Osmoanabiosa. Princip osmoanabiosy. Aktivita vody. Aktivita vody. Aktivita vody (vodní aktivita) Aktivita vody

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 2 Aktivita vody Aktivita vody (vodní aktivita) Vyjadřuje množství využitelné vody pro: mikroorganismy enzymy chemické změny potravin Závisí na druhu potraviny Není shodná s obsahem vody Definice a w = p w/p w0 p w parciální tlak vodní páry nad potravinou p w0 parciální tlak vodní páry nad čistou vodou a w = /100 konstantní teplota rovnovážná relativní vlhkost vzduchu (%) Termodynamická veličina Stavová veličina Interakce mezi potravinou a prostředím Rovnovážný stav s okolím a w vzduchu = a w potraviny Žádné sdílení hmoty + žádné sdílení tepla Definice a w a w = f i /f i0 f i fugacita i-té složky v daném stavu f i0 fugacita i-té složky ve standardním stavu Vyjadřuje množství využitelné vody míra volnosti vody Mikroorganismy Enzymy Chemické změny potravin Závisí na druhu potraviny Není shodná s obsahem vody Hodnoty a w nezbytné pro růst Bakterie a w 0,91 Kvasinky a w 0,87 Plísně a w 0,60 Fugacita je funkcí parciálního tlaku a w p w/p w0 p w parciální tlak vodní páry nad potravinou p w0 parciální tlak vodní páry nad čistou vodou a w = /100 konstantní teplota rovnovážná relativní vlhkost vzduchu (%) Vlivy působící na a w Společný efekt působících látek (sůl, cukr ) Kapilární efekty Povrchové interakce se skupinami nerozpuštěných látek (škrob, proteiny, stěny buněk, lipidy); dipól-dipól, iontové vazby, Van der Waalsovy síly Aktivita vody Hodnoty a w nezbytné pro růst Bakterie a w 0,91 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 halifilní bakterie 0,75 osmofilní kvasinky 0,60 0,62 Aktivita vody a w Potravina Činnost mikroorganismů 0,1-0,2 Cerálie, cukr, krekry, sůl, sušené mléko 0,60 0,60-0,85 0,85-0,9 0,9-0,98 Med, čokoláda, špagety, nudle, sušenky Přežívají Nerozmnožují se, nerostou, počet klesá Přežívají Nerozmnožují se, nerostou 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 A molekulární a silně vázaná voda, monovrstva vody B hydratační vrstvy vody, kolem iontů, kapilární vody C volná vody 0,98-0,99 Mléko, čerstvé maso, ryby, konzervovaná zelenina, ovocné kompoty, vejce Romnožují se, rostou 1

2 obsah vody (%) obsah vody (%) Vliv aktivity vody na různé procesy v potravinách Měření aktivity vody Proč měříme a w? rozvoj mikroorganismů (a w =0,6 kritická hodnota, potraviny 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 8 Sorpční izoterma Sorpční izotermy potravin 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 25 - Stanovení kritické vodní aktivity pro fázové přechody 20 - Stanovení vztahu mezi vodní aktivitou a teplotou zesklovatění 15 - Stanovení vztahu mezi vodní aktivitou a teplotou krystalizace 10 - Stanovení úrovní hystereze produktu 5 - Stanovení vlhkostní citlivosti produktu 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 - Stanovení rovnovážného obsahu vody při dané vodní aktivitě aktivita vody 9 1 sušené meruňky 2 jedlé kolagenní střívko instantní polévka s játrovými knedlíčky 5 4 torteliny s drůbežím masem 5 zrnková káva 6 6 lískové ořechy aktivita vody 10 Sušení Horký vzduch Kontaktní sušení Sublimační sušení Expanzní sušení Metody osmoanabiosy Princip Přívod tepla horký vzduch vyhřívaný povrch mikrovlnný ohřev ohřev radiovými vlnami Odvedení vlhkosti vzduch Sušení Zakoncentrování Odpařování Membránové procesy Vymrazování Proslazování Solení 11 Sušení vzduchem Teplo přiváděné vzduchem je absorbováno sušenou potravinou Teplo potřebnému k ohřevu potraviny na teplotu sušení Výparné teplo nutné ke změně skupenství vody Schopnost vzduchu absorbovat vodní páru z potraviny závisí na: množství vodní páry obsažené v sušícím vzduchu teplotě sušícího vzduchu objemu vzduchu omývající sušené potraviny rychlosti proudění vzduchu 12 2

