بررسی و بهینه یابی خشک کردن تمشک و انرژي مصرفی آن در روش خشک کردن ترکیبی بسترسیال- مایکروویو با کمک روش سطح پاسخ

Iranian Food Science and Technology Research Journal Vol. 10, No. 4, Winter 2015, p. 327-336 پژوهشهاي علوم و صنایع غذایی ایران نشریه 1393 ص. 327-336 زمستان شماره 4 10 جلد بررسی و بهینه یابی خشک کردن تمشک و انرژي مصرفی آن در روش خشک کردن ترکیبی بسترسیال- مایکروویو با کمک روش سطح پاسخ *2 1 قاسم یوسفی - زهرا امام جمعه تاریخ دریافت: 1392/4/8 تاریخ پذیرش: 1393/1/27 چکیده در این مطالعه اثر پنج فاکتور شامل توان مایکروویو دماي هوا سرعت جریان هوا زمان شروع مایکروویودهی و مقدار ماده بر روي زمان و انرژي لازم براي خشک کردن تمشک سیاه تا محتواي رطوبت 50 درصد بر مبناي خشک در یک خشککن ترکیبی بستر سیال- مایکروویو مورد بررسی قرار گرفت. طرح آزمایشی شامل استفاده از روش آماري سطح پاسخ و طرح مرکب مرکزي بود. براي هر پاسخ از آنالیز رگرسیون خطی-چندگانه استفاده گردید و مدلهاي چند جملهاي درجه دوم به دست آمد. تجزیه و تحلیل واریانس (ANOVA) براي بررسی کفایت و دقت برازش مدل انجام شد. با مدل تجربی بدست آمده ارتباط بین متغیرها و پاسخهاي مورد مطالعه توسط روش سطح پاسخ تشخیص داده شد. ضرایب همبستگی مدلهاي رگرسیون C براي زمان خشک کردن و انرژي مصرفی به ترتیب 0/964 و 0/970 بود. شرایط بهینه خشک کردن شامل: توان مایکروویو 600 وات دماي هوا 85 سرعت جریان هوا 15 متر بر ثانیه زمان شروع مایکروویودهی از لحظهاي که محتواي رطوبتی 344 درصد کاهش بافته و مقدار ماده 73 گرم تعیین گردید که تحت این شرایط زمان و انرژي مصرفی به ترتیب 52/66 دقیقه و 65/2 کیلوژول توسط مدل پیشبینی شد. نتایج نشان داد که زمان و انرژي مصرفی با افزایش دما توان و مدت مایکروویودهی و کاهش سرعت جریان هوا کاهش مییابد. در این رابطه نمودار سینتیک خشک شدن نمونهها تحت شرایط ذکر شده رسم گردید که نشان داد با افزایش دما از 55 بهC 85 زمان خشک کردن %76 مییابد و مایکروویو این زمان را 30 تا %80 کاهش میدهد واژههاي کلیدي: تمشک خشک کردن روش سطح پاسخ انرژي مایکروویو 4 3 2 1 مقدمه تمشک idaeus) (Rubus درختچهاي از خانواده Rosaceae و تیره Idaeobatus که به دو صورت وحشی یا اصلاح شده در جنگلهاي شمال کشور دامنههاي شمالی و جنوبی البرز و نواحی غرب کشور فراوان است. این میوه بومی آمریکا میباشد ولی امروزه در اکثر نقاط معتدله دنیا تولید میشود. تمشک با طعم و مزه بینظیر حاوي مقادیر بالاي ترکیبات آنتیاکسیدانی مثل آنتوسیانینها فلاونوي یدها و ترکیبات فنولی میباشد که میتواند در برابر رادیکالهاي آزاد مقاومت ایجاد کند و نقش بسزایی در کاهش انواع سرطانها بیماريهاي قلبی و بسیاري از بیماريهاي مزمن داشته باشد (2008 al., Tulio ).خشک et کردن مواد غذایی یکی از قدیمیترین روشهاي نگهداري آنهاست. طی این فرایند حذف رطوبت از طریق انتقال همزمان حرارت و جرم صورت میگیرد. در اثر کاهش مقدار رطوبت ماده غذایی امکان فساد میکروبی از بین میرود و سرعت دیگر واکنشهاي شیمیایی و بیوشیمیایی نیز به مقدار قابل توجهی کم میشود (1990.(Fellows, خشک کردن یکی از دشوارترین عملیات فرآوري مواد غذایی محسوب میشود که عمدتا به دلیل ایجاد تغییرات نامطلوب در کیفیت محصولات طی خشک کردن با روشهاي معمولی با هواي داغ باعث آسیب جدي به محصول خشک شده میشود 2000) al, Lurie et al, & Moreira et.(1996 از معایب اصلی خشک کردن با هواي گرم بهرهوري کم انرژي و مدت زمان طولانی خشک کردن بخصوص در طول دوره سرعت نزولی میباشد. در حال حاضر بسیاري از محصولات کشاورزي و غذایی با استفاده خشککنهاي ترکیبی با هواي داغ فرایند میشوند 2-1 به ترتیب دانش آموخته کارشناسی ارشدو استاد گروه علوم و صنایع غذایی دانشکده مهندسی و فناوري کشاورزي پردیس کشاورزي و منابع طبیعی دانشگاه تهران (Email: emamj@ut.ac.ir (* - نویسنده مسي ول:

