Princip osmoanabiosy
Osmoanabiosa
•
Snížení aktivity vody ovlivnění obsahu volné vody
•
Zvýšení osmotického tlaku
•
Snížení pH ovoce
•
Obsah vody v potravinách voda volná voda vázaná
2
Aktivita vody (vodní aktivita)
Aktivita vody Vyjadřuje množství využitelné vody pro: • mikroorganismy • enzymy • chemické změny potravin Závisí na druhu potraviny Není shodná s obsahem vody
Definice aw = pw/pw0 pw … parciální tlak vodní páry nad potravinou pw0 … parciální tlak vodní páry nad čistou vodou
Termodynamická veličina Stavová veličina Interakce mezi potravinou a prostředím Rovnovážný stav s okolím aw vzduchu = aw potraviny Žádné sdílení hmoty + žádné sdílení tepla
Definice aw
konstantní teplota aw = /100
aw = fi/fi0
… rovnovážná relativní vlhkost vzduchu (%)
fi … fugacita i-té složky v daném stavu fi0 … fugacita i-té složky ve standardním stavu Fugacita je funkcí parciálního tlaku
Vyjadřuje množství využitelné vody – míra volnosti vody – – –
Mikroorganismy Enzymy Chemické změny potravin
Závisí na druhu potraviny Není shodná s obsahem vody
Vlivy působící na aw
• Společný efekt působících látek (sůl, cukr …) • Kapilární efekty • Povrchové interakce se skupinami pw … parciální tlak vodní páry nad potravinou nerozpuštěných látek (škrob, proteiny, pw0 … parciální tlak vodní páry nad čistou vodou stěny buněk, lipidy); dipól-dipól, iontové vazby, Van der Waalsovy síly… konstantní teplota aw pw/pw0
Hodnoty aw nezbytné pro růst Bakterie Kvasinky Plísně
aw 0,91 aw 0,87 aw 0,60
aw = /100
… rovnovážná relativní vlhkost vzduchu (%)
Aktivita vody
Aktivita vody Hodnoty aw nezbytné pro růst Bakterie Kvasinky Plísně
aw 0,91 až 0,95 aw 0,87 aw 0,60
aw 0,1 - 0,2
Potravina
Činnost mikroorganismů
Cerálie, cukr, krekry, sůl, sušené mléko
Přežívají Nerozmnožují se, nerostou, počet klesá
Med, čokoláda, špagety, nudle, sušenky
Přežívají Nerozmnožují se, nerostou
aw 0,87 rostou patogeny aw < 0,87 nerostou patogeny halifilní bakterie 0,75 osmofilní kvasinky 0,60 – 0,62
0,60
0,60 - 0,85
Džemy, rosoly, sušené ovoce a zelenina, Přežívají parmezán, silně solené ryby, ořechy, sušené Plísně při aw<0,80 netvoří toxiny vaječné obsahy
0,85 - 0,93
Fermentované salámy, slazené Staphylococcus aureus – rozmnožuje se, kondenzované mléko, sušené maso, syrová netvoří toxiny šunka, slanina Plísně – rozmnožují se, tvoří toxiny
0,93 - 0,98
0,98 - 0,99 A – molekulární a silně vázaná voda, monovrstva vody B – hydratační vrstvy vody, kolem iontů, kapilární vody C – volná vody
Staphylococcus aureus - rozmnožuje se, tvoří Kondenzované mléko, rajský protlak, chléb, toxiny ovocné šťávy solené ryby, tepelně Bakterie, kvasinky – rozmnožují se opracované salámy, sýry pomaleji,některé ukončují růst Mléko, čerstvé maso, ryby, konzervovaná zelenina, ovocné kompoty, vejce
Romnožují se, rostou
1
Vliv aktivity vody na různé procesy v potravinách
Měření aktivity vody • • • •
Proč měříme aw ? rozvoj mikroorganismů (aw =0,6 kritická hodnota, potraviny mikrobiologicky suché, ) stanovení rovnovážné vlhkosti výrobní technologie
• •
aw – 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
- Předpovězení požadavků na balení podle sorpčních vlastností produktu
- Stanovení kritické vodní aktivity pro fázové přechody - Stanovení vztahu mezi vodní aktivitou a teplotou zesklovatění - Stanovení vztahu mezi vodní aktivitou a teplotou krystalizace
