ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΤΗ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΤΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ

Transcript

1 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΤΗ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΤΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Β.Π. Οικονομοπούλου, Μ.Κ. Κροκίδα Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Αθήνα ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παραγωγή τροφίμων με προκαθορισμένες ιδιότητες δομής αποτελεί ένα σημαντικό πεδίο έρευνας. Η δομή επηρεάζει τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες των τροφίμων κατά την αποθήκευσή τους και την τελική επεξεργασία πριν την κατανάλωση, καθώς επίσης και την αποδοχή τους από τους καταναλωτές. Αντικείμενο της συγκεκριμένης μελέτης αποτελεί η ανάπτυξη τροφίμων πορώδους δομής και η εξέταση της επίδρασης των δομικών ιδιοτήτων στα ποιοτικά και οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των τελικών προϊόντων. Η τελική δομή ενός τροφίμου και η ανάπτυξη του πορώδους του επηρεάζεται από πλήθος παραμέτρων, ανάμεσα τους η εφαρμοζόμενη διεργασία και οι συνθήκες που χρησιμοποιούνται. Στην παρούσα έρευνα, οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη των προϊόντων περιλαμβάνουν διάφορες τεχνικές ξήρανσης και εκβολή. Τα προϊόντα που αναπτύχθηκαν ανήκουν σε διάφορες κατηγορίες τροφίμων, όπως φρούτα, λαχανικά και δημητριακά που αποτελούν βασικά συστατικά της σύγχρονης διατροφής. Μελετήθηκε η επίδραση των διαφόρων μεθόδων και συνθηκών επεξεργασίας στις δομικές ιδιότητες των τελικών προϊόντων και εξετάσθηκαν επίσης, ορισμένες βασικές ιδιότητες, όπως είναι οι μηχανικές. Ένα επιπλέον αντικείμενο μελέτης αποτέλεσε η εξέταση της επίδρασης του πορώδους στην ικανότητα αντίληψης της γλυκιάς ή αλμυρής γεύσης των παραγόμενων προϊόντων. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη μαθηματικών προτύπων για τη συσχέτιση της επίδρασης των συνθηκών επεξεργασίας με τις τελικές ιδιότητες των παραγόμενων προϊόντων. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εντατικοποίηση του τρόπου ζωής των ανθρώπων έχει οδηγήσει στην αυξημένη κατανάλωση τυποποιημένων τροφίμων. Η αποδοχή των συγκεκριμένων προϊόντων από τους καταναλωτές εξαρτάται από ποικίλους παράγοντες, όπως είναι η ποιότητα, η εμφάνιση, οι ιδιότητες, η διατηρησιμότητα, το κόστος και η διατροφική τους αξία. Οι ιδιότητες που αφορούν στην ποιότητα των τροφίμων είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη νέων προϊόντων και τη βελτίωση των υφιστάμενων. Μεταξύ των ιδιοτήτων αυτών, τα δομικά χαρακτηριστικά, όπως η πυκνότητα, το πορώδες και η κατανομή των πόρων είναι κρίσιμα για το χαρακτηρισμό των υλικών και την αποδοχή τους από τους καταναλωτές, καθώς καθορίζουν την ποιότητα των προϊόντων, ελέγχουν τη γεύση και την εμφάνισή τους και επηρεάζουν σημαντικά πλήθος άλλων ιδιοτήτων όπως θερμικές ιδιότητες, μηχανικές ιδιότητες, διάχυση μάζας, κλπ. [1, 2]. Για το λόγο αυτό, η παραγωγή τροφίμων με προκαθορισμένες ιδιότητες δομής αποτελεί ένα σημαντικό πεδίο έρευνας τα τελευταία χρόνια. Οι διεργασίες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή επεξεργασμένων τροφίμων επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τις ιδιότητες αυτές. Η ξήρανση και η εκβολή είναι δύο βασικές διεργασίες οι οποίες έχουν σημαντική επίδραση στις δομικές ιδιότητες των τροφίμων και χρησιμοποιούνται ευρέως για την παραγωγή και ανάπτυξη επεξεργασμένων προϊόντων έτοιμων προς κατανάλωση ή προϊόντων που απαιτούν μικρό χρόνο προετοιμασίας. Η διεργασία της ξήρανσης χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων καθώς η μείωση της περιεχόμενης υγρασίας αναστέλλει την ανάπτυξη των παθογόνων και

