Osmoanabiosa. Princip osmoanabiosy. Aktivita vody. Aktivita vody. Aktivita vody (vodní aktivita) Vliv aktivity vody na různé procesy v potravinách

Transkript

1 Princip osmoanabiosy Snížení aktivity vody ovlivnění obsahu volné vody Osmoanabiosa Zvýšení osmotického tlaku Snížení ph ovoce Obsah vody v potravinách voda volná voda vázaná Aktivita vody (vodní aktivita) Aktivita vody Termodynamická veličina Stavová veličina Interakce mezi potravinou a prostředím Rovnovážný stav s okolím a w vzduchu = a w Žádné sdílení hmoty + žádné sdílení tepla Definice a w Vyjadřuje množství využitelné vody míra volnosti vody Mikroorganismy Enzymy Chemické změny potravin Hodnoty a w nezbytné pro růst Bakterie a w 0,9 až 0,95 Kvasinky a w 0,87 Plísně a w 0,60 a w 0,87 rostou patogeny a w < 0,87 nerostou patogeny a w = f i /f i0 f i fugacita i-té složky v daném stavu f i0 fugacita i-té složky ve standardním stavu Závisí na druhu Není shodná s obsahem vody halifilní bakterie 0,75 osmofilní kvasinky 0,60 0,6 Fugacita je funkcí parciálního tlaku Vlivy působící na a w Společný efekt působících látek (sůl, cukr ) a w p w/p w0 Kapilární efekty Povrchové interakce se skupinami p w parciální tlak vodní páry nad potravinou nerozpuštěných látek (škrob, proteiny, stěny p w0 parciální tlak vodní páry nad čistou vodou buněk, lipidy); dipól-dipól, iontové vazby, Van der Waalsovy síly konstantní teplota a w = /00 rovnovážná relativní vlhkost vzduchu (%) A molekulární a silně vázaná voda, monovrstva vody B hydratační vrstvy vody, kolem iontů, kapilární vody C volná vody Aktivita vody Vliv aktivity vody na různé procesy v potravinách a w Potravina Činnost mikroorganismů 0, - 0, Cerálie, cukr, krekry, sůl, sušené mléko 0,60 Med, čokoláda, špagety, nudle, sušenky Přežívají Nerozmnožují se, nerostou, počet klesá Přežívají Nerozmnožují se, nerostou 0,60-0,85 0,85-0,9 0,9-0,98 Džemy, rosoly, sušené ovoce a zelenina, Přežívají parmezán, silně solené ryby, ořechy, sušené Plísně při a vaječné obsahy w<0,80 netvoří toxiny Fermentované salámy, slazené Staphylococcus aureus rozmnožuje se, kondenzované mléko, sušené maso, syrová netvoří toxiny šunka, slanina Plísně rozmnožují se, tvoří toxiny Kondenzované mléko, rajský protlak, chléb, ovocné šťávy solené ryby, tepelně opracované salámy, sýry Staphylococcus aureus - rozmnožuje se, tvoří toxiny Bakterie, kvasinky rozmnožují se pomaleji,některé ukončují růst 0,98-0,99 Mléko, čerstvé maso, ryby, konzervovaná zelenina, ovocné kompoty, vejce Rozmnožují se, rostou 6