obsah vody (%)
- Stanovení rovnovážné vodní aktivity směsi dvou suchých složek (ingrediencí) - Stanovení stupně čirosti (krystaličnosti) prášků
12
obsah vody (%)
- Stanovení trvanlivosti produktu a jeho skladovatelnosti
4 3
25 20 15
5
10
- Stanovení úrovní hystereze produktu - Stanovení vlhkostní citlivosti produktu - Stanovení rovnovážného obsahu vody při dané vodní aktivitě
6
1 – sušené meruňky 2 – jedlé kolagenní střívko 3 – instantní polévka s játrovými knedlíčky 4 – torteliny s drůbežím masem 5 – zrnková káva 6 – lískové ořechy
5 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
aktivita vody
aktivita vody
1
9
10
Sušení
Metody osmoanabiosy Princip Přívod tepla • horký vzduch • vyhřívaný povrch • mikrovlnný ohřev • ohřev radiovými vlnami Odvedení vlhkosti • vzduch
• Sušení – Horký vzduch – Kontaktní sušení – Sublimační sušení – Expanzní sušení
Sušení vzduchem
• Zakoncentrování – Odpařování – Membránové procesy – Vymrazování • Proslazování • Solení 11
•
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
Entalpický diagram vlhkého vzduchu i-x diagram, Mollierův diagram
Vzduch – veličiny 60
+
suchý vzduch
teplota, t (°C)
140
Vlhký vzduch = směs vodní pára (molární hmotnost 0,018 kg/mol)
50
(střední molová hmotnost 0,02898 kg/mol)
10 %
izoterma
20 %
130 30 % 40 %
120
50 %
40
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 td - teplota suchého teploměru (teploměr v proudu sušícího vzduchu) tw - teplota mokrého teploměru (teploměr s vlhkým návlekem) tr - teplota rosného bodu - teplota, při které je vzduch nasycen vodní parou a jeho relativní vlhkost je 100 %, další ochlazování vede ke kondenzaci vodní páry
60 % 70 % 80 %
110
90 %
30
100 90
20 80
Vodorovná osa: měrná vlhkost Y (g vodní páry/1 kg suchého vzduchu). síť svislých izočar, které jsou vyneseny nad tzv. čarou sytosti. Svislá osa: Stupnice na svislé ose grafu označuje síť vodorovných izoterem, tj. stavů s konstantní teplotou vzduchu t. Stupnice vedoucí šikmo vzhůru středem grafu a pokračující na pravé straně grafu vyznačuje měrnou entalpii vzduchu i, izoentalpy – konstantní měrnou entalpií vzduchu.
70
10 60
Křivky označené od 10 do 90 % tvoří izočáry pro konstantní hodnoty relativní vlhkosti vzduchu . Čára sytosti - izočára, na které je relativní vlhkost = 100 %.
50
0 40 30
-10 20
Tlak: 100000 Pa
10
-20 0 -20
-30
-10
13 0
2
4
6
8
měrná vlhkost, Y (g vodní páry/1 kg s.v.) 10
12
Entalpický diagram vlhkého vzduchu Určení relativní vlhkosti sušicího vzduchu
14 16 18
20
22
24
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 tw = 13 °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 tw = 13 °C. Z Mollierova diagramu určete: teplotu rosného bodu sušícího vzduchu (tr).
Řešení: td = 20 °C, tw = 13 °C (teplota mokrého teploměru se získá při adiabatickém zvlhčování vzduchu až na relativní vlhkost 100 %).
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 %.
Průsečíkem izotermy pro tw = 13 °C a křivky pro RV = 100 % se vede adiabata, která se protne s izotermou pro td = 20 °C. V tomto bodu se odečte relativní vlhkost sušicího vzduchu = 45 %.
Z tohoto bodu se vede izoterma a odečte teplota rosného bodu sušicího vzduchu tr = 8 °C.
