Model suszenia mikrofalowo-podciśnieniowego owoców i warzyw

Na podstawie przeprowadzonych własnych badań kinetyki suszenia oraz danych literaturowych można stwierdzić, że suszenie owoców i warzyw metodą mikrofalowo-podciśnieniową znacznie skraca czas suszenia w porównaniu do konwekcyjnego oraz poprawia jakość suszu. Stwierdzono, że występują znacznie mniejsze zmiany w strukturze wewnętrznej, zawartości witaminy C, beta karotenu w produkcie oraz charakteryzuje się on lepszą podatnością na rehydratację, a także barwą w porównaniu z produktem suszenia konwekcyjnego. Przekroczenie pewnej granicznej mocy przypadającej na jednostkę masy suszonego materiału powoduje jego spalenie. Poza tym jest to metoda bardziej energochłonna w porównaniu do metody konwekcyjnego suszenia. Dokładne poznanie procesów zachodzących w materiale i zmian jego właściwości oraz wpływu parametrów na te zmiany podczas suszenia pozwoli na jego optymalizację pod względem cech jakościowych i zużycia energii. Taką możliwość dają modele matematyczne procesu. Sformułowany w pracy model procesu suszenia mikrofalowo-podciśnieniowego umożliwia określenie rozkładu zawartości wody w czasie i przestrzeni wewnątrz materiału, a także równoczesną ocenę jakości poprzez kinetykę zmian zawartości cukrów ogółem, witaminy C, współczynnika skurczu suszarniczego oraz analizę kinetyki uwadniania suszu. Równania zmian zawartości wody, temperatury i ciśnienia zostały utworzone na bazie teorii Łykowa opisującej transport ciepła i masy w ciałach kapilarno-porowatych. Teoria ta zakłada, że transport odbywa się w wyniku działania trzech gradientów: stężenia, temperatury i ciśnienia. Dodatkowo w strukturze modelu uwzględniono równanie opisujące proces ponownego uwadniania próbki (na podstawie II prawa Ficka). Model ten umożliwił jednoczesną analizę wpływu zmiany mocy mikrofal oraz podciśnienia na szybkość zmian zawartości wody oraz zawartości cukrów ogółem, witaminy C, współczynnika skurczu w materiale, ponadto kinetykę rehydratacji. Struktura tego modelu została wyprowadzona głównie na podstawie praw nauki oraz hipotez. Jedynie współczynnik skurczu został opisany równaniem semiempirycznym. Uwzględnienie zmienności współczynników dyfuzji ciepła i masy w zależności od zmian zawartości wody pozwoliło na dokładniejszy opis przebiegu transportu ciepła i masy w materiale w czasie. W modelu nie zostały uwzględnione cechy sensoryczne takie jak barwa, smak, zapach oraz kinetyka zmian zawartości enzymów i olejków eterycznych. Można jednak próbować znaleźć związek pomiędzy barwą a zawartością cukrów, czy smakiem a zawartością cukrów i witaminy. W modelu nie ma też równań opisujących zmiany zawartości innych witamin poza witaminą C czy innych składników odżywczych, ale struktura modelu pozwala na jego rozszerzenie. Można zatem uznać, że model charakteryzuje się uniwersalnością. Zaproponowany model umożliwia zatem pełniejszą analizę procesu i ocenę wpływu kilku parametrów termodynamicznych na procesy zachodzące wewnątrz materiału. Jednocześnie umożliwia ocenę zmian pod względem zawartości składników odżywczych, odkształceń i kinetyki ponownego uwodnienia.

The paper presents generalised mathematical model of the microwave-vacuum dryling process for fruit and vegetables, which characterises heat and mass transport and changes in selected qualitative characteristics including: content of vitamin C and saccharides, and deformations defined by dehydration shrinkage coefficient. A rehydration kinetics model has been proposed because it is also possible to evaluate dried material by its rehydration capacity. The Lykov model was employed to characterise heat and mass transport. The model was formulated for transient drying process of capillary-porous substances, which takes into account the effects of concentration, temperature and pressure gradient on water transport to the material surface. The analysis of microwave-vacuum drying process shows that it is necessary to take into account these gradients in order to obtain complete specification of this process. Qualitative characteristics were presented by equations defining kinetics of changes for saccharides and vitamin C, and an algebraic equation defining changes of dehydration shrinkage coefficient in relation to water content. Empirical verification for the material of parsley, garlic and apple, carried out by comparing experimental results to computations made using the models, confirmed their correctness and sensitivity to parameter changes. On the grounds of example simulation computations, carried out using the drying and rehydration models for the analysed materials, it was proved that the increase of microwave energy stream at constant underpressure results in higher rate of water content changes. Similar effects are observed in the case of increasing underpressure at constant microwave energy stream. The impact of microwaves gives higher drying effect than the changes of underpressure within assumed variability ranges. Moreover, it was found that the lower water content in dried material, the higher saccharides content and higher shrinkage, but lower vitamin C content and lower susceptibility to rehydration.