2 obsah vody (%) obsah vody (%) Měření aktivity vody Proč měříme a w? rozvoj mikroorganismů (a w =0,6 kritická hodnota, mikrobiologicky suché, ) stanovení rovnovážné vlhkosti výrobní technologie a w metry Manometrická metoda přímé měření tlaku vodní páry ve vakuovaných nádobách Gravimetrická metoda sledování změn obsahu vody Elektrické vlhkoměry kapacitní vodivostní měření rosného bodu 7 Sorpční izoterma Důvody k měření izoterm: - Stanovení obsahu obalové monovrstvy vody - Stanovení kritické vodní aktivity nebo limitu obsahu vody pro křupavost, tvrdost a roztékavost - Maximalizace obsahu vody při zachování bezpečné vodní aktivity úpravou receptury - Úprava řízení procesu sušení pro dosažení bezpečné vodní aktivity při maximalizaci obsahu vody a současném zabránění přesušení - Stanovení trvanlivosti produktu a jeho skladovatelnosti - Předpovězení požadavků na balení podle sorpčních vlastností produktu - Stanovení rovnovážné vodní aktivity směsi dvou suchých složek (ingrediencí) - Stanovení stupně čirosti (krystaličnosti) prášků 5 - Stanovení kritické vodní aktivity pro fázové přechody 0 - Stanovení vztahu mezi vodní aktivitou a teplotou zesklovatění 5 - Stanovení vztahu mezi vodní aktivitou a teplotou krystalizace 0 - Stanovení úrovní hystereze produktu 5 - Stanovení vlhkostní citlivosti produktu 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 - Stanovení rovnovážného obsahu vody při dané vodní aktivitě aktivita vody 8 Sorpční izotermy potravin Metody osmoanabiosy Sušení Horký vzduch Kontaktní sušení Sublimační sušení Expanzní sušení 4 sušené meruňky jedlé kolagenní střívko instantní polévka s játrovými knedlíčky 5 4 torteliny s drůbežím masem 5 zrnková káva 6 6 lískové ořechy aktivita vody Teplota 5 C 9 Zakoncentrování Odpařování Membránové procesy Vymrazování Proslazování Solení 0 Princip Přívod tepla do horký vzduch vyhřívaný povrch mikrovlnný ohřev ohřev radiovými vlnami Odvedení vlhkosti vzduch Sušení Sušení vzduchem Teplo přiváděné vzduchem je absorbováno sušenou potravinou teplo potřebné k ohřevu na teplotu sušení výparné teplo nutné ke změně skupenství vody Schopnost vzduchu absorbovat vodní páru z závisí na: množství vodní páry obsažené v sušícím vzduchu teplotě sušícího vzduchu objemu vzduchu omývající sušené rychlosti proudění vzduchu Vzduch termodynamické veličiny Vlhký vzduch = směs suchý vzduch + voda (ve formě syté, či přehřáté vodní páry, mlhy, jinovatky) Tepelné procesy Daltonův zákon celkový tlak směsi plynů p je dán součtem dílčích (parciálních) tlaků jednotlivých složek p i: p = p i kde: p je celkový tlak směsi plynů (Pa) pi parciální tlak jednotlivých složek p b = p A + p v kde: p b je celkový tlak směsi plynů (Pa) p A parciální tlak suchého vzduchu p V parciální tlak vodní páry Stavová rovnice ideálního plynu p = R m n T kde: p je celkový tlak vzduchu (Pa) R je univerzální plynová konstanta (R = 8 4, J/kmol.K) ρ je hustota (měrná hmotnost) vlhkého vzduchu (kg/m) T je termodynamická teplota (K) m n je střední molekulová hmotnost vlhkého vzduchu(kg/kmol) molekulová hmotnost suchého vzduchu 0,0898 kg/mol molekulová hmotnost vodní páry 0,08 kg/mol Vlhkost vzduchu Nenasycený (parciální tlak vodních par ve vzduchu je menší tlak sytých par při téže teplotě p V < p V ) Nasycený p V = p V" Přesycený (nasycený vzduch, který obsahuje ještě další vodu v kapalném nebo tuhém skupenství) Absolutní vlhkost vzduchu - a, v (hustota vlhkého vzduchu) (Hmotnost vodní páry v objemu m ; kg/m ) Relativní vlhkost - φ Udává míru nasycení vzduchu. φ = 00 % znamená nasycený vzduch; p V = p V". Parciální tlak par - p V Tlak, odpovídající příslušné absolutní vlhkosti (viz stavová rovnice). Parciální tlak par není závislý na teplotě (při konstantním tlaku). Měrná vlhkost vzduchu - x Udává hmotnost vodní páry v kg, připadající na kg suchého vzduchu [kg/kg A nebo g/kg A)]: X = M v/m A t m - teplota mokrého teploměru (teploměr s vlhkým návlekem) je to taková teplota vody, při níž je teplo potřebné k vypařování vody do vzduchu odebíráno přestupem tepla konvekcí z okolního vzduchu (při izobarickém ději).teplota, kterou vzduch dosáhne při nasycení vypařováním vody, nejnižší teplota adiabatického procesu vlhkého vzduchu t r - teplota rosného bodu - teplota, při které je vzduch nasycen. Při dalším ochlazování začíná vodní pára kondenzovat. V h-x diagramu se teplota rosného bodu pro daný stav vzduchu odečte na průsečíku křivky nasycení a čáry měrné vlhkosti, odpovídající danému stavu vzduchu

