2009.02.19 - skrypt OTZ[1]

ĆWICZENIA Z OGÓLNEJ TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

KATEDRA BIOTECHNOLOGII, ŻYWIENIA CZŁOWIEKA I TOWAROZNAWSTWA ŻYWNOŚCI

UNIWERSYTET PRZYRODNICZY W LUBLINIE 19 LUTY 2009

2

SPIS TREŚCI PRZEPISY BHP ................................................................................................................................. 5 REGULAMIN OBOWIĄZUJĄCY NA ĆWICZENIACH Z OGÓLNEJ TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI -- STUDIA STACJONARNE -- ........................................................................... 6 REGULAMIN OBOWIĄZUJĄCY NA ĆWICZENIACH Z OGÓLNEJ TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI -- STUDIA NIESTACJONARNE -- .................................................................... 7 1. REAKCJE MAILLARDA .......................................................................................................... 9 1.1. WPROWADZANIE .................................................................................................................... 9 1.2. WYKONANIE OZNACZENIA ................................................................................................... 15 1.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW ................................................................................................ 16 1.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI .......................................................................................................... 17 2. EKSTRAKCJA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM ............................................................. 19 2.1. WPROWADZENIE .................................................................................................................. 19 2.2. WYKONANIE ĆWICZENIA ...................................................................................................... 23 2.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW ................................................................................................ 23 2.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI .......................................................................................................... 24 3. WARUNKI POWSTAWANIA ŻELU PEKTYNOWEGO ................................................... 25 3.1. WPROWADZENIE .................................................................................................................. 25 3.2. WYKONANIE ĆWICZENIA ...................................................................................................... 29 3.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW ................................................................................................ 29 4. ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI .............................. 31 4.1. WPROWADZENIE .................................................................................................................. 31 4.2. WYKONANIE ĆWICZENIA ...................................................................................................... 39 4.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW ................................................................................................ 40 4.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI .......................................................................................................... 41 5. ROZMRAŻANIE ŻYWNOŚCI................................................................................................ 43 5.1. WPROWADZENIE .................................................................................................................. 43 5.2. WYKONANIE ĆWICZENIA ...................................................................................................... 48 5.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW ................................................................................................ 48 5.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI .......................................................................................................... 49 6. SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH ..................................................................... 51 6.1. WPROWADZENIE .................................................................................................................. 51 6.2. WYKONANIE ĆWICZENIA ...................................................................................................... 59 6.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW ................................................................................................ 61 6.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI .......................................................................................................... 62 7. MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI ..................... 63 7.1. WPROWADZENIE .................................................................................................................. 63 7.2. WYKONANIE ĆWICZENIA ...................................................................................................... 72 7.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW ................................................................................................ 73 8. WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM ........................................................................... 75 8.1. WPROWADZENIE .................................................................................................................. 75 8.2. WYKONANIE ĆWICZENIA ...................................................................................................... 89 8.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW ................................................................................................ 91 8.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI .......................................................................................................... 92 9. UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE ..................................................... 93 9.1. WPROWADZENIE .................................................................................................................. 93 9.2. WYKONANIE ĆWICZENIA .................................................................................................... 101 19 LUTY 2009

3

SPIS TREŚCI 9.3. 9.4.

PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW .............................................................................................. 106 SPRZĘT I ODCZYNNIKI ........................................................................................................ 107

10. EMULSJE ................................................................................................................................. 109 10.1. WPROWADZENIE ................................................................................................................. 109 10.2. WYKONANIE ĆWICZENIA .................................................................................................... 114 10.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW .............................................................................................. 117 10.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI ........................................................................................................ 118 11. TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI ....................................................................... 119 11.1. WPROWADZENIE ................................................................................................................ 119 11.2. WYKONANIE ĆWICZENIA .................................................................................................... 135 11.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW .............................................................................................. 135 11.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI ........................................................................................................ 136 ZAŁĄCZNIKI ................................................................................................................................ 137 ZAŁĄCZNIK 1. WZÓR SPRAWOZDANIA Z ĆWICZEŃ ................................................................... 137 LITERATURA ............................................................................................................................... 138 SPIS AUTORÓW ........................................................................................................................... 139

4

19 LUTY 2009

PRZEPISY BHP

PRZEPISY BHP 1. Do laboratorium przychodzimy bez płaszczy (kurtek), dużych plecaków, toreb itp., które zostawiamy w szatni. 2. Osoby przebywające na sali ćwiczeń obowiązuje bezwzględny nakaz stałego używania fartuchów ochronnych (zapiętych!) 3. Zabrania się spożywania posiłków i picia napojów w laboratorium. 4. Podczas ćwiczeń zachowujemy ostrożność. Chaotyczne i bezmyślne wykonywanie poszczególnych operacji oraz niedostateczna ich znajomość prowadzi najczęściej do nieszczęśliwych wypadków. 5. Wszelkie urządzenia włączamy/wyłączamy jedynie za zgodą prowadzącego. 6. Przyjmujemy zasadę, że żadnych substancji w laboratorium nie badamy na smak. 7. Powonieniem badamy tylko substancje wskazane przez prowadzącego. Nie nachylamy się nigdy bezpośrednio nad naczyniem i nie wdychamy głęboko par substancji, lecz tylko pary danej substancji kierujemy dłonią w stronę twarzy. 8. Przy ogrzewaniu i przelewaniu cieczy nie nachylamy się nad nimi, ponieważ mogą wyprysnąć i trafić do oka lub poparzyć twarz. 9. Przy pracy z substancjami, które mogą ulec rozpryskiwaniu lub wybuchowi stosujemy zawsze okulary ochronne. 10. Ogrzewanie cieczy w probówkach wykonujemy w ten sposób, że wylot probówki skierowujemy tak, aby ciecz przy ewentualnym wypryśnięciu nie oblała nikogo znajdującego się w laboratorium. 11. Przy przenoszeniu naczyń i przedmiotów gorących bierzemy je w rękę poprzez ściereczkę lub za pomocą szczypiec. 12. Podczas przelewania cieczy żrących i przesypywania substancji żrących nakładamy ochronne rękawice i okulary. Odczynników umieszczonych pod digestorium nie wolno wynosić poza jego obręb bez wyraźnej zgody prowadzącego ćwiczenia. 13. Prace z substancjami o nieprzyjemnym zapachu oraz wydzielającymi szkodliwe dla zdrowia pary wykonujemy zawsze pod włączonym wyciągiem (pod digestorium). 14. Gdy mimo zachowania ostrożności dojdzie do kontaktu z substancją niebezpieczną (kontakt z oczami, skórą, przy spożyciu lub wdychaniu) neutralizujemy jej działanie zgodnie z wytycznymi umieszczonymi w karcie charakterystyki substancji chemicznej. O zaistniałym zdarzeniu zawsze w pierwszej kolejności informujemy prowadzącego ćwiczenia. 15. Substancji niebezpiecznych (np. rozpuszczalników organicznych) nie wylewamy do kanalizacji bez zgody prowadzącego. 16. W przypadku skaleczenia się szkłem lub innym ostrym narzędziem ranę przemywamy 3% wodą utlenioną i owijamy sterylnym bandażem. Przy poważniejszych skaleczeniach przystępujemy przede wszystkim do zatamowania krwotoku. W tym celu wykonujemy ucisk powyżej skaleczenia przy krwotoku tętniczym, a poniżej przy żylnym. Po założeniu ucisku należy udać się jak najszybciej do lekarza. 17. W przypadku powstania pożaru w laboratorium gasimy ogień odpowiednim środkiem gaśniczym. 18. Po zakończeniu ćwiczeń student zobowiązany jest uporządkować stanowisko pracy i doprowadzić je do stanu uniemożliwiającego wystąpienie zagrożeń. 19. W przypadku wystąpienia wątpliwości lub zauważonych nieprawidłowości (np. w działaniu urządzeń) - należy natychmiast zwrócić się z zapytaniem do osoby prowadzącej ćwiczenia.

19 LUTY 2009

5

REGULAMIN OBOWIĄZUJĄCY NA ĆWICZENIACH Z OGÓLNEJ TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

REGULAMIN OBOWIĄZUJĄCY NA ĆWICZENIACH Z OGÓLNEJ TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI -- STUDIA STACJONARNE -Na ćwiczenia: - przychodzimy punktualnie - obowiązuje fartuch (zapięty!) - warunkiem dopuszczenia do wykonywania ćwiczeń jest teoretyczna znajomość materiału ćwiczeniowego - obowiązuje posiadanie własnej kopii wykonywanego ćwiczenia - ćwiczenia wykonywane są w stałych zespołach 2-3 osobowych - stłuczone kolbki, pipety, zlewki, cylindry, biurety i inny zepsuty, uszkodzony sprzęt zgłaszamy prowadzącemu ćwiczenia, a następnie zapisujemy w odpowiednim zeszycie - po każdym z wykonanych ćwiczeń należy oddać sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia (wzór sprawozdania zamieszczono w załączniku 1 na stronie 137) - w przypadku nie oddania sprawozdania w dniu wykonania ćwiczenia, należy otrzymane wyniki przedstawić na piśmie prowadzącemu w celu uzyskania parafki. - sprawozdanie z wykonywanego ćwiczenia przynosimy najpóźniej na następne ćwiczenia (z dołączonymi parafowanymi w dniu wykonania ćwiczenia wynikami)

Kolokwia: - kolokwium będzie składać się z pytania/pytań teoretycznych związanych z wykonywanymi ćwiczeniami, zadań rachunkowych (formę kolokwium ustala prowadzący!) - pierwsze kolokwium odbędzie się po przeprowadzeniu połowy ćwiczeń, drugie kolokwium zaplanowane jest po ukończeniu pozostałych ćwiczeń. - za odpowiedzi na pytania pisane nieczytelnie jak i nie na temat będzie przyznawane 0 punktów - nieusprawiedliwiona nieobecność na zajęciach pociąga za sobą wystawienie oceny 2,0 z kolokwium - niezaliczoną teorię należy zaliczyć „ustnie” na następnych zajęciach lub w terminie ustalonym wspólnie z prowadzącym

Ocena końcowa: - posiadanie nieusprawiedliwionych lub więcej niż 2 usprawiedliwione nieobecności jest podstawą do niezaliczenia ćwiczeń - niezaliczenie więcej niż 2 ćwiczeń (niezaliczone sprawozdania) jest podstawą do niezaliczenia ćwiczeń (nie ma możliwości odrabiania ćwiczeń praktycznych!) - ocena końcowa będzie średnią ze wszystkich ocen uzyskanych z teorii, zadań rachunkowych w przebiegu ćwiczeń - jeżeli wspomniana średnia będzie mniejsza niż 3,0 wówczas możliwe będzie poprawienie tej oceny pod koniec semestru - na ocenę końcową wpływać będzie również postawa studenta na ćwiczeniach (m.in. ilość spóźnień, terminowe oddawanie sprawozdań, odpowiednia postawa i zaangażowanie w prace)

6

19 LUTY 2009

REGULAMIN OBOWIĄZUJĄCY NA ĆWICZENIACH Z OGÓLNEJ TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

REGULAMIN OBOWIĄZUJĄCY NA ĆWICZENIACH Z OGÓLNEJ TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI -- STUDIA NIESTACJONARNE -Na ćwiczenia: - przychodzimy punktualnie - obowiązuje fartuch (zapięty!) - warunkiem dopuszczenia do wykonywania ćwiczeń jest teoretyczna znajomość materiału ćwiczeniowego - obowiązuje posiadanie własnej kopii wykonywanego ćwiczenia - ćwiczenia wykonywane są w stałych zespołach 2-3 osobowych - stłuczone kolbki, pipety, zlewki, cylindry, biurety i inny zepsuty, uszkodzony sprzęt zgłaszamy prowadzącemu ćwiczenia, a następnie zapisujemy w odpowiednim zeszycie - po każdym z wykonanych ćwiczeń należy oddać sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia (wzór sprawozdania zamieszczono w załączniku 1 na stronie 137) - w przypadku nie oddania sprawozdania w dniu wykonania ćwiczenia, należy otrzymane wyniki przedstawić na piśmie prowadzącemu w celu uzyskania parafki. - sprawozdanie z wykonywanego ćwiczenia przynosimy najpóźniej na następne ćwiczenia (z dołączonymi parafowanymi w dniu wykonania ćwiczenia wynikami)

Kolokwia: - kolokwium będzie składać się z pytania/pytań teoretycznych związanych z wykonywanymi ćwiczeniami (formę kolokwium ustala prowadzący!) - przewidziane są 3 kolokwia, każde obejmujące zakres teoretyczny z trzech wykonanych ćwiczeń - za odpowiedzi na pytania pisane nieczytelnie jak i nie na temat będzie przyznawane 0 punktów - nieusprawiedliwiona nieobecność na zajęciach, na których odbędzie się kolokwium, pociąga za sobą wystawienie oceny 2,0 z kolokwium - niezaliczoną teorię należy zaliczyć „ustnie” na następnych zajęciach lub w terminie ustalonym wspólnie z prowadzącym

Ocena końcowa: - posiadanie nieusprawiedliwionych lub więcej niż 1 usprawiedliwionej nieobecności jest podstawą do niezaliczenia ćwiczeń - niezaliczenie więcej niż 2 ćwiczeń (niezaliczone sprawozdania) jest podstawą do niezaliczenia ćwiczeń (nie ma możliwości odrabiania ćwiczeń praktycznych!) - ocena końcowa będzie średnią ze wszystkich ocen uzyskanych z teorii - jeżeli wspomniana średnia będzie mniejsza niż 3,0 wówczas możliwe będzie poprawienie tej oceny pod koniec semestru - na ocenę końcową wpływać będzie również postawa studenta na ćwiczeniach (m.in. ilość spóźnień, terminowe oddawanie sprawozdań, odpowiednia postawa i zaangażowanie w pracę)

19 LUTY 2009

7

REGULAMIN OBOWIĄZUJĄCY NA ĆWICZENIACH Z OGÓLNEJ TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

8

19 LUTY 2009

REAKCJE MAILLARDA

1. REAKCJE MAILLARDA 1.1. WPROWADZANIE Reakcje Maillarda (lub reakcja Maillarda) zwane są również ciemnieniem nieenzymatycznym albo reakcjami melanoidynowymi. Jest to szereg złożonych reakcji chemicznych, jakim podlegają różne produkty pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, prowadzących do wytworzenia się ciemnego zabarwienia produktu (grec. melanos - czarny). Po raz pierwszy reakcje te były badane przez Maillarda (1912 r.) przy użyciu mieszanin cukru redukującego i aminokwasu, i stąd noszą jego imię. Charakter reagującego cukru prostego, jego budowa, struktura przestrzenna, a przede wszystkim czynniki sprzyjające przesunięciu się równowagi w kierunku formy acyklicznej z wolną grupą karbonylową (podwyższone pH roztworu, podwyższona temperatura, znaczne stężenie substratów) sprzyjają reakcji Maillarda, a także decydują o jej przebiegu i produktach końcowych (melanoidynach). Zgodnie z sugestią Kostyczewa i Brillianta (1920 r.) reakcje te mogą zachodzić czasami w żywej komórce. Różne aldehydy i ketony, w tym cukry redukujące, kondensują łatwo z aminokwasami, aminami, peptydami, czy też z białkami, tworząc tzw. zasady Schiffa, a następnie W-podstawione glikozyloaminy. W przypadku prostej mieszaniny glukozy i glicyny można odtworzyć początkowe stadia reakcji Maillarda. Glukoza reaguje za pomocą swojej grupy aldehydowej z grupą aminową glicyny, tworząc glukozyloglicynę:

W czasie tej kondensacji wydziela się cząsteczka wody, dlatego reakcja zachodzi lepiej w środowisku o małej zawartości wody. Produkt reakcji jest bezbarwny. Pentozy reagują szybciej niż heksozy, a monosacharydy są aktywniejsze niż redukujące disacharydy. Brak wolnej grupy hydroksylowej pólacetalu jest przyczyną, że cukry nieredukujące nie reagują, stąd np. sacharoza tak długo nie wchodzi w ciąg reakcji ciemnienia nieenzymatycznego, jak długo nie zostanie zhydrolizowana do glukozy i fruktozy. Kwasy uronowe i estry fosforanowe cukrowców reagują łatwiej niż odpowiadające im cukry wolne. Im dalej od grupy karboksylowej położona jest grupa aminowa, tym szybciej reaguje aminokwas, przy czym aminokwasy zasadowe są bardziej reaktywne niż kwaśne. Duża reaktywność lizyny jest przyczyną poważnych strat tego egzogennego aminokwasu w żywności. Drugą reakcją jest przegrupowanie Amadori, które prowadzi do wytworzenia się fruktozoglicyny, będącej chemicznie 1-amino-l-deoksyfruktozą:

Przegrupowanie Amadori wymaga jako katalizatora obecności jonów wodorowych. Funkcję tę może spełniać grupa karboksylowa aminokwasu. Powstały związek jest również bezbarwny. 19 LUTY 2009

9

REAKCJE MAILLARDA

Fruktozyloglicyna, a także inne ketozoaminy mogą reagować z drugą cząsteczką glukozy i po następnym przegrupowaniu Amadori powstaje difruktozyloglicyna:

Zarówno monoketozoaminokwasy jak i diketozoaminokwasy zostały wyodrębnione z przecierów owocowych, wykazujących zbrunatnienie nieenzymatyczne. Diketozoaminy są mniej trwałe od monoketozoamin. Podczas ogrzewania roztworów wodnych powstają ponownie monoketozoaminy i szereg produktów rozkładu z silnie zaznaczonymi właściwościami związków nienasyconych z grupami karbonylowymi. Monoketozoaminy również podlegają rozkładowi podobnego typu. Fruktozyloglicyna może podlegać albo 1,2-enolizacji, albo też 2,3-enolizacji. Pierwsza enolizacja zachodzi w głównej mierze w warunkach łagodnych, jakie przeważają w produktach żywnościowych. Po odszczepieniu grupy hydroksylowej w pozycji 3 (reakcja odwodnienia) tworzy się zasada Schiffa, której hydroliza prowadzi do 3-deoksyozulozy. Następne odszczepienie grupy hydroksylowej przy C-4 (odwodnienie) daje nienasyconą ozulozę, która przez ponowne usunięcie wody przekształca się w hydroksymetylofurfural:

Aminokwas został uwolniony w formie niezmienionej. Jednakże nie musi nastąpić uwolnienie aminokwasu i wówczas powstaje zasada Schiffa hydroksymetylofurfuralu. 2,3-enolizacja prowadzi do utworzenia się 2,4-diulozy poprzez nietrwałą 2,3-diulozę:

10

19 LUTY 2009

REAKCJE MAILLARDA

Reakcje powyższe mają mniejsze znaczenie w tworzeniu się barwnych połączeń, lecz uczestniczą w produkcji lotnych substancji zapachowych. 2,3-Enolizacja może prowadzić do takich lotnych substancji jak izomaltol i jego pironowy izomer - maltol:

Związki te stanowią składniki zapachu pieczywa. Natomiast rozkład D-ksylozy lub D-mannozy w obecności związków aminowych prowadzi do powstania 4-hydroksy-5-rnetylo-3(2H)-furanonu, który to rozkład również poprzedza 2,3enolizacja:

Związek ten jest składnikiem zapachu gotowanej wołowiny. Czynniki wpływające na reakcje Maillarda Temperatura ma jednoznaczny wpływ na nieenzymatyczne ciemnienie produktów. Wzrost temperatury o 10°C przyspiesza reakcje ciemnienia 2-3-krotnie, a nawet czasami 3-4-krotnie. Wynika stąd wniosek, że przechowywanie żywności w podwyższonych temperaturach sprzyja ciemnieniu nieenzymatycznemu, prowadząc często do dyskwalifikacji produktu. Wzrost pH również sprzyja reakcji ciemnienia. Reakcja jest powolna poniżej pH 5-6 i szybko wzrasta wraz z podnoszeniem się pH. Zmiany pH wpływają nie tylko na zmianę szybkości reakcji, lecz i na jej przebieg jakościowy-w środowisku zasadowym brunatnienie przebiega przez azotowe związki pośrednie. Podczas reakcji ciemnienia ma miejsce zmiana kwasowości środowiska, reakcja ma zatem przebieg inny w środowisku zbuforowanym niż niezbuforowanym. Oczywiście sam bufor może odgrywać rolę katalizatora reakcji, np. kwasy organiczne, fosforany. W ciemnieniu produktów żywnościowych dużą rolę odgrywa ilość zawartej wody. Rozcieńczenie roztworów powoduje spadek szybkości ciemnienia nieenzymatycznego. Soki owocowe ciemnieją wolniej niż ich koncentraty. Natomiast produkty odwodnione, z których usunięto wodę wolną, nie podlegają ciemnieniu. W tym drugim przypadku czynnikiem ograniczającym szybkość reakcji jest dyfuzja substratów. W miarę zwiększania się ilości wody swobodna dyfuzja ułatwia coraz bardziej zajście reakcji, natomiast przy dużych rozcieńczeniach 19 LUTY 2009

11

REAKCJE MAILLARDA

maleje stężenie substratów, hamując szybkość ciemnienia. Efekt zmniejszającej się szybkości ciemnienia przy małych zawartościach wody trudno wytłumaczyć wyłącznie zmniejszoną dyfuzją substratów. W pewnych stadiach reakcji Maillarda ma bowiem miejsce wydzielanie się wody, zatem jej usuwanie powinno sprzyjać reakcji. Z rozkładu jednego mola cukru podczas reakcji dehydratyzacji tworzy się ponad 3,5 mola wody w różnych fazach ciemnienia nieenzymatycznego, działając jako inhibitor reakcji. Obecność tlenu nie wpływa zasadniczo na szybkość procesu ciemnienia nieenzymatycznego. Jednakże w niektórych przypadkach można wykazać zwiększoną szybkość ciemnienia w obecności tlenu, podczas gdy w innych przypadkach działa on jak inhibitor. Niewątpliwie tlen sprzyja reakcji ciemnienia spowodowanej rozkładem kwasu askorbinowego. Fosforany, kwasy karboksylowe i ich sole zwiększają zarówno szybkość ciemnienia, jak też intensywność końcowej barwy roztworu. Miedź przyspiesza ciemnienie jedynie w przypadku obecności kwasu askorbinowego. Cyna wydaje się opóźniać ciemnienie soków owocowych prawdopodobnie z uwagi na wytwarzanie środowiska redukującego. Jednakże najlepszym inhibitorem, w praktyce przemysłowej, jest dwutlenek siarki lub siarczyny. Inhibicja procesu zachodzi w stadium tworzenia się 3-deoksyozuloz, a także nienasyconych ozuloz. W pierwszym przypadku siarczyn łączy się z deoksyozulozą w sposób odwracalny, opóźniając reakcje ciemnienia. W drugim przypadku powstaje nieodwracalny produkt addycji trwały tak długo, jak długo siarczyn nie zostanie utleniony. Ponadto SO2 wykazuje właściwości redukujące, co jest szczególnie ważne w przypadku ciemnienia wywołanego rozkładem kwasu askorbinowego:

Reakcje Maillarda w procesach przetwarzania i składowania żywności Reakcje Maillarda towarzyszą wielu procesom technologicznym w przemyśle żywnościowym. Często mają one dodatni wpływ na produkt wskutek wytwarzania tzw. aromatów wtórnych oraz nadawania produktom odpowiedniej barwy. Reakcjom tym przypisuje się polepszenie cech sensorycznych podczas wypieku chleba, czy przyrządzania tostów, prażenia ziarna kawowego i orzechów ziemnych, wyrobu płatków śniadaniowych kukurydzianych lub innych, biszkoptów, przy obróbce termicznej ziarna kakaowego i herbaty, przygotowywaniu słodów w browarnictwie, wyrobie whisky i wielu innych. Z niepożądanych skutków ciemnienia nieenzymatycznego należy wymienić spadek wartości odżywczej takich przetworów, jak soki owocowe (straty witaminy C), wiązanie deficytowej lizyny w produktach zbożowych, podczas smażenia lub pieczenia mięsa itp. W takich przypadkach zapobieganie ciemnieniu wysuwa się na pierwszy plan. Najlepszym sposobem zapobiegania ciemnieniu wydaje się schładzanie żywności czy też jej zamrażanie. Gdy w grę wchodzi kondensacja cukrów z białkami lub aminokwasami, obniżenie pH sprzyja spowolnieniu procesu ciemnienia. W przypadku soków owocowych, w których ciemnieniu uczestniczy kwas askorbinowy, obniżenie pH nie jest celowe, gdyż stymuluje ono ciemnienie. Tak, 12

19 LUTY 2009

REAKCJE MAILLARDA

więc soki pomarańczowe (pH = 3,4) ciemnieją znacznie wolniej niż soki grapefruitowe (pH = 2,9) czy cytrynowe (pH = 2,15). Z tego też powodu soki grapefruitowe i cytrynowe zatęża się w stosunku 4:1, podczas gdy soki pomarańczowe mogą być zatężane w stosunku 6:1. Jeżeli cukier redukujący stanowi nieistotny składnik artykułu (np. jaja, mięso), to utlenienie grupy aldehydowej zapobiega skutecznie reakcji Maillarda. Bardzo efektywnie działa dodatek oksydazy glukozowej i katalazy, dzięki którym powstają produkty nieszkodliwe dla zdrowia (kwas glukonowy, woda i tlen), a środowisko zostaje pozbawione grup aldehydowych. Zastąpienie glukozy nieredukującą sacharozą, czy mniej aktywną fruktozą, jest również efektywnym sposobem zahamowania czy opóźnienia reakcji Maillarda. W tym przypadku jednak dalsza obróbka technologiczna nie powinna prowadzić do hydrolizy sacharozy. Ciemnienie soków cytrusowych łączy się ściśle z obecnością powietrza (tlenu). W doświadczenia Joslyna i in. obserwowano prostą zależność między ciemnieniem a ubytkiem kwasu askorbinowego. Natomiast w warunkach beztlenowych soki nie ciemniały nawet po upływie jednego roku. Z kolei soki malinowe, truskawkowe i porzeczkowe ciemniały bardzo szybko mimo dokładnej deaeracji. Wynika z tego, że ten problem jest bardzo złożony i nie może być wyjaśniony jednoznacznie. Ciemnienie suszonych owoców, koncentratów owocowych zwykle łączy się z wydzielaniem dwutlenku węgla. Można obserwować pojawianie się wybrzuszeń na całkowicie sterylnych konserwach koncentratów pomarańczowych podczas długotrwałego przechowywania. Istnieje bezpośredni związek wydzielającego się CO2 z ciemnieniem koncentratów. Równocześnie ma miejsce rozkład kwasu askorbinowego. Natomiast dwutlenek siarki powstrzymuje wydzielanie się CO2 i w takim samym stopniu hamuje ciemnienie. Znacznie trudniej jest wykazać wpływ cukrów redukujących na szybkość ciemnienia soków owocowych. Przyczyna tkwi w zbyt dużym stężeniu cukrów, maskujących ewentualne straty, jakie można by wykazać analitycznie. Trzeba, bowiem pamiętać, że wystąpienie reakcji Maillarda, nawet w małym stopniu, pociąga za sobą znaczne ściemnienie produktu z uwagi na intensywną barwę tworzących się melanoidyn. Tym można wytłumaczyć niepowodzenie doświadczenia Joslyna i Marsna, którzy badali wpływ usunięcia cukrów przez fermentacje na szybkość ciemnienia soków pomarańczowych. Zarówno sfermentowane, jak i niesfermentowane soki ciemniały w tym samym stopniu. Podobne doświadczenie przeprowadzili Stadtman i in. na syropach morelowych wykazując, że usunięcie cukrów przez fermentację spowodowało zmniejszenie się intensywności ciemnienia o około połowę w porównaniu z próbkami nieodfermentowanymi. Dodatek fruktozy i glukozy przywrócił ciemnienie sfermentowanych syropów do wartości próbek nieodfermentowanych. Doświadczenie to wykazało, że część reakcji ciemnienia była spowodowana innymi czynnikami niż cukry redukujące. Znaczne trudności analityczne napotyka się podczas analizy frakcji azotowych soków owocowych, suszonych owoców itp. w celu wykazania ich udziału w ciemnieniu nieenzymatycznym. Trudne są również do interpretacji wyniki badań ź dodanymi ilościami różnych związków azotowych do soków. Do ciekawych wniosków prowadzi analiza tabeli: Czas o Czas ogrzewania [h] 0 22 41 49

19 LUTY 2009

Barwa roztworu jednostki umowne 2 45 92,1 65,7

Składniki soku pomidorowego cukry ogółem % 3,33 3,01 2,88 2,83

azot całkowity % 0,095 0,088 0,080 0,070

azot aminowy % 0,050 0,032 0,025 0,025

koloidy % 0,295 0,612 0,425 wytraca się osad 13

REAKCJE MAILLARDA

Zmiany zawartości niektórych składników puszkowanego soku pomidorowego podczas ogrzewania zamkniętych puszek z sokiem pomidorowym obserwuje się w czasie od 0 do 49 h wzrost zabarwienia i w końcu wypadanie osadów (niższy stopień zabarwienia po 49 h w stosunku do wartości po 41 h łączy się z wytrąceniem osadu). Równocześnie maleje zawartość cukrów i azotu ogólnego i aminowego. Analiza elementarna wytworzonych melanoidyn (osad) wykazała 54,2% C, 5,4% H, 7,35% N i 33,05% O. Podczas ogrzewania roztworu modelowego mieszaniny glukozy i glicyny uzyskuje się bardzo podobny skład elementarny osadu: 56,17% C, 5,6% H, 7,87% N i 30,36% O. Reakcje Maillarda powodują zmniejszanie się wartości odżywczej produktów żywnościowych. Szczególnie podatne na reakcje Maillarda są artykuły mleczarskie z uwagi na zawartość laktozy (cukier redukujący) oraz względnie niestabilnych białek. Artykuły zbożowe są również wrażliwe na reakcje Maillarda z uwagi na częściową hydrolizę enzymatyczną i termiczną skrobi do cukrów redukujących. Mączki rybne natomiast zawierają kwasy nukleinowe, których hydroliza do wolnej rybozy prowadzi do bardzo aktywnych reakcji tworzenia się melanoidyn. Natomiast nasiona roślin strączkowych i produkty drożdżowe są stosunkowo trwałe, z uwagi na małą zawartość cukrów redukujących. Mięso jest również trwałym produktem, że względu na brak cukrów redukujących i odpowiednią kwasowość. Podczas wypieku chleba zostaje związane 10-15% lizyny, podczas czerstwienia ulega stracie dalsze 5%, a przygotowywanie tostów powoduje znów rozkład 5-10%. Melanoidyny mogą również zmniejszać przyswajalność białek wskutek ich kompleksowania. W doświadczeniach ze szczurami dieta kazeinowa (mieszanina 0,2% glukozy z glicyną) powodowała spadek przyswajalnego azotu z 49 do 31%, co było przyczyną 40%-owego zmniejszenia ich wzrostu.

14

19 LUTY 2009

REAKCJE MAILLARDA

1.2. WYKONANIE OZNACZENIA Celem ćwiczenia jest określenie wpływu pH i rodzaju cukrów na nieenzymatyczne ciemnienie produktów i ich enolizację. Wykonanie ćwiczenia. 1. Należy przygotować 3 kolbki stożkowe na 100 mL, a następnie do kolbek odważyć odpowiednio: do pierwszej 5 g fruktozy, do drugiej 5 g sacharozy i do trzeciej 5 g glicyny. Kolbki należy jednoznacznie i wyraźnie podpisać. Naważki w każdej kolbce należy rozpuścić w objętości 50 mL wody destylowanej aż do uzyskania roztworów rzeczywistych. 2. Należy przygotować 25 probówek w statywach. Probówki należy podpisać według planu doświadczenia tak samo jak opisano próbki w poniższych tabelach. W przypadku pojedyńczych składników (fruktozy, sacharozy i glicyny, Tab. 1) w każdej probówce będzie znajdowało się 8 mL odpowiedniego buforu i 2 mL odpowiedniego roztworu (pierwsza tabelka), zaś w przypadku roztworu cukru i aminokwasu (Tab. 2) w każdej probówce będzie znajdowało się 6 mL odpowiedniego buforu, 2 mL roztworu cukru i 2 mL roztworu glicyny (Tab.2). Tab. 1 Roztwory 1-składnikowe. Dodaj 2mL roztworu:

Do probówki dodaj 8 mL buforu o pH: 2

4

6

8

10

fruktozy

B2 F

B4 F

B6F

B8 F

B10 F

sacharozy

B2 S

B4 S

B6 S

B8S

B10 S

glicyny

B2 G

B4 G

B6 G

B8 G

B10 G

Tab. 2. Roztwory zawierające cukier i aminokwas. Do probówki dodaj 6 mL buforu o pH:

Dodaj: 2mL r-ru fruktozy

2

4

6

8

10

B2 F G

B4 F G

B6 F G

B8 F G

B10 F G

B2 S G

B4 S G

B6 S G

B8 S G

B10 S G

2mL r-ru glicyny 2mL r-ru sacharozy 2mL r-ru glicyny 3. Statywy z probówkami (25 sztuk) należy zakorkować korkami aluminiowymi lub z waty, umieścić w autoklawie nagrzanym do temp 135°C (0,75 at) i autoklawować przez 30 minut. Uwaga! Autoklaw obsługuje wyłącznie osoba prowadząca ćwiczenie. 4. Po tym czasie zredukować ciśnienie w autoklawie, wyjąć próbki i ochłodzić wstawiając je do naczynia z wodą. 5. Należy ocenić aromat poszczególnych próbek- ocena organoleptyczna (wykonać w formie opisowej- tabelka). 6. Należy zmierzyć ekstynkcję każdej z próbek wobec wody destylowanej. (sporządzić tabelę z ekstynkcjami). 7. Proszę zanotować wyniki i wykreślić zależność pomiędzy ekstynkcją a wartościami pH (wykresekstynkcja odłożona na osi y, wartość pH użytych buforów- na osi x).

19 LUTY 2009

15

REAKCJE MAILLARDA

1.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW Wyniki oznaczeń umieścić w sprawozdaniu w formie oddzielnych punktów z tabelkami, wykresem i opisową charakterystyką próbek) i przedłożyć osobie prowadzącej ćwiczenia w celu sprawdzenia (wzór, załącznik 1 na stronie 137). Należy także zaznaczyć wszelkie odstępstwa od metod podanych w opracowaniu ćwiczeń. Na końcu sprawozdania z ćwiczeń należy podać wnioski w formie zwięzłych punktów.

16

19 LUTY 2009

REAKCJE MAILLARDA

1.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI Aparatura i odczynniki:

autoklaw pH metr laboratoryjny spektrofotometr „Spekol" waga analityczna kolby stożkowe o poj. 100 cm3 5 sztuk pipeta l cm3 probówki 20 sztuk metalowy statyw do probówek łyżeczka wagowa 1 sztuka cylinder miarowy o poj. 100 cm3 2 sztuki glukoza fruktoza sacharoza galaktoza glicyna (kwas aminooctowy)-0,1 n roztwór HCL -0,1 n roztwór NaOH

19 LUTY 2009

17

REAKCJE MAILLARDA

18

19 LUTY 2009

EKSTRAKCJA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

2.

EKSTRAKCJA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM 2.1. WPROWADZENIE

Ekstrakcja polega na częściowym lub całkowitym rozdzieleniu mieszaniny stałej lub ciekłej przy użyciu rozpuszczalnika, w którym składniki mieszaniny mają niejednakową rozpuszczalność. W wyniku ekstrakcji otrzymuje się ekstrakt, czyli roztwór składnika w rozpuszczalniku, oraz rafinat, czyli pozostałość pozbawioną znacznej ilości składnika rozpuszczonego. Ekstrakt i rafinat tworzą w rozpuszczalniku dwie odrębne fazy, w związku z czym mogą być oddzielone pod działaniem sił ciężkości lub bezwładności. Fazę rozpuszczalnika poddaje się następnie destylacji lub rektyfikacji, otrzymując prawie czysty ekstrakt składników i odzyskując znaczną część rozpuszczalnika użytego do ekstrakcji. Rafinat po oddestylowaniu z niego rozpuszczalnika jest poddawany suszeniu i wykorzystywany jako produkt uboczny. W zależności od stanu skupienia rozróżnia się ekstrakcję w układzie ciecz-ciecz i ekstrakcję w układzie ciało stałe-ciecz. W przemyśle spożywczym ciałem stałym jest materiał biologiczny charakteryzujący się budową tkankową, w związku z czym w procesie ekstrakcji zjawisku dyfuzji towarzyszą również zjawiska osmozy i dializy. W technologii żywności podstawowe znaczenie ma ekstrakcja w układzie ciało stałe-ciecz. Przykładem tego rodzaju ekstrakcji jest wydzielanie cukru z buraków cukrowych, tłuszczu z nasion roślin oleistych oraz białek z surowców zwierzęcych i roślinnych. W procesach przetwarzania ekstrakcja typu ciało stałe-ciecz odgrywa ważną rolę w produkcji koncentratów witaminowych i mięsnych, napojów alkoholowych, np. wina, piwa, wódek gatunkowych, oraz używek, np. ekstrakty kawy i herbaty. Ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz jest stosowana w produkcji alkoholu, wina, olejów i do wydzielania produktów fermentacji. W procesie ekstrakcji w układzie ciecz-ciecz wykorzystuje się selektywność rozpuszczalnika i zjawisko niecałkowitego rozpuszczania się w sobie obydwu cieczy, które tworzą wówczas dwie fazy ciekłe. Selektywność rozpuszczalnika oznacza zdolność niejednakowo intensywnego rozpuszczania składników mieszaniny ciekłej lub stałej. Selektywność zależy od budowy chemicznej substancji tworzących dany układ ekstrakcyjny i od temperatury. Selektywność maleje z reguły ze wzrostem temperatury. Rozpuszczalniki o budowie polarnej stosuje się do ekstrakcji składników polarnych, a rozpuszczalniki niepolarne do ekstrakcji składników niepolarnych. Dyfuzja jest zjawiskiem w wyniku którego ustala się równowaga rozkładu stężenia elementów układu wskutek ich bezładnej wędrówki i wynika z ruchu cieplnego elementów układu (atomów, cząsteczek, cząsteczek makroskopowych), zawieszonych w gazie lub w cieczy. Prędkość dyfuzji określa pierwsze prawo Ficka, wyrażone wzorem:

gdzie: dm/dt - prędkość przenoszenia substancji (kmol/h), D - współczynnik dyfuzji (m2/h), S - powierzchnia prostopadła do kierunku x (m2), dc/dx - gradient stężenia c (kmol/m3), w kierunku x (m). Znak minus wskazuje, że przenoszenie elementów układu zachodzi w kierunku od większego do mniejszego stężenia. W technologii żywności dyfuzja jest wykorzystywana do rozdziału składników żywności metodami ekstrakcji, destylacji, sorpcji, odwadniania i membranowymi. 19 LUTY 2009

19

EKSTRAKCJA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

Ruch składnika rozpuszczonego zachodzi z jednej fazy do drugiej wskutek różnicy stężeń do momentu ustalenia równowagi. Stan równowagi w układach fazowych określa prawo podziału Nernsta, które brzmi: substancja rozpuszczalna w dwóch cieczach nie mieszających się ze sobą, w stanie równowagi dzieli się miedzy nimi w stałym stosunku, określanym współczynnikiem podziału. Wartość współczynnika podziału wyraża się wzorem:

gdzie: c - stężenie składnika w ekstrakcie (kmol/m3), c0 - stężenie składnika w rafinacie (kmol/m3). Teoretycznie wartość współczynnika podziału w danym układzie rozpuszczalników jest wielkością stałą w stałej temperaturze i nie zależy od stężenia tego składnika jak również od obecności innych substancji. W rzeczywistości stwierdza się odstępstwa od tej zasady. Przyczyną zmiany wartości współczynnika podziału jest częściowa wzajemna rozpuszczalność rozpuszczalników polarnych i niepolarnych oraz zmiany prędkości rozpuszczania, zachodzące wskutek solwatacji, asocjacji, dysocjacji, reakcji kompleksowania i reakcji z rozpuszczalnikiem składnika rozpuszczonego. W roztworach elektrolitów współczynnik podziału zależy również od stałej dysocjacji i pH. Współczynnik podziału jest, podobnie jak selektywność rozpuszczalnika, kryterium skuteczności rozdziału składników. Pomiędzy selektywnością a współczynnikiem podziału istnieje zależność wyrażona wzorem:

gdzie: β - współczynnik selektywności. KB - współczynnik podziału składnika 3 mieszaniny w danym rozpuszczalniku, kA - współczynnik podziału składnika A mieszaniny w danym rozpuszczalniku. Współczynnik selektywności informuje o stopniu trudności w przebiegu ekstrakcji. Ekstrakcja jest niemożliwa do przeprowadzenia, ze względu na brak selektywności rozpuszczalnika, jeżeli β=1. Ekstrakcja rozpuszczalnikiem o współczynniku selektywności większym od jedności zachodzi łatwo. Gdy wartość współczynnika selektywności jest zbliżona do jedności, proces ekstrakcji jest utrudniony i wymaga zastosowania ekstrakcji frakcjonowanej, tj. przy użyciu kilku rozpuszczalników w kolejności zwiększającej się selektywności. Rozpuszczalniki stosowane do ekstrakcji powinny charakteryzować się inną niż surowiec gęstością, małą rozpuszczalnością w surowcu i rafinacie oraz dużą selektywnością. Prędkość ekstrakcji jest wprost proporcjonalna do różnicy stężeń składnika ekstrahowanego w ekstrakcie i rafinacie oraz odwrotnie proporcjonalna do oporu dyfuzyjnego. Różnica stężenia składnika ekstrahowanego w ekstrakcie i rafinacie zależy od kierunku wzajemnego ruchu faz (współprądowego, przeciwprądowego) oraz stosunku ilościowego faz (ilości surowca i rozpuszczalnika). Przeciwprądowy kierunek przepływu rozpuszczalnika i zwiększenie ilości rozpuszczalnika wpływają na utrzymywanie względnie wysokiej różnicy stężenia składnika między substancją ekstrahowaną a ekstraktem, a tym samym intensyfikują proces. Opór dyfuzyjny jest określany przez współczynnik dyfuzji w przypadku ekstrakcji w układzie ciecz-ciecz. Podczas ekstrakcji w układzie ciało stałe-ciecz, opór dyfuzyjny zwiększa się wskutek ruchu masy w substancji ciała stałego. Zmniejszenie oporu dyfuzyjnego uzyskuje się przez 20

19 LUTY 2009

EKSTRAKCJA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

wymuszenie ruchu burzliwego rozpuszczalnika, zwiększenie powierzchni faz oraz eliminowanie procesów dializy i osmozy. Wzrost temperatury zwiększa prędkość ekstrakcji wskutek zwiększania prędkości rozpuszczania składnika, obniżania lepkości roztworu oraz niszczenia błon komórkowych w przypadku ekstrakcji w układzie ciało stałe-ciecz. Ze wzrostem temperatury zmniejsza się jednak selektywność rozpuszczalnika, co powoduje ekstrakcję również innych składników surowca. Czas ekstrakcji zależy od zawartości składnika ekstrahowanego, założonego stopnia wyekstrahowania, jakości surowca, sposobu przygotowania surowca do ekstrakcji oraz metody ekstrakcji. Najprostszym przemysłowym sposobem ekstrakcji w układzie ciało stałe-ciecz jest maceracja. Maceracja (wymoczenie lub zmiękczenie) polega na zalaniu rozdrobnionego surowca rozpuszczalnikiem o temp. 15-20°C na określony czas, a następnie oddzieleniu ekstraktu przez sączenie, wyciskanie lub odwirowanie. Wagowa proporcja rozpuszczalnika do surowca wynosi 5:1 lub 10:1. Rozpuszczalnikami są woda lub wodne roztwory soli i alkoholu. Macerację przeprowadza się w maceratorze z perforowaną przegrodą lub maceratorze obiegowym (rys. 1). Formami maceracji są digestia, infuzja i dekokcja, stosowane głównie w procesach przetwarzania, np. podczas zacierania słodu na brzeczkę piwną i gotowania w produkcji koncentratów obiadowych.