2 αλλοιογόνων μικροοργανισμών, μειώνει την ενζυμική δράση και ελαχιστοποιεί την ταχύτητα των χημικών αντιδράσεων που πραγματοποιούνται στο εσωτερικό του τροφίμου, ενώ παράλληλα μειώνει τον όγκο και τη μάζα των προϊόντων διευκολύνοντας τη συσκευασία και τη μεταφορά τους και μειώνοντας το αντίστοιχο κόστος [3]. Η ξήρανση εφορμόζεται σε μία ευρεία ποικιλία τροφίμων (φρούτα, λαχανικά, κρέας, ψάρια, δημητριακά, κλπ.). Οι βασικότερες διεργασίες ξήρανσης που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων είναι η ξήρανση υπό κατάψυξη, η ξήρανση υπό κενό, η ξήρανση με ρεύμα αέρα και η ωσμωτική αφυδάτωση. Η ξήρανση υπό κατάψυξη αποτελεί την ιδανική μέθοδο για την παραγωγή προϊόντων υψηλής αξίας τα οποία χαρακτηρίζονται από υψηλό πορώδες, ενώ παράλληλα διατηρούν τα οργανοληπτικά και θρεπτικά χαρακτηριστικά των νωπών τροφίμων [4, 5]. Η ξήρανση υπό κενό χρησιμοποιείται για την αφυδάτωση θερμοευαίσθητων τροφίμων και οδηγεί σε τελικά προϊόντα με πολύ χαμηλά επίπεδα υγρασίας [6, 7]. Η ξήρανση με ρεύμα αέρα είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος στη βιομηχανία τροφίμων καθώς είναι οικονομική και απλή, παρόλο που οδηγεί στην παραγωγή τροφίμων με χαμηλό πορώδες και χαμηλή ικανότητα επανενυδάτωσης. Η ωσμωτική αφυδάτωση χρησιμοποιείται συνήθως ως προκατεργασία για τη μερική ξήρανση των τροφίμων. Τα τελικά αφυδατωμένα προϊόντα χαρακτηρίζονται από διαφορετικές ιδιότητες ανάλογα με την εφαρμοζόμενη μέθοδο. Η εκβολή χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων για την παραγωγή προϊόντων που είναι διαθέσιμα για άμεση κατανάλωση, όπως σνακς, ζυμαρικά, κλπ. Χαρακτηρίζεται από ποικίλα πλεονεκτήματα, καθώς ο μικρός χρόνος παραμονής οδηγεί στη διατήρηση των θρεπτικών συστατικών, ενώ υπάρχει η δυνατότητα επεξεργασίας μιγμάτων που αποτελούνται από διαφορετικά υλικά. Κατά την εκβολή τα υλικά αναμειγνύονται, ομογενοποιούνται και μαγειρεύονται υπό συνθήκες ανάπτυξης θερμοκρασίας, πίεσης και μηχανικών τάσεων και υποβάλλονται σε πολλές χημικές και δομικές μετατροπές [8]. Η ποιότητα και οι ιδιότητες των προϊόντων εκβολής εξαρτώνται από τις συνθήκες της διεργασίας, τον τύπο του εκβολέα, την υγρασία του μίγματος τροφοδοσίας, το προφίλ θερμοκρασίας στις ζώνες του εκβολέα, την ταχύτητα περιστροφής των κοχλιών και το ρυθμό τροφοδοσίας [9]. Οι διεργασίες της ξήρανσης και της εκβολής επιδρούν σημαντικά στη δομή και τις ιδιότητες των τροφίμων. Παρ όλο που οι διεργασίες αυτές έχουν μελετηθεί από πολλούς ερευνητές μέχρι στιγμής, η επίδραση της δομής στις φυσικοχημικές ιδιότητες και τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά χρήζει περαιτέρω μελέτης. Σημειώνεται επίσης, ότι η μελέτη της μικροσκοπικής δομής των τροφίμων αποτελεί ένα πεδίο που παρουσιάζει μεγάλες δυνατότητες για έρευνα. Στόχος επομένως, της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης των μεθόδων ξήρανσης και εκβολής και των διαφορετικών συνθηκών παραγωγής, στη δομή και τις ιδιότητες των τελικών προϊόντων, καθώς και η συσχέτιση της δομής με τις ιδιότητες των προϊόντων. Επίσης, στόχο αποτελεί η ανάπτυξη μαθηματικών προτύπων που παρέχουν τη δυνατότητα πρόβλεψης των διαφόρων ιδιοτήτων συναρτήσει των συνθηκών επεξεργασίας και της δομής. Σημαντικό στοιχείο της μελέτης αποτελεί η συσχέτιση της δομής με τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των τροφίμων. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Ξήρανση Τα υλικά που μελετήθηκαν περιλαμβάνουν γεωργικά προϊόντα όπως, πατάτα, μανιτάρι, φράουλα και μπανάνα καθώς και δημητριακά, όπως ρύζι. Τα γεωργικά προϊόντα εμβαπτίστηκαν σε διάλυμα 2% NaHSO 3 για 5 λεπτά, ενώ οι πατάτες ζεματίστηκαν επιπλέον για 3 λεπτά. Τα υλικά στη συνέχεια τεμαχίστηκαν σε κύβους ή κυλίνδρους. Οι κόκκοι ρυζιού αρχικά έβρασαν για διάφορους χρόνους που κυμαίνονται από 4 έως 24 λεπτά. Αρχικά μελετήθηκε η επίδραση διαφόρων συνθηκών ξήρανσης υπό κατάψυξη στα τελικά προϊόντα.