3 Teplota ( C) pro křivku 1 Obsah vody (kg/kg sušiny) pro křivku 2 Rychlost sušení pro křivku Rychlost sušení teplota, t ( C) Vzduch veličiny Entalpický diagram vlhkého vzduchu i-x diagram, Mollierův diagram Vlhký vzduch = směs vodní pára (molární hmotnost 0,018 kg/mol) + suchý vzduch (střední molová hmotnost 0,02898 kg/mol) Popis vzduchu - veličiny: P - celkový tlak (Pa) t - teplota ( C) T - absolutní teplota (K) p - parciální tlak vodní páry ve vlhkém vzduchu (Pa) - relativní vlhkost sušícího vzduchu t d - teplota suchého teploměru (teploměr v proudu sušícího vzduchu) t w - teplota mokrého teploměru (teploměr s vlhkým návlekem) t r - teplota rosného bodu - teplota, při které je vzduch nasycen vodní parou a jeho relativní vlhkost je 100 %, další ochlazování vede ke kondenzaci vodní páry 1 izoterma % 20 % 10 0 % Vodorovná osa: 40 % 120 měrná vlhkost Y (g vodní páry/1 kg suchého vzduchu). síť svislých izočar, které jsou vyneseny nad tzv. čarou 50 % sytosti. 60 % % 80 % Svislá osa: 90 % Stupnice na svislé ose grafu označuje síť vodorovných 100 izoterem, tj. stavů s konstantní teplotou vzduchu t. 90 Stupnice vedoucí šikmo vzhůru středem grafu a pokračující 80 na pravé straně grafu vyznačuje měrnou entalpii vzduchu i, izoentalpy konstantní měrnou entalpií vzduchu Křivky označené od 10 do 90 % tvoří izočáry pro konstantní 50 hodnoty relativní vlhkosti vzduchu. 40 Čára sytosti - izočára, na které je relativní vlhkost = 100 % Tlak: Pa 0 měrná vlhkost, Y (g vodní páry/1 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= 20 C teplota mokrého teploměru t w = 1 C. Z Mollierova diagramu určete: relativní vlhkost sušícího vzduchu ( ), Příklad: U sušicího vzduchu byly naměřeny následující teploty: teplota suchého teploměru t d= 20 C teplota mokrého teploměru t w = 1 C. Z Mollierova diagramu určete: teplotu rosného bodu sušícího vzduchu (t r). Řešení: t d = 20 C, t w = 1 C (teplota mokrého teploměru se získá při adiabatickém zvlhčování vzduchu až na relativní vlhkost 100 %). Průsečíkem izotermy pro t w = 1 C a křivky pro RV = 100 % se vede adiabata, která se protne s izotermou pro t d = 20 C. V tomto bodu se odečte relativní vlhkost sušicího vzduchu = 45 %. t = 20 C, = 45 %, teplota rosného bodu se získá, jestliže vzduch ochlazujeme při konstantní měrné vlhkosti až na stav nasycení ( = 100 %). Průsečíkem izotermy pro t = 20 C a křivky pro = 45 % se vede svislá přímka (chlazení při konstantní měrné vlhkosti), která se protne s křivkou pro = 100 %. Z tohoto bodu se vede izoterma a odečte teplota rosného bodu sušicího vzduchu t r = 8 C. Sušící křivky Fáze sušení Křivka 1: závislost teploty ( C) na čase (šetrné sušení, přehřívání sušeniny) Křivka 2: závislost obsahu vody v potravině (kg/kg sušiny) na čase Křivka : závislost rychlosti sušení na čase (oblast odpařování vody) 2 1 a D b A B C Čas a časový úsek, v němž potravina ještě obsahuje volnou vodu b - časový úsek hygroskopického stavu potraviny odpařuje se vázaná voda A teplota sušené potraviny 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 17 Konstantní rychlost sušení Přítomnost vody na povrchu potraviny Sušení je limitováno rychlostí odpařování vody z povrchu potraviny Mezní vrstva Potravina Mezní vrstva Kritický bod sušení Žádná voda na povrchu potraviny Sušení je limitováno rychlostí difuse vody z vnitřku potraviny na povrch potraviny Klesající rychlost sušení Sušení je limitováno rychlostí difuse vody z vnitřku potraviny na povrch potraviny Celková doba sušení 18