328 نشریه پژوهشهاي علوم و صنایع غذایی ایران جلد 10 شماره 4 زمستان 1393 بطوریکه امروزه جهت جلوگیري از کاهش کیفیت محصولات خشک شده و براي افزایش سرعت پردازش حرارتی استفاده از مایکروویو براي خشک کردن مواد غذایی رواج پیدا کرده است ) al, Li et 2007). حرارتدهی و خشک کردن با استفاده از پرتوهاي مایکروویو و رادیویی متفاوت از خشککردن به روشهاي رایج است. روشهاي رایج تابع گرادیان دماي موجود بین سطح و داخل ماده غذایی هستند در حالیکه روش حرارتدهی و تولید حرارت در مایکروویو و امواج رادیویی تابع گرادیان دما نیست. حرارتدهی با استفاده از مایکروویو و امواج رادیویی براي افزایش کارایی و سرعت فرایند خشککردن می باشد که در اکثر موارد به همراه هواي داغ به کار میرود ) et Feng Mujumdar, 2000.(al, 1998 & خشک کردن کامل غذاهاي مرطوب بوسیله مایکروویو غالبا غیراقتصادي است. بطوریکه هزینه خشک کردن کامل آنها 10 برابر هزینه خشک کردن به روش متداول است و همچنین امکان پخت فرآورده غذایی در خشک کردن کامل با مایکروویو وجود دارد (عسکري 2008). خشککنهاي بسترسیال از رایجترین سامانههایی هستند که در صنعت براي خشک کردن محصولات گرانولی دانه اي و ذرهاي و براي کاهش رطوبت موادي که رطوبت آنها در خشککنهاي دیگر به حد نهایی کاهش نیافته مورد استفاده قرار میگیرند. در میان روشهاي جدید خشک کردن ر شو بسترسیال از اهمیت و جایگاه ویژهاي برخوردار است ) et Ullmann, 2003 & Van der Hoef.(al, 2008 یکنواختی توزیع رطوبت در کل بستر درجهي بالاي انتقال جرم و حرارت بین هواي گرم و ذرات اختلاط مناسب و انتقال آسان ذرات از جمله مزایاي استفاده از خشککنهاي بستر سیال است. یکی از مهمترین معایب سیستمهاي خشککن بسترسیال اتلاف انرژي آن میباشد که در مقایسه با سایر روشهاي خشک کردن بسیار چشمگیر میباشد بطوریکه براي اکثر محصولات خشک شده راندمان انرژي کمتر از %12 بوده است ) & 1991 al, Kunni et.(nikulshin, 2002 بنابراین توجه به بهینه سازي و مدل سازي بازده مصرف انرژي هر یک از قسمتهاي خشککن بخصوص دمنده و گرمکنندهها میتواند هزینههاي انرژي مصرفی را کاهش دهد. در این نوع خشککنها به علت بالا بودن سرعت جریان هوا جهت شناورسازي هوا بدون اشباع شدن از رطوبت از خشککن خارج میشود. در انتهاي مراحل خشک کردن (بخصوص در مرحله سرعت نزولی) به علت کاهش نرخ خروج رطوبت از ماده غذایی زمان فرایند طولانیتر میگردد و به موازاي آن انرژي بیشتري مصرف میشود. بنابراین استفاده از سیستم ترکیبی بستر سیال- مایکروویو در انتهاي فرایند خشک کردن میتواند یکی از موثرترین روشها براي کاهش مصرف انرژي باشد (عسکري 2008). تاکنون محققین زیادي در زمینه خشک کردن بستر سیال استفاده از مایکروویو و محاسبه انرژي مصرفی در فرایند خشک کردن محصولات کشاورزي کار کردهاند. Brod و همکاران (1998) از یک سامانه بسترسیال ارتعاشی براي خشک کردن برشهاي هویج استفاده کردند و گزارش کردند که در مقایسه با روش هواي داغ در دماي 50 تا 60 C میزان زمان صرف شده براي خشک کردن برشهاي هویج در روش بستر سیال کمتر است. Boudhriou و همکاران (2003) خشککردن موز با هواي داغ را به سه روش خشککن هواي داغ مایکروویو و ترکیب دو روش بررسی نمودند. استفاده از مایکروویو در انتهاي فرایند زمان خشککردن را تا 64 درصد کاهش داد. قارچهاي دکمهاي توسط Giriو همکاران (2007) تحت یک سیستم اصلاح شده مایکروویو - خلاء با انرژي خروجی صفر تا 600 وات خشک شدند. اثر متغیرهاي خشککردن مثل انرژي مایکروویو فشار سیستم ضخامت محصول بر روي منحنیهاي خشک بررسی شدند. خشککن هواي داغ تحت درجه حرارتهاي مختلف براي مقایسه با خشککن ترکیبی استفاده شد. خشککن هواي داغ - مایکروویو 70 تا 90 درصد زمان خشککردن را کاهش داد. تاثیر سه روش خشک کردن هواي داغ تحت خلاء و روش ترکیبی مایکروویو همراه با هواي داغ بر روي سینتیک خشک کردن بافت رنگ ظرفیت و سرعت بازجذب آب ورقههاي قارچ دکمهاي bisporus) (Agaricus توسط شماي ی و امام جمعه (1389) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آنها نشان داد که انرژي مایکروویو زمان خشک کردن را کاهش میدهد و میتواند ساختار رنگ و بافت نهایی را متعادل کند. Nazghelichi و همکاران (2011) توانستند با استفاده از شبکههاي عصبی مصنوعی و ژنتیک الگوریتم و روش سطح پاسخ (RSM) خشک کردن تکههاي هویج را در خشککن بستر سیال از 1 لحاظ مصرف انرژي و انرژي هدر رفته بهینه سازي نمایند. همچنین طی تحقیقی میزان راندمان انرژي را در سه خشککن سینی دار C بستر سیال و پمپ حرارتی در دماي 45-55 با سرعت 1/5 متر بر ثانیه را براي خشک کردن تکههاي آلو محاسبه گردید که به ترتیب 24-40 22-38 و 72-75 درصد بودند,.2010) al.