Rys. 1. Schematy maceratorów: a - macerator z perforowaną przegrodą; 1-surowiec do ekstrakcji, 2-rozpuszczalnik, 3-dopływ rozpuszczalnika, 4- odpływ ekstraktu. 5– wkłady perforowane, b - macerator obiegowy: 1- korpus maceratora, 2- płaszcz parowy grzejny, 3- sita, 4- właz, 5pokrywa, 6- doprowadzenie ekstraktu, 7- odprowadzenie ekstraktu, 8- pompa, 9doprowadzenie pary grzejnej, 10- odprowadzenie kondensatu, 11– chłodnica Digestia (wytrawienie) polega na maceracji w podwyższonej temp. 30-40°C. Infuzja (naparzanie) polega na zalaniu surowca wrzącą wodą i ewentualnie krótkotrwałym ogrzewaniu. Dekokcja (wygotowywanie) różni się od infuzji dłuższym czasem ekstrakcji. Temperatura podczas infuzji i dekokcji wynosi powyżej 60°C. Do bardziej wydajnych metod ekstrakcji należy perkolacja (wypieranie). Podczas perkolacji rozpuszczalnik spływa pod wpływem siły grawitacji przez masę surowca. Miernikiem wydajności ekstrakcji jest współczynnik wyekstrahowania lub stopień czystości rafinatu, który określa się stosunkiem wyekstrahowanej ilości składników do ilości ogółem zawartej w surowcu. W praktyce przemysłowej stopień czystości rafinatu ustala się na poziomie poniżej 1%. Czas ekstrakcji dla takiego stopnia wyekstrahowania nie przekracza na ogół 100 min. 19 LUTY 2009

21

EKSTRAKCJA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

Zużycie rozpuszczalnika i energii na jednostkę wagową surowca ma duże znaczenie dla ekonomiki procesu. Ilość rozpuszczalnika do ekstrakcji nie powinna powodować nadmiernego rozcieńczenia ekstraktu, ponieważ prowadziłoby to do wzrostu kosztów wydzielania czystego składnika z ekstraktu. Technicznym rozwiązaniem uwzględniającym ekonomiczną ilość rozpuszczalnika jest ekstrakcja wielostopniowa ciągła i z zastosowaniem powrotu części ekstraktu. Ilość rozpuszczalnika (odbierana w warunkach przemysłowych jako ekstrakt wynosi ok. 100% (± 20%) masy surowca, przy stężeniu ekstraktu na poziomie odpowiadającym zawartości składnika ekstrahowanego w surowcu. Praktycznie zużycie rozpuszczalnika jest wyższe i zależy od technicznych rozwiązań ekstrakcji i możliwości regeneracji rozpuszczalnika. Wielkość strat rozpuszczalników organicznych, określająca zużycie rozpuszczalnika na jednostkę wagowe surowca, jest wyznaczana przez ich lotność w ekstrakcie i rafinacie. Natomiast wielkość strat rozpuszczalników nieorganicznych zależy od zasobów wody naturalnej. Straty rozpuszczalnika zmniejsza się przez jego odzyskiwanie lub oczyszczanie i uzdatnianie, np. wody. Rozpuszczalniki węglowodorowe odzyskuje się z ekstraktu przez destylację z parą wodną i pod obniżonym ciśnieniem.

22

19 LUTY 2009

EKSTRAKCJA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

2.2. WYKONANIE ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest określenie zawartości tłuszczu surowego w nasionach roślin oleistych takich jak: rzepak, słonecznik, len, rzepik, gorczyca, rzodkiew oleista, mak, rącznik itp. Metodyka. Oznaczenie zawartości tłuszczu w nasionach roślin oleistych można przeprowadzać metodą Soxhleta według poniższego opisu:

Rys. 2. Aparat Soxhleta: A-ekstraktor, B-kolba, C-chłodnica, a–syfon Kolbę ekstrakcyjną (B- patrz rys.) wysuszoną do stałej masy należy zważyć a wynik zanotować. 10g dokładnie rozdrobnionych nasion należy przenieść ilościowo do gilzy ekstrakcyjnej i przykryć odtłuszczoną watą, żeby zapobiec wypłynięciu części stałych podczas ekstrakcji. Gilzę umieścić w ekstraktorze (A) aparatu Soxhleta (rys. 2). Kolbę (B) z próbką w gilzie należy podłączyć do zestawu ekstrakcyjnego. Następnie do ekstraktora należy wlewać rozpuszczalnik tak długo, aż rurką syfonu (a) przeleje się on do kolby, następnie dodać jeszcze połowę tej objętości. Aparat połączyć z chłodnicą (C) i kolbę podgrzewać w maszynce elektrycznej czaszowej prowadząc ekstrakcję przez 1,5 godziny z prędkością 8-10 przelewów rozpuszczalnika przez rurkę syfonu a (patrz rysunek) na godzinę. Po zakończeniu ekstrakcji: Należy zdjąć chłodnicę z kolby bez zdejmowania kolby z maszynki elektrycznej, umożliwiając w ten sposób odparowanie rozpuszczalnika, pozostałość w kolbie zaś wysuszyć początkowo pod dygestorium, a potem w suszarce w temp. 100°C do stałej masy i zważyć. Z różnicy mas kolby po ekstrakcji i pustej należy obliczyć procentową zawartość tłuszczu surowego w badanej próbce nasion.

2.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW Wynik oznaczenia należy umieścić w sprawozdaniu wraz z przeliczeniami i przedłożyć osobie prowadzącej ćwiczenia w celu sprawdzenia (wzór, załącznik 1 na stronie 137). Należy także zaznaczyć wszelkie odstępstwa od metody podanej w opracowaniu ćwiczenia. Na końcu sprawozdania z ćwiczeń należy podać wniosek.

19 LUTY 2009

23

EKSTRAKCJA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

2.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI

Aparatura i odczynniki: aparat Soxhleta – 1 sztuka statyw laboratoryjny z kompletem uchwytów czasza grzejna – 1 sztuka łaźnia wodna – 1sztuka rurki silikonowe do zasilania chłodnicy gilzy ekstrakcyjne wata celulozowa odtłuszczona waga analityczna zestaw do destylacji prostej rozpuszczalnik organiczny np. chloroform śruta rzepakowa suszona

24

19 LUTY 2009

WARUNKI POWSTAWANIA ŻELU PEKTYNOWEGO

3.

WARUNKI POWSTAWANIA ŻELU PEKTYNOWEGO 3.1. WPROWADZENIE

Substancje pektynowe są szeroko rozpowszechnione w świecie roślin. Tworzą one lepiszcze ścian komórek roślinnych i występują w postaci tzw. protopektyny. Protopekryna jest nierozpuszczalna w wodzie. Przechodzi w formę rozpuszczania zwaną pektyną pod wpływem działania słabych kwasów, meta i pirofosforanów oraz enzymów. Pektyna składa się głównie z reszt kwasu galakturonowego połączonych wiązaniami 1-4-glikozydowymi, w których większość grup karboksylowych jest zestryfikowana alkoholem metylowym i częściowo zneutralizowana zasadami. Dalsza degradacja związków pektynowych w wyniku reakcji biochemicznych (np. nasilających się bardzo w owocach w czasie dojrzewania), jak i reakcji chemicznych prowadzi do powstania kwasów pektynowych (kwasy poligalaturonowe) i kwasu galakturonowego. W procesach żelifikacji, w technologii wykorzystuje się związki pektynowe zwane pektyną. W krajowym przemyśle preparaty produkowane są z wytłoków jabłecznych. Ponadto wykorzystuje się do tego celu albedo owoców cytrusowych, łuski i kwiatostany słonecznika. Proces otrzymywania preparatów polega na uwolnieniu pektyn z protopektyny poprzez łagodną hydrolizę, a następnie rozpuszczone w wodzie pektyny są ekstrahowane, oczyszczane, zagęszczane i suszone. Pektyna jest estrem metylowym kwasu poligalakturonowego. Preparaty pektynowe są zaliczane do liofilnych koloidów, które łatwo pęcznieją i rozpuszczają się w zimnej i gorącej wodzie. Wodne roztwory pektyn odznaczają się wysoką trwałością, którą zawdzięczają zdolności wiązania przez micele pektynowe wielkiej liczby cząsteczek wody na swej powierzchni, częściowo zaś również jednolitemu ładunkowi elektrycznemu. Na temat mechanizmu tworzenia się żelu, a ścisłe powstawania wiązań pektynowych, istnieją różne hipotezy, jednakże żadna z nich nie wyjaśnia w pełni tego zjawiska. Twierdzi się, że w przypadku pektyn o wysokim stopniu zestryfikowania w reakcji biorą udział grupy -COOH i -OH i tworzą się tzw. wiązania poboczne. Przypuszcza się także, że w przypadku pektyn o wyższym stopniu zestryfikowania w tworzeniu wiązań biorą również udział jony wapniowe i jony innych metali. W przypadku pektyn o niskim stopniu zestryfikowania w wiązaniu cząsteczek uczestniczą tylko grupy karboksylowe łączone jonami wapniowymi lub innymi metalami dwu- i mniej wartościowymi; są to tzw. wiązania główne. Przyjmuje się, że siatka powstała w przestrzeni w wyniku połączenia łańcuchów pektynowych obudowuje ciecz, którą najczęściej jest roztwór cukru i innych składników. Pektyna rozpuszczona w wodzie lub roztworze cukru tworzy układ koloidalny, w którym cząsteczki kwasów pektynowych są zdysocjowane i przybierają ujemny ładunek elektryczny, a to powoduje, że są one ciałami odpychającymi się wzajemnie. Dodatkowym zjawiskiem jest, że grupy karboksylowe i wodorotlenowe są zhydratowane, czyli otoczone osłonkami wodnymi. Cząsteczki kwasów pektynowych wykonują w roztworze ruchy drgające i ruchy Browna, a energia kinetyczna tych cząsteczek wzrasta w miarę wzrostu temperatury (podgrzewania roztworu). Wszystkie wymienione i opisane zjawiska nie sprzyjają łączeniu się łańcuchów pektynowych i wytworzeniu żelu o prawidłowej strukturze. Chcąc zatem doprowadzić do wzajemnego powiązania poszczególnych cząsteczek pektyny, należy stworzyć takie warunki technologiczne, podczas których cząsteczki mogłyby się do siebie zbliżyć i trwale połączyć. Czynnikami warunkującymi powstanie tych połączeń są: dodatek kwasu w celu osiągnięcia optymalnego pH, odpowiedni dodatek cukru, obniżenie temperatury.

19 LUTY 2009

25

WARUNKI POWSTAWANIA ŻELU PEKTYNOWEGO

Dodatek kwasu, np. cytrynowego, powoduje cofnięcie dysocjacji cząsteczek pektynowych, a tym samym ich neutralizację. Jednocześnie dodatek kwasu rozszerza i wzmacnia włókna struktury żelu, ułatwiając przez to zatrzymanie syropu w tak powstałej siatce. Dodatek cukru likwiduje osłony wodnej czyli dehydratyzuje grupy -OH i -COOH kwasów pektynowych, które w ten sposób mogą łatwiej wytworzyć silne wiązania. Obniżające temperaturę, uzyskuje się zmniejszenie wartości energii kinetycznej cząsteczek kwasu pektynowego a przez to wiązania tworzące siatkę pektynową są trwalsze. Warunki tworzenia żelu przez pektyny Z technologicznego punktu widzenia, najważniejszą właściwością pektyn jest zdolność tworzenia w określonych warunkach ścisłego i zwartego żelu. Zdolność tworzenia żelu nazywa się żelowaniem. Biorąc pod uwagę budowę chemiczną pektyny, siła żelowania zależy, przede wszystkim, od stopnia jej zestryfikowania. Jak już podawano wcześniej, podstawowymi warunkami powstawania żelu są: właściwe pH roztworu, dodatek cukru, który odbiera wodę z drobin pektyny, umożliwiając tym samym odpowiednie zbliżanie się cząsteczek obdarzonych ładunkami i powstanie wiązań chemicznych. Wymagane stężenie ekstraktu roztworu jest w granicach 60-75%. Trwałość i wytrzymałość żel jest zależna od: długości łańcucha, z którego jest zbudowana drobina pektyn, stopnia estryfikacji grup karboksylowych znajdujących się w cząsteczce pektyny, substancji balastowych, zawartości kwasu. Pektyny dobrej jakości mają długi łańcuch połączonych glikozydowo reszt kwasu galakturonowego, który wykazuje w 60-80% zestryfikowanie z alkoholem metylowym. Ciężar cząsteczkowy takich pektyn powinien być wyższy od 150 000. Wysoki ciężar cząsteczkowy i odpowiedni stopień estryfikacji wykazują przede wszystkim pektyny otrzymane z owoców wyrośniętych, lecz niedojrzałych. Pomimo że pektyny są estrami alkoholu metylowego i kwasu galakturonowego, to w większości pektyn stwierdza się po hydrolizie również grupy acetylowe (CH3CO). W zależności od stopnia estryfikacji rozróżniamy następujące typy pektyn (tab.1.): szybko żelujące — zestryfikowane w 75-85% (powyżej 2 min); średnio żelujące — zestryfikowane w ok. 70% (powyżej 12 min); wolno żelujące - zestryfikowane w ok. 65% (powyżej 20 min). Oprócz pektyn wysokometylowanych o zawartości 10-12% grup metoksylowych (zestryfikowanie 60-75% grup karboksylowych), są produkowane pektyny niskometylowane o zawartości grup metoksylowych 3-7%, czyli poniżej 44% zestryfikowania. Bardzo często preparaty pektynowe są zanieczyszczone tzw. substancjami balastowymi. Najczęściej są to węglowodany, jak np. araban i galaktany, które nie będąc związane chemicznie z kwasem poligalakturonowym nie mają wpływu na zdolności żelowania pektyny. Ponadto mogą również występować grupy związków organicznych, które są połączone z cząsteczkami kwasu galakturonowego trwałymi wiązaniami chemicznymi. Wówczas taka pektyna ma wprawdzie duży ciężar cząsteczkowy, ale nie tworzy żelu o trwałej strukturze.

26

19 LUTY 2009

WARUNKI POWSTAWANIA ŻELU PEKTYNOWEGO

Tabela 1. Podział pektyn w zależności od stopnia zestryfikowania i szybkości żelowania w określonych warunkach Stopień Typ Czas żelowania Temperatura Ekstrakt zestryfikowania kwasu pH preparatu [min] żelowania fC] dżemu pektynowego 65

wolno żelujący

37 32

70 70

3,0 2,8

65 65

70

średnio żelujący

12 17

70 70

3,0 2,8

65 65

75

szybko żelujący

5-6 3

70 70

3,0 2,8

65 65

Zmniejszanie lub utrata siły żelowania są równoznaczne z obniżeniem ciężaru drobinowego, czyli rozkładem łańcuchów, z których są zbudowane pektyny. Degradacja łańcucha pektyny może być spowodowana przez: kwasy, zasady, enzymy i temperaturę. Odporność pektyny na działanie kwasów zależy od pH roztworu i temperatury środowiska. Pektyna jest najbardziej wytrzymała w środowisku o pH 3, lecz w niższym pH następuje rozpad łańcucha na krótkie drobiny. Stabilność pektyny wobec kwasów maleje wraz ze wzrostem temperatury. Środowisko zasadowe również wpływa niekorzystnie na wielkość cząstek pektyny. Okazało się jednak, że stabilność pektyny względem zasad jest mniejsza niż względem kwasów. Innym czynnikiem mogącym powodować skracanie łańcucha pektynowego jest obecność enzymów pektynolitycznych w tkance owocowej. Zapobieganie szkodliwemu działaniu enzymów polega na termicznej obróbce wstępnej surowca (80-85°C w ciągu kilku minut) oraz niszczeniu pleśni, które wydzielają znaczne ilości enzymów hydrolizujących. Wysoka temperatura również wpływa destrukcyjnie na cząsteczki pektyny. Niebezpieczną granicą jest w tym przypadku temp. 70°C, powyżej której następuje szybki rozpad drobin. Z tego powodu zaleca się ograniczenie do minimum czasu gotowania dżemu i galaret oraz schłodzenie częściowo przed rozlewem i dalsze po rozlewie. Znaczenie pH w tworzeniu żelu pektynowego Decydujący wpływ na powstawanie żelu pektynowego ma pH środowiska. Optymalne warunki pH wynoszą: przy zawartości ekstraktu 68-72% - 3,1-3,3 przy zawartości ekstraktu 65-68%- 3,0-3,2 przy zawartości ekstraktu 60-65%- 2,8-3,0 Poniżej pH 2.8 następuje hydroliza pektyny i nie zachodzi żelowanie dżemu lub galarety. Regulować pH można dodając kwas, którego ilość musi być ściśle określona, gdyż przedawkowanie może spowodować synerezę. Do dokwaszania dżemów można stosować kwasy, takie jak: cytrynowy, winowy i mlekowy. Należy jednak pamiętać, że wymienione kwasy mają różny wpływ na redukcję pH, a jednocześnie mogą zmieniać smak gotowego wyrobu. Kwas powinno się dodawać jak najpóźniej, tzn. po zakończeniu gotowania i bezpośrednio przed rozlewem. Zalecenie takie jest uzasadnione niebezpieczeństwem redukcji siły żelowania oraz wzrostem inwersji podczas zakwaszenia środowiska. Cukry odgrywają bardzo ważną rolę w tworzeniu żelu. Do dosładzania wyrobów owocowowarzywnych i cukierniczych stosuje się przede wszystkim sacharozę, ale i inne; cukry wywołują żelowanie roztworów pektynowych. Do produkcji przetworów wysokosłodzonych najchętniej jest wykorzystywana sacharoza ze względu na jej wysoką rozpuszczalność i słodycz. Obowiązuje zasada, że przy stałej ilości pektyny, a jednocześnie niskim pH środowiska jest wymagany wyższy

19 LUTY 2009

27

WARUNKI POWSTAWANIA ŻELU PEKTYNOWEGO

dodatek cukru. Ogólnie przyjmuje się: że optymalne warunki galaretowacenia to: 0,5-0,7% pektyny, 65-68% cukru i pH środowiska ok. 3. Wpływ jakości i ilości pektyny na tworzenie żelu Jakość pektyny określają dwie cechy: zdolność (siła) żelowania oraz szybkość żelowania. Siłę żelowania pektyn można oznaczać metodą amerykańską Cox-Higby’ego (USA-SAG) lub metodą Tarr-Bakera (°TB). W metodzie amerykańskiej mierzy się procent opadu (osiadania) galaretki w określonym czasie (2 min.), w stosunku do wysokości pierwotnej żelu. Za opad normalny, charakteryzujący standardową galaretkę, przyjmuje się 23,5% (23,5 jednostek). Metoda ta daje bardziej powtarzalne wyniki niż metoda Tarr-Bakera i uznaje się ją za metodę odwoławczą w stosunku do innych metod. W metodzie duńskiej z użyciem żelometru Tarr-Bakera mierzy się nacisk słupa wody, który powoduje zagłębienie tłoczka żelometru w galarecie. Konsystencja galaretki jest uważana za naturalną, jeżeli zagłębienie tłoczka żelometru w galarecie nastąpi pod naciskiem 575 mm słupa wody. Z wyników pomiarów uzyskanych za pomocą specjalnych tablic oblicza się stopnie żelowania Tarr-Bakera (°TB). Siła żelowania w °TB podaje, z jaką ilością cukru (w gramach) 1g preparatu pektynowego utworzy galaretkę o ekstrakcie 65% i pH 3,0 (galaretkę standardową). Drugim pojęciem stosowanym podczas charakterystyki preparatów pektynowych są jednostki żelowania. Jednostka żelowania to iloczyn gramów preparatu i zdolności żelowania w stopniach (TB). Dżem prawidłowo wyprodukowany powinien mieć 67,5 jednostki żelowania. j.ż. = g preparatu pektyny • °TB Ogólnie można stwierdzić, że wartość preparatu pektynowego nie tylko zależy od zawartości kwasu pektynowego, ale od jego jakości, która w głównej mierze decyduje o sile żelowania.

28

19 LUTY 2009

WARUNKI POWSTAWANIA ŻELU PEKTYNOWEGO

3.2. WYKONANIE ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest porównanie żelowania preparatu pektynowego w różnych warunkach. Metodyka Należy wytarować zlewkę wraz z bagietką. Odważyć 0,5-1 g preparatu pektynowego (dokładną ilość jak i rodzaj pektyny wyznaczy prowadzący ćwiczenia) z dokładnością do 1mg, 30 g cukru i 0,4g kwasu winowego. Cukier należy rozetrzeć w moździerzu. Do zlewki na 100 cm3 należy przenieść część cukru (ok. 4g) i naważkę pektyny, dobrze wymieszać, dodać około 18 cm 3 gorącej wody destylowanej zwilżając najpierw mieszaninę niewielką jej ilością, następnie mieszając bagietką doprowadzić do całkowitego rozpuszczenia pektyny i cukru. Dodać pozostałą część cukru, rozpuścić go mieszając i podgrzewając w łaźni wodnej (około 90°C) następnie dodać kwas winowy i rozpuścić go. Zawartość zlewki uzupełnić do 50 g gorącą wodą destylowaną. Próbę wymieszać i pozostawić w spokoju przez godzinę w chłodnym miejscu, po czym opisać jej konsystencję. UWAGA: W zależności od rodzaju otrzymanego preparatu pektynowego należy powyższy przepis zmodyfikować, bazując na teoretycznej znajomości właściwości pektyn. Następnie należy powyższe operacje powtórzyć wraz z następującymi modyfikacjami: A) nie dodając kwasu winowego, B) dodając połowę cukru (15 g), C) stosując zimną wodę do rozpuszczenia i uzupełnienia. Porównać uzyskane wyniki, należy wyjaśnić przyczyny obserwowanych różnic. Konsystencja prób może być płynna o różnej gęstości lub stała, tj. w postaci żelu. Żel ocenia się obserwując jego kształt po wyjęciu z naczynia i wykonaniu przekroju - słaby żel rozlewa się, a mocniejszy osiada tylko pod wpływem własnego ciężaru.

3.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW Wyniki oznaczeń umieścić w sprawozdaniu (wzór, załącznik 1 na stronie 137)w formie oddzielnych punktów i przedłożyć osobie prowadzącej ćwiczenie w celu sprawdzenia. Należy także zaznaczyć wszelkie odstępstwa od metod podanych w opracowaniu ćwiczeń. Na końcu sprawozdania z ćwiczeń należy podać wnioski w formie zwięzłych punktów.

19 LUTY 2009

29

WARUNKI POWSTAWANIA ŻELU PEKTYNOWEGO

30

19 LUTY 2009

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

4.

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI 4.1. WPROWADZENIE

Większość znanych metod zagęszczania polega na usuwaniu wody, a tylko nieliczne-na zwiększeniu stężenia składników suchej substancji przez dodatek składników, np. sacharozy w technologii dżemów lub galaretek owocowych. Często zagęszczanie cieczy jest etapem pośrednim przed suszeniem i decyduje o jakości gotowego produktu (koncentratu) oraz o zmniejszeniu kosztów usuwania wody. Proces zagęszczania charakteryzuje się stopniem koncentracji, który określa się stosunkiem masy roztworu przed zagęszczaniem do masy roztworu zagęszczonego lub stosunkiem procentowej zawartości suchej substancji w koncentracie i w roztworze przed zagęszczeniem. Procentową zawartość suchej substancji oznacza się metodą suszenia w temp. 105°C, refraktometrycznie lub areometrycznie. Ilość wody usuwanej podczas zagęszczania oblicza się ze wzorów:

b b lub W S (1 - ) (kg) B B S - ilość jednostek wagowych roztworu (kg), s - ilość jednostek wagowych koncentratu (kg), b - zawartość suchej substancji w roztworze (%), B - zawartość suchej substancji w koncentracie (%). W S s lub W

S S

W technologii żywności roztwory zagęszcza się najczęściej do zawartości 30-45% suchej substancji w koncentracie, co odpowiada 2-3-krotnemu zagęszczeniu masy roztworu. Metody zagęszczania W praktyce stosuje się wiele metod zagęszczania. Do najpowszechniejszych zalicza się zagęszczanie przez odparowanie lub wymrażanie wody oraz zagęszczanie metodami membranowymi. Odparowanie wody z cieczy jest związane z przejściem wody ze stanu ciekłego w postać pary, a wiec wymaga pokonania sił wiążących cząsteczki w cieczy, które są większe w sianie ciekłym niż w gazowym. Proces odparowania wody z roztworu wymaga doprowadzenia określonej ilości energii, która najczęściej jest przekazywana od czynnika grzejnego do roztworu przez konwekcję i przewodzenie. Niezbędna do tego celu energia odpowiada utajonemu ciepłu parowania wody. które w temp. 100°C wynosi 2300 kJ/kg. Zakładając, że z S kg cieczy (roztworu o zawartości b % s.s.) otrzymuje się s kg koncentratu o B % s.s. oraz że proces odbywa się bez strat, można zapisać następującą zależność: S b s B 100 100 Odparowanie wody w cieczy można prowadzić w naczyniach otwartych pod normalnym ciśnieniem w temp. 100°C co niekorzystnie wpływa na jakość koncentratu i na koszty dehydratacji. Aktualnie do zagęszczania roztworów stosuje się aparaty wyparne, w których proces prowadzi się pod obniżonym ciśnieniem, a ciepło niezbędne do odparowania wody dostarcza się za pośrednictwem pary. Wyparki, stosowane w przemyśle spożywczym cechują się: wysoką intensywnością wymiany ciepła przy ustalonej różnicy temperatur, minimalnymi stratami ciepła, dużą zawartością konstrukcji, 19 LUTY 2009

31

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

ciągłym i skutecznym odprowadzeniem skroplin z komory grzejnej, łatwością czyszczenia powierzchni grzejnej bez zatrzymywania ciągłości pracy. W zależności od sposobu działania rozróżnia się wyparki o działaniu okresowym i ciągłym. W wyparkach o działaniu okresowym proces odparowania przebiega w sposób nierównomierny, gdyż temperatura roztworu, jego gęstość, lepkość oraz ilość odprowadzonego rozpuszczalnika zmieniają się cyklicznie podczas procesu. W wyparkach o działaniu ciągłym doprowadzenie roztworu przed zagęszczeniem i odprowadzeniem koncentratu odbywa się w sposób nieprzerwany. Wyparki te ze względu na mniejsze straty energii związane zużyciem ciepła na okresowe rozgrzewanie aparatu, są bardziej ekonomiczne od wyparek o działaniu okresowym. W zależności od ciśnienia wewnątrz aparatu, wyparki można podzielić na pracujące pod ciśnieniem podwyższonym, atmosferycznym i obniżonym. Ciśnienie podwyższone stosuje się tylko wtedy, gdy opary mogą być wykorzystane jako czynnik grzejny w innych aparatach. Obniżone ciśnienie stosuje się wówczas, gdy: w roztworze zagęszczonym mogą wystąpić: denaturacja białek, tworzenie się połączeń białkowo-cukrowych, rozkład substancji zawartych w roztworze, zmiany barwy lub zapachu; dostępny jest czynnik grzejny o wymaganych parametrach; konieczne jest zwiększenie użytecznej różnicy temperatur między czynnikiem grzejnym i ogrzewanym; należy zwiększyć intensywność odparowania wody. Stosując obniżone ciśnienie, a tym samym niższe od 100°C temperatury wrzenia roztworów, nie uzyskuje się dużej oszczędności energii niezbędnej przy odparowaniu wody, ponieważ do zamiany 1 kg wody w parę potrzeba więcej wody i ciepła niż pary o temp. 100°C. Podczas zagęszczania w temp. 100° C zużywa się 2260 kJ/kg. Gdy wrzenie zachodzi w temp. 80°C, zużywa się 2309 kJ/kg, w temp. 60°C-2356 kJ/kg. W zagęszczaniu przy obniżonym ciśnieniu zużywa się jednak mniej ciepła na podgrzanie roztworu do temperatury wrzenia, i dlatego - w miarę obniżania ciśnienia i temperatury wrzenia roztworu-całkowite zużycie ciepła jest coraz mniejsze. Przyspieszenie tempa odparowania wody przy zastosowaniu obniżonego ciśnienia następuje wskutek znacznie większej różnicy temperatur czynnika grzejnego i środowiska ogrzewanego, ponieważ wrzenie zachodzi w temperaturze niższej niż 100°C. Ilość ciepła doprowadzonego zależy od różnicy tych temperatur, i dlatego ogrzewając roztwór parą (w płaszczu grzejnym) - np. o temp. 120°C, gdy wrzenie zachodzi przy 100°C-różnica temperatury wynosi 120-100°C=20°C, przy wrzeniu w temp. 60°C różnica wynosi 60°C i jest 3 razy większa, co w przybliżeniu pozwala doprowadzić w tym samym czasie 3 razy więcej ciepła i odprowadzić 3 razy większą ilość wody. Obniżenie temperatury wrzenia roztworu zmniejsza zapotrzebowanie na ciepło niezbędne do doprowadzenia go do wrzenia oraz powoduje mniejsze straty na promieniowanie z powodu mniejszej różnicy temperatur pomiędzy ośrodkiem wrzącym a otoczeniem. Wadą odparowania przy obniżonym ciśnieniu są dodatkowe nakłady na urządzenia skraplające i utrzymujące próżnię oraz wyższe koszty eksploatacyjne, wyrażające się dodatkowym zużyciem wody w skraplaczu oraz energii na poruszenie pompy próżniowej. Wyboru typu wyparki dokonuje się przede wszystkim na podstawie właściwości fizykochemicznych roztworu takich, jak: lepkość, gęstość, napięcie powierzchniowe. Decyzja wyboru odpowiedniego rozwiązania konstrukcyjnego musi być podjęta po przeprowadzeniu pełnej analizy warunków techniczno-ekonomicznych. Oceniając wyparki rozpatruje się trzy podstawowe problemy: wymianę ciepła pomiędzy czynnikiem grzejnym a roztworem zagęszczanym, oddzielenie roztworu od pary oraz wykorzystanie energii cieplnej oparów. Energię cieplną oparów można wykorzystać do zagęszczania tego samego roztworu albo przez obniżenie temperatury wrzenia roztworu, albo przez podwyższenie temperatury oparów. Pierwszy sposób realizuje się w wielodziałowych instalacjach wyparnych, drugi-w wyparkach ze sprężaniem. W wyparkach ze sprężaniem również wykorzystuje się utajone ciepło oparów. Opary spręża się w celu podwyższenia ich temperatury do wymaganego 32

19 LUTY 2009

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

poziomu. Sprężanie oparów stosuje się zarówno w wyparkach jednodziałowych, jak również w wyparkach wielodziałowych w celu zmniejszenia zużycia pary. W obydwu rozwiązaniach opary spręża się za pomocą termo- lub turbosprężarki, wykorzystując energie pary o wysokich parametrach lub energię mechaniczną, lub elektryczną. Zastosowanie sprężania oparów w wododziałowej instalacji wyparnej pozwala obniżyć (od 30 do 45%) zapotrzebowanie pary świeżej. Najkorzystniejsze efekty otrzymuje się stosując termosprężanie. Wyparki pracujące w polskim przemyśle spożywczym wykazują bardzo dużą energochłonność, niekiedy sięgająca 11-18 MJ/kg odparowanej wody. Dążąc do racjonalnego gospodarowania energią, należy zmniejszyć nieuzasadnione wysokie zużycie wody chłodzącej skraplacz i zagospodarować ciepłą wódę barometryczną. Postęp w konstrukcji wyparek zmierza do oszczędności energii, jak również do przyspieszenia tempa zagęszczania np. czas przetrzymywania cieczy w wyparkach tradycyjnych jodnodziałowych wynosi od 1 do kilku godzin, a w nowoczesnych wyparkach kilkanaście sekund. Zagęszczanie roztworów zawierających lotne z parą wodna substancje aromatyczne prowadzi do ich strat, w przybliżeniu proporcjonalnych do ilości usuwanej wody. Straty substancji aromatycznych podczas zagęszczania w wyparkach powodują pogorszenie jakości koncentratów w porównaniu z surowcem. Właściwości koncentratów można poprawić przez odzysk substancji aromatycznych i dodanie ich do gotowego produktu. Procesy odzysku aromatu można podzielić następująco: procesy prowadzone pod ciśnieniem atmosferycznym, procesy częściowo lub całkowicie prowadzone pod obniżonym ciśnieniem w niskiej temperaturze, procesy oparte na adsorpcji na węglu drzewnym substancji aromatycznych oraz ich ekstrakcji, procesy oparte na ekstrakcji substancji aromatycznych gazem obojętnym, destylacja frakcjonowana, która jest najbardziej przydatną metodą odzysku składników aromatycznych, wydzielających się podczas odparowania wody w wyparce. W celu wyeliminowania strat substancji aromatycznych podczas zagęszczania roztworów, np. soków owocowych, zaproponowano inne metody, np. kriokoncentrację, czyli zagęszczanie przez wymrażanie wody. Zagęszczanie przez wymrażanie jest procesem zmierzającym do otrzymania wysokowartościowych koncentratów przy zmniejszonym zużyciu energii w porównaniu z odparowaniem w wyparkach. Stwierdzono, że w nowoczesnych rozwiązaniach kriokoncentracji soków owocowych zużycie energii jest mniejsze niż w trzydziałowej wyparce wyposażonej w urządzenie do odzysku aromatu, a zawartość suchej substancji w koncentracie wynosi 45%. Zagęszczanie przez wymrażanie oparte jest na równowadze składników suchej substancji i cieczy. Roztwór zagęszczany, zawierający dużo składników rozpuszczonych, rozpatruje się jako pseudodwuskładnikowy, w którym wszystkie substancje rozpuszczone w wodzie uważa się jako komponent. Uproszczony schemat zamrażania mieszaniny dwuskładnikowej przedstawiono na rysunku 1. Jeżeli taka mieszaninę ochładzamy w warunkach zbliżonych do równowagi, to „czyste" kryształy lodu (wody) są wydzielane w punkcie, który odpowiada składowi WA i temperaturze zamrażania tego roztworu TA. Dalsze obniżanie temperatury powoduje wydzielanie większej ilości kryształów, a skład cieczy jest zgodny z obszarem wyznaczonym przez linie (WA, TA), (WB, TB). Natomiast w punkcie WE kryształy mają ten sam skład jak roztwór. Na rysunku 2 przedstawiono doświadczalne krzywe zamrażania niektórych soków. Stwierdzono, że temperatura zamrażania soku z czarnych porzeczek o zawartości suchej substancji 10% wynosiła -2°C. Po obniżeniu temperatury do -14°C zawartość suchej substancji w fazie cieczy (przy stanie równowagi) osiąga 50%, a 90% wody obecnej w soku znajduje się w postaci wydzielonych kryształów lodu. Zamrażanie soków prowadzi się powyżej punktu eutektycznego. Przeważnie ze względu na problemy związane z wydzielaniem lodu z roztworów o dużej lepkości, proces można prowadzić tylko nieco poniżej tego punktu. Niekiedy konieczna jest depektynizacja soku przed wymrażaniem, co zapobiega jego gęstnieniu podczas zagęszczania i po 19 LUTY 2009

33

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

zagęszczeniu. Przyjmuje się, że zagęszczanie można prowadzić do momentu, kiedy koncentrat ma konsystencje umożliwiającą jego transport pompą.

Rys. 1. Schemat zamrażania mieszaniny dwuskładnikowej: We - stężenie w punkcie eutektycznym TE - temperatura w punkcie eutektycznym, TA - początkowa temperatura roztworu, WA początkowe stężenie roztworu, Tf - punkt zamarzania czystego rozpuszczalnika, TA - punkt zamarzania rozpuszczalnika, WB - końcowe stężenie roztworu, TB - końcowa temperatura roztworu

Rys. 2. Krzywe zamrażania niektórych soków Przy obecnym wyposażeniu technicznym kriokoncentrację można prowadzić do zawartości 4550% suchej substancji. Ilość wody, którą należy usunąć w celu osiągnięcia wymaganego stopnia koncentracji składników suchej substancji, oblicza się ze wzoru:

34

19 LUTY 2009

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

W

Cp

Cf

Cp

Ci

(%)

gdzie: W - ilość wody usuwanej jako lód (%), Cp - stężenie suchej substancji w koncentracie (%), Cf - początkowa zawartość suchej substancji w cieczy (%), Ci - zawartość suchej substancji w usuwanej wodzie (%). Zakładając, że ilość strat suchej substancji w usuwanej wodzie jest niewielka, powyższe równanie można przedstawić następująco:

Cf (%) Cp Typowy zestaw urządzenia do zagęszczania metodą wymrażania składa się z trzech podstawowych części: 1. krystalizatora, w którym otrzymuje się kryształy lodu, 2. wirówki do oddzielania kryształów lodu, 3. wymiennika ciepła do ochładzania cieczy, w celu usuwania ciepła krystalizacji oraz ciepła powstającego podczas tarcia i oporów transportowanej cieczy. W 1

W praktyce stosuje się krystalizatory z bezpośrednim, tj. kontaktowym, lub pośrednim odbiorem ciepła. W krystalizatorach bezpośrednich zagęszczoną ciecz wprowadza się do czynnika zamrażającego, np. do butanu. Krystalizatory tego typu nie są odpowiednie do zagęszczania soków, ponieważ istnieje możliwość zniszczenia produktu przez kontakt z czynnikiem zamrażającym. W krystalizatorach pośrednich ciecz zagęszczana kontaktuje się z czynnikiem zamrażającym, którym jest najczęściej freon, przez metalową ścianę. Typowy krystalizator jest zbudowany jako rurowy wymiennik ciepła. Wewnątrz każdej rury jest umieszczony obracający się skrobak, który systemem ciągłym usuwa lód z wewnętrznej powierzchni ścian. W celu otrzymania regularnych, możliwie dużych kryształów lodu prowadzi się kontrolę krystalizacji polegająca na regulacji temperatury, strumienia zasilania i turbulencji cieczy. Kryształy lodu zagęszczanego roztworu oddziela się za pomocą pras, wirówek lub kolumn przemywających. Stosuje się prasy filtracyjne, wyposażone w pompy tłokowe lub śrubowe. Pras używa się do oddzielania kryształów lodu z wymrożonych soków owocowych oraz napojów alkoholowych. Straty składników rozpuszczalnych oznacza się jako ilość zagęszczonego roztworu, która została zatrzymana w zaprasowanym „płacie" lodu. W zależności od stopnia zagęszczenia i rozmieszczenia kryształów lodu i ilości zatrzymanych składników roztworu wynosi od 0,03 do 0,1 kg na 1 kg zaprasowanego lodu. Straty substancji aromatycznych są znikome, ponieważ prasy są szczelne. Wirowanie jest powszechnym sposobem wydzielania kryształów z zagęszczonego roztworu. Stosuje się w tym celu wirówki pracujące okresowo lub systemem ciągłym. Konstrukcja wirówek zapewnia zastosowanie siły odśrodkowej w granicach 1000g, a tym samym skuteczne wydzielanie kryształów lodu. Niekiedy składniki roztworu zagęszczanego mogą pod wpływem sił powierzchniowych pozostawać na powierzchni kryształów. Składniki te można odzyskać stosując przemywanie kryształów lodu przed ich rozmrożeniem w kondensatorze. Po przemywaniu wodą kieruje się ponownie do krystalizatora. Do wad przedstawionej metody oddzielania kryształów lodu można zaliczyć straty aromatu i dlatego wskazane jest wirowanie w układzie zamkniętym (hermetycznym). Kolumny przemywające stosuje się do oddzielania lodu podczas zagęszczania cieczy o niskiej lepkości, np. piwa czy wina. Suspensję z kryształami oraz roztwór zagęszczany wprowadza się z jednego końca kolumny. Na drugim końcu kolumny zbiera się lód, który jest zaprasowany na siatce 19 LUTY 2009

35

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

umieszczonej wewnątrz specjalnych rur. Około 95-98% lodu topi się, a woda jako czynnik przemywający ponownie jest zawracana do złoża lodu. Straty składników rozpuszczalny wynoszą mniej niż 0,01%. Schematyczny diagram kriokoncentracji soków owocowych przedstawiono na rysunku 3. Wstępnie ochłodzony sok wprowadza się do krystalizatora, kryształy lodu oddziela się od roztworu zagęszczonego przez wirowanie. Następnie lód topi się w specjalnym kondensatorze, ogrzanym czynnikiem zamrażającym. Część wody lodowej wykorzystuje się do przemywania kryształów lodu w wirówce, z której woda przepływa do krystalizatora.

Rys. 3. Schemat kriokoncentracji soków Przedstawiony proces ma następujące zalety: minimalne straty produktu (mniej niż 1%), wysoką ekonomikę procesu-związaną z niewielkim zużyciem energii oraz niskie koszty ogólne. Do ciekawych rozwiązań należy zaliczyć jednostki ruchome do kriokoncentracji. Niezbędny sprzęt umieszcza się na platformie i transportuje do miejsca, gdzie będzie prowadzony proces zagęszczania, pod warunkiem, że jest tam możliwość podłączenia wody i energii elektrycznej. Charakterystykę soków owocowych zagęszczanych różnymi metodami przedstawiono w tabelach 1 i 2. Soki owocowe zagęszczone metodą kriokoncentracji wykazują lepsze właściwości w porównaniu z odpowiednimi produktami zagęszczanymi w wyparkach próżniowych lub metodą odwróconej osmozy. Wyższość kriokoncentracji w porównaniu z innymi metodami zagęszczania wyraża się przede wszystkim tym, że otrzymuje się koncentraty bez znacznych zmian smaku, zapachu, koloru oraz wartości biologicznej. Potwierdzeniem tego są wyniki dotyczące analizy strat kwasu askorbinowego, składników aromatycznych które przedstawiono w tabeli 1.

