chłodzenie, zamrażanie), ogrzewanie (pasteryzacja, sterylizacja, tyndalizacja), odwadnianie (zagęszczanie, suszenie), dodawanie substancji osmoaktywnych (cukier, sól), i stabilizatorów
(w utrwalaniu emulsji, pian, zoli), zastosowanie promieni jonizujących, wysokich ciśnień, gazów itd.,
chemiczne (dodawanie chemicznych środków konserwujących, peklowanie, wędzenie),
biotechnologicznych, stosując różne fermentacje (mlekową, alkoholową, propionową).
14. Podział fizycznych metod utrwalania żywności
Metody fizyczne: fizyczne, jak obniżenie temperatury (chłodzenie, zamrażanie), ogrzewanie (pasteryzacja, sterylizacja, tyndalizacja), odwadnianie (zagęszczanie, suszenie), dodawanie substancji osmoaktywnych (cukier, sól),
i stabilizatorów (w utrwalaniu emulsji, pian, zoli), zastosowanie promieni jonizujących, wysokich ciśnień, gazów itd.,
15. Podstawy zagęszczania substancji przez odparowanie rozpuszczalnika
Usuwanie wody z żywności powoduje skoncentrowanie składników jej suchej substancji w mniejszej masie produktu, który nosi nazwę koncentratu.
Zatężanie roztworu przez odparowanie rozpuszczalnika możliwe jest dzięki przeprowadzeniu części rozpuszczalnika
w temperaturze wrzenia cieczy w stan pary i odprowadzenie tej pary ze środowiska zatężanego roztworu.
Podczas procesu odparowywania cieczy (wody) z roztworu należy uwzględniać zależności, że:
temperatura wrzenia roztworu zależy od ciśnienia i rośnie wraz z ciśnieniem,
temperatura wrzenia roztworów zależy od stężenia i również wzrasta wraz z ich stężeniem,
intensywność odparowania rozpuszczalnika czyli szybkość zatężania roztworu zależy od różnicy temperatur czynnika grzejnego temperatury wrzenia, od wielkości powierzchni grzejnych wyparki i powierzchni parowania.
16. Podstawy utrwalania żywności przez zamrażanie
Podstawą utrwalania żywności przez obniżenie temperatury jest fakt, że wraz ze zmniejszaniem temperatury o 100C szybkość reakcji chemicznych maleje 2,5 razy, w jeszcze większym stopniu maleje szybkość reakcji enzymatycznych oraz zmniejsza się względna szybkość namnażania się drobnoustrojów, a po osiągnięciu odpowiednio niskiej temperatury następuje zahamowanie ich rozwoju.
Chłodzenie (zamrażanie), czyli odbieranie ciepła, jest jakby odwróceniem zjawiska ogrzewania w wymianie bezpośredniej lub przeponowej, więc można stosować te same wzory na określenie tej wymiany.
Q = K•F•t•Dt
gdzie:
Q – ilość ciepła odprowadzonego [J],
K – współczynnik przejmowania ciepła [W/m2×K],
F – powierzchnia [m2],
t - czas [s],
Dt – średnia różnica temperatur między powierzchnią ośrodka oziębionego, a czynnikiem oziębiającym.
Prędkość zamrażania produktu spożywczego - prędkość przesuwania się frontu lodowego w głąb zamrożonego produktu, czyli na granicy podziału między zamrożoną i nie zamrożoną w produkcie wodą. Prędkość ta nawet przy utrzymywaniu stałej temperatury czynnika zamrażającego i stałego współczynnika oddawania ciepła na powierzchni produktu, nie jest stała. Ma ona największą wartość na początku procesu zamrażania i na powierzchni produktu, a maleje w miarę postępującego procesu i przesuwania się granicy podziału w kierunku głębszych warstw produktu.