(hepbasli et هدف از انجام این تحقیق بررسی سسینتیک خشک شدن تمشک تحت شرایط مختلف در یک خشککن ترکیبی بسترسیال- مایکروویو و بهینه سازي انرژي لازم جهت خشک کردن آن میباشد مواد و روشها مواد تمشک سیاه (L (Rabus fruticocus از بازار محلی (در استان C گیلان ایران) تهیه گردید و در اسرع وقت در دماي 4 ذخیره گردید. براي انجام آزمایشها آنها را با آب شستشو و سطح آنها را با 1- exergy

بررسی و بهینه یابی خشک کردن تمشک و انرژي مصرفی آن... 329 کاغذ صافی خشک کرده و سپس آنها را بر اساس اندازه رنگ استحکام و آسیبهاي فیزیکی از هم جدا گردیدند. روشها خشککن آزمایشگاهی و تجهیزات مورد استفاده در این پژوهش از یک سیستم خشککن ترکیبی بستر سیال مایکروویو در مقیاس آزمایشگاهی که در تحقیقی دیگر براي محصولات ذرهاي در گروه علوم و صنایع غذایی دانشگاه تهران طراحی و ساخته شده بود (عسکري 2006) جهت خشک کردن تمشکها استفاده گردید. از ویژگیهاي این سیستم قابلیت اندازهگیري و ثبت آنلاین تغییرات وزن نمونه دماي هوا و رطوبت نسبی هواي ورودي و خروجی خشککن فشار هوا در ابتدا و انتهاي بستر و سرعت هوا قبل و پس از بستر میباشد. به صورت کلی توزین ذراتی که در داخل هوا شناور هستند امکانپذیر نیست. بنابراین در خشککنهاي بستر سیال که تابع چنین شرایطی هستند روشی براي اندازهگیري وزن وجود ندارد و به تبع آن سامانهاي براي اندازهگیري پیشبینی نمیشود. براي غلبه بر این مشکل خشککن مورد استفاده در این طرح در فاصلههاي زمانی مشخص جریان هواي ورودي بسته شده و سپس وزن دقیق ثبت میگردد. محفظه خشککن به شکل یک استوانه با ابعاد 12 4 اینچ از جنس پلکسی گلاس شفاف میباشد. نمونهها طبق طرح آماري روش سطح پاسخ تا کاهش محتواي رطوبت از 560±5 % به 50±0/2 % بر مبناي خشک در آن خشک گردیدند و جهت اندازهگیري کاهش رطوبت و رسم منحنی سینتیک آنها در فواصل زمانی ) 5 80 60 45 30 15 و مابقی هر 30 دقیقه تا رسیدن به محتواي رطوبت مورد نظر) با دقت 0/01 گرم توزین گردیدند. براي محاسبه نسبت رطوبت در طول فرایند از رابطه (1) استفاده شد. MR= (M t - M e) / (M 0 -M e ) (1) که: :MR نسبت رطوبت (بدون بعد) M: t محتواي رطوبت در هر لحظه از فرایند خشک کردن (کیلوگرم ماده جامد / کیلوگرم آب) M: 0 محتواي رطوبت اولیه (کیلوگرم ماده جامد / کیلوگرم آب) M: e محتواي رطوبت نهایی که % 50 میباشد (کیلوگرم ماده جامد / کیلوگرم آب) محاسبه انرژي مصرفی خشککن بسترسیال- مایکروویو براي محاسبه انرژي زمانهاي صرف شده براي قسمتهایی از خشککن (دمنده گرم کننده مایکروویو) که طی هر آزمایش انرژي مصرف کردهاند را محاسبه و با توجه به مشخص بودن توان مصرفی آنها کل انرژي صرف شده جهت خشک کردن طبق رابطه (2) محاسبه گردید. W= (P Mw t mw )+ (P Heater t Heater ) + (P blower t blower ) (2) که: W: انرژي مصرفی بر حسب- ساعت P: توان مصرفی بر حسب وات t: مدت زمان استفاده هر یک از قسمتهاي خشککن بر حسب ساعت تجزیه و تحلیل داده ها 1 روش سطح پاسخ مجموعهاي از تکنیکهاي آماري است که در بهینهسازي فرآیندهایی بکار میرود که پاسخ مورد نظر توسط تعدادي از متغیرها تحت تاثیر قرار میگیرد. شماي گرافیکی مدل ریاضی سبب تعریف واژهي روش سطح پاسخ شده است. با کمک این طرح آماري تعداد آزمایشها کاهش یافته و کلیه ضرایب مدل رگرسیون درجه دوم و اثر متقابل فاکتورها قابل برآورد هستند. مهمترین مسي له این تحقیق بررسی آثار اصلی و متقابل فاکتورها بود از اینرو طرح آماري سطح پاسخ انتخاب شد در این مطالعه اثر متغیرهاي مستقل شامل: توان مایکروویو ) 1 X) دماي هواي ورودي ) 2 X) سرعت جریان هوا ) 3 X) زمان شروع اعمال مایکروویو بر حسب کاهش محتواي رطوبتی ) 4 X) و مقدار نمونه در بستر ) 5 X) در سه سطح مورد ارزیابی قرار گرفت در جدول 1 متغیرهاي مستقل فرایند و مقادیر آنها نشان داده شده است. جدول 1- متغیرهاي فرایند خشک کردن و سطوح آنها در طرح مرکب مرکزي مدل مورد استفاده در روش سطح پاسخ عموما رابطهي درجه دوم میباشد. در روش سطح پاسخ براي هر متغیر وابسته مدلی تعریف میشود که آثار اصلی و متقابل فاکتورها را بر روي هر متغیر جداگانه بیان مینماید مدل چند متغیره به صورت معادله زیر میباشد. 1 -Response Surface Methodology