36

19 LUTY 2009

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

Tabela 1. Porównanie właściwości soków owocowych zagęszczonych metodą kriokoncentracji i przez odparowanie w wyparce próżniowej Wyszczególnienie Sok przed zagęszczaniem

Zawartość Cukry Zawartość kwasu ogółem, % kwasów askorbinowego mg/ 100 g 9,24 3,72 169,8

Substncje aromatyczne mg/ 100 g

pH

13,20

3,10

Sok po kriokoncentracji

31,23

13,00

596,2

21,36

2,82

Sok po zagęszczeniu w wyparce

38,70

10,64

493,8

2,08

3,06

Tabela 2. Straty substancji lotnych z soków zagęszczonych różnymi metodami Sok

Straty w % wymrażanie

osmoza 88

odwrócona osmoza 84

Jabłkowy

39

dyfuzja membranowa 92

Wiśniowy

31

42

56

74

Gruszkowy

-

44

65

73

Do wad kriokoncentracji można zaliczyć trudności w zagęszczaniu soków zawierających większe ilości składników nierozpuszczalnych, np. włókna w nektarach. Niedogodności tego rodzaju można złagodzić przez oddzielanie kryształów lodu w wirówce, a po rozmrożeniu lodu przez dodanie nierozpuszczalnych składników do koncentratu. Niekiedy zaleca się filtrację soku przed zagęszczaniem i dodanie wydzielonych składników do koncentratu. Jakość zagęszczanych soków zależy od tempa zamrażania w krystalizatorze. Powolne zamrażanie powoduje zwiększoną retencję składników. Większość autorów tłumaczy to powstawaniem tzw. mikroobszarów wywoływanych asocjacją cząsteczek rozpuszczalnych, np. węglowodanów, w zależności od wielkości kryształów lodu, która zależy od tempa zamrażania. Szybkie zamrażanie powoduje powstawanie małych kryształów lodu, czyli dużej liczby mikroregionów. Koszty zagęszczania zależą od wielu zmiennych parametrów, np. zawartości suchej substancji w surowcu, stopnia zagęszczania produktu, dopuszczalnej tolerancji stosowanych temperatur, właściwości, jakości i przeznaczenia koncentratu. Kriokoncentracja zalicza się do procesów energochłonnych, a więc w celu zmniejszenia kosztów opracowano metody odzysku utajonego ciepła topnienia. Stwierdzono, że 7% energii pracy sprężarki można odzyskać wówczas, gdy zagęszczany sok będzie ochłodzony, np. z 8°C do 0°C, przez wydzielone kryształy lodu. Oszczędności te będą jeszcze większe, gdy temperatura zagęszczonego soku będzie wynosiła np. 20°C. Autorzy proponowanych rozwiązań twierdzą, że kriokoncentracja może być procesem bardziej ekonomicznym od zagęszczania w wyparkach próżniowych. Aktualnie koszty inwestycji typowego urządzenia do kriokoncentracji soków owocowych są dwukrotnie wyższe od kosztów wyparki rurowej, łącznie z wieżą rektyfikacyjną do odzysku substancji aromatycznych. Natomiast koszty zagęszczania soków porównywalnymi metodami są zbliżone. Wysokie koszty inwestycyjne kriokoncentracji mogą być częściowo zrekompensowane przez oszczędności energetyczne. Korzystne efekty ekonomiczne można uzyskać stosując kriokoncentrację do wstępnego zagęszczania cieczy przed suszeniem sublimacyjnym, np. soków, kawy i herbaty. W ostatnich latach szczególną uwagę przywiązuje się do zagęszczania roztworów metodami membranowymi takimi, jak ultrafiltracja, diafiltracja, osmoza, odwrócona osmoza.

19 LUTY 2009

37

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

Do nietradycyjnych metod zagęszczania zalicza się działanie ultradźwięków. W praktyce wykorzystano efekty cieplne powstające przy oddziaływaniu ultradźwięków z roztworami. Podwyższanie temperatury roztworu zależy od jego lepkości. a)

Tabela 3. Podwyższenie temperatury pod działaniem ultradźwięków

Obiekt działania Żelatyna (roztwór)

Podwyższenie temperatury w oC 1

żel

Obiekt działania olej parafinowy

Podwyższenie temperatury w °C 10

kwas steearynowy

Woda

1 2

gliceryna

36 10

Alkohol

3,5

parafina

44

* pochłanianie energii akustycznej wyraźnie wzrasta wraz ze zwiększeniem lepkości ciał, przyczyniając się do podwyższenia temperatury. Wyjątek sianowi roztwór żelatyny oraz żel W tabeli 3 przedstawiono dane dotyczące podwyższania temperatury roztworów (2 cm 3) poddanych działaniu ultradźwięków w czasie 10s, przy częstotliwości drgań 250 kHz. Drgania ultradźwięki są wytwarzane przez specjalne generatory, skąd są przekazywane do roztworu zagęszczanego. Stosując tę metodę można kilkakrotnie zagęszczać roztwory bez żadnych strat smaku i zapachu. Zastosowanie ultradźwięków zapewnia pasteryzację koncentratów. Efekty cieplne wywołane działaniem ultradźwięków umożliwiają wyjałowienie środowiska.

38

19 LUTY 2009

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

4.2. WYKONANIE ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest określenie wpływu wybranych metod zagęszczania płynnych produków spożywczych na zawarte w nich składniki takie jak np. witamina C, cukry i białka. Wykonanie ćwiczenia. Należy oznaczyć zawartość witaminy C (metoda poniżej) w soku rozcieńczając go wcześniej 10 – krotnie . Zagęszczanie w wyparce próżniowej: 0,2 dm3 sporządzonego 10% roztworu koncentratu przelać do kolby rotowapora (laboratoryjny aparat wyparny, OBSŁUGIWANY JEST PRZEZ OSOBĘ PROWADZĄCĄ ĆWICZENIE). Instrukcja uruchamiania wyparki próżniowej: 1. W łaźni wodnej podgrzewającej kolbę z zagęszczanym płynem ustawić temperaturę na 45°C. 2. Opróżnić kolbę odbieralnika. 3. Smarem silikonowym przesmarować uchwyt kolby z próbką. 4. Nałożyć kolbę z próbką, wlączyć pompkę wodną i przytrzymać chwilę do zassania przez podciśnienie. 5. Powoli odkręcić wodę chłodzącą. 6. Opuścić kolbę do łaźni wodnej. 7. Ustawić obroty kolbki w łaźni wodnej na 3. Po zagęszczeniu: 8. Zredukować ciśnienie w aparacie wyparnym poprzez obrót zaworu przy manometrze, 9. Zamknąć wodę dochodzącą do pompki wodnej. 10. Wyłączyć wodę chłodzącą. 11. Zdjąć kolbkę z próbką z uchwytu. 12. Wyłączyć łaźnię wodną. Zagęszczony roztwór należy przelać do cylindra na 200 cm3 i uzupełnić do kreski wodą destylowaną. Próbka ta jest przeznaczona do oznaczania zawartości witaminy C. Zagęszczanie w otwartym naczyniu pod ciśnieniem atmosferycznym: Do otwartego naczynia o poj. 1 dm3 (może być garnek) przelać 0,2 dm3 sporządzonego 10% roztworu koncentratu i zagęścić go ok. 5 krotnie gotując na kuchence elektrycznej. Po zagęszczeniu należy zagęszczony roztwór przelać do cylindra na 200 cm3 i uzupełnić do kreski wodą destylowaną. Jest to trzecia próbka przeznaczona do oznaczania zawartości witaminy C. Dodatkowo należy określić także barwę i zapach próbek zagęszczanych pod obniżonym ciśnieniem i w warunkach ciśnienia atmosferycznego. Oznaczanie zawartości witaminy C. Do kolby stożkowej odmierzyć 10 cm3 badanego, klarownego roztworu. Dodać 40 cm3 2% roztworu kwasu szczawiowego i szybko miareczkować roztworem 2-6-dwuchlorofenoloindofenolu (0,250 g barwnika w 1 dm3 wody w obecności 0,210 g NaHCO3) aż do wystąpienia lekko różowego zabarwienia, nie znikającego w ciągu 30 sekund. Miareczkowanie powtórzyć 3 krotnie. 19 LUTY 2009

39

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

Jednocześnie należy wykonać w ten sam sposób próbę zerową, używając do miareczkowania 50cm3 2% kwasu szczawiowego. W przypadku gdy na miareczkowanie próby właściwej zużyto objętość barwnika równą objętości pipety, miareczkowanie należy powtórzyć odpowiednio rozcieńczając miareczkowaną próbkę. Miano roztworu barwnika należy nastawić używając roztworu kwasu L-askorbinowego w kwasie szczawiowym (naważka 0,1g kwasu L-askorbinowego/50cm3 kwasu szczawiowego). Należy obliczyć zawartość kwasu L-askorbinowego [mg/100cm3 niezagęszczonego] w próbie bez zagęszczenia oraz w próbkach zagęszczanych.

4.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW Wyniki oznaczeń i analiz należy umieścić w sprawozdaniu [wzór, w załącznikach] w formie oddzielnych punktów wraz z przeliczeniami i przedłożyć osobie prowadzącej ćwiczenia w celu sprawdzenia. Należy także zaznaczyć wszelkie odstępstwa od metod podanych w opracowaniu ćwiczeń. Na końcu sprawozdania z ćwiczeń należy podać wnioski w formie zwięzłych punktów.

40

19 LUTY 2009

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

4.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI wyparka próżniowa pompka wodna do wytworzenia podciśnienia łaźnia wodna biureta do miareczkowania statyw z uchwytem do biurety zlewka 100 cm3 zlewka 1 dm3 termometr o zakresie pomiarowym 100 °C lejek szklany sączki z bibuły filtracyjnej kuchenka elektryczna cylinder miarowy 1 dm3 kolba miarowa o pój. 50 cm3 woda destylowana roztwór 0,0015 n 2-6-dwuchlorofenoloindofenolu.

19 LUTY 2009

41

ZAGĘSZCZANIE ROZTWORÓW W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

42

19 LUTY 2009

ROZMRAŻANIE ŻYWNOŚCI

5.

ROZMRAŻANIE ŻYWNOŚCI 5.1. WPROWADZENIE

Wartość odżywcza i organoleptyczna potraw przygotowanych z mrożonek zależy m.in. od metody rozmrażania, czy też od sposobu restytucji mrożonej żywności. Proces rozmrażania jest również ważną operacją technologiczną w przemyśle spożywczym, rybnym, owocowowarzywnym, mięsnym, opartym na półproduktach uzyskanych przez zamrożenie. Technologia rozmrażania może przyczyniać się do pogorszenia jakości i obniżenia wydajności produktu, dlatego też zasługuje na szczególną uwagę. Celem rozmrażania jest podwyższenie temperatury produktu zamrożonego powyżej krioskopowej, przy możliwie maksymalnym zachowaniu korzystnych cech jakościowych surowca wyjściowego, W procesie rozmrażania produkty ulegają zmianom fizycznym, mikrobiologicznym, a także biochemicznym. Najważniejszą zmianą fizyczną, zachodzącą podczas podwyższania temperatury mrożonki jest przemiana fazowa lodu w wodę. Ponieważ całkowita odwracalność całokształtu procesów zachodzących w poszczególnych fazach obróbki zamrażalniczej nie jest możliwa, dlatego pewna ilość wody wydzielonej w przemianie fazowej nie jest powtórnie wiązana przez składniki żywności i wypływa na zewnątrz produktu, jako główny składnik wycieku rozmrażalniczego. Podczas procesu rozmrażania następuje na ogół zmniejszenie się wymiarów produktów, wynikające ze wzrostu gęstości wody przy przemianie fazowej. Zjawiska występujące równolegle, takie jak utrata turgoru, zmniejszenie wymiarów i zmiana kształtu produktów, określane są niekiedy jako "skurczenie" rozmrażalnicze, które również przyczynia się do wzrostu wielkości wycieku. Wyciek traktowany jest jako zewnętrzny objaw denaturacji białka i zmian w obrębie innych wielkocząsteczkowych substancji, będących składnikami żywności. Pośrednio wyciek związany jest również z częściowym zniszczeniem struktury produktu, już w trakcie procesu rozmrażania. Przyczyny tego faktu upatruje się we wzroście dużych kryształów kosztem małych w temperaturach bliskich krioskopowej. Najprawdopodobniej wynika to z większej prężności pary wodnej nad powierzchnią małych kryształów. W skład wycieku wchodzą składniki rozpuszczalne w wodzie, takie jak: witaminy, barwniki, sole mineralne, cukry, aminokwasy, niskocząsteczkowe peptydy i białka oraz inne substancje. Do frakcji wycieku może przechodzić w procesie rozmrażania kilka do kilkunastu procent całkowitej zawartości tych substancji. Innym procesem mogącym zachodzić podczas rozmrażania jest odparowywanie wody z powierzchniowych warstw produktu, co jest równoznaczne ze zmniejszeniem wydajności i na ogół niekorzystnymi zmianami organoleptycznymi. Ważną zmianą o charakterze fizycznym zachodzącą w rozmrażanej żywności jest zmiana przewodnictwa cieplnego. Produkty rozmrożone w stosunku do zamrożonych charakteryzują się mniejszym współczynnikiem przewodzenia ciepła λ, co utrudnia wymianę ciepła i przy zbyt intensywnym dostarczaniu energii może prowadzić do miejscowego przegrzewania rozmrożonych fragmentów produktu. Wraz z podwyższeniem temperatury produktu wzrasta szybkość reakcji chemicznych, mogących prowadzić do niekorzystnych zmian jakościowych. Tempo reakcji enzymatycznych w żywności rozmrożonej jest wypadkową następujących czynników: stopnia denaturacji białek enzymów, wielkości zniszczenia struktury produktu i dezagregacji układów koloidalnych, dostępnością substratów, obecnością inhibitorów reakcji itp. Produkty po rozmrożeniu są narażone na rozwój drobnoustrojów i związane z tym konsekwencje. Wielu trudności związanych z rozmrażaniem można uniknąć bezpośrednio poddając mrożonki właściwej obróbce termicznej (gotowanie, smażenie, pieczenie). Odnosi się to jednak głównie do gotowych potraw lub ich głównych składników (np. mieszanki warzywne). Do produktów, które muszą być rozmrożone przed dalszym przerobem zalicza się ryby i mięso. Bezpośrednio przed spożyciem rozmraża się natomiast: owoce, soki owocowe i warzywne, wyroby piekarskie i cukiernicze, desery i inne. Istnieją dwie zasadnicze grupy metod rozmrażania: pierwsza, w której ciepło wprowadzane jest do produktu przez jego powierzchnię oraz druga, w której ciepło wytwarzane jest wewnątrz pro19 LUTY 2009

43

ROZMRAŻANIE ŻYWNOŚCO

duktu. W pierwszej grupie stosuje się zabiegi polegające na poddaniu produktu takim działaniom, jak napromieniowanie od gorących powierzchni, ciepłe powietrze, ciepła woda, ogrzewane płyty lub działanie parą wodną w podciśnieniu. W drugiej grupie ciepło wytwarzane jest w produkcie przez zastosowanie zjawiska oporu elektrycznego, ogrzewania dielektrycznego lub mikrofalowego. W praktyce metody powierzchniowego ogrzewania są stosowane częściej od metod wewnętrznego ogrzewania. Metody ogrzewania zewnętrznego W metodach tych ciepło przenoszone jest za pomocą konwekcji, front topnienia zaś przesuwa się od warstw zewnętrznych do wnętrza produktu. Stosowane czynniki rozmrażalnicze to: powietrze, woda lub roztwory wodne soli kuchennej oraz para wodna. Rozmrażanie powietrzne. Rozmrażanie w powietrzu o ruchu grawitacyjnym w temperaturze pokojowej jest mało skuteczne (niski współczynnik wnikania ciepła α). Zewnętrzne warstwy produktu długo pozostają w temperaturze otoczenia, podczas gdy środkowe partie są jeszcze zamrożone. Sprzyja to rozwojowi mikroflory na powierzchni produktów. Ponadto produkty przetrzymywane przez kilka lub kilkanaście godzin w powietrzu o średniej wilgotności (50-70%) ulegają znacznej ususzce. Jedynie do celów domowych można polecić rozmrażanie w spokojnym powietrzu o średniej wilgotności (w komorze chłodziarki o temperaturze bliskiej 0°C). W warunkach przemysłowych stosuje się powietrze ogrzewane, nawilżone, o wymuszonej cyrkulacji. Rozmrażanie odbywa się w tunelach wyposażonych najczęściej w nagrzewnice wodne, rozpylacze do nawilżania powietrza i wentylatory (rys. 1). Na przykład blok mrożonych ryb o grubości 10 cm w powietrzu o ruchu grawitacyjnym i temperaturze 20°C rozmraża się ok 20 godz., w powietrzu zaś o takiej samej temperaturze, lecz wilgotności bliskiej 100% i dużej liniowej prędkości przepływu (ok. 5 m/s) - tylko 4 godz., co spowodowane jest polepszeniem warunków wymiany ciepła (wzrost współczynnika α).

Rys. 1. Schemat tunelu do rozmrażania ryb w przepływie ciepłego wilgotnego powietrza: 1doprowadzenie mrożonych ryb, 2-przenośnik taśmowy, 3-odprowadzenie ryb rozmrożonych, 4- wentylator, 5-nagrzewnica i nawilżacz powietrza Podczas rozmrażania powietrznego tusz i półtusz mięsnych w warunkach kontrolowanych programowane są różnice temperatur pomiędzy powierzchnią produktu a środowiskiem. Zwykle wraz ze wzrostem temperatury powierzchni produktu obniża się temperaturę powietrza. Aby uniknąć nadmiernego rozwoju mikroflory w niektórycn tunelach instalowane są promienniki ultrafioletu. Rozmnażanie w warunkach kontrolowanych realizowane jest zwykle w dwóch fazach. W fazie I - różnica temperatur pomiędzy powietrzem a powierzchnią rozmrożonego produktu jest duża (20-25°C), wilgotność względna powietrza zaś możliwie niska. Wpływa to na

44

19 LUTY 2009

ROZMRAŻANIE ŻYWNOŚCI

zmniejszenie wykraplania się wilgoci na powierzchni produktu. Woda skraplająca się jest stosunkowo szybko usuwana, gdyż prędkość przepływu powietrza jest wysoka (5 m/s), W fazie II - następuje wzrost temperatury produktu i jednoczesne obniżenie temperatury powietrza oraz wzrost jego wilgotności względnej. Pod koniec tej fazy wyrównują się temperatury w całej objętości rozmrażanych tusz. W niektórych typach tuneli stosowanych głównie do rozmnażania mięsa stosuje się wdmuchiwanie cieplejszego powietrza na najgrubsze partie tusz, co wpływa na wyrównanie czasu rozmrażania. Tunele użytkowane są okresowo. Typowa pojemność tunelu wynosi od 20 do 30 t mięsa, czas zaś rozmrażania ok. jednej doby. Parametry procesu kontrolowanego rozmrażania zostały przedstawione na rysunku 2.

Rys 2. Zaprogramowany i faktyczny przebieg kontrolowanego rozmrażania mięsa: 1-temperatura powietrza, 2-temperatura wewnątrz, tusz, 5-wilgotność powietrza. Uwaga: linią przerywaną oznaczono zaprogramowany, zaś ciągłą faktyczny przebieg procesu rozmrażania. Rozmrażanie wodne. Ten rodzaj rozmrażania stosowany jest zazwyczaj do mięsa, ryb i masy jajecznej opakowanej w puszki i realizowany jest przez immersję lub dyspersje. Rozmrażanie w kąpieli przeprowadza się w wannach w ciągłym powolnym przepływie wody (prędkość wody 0,1-0,3 m/s). W przypadku produktów nie opakowanych rozmrażanie wodne wywiera bardziej niekorzystny wpływ niż powietrzne, gdyż rozmrażane produkty mogą absorbować wodę i jednocześnie tracić substancje odżywcze w procesie wymywania i dyfuzji. Przykładem metody rozmrażania wykorzystującej natrysk wodą jest rozmrażanie bloków ryb. Metoda ta polega na zraszaniu bloków wodą rozpylaną w dyszach (kropelki o średnicy ok. 0,1 mm). W wyniku dostarczonego ciepła ryby ulegają rozmrożeniu i dzięki specjalnej konstrukcji pojemników swobodnie spadają na taśmę przenośnika odprowadzającego je do dalszej obróbki. Po rozmrożeniu i rozpadnięciu się jednego bloku do pojemnika usuwany jest blok następny. Całkowite rozmrożenie 10 kg bloku o temperaturze -25°C do 0°C trwa ok. 1,5 godz. W niektórych urządzeniach zamiast wody stosuje się 5% roztwór soli kuchennej. Proces ten przeprowadzany jest w wannach kwasoodpornych, przy czym stosuje się w nim specjalną obróbkę cieczy obiegowej mającą na celu zachowanie czystości mikrobiologicznej procesu. Do metod rozmrażania wodnego można zaliczyć również prosty sposób rozmrażania we wrzącej wodzie, który stosowany jest do mrożonych potraw, niektórych warzyw i owoców poddawanych przed spożyciem gotowaniu. Proces rozmrażania przebiega bardzo szybko i połączony jest z obróbką termiczną. Sposób ten stosowany jest głównie w gospodarstwach domowych i żywieniu zbiorowym. Rozmrażanie parowe. Polega na bezpośrednim kontakcie zamrożonego produktu z parą wodną, która kondensuje się na powierzchni produktów oddając duże ilości ciepła. W przypadku 19 LUTY 2009

45

ROZMRAŻANIE ŻYWNOŚCO

stosowania pary o temperaturze 100oC lub wyższej, proces powoduje miejscowe, znaczne przegrzania produktu, prowadzące do obniżenia jego jakości. Ten niekorzystny wpływ zastosowania pary można wyeliminować stosując rozmrażanie próżniowe z parą wodną, które polega na dostarczeniu ciepła z kondensującej pod próżnią pary wodnej do zamrożonego produktu. W ten sposób wykorzystuje się utajone ciepło skraplania przy temperaturach nie powodujących zmian na powierzchni produktu. Podstawowymi zaletami tej metody jest bardzo wysoka wartość współczynnika wymiany ciepła, krótki czas procesu (kilkanaście lub kilkadziesiąt minut), gwarancja nie przekroczenia danej temperatury (temperatura pary jest ściśle skorelowana z ciśnieniem dającym się łatwo regulować), oraz równomierność procesu i brak ususzki produktu. Urządzenia do rozmrażania próżniowego są wykorzystywane głównie w przemyśle rybnym. Ich wydajność jest duża i może wynosić do 2 t/godz. Rozmrażanie kontaktowe. W tym typie rozmrażania stosowane są urządzenia podobne do wielopłytowych zamrażarek kontaktowych. Temperatura cieczy krążących w płytach nie powinna przekraczać +20oC. Metoda kontaktowa dotyczy prawie wyłącznie bloków ryb mrożonych w zamrażarkach płytowych. Na przykład blok ryb o grubości 10 cm rozmraża się tą metodą ok. 5 godz. Do metod kontaktowych można również zaliczyć przeponowe (zwykle parowe) ogrzewanie mrożonki w otwartym zbiorniku. Przykładem takiego rozwiązania, stanowiącego połączenie procesu rozmrażania z dalszym procesem technologicznym, może być produkcja dżemów i mrożonych owoców. Metody ogrzewania wewnętrznego W metodach tych, które są bardziej skomplikowane od rozmrażania powierzchniowego, ciepło wytwarza się w całej masie produktu. Metody te można podzielić aa następujące grupy: rozmrażanie dielektryczne, mikrofalowe i opornościowe. Rozmrażanie dielektryczne. Metoda dielektrycznego rozmrażania polega na poddaniu produktu działaniu pola wysokiej częstotliwości. Produkty przesuwane są między dwiema płytami - elektrodami, do których przyłożone jest napięcie o wysokiej częstotliwości od 10 do 100 MHz. Rozmrażane produkty są podgrzewane przez zmienne pole elektryczne i zachowują się w nim, jak dielektryk w kondensatorze. System ten może być stosowany do jednorodnego surowca o wyrównanym kształcie bloków (rys. 3).

Rys. 3. Schemat urządzenia do dielektrycznego rozmrażania bloków mięsa lub ryb: 1 - przenośnik taśmowy, 2 - bloki rozmrażanego surowca, 3 - elektrody, 4 - mycie taśmy System dielektrycznego rozmrażania jest stosowany najczęściej do bloków ryb. Układane są one na tacach ze specjalnego szkła i po napełnieniu ich wodą przekazywane są na przenośnik przesuwający je przez tunel. W urządzeniu zainstalowane są elektrody wytwarzające pole elektryczne oraz automatyczny system spłukiwania i mycia. Metoda ta jest bardzo szybka, wydajna i umożliwia rozmrażanie produktów wewnątrz opakowań, jest jednak bardzo energochłonna. Rozmrażanie mikrofalami. Zakres widma elektromagnetycznego zawarty w granicach od 1 mm do 1m nazywany jest mikrofalami. Aby wyeliminować możliwości zaburzeń w telekomunikacji do zastosowania przemysłowego dopuszczono promieniowanie o określonej długości fali (λ= 33 cm, 12,5 cm i 1,35 cm). Mikrofale przechodzą przez warstwy powietrza, masy plastyczne, porcelanę i 46

19 LUTY 2009

ROZMRAŻANIE ŻYWNOŚCI

szkło, odbijają się od powierzchni metalowych i są absorbowane przez substancje dielektryczne, m.in. składniki żywności. Mikrofale oddziaływują głównie na dipole wody, powodując szybkie obracanie się ich i drgania, co wywołuje duże siły tarcia. Energia wytwarzana w całej masie produktu powoduje bardzo szybki wzrost jego temperatury. W procesie rozmnażania mikrofalowego występuje niekorzystny czynnik nierównomiernej absorpcji fal przez produkt. Wynika to z różnych stałych dielektrycznych wody (ε=88) i lodu (ε=35). Powodować to może miejscowe przegrzania produktu: uwzględniając jednak bardzo krótki czas rozmrażania, zjawisko to nie mają większego znaczenia. W najnowszych rozwiązaniach technicznych tej metody powierzchnię produktu chłodzi się przez niezbyt intensywny natrysk skroplonych gazów, np. ciekłego freonu lub azotu. Metoda rozmrażania mikrofalowego ma wiele zalet m.in.: bardzo krótki czas procesu, dość dużą równomierność nagrzewania całej masy produktu możliwość rozmrażania produktów opakowanych możliwość zachowania odpowiedniej higieny procesu. Istnieje wiele rozwiązań technicznych rozmrażania mikrofalowego zarówno o działaniu okresowym, jak i ciągłym. W typowych urządzeniach energia mikrofal wytwarzana jest w magnetronie i przesyłana falowodem do osłoniętego ekranem prostopadłościennego pieca, gdzie uzyskuje się pole wielokrotnych odbić mikrofal. W urządzeniach ciągłych rozmrażany produkt przesuwany jest na transporterze przez piec. Mała przenikalność mikrofal sprawia, że na przenośniku lub tacy pieca można umieszczać produkty w warstwie nie przekraczającej kilku centymetrów. Metoda ze względu na konieczność wysokich nakładów inwestycyjnych oraz duże zużycie energii, w warunkach przemysłowych nie jest stosowana na szeroką skalę. Metody mikrofalowego rozmrażania żywności znalazły zastosowanie w żywieniu zbiorowym, a także w gospodarstwach domowych. Rozmnażanie opornościowe. Rozmrażanie przez wykorzystanie oporności elektrycznej polega na przepuszczaniu prądu zmiennego przez blok zamrożonego produktu. Wykorzystuje się tu wysoką oporność właściwą produktów zamrożonych w stosunku do rozmrożonych. Na przykład zamrożona tkanka mięśniowa ryb w temperaturze -30oC wykazuje przy częstotliwości prądu 50 Hz oporność 25x106 ohm/cm, w temperaturze natomiast 0°C tylko 800 ohm/cm. Metodę rozmrażania opornościowego wykorzystuje się głównie do bloków ryb. Blok zanurzany jest w wodzie o niewielkim przepływie, co podnosi jego temperaturę, a zarazem zmniejsza oporność. Jest to wstępne podgrzanie ryb. Następnie z obu stron bloku, w bezpośrednim z nim kontakcie, umieszcza się elektrody. Powierzchnia bloku częściowo rozmrożona zapewnia dobry przepływ prądu. Przez blok przepuszcza się prąd zmienny o napięciu 10-40 V i natężeniu 10-20 A. Metoda ta ma zastosowanie dc rozmrażania cienkich bloków ryb oraz pojedynczych ryb. Proces rozmrażania trwa w niej ok. kilkudziesięciu minut. Rozwój i udoskonalanie metod rozmrażania związane jest głównie z produkcją przemysłu rybnego. Ryby dostarczane są do przetwórni znajdujących się na lądzie w postaci zamrożonej, gdzie są przetwarzane i opuszczają przetwórnie, jako mrożone dania, półprodukty, potrawy itp. Istnieje zatem potrzeba szybkiego i wydajnego rozmrożenia nie obniżającego jakości produktu. W tabeli 3 została przedstawiona charakterystyka różnych metod rozmrażania żywności. W przyszłości należy się spodziewać dalszych udoskonaleń technicznych pozwalających skutecznie, szybko i tanio rozmrażać żywność. Do metod takich będą należały z pewnością skojarzone sposoby rozmrażania, np. ogrzewania wewnętrznego na początku procesu, a następnie rozmrażanie w powietrzu kontrolowanym.

19 LUTY 2009

47

ROZMRAŻANIE ŻYWNOŚCO

5.2. WYKONANIE ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie się oraz porównanie różnych metod rozmrażania żywności. Porównanie zostanie przeprowadzone dla różnych rodzajów mrożonek. Wykonanie ćwiczenia

Zadanie 1. Rozmrażanie bezprzeponowe w powietrzu i w wodzie. Odważyć w sitkach plastikowych uprzednio zamrożone truskawki i kostki marchwi (oba produkty ok. 10 g z dokładnością do 0,01g). Następnie jedną z próbek należy umieścić w wodzie o temp. 20°C, a drugą umieścić na szalce Periego i pozostawić na powietrzu do rozmrożenia. Po rozmrożeniu ponownie zważyć i określić procent odcieku, a także czas rozmrażania. Zadanie 2. Rozmrażanie mikrofalowe. Do rozmrażania tą metodą użyć kuchenki mikrofalowej. Na szalkach Petriego należy odważyć uprzednio zamrożone próbki owoców truskawek i kostek marchwi (oba produkty ok. 10 g z dokładnością do 0,01g). Szalki umieścić w komorze kuchenki ustawionej na rozmrażanie i kuchenkę uruchomić na kilka minut. Po rozmrożeniu przenieść próbki na sitca i po odsączeniu określić procent odcieku (zważyć próbki) oraz czas rozmrażania. Zadanie 3. Rozmrażanie przeponowe na podgrzewanej powierzchni metalowej. Odważyć próbki uprzednio zamrożonych owoców truskawek i kostek marchwi do metalowych naczynek(oba produkty ok. 10 g z dokładnością do 0,01g). Naczynka postawić na płycie metalowej termostatu nagrzanego do temp. 30oC do rozmrożenia. Należy określić czas rozmrażania i procentowy odciek. Z przeprowadzonych doświadczeń wyciągnąć wnioski i ocenić przydatność poszczególnych metod rozmrażania do praktyki przemysłowej.

5.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW Wyniki oznaczeń należy umieścić w sprawozdaniu [wzór w załącznikach] w formie oddzielnych punktów wraz z przeliczeniami i przedłożyć osobie prowadzącej ćwiczenie w celu sprawdzenia. Należy także zaznaczyć wszelkie odstępstwa od metod podanych w opracowaniu ćwiczeń. Na końcu sprawozdania z ćwiczeń należy podać wnioski w formie zwięzłych punktów.

48

19 LUTY 2009

ROZMRAŻANIE ŻYWNOŚCI

5.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI warzywa i owoce (marchew, burak ćwikłowy, jabłka, truskawki itp.) komplet sitek-4 sztuki zlewka 1 dm3 termostat mikrobiologiczny kuchenka mikrofalowa waga techniczna odważniki łyżeczka wagowa szalki Petriego (duże) 5 sztuk

19 LUTY 2009

49

ROZMRAŻANIE ŻYWNOŚCO

50

19 LUTY 2009

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

6.

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH 6.1. WPROWADZENIE

Suszenie jest procesem technologicznym zmierzającym do obniżenia zawartości wody w produktach do kilku lub kilkunastu procent w celu wyeliminowania lub zwolnienia procesów mikrobiologicznych, fizykochemicznych i biochemicznych. Głównym celem suszenia produktów spożywczych (zarówno cieczy jak i ciał stałych) jest dążenie do przedłużenia ich trwałości. Produkty spożywcze stanowią złożone układy strukturalne, w których woda jest związana z materiałem: a/ chemicznie; b/ fizykochemicznie - woda utrzymywana osmotycznie i woda strukturalna; c/ mechanicznie - woda utrzymywana przez makrokapilary materiału (średni promień powyżej 10-5 cm)i mikrokapilary (średni promień poniżej 10-5 cm). Różne rodzaje wilgoci warunkują mechanizm jej usuwania podczas suszenia, np. w celu usunięcia wilgoci związanej adsorpcyjnie wewnątrz materiału trzeba ją przekształcić w parę, która przemieszcza się wewnątrz materiału, głównie w postaci ciekłej. Tak zwana woda wolna przemieszcza się wewnątrz materiału głównie w postaci ciekłej bez uprzedniej zamiany w parę. Woda „kapilarna" przemieszcza się, w zależności od warunków suszenia, zarówno w postaci ciekłej (kosztem sił kapilarnych), jak również w postaci pary (kosztem różnicy ciśnień). Wilgotność produktu W w technice suszarnictwa przyjęto obliczać w odniesieniu do masy absolutnie suchej substancji, która podczas suszenia nie powinna podlegać zmianie:

gdzie: Gw - masa wilgoci w produkcie (kg), Gs - masa absolutna suchej substancji w produkcie. Suchą masę materiału (Gs) oznacza się zazwyczaj przez suszenie w 105°C aż do momentu uzyskania nie zmieniającej się wartości. Często w technologii suszarnictwa stosuje się pojęcie wilgotności względnej. Wilgotność względną Ww oblicza się w odniesieniu do początkowej masy wilgotnego materiału. Jest ona powiązana z wilgotnością bezwzględną W następującymi zależnościami:

Bezwzględna zawartość wody w produkcie U jest to stosunek zawartej w nim wilgoci do suchej masy produktu:

19 LUTY 2009

51

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

Zawartość wilgoci może charakteryzować nie tylko cały produkt, lecz również dowolną warstwę lub część jego objętości. Przy równomiernym rozłożeniu wilgoci Ww całej objętości produktu możemy przyjąć:

Szybkość suszenia Szybkością suszenia nazywamy wyrażenie określające wielkość zmiany średniej zawartości wody w suszonym produkcie w jednostce czasu. Szybkość suszenia jest pochodną średniej zawartości wody do czasu suszenia i może być przedstawiona w postaci dW/dt. Jedna z metod oznaczania szybkości suszenia polega na graficznym różniczkowaniu krzywej suszenia przedstawionej na rysunku 1. Krzywa suszenia przedstawia zależności miedzy średnią zawartością wody w suszonym produkcie a czasem suszenia. Przebieg krzywej suszenia najczęściej składa się z dwu odcinków, tzn. odcinka prostoliniowego od Wo do Wk oraz odcinka krzywoliniowego od Wk do Wr. Zawartość wody Wk nazywamy krytyczną zawartością wody. Krytyczna zawartość wody oddziela dwa etapy suszenia różniące się intensywnością wysychania produktu. Zawartość wody Wr nazywa się równoważną zawartością wody w produkcie i w czynniku suszącym. Wykonując graficzne różniczkowanie krzywej suszenia przedstawionej na rysunku 1 przedstawiając wynik w układzie współrzędnych prostokątnych: szybkość suszenia-zawartość wody, uzyskujemy wykres szybkości suszenia przedstawiony na rysunku 1. Wykres składa się z trzech części i linii wzrostu szybkości suszenia od 0 do pewnej stałej wartości; linii między Wo i Wk (I okres suszenia) oraz linii malejącej szybkości suszenia między W k i Wr (II okres suszenia). Należy zaznaczyć, że przedstawiony przykład graficznego różniczkowania krzywej suszenia jest adekwatny dla większości produktów spożywczych suszonych konwencyjnie.

Rys 1. Krzywa suszenia Proces suszenia powinien przebiegać w warunkach uniemożliwiających powstawanie w produktach spożywczych nieodwracalnych zmian, które mogłyby doprowadzić do pogorszenia ich jakości. Zmiany powyższe związane są przede wszystkim z denaturacją białka i ze skleikowaniem skrobi, co jest następstwem zbyt intensywnego nagrzewania materiału podczas suszenia.

52

19 LUTY 2009

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

Rys. 2. Wykres szybkości suszenia (I i II okres suszenia). Maksymalna temperatura suszenia produktów spożywczych powinna być niższa od temperatury denaturacji białek. Ważne znaczenie ma także szybkość nagrzewania produktu oraz czas suszenia w dopuszczalnej temperaturze. Dla produktów zawierających aktywne enzymy, od których zależy ich aktywność biologiczna, istnieje minimalna granica obniżenia wilgoci do około 5%, przy niższej zawartości wody mogą występować w produkcie suszonym nieodwracalne zmiany. Podczas suszenia większości produktów spożywczych niedopuszczalne są zmiany ich zabarwienia. W doborze odpowiedniej metody suszenia produktów spożywczych zwraca się uwagę warunki procesu: temperaturę, wilgotność, prędkość przepływu powietrza, jak również na właściwości suszonych produktów i zdolności dyfuzji wody oraz przenikania masy. Przy wyborze warunków suszenia uwzględnia się nie tylko odporność termiczną produktu, jego cechy biologiczne, lecz także właściwości strukturalno-mechaniczne, od których zależy zachowanie kształtu i wytrzymałości produktu. Podsumowując należy stwierdzić, że wybór odpowiedniej metody suszenia oraz konstrukcja suszarki powinny być uzależnione od właściwości suszonego produktu. Ogólnie suszenie żywności można podzielić na naturalne (słoneczno-powietrzne i wietrznopowietrzne) oraz suszenie sztuczne. Do konwecjonalnych sposobów suszenia przyjęto zaliczać suszenie kondukcyjne i konwekcyjne. Suszenie kondukcyjne polega na odprowadzeniu wody z produktu poprzez przekazanie kontaktowe ciepła z ogrzanego wewnętrznie materiału. Suszenie konwekcyjne odbywa się za pomocą owiewu suszonego produktu gorącym powietrzem (lub innym gazem). W procesie suszenia konwekcyjnego ważną rolę odgrywa przenoszenie ciepła i masy między czynnikiem suszącymi a suszonym produktem oraz przenoszenie ciepła i wilgoci wewnątrz produktu. Przebieg suszenia konwekcyjnego przedstawia się następująco: przejmowanie ciepła od czynnika suszącego przez suszony produkt, zamiany wody znajdującej się w produkcie na parę dzięki ciepłu przejętemu od czynnika suszącego, przejmowanie wody (w postaci pary) od ciała stałego przez czynnik suszący, przemieszczanie się wody wewnątrz suszonego produktu od jego wnętrza w kierunku powierzchni. Proces suszenia jest więc procesem wymiany ciepła i masy oraz odbywającej się przemiany fazowej (parowanie wody). Suszenie konwekcyjne jest procesem niestacjonarnym, to znaczy, że zarówno temperatura produktu suszonego, jak i zawartość wody w nim ulegają ciągłej zmianie w czasie trwania procesu. 19 LUTY 2009

53

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

Urządzenia do realizacji suszenia produktów nazwano suszarkami. Są to suszarnie otwarte, komorowe, tunelowe, karuzelowe, taśmowe, bębnowe, walcowe, rozpyłowe, fluidyzacyjne, próżniowe i sublimacyjne. Suszenie fluidyzacyjne Przy suszeniu rozdrobnionych materiałów w nieruchomej warstwie intensywność procesu jest określana, przede wszystkim, przez zewnętrzne przenoszenie ciepła między materiałem i czynnikiem suszącym, unoszącym parę wodną z powierzchni między ziarnami. W ostatnich latach szerokie zastosowanie znalazło suszenie rozdrobnionych materiałów w stanie fluidalnym. Zasada suszenia fluidyzacyjnego polega na oddolnym przepuszczeniu przez sypki, ziarnisty materiał strumienia powietrza ogrzanego (suchego) o takiej prędkości, że cała masa ziarnista zostaje uniesiona; tworzy stan „półzawieszony" czyli fluidalny, w którym suszony materiał zachowuje stałą swobodę ruchów. W celu lepszego zrozumienia istoty procesu fluidyzacji na rysunku 3 zobrazowano zmiany zachodzące w strukturze ładunku ziarna w zależności od prędkości strumienia powietrza.