Czynniki wpływające na czas zamrażania:
wymiary i kształt zamrożonego ciała,
czynna różnica temperatur,
współczynnik wnikania ciepła miedzy produktem a medium,
współczynnik przewodzenia ciepła produktu,
opakowanie.
17. Zmiany w żywności wywołane zamrażaniem
Zmiany w żywności zachodzące w czasie zamrażania zależą od takich czynników jak:
rodzaj żywności,
przygotowanie wstępne,
opakowanie,
szybkość zamrażania,
temperatura końcowa zamrożenia,
technika zamrożenia.
Z czynników tych szczególne znaczenie, w odniesieniu do żywności zamrożonej, ze względu na zachowanie walorów sensorycznych i żywieniowych oraz ograniczenie ubytków masy, mają:
temperatura,
czas składowania żywności,
utrzymanie temperatury produktu na niezmienionym poziomie.
18. Metody zamrażania żywności
mrożenie konwekcyjne – odbieranie ciepła od mrożonej żywności przez oziębione powietrze,
mrożenie kontaktowe – do zamrażania wykorzystuje się oziębione powierzchnie metalowe,
mrożenie immersyjne - do zamrażania wykorzystuje się oziębione płyny np. roztwory cukrów albo soli, glikol, glicerol,
mrożenie kriogeniczne – wykorzystuje się skroplone lub zestalone gazy
19. Ogniwa łańcucha chłodniczego
chłodnictwo i zamrażalnictwo u producenta żywności i w punkcie skupu,
chłodnictwo i zamrażalnictwo technologiczno-produkcyjne,
chłodnictwo i zamrażalnictwo składowe,
chłodnictwo i zamrażalnictwo w handlu i żywieniu zbiorowym,
chłodnictwo i zamrażalnictwo w gospodarstwach domowych,transport chłodniczy i zamrażalniczy
20. Metody usuwania wody z materiałów spożywczych
Suszenie (odwadnianie) materiałów może być dokonane metodami ;mechanicznymi, termicznymi, fizykochemicznymi.
Mechaniczne metody (suszenia) polegają na: prasowaniu, wirowaniu, filtracji materiałów wilgotnych. W zależności od źródła ciepła, systemy suszenia żywności możemy podzielić na: naturalne, sztuczne. W suszeniu naturalnym wykorzystuje się ciepło promieniowania słonecznego i ciepło zawarte w powietrzu ogrzanym przez słońce. W suszeniu sztucznym korzysta się z ciepła uzyskiwanego z urządzeń grzejnych.
21. Rodzaje wody w materiale
W żywności woda występuje w trzech, umownie przyjętych, formach:
woda wolna,
woda swobodna,
woda hydratacyjna.
Woda wolna – jest rozpuszczalnikiem dla zawartych w produkcie substancji organicznych i związków mineralnych oraz bierze bezpośredni udział w przemianach fizykochemicznych. Wydziela się łatwo z produktu pod wpływem czynników zewnętrznych, miedzy innymi wskutek sublimacji z powierzchni produktów zamrożonych oraz jako wyciek podczas ich rozmrażania.
Woda swobodna – związana z siatką przestrzenną struktury tkankowej przez mostki wodorowe oraz siły elektrostatyczne. Stanowi większość wody wchodzącej w skład produktu. Podobnie jak woda wolna, ma ona charakter rozpuszczalnika i uczestniczy w przemianach fizykochemicznych.
Woda hydratacyjna – jest związana adsorpcyjnie z jonami i grupami polarnymi białek oraz sacharydów.
Nie podlega ona oddziaływaniom zewnętrznym, między innymi nie uczestniczy w przemianie fazowej podczas zamrażania.
Udział tego rodzaju wody jest stosunkowo stały i wynosi 4-10% ogólnej ilości wody zawartej
w żywności.