330 نشریه پژوهشهاي علوم و صنایع غذایی ایران جلد 10 شماره 4 زمستان 1393 Y= β 0 + β 1 X 1 + β 2 X 2 + β 3 X 3 + β 4 X 4 + β 5 X 5 + β 1 X 2 1 + β 2 X 2 2 + β 3 X 2 3 + β 4 X 2 4 + β 5 X 2 5 + β 12 X 1 X 2 + β 13 X 1 X 3 + β 14 X 1 X 4 + β 15 X 1 X 5 + β 23 X 2 X 3 + β 24 X 2 X 4 + β 25 X 2 X 5 + β 34 X 3 X 4 + β 35 X 3 X 5 + β 45 X 4 X 5 ( 3) در معادله مذکور Y پاسخ پیش بینی شده β 0 ضریب ثابت β 1 2 2 2 2 2 2 β 4 β 3 β و β 5 ضرایب خطی β 4 β 3 β 2 β 1 و β 5 اثرات مربعی و β 35 β 34 β 25 β 24 β 23 β 15 β 14 β 13 β 12 و β 45 اثرات 1 متقابل میباشند. در این تحقیق از طرح کامپوزیت مرکزي با پنج متغیر مستقل شامل توان مایکروویو دماي هوا سرعت جریان هوا زمان شروع مایکروویودهی و مقدار نمونه در سه سطح یک بلوك و 10 تکرار در نقطه مرکزي طرح (براي محاسبه تکرار پذیري فرآیند) جهت بررسی تاثیر شرایط بر طول دوره خشک کردن و انرژي مصرفی و بهینه سازي فرآیندهاي مذکور استفاده شد (جدول 2).(Kargozari et al, 2010) نتایج و بحث پس از محاسبه زمان و انرژي مصرفی براي خشک کردن تمشک تا محتواي رطوبت 50 درصد بر مبناي خشک در یک خشککن ترکیبی بسترسیال- مایکروویو در مقیاس آزمایشگاهی دادههاي به دست آمده را بوسیله طرح روش سطح پاسخ با پنج فاکتور توان مایکروویو (صفر 300 و 600 وات) دماي هواي ورودي به بستر ) 55 70 و 85 درجه سانتیگراد) سرعت جریان هوا (15 20 و 25 متر بر ثانیه) زمان شروع مایکروویودهی بر اساس کاهش محتواي رطوبت ) 334 400 و 466 درصد بر مبناي خشک) و مقدار نمونهها در بستر (50 100 و 150 گرم) تجزیه و تحلیل گردید و نتایج در جدول 2 آورده شده است. در جدول 3 نیز نتایج آنالیز واریانس حاصل از بررسی متغیرهاي مستقل بر روي متغیرهاي وابسته آورده شده است. طبق نتایج آنالیز واریانس مدل رگرسیون زمان لازم براي خشک کردن تا محتواي رطوبتی 50 درصد بر مبناي خشک در سطح %5 معنیدار به صورت بدست آمده است: Y drying time = 960.97-0.711X 1-35.25X 2 + 284.4X 4 + 2.67X 5 + 0.207X 2 2 + 0.0036X 1 X 2 + 0.0998X 1 X 4 ( 4) از تجزیه و تحلیل نتایج آزمایشها میتوان نتیجه گرفت که تاثیر توان مایکروویو و دماي هوا در سطح p<0/0001 و زمان اعمال مایکروویو در سطح 0/01>p و مقدار ماده در بستر در سطح 0/05>p بر روي زمان لازم جهت کاهش محتواي رطوبت به یک مقدار مشخص معنیدار بوده است در صورتی که تاثیر سرعت جریان هوا در محدوده مورد مطالعه در سطح 0/05>p معنی دار نیست و ضریب همبستگی مدل رگرسیون زمان خشک کردن 0/964 بود. به منظور بررسی راحتتر تاثیر هر یک از متغیرهاي مستقل بر روي زمان خشک شدن پلاتهاي سطحی ترسیم شد. همان طور که در نمودار شکل 1 مشخص است با افزایش دماي هواي ورودي و توان مایکروویو زمان لازم براي خشک شدن کاهش مییابد. همچنین هر چه مایکروویودهی در طول فرایند خشک کردن زودتر شروع شود این زمان بیشتر کاهش مییابد. کار انجام شده مشابهی که توسط کانتراس (2012) در مورد خشک کردن توت فرنگی با هواي گرم همراه مایکروویو صورت گرفته بیانگر تاثیر مثبت مایکروویو بر کاهش زمان لازم براي خشک کردن بوده است. تاثیر سرعت جریان هوا بر زمان خشک کردن در محدوده 150-50 گرم نمونه در بستر در نمودار شکل c-1 نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده میشود با افزایش سرعت جریان هوا از داخل بستر خشککن تاثیر کمی در کاهش زمان خشک کردن در مقایسه با فاکتورهاي دیگر دارد. بطور کلی عامل محدودکننده انتقال جرم را میتوان به عامل درونی (ماده غذایی) و عامل بیرونی (سرعت جریان هوا رطوبت هوا و...) تقسیم کرد. مقاومت داخلی در برابر انتقال رطوبت عامل مهم و کنترل کننده فرآیند خارج شدن آب از نمونهها میباشد و