3 teplota, t ( C) Měrná entalpie vlhkého vzduchu Entalpický diagram vlhkého vzduchu i-x diagram, Mollierův diagram Měrná entalpie - vyjadřuje tepelnou energii uloženou v jednotkovém množství látky. Definována jako součet entalpií jednotlivých částí směsi vlhkého vzduchu. Entalpie směsi (h) kg suchého vzduchu (h A ) a x kg vodní páry (h v ) bude: izoterma měrná vlhkost x (g vodní páry/ kg suchého vzduchu). 0 % 0 % síť svislých izočar, které jsou vyneseny nad tzv. čarou 0 sytosti. 0 % Svislá osa: 40 % 0 Stupnice na svislé ose grafu označuje síť vodorovných izoterem, tj. stavů s konstantní teplotou vzduchu t. 50 % 40 Vodorovná osa: h = h A + h v = c A t + x ( c v t) % 0 70 % Stupnice vedoucí šikmo vzhůru středem grafu a pokračující 80 % na pravé straně grafu vyznačuje měrnou entalpii vzduchu h, 90 % izoentalpy konstantní měrnou entalpií vzduchu. 00 Entalpie suchého vzduchu Entalpie vodní páry 0 90 Křivky označené od 0 do 90 % tvoří izočáry pro konstantní hodnoty relativní vlhkosti vzduchu. Entalpie suchého vzduchu je násobkem měrné tepelné kapacity (při konstantní teplotě) a teploty. Entalpie vodní páry je funkcí teploty a tlaku. Pro běžné výpočty lze do teploty 00 C a tlaku par 0 kpa použít empirický vztah Čára sytosti - izočára, na které je relativní vlhkost = 00 %. 60 h A = c A t = 00 t kde: h je měrná entalpie směsi směsi vlhkého vzduchu (J/kg) h A je měrná entalpie suchého vzduchu (J/kg) h V je měrná entalpie vodní páry (J/kg) t je teplota stavu vzduchu ( C) l je skupenské teplo vypařování vody = 500 (kj) pro vodu teploty 0 C h v = x (l + c v t )= x ( c v t) Tlak: Pa c A = 00 J/kg K je měrná tepelná kapacita suchého vzduchu; platí od -0 do 00 C 0 c V = 840 J/kg K je měrná tepelná kapacita vodní páry; do 00 C x je měrná vlhkost vlhkého vzduchu [kg/kg A] měrná vlhkost, x (g vodní páry/ kg s.v.) Entalpický diagram vlhkého vzduchu Určení relativní vlhkosti sušicího vzduchu Entalpický diagram vlhkého vzduchu Určení rosného bodu sušicího vzduchu Příklad: U sušicího vzduchu byly naměřeny následující teploty: teplota suchého teploměru t d= 0 C teplota mokrého teploměru t w = C. Z Mollierova diagramu určete: relativní vlhkost sušícího vzduchu ( ), Příklad: U sušicího vzduchu byly naměřeny následující teploty: teplota suchého teploměru t d= 0 C teplota mokrého teploměru t w = C. Z Mollierova diagramu určete: teplotu rosného bodu sušícího vzduchu (t r). Řešení: t d = 0 C, t w = C (teplota mokrého teploměru se získá při adiabatickém zvlhčování vzduchu až na relativní vlhkost 00 %). Průsečíkem izotermy pro t w = C a křivky pro RV = 00 % se vede adiabata, která se protne s izotermou pro t d = 0 C. V tomto bodu se odečte relativní vlhkost sušicího vzduchu = 45 %. t = 0 C, = 45 %, teplota rosného bodu se získá, jestliže vzduch ochlazujeme při konstantní měrné vlhkosti až na stav nasycení ( = 00 %). Průsečíkem izotermy pro t = 0 C a křivky pro = 45 % se vede svislá přímka (chlazení při konstantní měrné vlhkosti), která se protne s křivkou pro = 00 %. Z tohoto bodu se vede izoterma a odečte teplota rosného bodu sušicího vzduchu t r = 8 C. Způsoby měření vlhkosti Způsoby měření vlhkosti Měřením teploty rosného bodu (ochlazované zrcátko s optickým snímačem) Dilatační - změna rozměru některých organických látek vlivem vlhkosti vlasy, živočišné blány, syntetické organické látky) Odporové vlhkoměry - změna elektrického odporu mezi elektrodami - tuhý elektrolyt Al O, elektroda z hliníku s vrstvičkou Al O,. potažená tenkou vrstvou zlata propustnou pro vodní páry Elektrické kapacitní vlhkoměry - kondenzátor s dielektrikem z polymeru, absorpcí vody mění své dielektrické vlastnosti kapacitu kondenzátoru vlhkost Psychrometry (Augustův a Assmanův) - teplota suchého t A a mokrého teploměru t m 7 8