4 Mechanismus sušení Schéma horkovzdušné sušárny Vlhká potravina sušící vzduch Výměna vlhkosti Výměna tepla Rychlost odvádění vlhkosti z potraviny přímo úměrná rozdílu mezi vlhkostí vzduchu nad potravinou a vlhkostí proudícího vzduchu a nepřímo úměrná tloušťce mezní vrstvy. Rychlost sdílení tepla - přímo úměrná rozdílu teplot potraviny a sušicího vzduchu a 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 Typy horkovzdušných sušáren Typy sušáren Komorové sušárny Tunelové sušárny

5 Pásové sušárny Sprejová sušárna s fluidním dosoušením Sprejová sušárna Fluidní dosoušení Válcová sušárna Sublimační sušení - lyofilizace Rychlé zmražení umístění do sušárny tlak nižší než tlak vodní páry při trojném bodu vody (610,5 Pa) voda odchází ze zmrazené potraviny sublimací přímo z ledu zachování textury Fázový diagram vody Odstředivá fluidní sušárna a b c a - křivka tání b - sublimační křivka c vypařovací křivka T trojný bod K kritický bod Sublimační sušárna Expanzní sušení Záhřev tlakové zařízení nad teplotu varu při normálním tlaku Uvolnění přetlaku Okamžité odpaření vody Nafouklá struktura (škrob) Výrobky Zelenina, cukrovinky, cereálie

6 Expanzní sušárna Zakoncentrování - odpařování Princip přivedení výparného tepla vody do potraviny odstranění vlhkosti ve formě čisté vodní páry z potraviny tlakový spád Konstrukce odparek počet stupňů - jednostupňové, vícestupňové, uspořádání stupňů - souproud, protiproud, použití komprese brýdových par, kontinuální/vsádkový provoz. 1 2 Duplikátorový kotlík Jednoduchá vakuová odparka 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 4 Schéma kontinuální jednostupňové odparky Schéma dvoučlenné odparky v souproudém zapojení 5 6 6

7 Schéma dvoučlenné odparky v protiproudém zapojení Dvoustupňové odparky 7 8 Dvoustupňová desková odparka Odparka s klesajícím filmem Odparky Robertova odparka 9 40 Příklady aplikací odpařování Odpařování cukrovarnických šťáv při výrobě cukru Zahušťování šťáv (65 Brix nebo 75 Brix, obsahu rozpustné sušiny neboli 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 potraviny 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 41 Ultrafiltrace přívod roztoku určeného ke koncentraci 2 odvod permeátu (vody) odvod koncentrátu 4 sběrná trubka pro permeát 5 asymetrická membrána 6 směr toku permeátu ke sběrné trubce 42 7

8 Proslazování Solení Cukr sladká chuť váže vodu snížení a w Technologické problémy: krystalizace sacharosy inverze (hydrolýza) sacharózy v kyselém prostředí, teplo Výrobky ovocné pomazánky džemy marmelády sirupy Sůl Osmoanabiosa + chemoanabiosa (Cl - antimikrobní) mikrobiálně stabilní výrobek alespoň 20 % soli - chuťově nepřijatelné chuťově přijatelné 1-2 % soli Výrobky polévkové koření - maggi zelenina ryby Střeva Masné výrobky kombinace solení a sušení (5 6 % soli) (0 až 50 %) glukosa + fruktosa 44 8