افزایش سرعت هوا بعنوان یکی از عوامل موثر در انتقال رطوبت در سیستمهاي خشککن بستر سیال نمیتواند تاثیر چندانی در مقاومت داخلی و در نتیجه فرآیند جدا شدن آب داشته باشد. منحنی خشک کردن نمونههاي خشک شده با هواي داغ در سه دماي 70 55 و 85 درجه سلسیوس بدون مایکروویودهی و اعمال مایکروویودهی (600 وات) از لحظهاي که محتواي رطوبت به مقدار 334 و 400 گرم رطوبت در گرم ماده خشک کاهش مییابد مورد بررسی قرار گرفت. در این رابطه نمودار سینتیک خشک شدن نمونهها تحت شرایط ذکر شده که در شکل 2 نشان داده شده است رسم گردید. محتواي رطوبت اولیه تمشک تازه 560±5 درصد گرم آب بر مبناي خشک بوده است که در نهایت رطوبت نهایی آنها را به 50±0/2 درصد گرم آب بر مبناي خشک رسانیده شد. همانطور که در نمودار شکل 2 مشاهده میشود مقدار رطوبت به طور مداوم طی زمان خشک کردن کاهش مییابد و زمان لازم براي خشک کردن در دماهاي بالاتر کمتر میباشد بطوریکه با افزایش دما از 55 به 70 و 85 درجه سلسیوس زمان لازم براي خشک کردن به ترتیب 38 و 76 درصد کاسته میشود. همانطور که در منحنی افت رطوبت مشاهده میشود شیب منحنیها طی زمان تغییر میکند و کاهش مییابد و این کاهش در مورد دماهاي کمتر محسوستر میباشد. این پدیده نشانگر این است که با تغییر شیب منحنی خشک شدن محصولات وارد مرحله خشک شدن با آهنگ نزولی میگردد. اگر منحنی سرعت کاهش رطوبت را طی زمان براي دماهاي مختلف رسم گردد ما شاهد دو قسمت سرعت ثابت و سرعت نزولی هستیم که با افزایش دما از 1- Central Composite Design

بررسی و بهینه یابی خشک کردن تمشک و انرژي مصرفی آن... 331 قسمت سرعت نزولی کاسته میشود و بر قسمت سرعت ثابت افزوده میشود. شکل 1- نمودار سطحی و خطی زمان خشک شدن (بر حسب دقیقه) در برابر اثرات متقابل مستقل استفاده از مایکروویو میتواند سرعت خشک شدن نمونهها را افزایش داده و زمان فرایند خشک کردن را کاهش دهد. استفاده از مایکروویو در یک دماي هواي مشخص موجب کاهش زمان فرآیند بسته به دماي هوا توان و زمان شروع مایکروویودهی به 30 تا 80 درصد زمان خشک کردن با هواي داغ شدهاست. تاثیر مایکروویو بر کاهش زمان فرایند در دماهاي پایینتر بیشتر از دماهاي بالاتر میباشد. نتایج حاصل از خشک کردن قارچ توسط (2007) Giri در سه دماي 60 50 و 70 درجه سلسیوس نشان داد که استفاده از مایکروویو با توان 600 وات زمان خشک کردن را 90-70 درصد کاهش میدهد. همچنین لیلا مومن زاده و همکاران (2011) خصوصیات خشک کردن ذرت پوست کنده را در سیستم خشککن بستر سیال با استفاده از توانهاي مختلف مایکروویو در دماهاي مختلف بررسی کردند. آنها بیان کردند که افزایش دما تنها % 5 زمان خشک کردن را کاهش میدهد در صورتی که با استفاده از مایکروویو میتوان تا % 50 این زمان را کاهش داد. همانگونه که در نمودار شکل 2 مشاهده میشود با اعمال مایکروویو شیب منحنی کاهش محتواي رطوبت افزایش مییابد و زمان خشک کردن را کاهش میدهد. علت افزایش سرعت خشک کردن در این مرحله مکانیسم خاص گرمادهی توسط مایکروویو است که به صورت حجمی بوده و منجر به افزایش سریع فشار بخار داخلی شده و باعث رانده شدن جریان مایع به طرف سطح محصول میشود. استفاده از مایکروویو در دماهاي پایین در مقایسه با دماهاي بالاتر در خشک کردن مواد غذایی کارایی بیشتري دارد. استفاده از هواي گرمتر موجب افزایش سرعت خشک شدن میشود اما با توجه به ایجاد مقاومت حرارتی در نتیجه به وجود آمدن یک لایه سخت در سطح محصول استفاده از هواي گرم داراي محدودیت است شکل 2- نمودار سینتیک خشک شدن تمشک در دماهاي 70 55 و 85 درجه سانتیگراد و بدون و با اعمال مایکروویو (600 وات) از لحظهاي که محتواي رطوبت به مقدار 334 و 400 درصد بر مبناي خشک کاهش یافت و موجب آسیب دیدن ماده غذایی خواهد شد. بنابراین استفاده از دماهاي بالا علاوه بر افزایش آسیب حرارتی به محصول تاثیر زیادي در تشکیل لایه سخت دارد. در این حالت حرارت دهی ديالکتریک با توجه به ماهیت خاص خود که تنها توسط مواد جاذب (که مهمترین آنها در مواد غذایی آب است) جذب شده و با تبدیل به انرژي حرارتی در داخل محصول میتواند بر این مشکل غلبه کند (عسکري و همکاران 2006).

