MATUSEK ANIKÓ o k l e v e l e s b io mé r n ö k
FRUKTO-OLIGOSZACHARIDOK ALKALMAZÁ SÁNAK MODELLEZÉSE OZMOTIKUS DEHIDRATÁLÁSI MŐVELETTEL DIFFÚZIÓS ÉS BOMLÁSKINETIKAI MEGKÖZELÍTÉSBEN
PhD értekezés
Témavezetı: Dr. Czukor Bálint Konzulens: Dr. Örsi Ferenc
Központi Élelmiszer-tudomán yi Kutatóintézet
2008
Drága Nagyszüleimnek
KÖSZÖNET… Köszönöm
témavezetımnek
DR.
C ZU K O R
B Á L IN TN A K ,
hogy
szakmai
tudásával, tapasztalatával munkám során végig támogatott. Köszönöm D R . B Á N Á TI D IÁ N A fıigazgatónak és D R . C S ER H A LM I Z S U ZS A N N A fıosztál yvezetınek,
hogy
a
Központi
Élelmiszer-tudomán yi
Kutatóintézetben lehetıséget biztosítottak kutatómunkám elvégzéséhez. Szeretném
megköszönni
munkatársaimnak
tudomán yi
Kutatóintézetben,
P Á LN É N A K ,
L É D ER
I S TV Á N N A K
hogy
F Ö V E N Y ES S Y
F ER E N C N ÉN E K , elméleti
a
és
B LA H A
gyakorlati
Központi
Élelmiszer-
ANDRÁSNÉNAK, M Á R TÁ N A K
MÁRKUS
valamint
tanácsaikkal
BOZÓ
segítették
a
kísérleteim elvégzését. Köszönöm
DR. ÖRSI FERENC
tanácsait,
valamint
G Y Ö K ÉR N É
konzulensi DR.
munkáját,
W IT TM A N N
értékes,
M Á R IA
hasznos
segítségét
a
bomláskinetikai számítások elvégzéséhez. Köszönetemet fejezem ki a BME Alkalmazott
Biokémiai
tanszékvezetıjének,
és
Élelmiszertudomán yi
D R . S A LG Ó A N D R Á S N A K ,
valamint
Tanszék
kollégáinak
a
kutatómunka során n yújtott szakmai segítségért és számos vizsgálat elvégzéséhez kapott lehetıségért. Köszönettel tartozom a Richter Gedeon Nyrt-ben dolgozó kollégáimnak, a fıosztál y vezetıinek D R . G R E IN ER I S TV Á N N A K , N Á R A Y Z S Ó FI Á N A K
ÉS
DR.
K E S ER Ő G Y Ö R G Y N E K , hogy lehetıvé tették számomra a PhD munka befejezését. Köszönöm
C S A LÁ D O MN A K
a támogatást, a bátorítást, a rengeteg szakmai és
lelki segítséget, amit e nem mindig könn yő idıszakban n yújtottak.
2
TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés ............................................................................. 6 2. Irodalmi áttekintés .............................................................. 9 2.1
A frukto-oligoszacharidok........................................................ 9 2.1.1 A frukto-oligoszacharidok szerkezete, elıfordulása, elıállítása 9 2.1.2 A frukto-oligoszacharidok élettani hatásai ............................ 11 2.1.3 A frukto-oligoszacharidok fiziko-kémiai tulajdonságai, felhasználása ..................................................................... 14 2.1.4 A frukto-oligoszacharidok bomlása ...................................... 15
2.2
Az ozmotikus dehidratálás ..................................................... 18 2.2.1 Az OD gyakorlati alkalmazása ............................................. 19 2.2.2 A mőveleti paraméterek hatása ............................................. 21 2.2.3 Az ozmotikus dehidratálás elméleti megközelítése................. 28 2.2.4 Az ozmotikus dehidratálás matematikai megközelítése, a modellezés lehetısége ........................................................ 39
3. A kísérleti munka során alkalmazott vizsgálati módszerek ismertetése ................................................................ 46 3.1
Kísérleti minták, alkalmazott anyagok és elıkészítésük a vizsgálatokhoz ..................................................................... 47
3.2
Alkalmazott mintakezelési eljárások ...................................... 47 3.2.1 Mintaelıkészítés ................................................................. 47 3.2.2 Blansírozás ......................................................................... 48 3.2.3 Ozmotikus dehidratálás ....................................................... 48
3.3
Vizsgálati módszerek ............................................................. 49 3.3.1 Szárazan yag- és víztartalom, vízaktivitás meghatározása ....... 49 3.3.2 Vízoldható szárazan yag-tartalom meghatározás ..................... 49 3.3.3 Vízvesztés meghatározása .................................................... 49 3.3.4 Szárazan yag-növekmén y meghatározása................................ 50 3.3.5 Szénhidrát összetétel meghatározás ...................................... 50
3
3.3.6 Térfogat meghatározás ........................................................ 51 3.3.7 Sőrőség és porozitás meghatározása ..................................... 51 3.3.8 Membrán-áteresztıképesség vizsgálat ................................... 52 3.3.9 Állomán yjellemzık meghatározása ....................................... 53 3.3.10 Érzékszervi tulajdonságok meghatározása ........................... 55 3.3.11 A diffúziós együttható számításának módszere .................... 55 3.4
Kísérleti körülmények adaptálása .......................................... 57 3.4.1 Az izotóniás koncentráció biztosítása ................................... 57 3.4.2 A minta-oldat arán y meghatározása ...................................... 59 3.4.3 A frukto-oligoszacharidok bomlásának értékelési módszere ... 60
3.5
Matematikai statisztikai értékelés .......................................... 63
4. Eredmények bemutatása.................................................... 64 4.1
Az ozmotikus dehidratálást megelızı kezelések hatása .......... 64 4.1.1 Blansírozás hatása az állomán yjellemzıkre, az OD alatt lejátszódó transzportfol yamatokra ....................................... 65 4.1.2 Mikrohullámú kezelés hatása az állomán yra .......................... 72 4.1.3 Elıkezelési módok hatásának jellemzése a gyümölcsszövet diffúziós ellenállásával ....................................................... 73
4.2
Szacharóz és oligofruktózok összehasonlító jellemzése ozmotikus dehidratálás során .............................................. 76 4.2.1 Szacharóz és oligofruktózok bruttó diffúziós együtthatójának összehasonlítása ................................................................. 76 4.2.2 A transzportfolyamatok összehasonlítása szobahımérséklető OD során ........................................................................... 78 4.2.3 Szacharóz és frukto-oligoszacharidok, mint ozmotikus ágens összehasonlítása ................................................................. 82 4.2.4 Oligomer komponensek diffúziójának összehasonlítása .......... 93
4.3
Vákuummal kombinált ozmotikus dehidratálás vizsgálata frukto-oligoszacharidok jelenlétében ................................... 94
4
4.3.1 Vákuum-kezelés paramétereinek hatása a felvett oldat térfogatára ......................................................................... 95 4.3.2 Vákuum-kezelés hatása az effektív víz és oldott an yag diffúziós együtthatókra ..................................................................... 98 4.3.3 Oligomer komponensek diffúziójának összehasonlítása vákuumkezelést követı OD során .................................................... 99 4.3.4 Vákuum-blansírozás hatása a diffúzióra .............................. 101 4.4
Frukto-oligoszacharidok bomlásának kinetikai értékelése .....104 4.4.1 Oligofruktóz bomlása pufferelt vizes közegben ................... 109 4.4.2 Oligofruktóz bomlása almamátrixban .................................. 113 4.4.3 Oligofruktózok bomlásának kinetikai modellezése ............... 115
4.5
Termékelıállítási próba ........................................................121
5. Összefoglalás ....................................................................123 6. A PhD dolgozat tézisei ......................................................128 7. Gyakorlati alkalmazhatóság .............................................129 8. Irodalomjegyzék ...............................................................130 9. NYILATKOZAT ...............................................................139 10.
Melléklet, jelölésjegyzék ...............................................140
5
1. Be ve ze té s A korszerő táplálkozás irán yelvei a XXI. század élelmiszer elıállítóit és az élelmiszer-tudomán y kutatóit ol yan új, táplálkozás-élettani szempontból értékes,
egészség
megırzı
tulajdonságokkal
rendelkezı
élelmiszerek
kifejlesztésére sarkallják, mel yek jellegüknél fogva hozzájárulnak a jó egészségi
állapot
fenntartásához,
korszerő
diéták
elemeiként
alkalmazhatók, valamint megjelenésüknél fogva képesek a fogyasztói érdeklıdést megragadni, kiváló minıségükön keresztül pedig megtartani azt. A funkcionális élelmiszerek piaca napjainkban egyre bıvül, számos probiotikus, prebiotikus, vitaminnal, antioxidánsokkal, ásványi an yagokkal dúsított, kiegészített illetve ezek kombinációját tartalmazó termék található e
rendkívül
széles
spektrumban.
Tejtermékek,
sütıipari
termékek,
hústermékek egyaránt képviseltetik magukat a funkcionális élelmiszerek kínálatában. A hazai táplálkozási szokások ismeretében figyelemfelkeltı a magyar lakosság gyümölcsfogyasztásának, valamint rostfogyasztásának rendkívül
alacson y
volta,
mel y
a
korszerő
dietetikai
irán yelvek
térhódításával is csak csekél y mértékben növekszik. Így a funkcionális élelmiszerek terén kiemelkedı fontossággal bírhatnak a gyü mölcs alapú, értékes
komponensekkel
dúsított
új
élelmiszer-készítmén yek.
PhD
dolgozatom témaválasztásakor e gondolatkör fı szerepet játszott. A
gyümölcsfogyasztás
szezonalitásának
kiküszöbölését
is
szolgáló
aszalt, szárított gyü mölcsök elıállítási technológiájának részét képezheti az elsısorban, illetve hagyomán yos értelemben víztelenítést célzó ozmotikus dehidratálási
mővelet.
transzportfol yamatok kiaknázásával bejuttatása
A
mővelet
ismeretében
funkcionális valósítható
a
alkalmazása fellépı
komponensek
meg.
A
lejátszódó
szárazan yag
növén yi
mőveleti
során
mátrixba
paraméterek
dúsulás történı gondos
megválasztásával hatékon y funkcionális komponens bevitel érhetı el, az alapan yag természetesen jelen lévı értékes tápan yagainak megırzésével. Az ozmotikus dehidratálási technológia kíméletes feldolgozási lépésként hozzájárul il y módon az alapan yag táplálkozási értékének növeléséhez, a 6
termékminıség javításához. Az ozmotikus dehidratálás eddig alkalmazott technológiájában az ozmotikum azonban általában szacharóz vagy fruktóz, mel y szénhidrátokkal történı dúsítás nem felel meg a korszerő táplálkozás szénhidrát bevitelt, glikémiás indexet mérséklı irán yelvének. A publikált tudományos közlemén yek alapján a frukto-oligoszacharidok még nem ismertek, mint ozmotikus ágens. Táplálkozás-élettani elın yeik következtében
funkcionális
élelmiszer-összetevık.
A
frukto-
oligoszacharidok gyümölcs mátrixba diffúzióval történı bejuttatása, mint
megoldandó
ipari
technológiai
probléma
jelentkezett,
ezért
munkám céljául tőztem ki a frukto-oligoszacharidok ozmotikumként történı felhasználási lehetıségének technológiai jellegő kutatását. A frukto-oligoszacharidok számos táplálkozás-élettani jelentıséggel bírnak, mel yek közül kiemelkedı
fontosságú prebiotikus aktivitásuk,
vagyis, hogy változatlan formában haladnak át a humán emésztırendszeren, majd a vastagbélben szelektíven aktiválják a „hasznos” baktériumokat, más szóval a probiotikumok táplálékául szolgálnak, így hozzá járulnak azok elszaporodásához, túlsúl yba kerüléséhez, kedvezı összetételő vastagbél mikroflórát eredményezve. Kimutatottan szoros összefüggés áll fenn a vastagbél mikroflóra összetétele, valamint az immunrendszer mőködése között, így állítható, hogy a prebiotikus tulajdonságokkal bíró fruktooligoszacharidokkal dúsított élelmiszerek közvetetten hozzájárulnak az immunrendszer erısítéséhez. Különösen fontos probléma ez egy ol yan országban, ahol a vastagbél mikroflóra összetételével szoros kapcsolatban álló betegség a vastagbélrák elıfordulási valószínősége riasztóan nagy, az évente ebben a megbetegedésben elhun ytak arán ya pedig kétszer akkora, mint más európai országban. Emellett a szintén erısen bélmikroflóra függı Candidiázis is egyre nagyobb mértékben terjed. Ha a frukto-oligoszacharidok pH és hımérséklet hatására bomlanak, bomlástermékeik már nem rendelkeznek azon pozitív élettani hatásokkal, amel yek miatt alkalmazásuk elın yös, így nagyon fontos az élelmiszer elıállítási technológia tervezése során ennek figyelembe vétele. A fruktooligoszacharidok
bomlásának
megismerése,
bomláskinetikájának
7
tanulmán yozása
elengedhetetlen
fontosságú
a
megfelelı
technológia
kialakításához. A
dolgozatomban
szerkezetérıl,
elméleti
összefoglalást
elıfordulásáról,
élettani
adok
az
oligofruktózok
hatásairól,
fiziko-kémiai
tulajdonságairól és a bomlásukra vonatkozó ismeretekrıl. Bemutatom az ozmotikus
dehidratálás
vizsgálatára
alkalmazott
mőveletét mai,
jellemzı
korszerő
fiziko-kémiai
módszereket,
fol yamatok
az
ozmotikus
dehidratálás leírására szokásos modell-jellegő matematikai eszközöket. A
gyakorlati
tevéken ység
leírása
során
az
alkalmazott
vizsgálati
módszereket követıen a célokhoz kapcsolódóan szerkesztve ismertetem a kísérleti terv részleteit és a kapott eredmén yeket. A kísérleti munka célja a technológiai szempontból lén yeges területek vizsgálata: A frukto-oligoszacharidok (Raftilose ® P95, ORAFTI) és a szacharóz diffúziós együtthatójának összehasonlító meghatározása, az oligomer komponensek egyedi diffúziós viselkedésének elemzése, a transzportfol yamatok leírása. Az
ozmotikus
dehidratálást
megelızı
kezelések
(blansírozás,
mikrohullámú kezelés) állomán yra, sejtmembrán áteresztıképességre, szárazan yag-tartalom változásra, valamint az ozmotikus dehidratálás során fellépı transzportfol yamatokra gyakorolt hatásának vizsgálata alma modellel (Malus domesticus cv. Idared). A vákuum-kezeléssel kombinált ozmotikus dehidratálás jellemzése, a dehidratálódás jellegére és az állomán yra gyakorolt hatás vizsgálata. A technológiai mőveletek során bekövetkezı hidrolitikus bomlások sebességének meghatározása. A bomlás laboratóriumi szimuláción alapuló kinetikai leírása.
8
2 . I ro d a l m i á t t e k i n t é s 2.1 A frukto-oligoszacharidok 2.1.1 A frukto-oligoszacharidok szerkezete, elıfordulása, elıállítása A
frukto-oligoszacharidok
oligoszacharidok,
mel yek
a
fruktóz
természetben
monomerbıl legnagyobb
felépülı
menn yiségben
polimerként inulin formájában vannak jelen. Az inulin a növén yvilág egyik elterjedt poliszacharidja (1. ábra). Liliaceae-, Compositae- és Graminaceaecsaládba
tartozó
növén yek
gumójában,
illetve
földalatti
szerveiben
halmozódik fel. Rose (1804) izolálta elıször. Oldékon ysága az amilózéhoz hasonlít, meleg vízben kolloidálisan oldódik, az oldat lehőlésekor finom szemcsék alakjában fı tömege újra kiválik. A tiszta inulin összegképlete (C 6 H 1 0 O 5 ) n , molekulasúl ya kb. 6000. Savas hidrolízisénél D-fruktóz és kevés, mintegy 6% D-glükóz is képzıdik. Az inulin molekulája kb. 36 β (2→1) kötéssel kapcsolódó fruktofuranóz részbıl épül fel. Az utolsó fruktozid csoport egy D-glükóz rész glikozidos szénatomjához kapcsolódik szacharóz jellegő láncvégi csoportot alkotva. A fruktóz részek közé a láncon belül is beilleszkedik egy glükóz rész 1. és 3. hidroxilcsoportjával (Bruckner, 1981). A frukto-oligoszacharidok maximálisan 10 monomer egység összekapcsolódásából álló β (2→1) fruktóz láncok, mel yek egyik végét α(2→1) kötéssel kapcsolódó glükóz egység zárja. Egyes szerzık rövid láncú frukto-oligoszacharidként definiálják a az 1-5 egység fruktózt tartalmazó molekulákat (Yun, 1996, Bornet és mtsai., 2002).
1 . ábra Az i n u li n és a fr u kto - o l i go s zac h ar id o k sz er k eze te
9
Az
inulin
tartalék
szénhidrátként
természetes
összetevıje
egyes
növén yeknek. Kiemelkedıen magas inulin tartalmú növén yi részek a csicsóka és a cikória gumó (2-3. ábra). Az inulin felhalmozódását szabál yozó enzimek aktivitása a gének által determinált, ezáltal jelentıs a fajták szerepe (Angeli és mtsai., 2000).
2 . ábra C sic só ka g u mó
3 . ábra Ci kó r ia g yö kér
Természetes frukto-oligoszacharid források (1. táblázat) a csicsóka és a cikória mellett a hagyma, a búza (Triticum aestivum), a fokhagyma, valamint a banán. 1 . táblázat F ru kto - o lig o s z a ch a r id o k ( GF n , n < 9 ) te rmé s ze te s e lı fo rd u lá s a és meg o sz lá sa eh etı n ö vén y ekb en ( B o r n et é s mt sa i., 2 0 0 2 )
Fruktán % Hagyma Búza Cikória
GF 2
GF 3
*
GF 4
GF 5 - 8
Összesen
a f ruktánok %-ában
25-40
61%
25%
10%
3%
99%
1-4
30%
13%
6%
50%
99%
15-20
4%
5%
5%
16%
30%
+
Csicsóka
16-20
DP < 9 j elenléte
50%
Fokhagyma
25-35
DP < 9 j elenléte
10-20%
*
szárazanyagra vonat koztatott %,
+
polimeri zációs fok
A frukto-oligoszacharidok elıállításuk volumenét tekintve a bifidogén oligoszacharidok egyik legjelentısebb csoportját alkotják. Elıállításuk két különbözı módon történik (4. ábra), a két eljárás szerkezetében kissé különbözı végterméket eredmén yez.
10
SZACHARÓZ α-D-Glü-(1→2)-β-D-Fru β-fruktofuranozidáz
α-D-Glü-(1→2)-[β-D-Fru-(1→2)-]n ahol n = 2-4 FRUKTO-OLIGOSZACHARIDOK β-D-Fru-(1→2)-[β-D-Fru-(1→2)-]n ahol n = 1-9 és α-D-Glü-(1→2)-[β-D-Fru-(1→2)-]n ahol n = 2-9 inulináz
INULIN α-D-Glü-(1→2)-[β-D-Fru-(1→2)-]n ahol n > 10
4. ábra Oligofruktózok elıállítása szacharózból és inulinból ( Cr it te nd e n és P la yn e , 1 9 9 6 )
Szacharózból történı OF elıállítás esetén a β -fruktofuranozidáz enzim transzfruktozidáz aktivitását használják ki. A kiindulási an yag nagy koncentrációjú jelenléte szükséges a hatékon y transzglikoziláláshoz. Az il yen
módon
elıállított
frukto-oligoszacharidok
β (1→2)-kötéssel
kapcsolódó 2-4 fruktóz egységbıl és a hozzá kapcsolódó terminális α-Dglükóz egységbıl épülnek fel. Ezek elnevezése: 1-kesztóz (Glü-Fru 2 ), 1nisztóz (Glü-Fru 3 ) és 1-fruktozilnisztóz (Glü-Fru 4 ). Melléktermékként glükóz, kis menn yiségő fruktóz, valamint nem reagált szacharóz marad vissza a reakcióelegyben, amit kromatográfiás eljárással távolítanak el, íg y tiszta frukto-oligoszacharid termék állítható elı. A frukto-oligoszacharidok elıállításának másik módja az inulin poliszacharid kontrollált enzimes hidrolízise. Az így elıállított OF elegyben nem mindegyik β (1→2)-kötéssel kapcsolódó fruktozil lánc végzıdik terminális glükóz egységgel, valamint a frukto-oligomer láncok általában hosszabbak, mint a szacharózból történı frukto-oligoszacharid elıállítás esetén (Crittenden és Playne, 1996). 2.1.2 A frukto-oligoszacharidok élettani hatásai A nemzetközileg elfogadott „functional food” szóösszetétel magyar megfelelıje a „funkcionális élelmiszer” kifejezés idegen hangzású a magyar
szókörn yezetben,
azonban
hasonlóan
egyéb
kifejezésekhez,
általánosan elfogadott, magyar megfelelıje nincs. Íg y dolgozatomban a 11
szakirodalmi összefoglalás esetén ezt a kifejezést használom, törekedve lehetséges szinonímák (pl.: egészség ı rz ı , egészségvéd ı , aktív élelmiszer) alkalmazására. Az inulin az emberi emészt ı traktusban nem abszorbeálódik, valamint a megfelel ı inulináz enzim hián ya miatt nem is bomlik le. Ezáltal az emberi táplálkozásban
ballasztan yagként
szerepel,
és
csupán
a
vastagbélben
képesek a baktériumok az inulint – bizonyos mértékig – bontani. Az inulin hasításánál keletkez ı fruktóz-oligomerek az inulinhoz hasonlóan nem abszorbeálódnak és szintén ballasztan yagnak tekinthet ı k (Angeli és mtsai., 2000). A frukto-oligoszacharidok a vastagbél szakaszát elérve az ott jelen lév ı bifidogén baktériumoknak szénforrásként, tápan yagként szolgálnak, amel yet laktáttá, rövid szénláncú zsírsavakká (acetát, propionát, butirát), és gázzá
alakítanak,
hasonlóan
más
diétás
rostokhoz.
Fermentációjuk
következmén ye, hogy kalóriaértékük körülbelül 2 kcal/g (Bornet és mtsai., 2002). Az elmúlt években számos kutatást folytattak az inulin és a fruktooligoszacharidok táplálkozás-élettani hatásainak feltérképezésére, pontos megismerésére. Ezen tulajdonságok közül kiemelked ı a már említett prebiotikus vastagbélben
aktivitásuk, a
hasznos
vagyis
az
a
tén y,
bélbaktériumok,
a
miszerint
serkentik
bifidobaktériumok
és
a a
tejsavbaktériumok szaporodását, mivel e baktériumok rendelkeznek az OF metabolizálásához szükséges enzimrendszerrel (Rao, 2001; Roberfroid, 2000, 2002; Biedrz ycka és Bielecka, 2004; Van de Wiele és mtsai., 2004; Macfarlane és mtsai., 2006). Ennek eredmén yeképpen a bélcsatornában el ı forduló azon baktériumok arán ya, amel yek nem képesek a fruktooligoszacharidok hasznosítására (rothasztó baktériumok) lecsökken, így a bél
mikroflórája
pozitív
irán yba
változik.
A
rothasztó
baktériumok
számának és ebb ı l következ ı en az általuk termelt metabolitok (fenol, krezol, indol) menn yiségének csökkenésével a májra kevesebb feladat hárul. A kedvez ı bélmikroflóra az immunrendszerre is el ı n yösen hat, ezen keresztül csökken a vastagbélrák kialakulásának kockázata (Losada és Olleros, 2002; Bornet és Brouns, 2002; Hsu és mtsai., 2004). Egyes vizsgálatok szerint a frukto-oligoszacharidok stimulálják a mukózális
12
immunrendszert, valamint javíhatják egyes orális vakcinák (pl.: Salmonella
typhimurium ) hatékon yságát (Ben yacoub és mtsai., 2008). A szívkoszorúér megbetegedés a leggyakoribb halálozási okok egyike a fejlett országokban. A betegség szoros összefüggésben áll az életstílussal, a táplálkozással. Az egyszeresen telítetlen zsírsavakban, diétás rostban és alacson y glikémiás index ő (GI) élelmiszerekben gazdag diéta el ı n yösen befol yásolja a vérben az inzulin (Frost és mtsai., 1996), a cukor és a zsír menn yiségét (Hung és mtsai., 2003). A lassan emészt ı d ı oligoszacharidok, kemén yít ı k kis GI értékkel bírnak. Az alacson y glikémiás index ő étrend fogyas ztásakor javul a glükóztolerancia és n ı az inzulin iránti érzéken ység, valamint csökken a vér koleszterin- és trigliceridszintje (Antal, 2002). Japán klinikai kutatások szerint a rendszeres oligofruktóz fogyasztás a vér teljes koleszterol és triglicerid szintjének csökkenéséhez vezet (Losada és Olleros, 2002). A frukto-oligoszacharidok fogyasztása a csontrendszerre is el ı n yösen hat, szignifikánsan növeli a Ca abszorpcióját a csontokba (Griffin és mtsai., 2003). A frukto-oligoszacharidok ismertetett, számos tudomán yos kutatás által megalapozott pozitív élettani hatásai következtében funkcionális élelmiszerek alapanyagként felhasználhatók (Prosk y, 2000). Az ipar nem csak
kedvez ı
élettani
hatásai
miatt
alkalmazza,
hanem
bizon yos
érzékszervi, összetételi jellemz ı kre gyakorolt jótékon y hatásai miatt is. Az oligoszacharidoknak rendkívül nagy szerepe van a csecsem ı k táplálkozásában. Az an yatej ol yan oligoszacharidokat tartalmaz, amel yek a már említett prebiotikum jellegüknél fogva hozzájárulnak az egészséges bélflóra kialakításához, ami további el ı nyt jelent a fejl ı dés során (Coppa és mtsai., 2002; Mountzouris és mtsai., 2002). A tápszerrel etetett csecsem ı k bélflórájának összetétele azonban kedvez ı tlen irányba változhat a készítmén y hián yo s összetétele esetén. A tápszerhez bifidobaktériumokat, illetve
oligoszacharidokat
(frukto-
vagy
galakto-oligoszacharidok)
adagolva, ol yan termék állítható el ı , mel y a természetes an yatejhez hasonlóan kedvez ı en befol yásolja a csecsem ı k bél-mikroflóráját (RiveroUrgell és Santamaria-Orleans, 2001).
13
2.1.3 A frukto-oligoszacharidok fiziko-kémiai tulajdonságai, felhasználása A frukto-oligoszacharidok íz-profiljukban hasonlítanak a szacharózhoz, azonban édesít ı erejük csaknem 30 %-kal kisebb. Vízköt ı képességük nagyobb, mint a szacharózé. Mivel nem redukáló cukrok, ezért nem vesznek részt Maillard-reakcióban (Bornet és mtsai., 2002). Vízben való oldhatóságuk a molekulaméret és a polimerizációs fok növekedésével növekszik (Gennaro és mtsai., 2000). Az inulin és a fruktooligoszacharidok
tejben
vagy
vízben
történ ı
homogenizálása
krémes
textúrát alakít ki, amel y zsírra jellemz ı érzetet kelt a szájban. Ez a jelenség
a
mikrokristál yokba
rendez ı désnek
köszönhet ı ,
amel y
a
fol yadékban való eloszlatáskor lép fel (Zuleta és Sambucetti, 2001). Ezt a tulajdonságot kihasználva a fent említett termékeken kívül fagylaltban, sajt- és húskészítmén yekben is használják. F ı tt kolbász el ı állítás során a zsírtartalom bizon yos hán yadának (végtermékre vonatkoztatva 2-12 %) kiváltására
alkalmaztak
oligoszacharidokat érzékszervi
rövid
(Actilight ®
tulajdonságokra
szénláncú 950P).
Mind
vonatkozó
(GF n , az
n
≤
4)
állományra,
vizsgálatok
fruktomind
nagyon
az
pozitív
eredménn yel zárultak, az OF-ok alkalmasak kolbász termékekben a zsír – bizon yos hán yadának - kiváltására, jó min ı ség ő termék kialakítása mellett. Az OF hozzáadásával így 35 %-os energiatartalom csökkentést értek el a termékben.
A
csökkentett
energia
tartalom
mellett
a
frukto-
oligoszacharidok egyéb más pozitív élettani hatásait figyelembe véve funkcionális termék el ı állítása válik lehet ı vé felhasználásukkal (Cáceres és mtsai., 2004). Az inulin zsírkiváltó tulajdonsága mellett, vízköt ı képességének
köszönhet ı en
gélképz ı ,
zselésít ı ,
s ő rít ı
an yagként
is
felhasználható (Vendrell-Pascuas és mtsai., 2000). Az OF er ı sen higroszkópos an yag, minek következtében a fruktooligoszacharidokkal dúsított, liofilizált termékek hosszabb ideig történ ı eltarthatósága problematikus. Egy koncentrációjában megegyez ı szacharóz oldathoz hasonlítva viszkózusabb (Yun, 1996).
14
2.1.4 A frukto-oligoszacharidok bomlása A frukto-oligoszacharidok egyes m ő veleti paraméterek (h ı mérséklet, pH) hatására bomlást szenvedhetnek, amely tén y az élelmiszeripar, illetve a termék
el ı állítás
szempontjából
bomlástermékek
(els ı sorban
rendelkeznek
az
pozitívumokkal.
A
nagy
fruktóz,
glükóz,
oligomerekre bomlási
jelent ı séggel
mivel
szacharóz)
már
a
nem
táplálkozás-élettani
jellemz ı
fol yamat
bír,
pontos
ismerete,
a
bomlást
befol yásoló paraméterek hatásterének meghatározása fontos feladat a technológia-tervezés, termékfejlesztés oldaláról egyaránt. H ı stabilitásuk nagyo bb, mint a szacharóznak. Az élelmiszerek bizon yos hán yadára
jellemz ı
pH-tartomán yban
(pH:
4-7)
stabil
(Yun,
1996).
Szerkezetük stabil marad pH > 3 és T < 130 °C esetén. Ezen tulajdonságok alapján
kekszek,
sütemén yek,
müzliszeletek,
gabonapehel y-termékek,
valamint tejtermékek összetev ı iként alkalmazhatók a gyakorlatban (Bornet és mtsai., 2002). A frukto-oligoszacharidok nem enzimes bomlásának tanulmán yozására vonatkozóan az irodalomban kevés utalás található. L’homme és mtsai (2003a) az élelmiszer feldolgozási m ő veletek oligofruktóz degradációra gyakorolt hatását vizsgálták gyümölcsökben, gyümölcs termékekben. Az 1kesztóz menn yiségét követték n yomon HPAEC-PAD (nagy teljesítmén y ő anion cserél ı kromatográfia pulzáló amperometriás titrálással) vizsgálattal. Eredmén yeik
szerint
a
n yersan yagok
1-kesztóz
tartalma
lén yegesen
nagyobb volt, mint a késztermékeké. Banán püré 80-110°C-on 30 percig történ ı
inkubálása
során
azonban
a
várakozással
ellentétben
nem
tapasztaltak degradációt, az 1-kesztóz szerkezete stabil maradt e kísérleti beállítás mellett. Ebb ı l arra következtettek, hogy a frukto-oligoszacharid vesztésért inkább a molekula szerkezet, mint a különböz ı feldolgozási eljárások (f ı zés, paszt ı r ı zés) felel ı s. Blecker
és
mtsai
(2002)
öt
kereskedelmi
forgalomban
elérhet ı
oligofruktóz készítmén y (Actilight ® 950P, Raftilose ® P95, Fibrulose 97, Fibruline Instant, Fibruline Long Chain) savas közegben végbemen ı hidrolízisét, a fruktóz képz ı dés sebességén keresztül vizsgálta a pH, a
15
h ı mérséklet,
valamint
a
szárazanyag-tartalom
függvén yében.
Az
oligofruktózok hidrolízisét fruktóz HPLC-vel történ ı meghatározásával követték n yomon. Az öt vizsgált termék átlagos lánchosszúságában, valamint az inulo- (IOS vagy F n ) illetve frukto-oligoszacharidok (FOS vagy GF n )
relatív
koncentrációjában
különbözik
egymástól.
(Inulo-
oligoszacharidon a csak fruktóz egységb ı l felépül ı láncokat, míg fruktooligoszacharidon a glükóz egységgel záródó fruktóz láncokat értik a szerz ı k.) Számos konszekutív és kompetitív sav által katalizált reakciónak fruktóz és glükóz a végterméke. A teljes mechanizmus pontos leírása nagyon nagy számú reakció konstans definiálását tenné szükségessé, mel yek
többsége
ismeretlen.
A
fruktózt
eredmén yez ı
reakciók
a
következ ı kben foglalhatók össze: +
H R − F → R' − F + F
(1)
ahol R – F intermedier, ami lehet inulo- vagy frukto-oligoszacharid. Ezek koncentrációja
a
bomlás
során
komplex
módon
változik.
Kinetikai
szempontból n yilvánvalónak t ő nik, hogy az R-gyök kémiai természete befol yásolja a lánc végi hasadás reakciósebességét. Ezt támasztja alá az a megfigyelés is miszerint az inulobióz (F 2 ) bomlási sebessége nagyobb a szacharózénál (GF). Ezzel szemben azonban a kinetikai konstans csak csekél y mértékben függ a lánchosszúságtól DP2 – DP7 között. A kezdeti reakciósebesség alapján hasonlítva össze a különböz ı körülmén yek mellett végbemen ı
reakciók
sebességét.
A
nagyon
változatos
átlagos
lánchosszúságú oligofruktóz minták vizsgálata során megállapítható, hogy a hidrolízis során a fruktóz keletkezési sebessége függ a fruktozil láncvégek koncentrációjától, így az átlagos lánchosszúságtól. A fruktóz képz ı dés sokkal kisebb a hosszú molekulák esetében, ahol a láncon belüli hasadás valószín ő sége nagyobb. A legnagyobb fruktóz képz ı dési sebesség a Raftilose ® P95-nél figyelhet ı meg, ahol a legmagasabb a fruktozil láncvégek koncentrációja a többi vizsgált mintával összehasonlítva. Ez abból adódik, hogy ezt a terméket relatíve rövid átlagos lánchosszúságú oligomerek alkotják, valamint a legmagasabb F n koncentráció jellemzi, amel y így 2 fruktozil láncvéget jelent szemben a GF n sorba tartozó
16
molekulákkal. láncvégek
A
kezdeti
reakciósebesség
koncentrációjával,
tehát
a
lineárisan
kiindulási
nı
a
an yag
fruktozil szerkezete
befol yásolja a bomlást, a kezdeti reakciósebességet. A hosszú láncú inulin esetében a fruktozil-láncvégek koncentrációja kezdetben
nagyon
alacson y,
így
a
hasadások
f ı leg
a
láncon
belül
következnek be, rövidebb láncokat eredmén yezve. A láncvégi hasadások valószín ő sége kicsi, így a szabad fruktóz koncentrációja csak kismértékben növekszik, míg a láncvégek menn yisége gyorsan emelkedik. Amikor a láncok eléggé megrövidülnek, láncvégi hasadások következnek be, ami a fruktóz képz ı dés felgyorsulásához vezet. Ezzel ellentétben a rövidebb oligomerek esetében viszon ylag magas a láncvégek koncentrációja, ami nagy szabad fruktóz képz ı dési sebességet jelent. A hidrolízis során csak néhán y új láncvég képz ı dik a hosszabb láncok hasadásából, amel yekb ı l kevés
van
ezekben
a
termékekben.
A
fruktóz
prekurzorok
összes
koncentrációja fol yamatosan csökken a reakció során csakúgy, mint a fruktóz képz ı dési sebessége. E megfigyeléseik alapján a Raftilose ® P95 bomlás valódi els ı rend ő kinetikával jellemezhet ı . Az inulin hidrolízise függ a [H + ] koncentrációtól (pH), azonban független az alkalmazott sav típusától. A h ı mérsékletfüggés az Arrhenius összefüggéssel
leírható.