3 Για τη μελέτη της επίδρασης της ξήρανσης στα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά μελετήθηκαν επιπλέον η ξήρανση υπό κενό, η ξήρανση με ρεύμα αέρα και η ωσμωτική αφυδάτωση. Πιο συγκεκριμένα, κατά την ξήρανση υπό κατάψυξη, τα υλικά καταψύχθηκαν για 48 ώρες, εμβαπτίστηκαν σε υγρό άζωτο για 1 ώρα και ξηράνθηκαν σε συσκευή ξήρανσης υπό κατάψυξη για 24 ώρες (Leybold-Heraeus GT 2A), υπό διαφορετικές συνθήκες πίεσης. Η ξήρανση υπό κενό παραγματοποιήθηκε σε φούρνο κενού, σε θερμοκρασία 7±.2 C και πίεση 48±3 mbar. Η ξήρανση με ρεύμα αέρα πραγματοποιήθηκε σε ατμοσφαιρική πίεση, στους 7±2 C και σε ταχύτητα αέρα 2 m/s. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της επίδρασης της δομής στα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά, αρχικά υπέστησαν προκατεργασία ωσμωτικής αφυδάτωσης. Οι πατάτες εμβαπτίστηκαν σε διάλυμα άλατος 1% (w/w) και οι μπανάνες σε διάλυμα σουκρόζης 4% (w/w) στους 4 C, για χρόνους εμβάπτισης που κυμαίνονται από 15 λεπτά έως 2 ώρες. Στη συνέχεια, τα δείγματα αφυδατώθηκαν χρησιμοποιώντας τις τρεις παραπάνω μεθόδους. Εκβολή Για την παραγωγή των προϊόντων εκβολής χρησιμοποιήθηκε ως βάση το άλευρο ρυζιού το οποίο αναμίχθηκε με αφυδατωμένη σκόνη καρότου. Τα καρότα αφυδατώθηκαν χρησιμοποιώντας ξήρανση υπό κατάψυξη, λειοτριβήθηκαν σε μορφή σκόνης και αναμίχθηκαν με το άλευρο ρυζιού σε διάφορες αναλογίες που κυμαίνονται μεταξύ 5-1%. Η υγρασία του μίγματος τροφοδοσίας κυμάνθηκε μεταξύ 14-2% (επί υγρής βάσης (υ.β.)). Τα προϊόντα παρήχθησαν με τη χρήση εκβολέα διπλού κοχλία, ο οποίος λειτούργησε σε διάφορες ταχύτητες περιστροφής κοχλιών (15-25 rpm) και θερμοκρασίες εκβολής (14-18 C), χρησιμοποιώντας τον πειραματικό σχεδιασμό κεντρικού σημείου. Τα παραγόμενα αφυδατωμένα προϊόντα και τα προϊόντα εκβολής αξιολογήθηκαν ως προς τα δομικά τους χαρακτηριστικά και την επίδραση της δομής σε κάποιες βασικές ιδιότητες ποιότητας. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν περιγράφονται παρακάτω. Δομικές Ιδιότητες Ο πραγματικός όγκος των προϊόντων μετρήθηκε χρησιμοποιώντας στερεοπυκνόμετρο ηλίου (Quantachrome multipycnometer MVP-1). Πριν από κάθε μέτρηση, τα δείγματα λειοτριβήθηκαν με σκοπό την ελαχιστοποίηση των εσωτερικών πόρων. Η πραγματική πυκνότητα, ρ πρ (kg/m 3 ), δίνεται από τη σχέση: m ρ = ολ (1) πρ Vολ όπου m ολ (kg) η μάζα του υλικού και V ολ (m 3 ) ο πραγματικός όγκος του υλικού. Ο φαινόμενος όγκος των προϊόντων εκβολής και των αφυδατωμένων κόκκων ρυζιού υπολογίστηκε μετρώντας τις ακριβείς διαστάσεις των τεμαχίων με ψηφιακό παχύμετρο, ενώ ο όγκος των αφυδατωμένων γεωργικών προϊόντων μετρήθηκε με εμβάπτιση των δειγμάτων σε κανονικό επτάνιο, προσδιορίζοντας τη μεταβολή του όγκου που σημειώνεται. Η φαινόμενη πυκνότητα, ρ φ (kg/m 3 ), υπολογίστηκε από τη σχέση: m ρ = ολ (2) ϕ Vϕ όπου m ολ (kg) η μάζα του υλικού και V φ (m 3 ) ο φαινόμενος όγκος του υλικού. Το πορώδες ε υπολογίστηκε με βάση τη σχέση: ρϕ ε = 1 (3) ρπρ