332 نشریه پژوهشهاي علوم و صنایع غذایی ایران جلد 10 شماره 4 زمستان 1393 انرژي مصرفی نتایج آنالیز واریانس مدل رگرسیون انرژي مصرفی براي خشککردن تمشک در یک خشککن بسترسیال تحت مایکروویو با توان 900 وات گرمکننده 2000 واتی و دمنده 550 واتی با ضریب همبستگی 0/970 در جدول 3 آمده است. مدل به دست آمده انرژي مصرفی در سطح %5 معنیدار به قرار ذیل بوده است. Y Energy = 1087.81-0.84425 X 1-22.347 X 2 + 21.0334X 3 + 323.212X 4 9.5725X 5 + 0.02223X 2 5 + 0.00312X 1 X 2 + 0.1252X 1 X 4 + 0.00087X 1 X 5 + 0.0746X 2 X 5 0.4979X 4 X 5 ( 4) انرژي و هزینه بالاي آن یکی از مهمترین فاکتورهایی است که صنعت توجه زیادي به آن دارد. در صنعت خشکبار نیز قسمت عمده هزینه تولید مربوط به انرژي میباشد لذا توجه به این قسمت و کاهش مصرف انرژي از طریق مختلف مانند: چرخش هواي گرم استفاده از پیش تیمارهاي مناسب جهت کاهش زمان فرایند استفاده از روشها و تکنولوژيهاي مناسب و... در این راستا از اهمیت خاصی برخوردار میباشد. همانگونه که در شکل 3 مشخص است با افزایش توان مایکروویو و مدت استفاده از آن در طی فرایند خشک کردن میتوان تا حد زیادي میزان مصرف انرژي را کاهش داد. همچنین افزایش دماي هوا نیز میزان مصرف انرژي را کاهش میدهد. استفاده از دماهاي پایینتر به علت طولانی بودن زمان فرایند مناسب نیست از طرفی استفاده از دماهاي بالاتر نیز به علت حساس بودن ترکیبات فیتوکمیکالی و مواد مغذي امکان پذیر نمیباشد. بدین منظور استفاده از مایکروویو با توجه به توان مصرفی کمتر آن در مقایسه با گرم کننده (900 به 2000 وات) موثر بودن آن به علت حجمی بودن تابش آن و تاثیر مخرب کمتر بر مواد مغذي میتواند در انتهاي فرایند خشککردن مناسب باشد. دمنده یکی از قسمتهاي پر مصرف انرژي خشککنهاي بستر سیال میباشد که به علت اینکه بتواند مواد را در محفظه بصورت شناور نگه دارد انرژي زیادي مصرف میکند. بنابرین براي صرفهجوي ی در مصرف انرژي بایستی تا حد ممکن از سرعتهاي کمتر و نزدیک به حداقل سرعت شناورسازي استفاده کرد. نتایج و مطالعات صورت گرفته در زمینه راندمان مصرف انرژي جهت خشک کردن مواد غذایی در خشککن بستر سیال نشان میدهد که افزایش سرعت جریان هوا بیش از حداقل سرعت شناورسازي باعث کاهش راندمان مصرف انرژي میشود (2002.(Nikulshin., گزارشات Nazghelichi و همکاران (2011) بر روي خشک کردن تکه هاي هویج بیانگر همین موضوع میباشد. استفاده از مواد بیشتر در بستر به علت اینکه نسبت انرژي مصرفی را به مقدار ماده کاهش میدهد در نگاه اول مناسب به نظر میرسد ولی به علت تاثیر منفی بر کیفیت محصول تولیدي مناسب نمیباشد. تعیین شرایط بهینه کمینه نمودن زمان فرایند و انرژي مصرفی به عنوان اهداف مورد نظر آزمایشات در تجزیه و تحلیلهاي آماري مورد نظر قرار گرفته و بدین گونه شرایط براي انجام فرایند بهینه که از روش سطح پاسخ حاصل شده است بدست آمد: توان مایکروویو 600 وات دماي هواي خشککن 85 درجه سلسیوس سرعت هوا 15 متر بر ثانیه زمان شروع مایکروویودهی زمانی که محتواي رطوبتی 334 درصد بر حسب ماده خشک کاهش یافت و مقدار ماده 73/23 گرم. تحت این شرایط مقدار پیشبینی شده توسط مدل براي زمان لازم براي خشک شدن و انرژي مصرفی به ترتیب 52/66 دقیقه و 65/2 کیلوژول بود. با توجه به پاسخی که توسط مدل و نقطه بهینه با 3 تکرار مورد آزمون قرار گرفت تا از صحت شرایط پیش بینی شده توسط مدل اطمینان حاصل شود. نتایج بدست آمده از آزمون نقطه بهینه پیش بینی شده با مقدار پیشبینی شده توسط آن مقایسه گردید که حاکی از دقت بالاي مدل در پیشبینی پاسخها بود (جدول 4). نتیجه گیري در این تحقیق تمشک در شرایط مختلف در یک خشککن ترکیبی بسترسیال- مایکروویو خشک شد و سینتیک افت رطوبت آنها بدست آمد. همچنین مدت زمان لازم و انرژي جهت خشک کردن آنها محاسبه شد و با استفاده از روش سطح پاسخ و طرح مرکب مرکزي مدلسازي گردید. براي بررسی کفایت و دقت برازش مدل آنالیز واریانس انجام شد. تجزیه واریانس و نمودارهاي سطحی تاثیر فاکتورها را بر روي پاسخها نشان دادند که افزایش دماي هواي ورودي تاثیر مثبت در کاهش انرژي مصرفی و زمان فرایند دارد. همچنین استفاده از مایکروویو در انتهاي فرایند خشک کردن بخصوص در توانهاي بالاتر و زمانهاي طولانیتر مفید میباشد. در این رابطه جهت بررسی بهتر تاثیر این عوامل بر زمان خشک شدن نمودار سینتیک آنها رسم گردید که نشان داد با افزایش دما از 55 به C 85 زمان خشک کردن 38 تا %76 و استفاده از مایکروویو این زمان را 30 تا %80 کاهش میدهد و هر چه مدت اعمال مایکروویو بیشتر باشد این زمان بیشتر کاهش مییابد. با توجه به اهداف مورد نظر شرایط براي انجام آزمایش بهینهسازي گردید که شرایط بهینه شامل: دماي هواي 85 درجه سلسیوس سرعت هوا 15 متر بر ثانیه زمان شروع مایکروویودهی زمانی که محتواي رطوبتی 334 درصد بر حسب ماده خشک کاهش یافت و مقدار ماده 73/23 گرم بود. تحت این شرایط زمان لازم براي خشک شدن و انرژي مصرفی به ترتیب 52/66 دقیقه و 65/2 کیلوژول پیشبینی شد که جهت اطمینان از صحت شرایط آزمایش در حالت بهینه سه مرتبه تکرار گردید.