22. Sposoby ogrzewania produktów spożywczych.
23. Pojęcie aktywności wody i jej wpływ na właściwości produktów spożywczych
AKTYWNOŚĆ WODY - stosunek prężności pary wodnej nad roztworem do prężności pary nad czystą woda w tej samej temperaturze. Dla roztworu, w którym na 1 l czystej wody przypada 1 mol rozpuszczonej substancji aktywność wody wynosi 0,9823 oznacza to że roztwór taki wykazuje prężność pary wynosi 98,23% w stosunku do prężności pary czystej wody w tej samej temperaturze.
Dla czystej wody aktywność wody decyduje o trwałości mikrobiologicznej produktów żywnościowych- im niższa wartość tym żywność jest trwalsza. Najmniej odporne na obniżanie aktywności wody są bakterie, które na ogół nie są w stanie rozwijać się przy aktywności poniżej 0,9.
Aktywność wody ma wpływ na:
trwałość
przebieg brunatnienia nieenzymatycznego
utleniania tłuszczów
utleniania białek
działalność enzymów
24. Dobór metody suszenia i typu suszarek
Uwarunkowania wyboru metody suszenia i rodzaju suszarki są bardzo różnorodne. Najważniejsze z nich to:
stan fizyczny i postać (tekstura) materiału suszonego,
właściwości i wymagania fizykochemiczne oraz biologiczne materiału,
poziom wilgotności i aktywności wodnej materiału,
warunki techniczno-ekonomiczne i wyposażenie zakładu.
W praktyce przemysłowej wypracowano pewne uproszczone zasady wyboru, które przedstawiają się następująco:
materiały ciekłe o dużej lepkości lub półpłynne (pasty) są zwykle suszone kontaktowo w suszarkach walcowych,
ciecze o niewielkiej lepkości, a zwłaszcza termolabilne najlepiej suszyć w suszarkach rozpyłowych (rozpryskowych) lub dyspersyjnych na nośniku sypkim,
materiały stałe, które nie mogą być dowolnie rozdrabniane należy suszyć konwekcyjnie z owiewem gazami suszącymi, w suszarkach komorowych, tunelowych, bębnowych, taśmowych. Jest to zwykle suszenie długotrwałe i może odbywać się w różnych zakresach temperatur oraz wilgotności,
materiały wilgotne o sypkiej strukturze najdogodniej suszyć w stanie dyspersyjnym w suszarkach bębnowych, pneumatycznych, fluidyzacyjnych lub fontannowych,
materiały wilgotne o szczególnie cennych, a jednocześnie termolabilnych składnikach, niezależnie od stanu fizycznego można skutecznie i zachowawczo suszyć w suszarkach sublimacyjnych metodą liofilizacji. Trzeba tu jednak liczyć się z bardzo dużymi kosztami suszenia i małą wydajnością procesu.
25.Suszenie sublimacyjne, przebieg procesu, wady, zalety
Ten rodzaj suszenia opiera się na przemianie fazowej zestalonej wody (lód) w gaz na drodze sublimacji, z pominięciem fazy ciekłej. Podczas suszenia sublimacyjnego, zwanego także liofilizacją, materiał suszony poddawany jest zamrożeniu oraz sublimacji zamrożonej wilgoci pod zmniejszonym ciśnieniem poniżej 10-40 Pa, w temperaturach od –10 do –40oC. Ciepło sublimacji jest dostarczane przez przewodzenie lub promieniowanie. Sublimacja zamarzniętej wilgoci (lodu) rozpoczyna się na powierzchni materiału. Po sublimacyjnym usunięciu wilgoci utworzona sucha warstwa materiału znajdująca się w stanie zamrożenia zachowuje swoją postać i strukturę. Ten rodzaj suszenia opiera się na przemianie fazowej zestalonej wody (lód) w gaz na drodze sublimacji, z pominięciem fazy ciekłej. Ciało stałe jest zdolne do sublimacji gdy prężność jego par leży poniżej punktu potrójnego.