Az
oligofruktózok
megismerése gyakorlati szempontból
bomlás
kinetikájának
az élelmiszer feldolgozás során
fellép ı veszteségek elkerülése miatt rendkívül jelent ı s. A h ı mérséklet és a pH, valamint a felhasznált oligofruktóz készítmén y fajtája és a degradáció mértéke közti összefüggést (Blecker és mtsai., 2002):
Log (I R ) = y 0 −
a − pH 273,1 + T
(2)
ahol IR – a kezdeti reakciósebesség, % képz ı d ı fru/min; T - a h ı mérséklet, °C; a, y0 – az oligofruktóz készítmén yt ı l függ ı paraméterek pl.: Raftilose P95-re a = 5672, y0 = 19,048.
17
2.2 Az ozmotikus dehidratálás Az ozmotikus dehidratálás módszerét az emberiség régóta ismeri. Alkalmazása hosszú id ı n keresztül az élelmiszer alapan yagok átmeneti tartósítására,
továbbá
különleges
választékok
el ı állítására
szolgált
els ı sorban. Már az ókori Mezopotámiában felismerték, ha a halat er ı sen besózzák, akkor kiszárad és hosszú ideig fogyasztható marad. Bár nem tudták, az ozmotikus dehidratálás el ı n yeit használták ki. A sózott tengeri hal fogyasztását már a bronzkor óta ismerjük és még ma is ezen az elven alapul a tartósított haltermékek el ı állítása. Kés ı bb terjedt el – el ı ször a vad, majd a háziasított – állati eredet ő termékek tartósítása, sózásos ozmotikus dehidratálást követ ı szárítási eljárással. Manapság a húsok tartósításában ennek kisebb a szerepe, de a magyar kon yha hagyomán yai között is megtalálható, pl.: sonka, szalonna. Hasonlóan ı si múltra tekint vissza az ozmotikus dehidratálás alkalmazása gyümölcsök ízesítésére, tartósítására. A cukorral történ ı ozmotikus dehidratálás n yo mait el ı ször az i.e.
els ı
évezredben
a
Földközi
tenger
medencéjében
él ı
népeknél
(Egyiptom, Palesztina, Izrael) találták meg. Kés ı bb az iszlám (arab, török) közvetítésével gyümölcsb ı l
jutott
Európába.
Ma
készült
termékek,
s
is
igen
egyre
népszer ő ek
újabb
formában
a
cukrozott
(pl.
müzli,
müzliszelet) kerülnek a fogyasztók asztalára. Az élelmiszer-tudomán yi és technológiai ismeretek b ı vítése, a táplálkozástudomán y által feltárt újabb és újabb összefüggések ezt a technológiai m ő veletet is új megvilágításba hel yezték, vizsgálatát és értékelését újabb szempontoknak is alárendelik. Az
ozmózison
alapuló
technológia
ugyanis
az
egyéb
élelmiszer-
feldolgozási m ő veletek között kit ő nik kíméletes jellegével, mel ynek során az élelmi alapan yagok eredeti tápan yagkészlete kevéssé sérül, így jobb min ı ség ő , tápan yagban értékesebb termék állítható el ı . Az ozmotikus dehidratálás ugyanakkor alkalmas arra is, hogy a növén yi és állati szövetek, n yersan yagok összetételét tudatosan választott, természetes vagy mesterséges
összetev ı kkel
dúsítsák,
így
funkcionális
élelmiszerek
el ı állításának eszközéül is választható, ezzel a választék további b ı vítése, megújítása érhet ı el. Az ozmotikus dehidratálás ezzel együ tt meg ı rizve
ı si, eredend ı funkcióját - a vízaktivitás csökkentése révén - az élelmi
18
alapan yagok tárolási biztonságát is javítja a megfelel ı alkalmazás esetén, ami els ı számú élelmiszer biztonsági követelmén y.
2.2.1 Az OD gyakorlati alkalmazása Az ozmotikus dehidratálás (OD) a mai gyakorlatban általában a gyümölcsök, zöldségek szárítását megel ı z ı technológiai lépés, mel ynek célja
az
alapan yag
nedvességtartalmának
csökkentése
szárazan yag-tartalmának növelése a termék el ı állítás
és
a
sejtek
gazdaságossága,
illetve az eltarthatósági id ı növelése, valamint a választékb ı vítés és min ı ségjavítás érdekében. A tudományos/technológiai szakirodalomban számtalan növén yi nyersan yaggal végzett OD vizsgálatokról számoltak be az elmúlt évtizedben, amel ynek megoszlását az 5. ábra jellemzi.
1% 2% 2% 3% 3% 5% 45% 6%
6% 7% 7%
7%
alma mangó répa burgonya ananász barack eper kivi banán papaja paprika kókusz grapefruit gesztenye körte paradicsom hagyma karfiol
5. ábra OD kezelt gyümölcs-zöldség fajták elıfordulása tudományos publikációk tárgyaként (100 publikáció alapján, a vizsgálatok száma %-ban az összes publikációszámra vetítve)
Igen felt ő n ı az almavizsgálatok jelent ı sége, amel y az alma igen sokoldalú
ipari
felhasználhatóságával
függhet
össze.
Ozmotikus
dehidratálás során az alapan yagot – zöldséget, gyümölcsöt – hipertóniás cukor vagy só oldatba hel yezik, az oldatnak nagyobb az ozmotikus n yomása és alacson yabb a vízaktivitása, ezért a szövet nedvességtartalmának 19
kiáramlása
(ozmózis)
biztosítja
a
kémiai
potenciál
(koncentráció)
kiegyenlít ı dését. A felület és szövet szemipermeabilitása következtében egyidej ő leg oldott an yag beáramlás indul meg a sejtekbe, illetve a sejtközötti állomán yba. Nem csak víz, hanem egyéb biológiailag értékes an yagok
is
távozhatnak
a
sejtekb ı l,
mint
pl.
ásván yi
an yagok,
aromakomponensek, vitaminok (Torreggiani, 1993; Taiwo és mtsai., 2002; Peiró
és
mtsai.,
2006).
Az
ozmotikus
dehidratálás
fol yamata
tehát
szimultán lejátszódó víz és oldott an yag diffúzió (Lerici és mtsai., 1985). A diffúziós fol yamat tulajdonságait kihasználva az OD alkalmas funkcionális élelmiszerek el ı állítására, az ozmotikum biológiailag értékes an yagokkal történ ı dúsításán keresztül. Funkcionális élelmiszer el ı állítására speciális kísérleteket is végeztek: a vákuumkezelés és az ozmotikus dehidratálás együttes alkalmazását vizsgálták, valamint modellt dolgoztak ki ásván yi an yagokkal dúsított gyümölcsök el ı állítására (Fito és mtsai., 2001a). Táplálkozási
oldalról
el ı n yös,
hogy
az
OD
jól
beilleszthet ı
ol yan
technológiákba, melyek célja az un. „minimal processing” (kíméletes feldolgozás) megvalósítása. A 6. ábra szemlélteti az OD és a vele kapcsolatban lév ı eljárások egyik lehetséges rendszerét (Torreggiani, 1993). Gyümölcs vagy zöldség
Elıkezelés
OD
Szirup
Besőrítés
Lecsepegtetés
Szirup
Gyümölcs vagy zöldség
Fagyasztás
Szárítás
Appertizáció
Lényerés
6 . ábra Az O D é s a h o zzá ka p c so ló d ó le he t sé ge s mő v e le te k r e nd s zer e
20
2.2.2 A mőveleti paraméterek hatása Az OD alatt lejátszódó diffúziós fol yamatok sebességét több paraméter határozza meg. Il yen az alkalmazott n yo más és h ı mérséklet, az ozmotikum és koncentrációja, a minta an yagi min ı sége és geometriai alakja, keverés illetve rázatás alkalmazása, a kezelés id ı tartama stb. Ezen paraméterek hatását számos kutató vizsgálta különböz ı kísérleti elrendezésben és alapan yagokkal.
Az ozmotikum anyagi minısége, típusa, koncentrációja, hımérséklete Az ozmotikum általában 40-70 °Brix-os vizes szacharóz oldat, de végeztek méréseket kukorica sziruppal (El-Aouar és mtsai, 2006), pálma cukorral (Parjoko és mtsai., 1996) glükózzal, fruktózzal is (Lazarides és mtsai., 1996, 1997; Lerici és mtsai., 1985). Az ozmotikumként használt cukor
fajtája
nagymértékben
befol yásolja
a
víz
és
a
szárazan yag
transzportjának kinetikáját, valamint az egyensúl yi víztartalmat. Az oldott an yag moláris tömegének növekedésével növekszik a vízveszteség és csökken a sejtek szárazan yag felvétele, ami kedvez ı en befol yásolja a dehidratálás fol yamatát (Bolin és mtsai., 1983; Lerici és mtsai., 1985). A gyümölcs
szárazan yag-tartalma
cukorkoncentrációjának Escriche
és
növekszik
növekedésével
munkatársai
(2002)
az
(Beristain
összehasonlító
oldat és
kiindulási
mtsai.,
vizsgálatot
1990). végzett
szacharóz és must, mint ozmotikus ágens alkalmazásával kivi alapan yagon. Megállapításuk szerint jobb érzékszervi paraméterekkel rendelkez ı termék n yerhet ı must alkalmazása esetén. Az ozmotikum (szacharóz és kukorica szörp) koncentráció, kezelési id ı és
h ı mérséklet
szignifikáns
hatással
van
a
tömeg
csökkenésre,
vízvesztésre, szárazan yag-növekmén yre, valamint vízaktivitásra (El-Aouar és mtsai., 2006). Feltételezve, hogy a két különböz ı típusú ozmotikum azonos ozmotikus n yomással rendelkezik, a víztartalom csökkenése, a szárazan yag-tartalom növekedése, valamint a tömegcsökkenés nagyobb mérték ő
szacharóz,
nagyobb
vízaktivitás
mint
kukorica szirup
értékek
mérhet ı ek
esetén. a
Ezzel
kukorica
összhangban
szirup
oldatban
dehidratált minták esetében.
21
Az ozmotikumhoz kis menn yiség ő NaCl hozzáadása meggyorsítja a víz kiáramlásának sebességét (Lerici és mtsai., 1985; Sereno és mtsai., 2001; Sacchetti és mtsai., 2001). Gomes Alves
és
kutatócsoportja (2005)
összehasonlító vizsgálatokat végzett az OD technológiai paramétereinek változtatására
vonatkozóan
kétkomponens ő
(víz
+
szacharóz)
és
háromkomponens ő (víz + szacharóz + NaCl) ozmotikum esetében. A kezelési
id ı
függetlenül
és az
h ı mérséklet ozmotikum
hatása
a
típusától.
A
legjelent ı sebb szacharóz
a
vízvesztésre
koncentrációjának
azonban csak kétkomponens ő oldat esetén van szignifikáns hatása a minták által veszített víz menn yiségére. Kísérleteik alapján szacharóz oldat esetében az optimális beállítás 60%-os szacharóz koncentráció, míg sóval kiegészített ozmotikum esetében 50% szacharóz, 10% NaCl. Mindkét esetben 60 °C-ot állapítottak meg ideális kezelési h ı mérsékletként. Más adalékan yagok is használatosak az ozmotikumhoz keverve a fol yamat gyorsítása, illetve a termék min ı ségének javítása céljából. Rodrigues és mtsai (2003) szacharóz oldathoz citromsav vagy tejsav, illetve Na-laktát vagy CaCl 2 hozzáadásával készült ozmotikum reológiai tulajdonságokra illetve színre gyakorolt hatását vizsgálta papaja ozmotikus dehidratálása során. Az értékeléshez a Fick egyenleteken alapuló modellt felhasználva eredmén yeik szerint a CaCl 2 jelenléte fokozza a sejtek szárazan yag felvételét, mel y nagyobb oldott an yag diffúziós együtthatót eredmén yez, összehasonlítva az egyéb beállítások során mérhet ı értékekkel. Ezen kívül a Ca-só jelenléte növeli a fén yességet a dehidratálás els ı órájában, ami valószín ő leg a Ca-pektát képz ı désének következmén ye. Az állomán yvizsgálatok során fellép ı relaxációs id ı értékek függetlennek bizon yultak az
ozmotikumban
oldott
adalékan yag
min ı ségét ı l,
minden
esetben
azonosak voltak. A relatíve nagy h ı mérsékleteken (> 50 °C) végzett kezelések következtében a pektinészteráz enzim aktiválódik, mel y a szövetek puhulásához vezet. Ennek megakadál yozására alkalmazható a CaCl 2 , azonban legfeljebb a kezelés els ı két órájában, mivel a további Casó felvétel kedvez ı tlen konzisztenciájú, túl kemén y terméket eredmén yez. A Na-laktát alkalmazása (50 °C körüli kezelési h ı mérsékleten) az egész fol yamat alatt javasolt, megakadál yozza a gyümölcs puhulását, valamint
22
nagyobb mértékben csökkenti a termék vízaktivitását, kedvezve ezzel a dehidratálás fol yamatának. A szimultán lejátszódó transzportfol yamatok eredmén yeként fellép ı szénhidrát-összetétel illetve savtartalom változásokat vizsgálta Dixon és Jen (1977) ozmotikusan dehidratált (70 %-os szacharóz oldat, 50 °C, 4 h) majd vákuum-szárított (92 °C, 4 h) alma ( Golden delicious ) szeletekben. A kezelt almában megnövekedett D-glükóz- (60%), valamint szacharóz(255%) tartalom
volt kimutatható
segítségével,
kezeletlen
a
GLC
almában
(gáz-fol yadék
szintén
jelen
kromatográfia) lev ı
D-fruktóz
menn yiségében nem volt szignifikáns változás. A szacharóz oldatban történ ı kezelés hatására bekövetkez ı D-glükóz koncentráció emelkedés magyarázata az amilolitikus enzimek m ő ködése 50 °C-on, tehát a kezelés alatt az almaszeletekben lejátszódó kemén yít ı hidrolízis. Az ozmotikum hidrolízisének felvetését cáfolja a D-glükóz menn yiségének változatlan volta. A szerves savak menn yisége csökkent a kezelés során (28%-kal). Íg y e fol yamatok eredmén yeként a cukor-sav arán y 34,1-r ı l 84,6-ra n ı tt, mel y tén ynek, valamint a cukrok vákuum-szárítás során az illó komponensekre gyakorolt visszatartó hatásának tulajdonítják a szerz ı k az ozmotikusan kezelt, vákuum-szárított almatermékek kiemelked ı en kellemes aromáját, harmonikus ízét, szemben a n yers almáknál gyakran tapasztalható nem kívánatos fan yarsággal. A kezelési h ı mérséklet és az ozmotikum koncentrációjának emelésével a víz kifelé és a cukor befelé irán yuló transzportjának sebessége egyaránt növekszik
(Park
és
mtsai.,
2002).
A
h ı mérséklett ı l
való
függés
exponenciális jelleg ő (Beristain és mtsai., 1990). A keverés hatására jellemz ı Reynolds szám függvén yében a vízveszteség nagyo bb a turbulens áramlás régiójában, mint a lamináris régióban, míg a szárazan yag-tartalom növekedés nem mutat szignifikáns különbséget a lamináris és a turbulens áramlású régió között (Mavroudis és mtsai., 1998a). A h ı mérséklet vagy a koncentráció növekedésével n ı az ozmotikus n yomás gradiens, ami növekv ı an yagtranszportot eredményez, ez pedig maga után vonja az effektív diffúziós együtthatók értékének emelkedését (Rastogi és mtsai., 1997a). A koncentráció növekedésével növekszik a víz 23
diffuzivitása, míg az oldott an yagé csökken. A fol yamat jellemzésére definiálható
egy
dehidratációs
hatékon ysági
index
(víz
diffúziós
koefficiens/szárazanyag diffúziós koefficiens), amel y n ı a koncentrációval és csökken, vagy nem változik a h ı mérséklettel (Lazarides és mtsai., 1997). Alma szeleteken szacharóz oldatban végzett kísérlet alapján mind az ozmotikum
koncentrációja,
mind
h ı mérséklete
exponenciális
jelleg ő
függvén y szerint növeli a sebességi együttható értékét a szöveten belüli diffúzió szakaszában (Magee és mtsai., 1983):
k = 2,90 ⋅ 10 −6 T 1, 40 C 1,13
(3)
A diffúziós együttható mellett a vízre és az oldott szárazan yagra vonatkozó ún. egyensúl yi megoszlási hányados is definiálható alma kockák szacharóz oldattal történ ı ozmotikus dehidratálása esetén. A szárazan yagra vonatkozó
megoszlási
koefficiens
értéke
növekszik
a
h ı mérséklet
emelkedésével, de csökken a szirup koncentráció növekedésével. A vízre vonatkozó
megoszlási
emelkedésével
és
hán yados
növekszik
értéke az
csökken
ozmotikum
a
h ı mérséklet
koncentrációjának
növekedésével (Sablani és mtsai., 2002). Mangó gyümölcs esetében az egyensúl yi megoszlási hán yados értékére a h ı mérséklet hatása (22-90°C) a legnagyobb, míg kevésbé az ozmotikum koncentráció (30-70% szacharóz oldat), és a minta alakja (kocka, szelet, háromszög alapú hasáb) a legkisebb. A h ı mérséklet és az ozmotikum koncentráció ellentétesen hatnak (Sablani és mtsai., 2003).
A kezelési idı Papaja ozmotikus
dehidratálása során
három
faktoros
két
szintes
kísérleti terv eredmén yei szerint a kezelési id ı nek (120, 210 perc) nagyobb a hatása, mint a h ı mérsékletnek és az ozmotikum koncentrációnak a szövetek vízaktivitásának csökkentésére (El-Aouar és mtsai., 2006). Alma, tök és répa egy kísérleti elrendezésben (30°C, 61,5%-os szacharóz oldat, 0180 perc) történ ı vizsgálata alapján a legnagyobb mérték ő szignifikáns változás
a dehidratálási kezelés
els ı
30 percében következik be a
24
víztartalomban,
a
vízvesztésben,
valamint
a
szárazan yag-tartalom
növekmén yben (Kowalska & Lenart, 2001).
A koncentráció profil Az OD alatt lejátszódó fol yamatok vizsgálatának lén yeges része a koncentráció profil összehasonlítása a növén yi szövetben végbemen ı szerkezeti változásokkal. Almaszöveten vizsgálva az OD következtében kialakuló koncentrációs profil összefüggésbe hozható a szöveti szerkezet változásaival elektronmikroszkópos felvételek alapján. A kezelés után a mintákban 1,5 mm-enként meghatározhatók a nedvesség és cukortartalom értékek. Az almaszövetben kialakuló koncentrációprofil az ún. ADF (Advancing Disturbance Front – ozmotikum elúciós frontja) segítségével leírható. Az ADF d f távolságban hel yezkedik el a minta és az ozmotikum határfelületét ı l, d > d f távolságoknál sem összetételi, sem szerkezetbeli változások nem figyelhet ı ek meg a mintában a kiindulási állapothoz képest. Az ADF haladási sebessége en yhe h ı mérsékletfüggést mutat (Salvatori és mtsai., 1998; 1999a).
Elıkezelések Az
OD
során
lejátszódó
diffúzióval
szembeni
ellenállás
(amel y
biztosítja a vízdiffúzió el ı n yét az oldott komponensek diffúziójával szemben, azaz lehet ı vé teszi a dehidratálást), a sejt, szövet szerkezetéb ı l, a sejtfelületen, f ı leg a membránokon való átjutás gátlásából ered. Minden hatás, amel y befol yásolja ezeket a szerkezeti elemeket, egyben az OD fol yamatát, azaz a diffúziót is módosítja. Számos, az OD-t megel ı z ı kezelés hatását vizsgálták a transzportfol yamatok sebességére, illetve a végtermék bizon yos tulajdonságaira nézve. Il yen termikus el ı kezelés a blansírozás, nem termikus el ı kezelés a nagy n yomás (HP), a nagy intenzitású pulzáló elektromos er ı tér (HELP), a szuperkritikus CO 2 , és a vákuumozás, amel y nem csak, mint el ı kezelés, hanem az OD-val kombinált kezelésként is alkalmazható. Az OD el ı tti „dupla blansírozás” hosszú ideig, alacson y h ı mérsékleten (LT LT: 30-90 perc, 50-65°C), majd ezt követ ı en magas h ı mérsékleten (HTST:
6
perc/100°C)
végzett
blansírozás
szignifikánsan
növeli
a 25
végtermék kemén ységét sárgarépa esetében, ha az els ı blansírozási lépés h ı mérséklete 60°C vagy 65°C és id ı tartama minimum 45 perc. Ha az els ı blansírozás
a
60-65°C
tartomán y
alatt
és
felett
történik,
gyengébb
konzisztenciájú termék n yerhet ı , a második blansírozási lépést követ ı en. (Quintero-Ramos és mtsai., 1992). A HELP- és HP-el ı kezelt mangó minták vízvesztése és oldott szárazan yag növekmén ye nagyobb, mint a kezeletlen mintáé. A szuperkritikus CO 2 nem befol yásolja a vízvesztést, de el ı segíti a nagyobb szárazan yag növekedést a többi el ı kezelt mintához hasonlítva. A végtermék töréséhez szükséges er ı nagyságát befol yásolja az alkalmazott el ı kezelés: a HE LP- és HP-el ı kezelt minták töréséhez szükséges er ı növekszik az OD id ı tartamával, míg a szuperkritikus CO 2 –dal el ı kezelt, illetve kezeletlen minták esetében ez az er ı en yhén csökken az OD idejének el ı rehaladtával (Tedjo és mtsai., 2002). Almában a rehidratáció sebessége n ı a h ı mérséklettel, de magasabb rehidratációs kapacitás mérhet ı alacson y h ı mérsékleten (24°C és 45°C). A HE LP + OD kezelt minták rehidratációs kapacitása 10–30%-kal nagyobb, mint a csak OD kezelt mintáké. A rehidratáció utáni oldott an yag visszatartás nagyobb a HELP-el ı kezelt minták esetén, ami rehidratáció után egy kemén yebb textúrát eredmén yez (Taiwo és mtsai., 2002). A C-vitamin koncentráció csökken az OD id ı tartamának növekedésével, de a HP- és HELP-el ı kezelt alma minták C-vitamin visszatartása jobb (Taiwo és mtsai., 2001). A HPkezelt ananász víz- és az oldható szárazan yag diffuzivitása az OD alatt sokkal nagyobb, mint a kontroll mintáé (Rastogi és Niranjan, 1998). A diffuzivitás növekszik a n yomással 400 MPa-ig, felette nem változik szignifikánsan. Elektronmikroszkópos vizsgálatok alapján a HP kezelés következtében roncsolódnak a sejtfalak, ami a szövet puhulásához vezet. Az ananász ozmotikus dehidratálása esetén ajánlható a HP el ı kezelés, mivel nagymértékben gyorsítja a fol yamatot. A vákuum-kezelés és az OD technika együttes alkalmazása els ı sorban abban n yilvánul meg, hogy a növén yi szövet pórusaiból gázok távoznak el és hel yüket fol yadék tölti ki (Fito és mtsai., 2001b). A vákuumkezelés hatása a nedvességtartalom csökkenésére – háromféle (sárgabarack, eper, ananász) vizsgált gyümölcs közül – az ananász esetében a legjelent ı sebb,
26
ami a gyümölcs nagyobb porozitásával magyarázható. A nagy porozitású gyümölcsök illetve zöldségek a legalkalmasabbak a kombinált vákuum + OD
eljáráshoz.
A
vákuumtechnika
rendkívül
ajánlatos
módszer
gazdaságossága és a nedvességtartalom csökkenésére gyakorolt el ı n yös hatása miatt – növeli a víz kiáramlási sebességét a kezeletlen mintához hasonlítva (Shi és mtsai., 1995). Az atmoszférikus n yomáson végzett ozmotikus dehidratálást (OD), a pulzáló vákuum-kezeléssel kiegészített OD-t (PVOD), valamint a g ı zzel történ ı blansírozást összehasonlítva (eper mintában), a vízaktivitás csökkentésére a 65 °Brix szacharóz oldatban végzett g ı zzel történ ı blansírozást követ ı PVOD a leghatékon yabb, a legnagyobb mérték ő szacharóz beáramlás következtében (Moreno és mtsai., 2000). Ez az eljárás eredmén yezi a legnagyobb mikrobiológiai stabilitással rendelkez ı
végterméket,
ugyanakkor
a
legnagyobb
színváltozást
és
véd ı hatást a konzisztencia meg ı rzésére. CryoSEM vizsgálatok alapján a g ı zzel kezelt minták h ı károsodást szenvednek, els ı sorban a gyümölcshéj közelében lév ı sejtek. Ez a károsodás a mikrohullámú el ı kezelés esetén nem jelentkezik. A mikrostrukturális tulajdonságokban nem tapasztalható eltérés az OD és PVOD kezelt minták között. Mangó vákuum-kezeléssel kiegészített ozmotikus dehidratálása során szignifikánsan vákuum
nagyobb
alkalmazása
valódi
mellett
diffúziós és
D
együttható
értéke
csökken
mérhet ı az
pulzáló
ozmotikum
koncentrációjának növelésével. Ezzel a ténn yel összhangban álltak a CryoSEM vizsgálat eredmén yei, mel yek szerint 65 °Brix-os szacharóz oldattal PVOD kezelt minták metszetét nagyrészt kezeletlen, natív sejtek alkották, mel y az ozmotikum csekél y mérték ő ben yomulását mutatta, bár üres sejt közötti terek nem voltak megfigyelhet ı k. A jelenség a küls ı sejtekben hirtelen fellép ı dehidratációs-összeomlás okozta kemén yedési effektusnak tulajdonítható, mel y megakadál yozza a fol yamat el ı rehaladását a bels ı sejtek felé (Giraldo és mtsai., 2003). Az OD általában a szárítást megel ı z ı kezelés, mivel az alapan yag nedvességtartalmának csökkentésével a szárítás során jelent ı sen kevesebb menn yiség ő vizet kell elpárologtatni, gazdaságosabbá téve így a fol yamatot a csökkentett energiafelhasználás révén (Fernandes és mtsai., 2006). A
27
szárítás több módszere követheti az OD-t. A leveg ı n történ ı szárítást leginkább a déli és trópusi országokban használják, ahol megfelel ı ek a körn yezeti feltételek. Ezen kívül az atmoszférikus n yomáson végzett szárítás, a vákuumszárítás és a fagyasztvaszárítás egyaránt alkalmazott eljárások a további víztelenítésre, illetve a tartósított termék el ı állítására. Számos publikáció áttekintése alapján általánosan levonható következtetés, hogy a legkedvez ı bb terméktulajdonságok kialakítására a vákuum-szárítás javasolható (Dixon és Jen, 1977; Sharma és mtsai., 1998), mint az OD-t követ ı és egyben az el ı állítási technológiát záró szárítási lépés. Az OD jelenlegi alkalmazásai és a végtermékkel szemben támasztott magas min ı ségi követelmén yek szükségessé teszik speciálisan kifejlesztett berendezések
tervezését,
tulajdonságai,
a
mel yek
végtermék
technológia
által
alkalmazása
során
egyaránt
min ı sége
támasztott
és
kielégítik a
egyik
n yersan yag
gazdaságos
követelmén yeket.
felmerül ı
a
Az
legnagyobb
el ı állítási
OD
gyakorlati
probléma
a
nagy
menn yiség ő ozmotikum igén y, amel y gazdaságtalanná teheti az eljárást. Az ozmotikus oldat recirkuláltatása illetve megfelel ı id ı közönként történ ı regenerálása megoldás lehet erre a problémára. Recirkuláltatott rendszer kifejlesztésével, illetve az ozmotikum regenerálásának problémakörével is többen foglalkoznak (Bolin és mtsai., 1983; Fito és mtsai., 2001a; Dalla Rosa és mtsai., 2001; Marouzé és mtsai., 2001; Garcia-Martinez és mtsai., 2002). Az
elmúlt
néhán y
évtizedben
kutatások
százai
foglalkoztak
az
ozmotikus dehidratálás témakörével, ami jelzi a fol yamat jelent ı ségét, az érdekl ı dést
és
igén yt
az
egészséges,
jó
min ı ség ő ,
gazdaságosan
el ı állítható élelmiszerek iránt. Több jó m ő szaki megoldás fejl ı dött ki a technológia
gyakorlati
megvalósítására,
ennek
ellenére
még
számos
tisztázandó kérdés maradt mind a folyamat elméletét, mind gyakorlati alkalmazását tekintve.
2.2.3 Az ozmotikus dehidratálás elméleti megközelítése Az
ozmotikus
dehidratálás
víztelenítést
és
ezzel
egyidej ő leg
szárazan yag-tartalom növelést célzó technológiai m ő velet, mely az ozmózis
28
fol yamatain alapszik. A növén yi és állati szöveteket hipertóniás oldatba hel yezve játszódik le szimultán az említett két fol yamat. A diffúzió transzportfol yamat, azaz ol yan fol yamat, amel y során an yag, energia, töltés vagy valamil yen más extenzív jelleg ő menn yiség egyik hel yr ı l egy másik hel yre jut el (Erdey-Grúz, 1971). Egy termodinamikai rendszer állapota lehet id ı ben állandó vagy változó. Az id ı ben állandó rendszerek két csoportja az egyensúlyi rendszerek és a stacionárius rendszerek. Az egyensúl yi rendszerekben az intenzív állapothatározók (kémiai potenciál, h ı mérséklet, n yomás) térbeli eloszlása homogén. A stacionárius
rendszerek
nincsenek
egyensúl yban,
tehát
alapvet ı
tulajdonságuk az egyensúl yra való törekvés. Ez a fol yamat az intenzív állapothatározók térbeli eloszlásának megváltozásával jár. Az intenzív állapothatározók kiegyenlít ı dése maga után vonja az extenzív jelleg ő menn yiségek áramlását. Diffúziónak azt a homogén rendszerben lejátszódó an yagtranszportot nevezik, mel y során kémiai potenciál gradiens hatására komponensáram jön létre. Termodinamikai szempontból a diffúzió id ı ben változó rendszert jelent. A diffúzió mikroszkopikus elméletét a Brown-mozgás írja le. A molekulák rendszertelen mozgása következtében a tér minden irán yába azonos
valószín ő séggel
diffundálnak.
Ennek
a
makroszkopikus
következmén ye, hogy a részecskék kitöltik a rendelkezésükre álló teret, tehát a koncentráció eloszlás egyenletes lesz. A koncentrációk változásával a hel y és az id ı függvén yében a diffúzió makroszkopikus elmélete foglalkozik. A transzportfol yamatok jellemzésénél alapvet ı en fontos az extenzív menn yiség árama és a termodinamikai hajtóer ı , amel y létrehozza ezt az áramot. Az áramlás a J fluxussal (árams ő r ő séggel) jellemezhet ı , ami egy egységn yi menn yiség áthaladása egységn yi keresztmetszeten egységn yi id ı alatt. Tömeg áramlásakor - diffúzió esetében - an yagáram-s ő r ő ségr ı l beszélhetünk, mel yn ek egysége: kg m −2 s −1 . A transzportfol yamatok kísérleti tanulmán yozása is azt mutatta, hogy e fizikai menn yiség fluxusa arán yos a rendszer egy vele kapcsolatban álló állapotjelz ı jének gradiensével. Az x
29
tengell yel párhuzamosan áramló an yag fluxus j x arán yos a koncentráció x irán yú gradiensével:
jx ∝
dc dx
(4)
Az árams ő r ő ség vektormenn yiség, a j x fluxus vektorkomponens. Ha j x > 0, akkor az áramlás irán ya x növekedésének irán yával egyezik meg, ha viszont j x < 0, akkor pedig x csökkenésének irán yával esik egybe. Az an yagáram a koncentrációgradiens csökkenésének irán yába fol yik, tehát a diffúziós árams ő r ő ség vektor irán ya ellentétes a koncentráció gradiens irán yával. Így ha dc/dx < 0, akkor j x pozitív viszont ennek következtében az arán yossági tén yez ı el ı jele negatív. Jele: D, diffúziós együtthatónak nevezzük. Dimenziója: (távolság) 2 /id ı . A diffúziós együttható a rendszer an yagi min ı ségét ı l, a h ı mérséklett ı l és kis mértékben a koncentrációtól függ.
j x = − D ⋅ gradc = − D
dc dx
(5)
Az (5) egyenlet a diffúzió Fick I. törvén ye. Ha az an yag a tér minden irán yában
diffundál,
akkor
a
koncentrációgradiens
derékszög ő
koordinátákban kifejezve:
gradci =
∂ci ∂ci ∂ci + + ∂x ∂y ∂z
(6)
Az árams ő r ő ség csak akkor független a hel yt ı l, ha a koncentráció a hel y függvén yében lineárisan változik. Minden más esetben az árams ő r ő ség függvén ye a hel ynek. Hel yt ı l való függésének mértékét az árams ő r ő ség divergenciája adja meg. Ez a koncentráció – hel y függv én y második deriváltjával arán yo s, az arán yossági tén yez ı a diffúziós együttható. A diffúziós áram a diffundáló an yag átlagos sebességével ( vi ) is leírható. Ha a fol yadék nagy része makroszkopikusan n yugalomban van, akkor az i an yag fluxusa:
J i = c i vi
(7)
30
Ezt az összefüggést az (5) egyenletbe helyettesítve, a diffúzió sebessége:
vi = − D
∂ ln ci 1 ∂ci = −D ci ∂x ∂x
(8)
A diffúzió hajtóereje a kémiai portenciál ( µ i az i komponensé) gradiense. A kémiai potenciál változását csak ideális elegyben szabja meg egyértelm ő en a koncentrációváltozás:
dµ i = RTd ln ci
(9)
Reális elegyekben az aktivitás (a i ) irán yadó:
dµ i = RTd ln a i = RT ln γ i ci
(10)
ahol γ i az i komponens aktivitási koefficiense az adott elegy adott hel yén. Mivel reális elegyekben az aktivitási koefficiens az összes komponens min ı ségét ı l és koncentrációjától függ, több komponens ő rendszerekben el ı fordulhat, hogy valamel yik komponens aktivitás gradiensének az irán ya nem esik egybe a koncentráció gradiensének az irán yával. Ez a komponens a
kisebb
koncentrációjú
hel yekr ı l
a
nagyobb
koncentrációjúak
felé
diffundál. Leggyakrabban heterogén rendszerekben a fázisok határán fordul el ı . A koncentrációváltozás sebessége az y hel yen, ha a diffúziós együttható független a koncentrációtól:
∂ 2c ∂ci = D 2i ∂t y ∂y Ez
Fick
II.
törvén ye,
amel ynek
a
t
(11)
körülmén yek
által
megszabott
határfeltételek közötti integrálásával számítható ki a diffúziós együttható kísérletileg közvetlenül meghatározható adatokból. A
szöveti
szerkezet,
illetve
a
szöveti
szerkezet
vízzel
való
kölcsönhatása jelent ı s hatással van a diffúziós fol yamat természetére és sebességére. A cukor diffúzió fol yamata egy háromlépéses modellel írható le (Magee és mtsai., 1983): 1. tömeg transzport az ozmotikumból a minta felülethez
31
2. bels ı diffúzió 3. adszorpció egy bels ı felületen mel yek közül a transzportfol yamat sebesség-meghatározó lépése a „bels ı ” diffúzió, bár a folyamat kezdeti szakaszában tapasztalható a határoló felület ellenállása. Magee és mtsai (1983) kidolgoztak egy összefüggést az OD sebességi paramétere (k, molkg - 1 min - 0 , 5 ) az ozmotikum koncentráció (C, w/v%), valamint a kezelési h ı mérséklet (T, °C) között:
k = 2,90 ⋅ 10 −6 ⋅ T 1, 40 ⋅ C 1,13
(12)
A fol yamat aktiválási energiáját 28,2 kJ mol - 1 értékben határozták meg. Fick második törvénye abban az esetben alkalmazható nem állandósult állapotban a diffúziós fol yamatok modellezésére, illetve a diffúziós együttható becslésére, ha az ozmotikum koncentrációja a fol yamat során nem változik, állandónak tekinthet ı , valamint, ha a felületi ellenállás elhan yagolható összehasonlítva a szöveten
belüli „bels ı ” diffúzióval
szembeni ellenállással. Sok esetben a diffúziós koefficiens nem kapható meg azzal az általános eljárással, mel yb en a diffúziós viselkedésre a Fick egyenletek klasszikus megoldását alkalmazzák, hanem egy koncentrációtól függ ı látszólagos diffúziós együttható számítható (Magee és mtsai., 1983). Régóta ismert, hogy az a feltevés, miszerint a diffúziós koefficiens független a koncentrációtól, szigorúan véve csak ritkán hel ytálló (pl. ideális oldatokban, Erdey-Grúz, 1971). Reális rendszerekben a diffúziós koefficiens rendszerint függ a diffundáló an yag koncentrációjától és ezáltal egyben a hel yt ı l is. Sok esetben (pl. elektrolit oldatokban) éppen a diffúziós
együtthatónak
a
koncentrációtól
való
függéséb ı l
lehet
következtetni a folyamat mechanizmusának bizon yos vonásaira. Ha a diffúziós koefficiens függ a koncentrációtól, akkor a diffúzió egyenletében figyelembe kell venni, hogy D i y-tól is függ. Egydimenziós diffúzióra:
∂ci ∂ ∂c = Di i ∂t ∂y ∂y
(13)
Ha a diffúziós koefficiens nem függ a hel ykoordinátától, akkor ez az egyenlet a következ ı alakban írható fel:
32
∂ci ∂ 2 ci ∂Di = Di + ∂t ∂ci ∂y 2
∂ci ∂y
2
(14)
Háromdimenziós diffúzió esetében pedig: ∂ci = div(Di ⋅ gradci ) ∂t
(15)
A diffúziós együttható koncentrációval való változásának a figyelembe vétele a kísérleti vizsgálatokban nehézkes. Egyszer ő bb egymástól ol yan kicsi koncentrációkülönbség által el ı idézett diffúziósebességet mérni, amel y
koncentrációtartomán yban
a
diffúziókoefficiens
változása
elhan yagolható (Erdey-Grúz, 1971). A diffúziót leíró matematikai modellek háromféle elméleti alapon osztál yozhatók: elméletén
és
a az
hidrodinamikai irreverzibilis
elméletek,
fol yamatok
a
fol yadékok
termodinamikáján
kinetikus alapulók
csoportjába.