بررسی و بهینه یابی خشک کردن تمشک و انرژي مصرفی آن.. 333 جدول 2- طرح کامپوزیت مرکزي و نتایج آزمونها در نقاط مشخص شده نتایج این تحقیق نشان داد که در عملیات خشک کردن با دقت در انتخاب در نوع روش و تغییرات جزي ی در طراحی سیستم خشککن تغییر در نوع حرارتدهی چند مرحلهاي کردن فرایند خشک کردن و... مانند استفاده ترکیبی از مایکروویو در خشککن بسترسیال میتوان به میزان زیادي در مصرف انرژي و زمان فرآیند صرفهجویی کرد.

334 نشریه پژوهشهاي علوم و صنایع غذایی ایران جلد 10 شماره 4 زمستان 1393 جدول 3- آنالیز آماري و تجزیه واریانس مربوط به زمان خشک شدن و انرژي مصرفی شکل 3- نمودار سطحی و خطی انرژي مصرفی (بر حسب کیلوژول) در برابر اثرات متقابل مستقل جدول 4- مقایسه نتایج حاصل از آزمون بهینهسازي شده و نتایج آماري

بررسی و بهینه یابی خشک کردن تمشک و انرژي مصرفی آن... 335 تشکر و قدردانی از مسي ولین آزمایشگاه پدیدههاي انتقال گروه علوم و مهندسی صنایع غذایی دانشگاه تهران به خاطر همکاري و در اختیار قرار دادن تجهیزات و جناب آقاي برخوردار به خاطر در اختیار دادن محصول باغ خود جهت انجام این تحقیق تشکر و قدردانی میگردد. منابع شماي ی س. 1388. پیش بینی خصوصیات کیفی زغال اخته خشک شده به روش ترکیبی اولتراسوند- اسمزي- مایکروویو با مدلسازي شبکه عصبی. پایان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه تهران. عسگري غ. ر. 1388. مدل سازي فرآیندهاي انتقال جرم و حرارت در قطعات مکعبی سیب حین خشک شدن در خشککن ترکیبی بستر سیال- مایکروویو پایان نامه دکتري دانشگاه تهران. Askari, GR., Emam-Djomeh, Z., Mousavi, SM. 2006. Effect of combined coating and microwave assisted hot-air drying on the texture, microstructure and rehydration characteristics of apple slices. Journal of Food Science and Technology. 12(1) : 39-46. Boudhriou, N., Giampaoli, P., and Bonazzi., C. 2003. Changes in aromatic components of banana during ripening and air-during. U- Technol. 36: 633-642. Brod, FPR., Alonso, LFT., Rosa, RHC., Minagava, FK., and Park, KJ. 1998. Carrot drying in a vibro-fluidized dryer. Drying, proceeding of the 11th international drying symposium, Halkidiki, Greece. Contreras, C., Martın-Esparza, M.E., Chiralt, A. and Martınez-Navarrete, N. 2012. Influence of microwave application on convective drying:effects on drying kinetics, and optical and mechanical properties of apple and strawberry. Journal of Food Engineering. 88, 55 64. Fellows, P. 1990. Food Processing Technology. Principles and Practice, Ellis Horwood, New York. Feng, H., and Tang, J. 1998. Microwave finish drying of diced apple in a spouted bed. Journal of Food science. 4(63): 679-683. Giri, SK., and Prasad, S. 2007. Drying kinetics and rehydration characteristics of microwave-vacuum and convector hot-air dried mushrooms. Journal of Food Engineering. 78 : 512-521. Hepbasli, A., Erbay, Z., Colak, N., Hancioglu, E., Icier, F. 2010. Exergetic performance assessment of three different food driers. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 224, 1 12. Kargozari, M., Moini, S., Emam-Djomeh, Z. 2010. Prediction of some physical properties of osmodehydrated carrot cubes using response surface methodology. Journal of Food Processing and Preservation, 34, 1041 1063. Kunni, D. and O. Levenspiel. 1991. Fluidization Engineering. Stoneham-Butterworth Heineman, USA. Li, Y., Xu Shi-Ying, Da-Wen, S. 2007. Preparation of garlic powder with high allicin content by using combined microwave vacuum and vacuum drying as well as microencapsulation. Journal of Food Engineering. 83: 76 83. Lurie, S., and Nussiouitch, A. 1996. Compression characteristics, firmness and texture perception of the treated and unheated apples, Int. Journal of Food science and Technology. 