4 Ο συντελεστής διόγκωσης των προϊόντων εκβολής υπολογίστηκε από τη σχέση: Exp d do = (4) όπου d (m) η διάμετρος του δείγματος, d o (m) η διάμετρος της οπής της μήτρας του εκβολέα. Σε επιλεγμένα δείγματα προσδιορίστηκε η κατανομή πόρων χρησιμοποιώντας ποροσίμετρο υδραργύρου (MIP, Fisons, Porosimeter 2, Milano, Italy). Η απεικόνιση της δομής των προϊόντων πραγματοποιήθηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM, Quanta 2 FEI (24)) αφού τα υλικά πρώτα επιμεταλλώθηκαν με χρυσό για 9 sec χρησιμοποιώντας τον επιμεταλλωτή SC762 Mini Sputter Coater (Quorum Technologies). Μηχανικές Ιδιότητες Οι μηχανικές ιδιότητες των προϊόντων εκβολής καθώς και των γεωργικών προϊόντων που αφυδατώθηκαν με ξήρανση υπό κατάψυξη εξετάσθηκαν με δοκιμές συμπίεσης σε συσκευή δοκιμών (Zwick model Z2.5/TN1S), στους 25 C. Η ταχύτητα συμπίεσης των αφυδατωμένων δειγμάτων ήταν 5 mm/min, χρησιμοποιώντας σταθερή δύναμη 1 Ν. Πριν από τη δοκιμή συμπίεσης, οι διαστάσεις των τεμαχίων μετρήθηκαν με ψηφιακό παχύμετρο. Τα ηλεκτρονικά δεδομένα δύναμης και παραμόρφωσης μετατράπηκαν σε καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης: F σ = (5) ε n A L Lo = (6) όπου σ είναι η τάση (kpa), ε n η παραμόρφωση (mm/mm), Α η επιφάνεια διατομής των δειγμάτων (cm), L o το αρχικό πάχος των δειγμάτων (cm), F (Ν) η δύναμη και ΔL (cm) η παραμόρφωση. Οργανοληπτικά Χαρακτηριστικά Για την ανάλυση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών των αφυδατωμένων προϊόντων, τα οποία υπέστησαν αρχικά ωσμωτική αφυδάτωση, χρησιμοποιήθηκε δεκαμελής ομάδα εκπαιδευμένων δοκιμαστών. Τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά αξιολογήθηκαν ως προς τη γεύση (αλατότητα και γλυκύτητα) χρησιμοποιώντας κλίμακα που κυμαίνεται από 1 έως 9. Ανάπτυξη Μαθηματικών Προτύπων - Στατιστική Επεξεργασία Πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη μαθηματικών προτύπων, με σκοπό την πρόβλεψη των δομικών και μηχανικών ιδιοτήτων από τις συνθήκες επεξεργασίας. Για τον υπολογισμό των παραμέτρων των προτύπων εφαρμόστηκε ανάλυση παλινδρόμησης [1]. Η επίδραση των συνθηκών επεξεργασίας στις ιδιότητες των προϊόντων εξετάστηκε χρησιμοποιώντας επίσης το λογισμικό Statistica Release 7, Statsoft Inc. Οι διαφορές θεωρούνται σημαντικές όταν p<.5. Πίνακας 1. Μαθηματικά Πρότυπα. Ξήρανση υπό κατάψυξη Προκατεργασία με ωσμωτική αφυδάτωση Ρύζι Γεωργικά προϊόντα Γεωργικά προϊόντα P m t n P ε = εo ( ) exp( ) ( ) m P ε = εo X b( ) y P t P P o o o Προϊόντα εκβολής X 1 C T N Y = Yo Xo 1 Co To No t = + = 1 ε ε o αρ ε1 to 1 YX YC YT YN z

5 όπου ε το πορώδες, ε αρ το πορώδες των προϊόντων σε μηδενικό χρόνο ωσμωτικής αφυδάτωσης, Χ οι μηχανικές ιδιότητες των αφυδατωμένων προϊόντων (τάση θραύσης (σ f ), παραμόρφωση θραύσης (ε f ), παράμετρος ελαστικότητας (Ε)), P (mbar) η πίεση κατά τη διάρκεια της ξήρανσης υπό κατάψυξη, P o (mbar) η πίεση αναφοράς στους -2 o C (.8 mbar), t (min) ο χρόνος βρασίματος του ρυζιού, t o (min) ο χρόνος βρασίματος αναφοράς (14 min), t 1 (min) ο χρόνος ωσμωτικής αφυδάτωσης, t o1 (min) ο χρόνος ωσμωτικής αφυδάτωσης αναφοράς (45 min), ε ο, ε 1, m, n, b, y, z, παράμετροι εξαρτώμενες από το υλικό, Y η μετρούμενη ιδιότητα των προϊόντων εκβολής (φαινόμενη πυκνότητα (ρ φ ), τάση θραύσης (σ f ), παραμόρφωση θραύσης (ε f ), παράμετρος ελαστικότητας (Ε)), X (% υ.β.) η περιεχόμενη υγρασία, C (%) η συγκέντρωση του καρότου, T ( C) η θερμοκρασία εκβολής, N (rpm) η ταχύτητα περιστροφής των κοχλιών, Y o σταθερά, X o, C o, T o, N o, οι τιμές των παραμέτρων σε συνθήκες αναφοράς (X=17%, C=7.5%, T=18 C, N=2 rpm), Y X, Y C, Y T, Y N, παράμετροι εξαρτώμενες από το υλικό και τις ιδιότητες. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Δομικές Ιδιότητες Το Σχήμα 1α παρουσιάζει την εξάρτηση του πορώδους του ρυζιού από τις συνθήκες ξήρανσης υπό κατάψυξη και το χρόνο βρασίματος. Οι γραμμές αναπαριστούν τις θεωρητικές τιμές του πορώδους όπως εξήχθησαν από το χρησιμοποιούμενο πρότυπο. Όπως παρατηρείται, το πορώδες των αφυδατωμένων προϊόντων αυξήθηκε σημαντικά (p<.5) με τη μείωση της εφαρμοζόμενης πίεσης ξήρανσης. Το πορώδες επηρεάστηκε σημαντικά και από το χρόνο βρασμού, παρουσιάζοντας υψηλότερες τιμές καθώς επιμηκύνεται η διαδικασία του βρασίματος. Στο Σχήμα 1β παρουσιάζεται η κατανομή πόρων των αφυδατωμένων κόκκων ρυζιού σε συνάρτηση με την πίεση ξήρανσης. Το ποσοστό των μεγάλων πόρων αυξήθηκε με τη μείωση της πίεσης ξήρανσης, όπου το πορώδες είναι υψηλότερο. Η εφαρμογή μεγαλύτερης πίεσης κατά τη διάρκεια της ξήρανσης οδηγεί σε μείωση του ιξώδους και επιτάχυνση της συρρίκνωσης με αποτέλεσμα τη δημιουργία μικρότερων πόρων [4]. Το Σχήμα 1γ παρουσιάζει την εξάρτηση του πορώδους των γεωργικών προϊόντων από τις συνθήκες ξήρανσης υπό κατάψυξη. Στις χαμηλές πιέσεις, παρατηρήθηκε το υψηλότερο πορώδες, το οποίο μειώθηκε με την αύξηση της πίεσης. Ανάμεσα στα γεωργικά προϊόντα, το μανιτάρι παρουσίασε την πιο πορώδη δομή, ενώ η πατάτα εμφάνισε το χαμηλότερο πορώδες P=.4 mbar P=.13 mbar P=1.25 mbar Ποσοστό πόρων % P=.4 mbar P=.13 mbar P=1.25 mbar Χρόνος Βρασίματος (min) Ακτίνα πόρων (μm) Πίεση (mbar) α. β. γ. Σχήμα 1. Εξάρτηση του πορώδους από την πίεση ξήρανσης υπό κατάψυξη. Το Σχήμα 2 αναφέρεται σε γεωργικά προϊόντα (πατάτα και μπανάνα) τα οποία έχουν υποστεί αρχικά ωσμωτική αφυδάτωση και στη συνέχεια έχουν αφυδατωθεί με διάφορες μεθόδους ξήρανσης και παρουσιάζει την εξάρτηση του πορώδους από το χρόνο ωσμωτικής αφυδάτωσης και τη μέθοδο ξήρανσης. Η αύξηση του χρόνου ωσμωτικής αφυδάτωσης, για τους μικρούς χρόνους που χρησιμοποιούνται στη συγκεκριμένη έρευνα, έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του πορώδους, εξαιτίας της πλήρωσης των τοιχωμάτων των κυττάρων και του μεσοκυττάριου χώρου με τη διαλυμένη ουσία [11]. Μετά από την περίοδο αυτή, το πορώδες συνήθως αυξάνεται. Επίσης, γίνεται φανερό ότι το τα δείγματα που αφυδατώθηκαν υπό

6 κατάψυξη σε χαμηλές πιέσεις (LFD) εμφάνισαν τις υψηλότερες τιμές πορώδους, στη συνέχεια ακολουθούν τα δείγματα που αφυδατώθηκαν υπό κατάψυξη σε υψηλές πιέσεις (HFD), υπό κενό (VD) και με ρεύμα αέρα (AD). Τα αποτελέσματα της ανάλυσης παλινδρόμησης παρουσιάζονται στον Πίνακα AD VD HFD LFD 1..8 AD VD HFD LFD Χρόνος εμβάπτισης (min) Χρόνος εμβάπτισης (min) α. β. Σχήμα 2. Εξάρτηση του πορώδους από τη μέθοδο ξήρανσης, (α) πατάτα (β) μπανάνα. Πίνακας 2. Εκτίμηση παραμέτρων των δομικών ιδιοτήτων. Ξήρανση υπό κατάψυξη ε ο m n Ρύζι Προκατεργασία με ωσμωτική αφυδάτωση Μπανάνα ε 1 z ε 1 z LFD HFD VD AD Προϊόντα εκβολής ρ o ρ X ρ C ρ T ρ N Το Σχήμα 3 παρουσιάζει την επίδραση των συνθηκών επεξεργασίας και των χαρακτηριστικών των πρώτων υλών στο πορώδες των παραγόμενων προϊόντων εκβολής. Όπως παρατηρείται, το πορώδες των προϊόντων εκβολής μειώθηκε με την αύξηση της