A diffúzió hidrodinamikai elmélete a folyadékot kontinuumnak tekinti, amel yben a komponensek diffúziós áramát a hajtóer ı és a súrlódási er ı egyensúl ya szabja meg. Sutherland és Einstein elméletükben (Erdey-Grúz, 1971) az ozmózis-nyomás gradiensét tekintette hajtóer ı nek; mai felfogás szerint a kémiai potenciál-gradiensé ez a szerep. Ha az i komponens oldata ideális elegy, akkor az oldott an yag kémiai potenciáljának ( µ i = µ i 0 + R T lnc i ) a gradiense y irán yban, ami a diffúzió hajtóerejének a mértéke:
∂µ i ∂ ln ci RT ∂ci = RT = ∂y ∂y ci ∂y
(16)
Ha f s az oldott an yag súrlódási ellenállása molekulánként (vagyis Nf s mólonként), akkor az egydimenziós diffúzió átlagos sebessége:
vi = −
RT ∂ ln ci kT ∂ ln ci =− Nf s ∂y f s ∂y
(17)
Figyelembe véve a (8) összefüggést, a hidrodinamikai meggondolás alapján a diffúziós együttható:
33
D12 =
kT fs
(18)
A súrlódási ellenállás kiszámítására a legrégibb, de még ma is használható összefüggés Stokes-tól (Erdey-Grúz, 1971) származik, aki a klasszikus hidrodinamika alapján azt a súrlódási ellenállást számította ki, amel y egy kontinuumban mozgó gömb alakú testre hat:
2η1 βr2 f s = 6πη1 r2 3η 1+ 1 βr2 1+
(19)
ahol r 2 a gömb sugara, η 1 az oldószer viszkozitása, β a gömb és a fol yadék közötti csúszási súrlódási koefficiens. A csúszási súrlódás eszerint különböz ı lehet két határeset között. Az egyik határesetben a fol yadék teljesen nedvesíti a benne mozgó gömböt, azaz valós oldatban β = ∞ , és a súrlódási ellenállás:
f S = 6πη 1 r2
(20)
A másik határesetben a fol yadék egyáltalán nem nedvesíti a gömböt, vagyis nem tapad hozzá, ekkor β = 0 . A Stokes-féle súrlódási törvén y diffundáló molekulákra annál jobb közelítéssel érvén yes, minél nagyobbak az
oldott
an yag
molekulái
az
oldószeréhez
képest.
Nagyméret ő
gömbszimmetrikus molekulájú an yagoknak kismolekulájú oldószerben való diffúziójára feltételezhet ı , hogy hidrodinamikai értelemben vett csúszás alig következik be, vagyis β = ∞ . Így a súrlódási ellenállásra a (21) összefüggés érvén yes, a diffúziós együtthatót a Stokes - Einstein - egyenlet írja le:
D12 =
kT 6πη 1 r2
(21)
A diffúzió kinetikus elméletei a diffúzió molekuláris mechanizmusával foglalkoznak. Közülük legáltalánosabb és a diffúzió elemi fol yamataiba betekintést n yújt az E yring és munkatársai által kidolgozott hipotézis és ennek továbbfejlesztése. E yring a diffúziós koefficienst fol yadékmodell 34
alapján vezeti le (az abszolút reakciósebesség elméletére támaszkodva). E yring feltételezi, hogy a diffúzió a monomolekuláris reakciók sebességi fol yamatához hasonlóan írható le, amel ynek során a részecske és a körn yezete
között,
átmenetileg,
aktivált
állapotnak
min ı síthet ı
konfiguráció alakul ki. Oldatban a diffúzió úgy következik be, hogy az oldott an yag és az oldószer egy - egy molekulája elsiklik egymás mellett. Az
oldott
egyensúl yi
an yag
molekulái
hel yzetb ı l
a
a
fol yadékszerkezetben
szomszédosba
a
elfoglalt
potenciális
egyik
energiának
(szabadentalpiának) a két egyensúl yi helyzetét elválasztó gátján át jutnak el. Ha a két szomszédos egyensúl yi hel yzet λ távolságn yira van egymástól, akkor a molekulák egy - egy ugrás alkalmával λ távolságn yira jutnak el ı re a negatív koncentrációgradiens irán yában (7. ábra).
a diffúzió irán ya szabadentalpia
c
c+λ
dc dy
y
7 . ábra A d i f f ú zió s zab ad en ta lp ia g átj a id eá li s o ld atb a n
Ideális
oldatban
a
standard
szabadentalpia
-
a
koncentrációtól
függetlenül - a diffundáló molekula minden egyensúl yi hel yzetében azonos. Ha a diffundáló molekula egymás utáni egyensúl yi hel yzeteiben azonos a standard
szabadentalpia,
és
feltételezhet ı ,
hogy
az
energiagát
szimmetrikus, akkor a koncentrációcsökkenés irán yában ugyanakkora a fol yamat aktiválási szabadentalpiája, mint az ellentétes irányban. Tehát a kétirán yú fol yamatnak megfelel ı sebességi állandó is egyenl ı egymással. Egydimenziós diffúziót vizsgálva, ha valamel y hel yen az oldott an yag koncentrációja c [mol/cm 3 ], akkor a szomszéd hel yzetben, amel ybe a
35
diffúzió fol yamán jut a molekula, a koncentráció c + λ
dc (7. ábra). Mivel dy
az oldott an yag csökken ı koncentráció irán yában diffundál, dc < 0, és ezáltal
c+λ
dc < c. Il yen körülmén yek között y-ra mer ı leges 1 cm 2 dy
keresztmetszeten az oldatban 1 s alatt koncentrációcsökkenés irán yában áthaladó molekulák száma (vagyis az el ı remozgás sebessége): v e = Ncλ 2 k
(22)
ahol k: a diffúzió fajlagos sebessége (sebességi állandója) A
termikus
mozgás
fol ytán
ellentétes
irán yban
is
mozdulnak
el
molekulák. E hátrafelé mozgás sebessége pedig:
dc v h = N c + λ λ2 k dy
(23)
Az oldott an yag molekuláinak ered ı sebessége (vagyis a diffúzió sebessége): v = v e − v h = − Nλ 2 k
dc dy
(24)
Ez a menn yiség a diffundáló molekulák számával kifejezve a Ficktörvén y szerint:
v = − DN
A
két
utóbbi
egyenlet
dc dy
összevetéséb ı l
(25) adódik,
hogy
a
diffúziós
együttható ideális oldatokban: D = λ2 k
(26)
A diffúzió termodinamikai elmélete A klasszikus termodinamikából, ami csak egyensúl yokkal és reverzibilis fol yamatokkal foglalkozik, nem lehet következtetni a transzportfol yamatok összefüggéseire.
A
kiterjesztésének
(ami
termodinamika els ı sorban
irreverzibilis Onsager
fol yamatokra
nevéhez
f ő z ı dik)
való egyik 36
kiindulópontja az a megállapítás, hogy a transzportfol yamatok Fourier-, Ohm-
illetve
Fick-féle
fenomenológiai
törvén ye
szerint
lineáris
az
összefüggés a h ı , az elektromosság, illetve az an yag fluxusa, valamint az el ı idéz ı
er ı
között.
Az
Onsager-féle
linearitási
szerint
törvény
termodinamikai rendszerben valamel y i an yagra ható X i er ı és az általa el ı idézett J i fluxus közötti fenomenológiai összefüggés, ha csak ez az egyetlen er ı hat az i an yagra: (27)
J i = Li ⋅ X i
ahol
L i az áram vezetési koefficiense.
Az
irreverzibilis
fol yamatok
termodinamikája
szerint
izoterm
rendszerben a diffúziót el ı idéz ı termodinamikai er ı a kémiai potenciál gradiense. Onsager és de Groot szerint a diffúzióban a különböz ı koncentrációjú
oldatok
elegyedésével
járó
szabadentalpia-változás
azonosítható a diffundáló részecskék által a közeg súrlódása ellenében végzett munkával. A diffúzió lassú fol yamat lévén, lefol yása során sokkal kisebbek az eltérések az egyensúl ytól, mint legtöbb kémiai reakcióban. Il yen körülmén yek között a szabadentalpia egész változása egyenl ı a súrlódás
által
disszipált
energiával.
Ennek
megfelel ı en
izoterm
rendszerben az i komponens diffúzióját el ı idéz ı termodinamikai er ı : (28)
X i = − gradµ i
A valóságban gyakran nem egyetlen er ı hat a transzportfol yamatokban, hanem több er ı idézi el ı az an yagáramot és a különböz ı an yagáramok nem függetlenek
egymástól.
Általában,
ha
a
termodinamikai
rendszer
i
komponensére egyidej ő en X 1 , X 2 ....X i ....X n termodinamikai er ı hat, akkor a lineáris törvén y érvén yességi tartományában e komponens fluxusa: n
J i = ∑ Lik X k
(29)
k =1
A
kereszteffektusok
vezetési
koefficiensei
Onsager
szerint
"szimmetrikusak", vagyis érvén yes rájuk a következ ı összefüggés:
Lik = Lki
(30) 37
Ez az Onsager-féle reciprocitási reláció, amel y a diffúzióra vonatkozó vizsgálatok
szerint
megegyez ı nek
a
kísérleti
bizon yult.
A
hibák
határain
diffúziónak
az
belül
a
tapasztalattal
irreverzibilis
fol yamatok
termodinamikáján alapuló elmélete az egyszer ő diffúzió tárgyalásában nem sok el ı n yt n yújt, kereszteffektusok jelenlétében azonban jelent ı s (ErdeyGrúz, 1971; Atkins, 1998).
Az ozmózis jelensége Koncentráció gradiens hatására az oldott an yag a rendelkezésre álló fol yadék
egyenletes
akadál yozza
meg,
betöltésére
akkor
törekszik.
diffúzió
útján
Ha
ebben
oszlik
el
semmi
sem
egyenletesen
az
oldószerben. Ha ellenben nem teljesen átereszt ı (szemipermeábilis) felület, határréteg választ el két különböz ı koncentrációjú oldatot egymástól, amel yen csak az oldószer molekulái léphetnek át szabadon, az oldott an yag molekulái viszont nem képesek áthatolni, akkor oldószer áramlik a határfelületen át a tömén yebb oldat felé. Ez a jelenség az ozmózis. Az ozmózis addig tart (ha küls ı okok nem akadál yozzák), amíg a felület két oldalán lev ı oldat egyenl ı koncentrációjúvá nem válik. Az ozmózis oka az, hogy a kémiai potenciál különbsége folytán a hígabb oldószer fel ı l több oldószer molekula jut id ı egység alatt a félig átereszt ı hárt yához, és hatol be az oldatba, mint amenn yi a tömén yebb oldat fel ı l jut oda. Az oldott an yag „hígítja” azaz csökkenti az oldószer kémiai potenciálját, minek fol ytán kevesebb oldószer molekula éri el a fol yadék határát, mint azonos körülmén yek között tiszta oldószer esetén. A tömén yebb oldat kell ı en nagy n yomás
alá
hel yezésével
megakadályozható
az
ozmózis,
mivel
az
oldószernek az ozmózissal ellentétes irán yú áramlása jön létre. Ha ez az oldatra kifejtett n yomás akkora, hogy az oldószernek ezáltal el ı idézett kiáramlása
(exozmózis)
egyenl ı
az
ozmózis
okozta
beáramlással
(endozmózis), akkor dinamikus egyensúl y jön létre. Azt a n yomást, amel yet az oldatra ki kell fejteni, hogy ez az ozmotikus egyensúly létrejöjjön, ozmózisn yomásnak
nevezik.
Az
ozmózisn yomásnak
rendkívül
fontos
szerepe van az él ı szervezetekben. A növén yi és állati sejtek tartalma jelent ı s
részben
vizes
oldat,
mel yet
különféle
membránstruktúrák
határolnak. Ez utóbbi a vizet jobban átereszti, mint a sejtnedvben oldott 38
an yagokat. A növényi sejtek ozmózisn yomása 4-20 atm. Vízbe hel yezve a sejtet falán át víz hatol be, mel ynek hatására a sejt megduzzad, széls ı séges esetben fel is szakad. Ugyancsak endozmózis indul meg, ha a sejtet ol yan oldattal hozzuk össze, amel ynek ozmózisn yomása kisebb, mint a sejtnedvé. Az endozmózis hatására a sejtben hidrosztatikus n yomás (turgor) jön létre, aminek következtében az él ı növén y szövetei rugalmasak és szilárdak. Ha a sejt
elhal
a
membránszerkezet ő
felületek
elvesztik
féligátereszt ı
sajátságukat vagy a növén yi szövet nagyobb ozmózisn yomású fol yadékkal érintkezik a turgorn yomás lecsökken, a növén y fonn yad (Erdey-Grúz, 1969).
2.2.4 Az ozmotikus dehidratálás matematikai megközelítése, a modellezés lehetısége A diffúziósebesség ismeretére számos esetben szükség lehet. A technológia tervezésénél, m ő veleti lépésként szolgáló OD optimálásánál kiemelked ı jelent ı ség ő a szerepe. Az
ozmotikus
jellemzésére
dehidratálás
szolgáló
diffúziós
alatt
lejátszódó
együt tható
diffúziós
kísérleti
folyamatok
meghatározására
általában a Fick törvén yeket használják (Lazarides és mtsai., 1995, 1997; Lazarides és Mavroudis, 1996; Monsalve-González és mtsai., 1993; Barat és mtsai., 2001; Moreira és Sereno, 2003; Park és mtsai., 2002; Rastogi és mtsai., 1997a,b; Salvatori és mtsai., 1999a,b; Sereno és mtsai., 2001). Az általánosan
alkalmazott
kiszámításához
Fick
összefüggés
nem
az
stacionárius
effektív állapotra
diffúziós vonatkozó
együttható diffúziós
egyenlete: ∂C ∂ 2C =D 2 ∂t ∂x
(31)
Gyakori az a megközelítés, hogy a véges geometriájú élelmiszer mintát végtelen sík felületnek tekintik, elhan yagolva ezzel az egyéb irán yokban lejátszódó diffúziós fol yamatokat. Néhányan vesznek csak tekintetbe nem állandósult
állapotra
vonatkozó
tömeg
transzportot
az
ozmotikus
dehidratálás alatt (Magee és mtsai., 1983; Beristain és mtsai., 1990; Azuara
39
és mtsai., 1992; Rastogi és Raghavarao, 1997a). Az il yen feltevések abban az esetben érvén yesek, ha a minta vastagsága nagyon kicsi a minta oldalainak
nagyságához
képest,
mivel
így
a
perifériális
diffúzió
elhan yagolható mérték ő . Ha a minta vastagsága közel egyenl ı a hosszával, valamint szélességével, (paralelepipedon, kocka) ez a feltevés már nem érvén yes, mivel szignifikáns mérték ő diffúzió játszódik le a periférikus oldalakon
is.
Az
il yen
esetekben
feltétlenül
szükséges
a
perifériás
diffúzióval is számolni, így a mintát derékszög ő paralelepipedonnak kell tekinteni (Rastogi és Raghavarao, 2004). A Crank (1975) által megfogalmazott differenciálegyenleteken alapuló modellezési, differenciálegyenlet megoldási lehet ı ségeknek alkalmazkodni kell a kísérletek sajátságaihoz, els ı sorban a minta geometriájához.
Sík felület, mint minta geometria esetében Az
OD
kinetikájának,
valamint
az
egyensúl yi
állapot
becslésére
dolgoztak ki Azuara és mtsai. (1992) egy kétparaméteres egyenletet. A modelt 10 különböz ı kísérletb ı l száramzó kinetikai adatokkal tesztelték. Feltételezéseik szerint, mivel az ozmotikus dehidratálási folyamatok nagy része konstans h ı mérsékleten és kiindulási ozmotikum koncentráció mellett megy végbe, így ezen körülmén yek között kijelenthet ı , hogy a vízvesztés (WL) csak az id ı függvén ye. Ezen feltételezéssel élve fejezték ki WL és SG értékét:
WL =
S1t (WL∞ ) 1 + S1t
(32)
SG =
S 2 t ( SG∞ ) 1 + S 2t
(33)
ahol WL a vízvesztés, WL ∞ az egyensúlyi vízvesztés, SG a szárazan yagnövekmén y, SG ∞ az egyensúl yi szárazan yag-növekmén y, S 1 , S 2 konstansok, t az id ı .
A felállított modell, valamint Crank (1975) Fick II. törvén yének sík felületre megoldott alakját használva dolgoztak ki egy összefüggést, mel yb ı l a látszólagos diffúziós együttható számítható:
40
Dt =
πt S i l WLmod ∞ 4 1 + S i t WLexp ∞
2
(34)
ahol S i = S 1 vagy S 2 , WL ∞ m o d a számított WL ∞ e x p a mért vízvesztés, D t a látszólagos diffúziós együttható a t id ı pontban.
Kocka alakú geometria esetében Rastogi
és
Raghavarao
(2004)
ananász
ozmotikus
dehidratálását
vizsgálta. A minta – ozmotikum oldat arán yt 1:25-nek választották, mel y biztosítja, hogy az ozmotikum koncentrációja nem változik szignifikáns mértékben a kísérlet során. A számításokhoz felhasznált összefüggést Crank (1975) Fick II. törvén yének derékszög ő paralelepipedonra (oldalak: 2a, 2b, 2c) felírt egyenleteib ı l vezették le a víz és oldott an yag transzportjára:
Mr =
Sr =
∞ (M t − M ∞ ) 1 1 1 = ∑ C n3 exp − Dew tq n2 2 + 2 + 2 ( M 0 − M ∞ ) n =1 b c a ∞ (St − S∞ ) 1 1 1 = ∑ C n3 exp − Des tq n2 2 + 2 + 2 ( S 0 − S ∞ ) n =1 b c a
(35)
(36)
ahol: C n = 2α (1 + α ) /(1 + α + α 2 q n2 )
(37)
A (35) és (36)-es egyenletb ı l számítható D e w és D e s az effektív víz és oldott szárazan yag diffúziós együtthatók. Ha a paralelepipedon minden oldala egyenl ı (2a = 2b = 2c) akkor (35) és (36) a következ ı egyenletekre redukálódnak kocka alakot feltételezve:
Mr =
Sr =
∞ (M t − M ∞ ) 3 = ∑ C n3 exp − Dew tq n2 2 ( M 0 − M ∞ ) n =1 a ∞ (St − S∞ ) 3 = ∑ C n3 exp − Des tq n2 2 ( S 0 − S ∞ ) n =1 a
(38)
(39)
Kocka esetén a Fourier szám a víz (F o w ) és oldott szárazan yag (F o s ) diffúzióra a D e w t(3/a 2 ) illetve a D e s t(3/a 2 ) alakban definiálható. A (38) és (39) egyenlet grafikai megközelítése log (M r vagy M s ) ábrázolás a Fourier
41
szám függvén yében. Ezen egyenesek meredeksége: d(logM r )/d(F o w ) illetve d(logS r )/d(F o s ). A tömegtranszport fol yamat egyensúl yi megközelítését feltételezve a következ ı egyenletek írhatók fel a víz és az oldott an yag transzportjára: −
dM = k M (M − M ∞ ) dt
(40)
dS = k S (S − S ∞ ) dt
(41)
A (40) és (41) egyenletek integrálása a megfelel ı kezdeti feltételekkel a következ ı ket eredmén yezi:
ln
(M t − M ∞ ) = ln M r = −k M t (M 0 − M ∞ )
(42)
(St − S ∞ ) = ln S r = k S t (S0 − S ∞ )
(43)
ln
A kísérleti adatokat (Mr és Sr t függvényében ábrázolva) behel yettesítve a (42) és (43) egyenletekbe k M és k S értéke számítható, amel yek pedig megadják a meredekségeket: k d (log M r ) = − M 2,3025 dt
(44)
kS d (log S r ) = dt 2,3025
(45)
Kocka alakot feltételezve az effektív diffúziós együtthatók (D e w ; D e s ) értéke: ( Dew ) = [{d (log M r ) / dt}/{d (log M r ) / d ( Fow )}](a 2 / 3)
(46)
( Des ) = [{d (log S r ) / dt }/{d (log S r ) / d ( Fos )}](a 2 / 3)
(47)
Gömbszerő geometria esetére Chenlo
és
mtsai.
(2006)
modellezték
az
ozmotikus
dehidratálás
kinetikáját mogyoró glükóz oldattal történ ı kezelése során. Fick II. egyenletének
gömb
geometriára
megoldott
alakját
használták 42
számításaikhoz, feltételezve, hogy a transzportfol yamatokkal szemben a felületen fellép ı ellenállás elhan yagolható a bels ı ellenálláshoz képest (Crank, 1975):
Wwors
− Deff n 2π 2t 1 = 2 ∑ 2 exp 2 r π n=1 n 6
∞
(48)
ahol D e f f ⋅ t/r 2 adja a dimenzió nélküli Fourier számot. A mogyorót, mint gömb alakot tekintve az r átlagos átmér ı :
r =3
3πm0 4ρ
(49)
W w o r s a vízvesztésre (WL) és a szárazanyag-növekmén yre (SG) vonatkozó dimenziónélküli paraméter:
Wwors =
(WLorSG ) t − (WLorSG ) eq
(50)
(WLorSG ) 0 − (WLorSG ) eq
Hengeres geometria esetére Banán hengerek szacharóz oldatban (minta-oldat arán y = 1:20) történ ı ozmotikus kezelése során lejátszódó transzportfol yamatokat modellezték Rastogi és mtsai. (1997a). Az effektív diffúziós koefficiensek értékét szintén Fick nem állandósult állapotra vonatkozó diffúziós egyenletének megoldásával
kapott
összefüggésb ı l
számították.
Fick
II.
törvén ye
hengerkoordinátákkal (r, θ , z) kifejezve: ∂C 1 ∂ ∂C ∂ D ∂C ∂ ∂C = rD + + rD ∂t r ∂r ∂r ∂θ r ∂θ ∂z ∂z
(51)
Hosszú hengerekre, feltételezve, hogy a diffúzió sugárirán yú, valamint a koncentráció csak a sugár és az id ı függvén ye (51) redukálható: ∂C 1 ∂ ∂C = rD ∂t r ∂r ∂r
(52)
Figyelembe véve a peremfeltételeket: ha t = 0, akkor C = C 1 , 0 < r < a és ha t > 0, akkor C = C 0 , r = a (52) megoldása a következ ı :
43
C − C1 2 ∞ exp(− Dα n2t ) J 0 (rα n ) = 1− ∑ C 0 − C1 a n=1 α n J 1 ( aα n )
(53)
A (53)-as összefüggést a víz diffúziójára felírva, valamint az effektív diffúziós együtthatót behel yettesítve adódik: ∞ Mt 4 = 1 − ∑ 2 2 exp(− Deα n2 t ) M∞ n =1 a α n
(54)
ahol a α n a J 0 (a α n ) = 0 egyenlet gyökei. Ha a Fourier szám egyenl ı D e t/a 2 , akkor (54) felírható: ∞ Mt 4 =1− ∑ exp − Fo(aα n ) 2 2 M∞ ( a ) α n =1 n
[
]
(55)
A diffúziós együttható értéke koncentrációméréssel határozható meg a Fick
II-es
egyenlet
henger
koordinátarendszerben
megoldott
alakját
használva. A koncentrációprofil id ı beli változására korlátos diffúziót feltételezve a következ ı képlet vezethet ı le:
ha
∂c ∂ 2c =D 2 ∂t ∂x
(56)
c(t , x ) = ct (t ) ⋅ c x ( x )
(57)
cx
dct d 2cx = Dct dt dx 2
d 2cx 2 d ln (ct ) Dπ 2 = D dx = konst = − dt cx 4 x0
(58)
(59)
π x c x = cos 2 x0
(60)
dc x π2 = − 2 cx dx 4 x0
(61)
Dπ 2 t ct = konst ⋅ exp − 2 4 x 0
(62)
44
Sugárirán yú diffúzió esetén a koncentrációprofil id ı függésére kapott egyenlet hengerkoordinátákra átírt alakja vezet megoldásra. −
e
DtI ∞2 4 ( R − Rb )2
⋅ I 0 (r ) = c(t , r )
(63)
ahol I ∞ : a zérusrend ő Bessel függvén y els ı zérushel ye (I ∞ =2,4048). A hengerkoordinátabeli koncentrációprofilt linearizálva majd ábrázolva a koncentráció-eltérések logaritmusát az id ı függvén yében olyan egyenest kapható, mel ynek meredekségéb ı l a diffúziós együttható értéke számítható: tg α = − D
I ∞2
(64)
(R − Rb )2
ahol R - a henger küls ı sugara, R b - a henger bels ı határának sugara, ( R - R b ) - a diffúziós úthossz (Matusek és Merész, 2002).
Egyéb modellezési lehetıségek A
legtöbb
publikált
víz
szorpciós
görbe
leírható
a
következ ı
kétparaméteres modell segítségével: M(t) = M 0 + t/(k 1 + k 2 t)
(65)
ahol M(t) a nedvességtartalom t id ı pontban, M 0 a kiindulási nedvesség, k 1 ,
k 2 konstansok. Az egyenlet linearizálásával: t/[M(t) – M0] = k1 + k2t
(66)
egyszer ő en kiszámítható a t id ı ponthoz tatozó megkötött víz menn yisége (Peleg, 1988).
45
3. A kísérleti munka során alkalmazott vizs gálati m ó d s z e re k i s m e r t e t é s e A kísérleti munka a frukto-oligoszacharidok ozmotikumként történ ı alkalmazásának vizsgálatára irán yul, az ozmotikus dehidratálás, mint m ő velet
többirán yú
oligofruktózok víztartalom
megközelítése
ozmotikus
csökkent ı
mellett.
ágensként történ ı
képességének
A
fı
irán yvonal
diffúziós
vizsgálata,
az
az
viselkedésének,
OD
technológiai
paramétereinek (h ı mérséklet, kezelési id ı , ozmotikum koncentráció) a tömegváltozásra,
vízvesztésre,
szárazan yag
növekmén yre,
szénhidrát-
tartalomra és összetételre, víztartalomra és a termék állomán yára gyakorolt hatásának vizsgálata volt a szacharózzal való összehasonlításban, továbbá az
el ı kezelések
(blansírozás,
mikrohullámú-kezelés,
vákuum-kezelés)
diffúziós fol yamatra gyakorolt hatásának vizsgálata. Az alkalmazhatóság vizsgálatának fontos részét képezi a frukto-oligoszacharidok bomlási kinetikájának tanulmán yozása, leírása. A választott feladat sokoldalú, tartalmában és kísérleti beállításaiban is sokféle – egységesen nem kezelhet ı – vizsgálatot követel meg, ezért a teljes munkára vonatkozó egységes kísérleti terv nem mutatható be. Az áttekinthet ı ség, követhet ı ség érdekében az egyes önállóan kezelhet ı f ı feladatok eredmén yeinek ismertetése el ı tt kerül elhel yezésre az azokhoz tartozó kísérleti terv. A
kísérletek
eredmén yek
eredmén yeit
ismertetése
leíró
során
összefüggésekben,
f ı ként
a
a
nemzetközileg
számítások, elfogadott
jelöléseket alkalmaztam, a nemzetközi szakirodalommal való egyezés érdekében. A jelölések, rövidítések feloldását a melléklet tartalmazza. A mérési eredmén yek értékelésének, a számítások módszerének ismertetése a módszerleírás fejezetben található.
46
3.1 Kísérleti minták, alkalmazott anyagok és elıkészítésük a vizsgálatokhoz Modell gyümölcsként a kísérletek elvégzéséhez Idared almát ( Malus
domesticus cv. Idared) választottam (8. ábra). Jellemz ı je, hogy nagy termés ő , jól tárolható, er ı s szerkezet ő , ipari feldolgozásra (konzerv, szárítás) alkalmas, nagyon elterjedt fajta. A tételek a Corvinus Egyetem szigetcsépi term ı helyér ı l vagy kereskedelmi forgalomból származtak. Ozmotikumként szacharózt és frukto-oligoszacharidokat alkalmaztam. A felhasznált
szacharóz
kereskedelmi Raftilose ®
"Csillám
kristálycukor"
forgalomban kapható. A
P95
(ma:
Beneo™
P95)
néven
(Mátra
Cukor)
frukto-oligoszacharid oldatokat márkajel ő
frukto-oligoszacharid
készítmén yb ı l állítottam el ı , mel y az ORAFTI cég gyártmán ya, eredetét tekintve cikória inulin hidrolizátum. A termék specifikációját a 2. táblázat tartalmazza. 2 . tá b lá za t R a f ti lo se ® P 9 5 s zén h id rá t ö ss z eté te l e
Oligomerek polimerizációs f oka ( DP) DP1 - DP2 DP3 – DP8
Arány a termékben ( %) < 6,8 ≥ 93,2
3.2 Alkalmazott mintakezelési eljárások 3.2.1 Mintaelıkészítés Az
almát
tároltam,
felhasználásig
1-4°C-on,
kísérletekhez választottam.
a
92-94%
tárolást
szabál yozott relatív
követ ı en
Közvetlenül
szobah ı mérsékleten
tartottam,
is
páratartalom csak
felhasználás a
páratartalmú ép,
h ő t ı tárolóban
érték
egészséges el ı tt
gyümölcshús
az
mellett.
A
darabokat almákat
h ı mérsékletének
kiegyenlít ı déséig. A gyümölcshúst 1×1×1 cm-es kockákra daraboltam (8. ábra). A barnulási fol yamat gátlása érdekében szobah ı mérséklet ő , 1%-os citromsav oldatba merítettem (10 s), lecsepegtetés, valamint a felületre tapadt fol yadék leitatása után a kísérleti tervben szerepl ı kezelésnek vetettem alá. 47
8. ábra Idared alma és almakocka minta
3.2.2 Blansírozás Az
el ı készített,
el ı zetesen
analitikai
mérlegen
lemért
tömeg ő
almakockákat megfelel ı méret ő üveg edén yzetbe hel yeztem, mel y már tartalmazta a kívánt h ı mérséklet ő re felmelegített izotóniás szacharóz vagy frukto-oligoszacharid oldatot. A minta-oldat arán yt tömegre vonatkoztatva 1:10 arán ynak választottam meg. Az edén yzetet termosztálható rázógépbe hel yeztem (GFL 1086), majd 140 perc - 1 mérték ő rázatás alkalmazásával a kívánt id ı tartamig h ı kezeltem a mintákat. A h ı kezelést követ ı en a mintákat az oldatból kivettem, felületüket sz ő r ı papíron leitattam, majd tömegüket analitikai mérlegen lemértem.
3.2.3 Ozmotikus dehidratálás Az almakockákat (~25 g) tömegmérés után a kívánt h ı mérsékletre el ı melegített, 250 ml kívánt koncentrációjú ozmotikum oldatba hel yeztem Erlenmeyer lombikban. A minta – oldat arán yt minden esetben 1:10-nek választottam meg. A minták oldatfelszín alatt tartását az eljárás alatt a fol yadék felszínre hel yezett háló biztosította. Az Erlenmeyer lombikokat termosztálható, rázatható vízfürd ı be (GFL 1086) hel yeztem (T = kísérleti tervnek megfelel ı en, ν = 140 perc - 1 ). Az OD kezelést követ ı en a mintákat az oldatból kivéve, felületükr ı l a fol yadékot leitattam, majd elvégeztem a szükséges méréseket.
48
3.3 Vizsgálati módszerek 3.3.1 Szárazanyag- és víztartalom, vízaktivitás meghatározása A almakockák összes szárazan yag-tartalmát (TSC, total solid content ) gravimetriás módszerrel határoztam meg. A minták tömegét szárítás el ı tt és után lemértem KERN ABJ 220-4M típusú analitikai mérlegen. A szárítást atmoszférikus, légáramoltatásos szárítószekrén yben végeztem 70°C-on, 20 órán
keresztül
(LMIM).
A
szárazan yag-tartalmat
és
víztartalmat
számítottam (67, 68 egyenlet).
TSC =
m sze − mszu ⋅ 100 msze
(67)
MC = 100 − TSC
(68)
Egyes méréseket gyors nedvességtartalom meghatározó berendezéssel 105°C-on
tömegállandóságig
végeztem
(KERN
MLB
50-3).
A
két
módszerrel mért víztartalom értékeket összehasonlítottam, a korreláció 0,95. Az
izotóniás
szacharóz
illetve
frukto-oligoszacharid
oldatok,
az
ozmotikumok, valamint a kezeletlen almaminta vízaktivitását Novasina Labmaster-a w típusú berendezés segítségével 22°C-on határoztam meg.
3.3.2 Vízoldható szárazanyag-tartalom meghatározás Az almaminták illetve a felhasznált ozmotikum és el ı f ı z ı oldatok vízoldható szárazanyag-tartalmát, refrakcióját Carl Zeiss típusú (Jena) asztali refraktométerrel határoztam meg. Az oldatokból szobah ı mérsékleten közvetlenül a prizmára cseppentés után olvastam le a refrakció értékét °Brix-ben. Az almakockákat tiszta pamutkend ı be hel yeztem, n yomással n yert levüket a prizmára cseppentettem és ezután végeztem el a leolvasást.
3.3.3 Vízvesztés meghatározása A
ozmotikus
dehidratálási
fol yamat
során
a
hipertóniás
oldatba
hel yezett minta vizet veszít, az eltávozó vízmenn yiség, a vízveszteség
49
(W L) a nemzetközi szakirodalomban water loss-ként elterjedt kifejezés alapján. A W L dimenziója g/g (69. egyenlet).