Operacja suszenia sublimacyjnego przebiega w dwóch stadiach:
w pierwszym etapie następuje „głębokie” zamrożenie wilgotnego materiału w temp. < -20oC,
w drugim etapie zamrożony materiał umieszcza się w komorze próżniowej i łagodnie doprowadza ciepło, tak aby temperatura nie podwyższała się powyżej –15oC, co zapewnia sublimację wody z pominięciem przechodzenia jej w stan ciekły. Uzyskuje się w ten sposób całkowite odwodnienie próbki materiału w stanie zamrożenia z zachowaniem jego objętości i kształtu.
Ze względu na bardzo ograniczoną konwekcję w komorze próżniowej liofilizatora doprowadzenie ciepła do materiału poddanego sublimacji może być jedynie przez przewodzenie lub promieniowanie. Suszarki takie wyposażone są więc bądź w jeden rodzaj tego źródła ogrzewania lub w obydwa. Obok przemysłu farmaceutycznego suszenie sublimacyjne znalazło zastosowanie również w przemyśle spożywczym.
|
---|
|
|
26. Wpływ procesu suszenia na zmiany fizykochemicznych produktu
27. Cel termicznego niszczenia drobnoustrojów
Termiczne utrwalanie żywności wykorzystujące wysokiej temperatury polega na doprowadzeniu do określonego rodzaju żywności takiej ilości energii cieplnej, która spowoduje technologicznie uzasadnione zmiany:
inaktywacja drobnoustrojów i enzymów powodujących psucie się żywności,
niszczenie toksyn,
przeprowadzanie niektórych związków zawartych w żywności z formy nieprzyswajalnej w przyswajalną.
28. Czynniki wpływające na stopień unieczynnienia drobnoustrojów
Termiczna inaktywacja drobnoustrojów następuje dopiero po przekroczeniu temperatury maksymalnej dla ich wzrostu, a więc po osiągnięciu tzw. minimalnej temperatury letalnej (TL).
Niszczenie drobnoustrojów po osiągnięciu temperatury letalnej (TL) nie zachodzi natychmiast, ale przebiega w tempie malejącym i zależy od wielu czynników:
rodzaju i formy drobnoustrojów,
warunków środowiskowych,
dawki ciepła niszczącego.
Warunki środowiskowe to:
aktywność wody,
stężenie jonów wodorowych,
zawartość tłuszczu, białka i innych składników suchej substancji.
Bardzo istotny wpływ na inaktywację cieplną drobnoustrojów wywiera kwasowość środowiska.
W miarę zwiększania się stężenia jonów wodorowych obniża się gwałtownie ciepłooporność drobnoustrojów.
Termiczne niszczenie drobnoustrojów może być przeprowadzane w :
gorącym powietrzu suchym (ciepło „suche”),
ogrzanym środowisku wodnym (ciepło „wilgotne”).
29. Podział żywności ze względu na bytowanie drobnoustrojów i przedstawiciele drobnoustrojów
Ze względu na przystosowanie się drobnoustrojów do bytowania i rozwoju w określonym środowisku (pH) dokonano podziału żywności na trzy zasadnicze grupy:
Żywność niekwaśna i mało kwaśna o pH > 4,6 - np. mleko, mięso, drób, ryby, skorupiaki, groszek, fasola, szpinak, szparagi, buraki.
Żywność kwaśna o pH 3,7-4,6 - gruszki, morele, pomidory, czerwona kapusta.
Żywność bardzo kwaśna, o pH < 3,7 - kiszona kapusta, kiszone ogórki, większość owoców.
Grupy żywności | pH | Mikroflora |
---|---|---|
Żywność niekwaśna i mało kwaśna | >4,6 | Clostridium botulinum |
Żywność kwaśna | 3,7-4,6 | Bakterie kwasu masłowego |
Żywność bardzo kwaśna | <3,7 | Bakterie mlekowe, pleśnie |
30. Parametry opisujące termiczne niszczenie drobnoustrojów (Parametr D i z)
Wartość D, związana jest ze stałą szybkości reakcji niszczenia drobnoustrojów i nosi nazwę czasu dziesięciokrotnej redukcji albo oporności cieplnej.