περιεχόμενης υγρασίας και της συγκέντρωσης του καρότου, ενώ αυξήθηκε με την αύξηση της θερμοκρασίας και της ταχύτητας περιστροφής των κοχλιών. Όλα τα προϊόντα εκβολής παρουσίασαν εξαιρετικά υψηλές τιμές πορώδους. Η αυξημένη αρχική περιεκτικότητα σε υγρασία αλλάζει τη μοριακή δομή της αμυλοπηκτίνης που περιέχεται στο άμυλο του άλευρου, επηρεάζοντας το ιξώδες του μείγματος και προκαλώντας μείωση του πορώδους. H αύξηση της συγκέντρωσης του καρότου οδήγησε στην παραγωγή προϊόντων με μειωμένο πορώδες, εξαιτίας των υψηλών ποσοστών πρωτεΐνης και φυτικών ινών που περιέχει [12, 13]. Αντίθετα, η αύξηση της θερμοκρασίας και της ταχύτητας περιστροφής των κοχλιών προκάλεσαν την αύξηση του πορώδους των υλικών. Όσον αφορά στη θερμοκρασία εκβολής, το φαινόμενο αυτό αποδίδεται στη μείωση του ιξώδους του μείγματος [14, 15], ενώ η αύξηση της ταχύτητας περιστροφής των κοχλιών προκάλεσε επίσης μείωση του ιξώδους, αύξηση της ελαστικότητας της ζύμης και ζελατινοποίηση του αμύλου [12, 16].

7 Περιεχόμενη υγρασία (% υ.β.) Συγκέντρωση καρότου (%) α. β Θερμοκρασία εκβολής ( o C) Ταχύτητα περιστροφής κοχλιών (rpm) γ. δ. Σχήμα 3. Εξάρτηση του πορώδους των προϊόντων εκβολής από (α) την υγρασία, (β) τη συγκέντρωση καρότου, (γ) τη θερμοκρασία, (δ) την ταχύτητα περιστροφής των κοχλιών. Τα παραπάνω αποτελέσματα μπορούν να ενισχυθούν με την παρατήρηση των εικόνων που προκύπτουν από την Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (Σχήμα 4). Ρύζι, P=.4 mbar, t=2 min Ρύζι, P=1.25 mbar, t=2 min Αφυδατωμένα προϊόντα, P=.6 mbar, P=1. mbar Μπανάνα, HFD Μπανάνα, AD Προϊόντα εκβολής Χ=14% Χ=17% Χ=2% T=14ºC T=16ºC T=18ºC Σχήμα 4. Ενδεικτικές εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Μηχανικές Ιδιότητες Το Σχήμα 5 παρουσιάζει την εξάρτηση των μηχανικών παραμέτρων (τάση θραύσης, παραμόρφωση θραύσης, παράμετρος ελαστικότητας) των γεωργικών προϊόντων από τις συνθήκες επεξεργασίας κατά την ξήρανση υπό κατάψυξη. Η παράμετρος ελαστικότητας υπολογίστηκε από το πρώτο γραμμικό τμήμα της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης. Η τάση και η παραμόρφωση θραύσης προσδιορίζουν το σημείο θραύσης του υλικού το οποίο είναι ενδεικτικό της σκληρότητας των υλικών. Οι μηχανικές παράμετροι αυξήθηκαν σημαντικά (p<.5) με την αύξηση της εφαρμοζόμενης πίεσης κατά την ξήρανση υπό κατάψυξη. Ανάμεσα στα γεωργικά προϊόντα, η πατάτα παρουσίασε τις υψηλότερες τιμές μέτρου ελαστικότητας και τάσης θραύσης, ενώ η φράουλα τις χαμηλότερες. Οι υψηλότερες τιμές των μηχανικών παραμέτρων της πατάτας οφείλονται στο περιεχόμενο άμυλο το οποίο

8 διαμορφώνει πιο συμπαγή δομή. Αντίθετα, τα σάκχαρα που περιέχονται στις φράουλες δημιουργούν μία σημαντική πτώση στις μηχανικές ιδιότητες [17]. Στη συνέχεια, οι μηχανικές ιδιότητες των προϊόντων συσχετίστηκαν με τη δομή. Όπως παρατηρείται στο Σχήμα 6, οι μηχανικές ιδιότητες μειώθηκαν με την αύξηση του πορώδους των προϊόντων Τάση Θραύσης (kpa) Πίεση (mbar) Παραμόρφωση Θραύσης (mm/mm) Πίεση (mbar) Παράμετρος Ελαστικότητας (kpa) Πίεση (mbar) α. β. γ. Σχήμα 5. Μεταβολή των μηχανικών παραμέτρων α) τάση θραύσης, β) παραμόρφωση θραύσης, γ) παράμετρος ελαστικότητας των λυοφιλιωμένων υλικών, συνάρτησει της πίεσης. Τάση Θραύσης (kpa) Θεωρητικό πορώδες