WL =
mb ⋅ ( MC b / 100) − mOD ⋅ ( MC OD / 100) mb ⋅ (TSC b / 100)
(69)
3.3.4 Szárazanyag-növekmény meghatározása A
ozmotikus
dehidratálási
fol yamat
során
a
hipertóniás
oldatba
hel yezett minta víztartalma csökken, az oldott (száraz)anyag-transzport következtében menn yiséget
pedig oldott
növekszik
oldott
(száraz)an yag-tartalma.
szárazan yag-növekmén ynek
vagy felvételnek
Ezt
a
(SG)
neveztem el a nemzetközi szakirodalomban solid gain-ként megnevezett kifejezés alapján. Az SG dimenziója g/g (70. egyenlet).
SG =
mOD ⋅ (TSC OD / 100) − mb ⋅ (TSC b / 100) mb ⋅ (TSC b / 100)
(70)
3.3.5 Szénhidrát összetétel meghatározás Az
oligofruktóz
minták
szénhidrát
összetételét
HPLC
módszerrel
határoztam meg. A minta el ı készítésekor a vizsgálandó almakockák felületér ı l leitattam az adszorbeálódott ozmotikum réteget és a 3.3.1. szerint meghatároztam a szárazan yag-tartalmat. A szárazan yag-tartalom meghatározásához
kiszárított
visszanedvesítettem.
almakockákat
További
15
cm 3
15
cm 3
desztillált
desztillált víz
vízzel
hozzáadásával
homogéneztem (IKA WERK Ultraturax). A homogénezett mintákhoz 0,5 0,5 cm 3 Carrez I. és Carrez II. oldatokat adtam. 30 perc pihentetési szakaszt követ ı en 15 cm 3 96%-os etil-alkoholt pipettáztam a mintákhoz, majd 16 órán át h ő t ı szekrén yben (4°C) pihentettem. A leülepedett mintákat vákuumsz ő r ı n
lesz ő rtem.
A
tiszta
sz ő rletet
használtam
fel
a
meghatározáshoz. Az el ı készített mintából injektáltam az izokratikus kromatográfiás berendezésbe (pumpa: Merck & Hitachi, Inteligent Pump L6200) és az elúciós diagramot regisztráltam (Merck & Hitachi, D 2500 Chromato Integrator). A kromatográfiás vizsgálat körülmén yei :
mintatérfogat: 20µl 50
elválasztó oszloptöltet: Spherisorb SQ NH (SUPE LCO) eluens: 75 % acetonitril : 25 % desztillált víz eluens áramlási sebessége: 2,5 cm 3 /perc, detektor:
differenciál
refraktométer
(W aters
Differential
Refractometer 6250) A kalibrációhoz minden méréssorozat el ı tt kalibrációs céllal lefutattam glükóz – fruktóz – szacharóz – maltóz – raffinóz 1:1 arán yú 1%-os elegyét, valamint a tiszta Beneo T M P95 1%-os oldatát szintén alkalmaztam kalibráló oldatként.
Az
egységn yi
csúcsainak
területét
koncentrácójú
alkalmaztam
komponensek
kalibráló
kromatográfiás
együtthatóként,
mel yet
a
félérték szélesség és magasság szorzataként számítottam ki.
3.3.6 Térfogat meghatározás Az
almakockák
különböz ı
kezelések
(el ı f ı zés,
vákuum-kezelés)
hatására történ ı térfogatváltozásának n yomon követését kiszorításos elven történ ı
térfogat
edén yzetben
meghatározással
mustármag
valósítottam
felhasználásával
meg.
mértem
az
Ismert
térfogatú
almaminta
által
kiszorított térfogat értékét ml-ben.
3.3.7 Sőrőség és porozitás meghatározása Az
ozmotikus
oldatok
s ő r ő ségének
meghatározását
piknométerrel
végeztem el. Megkülönböztettem az almakockák látszólagos (ρ a : apparent densit y) és valódi s ő r ő ségét (ρ r : real densit y) (Mújica-Paz és mtsai., 2003). Az almaminta látszólagos s ő r ő sége az almakockák tömegének és a 3.3.6. pontban ismertetett módszerrel meghatározott térfogatának hán yadosa, mel y az almakockák s ő r ő ségét definiálja a szövetek közt lév ı leveg ı jelenlétével
együtt.
Az
almaminta
valódi
s ő r ő sége
az
almakockából
el ı állítható püré térfogatának mérésén alapszik. A püré el ı állítása során a szövetek közt, sejtközötti járatokban található leveg ı eltávolításra kerül, így
az
alma
gyü mölcshúsának
leveg ı
nélküli
tén yleges
térfogata
határozható meg, az eredeti szerkezet elroncsolásával. A püré s ő r ő ségét
51
piknométerrel
határoztam
meg.
Az
almaminták
"teljes
vagy
valódi
porozitása" a mért s ő r ő ség alapján számítható:
εr =
ρr − ρa ρa
(71)
3.3.8 Membrán-áteresztıképesség vizsgálat A módszer (Lovász és mtsai., 1998) elve: az almaszeleteket izotóniás, nemvezet ı oldatba
(0.3 M
mannit oldat) hel yezve konduktométerrel
mérhet ı az áztatóoldat vezet ı képességének növekedése, amel y utal a kiáramlott ionok menn yiségének növekedésére, azaz a transzportfol yamat sebességének és ezen keresztül a membránok diffúzivitásának, a sejtfelület permeabilitásának, azaz a szövet integritásának, állapotának változására. A mérés számítógéphez kapcsolt 100 cellás konduktométerrel (Labvig) és eg y hozzátartozó mér ı program segítségével történik (9. ábra). A mérés menete: 2 mm vastag alma szeletekb ı l 10 mm-es dugófúróval korong alakú mintákat készítettem. A konduktométer celláiban lév ı 3-3 cm 3 mannit oldatba gyorsan elhel yeztem az almaszeleteket. “Azonnal” (0,51 perc) mértem az áramer ı sséget, majd 2, 4, 6, 8, 10, 13, 16, 19, 22, 25, 30, 35, 40, 45, 50, perc elteltével (az els ı szelet els ı oldatba hel yezését ı l számítva). A mérési eredmén yek n yers adatsorainak konvertálása után értékeltem az adatokat. Az értékelés menete: 1. A mért értékek korrekciója a mintát nem tartalmazó cellákban található oldat
vezet ı képesség
értékeinek
adott
id ı ponthoz
tartozó
átlagértékeivel. 2. Az
egyensúl yi
vezet ı képesség
értékének
megállapítása,
amel y
a
referencia minta végtelen id ı utáni várható értékének becslését jelenti. Az egyensúl yra vezet ı diffúziós fol yamat során a vezet ı képesség változásával arán yos áramer ı sség: I=
at b + kt
(72)
52
alakú összefüggéssel írható le, ahol [I] = µ A az áramer ı sség, [t] = perc a mérés során eltelt id ı , a, b, k a fol yamatra jellemz ı konstansok. Az egyensúl yi áramer ı sség az összefüggés linearizált alakjának 1/t = 0 (t = ∞) értéknél számított értékéb ı l állapítható meg: 1 b k = t+ I a a
(73)
ahol, a/k értéke adja I ∞ -t. 3. Görbeillesztés
a
mérési
pontokra,
a
kiáramlási
görbe
alakjának
elemzése, az iondiffúzió sebességét jellemz ı D e f f meghatározási Rastogi és Raghavarao (2004) módszerével (3.3.11. pont).
f (t ) = ln
I − I∞ = m⋅t + k I0 − I∞
(74)
9. ábra Labvig mérırendszer
3.3.9 Állományjellemzık meghatározása A n yers illetve
különböz ı módokon
jellemz ı inek
meghatározására
használtam.
Llo yd
LR-5K
kétféle típusú
kezelt
almakockák állomán y
állomán yvizsgáló berendezéssel
berendezést
vizsgáltam
az
almakockákba szúródó próbatestre ható ellenállást, az értékelést a hozzá tartozó Nex ygen szoftverrel végeztem.
53
1 0 . ábra TA.XT. Plus Állományvizsgáló berendezés
Komplex állomán y profil analízist TA.XT. Plus (Stable Micro S ystem) állomán yvizsgáló berendezéssel végeztem (10. ábra) és a hozzá tartozó Texture Exponent 32 szoftver segítségével értékeltem az adatokat. A mérésekhez a Peach shearing (PCH1/BS) elnevezés ő standard mérési módszer módosítását alkalmaztam. A minta deformálását 35 mm átmér ı j ő hengeres, síkfelület ő alumínium mér ı fejjel (SMS P/36R) végeztem. Az almakockákra 25% mérték ő deformációt alkalmaztam kétszeri alkalommal és rögzítettem a minta ellenállását. Minden vizsgálathoz 19 párhuzamos mérést
végeztem.
A
mérési
paraméter
beállításokat
a
3.
táblázat
tartalmazza. 3 . tá b lá za t T A .X T. P lu s kés zü lék mé ré s i p a ra mé t er b eá l lí tá sa i
Mérési paraméter Test mode Pre-Test Speed Test Speed Post -Test Speed Target Mode Strain Count Trigger T ype Trigger Force Stop Plot at Tare Mode Data Acquisition Rate
Beállított szint Compression 1 mm/s 1 mm/s 10 mm/s Strain 25% 2 Auto (Force) 1 g Target Distance Auto 200 pps
A minták állomán yj ellemz ı it a Texture Exponent 32 szoftverhez adaptált macro program segítségével számítottam ki. Meghatároztam az id ı (s) függvén yében a kompressziós er ı t (kg) ábrázoló görbéb ı l (11. ábra) az els ı
54
csúcshoz tartozó maximális er ı t (F c - kompressziós er ı ), a két csúcs hán yadosából számított rugalmasságot (R=F 2 /F 1 ), valamint a rugalmassági modulust, mel y a görbe els ı maximuma el ı tti szakaszának meredeksége (R m =er ı /deformáció). F2 F1
Rm=tg α
1 1 . ábra Állományvizsgálat eredménye
3.3.10 Érzékszervi tulajdonságok meghatározása Az érzékszervi tulajdonságok meghatározására minden esetben pontozó lapot készítettem. A bírálandó tulajdonságok, valamint azok súl yozó faktorainak
meghatározását
követ ı en
elkészítettem
az
egyes
pontszámokhoz tartozó tulajdonságok leírását, meghatározását. A bírálati segédlet után elkészítettem a pontozólapokat. A mintákat minden esetben 5nél több páratlan számú bírálóval bíráltattam el. Az értékelés során kétmintás t-próbával hasonlítottam össze az egyes tulajdonságokat, majd a súl yozó
faktorok
figyelembe
vételével
szintén
kétmintás
t-próba
alkalmazásával hasonlítottam össze a súlyozott összpontszámokat. Minden esetben
a
t-próbát
megel ı z ı en
F-próbával
ellen ı riztem
a
t-próba
elvégzésének matematikai lehet ı ségét. A konfidencia szint minden esetben 95% volt.
3.3.11 A diffúziós együttható számításának módszere Diffúziós kísérleteim értékeléséhez a diffúziós együtthatót alkalmaztam. Ehhez külön határoztam meg az oldott komponens (szacharóz vagy fruktooligoszacharidok)
és
a
víz
effektív
diffúziós
együtthatóját.
A
55
számításokhoz mel yben
a
Rastogi
Fick
II.
és
Raghavarao
egyenlet
(2004)
kocka
módszerét
geometriára
használtam,
megoldott
alakja
használható. Az oldott komponens diffúziós együtthatójának meghatározásához a szárazan yag-növekmén y (SG) értékeit, míg a víz diffúziós együtthatójához a
vízvesztés
komponensek
(W L) Deff
értékeit
használtam
meghatározása
esetében
fel. a
Az
egyedi
HP LC-vel
oligomer
mért,
majd
kalibráció segítségével számított koncentráció értékeket használtam fel. Az kell
határozni
az
változó
egyensúl yi
Ez
becslés
a
adott értékét.
több
féle
1/SG, 1/WL
értékelés els ı lépése e paraméterek meghatározása. Második lépésként meg 12 10
1/WL
8 6
elvégezhet ı .
módszerrel
1/SG
4
y = 37,116x + 0,9711 R2 = 0,9666
Mivel a vizsgált paraméterek
2
nagy
0 0,00
y = 41,483x + 3,1003 R2 = 0,8374
többségében
telítési
0,05
0,10
0,15
0,20
görbe szerint változtak, íg y az
egyensúl yi
becslésére
egy
1/t
koncentráció
12. ábra Egyensúlyi koncentráció meghatározása
formailag
Michaelis-Menten szubsztrát-koncentráció függésre vonatkozó egyenletével analóg összefüggést alkalmaztam. Ábrázoltam a koncentráció reciprokát az id ı reciprokának függvén yében (12. ábra), majd az így kapott trendvonal (egyenes) egyenletéb ı l a tengel ymetszet reciprokát értelmeztem, mint
c − c∞ egyensúl yi koncentráció. Harmadik lépésként ábrázoltam az ln c0 − c∞
összefüggést a kezelési id ı függvén yében (az egyszer ő ség kedvéért a vizsgált változót ’c’ koncentrációval jelölöm). Az így kapott trendvonalak meredekségének felhasználásával a diffúziós együttható értékét a (75) egyenlet segítségével számítottam ki.
Deff =
m a2 ⋅ Fo 3
(75)
Ahol m az illesztett trendvonal meredeksége, Fo a Fourier szám, mel y kocka esetén víz (F o w ) és oldott szárazan yag (F o s ) diffúzióra a D e w t(3/a 2 )
56
illetve a D e s t(3/a 2 ) alakban definiálható (Rastogi és Raghavarao, 2004), értéke –2,467, ’a’ a geometriai tén yez ı , mel y kísérleteimben 0,005 m.
3.4 Kísérleti körülmények adaptálása 3.4.1 Az izotóniás koncentráció biztosítása Az
ozmotikus
jellemzésére
dehidratálás
szolgáló
során
diffúziós
fellép ı
együ ttható
transzportfol yamatok
meghatározásának
egyik
alapfeltétele, hogy a vizsgált komponensek koncentrációjában bekövetkez ı változások
csak
a
megfigyelt
fol yamatban
(ozmotikus
dehidratálás)
játszódjanak le. Amenn yiben valamil yen el ı kezelést (blansírozás, vákuumkezelés, stb.) alkalmazunk az ozmotikus dehidratálási lépést megel ı z ı en, a kezelés
jellegéhez
körülmén yeket.
alkalmazkodva
Izotóniás
biztosítani
koncentrációjú
kell
oldatban
az
izotóniás
történ ı
el ı kezelés
esetében a minta cukortartalma nem változik, a gyümölcs-szövetek nem adnak le és nem vesznek fel szénhidrát molekulákat. Az izotóniát többféleképpen lehet definiálni. Ha két oldat között a komponens csere sebessége mindkét irán yban egyforma, akkor ez a dinamikus egyensúl y izotóniát jelent. Más megfogalmazásban, ha a sejtet, szövetet körülvev ı fol yadék ozmózisn yomása ugyanakkora, mint a sejté, akkor izotóniás állapot valósul meg (Erdey-Grúz, 1969). Az
ozmotikus
diffúziójának
dehidratálás
egyez ı
szempontját
sebessége
jelenti
tekintve
az
a
egyensúl yt,
víz
kétirán yú
az
izotóniás
koncentrációt. A minta és a kezel ı oldat vízaktivitásának egyezésével magyarázza az izotóniás körülmén yek létrejöttét Mújica-Paz és mtsai (2003). Más szerz ı k (Castelló és mtsai., 2006) csak megadják az adott gyümölcsre
jellemz ı
izotóniás
koncentrációjú
el ı kezel ı
oldat
koncentrációját, a meghatározás elvének felt ő ntetése nélkül. A vízaktivitás mérésén alapuló izotóniás koncentráció meghatározása, illetve biológiai n yersan yagok esetén az izotóniás körülmén yek biztosítása több
problémát
is
felvet.
A
biológiai
n yersan yagok
(gyümölcsök,
57
zöldségek) cukortartalma, vízaktivitása egy tételen belül, valamint egy adott darabon belül is eltér ı lehet, így például az alma eltér ı oldalaiból származó almakockák refrakciója sem mindig egyezik. A vízaktivitás er ı sen függ a h ı mérséklett ı l is, így a vízaktivitás mérésen alapuló izotóniás körülmén yek meghatározásánál különös tekintettel kell lenni a kísérleti körülmén yekre, a minta és az oldat h ı mérsékletének teljes egyezésére. során
az
izotóniás
alma refrakció [°Brix]
Munkám
koncentráció meghatározására refrakció
mérésen
alapuló
módszert
választottam. Különböz ı koncentrációjú oldatokat állítottam el ı , majd ol yan
körülmén yeket
20 18 16 14 12
teremtettem,
10
mint a tervezett kísérletek során és
8
ezzel modelleztem a várható el ı -
6
OF SA 6
8
10
12
14
16
kezeléseket. Az alma kockákat az
c [w/v% ]
oldatba hel yeztem és 80°C-on 5
13. ábra Izotóniás szacharóz és oligofruktóz koncentráció megállapítása
percig tartó blansírozást követ ı en vizsgáltam
az
almakockák
koncentráció
tartomán yban
eredmén yekre
illesztett
refrakcióját. számos
egyenes
18
A
méréseket
ismétléssel
szerint
a
a
megfelel ı
elvégeztem.
kiindulási
tétel
Az
átlagos
refrakciójának ismeretében az izotóniás oldat koncentrációja számítható. A kísérleteket
mind
elvégeztem,
a
szacharóz,
módszer
mind
mindkét
frukto-oligoszacharidok
esetben
megfelel ı nek
esetében
bizon yult
az
izotóniás körülmén yek biztosítására. Az izotóniás koncentráció szacharóz illetve frukto-oligoszacharid kezel ı oldat esetében különböz ı (13. ábra). Szacharóz oldat alkalmazásánál az izotóniás koncentráció számítására alkalmas összefüggés: almaminta refrakciója [°Brix] = 0,6418 × izotóniás koncentráció [m/v%] + 5,8819 (R 2 = 0,9854), míg OF oldat esetében: almaminta refrakciója [°Brix] = 0,3922 × izotóniás koncentráció [m/v%] + 7,0314 (R 2 = 0,9891). Kísérleteim során az almaminták refrakciója általában 13 °Brix volt. Ennek alapján szacharóz oldat esetében az izotóniás koncentráció 11%
58
(m/v)-nak,
míg
frukto-oligoszacharid
oldat
esetében
16%
(m/v)-nak
adódott.
3.4.2 A minta-oldat arány meghatározása Az effektív diffúziós együtthatók számítására levezetett összefüggések érvén yességének egyik alapvet ı feltétele (a Fick II. egyenlet egyik peremfeltétele)
az
ozmotikum
állandó
koncentrációja
a
dehidratálás
fol yamata során. A gyakorlatban tehát a modellek alkalmazhatósága érdekében szükségszer ő ol yan minta – ozmotikum arán yt választani, mel y esetében az ozmotikus kezelés alatt az oldat elszegén yedése az oldott an yagra nézve elhanyagolható. A kutatók általában 1:10 (Chenlo és mtsai., 2006) arán yt alkalmaznak kísérleteik során, mel y arán y már megbízhatóan kielégíti az állandó ozmotikum koncentráció kritériumát. Kísérleti munkám során 50%-os szacharóz oldat felhasználásával 1:3; 1:5; 1:7 valamint 1:10 tömegre vonatkoztatott minta – oldat arán y esetén vizsgáltam az ozmotikum oldott an yagra történ ı elszegén yedését ozmotikus dehidratálási fol yamatban. Az almakockákat izotóniás szacharóz oldatban el ı f ı ztem, majd 50%-os szacharóz oldatban 50°C-on 30 percen keresztül rázattam. A kezelés végén az almakockák felületér ı l a rátapadt oldatréteget leitattam
és
mértem
a
minták
refrakcióját,
majd
a
kezel ı oldatok
refrakcióját. A méréseket 3 ismétléssel végeztem el. Az eredmén yeket kétmintás t-próbával hasonlítottam össze. Az el ı f ı zött almakockához (kontroll)
képest
az
oldottan yag-tartalom
30
perces
OD
kezelés
következtében 118%-kal növekszik (14. ábra). A minta – oldat arán y nincs szignifikáns hatással a felvett cukor menn yiségére. Az ozmotikum oldat refrakciójának változása (30 perces OD-t követ ı en) azonban 1:3; 1:5 valamint 1:7 arán y esetén szignifikánsan különbözik a kontroll oldat (50%os szacharóz oldat) refrakciójától. A refrakcióban mérhet ı különbség 1:10 minta-oldat arán y esetén már nem szignifikáns. Így elmondható, hogy a tömegre vonatkoztatott 1:10 minta-kezel ı oldat arán y alkalmazása esetén nem csökken szignifikáns mértékben a kezel ı oldat oldott an yag tartalma az áztatás során.
59
refrakció (ref %)
almakocka oldat
50 40 30 20 10 0 kontroll
1:3
1:5
1:7
1:10 minta - oldat arány
14. ábra Minta - kezelıoldat arány megállapítása 50%-os szacharóz oldat esetén, almakockával
3.4.3 A frukto-oligoszacharidok bomlásának értékelési módszere Az oligofruktózok konszekutív és parallel reakciók során keresztül bomlanak, mel ynek hipotetikus modelljét az eredmén yek között ismertetem. A modell alapjaként az alábbiakban röviden összefoglalom e reakciók leírására alkalmazható legfontosabb összefüggéseket.
A konszekutív reakciók kinetikája Egy összetett fol yamat mechanizmusa akkor ismert, ha megállapított, hogy mil yen egyszer ő fol yamatokból tev ı dik össze, milyen tén yez ı k vannak hatással ezekre és ismert minden részfol yamat sebességi állandója. A
sorozatos
(konszekutív,
lépcs ı s)
reakciók
egyes
lépései
egyszer ő
kinetikus rend szerint zajlanak le. A legegyszer ő bb sorozatos reakció két kinetikusan els ı rend ő lépésb ı l áll és az ellentétes reakció nem számottev ı (Erdey-Grúz, 1969): (76)
k1 k2 A → B → C
(k1 és k2 a megfelel ı részfol yamat sebességi állandója). Az A vegyületb ı l B köztitermék megjelenésével a C végtermék keletkezik. A bruttó
sztöchiometriai
egyenlet
A → C.
A
három
reakciópartner
koncentráció-változásának sebességére a következ ı differenciál egyenletek írhatók fel (Zrín yi, 1997):
60
v=−
d [ A] = k1 [ A] dt
(77)
d [B ] = k1 [ A] − k 2 [B ] dt
(78)
d [C ] = k 2 [B ] dt
(79)
A fol yamat els ı lépése els ı rend ő reakció, így [A] monoton csökken. A B köztitermék koncentrációjának id ı beli változása az els ı és a második részfol yamat sebességének a viszon yától függ. Több lépésb ı l álló reakciósor esetében további bomlási lépéseket leíró differenciálegyenletek felállításakor úgy lehet eljárni, hogy az egyes komponenseket következ ı
ol yannak
bomlás
rákövetkez ı megoldásával
tekintjük,
köztitermékei
lépésekt ı l. felállítható
A
amel yek
–
függetlenül
kialakuló a
egy
bomlásra
megel ı z ı a
még modell,
egy
korábbi
differenciálegyenlet jellemz ı
és
és
rendszer amel ynek
alkalmazásával tervezhet ı az egyes h ı közl ı m ő veletek során bekövetkez ı bomlás, ezáltal a termékösszetétel.
[C ] = [A]0 1 +
1 k1e −k 2t − k 2 e − k1t k 2 − k1
(
)
(80)
A k1 és k2 sebességi együtthatók meghatározása viszon ylag egyszer ő , ha A és B an yag koncentrációja az id ı függvén yében követhet ı , és t=0 id ı pontban [B]=0 és [C]=0, valamint C nem bomlik tovább és nincsenek párhuzamos reakciók. Ez utóbbi feltételek azok, mel yek miatt e megoldás az oligofruktózok esetében nem alkalmazható, ugyanis C tovább bomlik és a párhuzamos reakciók sebessége sem elhan yagolható. Nem csak az OF bomlásnál fordul el ı , hogy a sorozatos reakció nem két, hanem igen sok lépésb ı l áll. Il yen minden radioaktív bomlási sor, vagy a polimerizációs fol yamatok, más polimerek bomlási sorai is.
61
A párhuzamos reakciók kinetikája (Zrínyi, 1997) Az
oligofruktózok
bomlási
fol yamatai
egymással
versengve
is
végbemehetnek. A jel ő komponensb ı l B és C jel ő termék keletkezik k 1 és k 2 sebességi együtthatókkal: k1 → B
(81)
A k2 → C
A sebességi egyenlet
ν =−
d [ A] = k1 [A] + k 2 [ A] = (k1 + k 2 )[ A] dt
(82)
A sebességi egyenlet integrálása után:
[A] = [A]0 e −(k + k )t 1
azaz
ln[A]-t
ábrázolva
az
id ı
(83)
2
függvén yében
a
kapott
egyenes
meredeksége megadja a két párhuzamos fol yamat sebességi állandóinak negatív összegét. B és C keletkezésére felírható, hogy: d [B ] = k1 [ A] dt
(84)
d [C ] = k 2 [ A] dt
(85)
Amenn yiben – mint az OF-ok esetében is – a reakciósor konszekutív és parallel reakciókat egyidej ő leg tartalmaz, akkor a két típusra vonatkozó differenciál egyenletek egyidej ő megoldása alapján lehet ı ség van a bomlást leíró modell meghatározására.
A reakciók sebességének hımérsékletfüggése A kémiai reakciók sebességét a h ı mérséklet növelése nagymértékben meggyorsítja. A reakciósebesség növekedése a sebességi együtthatónak a h ı mérséklett ı l való függésével hozható kapcsolatba. Arrhenius kísérletei n yomán a sebességi együttható h ı mérsékletfüggése a legtöbb esetben a következ ı egyenlettel írható le (Zrínyi, 1997):
62
k = Ae − Ea
RT
(86)
ahol E a és A a reakcióra jellemz ı - a h ı mérséklett ı l els ı közelítésben független -állandók. E a dimenzióját tekintve moláris energia jelleg ő menn yiség, amit aktiválási energiának neveznek. A kísérlet tapasztalatok szerint E a mindig pozitív érték. Az A menn yiség ún. preexponenciális tén yez ı ,
a
sebességi
együtthatóval
azonos
dimenziójú.
A
(87)-es
összefüggés alapján lehet ı ség van a preexponenciális tén yez ı és az aktiválási energia kísérleti meghatározására. A különböz ı h ı mérsékleteken meghatározott
sebességi
állandók
logaritmusát
ábrázolva
az
abszolút
h ı mérséklet reciprok értékeinek függvén yében: ln k = ln A − E a RT
(87)
ol yan egyenes adódik, mel ynek tengel ymetszete (1/T = 0 hel yen) lnA-t, meredeksége pedig –Ea/R-t adja meg. Az oligofruktózok kezelésének, tárolásának reális h ı mérsékleti tartomán ya, a bomlás változásának mértéke meglehet ı sen sz ő k intervallumot jelent, ennek megfelel ı en az elméletileg exponenciális összefüggés kis hibával helyettesíthet ı lineáris kapcsolattal, de csak ezen a sz ő k h ı mérsékleti tartomán yon belül, és csak korlátozott tervezési célokra.
3.5 Matematikai statisztikai értékelés Kísérleti adataim feldolgozásához Microsoft Excel (Microsoft) valamint Statistica 6.1 (StatSoft) szoftvereket használtam. A kísérleti beállításoktól függ ı en az értékeléshez a feladathoz alkalmas matematikai statisztikai próbákat végeztem el: F-próba, kétmintás t-próba, variancia analízis (ANOVA), f ı komponens, regresszió analízis (MLR), korreláció számítás. Az éppen alkalmazott eljárást a megfelel ı értékelés mellett ismertetem.
63
4 . E re d m é n y e k b e m u t a t á s a A célkit ő zések, választott feladatok sokoldalú, tartalmában és kísérleti beállításaiban is sokféle – egységesen nem kezelhet ı – vizsgálatot követel meg, ezért a teljes munkára vonatkozó kísérleti terv nem egységes. Az áttekinthet ı ség, követhet ı ség érdekében az egyes önállóan kezelhet ı f ı célok
eléréséhez,
a
hipotézisek
igazolásához
eredmén yeinek ismertetése el ı tt foglaltam
elvégzett
vizsgálatok
össze az azokhoz tartozó
kísérleti tervet. Az adott kísérletek eredmén yeit számos és terjedelmes táblázatban, ábrán foglaltam össze, ezek nagy terjedelme miatt a dolgozat könn yebb olvashatósága érdekében mellékletben hel yeztem el azokat. A dolgozat megfelel ı fejezeteiben hivatkozom rájuk „M/fejezetszám/x.ábra” vagy „M/fejezetszám/x. táblázat” jelöléssel.
4.1 Az ozmotikus dehidratálást megelızı kezelések hatása Az OD fol yamatát, az ozmózis, diffúzió sebességét befolyásolja a sejtek, szövetek fiziológiai, fizikai-kémiai állapota. Ennek az állapotnak az alakításában dönt ı szerepe van a lépést megel ı z ı kezelés(ek)nek. E kezelések hatásának vizsgálata volt az egyik célom, ennek keretében vizsgáltam a hagyomán yos izotóniás oldatban történ ı blansírozás, a h ı átviteli közeget nem igén yl ı mikrohullámú kezelés, valamint a vákuumkezelés hatását a minta állomán yára, valamint az ozmotikusan dehidratált almakocka szárazan yagának és víztartalmának változására. A gyümölcs-zöldség feldolgozás során több szempontból is alapvet ı jelent ı ség ő a válogatást, tisztítást követ ı h ı kezelés, a blansírozás. Az aszalt, szárított termékek el ı állítási technológiájába beépíthet ı ozmotikus dehidratálási lépés el ı tt a n yersan yag h ı kezelése valamil yen módon történ ı megvalósítása szokásos. A kezdeti h ı kezelés, mint az alapvet ı tisztítási, kezdeti élelmiszer-feldolgozási m ő veleteket követ ı technológiai lépés alkalmazása
kedvez ı
a
végtermék
min ı ségére
illetve
a
technológia
64
hatékon yságára.
A
megfelel ı
m ő veleti
paraméter
beállítások
mellett
elvégzett h ı kezelés csökkenti az alapan yag kezdeti csíraszámát, mel y élelmiszer-biztonsági
szempontból
kiemelked ı
jelent ı ség ő .
Inaktivál
bizon yos enzimeket, például a gyümölcsök, zöldségek barnulásáért felel ı s polifenol-oxidázokat, mel y hatás a végtermék min ı ségében, érzékszervi tulajdonságában n yilvánul meg. A h ı kezelés következtében a növén yi sejtmembránok szerkezete részlegesen degradálódik, így az ozmotikus dehidratálás
fol yamatában
tulajdonsága
csökken,
molekulák
számára
is,
a
sejtmembránok
átjárhatóbbá amel y
válik
fol yamat
szelektíven
a az
nagyméret ő ozmotikus
átereszt ı ozmotikum
dúsításnak
–
szárazan yag-tartalom növelésének kedvez. A h ı kezelés paramétereinek megalapozott megválasztásával kiküszöbölhet ı a növén yi alapan yagok sejtszerkezetének teljes roncsolódása, az alapan yag textúrájának szétesése, degradációja. A h ı kezelés újabban alkalmazott alternatívája a mikrohullámú kezelés alkalmazása, mel ynek el ı n ye, hogy h ı átviteli közeg nélkül valósítható meg a
növén yi
szövetek
felmelegítése
a
dipólusmolekulák
rezgéséb ı l
következ ı en, hátránya azonban a felmelegítés egyenl ı tlensége, mel yet még háztartási méretben, forgótán yéros megoldás esetén is nehéz kiküszöbölni, ipari méretekben pedig komol y gondot okoz. Ozmotikus dehidratálás el ı tt történ ı alkalmazása esetén el ı n ye, hogy a nagy menn yiség ő oldott an yag felhasználást és veszél yes-hulladék keletkezést csökkenti, mivel nincs szükség el ı f ı z ı oldat készítésére.
4.1.1 Blansírozás hatása az állományjellemzıkre, az OD alatt lejátszódó transzportfolyamatokra Kísérleti
terv:
Izotóniás
szacharóz
illetve
oligofruktóz
oldatban
vizsgáltam a blansírozás hatását a n yersan yag állomán yára, a sejtmembrán átereszt ı képességére, a tömegváltozására, valamint vizsgáltam különböz ı paraméter
beállítások
mellett
a
blansírozás
hatását
az
ozmotikusan
dehidratált almakocka szárazan yag-tartalmára, tömegére, az OD alatt lejátszódó vízvesztésre, valamint szárazan yag-felvételre. A blansírozást
65
izotóniás szacharóz és oligofruktóz oldattal is elvégeztem (4. táblázat, 3.2.2. pont). 4. táblázat B la n sí ro zá s vi z sg á la ta so rá n a lka lma zo tt k í sé rl et i b eá ll ítá so k
Független változó
Független változó beállításai
Kezelési hımérséklet [°C]
60
70
80
Kezelési idı [perc]
5
7,5
10
A blansírozást követ ı ozmotikus dehidratálást 50%-os szacharóz, illetve frukto-oligoszacharid oldatban végeztem 30 percig 50°C-on a (3.2.3. pont). Az el ı f ı zött minta állomán yát egyrészt a bele szúródó próbatestre ható ellenálló
er ı
mérésével
jellemeztem,
valamint
végeztem
komplex
állomán yvizsgálatot (3.3.9. pont).
Eredmények: Mindkét ozmotikus ágens esetén a minta kemén ységében bekövetkez ı változások jellege megegyez ı , mértékében azonban kisebb eltérés tapasztalható (15. ábra; M/4.1.1/a táblázat). A kezeletlen (el ı f ı zés nélkül) mintához képest a h ı kezelés szignifikánsan kisebb kemén ységet eredmén yez. A h ı kezelési h ı mérséklet 60°C-ról 70°C-ra történ ı emelése jelent ı s mértékben csökkenti a kemén ység értékét, míg a további 10°C-os
60°C 70°C 80°C
SA 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 kontroll
5
7,5
10 tb [perc]
keménység [N]
keménység [N]
emelés során további szignifikáns csökkenés nincs.
60°C
OF
4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
70°C 80°C
kontroll
5
7,5
10 tb [perc]
15. ábra A maximális ellenállás (keménység) változása elıfızés hatására szacharóz (SA) és oligofruktóz (OF) ozmotikumban végzett dehidratálást követıen a blansírozási idı függvényében (tb)
A komplex állomán yvizsgálat során (16. ábra; M/4.1.1/b táblázat) meghatározott rugalmassági modulus szignifikánsan lecsökken a kezelések hatására, a blansírozási paraméterek a vizsgált tartomán yban azonban nem
66
befol yásolják szignifikáns mértékben értékét. A töréken ység esetében 80°C-on
tapasztalható
magyarázható,
hogy
értelmezend ı ,
a
szignifikánsan
80°C-os
minta
nagyobb
h ı mérsékleten
állomán y
érték,
mel y
azzal
a
törékenység
másként
változásaiból
következ ı en
az
éles
töréken ységi pont megsz ő nik.
3,5 3
2 1,5 1 kontroll
0,5
törékenység [mm]
rugalmassági modulus [N/mm]
2,5
60
2,5 2 1,5 1
70
0 5,0
7,5
70
0
80
5,0
Tb [°C]
10,0
kontroll 60
0,5
tb [perc]
Tb [°C]
80 7,5
10,0
tb [perc]
16 . ábra Rugalmassági modulus és törékenység a blansírozási paraméterek függvényében (tb: blansírozási idı; Tb: blansírozási hımérséklet)
A
blansírozás
során
bekövetkez ı
tömegváltozást
a
minta
relatív
tömegében fejeztem ki, vagyis 100%-nak tekintettem a kiindulási tömeget és értékeltem a minta tömegváltozását. Szacharóz esetében a blansírozás hatására nem csökken szignifikáns mértékben az almakockák tömege a 80°C 5 perces kezelésig, ezt követ ı en (7,5-10 perc) azonban 5-7%-os szignifikáns csökkenés tapasztalható (17.ábra). Ugyanakkor oligofruktóz ozmotikum jelenlétében (18. ábra) a relatív tömeg fol yamatosan en yhén csökken a kezelési id ı és h ı mérséklet emelésével. A 80°C/10 perces blansírozás
mindkét
ozmotikumnál
kb.