Fáze sušení
Sušící křivky Křivka 1: závislost teploty (°C) na čase (šetrné sušení, přehřívání sušeniny)
•
Křivka 2: závislost obsahu vody v potravině (kg/kg sušiny) na čase
•
Křivka 3: závislost rychlosti sušení na čase (oblast odpařování vody)
a – časový úsek, v němž potravina ještě obsahuje volnou vodu b - časový úsek „hygroskopického“ stavu potraviny – odpařuje se vázaná voda
2
Kritický bod sušení Žádná voda na povrchu potraviny Sušení je limitováno rychlostí difuse vody z vnitřku potraviny na povrch potraviny
Konstantní rychlost sušení Přítomnost vody na povrchu potraviny Sušení je limitováno rychlostí odpařování vody z povrchu potraviny
Rychlost sušení
•
Teplota (°C) pro křivku 1 Obsah vody (kg/kg sušiny) pro křivku 2 Rychlost sušení pro křivku 3
14
26
Klesající rychlost sušení Sušení je limitováno rychlostí difuse vody z vnitřku potraviny na povrch potraviny
Mezní vrstva
A D
3 1
B
A – teplota sušené potraviny se přibližuje teplotě sušícího vzduchu
Potravina
C – rychlost sušení se blíží k nule
Mezní vrstva
C a
b
Čas
Celková doba sušení
B – obsah vody v sušené potravině je v rovnováze s relativní vlhkostí sušícího vzduchu
D – kritický bod sušení
17
18
3
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 19
20
Typy sušáren
Typy horkovzdušných sušáren
21
22
Tunelové sušárny
Komorové sušárny
23
24
4
Sprejová sušárna s fluidním dosoušením
Pásové sušárny
Sprejová sušárna
Fluidní dosoušení
25
Válcová sušárna
26
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 c
b
a - křivka tání b - sublimační křivka c – vypařovací křivka T – trojný bod K – kritický bod
27
28
Expanzní sušení
Sublimační sušárna
• Záhřev – tlakové zařízení – nad teplotu varu při normálním tlaku • Uvolnění přetlaku
• Okamžité odpaření vody • Nafouklá struktura (škrob)
Výrobky Zelenina, cukrovinky, cereálie
29
30
5
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. 31
32
Jednoduchá vakuová odparka
Duplikátorový kotlík
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 33
Schéma kontinuální jednostupňové odparky
35
34
Schéma dvoučlenné odparky v souproudém zapojení
36
6
Dvoustupňové odparky
Schéma dvoučlenné odparky v protiproudém zapojení
37
38
Odparky
Dvoustupňová desková odparka
Odparka s klesajícím filmem
Robertova odparka
39
Koncentrace membránovými procesy
Příklady aplikací odpařování •
Odpařování cukrovarnických šťáv při výrobě cukru
•
Zahušťování šťáv (65 °Brix nebo 75°Brix, obsahu rozpustné sušiny neboli
•
Výroba koncentrátů (ovocné, kondenzované mléko)
•
Odstranění části vody před sušením tekutých potravin
40
Přímá osmóza pro sušení ovoce a zeleniny (ananas, papaja)
Reversní osmóza tlaková filtrace předzahuštění ovocných šťáv maximálně na 30 % rozpustné sušiny
refraktometrické sušiny)
•
Povidla, rajčatový protlak
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
Ultrafiltrace 4 3 2 3
1
5 6
1 41
6
5
1– 2– 3– 4– 5– 6–
přívod roztoku určeného ke koncentraci odvod permeátu (vody) odvod koncentrátu sběrná trubka pro permeát asymetrická membrána směr toku permeátu ke sběrné trubce 42
7
Proslazování
Solení Sůl
Cukr sladká chuť váže vodu snížení aw
Výrobky
Výrobky Osmoanabiosa -
ovocné pomazánky
džemy
Technologické problémy:
marmelády
krystalizace sacharosy
sirupy
+ chemoanabiosa (Cl antimikrobní) mikrobiálně stabilní výrobek alespoň 20 % soli - chuťově nepřijatelné chuťově přijatelné 1 - 2 % soli
polévkové koření - maggi zelenina
ryby Střeva Masné výrobky – kombinace solení a sušení (5 – 6 % soli)
inverze (hydrolýza) sacharózy v kyselém prostředí, teplo (30 až 50 %) glukosa + fruktosa
44
8