4 Teplota ( C) pro křivku Obsah vody (kg/kg sušiny) pro křivku Rychlost sušení pro křivku Sušící křivky Křivka : závislost teploty ( C) na čase (šetrné sušení, přehřívání sušeniny) Sušící křivky Závislost obsahu vody v potravině (kg/kg sušiny) na čase Křivka : závislost obsahu vody v potravině (kg/kg sušiny) na čase Křivka : závislost rychlosti sušení na čase (oblast odpařování vody) a časový úsek, v němž potravina ještě obsahuje volnou vodu b - časový úsek hygroskopického stavu odpařuje se vázaná voda Závislost teploty ( C) na čase a D b A B C Čas A teplota sušené se přibližuje teplotě sušícího vzduchu B obsah vody v sušené potravině je v rovnováze s relativní vlhkostí sušícího vzduchu C rychlost sušení se blíží k nule D kritický bod sušení 9 0 Sušící křivka Závislost rychlosti sušení na čase Mechanismus sušení vzduchem Vlhká potravina sušící vzduch Výměna vlhkosti Výměna tepla Rychlost odvádění vlhkosti z přímo úměrná rozdílu mezi vlhkostí vzduchu nad potravinou a vlhkostí proudícího vzduchu nepřímo úměrná tloušťce mezní vrstvy. Rychlost sdílení tepla přímo úměrná rozdílu teplot a sušicího vzduchu nepřímo úměrná tloušťce mezní vrstvy. Mezní vrstva Vrstva nepohybujícího se vzduchu mezi sušenou potravinou a proudícím vzduchem Vodní pára difuse mezní vrstvou Teplo mezní vrstva mechanismus vedení tepla Tloušťka mezní vrstvy závisí na rychlosti proudění vzduchu Schéma horkovzdušné sušárny Typy horkovzdušných sušáren 4 4

5 Typy sušáren Komorové sušárny 5 6 Tunelové sušárny Pásové sušárny 7 8 Sprejová sušárna s fluidním dosoušením Válcová sušárna Čerstvý vzduch Využitý vzduch Sprejová sušárna Fluidní dosoušení Usušená potravina Odstředivá fluidní sušárna Plnící vzduch 9 Sušící vzduch 0 5