6-7%-os
csökkenést
okoz,
a
különbség abban fejez ı dik ki, hogy OF esetén már 70°C 7,5-10 perces kezelésnél is 2-3%-os szignifikáns tömegvesztés van, azaz az OF-ok kicsit jobban lágyítják az an yag szerkezetét. A blansírozást követ ı ozmotikus dehidratálás során bekövetkez ı tömegcsökkenés OF-zal el ı f ı zött minták esetében 17-18% körüli mérték ő , az el ı kezelési paramétereknek nincs 67
hatása az ozmotikusan kezelt minták tömegére. Szacharózzal blansírozott minták esetében a minták tömegében en yhe id ı függés mutatkozik, míg a h ı mérséklet
hatása
nem
érzékelhet ı .
A
kétféle
blansírozás
hatását
egymással összevetve szignifikáns eltérés, hogy az OF el ı f ı zést követ ı OD után a tömegveszteség átlagosan 3-5%-kal nagyobb (18-20% a 14-17%-kal szemben). A transzportfol yamatok leírására világszerte szolgáló SG és W L értékek elemzése alapján sem a szacharóz (19. ábra), sem az oligofruktóz (20. ábra) felvétel mértékét nem befolyásolja jelent ı sen a blansírozás h ı mérséklete
és
ideje
a
vizsgált
tartomán yban,
ezzel
szemben
a
vízvesztésre hatással vannak az el ı f ı zési paraméterek (M/4.1.1/c táblázat). Mindkét ozmotikum esetében kimutatható a vízvesztés növekedése a blansírozási h ı mérséklet és id ı emelkedésével. A változások szacharóz esetében kissé markánsabban jelentkeznek. SG értéke szacharóz esetében (0,86-0,9 g/g) csaknem kétszerese az OF esetén mérhet ı értéknek (0,4-0,6 g/g),
több
szacharóz
jut
be
a
sejtekbe,
mint
oligofruktóz
azonos
körülmén yek között, azonban a vízvesztés értéke csaknem megegyez ı ,
relatív tömeg [%]
szacharóz esetében 30-40%-kal nagyobb. 105
SA
OD-kezelt blansírozott
100 95 90 85 80 75 60°C, 60°C, 60°C, 70°C, 70°C, 70°C, 80°C, 80°C, 80°C, 5' 7,5' 10' 5' 7,5' 10' 5' 7,5' 10' Tb [°C]; tb [perc]
17. ábra Tömegváltozás blansírozás, valamint ozmotikus dehidratálás hatására szacharóz (SA) ozmotikumban a blansírozási hımérséklet (Tb) és idı (tb) függvényében
68
relatív tömeg [%]
105
OF
OD-kezelt blansírozott
100 95 90 85 80 75 60°C, 60°C, 60°C, 70°C, 70°C, 70°C, 80°C, 80°C, 80°C, 5' 7,5' 10' 5' 7,5' 10' 5' 7,5' 10' Tb [°C]; tb [perc]
SG, WL [g/g]
18. ábra Tömegváltozás blansírozás, valamint ozmotikus dehidratálás hatására frukto-oligoszacharid (OF) ozmotikumban a blansírozási hımérséklet (Tb) és idı (tb) függvényében
2,5
SG
SA
WL
2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 60°C, 60°C, 60°C, 70°C, 70°C, 70°C, 80°C, 80°C, 80°C, 5' 7,5' 10' 5' 7,5' 10' 5' 7,5' 10' Tb [°C], tb [perc]
19. ábra Szacharóz oldatban történı blansírozás hatása az ozmotikus dehidratálás során fellépı szárazanyagnövekményre (SG) és vízvesztésre (WL) a blansírozási hımérséklet (Tb) és idı (tb) függvényében
69
SG, WL [g/g]
SG
OF
2,5
WL
2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 60°C, 60°C, 60°C, 70°C, 70°C, 70°C, 80°C, 80°C, 80°C, 5' 7,5' 10' 5' 7,5' 10' 5' 7,5' 10' Tb [°C], tb [perc]
20. ábra Oligofruktóz-oldatban történı blansírozás hatása az ozmotikus dehidratálás során fellépı szárazanyag-növekményre (SG) és vízvesztésre (WL) a blansírozási hımérséklet (Tb) és idı (tb) függvényében
A transzportfol yamatok ered ı jeként értelmezhet ı összes-szárazan yagtartalom
(TSC)
függvén yében
a
változását 21.
ábra
mutatja
(M/4.1.1/d
az
el ı f ı zés
táblázat;
paramétereinek
refrakció
változások-
M/4.1.1/1. ábra). Szacharóz esetében OD után átlagosan 5%-kal magasabb TSC mérhet ı , mint OF-os blansírozásnál. Mindkét esetben az el ı kezelést nem kapott kontroll minta szárazan yag-tartalma szignifikánsan kisebb a kezeltekénél. Az ozmotikum típusának és a kezelési h ı mérsékletnek szignifikáns hatása van TSC-re, a kezelési id ı nek is, azonban ez a hatás nagyon en yhe, csak 2-3%-os a vizsgált tartomán yban.
70
35
7,5 min 10 min
30
TSC [%]
5 min
OF
35
7,5 min 10 min
30
kontroll
kontroll
25
25 20
20
15
15
10
10
60
70
80
60
Tb [°C]
70
80
Tb [°C]
21. ábra Összes szárazanyag-tartalom változás a blansírozási hımérséklet függvényében szacharóz és oligofruktóz ozmotikumban végzett dehidratálást követıen
Széls ı séges
blansírozási
h ı mérséklet
hatásának
vizsgálatára
összehasonlítottam a kezeletlen, 70°C-on, valamint 100°C-on el ı f ı zött (5 perc) almakocka ozmotikus dehidratálást követ ı en mérhet ı szárazan yagtartalmát.
Az
végeztem.
ozmotikum
Szignifikáns
50%-os
szacharóz
különbség
különbségének eredmén yeként mérhet ı szárazan yag-tartalomban (22. ábra) A változás
sebességében
kis
különbség
mutatkozik a háromféle beállítás között,
volt,
tapasztalható TSC [w/w%]
TSC [%]
5 min
SA
az
OD-t
50°C-on
a
kezelési
40 35 30
a görbék a kontroll illetve a 70°C-os
25
kezelés
futnak,
20
100°C
blansírozás
15
70°C
hatására a TSC változása meredekebb
10
esetén
ugyanakkor
a
párhuzamosan 100°C-os
10-40 perc között. Míg el ı f ı zés nélkül 40 perces OD kezelést követ ı en kb. 27%-os érhet ı
összes el,
szárazan yag-tartalom
addig
70°C-on
történ ı
mód
kontroll
0
20
40 tOD [perc]
22. ábra Szárazanyag-tartalom változás elıfızés hatására a dehidratálási idı függvényében
blansírozás kb. 30%-os, 100°C-os blansírozás kb. 37%-os szárazan yagtartalmat eredmén yez. A 100°C-os kezelés azonban ol yan mértékben roncsolja az állomán yt, valamint károsítja az alapan yagokban jelen lév ı biológiailag értékes an yagokat, hogy blansírozás fol yamán ezen h ı fok
71
választása nem javasolt, a szárazan yag-tartalom növekedés ellenére az értékes komponensekben bekövetkez ı diffúziós veszteség hátrán ya miatt.
4.1.2 Mikrohullámú kezelés hatása az állományra Kísérleti terv: Kísérleteimhez Daewoo KOR 630-A típusú kísérleti célra átalakított háztartási mikrohullámú berendezést használtam (P=1000 W, térfogat=15
l).
felmelegítéséhez
El ı kísérletek szükséges
során
meghatároztam
energiaközlés
a
nagyságát,
minta
kívánt
idejét,
így
mikrohullámú térben is használható h ı mér ı segítségével pontosan n yomon követtem az an yag-h ı mérséklet változását, és beállítottam a tervezett értéket (5. táblázat). H ı átviteli közeget nem alkalmaztam. A mikrohullámú kezelés állomán yra gyakorolt hatásának vizsgálatát komplex állomán y vizsgálattal (3.3.9. pont) végeztem el.
5 . táblázat Mikrohullámú kezelési körülmények Kezelési körülmények T [°C]
60; 70; 80
t [perc]
2,5; 3,8; 5
keménység [N]
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0
kontroll 60°C
0,5
70°C
0,0 2,5
tb [perc]
3,8
80°C
5,0
Tb [°C]
rugalmassági modulus [N/mm]
2,5 3,5
2,0 1,5 1,0 kontroll
0,5
60°C 70°C
0,0 2,5
80°C
3,8
Tb [°C]
5,0
tb [perc]
23 . ábra Keménység és rugalmassági modulus változása a mikrohullámú kezelés paramétereinek függvényében (hımérséklet, idı)
Eredmények: A kemén ység változása hasonló (23. ábra; M/4.1.2/a táblázat), mint a hagyomán yos blansírozás esetén (15. ábra). Szignifikáns
72
hatása van a kezelés mindkét paraméterének a kemén ység változására. A kontroll mintához képest szignifikánsan kisebb kemén ység mérhet ı . Ezek a hatások
a
rugalmassági
modulus
értékében
is
megn yilvánulnak,
a
kemén ység és a rugalmassági modulus között szoros korreláció áll fenn (0,85). Kísérletet végeztem a mikrohullámú kezelés technikai megvalósítására ol y módon, hogy a kívánt an yagh ı mérséklet elérését követ ı en nem fol ytattam a melegítést, illetve 3 perces h ı ntartást alkalmaztam (M/4.1.2/b táblázat). Összehasonlítottam, hogy a kétféle kezelés mil yen változásokat (Llo yd LR-5K, 3.3.9. pont). 50,
60,
70
és
80°C-on
végeztem el a méréseket.
keménység [N]
okoz a minta állomán yában
A mikrohullámú h ı ntartás nélküli és h ı ntartott minták
hıntartás nélkül
3,5 3,0 2,5
3 perc hıntartással
2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 kontroll
kemén ysége között szignifi-
50°C
60°C
70°C
80°C T [°C]
káns különbség tapasztalható
24. ábra Keménység-változás a mikrohullámú kezelési idı függvényében
(24. ábra). A kontrollhoz ké-
pest a h ı ntartás nélküli esetben nem változik szignifikánsan a kemén ység 60°C-os kezelésig, addig h ı ntartással már 50°C-on is szignifikánsan puhábbá válik a minta a kontrollhoz viszon yítva. H ı ntartás nélkül 60 és 70 °C között mérhet ı jelent ı s puhulás, különbség, el ı tte illetve utána a h ı mérséklet nem befol yásolja jelent ı sen a kemén ységet. H ı ntartás mellett a
kemén ység
h ı mérséklet
fol yamatosan 70°C
ról
csökken
80°C-ra
70°C-os
emelése
már
kezelésig, nem
azonban
a
befol yásolja
a
kemén ységet.
4.1.3 Elıkezelési módok hatásának jellemzése a gyümölcsszövet diffúziós ellenállásával A sejtek diffúzióval szembeni ellenállásának, a szövetek fiziológiai állapotának,
épségének
jellemzésére
jól
alkalmazható
eljárás
az
ún.
ionkiáramlási vizsgálat. Elve, hogy a mintát elhel yezve egy nem vezet ı izotóniás koncentrációjú oldatban, a sejtekb ı l, szövetekb ı l az ott található
73
vezet ı komponensek diffúziójának hatására az oldat vezet ı képessége emelkedik. A vezet ı képesség emelkedése, annak sebessége jellemz ı en függ a sejtek, szövetek állapotától, ezért alkalmas a membránpermeabilitás és a diffúzióval szembeni szöveti ellenállás h ı kezelés hatására bekövetkez ı változásának jellemzésére (Tregunno és Goff, 1996; Lovász és mtsai., 1998).
Kísérleti terv: Kísérleteket végeztem atmoszférikus blansírozás és mikrohullámú kezelés ion kiereszt ı képesség változásra gyakorolt hatásának vizsgálatával.
Az
el ı kezeléseket
minden
esetben
izotóniás
frukto-
oligoszacharid oldatban végeztem (6. táblázat). A blansírozást a 3.2.2. pontban leírtaknak megfelel ı en végeztem. Mikrohullámú kezelés esetén közvetlenül az almamintát kezeltem, oldatot nem alkalmaztam. Mértem az almából kiáramló ionok menn yiségével arán yos vezet ı képesség változást, ebb ı l meghatároztam a kiáramló komponensek diffúziós együtthatóját. 6. táblázat Kísérleti beállítások elıkezelési módok vizsgálata során
Elıkezelés típusa
T [°C]
T [perc]
50, 60, 70, 80
5
43,48, 53, 66, 72, 73
3
Blansírozás Mikrohullámú-kezelés
Eredmények: A blansírozás h ı mérsékletének növelésével az ionkieresztés monoton módon egyre nagyobb, a vezet ı képességgel arán yos áramer ı sség érték határértékhez (egyensúl y) tartó görbével jellemezhet ı (25. ábra;
Deff *10 [m s ]
250 200
2 -1
kontroll 50 °C 60 °C 70 °C 80 °C
300
3,0 2,5
9
I [µA]
M/4.1.3/a táblázat).
150
2,0 1,5
100
1,0
50
0,5
0
0,0 0
10
20
30
40
50
60 t [perc]
kontroll
50
60
70
80 Tb [°C]
2 5 . ábra Ionkiáramlási görbék és diffúziós együtthatók a blansírozási hımérséklet függvényében
74
A kiáramlási görbéb ı l számított (3.3.8. pont) ion diffúziós együttható a kontroll mintához képest szignifikánsan nagyobb a kezelt esetben. A kezelési h ı mérséklet növelésével 60°C-ig D e f f növekszik , a változás magasabb
h ı mérsékleten
nem
szignifikáns
(M/4.1.3/b
táblázat).
A
mikrohullámú kezelés kiáramlási görbéi is a h ı mérséklet függvén yében szignifikánsan és monoton emelkednek (26. ábra; M/4.1.3/c táblázat). A diffúziós
együttható
értékei
is
szignifikánsan
n ı nek
a
h ı mérséklet
emelésével, a 48°C-ról 53°C-ra és 72°C-ról 73°C-ra történ ı emelés nem eredmén yez szignifikáns emelkedést a kis h ı mérséklet különbség és a módszer természetesen fennálló szórása miatt. Az 53°C-ról 66°C-ra történ ı
kontroll 43 °C 48 °C 53°C 66°C 72°C 73°C
250 200
2 -1 9
300
D eff *10 [m s ]
I [µA]
13°C-os emelés hat legjelent ı sebben D e f f értékére (M/4.1.3/d táblázat). 2,5 2,0 1,5
150 1,0
100
0,5
50
0,0
0 0
10
20
30
40
50
60 t [perc]
kontroll 43 °C 48 °C
53°C
66°C
72°C
73°C
Tb [°C]
26 . ábra Kiáramlási görbék és diffúziós együtthatók a mikrohullámú kezelési hımérséklet függvényében Az eredmén y jól összevethet ı más hasonló módszerrel, bár jelent ı sen eltér ı céllal végzett kutatási eredmén yekkel. Az ionkiáramlási görbéb ı l kiszámítva egy ún. sejtbomlási indexet (Zp), Taiwo és mtsai. (2001) alkalmazni tudták a módszert HELP, HP, fagyasztás és blansírozás szöveti diffúziós
ellenállással
szembeni
hatásának
jellemzésére.
A
kísérleti
körülmén yek és a módszer eltérései miatt kvantitatív összehasonlítás nem tehet ı , ám kvalitatív eredmén yeik hasonlóak ahhoz, amit bemutattam. Tregunno és Goff (1996) el ı kezelési módszerek vizsgálata során is hasonló jelleg ő és irán yú tapasztalatokat publikált, és megállapította, hogy a vezet ı képesség változás mérése alapján is a szöveti és membránkárosodás jelent ı s lehet a fagyasztás során is, így az OD-t megel ı z ı m ő veletként jöhet szóba. 75
4.2 Szacharóz és oligofruktózok összehasonlító jellemzése ozmotikus dehidratálás során Az ozmotikus dehidratálás vizsgálata során kísérleteket végeztem a m ő veleti
paraméterek,
valamint
az
ozmotikum
min ı ségének
hatására
vonatkozóan az OD alatt fellép ı transzportfol yamatok jellemzésére, a szárazan yag-tartalomra,
cukor-összetételre,
állomán yra,
diffúziós
együtthatóra. Összehasonlítottam a szacharóz és az oligomer komponensek bruttó és egyedi diffúziós együtthatóját.
4.2.1 Szacharóz és oligofruktózok bruttó diffúziós együtthatójának összehasonlítása Kísérleti terv: A diffúziós együttható meghatározását a 3.3.11. pontban ismertetett módszer szerint végeztem el. A m ő velet kísérleti beállítása mindkét ozmotikum esetében azonos volt (7. táblázat), szacharóz esetében 75 percig, OF esetén 60 percig folytattam
a mintavételt 5 perces
id ı közökkel.
7 . táblázat Mőveleti beállítások diffúziós együttható meghatározásához Elıfızés OD
c [w/v%]
T [°C]
t [perc]
izotóniás
70
5
60
40
0-75, 0-60
Eredmények: A transzportfol yamatok jellemzésére szolgáló, valamint az effektív diffúziós együttható meghatározásához szükséges WR, SG, W L értékeket mutatja a 27. ábra (M/4.2.1/a táblázat). Szacharóz esetében nagyobb vízvesztés és oldott an yag felvétel figyelhet ı meg, mint OF alkalmazásakor. SG nem változik szignifikánsan az OD kezelési id ı függvén yében, W L logaritmikusan n ı OF esetén. Jóval kisebb menn yiség ő oligofruktóz beáramlás, csaknem ugyanakkora vízvesztést biztosít, mint a jelent ı sebb menn yiségben beáramló szacharóz. A frukto-oligoszacharidok hatékon y víztelenít ı szernek látszanak. Alátámasztja ezt a megállapítást, hogy mások 76
szerint is az oldott an yag moláris tömegének növekedésével növekszik a vízveszteség és csökken a sejtek szárazan yag felvétele, ami kedvez ı en befol yásolja a dehidratálás fol yamatát (Bolin és mtsai., 1983; Lerici és
WR, SG, WL [g/g]
WR, SG, WL [g/g]
mtsai., 1985).
SA
3,0 2,5 2,0
2,5 2,0
1,5
1,5
1,0
1,0 WR SG WL
0,5 0,0 0
10
20
30
40
50
60
OF
3,0
WR SG WL
0,5 0,0
70 80 tOD [perc]
0
10
20
30
40
50
60 tOD [perc]
27. ábra Tömegcsökkenés, szárazanyag felvétel és vízvesztés változása ozmotikus dehidratálás során szacharóz és oligofruktóz ozmotikumban a dehidratálási idı függvényében
Az
oldott
an yagra
vonatkozó
szárazan yag-felvételb ı l
és
a
vízre
vonatkozó vízvesztésb ı l számított effektív diffúziós együttható értékeit a 8. táblázat tartalmazza. 8 . táblázat Effektív diffúziós együtthatók
Ozm otikum
SA
OF
Des [m2s-1]
2,43×10 - 1 0
1,59×10 - 1 0
Dew [m2s-1]
8,87×10 - 1 0
1,63×10 - 9
Kaymak-Ertekin és Sultanoglu (2000) almán (cv. Starking) végzett kísérletei során 10 - 1 1 m 2 s - 1 nagyságrend ő diffúziós együtthatót kaptak 60 w/w%-os szacharóz oldatban 20-50°C tartomán yban végzett OD során az oldott komponens és a víz diffúziójára. A minta-oldat arán yt 1:5-nek választották meg. Hough és mtsai. (1993) 1,5×10 - 1 0 m 2 s - 1 nagyságú diffúziós koefficienst határoztak meg almaszeleten (cv. Granny Smith) végzett OD során 55 w/w%-os glükózra 45°C-on nagyob b, mint 1:10 minta:oldat arán y mellett, e körülmén yek között a víz diffúziójára D értéke 1,9×10 - 1 0 m 2 s - 1 . Szintén 10 - 1 0 m 2 s - 1 nagyságrend ő D-t állapítottak meg 77
szacharózra és vízre széles h ı mérséklet tartomán yban (20-50°C) Salvatori és mtsai. (1999a) alma (cv. Granny Smith) 65 w/w%-os oldatban történ ı dehidratálása során. transzportfol yamatok
ered ı -
refrakció [°Brix]
A
jeként mérhet ı vízoldható szárazan yag-tartalom (28. ábra; M/4.2.1/b táblázat) nem különbözik jelent ı sen utal,
hogy
a
az
szacharóznál
OF
25 OF SA
10 0
10
20
30
40
50
60
hatékon yabb
kezelés
esetén
70 80 tOD [min]
28. ábra Refrakcióváltozás a dehidratálási idı függvényében
víztelenít ı ka-pacitása kompenzálja. Szacharózos
30
15
tapasztalt jelent ı sebb oldott an yag beáramlást
35
20
a két ozmotikum esetében, mel y arra
40
a
szövetek a beáramló nagyobb menn yiség ő oldott an yagtól tömén yednek, míg
OF
esetében
a
vízkiáramlás
eredmén yez
hasonló
refrakciót
a
szövetekben.
4.2.2 A transzportfolyamatok összehasonlítása szobahımérséklető OD során Kísérleti terv: Az OD ipari megvalósítása esetén nagyon gyakran alkalmaznak szobah ı mérséklet ő kezeléseket, ezért az OD alatt lejátszódó transzportfol yamatok
jellemzésére
szobah ı mérsékleten
is
végeztem
kísérleteket. A frukto-oligoszacharidok és a szacharóz, mint ozmotikus ágens összehasonlítását ebben az esetben is elvégeztem (9. táblázat). 9. táblázat S za ch a ró z és f ru k to - o l ig o s za ch a r id o k, min t o zm o tiku s á g en s s zo b a h ı mé r sé kle ten tö r tén ı ö s sz eh a so n lí tá sa so rá n a l ka l ma zo tt vá l t o zó k, va la min t kí sé rle ti b eá l lí tá so k
Független változó Ozmoti kum típusa
Független változó beállításai SA,
Kezelési idı [perc] Ozmoti kum koncentráció [%] Függı változók:
OF 10, 20, 30, 50, 60
50
40, 50, 60 TSC, WR, SG, WL, D
78
Oligofruktóz
esetében
40,
50
és
60%-os
oldatban
végzett
OD-t
hasonlítottam össze, a kezelések el ı tt minden esetben blansíroztam a mintákat 70°C-on 5 percig izotóniás oldatban. Oligofruktóz esetében el ı f ı zés
nélkül
is
végeztem
egy
vizsgálatot
60%-os
ozmotikum
koncentráció mellett, valamint a szacharózzal történ ı összehasonlításra el ı f ı zéssel
kombinált
50%-os a
ozmotikumban minták
összes
végrehajtott
OD-t
választottam.
Meghatároztam
szárazanyag-tartalmát,
kiszámítottam
a tömegcsökkenést, a szárazan yag-felvétel, valamint a
vízvesztés értékeit (M/4.2.2/a táblázat) és az ebb ı l számítható effektív diffúziós együtthatókat.
Eredmények: az SG lén yegesen kisebb (29. ábra) minden esetben, mint a W L. A vízvesztés sokkal jelent ı sebb, mint az oldott an yag felvétel az ozmotikum
fajtájától
függetlenül.
Az
ozmotikum
fajtájának
és
koncentrációjának, valamint az el ı f ı zés tén yének nincs szignifikáns hatása SG változására szobah ı mérsékleten. SG változásának jellege azonban en yhén eltér ı , a 40%-os OF valamint az 50%-os SA kezelés meredekebb SG-t eredmén yez azáltal, hogy a kezdeti id ı szakban (10-20 perc) nincs ol yan jelent ı s SG felvétel, mint a többi kezelés esetén 0-10 perc között, így a mért tartomán yban meredekebb változás figyelhet ı meg. A többi
0,30
WL [g/g]
SG, [g/g]
kezelés esetén a görbék párhuzamosan futnak.
40% OF 50% OF 60% OF 60% OF bn 50% SA
0,25 0,20
0,30 0,25 0,20
0,15
0,15
0,10
0,10
40% OF 50% OF
0,05
0,05
60% OF 60% OF bn
0,00
0,00 0
10
20
30
40
50
60
70 tOD [perc]
50% SA
0
10
20
30
40
50
60
70 tOD [min]
2 9 . ábra Oldott szárazanyag-felvétel és vízvesztés az OD kezelési idı függvényében
79
W L értékei az egyes kezelési típusok függvén yében szignifikánsan különböznek egymástól. A görbék csaknem párhuzamos lefutásúak. Az ozmotikum
koncentráció
függvén yében
a
koncentráció
emelésével
egyértelm ő en növekszik W L értéke. Az ozmotikum típusának tekintetében szobah ı mérsékleten az 50%-os SA kezelés magasabb W L-t eredmén yez, mint az 50%-os OF kezelés. A 60%-os OF kezelés következtében fellép ı vízvesztés azonban nagyobb mérték ő , mint az 50%-os szacharózos kezelés esetében. Az el ı f ı zés tén yének hatását vizsgálva a 60%-os el ı f ı zés nélküli OF kezelés lén yegesen alacson yabb vízvesztést eredmén yez, mint a 60%-os OF kezelés blansírozással kombinálva. A blansírozás nélküli kezelés a 40%-os oligofruktóz kezeléssel elérhet ı vízvesztéshez áll legközelebb. Az összes szárazan yag-tartalom, valamint a tömegcsökkenés (30. ábra) változásában
is
tükröz ı dnek
az
említett
különbségek.
A
60%-os
oligofruktózzal végzett blansírozással kombinált OD-vel érhet ı el a legnagyobb összes szárazan yag-tartalom, a legkisebb pedig a blansírozás nélkül végzett kezeléssel, amel y azonban nem különbözik szignifikáns mértékben a 40%-os oligofruktózos kezelést ı l. Azonos körülmén yek esetén az ozmotikum koncentráció növelése nagyobb szárazan yag-tartalomhoz vezet. Ez összhangban van Beristain és mtsai (1990) megfigyelésével, miszerint a gyümölcs szárazan yag-tartalma növekszik az ozmotikum oldat cukorkoncentrációjának növekedésével. Egyértelm ő en a legnagyobb tömeg csökkenés az el ı f ı zéssel kombinált 60%-os
oligofruktózzal
történt
kezelés
esetén
tapasztalható,
míg
a
legkisebb, a 40%-os oligofruktózos kezelés esetén. A szacharózzal mérhet ı WR értéke magasabb az oligofruktózzal mérhet ı értékeknél a 40%-os kezelések
esetén.
Mivel
a
blansírozás
nélküli
esetben
alacson y
szárazan yag-növekmén y lép fel, így a tömeg-csökkenés nagyobb mérték ő lesz a 40%-os oligofruktózos kezeléshez képest, noha a vízvesztés görbéik párhuzamosan haladtak.
80
WR [g/g]
TSC [w/w%]
28 26
0,30
40% OF 50% OF
0,25
24
60% OF 60% OF bn 50% SA
0,20
22 20
0,15
18 16
40% OF
0,10
14
50% OF 60% OF
0,05
12
60% OF bn 50% SA
10 0
10
20
30
40
50
60
0,00 0
70 tOD [perc]
10
20
30
40
50
60 70 tOD [perc]
3 0 . ábra Összes szárazanyag-tartalom és tömegcsökkenés az OD kezelési idı függvényében
A
31.
ábrán
láthatók
a
szárazan yag-növekmén y
és
a
vízvesztés
értékeib ı l számított oldott an yag és víz effektív diffúzos együtthatók a kezelési típusok függvén yében. A víz effektív diffúziós együtthatója szignifikánsan nagyobb, mint az oldott an yagé, függetlenül az ozmotikum fajtájától. A frukto-oligoszacharidok diffúziós együtthatója a kezelés jellegét ı l független, azonban szignifikánsan kisebb a szacharóz diffúziós együtthatójánál.
A
víz
diffúziós
együtthatója
nem
különbözik
szignifikánsan az oligofruktóz ozmotikumban végzett beállítások esetén, míg szacharóz esetében nagyobb D e w mérhet ı . Szobah ı mérsékleten a szacharóz er ı sebb dehidratálószernek mutatkozik, szemben a 40°C-on
2 -1
Deff [m s ]
végzett ozmotikus dehidratálással (4.2.1).
1,8E-09 1,6E-09
1,69E-09
Des Dew
1,4E-09 1,0E-09 8,0E-10 6,0E-10
1,27E-09
1,17E-09
1,2E-09 9,12E-10 5,83E-10
9,91E-10
8,98E-10 5,96E-10
6,09E-10
5,84E-10
4,0E-10 2,0E-10 0,0E+00 40% OF
50% OF
60% OF
60% OF bn
50% SA
31. ábra Effektív diffúziós együtthatók a kezelési beállítások függvényében, szobahımérsékleten
81
Eltér ı en eredmén yemt ı l Monnerat és mtsai (2006) 27°C-on szacharózzal (c=30-50 w/w%) végzett OD során jelent ı sen alacson yabb 10 - 1 1 m 2 s - 1 nagyságrend ő cukor és víz diffúziós együ tthatót állapított meg felezett Fuji almára, ami részben az alma fajtájával, részben az eltér ı kísérleti körülmén yekkel magyarázható.
4.2.3 Szacharóz és frukto-oligoszacharidok, mint ozmotikus ágens összehasonlítása Kísérleti terv: A kísérlet célja szacharóz és frukto-oligoszacharidok jelenlétében végzett ozmotikus dehidratálás során az OD technológiai paramétereinek koncentráció,
(kezelési ozmotikum
id ı ,
kezelési
típus)
h ı mérséklet,
víztartalomra,
ozmotikum
tömegváltozásra,
vízvesztésre, szárazan yag-növekmén yre, állomán yra, valamint diffúziós együtthatóra gyakorolt hatásának vizsgálata. A kísérlet során alkalmazott független változókat, valamint a kísérleti beállításokat a 10. táblázat tartalmazza. 10. táblázat S za ch a ró z és f ru k to - o l ig o s za ch a r id o k, min t o zmo ti ku s á g en s ö s s zeh a so n l ítá sa so rá n a l ka l ma zo tt fü g g e tlen vá l to zó k, va la min t k ís ér le ti b eá l lí tá so k
Független változó
Független változó beállításai
Kezelési hımérséklet [°C]
40
50
60
Kezelési idı [perc]
20
30
40
Ozmoti kum koncentráció [%]
40
50
60
A kísérletek során izotóniás oldatban történ ı el ı f ı zést alkalmaztam 65°C-on 6 perces kezelési id ı tartammal. Az állomán y vizsgálatokhoz a TX.TA. komplex állomán yvizsgáló berendezést használtam, 19 párhuzamos mérést végeztem.
Eredmények: Vizsgáltam a függ ı változók korrelációját (11. táblázat). A víz és a szárazan yag diffúziója egymástól független fol yamatok, következésképp W L és SG között szignifikáns kapcsolat van. W L és SG is közvetlenül befol yásolja a víztartalmat (MC) és a vízaktivitást. Ez a hatás az
MC-W L
és
MC-SG
közötti
nagy
korrelációs
koefficiensben
is
megn yilvánul. 82
11. táblázat Ko r relá ció s m á tr ix (a megjelölt adatok szignifikánsak 95%-os szinten p < 0.05)
WR [g/g] WL [g/g] SG [g/g]
MC [w/w%]
WR [g/g]
WL [g/g]
-0.09 -0.87 -0.91
0.48 -0.26
0.61
A tömegcsökkenés (WR) a vízvesztés (WL) és a szárazan yag-növekmén y (SG) különbségéb ı l adódik, még sincs direkt kapcsolat WR-SG, WR-W L és MC-WR között. Ezért is van annak értelme, hogy ezek mindegyikét különkülön
is
vizsgáljam,
elemezzem.
Az
ozmotikus
dehidratálás
minden
m ő veleti paramétere szignifikáns hatással van a víztartalom, a vízvesztés és a szárazan yag-növekmén y értékére (M/4.2.3/a,b,c,d táblázat).
A nedvességtartalom (MC) változása A nedvességtartalom (MC) a kezelési id ı el ı rehaladtával (mint a W L és SG ered ı je) csökken mindkét ozmotikus ágens esetében. A víztartalom szacharózos kezeléskor lén yegesen jobban csökken, mint OF esetében, a víztartalom és az ozmotikum típusa között szignifikáns kölcsönhatás figyelhet ı meg. Szacharóz alkalmazásakor a h ı mérséklet hatása jobban érvén yesül 40-50°C között, míg oligofruktózzal 50-60°C között jelent ı sebb a hatás (32. ábra). A h ı mérséklet növelése oligofruktózok jelenlétében kétszer nagyobb sebességgel csökkenti a víztartalmat, mint szacharóz jelenlétében, míg az ozmotikum koncentrációjának 40%-ról 60%-ra történ ı emelése
kétszer
olyan
nagy
sebességgel
csökkenti
MC-t
szacharóz
esetében, mint oligofruktóz esetében. MC csökkenésére az ozmotikum koncentrációjának
növekedése
kétszer
akkora
hatással
bír
szacharóz
esetében, összehasonlítva az oligofruktózzal mért értékekkel (32, 33. ábra). A
lineáris
regresszió
analízis
(MLR)
eredmén yeként
a
következ ı
egyenletek írhatók fel szacharózra, illetve oligofruktózra: MC-SA (%w/w) = 95.926 – 0.077 × T (°C) – 0.340 × C (% w/v) – 0.150 × t (min)
(88)
MC-OF (%w/w) = 95,853 – 0.132 × T (°C) – 0.169 × C (% w/v) – 0.136 × t (min)
(89)
83
79
80
78
78
77
76 MC [w/w%]
MC [w/w%]
76 75 74 73 72
74 72 70
71
68
70 69
40
50
66
SA OF
60
40
50
T [°C]
SA OF
60
c [w/v%]
3 2 . ábra A kezelési hımérséklet és az ozmotikum koncentráció hatása a víztartalomra 80
78
79
77
78 76
77
75 MC [w/w%]
MC [w/w%]
76 75 74 73
73 72
72 71
71
70
70
69 68
74
20
30
SA OF
40
69
SA
OF Ozmotikum
t [perc]
3 3 . ábra Az ozmotikus dehidratálás kezelési idejének és az ozmotikum anyagi minıségének hatása a víztartalomra
Vízvesztés (WL) Az ozmotikum koncentrációjának növelésével a vízvesztés mindkét ozmotikus
ágens
esetében
szignifikánsan
nı,
mel y
megállapítás
összhangban van Kaymak-Ertekin és Sultanoglu (2000) eredmén yeivel, miszerint 40, 50, 60 w/w%-os szacharóz illetve dextróz oldatban kezelt almaszeletek vizsgálata során az ozmotikum koncentráció növelése egyre nagyobb vízvesztést eredmén yez. Annak ellenére, hogy az ozmotikum típusa és koncentrációja között szignifikáns kölcsönhatás figyelhet ı meg (34, 35. ábra), a két típusú ozmotikum közti különbség en yhén jelentkezik W L változásában. W L az ozmotikum koncentráció függvén yében közel párhuzamosan változik, FOS esetében 50-60 °C között en yhébb emelkedés tapasztalható. Ez a minimális eltérés,
már
szignifikáns
kölcsönhatásként
jelentkezik
az
ozmotikum 84
típusának és koncentrációjának kapcsolatában. Az ozmotikum típus és a h ı mérséklet között azonban nagyon er ı s kölcsönhatás figyelhet ı meg. Szacharóz esetében jelent ı s W L változása 40-50°C között, míg 50-60°C között nincs számottev ı differencia. Ezzel ellentétben W L változása oligofruktóz
jelenlétében
fordítottan
alakul;
40-50°C
között
en yhén
emelkedik, 50-60°C között azonban nagyon er ı s emelkedés figyelhet ı meg. A
h ı mérséklet
függvén yében
bekövetkez ı
WL
változás
jellegének
ozmotikum típustól való er ı s függése hasonlít a víztartalom változásnál tapasztalható
hatásokra.