Παραμόρφωση Θραύσης (mm/mm) Θεωρητικό πορώδες Παράμετρος Ελαστικότητας (kpa) Θεωρητικό πορώδες α. β. γ. Σχήμα 6. Μεταβολή των μηχανικών παραμέτρων α) τάση θραύσης, β) παραμόρφωση θραύσης, γ) παράμετρος ελαστικότητας των υλικών συναρτήσει του πορώδους. Πίνακας 3. Εκτίμηση παραμέτρων των μηχανικών ιδιοτήτων. Αφυδατωμένα προϊόντα Ξήρανση υπό κατάψυξη σ f ε f Ε b y b y b y Προϊόντα εκβολής σ o σ X σ C σ T σ N ε o ε X ε C ε T ε N Ε o Ε X Ε C Ε T Ε N Όσον αφορά στα προϊόντα εκβολής, σύμφωνα με τις εκτιμώμενες παραμέτρους, η τάση θραύσης, η παραμόρφωση θραύσης και η παράμετρος ελαστικότητας αυξήθηκαν με την αύξηση της περιεχόμενης υγρασίας και της θερμοκρασίας εκβολής, ενώ η αύξηση της ταχύτητας περιστροφής των κοχλιών είχε την αντίθετη επίδραση. Η αύξηση της ταχύτητας περιστροφής των κοχλιών και η μείωση της περιεχόμενης υγρασίας οδήγησε σε προϊόντα με

9 μεγαλύτερο πορώδες και μειωμένο σημείο θραύσης και μέτρο ελαστικότητας [18], καταδεικνύοντας την επίδραση της δομής στη σκληρότητα των προϊόντων. Παρά το γεγονός ότι η αύξηση της θερμοκρασίας οδήγησε σε λιγότερο πυκνά προϊόντα εκβολής, προκάλεσε παράλληλα την αύξηση της μέγιστης τάσης και του μέτρου ελαστικότητας. Το γεγονός αυτό μπορεί να αποδοθεί στο σχηματισμό πιο συμπαγών κυτταρικών τοιχωμάτων [19]. Σε γενικές γραμμές, η δύναμη που απαιτείται για να σπάσει τα κυτταρικά τοιχώματα των προϊόντων εκβολής είναι μεγαλύτερη από αυτή που απαιτείται για να σπάσει το εσωτερικό τοίχωμα των πόρων [2]. Επίσης, η προσθήκη καρότου στο αρχικό μίγμα εκβολής προκάλεσε την αύξηση των μηχανικών ιδιοτήτων. Στη συνέχεια, οι μηχανικές ιδιότητες συσχετίστηκαν με το συντελεστή διόγκωσης των προϊόντων εκβολής (Σχήμα 7). Παρατηρήθηκε μείωση των μηχανικών παραμέτρων με αύξηση της διόγκωσης, καταδεικνύοντας μείωση της σκληρότητας των διογκωμένων προϊόντων. Παράμετρος ελαστικότητας (kpa) Τάση θραύσης (kpa) Συντελεστής διόγκωσης Συντελεστής διόγκωσης α. β. Σχήμα 7. Εξάρτηση (α) της παραμέτρου ελαστικότητας και (β) της τάσης θραύσης των προϊόντων εκβολής από το συντελεστή διόγκωσης. Οργανοληπτικά Χαρακτηριστικά Η επίδραση της δομής στην αίσθηση αλατότητας ή γλυκύτητας παρουσιάζεται στο Σχήμα 8. Παρόλο που όλα τα δείγματα χαρακτηρίζονται από την ίδια πρόσληψη αλατιού και σουκρόζης αντίστοιχα, τα δείγματα που αφυδατώθηκαν υπό κατάψυξη παρουσίασαν πιο έντονη γεύση σε σχέση με τα δείγματα που αφυδατώθηκαν υπό κενό ή με ρεύμα αέρα. Επιπλέον, συγκρίνοντας τα υλικά που αφυδατώθηκαν υπό κατάψυξη, οι χαμηλές πιέσεις (LFD) οδήγησαν σε πιο έντονη γεύση σε σχέση με τις υψηλές (HFD). Η χαμηλές πιέσεις ξήρανσης οδήγησαν όμως παράλληλα στην παραγωγή προϊόντων με υψηλότερο πορώδες. Επομένως η αυξημένη αίσθηση αλατότητας και γλυκύτητας των αφυδατωμένων προϊόντων μπορεί να συνδεθεί με τη μικροδομή των υλικών. 9 8 a 9 8 a Αίσθηση αλμυρού b c d Αίσθηση γλυκού b c d LFD HFD AD VD Μέθοδος ξήρανσης LFD HFD AD VD Μέθοδος ξήρανσης α. β. Σχήμα 8. Εξάρτηση της γεύσης από τη μέθοδο ξήρανσης, (α) πατάτα και (β) μπανάνα. Προϊόντα με υψηλότερο πορώδες και υψηλότερη ενεργή επιφάνεια παρουσίασαν εντονότερη αίσθηση αλατότητας ή γλυκύτητας. Επομένως, οι διαφορετικές δομές επιδρούν με διαφορετικό τρόπο στην κατάρρευση της δομής κατά τη μάσηση και επομένως στην απελευθέρωση της γεύσης [21]. Παράλληλα, το υψηλότερο ποσοστό πόρων των δειγμάτων

