A biológiai anyagok vízkötési potenciálja meghatározásának elméleti és kísérleti háttere Kovács Attila József – Neményi Miklós Nyugat-Magyarországi Egyetem, Mezőgazdaság- és Élelmiszertudományi Kar, Mosonmagyaróvár Agrárműszaki, Élelmiszeripari és Környezettechnikai Intézet 9200 Mosonmagyaróvár, Vár 2. Tel.: +96 566 657, Fax.: +96 566 641, E-mail:
[email protected] A biológia anyagok, mint pl. kukoricaszemek hőfizikai kezelések hatására lejátszódó állapotváltozásainak modellezéséhez korrekt fizikai mérések szükségesek. A hő- és anyagtranszport folyamatok véges elemes leírásánál a hajtópotenciálok ismerete elengedhetetlen ahhoz, hogy a modellek megfelelően kövessék a valóságot. Az NYME MÉK Agrárműszaki, Élelmiszeripari és Környezettechnikai Intézetében az eddigi gyakorlattal szemben az anyagtranszport folyamatok modellezésénél nedvesség potenciál gradienssel számolunk. Ehhez azonban szükség van a vizsgált biológiai anyagok vízkötési potenciáljának meghatározására. A méréseket az nehezíti, hogy a vizsgált kukoricaszemen belül az egyes alkotórészeknek eltérő a vízkötési potenciálja, így azokat külön-külön meg kell mérni. A nedvességpotenciál görbe alsó (kis nedvességtartalmú) szakaszának meghatározásához a szorpciós izotermákból indultunk ki. Az irodalmi forrásokban a kukoricaszemek és azok alkotórészeinek szorpciós izotermáira számos hivatkozás létezik, azonban sok ellentmondásos adat is szerepel [1, 2]. Szükség volt a görbék kísérletes meghatározására az általunk vizsgált Florencia hibridnél. A deszorpciós izotermák kiméréséhez mérésekhez egy temperált egységgel ellátott ROTRONIC HygrLab 3 vízaktivitás mérőt használtunk. Magasabb nedvességtartalmánál a vízkötési potenciál értékek a szorpciós izotermákból már nem számolhatók. A közvetlen mérésekhez a Sakatechwani Egyetemen (Kanada) kifejlesztett un. „pressure plate extractor”-t használtunk. A berendezést eredetileg a talaj vízkötési potenciáljának méréséhez tervezték [3]. A kétféle mérés eredményeiből vízpotenciál görbéket adtunk meg a kiválasztott hibridre, amelyeket a véges elemes modellezés során használunk fel. Bevezetés A NYME-MÉK Agrárműszaki, Élelmiszeripari és Környezettechnikai Intézetében kiterjedt tanulmányokat folytatunk mezőgazdasági anyagok szárításának modellezése terén. A hő- és anyagtranszport folyamatokat leíró differenciálegyenleteket megoldásához véges elemes (FE) programokat használunk. A modellek megoldásához, az alapparaméterek kiméréséhez azonban számos mérés szükséges. Ilyen mérés, a jelen tanulmányban tárgyal, szorpciós izoterma, ill. vízkötési potenciál vizsgálatok, amelyek eredményeit az anyagtranszport folyamatok modellezésénél használjuk fel. (A modellek részletes ismertetését jelen konferencia másik anyaga tartalmazza.) Kukoricahibrid szemtermésének és annak alkotórészeinek 40 °C-on vett deszorpciós izotermáját vettük fel annak higroszkópos tartományáig. A vízkötési potenciál értékek a szorpciós izotermákból adott nedvességtartalom tartományban közvetlenül számolhatók. Az anyag magasabb nedvességtartományában a vízkötési potenciál értékeket közvetlen méréssekkel kell meghatározni. Az eredményként kapott vízkötési potenciál egyenleteket ill. – 85 –