A
lineáris
regresszió
analízis
eredmén ye
alátámasztja ezen megállapításokat. Kismérték ő szignifikáns különbség tapasztalható
az
oldott
an yagok
között
a
m ő veleti
paraméterek
WL-SA (g/g) = -1.121 + 0.014 × T (°C) + 0.033 × C (% w/v) + 0.022 × t (min)
(90)
WL-OF (g/g) = -1.683 + 0.024 × T (°C) + 0.029 × C (% w/v) + 0.021 × t (min)
(91)
2,4
2,2
2,3
2,1
2,2 2,1
2,0 1,9
2,0 1,9
WL [g/g]
WL [g/g]
függvén yében.
1,8 1,7 1,6 1,5 1,4
1,7 1,6 1,5 1,4
1,3 1,2 1,1
1,8
1,3 40
50 c [w/v%]
60
SA OF
1,2
40
50
SA OF
60
T [°C]
3 4 . ábra Az ozmotikum koncentráció és a kezelési hımérséklet hatása a vízvesztésre
85
2,0
2,3 2,2 2,1
1,9
2,0
WL [g/g]
WL [g/g]
1,9 1,8 1,7 1,6
1,8
1,7
1,5
1,6
1,4 1,3 1,2
20
30
SA OF
40
1,5
SA
OF
t [perc]
Ozmotikum
3 5 . ábra A kezelési idı és az ozmotikum típusának hatása a vízvesztésre
Szárazanyag felvétel (SG) A szárazan yag növekmén y változásának sebessége kisebb, mint a vízvesztés sebessége, meghatározásuk pontossága azonban megegyezik. OF esetében
SG
értékei
fele
akkorák,
mint
szacharóz
ebb ı l
esetében,
következ ı en a szárazan yag-beáramlás sebessége szignifikánsan kisebb. SG esetében
kevés
kölcsönhatás
szignifikáns,
így
a
másodfajú
hiba
valószín ő sége nagyo bb. Ezek az eredmén yek összhangban állnak El-Aouar és mtsai (2006) megállapításaival. Az ozmotikum koncentráció növelése nagyobb emelkedést eredmén yez a szárazan yag
felvételben
oligoszacharidoknál. tapasztalható
Az
szacharóz ozmotikum
szignifikáns
esetében,
típusa
kölcsönhatás
és
mint
koncentrációja
lén yegesen
fruktoközött
markánsabb
a
szárazan yag felvétel tekintetében, mint a vízvesztés esetén (36, 37. ábra). A lineáris regresszió analízissel kapott egyenletek SG-re: SG-SA (g/g) = -0.176 + 0.002 × T (°C) + 0.021 × C (% w/v) + 0.006 × t (min)
(92)
SG-OF (g/g) = 0.372 – 0.006 × T (°C) + 0.006 × C (% w/v) + 0.005 × t (min)
(93)
A h ı mérsékletnek szignifikáns hatása van SG értékére, valamint en yhe kölcsönhatás figyelhet ı meg a h ı mérséklet és az ozmotikum an yagi min ı sége között. Szacharóz esetében SG a h ı mérséklet emelésével en yhén n ı , míg OF esetében en yhén csökken. A szacharózra vonatkozó állítás
86
összhangban van Kaymak-Ertekin és Sultanoglu (2000) megállapításával, mel y szerint SG nem változik szignifikánsan a h ı mérséklet emelésével 2050°C tartomán yban szacharóz ozmotikum esetén. 1,3
1,5
1,2
1,4 1,3
1,1
1,2 1,1
0,9
SG [g/g]
SG [g/g]
1,0
0,8 0,7
0,9 0,8 0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4 0,3
1,0
0,4 40
50
60
T [°C]
0,3
SA OF
40
50
60
SA OF
c [w/v%]
3 6 . ábra A hımérséklet és az ozmotikum koncentráció hatása a szárazanyag-felvételre
1,3
1,3
1,2
1,2
1,1
1,1 1,0
0,9
SG [g/g]
SG [g/g]
1,0
0,8 0,7
0,8 0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4 0,3
0,9
20
30
40
SA OF
t [perc]
0,4
SA
OF Ozmotikum
3 7 . ábra Az ozmotikus dehidratálás kezelési idejének és az ozmotikum típusának hatása a szárazanyagfelvételre
Tömeg csökkenés (WR) A tömegcsökkenés független a másik három vizsgált változótól (MC, W L, SG). A vízvesztés és a szárazan yag felvétel különbsége eredmén yezi a tömegcsökkenést, azonban nincs szoros korreláció a tömegcsökkenés és W L illetve SG között. Mind a szárazan yag-növekmén y, mind a vízvesztés értéke nagyobb abban az esetben, ha szacharóz az ozmotikus ágens, azonban e két értékb ı l számított tömegcsökkenés kisebb ebben az esetben, összehasonlítva a OF esetén mérhet ı tömegcsökkenéssel. Szignifikáns
87
kölcsönhatás
figyelhet ı
meg
az
ozmotikum
an yagi
min ı sége
és
koncentrációja, valamint an yagi min ı sége és a kezelési h ı mérséklet között. Ellentétben a W L és SG esetén tapasztaltakkal, kétszer ol yan nagy tömegcsökkenés mutatható ki OF mellett, összehasonlítva a szacharózzal végzett kísérletek eredmén yeivel. Frukto-oligoszacharidok jelenlétében a tömegcsökkenés (WR) 1,15 g/g-ról közelít ı leg 1,4 g/g-ra emelkedik 50°C és 60°C között, míg szacharóz esetében változatlan marad (0,9 g/g) ebben a h ı mérséklet tartomán yban (38, 39. ábra). A lineáris regresszió analízis eredmén yeként kapott egyenletek alátámasztják ezen megállapításokat: WR-SA (g/g) = -0.994 + 0.014 × T (°C) + 0.012 × C (% w/v) + 0.017 × t (min)
(94)
WR-OF (g/g) = -2.162 + 0.031 × T (°C) + 0.025 × C (% w/v) + 0.017 × t (min)
(95)
WR a koncentráció növelésével szignifikánsan n ı Kaymak-Ertekin és Sultanoglu (2000) eredmén yei szerint 40-50-60 w/w%-os szacharózzal és dextrózzal
almán
végzett
kísérlet
során.
A
változás
jellege
1,6
1,6
1,5
1,5
1,4
1,4
1,3
1,3
1,2
1,2 WR [g/g]
WR [g/g]
eredmén yeimmel egyez ı .
1,1 1,0 0,9 0,8
1,0 0,9 0,8
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5 0,4
1,1
40
50 T [°C]
60
SA OF
0,5
40
50
60
SA OF
c [w/v%]
3 8 . ábra A hımérséklet és az ozmotikum koncentráció hatása a tömeg-csökkenésre
88
1,3
1,5 1,4
1,2
1,3 1,2
1,1 WR [g/g]
WR [g/g]
1,1 1,0 0,9 0,8
1,0 0,9
0,7 0,6
0,8
0,5 0,4
20
30
SA OF
40
0,7
SA
OF Ozmotikum
t [perc]
3 9 . ábra Az OD kezelési idı és az ozmotikum típusának hatása a tömeg-csökkenésre
Effektív diffúziós együttható (D e f f ) Az effektív diffúziós együtthatót a vízvesztésre és az oldott an yag növekmén yre egyaránt kiszámítottam (M/4.2.3/e táblázat), modellezve ezzel a víz és szárazan yag transzportját. A diffúziós együttható szórása (std. dev.) nagy a független változók (technológiai paraméterek) vizsgált sz ő k tartomán yából következ ı en. A vízvesztés 95%-os konfidenciaszinten függ az ozmotikum típusától, míg a szárazan yag-növekmén y 90%-nál alacson yabb szinten, az ozmotikum típusától 89%-os, az ozmotikum koncentrációjától 83%-os szinten (12. táblázat). 12. táblázat F-próba Deff értékeire
WL
SG
DF
F
p
DF
F
p
Ozmotikum típus
1
13.897
0.0002
1
2.972
0.093
T
2
0.036
0.965
2
1.891
0.167
c
2
0.256
0.775
2
2.383
0.107
Hiba
36
36
Fıkomponens analízis (PCA) F ı komponens analízist végeztem az adatok komplexebb értékelésére, a megállapítások jobb szemléltetésére. A bemutatott sajátértékek alapján két komponenssel leírható több, mint 93%-ban a WR, SG, W L és MC varianciája (13. táblázat).
89
13. táblázat Egyedi és halmozott fıkomponens hatások
PC
Sajátérték
Egyedi %
Halmozott %
1
2,6800
67,00
67,00
2
1,0688
26,72
93,72
3
0,2274
5,69
99,40
4
0,0238
0,60
100,00
Az els ı f ı komponenst f ı leg WR, MC és W L alkotja, míg a második f ı komponens els ı sorban SG-nek tulajdonítható (14. táblázat). 14. táblázat A fıkomponensek lineáris attribútumai
Attribute
PC1
PC2
MC
0,9715
0,1327
WR
-0,7884
0,5090
WL
-0,9675
0,1045
SG
-0,4226
-0,8838
A f ı komponens analízis eredmén ye szerint az egyes kísérleti pontok tisztán elkülönülnek aszerint, hogy szacharózzal, vagy frukto-oligoszacharidokkal kezelt mintáról van szó (40. ábra). -5
sucrose oligofructose
PC2
-4 -3 -2 -1 0 1 2
PC1
3 4
2
0
-2
-4
-6
4 0 . ábra PCA eredmények
Az
ozmotikus
állomán yjellemz ı kre
dehidratálás gyakorolt
hatását
technológiai komplex
paramétereinek
állomán yvizsgálattal
elemeztem. A m ő veleti paraméter beállításokat a 15. táblázat tartalmazza. A kísérletek során izotóniás oldatban történ ı el ı f ı zést alkalmaztam 65 °Con 6 perces kezelési id ı tartammal. 90
1 5 . táblázat Mőveleti paraméter beállítások állományvizsgálatokhoz
Paraméter
Beállítás
Kezelési hımérséklet [°C]
40, 60
Kezelési idı [perc]
20, 30, 40
Ozmoti kum koncentráció [w/ v%]
40, 60
Ozmoti kum típus
SA, OF
Az állomán yvizsgálat során a kompressziós er ı t (Fc) a rugalmassági modulust
(Rm)
és
a
rugalmasságot
(R)
vizsgáltam
(3.3.9.
pont;
M/4.2.3/1,2,3,4 ábra). A 16. és 17. táblázat tartalmazza a korrelációs összefüggést a függ ı változók között 40 illetve 60°C-on. Mindkét esetben szoros kapcsolat van a kompressziós er ı és a rugalmassági modulus között. 1 6 . táblázat Ko r relá ció s ö s sz efü g g é s T =4 0 ° C- o n
Fc Rm R
Fc
Rm
0,798 -0,265
-0,097
1 7 . táblázat Ko r relá ció s ö s sz efü g g é s T =6 0 ° C- o n
Fc Rm R
Fc
Rm
0,846 -0,094
0,168
Az ozmotikum típusának a varianciaanalízis szerint a kompressziós er ı re és a rugalmassági modulusra van szignifikáns hatása (18. táblázat), amel y kétmintás t-próbával is igazolható (19. táblázat). 1 8 . táblázat ANOVA tábla az ozmotikum típus hatására
Fc Rm R
Ftlen v. SS 796,34 378,13 0,0799
Ftlen v. DF 1 1 1
Ftlen v. MS 796,34 378,13 0,0799
Hiba SS 4558,29 1844,69 115,91
Hiba DF 411 411 411
Hiba MS 11,091 4,488 0,282
F
p
71,802 84,248 0,283
0,000 0,000 0,595
1 9 . táblázat ANOVA tábla az ozmotikum típus hatására
Fc Rm R
OF átlag 5,47 3,92 1,26
SA átlag 8,25 5,83 1,23
t -8,47 -9,18 0,53
DF 411 411 411
p 0,00 0,00 0,59
N OF 204 204 204
N SA 209 209 209
SD OF SD SA 2,36 4,06 1,55 2,55 0,49 0,56
91
Az ozmotikum koncentrációjának csak a rugalmassági modulus értékére van szignifikáns hatása az ANOVA (20. táblázat), valamint a t-próba (21. táblázat) alapján is. 2 0 . táblázat ANOVA tábla az ozmotikum koncentráció hatására
Fc Rm R
Ftlen v. SS 8,42 70,72 0,58
Ftlen v. DF 1 1 1
Ftlen v. MS 8,42 70,72 0,58
Hiba SS 5346,21 2152,12 115,40
Hiba DF 411 411 411
Hiba MS 13,01 5,24 0,28
F
p
0,65 13,50 2,07
0,42 0,00 0,15
2 1 . táblázat ANOVA tábla az ozmotikum koncentráció hatására
Fc Rm R
60 átlag 6,75 4,49 1,21
40 átlag 7,03 5,33 1,28
t -0,80 -3,67 -1,44
DF 411 411 411
p 0,42 0,00 0,15
N 60 217 217 217
N 40 196 196 196
SD 60 4,33 2,34 0,50
SD 40 2,58 2,23 0,56
A kezelési h ı mérsékletnek minden függ ı változó értékére szignifikáns hatása van mind ANOVA (22. táblázat) mind t-próba szerint. A kezelési id ı nek
a
kompressziós
er ı re
és
a
kétszeri
összen yomáshoz
tartozó
kompressziós er ı k hán yadosára, a rugalmasságra van szignifikáns hatással (23. táblázat). 2 2 . táblázat ANOVA tábla a kezelési hımérséklet hatására
Fc Rm R
Ftlen v. SS 743,37 325,36 3,23
Ftlen v. DF 1 1 1
Ftlen v. MS 743,37 325,36 3,24
Hiba SS 4611,26 1897,46 112,75
Hiba DF 411 411 411
Hiba MS 11,22 4,62 0,27
Hiba SS 5119,60 2198,86 114,24
Hiba DF 410 410 410
Hiba MS 12,48 5,33 0,28
F
p
66,25 70,47 11,81
0,0000 0,0000 0,0006
F
p
9,41 2,23 3,13
0,0001 0,1083 0,0448
2 3 . táblázat ANOVA tábla a kezelési idı hatására
Fc Rm R
Ftlen v. SS 235,03 23,96 1,74
Ftlen v. DF 2 2 2
Ftlen v. MS 117,51 11,98 0,87
Az ozmotikusan dehidratált (szacharózzal, vagy oligofruktózzal) minták állomán yát a blansírozott (SA-ban vagy OF-ban), illetve a kezeletlen, natúr almamintához viszonyítva, az egyes minták közt a kompressziós er ı ben és a rugalmassági modulus értékében figyelhet ı meg szignifikáns különbség 95%-os szinten a varianciaanalízis szerint (41. ábra). Lén yeges, hogy bármel y kezelés hatására a minta kemén ysége, rugalmassági modulusa 1/3ra csökken a n yers (NA) mintához képest. A blansírozás után nincs 92
különbség a szacharózzal (B-SA) vagy oligofruktózzal (B-OF) kezelt minták között. Ozmotikus dehidratálás során azonban lén yeges változás következik be a minta fizikai jellemz ı iben, állomán yában. A szacharózzal történ ı OD után a Rm értéke szignifikánsan n ı , a kemén ység pedig, ha nem is n ı , de legalább nem csökken. Ugyanakkor az oligofruktózzal történ ı kezelés során mindkét fizikai jellemz ı mintegy 30-50%-kal csökken.
24
18
22
16
20
14
18
12 Rm
Fc [N]
16 14
10
12
8
10
6
8
4
6 4
OF
SA
NA
B-OF
Minta típus
B-SA
Mean Mean±SE Mean±1,96*SE
2
OF
SA
NA
B-OF
B-SA
Minta típusa
Mean Mean±SE Mean±1,96*SE
4 1 . ábra Kompressziós erı és rugalmassági modulus a minta típusának függvényében
4.2.4 Oligomer komponensek diffúziójának összehasonlítása A
frukto-oligoszacharid
keverék
oligomer
komponenseinek
diffúziós
viselkedését az egyedi diffúziós együtthatókkal jellemeztem. A kísérleti beállítás a 4.2.1. pontban ismertetettek szerint történt. Az oligomerek koncentrációját HPLC-vel határoztam meg (3.3.5. pont; M/4.2.4/a táblázat). Meghatároztam az ozmotikus dehidratálási id ı függvén yében az egyes oligomer komponensek koncentrációjának (g cukor/ 100g alma) változását, valamint ebb ı l számítottam (3.3.11. pont) a diffúziós együtthatót (42. ábra).
93
DP3
2 -1
6
DP2
3,0
9
DP1
Deff ×10 [m s ]
coligomer [%]
7
2,5
DP4
5
DP5
4
DP6
2,0 1,5
3
1,0
2
0,5
1
0,0
0 0
10
20
30
40
50
DP3
60 tOD [perc]
DP4
DP5 DP6 oligomer komponensek
42 . ábra Oligomer koncentráció az ozmotikus dehidratálási idı függvényében, oligomer komponensek diffúziós együtthatója a tagszám függvényében
A monomer molekulák (DP1) menn yisége az ozmotikus dehidratálási id ı növekedésével csökken, mivel koncentrációja a kezeletlen gyümölcsben magasabb,
mint
a
monomert
gyakorlatilag
nem
tartalmazó
oligomer
keverékben. Ezért diffundál a gyümölcs sejtekb ı l az oldat felé. A dimer (nagy többségében szacharóz) molekulák menn yisége a kezelés vizsgált tartomán yában gyakorlatilag változatlan. Hasonlóan a monomerhez, a dimer koncentráció sem nagyobb az ozmotikum oldatban, ezért nincs értékelhet ı diffúziója.
A
természetesen
nagyobb növekszik
oligomer a
molekulák
kezelési
id ı
(DP3-6)
menn yisége
növekedésével,
a
változás
logaritmikus görbével jól leírható. Minden esetben a legnagyobb mérték ő változás
az
els ı
20
percben
következik
be,
a
diffúzió
dinamikus
egyensúl yra vezet. Az oligomer komponensek egyedi diffúziós együtthatói nem
különböznek
szignifikánsan
egymástól.
Az
effektív
diffúziós
együtthatók értéke 10 - 9 m 2 s - 1 nagyságrend ő .
4.3 Vákuummal kombinált ozmotikus dehidratálás vizsgálata frukto-oligoszacharidok jelenlétében A vákuum-kezelést több oldalról vizsgáltam frukto-oligoszacharidok jelenlétében.
Kísérleteket
végeztem
a
vákuum-kezelés
m ő veleti
paramétereinek hatására vonatkozóan, a vákuum-blansírozás OD során fellép ı transzportfolyamatokra gyakorolt hatására. A vákuum-kezelést vákuum-szárítószekrénn yel
(LM IM)
végeztem.
A
szárítószekrén yben
94
lehet ı ség volt a minta f ő tésére is, mind melegvizes lapf ő tés, mind elektromos f ő tés alkalmazásával, így a vákuum-kezelést kombináltam a h ı kezeléssel vákuum-blansírozás formájában. Az almamintákat el ı zetesen a kívánt h ı mérséklet ő re beállított izotóniás, illetve hipertóniás oldatot tartalmazó üveg edén ybe hel yeztem. Az edén yeket behel yeztem a vákuumszárítószekrén ybe, mel yet el ı zetesen a kívánt h ı mérséklet ő re állítottam. A megfelel ı vákuum-érték elérését ı l kezd ı d ı en számítottam a kezelési id ı t. A kezelési id ı leteltével megszüntettem a vákuumot, majd a mintákat a kísérleti tervben szerepl ı h ı mérsékleten és id ı tartamig a kezel ı oldatban pihentettem, hogy minél hatékon yabb oldatbeáramlást érjek el.
4.3.1 Vákuum-kezelés paramétereinek hatása a felvett oldat térfogatára A vákuum-kezelés technológiai paramétereinek (kezelési id ı , vákuumérték) hatását vizsgáltam a beáramló oldat menn yiségére, térfogatára. A pórusokat kitölt ı , beáramló oldat mennyiségének jellemzésére Mújica-Paz és mtsai. (2003) bevezettek egy fajlagos térfogat fogalmat (X), mel y definíciójuk szerint:
X =
mv − m0
ρ io
⋅
1 V0
(96)
A kísérleti terv szerint a vákuum értékét és a vákuum-kezelés idejét változtattam
(24.
táblázat).
A
vákuum-kezelés
izotóniás
frukto-
oligoszacharid oldatban végeztem, majd a kezelést követ ı en atmoszférikus n yomáson 25 percig tartottam az almakockákat az izotóniás oldatban, ezt követ ı en végeztem el a megfelel ı analitikai vizsgálatokat.
24. táblázat Vákuum-kezelés technológiai paramétereinek beállításai Független paraméter Vákuum-érték [mbar] Kezelési id ı [perc]
Beállítások 0, 660, 680, 800, 970 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45
A vákuum-kezelés hatására beáramló oldat fajlagos térfogata (X) a kezelési id ı függvén yében nem változik, nagy vákuumérték esetében azonban a kezelési id ı növelésével kissé csökken (43. ábra; M/4.3.1/a táblázat). A
95
vákuum-érték növelésével X értéke n ı , amel y növekedés azonban telítési görbéhez hasonlóan 600 mbar körül megáll, ennél nagyobb vákuum-érték esetén nem változik tovább, hosszú kezelési id ı esetén (kb. 45 perc) kissé csökken.
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
4 3 . ábra A beáramló oldat mennyiségét jellemzı fajlagos térfogat (X) változása a vákuum-kezelési idı és a vákuum érték függvényében
Nagy vákuum-érték és hosszú kezelési id ı esetén csökken a beáramló oldat térfogata, mely valószín ő leg a sejtek deformálódásából következ ı kisebb szabad térrel magyarázható. A kezelési id ı függvényében történ ı jelentéktelen változás alapján a rövid, kb. 5 perces vákuum-kezelési id ı elegend ı a szövetek légtelenítésére. Mújica-Paz és mtsai. (2003) hasonló eredmén yre
jutottak
telítésekor.
Kísérleteikben
Golden a
delicious
alma
vákuum-értéket
szacharózzal 135-674
mbar
történ ı között
változtatták, míg a kezelési id ı t 3-45 perc között. Eredményeik szerint X értéke a kezelési id ı függvén yében nem változik szignifikáns mértékben, a vákuum-érték növelésével pedig lineárisan növekszik, értéke 0,16-0,34 m 3 fol yadék/m 3 gyümölcs tartomán yban változik. Eredmén yeim alapján X értéke 0,18-0,29 m 3 fol yadék/m 3 oldat tartomán yba esik. Kísérleteik során nem alkalmaztak akkora vákuumértéket (670 mbar<x<970 mbar), amel ynél a lineáris növekedést ı l való eltérést tapasztaltam. Vizsgáltam a vákuum-kezelés (5 perc, 740 Hgmm) hatására bekövetkez ı porozitás-változást is az almaszövetben. A valódi és a látszólagos s ő r ő ség, 96
valamint a valódi porozitás meghatározását a 3.3.7. pontban leírtak szerint végeztem. A kezelt illetve nem kezelt almaminták látszólagos és valódi s ő r ő ségének meghatározásából (44. ábra) a kezelés szövet-szerkezetre gyakorolt hatására, illetve a gyümölcsszövet porozitásának változására következtettem.
B -3
ρ r [gcm ]
-3
ρ a [gcm ]
A 1,2 1 0,8
1,2 1 0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2 0
0 kezeletlen
vákuum-kezelt
kezeletlen
vákuum-kezelt
4 4 . ábra Almakocka látszólagos (A) és valódi (B) sőrősége vákuum-kezelés hatására
A minták látszólagos s ő r ő sége szignifikánsan növekedett a vákuumkezelés
hatására,
ami
a
szövetekbe
áramló
oldat
miatt
fellép ı
tömegnövekedés következmén ye. A valódi s ő r ő ség azonban nem változott, hiszen a minták elturmixolásával kapott térfogat a vákuum-kezelt an yagban megnövekszik, mivel a leveg ı hel yét fol yadék tölti ki, így nagyobb térfogat az osztója a nagyo bb tömegnek, ami konstans hán yadost eredmén yez a kezeletlen mintához képest. A valódi porozitás értéke természetesen er ı sen
εr
lecsökken a kezelés következtében (45. ábra). 0,4 0,3 0,2 0,1 0 kezeletlen
vákuum-kezelt
4 5 . ábra Almakocka valódi porozitásának változása vákuum-kezelés hatására
97
4.3.2 Vákuum-kezelés hatása az effektív víz és oldott anyag diffúziós együtthatókra A diffúziós együtthatók meghatározását a 3.3.11. pontban ismertetett módszer szerint végeztem el szacharóz ozmotikummal. A kísérlet m ő veleti beállításait
a
25.
táblázat
tartalmazza.
5
perces
vákuum-kezelést
alkalmaztam blansírozást követ ı en, majd OD kezeltem a mintákat.
25 . táblázat Mőveleti beállítások diffúziós együttható meghatározásához Elıfızés
c [w/v%]
T [°C]
t [perc]
izotóniás
70
5
60
40
0-65
OD
A transzportfol yamatok jellemzésére szolgáló, valamint az effektív diffúziós együttható meghatározásához szükséges WR, SG, W L értékeket mutatja a 46. ábra (M/4.3.2/a-b táblázat). Összehasonlítva a vákuumkezelés nélküli (OD-sorozat) valamint a vákuum-kezeléssel kombinált (PVOD-sorozat) ozmotikus dehidratálás során fellép ı tömegcsökkenést, vízvesztést,
valamint
oldott
szárazanyag-felvételt.
Vákuum-kezeléssel
kombinált OD esetén kisebb a WR, SG és a W L értéke a vákuum-kezelés nélküli OD esetével összehasonlítva. A görbék jellege hasonló, WR lineáris az OD-kezelési id ı függvén yében W L kb. 0,5 g/g változást ér el 60 perces
WR, SG, WL [g/g]
WR, SG, WL [g/g]
OD alatt PVOD esetén, míg vákuumozás nélkül ez a változás kb. 2,6 g/g.
SA-PVOD 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
SA-OD 3,0 2,5 2,0 1,5
0,3
1,0
0,2
WR
WR 0,5
SG
0,1
SG
WL
WL
0,0
0,0 0
10
20
30
40
50
60
70
80 tOD [perc]
0
10
20
30
40
50
60
70
80 tOD [perc]
4 6 . ábra A tömegcsökkenés (WR), a szárazanyag-növekmény (SG), valamint a vízvesztés (WL) változása az ozmotikus dehidratálási idı függvényében OD valamint PVOD kezelt minták esetén
98
2 6 . táblázat Effektív diffúziós együtthatók
Kezelés típus Def f [ m2s -1]
OD
PVOD
Des
2,43×10 - 1 0
1,27×10 - 9
Dew
8,87×10 - 1 0
7,50×10 - 1 0
Az effektív diffúziós együtthatók értékeit mindkét kezelési típus esetén a
26.
táblázat
tartalmazza.
Az
oldott
an yag
effektív
diffúziós
együtthatójában mutatkozik szignifikáns különbség, ötszörösére n ı a D e s értéke a vákuum-kezelést követ ı OD esetén, mivel a ∞ id ı höz tartozó koncentráció elérése, a 0. pontban mérhet ı lén yegesen nagyobb oldott an yag-koncentráció következtében sokkal gyorsabb.
4.3.3 Oligomer komponensek diffúziójának összehasonlítása vákuumkezelést követı OD során A kísérleti beállítás a 4.2.1. pontban ismertetettek szerint történt, azzal a különbséggel, hogy az el ı f ı zést követ ı en 5 perces vákuum-kezelést alkalmaztam. Az oligomerek koncentrációját HPLC-vel határoztam meg (3.3.5. pont; M/4.3.3/a táblázat). Vizsgáltam az ozmotikus dehidratálási id ı függvén yében az egyes oligomer komponensek koncentrációjának (g cukor/ 100
g
alma)
változását,
valamint
az
ebb ı l
számítható
diffúziós
együtthatókat (47. ábra).
99
DP3
6
DP4
5
DP5 DP6
4 3
2 -1
DP2
7
9
DP1
Deff ×10 [m s ]
coligomer [%]
8
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0
2 1
0,5
0
0,0 0
10
20
30
40
50
60
DP3
tOD [perc]
DP4
DP5
DP6
oligomer komponensek
47 . ábra Oligomer koncentráció az ozmotikus dehidratálási idı függvényében, oligomer komponensek diffúziós együtthatója a tagszám függvényében
A monomer molekulák (DP1) menn yisége az ozmotikus dehidratálási id ı növekedésével kissé csökken. A dimer molekulák menn yisége kismértékben n ı , telítési görbével írható le. Az oligomer molekulák (DP3-6) menn yisége növekszik a kezelési id ı növekedésével, a változás az 5-ös és 6-os tagszámú molekulák esetében logaritmikus görbével jól leírható. Minden esetben a változás 40-50%-a az els ı 20 percben következik be, majd egyensúl yhoz együtthatói
vezet. nem
Az
oligomer
különböznek
komponensek
szignifikánsan
egyedi
egymástól,
az
diffúziós effektív
diffúziós együtthatók értéke 10 - 9 m 2 s - 1 nagyságrend ő . Összehasonlítva az oligomer komponensek egyedi diffúziós együtthatóinak értékét a vákuumkezelés nélküli OD-kezelés esetén mértekkel (4.2.4.) nem különböznek szignifikánsan D e f f értékei. A cukorkomponensek koncentrációja magasabb a vákuum-kezelt esetben, azonban a változás jellege az oligomerek esetében megegyez ı . A monomer molekulák változása en yhén eltér ı , vákuum-kezelés nélküli esetben jelent ı s a molekulák kifelé irán yuló diffúziója, míg ez a transzportfol yamat PVOD esetén nem jelent ı s. A két kísérletsorozatban tapasztalt azonos D e f f értékek azt is jelentik, hogy a vákuum-kezelés nem befol yásolja jelent ı sen ugyan a diffúzió sebességét, de az ozmotikum konvektív bejuttatásával a cukorfelvétel, az egyensúl y beállása gyorsabbá válik.
100
4.3.4 Vákuum-blansírozás hatása a diffúzióra A
vákuumozást
m ő veletek
el ı n yös
felmelegített hatása.
oldatban
Kísérleteim
végezve
során
kombinálható
vizsgáltam
a
a
vákuum-
blansírozás hatását az állomán yra (3.3.9. pont), valamint az almaszövet permeabilitására (3.3.8. pont), 5 perces izotóniás frukto-oligoszacharid oldatban történ ı vákuum-blansírozást alkalmazva, 25 perces relaxációs id ı vel (szobah ı mérsékleten). A h ı mérsékletet az állomán y vizsgálata során 40-90 °C tartomán yban, míg a szöveti átereszt ı képesség vizsgálatakor 5080°C tartomán yban változtattam. A szöveti átereszt ı képesség változását, valamint
az
ionok
diffúziós
együtthatóját
a
48.
ábra
szemlélteti
Deff*10 [m s ]
0
10
2 -1
kontroll 50°C 60°C 70°C 80°C
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
9
I [µA]
(M/4.3.4/a,b táblázat).
20
30
40
50
1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 kontroll
60 t [perc]
50°C
60°C
70°C
80°C Tb [°C]
4 8 . ábra Szöveti áteresztıképesség változás, iondiffúziós együtthatók a vákuum-blansírozási hımérséklet függvényében
A
szöveti
átereszt ı képesség
növekszik
a
vákuum-blansírozási
h ı mérséklet emelésével. Az iondiffúzióra szignifikáns hatással van a vákuum-blansírozási
h ı mérséklet,
bár
60-70°C
között
nincs
jelent ı s
különbség az áramlási sebességben. Ezzel összhangban az ion diffúziós együtthatók értéke n ı a h ı mérséklet emelésével. D értéke 50-60°C között szignifikánsan különbözik, míg 60 és 70°C között, illetve 70 és 80°C között nem, de fol yamatában a h ı mérséklet emelésével D értéke monoton nı. A
vákuum-blansírozási
h ı mérséklet
állomán yra
gyakorolt
hatását
mutatja a 49. ábra. Az állomán yvizsgálatot SMS készülékkel végeztem a 3.3.9. pontban ismertetett módszer szerint (M/4.3.4/c táblázat).
101
Rugalmasság [-]
Erı [N]
10 8 6
1,2 1,0 0,8 0,6
4
0,4
2
0,2 0,0
0 30
40
50
60
70
80
90
100
30
40
50
60
70
Tv-b [°C]
80
90
100 Tv-b [°C]
4 9 . ábra Ellenálló erı és rugalmasság változás a vákuum-blansírozási hımérséklet függvényében
Az els ı összen yomással szemben kifejtett ellenálló er ı (F c ) 40-60°C között nem különbözik szignifikánsan, hasonlóan 70-90°C között. 60 és 70°C között azonban jelent ı s csökkenés következik be, kb. 6 N-ról 0,4 N nagyságúra esik vissza az F c . A kétszeres összen yomással szemben fellép ı két ellenálló er ı hán yadosából adódó rugalmasság (R) azonban nem változik szignifikánsan a kezelési h ı mérséklet függvén yében. Kísérleteket végeztem 60%-os frukto-oligoszacharid oldattal is, ekkor nem izotóniás közegben, hanem már az ozmotikumban (60%-os OF-oldat) végeztem a vákuum-blansírozást (5 perc), majd vizsgáltam a minták tömegváltozását (M/4.3.4/d táblázat). 60 perces relaxációs id ı t követ ı en (szobah ı mérsékleten: 25°C) pedig, a minták refrakciójában bekövetkez ı változásokat mértem (50. ábra; M/4.3.4/e táblázat).
102
refrakció [°Brix]
m csökkenés [%]
16 12 8
50 45 40 25°C
35
40°C
30
50°C
25 4 0
60°C
20
70°C
15
80°C 90°C
10 40
50
60
70
80
90
0
10
20
30
40
50
60 tOD [perc]
T [°C]
5 0 . ábra Tömegcsökkenés a vákuum-blansírozási idı függvényében; refrakció változás az ozmotikus dehidratálási idı függvényében (”25°C”: vákuum-blansírozás nélküli kontroll minta; 40°C-90°C: vákuum-blansírozás hımérséklete)
A
tömén yebb
(60%-os)
oldatban
történ ı
vákuum-blansírozás
h ı mérséklete hatással van a minta tömegének változására. 40-60°C között nem lép fel szignifikáns változás, azonban 60 és 70°C között megn ı a minta tömegvesztesége, majd a további emelés 90°C-ig ismét jelent ı s növekedést eredményez a minta tömegcsökkenésében. 90°C-on a szövetek károsodása
következtében
valószín ő sége,
így
nem
tömegveszteség
jelentkezik,
megn ı
a
csak
a
hanem
a
szövetrészek
leszakadásának
transzportfol ymatokból minta
darabolódásából,
adódó szöveti
károsodásából adódó súl ycsökkenés is. A szobah ı mérséklet ő ozmotikus dehidratálás
alatt
lejátszódó
transzportfol yamatok
ered ı jeként
az
almaminták refrakciója telítési görbe szerint n ı az OD kezelési id ı függvén yében, csakúgy, mint a kontroll, nem vákuum-blansírozott minta esetében. Összehasonlítva a különböz ı h ı mérsékleten vákuum-blansírozott mintákat,
a
kontrollal,
jelent ı s
eltérés
az
OD
t=0
id ı pontjában
tapasztalható lén yegesen magasabb refrakció, amel y a vákuum-kezelésnek köszönhet ı . Az így elért refrakció érték azonban az OD további 60 percében nagyon en yhén emelkedik csak, függetlenül a vákuum-blansírozás h ı mérsékletét ı l. Az emelkedés maximálisan 8 °Brix.