Przyjmuje się, że czas D jest niezależny od stężenia początkowego drobnoustrojów, natomiast zależy od:
rodzaju mikroflory,
temperatury,
środowiska, w którym zachodzi ogrzewanie,
techniki wykrywania komórek przeżywających ogrzewanie.
Doświadczalnie stwierdzono, że wartość D (oporność cieplna D) jest także funkcją temperatury ogrzewania D =f(T).
Wartość D zmienia się w tempie logarytmicznym wraz z temperaturą i na wykresach daje krzywą określaną jako krzywa oporności cieplnej lub krzywa czasu śmierci danego drobnoustroju.
$$logD = logD_{0} - \frac{z}{T}$$
gdzie:
Do – wartość czasu 10-krotnej redukcji w temp. początkowej To,
D - wartość czasu 10-krotnej redukcji w temp. T,
z– nachylenie prostej, tzw. wartość z, która oznacza o ile stopni należy zwiększyć temperaturę inaktywacji, aby 10-krotnie
zredukować wartość D, czyli o 1 cykl logarytmiczny.
Jeżeli przyjmie się, że czas dziesięciokrotnej redukcji drobnoustroju dla ustalonej temperatury Tr, wynosi Dr,
a dla dowolnej temperatury zabójczej T wyniesie D, to można napisać:
Równanie to umożliwia obliczenie wartości D dla dowolnej temperatury T, jeżeli jest określona wartość Dr w temperaturze porównawczej Tr oraz wartość z.
Parametry D i z charakteryzują oporność drobnoustroju na działanie temperatury zabójczej dla niego. Im wartości D
i z są wyższe, tym ciepłooporność drobnoustroju jest większa.
31. Pasteryzacja cel procesu, metody pasteryzacji mleka
Pasteryzacja polega na ogrzewaniu materiału do temperatur nie przekraczających 100°C (przeważnie 65-85°C).
Ma ona na celu zniszczenie drobnoustrojów chorobotwórczych i przedłużenie trwałości produktu wskutek prawie całkowitego unieszkodliwienia form wegetatywnych, a w przypadku żywności o pH poniżej 4,5 (np. owoców) pasteryzacja pozwala na uzyskanie pełnej trwałości mikrobiologicznej produktu. Pasteryzuje się najczęściej produkty płynne (jak mleko, piwo, masa jajowa) i kwaśne (jak soki owocowe, ogórki konserwowe) przed lub po umieszczeniu ich w opakowaniach hermetycznych. Urządzenia, w których prowadzi się pasteryzację, noszą nazwę pasteryzatorów.
W zależności od materiału oraz stosowanych temperatur i czasu ogrzewania wyróżnia się różne sposoby pasteryzacji:
pasteryzację niską albo długotrwałą, polegającą na ogrzewaniu w temp. 60-65°C w czasie 2-30 minut;
pasteryzację w wysokiej temperaturze i krótkim czasie HTST, polegającą na ogrzewaniu w temp. np. 70-88°C w czasie 15 sek,
pasteryzację momentalną, polegającą na ogrzaniu do temp. 85-90°C i natychmiastowym schłodzeniu;
pasteryzację wysoką, w której stosuje się ogrzewanie w temp. od 85°C do prawie 100°C w czasie od co najmniej 15 s do kilku, a czasem i kilkudziesięciu minut.