Rys. 3. Charakter zmian struktury ładunku ziarna w zależności od prędkości strumienia powietrza V: a-ładunek nieruchomy, b-ładunek spulchniony (ekspandowany), c-początek fluidyzacji (przepływ powietrza kanałami), d-pierwsze stadium fluidyzacji, e-stadium intensywnej fluidyzacji („burzliwego wrzenia") Jeżeli przez warstwę składającą się z ciała stałego w postaci ziarnistej, umieszczoną w cylindrze z dnem dziurkowanym, przepuszcza się z określoną prędkością powietrze, wówczas sypki ładunek ulega najpierw spulchnieniu, a następnie przy zwiększaniu prędkości przepływu powietrza, przechodzi w etan przypominający wrzącą ciecz. Zjawisko upłynniania materiału suszonego nazywamy fluidyzacją. W stanie fluidalnym materiał suszony podlega intensywnemu mieszaniu, w następstwie czego wszystkie cząstki materiału są owiewane czynnikiem suszącym. Intensywne mieszanie się oraz kontakt poszczególnych cząstek z czynnikiem suszącym warunkują wyrównywanie temperatury w całej masie suszonego materiału, co jest szczególnie ważne podczas suszenia produktów spożywczych. Istotną zaletą suszenia produktów spożywczych metodą fluidyzacyjną jest fakt, że załadunek materiału może osiągać 100-120 kg/m2. Odpowiednio załadunek surowca przy suszeniu w nieruchomej warstwie z zastosowaniem suszarek taśmowych, tunelowych, szafkowych wynosi od 5 do 17 kg/m2. Przenoszenie ciepła w suszarce fluidyzacyjnej jest uwarunkowane nie tylko intensywnym ruchem cząstek i mieszaniem ładunku, lecz również wysoką zdolnością akumulowania ciepła przez fazę stałą w porównaniu z tą zdolnością fazy gazowej. Pakt ten umożliwia łatwą regulację temperatury suszonego materiału. Przy suszeniu produktów spożywczych metodą fluidyzacji powstaje również wiele trudności spowodowanych z jednej strony szybkością procesu, z drugiej 54

19 LUTY 2009

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

strony specyficznymi właściwościami produktów spożywczych. Trudność termicznej obróbki produktów spożywczych w fazie fluidalnej polega głównie na tym, że intensyfikacja procesu jest ograniczona zbyt szybkim nagrzewaniem materiału do temperatury granicznie dopuszczalnej. Ze względu na specyficzne właściwości produktów spożywczych, prowadzone są badania w celu określenia dopuszczalnych temperatur nagrzewania materiału, sposobu doprowadzenia ciepła, parametrów hydrodynamicznych oraz konstrukcji suszarki. Suszarki fluidyzacyjne możemy podzielić następująco: a/ suszarki o działaniu periodycznym, w których załadunek materiału prowadzony jest okresowo, a po zakończeniu każdego cyklu pracy suszarka jest całkowicie wyładowywana; b/ suszarki o działaniu półciągłym - załadunek i wyładunek materiału jest prowadzony w sposób ciągły, c/ suszarki o działaniu ciągłym - załadunek i wyładunek materiału przebiegają w sposób ciągły; w każdym miejscu aparatu wilgotność materiału oraz parametry czynnika suszącego pozostają stałe podczas całego procesu. Duże zastosowanie w suszeniu produktów spożywczych znajdują suszarki o działaniu ciągłym przy zachowaniu oscylujących warunków suszenia. Oscylujące warunki pracy suszarki polegają na podawaniu na przemian nagrzanego i chłodnego powietrza do odpowiednich stref suszarki. Czas trwania poszczególnych cykli nagrzewania i chłodzenia materiału określa się czasem jego przebywania w każdej strefie. W ostatnich latach do suszenia produktów spożywczych stosuje się tzw. wibrofluidyzację. Wibrofluidyzacja różni się od aerodynamicznej zasady zwykłej fluidyzacji tym, że potrzebne spulchnienie i intensywne mieszanie ziarnistego materiału osiąga się zarówno kosztem przedmuchiwania powietrza przez ładunek, jak również poprzez wibracyjne oddziaływanie na materiał. Suszenie promiennikowe w podczerwieni Metoda ogrzewania za pomocą promieniowania podczerwonego została wykorzystana do suszenia produktów spożywczych. Suszony materiał umieszcza się w suszarni (najczęściej suszarnię stanowi tunel z ruchomą taśmą), w ścianach której umieszcza się promienniki podczerwieni. Powierzchnia suszonego materiału szybko nagrzewa się przez napromieniowanie, w wyniku czego w pobliżu powierzchni odbywa się szybkie suszenie materiału. Jednocześnie przez suszarnie przepływa powietrze, do którego odparowuje woda z rozgrzanej powierzchni. Ze względu na fakt, że absorpcja promieniowania cieplnego jest najbardziej intensywna blisko powierzchni, metoda ta nadaje się głównie do suszenia cienkich warstw materiałów. Omawianą metodę można również stosować do suszenia grubszych warstw takich materiałów, w których ruch wilgoci w fazie stałej ułatwiony jest np. działaniem sił kapilarnych. Do suszenia w podczerwieni natomiast nie nadają się materiały w postaci grubych warstw, głównie ze względu na szybkie schnięcie miejsc w pobliżu powierzchni. Wówczas intensywne odparowanie wody z powierzchni utrudnia dopływ wilgoci z wnętrza warstwy suszonego materiału. Duże gradienty stężeń wilgoci powstające w czasie napromieniowania mogą powodować pękanie wrażliwych na skurcz materiałów, np. ziarna jęczmienia, rzepaku itp. W razie stwierdzenia pękania materiału należy zastosować przerywane naświetlanie materiału. W czasie przerwy w naświetlaniu, ciepło przenika od powierzchni w głąb materiału i ułatwia dyfuzję wody z wnętrza do powierzchni. Omawiana metoda znalazła bardzo duże zastosowanie do dosuszania materiału suszonego innymi metodami. Ujemną stroną suszenia w podczerwieni jest znaczne zużycie energii-około 1 kWh/1kg odparowanej wody. Zmniejszenie zużycia energii można osiągnąć przez przerywane naświetlanie

19 LUTY 2009

55

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

produktu lub zastąpienie promienników zasilanych energią elektryczną na promienniki ogrzewane gazem świetlnym. Azeotropowe suszenie w rozpuszczalnikach Zasada metody suszenia w rozpuszczalnikach polega na wykorzystaniu rozpuszczalników organicznych, tworzących z wodą mieszaninę azeotropową. W suszeniu produktów spożywczych jako rozpuszczalnik można stosować octan etylu. Mieszanina azeotropową octan etylu + woda może być odparowana w wysokiej próżni w temperaturze pokojowej. Proces suszenia przebiega w trzech etapach: a/ mieszanina azeotropowa wrze w temp. 24°C i ciśnieniu 100 mm Hg; b/ ciśnienie obniża się do 3 mm Hg i dalej prowadzi się odwadnianie; c/ ciśnienie obniża się do 0,1 mm Hg w celu usunięcia śladowych ilości mieszaniny azeotropowej. Omawiana metoda znalazła zastosowanie do suszenia warzyw i owoców. Koszt suszenia tą metodą jest niższy w porównaniu z kosztem suszenia metodami konwencjonalnymi. Ostatnio wprowadza się modyfikację suszenia azeotropowego między innymi w połączeniu z suszeniem sublimacyjnym. Suszenie sublimacyjne Przebieg procesu podobny jest do konwencjonalnego suszenia w próżni z tą jednak różnicą, że woda z produktów usuwana jest na drodze przemiany fazy stałej w parę z pominięciem fazy ciekłej. W celu zrozumienia istoty suszenia sublimacyjnego przedstawiono wykres równowagi faz dla wody w układzie współrzędnych ciśnienia–temperatura (rysunek 4).

Rys. 4. Wykres równowagi faz dla wody: I-obszar stanu stałego (lód), II-obszar cieczy, III-obszar pary Krzywe odgraniczające trzy fazy skupienia wody: stałą, ciekłą i gazową nazywamy krzywymi granicznymi. Miejsce przecięcia się krzywych granicznych nazywamy punktem potrójnym. W punkcie potrójnym istnieje możliwość (przy odpowiednich wartościach ciśnienia i temperatury) równoczesnego występowania wody w trzech stanach skupienia (stałym, ciekłym i gazowym). Poniżej punktu potrójnego (pod ciśnieniem pary niższym od 4,60 mm Hg woda występuje tylko w fazie stałej (lód) lub gazowej (para). Dla prawidłowego przebiegu procesu sublimacji konieczne jest więc wytworzenie próżni, w komorze suszarniczej, w której umieszczony jest suszony produkt. Podstawowy schemat urządzeń do suszenia sublimacyjnego przedstawiono na rysunku 5,

56

19 LUTY 2009

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

Urządzenie składa się z: sublimatora, kondensatora i pompy próżniowej, połączonych w zamknięty układ próżniowy.

Rys. 5. Podstawowy schemat urządzenia do suszenia sublimacyjnego Wstępnym etapem suszenia sublimacyjnego jest zamrażanie produktów suszonych. Zamrożenie można prowadzić w dwojaki sposób: a/ stosując zamrażanie produktów kosztem intensywnego parowania części wody w następstwie ciągłego zwiększenia próżni w sublimatorze; w zależności od postaci suszonego produktu (produkt wstępnie zamrożony lub o dodatniej temperaturze) stosuje się odmienną technologię suszenia; b/ stosując wstępne zamrażanie produktów przed liofilizacją w specjalnych komorach pod ciśnieniem atmosferycznym. W suszeniu materiałów nie zamrożonych stosuje się bardzo niskie ciśnienie, już w pierwszym etapie suszenia, w celu intensywnego odprowadzenia wilgoci z powierzchni materiału, a tym samym do ochłodzenia produktu, a następnie zamrożenia oraz ochłodzenia produktu do ujemnej temperatury. Obniżanie ciśnienia nad powierzchnią parowania powoduje zwiększenie intensywności parowania. Intensywne parowanie prowadzi do spadku temperatury aż wreszcie dochodzi do zamrożenia wody. Opisane zjawisko nazywamy samozamrożeniem. Czas procesu zamrażania zależy od geometrycznych wymiarów próbki. Im mniejsza jest grubość produktu i większy stosunek jego powierzchni do objętości, tym szybciej przebiega proces zamrażania. Wykazano, że samozamrażanie w sublimatorze jest niewskazane w suszeniu sublimacyjnym takich, produktów spożywczych, jak: surowe mięso, ryby, soki owocowe, niektóre jagody i owoce. Samozamrażanie prowadzi bowiem w tych wypadkach do znacznych zmian właściwości produktu. W suszeniu produktów wstępnie zamrożonych proces odwadniania odbywa się z pominięciem etapu samozamrażania. Podczas suszenia sublimacyjnego następuje intensywne odbieranie ciepła z produktu, kosztem którego zachodzi proces odwadniania. Na początku procesu suszenia intensywna sublimacja zachodzi w strefie bezpośrednio przylegającej do wolnej powierzchni produktu. W miarę przebiegu procesu strefa sublimacji przesuwa się w głąb produktu, a tworząca się para przy przenikaniu do wolnej powierzchni ponownie napotyka na opór już wysuszonej warstwy. Opory przepływu są przede wszystkim zależne od takich czynników, jak: struktura suszonego produktu, rodzaj i budowa kapilar, przez które musi przepłynąć para wodna wewnątrz materiału. Ważnym zagadnieniem w procesie dehydratacji poprzez sublimację jest dostarczanie ciepła do suszonego produktu w celu wyrównania jego strat w procesie parowania. Ciepło może być doprowadzone do produktu przez przewodnictwo lub promieniowanie. Przy stosowaniu ogrzewania istotne jest znalezienie optymalnej temperatury procesu. Proces ogrzewania winien być tak prowadzony, aby maksimum ciepła doprowadzić we wczesnych stadiach, tzn. wtedy, gdy materiał zawiera znaczne ilości wody. Podczas suszenia należy zwracać szczególną uwagę na równomierne nagrzewanie całej powierzchni parowania. Osobnym zagadnieniem w procesie suszenia 19 LUTY 2009

57

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

sublimacyjnego jest usuwanie pary wodnej z sublimatora. Usuwanie pary wodnej może odbywać się: a/ przez kondensację w chłodnicy w niskiej temperaturze, niższej od temperatury produktu suszonego; b/ przez adsorpcję wilgoci materiałem pochłaniającym, np. siarczanem wapniowym, żelem krzemionkowym itp.; c/ przez zastosowanie pomp inżektorowych do szybkiego usuwania dużych objętości pary pod niskim ciśnieniem. Należy podkreślić, że szybkość dehydratacji produktów spożywczych poprzez sublimację zależy od wielkości ciśnienia mieszaniny pary wodnej i gazów w sublimatorze, temperatury produktu, powierzchni produktu.

58

19 LUTY 2009

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

6.2. WYKONANIE ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wilgotności wybranych surowców rolniczych oraz szybkości ich suszenia. Wykonanie oznaczeń. Zakres 1. Oznaczanie względnej wilgotności początkowej surowca. 2. Wyznaczanie szybkości suszenia. 3. Oznaczanie względnej wilgotności końcowej suszonego produktu. Szczegółowy plan ćwiczenia, prowadzonego z wykorzystaniem wagosuszarki przedstawi prowadzący ćwiczenie.

UWAGA! Maksymalne obciążenie szalki wagosuszarki wynosi 50g – przekroczenie tej wartości może doprowadzić do uszkodzenia urządzenia Elementy wagosuszarki:

19 LUTY 2009

59

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

Klawiatura wagosuszarki

Przycisk Start/Stop – rozpoczęcie / zakończenie procesu suszenia wg wybranego programu.

Przycisk Esc, służacy do rezygnacji z wprowadzanych zmian / wyjście o poziom wyżej w menu wagi.

Grupa przycisków nawigacyjnych - zmiana wartości parametrów; poruszanie się po menu wagosuszarki.

Przycisk Print/Enter – przesyłanie stanu wyświetlacza do urządzenia zewnętrznego (Print) lub zatwierdzenie wybranej wartości parametru lub funkcji (Enter).

Przycisk TARA - zerowanie wskazań wagi.

Przycisk On/Off, służacy do załączenia / wyłączenia wyświetlacza wagosuszarki. Po wyłączeniu wyświetlacza inne podzespoły są zasilane, a wagosuszarka pozostaje w stanie gotowości. Przycisk Display - zmienia rodzaj danych eksponowanych w trakcie i po procesie suszenia. Przycisk Setup - przycisk służący do wejścia w menu główne. Przycisk Test menu - przycisk służący do uruchomienia wyboru programów suszenia.

60

19 LUTY 2009

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

Proces suszenia: 1. Włączyć wagosuszarkę 2. Ustawić odpowiedni program suszenia (wskazuje prowadzący ćwiczenia) 3. Nacisnąć przycisk START 4. Umieścić czystą szalkę na uchwycie szalki, zamknąć komorę suszenia 5. Nacisnąć przycisk TARA 6. Umieścić badaną próbkę na szalce, zamknąć komorę suszenia 7. Proces suszenia rozpocznie się i zakończy automatycznie Wagosusarka zakończy prace jeśli w czasie 240s zmian masy suszonej próbki będzie mniejsza niż 1 mg. 8 W czasie suszenia, naciskając przycisk Display można dokonywać zmiany rodzaju wyświetlanych danych

6.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW Wyniki oznaczeń należy umieścić w sprawozdaniu [wzór, załącznik 1 na stronie 137] w formie oddzielnych punktów wraz z przeliczeniami i przedłożyć osobie prowadzącej ćwiczenie w celu sprawdzenia. Należy także zaznaczyć wszelkie odstępstwa od metod podanych w opracowaniu ćwiczeń. Na końcu sprawozdania z ćwiczeń należy podać wnioski w formie zwięzłych punktów.

19 LUTY 2009

61

SUSZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

6.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI 1. wagosuszarka

62

19 LUTY 2009

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

7. MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI 7.1. WPROWADZENIE W ostatnich latach obserwuje się tendencję do poszukiwania nowych metod przetwarzania żywności. Współczesny człowiek poświęcający coraz więcej czasu pracy zawodowej pragnie do minimum skrócić czas potrzebny do sporządzania posiłków. Nauka i technika starają się zadośćuczynić temu wyzwaniu. Jedną z propozycji usprawnienia obróbki kulinarnej w warunkach domowych stały się powszechnie już dzisiaj stosowane kuchenki mikrofalowe. Znajdują one wszechstronne zastosowanie do gotowania, podgrzewania, pieczenia, suszenia i rozmrażania. Na skalę przemysłową energię mikrofalową zaczęto stosować niedawno, gdyż wymagało to wprowadzenia niezbędnych do generowania mikrofal magnetronów o dużej mocy-urządzeń całkiem nowego typu. Nie znano również dobrze właściwości dielektrycznych żywności i obawiano się wysokich kosztów wytwarzania mikrofal. Dopiero wzrost cen paliw tradycyjnych pomógł dostrzec zalety tej metody ogrzewania. Wykazano, że stosowanie mikrofal jest bardzo ekonomiczne w przypadku temperyzacji mrożonej żywności. Jest to operacja, która polega na doprowadzeniu głęboko zamrożonego produktu do temperatury ok. -3°C, kiedy daje się on już bez trudu kroić, odkostniać i rozdrabniać. Inne etapy obróbki technologicznej, w których w większym lub mniejszym zakresie wykorzystuje się ogrzewanie mikrofalowe, to wstępne podgotowywanie, gotowanie, pieczenie, suszenie, pasteryzacja, sterylizacja, blanszowanie i rozmrażanie. Czasami stosuje się układy kombinowane wraz z ogrzewaniem konwencjonalnym, co ma na celu osiągnięcie pożądanych cech organoleptycznych i poprawę jakości mikrobiologicznej. Pomimo wielu zalet ogrzewanie mikrofalowe nie zawsze spełnia oczekiwania technologów, dlatego ciągle prowadzi się badania nad optymalizacją wykorzystania tej formy energii w przemyśle spożywczym. Stosowanie promieniowania podczerwonego do przetwarzania żywności ma znacznie dłuższą historię. Od wieków ludzie wykorzystywali energię słoneczna do suszenia ryb, mięsa i owoców, a wiadomo, że ok. 48% tej energii przypada na zakres podczerwieni. Obecnie podczerwień stosuje się na skalę przemysłową w technologii żywności do suszenia produktów o małej zawartości wilgoci, takich jak: ziarno, mąka, słód, makarony i herbata, do pieczenia oraz ogrzewania opakowaniowej folii termokurczliwej. Ogrzewanie podczerwienią stosuje się też w kombinacji z mikrofalowym, co w pewnych przypadkach daje bardzo dobre rezultaty. Właściwości mikrofal i podczerwieni Mikrofale i podczerwień są formami energii elektromagnetycznej (rys. 1).

Rys. 1. Umiejscowienie mikrofal elektromagnetycznego

19 LUTY 2009

i

podczerwieni

(IR)

w

spektrum

promieniowania

63

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

Rozchodzą się one w postaci fal, które w zetknięciu z żywnością wykazują zdolność jej ogrzewania. Główne różnice między mikrofalami i podczerwienią są następujące: dla celów przemysłu spożywczego generuje się mikrofale tylko o określonych częstotliwościach (najczęściej 2450 i 915 MHz), aby wyeliminować możliwość zakłócania innych urządzeń pracujących w tym zakresie widma elektromagnetycznego (np. urządzenia radiolokacyjne, diatermia mikrofalowa). Promieniowanie podczerwone natomiast wytwarza się bez żadnych ograniczeń dotyczących częstotliwości. głębokość penetrowania żywności przez mikrofale ściśle wiąże się z częstotliwością - im niższa częstotliwość, tym głębsza penetracja. Podczerwień natomiast jest pochłaniana na powierzchni produktu. mikrofale wywołują rotacje cząsteczek wody i tarcie molekularne między nimi, na skutek czego wydziela się ciepło, natomiast podczerwień jest bez pośrednio absorbowana i przetwarzana na ciepło. efekt ogrzewania mikrofalowego jest uzależniony od zawartości wilgoci, a w przypadku ogrzewania przez promienie podczerwone zależy od charakteru powierzchni i jej koloru. powierzchniowe pochłanianie promieniowania podczerwonego sprawia, że przy tej metodzie ogrzewania termiczne przewodnictwo żywności jest czynnikiem dużo bardziej istotnym niż przy ogrzewaniu mikrofalowym. Podczerwień nagrzewa tylko powierzchnię produktu, a głębiej ciepło przekazywane jest przez przewodnictwo i/lub konwekcję, podczas gdy mikrofale wnikają znacznie głębiej i tam ogrzewają produkt. mikrofale stosuje się m.in. do przedłużania trwałości żywności (np. suszenie, blanszowanie, pasteryzacja), a podczerwień zwykle do zmiany właściwości organoleptycznych, takich jak kolor powierzchni, smak, aromat. Mikrofale wytwarza się w urządzeniach zwanych magnetronami, które przemieniają energię elektryczną o niskich częstotliwościach (50, 60 Hz) w pole elektromagnetyczne o częstotliwości rzędu miliardów Hz. Jest to cylindryczna dioda, w której katodą jest gorący, metalowy walec wytwarzający wolne elektrony, umieszczony w pierścieniowej anodzie stanowiącej rezonator wnękowy. Po przyłożeniu wysokiego napięcia elektrony tracą energię i generują szybko oscylujące pole mikrofalowe, które dalej jest kierowane przez elektromagnesy do kanału wprowadzającego je do komory grzewczej. W celu wyeliminowania nierównomierności w natężeniu mikrofal w komorze stosuje się tzw. mieszadła mikrofal (wirujące anteny) i/lub produkt wprowadza się w ruch na taśmach lub specjalnych obrotowych talerzach. O zachowaniu się produktu w polu elektromagnetycznym decyduje jego przenikalność elektryczna, zwana też stałą dielektryczną, i ściśle z nią związany współczynnik strat dielektrycznych, które zależne są od składu. Po wniknięciu mikrofal do produktu oddziaływają one z dipolami wody, co powoduje ich reorientacje, rozrywanie wiązań wodorowych między sąsiednimi cząsteczkami i generowanie ciepła poprzez tarcie molekularne. Jony zawarte w żywności (np. Na+, Cl-) również migrują w polu mikrofalowym i przez to dodatkowo przyczyniają się do wytwarzania ciepła. Także i niektóre inne niewodne składniki żywności o budowie polarnej mogą absorbować mikrofale, ale znacznie słabiej od wody i dlatego ich efekt ogrzewający w produktach o dużej zawartości wody jest pomijany.

64

19 LUTY 2009

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

Rys. 2. Zmiany stałej dielektrycznej niektórych produktów spożywczych w zależności od temperatury. Stan skupienia w sposób istotny wpływa na właściwości dielektryczne produktu. Na przykład procesowi zamrażania towarzyszy bardzo wyraźne zmniejszanie się stałej dielektrycznej (rys. 2). Umowna głębokość wnikania mikrofal do produktu wyraża się wzorem gdzie: X - umowna głębokość wnikania mikrofal [m], A. — długość fali [m], ε" — współczynnik strat dielektrycznych. Tak więc lód, dla którego ε" jest mniejszy niż dla wody, jest bardziej „przezroczysty" dla mikrofal i żywność mrożona przepuszcza je głębiej od niemrożonej. Znaczna część promieniowania mikrofalowego jest jednak absorbowana i zamieniana na ciepło. Dlatego natężenie mikrofal maleje w miarę penetracji przez nie produktu i dla warstw położonych głębiej niż umowna głębokość X jest praktycznie zaniedbywanie. Ilość zaabsorbowanej energii także zależy od współczynnika strat dielektrycznych i wyraża się wzorem:

gdzie: P - moc absorbowana przez jednostkę objętości [W/m3], f-częstotliwość mikrofal [Hz], Enatężenie pola elektrycznego [/m3], ε" - współczynnik strat dielektrycznych. Produkty żywnościowe o dużej zawartości wody mają duży współczynnik ε"-absorbują one łatwo mikrofale i w miejscu ich pochłaniania ogrzewają się szybko. Natomiast szkło, porcelana i większość innych tworzyw opakowaniowych charakteryzują się niewielką wartością tego współczynnika (są przezroczyste dla mikrofal) i dlatego nie ogrzewają się. Metale odbijają mikrofale. Głębsze wnikanie mikrofal do produktów, a więc i bardziej równomierne ich ogrzewanie, ma miejsce w przypadku użycia mikrofal o większej długości fali (mniejsza częstotliwość) oraz gdy produkty są małych rozmiarów i mają mniejszy współczynnik strat dielektrycznych. Tak więc mikrofale o częstotliwości 915 MHz wnikają kilkakrotnie głębiej niż o f= 2450 MHz i przyjmuje 19 LUTY 2009

65

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

się, że mogą dochodzić do głębokości od 10 do 30 cm. Grubość produktu należy dobrać odpowiednio do możliwości penetrowania go przez mikrofale. Gdy jest on zbyt gruby, to na skutek absorpcji przez warstwy zewnętrzne mikrofale praktycznie nie osiągają jego środka. Wytworzone w wyniku działania mikrofal ciepło rozchodzi się dalej poprzez przewodnictwo. Odbywa się to tym szybciej, im większa jest dyfuzyjność cieplna, czyli im większe jest przewodnictwo, a mniejsza pojemność cieplna i gęstość produktu. Żywność o małej zawartości wilgoci charakteryzuje się właśnie takimi parametrami i dlatego ogrzewa się ona bardziej równomiernie od żywności bogatej w wodę. Ponadto w tym ostatnim przypadku na skutek bardziej intensywnego parowania wody następują ubytki ciepła na powierzchni. Stałe składniki żywności prawie nie absorbują energii mikrofalowej w produktach o dużej i średniej zawartości wilgoci, jednakże w żywności suchej jest inaczej-energia mikrofalowa może nawet doprowadzić do zapalenia się jej. Sposób transformacji energii mikrofalowej w cieplną nie jest jeszcze w tych przypadkach dobrze poznany. Reasumując, szybkość i równomierność ogrzewania produktu zależy od jego składu, temperatury, kształtu, struktury, rozmiarów oraz mocy i częstotliwości padających mikrofal. Promieniowanie podczerwone jest formą energii elektromagnetycznej emitowanej przez obiekty gorące. Podczas absorpcji na powierzchni materiału ogrzewanego traci ono swoją energię. Szybkość ogrzewania tą metodą zależy od temperatury ciała emitującego i absorbującego podczerwień oraz od kształtu i właściwości powierzchni obu tych ciał. Równanie Stefana-Boltzmanna określa ilość ciepła emitowanego przez ciało doskonale czarne: gdzie: Q — ilość energii wyemitowana w jednostce czasu [J/s], σ = 5,710-8 [J/s·m2·K4]-stała Stefana-Boltzmanna, A - czynna powierzchnia emitera [m2], T-temperatura absolutna [K]. Powyższe równanie pozwala także wyliczyć ilość ciepła absorbowanego przez ciało doskonałe czarne. Jednakże ani używane w praktyce źródła podczerwieni nie są idealnymi emiterami, ani też żywność nie jest idealnym absorberem, w związku z tym tylko część energii określonej powyższym równaniem jest przenoszona. W celu uwzględnienia tego odstępstwa od stanu idealnego wprowadza się tzw. współczynnik emisji ε i równy mu liczbowo współczynnik absorpcji, które przyjmują wartości od 0 do 1. Tak zmodyfikowane równanie Stefana-Boltzmanna przyjmuje postać: Promieniowanie, które nie zostaje zaabsorbowane, ulega odbiciu. Ilość energii zaabsorbowanej, a więc i stopień ogrzania, zależy od składu żywności, bowiem różne jej składniki absorbują podczerwień w różnym stopniu, oraz od długości fali padającego promieniowania. Długość fali z kolei zależna jest od temperatury źródła-im jest ona wyższa, tym maksimum emitowanej energii przesuwa się w kierunku fal krótszych. Ilość ciepła netto przekazana do żywności równa jest różnicy energii zaabsorbowanej i wyemitowanej przez nią i wyraża się wzorem: gdzie: εz— emisyjność zastępcza, zależna od emisyjności obu ciał i ich geometrii, T1 - temperatura emitera [K], T2 — temperatura żywności absorbującej podczerwień [K]. Źródła promieniowania podczerwonego stosowane w przemyśle ta płaskie i rurowe grzejniki z metalowym elementem grzejnym, grzejniki ceramiczne oraz urządzenia halogenowe wyposażone w kwarcowe rury wypełnione żarnikami elektrycznymi. W gastronomii często stosuje się zminiaturyzowane promienniki podczerwieni o mocy kilkuset W. Wpływ mikrofal na drobnoustroje 66

19 LUTY 2009

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

Uważa się powszechnie, że energia mikrofal niszczy drobnoustroje jedynie na skutek wywoływanego przez nią wzrostu temperatury. Zostało to stwierdzone na podstawie badań przeżywalności komórek wegetatywnych i spor poddawanych działaniu mikrofal i ogrzewaniu konwencjonalnemu w tym samym zakresie temperatur. Najnowsze badania wskazują jednak na możliwość istnienia pewnych efektów atermicznych. Przedmiotem obserwacji były wegetatywne komórki Staphylococcus aureus, Escherichia coli, spory Bacillus stearothermophilus, a także kolonie Aspergillus niger. Odnotowano większe uszkodzenia komórek poddawanych działaniu mikrofal, wyższy poziom białek w uwalnianych płynach wewnątrzkomórkowych, stwierdzono także wpływ mikrofal na aktywność enzymów. Zmian tych nie udało się wyjaśnić jedynie efektem działania temperatury. Z drugiej strony istnieją publikacje dokumentujące większą przeżywalność drobnoustrojów na powierzchni produktów ogrzewanych mikrofalowo w porównaniu z ogrzewaniem konwencjonalnym. Na nieopakowanym mięsie wieprzowym ogrzewanym mikrofalami do osiągnięcia temperatury 77°C w środku termicznym stwierdzono przeżywanie włośni (Trichinelta spiralis), podczas gdy już po dwuminutowym tradycyjnym ogrzewaniu do 60°C były one niszczone. Przypuszcza się, że zjawisko to spowodowane było obniżeniem temperatury powierzchni na skutek pobierania z niej ciepła parowania. Natomiast przy ogrzewaniu konwencjonalnym, gdzie ciepło w głąb produktu transportowane jest przez powierzchnię, jej temperatura przez cały czas pozostaje wysoka. Operacja ogrzewania mikrofalowego trwa zwykle krócej niż przy wykorzystaniu metod tradycyjnych, a domowe kuchenki mikrofalowe często wykorzystuje się do odgrzewania potraw. Aby wyeliminować możliwość niedogrzania powierzchni na skutek pobierania z niej ciepła parowania, wskazane jest nieco dłuższe ogrzewanie produktów w opakowaniach lub równoczesne stosowanie ogrzewania konwencjonalnymi elementami grzejnymi, w które coraz częściej wyposaża się nowoczesne kuchenki mikrofalowe. W przypadku przygotowywania do spożycia mrożonych lub chłodzonych dań gotowych (tzw. żywność wygodna) ze względów bezpieczeństwa mikrobiologicznego wymagane jest utrzymywanie temperatury powyżej 70°C przez co najmniej 2 minuty w każdym miejscu produktu. Użytkownik kuchenki mikrofalowej powinien to osiągnąć poprzez ustawienie mocy i czasu ogrzewania zgodnie z instrukcją umieszczoną na opakowaniu zakupionego przez siebie wyrobu. Bezpieczeństwo mikrofal dla człowieka Pomimo spotykanych w literaturze przedmiotu doniesień biologów informujących o tym, że mikrofale, podobnie jak promieniowanie jonizujące, wywoływać mogą efekty atermiczne, takie jak interakcje z udziałem DNA i białek, powszechnie uważa się, że oddziaływają one na organizmy wyższe głównie poprzez efekt temperaturowy. Energia kwantowa mikrofal jest bowiem znacznie mniejsza od energii wymaganej do rozrywania kowalencyjnych wiązań chemicznych. Dlatego możliwość zachodzenia wywoływanych przez mikrofale reakcji, które mogłyby prowadzić do tworzenia się w żywności produktów toksycznych, jest bardzo mało prawdopodobna. Bezpośrednie działanie na człowieka mikrofal o dużej mocy objawia się hipertermią. Ponieważ absorpcja energii mikrofalowej w środowisku zależy od stałej dielektrycznej i współczynnika strat dielektrycznych, to te tkanki i organy, które zawierają dużo wilgoci i soli, ogrzewają się najsilniej i pierwsze ulegają zniszczeniu. Szczególnie jest to widoczne w organach, w których ze względu na ich budowę cyrkulacja płynów ustrojowych jest ograniczona (oczy, uszy, jądra). W badaniach na zwierzętach wykazano, że na skutek działania mikrofal najwcześniej następuje denaturacja białek soczewek ocznych, powstawanie katarakty, uszkodzenie słuchu i sterylizacja spermy. W medycynie, w diatermii mikrofalowej, bez żadnych ubocznych efektów szkodliwych rutynowo wykorzystuje się mikrofale o mocy do l W/cm2. Ekspozycja całego ciała człowieka w polu mikrofalowym o mocy 10 mW/cm2 jest bezpieczna przez nieograniczony czas. Jednak wprowadzono dodatkowy margines bezpieczeństwa, ograniczając w normach „wyciek" mikrofal w czasie eksploatacji urządzeń domowych i przemysłowych do 5 mW/cm2 w odległości 5cm od ich powierzchni. Konstrukcja aparatury mikrofalowej zawiera podwójne zabezpieczenia i w razie niewłaściwej obsługi magnetron wyłącza się. 19 LUTY 2009

67

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

Zastosowanie mikrofal w technologii żywności W ostatnich latach stosowanie urządzeń mikrofalowych w przemyśle staje się bardziej opłacalne, gdyż koszty kapitałowe ulegają zmniejszeniu dzięki rosnącej produkcji magnetronów o budowie modułowej i wysokiej niezawodności. Postępy w konstruowaniu wyposażenia mikrofalowego, trendy w kształtowaniu się cen energii elektrycznej w stosunku do innych jej form oraz coraz lepsza znajomość właściwości dielektrycznych żywności pozwalają na takie modelowanie procesów mikrofalowych, aby mogły być one zastosowane w przemyśle spożywczym w coraz większym zakresie. Większość urządzeń mikrofalowych przypada na temperyzację mięsa i ryb, suszenie produktów o niskiej zawartości wilgoci oraz podgotowywanie i gotowanie mięsa. Inne operacje z udziałem mikrofal- suszenie próżniowe, liofilizacja, pasteryzacja, sterylizacja, pieczenie, blanszowanie, wytapianie tłuszczu są coraz częściej wdrażane. Wiele z powyższych procesów łączy ogrzewanie mikrofalowe z tradycyjnym. W takich przypadkach konwencjonalne źródło ciepła służy do wytwarzania pożądanego czasem zbrązowienia oraz chrupkości powierzchni, a także do szybszego zniszczenia obecnych na niej drobnoustrojów. Instalacje mikrofalowe z reguły wykorzystują częstotliwość 2450 lub 915 MHz i mają moc od 30 do 120 kW. Przy niższej z tych częstotliwości penetracja mikrofal sięga do głębokości ok. 10-30 cm, podczas gdy przy wyższej tylko do ok. 3 cm. W zależności od charakteru surowca poddawanego obróbce i jego ilości stosuje się odpowiednią częstotliwość i moc. Ogrzewanie omawianą tu metodą jest szybkie i nie powoduje przegrzewania się powierzchni, co mogłoby prowadzić do jej uszkodzeń. Instalacje są małe, zwarte i łatwe do montażu, a produkt przez cały czas przebywa w warunkach higienicznych. Poniżej omówiono krótko najważniejsze aspekty zastosowania mikrofal w niektórych procesach technologicznych. Temperyzacja Temperyzacja mrożonej żywności stosowana jest często w warunkach przemysłowych zamiast całkowitego rozmrażania. W urządzeniu mikrofalowym przystosowanym do tego celu może być wykonana w czasie od kilku do kilkudziesięciu minut w porównaniu z wieloma godzinami, jakie wymagane są do rozmrażania dużych elementów w tradycyjnej rozmrażalni. Z tego względu oraz z uwagi na to, że temperyzację mikrofalową prowadzić można bez usuwania opakowań, znacznie mniejsze są możliwości powierzchniowego rozwoju mikroorganizmów. Do zalet należy zaliczyć także ograniczenie strat wagowych, dużą retencję soków komórkowych, utrzymywanie pH mięsa na właściwym poziomie i większą elastyczność procesu produkcyjnego, co oznacza dziesięciokrotne zmniejszenie potrzebnej powierzchni produkcyjnej oraz umożliwienie dalszego przerobu głęboko zamrożonych produktów w ciągu bardzo krótkiego czasu. Wadą wykorzystania mikrofal do temperyzacji jest to, że w temperaturach bliskich 0°C warstwa zewnętrzna absorbuje znaczną ilość energii i produkt na powierzchni może ulec przegrzaniu. Aby ograniczyć to zjawisko, mikrofalową temperyzację przeprowadza się czasami stosując dodatkowo owiew zimnego powietrza. Najczęściej stosuje się ją do mięsa, jego przetworów, masła oraz innych tłuszczów jadalnych. Typowe urządzenia o mocy od 30 do 120 kW umożliwiają przetworzenie w ciągu godziny od l do 4 ton mięsa lub od 1,5 do 6 ton masła. Suszenie Najlepsze efekty osiąga się przy suszeniu produktów o zawartości wilgoci mniejszej niż 20%. Mechanizm suszenia z użyciem mikrofal istotnie różni się od konwencjonalnego, ponieważ z łatwością przechodzą one przez warstwy wysuszone, docierając do nieodparowanej wilgoci i tam generują ciepło. Ponadto obserwuje się kilkakrotne zmniejszenie czasu trwania procesu i ok. 30procentowe zmniejszenie zużycia energii, m.in. dlatego że ogrzewaniu ulegają jedynie mokro części 68

19 LUTY 2009

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

produktu, natomiast części suche, powietrze w suszarni i jej wnętrze nie są ogrzewane. Wysuszony produkt charakteryzuje się mniej twardą powierzchnią, gdyż nie styka się ona z otaczającym gorącym środowiskiem, jak ma to miejsce przy metodach tradycyjnych. Najczęściej suszone mikrofalowo asortymenty to makaron, przyprawy, koncentrat pomidorowy, ryż, bekon i żywność przekąskowa (snack foods). W niektórych przypadkach stosuje się razem z mikrofalami konwencjonalne źródła ciepła, aby osiągnąć zamierzony cel technologiczny. Na rycinie 3 przedstawiono schemat urządzenia do ciągłego mikrofalowego dosuszania żywności. Przemieszcza się ona na perforowanej taśmie w strumieniu powietrza wytwarzanym przez wentylator. Mikrofale padają na produkt od góry, generując w nim ciepło i zwiększając prężność pary wodnej, która opuszcza urządzenie specjalnym otworem. Produkt wysuszony odbierany jest z taśmy perforowanej na końcu urządzenia. Szczególnie istotne jest zapewnienie szczelności instalacji, aby mikrofale nie wydostawały się na zewnątrz i nie stwarzały zagrożenia dla zdrowia obsługi.

Rys. 3. Schemat urządzenia do ciągłego mikrofalowego dosuszania żywności. Gotowanie Mikrofale stosuje się z dobrym skutkiem do wstępnego gotowania bekonu, mięsa i części drobiu z przeznaczeniem na rynek detaliczny i dla żywienia zbiorowego. Zaletami tej operacji jest duża wydajność, krótki okres przygotowywania, mała pracochłonność oraz wysoka jakość produktów. Moc i czas gotowania mikrofalowego należy dobierać stosownie do asortymentu. Większe i grubsze elementy wymagają więcej energii niż małe i cienkie. Podobnie jak w przypadku mikrofalowego suszenia, czasem dodatkowo stosuje się jednocześnie ogrzewanie konwencjonalne. Wypiek pieczywa Wypiek pieczywa przeprowadza się najczęściej tradycyjnymi metodami, niemniej jednak istnieją także linie technologiczne wykorzystujące do tego celu ogrzewanie mikrofalowe. Już sam etap rośnięcia ciasta można przyspieszyć dzięki zastosowaniu mikrofal. W trakcie wypieku natomiast mikrofale mogą działać równocześnie z ogrzewaniem konwencjonalnym lub poprzedzać go. Pozwala to na skrócenie czasu wypieku nawet o 60% i istotne zaoszczędzenie energii. Pieczywo takie jest bardziej wyrośnięte, a jego wartość odżywcza jest większa niż produkowanego tradycyjnie, ze względu na ograniczenie zachodzenia reakcji Mailarda i strat lizyny. Dobre efekty osiąga się przy ciągłej produkcji pieczywa cukierniczego typu biskwitów. Mikrofale, które 19 LUTY 2009

69

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

wykorzystuje się tu dopiero w ostatniej fazie wypieku, powodują dopieczenie i usunięcie nadmiaru wilgoci bez dalszych zmian koloru powierzchni. Blanszowanie mikrofalowe znalazło zastosowanie w ograniczonym stopniu, gdyż nie uzyskuje się tą metodą lepszych jakościowo produktów niż przy blanszowaniu tradycyjnym. Spodziewany jest natomiast rozwój liofilizatorów z ogrzewaniem mikrofalowym, konstrukcja taka bowiem pozwala na szybszy i bardziej ekonomiczny przebieg suszenia, co w dobie coraz większego zapotrzebowania na produkty liofilizowane stwarza duże możliwości rozwoju. Obserwacja kilku instalacji mikrofalowych do pasteryzacji pieczywa i soków owocowych, które pracują w przemyśle, pozwala na prognozowanie szerszego ich zastosowania w przyszłości. Wysokiej jakości smalec i łój wytapia się w prototypowym urządzeniu zainstalowanym w jednym z zakładów mięsnych w USA. Na skalę półtechniczną praży się kawę i kakao uzyskując po 5-10 minutach produkt z większą wydajnością i wyższej jakości niż przy prażeniu tradycyjnym. Na podstawie pozytywnie zakończonych prób technicznych przewiduje się w ciągu najbliższych kilku lat wzrost wykorzystania mikrofal do sterylizacji mleka i różnych półstałych produktów bezpośrednio w opakowaniach z tworzywa sztucznego. W przemyśle mięsnym z powodzeniem stosuje się prototypowe mikrofalowe urządzenia do produkcji parówek bezosłonkowych, uzyskując znaczne skrócenie czasu i oszczędność energii. Domowe kuchenki mikrofalowe Duże zainteresowanie kuchenkami mikrofalowymi na świecie sprawiło, że przeróżne ich modele produkuje się obecnie w ogromnych ilościach. Ich pojemność waha się najczęściej od 10 do 40l, a moc od 400 do 1000W. Badania wykazały, że stosowanie kuchenek mikrofalowych pozwala zaoszczędzić średnio 63% energii w porównaniu z ogrzewaniem tradycyjnymi metodami, niemniej jednak są potrawy, których przyrządzanie metodami tradycyjnymi jest mniej energochłonne. Odpowiadając na wzrost zainteresowania kuchenkami mikrofalowymi, technolodzy ukierunkowali swoją produkcję na wytwarzanie żywności nadającej się do wygodnego i szybkiego przyrządzania z ich wykorzystaniem (micro-waveable foods). Obecnie już na szeroką skalę produkuje się chłodzone, mrożone i suszone dania obiadowe, zupy, zakąski i desery pakowane oddzielnie, na specjalnych tackach. Tworzywa opakowaniowe muszą spełniać wymagania norm dotyczących ewentualnej migracji materiału opakowaniowego do żywności. Często stosuje się wprowadzanie do nich ferrytu lub proszku aluminiowego w miejscach, gdzie wymagane jest osłonięcie przed mikrofalami lub zogniskowanie ich w celu bardziej jednorodnego ogrzewania produktu o niejednorodnej zawartości wilgoci (np. pizza). Z uwagi na to, że wiele gospodarstw domowych w Europie Zachodniej i Ameryce wyposażonych jest już w skomputeryzowane kuchenki mikrofalowe, producenci często podają na opakowaniach swoich wyrobów parametry, jakie należy wprowadzić do wejścia mikroprocesora, aby uzyskać produkt o najwyższej jakości i gotowy do spożycia. Użytkownik kuchenki mikrofalowej wie, że istotną różnicą między ogrzewaniem tradycyjnym a mikrofalowym jest to, że mikrofalówka zwykle nie daje zbrązowienia i kruchości produktu. Różnica ta wynika z faktu, że powietrze wewnątrz kuchenki mikrofalowej nie jest ogrzewane przez mikrofale, podczas gdy w metodach tradycyjnych jest gorące, ponadto na skutek odparowywania wilgoci z powierzchni dodatkowo obniża się jej temperatura. Czasami przeprowadzane w warunkach domowych rozmrażanie, ogrzewanie lub gotowanie przebiega niewłaściwie, co jest związane z jednym z poniższych efektów. a) efekt powierzchniowy - wiąże się z tym, że większość mikrofal jest absorbowana i przekształcana w ciepło przy powierzchni (zwykle do głębokości 3 cm). Zatem w niektórych przypadkach, szczególnie przy stosowaniu częstotliwości 2450 MHz, obserwuje się mocniejsze ogrzewanie powierzchni niż warstw głębszych. b) efekt ostrego rogu - polega na nadmiernym ogrzewaniu części wystających (np. skrzydełko kurczaka), które wyeksponowane są na działanie mikrofal ze wszystkich stron, podczas gdy na resztę produktu padają one tylko z jednego kierunku. Efekt ten można osłabić przez 70

19 LUTY 2009

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

ekranowanie (np. folią aluminiową) fragmentów narażonych na nadmiar mikrofal. c) efekt różnicowy - obserwuje się go w żywności posiadającej obszary o różnej aktywności dielektrycznej. Jeden region absorbuje mniej lub więcej energii niż inny i w konsekwencji ogrzewają się one z różną szybkością. Przykładem może być mikrofalowe ogrzewanie pizzy. Aby ograniczyć wpływ tego efektu, stosuje się dodatki do materiału opakowaniowego, które poprzez ekranowanie wybranych fragmentów przed mikrofalami lub ich zogniskowanie do prowadzają do bardziej równomiernego ogrzewania. Można także przesłaniać składniki łatwiej ogrzewające się składnikami słabiej absorbującymi mikrofale (tzw. cieniowanie). Mrożona żywność poddawana ogrzewaniu mikrofalowemu może wykazywać specyficzne dla niej zachowanie wynikające z różnicy w penetracji i absorpcji mikrofal przez wodę i lód oraz roztwory wodne. Mikrofale penetrują głębiej lód niż wodę, a ich absorpcja przez wodę jest znacznie większa. Dlatego obszary, które zaczęły się już rozmrażać, absorbują więcej energii niż nie rozmrożone, a zatem ulegają przegrzewaniu, podczas gdy fragmenty lodu pozostają niedogrzane. Ponadto jeśli w czasie składowania zamrażalniczego występowały wahania temperatury, to na skutek rekrystalizacji lodu powstać mogły obszary o zwiększonym stężeniu soli (tzw. kieszenie solne). Obszary takie podczas rozmrażania mikrofalowego topnieją pierwsze i w ich okolicach występuje nadmierne przegrzewanie produktu. Aby ograniczyć występowanie powyższych zjawisk, rozmrażanie należy przeprowadzać powoli przy niewielkiej mocy mikrofal lub stosować przerwy w celu umożliwienia wyrównywania się temperatury przez przewodzenie. Kuchenki mikrofalowe mają najczęściej podany zakres mocy, przy jakiej należy rozmrażać żywność, lub są tak zaprogramowane, że proces ten przebiega z przerwami. Zachowanie wartości odżywczej przez żywność ogrzewaną mikrofalowe było tematem wielu prac badawczych. Eksperci z Instytutu Technologów Żywności (IFT) z USA wydali opinię, że żywność taka zachowuje więcej witamin i termicznie labilnych składników, ponieważ ogrzewanie mikrofalowe z reguły trwa krócej niż tradycyjne i nie wywołuje zbrązowienia powierzchni. Istnieją jednak i inne opracowania, które sugerują, że ten korzystny efekt żywieniowy jest niewielki. Jakkolwiek szybkość jest najbardziej atrakcyjną cechą ogrzewania mikrofalowego, nie należy bezkrytycznie jej wykorzystywać. Rozmrażanie, gotowanie, pieczenie i inne czynności kuchenne są złożonymi procesami fizykochemicznymi wymagającymi często zajścia właściwych przemian i reakcji. Powinny one następować w odpowiedniej kolejności i we właściwych relacjach czasowotemperaturowych. Nadmiernie szybkie ogrzewanie może zaburzać tok przemian, co przejawiać się może pęknięciami produktu, przegrzewaniem oraz występowaniem niekorzystnych cech tekstury.