103
4.4 Frukto-oligoszacharidok bomlásának kinetikai értékelése Kísérleti
terv
és
értékelési
A
módszer:
frukto-oligoszacharidok
bomlását leíró modell-rendszer összetett, mivel az egyes oligomerekb ı l több bomlási útvonalon keresztül képz ı dhetnek termékek (párhuzamos, szimultán reakciók), mel yek többsége tovább is alakul (sorozatos, lépcs ı s, konszekutív reakciók). A mérések csak egy adott id ı pontra jellemz ı aktuális koncentrációt adnak meg. Az egyes bomlási lépések az ismert hipotézisek szerint els ı rend ő kinetikát követnek (Blecker és mtsai., 2002, L’homme és mtsai., 2003a,b). A bomlássor sémáját az 51. ábra szemlélteti. A bomlási útvonalak ábrázolásánál csak azokat a lehet ı ségeket vettem figyelembe, ahol két bomlási termék képz ı dik. Annak a valószín ő sége, hogy azonos id ı pontban két vagy több hel yen hasad fel kötés egy láncon belül (azaz 3, vagy annál több molekula keletkezik egy lépésben) kicsi. Ha il yen
esetleg
el ı
is
fordulna,
hipotetikusan
a
kinetika
számítása
szempontjából a folyamat felírható azzal az egyszer ő sítéssel, mintha egy kiindulási molekulából mindig csak két bomlástermék keletkezne. Ezzel a feltételezéssel élve, a bomlási sor a következ ı k szerint írható le. A héttagú oligomer három bomlási útvonalon alakulhat át. Az els ı esetben a láncvégi monomer leszakadásával hattagú lánc keletkezik. A második esetben egy öt és egy kéttagú oligomer képz ı dik. A harmadik lehet ı ség, hogy a láncból egy három- és egy négytagú oligomer képz ı dik. A hattagú oligomer is három bomlási útvonalon alakulhat át. Az els ı esetben a láncvégi monomer leszakadásával öttagú lánc keletkezik. A második esetben egy kett ı és egy négytagú oligomer képz ı dik. A harmadik lehet ı ség, hogy a lánc két hattagú egységgé bomlik. A továbbiakban ennek megfelel ı en az öttagú lánc négy és egy,
vagy három
bomlásakor
és kett ı tagú
háromtagú
oligomer
egységgé és
egy
alakul. A négytagú lánc
monomer,
vagy
két
dimer
képz ı dhet. A háromtagú oligomerb ı l mindig egy dimer és egy monomer, a dimerb ı l mindig csak két monomer keletkezhet. Minden tag jelen van a kiindulási keverékben, valamint képz ı dhet a nagyobb tagszámú oligomer bomlásából (DP7 kivételével).
104
k(7-5) M k (6-4) k (5-3)
k (4--2)
k (6-3)
k2
DP2
k (7-4) k (5-3) k3
DP3
k (7-4) k (6-4)
k4
DP4
k (7-5)
DP5
k5
k6
DP6
M
k7
DP7
51. ábra. Raftilose® P95 oligofruktóz keverék készítmény bomlási sémája
A
fol yamatok
differenciálegyenletekkel
leírhatók.
Amenn yiben
feltételezzük, hogy a legmagasabb tagszámú oligomer a mintában a 7-es akkor a (99)-(105) differenciál egyenletrendszer lehet a bomlást leíró matematikai modell. E feltételezésnek alapja, hogy a HPLC analízis során ennél nagyobb tagszámú oligomert nem sikerült kimutatni, ami egyezik a használt
preparátum
gyári
specifikációjával
is,
illetve
a
gyakorlati
számításokhoz is igazodik ann yiban, hogy nem kimutatható esetleges magasabb
tagszámú
oligomer
koncentráció
változását
nem
tudjuk
meghatározni, annak érzéken ység alatti kis értéke miatt. E várható hiba mértéke kicsi, épp az ilyen komponensek alacson y koncentrációjából adódó csekél y befol yásoló hatása miatt. Az egyenletekben a jelölések rendszere: k
egy adott bomlási fol yamat sebességi állandója. Alsó indexe a bomló oligomer tagszámát, fels ı indexe a keletkez ı bomlástermék tagszámát jelenti. Egy adott oligomerb ı l két különböz ı tagszámú bomlástermék keletkezése esetén a nagyobbik tagszámát jelenti. Fels ı index elhagyása az
alsó
index-szel
együtthatóját mindig
két
jelöli.
jelölt
oligomer
A’priori
termékmolekula
átlagos
feltételezés, keletkezik,
hogy és
bomlási adott
sebességi oligomerb ı l
mindig
egyenl ı
menn yiségben, [k] = mmól/cm3/perc. 105
c
valamel y oligomer koncentrációja. Alsó indexe az annak megfelel ı tagszámú oligomert jelenti, fels ı indexe a bomlásfol yamatban eltelt id ı re utal (0: a kiindulási koncentrációt, t: a t id ı ig elbomlott koncentrációját jelenti, [c] = mmól/cm3.
t
a bomlási fol yamatban eltelt id ı , [t] = perc.
DP7-es komponens változása (csak bomlás): dc 7 = −k 76 * c7 − k 75 * c 7 − k 74 * c7 = −(k 76 + k 75 + k 74 ) * c7 = −k 7 * c7 dt
(97)
DP6-os komponens változása: dc 6 = −k 65 * c6 − k 64 * c6 − k 63 * c6 + k 76 * c 7 = −(k 65 + k 64 + k 63 ) * c6 + k 76 * c7 dt
(98)
DP5-ös komponens változása: dc5 = − k 54 * c5 − k 53 * c5 + k 75 * c7 + k 65 * c6 = −(k 54 + k 53 ) * c5 + k 75 * c7 + k 65 * c6 dt
(99)
DP4-es komponens változása: dc 4 = −k 43 * c 4 − k 42 * c 4 + k 74 * c7 + k 64 * c6 + k 54 * c dt
(100)
DP3-as komponens változása: dc 3 = −k 32 * c3 + k 74 * c 7 + 2 * k 63 * c 6 + k 53 * c5 + k 43 * c 4 dt
(101)
DP2-es komponens változása: dc 2 = − k 21 * c 2 + k 75 * c 7 + k 64 * c 6 + k 53 * c 5 + k 42 * c 4 + k 32 * c3 dt
(102)
DP1-es komponens (M) változása (keletkezése): dc1 = k 75 * c 7 + k 64 * c 6 + k 53 * c5 + k 42 * c 4 + k 32 * c3 + k 21 * c dt
(103)
Az összegzett bomlási együtthatók: k 7 = k 76 + k 75 + k 74
(104)
k 6 = k 65 + k 64 + k 63
(105)
k 5 = k 54 + k 53
(106) 106
k 4 = k 43 + k 42
(107)
k 3 = k 32
(108)
k 2 = k 21
(109)
A modell megfelel ı ségének ellen ı rzésére a (97)-(103) differenciál egyenletrendszert megfelel ı kezd ı és peremfeltételek mellett meg kell oldani. Az il yen, több párhuzamos és egymáshoz közelálló sebességi állandóval
jellemezhet ı
konszekutív
reakciókat
is
tartalmazó
egyenletrendszer csak jelent ı s elhan yagolások árán lenne egyszerüsíthet ı analitikus
megoldásra
alkalmas
formára,
ezért
numerikus
megoldást
választottam (Maple™ 9 - Maplesoft™). Az el ı zetesen pH és h ı mérsékleti korlátokkal behatárolt bomlási tér (Sztast yik, 2006), valamint az alma természetes pH-ja és a feldolgozás során szokásos sav hozzáadás következtében módosuló pH viszon yok alapján választottam meg a kísérleti körülmén yeket (27-28. táblázat). Meghatároztam a bomlás kinetikai jellemz ı it vizes közegben és az alma mátrixhatásának vizsgálata érdekében almapépet tartalmazó közegben is. 2 7 . táblázat Mőveleti beállítások frukto-oligoszacharidok bomláskinetikai leírásához desztillált vizes mintában
T [°C] 60 70 80 90 100
2,7 X X X X X
2,8
pH 2,9
X
X
3,0 X X X X X
3,3 X X X X
2 8 . táblázat Mőveleti beállítások frukto-oligoszacharidok bomláskinetikai leírásához almamintában
T [°C] 60 70 80
2,7 X X
pH 3 X X
3,3 X X X
A pufferelt vizes közegben végzett vizsgálathoz 30 g oligofruktózt oldottam 70 g desztillált vízben, majd az oldat pH-ját 0,01 M KH 2 PO 4 -tal állítottam a kísérleti tervben szerepl ı értékre. A homogenizátumokból 107
mintát vettem (0. id ı pont), majd termosztáltam a kísérleti tervben szerepl ı h ı mérsékleten és megfelel ı id ı közönként mintát vettem. A mintákat el ı készítettem a HPLC vizsgálathoz: 3 ml-hez 30 ml desztillált vizet, 15 ml alkoholt és 0,5-0,5 ml Carrez I. és II. oldatokat adtam, majd pihentetés után sz ő rtem és a sz ő rletet injektáltam a HPLC berendezésbe. Almaminta
esetében
kétféle
almapép
koncentrációval
készített
keverékben hasonlítottam össze a vizes oldatban mért bomlási sebességet. Egyik esetben 80 g almát 20 g oligofruktózzal turmixoltam, majd a pH-t citromsav adagolásával állítottam be a kívánt értékre. A másik mérési sorozatban az alma-oligofruktóz bemérése 20-20 g volt. A bomlás kinetikai állandóinak meghatározásához a HP LC kromatogram adatai -retenciós id ı , csúcsterület-, valamint a standarddel mért el ı zetes kalibrációs összefüggés alapján meghatároztam a cukor komponensek koncentrációját g cukor/100 g törzsoldat dimenzióban, majd az egyes komponensek molekulatömegére való vonatkoztatással meghatároztam a koncentrációt
cukor/g
µM
számításokhoz
az
törzsoldat
oligomerek
dimenzióban
koncentrációját
is.
A
µ mol/l
kinetikai
és
mmol/l
dimenzióban alkalmaztam. A bomlás jellemzésére a sebességi állandókat (k n ), az Arrhenius egyenletb ı l
számítható
alkalmaztam.
A
aktiválási
mérési
energiát,
eredmén yek
gyakorisági
felhasználásával
a
tén yez ı t
Maple™
9
(Maplesoft™) program segítségével számítottam ki a bomlási sebességi együtthatók értékét. A megoldást iteratív módszerrel kerestem, egyszer ő els ı rend ő
kinetika
alapján
becsült
’k’
értékekb ı l
kiindulva
a
t=0
id ı pontban mért koncentrációkat alkalmaztam „initial value”-ként. A sebességi állandók h ı mérsékletfüggése:
k = Ae A
sebességi
állandókat
− Ea
ábrázoltam
(110)
RT
a
h ı mérséklet
függvén yében,
ln(k)=f(1/T) formában, majd az egyenes meredekségéb ı l számítottam ki az aktiválási energia (E a ) értékeit:
E a = (meredekség) × R
(111)
108
ahol R – az egyetemes gázállandó (8,314 J mol - 1 K - 1 ).
4.4.1 Oligofruktóz bomlása pufferelt vizes közegben Az oligomer komponensek bomlási folyamata két ellentétes irán yú fol yamat
ered ı jeként
határozható
meg.
Oligomerek
bomlanak
és
keletkeznek egy id ı ben. A monomerek menn yisége természetesen csak n ı het, a leghosszabb oligomer csak bomlik, míg a közbens ı oligomerek menn yisége
a
bomlási
fol yamat
kezdeti
fázisában
növekszik,
majd
bomlásuk következtében csökken. Az oligomerek bomlásával többen is foglalkoztak,
többn yire
menn yiségén
keresztül
azonban követik
a
valamel y
kiragadott
folyamatokat,
komponens
például
a
fruktóz-
koncentráció változásával (Blecker és mtsai., 2007). Vizsgálataim során a Raftilose ® P95 teljes oligomer spektrumában bekövetkez ı változásokat n yomonkövettem
és
értékeltem,
átfogó
képet
keresve
a
bomlási
fol yamatokról. A
tetra-,
penta-,
hexa-,
és
heptamerek
menn yiségében
csak
kis
csökkenés tapasztalható 60°C-on. Az 5-7-tagú oligomerek koncentrációja szinte állandó marad, míg a 3-4-tagú oligomerek menn yisége kismértékben csökken (52. ábra; M/4.4.1/a táblázat). Ezzel ellentétben a mérési id ı tartam alatt a monomerek és dimerek koncentrációja monoton növekszik. A növekedés sebessége nagyobb a monomerek esetében, mint a dimereknél. Ez következik abból a jelenségb ı l, hogy a hidrolízis során a láncvégi egységek lehasadásának valószín ő sége sokkal nagyobb, mint a lánközi hasadásoké. A frukto-oligoszacharidok bomlása 60°C-on nem szignifikáns, ezzel szemben 70-80°C-on már ann yira jelent ı s, hogy menn yiségük 1-2 óra elteltével a felére csökken. 90-100°C-on minden oligomer 1-1,5 óra elteltével
teljesen
elbomlik.
70-80°C-on
a
dimerek
menn yisége
megtöbbszöröz ı dik 1-1,5 óra alatt, majd dinamikus állandóság, stead y-state jellemzi a bomlási és képz ı dési reakciók egyensúl yából adódóan. A változások
szignifikánsan
gyorsabbak
90-100°C-on.
A
dimerek
koncentrációja a h ı kezelés els ı 15-20 percében n ı , majd pár perces stead ystate állapotot követ ı en szignifikánsan csökken. A monomerek menn yisége
109
természetesen monoton n ı , egészen a degradáció végéig, mel y 90-100°C-on 1-1,5 óra után következik be.
c (mmol/l)
50
600
DP1
500 400
60°C
c (mmol/l)
70°C
80°C
90°C
100°C
DP2
40 30
300
20
200 100
10 t (perc)
0 0
50
100
150
t (perc)
0
200
0
c (mmol/l)
50
100
c (mmol/l)
DP3
60 50 40 30 20 10 0
150
200
DP4
50 40 30 20 t (perc)
0
50
100
c (mmol/l)
150
10 t (perc)
0
200
0
50
100
c (mmol/l)
DP5
30
150
200
DP6
15
25 20
10
15 10
5
5 t (perc)
0 0
50
100
150
200
t (perc)
0 0
50
100
150
200
52. ábra Oligomer komponensek koncentrációjának változása a kezelési idı függvényében különbözı kezelési hımérsékleten (60-100°C) pufferelt vizes közegben
110
A pH hatása A pH oligomerkoncentrációra gyakorolt hatása szignifikáns, azonban kevésbé
jelent ı s
tartomán yban.
A
a
h ı mérséklet
hatásához
szakirodalomban
viszon yítva
(L’homme
és
–
a
mtsai.,
vizsgált
2003b)
már
korábban leírtaknak megfelel ı en a frukro-oligoszacharidok hidrolízise proton katalízis mellett játszódik le, azaz a savas közeg kedvez a bomlási fol yamatoknak (M/4.4.1/b-e táblázat; M/4.4.1/1-4. ábra). A pH hatása a különböz ı
polimerizációs
fokú
oligomerekre
hasonló.
Az
53.
ábrán
példaként a dimer és trimer komponensek bomlását szemléltetem 2,7-3,03,3 pH-n, különböz ı h ı mérsékleteken (60-100°C).
DP2, pH=2.7
c (mmol/l)
50 40 30 20 10 t (perc)
0 0
50
100
200
40 30 20 10 t (perc)
0 0 50
50
100
150
50
100
90°C
100°C
150
200
DP3, pH=3.0
c (mmol/l)
70 60 50 40 30 20 10 0
t (perc)
0
DP2, pH=3.3
c (mmol/l)
70°C
t (perc)
0
200
80°C
DP3, pH=2.7
DP2, pH=3.0
c (mmol/l)
50
150
c 60°C (mmol/l)
70 60 50 40 30 20 10 0
50
100
150
200
DP3, pH=3.3
c (mmol/l)
60 50 40
40 30 20 10 t (perc)
0 0
50
100
150
200
30 20 10 0
t (perc)
0
50
100
150
200
53. ábra Dimer és trimer komponensek koncentrációjának változása a kezelési idı függvényében különbözı kezelési hımérsékleten (60-100°C) és pH-n (2,7-3,3) pufferelt vizes közegben
111
60-80°C-on pH=3,3 esetében kismérték ő csökkenés tapasztalható a trimer menn yiségében, azonban nagyobb proton koncentrációnál (pH=2,7) a bomlási sebesség óránként 20-25 % már 70-80°C-on is. A bomlási sebesség jelent ı s 90-100°C-on; az
oligofruktóz
komponensek teljes
elbomlása
pH=3,3 mellett 2 óra alatt következik be, pH=3,0 esetén 60-90 perc alatt, míg pH=2,7 esetén 30-60 perc alatt. A dimerek hidrolízise hasonló, de szignifikáns keletkezési sebességük jól
definiált
pH
függ ı
növekedést
okoz
a
menn yiségükben,
míg
a
koncentráció csökkenése csak egy hosszabb-rövidebb stead y-state periódus után következik be. A koncentráció-maximum fenntartásának id ı tartama pH és h ı mérsékletfüggést mutat. 60-80°C közötti h ı mérséklet-tartomán yban pH=3,3 esetén ez a stead y-state tartomán y nem érzékelhet ı , azonban pH=2,7-nél 60-90 perc között megfigyelhet ı . Magasabb h ı mérsékleten a pH hatása kevésbé látván yos, a steady state szakasz a 40-50 percr ı l (pH=3,3) a 10-20 perc közötti tartomán yra változik (pH=2,7). A pH hatása a monomerek képz ı dési sebességében is megn yilvánul, mel y hatás minden h ı mérsékleten szignifikáns.
Az átlagos polimerizációs fok (DP a ) változása A hidrolízis fol yamatát tükrözi a láncok rövidülése, a polimerizáció fokának csökkenése, amel y átlagos (DP a )
értékkel
leírható,
szignifi-
kánsan függ a h ı mérséklett ı l és a pH-tól
(M/4.4.1/f-g
táblázat),
azonban a 70 és 80°C között nincs különbség a polimerizációs fokban bekövetkez ı ábra).
változásokban
60°C-on
csökken
DP a
értéke
(54. nem
a
kezelési
id ı
függvén yében.
70-80°C-on
kisebb
mérték ő
a
alacson yabb
csökkenés,
mint
h ı mérsékleten
60°C
DPa
70°C
80°C
90°C
100°C
4 3 2 1 t (perc)
0 0
50
100
150
200
54. ábra Az átlagos polimerizációs fok változása a kezelési idı függvényében különbözı hımérsékleten (60-100°C)
90-100°C-on.
A
(55.
90-100°C-on
ábra).
pH
hatása
jelent ı sebb az
átlagos
112
polimerizációs fok már 30-40 perc után 1-2-es értékre esik le, míg 7080°C-on a 2-es fokot is csak 2 órás h ı kezelés után éri el.
pH=2.7
DPa
4
pH=3.0
pH=3.3
3
3
2
2
1
1 t (perc)
0 50
pH=3.0
pH=3.3
4
T=70-80°C
0
pH=2.7
DPa
100
150
T=90-100°C
t (perc)
0 0
200
20
40
60
80
100
120
55. ábra Az átlagos polimerizációs fok változása a kezelési idı függvényében különbözı hımérséklet tartományban (70-80°C; 90-100°C) és pH-n (2,7-3,0-3,3)
4.4.2 Oligofruktóz bomlása almamátrixban Az
Arrhenius-egyenletnek
h ı mérsékletnek,
mel y
megfelel ı en
almapépet exponenciális
(M/4.4.2/1-5.
ábra;
M/4.4.2/a-e monomerek
táblázat).
A
menn yisége
monoton n ı az oligomerek bomlásából következ ı en. A monomer
koncentrációja
80°C-on ötszörös, míg 70°Con
csak
háromszoros
Monomer koncentráció (mmol/l)
oligomerkoncentráció
szignifikáns
tartalmazó
hatása
közegben
csökkenésében
van is
n yilvánul 70 °C
600
a az
meg 80°C
500 400 300 200 100 0 0
50
100
150
200
növekedést mutat a kezdeti
t (perc)
értékhez képest. 70-90 °C-on
56. ábra Monomer koncentráció az idı függvényében 70 és 80°C-on, almapép közegben
a dimerek menn yisége 0,51,0 óra alatt megtöbbszöröz ı dik; jelent ı s a különbség a két h ı mérséklet között
(M/4.4.2/5
ábra).
A
dimerek
keletkezése
gyorsabb
80°C-on,
maximumát már 20-30 perc után eléri, majd további 30 percen keresztül
113
értéke állandó marad. Az e szakaszban tapasztalható látszólagos stabilitás a keletkezés és bomlás egyensúl yának következmén ye. Ezt követ ı en a bomlás sebessége meghaladja a keletkezését a nagyobb tagszámú oligomerek hidrolízisének köszönhet ı en. A hexa- és heptamerek 80°C-on 1,0-1,5 óra alatt elfogynak, 70°C-on ehhez 2,5-3,0 óra szükséges. A tri-, tetra- és pentamerek menn yisége csak a harmadára, vagy felére csökken 1,5 óra alatt 70°C-on, míg 80°C-on az ekkora mérték ő változás már 0,5-1 óra alatt bekövetkezik. Alma közegben a bomlási fol yamatok er ı teljesebbek, mint a pufferelt
vizes
közegben.
Almapépben
ötszörös
illetve
háromszoros
növekedés volt tapasztalható, míg pufferelt vizes közegben csak kétszeres volt a növekedés azonos h ı mérséklet emelkedés hatására.
A pH hatása A
protonkoncentráció
különböz ı
tagszámú
oligomerekre
gyakorolt
hatásában nincs különbség. Minél alacson yabb a pH, annál nagyobb a monomer koncentrációban bekövetkez ı növekedés (57. ábra). 3,3-as pH Monomer koncentráció (mmol/l)
esetén kétszeres a növekedés az pH=3.3
600
pH=3.0
pH=2.7
els ı
egy
órában,
háromszoros,
500
esetén
400
míg
Az
koncentrációja
fol yamatosan
200
pH=2,7
négyszeres.
oligomerek
300
pH=3,0-nál
csökken,
függetlenül a pH-tól a vizsgált
100
tartomán yban.
0 0
50
100
150
200
t (perc)
57. ábra Monomer koncentráció az idı függvényében különbözı pH-n (2,7-3,0-3,3), almapép közegben
heptamerek (pH=3,3), esetén
A
hexa-
2-3 míg
(pH=2,7)
óra
és alatt
alacson y 1
óra
pH alatt
elfogynak (M/4.4.2/6. ábra).
114
Az átlagos polimerizációs fok (DP a ) változása Az
átlagos
polimerizációs
fok
szignifikánsan
függ
a
proton
koncentrációtól (M/4.4.2/f táblázat). A három görbe párhuzamos lefutású, minél kisebb a pH, annál jelent ı sebb a DP a -ban bekövetkez ı csökkenés. A kezelés els ı 40 percében következik
be
legnagyobb
a
0,7
egység,
pH=3,0-nál
1,1
egység,
pH=3.0
pH=2.7
3,0
csökkenés:
pH=3,3-nál
pH=3.3
DPa
2,5 2,0
míg pH=2,7-n 1,5 egység.
1,5
A további 50 percben a
1,0
csökkenés kisebb, 1,5 óra
0,5
elteltével a változás már
0,0
nem jelent ı s.
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200 t (perc)
58. ábra Az átlagos polimerizációs fok változása a kezelési idı függvényében különbözı hımérsékleten (60-100°C)
4.4.3 Oligofruktózok bomlásának kinetikai modellezése A
frukto-oligoszacharid
bomlás
kinetikai
jellemzésének
egyik
megközelítése, hogy a keletkez ı fruktóz menn yisége alapján ítélik meg a bomlási sebességet (Blecker és mtsai., 2002), ami azért nem felel meg a valóságos fol yamatnak, mert csak a láncvégi bomlás eredmén yez fruktózt, tehát nem veszi figyelembe a láncközbeni hidrolízis lehet ı ségét. A
hidrolízis
másik
leegyszer ő sített
megközelítésénél,
a
tiszta
oligomerb ı l indulnak ki, és annak a csökkenését követik a kezdeti id ı szakban (L’homme és mtsai., 2003a,b), ekkor azonban a reakció konszekutív jellegét hagyják figyelmen kívül. Mindeddig
nem
találtam
ol yan
publikációt,
mel yben
ezeket
a
hián yosságokat kiküszöbölték volna - sem ol yat, mel y a vizes közegben lezajló bomlás sebességét összehasonlította volna a reális – pl.: gyümölcs – közegben lezajló bomlás sebességével.
115
A kinetika vizsgálatában és értékelésében új az, hogy munkám során komplexen
vettem
figyelembe
a
hidrolízis
konszekutív
jellegét.
Valamenn yi komponens bomlását és keletkezését fol yamatosan követtem, összehasonlítottam
a
pufferelt
vizes
közegben,
valamint
almapép
jelenlétében megfigyelhet ı eltérést, azaz a közeg an yagi min ı ségének hidrolízis-sebességre gyakorolt hatását.
A bomlási együtthatók értékelése Pufferelt vizes közegben a k értékek exponenciálisan csökkennek a pH növelésével
(59.
ábra;
M/4.4.3/a-c
táblázat).
-3
A
bomlási
sebességi
-3
együttható (k) értéke 5×10 -ról 20×10 -ra n ı a pH 3,0-ról 2,7-re változtatásával. A változás mértéke közel áll Blecker és mtsai (2002) megállapításához, miszerint a pH 1,0 egységgel történ ı csökkentése tízszeresére növeli a bomlási sebességet, függetlenül az alkalmazott proton-donor
min ı ségét ı l
(HCl,
H 2 SO 4 ,
CH 3 COOH).
A
változás
mértékében nincs szignifikáns eltérés a különböz ı polimerizációs fokú oligomerek között
(60. ábra). A megfigyelés
azt is igazolja, hog y
protonkatalitikus hidrolízis játszódik le, amel ynek sebessége els ı sorban a szabad
proton
koncentráció
függvénye
-
függetlenül
az
oligomer
tagszámától.
k65
0,025
k54 k43 k32
0,020
k21 0,015 0,010
k=f (pH) függvény kitevıje
k76
k [1/perc]
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,005
0,5 0
0,000 2,6
2,7
2,8
2,9
3
3,1 pH
59. ábra Sebességi állandó a pH függvényében 80°C, pufferelt vizes közegben
k76
k65
k54
k43
k32
k21 k [1/perc]
60. ábra A k=f(pH) függvény kitevıje a sebességi állandó függvényében, pufferelt vizes közegben
116
Az alma közegben meghatározott k értékek szignifikánsan nagyobbak, mint a vizes közegben mért értékek 2,7-3,0 pH tartomán yban (M/4.4.3/d-f táblázat). A pH növelésével az eltérés csökken és 3,3-as pH-n már nincs szignifikáns
eltérés.
A
megfigyelt
jelenség
nem
függ
az
oligomer
tagszámától (61. ábra). A két közeg hatása közötti eltérés igen jelent ı s, ami elegend ı ahhoz, hogy igazolja a közeg valamel y komponensének szerepét
a
hidrolízis
lejátszódásában.
Miután
a
differenciálegyenlet
rendszer megoldásaként kapott kinetikai állandók ( k ) alapján számított bomlási koncentrációkra a mért értékek illeszkedése jó (4.4.3/1a ábra), ezért nem feltételezhet ı , hogy a bomlásban más komponens koncentrációja is szerepet játszik. Ugyanakkor az almás közegben az illeszkedés (4.4.3/1b ábra)
változó
mérték ő
romlása,
valamint
az
illesztett
k
értékek
megváltozása megengedi azt a feltételezést, hogy egy teljesebb kör ő kinetikai
leírás
során
valamel y
almában
található
komponens
koncentrációját is figyelembe kell venni.
Puffer-pH2,7
k (1/perc)
Alma-pH2,7
0,06
Puffer-pH3,0 Alma-pH3,0
0,05
Puffer-pH3,3 Alma-pH3,3
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00 k76
k65
k54
k43
k32
k21
61. ábra A láncvégi hidrolízis bomlás sebességi együtthatói különbözı pH-n (2,7-3,0-3,3) pufferelt vizes és almapép közegben
117
A hidrolízis jellemzése az aktiválási energia alapján Pufferelt vizes közegben a láncvégi bomlással járó hidrolízisnél a tagszám
csökkenésével
az
aktiválási
energia
nı,
tehát
a
bomlás
valószín ő sége csökken (62. ábra; M/4.4.3/g-l táblázat). A pH hatása szignifikáns, növelése az aktiválási energiát növeli, a bomlás valószín ő sége kisebb a nagyobb pH-n. Ugyanezek a megállapítások igazak a gyakorisági tén yez ı re ( A ) is (M/4.4.3/g-h táblázat).
140
pH2,7
Ea (kJ/mol)
pH3,0
pH3,3
45
pH2,7
ln(A)
pH3,0
pH3,3
40
120
35
100
30
80
25
60
20 15
40
10
20
5
0
0 k-76
k-65
k-54
k-43
k-32
k-21
k-76
k-65
k-54
k-43
k-32
k-21
62. ábra A láncvégi hidrolízis bomlási együtthatóival számított aktiválási energia és a gyakorisági tényezı logaritmusa pufferelt vizes közegben
A láncon belüli hasadásoknál a pH hatása éppen fordított, azaz minél savasabb a pH, annál nagyobb a láncvégi hidrolízis valószín ő sége a láncon belüli hidrolízishez képest (63. ábra). A láncon belüli hasadás nem függ szignifikánsan a tagszámtól M/4.4.3/i-j táblázat. Adott komponens össz bomlási együtthatója k n a (104)-(109) egyenlet szerint
meghatározott,
amire
ugyanaz
igaz,
mint
k nn −1 -re
(64.
ábra;
M/4.4.3/k-l táblázat). A láncon belüli hidrolízisek ezt a hatást csak módosítják, mert azok mértéke töredéke a láncvégi hidrolízisnek.
118
200
pH2,7
Ea (kJ/mol)
pH3,0
pH3,3
ln(A)
pH2,7
pH3,0
pH3,3
60 50
160
40
120
30 80
20
40
10 0
0 k-75
k-64
k-53
k-42
k-74
k-75
k-63
k-64
k-53
k-42
k-74
k-63
63. ábra A láncon belüli hidrolízis bomlási együtthatóival számított aktiválási energia és a gyakorisági tényezı logaritmusa pufferelt vizes közegben
160
pH2,7
Ea (kJ/mol)
pH3,0
ln(A)
pH3,3
pH2,7
pH3,0
pH3,3
45
140
40
120
35
100
30 25
80
20
60
15
40
10
20
5
0
0 k-7
k-6
k-5
k-4
k-3
k-2
k-7
k-6
k-5
k-4
k-3
k-2
64. ábra Az össz bomlási együtthatókkal számított aktiválási energia és a gyakorisági tényezı logaritmusa pufferelt vizes közegben
Almapép közegben a láncvégi bomlásoknál a pH csökkenésével az aktiválási
energia
is
csökken ı
tendenciát
mutat,
hasonlóan
a
vizes
közeghez, de ennek mértéke a vizsgált pH tartomán yban nem mindig szignifikáns (65. ábra; M/4.4.3/m-n táblázat).
119
200 180
pH2,7
Ea (kJ/mol)
pH3,0
pH3,3
60
ln(A)
pH2,7
pH3,0
pH3,3
50
160 140
40
120 100
30
80 20
60 40
10
20 0
0 k-76
k-65
k-54
k-43
k-32
k-21
k-76
k-65
k-54
k-43
k-32
k-21
65. ábra A láncvégi hidrolízis bomlási együtthatóival számított aktiválási energia és a gyakorisági tényezı logaritmusa alma közegben
A tagszám csökkenésével nagyobb mértékben n ı az aktiválási energia, mint vizes közegben, tehát az almaközegben jobban különbözik a nagyobb polimerizációs fokú oligomer bomlási sebessége a kisebbét ı l. A láncon vonatkozó
belüli
hasadások
egyértelm ő
szerepe jelent ı sen
tendencia
nem
kisebb,
állapítható
meg
ezért a
erre
tagszám
függvén yében (M/4.4.3/o-p táblázat). A láncon belüli hasadások kis szerepe miatt az össz bomlási együttható változásai megfelelnek a láncvégi hidrolízisnek (66. ábra; M/4.4.3/q-r táblázat).
200
pH2,7
Ea (kJ/mol)
pH3,0
pH3,3
180
70
pH2,7
ln(A)
pH3,0
pH3,3
60
160
50
140 120
40
100 80
30
60
20
40
10
20 0
0 k-7
k-6
k-5
k-4
k-3
k-2
k-7
k-6
k-5
k-4
k-3
k-2
66. ábra Az össz bomlási együtthatókkal számított aktiválási energia és a gyakorisági tényezı logaritmusa alma közegben
120
4.5 Termékelıállítási próba Érzékszervi bírálat során 6 bíráló pontozásos min ı sítéssel hasonlította össze a kontroll, kereskedelmi forgalomban kapható aszalt almakarikát, valamint a laboratóriumban el ı állított, frukto-oligoszacharidokkal dúsított aszalt mintát (67. ábra).
6 7 . ábra Kontroll és oligofruktózzal dúsított almakarika
Öt pontos rendszerben történt a pontozás, majd az egyes tulajdonságokra adott pontszámokat (M/4.5/a táblázat) az el ı re meghatározott súl yozó faktorokkal (M/4.5/b táblázat) beszorozva végeztem el az értékelést a súl yozott összpontszámra valamint az egyes tulajdonságokra. Az értékelést F-próbával, valamint kétmintás t-próbával végeztem el (M/4.5/c táblázat). A
súl yozott
összpontszámban,
a
színben
és
az
ízben
tapasztalható
szignifikáns (95%-os szinten) különbség a minták között (68. ábra). A frukto-oligoszacharidokkal dúsított minta magasabb összpontszámot kapott a súl yozás eredmén yeképpen. Színben a kontroll mintát találták kedvez ı bbnek a bírálók, míg az íz szempontjából az oligofruktóz tartalmú minta kapott a magasabb pontszámokat. A színben és az ízben jelentkez ı különbség között kapcsolat feltételezhet ı . Ízprofil vizsgálat hián yában a bírálók elmondása alapján a kontroll minta jelent ı sen savan yú bb volt, mel y feltételezhet ı en magas
citromsav tartalmának köszönhet ı en, amel y a
színrögzítést segíti el ı . Az oligofruktózzal dúsított minta el ı állítása során 1%-os citromsav oldatot használtam, mel y az ízben nem jelentkezik
121
zavaróan,
azonban
a
kontroll
mintához
viszon yítva
sötétebb
színt
eredmén yez, mel yet a 70°C-on történ ı el ı f ı zés során bekövetkez ı enzim inkativálás sem kompenzál. kontroll almakarika OF-zal dúsított almakarika
Állomány
Íz*
Külsı megjelenés 5 4 3 2 1 0
Szín*
Illat
6 8 . ábra Pontozásos érzékszervi minısítés; súlyozott érzékszervi összpontszámok pókháló diagramban
122
5. Összefoglalás A korszer ő táplálkozás irán yelvei a XXI. század élelmiszer el ı állítóit és az élelmiszer-tudomán y kutatóit ol yan új, táplálkozás-élettani szempontból értékes,
egészség-meg ı rz ı
tulajdonságokkal
rendelkez ı
élelmiszerek
kifejlesztésére sarkallják, amel yek jellegüknél fogva hozzájárulnak a jó egészségi
állapot
fenntartásához,
korszer ő
diéták
elemeiként
alkalmazhatók, valamint megjelenésüknél fogva képesek a fogyasztói érdekl ı dést megragadni, kiváló min ı ségükön keresztül pedig megtartani azt. A hazai táplálkozási szokások ismeretében figyelemfelkelt ı a magyar lakosság gyümölcsfogyasztásának, valamint rostfogyasztásának rendkívül alacson y volta, amely a korszer ő dietetikai irán yelvek térhódításával is csak csekél y mértékben növekszik. A funkcionális élelmiszerek el ı állítása terén kiemelked ı fontosságúak lehetnek a rostban gazdag termékek, így a gyümölcsalapú frukto-oligoszacharidokkal dúsított készítmények is. A
gyümölcsfogyasztás
szezonalitásának
kiküszöbölését
is
szolgáló
aszalt, szárított gyü mölcsök el ı állítási technológiájának részét képezheti az els ı sorban, illetve hagyomán yos értelemben víztelenítést célzó ozmotikus dehidratálás. A m ő velet alkalmazása során lejátszódó transzportfol yamatok ismeretében a fellép ı szárazan yag dúsulás kiaknázásával funkcionális komponensek növényi mátrixba történ ı bejuttatása valósítható meg. A publikált tudományos közlemén yek alapján a frukto-oligoszacharidok még nem ismertek, mint ozmotikus ágens. Táplálkozás-élettani el ı n yeik következtében
funkcionális
élelmiszer-összetev ı k.