32.Wymienić etapy procesu apertyzacji
1) przygotowanie surowców,
2) przygotowanie opakowań,
3) napełnianie opakowań,
4) ewentualne zalewanie,
5) odpowietrzanie,
6) znakowanie i przymykanie,
33. Jakie czynniki decydują o sterylności produktu poddawanego apertyzacji
Aby nastąpiło pełne utrwalenie żywności, w apertyzacji w każdym przypadku należy przestrzegać:
odpowiedniego nagrzania, które z kolei wymaga odpowiedniej temperatury i czasu ogrzewania, tak aby wszystkie miejsca konserwy zostały należycie wyjałowione;
pełnej szczelności (hermetyczności) opakowań, tak aby nie tylko drobnoustroje, lecz także powietrze nie mogło przenikać do konserwy;
należytego odpowietrzenia, jest to warunek też bardzo ważny, m.in. ze względu na zabezpieczenie konserwy przed zmianami oksydacyjnymi.
Przy ustalaniu czasu nagrzewania i oziębiania konserw, mającego w praktyce istotne znaczenie, należy uwzględnić takie czynniki jak:
konsystencja materiału,
wielkość opakowań,
różnica temperatur,
przewodnictwo ścianek naczyń,
studzenie puszek (słojów).
konsystencja materiału - odgrywa ona dużą rolę w zdolności przyjmowania ciepła przez konserwę, np. z pary wodnej skraplającej się na ściankach puszki. Im treść puszki (słoja) jest bardziej ciekła, tj. ma mniejszą lepkość, tym lepsze jest konwekcyjne przenoszenie ciepła zamiast powolnego przenikania w drodze przewodności. Pod tym względem najgorsze są koncentraty przecierów (np. pasty pomidorowej) i produkty stałe (np. mięsne) pakowane do puszek.
wielkość opakowań - im puszka (słój) jest większa, tym czas potrzebny do jej nagrzania (w miejscu położonym najdalej od powierzchni) musi być dłuższy,
różnica temperatur, - im wyższa jest temperatura w autoklawie (Ta) i im niższa temperatura w puszce (T), tj. im większa jest różnica (Ta –T), tym szybsze jest tempo nagrzewania się konserw,
przewodnictwo ścianek naczyń - tempo nagrzewania się konserw puszkowych zależy głównie od zdolności przejmowania ciepła przez materiał. Różnice w przewodności cieplnej i grubości ścianek opakowań powodują, że ogólny czas sterylizacji koserw w opakowaniach szklanych jest o ok. 50% dłuższy od czasu sterylizacji produktu w puszkach metalowych),
studzenie puszek (słojów) - zbyt powolne studzenie powoduje nadmierne rozgotowywanie się konserw i ich brunatnienie. Prawidłowe jest studzenie immersyjne, polegające na zanurzaniu koszy metalowych z puszkami w zimnej odkażonej wodzie.
34. Sterylność handlowa produktu i czynniki ją warunkujące
Sterylizacja cieplna polega na ogrzewaniu produktu w temperaturach przekraczających 100°C. Jej celem jest praktycznie całkowite termiczne zniszczenie drobnoustrojów.
Sterylność handlowa, albo „sterylność techniczna" - zniszczenie wszystkich drobnoustrojów chorobotwórczych
i zredukowanie mikroflory saprofitycznej (łącznie z ich formami przetrwalnikowymi) do określonej, ostatecznie małej wartości, zaakceptowanej ze względu na bardzo rzadkie dopuszczalne ryzyko zepsucia zakonserwowanej żywności, np. 1 opakowania na 10 000 opakowań.
Mikrobiologiczne zakażenie żywności przed sterylizacją może być bardzo różne tak pod względem jakościowym, jak i ilościowym. W procesie sterylizacji uwaga jest skupiona głównie na drobnoustrojach chorobotwórczych oraz odznaczających się największą ciepłoopornością.
W praktyce zagadnienie sprowadza się do uwzględnienia spośród szkodliwej mikroflory takiego mikroorganizmu, który do założonej redukcji wymaga stosunkowo największej dawki ciepła. Drobnoustrój ten jest krytyczny dla sterylizowanej partii produktu i dla niego jest ustalana wielokrotność redukcji dziesiętnej n.