31: 1-5. Momenzadeh, L., Zomorodian, A., and Mowla, D. 2011. Experimental and theoretical investigation of shelled corn drying in a microwave-assisted fluidized bed dryer using Artificial Neural Network. food and bioproducts processing. 89: 15 21. Moreira, RM., Figueired, A., and Sereno, A. 2000. Shrinkage of apple disks during drying by warm air convection and freeze drying. Drying Technology. 182 : 279-294. Mujumdar, AS. 2000. Drying technology in agricultural and food science. Publishers Inc. Plymoth, UK. 61-98. Nazghelichi, T., Aghbashlo, M., and Kianmehr, MH. 2011. Optimization of an artificial neural network topology using coupled response surface methodology and genetic algorithm for fluidized bed drying. Computers and Electronics in Agriculture. 75: 84 91. Nikulshin.v. 2002. Exergy Efficiency calculation of energy intensive system, Chemical engineering science., (2). Tulio, J.r., Reese, R.N., Wyzgoski, F.J., Rinaldi, P.L., Fu, R., Scheerens, J.C. and Miller, A.R. 2008. Cyanidin 3- rutinoside and cyanidin 3-xylosylrutinoside as primary phenolic antioxidants in black raspberry. Journal of Agriculture and Food Chemistry. 56, 1880 1888. Ullmann, G. 2003. Encyclopedia of Industrial Chemistry, 3rd Ed., Wiley-VCH. 14: 383-405. Van der Hoef, MA., Van Sint Annaland, M., Deen, NG., Kuipers, JAM. 2008. Numerical simulation of dense gas-solid fluidized beds: A multiscale modeling strategy. Annual Review of Fluid Mechanics. 40, 47-70.

Iranian Food Science and Technology Research Journal Vol. 10, No. 4, Winter 2015, p. 327-336 نشریه پژوهشهاي علوم و صنایع غذایی ایران جلد 10 شماره 4 زمستان 1393 ص. 327-336 Evaluation and optimization drying raspberries and energy consumption in the combined Fluidized bed- Microwaves drying system via response surface methodology Abstract G. Yousefi 1 - Z. Emam-Djomeh 2 * Received: 29-06-2013 Accepted: 16-04-2013 The present research surveyed the effect of five factors including: microwaves power, air temperatures and its flow rates, microwaving time onset and amount of substances on the requested time and energy for combined fluidized bed- microwaves drying of black raspberry into 50% dry base wet content. Response surface methodology and Central composite was used as experimental design. Multiple linear regression was used for obtaining second polynomials models for each analyses followed by ANOVA analysis in order to confirming the adequacy and accuracy of resulted models. Using the empirical resulted model the relationship between variables and responses were determined via response surface method. Correlation coefficients of the regression models were 0.964 and 0.970 respectively for the drying time and energy consumption. The Optimized drying condition were including; 600 watts for microwaves power and microwaving onset from that time as the moisture content was 344% decreased,73 g for amount of substances, and 85 C and 15 m.s -1 for air temperatures and its flow rates respectively. Under mentioned conditions, the fitted model was predicted 52.66 Min and 65.2 Kj respectively for the requested drying time and energy consumption at combined drier. As a conclusion, the results showed that requested drying time and energy consumption were decreased with increasing of temperatures, microwaving time and its power, and decreasing of air flow rates. In this regard, the drying kinetics curve samples were drawn under the conditions listed that showed drying time is reduced to 76% with increasing temperature from 55 to 85 and use the microwave reduced drying time until 30 to 80%. Keywords: Raspberry, Drying, Response Surface Methodology, Energy, Microwave. 1 and 2- M.Sc Student and Professors, Department of food science and Engineering, University of Tehran, Respectively (*- Corresponding Author Email: emamj@ut.ac.ir)