A
frukto-
oligoszacharidok gyümölcs mátrixba diffúzióval történı bejuttatása, mint
megoldandó
ipari
technológiai
probléma
jelentkezett,
ezért
munkám céljául tőztem ki a frukto-oligoszacharidok ozmotikumként történı felhasználási lehetıségének technológiai jellegő kutatását.
123
A
dolgozatomban
összefoglaltam
el ı fordulására,
élettani
hatásaira,
stabilitásukra
vonatkozó
az
oligofruktózok
fiziko-kémiai
ismereteket.
szerkezetére,
tulajdonságaira
Bemutattam
az
és
a
ozmotikus
dehidratálás m ő veletét jellemz ı fiziko-kémiai fol yamatok vizsgálatára alkalmazott mai, korszer ő módszereket, az ozmotikus dehidratálás leírására szokásos modell-jelleg ő matematikai eszközöket és az ezekkel elért, munkámhoz kapcsolódó legújabb kutatási eredmén yeket. Vizsgálataim kiterjedtek az el ı kezelések (blansírozás, mikrohullám) állomán yra, változásra,
membrán valamint
átereszt ı -képességre, az
ozmotikus
szárazan yag-tartalom
dehidratálás
során
fellép ı
transzportfol yamatokra gyakorolt hatására alma modell gyümölcsön ( Malus domesticus cv. Idared). A frukto-oligoszacharidok és a szacharóz diffúziós
együtthatójának
meghatározására,
az
oligomer
komponensek
egyedi
diffúziós viselkedésének elemzésére, a transzportfol yamatok leírására. A vákuum-kezelés
vizsgálatára
vákuum-kezeléssel
kombinált
frukto-oligoszacharidok
jelenlétében,
a
ozmotikus
vizsgálatára,
az
dehidratálás
oligomer komponensek viselkedésére vákuum-kezelés hatására, a vákuumblansírozás dehidratálásra, állomán yra gyakorolt hatásaira. A fruktooligoszacharidok
hidrolitikus
bomlásának
vizsgálatára,
a
bomlás
laboratóriumi szimuláción alapuló kinetikai leírására. Kísérleti
munkám
során
számos
hagyomán yosan,
általánosan
alkalmazott, a vizsgálati célnak leginkább megfelel ı módszer mellett (gravimetriás nedvesség-tartalom meghatározás, refraktometriás vízoldható szárazan yag-tartalom
meghatározás,
cukorösszetétel
mérés
HP LC
módszerrel, térfogat, s ő r ő ség mérés), adaptáltam ritkábban vagy alig alkalmazott vizsgálati módszereket (szöveti permeabilitás meghatározása, komplex állomán yvizsgálat). A
kutatás
vizsgálatok
céljának
számos
megfelel ı
megállapítást,
kísérleti mérési
tervek
alapján
eredmén yt,
új
elvégzett ismeretet
eredmén yeztek, melyeknek rövid ismertetését adtam a 4. (Eredmén yek) fejezetben.
Az
eredmén yek
adatszer ő ,
részletes
ismertetése
azok
menn yisége miatt a melléklet részét képezi. Az eredmén yek b ı l levonható legfontosabb,
szakmai-tudomán yos
szempontból
újdonságnak
számító 124
következtetéseket röviden, tézisekben megfogalmazva az összefoglalást követ ı külön fejezetben mutatom be. Az eredmén yeket röviden összefoglalva megállapítható,
hogy az
oligofruktózok almaszövetbe diffúzióval történ ı bejuttatása technológiailag elfogadható
sebesség ő
oligofruktózzal aktivitású)
fol yamat.
dúsított
Ennek
gyümölcs
élelmiszertermékek
alapján
alapú
lehet ı ség
van
funkcionális
(prebiotikus
ozmotikus
dehidratálási
létrehozására
m ő velet alkalmazásával. A transzportfol yam atok elemzése alapján sem a szacharóz, sem az oligofruktóz felvétel mértékét nem befolyásolja jelent ı sen a blansírozás h ı mérséklete
és
ideje
a
vizsgált
tartomán yban,
ezzel
szemben
a
vízvesztésre hatással vannak az el ı f ı zési paraméterek. Blansírozás során a vízvesztés n ı a h ı mérséklet és az id ı emelkedésével. A változások szacharóz
esetében
markánsabban
jelentkeznek.
A szacharóz
felvétel
csaknem kétszerese az oligofruktózokénak azonos körülmények között, a vízvesztés
értéke
szacharóz
esetében
alig
30-40%-kal
nagyobb.
Szacharózos kezelés esetén a szövetek a beáramló nagyobb menn yiség ő oldott
an yagtól
tömén yednek,
míg
OF
esetében
a
víz
kiáramlása
eredmén yez hasonló refrakciót a szövetekben. A transzportfol yamatok ered ı jeként mért refrakció nem különbözik jelent ı sen a két ozmotikum esetében. A minta fizikai jellemz ı iben blansírozás után nincs különbség a különböz ı ozmotikummal kezelt minták között. OD kezelés után azonban lén yeges eltérés mutatkozik állomán yukban. A szacharózzal történ ı OD során a rugalmassági modulus értéke n ı , a minta kemén ysége pedig nem változik, ugyanakkor az oligofruktózzal történ ı kezelés során mindkét fizikai jellemz ı mintegy 30-50%-kal romlik. A frukto-oligoszacharidok és a szacharóz diffúzió sebessége eg y nagyságrendbe esik, azonban a diffúziós koefficiensek az ozmotikum koncentrációja
és
ozmotikus
dehidratálás
h ı mérséklete
függvén yében
szignifikánsan különböznek. A frukto-oligoszacharidok diffúziója jobban gátolt, mint a szacharózé. A dehidratáló hatásban is jelent ı s az eltérés, az oligofruktóz dehidratáló képessége szoba-h ı mérsékleten gyengébb, ám a h ı mérséklet emelésével n ı , és 40-50°C-on jobb, mint a szacharózé. 125
A
h ı kezelés
szignifikánsan
kisebb
kemén ységet
eredmén yez
a
kezeletlen mintához képest. A h ı kezelési h ı mérséklet 60°C-ról 70°C-ra történ ı emelése jelent ı s mértékben csökkenti a kemén ység értékét, míg a további
10°C-os
következik kezelések
be.
emelés A
rugalmassági
hatására
paraméterek
a
során
(a
további modulus
kontrollhoz
vizsgált
szignifikáns
szignifikánsan
képest),
tartomán yban
csökkenés
nem
azonban
nem
lecsökken
a
a
blansírozási
befol yásolják
szignifikáns
mértékben. A blansírozás csökkenést okoz az almaminták tömegében, ez az oligofruktóz oldat esetén er ı sebben nyilvánul meg. Az oligofruktózok kicsit jobban lágyítják az an yag szerkezetét. A kétféle blansírozás hatását egymással összevetve szignifikáns eltérés, hogy az OF el ı f ı zést követ ı OD után a tömegveszteség átlagosan 3-5%-kal nagyobb (18-20% a 14-17%-kal szemben). Mikrohullámú
kezelés
esetében
a
kemén ység
csökkenése
sokkal
jelent ı sebb, mint a hagyomán yos blansírozás esetén. A kemén ység és a rugalmassági modulus változására a kezelési h ı mérsékletnek és id ı nek van szignifikáns hatása. A blansírozás h ı mérsékletének növelésével a szöveti permeabilitás monoton módon egyre nagyobb, a vezet ı képességgel arán yos áramer ı sség érték határértékhez (egyensúl y) tartó görbével jellemezhet ı . A kezelési h ı mérséklet növelésével 60°C-ig az effektív diffúziós együttható (2,2×10 - 9 m 2 /s) növekszik , a változás nagyobb h ı mérsékleten nem szignifikáns. A mikrohullámú kezelés hatására az ionkiáramlási görbe is a h ı mérséklet függvén yében szignifikánsan és monoton emelkedik. Az egyes oligofruktóz komponensek diffúziós együtthatói nem térnek el
szignifikánsan.
A
monomer
molekulák
menn yisége
az
ozmotikus
dehidratálási id ı növekedésével csökken, mivel koncentrációja a kezeletlen gyümölcsben nagyo bb, mint a monomert gyakorlatilag nem tartalmazó oligomer keverékben. Ezért a gyümölcssejtekb ı l az oldat felé diffundál. A dimer (nagy többségében szacharóz) molekulák menn yisége a kezelés vizsgált tartomán yában gyakorlatilag változatlan. A nagyobb oligomer molekulák (DP3-DP6) menn yisége természetesen logaritmikus görbével leírhatóan
növekszik
a
diffúziós
id ı
növekedésével.
Az
oligomer 126
komponensek egyedi diffúziós együtthatói nem különböznek szignifikánsan egymástól. Az effektív diffúziós együtthatók értéke 2,3-2,5×10 - 9 m 2 s - 1 . Vákuum
el ı kezelést
követ ı
ozmotikus
dehidratálás
során
hasonló
sebesség ő diffúzió mérhet ı : 1,8-2,2×10 - 9 m 2 s - 1 . Kombinált el ı kezelés során
a
szöveti
átereszt ı képesség
növekedett
a
vákuum-blansírozási
h ı mérséklet emelésével. A diffúziós együttható értéke a h ı mérséklet emelésével monoton n ı tt és már 50°C-on való kezelés során is jelent ı sen nagyobb. 50-80°C között 0,6×10 - 9 -r ı l 1,4×10 - 9 -re emelkedett. Ugyanakkor a
kombinált
kezelés
hátrán ya,
hogy
jelent ı sen
rontja
az
állomán yjellemz ı ket, 60°C és 70°C között a rugalmassági modulus, a húskemén ység, valamint a tömegveszteség értéke mintegy 1/3-ára csökken. Igazoltam, hogy az oligofruktózok hidrolízise proton-katalitikus fol yamat és technológiailag reális körülmén yek között (pH=2,7-3,3) 0,3 egység pH csökkentés
négyszeres
növekedést
okoz
a
bomlási
sebességben.
Megállapítottam, hogy vizes közegben az aktiválási energia értéke pH-tól és az oligomer tagszámától függ ı en 70-120 kJ/mol. Az oligofruktóz bomlása
végbemehet
a
feldolgozás
körülmén yei
között
(2.
ábra),
amenn yiben a pH 3,5 érték alatt van, továbbá a h ı mérséklet meghaladja a 60°C-ot. 3,0-as pH alatt az almamátrix, azaz az almában található komponensek jelent ı sen gyorsítják a bomlást (3. ábra). A mátrixhatás mibenlétére több elképzelés is megfogalmazható. Egyrészt a bomlás sebességét ugyan alapvet ı en a nagy H+ ion koncentráció növeli, az alma savkomponensei azonban szinergikus gyorsító, katalizáló hatással lehetnek e fol yamatra. Kimutattam, hogy a bomlás sebessége tagszámfügg ı . Az aktiválási energia értékének megfelel ı en a nagyobb tagszámú oligomerek (k6-k7) bomlási sebessége szignifikánsan nagyobb. Bizon yítottam, hogy a frukto-oligoszacharidok lehetséges hidrolízis útjai közül a láncvégi fruktóz lehasadással
járó
reakció
sebessége
többszöröse
a
láncon
belüli
hidrolízissel járó folyamatokénak.
127
6. A PhD dolgozat tézisei
I.
Igazoltam, hogy a frukto-oligoszacharidok almaszövetbe diffúzióval történ ı bejuttatása technológiailag elfogadható sebesség ő fol yamat. Ennek alapján lehet ı ség van oligofruktózzal dúsított gyümölcs alapú funkcionális (prebiotikus aktivitású) élelmiszertermékek létrehozására ozmotikus dehidratálási m ő velet alkalmazásával.
II.
Megállapítottam, hogy a frukto-oligoszacharidok és a szacharóz diffúzió sebessége egy nagys ágrendbe esik. A frukto-oligoszacharidok diffúziója jobban gátolt, mint a szacharózé, a dehidratáló hatásban jelent ı s az eltérés.
A
frukto-oligoszacharidok
dehidratálási
képessége
szobah ı mérsékleten gyengébb, ám a h ı mérséklet emelésével n ı , és 4050°C-on jobb, mint a szacharózé. III.
Megállapítottam, hogy az oligofruktóz komponensek egyedi diffúziós együtthatói nem térnek el egymástól szignifikánsan. A dimer látszólagos diffúziós együtthatójának értéke 0, mert rá vonatkozóan dinamikus egyensúl y áll fenn.
IV.
Kimutattam, hogy a vákuum el ı kezelés nem változtat az ozmotikus dehidratálás során mérhet ı diffúzió sebességen. Megállapítottam, hogy a kombinált
vákuum-blansírozási
el ı kezeléses
technológia
el ı n ye
a
szöveti átereszt ı képesség növelése, ugyanakkor hátrán ya, hogy 60°C felett jelent ı sen rontja az állomán yjellemz ı ket. V.
Igazoltam,
hogy
az
oligofruktózok
hidrolízise
proton-katalitikus
fol yamat és technológiailag reális körülmén yek között (pH=2,7-3,3) 0,3 egység
pH
sebességben.
csökkentés
négyszeres
Megállapítottam,
hogy
növekedést vizes
okoz
közegben
a az
bomlási aktiválási
energia értéke pH-tól és az oligomer tagszámától függ ı en 70-120 kJ/mol. VI.
Kimutattam, hogy a bomlás sebessége tagszámfügg ı . Az aktiválási energia értékének megfelel ı en a nagyobb tagszámú oligomerek (k6-k7) bomlási sebessége szignifikánsan nagyobb.
VII.
Bizon yítottam, hogy a frukto-oligoszacharidok lehetséges hidrolízis útjai közül a láncvégi fruktóz lehasadással járó reakció sebessége többszöröse a láncon belüli hidrolízissel járó fol yamatokénak.
128
7. Gyakorlati alkalmazhatóság A frukto-oligoszacharidok almaszövetbe diffúzióval történ ı bejuttatása technológiailag elfogadható sebesség ő fol yamat. Ennek alapján lehet ı ség van
oligofruktózzal
aktivitású)
dúsított
gyümölcsalapú
élelmiszertermékek
létrehozására
funkcionális
(prebiotikus
ozmotikus
dehidratálási
m ő velet alkalmazásával. A dolgozatban összefoglalt technológiai és kinetikai jelleg ő kísérletek eredmén yei
hasznosíthatók
élelmiszertermékek
a
frukto-oligoszacharidokkal
kialakításában.
Az
adaptált
módszerek
dúsított segítik
a
technológiatervezést, valamint alkalmasak a termékek vizsgálatára. Számos termékcsoport dehidratálás
el ı állítási m ő veletét,
technológiája mint
a
tartalmazhatja
funkcionális
az
komponens
ozmotikus
bejuttatására
szolgáló lépést, így konkrét technológiai ajánlás csak a céltermék teljes ismeretében fogalmazható meg. Néhány általánosan követend ı irán yelv azonban kijelenthet ı :
Az
oligofruktózzal
dúsított
gyümölcskészítmén yek
el ı állítási
technológiájában a természetes pH (3,0) körüli érték mellett a kezelési h ı mérséklet nem haladhatja meg a 60°C-ot, a n yersan yagba juttatott frukto-oligoszacharid komponensek bomlásának elkerülése érdekében.
Kedvez ı
beltartalmi
és
érzékszervi
tulajdonságokkal
rendelkez ı
ozmotikusan dehidratált alma alapú termék kialakításához, izotóniás oldatban
blansírozott
(kezdeti
alacson y
h ı mérsékleten
csíraszám
(<60°C)
történ ı
csökkentés) ozmotikus
n yersan yag dehidratálása
javasolható.
A vákuum-blansírozással kombinált ozmotikus dehidratálás ol yan speciális termékcsoportok, félkész-termékek el ı állítása esetén vehet ı számításba, amel yeknél az állomán yjellemz ı k en yhe romlása nem mérvadó,
mivel
az
továbbfeldolgozásra
ilyen kerül
módon és
egy
kezelt
gyümölcs
komplexebb
alapan yag
élelmiszermátrix
részeként jelenik meg a végtermékben.
129
8 . I ro d a l o m j e g y z é k Angeli, I., Barta, J. és Molnár, L. (2000). A gyóg yító csicsóka. Mez ı gazda Kiadó, Budapest Antal, M. (2002). Szénhidrátok táplálkozás-élettani megítélése. Orvosi Hetilap , 143 , 28., 1675-1681. Atkins, P. W. (1998). Fizikai kémia III. Nemzeti Tankön yvkiadó, Budapest Azuara, E., Cortés, R., Garcia, H. S., Beristain, C. I. (1992). Kinetic model for osmotic deh ydration and its relationship with Fick’s second law. International Journal of Food Science and Technology, 27 , 409-418. Barat, J. M., Fito, P., Chiralt, A. (2001). Modelling of simultaneous mass transfer and structural changes in fruit tissues. Journal of Food Engineering , 49 , 77-85. Ben yacoub, J., Rochat, F., Saudan, K. Y., Rochat, I., Antille, N., Cherbut, C., von der Weid, T., Schiffrin, E. J., Blum, S. (2008). Feeding a diet containing a fructooligosaccharide mix can enhance Salmonella vaccine efficacy in mice. Journal of Nutrition , 138 (1), 123-129. Beristain, C. I., Azuara, E., Cortés, R., Garcia, H. S. (1990). Mass transfer during osmotic deh ydration of pineapple rings. International Journal of Food Science and Technology , 25 , 576-582. Biedrz ycka, E., Bielecka M. (2004). Prebiotic effectiveness of fructans of different degrees of pol ymerization. Trends in Food Science & Technology , 15 , 170-175. Blecker, C., Fougnies, C., Van Herck, J. C., Chevalier J. P., Paquot, M. (2002) Kinetic study of the acid h ydrol ysis of various oligofructose samples. Journal of Agricultural and Food Chemistry , 50 , 1602-1607. Bolin, H. R., Huxsoll, C. C., Jackson, R., NG, K. C. (1983). Effect of osmotic agents and concentration on fruit qualit y. Journal of Food Science , 48 , 202-205. Bornet, F. R. J., Brouns, F., Tashiro, Y., Duvillier, V. (2002). Nutritional aspects of short-chain fructooligosaccharides: natural occurrence, chemistry, ph ysiology and health implications. Digest Liver Dis ., 34 (S2), 111-120.
130
Bornet, F. R., Brouns, F. (2002). Immune-stimulating and gut healthpromoting properties of short-chain fructo-oligosaccharides. Nutrition Review , 60 (10 Pt 1), 326-334. Bruckner, Gy. (1981). Szerves Kémia 1.-2. kötet, Tankön yvkiadó, Budapest Cáceres, E., García, M. L., Toro, J., Selgas, M. D. (2004). The effect of fructooligosaccharides on the sensory characteristics of cooked sausages. Meat Science , 68 , 87-96. Castelló, M. L., Fito, P. J., Chiralt, A. (2006) Effect of osmotic deh ydration and vacuum impregnation on respiration rate of cut strawberries. L WT-Food Science and Technology , 39 (10), 1171-1179. Chenlo, F., Moreira, R., Fernández-Herrero, C., Vázquez, G. (2006). Experimental results and modeling of the osmotic deh ydration kinetics of chestnut with glucose solutions. Journal of Food Engineering, 74 , 324-334. Coppa, G. V., Bruni, S., Zampini, L., Galeazzi, T., Gabrielli, O. (2002) Prebiotics in infant formulas: biochemical characterisation b y thin layer chromatograph y and high performance anion exchange chromatograph y. Digest Liver Dis , 34 , 124-128. Crank, J. (1975). The Mathematics of Diffusion. Oxford Universit y Press, London Crittenden, R. G., Playne, M. J. (1996). Production, properties and applications of food-grade oligosaccharides. Trends in Food Science & Technology , 7 , 353-361. Dalla Rosa, M., Giroux, F. (2001) Osmotic treatments (OT) and problems related to the solution management. Journal of Food Engineering , 49 , 223-236. Dixon, G. M., Jen, J. J. (1977). A research note – Changes of sugars and acids of osmovac-dried apple slices. Journal of Food Science , 42 (4), 1126-1127 El-Aouar, A. A., Azoubel, P. M., Barbosa, J. L., Xidieh Murr, F. E. (2006). Influence of the osmotic agent on the osmotic deh ydration of papaya ( Carica papaya L.). Journal of Food Engineering, 75 (2), 267-274. Erdey-Grúz, T. (1969). A fizikai kémia alapjai, M ő szaki Kön yvkiadó, Budapest
131
Erdey-Grúz, T. (1971). Transzportfol yamatok vizes oldatokban. Akadémiai Kiadó, Budapest Escriche, I., Garcia-Pinchi, R., Carot, J. M., Serra, J. A. (2002). Comparison of must and sucrose as osmotic solutions to obtain high qualit y minimall y processed kiwi fruit (Actinidia chinensis P.) slices. International Journal of Food Science and Technology , 37 , 87-95. Fernandes, F. A. N., Rodrigues, S., Gaspareto, O. C. P., Oliveira, E. L. (2006) Optimization of osmotic deh ydration of bananas followed b y airdrying. Journal of Food Engineering , 77 , 188-193. Fito, P., Chiralt, A., Betoret, N., Gras, M., Cháfer, M., Martínez-Monzo, J., Andrés, A., Vidal, D. (2001a). Vacuum impregnation and osmotic deh ydration in matrix engineering – Application in functional fresh food development. Journal of Food Engineering , 49 , 175-183. Fito, P., Chiralt, A., Barat, J. M., Andrés, A., Martínez-Monzó, J., Martínez-Navarrete, N. (2001b). Vacuum impregnation for development of new deh ydrated products. Journal of Food Engineering , 49 , 297-302. Frost, G., Keogh, B., Smith, K., Akinsan ya, K., Leeds, A. (1996) The effect of low-gl ycemic carboh ydrate on insulin and glucose response in vivo and in vitro in patients with coronary heart disease. Metabolism , 45 (6), 669-672. Garcia-Martínez, E., Martínez-Monzó, J., Camacho, M. M., Martínez.Navarrete, N. (2002). Characterisation of reused osmotic solution as ingredient in new product formulation. Food Research International , 35 , 307-313. Gennaro, S., Birch, G. G., Parke, S. A., Stancher, B. (2000). Studies on the ph ysicochemical properties of inulin and inulin oligomers. Food Chemistry , 68 , 179-183. Giraldo, G., Talens, P., Fito, P., Chiralt, A. (2003). Influence of sucrose concentration on kinetics and yield during osmotic deh ydration of mango. Journal of Food Engineering , 58 , 33-43. Gomes Alves, Barbosa, J. L., Antonio, G. C., Xidieh Murr, F. E. (2005). Osmotic deh ydration of acerola fruit. Journal of Food Engineering , 68 , 99-103. Griffin, I. J., Hicks, P. M. D., Heaney, R. P., Abrams, S. A. (2003). Enriched chicory inulin increases calcium absorption mainly in girls with lower calcium absorption. Nutrition Research , 23 , 901-909 132
Hough, G., Chirife, J., Marini, C. (1993). A simple model for osmotic deh ydration of apples. Lebensmittel Wissenschaft und Technologie , 26 , 151-156. Hsu, C. K., Liao, J. W., Chung, Y. C., Hsieh, C. P., Chan, Y. C. (2004). Xylooligosaccharides and fructooligosaccharides affect the intestinal microbiota and precancerous colonic lesion development in rats. Journal of Nutrition , 134 (6), 1523-1528. Hung, T., Sievenpiper, J. L., Marchie, A., Kendall, C.W., Jenkins D. J. (2003). Fat versus carboh ydrate in insulin resistance, obesity, diabetes and cardiovascular disease. Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care , 6 , 165176. Kaymak–Ertekin, F., Sultanoglu, M. (2000). Modelling of mass transfer during osmotic deh ydration of apples. Journal of Food Engineering , 46 , 243-250. Kowalska, H., Lenart, A. (2001). Mass exchange during osmotic pretreatment of vegetables. Journal of Food Engineering , 49 , 137-140. L’homme, C., Puigserver, A., Biagini, A. (2003a). Effect of foodprocessing on the degradation of fructooligosaccharides in fruit. Food Chemistry , 82 , 533-537. L’homme, C., Arbelot, M., Puigserver, A., Biagini, A. (2003b). Kinetics of Hydrol ysis of fructo-oligosaccharides in mineral-buffered aqeous solutions: Influence of pH and temperature. Journal of Agricultural and Food Chemistry , 51 , 224-228. Lazarides, H. N., Katsanidis, E., Nickolaidis, A. (1995). Mass transfer kinetics during osmotic preconcentration aiming at minimal solid uptake. Journal of Food Engineering , 25 (2), 151-166. Lazarides, H. N., Mavroudis, N. E. (1996). Kinetics of osmotic deh ydration of a highl y shrinking vegetable tissue in a salt-free medium. Journal of Food Engineering , 30 , 61-74. Lazarides, H. N., Gekas, V., Mavroudis, N. (1997). Apparent mass diffusivities in fruit and vegetable tissues undergoing osmotic processing. Journal of Food Engineering , 31 , 315-324. Lerici, C. R., Pinnavaia, G., Dalla-Rosa, M., Bartolucci, L. (1985). Osmotic deh ydration of fruit: Influence of osmotic agfents on drying behaviour and product qualit y. Journal of Food Science , 50 , 1217-1219.
133
Losada, M. A., Olleros, T. (2002). Towards a healthier diet for the colon: the influence of fructooligosaccharides and lactobacilli on intestinal health. Nutrition Research , 22 , 71-84. Lovász, T., Merész, P., Sass, P. (1998). Postharvest permeabilit y changes of the cell surface in apple tissue. Acta Alimentaria , 27 (3), 207-219. Macfarlane, S., Macfarlane, G. T., Cummings, J. H. (2006). Review article: prebiotic sin the gastrointestinal tract. Alimentary Pharmacology & Therapeutics , 24 , 701-714. Magee, T. R. A., Hassaballah, A. A., Murph y, W. R. (1983). Internal mass transfer during osmotic deh ydration of apple slices in sugar solutions. International Journal of Food Science and Tecnology , 7 , 147-155. Marouzé, C., Giroux, F., Collignan, A., Rivier, M. (2001). Equipment design for osmotic treatments. Journal of Food Engineering, 49 , 207221. Matusek, A., Merész, P. (2002). Modelling of sugar transfer during osmotic deh ydration of carrots. Periodica Politechnica / Chemical Engineering, 46 (1-2), 83-92 . Mavroudis, N. E., Gekas, V., Sjöholm, I. (1998). Osmotic deh ydration of apples – Effects of agitation and raw material characteristics. Journal of Food Engineering , 35 , 191-209. Monnerat, S. M., Pizzi, T. R. M., Mauro, M. A., Menegalli, F. C. (2006). Concentration profiles and effective diffusion coefficients of sucrose and water in osmo-deh ydrated apples. Food Research International , 39 , 739-748. Monsalve-Gonzalez, A., Barbosa-Cánovas, G. V., Cavalieri, R. P. (1993). Mass transfer and textural changes during processing of apples b y combined methods . Journal of Food Science , 58 (5), 1118-1124. Moreira, R., Sereno, A. M. (2003). Evaluation off mass transfer coefficients and volumetric shrinkage during osmotic deh ydration of apple using sucrose solutions in static and non-static conditions. Journal of Food Engineering , 57 (1) 25-31. Moreno, J., Chiralt. A., Escriche, I., Serra, J. A. (2000). Effect of blanching/osmotic deh ydration combined methods on qualit y and stabilit y of minimall y processed strawberries. Food Research International , 33 , 609-616.
134
Mountzouris, K. C., McCartney, A. L., Gibson G. R. (2002). Intestinal microflora of human infants and currant trends for its nutritional modulation. Brit. J. Nutr. , 87 , 405-420. Mújica-Paz, H., Valdez-Fragoso, A., López-Malo, A., Palou, E., WeltiChanes, J. (2003). Impregnation properties of some fruits at vacuum pressure. Journal of Food Engineering , 56 , 307-314. Parjoko, Rahman, M. S., Buckle, K. A., Perera, C. O. (1996). Osmotic deh ydration kinetics of pineapple wedges using palm sugar. Lebensmittel Wissenschaft und Technologie , 29 , 452-459. Park, K. J., Bin, A., Brod, F. P. R., Park, T. H. K. B. (2002). Osmotic deh ydration kinetics of pear D’anjou ( Pyrus communis L.). Journal of Food Engineering , 52 , 293-298. Peiró, R., Dias, V. M. C., Camacho, M. M., Martínez-Navarrete, N. (2006). Micronutrient flow to the osmotic solution during grapefruit osmotic deh ydration. Journal of Food Engineering , 74 , 299-307. Peleg, M. (1988). An empirical model for the description of moisture sorption curves. Journal of Food Science, 53 (4), 1216-1219. Prosk y, L. (2000). When is dietary fiber considered a functional food? Biofactors , 12 (1-4), 289-297. Quintero-Ramos, A., Bourne, M. C., Anzaldúa-Morales, A. (1992). Texture and reh ydration of deh ydrated carrots as affected b y low temperature blanching. Journal of Food Science , 57 (5), 1127-1128 Rao, V. A. (2001). The prebiotic properties of oligofructose at low intake levels. Nutrition Research, 21 , 843-848. Rastogi, N. K., Raghavarao, K. S. M. S., Niranjan, K. (1997a). Mass transfer during osmotic deh ydration of banana: Fickian diffusion in cylindrical configuration. Journal of Food Engineering , 31 , 423-432. Rastogi, N. K., Raghavarao, K. S. M. S. (1997b). Water and solute diffusion coefficients of carrot as a function of temperature and concentration during osmotic deh ydration. Journal of Food Engineering , 34 , 429-440. Rastogi, N. K., Niranjan, K. (1998). Enhanced mass transfer during osmotic deh ydration of high pressure treated pineapple. Journal of Food Science , 63 (3), 508-511.
135
Rastogi, N. K., Raghavarao, K. S. M. S. (2004). Mass transfer during osmotic deh ydration of pineapple: considering Fickian diffusion in cubical configuration. Lebensmittel-Wissenschaft und Technologie, 37 , 43-47. Rivero-Urgell, M., Santamaria-Orleans, A. (2001). Oligosaccharides: application in infant food. Early Human Development , 65 (S), 43-52. Roberfroid, M. B. (2000) Chicory fructooligosaccharides gastrointestinal tract. Nutrition, 16 , 7/8, 677-679.
and
the
Roberfroid, M. (2002). Functional food concept and ist application to prebiotics. Digestive and Liver Disease, 34 (S2) 105-110. Rodrigues, A. C. C., Cunha, R. L., Hubinger, M. D. (2003). Rheological properties and colour evaluation of papaya during osmotic deh ydration processing. Journal of Food Engineering, 59 , 129-135. Rose (1804). Neues allgemeines Journal der Chemie , 3 , 217-219. Sablani, S. S., Rahman, M. S., Al-Sadeiri, D. S. (2002). Equilibrium distribution data for osmotic drying of apple cubes in sugar-water solution. Journal of Food Engineering , 52 , 193-199. Sablani, S. S., Rahman, M. S. (2003). Effect of s yrup concentration, temperature and sample geometry on equilibrium distribution coefficients during osmotic deh ydration of mango. Food Research International , 36 , 65-71. Sacchetti, G., Gianotti, A., Dalla Rosa, M. (2001). Sucrose-salt combined effects on mass transfer kinetics and product acceptabilit y. Stud y on apple osmotic treatments. Journal of Food Engineering , 49 , 163-173. Salvatori, D., Andrés, A., Albors, A., Chiralt, A., Fito, P. (1998). Structural and compositional profiles in osmoticall y deh ydrated apple. Journal of Food Science , 63 (4), 606-610. Salvatori, D., Andrés, A., Chiralt, A., Fito, P. (1999a). Osmotic deh ydration progression in apple tissue I: spatial distribution of solutes and moisture content. Journal of Food Engineering , 42 , 125-132. Salvatori, D., Andrés, A., Chiralt, A., Fito, P. (1999b). Osmotic deh ydration progression in apple tissue II: generalized equations for concentration prediction. Journal of Food Engineering , 42 , 133-138.
136
Sereno, A. M., Moreira, R., Martinez, E. (2001). Mass transfer coefficients during osmotic dehydration of apple in single and combined aqueous solutions of sugar and salt. Journal of Food Engineering , 47 (1), 43-49. Sharma, K. D., Sethi, V., Maini, S. B. (1998). Osmotic dehidration in apple: influence of variet y, location and treatment on mass transfer and qualit y of dried rings. Acta Alimentaria , 27 (3), 245-256. Shi, X. Q., Fito, P., Chiralt, A. (1995). Influence of vacuum treatment on mass transfer during osmotic deh ydration of fruits. Food Research International , 28 (5), 445-454. Sztast yik, D. (2006) Élelmiszerek funkcionális frukto-oligoszacharid komponensei bomlás-kinetikájának vizsgálata. Diploma dolgozat , BME Taiwo, K. A., Angersbach, A., Ade-Omowaye, B. I. O., Knorr, D. (2001). Effects of pretreatments on the diffusion kinetics and some qualit y parameters of osmoticall y deh ydrated apple slices. Journal of Agricultural Food Chemistry , 49 , 2804-2811. Taiwo, K. A., Angersbach, A., Knorr, D. (2002). Influence of high intensit y electric field pulses and osmotic dehydration on the reh ydration characteristics of apple slices at different temperatures. Journal of Food Engineering , 52 , 185-192. Tedjo, W., Taiwo, K. A., Eshtiaghi, M. N., Knorr, D. (2002). Comparison of pretreatment methods on water and solid diffusion kinetics of osmoticall y deh ydrated mangos. Journal of Food Engineering , 53 , 133142. Torreggiani, D. (1993). Osmotic dehydration in fruit and vegetable processing. Food Research International , 26 , 59-68. Tregunno, N. B., Goff, H. D. (1996). Osmodeh ydrofreezing of apples: structural and textural effects. Food Research International , 29 (5-6), 471-479. Van de Wiele, T., Boon, N., Possemiers, S., Jacobs, H., Verstraete, W. (2004). Prebiotic effects of chicory inulin in the simulator of the human intestinal microbial ecos ystem. FEMS Microbiology Ecology , 51 , 143153. Vendrell-Pascuas, S., Castellote-Bargalló, A. I., López-Sabater, M. C. (2000). Determination of inulin in meat products b y high-performance liquid chromatograph y with refractive index detection. Journal of Chromatography A , 881 , 591-597. 137
Yun, J. W. (1996). Fructooligosaccharides – occurrence, preparation and application. Enzyme and Microbial Technology , 19 , 107-117. Zrín yi, M. (1997). Fizikai kémiai füzetek: Reakciókinetika, Budapesti M ő szaki és Gazdaságtudomán yi Egyetem Zuleta, A., Sambucetti, M. A. (2001). Inulin determination for food labeling. Journal of Agricultural and Food Chemistry , 49 (10), 45704572.
138
9.
N Y I L AT K O Z AT
Alulírott M A T U S E K A N IK Ó kijelentem, hogy ezt a doktori értekezést magam készítettem és abban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden ol yan részt, amel yet szó szerint, vagy azonos tartalomban, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelm ő en, a forrás megadásával megjelöltem.
Budapest, 2008. április 19.
………………………………………... Matusek Anikó
139
10. M e llé kle t, je l ölé sje gy zé k
140