35. Sterylizacja mleka metodą UHT sposoby doprowadzania ciepła, wady zalety metod
Zasada UHT znalazła praktyczne zastosowanie w metodzie sterylizacji produktów płynnych przed ich zapakowaniem (np. mleko), gdzie warunkiem równomiernego rozkładu temperatury w sterylizowanej błyskawicznie żywności jest homogeniczność ogrzewanego materiału.
W systemie UHT czynnikiem grzejnym jest gorąca woda stosowana do wstępnego ogrzewania mleka i para wodna pod ciśnieniem jako czynnik sterylizujący, przy czym ogrzewanie parą może następować albo bezpośrednio przez wprowadzenie jej do mleka, albo pośrednio przez przegrodę metalową.
Wśród urządzeń UHT służących do bezpośredniego ogrzewania mleka parą można wyróżnić dwa typy:
urządzenia, w których para jest wprowadzana do strumienia przez iniekcję, co powoduje momentalne jego ogrzanie do temp. 140-150°C.
urządzenia, w których mleko podgrzane wstępnie do temperatury np.75°C jest rozpylane w komorze, zawierającej parę wodną o żądanej temperaturze i ciśnieniu. Ogrzane momentalnie mleko do temp. 140-150°C przechodzi następnie do komory ekspansyjnej i jest chłodzone.
Również wśród urządzeń UHT służących do pośredniego wyróżnia się dwa typy:
sterylizatory działające na zasadzie płytowych wymienników ciepła,
sterylizatory z rurowymi wymiennikami ciepła, w których mleko jest dwustronnie ogrzewane w przewodzie rurowym
Zmiany w żywności podawanej apertyzacji i sterylizacji UHT
Cecha | Sterylizacja w opakowaniach | Sterylizacja UHT |
---|---|---|
Zmiana barwy | Zmiana spowodowana długotrwałym działaniem ciepła na naturalne barwniki występujące w żywności (chlorofil, karotenoidy, antocyjany, mioglobina), Zachodzą również reakcje brązowienia Maillarda i karmelizacja |
Zmianie podlegają barwniki mięsa. Karmelizacja i reakcje Maillarda zachodzą w niewielkim stopniu. Karoteny i betaina w surowcach roślinnych praktyczne pozostają bez zmian, a chlorofil i antocyjany są lepiej zachowywane. |
Zmiana smaku i zapachu |
Zmiany są spowodowane różnorodnymi reakcjami chemicznymi w tym:
|
Zmiany smakowo-zapachowe w żywności nie są tak głębokie, a ich naturalny smak i zapach są lepiej zachowane |
Zmiana tekstury |
|
W procesie UHT lepkość mleka i soków owocowych nie ulegają zmianie |
Zmiana wartości odżywczej | Zmiany w żywności apertyzowanej są znaczne i na ogół niekorzystne. Wynikają głównie ze straty witamin i aminokwasów | Małe albo nieznaczne zmiany w wartości odżywczej |
Podstawy zagęszczania substancji przez odparowanie rozpuszczalnika
Zgęszczanie albo koncentracja polega na usuwaniu wody z ciał płynnych, zwykle do zawartości ok. 30%. Usuwanie wody z żywności powoduje skoncentrowanie składników jej suchej substancji w mniejszej masie produktu, który nosi nazwę koncentratu.
Stopień zagęszczenia (koncentracji) żywności określa się stosunkiem masy produktu surowego do koncentrowanego, albo stosunkiem procentowej zawartości suchej substancji w żywności po zagęszczeniu i przed jej zagęszczeniem.
Zatężanie roztworów można realizować przez:
dodanie (rozpuszczenie) określonej substancji do roztworu,
wydzielenie części rozpuszczalnika z roztworu metodami termicznymi względnie membranowymi.
Do metod zatężania termicznego należą:
odparowanie rozpuszczalnika,
wymrażanie wody.