19 LUTY 2009

71

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

7.2. WYKONANIE ĆWICZENIA 1. Określanie równomierności nagrzewania mikrofalami: Należy umieścić w komorze roboczej (zgodnie z rysunkiem) pięciu identycznych zlewek szklanych, zawierających po 150 cm3 wody. Prowadzić nagrzewanie przez kolejne okresy 2minutowe przy drugim poziomie nagrzewania i mierzyć temperaturę w zlewkach po zakończeniu każdego cyklu ogrzewania. Termometry można wprowadzać do komory tylko podczas przerw w działaniu magnetronu.(talerz obrotowy należy wyjąć)

Rys. 1. Schemat rozmieszczenia zlewek z wodą w komorze grzejnej. Pomiar zakończyć z chwilą uzyskania w jednej ze zlewek temp. 100°C. Badanie przeprowadzić dwukrotnie. Należy sporządzić wykres wzrostu temperatury w funkcji czasu w poszczególnych punktach pomiarowych. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy wykreślić mapę równomierności nagrzewania powierzchni komory.

2. Określanie wpływu masy produktu na czas nagrzewania W środku komory roboczej należy umieszczać kolejno zlewki zawierające: 100, 200 i 300 cm3 wody. Prowadzić nagrzewanie przez kolejne okresy 2-minutowe przy drugim poziomie nagrzewania aż do chwili uzyskania temp. 100°C. Badania przeprowadzić dwukrotnie. Należy sporządzić wykres wzrostu temperatury w funkcji czasu w poszczególnych porcjach nagrzewanej wody.

3. Określanie wpływu kształtu naczynia na czas nagrzewania Przygotować 5 naczyń szklanych o zróżnicowanym kształcie, ale posiadających ścianki jednakowej grubości, np. zlewka, erlenmajerka, kolba płaskodenna itp. Każde naczynie napełniać wodą w ilości 200 cm3 o określonej temperaturze. Następnie należy umieszczać naczynia kolejno w geometrycznym środku komory roboczej i nagrzewać przez 2 minuty przy drugim poziomie nagrzewania i mierzyć temperaturę wody w każdym naczyniu po zakończeniu procesu nagrzewania. Badanie wykonać w dwóch powtórzeniach. Wyniki pomiarów należy zebrać w tabeli według załączonego wzoru:

72

19 LUTY 2009

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

Wzór tabeli:

Rodzaj naczynia

Temperatura początkowa (Tp) [°C]

Temperatura po nagrzewaniu- końcowa (Tk) [°C]

Temperatura średnia (Tśr) [°C]

1. ………………………… 2. ………………………… 3. ………………………… 4. ………………………… 2

UWAGA : W DOŚWIADCZENIACH NR 1, 2 I 3 NALEŻY UŻYWAĆ WODY DESTYLOWANEJ.

7.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW Wyniki oznaczeń należy umieścić w sprawozdaniu w formie oddzielnych i przedłożyć osobie prowadzącej ćwiczenia w celu sprawdzenia. Należy także zaznaczyć wszelkie odstępstwa od metod podanych w opracowaniu ćwiczeń. Na końcu sprawozdania z ćwiczeń należy podać wnioski w formie zwięzłych punktów.

19 LUTY 2009

73

MIKROFALE I ICH ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

74

19 LUTY 2009

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

8.

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM 8.1. WPROWADZENIE

Wymagania dotyczące wody stosowanej w przemyśle spożywczym Woda jest jednym z najważniejszych surowców w życiu codziennym człowieka. Związana bezpośrednio z wieloma dziedzinami życia gospodarczego zapewnia jego prawidłowe funkcjonowanie i możliwości dalszego rozwoju. Woda jest potrzebna w każdej branży przemysłu spożywczego. Może stanowić mniej lub bardziej istotny składnik otrzymywanego produktu lub stykać się z nim w określonej fazie produkcji - mówimy wtedy o stosowaniu wody do celów bezpośrednich, a wodę taką nazywamy wodą technologiczną. Wodę stosowaną do zasilania kotłów parowych, mycia naczyń i pomieszczeń, tzn. tę wodę, która nie bierze bezpośredniego udziału w produkcji, nazywa się wodą energetyczną (do kotłów) lub wodą technologiczną do celów pomocniczych (do mycia). Wymagania stawiane wodzie zależą od jej przeznaczenia i zmieniają się nie tylko w obrębie poszczególnych branż przemysłu spożywczego, ale nawet w poszczególnych działach tego samego zakładu. Fakt, że woda wchodzi w skład organizmu i pożywienia człowieka oraz to, że woda występująca w przyrodzie zawiera rozpuszczalne związki chemiczne, zobowiązuje do stałej kontroli jakości wody używanej do produkcji w określonym zakładzie przemysłowym. Postawą charakterystyki wody są wskaźniki organoleptyczne, fizyczne, mikrobiologiczne i chemiczne. wskaźniki organoleptyczne – zaliczamy do nich smak i zapach. Woda do picia powinna być bez zapachu i bez obcego posmaku. W wodzie najczęściej występują następujące zapachy: gnilny pochodzący od siarkowodoru, roślinny- spowodowany obecnością wodorostów i mchów, specyficzny - wywołany związkami chemicznymi. wskaźniki fizyczne –do wskaźników tych charakteryzujących jakość wody zaliczamy: temperaturę, przezroczystość, mętność oraz barwę. Zmętnienie wody jest spowodowane występowaniem w niej zawiesiny piasku, drobnych cząsteczek roślinnych. Woda do picia oraz bezpośredniej produkcji środków żywności nie może wykazywać żadnego zmętnienia. Barwa wody pochodzi od rozpuszczalnych w niej substancji organicznych i mineralnych oraz od ich formy. Naturalną barwą wody klarownej jest barwa zielonkawożółtawa z różnymi odcieniami. wskaźniki mikrobiologiczne – oceniają jakość wody na podstawie ogólnej liczby zawartych w niej drobnoustrojów i miana coli. wskaźniki chemiczne – do tych wskaźników zaliczamy odczyn, twardość, zasadowość, utlenialność, pozostałość po odparowaniu, zawartość związków azotowych, związków żelaza, manganu i krzemu oraz soli (chlorków, siarczanów), a także zawartość rozpuszczonych gazów i innych pierwiastków. Odczyn wód naturalnych waha się w granicach pH 6,8-7,3. Inne wartości pH wody świadczą o sztucznym jej zanieczyszczeniu. Twardość jest to właściwość wody spowodowana zawartymi w niej jonami, głównie wapniowymi i magnezowymi. Sole tych pierwiastków nie są szkodliwe dla zdrowia, lecz większe ich stężenie może wykluczyć zastosowanie wody do celów technicznych i technologicznych. Za jednostkę twardości wody przyjmuje się twardość, jaką nadaje wodzie l miligramorównoważnik jonów Ca2+ lub Mg2+ w l dm3 wody (tj. 20,04 mg/dm3 Ca lub 12,16 mg/dm3 Mg). Dopuszcza się wyrażanie twardości w stopniach niemieckich (°n), odpowiadających ilości gramów CaO w 100dm3 wody (1°n=0,357mval/dm3 lub l mval/dm3 = 2,804°n). Rozróżnia się następujące rodzaje twardości wody: twardość wapniową (twCa) spowodowaną obecnością jonów Ca2+ 19 LUTY 2009

75

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

twardość magnezową (twMg) spowodowaną obecnością jonów Mg2+ twardość węglanową (tww) spowodowaną obecnością kwaśnych węglanów, siarczanów i krzemianów wapnia i magnezu; twardość przemijającą (twprzem) tj. twardość wody ustępującą po rozkładzie wodorowęglanów wskutek zagotowania: Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O Mg(HCO3)2 → MgCO3 + CO2 + H2O twardość stałą (twst) tj. twardość pozostającą po zagotowaniu wody twardość ogólną (twog) - wyrażającą ogólną zawartość jonów twardości wody. Zależność pomiędzy poszczególnymi rodzajami twardości wody można przedstawić następująco: twog = twCa + twMg = tww + twnw = twprzem + twst Przyjmując za kryterium twardość, wody naturalne można podzielić na: miękkie (do 10°n), średnio twarde (10-15°n), twarde (15-30°n), bardzo twarde (powyżej 30°n). Zasadowość jest to właściwość wody spowodowana obecnością wodorotlenków, kwaśnych węglanów, węglanów wapniowych i potasowców. Rozróżnia się zasadowość wobec fenoloftaleiny (Zp), będącą miarą zawartości w wodzie jonów wodorotlenowych i węglanowych, oraz zasadowość wobec oranżu metylowego (Zm), spowodowaną obecnością wodorowęglanów. Duże znaczenie podczas oceny wody ma obecność związków azotowych, tj. amoniaku, azotynów i azotanów. Występowanie ich świadczy o zanieczyszczeniu wody produktami rozkładu azotowych substancji organicznych, które wskutek działalności drobnoustrojów ulegają mineralizacji. Chlorki i siarczany ze względu na dużą rozpuszczalność występują we wszystkich wodach naturalnych, lecz nadmierna ich zawartość wpływa ujemnie na smak wody. Wykazują one działanie korodujące na konstrukcje betonowe i stalowe urządzeń. Żelazo występuje w wodzie w postaci żelazawych soli nieorganicznych (głównie jako Fe(HCO3)2, rzadziej jako FeSO4) lub organicznych (w połączeniu z kwasami humusowymi). Wody naturalne mogą zawierać dziesiątki miligramów żelaza i kilkanaście mg manganu w l dm3. Zależnie od przeznaczenia woda stosowana w przemyśle powinna odpowiadać określonym wymaganiom pod względem fizycznym, chemicznym i mikrobiologicznym. Do zasilania kotłów wykorzystuje się skropliny pary technologicznej, uzupełniając ich niedobór wodą surową. Obecność w wodzie kotłowej zawiesin krzemionki, soli wapnia i magnezu oraz rozpuszczonych gazów (O2, CO2, H2S) powoduje korozję ścian kotła oraz powstawanie mułu i kamienia kotłowego. Przy wytwarzaniu pary wodnej należy stosować czystą, miękką wodę, przy czym w miarę jak wzrasta ciśnienie pary w kotle i obciążenie powierzchni ogrzewalnej, jakościowe wymagania stawiane wodzie zasilającej kotły są coraz wyższe. Woda stosowana do chłodzenia nie powinna zawierać zawiesin i drobnoustrojów oraz mieć właściwości korodujących. Zasadniczym warunkiem jakościowym tej wody jest niska temperatura, warunkująca odprowadzanie ciepła. Woda chłodnicza powinna charakteryzować się termostabilnością, tj. zarówno podczas ogrzewania (40-60°C), jak i chłodzenia (10-0°C) nie powinna tworzyć osadu węglanu wapniowego. Do wód termostabilnych należą wody, których twardość węglanowa nie przekracza 2,8 mval/dm3, czyli 7,84°n. Woda używana do celów porządkowych, mycia opakowań i picia powinna odpowiadać warunkom wody do picia i potrzeb gospodarczych, zawartym w rozporządzeniu Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej: ogólna liczba kolonii bakterii nie może przekraczać 25 po 48 h hodowli w temperaturze 20oC przy wysiewie 1cm3 nierozcieńczonej wody na podłoże z żelatyną, ogólna liczba kolonii bakterii nie może przekraczać 5 po 24 h hodowli w temperaturze 37 oC przy wysiewie 1cm3 nierozcieńczonej wody na podłoże agarowe, miano coli nie może być mniejsze niż 100, 76

19 LUTY 2009

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

zapach może należeć tylko do grupy zapachów naturalnych roślinnych, mętność wody w skali krzemionkowej nie może przekraczać 3 mg/dm3, barwa wg skali platynowo-kobaltowej nie może przekraczać 20 mg Pt/dm3, temperatura wody powinna wahać się od 7 do 12°C, odczyn pH powinien wynosić od 6,5 do 9,0 zawartość związków żelaza nie może przekraczać 0,3 mg Fe/dm3 zawartość związków manganu nie może przekraczać 0,1 mg Mn/dm3, twardość ogólna nie powinna przekraczać 7,1 mval/dm3 (20°n), woda nie może zawierać agresywnego CO2, sucha pozostałość po odparowaniu w temp. 105°C nie powinna przekraczać 500 mg/dm3, woda używana w przemyśle spożywczym powinna być uprzednio chlorowana. Niezależnie od tego, w niektórych branżach przemysłu spożywczego woda używana do ściśle określonych celów musi odpowiadać dodatkowym wymaganiom związanym ze specyfiką danej branży. W przemyśle drożdżowym woda technologiczna jest stosowana do przygotowania brzeczki drożdżowej oraz płukania drożdży i powinna odpowiadać warunkom wody do picia. Nie może zawierać azotanów i azotynów, które hamują rozwój drożdży. Obecność żelaza i manganu powoduje ciemnienie gotowego produktu, co ma szczególnie ujemne znaczenie podczas produkcji drożdży piekarskich. Woda technologiczna stosowana w przemyśle spirytusowym do przygotowania zacierów powinna odpowiadać jakości wody do picia i wymaganiom dla wody technologicznej w przemyśle drożdżowym. Podczas przygotowania nalewów, wapń, magnez oraz metale ciężkie pochodzące z wody i używanych naczyń reagują z pektyną, garbnikami oraz kwasami pochodzącymi z owoców. Powstałe związki wytrącają się w postaci osadów, powodujące wydatne obniżenie właściwości smakowych nalewów. Węglany i siarczany wapnia i magezu oraz sole żelaza mogą powodować zmętnienie o charakterze fizycznym wskutek zmniejszenia się ich rozpuszczalności po zmieszaniu spirytusu i wody. W przemyśle owocowo-warzywnym woda technologiczna stosowana do produkcji klarownych pitnych soków owocowych, szczególnie napojów uzyskiwanych z uprzednio zagęszczonego soku owocowego, wymaga specjalnej korekty. Woda używana do produkcji konserw groszkowych, blanszowania groszku i zalewy konserw powinna mieć twardość poniżej 20°n. W celu wyeliminowania zmętnień wywołanych przechodzeniem skrobi z ziaren stosuje się utwardzanie wody solami wapnia. Powoduje to minimalne utwardzanie skórki ziaren, ale dzięki powstałym w skórce nierozpuszczalnym pektynianom wapnia czyni ją mniej przepuszczalną dla skrobi. Wytworzenie pektynianów wapnia powoduje poprawienie konsystencji niektórych owoców miękkich, np. truskawek. Podstawowe wymagania stawiane wodzie technologicznej stosowanej w przemyśle piwowarsko-słodowniczym, oprocz wymagań przewidzianych dla wody do picia, dotyczą głównie zasadowości i twardości, obecności azotynów, azotanów i krzemianów. Zasadowość ogólna powinna być niska, mniejsza od twardości ogólnej. Zasadowość alkaliczna powinna być równa zero, ponieważ w przeciwnym razie następuje alkalizacja zacieru i brzeczki. Niekorzystna jest obecność wapnia i magnezu w postaci kwaśnych węglanów (działanie alkalizujące) korzystna zaś w postaci siarczanów i chlorków. Obecność magnezu powoduje zwiększenie intensywności goryczki piwa. Azotyny i azotany wpływają niekorzystnie na proces fermentacji, utrudniając rozwój drożdży, a oprócz tego działają ujemnie na smak piwa. Krzem, podobnie jak żelazo, działa niekorzystnie na przebieg fermentacji i powoduje zmętnienie piwa. Woda technologiczna stosowana w przemyśle cukrowniczym do ekstrakcji powinna mieć możliwie niską suchą pozostałość, niską zawartość siarczanu wapnia i chlorku magnezu, azotanów 19 LUTY 2009

77

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

oraz związków organicznych. Siarczany, chlorki, a szczególnie azotany, utrudniania krystalizację cukru. Woda technologiczna stosowana w przemyśle ziemniaczanym do produkcji krochmalu powinna odpowiadać wymaganiom stawianym dla wody do picia, a ponadto powinna mieć możliwie niska temperaturę, małą twardość i małą zawartość soli mineralnych oraz nie powinna zawierać związków żelaza i manganu. Duża twardość i duża ilość soli mineralnych zwiększają zawartość popiołu w krochmalu. Związki żelaza i manganu są przyczyną żółtego zabarwienia krochmalu oraz ciemnych plam powstałych z żelaza. W przemyśle mleczarskim ze względu na dużą podatność surowca na zakażenia zaostrza się wymagania mikrobiologiczne dla wody technologicznej. Największe wymagania stawia się wodzie służącej do płukania masła. Woda ta nie powinna zawierać żelaza, manganu i miedzi, których obecność wpływa katalizująco na proces utleniania tłuszczu. Związki żelaza nadają masłu specyficzny posmak oraz mogą być źródłem rdzawych plam na maśle, serze i twarogu. Również duża zawartość soli magnezowych nadaje masłu nieprzyjemny, gorzkawy smak, w związku z tym ogranicza się zawartość magnezu w wodzie do 40 mg MgO/dm3. Ogólna twardość wody do płukania masła nie powinna przekraczać 10°n. Inne branże przemysłu spożywczego, jak: mięsna, drobiarska, rybna zużywają duże ilości wody do celów technologicznych. Woda ta, oprócz wymagań dla wody do picia, powinna być czysta pod względem mikrobiologicznym. Pożądana jest niższa twardość stosowanej wody oraz brak w niej żelaza, które nawet w minimalnej ilości może wpływać na zmianę smaku i zapachu wyrobów produkowanych w tych przemysłach. Uzdatnianie wody na potrzeby przemysłu spożywczego Dobra woda, nadająca się dla przemysłu spożywczego, nie powinna wywierać ujemnego wpływu na organizm ludzki, przebieg procesów technologicznych i jakość wytwarzanego produktu. Ponadto nie może powodować korozji przewodów i urządzeń oraz dawać osadów na ich powierzchniach. 1. Zmiękczanie wody Najczęściej stosowanym procesem uzdatniania wody w zakładach przemysłu spożywczego jest zmiękczanie wody przeznaczonej do zasilania kotłów oraz niektórych celów technologicznych. Zmiękczanie wody polega na całkowitym lub częściowym usunięciu z wody kationów, głównie wapnia i manganu, powodujących twardość. Znane są następujące metody uzdatniania wody: termiczne chemiczne fizykochemiczne. Metody termiczne stosuje się do zmiękczania wody o dużej twardości przemijającej, a jednocześnie znikomej twardości stałej. Pod wpływem podwyższonej temperatury, już powyżej 40°C, następuje termiczny rozkład wodorowęglanów wapnia i magnezu i wytrącenie obojętnych węglanów wapnia i magnezu, zgodnie z reakcjami: Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O 2Mg(HCO3)2 → Mg2CO3(OH)2 + 3CO2 +H2O Mg2CO3(OH)2 + H2O → 2Mg(OH)2 + CO2 Rozkład Mg(HCO3)2 przebiega 1,5 raza wolniej niż Ca(HCO3)2. Najpierw powstaje zasadowy węglan magnezu, który po dłuższym gotowaniu ulega hydrolizie i strąca się w postaci trudniej rozpuszczalnego wodorotlenku magnezowego Mg(OH)2. 78

19 LUTY 2009

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

Schemat urządzenia do termicznego zmiękczania wody przedstawiono na rys. 1. Woda surowa o temp. 100°C przepływa między elastycznymi płytami, umocowanymi w ramkach do wyjmowania. Strącający się osad CaCO3 opada do lejów osadnikowych, częściowo zaś osiada na płytach, które są elastycznie umocowane i okresowo wyjmowane w celu oczyszczenia. Metody chemiczne polegają na strąceniu nierozpuszczalnych osadów lub wiązaniu kompleksowe związki jonów wapnia i magnezu za pomocą różnych reagentów, jak np. wodorotlenek wapnia (wapno), węglan sodu (soda), wodorotlenek sodu (soda kaustyczna), fosforany, sole baru. Najtańszym i najbardziej rozpowszechnionym chemicznym sposobem zmiękczania wody jest wytrącanie jonów odpowiedzialnych za twardość wody za pomocą wapna i sody. Wapno dodaje się zwykle w postaci mleka wapiennego, które strąca kwaśne węglany wapnia i magnezu oraz wiąże wolny CO2, zgodnie z reakcjami: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → MgCO3 + CaCO3 + 2H2O MgCO3 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCO3 Ca(OH)2 +CO2 → CaCO3 +H2O

Rys. 1. Schemat aparatury do termicznego zmiękczania wody: l - dopływ wody, 2 - para grzejna, 3 - świeża para, 4 - opary, 5 - odszlamianie, 6 - odpływ wody, 7 - przelew Proces wytrącania składników twardości nazywa się dekarbonizacacją. Twardość stałą usuwa się przez dodanie sody, zgodnie z reakcjami: CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 + 2NaCl MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3 + Na2SO4 Proces zmiękczania wody tą metodą przebiega w dwóch fazach: powstawanie trudno rozpuszczalnych osadów CaCO3 i Mg(OH)2, krystalizacji CaCO3 i narastania kryształów, które mogą być zatrzymane w osadniku lub na powierzchni filtru.

19 LUTY 2009

79

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

Proces można przyspieszyć przez podgrzanie wody oraz dodanie do wody katalizatora w postaci zawiesiny węglanu wapniowego. Schemat instalacji do zmiękczania wody metodą wapienno-sodową przedstawiono na rysunku 2.

Rys. 2. Schemat instalacji do zmiękczania wody metodą wapienno-sodową: l - przewód doprowadzający wodę surową, 2 - zbiornik rozdzielczy, 3 - zbiornik nasyconego roztworu sody, 4 - zbiornik na wodę wapienną, 5 - saturator, 6 - reaktor, 7 - przewód, 8 - przewód, 9 rura przelewowa, 10-przelew z reaktora na filtr, 11 - filtr żwirowo-piaskowy, 12 - przewód odpływowy Woda surowa wprowadzana jest przewodem (1) do zbiornika rozdzielczego (2), skąd rurą centralną jest kierowana do reaktora (6), a przewodem (8) do saturatora (5). W saturatorze surowa woda miesza się z mlekiem wapiennym, doprowadzonym do zbiornika (4) przewodem (7). Rurą przelewową (9) roztwór wodorotlenku wapniowego dopływa do reaktora. Ze zbiornika (3) przez filtr jest dozowany do reaktora nasycony roztwór sody. Woda w reaktorze jest ogrzewana bezpośrednio parą, aby proces zmiękczania przebiegał w temp. 90-95°C Wytrącane osady gromadzą się w stożkowym dnie reaktora i w postaci szlamu są okresowo usuwane do kanału. Zmiękczona woda odpływa z reaktora przelewem (10) na filtr żwirowo-piaskowy (11). Po oddzieleniu osadów na filtrze czysta, zmiękczona woda odpływa przewodem (12). Zmiękczanie wody za pomocą fosforanów polega na strącaniu praktycznie nierozpuszczalnych fosforanów wapnia i magnezu (ich iloczyny rozpuszczalności są wielokrotnie mniejsze niż CaCO3), dzięki czemu woda charakteryzuje się bardzo małą twardością resztkową. Do zmiękczania stosuje się fosforan trójsodowy Na3PO4•10H2O, który reaguje z solami Ca i Mg, zgodnie z równaniami reakcji: 3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3 3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2 + 6NaHCO3 3CaSO4 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 3Na2SO4 3MgCl2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2 + 6NaCl

80

19 LUTY 2009

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

Powstający w reakcjach wodorowęglan sodowy w wyższych temperaturach rozkłada się, tworząc węglan sodowy obojętny, który może likwidować twardość niewęglanową, zmniejszając w ten sposób zużycie fosforanu. Rozkład termiczny NaHCO3 zachodzi wg reakcji: 6NaHCO3 → 3Na2CO3 + 3CO2 + H2O Metoda fosforanowa zapewnia 2-3-krotnie większą szybkość procesu zmiękczania niż metoda wapno-soda, nie wymaga też bardzo ścisłego dozowania fosforanu. Fosforany nie powodują korozji blachy żelaznej, a w wodzie zapobiegają tworzeniu się kamienia kotłowego. Metody fizyczno-chemiczne – znalazły tu zastosowanie wymieniacze jonowe, czyli jonity. Jonity są to ciała stałe nierozpuszczalne w wodzie, które maja zdolność wymiany własnych jonów z jonami otaczającego je roztworu elektrolitu. Jonit poglądowo można przedstawić jako gąbkę, zawierającą w porach wodę albo inny rozpuszczalnik. Do ścianek tej gąbki są „przytwierdzone” wiązaniami atomowymi grupy jonogenne. W warunkach sprzyjających jonizacji grupy te dysocjują na jony, przy czym tylko jony jednego znaku wykazują ruchliwość (jony znaku przeciwnego połączone są ze szkieletem jonitu wiązaniami atomowymi). Mogą one być wymienione przez inne jony tego samego znaku i dostawać się do wnętrza „gąbki” z zewnętrznego roztworu. Jeśli pewna ilość jonów z zewnętrznego roztworu przechodzi do wnętrza fazy jonitu, to równocześnie równoważna ilość jonów opuszcza fazę jonitu, przechodząc do roztworu zewnętrznego, podczas wymiany bowiem musi być zachowana elektryczna obojętność układu. Jony jednakowego znaku z jonami nieruchliwymi mają bardzo utrudniony „wstęp” do wnętrza fazy jonitu, gdyż są odpychane siłami kulombowskimi. Wymieniacze jonowe można podzielić na nieorganiczne i organiczne, a następnie na naturalne, półsyntetyczne i syntetyczne. Zależnie od znaku ładunku zjonizowanych grup rozróżnia się kationity i anionity. Kationity jako grupy czynne mają następujące grupy ujemne: sulfonowe -SO3, karboksylowe –COO–, aminodwuoctanowe -N(CH2COO–)2, fosforanowe -PO3. Anionity mają grupy czynne, charakteryzujące się ładunkiem dodatnim: czwartorzędowe amoniowe -NR3+, drugorzędowe aminowe –NR2+, fosfoniowe -PR3+. Kationity mające grupy funkcyjne ujemne będą wymieniać kationy, anionity zaś dzięki dodatnio naładowanym grupom funkcyjnym wymieniają aniony. W zależności od właściwości grup funkcyjnych kationity dzielimy na silnie i słabo kwasowe, anionity zaś na silnie zasadowe i słabo zasadowe (średnio zasadowe). Kationity silnie kwasowe są mocnymi kwasami lub solami mocnych kwasów. Anionity silnie zasadowe są mocnymi zasadami lub solami mocnych zasad. Kationity słabo kwasowe i anionity słabo zasadowe (średnio zasadowe) to odpowiednio słabe kwasy lub słabe zasady i ich sole. Oprócz jonitów monofunkcyjnych znane są jonity polifufikcyjne, mające grupy funkcyjne o różnych właściwościach, np. grupy karboksylowe i sulfonowe lub amoniowe i aminowe. Jonity amfoteryczne (amfolity) mogą zawierać grupy ujemne i dodatnie, które występują obok siebie. Przejawiają one wówczas w zależności od pH roztworu, albo charakter kationitu, albo anionitu. W zależności od metody otrzymywania polimeru, stanowiącego szkielet jonitu, jonity dzielą się na polimeryzacyjne i polikondensacyjne. Jeżeli suchy jonit umieści się w roztworze elektrolitu, to zachodzą następujące zjawiska: pęcznienie jonitu, przenikanie elektrolitu do wnętrza jonitu, wymiana jonów. Jeżeli jonit RA umieścić w roztworze zawierającym jony B, to zastąpią one częściowo jony A, którymi początkowo był obsadzony jonit. Nastąpi, więc wymiana jonów, zgodnie z ogólnym równaniem: RA + Bw → RB + Aw 19 LUTY 2009

81

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

a w konkretnym przypadku wymiana jonów Na+ na jony Ca2+: 2RNa + Ca2+ → R2Ca + 2Na+ Osiągnięta równowaga nie zależy od kierunku wymiany. Stan równowagi, czyli podział jonów pomiędzy jonit i roztwór, zależy od takich czynników, jak: ładunek jonów - w roztworach rozcieńczonych jony o większym ładunku są silniej wiązane przez jonit, np. Ca2+ jest silniej wiązany niż Na+, wielkość jonów - większe jony organiczne są zwykle wiązane silniej, natomiast powinowactwo jednowartościowych kationów nieorganicznych maleje ze wzrostem promienia jonu uwodnionego i rośnie w miarę powiększania się liczby atomowej pierwiastka, hydratacja - im mniejszy jest stopień hydratacji jonu, tym silniej jest on wiązany przez jonit, charakter grup funkcyjnych - kationity słabo kwasowe wykazują duże powinowactwo do jonów wodorowych, a anionity słabo zasadowe do jonów wodorotlenowych. Jony tworzące kompleksy z grupami funkcyjnymi są wiązane bardzo silnie (wymieniacze jonowe chelatujace), stopień usieciowania jonitu - w miarę powiększania się stopnia usieciowania zmniejsza się zdolność jonitu do wiązania jonów większych. Ogólna zdolność wymienna takiego wymieniacza wzrasta, ponieważ zwiększa się ilość grup funkcyjnych, stężenie roztworu - podział jonów między jonit i roztwór zależy od stężenia roztworu. Wpływ stężenia jest szczególnie duży jeśli jony uczestniczące w wymianie mają różną wielkość ładunku, np. równowaga pomiędzy jonami Ca2+ i Na+ jest przesunięta na korzyść wapnia tylko w roztworach rozcieńczonych. Powinowactwo kationitów silnie kwasowego R-SO3– do poszczególnych jonów przedstawia się następująco: Li+ > H+ > Na+ > K+ > NH4+ > Ag+ > Ca2+ Powinowactwo kationitów słabo kwasowych R-COO– do poszczególnych jonów przedstawia się następująco: Na+ > Mg2+ > Ca2+ > H+ Kationit słabo kwasowy wykazuje szczególnie duże powinowactwo do jonów wodorowych. Powinowactwo anionitów słabo zasadowych do jonów OH wzrasta odpowiednio w miarę obniżania się zasadowości amin. Wymiana jonowa może zachodzić w warunkach statycznych lub dynamicznych. Wymiana jonowa w warunkach statycznych polega na wstrząsaniu roztworu z jonitem aż do momentu ustalenia równowagi stężeń wymienianego jonu w roztworze i w fazie jonitu. Dynamiczna wymiana jonowa zachodzi podczas przepływu roztworu przez kolumnę wypełnioną jonitem. Przebieg wymiany jonów w czasie przepływu roztworu chlorku sodowego przez złoże kationitu w formie wodorowej pokazano na rysunku 3. Jony Na+ wprowadzone na kolumnę są wymieniane początkowo w górnej warstwie złoża jonitowego. Po całkowitym obsadzeniu grup funkcyjnych wymieniacza górne jego warstwy tworzą tzw. strefę powymienną. W dół kolumny spływa roztwór uboższy w wymieniane jony i kontaktuje się zawsze ze świeżymi warstwami jonitu (strefa wymiany właściwej). Proces wymiany jonów przebiega więc każdorazowo przy maksymalnej różnicy stężeń, gdyż w dolnych warstwach złoża (strefa przedwymienna) stężenie wymienianego jonu w fazie jonitu wynosi zero. W miarę przepuszczania roztworu przez kolumnę następuje przesuwanie się strefy wymiany ku dołowi, a w poszczególnych warstwach kolumny ustala się od góry stan równowagi miedzy stężeniem jonów Na+ w roztworze i w fazie jonitu. Jeżeli nastąpi ustalenie równowagi przy znacznej przewadze wymienianego jonu w roztworze, pojawi się on w wycieku z kolumny. Jest to tzw. punkt przebicia, na którego podstawie określana jest robocza zdolność 82

19 LUTY 2009

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

wymienna kolumny jonitowej, wyrażająca w gramorównoważnikach ilość wymienionego jonu do

momentu przebicia. Rys. 3. Przebieg wymiany jonów w czasie przepływu roztworu chlorku sodowego przez kolumnę kationową w formie H+: a - schematyczny obraz rozmieszczenia jonów Na+ i H+ w strefach kolumny (strzałka wskazuje kierunek przepływu roztworu chlorku sodowego), b- wykres zmian stężenia jonów Na+ wzdłuż kolumny: h - wysokość kolumny, Co - stężenie jonów Na+ w roztworze chlorku sodowego, C - stężenie jonów Na+ w roztworze przepływającym przez kolumnę. Robocza zdolność jonowymienna jest zawsze mniejsza od całkowitej zdolności wymiennej złoża i zależy od warunków procesu wymiany, jak: temperatura, pH roztworu i jego stężenie, rodzaj innych jonów obecnych w roztworze, szybkość przepływu roztworu, wielkość ziarn jonitu i geometryczny kształt kolumny. Zmiękczanie wody za pomocą jonitów jest najprostszym sposobem jej uzdatniania, polegającym na usunięciu z wody jonów wapnia i magnezu przez wymianę ich na jony zasadowe kationitu w formie sodowej. Wymianę w cyklu sodowym można opisać następującymi reakcjami: 2KtNa + Ca(HCO3)2 → Kt2Ca + 2NaHCO3 2KtNa + Mg(HCO3)2 → Kt2Mg + 2NaHCO3 2KtNa + CaSO4 → Kt2Ca + Na2SO4 2KtNa + MgSO4 → Kt2Mg + Na2SO4 2KtNa + CaCl2 → Kt2Ca + 2NaCl 2KtNa + MgCl2 → Kt2Mg + 2NaCl

19 LUTY 2009

83

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

Schemat jonitowego zmiękczania wody przedstawiono na rysunku 4.

Rys. 4. Schemat jonitowego zmiękczania wody Proces odsalania wody polega na usunięciu z niej kationów i anionów dzięki przepuszczaniu ich przez złoże kationowe w formie wodorowej, a następnie przez złoże anionitowe w formie wodorotlenowej, wg reakcji: KtH + A+ X– = Kt – A + H+ X– AtOH + H+ X– = AtX + H2O Gdzie: A+ - kation, X– - anion. W zależności od przebiegu procesu rozróżnia się dwie metody odsalania. W metodzie zwanej demineralizacją są usuwane wszystkie jony z wyjątkiem bezwodnika kwasu krzemowego (SiO 2) i kwasu węglowego (CO2). W metodzie zwanej dejonizacją są usuwane wszystkie jony. Układ do demineralizacji składa się z dwóch kolumn połączonych szeregowo i wypełnionych kolejno silnie kwaśnym kationitem w formie wodorowej i słabo zasadowym anionitem w formie wodorotlenowej (Rys. 5). Układ jest uzupełniony desorberem dwutlenku węgla oraz kolumną buforową, wypełnianą zazwyczaj słabo kwaśnym kationitem. Pozwala to na osiągnięcie wody demineralizowanej o pH ok. 7 przez cały czas trwania procesu.

84

19 LUTY 2009

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

Rys. 5. Przebieg demineralizacji wody wraz z desorpcją CO2 i kolumną buforową: K - złoże silnie kwaśnego kationitu, A - złoże słabo zasadowego anionitu. P - bufor (słabo kwaśny kationit) Najprostszy układ kolumn do dejonizacji składa się z dwóch kolumn połączonych szeregowo: pierwszej (K), wypełnionej silnie kwaśnym kationitem w formie wodorowej i drugiej (A 1), wypełnionej silnie zasadowym anionitem w formie wodorotlenowej. W celu odciążenia złoża (Y1) od pochłaniania anionów silnych kwasów, przed te kolumnę włącza się jeszcze jedną kolumnę, wypełnioną słabo zasadowym anionitem (A), wówczas złoże (A1) służy do odkrzemiania. Gdy włączymy do takiego układu na wejściu dodatkowo kolumny (K1) wypełnione słabo kwaśnym kationitem (Rys. 6), otrzymujemy zestaw pracujący bardzo ekonomicznie, szczególnie przy znacznym zasoleniu i dużej twardości węglanowej wody. Woda Surowa

Rys. 6. Przebieg dejonizacji wody wraz ze wstępnym zmiękczaniem, desorpcją CO2 oraz pochłanianiem silnych kwasów: K - złoże silnie kwaśnego kationitu, A1 - złoże silnie zasadowego anionitu, K1 - złoże słabo kwaśnego kationitu, A - złoże słabo zasadowego anionitu 19 LUTY 2009

85

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

2. Odżelazianie wody Spożywanie wody żelazistej w zasadzie nie jest szkodliwe dla zdrowia, jednakże ze względów smakowych woda do picia nie powinna zawierać więcej niż ok. 0,3 mg Fe/dm3. Wody żelaziste wywierają ujemny wpływ na jakość produktów spożywczych. Do najważniejszych metod odżelaziania wody należą: Napowietrzanie i filtrowanie - żelazo w postaci wytrącalnej jako Fe(HCO3)2 ulega hydrolizie i utlenianiu w czasie napowietrzania. Kolejne fazy zachodzących reakcji ilustrują równania: Fe(HCO3)2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H2O + 2CO2 Dzięki temu, że tworzący się w wyniku hydrolizy CO2 uchodzi do atmosfery, proces hydrolizy przebiega praktycznie do końca. W czasie napowietrzania tlen rozpuszcza się w wodzie i utlenia żelazo: 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 ↓ Strącający się wodorotlenek żelazowy odfiltrowuje się. Odżelazianie przez napowietrzanie i nawapnianie - niekiedy w wodach naturalnych żelazo może występować w postaci związków bardzo trudnych do wytrącania lub nie dających się wcale wytrącać przez zwykłe napowietrzanie. Gdy związki żelaza są pochodzenia nieorganicznego, dobre wyniki daje nawapnianie, polegające na dodawaniu wody wapiennej bezpośrednio po napowietrzeniu. Zachodzą wówczas następujące reakcje: 2FeSO4 + 2Ca(OH)2 → 2Fe(OH)2 + 2CaSO4 4Fe(OH)2 O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 ↓ Odżelazianie za pomocą koagulacji - sposób ten stosuje się do wód, w których żelazo występuje w postaci związków koloidowych albo bardzo drobnych zawiesin Fe(OH)3, Fe(OH)2, FeS albo w postaci koloidowych związków organicznych. Do odżelaziania metodą koagulacji stosuje się koagulanty: Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3, FeCl3, przy czym pH środowiska powinno być utrzymywane w zakresie 5,7 - 7,5. Odmanganianie wody - w wodach naturalnych związkom żelaza często towarzyszą związki manganu, zwykle jako Mn(HCO3)2, rzadziej jako MnSO4. Według większości higienistów, zawartość związków Mn w większych ilościach jest szkodliwa dla zdrowia. Odmanganianie wody polega na hydrolizie jonów Mn2+ do związków Mn4+ w środowisku alkalicznym, zgodnie z reakcjami: 2Mn(HCO3)2 + O2 + 4Ca(OH)2 → 2Mn(OH)4 + 4CaCO3 +2H2O 2MnSO4 + O2 + 2H2O + 2Ca(OH)2 → 2Mn(OH)4 ↓ + 2CaSO4 Wytrącający się wodorotlenek manganowy przechodzi następnie w uwodniony dwutlenek manganu tzw. brunatniał: Mn(OH)4 → MnO2 + 2H2O Najczęściej stosuje się metody odmanganiania: napowietrzania z nawapnianiem i filtrowaniem, przepuszczanie przez kationit manganowy, koagulacje, filtrowanie przez aktywne złoże.