6 Sublimační sušení - lyofilizace Sublimační sušárna Rychlé zmražení umístění do sušárny tlak nižší než tlak vodní páry při trojném bodu vody (60,5 Pa) voda odchází ze zmrazené sublimací přímo z ledu zachování textury Fázový diagram vody a b c a - křivka tání b - sublimační křivka c vypařovací křivka T trojný bod K kritický bod Expanzní sušení Expanzní sušárna Záhřev tlakové zařízení nad teplotu varu při normálním tlaku Uvolnění přetlaku Okamžité odpaření vody Ohřívací prostor Nafouklá struktura (škrob) Přehřátá pára Výrobky Zelenina, cukrovinky, cereálie 4 Princip Zakoncentrování - odpařování přivedení výparného tepla vody do odstranění vlhkosti ve formě čisté vodní páry z tlakový spád proces ukončen při významném podílu vody v produktu Vlastnosti zahušťované Snížení ph a w měrné teplo tepelná vodivost aromatické látky Zvýšení teplota varu viskozita iontová síla tvorba přesycených roztoků Údržnost a w, ph, složení refraktometrická sušina (rozpustná sušina, RS) Index lomu; jednotka Brix = koncentrace roztoku sacharózy v procentech, který má stejný index lomu jako produkt samoúdržné RS 65 Brix ; obvykle 75 Brix RS 65 Brix chlazení, tepelné opracování, zmrazování apod. 5 Příklady aplikací odpařování Povidla, rajčatový protlak Zahušťování šťáv Výroba koncentrátů (ovocné, kondenzované mléko) Odpařování cukrovarnických šťáv při výrobě cukru Odstranění části vody před sušením tekutých potravin 6 6

7 Odparky Duplikátorový kotlík Konstrukce odparek počet stupňů jednostupňové, vícestupňové uspořádání stupňů souproud, protiproud, vsádkové kontinuální použití komprese brýdových par otevřené kotle bleskové odparky filmové odparky vakuové odparky 7 8 Jednoduchá vakuová odparka Schéma kontinuální jednostupňové odparky D duplikátorový plášť C topný prostor P přívod páry E parní ventil F pojistný ventil G, L manometry H odplyňovací ventil topného prostoru I odvodňovací ventil K samočinný odváděč kondenzátu B odsávací potrubí (odvádění brýdových par) M vzdušný ventil N nasávací ventil 9 40 Schéma dvoučlenné odparky v souproudém zapojení Schéma dvoučlenné odparky v protiproudém zapojení 4 4 7

8 Dvoustupňové odparky Dvoustupňová desková odparka 4 44 Odparka s klesajícím filmem Robertova odparky Příklady aplikací odpařování Odpařování cukrovarnických šťáv při výrobě cukru Zahušťování šťáv (65 Brix nebo 75 Brix, obsahu rozpustné sušiny = refraktometrické sušiny) Výroba koncentrátů (ovocné, kondenzované mléko) Odstranění části vody před sušením tekutých potravin Povidla, rajčatový protlak Koncentrace membránovými procesy Přímá osmóza pro sušení ovoce a zeleniny (ananas, papaja) Reversní osmóza tlaková filtrace předzahuštění ovocných šťáv maximálně na 0 % rozpustné sušiny Vlastnosti zahušťované Zvýšení teploty varu a viskozity Snížení měrného tepla a tepelné vodivosti Zvýšení iontové síly roztoku Snížení ph Pokles aktivity vody Tvorba přesycených roztoků Ztráta aromatických látek 47 Ultrafiltrace přívod roztoku určeného ke koncentraci odvod permeátu (vody) odvod koncentrátu 4 sběrná trubka pro permeát 5 asymetrická membrána 6 směr toku permeátu ke sběrné trubce 48 8

9 Cukr váže vodu snížení a w zvýšení osmotického tlaku ph sladká chuť Proslazování osmotický tlak (5% sacharosa 0,4 Mpa 5% glukosa 0,7 MPa) krystalizace sacharosy (v celém objemu) inverze (hydrolýza) sacharosy v kyselém prostředí, teplo (0 až 50 %) invert = glukosa (krystalizace, bílý sediment)+ fruktosa zvýšení osmotického tlaku (invert) plísně, osmofilní kvasinky Údržnost výrobky z ovoce 60% cukru osmotický tlak 4, Mpa ph, nedostatek dusíkatých látek kyselé sirupy 60 až 65 % cukru nekyselé sirupy (cukerné, sladové) 75 až 80 % cukru Výrobky ovocné pomazánky džemy marmelády sirupy Vyhláška č. 57/00 Sb. Solení Sůl Osmoanabiosa + chemoanabiosa (Cl - antimikrobní) Výrobky mikrobiálně stabilní výrobek polévkové koření - maggi alespoň 0 % soli - chuťově nepřijatelné zelenina chuťově přijatelné - % soli ryby střeva masné výrobky kombinace solení a sušení (5 6 % soli) 50 9