annak gradiensét közvetlenül használjuk fel a végeselemes modellek anyagtranszport egyenleteinek hajtóerejeként. A mezőgazdasági anyagok, szemestermények szorpciós izoterma mérései több évtizedre nyúlnak vissza [4]. Számos tanulmány készült búza ill. kukorica szemestermények egyensúlyi nedvességtartalmának meghatározásáról [5, 6, 7, 8]. A mérések során a mintákat különböző sóoldatokkal (az esetek többségében kül. töménységű kénsav oldatok) beállított relatív páratartalmú terekben tömegállandóságig kondicionálták, majd azok nedvességtartalmát lemérték. A módszer hátránya, hogy hosszú idő szükséges az egyensúlyi nedvességtartalom eléréséig és magas relatív nedvességtartalomnál (>80 %) a gabonaszemeken penészesedés, stb. jelent meg [5]. Ellentmondásos eredményeket találunk a kukoricaszemek alkotórészeit vizsgálatát leíró forrásokban [1, 2]. Elsősorban a magasabb szem nedvességtartalomnál felvett izotermák nem egyeznek. Míg a [2] esetében az endospermium (csíra) szorpciós kapacitása minden tartományban magasabb a csíráénál, addig [1] esetében kb. 90% relatív páratartalom felett a csíra szorpciós kapacitása megelőzi az endospermhoz tartozót (átvált). További nehézséget jelent, a szorpciós izotermákat leíró empirikus egyenletek nagy száma [9, 10]. A szerzők megpróbálják a nagy számú egyenleteket összefoglalni ill. a korlátózó feltételeket megadni. Mindennek ellenére még nem sikerült általános egyenletet felírni a teljes páratartalom tartományban. Sitkei [10] részletesen tárgyalja (elsősorban a talaj és növény kapcsolata közötti) a nedvességáramlás elméleti és gyakorlati kérdéseit. Jelen konferencia másik előadásában [Neméyni…] a következő összefüggést vezettük le, melyet a vízpotenciál értékek - a mért szorpciós izotermákból - magadásánál használtunk:
Ψ=−
RT
m
ln ϕ
[1]
g
ahol: Ψ a vízkötési potenciál, R univerzális gázállandó (8,3143 J·K-1·mol-1), T abszolút hőmérséklet, mg: víz molekula tömege (18 m3/kg), ϕ relatív páratartalom. Anyag és módszer Szorpciós izoterma mérések A mérésekhez a ROTRONIC cég HygroLab 3 vízaktivitás mérőjével végeztük el (1. ábra). A berendezés mintatartója temperált, így a minták állandó hőmérsékleten tartása biztosítható. A műszer közvetlenül méri a behelyezett minta nedvességtartalmának megfelelő vízaktivitást. A mérések során A Florencia hibridkukorica egész szemét és alkotórészeit (héj, scutellum, endosperm) külön-külön vizsgáltuk, eltérő, csökkenő nedvességtartalmaknál. A mérések után minden mintát szabványnak megfelelően - 72 h, 103 °C [10] - kiszárítottunk azok nedvességtartalmának meghatározása céljából Így a kukoricaszemek ill. alkotórészek deszorpciós izotermái felvehetők voltak.
– 86 –
1. ábra. Számítógéppel összekapcsolt ROTRONIC vízaktivitás mérő egység, precíziós mérleggel A mért értékekre többféle, az irodalomban megadott görbét illesztettünk. A módosított Henderson egyenlet közelítette meg legpontosabban a mért értékeket: RH = 1 − exp[− a ⋅ (t + c) ⋅ X b ]
[2]
ahol: RH: a relatív páratartalom [%], t: hőmérséklet [40 °C], X: egyensúlyi nedvességtartalom, sz.b. [kg/kg], a, b, c: állandók. A relatív páratartalom a vízaktivitás (aw) értékekből kiszámítható: RH = a w ⋅ p0
[3]
ahol: p0 t hőmérsékletű tiszta víz gőznyomása. Vízpotenciál mérések A vízpotenciál mérésekhez a Saskatchewani Egyetemen, Kanadában kifejlesztett, un. PPE-t (pressure plate extractor) használunk (2. ábra). A berendezést eredetileg talajminták vízmegkötő tulajdonságainak (soil water characteristic curve, ill. vízpotenciál) meghatározásához fejlesztették ki [3]. A berendezés egy kalibrált kerámia lap fölé helyezett, beállított nyomású térből áll, amelybe a mintát helyezzük. A beállási idő után a minta nedvességtartalmát a mintatartó és a minta együttes tömegéből határozzuk meg. A konkrét vizsgálatokat jelen cikk megírásakor kezdjük el, az első eredményekről a konferencia előadáson számolunk be.
– 87 –
2. ábra. PPE (Pressure plate extractor) berendezés Eredmények A 3(a-d) ábrák tartalmazzák az alkotórészek és az egész szemek deszorpciós izotermáit, a mért pontokat és a módosított Henderson egyenletekkel közelített görbéket.