86

19 LUTY 2009

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

3. Dezynfekcja wody Dezynfekcja czyli odkażanie wody ma na celu zniszczenie i usuniecie z wody bakterii chorobotwórczych. Bakterie obecne w wodzie zostają częściowo usunięte razem z zawiesinami w procesach koagulacji i filtrowania. Całkowite ich usuniecie wymaga zastosowania specjalnych metod fizycznych i chemicznych. Do metod fizycznych odkażania wody należą: ogrzewanie, naświetlanie promieniami ultrafioletowymi, stosowanie filtrów ceramicznych i oddziaływanie ultradźwiękami na wodę. Dezynfekcja metodami chemicznymi polega na wprowadzeniu do wody substancji chemicznych, przeważnie silnych utleniaczy, które przenikają do wnętrza bakterii i utleniają substancje wchodzące w skład jej protoplazmy. Metody chemiczne umożliwiają także utlenianie zawartych w wodzie związków organicznych i mineralnych (żelaza, manganu), a także poprawę smaku wody. Skuteczność działania środków chemicznych zależy od: rodzaju, stężenia i czasu kontaktu środka odkażającego z wodą, ilości i rodzaju mikroorganizmów w wodzie, rodzaju i stężenia substancji zanieczyszczającach wodę. Do metod chemicznych odkażania wody zalicza się ozonowanie i chlorowanie. Ozonowanie jest jednym z najbardziej przyszłościowych sposobów dezynfekcji wody. Zaletą tej metody jest bardzo duża aktywność utleniająca ozonu. Ponadto ozon nie pozostawia w wodzie szkodliwych produktów ubocznych i korzystnie wpływa na cechy organoleptyczne wody. Wadą ozonowania jest krótkotrwale działanie tego zabiegu oraz stosunkowo wysoki koszt. Chlor i niektóre jego związki po wprowadzeniu do wody działają silnie utleniająco i bakteriobójczo. Ponadto chlor dodany do wody w odpowiedniej ilości usuwa obce posmaki, ułatwia usuwanie żelaza i manganu, zapobiega - w pewnym stopniu - korozji, usuwa śluz z urządzeń oraz ułatwia mycie urządzeń, pomieszczeń i opakowań. Chlor w wodzie surowej podlega następującym przemianom: ulega hydrolizie zgodnie z równaniem: Cl2 + H2O → HClO + HCl przy czym tworzący się kwas podchlorawy ulega dysocjacji: HClO ↔ H+ + ClO– łączy się ze związkami azotowymi, tworząc chloroaminy lub chloroiminy: NH3 + Cl2 ↔ NH2Cl + HCl NH3 + 2Cl2 ↔ NHCl2 + 2HCl Chlor zawarty w chloroaminach jest chlorem użytecznym związanym, który może stopniowo, w wyniku hydrolizy, przemienić się w działający bakteriobójczo chlor użyteczny wolny; NH2Cl + H2O → NH4OCl → HClO3 + NH3 Bakteriobójcze i utleniające działanie chloru jest spowodowane rozpadem kwasu podchlorowego, z wydzielaniem aktywnego tlenu: HClO → HCl +O Do chlorowania wody można używać samego chloru lub jego związków, zawierających tzw. czynny chlor, takich jak: wapno chlorowane, dwutlenek chloru, chloraminy organiczne. W zależności od pochodzenia wody oraz jej przeznaczenia stosuje się różne metody chlorowania: chlorowanie stałe w celu dezynfekcji i oczyszczania wody wodociągowej; chlorowanie okresowe do zwalczania odrostów biologicznych oraz dezynfekcji przewodów, różnych zbiorników i urządzeń; 19 LUTY 2009

87

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

chlorowanie wstępne; chlorowanie wielostopniowe wykonuje się przed kolejnymi procesami uzdatniania w celu utleniania zawartych w wodzie zanieczyszczeń i poprawienia jej właściwości organoleptycznych (barwy, smaku); chlorowanie końcowe przeprowadza się po uprzednim uzdatnieniu wody pod względem fizykochemicznym; chlorowanie normalną dawką stosuje się przeważnie przy chlorowaniu końcowym wody wodociągowej, przeznaczonej do picia. Normalna dawka jest to ilość miligramów chloru, jaką trzeba dodać do l dm3 wody, aby po związniu części chloru przez związki znajdujące się w wodzie, czyli po pokryciu tzw. zapotrzebowania na chlor, pozostało 0,1 mg Cl/dm 3 w postaci chloru użytecznego. W tych ilościach chlor jest prawie niewyczuwalny w wodzie surowej, a zanika zupełnie podczas jej ogrzewania; chlorowanie zwiększoną dawką ma na celu skuteczniejsze odkażanie wody, poprawę jej właściwości i zabezpieczenie urządzeń przed obrostami hydrobiologicznymi. Stosowane bywa podczas wstępnego chlorowania wody do picia silnie zanieczyszczonej, a ponadto do wody chłodniczej i przeznaczonej do celów sanitarno-porządkowych. Nadmiar chloru w wodzie przeznaczonej do picia musi być po zakończeniu uzdatniania zredukowany do 0,1-0,3 mg/dm3 aktywnego chloru. Dechlorację wody przeprowadza się przez napowietrzanie albo za pomocą węgla aktywnego, albo tiosiarczynu sodu oraz siarczynu sodu. Ilość chloru pozostałego w wodzie stosowanej w przemyśle spożywczym reguluje się zależnie od przeznaczenia wody. Woda używana w przemyśle owocowo-warzywnym do celów technologicznych powinna zawierać 2-5 mg/dm3 użytecznego chloru, natomiast woda do mycia 10-20 mg/dm3.

88

19 LUTY 2009

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

8.2. WYKONANIE ĆWICZENIA Zakres ćwiczenia obejmuje: 1. Przygotowanie wody dejonizowanej 2. Oznaczenie twardości ogólnej wody: wodociągowej, destylowanej i dejonizowanej metodą Wartha-Pfeiffera 3. Oznaczenie zawartości chlorków metodą Mohra w wyżej wymienionych próbkach wody. 1. Przygotowanie wody dejonizowanej. Aparatura: - Stanowisko do dejonizacji wody: dwie kolumny w kaskadzie, wypełnione anionitem i kationitem, - statyw laboratoryjny, - uchwyty, rurki silikonowe Pobrać próbkę wody wodociągowej o objętości 0,5 dm3. Poddać ją procesowi dejonizacji wprowadzając na kolumny ze złożem jonowymiennym. Odciek poddać poniższym analizom. 2. Oznaczenie twardości ogólnej wody z użyciem mieszaniny sodowej (metoda Warha-Pfeiffera) Zasada metody: Mieszanina sodowa węglanu sodu z wodorotlenkiem sodu (Na2CO3+ NaOH) dodana do wody pozbawionej węglanów i dwutlenku węgla wytrąca z jonami wapnia i magnezu nierozpuszczalne osady w postaci węglanów i wodorotlenków. Twardość wody oblicza się na podstawie ilości zużytej mieszaniny. Oznaczanie przeprowadza się w dwóch etapach: w pierwszym usuwa się węglany i dwutlenek węgla na drodze miareczkowania 0,1-molowym roztworem kwasu solnego wobec metyloranżu, w drugim oznacza się twardość ogólną przez dodanie mieszaniny sodowej, która reaguje z jonami wapnia i magnezu, dając nierozpuszczalny osad. Osad odsącza się, a przesącz miareczkuje 0,lmolowym roztworem kwasu solnego. Przygotowanie mieszaniny sodowej. Zmieszać równe objętości 0,l-molowego roztworu wodorotlenku sodu i 0,05-molowego roztworu Na2CO3 i sprawdzić miano. W tym celu do kolby stożkowej odmierzyć 100cm 3 wody destylowanej, dodać pipetą 25cm3 mieszaniny sodowej, gotować w ciągu 3 min, przenieść do kolby miarowej o poj. 200 cm3 i uzupełnić do kreski wodą destylowaną wolną od CO2 (świeżo przegotowaną). Do kolby stożkowej o pój. 300 cm3 odmierzyć 100 cm3 tego roztworu, dodać 3 krople metyloranżu i miareczkować 0,l-molowym roztworem kwasu solnego. Współczynnik miana (f) mieszaniny sodowej oblicza się według wzoru: 2 a f 25 gdzie: a - liczba cm3 0,l-molowego roztworu kwasu solnego zużytego do miareczkowania. Jeśli roztwór NaOH jest ściśle 0,1-molowy, a roztwór Na2CO3 jest ściśle 0,05-molowy, to współczynnik f = 1. Wykonanie oznaczenia Do kolby stożkowej o pój. 300 cm3 odmierzyć 100 cm3 badanej wody, dodać 3 krople oranżu metylowego i miareczkować 0,l-molowym roztworem kwasu solnego do wyraźnej zmiany zabarwienia. Następnie zmiareczkowaną próbkę ogrzewać do wrzenia, gotować 3 min i ostudzić. Jeśli żółte zabarwienie powróci, to próbkę należy miareczkować ponownie do wyraźnej zmiany 19 LUTY 2009

89

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

zabarwienia. Odnotować ilość zużytego 0,1 molowego roztworu HCL, na podstawie której można obliczyć zasadowość ogólną M próbki. Następnie do zmiareczkowanej próbki dodać 25 cm 3 mieszaniny sodowej. Ponownie ogrzewać do wrzenia i gotować w ciągu 3 min. Całość ostudzić, przenieść ilościowo do kolby miarowej o pój. 200 cm3, dopełnić do kreski wodą destylowaną wolną od CO2 (świeżo przegotowaną) i odstawić na kilkanaście minut Po opadnięciu osadu sączyć zawartość kolby do suchego naczynia przez suchy sączek, odrzucając pierwsze 20 cm3 przesączu. Następnie do kolby miarowej o poj. 250 cm3 odmierzyć 100 cm3 przesączu, dodać 2 krople oranżu metylowego i miareczkować 0,l-molowym roztworem kwasu solnego. Obliczanie wyniku. Twardość ogólną wody (To) w stopniach twardości, oblicza się według wzoru: (f a 2 c) 100 TO V gdzie: f - współczynnik miana mieszaniny sodowej, a - ilość mieszaniny sodowej dodana do próbki (w cm3), c - ilość 0,1-molowego roztworu kwasu solnego zużyta do miareczkowania 100 cm3 przesączu (w cm3), v - ilość próbki wody zużyta do oznaczania (w cm3). 3. Oznaczenie zawartości chlorków metodą Mohra Zasada metody: Jony chlorkowe miareczkuje się azotanem (V) srebra wobec chromianu (VI) potasu K2CrO4 jako wskaźnika. W roztworze obojętnym lub słabo zasadowym (pH = 6,5-10) azotan (V) srebra strąca najpierw biały osad chlorku srebra, a po całkowitym strąceniu chlorków jon srebrowy reaguje z dwuchromianem (VI) potasu, wytracając czerwonobrunatny osad chromianu (VI) srebra. Zmiana zabarwienia z żółtozielonego na czerwonobrunatne świadczy o całkowitym strąceniu jonów chlorkowych. W oznaczaniu przeszkadzają: siarkowodór, siarczki, barwa powyżej 30mg/dm3 Pt i mętność powyżej 10 mg/dm3. Wykonanie oznaczenia Odczynnik 1. Przygotowanie roztworu mianowanego chlorku sodu: 1,6486 g NaCl wysuszonego do stałej masy rozpuścić w wodzie destylowanej, przenieść do kolby miarowej o poj. l dm3 i uzupełnić do kreski wodą destylowaną (l cm3 roztworu zawiera l mg Cl–). Odczynnik 2. Roztwór mianowany azotanu (V) srebra 4,791 g AgNO3 rozpuścić w wodzie destylowanej, przenieść do kolby miarowej o poj. l dm 3 i uzupełnić do kreski wodą destylowaną (l cm3 tego roztworu powinien odpowiadać l mg Cl–). Miano roztworu azotanu (V) srebra ustala się za pomocą mianowanego roztworu NaCl (odczynnik 1). W tym celu odmierzyć dokładnie 10cm3 mianowanego roztworu NaCl, dodać 1cm3 roztworu K2CrO4 (odczynnik 3), dopełnić wodą destylowaną do obj. 100 cm3 i miareczkować roztworem AgNO3 do zmiany zabarwienia na czerwonobrunatne. Miano roztworu (f), w mg na l cm 3 Cl– oblicza się według wzoru: 10 f a gdzie a - ilość roztworu AgNO3 zużyta do zmiareczkowania 10cm3 roztworu NaCl (w cm3). 90

19 LUTY 2009

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

Odczynnik 3. Roztwór 10-procentowy chromianu (VI) potasu. Do kolby stożkowej o pój. 300 cm3 odmierzyć 100 cm3 badanej wody (jeżeli zawartość chlorków w próbce przekracza 30 mg, należy odmierzyć odpowiednio mniejszą ilość i uzupełnić do 100 cm3 wodą destylowaną). Następnie dodać do kolby l cm3 roztworu K2CrO4 i miareczkować mianowanym roztworem AgNO3 do zmiany zabarwienia na czerwonobrunatne. Obliczanie wyniku. Zawartość jonów chlorkowych w wodzie (X), w mg na l dm3 Cl– oblicza się według wzoru: f (a 0,3) 1000 X V gdzie: f - miano roztworu AgNO3, a - ilość mianowanego roztworu AgNO3 zużyta do zmiareczkowania próbki (w cm3), v - ilość próbki wody zużyta do oznaczania (w cm3), 0,3 - ilość mianowanego roztworu AgNO3 potrzebna do wytworzenia chromianu (VI) srebra AgCrO4 w 100cm3 wody destylowanej

8.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW Wyniki oznaczeń i analiz należy umieścić w sprawozdaniu w formie oddzielnych punktów wraz z przeliczeniami i przedłożyć osobie prowadzącej ćwiczenia w celu sprawdzenia (wzór, załącznik 1 na stronie 137). Należy także zaznaczyć wszelkie odstępstwa od metod podanych w opracowaniu ćwiczeń. Na końcu sprawozdania z ćwiczeń należy podać wnioski w formie zwięzłych punktów.

19 LUTY 2009

91

WODA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

8.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI 1. Oznaczenie twardości ogólnej wody z użyciem mieszaniny sodowej (metoda Warha-Pfeiffera) Aparatura i odczynniki: - 0,1 M roztwór wodorotlenku sodowego - 0,05M roztwór węglanu sodu - roztwór metylooranżu - 0,1M roztwór kwas solnego - kolba stożkowa 200cm3 -2 sztuki - pipeta 25 cm3- 2 sztuki - kolba miarowa 200 cm3 - 2 sztuki - biureta do miareczkowania - palnik gazowy - trójnóg - siatka azbestowa - statyw + uchwyt 2. Oznaczenie zawartości chlorków metodą Mohra Aparatura i odczynniki - 1,6486 NaCl w 1,9 dm3 wody destylowanej - 4,791 g AgNO3 w 1,0 dm3 wody destylowanej - 10 % roztwór chromianu potasu (IV) - kolba stożkowa 300cm3 - l sztuka - pipeta 1,0 cm3 - l sztuka - biureta do miareczkowania - statyw + uchwyt

92

19 LUTY 2009

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

9.

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE 9.1. WPROWADZENIE

Zakwaszanie należy do najstarszych (tradycyjnych) metod utrwalania żywności znanych od wieków. W ostatnich latach było ono rzadziej stosowane ze względu na obecność wielu innych sposobów utrwalania, ale obecnie zaznacza się tendencja do częstszego wykorzystania tej grupy metod. Utrwalające oddziaływanie środowiska kwaśnego Środowisko kwaśne działa antymikrobiologicznie. Większość drobnoustrojów wykazuje optimum wzrostu przy pH wynoszącym pomiędzy 6,5-7,5, czyli w warunkach zbliżonych do środowiska obojętnego. Są oczywiście również drobnoustroje, które rozwijają się w środowisku kwaśnym oraz zasadowym. Kwasolubne są na przykład bakterie fermentacji mlekowej i octowej, a także bakterie siarkowe. W środowisku kwaśnym mogą także rozwijać się liczne drożdże i grzyby strzępkowe których wzrost notuje się w szerokim zakresie pH wynoszącym od 2 do 9. Ogólnie przyjmuje się, że pH środowiska o wartości 4,2-4,5 jest wystarczające do zahamowania rozwoju bakterii gnilnych, enteropatogennych i częściowo bakterii fermentacji masłowej. Oddziaływanie hamujące na rozwój drobnoustrojów jest związane z obecnością w środowisku cząsteczek niezdysocjowanych kwasów i ich zdolnością do przenikania do komórek mikroorganizmów. Cząsteczki niezdysocjowane wykazują bowiem cechy związków lipofilnych, dzięki czemu mogą przenikać przez osłony do wnętrza komórki, gdzie przy wyższym pH (zbliżonym do obojętnego) ulegają dysocjacji zakwaszając treść komórki. Obecność jonów wodorowych (H+) w komórce hamuje wiele przemian metabolicznych oraz powoduje zakłócenie proporcji pomiędzy wytwarzaniem a zużyciem ATP w komórce (czyli w przemianach energetycznych), działa więc toksycznie. Liczba niezdysocjowanych cząsteczek kwasu jest związana z pH środowiska. Dotyczy to wszystkich kwasów wykorzystywanych do utrwalania żywności (czyli mlekowego, octowego, czy konserwantów chemicznych – np. kwasu sorbowego czy benzoesowego). Najwięcej cząsteczek w formie niezdysocjowanej notuje się przy pH w granicach 4, w związku z czym taki odczyn środowiska jest już skutecznym czynnikiem utrwalającym. Obniżone pH jest korzystne również z innych względów – wynikających z oddziaływania podwyższonej kwasowości środowiska na przemiany enzymatyczne zachodzące w komórkach surowców. Zmiana pH powoduje zahamowanie procesów oddechowych w tkankach żywności – zmienia tempo wszystkich procesów enzymatycznych prowadzących do utleniania się (np. witaminy C) lub brunatnienia powierzchni surowców. Zahamowane zostają zmiany hydrolityczne (także enzymatyczne), które mogą być przyczyną niekorzystnych przemian sensorycznych w surowcach, czyli mięknięcia i rozpadu tkanek bądź zmian składników odpowiedzialnych za cechy smakowo-zapachowe. Kiszonkę czy marynatę dodatkowo stabilizują warunki beztlenowe. Dlatego na skutek zakwaszania uzyskuje się produkt trwały przez długi okres, o dobrze zachowanych cechach sensorycznych oraz (w przypadku procesów fermentacyjnych) niewiele zmienionej w stosunku do surowca wartości odżywczej. W praktyce przemysłowej oraz przetwórstwie domowym utrwalanie surowców spożywczych przez zakwaszenie można podzielić na dwie grupy: wykorzystanie procesów fermentacyjnych, stosowanie kwasów organicznych. Obydwie grupy metod są zupełnie różne i w ich wyniku uzyskuje się produkty o różnych cechach sensorycznych i różnej wartości odżywczej. Ich cechą wspólną jest natomiast utrwalenie przez obniżenie pH środowiska.

19 LUTY 2009

93

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

Procesy fermentacyjne Historia wykorzystania procesów fermentacyjnych do utrwalania żywności bądź w celu nadania jej pożądanych cech sięga zamierzchłych czasów. Stosowano je zdecydowanie wcześniej niż opisano sam proces fermentacji, który odkryto stosunkowo niedawno (w XIX w.). Z zastosowaniem fermentacji utrwala się wiele surowców roślinnych (w Polsce głównie kapustę i ogórki, na świecie: buraki ćwikłowe, kalafiory, cebulę, selery, pomidory zielone i czerwone, paprykę i wiele innych), jabłka nasiona roślin strączkowych (fasola, soja i sos sojowy), oliwki, kawę, herbatę, mięso (fermentowane wędliny, mięso, ryby), mleko (uzyskuje się mleczne napoje fermentowane), a także sery czy pasze dla zwierząt. Procesy fermentacyjne wykorzystuje się do produkcji pieczywa oraz alkoholu (wódki, piwa, wina), a w ostatnich latach zaczyna rozwijać się produkcja fermentowanych soków owocowych (z buraków, marchwi, selerów, pietruszki, pomidorów i ich mieszanek). Końcowym produktem fermentacji jest zazwyczaj kwas mlekowy fermentacja mlekowa), ale także inne związki, np. kwas octowy (fermentacja octowa), alkohol etylowy (fermentacja alkoholowa) lub ich mieszaniny. Skład związków otrzymanych po fermentacji jest zależny od charakteru procesu i rodzaju utrwalanych (czy przerabianych) surowców. Procesom fermentacji mlekowej można poddawać wiele surowców spożywczych, zwłaszcza roślinnych. Głównym warunkiem ich przydatności do zakwaszania jest odpowiednia zawartość węglowodanów, które są substratem do przebiegu procesu. Podczas fermentacji wykorzystywane są cukry proste, disacharydy oraz niektóre tri- i polisacharydy. Rozkład cukrów następuje na skutek działania enzymów wydzielanych przez drobnoustroje rozkładających heksozy, a końcowym produktem reakcji jest kwas mlekowy i niekiedy inne związki. Kwas mlekowy oraz inne substancje będące wynikiem fermentacji, jak wspomniano powyżej, działają utrwalająco na produkt przez zahamowanie wzrostu drobnoustrojów, a także ograniczając zmiany zachodzące w tkankach surowców. Oprócz oddziaływania utrwalającego, istotny jest również wpływ kwasu mlekowego na ustrój człowieka. Powoduje on zmiany pH w organizmie, aktywując działanie enzymów oddechowych w mitochondriach komórek, wywołuje zmiany ciśnienia osmotycznego oraz wydzielanie niemetabolicznego nadmiaru CO2. Związek ten ma również istotne znaczenie technologiczne. W procesach przemysłowych kwas mlekowy stosuje się do dokwaszania, konserwowania, regulowania pH, poprawiania smaku, zapachu i struktury produktów spożywczych. Charakteryzuje się on niskim progiem wyczuwalności kwaśności. Jest mniej „ostry" w smaku niż kwas octowy, w związku z czym jego zastosowanie do marynat zdecydowanie polepsza ich smak, wzmagając jednocześnie działanie utrwalające. W badaniach naukowych stwierdzono ponadto, że przetrzymywanie warzyw w roztworze kwasu mlekowego o pH 3-4 w ciągu 30-60 minut powoduje usunięcie z nich szkodliwych dla zdrowia azotanów. Cechy produktów utrwalonych na skutek fermentacji mlekowej Produkty utrwalone na drodze fermentacji mlekowej charakteryzują się wieloma zaletami, które częściowo podano już powyżej. Kiszonki, oprócz tego, że są trwałe, zawierają wiele dodatkowych substancji powstających w wyniku fermentacji, nadających produktowi końcowemu szczególne i niepowtarzalne cechy smakowo-zapachowe. Produkty fermentowane charakteryzują się wysoką wartością odżywczą i składem zbliżonym do surowca. Kiszenie stabilizuje witaminę C i prowitaminę A, dzięki czemu nie ulegają one rozkładowi. Podczas fermentacji mlekowej powstają witaminy B2 i PP, czyli produkty fermentowane są wzbogacone w te składniki w stosunku do surowca wyjściowego. Substancją powstającą podczas fermentacji jest również acetylocholina, która korzystnie oddziałuje na mechanizm przekazywania bodźców nerwowych, poprawia perystaltykę jelit i obniża ciśnienie krwi.

94

19 LUTY 2009

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

Ponadto, składniki żywności z produktów fermentowanych są lepiej przyswajalne przez organizm - kiszenie zwiększa strawność i pozwala wyeliminować niektóre substancje z surowców roślinnych uważane za niepożądane (hemaglutyniny, cyjanki, tioglikozydy, substancje gazotwórcze). Wraz z żywnością uzyskaną na drodze fermentacji dostarcza się do organizmu drobnoustroje kwasu mlekowego, które korzystnie wpływają na procesy metaboliczne i na środowisko w jelitach, regulując skład mikroflory przewodu pokarmowego, hamują rozwój bakterii patogennych. Kolejną niezwykle korzystną cechą jest niewielka wartość energetyczna takich produktów (dotyczy to fermentowanych surowców roślinnych i mleka), w przypadku surowców roślinnych - znaczna zawartość błonnika oraz ich atrakcyjne właściwości sensoryczne (te ostatnie dotyczą także przetworów mlecznych). Produkty utrwalone na drodze fermentacji zalicza się do żywności przetworzonej w sposób naturalny (za pomocą metod biologicznych), co w dobie wyrobów otrzymywanych w złożonych procesach technologicznych ma ogromne znaczenie. Kiszenie ponadto jest tanie - nie wymaga kosztownych nakładów energetycznych i finansowych. Wymaga natomiast stałej kontroli przebiegu procesu i przechowywania. Wobec powyższych zalet produkcja żywności fermentowanej ma przed sobą przyszłość i pozwala na zwiększenie asortymentu wyrobów na rynku.

Drobnoustroje fermentacji mlekowej Mikroorganizmami odpowiedzialnymi za przebieg fermentacji mlekowej a nieprzetrwalnikujące bakterie kwasu mlekowego. Jest to grupa drobnoustrojów, których wspólną cechą jest zdolność do przeprowadzania beztlenowej fermentacji mlekowej. Do podstawowej grupy bakterii fermentacji mlekowej zalicza się ziarniaki i pałeczki należące do rodzajów Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc, Pediococcus, Streptococcus oraz niektóre gatunki z rodzajów Enterococcus i Carnobacterium. Wśród drobnoustrojów fermentacji mlekowej są bakterie homo- i heterofermentatywne. W wyniku procesów metabolicznych przeprowadzanych udziałem bakterii homofermentatywnych powstaje jedynie kwas mlekowy. Na skutek rozwoju bakterii heterofermentatywnych dodatkowo produktami ubocznymi procesu mogą być: alkohol etylowy, kwas octowy, mannit, gliceryna i inne związki. Nadają one kiszonkom korzystne cechy aromatyczne i smakowe. Fermentację można przeprowadzać, wykorzystując mikroflorę rodzimą produktu, jest to tzw. fermentacja spontaniczna, a jej przebieg zależy od składu chemicznego środowiska i warunków otoczenia. Fermentację spontaniczną prowadzi się przy kiszeniu kapusty i ogórków (chociaż nie zawsze), natomiast do otrzymywania innych produktów (np. mleczne napoje fermentowane, wędliny, soki) wykorzystuje się szczepionki uzyskiwane na skalę przemysłową w procesach biotechnologicznych. Są to tzw. startery lub zakwasy, które zawierają zagęszczoną liczbę komórek w formie utrwalonej przez liofilizację lub zamrożenie. Produkcja kiszonej kapusty O jakości uzyskanego produktu końcowego decyduje wiele czynników, do których należy zaliczyć dobrą jakość surowca, dobór odpowiedniej odmiany, sposób uprawy, prawidłowy przebieg procesu technologicznego oraz właściwe warunki przechowywania surowca po ukwaszeniu. Proces technologiczny rozpoczyna się od mechanicznego poszatkowania kapusty i dodatku do surowca soli w ilości 1,5-3%. Dodatek soli jest niezbędny - powoduje wyciek soku komórkowego zawierającego cukry i sole mineralne. Cukru w kapuście jest zazwyczaj od 3,5 do 6,5%. Jeżeli kapusta jest uboga w cukry, należy zastosować 1% dodatek sacharozy. Proces przebiega bez dodatku wody. Poszatkowanie dezintegruje komórki i usprawnia wydzielanie soku. Takie środowisko stwarza odpowiednie warunki do rozwoju pożądanej mikroflory. Sól ponadto wzmaga rozwój bakterii mlekowych, a hamuje rozwój drobnoustrojów niepożądanych. 19 LUTY 2009

95

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

W początkowym etapie pH tak przygotowanej mieszaniny wynosi ok. 6,5, co sprawia, że rozwijają się różne formy drobnoustrojów. Mogą wówczas oprócz bakterii fermentacji mlekowej rozwijać się drobnoustroje z grupy coli (pałeczki), bakterie gnilne (tlenowe bakterie proteolityczne) oraz drożdże wytwarzające alkohol i dwutlenek węgla. W miarę wzrostu kwasowości rozwój bakterii gnilnych i coli jest hamowany. Przeważają wówczas heterofermentatywne bakterie mlekowe z gatunku Leuconostoc mesenteroides. Jednocześnie następuje rozwój paciorkowców homofermentatywnych. Już w pierwszym okresie fermentacji oprócz kwasu mlekowego powstają różnorodne estry nadające produktowi smak i zapach. Temperatura fermentacji )rzez pierwsze dwa dni procesu powinna wahać się w granicach 18-20°C. Intensywny rozwój drobnoustrojów mlekowych powoduje nasilenie fermentacji mlekowej zachodzi wówczas fermentacja burzliwa. Zaczynają przeważać bakterie homofermentatywne Streptobacterium plantarum. Następuje intensywne wydzielanie gazów i powstawanie piany na powierzchni. Pianę należy usuwać, gdyż sprzyja ona rozwojowi mikroflory gnilnej. Gazy również należy sukcesywnie odprowadzać, w przeciwnym razie następuje gorzknienie kapusty. W tym czasie na skutek produkcji kwasu mlekowego pH obniża się z 6 do około 4. Zwiększające się stężenie kwasu hamuje intensywną fermentację mlekową. Zaczyna się etap fermentacji cichej. Rozwijają się pałeczki heterofermentatywne z gatunku Betabacterium brevis, które wytwarzają kwas mlekowy octowy. Następuje wówczas dofermentowywanie cukrów i wytworzenie związków aromatycznych nadających produktowi cechy smakowo-zapachowe. Czas trwania fermentacji jest ściśle skorelowany z temperaturą i może rwać 5-60 dni. Podczas przemysłowej produkcji kapusty należy kontrolować skład mikroflory, pH (po tygodniu powinno ono wynosić 3,5 - 4) oraz kwasowość miareczkową, która w przeliczeniu na kwas mlekowy po upływie 2 tygodni powinna wynosić około 1,5% (jest to końcowa zawartość kwasu mlekowego). Po zakończeniu fermentacji należy obniżyć temperaturę w pomieszczeniu, - którym jest składowana kapusta. Warunki chłodnicze zdecydowanie zwiększają trwałość produktu. Temperaturę należy kontrolować i regulować tak, żeby nie następował wzrost kwasowości. Temperatura przechowywania powinna być bliska 0°C. Podczas przechowywania należy kontrolować również ilość piany i obecności kożucha, który świadczy o przebiegu procesów gnilnych. Ważna jest pointo ilość i jakość soku. Powierzchnia niepokryta sokiem, ułatwiająca dostęp powietrza do kapusty, powoduje rozwój drożdży i pleśni (stąd obecność kożucha. Drożdże i pleśnie rozkładają kwasy, powodując wzrost pH i psucie się produktu. Podczas przechowywania kiszonek niezwykle istotne jest zachowane czystości w pomieszczeniach. Trwałość kiszonej kapusty można zwiększyć przez pasteryzację, którą przeprowadza się w opakowaniach jednostkowych. Przed pasteryzacją ukwaszoną kapustę należy poddać blanszowaniu. Zblanszowaną kapustą napełnia się pakowania i zalewa gorącym sokiem. Pasteryzację przeprowadza się w temperaturze 80-95°C. Pasteryzowana kapusta jest trwalsza, ale charakteryzuje się gorszymi cechami smakowo-zapachowymi od niepasteryzowanej. Skład prawidłowo ukwaszonej kapusty jest następujący: kwasy nielotne (w przeliczeniu na kwas mlekowy) 1-1,3%, kwasy lotne (w przeliczeniu na kwas octowy) 0,2 - 0,3%, alkohol 0,5 - 0,6%, cukier 0,0 - 0,2%, związki azotowe 1,5%, sól 2-3%, sucha masa 10-12%, witamina C 20-30 mg/100 g.

96

19 LUTY 2009

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

Produkcja kiszonych ogórków Do kiszenia powinno się wybierać właściwe odmiany ogórków (np. Przybyszewskie, Monastyrskie), których cechy sensoryczne nie będą ulegały niekorzystnym zmianom podczas przechowywania produktu końcowego. Ogórki zawierają mniej cukru niż kapusta (1-2%), co powoduje, że ich pH po ukwaszeniu jest nieco wyższe niż pH kapusty. Operacją wstępną w produkcji kiszonych ogórków jest ich moczenie. Pozwala ono na częściowe usunięcie zanieczyszczeń z ich powierzchni i poprawia jędrność tkanek. Moczenie trwa zwykle od 30 minut do 4 godzin. Po wymoczeniu ogórki należy opłukać, przebrać i poddać kalibracji w celu ujednoliceni.: ich wielkości. Korzystną operacją jest nakłuwanie ogórków, co ułatwia dyfuzję soku komórkowego z ich wnętrza. Do kiszenia ogórków wykorzystuje się przyprawy. Wśród nich najważniejszymi są korzeń i liście chrzanu, koper, czosnek, liście laurowe oraz inne liście (np. dębu, wiśni, porzeczki, winorośli). Przyprawy muszą być czyste - nie mogą stanowić źródła dodatkowego zakażenia mikrobiologicznego. Dodatek przypraw przyczynia się do lepszego przebiegu procesu fermentacji, wpływając na zwiększenie trwałości ogórków oraz nadając im korzystne cechy smakowo zapachowe. Ogórki zalewa się roztworem soli o stężeniu 4-7%. Woda stosowana kwaszenia powinna mieć odpowiednią twardość - nie mniejszą niż 10° niemieckich (jeden stopień twardości niemiecki - °n oznacza ilość jonów wapnia i magnezu równoważną zawartości 10 mg CaO w 1 dm3 wody). W razie potrzeby twardość wody można zwiększyć, dodając węglan wapnia (CaCO3) lub chlorek wapnia (CaCl2). Odpowiednia twardość wody zapobiega mięknięciu ogórków - jon wapniowy przez połączenie się z pektyną i kwasem pektynowym podwyższa twardość skórek i miąższu. Zwiększenie twardości wody umożliwia przefermentowanie całej ilości cukru znajdującego się w surowcu. Sól powoduje dyfuzję cukrów i soli mineralnych z komórek, stwarzając warunki do rozwoju mikroflory fermentacji mlekowej. Bakterie przetwarzają cukier zawarty w ogórkach na kwas mlekowy. Etapy fermentacji są analogiczne jak w przypadku kiszenia kapusty: najpierw rozwijają się bakterie z grupy coli i peptonizujące (czyli rozkładające białko), później zaczynają przeważać bakterie fermentacji mlekowej. Najpierw rozwijają się heterofermentatywne Leuconostoc menesteroides, następnie homofermentatywne Lactobacillus plantarum, na koniec heterofermentatywne Lactobacillus brevis. Optymalna temperatura procesu powinna wynosić 15-18°C. W temperaturze 20°C rozwijają się bakterie gnilne i pleśnie, stąd zachowanie odpowiednich warunków temperaturowych jest gwarancją prawidłowego przebiegu procesu. Korzystne jest nawet obniżenie temperatury do ok. 12°C lub niższej, co wydłuża proces, ale pozwala na wyeliminowanie ewentualnych zmian w produkcie. pH ogórków po procesie jest równe 3,4-4, zawartość kwasu mlekowego waha się w granicach od 0,8 do 1%, ilość kwasu octowego wynosi ok. 0,15-0,25%, natomiast zwartość soli: 1,5-3,5%. Po fermentacji ogórki magazynuje się w temperaturze 6-8°C, a najlepiej w warunkach chłodniczych (około 0°C). Podczas przechowywania ukwaszone ogórki należy kontrolować i w razie potrzeby uzupełniać zalewę lub ją wymieniać, bądź też spasteryzować, gdyby była śluzowata. Marynaty Marynaty są drugą grupą produktów utrwalanych za pomocą zakwaszania. Ich wytwarzanie polega na dodawaniu roztworów kwasów organicznych do surowców bez przeprowadzania procesu fermentacji. Kwasem dodawanym najczęściej jest kwas octowy, rzadziej stosuje się inne kwasy lub ich mieszaniny. Innymi kwasami mogą być kwasy: cytrynowy, jabłkowy, winowy. Dobre efekty utrwalające i korzystną jakość sensoryczną marynat można otrzymać, łącząc kwas octowy z

19 LUTY 2009

97

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

mlekowym. Połączenie takie daje silniejszy efekt antymikrobiologiczny przy mniejszej wyczuwalnej kwasowości produktu. Spośród wyżej wymienionych kwasów organicznych kwas octowy najsłabiej dysocjuje w środowisku wodnym, w związku z czym jego działanie utrwalające jest najskuteczniejsze, co wyjaśniono opisując mechanizm oddziaływania środowiska kwaśnego na drobnoustroje. Uważa się, że marynaty, ze względu na zawartość kwasu octowego, są produktem mniej wartościowym pod względem żywieniowym niż kiszonki lub surowce, z których zostały sporządzone. Stanowią głównie dodatek do potraw, np. serwuje się je jako produkt pobudzający apetyt oraz wydzielanie soków trawiennych i uatrakcyjniający posiłek. Niektórzy uważają je za używki. Marynaty sporządza się głównie z surowców roślinnych (warzywa i owoce), rzadziej z ryb. Spośród warzyw wykorzystuje się ogórki, buraki ćwikłowe, dynię, cebulę, paprykę i inne oraz ich mieszanki. Owoce najczęściej stosowane do produkcji marynat to: śliwki węgierki, gruszki i ich mieszanki. Popularną marynatą są grzyby leśne i produkowane znacznie częściej pieczarki. Niekiedy surowcem do sporządzania marynat są kiszonki. Produkty takie (wytworzone na bazie kiszonek) charakteryzują się specyficznymi, korzystnymi cechami sensorycznymi. W produkcji marynat odpowiednio przygotowany (umyty i rozdrobniony) surowiec łączy się z zalewą czyli roztworem kwasu octowego w wodzie z dodatkami smakowymi. Kwas octowy wykorzystywany do produkcji marynat ma postać 10% wodnego roztworu, natomiast stężenie kwasu mlekowego, jeżeli się go dodatkowo stosuje, wynosi zazwyczaj 50-80%. Podstawowym składnikiem zalewy, oprócz octu, jest woda, której jakość wpływa na cechy uzyskiwanego produktu końcowego. Należy pamiętać, że woda musi spełniać wszelkie wymagania normatywne wody pitnej. Składnikami dodatkowymi zalewy są zazwyczaj cukier, sól kuchenna oraz przyprawy stosowane w odpowiednich ilościach. Do sporządzania marynat warzywnych spośród przypraw wykorzystuje się kwiatostany i suche nasiona kopru, liście i korzenie chrzanu, estragon, majeranek, liście laurowe, czosnek, pieprz, ziele angielskie, gorczycę i inne. Marynaty owocowe natomiast mają w swoim składzie przyprawy korzenne: goździki, cynamon i imbir. Zalewa, którą dodaje się do surowca powinna być zawsze gorąca (najodpowiedniejsza temperatura wynosi 90°C). W ten sposób usuwa się powietrze z opakowań. Przy sporządzaniu zalewy należy pamiętać, że kwas octowy jest lotny, dlatego można dodawać go dopiero w końcowej fazie przygotowywania zalewy. Marynaty, ze względu na zawartość kwasu octowego, dzieli się na następujące grupy: łagodne, zawierające w swoim składzie 0,45-0,8% kwasu octowego, 0,5-2% cukru oraz 0,5-1,5 % soli; średnio kwaśne o składzie: 1-3% kwasu octowego, 0,7-2% cukru oraz sól; ostre: 3% i więcej kwasu octowego, 3% cukru i 2% soli.

Marynaty charakteryzują się ograniczoną trwałością dlatego powinno się przechowywać je w warunkach chłodniczych. Podczas składowania w temperaturze pokojowej mogą rozwijać się bakterie octowe, które w środowisku pozbawionym etanolu mogą asymilować kwas octowy, rozkładając go do CO2 i H2O. Dobrym, dodatkowym czynnikiem utrwalającym zwiększającym trwałość marynat, zwłaszcza łagodnych, jest pasteryzacja. Niekiedy dodaje się kwas benzoesowy lub benzoesan sodu, zwłaszcza w przypadku produktów w dużych opakowaniach (dotyczy to głównie ogórków).

Marynaty grzybowe Jakkolwiek ocet, czasem także sok z cytryn i kwas mlekowy, służą przede wszystkim do przyrządzania marynat z surowców roślinnych (grzybów, ogórków) to w pewnych okolicznościach 98

19 LUTY 2009

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

są wykorzystywane również do warunkowego utrwalania produktów mięsnych. Marynaty grzybowe mogą być ostre i łagodne. Marynaty ostre zawierają 2-3% kwasu octowego i przy opakowaniu naczyniach niehermetycznych znoszą dłuższe przechowywanie w temperaturze niższej od 10°C. Łagodne marynaty grzybowe (0,5-1% kwasu octowego) do utrwalenia wymagają opakowań hermetycznych (słojów, puszek) oraz dodatkowo zabiegu pasteryzacji. Grzyby wymagają bardzo starannego uprzedniego spreparowania (przebierania, czyszczenia nożem, płukania, przycinania i 5-20-minutowego, zależnie od gatunku grzybów, obgotowywania w wodzie z ewentualnym jej zakwaszeniem kwasem cytrynowym). Impregnowanie grzybów octem (z dodatkiem kilku procent soli kuchennej i przypraw korzennych) odbywa się na zimno w ciągu 2-3 dni, przy stopniowym zwiększaniu stężenia kwasu Pasteryzację prowadzi się w temp. 75-80°C w ciągu 15-20 min. Normy ustalają m.in. maksymalną ilość zalewy w stosunku do samych grzybów (np. 15-18% zalewy). Marynaty ogórkowe Rozróżnia się kilka kategorii marynat: Łagodne marynaty ogórkowe w puszkach i słojach, czyli tzw. ogórki konserwowane, mają duże znaczenie w przetwórstwie krajowym, jak również stanowią ważny przedmiot eksportu. Zawierają zwykle tylko 0,3-0,6% kwasu octowego, przy czym część kwasu octowego może być zastąpiona przez spożywczy kwas mlekowy. Ważne jest staranne wyjałowienie, możliwe wskutek znacznego zakwaszenia ogórków, z wykluczeniem zbytniego ich rozgotowania, powodującego m.in. utratę pożądanej „chrupkości" i „świeżości” smakowej. Ogórki-korniszony stanowią przykład ostrych marynat o zawartości 2,5-3% kwasu octowego, soli, przypraw, niekiedy marchwi. Ogórki są małe, długości 3-7 cm i grubości do 2,5 cm. Produkt ten w opakowaniu szklanym jest poddawany pasteryzacji.

Marynaty z innych warzyw Mixed pickles - ostra marynata (3% i więcej kwasu octowego) z pokrajanych warzyw: selera, jarmużu, cebuli i małych ogórków. Ćwikła buraczana - krajane, uprzednio ugotowane i obrane buraki ćwikłowe z dodatkiem tartego chrzanu, soli, ok. 5% cukru, przypraw i octu, po opakowaniu w słojach poddawane pasteryzacji. Buraczki młode i cebula w zalewie kwasu octowego.

Marynaty owocowe Odgrywają one rolę raczej w przetwórstwie domowym. Sporządza się je z takich owoców, jak śliwki, gruszki, brzoskwinie, melony i in. Owoce impregnuje się zalewą octową z dużym dodatkiem cukru (10-50%) i przypraw korzennych.

Marynaty rybne Od dawna jest znane i praktykowane utrwalanie całych, oczyszczonych, mniejszych ryb lub płatków mięsa w zalewie octowej, przy prowadzeniu impregnacji mięsa ryb octem na zimno lub na gorąco. Również w przypadku ryb część octu może być zastąpiona kwasem mlekowym. Z uwagi na dużą zawartość białka w marynowanym materiale, dość silnie występuje działanie buforujące ze strony wolnych grup aminowych białek i stąd kwasowość aktywna przy określonej dawce, np. 19 LUTY 2009

99

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

kwasu octowego, jest znacznie mniejsza, niż w przypadku surowców roślinnych. Wskutek przekraczania w kierunku kwaśnym punktu izoelektrycznego białek, część kwasu octowego lub mlekowego tworzy białczany. Większa kwasowość, zwłaszcza w połączeniu z działaniem cieplnym (np. przy pasteryzacji marynat w opakowaniu puszkowym), powoduje zmiękczenie - rozluźnienie mięsa i znaczne zmiękczenie ości. Oprócz octu, czy ogólnie kwasów, do marynat tych dodaje się jeszcze sól kuchenną i przyprawy. Najbardziej znane marynaty rybne to rolmopsy (śledzie zawijane) oraz moskaliki (małe oczyszczone śledzie lub szproty) przygotowywane wg różnorodnych receptur na zimno, a ponadto różnorodne marynaty rybne w galarecie, otrzymywane z ryb gotowanych, niekiedy także wędzonych, impregnowanych octem z przyprawami i zalewanych roztworem żelatyny z dodatkiem octu i soli kuchennej. Marynaty rybne niepasteryzowane powinny być przechowywane a temperaturze ok. 0°C.