Odparowanie wody prowadzi się w urządzeniach zwanych wyparkami lub aparatami wyparnymi.
Urządzenia te mogą pracować pod:
zwykłym ciśnieniem (wyparki otwarte),
zredukowanym ciśnieniem (wyparki próżniowe).
38. Zastosowanie wyparek próżniowych w przemyśle spożywczym
Wyparki próżniowe są szeroko stosowane w technologii żywności wszędzie tam, gdzie chodzi o szybki wyparowanie dużych ilości wody i dobrą jakość zatężonego układu.
przemysł mleczarski, przy produkcji mleka zagęszczonego,
przemysł owocowo-warzywny wyrób marmolad, dżemów, koncentratów pomidorowych, koncentratów soków owocowych,
przemysł koncentratów spożywczych (ekstrakty kawy, herbaty, koncentraty witaminowe, białkowe),
przemysł cukrowniczy - zagęszczanie soku rzadkiego,
przemysł cukierniczy - zagęszczanie masy karmelowej, masy pomadowej (pomadki mleczne-irysy, tofii, krówki),
przemysł skrobiowy – zagęszczanie kwasowych hydrolizatów skrobiowych.
Metody chemicznego i biologicznego utrwalania żywności
Utrwalanie metodami chemicznymi polega na dodaniu do przetworów w małych dawkach związków chemicznych, które hamują rozwój lub niszczą drobnoustroje, a nie wpływają ujemnie na smak i zapach gotowego wyrobu oraz są nieszkodliwe dla zdrowia konsumenta.
Utrwalanie za pomocą chemicznych środków konserwujących stosowanych w małych dawkach.
Utrwalanie za pomocą kwasów organicznych
Utrwalanie za pomocą kwasów nieorganicznych
Wędzenie jest to specyficzny rodzaj utrwalania mięsa, w którym produkt poddaje się działaniu ciepła i związków chemicznych zawartych w dymie otrzymanym podczas spalania drewna. Fenole i aldehydy znajdujące się w dymie działają bakteriobójczo na mikroflorę. W czasie wędzenia obsycha powierzchnia porduktu oraz osiadają na niej składniki dymu, tworząc warstwy silnie nasycone o intensywnej barwie, zapachu i połysku. Z technologicznego punktu widzenia rozróżnia się wędzenie zimnie w temperaturze 16-22oC, ciepłe w temperaturze 22-40oC i gorące w temperaturze 45OC.
Peklowanie polega na poddaniu mięsa działaniu mieszanki peklującej, w skład, której wchodzą: sól, azotany, cukier, kwas askorbinowy oraz inne składniki. Proces peklowania przeprowadza się metodą na sucho, na mokro i mieszaną. Mięso peklowane odznacza się charakterystyczną różową barwą, utrzymującą się po ugotowaniu, przyjemnym smakiem oraz aromatem.
Metody biologiczne. Zliczamy do nich między innymi proces kiszenia.
Czynnikiem utrwalającym podczas kiszenia jest kwas mlekowy wytwarzany przez bakterie kwasu mlekowego z cukru znajdującego się w produkcie. Oprócz bakterii kwasu mlekowego w procesie kiszenia biorą udział również inne bakterie i drożdże wytwarzające alkohol. Trwałość produktów kiszonych uzyskuje się przy pH poniżej 3,5 oraz kwasowości ogólnej 1-1,8%.
Niekonwencjonalne metody utrwalania żywności
Są to metody nietypowe, z reguły nowoczesne, z wykorzystaniem najnowszych urządzeń technicznych. Utwalanie żywności zachodzi poprzez zastosowanie:
Promieniowania jonizującego
Promieniowania nadfioletowego
Drgań dźwiękowych i naddźwiękowych
Wysokiego ciśnienia hydrostatycznego
Pilsującego pola magnetycznego
Pulsującego pola elektrycznego
Pulsującego światła.