Water activity, aw
Pericarpium
1.0 Water activity, aw
Endospermium
1.0
0.8
0.8 0.6
0.6
0.4
0.4
40 °C
0.2
0.2
0.0 0
10
20
30
40 °C
0.0
40
0
Nedvességtartalom, X [kg/kg]
(a)
Egész szem
1.0 Water activity, aw
Water activity, aw
50
(b)
Scutellum
1.0
10 20 30 40 Nedvességtartalom, X [kg/kg]
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4 40 °C
0.2
40 °C
0.2 0.0
0.0 0
10 20 30 40 50 60 Nedvességtartalom, X [kg/kg]
0
70
(c)
10 20 30 Nedvességtartalom, X [kg/kg]
(d) – 88 –
40
1. ábra. Az alkotórészek és egész szemek mért és illesztett deszorpciós izotermái (a: endospermium; b: pericarpium; c: scutellum; d: egész szemek). Az 1. táblázat a szorpciós izotermákra illesztett egyenletek paramétereit és r2 értékeit tartalmazza. 1. táblázat. A deszorpciós mérésekre illesztett módosított Henderson egyenlet paraméterei. Anyag Az egyenlet állandói Az illesztés megnevezése szorossága, r2 a b C Endoszpermium 1,09·104 2,01 1,76 0,98 4 Pericarpium 1,90·10 1,59 36,83 0,98 4 Scutellum 2,75·10 1,34 61,37 0,96 Egész szemek 1,49·104 1,85 12,71 0,98 4 ábra a szorpciós izotermákból [1] egyenlettel átszámított vízkötési potenciál görbéit mutatja. Jól érzékelhető, hogy vízpotenciál görbék „átváltanak”, vagyis az egyes alkotórészek vízmegtartó tulajdonsága egymáshoz képest változik.
[kJ/kg]
350
Endospermium
300
Pericarpium
Vízkötési potenciál,
400
250
Scutellum
200
Egész szemek
150 100 50 0 0
10
20 30 Nedvességtartalom, X , sz.b. [%]
40
50
2. ábra. A szorpciós izoterma mérésekből számított vízkötési potenciál értékek a nedvességtartalom függvényében. Összefoglaló Kukoricaszemek és azok alkotórészeinek vízkötési potenciál görbéinek meghatározása céljából deszorpciós izotermákat mérését végeztük el. Az eredményekből a vízpotenciál görbék megrajzolhatók voltak. További mérések szükségesek magasabb nedvességtartalomnál, mivel abban a tartományban a szorpciós görbék már nem szolgáltatnak megfelelő eredményt. Ezeknek a méréseknek a kidolgozása jelen dolgozat megírása alatt folyik.
– 89 –
Köszönetnyilvánítás A szerzők köszönetet mondanak az OTKA (T75006, F035247), és az NK+F program (4/0030/2002) anyagi támogatásának. Irodalom [1] Shelef, L.; Mohsenin, N.N. (1966) Moisture relations in germ-endosperm and whole corn kernel. Cereal Chemistry, 43, pp. 347-353. [2] Chung, D.; Pfost, H. (1967) Adsorption and desorption of water vapour by cereal grains and their products. Transactions of the ASAE, 4, pp. 549-551, 555 [3] Imre, E.; Rajkai, K.; Czap, Z.; Figri, T.; Telekes, G.; Aradi, L. (2000) Comparative measurements with sand box, pressure membrane extractor and pressure plate extractor. Unsaturated Soils for Asia, Rahardjo, H.; Toll, D.G.; Leong, E.C. (Eds), Balkema, Rotterdam [4] Babbit, J. D. (1945) Hysteresis in the adsorption of water vapour by wheat. Nature. Sept. 1. Pp. 265-266. [5] Henderson, S. M. (1952) A basic concept of equilibrium moisture. Agricultural Engineering, pp. 29-32 [6] Thompson, H. J., Shedd, C. K. (1954) Equilibrium moisture and heat of vaporization of shelled corn and wheat. Agricultural Engineering, Vol. 35. No. 11. pp. 786-788 [7] Day, D. L., Nelson, G. L. (1965) Desorption isotherms for wheat. Transactions of the ASAE, Vol. 8, No. 2., pp. 293-297 [8] Strohman, R. D., Yoerger, R. R. (1967) A new equilibrium moisture-content equation. Transactions of the ASAE, pp. 675-677 [9] Iglesias, H. A., Chirife, J. (1982) Handbook of foof isotherms: water sorption parameters for food and food components. Academic Press, New York. [10] ASAE Standards (1998) American Society of Agricultural Engineering, 45th Edition, St. Joseph, MI. [11] Sitkei, Gy. (1997) Gyakorlati áramlástan. Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest. [12] Neményi, M., Kovács A.J. (2003) Vízkötési potenciálra alapozott hő- és anyagtranszport modellek biológiai anyagokban. 5. Magyar Szárítási Szimpózium, Szeged, október 2122.
– 90 –