100

19 LUTY 2009

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

9.2. WYKONANIE ĆWICZENIA Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z procesem utrwalania żywności za pomocą zakwaszania przy zastosowaniu kwasów organicznych (mlekowy, octowy i cytrynowy) oraz ocena różnic sensorycznych produktów tak zakwaszonych. Zakres ćwiczenia Na ćwiczeniach zostaną wykonane marynaty warzywne, w których będzie należało zmierzyć pH (produktu i zalewy) oraz ocenić cechy sensoryczne. Przed przystąpieniem do zadania należy przygotować 3 słoiki typu twist-off, myjąc je dokładnie (wraz z pokrywkami) i wyparzając gorącą wodą (operacja taka wyjaławia opakowania i hartuje zabezpieczając je przed pękaniem podczas sterylizacji). Należy wykonać 3 słoiki marynaty warzywnej według przepisu podanego przez osobę prowadzącą ćwiczenia. Przed sporządzaniem marynat należy poddać ocenie surowiec wykorzystywany do procesu oraz zalewę wykonaną według przepisu. Ocena surowców przed procesem Surowiec należy ocenić, mierząc jego pH i określając jego cechy sensoryczne. Pomiar pH surowca Surowiec przed pomiarem pH musi zostać dokładnie rozdrobniony blenderem. Rozdrobniona ilość surowca powinna wynosić co najmniej 5 g. pH próbki surowca powinno się mierzyć w naczyniu, w którym przeprowadzono rozdrabnianie, gdyż przemieszczanie próbki wiąże się z utratą soku komórkowego, który jest podstawowym materiałem do pomiaru. Oznaczenia pH dokonuje się przy użyciu pehametru, zwracając szczególną uwagę na zasady pomiaru zawarte w instrukcji obsługi aparatu. Istotnymi czynnościami, o których należy bezwzględnie pamiętać, są przemywanie elektrody wodą destylowaną i jej osuszanie po każdorazowym pomiarze oraz przetrzymywanie jej w roztworze KCl w okresie, w którym nie jest wykorzystywana. Przed pomiarem należy upewnić się, czy temperatura nastawiona na suwaku pehametru jest odpowiednia i dopiero wówczas można dokonać kalibracji aparatu. Ocena sensoryczno surowców Badane wyróżniki sensoryczne surowca należy ocenić w skali pięciopunktowej uwzględniając określenia odpowiadające poszczególnym stopniom jakości (5 – nota najwyższa, 1 – nota najniższa). Zgodnie ze schematem podanym w tabeli 1 należy ocenić zarówno owoce, jak i warzywa, wybierając odpowiednie dla nich określenia.

19 LUTY 2009

101

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE Tabela 1. Punkty i odpowiadające im określenia słowne charakteryzujące poszczególne wyróżniki sensoryczne surowca. Liczba punktów

5

4

3

2

1

Wygląd ogólny 1

Zapach2

Konsystencja3

Smakowitość4

Zwrócić uwagę na wygląd produktu dokonując oględzin zewnętrznych, włączając kształt i barwę

Ocenić intensywność i typowość wrażeń węchowych produktu

Ocenić intensywność i typowość wrażeń doustnych dostarczanych przez produkt

typowy dla danego rodzaju surowca; barwa, wygląd zewnętrzny i kształt; właściwe, atrakcyjne, zachęcające do spożycia typowy dla danego surowca z niewielkimi odchyleniami od kształtu; barwa i wygląd zewnętrzny nieco zmienione typowy dla danego produktu z widocznymi odchyleniami od kształtu; barwa i wygląd zewnętrzny zmienione wygląd zewnętrzny, barwa i kształt nietypowe, wyraźnie zmienione nietypowy, nieatrakcyjny, o wyraźnie zdeformowanym kształcie, barwa całkowicie zmieniona

bardzo aromatyczny, typowy dla danego surowca, zachęcający do spożycia

Określić soczystość, miękkość lub twardość, jędrność i spoistość przez dotyk oraz rozgryzienie i miażdżenie w jamie ustnej prawidłowa, soczysta, odpowiednio miękka lub odpowiednio twardawa (w zależności od rodzaju surowca), jędrna, sprężysta, spoista soczysta, miękka lub twarda, dość jędrna, dość sprężysta, dość spoista

mniej aromatyczny

trochę zbyt miękka lub zbyt twarda, mało soczysta, mało jędrna, mało spoista

smakowitość nieco zmieniona

zmieniony, mniej atrakcyjny

wyraźnie zbyt miękka lub zbyt twarda, niesoczysta, niespoista

smakowitość wyraźnie zmieniona

nieswoisty, obcy

nietypowa, wyraźnie zmieniona, niewłaściwa

nietypowa, z obcym nieprzyjemnym posmakiem

aromatyczny, charakterystyczny dla tego typu surowca

właściwa dla danego produktu, z wyczuwalnym, przyjemnym posmakiem charakterystycznym dla surowca właściwa dla danego rodzaju produktu

1

Wygląd ogólny – zespół wszystkich istotnych dla danego produktu cech decydujących o jego wartości użytkowej dla konsumenta. 2 Zapach – wrażenie odbierane przez zmysł powonienia lub wąchania określonych substancji lotnych. 3 Konsystencja – tekstura – spójność pomiędzy cząsteczkami oraz budowa produktu oceniana za pomocą czucia głębokiego lub czucia doustnego, w niektórych przypadkach również wzrokowo; na teksturę produktu składa się wiele cech jednostkowych, np. twardość, elastyczność, soczystość, kruchość, chrupkość, miałkość, włóknistość, smarowność, lepkość. 4 Smakowitość – kompleksowe wrażenia doustne odczuwane przez zmysł powonienia, smaku i powierzchni jamy ustnej, które może zawierać również ból, temperaturę i wrażenia dotykowe.

Przygotowanie surowca do marynat Surowiec (pietruszkę, ziemniaki, buraki, marchew itp.) należy obrać i odpowiednio rozdrobnić, np. marchew umyć w strumieniu bieżącej wody, oczyścić, obrać i pokroić w kostkę o boku ok. 0,5 cm. Marchew przenieść do sita i przeprowadzić blanszowanie, zanurzając w garnku z wodą o 102

19 LUTY 2009

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

temperaturze 90˚C przez 5 min. Po zakończeniu blanszowania marchew ostudzić do temperatury ok. 20˚C przez zanurzenie w naczyniu z zimną wodą. Próbki warzyw umieścić po 40 g w słoikach. Sporządzenie zalewy i przygotowanie surowca do utrwalenia Zalewę do sporządzenia marynaty oraz odpowiednie przygotowanie surowca należy przeprowadzić zgodnie z instrukcją otrzymaną na ćwiczeniach. Wybraną przez prowadzącego ćwiczenia marynatę wykonać następujących składników (dokładne ilości składników poda prowadzący): marynata łagodna: 0,45-0,8% kwasu, 0,5-2% cukru oraz 0,5-1,5 % soli; marynata średnio kwaśna: 1-3% kwasu, 0,7-2% cukru oraz sól; marynata ostra: 3% i więcej kwasu, 3% cukru i 2% soli. Należy wykonać po 100 cm3 marynat zawierających każdy z kwasów. W obliczeniu niezbędnej ilości zalewy mogą pomóc poniżej podane wzory, z których można wyliczyć dokładną ilość octu (lub innego kwasu) i wody potrzebnych do jej sporządzenia. Obliczenie ilości octu do przygotowania zalewy: (W O

Z) p P

gdzie: O - masa octu potrzebnego do sporządzenia zalewy [g], W- masa warzyw przeznaczonych do marynowania [g], Z - masa zalewy [g], p - końcowa (żądana) zawartość kwasu octowego w produkcie [%], P - procentowa zawartość kwasu octowego w occie [%].

Ilość wody potrzebnej do sporządzenia zalewy: W = Z-(O + C) gdzie: W- ilość wody [g], Z - masa zalewy [g], O - masa octu [g], C-masa cukru [g].

50 cm3 przygotowanej zalewy należy pozostawić przelewając do niewielkiej zlewki, a następnie dokonać jej oceny. Ocenę zalewy wykonuje się po obniżeniu jej temperatury do temperatury otoczenia, mierząc pH i cechy sensoryczne w skali trój-punktowej. Jednocześnie powinno się pamiętać, że zalewa wykorzystywana do napełniania opakowań musi być gorąca! Zalewy zawierające kwas mlekowy i cytrynowy przygotować w analogiczny sposób.

Ocena zalewy przed procesem Ocena pH Przy ocenie pH istotne jest przestrzeganie odpowiedniej temperatury próbki (zalewa musi być schłodzona do temperatury pokojowej, o czym wspomniano powyżej). Ocenę pH wykonuje się przy użyciu niewielkiej zlewki o objętości 50 cm3, zachowując wszelkie zasady pomiaru, o których wspomniano już wcześniej. 19 LUTY 2009

103

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

Ocena sensoryczna zalewy Ocenę sensoryczna należy przeprowadzić zgodnie z tabelą 2, posługując się skalą trójpunktową: 3 punkty - najwyższa nota, 1 punkt - najniższa. Skala 5-punktowa w przypadku zalewy byłaby zbyt rozbudowana. Tabela 2. Punktacja i odpowiadające poszczególnym punktom określenia słowne do oceny jakości zalewy Zapach Smakowitość Liczba Barwa punktów Ocenić barwą zalewy Ocenić intensywność i Ocenić intensywność i typotypowość wrażeń węwość wrażeń doustnych doschowych zalewy tarczanych przez zalewę 3 typowa, prawie bezbarw- przyjemny, aromatyczny, właściwa, dobrze doprawiona, nieco zmieniona przez typowy dla danej zalewy, na, nie za słodka, nie za dodanie przypraw atrakcyjny, odpowiednio słona, odpowiednio kwaśna kwaśny itp. widocznie zmieniona mniej atrakcyjny, lekko gorzej doprawiona, nieco za 2 przez dodanie przypraw, drażniący, trochę zbyt słodka, nieco za słona, trochę mniej atrakcyjna kwaśny za kwaśna itp. nietypowa, zbyt mocno zmieniony, nieatrakcyjny, niewłaściwie doprawiona: za zmieniona przez dodanie mocno drażniący, zbyt słodka, za słona, zbyt mocno 1 przypraw, nieatrakcyjna kwaśny kwaśna itp.

Przygotowane marynaty powinno się poddać pasteryzacji zgodnie z instrukcją. Po jednym ze słoików przygotowanych produktów, czyli jedną konserwę warzywną i jedną owocową należy ocenić pod koniec zajęć (po ich ostudzeniu do temperatury pokojowej). Schładzanie marynaty musi zostać przeprowadzone bardzo ostrożnie, trzeba uważać, żeby słoiki nie pękły - przede wszystkim nie należy ich wstawiać do zimnej wody bezpośrednio po pasteryzacji! Oceny skuteczności procesu dokonuje się mierząc pH zalewy i produktów, badając instrumentalnie barwę utrwalonej żywności, a także zwracając uwagę na cechy sensoryczne, tj. barwę, zapach oraz smak zarówno zalewy, jak i utrwalonych produktów. Cechy sensoryczne ocenia się w skali 5-punktowej, przyjmując skalę od 1 do 5 (1 - najniższa nota, 5 - wartość najwyższa). Schemat postępowania podano poniżej.

Ocena produktu po utrwaleniu i ostudzeniu Pomiar pH produktu po procesie Oznaczenie pH musi być przeprowadzone tak jak opisano powyżej, należy pamiętać, że produkt przed pomiarem pH powinno się dokładnie rozdrobnić i ostudzić. Ocena sensoryczna produktów po procesie Ocenę sensoryczną przeprowadza się zgodnie z tabelą 3, biorąc pod uwagę zawarte w niej wyróżniki sensoryczne.

104

19 LUTY 2009

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE Tabela 3. Wyróżniki sensoryczne i określenia odpowiadające poszczególnym wartościom punktowym dla produktu bezpośrednio po utrwaleniu i po próbie trwałościowej Liczba Wygląd ogólny punktów

5

4

3

2

1

Zwrócić uwagę na wygląd produktu dokonując oględzin zewnętrznych, włączając kształt i barwę typowy dla danego rodzaju produktu; barwa, wygląd zewnętrzny i kształt zbliżone do surowca, niezmienione w wyniku przeprowadzonego procesu (lub po próbie trwałościowej) typowy dla danego produktu z niewielkimi odchyleniami od kształtu; barwa i wygląd zewnętrzny nieco zmienione w stosunku do surowca przed procesem typowy dla danego produktu z widocznymi odchyleniami od kształtu; barwa i wygląd zewnętrzny zmienione w stosunku do surowca przed procesem wygląd zewnętrzny, barwa i kształt nietypowe, wyraźnie zmienione w stosunku do surowca

Zapach

Konsystencja

Smakowitość

Ocenić intensywność i typowość wrażeń węchowych produktu

Określić soczystość, miękkość, jędrność i spoistość -przez dotyk oraz rozgryzienie i miażdżenie w jamie ustnej prawidłowa, soczysta, odpowiednio miękka, jędrna, sprężysta, spoista, zbliżona do surowca

Ocenić intensywność i typowość wrażeń doustnych dostarczanych przez produkt

soczysta, miękka, dość jędrna, dość sprężysta, dość spoista, nieco zmieniona w porównaniu z surowcem przed procesem

właściwa dla danego produktu, smakowitość charakterystyczna, nieco zmieniona po utrwaleniu (trochę zbyt lub za mało kwaśna)

bardzo aromatyczny, świeży, typowy dla danego produktu, odpowiednio (przyjemnie) kwaśny

bardzo aromatyczny, charakterystyczny dla produktu marynowanego

mniej aromatyczny, charakterystyczny dla produktu marynowanego, lekko drażniący (trochę zbyt kwaśny lub za mało kwaśny) zmieniony w wyniku przeprowadzonego procesu, wyraźnie zbyt kwaśny lub w inny sposób nietypowy nietypowy, nieatrakcyj- nieswoisty, obcy, ny, o wyraźnie zdefor- drażniący, nieprzyjemny mowanym kształcie, barwa całkowicie zmieniona w porównaniu z surowcem

właściwa dla danego produktu, z wyczuwalnym, przyjemnym posmakiem kwaśnym

trochę zbyt miękka, mało wyczuwalny posmak soczysta, mało jędrna, octowy, produkt zbyt nieco za rzadka, mało kwaśny lub za mało kwaśny spoista

wyraźnie zbyt miękka, za rzadka, mazista

nietypowa, bardzo mazista, cieknąca

smakowitość wyraźnie zmieniona, nieprzypominająca smaku surowca; dominujący smak zalewy octowej nietypowa, z nieprzyjemnym posmakiem

Ocena zalewy po utrwaleniu Zalewę należy ocenić, mierząc jej pH i określając cechy sensoryczne, tak jak przed procesem. Pomiar pH zalewy przy użyciu pehametru Przed pomiarem pH zalewę należy schłodzić do temperatury pokojowej. Ocena sensoryczna zalewy Ocenę sensoryczna zalewy wykonuje się zgodnie z określeniami zawartymi w tabeli 2.

19 LUTY 2009

105

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

9.3. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW Wyniki oznaczeń umieścić w sprawozdaniu w formie oddzielnych punktów wraz z przeliczeniami i przedłożyć osobie prowadzącej ćwiczenie w celu sprawdzenia (wzór, załącznik 1 na stronie 137). Należy także zaznaczyć wszelkie odstępstwa od metod podanych w opracowaniu ćwiczeń. Na końcu sprawozdania z ćwiczeń należy podać wnioski w formie zwięzłych punktów. Przykładowe zestawienie wyników badań

Po sterylizacji

Marynata z kw. cytrynowym Przed sterylizacją

Po sterylizacji

Marynata z kw. octowym Przed sterylizacją

Po sterylizacji

Surowiec

Przed sterylizacją

Marynata z kw. mlekowym

pH zalewy Ocena sensoryczna zalewy barwa zapach smak pH produktu/surowca Ocena sensoryczna produktu/surowca wygląd ogólny zapach konsystencja smakowitość

Źródło: 1. Biller E., 2005: Technologia żywności – wybrane zagadnienia. Wydaw. SGGW, Warszawa Pijanowski E., Dłużewski M., Dłużewska A., Jarczyk A., 1996: Ogólna technologia żywności. WNT, Warszawa

106

19 LUTY 2009

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

9.4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI Aparatura i odczynniki:

autoklaw słoiki duża zlewka duża kolba pipeta maszynka elektryczna garnek + sitko pH-metr laboratoryjny waga analityczna + łyżeczka + szkiełko zegarkowe sól sacharoza kwas octowy kwas cytrynowy kwas mlekowy

19 LUTY 2009

107

UTRWALANIE ŻYWNOŚCI PRZEZ ZAKWASZENIE

108

19 LUTY 2009

EMULSJE

10.

EMULSJE 10.1.

WPROWADZENIE

Emulsjami nazywamy dwufazowe, ciekłe układy dyspersyjne, czyli mówiąc bardziej przystępnym językiem układy, w których w jednej cieczy, zwanej fazą ciągłą lub zewnętrzną, zawieszone są subtelne kropelki drugiej cieczy, zwanej fazą rozproszoną lub wewnętrzną. Emulsją jest mleko, majonez, kremy, maści, tzw. mleczka itp. Układ emulsyjny dwóch nie mieszających się cieczy określamy jako olej w wodzie (O/W) jeżeli hydrofobowa faza, zwana "olejem" jest zawieszona w postaci rozproszonej w fazie hydrofilowej, zwanej "wodą". Dla przypadku, gdy fazą ciągłą, zewnętrzną jest ciecz hydrofobowa ("olej") a cieczą zdyspergowaną jest ciecz hydrofilowa ("woda") mówimy o emulsji woda w oleju (W/O). Określenia typu emulsji można dokonać pod mikroskopem, oglądając warstwę emulsji zabarwiona barwnikiem rozpuszczalnym w olejach (np. Sudan IV) lub w wodzie (np. oranż metylowy). Zabarwieniu ulegnie oczywiście ta faza, która rozpuszcza barwnik.

Drugi sposób na określenie typu emulsji polega na sprawdzeniu przewodności elektrycznej emulsji. Emulsje typu O/W, gdzie fazą zewnętrzna, ciągłą, jest rozpuszczalnik polarny (najczęstszy przypadek to wodny roztwór elektrolitów) będzie przewodzić prąd elektryczny. Emulsja W/O będzie wykazywać dużą oporność.

Emulgatory Ponieważ w emulsjach powierzchnia styku dwóch faz (niemieszajacych się składników) jest bardzo duża, układ może być trwały tyko w przypadku, gdy siły napięcia powierzchniowego między fazami będą bliskie zeru. W przypadku przeciwnym faza rozproszona w bardzo krótkim czasie łączy się w fazę ciągłą i emulsja rozdziela się na dwie fazy ciągłe (zjawisko zwane koalescencją). Tak w przyrodzie, jak i w emulsjach tworzonych przez człowieka w celu obniżenia napięcia powierzchniowego między fazami wykorzystuje się substancje trzecie, zwane emulgatorami, tenzydami, środkami powierzchniowoczynnymi, których budowa powoduje, że umieszczają się one na granicy faz, jedną częścią "zanurzone" w fazie hydrofilowej a drugą w hydrofobowej. Tworząc taką monomolekularną warstewkę przyjmują na siebie "bycie granicą faz", a ponieważ ich powinowactwo do obu faz jest podobne, powodują praktycznie zanik napięcia powierzchniowego (dobre emulgatory) lub przynajmniej jego poważne obniżenie (środki powierzchniowe czynne) i tym sposobem stabilizują emulsje. Powinowactwo emulgatora do fazy 19 LUTY 2009

109

EMULSJE

olejowej i fazy wodnej określa parametr HLB (Hydrophilic-Liophilic Balance). Wartość HLB, zależna głównie od budowy cząsteczki, a dokładniej od stosunku części hydrofilowej do hydrofobowej, określa, czy dany środek powierzchniowo czynny stabilizuje lepiej emulsje O/W czy W/O. Umownie przyjęto skale HLB w zakresie 1 - 40. Wartość 1 odnosi się do kwasu olejowego, wartość 40 do laurylosiarczanu sodowego. Emulgatory o HLB <10 pozwalają wytwarzać emulsje typu W/O (są lepiej rozpuszczalne w fazie niepolarnej). HLB powyżej 10 predysponuje emulgator do użycia w emulsji O/W. Liczba HLB charakteryzuje się addytywnością , tzn. dla mieszaniny emulgatorów można ją obliczyć na podstawie wartości HLB poszczególnych składników i ich względnego udziału w mieszaninie. Schemat budowy cząsteczki emulgatora

emulsja W/O Ponieważ mechanizm obniżania napięcia powierzchniowego polega na tworzeniu cienkiej, najczęściej monomolekularnej warstewki na granicy faz, emulgator dodany do emulsji tylko do pewnego stężenia wspomaga tworzenie i utrzymanie emulsji, dodany w nadmiernej ilości nie powoduje już obniżenia napięcia powierzchniowego i nie gromadzi się więcej na granicy faz tylko tworzy skupiska (micele) w fazie ciągłej. Część hydrofilowa emulgatora zawsze jest „zanurzona” w wodzie, bez względu na to, czy woda stanowi substancję rozproszoną, czy ośrodek dyspersyjny. Podział emulgatorów ze względu na charakter chemiczny

Anionowe

110

Mydła (aniony kwasów tłuszczowych) oraz aniony monoestrów kwasu siarkowego (np. laurylosiarczan Na) i aniony alkilosulfonowe

19 LUTY 2009

EMULSJE

Kationowe

Czwartorzędowe sole amoniowe lub czwartorzędowe heterocykliczne związki amoniowe (pochodne pirydyny)

Niejonowe

Fragment hydrofilowy cząsteczki to najczęściej ugrupowanie alkoholu wielowodorotlenowego lub łańcuch poli(oksymetylenowy)

Amfolityczne

Wykazują charakter anionowy lub kationowy w zależności od pH roztworu. Sole wewnętrzne

Trwałość układów emulsyjnych Jeżeli emulsja została wytworzona świadomie, jako postać np. leku czy kosmetyku to zależy nam na długim okresie trwałości. Bywa jednak i tak, że emulsja powstała samorzutnie w trakcie jakiegoś procesu technologicznego (częsty przypadek w czasie pracy z surowcami naturalnymi zawierającymi często substancje spełniające role niepożądanego w tym przypadku emulgatora) i jest poważnym utrudnieniem w procesie produkcyjnym. Dość często obserwujemy takie zjawisko podczas procesu ekstrakcji, dokonywanego metodą wytrząsania. W tych przypadkach zależy nam na szybkim zniszczeniu emulsji i doprowadzeniu do rozdzielenia faz. Pamiętając, że głównym czynnikiem wpływającym na trwałość emulsji jest napięcie międzyfazowe (powierzchniowe), zarówno przy tworzeniu, jak i niszczeniu emulsji będziemy się starać wpływać na wielkość tego parametru. Drugim czynnikiem warunkującym trwałość emulsji jest wielkość kulek fazy rozproszonej. Emulsja o większej dyspersji będzie trwalsza, ze względu na mniejsza masę pojedynczej kuleczki i związaną z tym większą ich ruchliwość. Szybkość rozkładu emulsji jest proporcjonalna do kwadratu promienia kuleczek fazy rozproszonej, różnicy gęstości obu faz i przyspieszenia działającego na emulsję (zazwyczaj przyspieszenia ziemskiego, chyba że wirujemy emulsje, wtedy jest to przyspieszenie nadawane przez wirówkę) a odwrotnie proporcjonalna do lepkości fazy rozpraszającej. Jeżeli zależy nam na szybkim zniszczeniu niepożądanej emulsji możemy starać się zniszczyć ochronną warstewkę emulgatora wokół kropel fazy zdyspergowanej. Możemy też starać się zmieniać pozostałe parametry warunkujące trwałość (lepkość, przyspieszenie), niestety jednak najczęściej zdarza się tak, że emulsje, na trwałości których nam zależy rozwarstwiają się zbyt szybko (wie to niejedna gospodyni, która samodzielnie próbowała ukręcić majonez, wie to też niejeden student farmacji), zaś niepożądane emulsje opierają się najczęściej bardzo skutecznie naszym staraniom, mającym doprowadzić do ich złamania.

19 LUTY 2009

111

EMULSJE

Procesy starzenia emulsji Procesy starzenia emulsji to powolne, stopniowe przemiany jej struktury prowadzące do jej rozdziału, zżelowania, koagulacji lub tylko subtelnych zmian rozmiarów tworzących ją miceli. Procesy starzenia dzieli się na: śmietankowanie i sedymentację flokulację koalescencję inwersję faz dojrzewanie Ostwaldowskie

Śmietankowanie i sedymentacja emulsji Jeżeli dwie fazy tworzące emulsję różnią się znacznie ciężarem właściwym, to cięższa faza przemieszcza się pod wpływem grawitacji do dolnej części naczynia. Śmietankowanie emulsji można łatwo odwrócić przez zmieszanie warstwy górnej i dolnej. Śmietankowanie można rozpatrywać jako pewien rodzaj sedymentacji. Szybkość śmietankowania zwiększają elektrolity, których działanie zależy od ładunku kationu. Zapobieganie śmietankowaniu polega na rozdrobnieniu emulsji do rozmiaru 0,1 μm, zwiększeniu lepkości ośrodka dyspersyjnego i zwiększeniu gęstości fazy ciągłej. Sedymentacja przebiega we wszystkich emulsjach, a czynnikiem determinującym ten proces jest ziemskie pole grawitacyjne. Proces ten przebiega, gdy krople fazy rozproszonej zaczynają się zbierać na dole lub górze układu emulsyjnego. Sedymentację zmniejsza się poprzez zmiany niektórych parametrów emulsji, takich jak: gęstość jednej lub obu faz, rozmiar miceli, ładunek miceli, lepkość fazy zewnętrznej.

Flokulacja emulsji Koagulacja emulsji polega na łączeniu się cząstek fazy zdyspergowanej, co prowadzi do powstania dużych agregatów i przebiega ona w dwóch etapach. Pierwszym etapem jest flokulacja, w której micele łączą się ze sobą i tworzą zgęstniałe bryłki. Czasami flokulacja powoduje początkowe zwiększenie pozornej lepkości. Proces ten wpływa bardzo źle na strukturę, właściwości użytkowe i stabilność emulsji. Flokulację można łatwo odwrócić poprzez wstrząsanie całego układu, ale agregacja kropelek sprzyja sedymentacji. Dla uniknięcia tego zjawiska zwiększa się stężenie emulgatora lub dobiera taki, który tworzy pełniejszą otoczkę solwatacyjną.

Koalescencja emulsji Koalescencja emulsji wiąże się z procesem flokulacji, ponieważ jest to drugi etap koagulacji emulsji. Jeżeli emulsja nie posiada wystarczającej ilości stabilizatora to występuje jego brak na powierzchni micel. Dzięki ruchom Browna micele zderzają się ze sobą, a brak emulgatora powoduje, że nie mają żadnych przeszkód w łączeniu się ze sobą. Jest to proces nieodwracalny, 112

19 LUTY 2009

EMULSJE

który zmniejsza liczbę micel i w konsekwencji prowadzi do rozbicia emulsji. Koalescencję można ograniczyć poprzez zmniejszenie sedymentacji, zwiększenie wzajemnego odpychania się micel czy wybór lepszego stabilizatora. Czasami na proces koalescencji dobrze wpływa zwiększenie lepkości fazy zewnętrznej.

Inwersja faz emulsji Inwersja faz emulsji polega na nagłej zmianie typu emulsji. Wcześniejsza faza rozproszona staje się rozpuszczalnikiem, a dawna faza ciągła grupuje się w micele. Inwersję wywołują takie czynniki, jak: zbyt mała ilość surfaktanta lub nieodpowiedni jego rodzaj, duże zmiany temperatury, za wysokie stężenie fazy wewnętrznej. Proces ten zachodzi ze wzrostem stężenia fazy rozproszonej, kiedy micele zaczynają zbliżać się do siebie. Cząsteczki z miceli przenikają przez powierzchnię międzyfazową i łączą się ze sobą tworząc fazę zewnętrzną. Po tym procesie typ emulsji zmienia się. Zjawisko obserwuje się dzięki pomiarowi lepkości zmieniając jednocześnie objętość jednej z faz. Podczas inwersji można wyróżnić trzy etapy: zniszczenie filmu powierzchniowego na granicy dwóch faz, rozwarstwienie się emulsji, ponowne zemulgowanie faz.

Ostwaldowskie dojrzewanie emulsji Ostwaldowskie dojrzewanie emulsji ma związek z ciśnieniem wewnątrz miceli, które jest wyższe niż w fazie zewnętrznej. W związku z tym rozpuszczalność fazy wewnętrznej jest wyższa w mniejszych micelach niż w większych. Podczas długiego przechowywania emulsji różnica ciśnień prowadzi do dyfuzji składników emulsji fazy wewnętrznej z mniejszych miceli do większych. Podczas tego procesu następuje wyrównanie ciśnień wewnątrz niejednorodnych miceli. Proces ten prowadzi do zaniku małych miceli na rzecz dużych. Prowadzi to do sedymentacji lub tzw. odstawania się emulsji. Zapobieganie temu zjawisku polega na wprowadzeniu wielocząsteczkowego surfaktanta lub zamrażaniu emulsji.

19 LUTY 2009

113

EMULSJE

10.2.

WYKONANIE ĆWICZENIA

Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z operacją wytwarzania emulsji na przykładzie majonezu, z zastosowaniem zmiennej ilości składników i różnego czasu mieszania. Próba I Składniki: 1/3 jaja, 83 cm3 oleju, 1,7 g musztardy, 3,4 cm3 octu, 1,7 cm3 przegotowanej wody o temperaturze pokojowej. Musztarda jest składnikiem stabilizującym układ. Wykonanie: Jajo z musztardą wodą i octem dokładnie zmiksować do chwili uzyskania jednolitej, gładkiej masy. Zanotować czas operacji. Uzyskany półprodukt przenieść dokładnie do naczynia miarowego i zmierzyć jego objętość w cm3. Wynik umieścić w tabeli 1 jako Vw. Próbę ponownie przenieść do naczynia, w którym poprzednio była mieszana, a następnie, ciągle mieszając, kroplami dozować olej, przy czym w pierwszych 5 minutach mieszania należy dodać 12,5 cm3 oleju, w następnych 5 minutach dodać 50 cm3 oleju, natomiast w ostatnich 5 minutach – pozostały olej. Objętość oleju wykorzystaną do wytworzenia emulsji należy wpisać do tabeli 1 (Vo). W taki sposób należy postąpić w przypadku każdej próby. Dokładnie należy notować czas trwania poszczególnych operacji. Uzyskany wynik wpisać do tabeli 3. Próbę odstawić na 30 minut, a następnie poddać ocenie. Próba II Składniki: 1/3 jaja, 83 cm3 oleju, 1,7 g musztardy, 3,4 cm3 octu, 1,7 cm3 przegotowanej wody o temperaturze pokojowej. Wykonanie: Jajo z musztardą, wodą i octem dokładnie zmiksować do chwili uzyskania jednolitej, gładkiej masy. Następnie, ciągle mieszając, kroplami dozować olej, przy czym czas mieszania (podczas dodawania oleju) nie może przekraczać 10 minut. W pierwszych 5 minutach mieszania należy dodać 62,5 cm3 oleju i w następnych 5 minutach również 62,5 cm3 oleju. Dokładnie notować czas trwania poszczególnych etapów procesu. Wynik wpisać do tabeli 3. Informacja ta dotyczy również pozostałych prób. Próbę, jak poprzednio, odstawić na 30 minut, a następnie poddać ocenie. Tak samo należy postąpić z pozostałymi dwiema emulsjami. Próba III Składniki: 2/3 jaja, 83 cm3 oleju, 1,7 g musztardy, 3,4 cm3 octu, 1,7 cm3 przegotowanej wody o temperaturze pokojowej. Wykonanie: Jajo z musztardą, wodą i octem dokładnie zmiksować do chwili uzyskania jednolitej, gładkiej masy. Następnie, ciągle mieszając, kroplami dozować olej. Przy czym w pierwszych 5 minutach mieszania należy dodać 12,5 cm3 oleju, w następnych 5 minutach dodać 50 cm3 oleju, natomiast w ostatnich 5 minutach - pozostały olej. Dokładnie notować czas trwania poszczególnych etapów procesu.

114

19 LUTY 2009

EMULSJE

Próba IV Składniki: 2/3 jaja, 83 cm3 oleju, 1,7 g musztardy, 3,4 cm3 octu, 1,7 cm3 przegotowanej wody o temperaturze pokojowej. Wykonanie: Jajo z musztardą, wodą i octem dokładnie zmiksować do chwili uzyskania jednolitej, gładkiej masy. Następnie, ciągle mieszając, kroplami dozować olej, przy czym czas mieszania (podczas dodawania oleju) nie może przekraczać 10 minut. W pierwszych 5 minutach mieszania należy dodać 62,5 cm3 oleju i w następnych 5 minutach również 62,5 cm3 oleju. Szczegółowo notować czas operacji. Uwaga: Dokładny sposób przygotowania emulsji wyjaśni prowadzący ćwiczenia. Tabela 1. Objętość fazy tłuszczowej i wodnej dla poszczególnych prób. Składniki Vw[cm3] (jaja + musztarda + woda +ocet) Vo[cm3] (olej)

Próba I

Próba II

Próba III

Próba IV

Ocena konsystencji emulsji

Ocenę konsystencji należy przeprowadzić zgodnie z określeniami zawartymi w tabeli 2, a uzyskane wyniki (w punktach) wpisać do tabeli 3. Tabela 2. Wyróżniki charakteryzujące konsystencję. Liczba punktów Konsystencja 5 gładka, aksamitna, jednorodna 4 w miarę jednorodna zauważalne, ale nieznaczne rozdzielanie się 3 składników - układ nie stanowi jednolitej całości 2 wyraźne rozdzielenie się składników 1 produkt „zwarzony" Klasyfikacja emulsji

Na podstawie wzoru i danych zamieszczonych w tabeli 1 dokonać klasyfikacji wykonanych emulsji na emulsje o małej ilości fazy rozproszonej, emulsje o średniej zawartości fazy rozproszonej bądź emulsje o znacznej ilości fazy rozproszonej.

F

Vi Vi Ve

gdzie: Vi - objętość fazy rozproszonej, Ve - objętość fazy ciągłej.

Uzyskaną wartość F dla każdej próby wpisać do tabeli 3.

19 LUTY 2009

115

EMULSJE

Tabela 3. Wyniki analizy Nr próby

Czas mieszania (łącznie z dodatkiem wody) [min]

Konsystencja [pkt]

F

Próba I Próba II Próba III Próba IV Test rozpuszczalności (Wygląd makroskopowy) Umieścić bagietkę w próbce majonezu i mieszając dodawać powoli po 1 ml wody kranowej (max. 10 ml), obserwując wygląd majonezu. Emulsja W/O będzie unosić się na wodzie, zaś emulsja O/W wymiesza się, powodując zmętnienie wody. Należy opisać wynik w sprawozdaniu.

116

19 LUTY 2009

EMULSJE

10.3.

PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW

Wyniki oznaczeń należy umieścić w sprawozdaniu (wzór sprawozdania, załącznik 1 na stronie 137) w formie oddzielnych punktów wraz z przeliczeniami i przedłożyć osobie prowadzącej ćwiczenia w celu sprawdzenia. Należy także zaznaczyć wszelkie odstępstwa od metod podanych w opracowaniu ćwiczeń. Na końcu sprawozdania z ćwiczeń należy podać wnioski w formie zwięzłych punktów. Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia należy: Omówić, czy zaobserwowano zależności między czasem mieszania a konsystencją uzyskanej emulsji. Ocenić, czy zmienna zawartość jaj zawierających środek emulgujący wpływała na konsystencję produktu końcowego. Omówić wartości współczynnika F dla poszczególnego rodzaju majonezu. Ocenić, która z podanych receptur i technologii pozwoliła na uzyskanie produktu o najlepszej jakości. Spróbować wyjaśnić, dlaczego. Podać uwagi (zastrzeżenia) do pozostałych procedur, wskazując na rozwiązanie zaistniałych problemów.

19 LUTY 2009

117

EMULSJE

10.4.

SPRZĘT I ODCZYNNIKI

Mikroskop Homogenizator Zlewki Jaja Olej Musztarda

118

19 LUTY 2009

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

11.

11.1.

WPROWADZENIE

Pasteryzacja i sterylizacja są operacjami jednostkowymi, w których żywność jest poddana działaniu dostatecznie wysokiej temperatury i przez dostatecznie długi czas w celu zwiększenia jej trwałości w czasie przechowywania. Podstawowym założeniem utrwalania żywności przez ogrzewanie jest osiągnięcie jej mikrobiologicznej stabilności. Proces ten można podzielić na 3 kategorie: ogrzewanie do temperatur niższych niż 100°C, ogrzewanie w temperaturze 100°C i powyżej 100°C. Proces ogrzewania poniżej 100°C jest nazywany pasteryzacją i powoduje inaktywację wszystkich mikroorganizmów patogennych oraz niektórych ich gatunków powodujących psucie żywności. Dobrym jej przykładem jest utrwalanie mleka. Drugi sposób, apertyzacja, którego wynalazcą był Nicholas Appert, ciągle jest wykorzystywany w przetwórstwie domowym, a na skalę przemysłową do produkcji konserw kwaśnych, np. owocowo-warzywnych. Trzeci sposób, ogrzewanie powyżej 100°C, przeznaczony jest dla konserw o pH wyższym od 4,5 i określany jest terminem sterylizacja. W czasie sterylizacji giną nie tylko wegetatywne, ale również przetrwalnikujące formy mikroorganizmów. Dzięki bardziej surowym warunkom termicznym sterylizacji utrwalona w ten sposób żywność zachowuje dobrą jakość, co najmniej 6 miesięcy. Wpływ wysokiej temperatury na mikroorganizmy i niektóre składniki produktów spożywczych Najprostsze ujęcie kinetyczne procesu sterylizacji zakłada, że mszczenie mikroorganizmów przebiega według kinetyki reakcji pierwszego rzędu. Jest to usprawiedliwione takim charakterem reakcji termicznej denaturacji białek. Utrwalające działanie ciepła polega właśnie na denaturacji białek, co pociąga za sobą inaktywację enzymów i mikroorganizmów występujących w żywności. Jednakże złożoność budowy drobnoustrojów, możliwość występowania różnych form o różnej termoodporności może spowodować, że przebieg rzeczywistego procesu odbiega czasem od kinetyki pierwszego rzędu. W myśl tej kinetyki zmiana liczby drobnoustrojów w czasie jest proporcjonalna do ich chwilowej liczby:

dN dt

k N

gdzie: -dN/dt - szybkość, z jaką zmniejsza się liczba drobnoustrojów, N -liczba mikroorganizmów, k - stała szybkość reakcji pierwszego rzędu. Podobne równanie opisuje termiczną denaturację witamin i enzymów. Stała szybkości k zależna jest od rodzaju i formy drobnoustrojów oraz od temperatury i innych czynników środowiskowych. Zakładając, że proces sterylizacji przebiega okresowo i w stałej temperaturze, powyższe równanie można całkować, przyjmując, że na początku sterylizacji liczba drobnoustrojów jest równa N. Wówczas:

N k t No Powyższe równanie wskazuje, że w danym czasie jest niszczony taki sam procent komórek niezależnie od ich liczebności na początku procesu. Zjawisko to, zgodne z rzeczywistym zachowaniem się ogrzewanych do odpowiednio wysokiej temperatury komórek, określa się jako logarytmiczne tempo umierania, a opisuje je tzw. krzywa przeżycia drobnoustrojów. Przedstawia ona zależność między liczbą komórek przeżywających proces termiczny w stałej temperaturze a czasem jej działania (rys.1). ln

19 LUTY 2009

119

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

Rys. 1. Krzywa przeżycia drobnoustrojów. Do opisu procesu sterylizacji - oprócz powyżej przedstawionych równań kinetycznych - stosuje się pewne tradycyjne pojęcia. Związki pomiędzy nimi i ich definicje wynikają z przekształceń równania kinetycznego. Równanie definicyjne czasu dziesięciokrotnej redukcji liczby drobnoustrojów D otrzymuje się, podstawiając

Parametr D (w warunkach pozwalających na założenie stałości współczynnika k) opisuje zatem związki pomiędzy liczbą drobnoustrojów i czasem działania podwyższonej temperatury. Zależny jest (podobnie jak stała szybkości k) od rodzaju i formy drobnoustrojów oraz od temperatury i innych czynników środowiskowych. Jego wartość można odczytać z krzywej przeżycia drobnoustrojów. Jest to czas potrzebny do zniszczenia 90% mikroorganizmów lub, inaczej mówiąc, do dziesięciokrotnego zredukowania ich liczby (na rys. 1 wynosi on 5 min). Wartość D jest niezależna od stężenia początkowego drobnoustrojów. Z zależności przedstawionej na rycinie 1 wynikają następujące konsekwencje. Po pierwsze, im większa liczba mikroorganizmów jest obecna w surowcu, tym dłuższego czasu ogrzewania potrzeba, aby zredukować ją do żądanego poziomu. Po drugie, ponieważ śmierć komórek następuje w tempie logarytmicznym, praktycznie nie jest możliwe uzyskanie absolutnej sterylności, gdyż 120

19 LUTY 2009

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

jeżeli liczba komórek zbliża się do zera, to czas ogrzewania dąży do nieskończoności. Dlatego też wprowadzono pojęcie sterylności handlowej albo sterylności technicznej, przez które rozumie się zniszczenie wszystkich drobnoustrojów chorobotwórczych i zredukowanie mikroflory saprofitycznej (łącznie z jej formami przetrwalnikowymi) do określonego, dostatecznie niskiego poziomu, gwarantującego bardzo małe ryzyko zepsucia się zakonserwowanej żywności, np. l opakowanie na 10 000 opakowań. Czas dziesięciokrotnej redukcji, czyli oporność cieplna D, jest także funkcją temperatury ogrzewania D = φ(T). Jego zmienność temperaturowa charakteryzowana jest przez współczynnik ciepłooporności z. Ponieważ na ogół przyjmuje się, że wartość D zmienia się w tempie logarytmicznym wraz z temperaturą (zależność lgD= φ(T) jest prostoliniowa), zatem współczynnik z definiowany jest jako przyrost temperatury odpowiadający dziesięciokrotnej zmianie współczynnika D. Zależny jest od rodzaju drobnoustrojów. Jego graficznym obrazem jest krzywa określana jako krzywa oporności cieplnej lub krzywa czasu śmierci cieplnej TDT (rys. 2). Wynika z niej, że w wyższych temperaturach komórki giną szybciej (np. działanie temperaturą 102,5°C w czasie 100 min daje ten sam letalny efekt, co temperatura 113°C w czasie 10 min). Nachylenie krzywej, które można wyrazić wielkością tangensa kąta , stanowi o wielkości wskaźnika z. Im bardziej stromy jest przebieg krzywej, tym mniejsza jest wartość z. Wartość z łatwo można odczytać z rysunku krzywej TDT (czasu śmierci cieplnej) w skali półlogarytmicznej jako zmianę temperatury potrzebną, aby czas dziesięciokrotnej redukcji D zmniejszył się o jeden cykl logarytmiczny, czyli dziesięciokrotnie (na rys. 5.2 wynosi on 10,5°C).