10 που ξηράνθηκαν υπό κατάψυξη βρίσκεται σε εύρος 1-28 μm (Σχήμα 9β). Η απελευθέρωση της γεύσης σχετίζεται με την τραχύτητα της γλώσσας η οποία βρίσκεται στην περιοχή των 2 μm [22]. Επομένως, θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι το γεγονός αυτό επιδρά στην πιο έντονη αντίληψη της γεύσης για τα δείγματα που ξηράθηκαν υπό κατάψυξη. Αίσθηση γλυκού LFD HFD AD VD Ποσοστο πόρων % AD VD HFD LFD Ειδική επιφάνεια (m2/g) α. Ακτίνα πόρων (μm) β. Σχήμα 9. Εξάρτηση (α) της γεύσης από την ειδική επιφάνεια και (β) της κατανομής των πόρων από τη μέθοδο ξήρανσης, για τη μπανάνα. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σύμφωνα με τη στατιστική επεξεργασία, οι μέθοδοι της ξήρανσης και της εκβολής επηρεάζουν σημαντικά τη δομή και τις ιδιότητες των τελικών προϊόντων. Σημαντικές ιδιότητες όπως είναι οι μηχανικές, που προσδιορίζουν την υφή των προϊόντων, εξαρτώνται από τη δομή και την κατανομή πόρων των προϊόντων. Επιπλέον, η παρούσα έρευνα αναφέρει την επίδραση της δομής στα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των προϊόντων, καταδεικνύοντας ότι η ανάπτυξη προϊόντων με συγκεκριμένη δομή μπορεί να οδηγήσει στη μείωση της περιεκτικότητας σε αλάτι ή ζάχαρη. Ανάλογα με τις επιθυμητές ιδιότητες των προϊόντων ως τελικά ή ενδιάμεσα τρόφιμα, οι κατάλληλες συνθήκες ξήρανσης και εκβολής μπορούν να επιλεγούν με βάση τα χρησιμοποιούμενα μαθηματικά πρότυπα. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Koc B., Eren I., Kaymak Ertekin F., J Food Eng 85:3 (28). [2] Rahman M.S., Dry Technol 19:1 (21). [3] Maroulis Z.B. and Saravacos G.D., Food process design, Marcel Dekker, Inc., USA, 23. [4] Krokida M.K., Karathanos V.T. and Maroulis Z.B., J Food Eng 35:4 (1998). [5] Oikonomopoulou V.P., Krokida M.K. and Karathanos V.T., J Food Eng 17:3-4 (211). [6] Huang L.-l. and Zhang M., Dry Technol 3:5 (212). [7] Krokida M.K., Maroulis Z.B. and Saravacos G.D., Int J Food Sci Tech 36:1 (21). [8] Rodriguez-Miranda J., Ruiz-Lopez I.I., Herman-Lara E., Martinez-Sαnchez C.E., Delgado- Licon E. and Vivar-Vera M.A., LWT - Food Sci and Technol 44:3 (211). [9] Thymi S., Krokida M.K. Pappa, A. and Maroulis Z.B., J Food Eng 68:4 (25). [1] Maroulis Z.B., Tsami E., Marinos-Kouris D. and Saravacos, G.D., J Food Eng 7:1 (1988). [11] Prothon F. Department of Food Engineering Lund Institute of Technology, Sweden, (23). [12] Sacchetti G., Pinnavaia G.G., Guidolin E. and Rosa M.D., Food Res Int 37:5 (24). [13] Anton A.A., Gary Fulcher R. and Arntfield S.D., Food Chem 113:4 (29). [14] Ding, Q.-B., Ainsworth P., Tucker G. and Marson H., J Food Eng 66:3 (25). [15] Bhattacharya S., J Food Eng 32:1 (1997). [16] Hagenimana A., Ding X. and Fang T., J Cereal Sci 43:1 (26). [17] Anglea S.A., Karathanos V., Karel M., Biotechnol Progr 9:2 (1993). [18] Hayter A.L. and Smith A.C., J Mater Sci 23:2 (1988). [19] Agbisit R., Alavi S., Cheng E., Herald T. and Trater A., J Texture Stud 38:2 (27). [2] Hutchinson R.J., Siodlak G.D.E. and Smith A.C., J Mater Sci 22:11 (1987). [21] Wilson C.E., Brown W.E., J Sens Stud 12:1 (1997). [22] Van Aken G.A., Soft Matter 6:5 (21).