Rys. 2. Krzywa czasu śmierci cieplnej drobnoustrojów. Wartości D i z są stosowane do charakterystyki ciepłooporności enzymów, mikroorganizmów lub składników chemicznych żywności (tab. 1). Do opisania zależności stałej szybkości k od temperatury najczęściej stosowane jest równanie Arrheniusa:

k

k 0 exp

E R T

gdzie: E - energia aktywacji, R - stała gazowa i T - temperatura (K), ko -stała. 19 LUTY 2009

121

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

Wielkości energii aktywacji dla wegetatywnych form komórek oraz ich przetrwalników mieszczą się w zakresie 210-420 kJ/mol i są większe od energii aktywacji dla enzymów lub witamin (8,4-110 kJ/mol). Różnica między tymi wartościami tłumaczy, dlaczego możliwe jest prowadzenie sterylizacji przy jednoczesnym częściowym zachowaniu właściwości odżywczych żywności. Im wyższa jest temperatura procesu, tym szybciej przebiega ten z procesów, który ma wyższą energię aktywacji, i dlatego proces sterylizacji powinien być prowadzony jak najkrócej oraz w jak najwyższych temperaturach. Szybkość procesu o wyższej energii aktywacji szybciej się zmienia przy podwyższeniu temperatury niż szybkość procesu o małej energii aktywacji (mniej czułego na zmiany temperatury). Na rycinie 3 przedstawiono przykładową zależność pomiędzy 1012 krotnym czasem redukcji Cl. botulinum a czasem 90-procentowej denaturacji tiaminy (witaminy B1). Tabela.1. Wartości D i z dla niektórych mikroorganizmów i składników chemicznych żywności Źródło

pH

z [°C]

D121 [min]

Zakres temperatur [°C]

Tiamina

marchew

5,9

25

158

109-149

Lizyna

ziarno soi

—

21

786

100-127

Chlorofil a

szpinak

6,5

51

1.3,0

127-149

Chlorofil b

szpinak

5,5

79

14,7

127-149

Antocyjany

sok grejpfrutowy

nat.

23,2

17,8*

20-121

sok buraczany

5.0

58,9

46,6*

50-100,

Karotenoidy

papryka

nat.

18,9

0,038

52-65

Peroksydaza

groszek

nat.

37,2

3,0

110-138

Clostridium botulinum

różne

>4,5

5,5-10

0,1-1,3

104

B. stearothermophilus

różne

>4,5

7-12

4,0-5,0

110

Składnik

Betanina

* Wskaźnik D dla temperatur innych niż 121°C

122

19 LUTY 2009

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

Rys. 3. Zależność między 10-12 krotnym czasem redukcji Cl. botulinum a czasem 90-% denaturacji tiaminy Na wykresie widać, że dla temperatur wyższych niż 115°C osiąga się wymagany stopień sterylności przy minimalizacji strat witaminy B1. Straty innych witamin będą jeszcze mniejsze ze względu na ich mniejsze energie aktywacji. Dlatego też w nowoczesnych systemach pasteryzacji i sterylizacji dąży się do zastąpienia ogrzewania w niższych temperaturach letalnych i w dłuższym czasie przez ogrzewanie w wysokich temperaturach i w krótszym czasie przy takim samym efekcie biologicznym. Postępowanie takie przyczynia się do ochrony składników odżywczych w procesie wyjaławiania cieplnego i jest znane pod nazwą zasady wysokiej temperatury i krótkiego czasu albo HTST (High Temperaturę Short Time), względnie systemu ultrawysokiej temperatury, czyli UHT (Ultra High Temperature) Zasada UHT znalazła zastosowanie praktyczne w metodzie sterylizacji produktów płynnych (np. mleka) przed ich zapakowaniem. Na oporność cieplną mikroorganizmów mają wpływ następujące czynniki: 1. Rodzaj drobnoustrojów i forma, w jakiej występują. Przetrwalniki bakteryjne są bardziej ciepłooporne niż komórki wegetatywne. Spory pleśni mają niską ciepłooporność, zbliżoną do cieplooporności komórek wegetatywnych bakterii mezofilnych. Najmniej oporne na ogrzewanie są drożdże i to zarówno formy wegetatywne, jak i przetrwalnikowe. 2. Warunki środowiska, w jakich przebywają podczas traktowania ciepłem, a są to: Zawartość wody tak w środowisku, jak i w komórkach drobnoustrojów. Większą oporność cieplną przetrwalników tłumaczy się między innymi tym, że zawierają one mniej wody niż komórki wegetatywne. Podczas niszczenia przetrwalników ogrzewanie za pomocą pary wodnej jest bardziej efektywne niż tzw. „ciepło suche"; Składniki żywności. Obecność tłuszczów, białek i wysoka koncentracja cukru zwiększa oporność cieplną mikroorganizmów. Szczególnie tłuszcze chronią komórki drobnoustrojów, tworząc dookoła nich otoczki pozbawione wody; pH żywności. Bakterie patogenne i gnilne są bardziej ciepłooporne w środowisku o pH bliskim naturalnego, drożdże i grzyby tolerują bardziej kwaśne środowisko, ale są mniej 19 LUTY 2009

123

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

ciepłooporne niż przetrwalniki bakteryjne. W zależności od pH żywność dzieli się na trzy zasadnicze grupy: a) żywność niekwaśna i mało kwaśna - o pH większym od 4,6, np. mleko, drób, ryby, groszek, fasola, szpinak, buraki; b) żywność kwaśna - o pH od 3,7 do 4,6, do której zalicza się gruszki, morele, pomidory, czerwoną kapustę; c) żywność bardzo kwaśna - o pH mniejszym od 3,7, np. kwaszona kapusta, kwaszone ogórki, większość owoców. Żywność mało kwaśna do termicznego utrwalenia wymaga ogrzewania w temperaturze powyżej 100°C, natomiast w przypadku żywności kwaśnej ten sam efekt można osiągnąć przez ogrzewanie w temperaturach nie przekraczających 100°C. Niektóre rodzaje bardzo kwaśnej żywności czy też żywność o niskiej aktywności wodnej, jak słodzone zagęszczone mleko oraz suszone produkty, do utrwalenia nie wymagają wcale lub też wymagają bardzo delikatnego ogrzewania głównie ze względu na obecność drożdży, pleśni czy enzymów powodujących ich psucie. Większość enzymów występujących w żywności ma wartości D i z zbliżone do tychże dla mikroorganizmów i dlatego ulegają inaktywacji podczas normalnego procesu ogrzewania. Jednakże niektóre z nich są bardziej ciepłooporne i szczególnie w kwaśnej żywności może zachodzić niecałkowita ich denaturacja w związku ze stosunkowo krótkim czasem ogrzewania i niższą temperaturą stosowaną do inaktywacji mikrobiologicznej. Znajomość ciepłooporności drobnoustrojów lub enzymów znajdujących się w produktach spożywczych jest wykorzystywana do ustalania warunków termicznych gwarantujących ich zniszczenie. W praktyce problem ten sprowadza się do ustalenia takiego mikroorganizmu spośród szkodliwej mikroflory występującej w danym asortymencie żywności, którego zniszczenie wymaga stosunkowo największej dawki ciepła. Taki drobnoustrój uznaje się za krytyczny i dla niego jest ustalana wielokrotność wartości D (czasu dziesięciokrotnej redukcji). W tabeli 2 przedstawiono przykłady bakterii przyjmowanych za krytyczne przy sterylizacji cieplnej mało kwaśnych produktów spożywczych.

Tabela 2. Bakterie przetrwalnikowe uznane za mikroflorę krytyczną w procesie termicznego utrwalania mało kwaśnej żywności (w nawiasach podano optimum temperaturowe) z D121 Rodzaj Rodzaj bakterii n [min] żywności [°C] Bakterie termofilne (35-55°C): Bacillus stearothermophilus 5 10,0 4,0 jarzyny, mleko Cl. thermosaccharolyticum 5 7,2-10,0 3,0-4,0 jarzyny Bakterie mezofilne (10-40°C): Clostridium sporogenes 5 8,8-11,1 0,8-1,5 mięso Bacillus subtilis 6 4,1-7,2 0,5-0,76 produkty mleczne Clostridium botuiinum typ A i B 12 7,7-10,0 0,1-0,2 żywność mało kwaśna W żywności mało kwaśnej za najbardziej niebezpieczny, ciepłooporny i wytwarzający przetrwalniki mikroorganizm jest uznawany Clostridium botulinum, produkujący w warunkach beztlenowych bardzo silne egzotoksyny. W praktyce międzynarodowej przyjęto, że wielokrotność redukcji dziesiętnej w jego przypadku powinna wynosić 12, czyli l przetrwalnik na 10-12 tys. opakowań, zakładając, że przed sterylizacją w opakowaniu znajduje się l przetrwalnik. Jednakże ze względu na prawdopodobieństwo występowania jeszcze bardziej ciepłoopornych bakterii, np. Clostridium sporogenes, istnieje konieczność dodatkowego wydłużenia czasu ogrzewania. 124

19 LUTY 2009

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

W żywności kwaśnej i bardzo kwaśnej czynnikiem ograniczającym trwałość konserwy jest działalność enzymów, stąd też warunki ogrzewania są łagodniejsze (wystarcza pasteryzacja). Obliczanie czasu sterylizacji W zależności od sposobu prowadzenia procesu sterylizacji (okresowo lub przepływowo) podstawowym parametrem technologicznym jest odpowiednio czas trwania procesu oraz czas przebywania w aparacie. W pewnym przybliżeniu czas przebywania można obliczać tak samo, jak czas trwania procesu okresowego, zakładając, że przepływ produktu w sterylizatorze jest tłokowy. Dokładniejsze obliczenia wymagają uwzględnienia rozkładu czasów przebywania (np. dla past lub skoncentrowanych soków). Czas trwania sterylizacji (dla danego poziomu redukcji liczby drobnoustrojów równego 10n) zależy od temperatury procesu i ciepłooporności drobnoustrojów. W warunkach zapewniających stałość współczynnika z i temperatury T czas sterylizacji można obliczyć z zależności: przy czym n = lg(N0/N), gdzie: N0 - początkowa liczba mikroorganizmów, N - końcowa liczba mikroorganizmów. Początkowa liczba drobnoustrojów powinna uwzględniać tylko spory, gdyż formy wegetatywne giną w niższych temperaturach. Założony efekt sterylizacji zostanie osiągnięty tylko wówczas, gdy w całej masie sterylizowanego produktu osiągnięta zostanie ta sama temperatura. Ponadto, jeśli produkt nie jest jednorodny (np. zawiesina, ciało stałe), to spory mogą być izolowane od bezpośredniego działania pary wodnej i łatwiej przeżyć sterylizację. Proces sterylizacji prowadzony bywa czasem w innej temperaturze niż ta, dla której znana jest wartość współczynnika D. Wymagany czas sterylizacji Fzt można przeliczyć z czasu FzTo, stosując współczynnik z, za pomocą zależności

Powyższe wielkości wiążą się również z współczynnikiem Q10:

Wprowadza się kolejną wielkość zwaną szybkością śmierci termicznej i wówczas:

Jest ona zatem stosunkiem czasu trwania procesu w temperaturze T0 (najczęściej 121°C) do czasu jego trwania w temperaturze T. Jeżeli np. temperatura produktu wynosi 111°C, to oznacza, że 1,0 min sterylizacji przy temperaturze 111°C daje ten sam efekt letalny co 0,1 min przy 121°C. Innymi słowy, jeżeli FzTo dla danego procesu równa się 1,0 min, wtedy L = 0,1 jest ułamkiem jednostki sterylności spełnionym dla l min przy temperaturze T (tu 111°C). Natomiast jednostką sterylności jest dawka ciepła powodująca śmierć mikroorganizmu w ciągu l min w temperaturze121°C. Przy obliczaniu dawki ciepła potrzebnej do uzyskania sterylności handlowej umownie przyjęto symbol Fo oznaczający liczbę minut potrzebną, aby w temperaturze 121°C zniszczyć 19 LUTY 2009

125

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

mikroorganizm, którego z=10. Przykładowe wielkości Fo przedstawiono w tabeli 3. Przy produkcji nowego asortymentu wartość Fo należy ustalić doświadczalnie. Tabela 3. Wartości Fo stosowane dla uzyskania słerylności handlowej niektórych konserw Produkt Wielkość puszki Fo [min] Fasola w sosie pomidorowym Groszek w zalewie Marchewka Grzyby w zalewie Siedź w pomidorach Mięso w sosie

wszystkie 220 g wszystkie A1 owalne wszystkie

4-6 6 3-4 8-10 6-8 12-15

Rzeczywisty proces sterylizacji składa się z trzech etapów: ogrzania do zadanej temperatury, przetrzymania w niej i następnie chłodzenia. Sumaryczny efekt działania temperatury podczas tych trzech etapów można obliczyć na dwa sposoby, wykorzystując równanie pierwotne kinetyki pierwszego rzędu lub podane wyżej zależności. W pierwszej metodzie przyjmuje się, że stała szybkości reakcji k jest zmienna wraz z temperaturą, zatem znając różne wartości k dla różnych temperatur T i wartość temperatury w danym czasie t, oblicza się efekt sterylizacji z zależności:

Całka ta może być obliczona analitycznie, numerycznie lub graficznie. Poniżej pokazany jest drugi sposób. Przeliczenie takie może być konieczne w przypadku, gdy sterylizowany produkt jest czuły na wysoką temperaturę i nie powinien w niej przebywać dłużej niż potrzeba. Jeśli rozpatruje się chwilowe wartości L, to ekwiwalentny czas sterylizacji można obliczyć z wzoru:

Przechodząc do skończonych wartości przyrostu czasu, można uznać, że w przedziałach Δt szybkość śmierci termicznej jest liniowa. Wartość FzTo można obliczyć, stosując zależność (wzór trapezów): Jeszcze prościej oblicza się całkę, stosując wzór prostokątów:

jednakże jest on wystarczająco dokładny przy dużej liczbie przedziałów czasu Δt. Oczywiście tak uproszczony sposób rozwiązania całki dt nie zawsze jest wystarczająco dokładny. Należy wówczas skorzystać z innych metod numerycznych. Tych samych obliczeń można dokonać, rysując krzywą szybkości śmierci termicznej w układzie współrzędnych: szybkość śmierci termicznej (L) – czas (t). Powierzchnia poniżej krzywej równa jest co do wartości FzTo (rys. 4).

126

19 LUTY 2009

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

Rys .4. Graficzne wyznaczanie wartości FzTo Metody sterylizacji Obecnie w przemyśle są stosowane dwie podstawowe metody sterylizacji cieplnej: • sterylizacja żywności w opakowaniach hermetycznych, czyli tzw. apertyzacja, • sterylizacja żywności przed zapakowaniem i aseptyczne pakowanie. • w niektórych przypadkach stosuje się tzw. sterylizację dwustopniową, będącą kombinacją obu wyżej wymienionych metod. Proces apertyzacji Jako opakowania do konserw mogą służyć puszki metalowe, naczynia szklane i zgrzewalne opakowania z tworzyw sztucznych. Puszki przeznaczone do pakowania produktów zawierających barwniki antocjanowe są dodatkowo powlekane od wewnątrz różnymi odmianami emalii i lakierów, dzięki czemu nie ulegają korozji, a produkty nie zmieniają barwy. W przygotowaniu warzyw, a niekiedy owoców, mięsa i innych surowców przeznaczonych do puszkowania bardzo ważnym procesem jednostkowym jest blanszowanie będące także wstępem do mrożenia i suszenia. Głównym jego zadaniem jest inaktywowanie enzymów albo rozłożenie substratów enzymatycznych, np. nadtlenków. Obecne w żywności czynne enzymy mogą spowodować niekorzystne zmiany barwy, zapachu i smaku podczas przerobu i przechowywania produktów. Ogrzewanie we wrzącej wodzie inaktywuje np. oksydazę o-difenolową i przez to zapobiega późniejszemu ciemnieniu surowców o jasnym miąższu (np. jabłka, ziemniaki, groszek) w wyniku enzymatycznego utleniania związków fenolowych. Konsekwencją blanszowania jest także: zmniejszenie zakażeń mikrobiologicznych, usuwanie gazów z komórek, zmiękczanie żywności i jej kurczenie się, co ułatwia napełnianie opakowań, ale również straty rozpuszczalnych w wodzie składników odżywczych. W konserwach z zalewą w zamkniętej puszce powinna pozostać nieduża przestrzeń wolna wynosząca ok. 0,25 cm. Jej brak może prowadzić do bombaży technicznych, natomiast zbyt duża przestrzeń wolna może być przyczyną uszkodzeń stałych części konserwy podczas transportu. Bardzo istotną operacją w procesie apertyzacji jest odpowietrzenie napełnionych opakowań. Ma ono na celu: ograniczenie szkodliwych procesów oksydacyjnych, zachowanie większej wartości odżywczej, 19 LUTY 2009

127

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

ograniczenie procesów korozyjnych w puszkach oraz ograniczenie możliwości wykiełkowania pojedynczych pozostałych przy życiu przetrwalników bakterii tlenowych, zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia bombażu technicznego. W wyniku prawidłowo przeprowadzonego procesu odpowietrzania w zamkniętym opakowaniu po procesie sterylizacji panuje podciśnienie odpowiadające ok. 1/3 ciśnienia atmosferycznego. Odpowietrzenie może być przeprowadzone jednym z trzech sposobów: immersyjnie za pomocą pary mechanicznie Odpowietrzanie immersyjne polega na przetrzymywaniu napełnionych naczyń w wodzie o temperaturze 80-95°C i doprowadzeniu temperatury w materiale do 60-80°C. Ekshaustia immersyjna jest stosowana przy produkcji kompotów, zwłaszcza z owoców zawierających duże ilości powietrza (jabłka, truskawki, maliny). Do odpowietrzania słoików z pastami i dżemami stosuje się system parowy. Powietrze z wolnej przestrzeni nad produktem jest usuwane za pomocą strumienia pary, po czym naczynie zostaje natychmiast zamknięte. Odpowietrzanie mechaniczne stosuje się do konserw nie ogrzewanych po zamknięciu (jak zgęszczone mleko) lub ogrzewanych łagodnie (konserwy szynkowe), a polega ono na usuwaniu powietrza za pomocą pompy ssącej. Najistotniejszą operacją w produkcji konserw jest sterylizacja, którą przeprowadza się w sterylizatorach. Urządzenia te dzielą się na wsadowe (autoklawy) i do pracy ciągłej (rys. 5).

Rys. 5. Sterylizator pionowy (autoklaw) przystosowany do chłodzenia pod ciśnieniem: 1-zawór bezpieczeństwa, 2 -zawór parowy, 3- manometr, 4-termometr, 5-kontrolujący sensor, 6128

19 LUTY 2009

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

skrzynka z czujnikami temperaturowymi, 7-doprowadzenie pary, 8-wejście powietrza do chłodzenia pod ciśnieniem. Autoklawy mogą być pionowe lub poziome, z przystosowaniem do sterylizacji w wodzie, parze lub homogennej mieszaninie powietrza i pary wodnej, z automatycznym załadowaniem i wyładowaniem. Ich wadą jest większe zużycie pary i wody niż w nowoczesnych urządzeniach do pracy ciągłej. Pionowe (rys. 5) zajmują mniej miejsca niż poziome, lecz te drugie są łatwiejsze do załadowania i wyładowania. Urządzenia do pracy ciągłej pozwalają na ścisłą kontrolę warunków procesu. Ciśnienie wewnątrz opakowań zmienia się w sposób łagodny, dzięki czemu prawdopodobieństwo wystąpienia odkształceń czy też zniszczenia puszek jest mniejsze w porównaniu z autoklawami wsadowymi. Podstawowymi wadami urządzeń do pracy ciągłej są: znaczne załadowanie produktami, które w razie awarii sterylizatora mogłyby ulec zniszczeniu, korozja metalu oraz zanieczyszczenie bakteriami termofilnymi o ile nie są prowadzone właściwe pomiary. W praktyce sterylizatory do pracy ciągłej są stosowane tam, gdzie nie zachodzi konieczność zmiany rozmiarów opakowań i gdzie warunki procesu są stałe. Przykładem tego typu urządenia jest sterylizator hydrostatyczny oraz śluzowy. Czas sterylizacji w autoklawie τ dzieli się na trzy okresy: • czas ogrzewania konserw τog do temperatury sterylizacji τs • czas utrzymywania konserw w temperaturze sterylizacji τs • czas chłodzenia τch co zapisuje się wzorem:

Szybkość przenikania ciepła do sterylizowanego produktu i tym samym czas nagrzewania konserw zależy od następujących czynników: Konsystencja konserwy. Im jej treść jest bardziej płynna, w tym większym stopniu może zachodzić konwekcyjne przenoszenie ciepła, dzięki czemu czas nagrzewania jest krótszy niż w przypadku konserw o stałej konsystencji, w których przenoszenie ciepła odbywa się na drodze przewodzenia. Wielkość opakowań. Im opakowanie jest większe, tym czas potrzebny do jego nagrzania jest dłuższy. Wytrząsanie opakowań podczas sterylizacji zwiększa szybkość przenoszenia ciepła na drodze konwekcji w produktach półstałych i o dużej lepkości (np. fasola w sosie pomidorowym), dzięki czemu można skrócić czas ogrzewania. Różnica temperatur. Im wyższa jest temperatura w autoklawie, a niższa w puszce, tj. im większa jest różnica temperatur, tym szybsze jest tempo nagrzewania konserwy. Kształt opakowania. Wysokie opakowania wzmagają przewodzenie konwekcyjne w żywności o konsystencji płynnej i półpłynnej. Typ opakowania. Różnice w przewodności cieplnej i grubości ścianek opakowań sprawiają, że czas sterylizacji dla konserw w opakowaniach metalowych jest o ok. 50% krótszy niż w szklanych. Po upływie czasu wymaganego do utrwalenia danej partii konserw rozpoczyna się proces studzenia, który musi być prowadzony w warunkach uniemożliwiających powstawanie bombaży technicznych czy też uszkodzenia podwójnej zakładki. Puszki o pojemności ponad l L, a szczególnie duże opakowania 5-10 l, wymagają studzenia od temperatury 121-115°C najpierw do ok. 100°C, a następnie dalszego chłodzenia do ok. 20-30°C przy utrzymywaniu nadciśnienia zewnętrznego. Studzenie pod ciśnieniem przeprowadza się w sposób ciągły w autoklawach sprzężonych z urządzeniami do chłodzenia. W sterylizatorach do pracy okresowej studzenie 19 LUTY 2009

129

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

przeprowadza się przez stopniowe doprowadzenie chłodnej wody od spodu z jednoczesnym wypieraniem górą pary lub gorącej wody, przy bardzo wolnym obniżaniu nadciśnienia. W celu sprawdzenia trwałości konserw wykonuje się tzw. próbą termostatową, która polega na przetrzymywaniu reprezentatywnie wybranych opakowań przez 3-8 dni w temperaturze 37-40°C. W produkcji konserw przeznaczonych do krajów tropikalnych stosuje się temperaturę 55°C. Jeśli proces sterylizacji nie został przeprowadzony właściwie, mogą się pojawić puszki z objawami zepsuć. Próbę termostatową uważa się za pozytywną, jeżeli ilość pojawiających się wad konserw nie przekracza 2%. W żywności utrwalanej metodą apertyzacji mogą wystąpić trzy rodzaje zepsuć: bombaże objawiające się wydęciem puszek; zepsucia płasko-kwaśne; zepsucia płaskie niekwaśne. W zależności od przyczyny zepsucia wyróżnia się bombaż techniczny, chemiczny i mikrobiologiczny. Bombaże techniczne są spowodowane przeładowaniem puszek, brakiem odpowietrzenia, a więc obecnością nadmiernej ilości tlenu lub zbyt szybkim obniżaniem ciśnienia w autoklawie i mogą przyczyniać się do rozwoju bombaży chemicznych lub mikrobiologicznych. Bombaże chemiczne lub inaczej wodorowe są spowodowane przez gromadzący się wodór, który powstaje w wyniku reakcji między kwaśnymi związkami konserwy a metalowymi ściankami opakowania. Tempo korozji zależy od porowatości blachy (miejsca nie pokryte cyną), od rodzaju produktu w puszce, stopnia odpowietrzenia itp. Obecność tlenu, barwników antocyjanowych i kwasów organicznych przyspiesza reakcje towarzyszące korozji. Bombaże mikrobiologiczne spowodowane są przez drobnoustroje wytwarzające produkty gazowe. W przypadku niedogrzania mogą to być drożdże wytwarzające C02 lub bakterie mlekowe. Jednakże zepsucie konserw mało kwaśnych następuje najczęściej pod wpływem ciepłoopornych bakterii beztlenowych z rodzaju Clostridium, wśród których mogą występować gatunki niebezpieczne dla zdrowia, jak C. perfingens lub C. botulinum produkujące egzotoksyny o dużej zjadliwości. Innym rodzajem zepsuć, którym nie towarzyszą wydęcia puszek, są zepsucia płasko-kwaśne i płaskie niekwaśne. Pierwsze z nich spowodowane są działalnością względnych beztlenowców wytwarzających przetrwalniki i powodujących zakwaszenie konserw, natomiast drugie są skutkiem działania bakterii tlenowych przetrwalnikujących powodujących rozluźnienie konsystencji konserwy i powstanie nieprzyjemnych zapachów. Sterylizacja żywności przed zapakowaniem i aseptyczne pakowanie Charakterystyka procesu Podstawowym problemem podczas apertyzacji produktów o stałej konsystencji lub dużej lepkości jest mała szybkość przenikania ciepła do centrum termicznego konserwy, czego następstwem jest utrata wartości odżywczych i sensorycznych żywności, zwłaszcza warstw znajdujących się bezpośrednio przy ściankach naczynia, oraz długi czas procesu. Podwyższenie temperatury w sterylizatorach pozwoliłoby na skrócenie czasu procesu i zmniejszyłoby straty jakościowe żywności, ale wiązałoby się także ze zwiększeniem stosowanego ciśnienia, a w dalszej konsekwencji ze wzrostem kosztów opakowań i wyposażenia. Problem ten został rozwiązany dzięki wprowadzeniu sterylizacji produktu przed jego zapakowaniem, a następnie pakowaniu w sposób aseptyczny. Tego rodzaju metoda pozwala na wykorzystanie zasady HTST (sterylizację polegającą 130

19 LUTY 2009

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

na błyskawicznym nagrzaniu, a potem schłodzeniu i aseptycznym pakowaniu określa się jako fasteryzację). W przemyśle spożywczym ten sposób utrwalania znalazł szerokie zastosowanie. Systemem UHT sterylizuje się produkty płynne, jak mleko, soki owocowe, wino, praż żywność zawierającą cząstki o średnicy mniejszej od l cm, np. odżywki dziecięce, przetwory pomidorowe, desery ryżowe. Wysoka jakość żywności utrwalanej systemem UHT współzawodniczy z żywnością chłodzoną i utrwalaną przez napromienienie, ale ma dodatkową zaletę, a mianowicie zachowuje dobrą jakość przez przynajmniej 6 miesięcy, nie wymagając chłodniczego zabezpieczenia w tym czasie. Drugą ważną zaletą jest to, że warunki procesu nie są uzależnione od rozmiarów opakowań. Wreszcie proces ten charakteryzuje wysoka wydajność ze względu na pełną automatyzację i oszczędność energetyczną, np. ekonomiczność produkcji mleka systemem UHT wiąże się z tym, że jego dystrybucja nie wymaga transportu chłodniczego w przeciwieństwie do mleka pasteryzowanego. Wadami tej metody są wysoki koszt i złożoność urządzeń wynikające z konieczności sterylizacji materiałów opakowaniowych, rurociągów i zbiorników, konieczność utrzymywania powietrza i urządzeń napełniających w stanie sterylnym. Ponadto urządzenia te musi obsługiwać wysoko wyspecjalizowany personel. Utrwalana żywność ogrzewana jest w stosunkowo cienkich warstwach w wymiennikach ciepła z jednoczesną ścisłą kontrolą temperatury sterylizacji i czasu jej utrzymywania. Ponieważ opakowania nie muszą być wytrzymałe na warunki sterylizacji, dlatego też powszechnie są stosowane laminowane kartony. Kartony są wstępnie sterylizowane za pomocą nadtlenku wodoru, a ich napełnianie odbywa się w warunkach sterylnych utrzymywanych dzięki działaniu ultrafioletu i filtrowanego powietrza. Urządzenia stosowane w procesie UHT dzielą się w zależności od sposobu doprowadzania ciepła na: bezpośrednie (ciepło doprowadzane przez iniekcję lub infuzję pary); pośrednie (ciepło doprowadzane w wymiennikach ciepła, np. rurowych, płytowych); inne (ciepło doprowadzane przez ogrzewanie dielektryczne, indukcyjne lub mikrofalowe). Urządzenia do bezpośredniego ogrzewania produktów Zasada działania urządzeń należących do tej grupy polega na dokładnym wymieszaniu produktu z oczyszczoną parą wodną, co może odbywać się na dwa sposoby: I. Metoda iniekcyjna. Para o ciśnieniu 965 kPa jest wprowadzana przez iniekcję do wstępnie ogrzanego (do 76°C) płynnego produktu np. mleka, powodując jego natychmiastowe ogrzanie do temperatury 150°C. Po odpowiednim czasie przetrzymywania w tej temperaturze (np. po 2,5 s) produkt ze skroploną parą przechodzi do komory o zredukowanym ciśnieniu, zwanej komorą ekspansyjną. Ciśnienie w komorze odpowiada temperaturze nieco niższej od temperatury mleka przed iniekcją pary, co powoduje odparowanie takiej ilości wody, jaka została wprowadzona ze skraplającej się pary. Odparowanie wody pod zredukowanym ciśnieniem powoduje natychmiastowe oziębienie produktu do temperatury 76°C. Zaletami tej metody są: bardzo szybkie ogrzanie, a potem schłodzenie, dzięki czemu jest ona odpowiednia dla większości produktów wrażliwych na wysoką temperaturę, z produktu są usuwane gazy, co w przypadku niektórych produktów jest zaletą (np. z mleka usuwany jest m.in. tlen, co hamuje proces utleniania). , Jednakże: metoda ta jest odpowiednia tylko dla produktów o niskiej lepkości, kontrola warunków procesu jest stosunkowo słaba, mogą wystąpić trudności z utrzymaniem sterylności w niskociśnieniowych częściach wyposażenia, wymagania dotyczące czystości pary znacznie podrażają koszty procesu, możliwa jest regeneracja mniej niż 50% energii w porównaniu z ponad 90-procentowym odzyskiem w systemie pośrednim, 19 LUTY 2009

131

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

możliwości dokonywania zmian dla różnych typów produktów są małe. II. Metoda infuzyjna. Produkt jest rozpylany w postaci swobodnie opadającej „błonki" wewnątrz komory, w której znajduje się para wodna o ciśnieniu 450 kPa. W tych warunkach produkt natychmiast (0,3 s) ogrzewa się do temperatury 142-146°C i utrzymywany jest w niej przez 3 s, po czym przechodzi do komory ekspansyjnej, gdzie następuje błyskawiczne oziębienie go do temperatury 65-70°C. Ciepło odzyskane z chłodzonego produktu jest wykorzystywane do wstępnego ogrzania wchodzącego materiału. Przewaga tej metody nad iniekcyjna polega na tym, że utrwalany płyn nie kontaktuje się z gorącymi powierzchniami urządzenia, w związku z czym nie następuje jego przypalanie się. Inne zalety tej metody to: prawie natychmiastowe ogrzanie surowca do temperatury pary wodnej i bardzo szybkie schłodzenie, dzięki czemu zostają zachowane jego właściwości sensoryczne i odżywcze, lepsza kontrola warunków procesu niż w metodzie iniekcyjnej, mniejsze ryzyko miejscowego przegrzania produktu, metoda ta jest bardziej odpowiednia dla żywności o wyższej lepkości niż iniekcyjna. Podstawową wadą tej metody jest zatykanie się dyszy rozpyłowej urządzenia i rozdzielanie składników w niektórych produktach. Urządzenia do pośredniego ogrzewania produktów 1. Wymienniki płytowe Stosowanie wymienników płytowych wiąże się z wieloma ograniczeniami wynikającymi ze stosowania wyższej temperatury i ciśnienia. Ponadto mogą być one wykorzystywane tylko do ogrzewania płynów o małej lepkości. Wymienniki płytowe obok tych wad mają wiele zalet, a mianowicie: są stosunkowo niedrogie, są ekonomiczne pod względem zajmowanej powierzchni i zużywanej wody, są oszczędne pod względem energetycznym (ponad 90% energii ulega regeneracji), istnieją możliwości dopasowania wydajności produkcji dzięki zmiennej ilości płyt. 2. Wymienniki rurowe Zastosowanie wymienników rurowych pozwala na pracę przy wyższym ciśnieniu (7 000-10 000 kPa), a to powoduje większą szybkość przepływu cieczy sterylizowanej, czego konsekwencją jest bardziej równomierne przenoszenie ciepła i nieosadzanie się produktu na ściankach rur. Lecz w tego rodzaju urządzeniach nie ma możliwości regulowania wydajności procesu, tak jak to ma miejsce w przypadku wymienników płytowych (np. przez podłączenie dodatkowego pakietu płyt). Chcąc zwiększyć wydajność sterylizacji wymiennika rurowego, należy zamontować drugie takie samo urządzenie, gdyż zwiększenie średnicy rur wymagałoby wyższego ciśnienia do utrzymania szybkości przepływu na tym samym poziomie, a przewody o zwiększonej średnicy są mniej wytrzymałe na zwiększone ciśnienie. Sterylizacja systemem dwustopniowym Obok metody apertyzacji i aseptycznego wyjaławiania na uwagę zasługuje również sterylizacja systemem dwustopniowym. Obejmuje ona: 132

19 LUTY 2009

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

sterylizację wstępną produktu przed jego zapakowaniem zachodzącą w wymiennikach płytowych bądź rurowych w temperaturze 135-141°C, rozlew do opakowań i ich zamknięcie, sterylizację końcową produktu zamkniętego hermetycznie, która odbywa się w autoklawach. Dzięki zastosowaniu sterylizacji wstępnej warunki ogrzewania w autoklawach są łagodniejsze, a to z kolei sprawia, że zmiany organoleptyczne produktu są niniejsze, a składniki pokarmowe wrażliwe na wysokie temperatury lepiej zachowane. Zmiany w żywności spowodowane działaniem wysokiej temperatury Efektem cieplnego utrwalania żywności są zmiany jej koloru, smaku, zapachu i konsystencji, przy czym stosowanie metod UHT pozwala na lepsze zachowanie wielu tych wskaźników, które decydują o walorach sensorycznych i odżywczych. W mniejszym stopniu ulegają zmianie barwniki, np. karoteny i betanina, które pozostają prawie nie zmienione, a chlorofil i antocjany są lepiej zachowane. Sterylizowane aseptycznie mleko, soki owocowe i warzywa zachowują swój naturalny smak. Również straty witamin są znacznie mniejsze. Pasteryzacja Pasteryzacja jest łagodniejszym sposobem termicznego utrwalania żywności, lecz okres przydatności do spożycia produktów pasteryzowanych jest kilkakrotnie krótszy niż sterylizowanych, a ponadto wymagają one dodatkowo zabezpieczenia chłodniczego. Jedynie surowiec o pH niniejszym od 4,5 uzyskuje tą drogą trwałość równą produktom sterylizowanym. Pasteryzacji poddaje się mleko, piwo, soki owocowe, ogórki konserwowe. W technologii mleczarstwa rozróżnia się następujące jej rodzaje: pasteryzacja niska lub długotrwała, która polega na przetrzymywaniu mleka w temperaturze 63-65°C przez 30 min, pasteryzacja krótkotrwała to działanie temperaturą 72°C przez 15-40 s, pasteryzacja wysoka przebiegająca w temperaturze 80-85°C w czasie od 15-20s do kilkunastu min, pasteryzacja momentalna, czyli działanie temperaturą 85-90°C bez przetrzymywania. Pasteryzacja powoduje znaczne zmniejszenie aktywności enzymów występujących w mleku, np. termiczne warunki zniszczenia fosfatazy alkalicznej pokrywają się z warunkami pasteryzacji krótkotrwałej, a zupełna inaktywacja laktoperoksydazy występuje po 13-sekundowym działaniu temperatury 85°C. Właściwości tych enzymów zostały wykorzystane w przemyśle mleczarskim do określania skuteczności-w pierwszym przypadku pasteryzacji niskiej i krótkotrwałej, a w drugimwysokiej. Urządzenia, w których przeprowadza się ten proces, noszą nazwę pasteryzatorów i dzielą się na: pasteryzatory płytowe i rurowe, pasteryzatory tunelowe, pasteryzatory wannowe. Zasadniczą częścią składową pasteryzatorów płytowych są płyty o charakterystycznym profilu, dzięki któremu po zestawieniu ich w pakiet (zestaw) tworzą się kanały, którymi przepływają przemiennie (co drugą płytą) i w przeciwprądzie mleko i woda. W obrębie zestawu płyt można wyróżnić następujące działy: regeneracji, pasteryzacji, 19 LUTY 2009

133

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

przetrzymywania, chłodzenia (wodą bieżącą, a następnie lodową). Dział regeneracji składa się z 2-3 sekcji i służy do wstępnego ogrzewania mleka zimnego ciepłem mleka spasteryzowanego. W pasteryzatorach tunelowych opakowany produkt (butelki lub puszki) przesuwa się pod natryskiem gorącej wody lub też jest zanurzany w wodzie o określonej temperaturze. Pasteryzatory wannowe to zbiorniki, do których nalewa się produkt albo też napełnia się je wodą i wstawia do nich zapakowany materiał.

134

19 LUTY 2009

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

11.2.

WYKONANIE ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z prędkością ogrzewania się najwolniej ogrzewającego się miejsca w produkcie spożywczym umieszczonym w słoju. Wykonanie oznaczenia 1. Umieścić słój w łaźni o temperaturze ok. 90°C. Początkowo temperaturę produktu wewnątrz słoja zapisywać w odstępach czasu 0,5-1 minuty, później co 2 minuty. Temperaturę należy notować do momentu uzyskania temperatury pasteryzacji.

UWAGA!! NALEŻY STALE KONTROLOWAĆ POZIOM WODY W ŁAŹNI WODNEJ. EWENTUALNE JEJ BRAKI NALEŻY UZUPEŁNIĆ WODĄ DESTYLOWANĄ. 2. Po odpowiednim okresie ogrzewania w łaźni słój należy chłodzić do temperatury ok. 20°C. W czasie schładzania także należy co minutę zapisywać temperaturę (tabelka) Nr 1 2 3 … 9 10 itd...

Czas, min.

Temperatura produktu

3. Należy wykreślić krzywą zależności czasu od temperatury (T= oC, czas w minutach). Otrzymany wykres należy zinterpretować.

11.3.

PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW

Wyniki oznaczeń umieścić w sprawozdaniu [wzór w załącznikach] w formie oddzielnych punktów wraz z przeliczeniami i przedłożyć osobie prowadzącej ćwiczenia w celu sprawdzenia. Należy także zaznaczyć wszelkie odstępstwa od metod podanych w opracowaniu ćwiczeń. Na końcu sprawozdania z ćwiczeń należy podać wnioski w formie zwięzłych punktów.

19 LUTY 2009

135

TERMICZNE UTRWALANIE ŻYWNOŚCI

11.4.

SPRZĘT I ODCZYNNIKI

2 łaźnie wodne o temperaturach 90°C (łaźnie do ogrzewania słoi) i 20°C (łaźnia do chłodzenia słoi) słoiki typu „Twist” o pojemności 0,45l z zakrętkami czujnik temperatury z układem pomiarowym.

136

19 LUTY 2009

ZAŁĄCZNIK

ZAŁĄCZNIKI Załącznik 1.

WZÓR SPRAWOZDANIA Z ĆWICZEŃ

Nazwisko i Imię: Symbol podgrupy: 1A Malinowska Agnieszka Data(-y) wykonywania ćwiczenia: 28.02.2009 Kowalik Piotr Osoba prowadząca ćwiczenia: stopień naukowy, imię i nazwisko Temat i numer ćwiczenia: Wpływ pH i temperatury na aktywność glukoamylazy (ćwiczenie nr 6) 1. Cel ćwiczenia (nie więcej niż 1-3 zdania) Nie należy zamieszczać teoretycznego opisu dotyczącego ćwiczenia! 2. Zadania do realizacji (w formie podpunktów) np.: a) przygotowanie próbek piw do analiz b) oznaczenie gęstości piwa c) oznaczenie zawartości ekstraktu w piwie d) oznaczenie zawartości etanolu w piwie e) oznaczenie barwy piwa itd.

3. Wprowadzone zmiany w metodykach Należy w wyraźnie wydzielonych podpunktach wyszczególnić wprowadzone zmiany w metodykach w stosunku do metod dostarczonych w tekście ćwiczenia. 4. Spostrzeżenia i obliczenia Spostrzeżenia takie jak np. zmiana barwy, wygląd hodowli jak również pełne przeliczenia wyników, rysunki, wykresy, tabele należy przedstawić w wyraźnie wydzielonych podpunktach, adekwatnie do punktu 2 „Zadania do realizacji”. Uwaga: Należy zamieszczać pełne obliczenia rachunkowe bez stosowania skrótów myślowych. 5. Wnioski Wnioski należy przedstawić w formie zwięzłych punktów. W przypadku braku możliwości poprawnego wnioskowania np. na skutek uzyskania błędnych lub niepewnych wyników eksperymentu należy przedstawić na podstawie dogłębnej analizy przebiegu eksperymentu prawdopodobne przyczyny uzyskania nieprawidłowego wyniku. Analizę błędów popełnionych w czasie eksperymentu należy wyraźnie oddzielić od wniosków.

19 LUTY 2009

137

LITERATURA

LITERATURA 1. Ogólna technologia żywności. Skrypt do ćwiczeń pod red. Ewy Hajduk. Wyd. AR w Krakowie. Kraków 1998. 2. Ogólna technologia żywności. Część II. Pod red. Włodzimierza Bednarskiego. Skrypt Akademii Rolniczo-Technicznej w Olsztynie, Olsztyn 1991. 3. Higiena produkcji żywności. Pod red. Danuty Kołożyn Krajewsiej. Wyd. SGGW. Warszawa 2001. 4. Biotechnologia żywności. Praca zbiorowa pod red. Włodzimierza Bednarskiego i Arnolda Repsa. Wyd. Naukowo-Techniczne. Warszawa 2001. 5. Mikrobiologia i higiena w przemyśle spożywczym. Pod red. Zofii Zakowskiej i heleny Stobińskiej. Wyd. Politechniki Łódzkiej, Łódź 2000. 6. Przewodnik do ćwiczeń z ogólnej technologii żywności. Praca zbiorowa pod red. Gustawa Sobkowicza. Wyd. AR we Wrocławiu. Wrocław 1998. 7. Substancje dodatkowe i składniki funkcjonalne żywności. Rutkowski A., Gwiazda S., Dąbrowski K., Czapski J., Kamiński E., Pluta A. Agro & Food Technology, Warszawa 1997. 8. Handbook of food preservation. Edited by Shafiur Rahman. Marcel Dekker, Inc. New YorkBasel, 1999. 9. Microbiological risk assessment in food processing. Ed. by Martyn Brown i Mike Stringer. Woodhead Publishing Ltd.Cambridge England 2002. 10. Handbook of Fermented Functional Foods. Edited by Edward R. Farnworth. CRC Press. Boca Raton- London-N.Y.-Washington D.C. 2003. 11. Modern Food Microbiology. James M. Jay. Sixth edition. Aspen Publishers Gaithers burg Maryland 2000. 12. The nutrition handbook for ford processors. C.J.K. Henry, C. Chapman. CRC Press. Boca Raton- London-N.Y.-Washington D.C. 2000.

138

19 LUTY 2009

SPIS AUTORÓW

SPIS AUTORÓW Dr inż. Jacek Pielecki Dr Piotr Janas Dr inż. Tomasz Czernecki Dr inż. Bożena Sosnowska Dr inż. Dominik Szwagier Dr Adam Waśko

19 LUTY 2009

139