بخشی از مقاله
چکیده:
خشک کردن یکی از روشهای نگهداری طولانی مدت مواد غذایی محسوب میشود که با انتقال همزمان جرم و حرارت همراه است. بنابراین، از نظر مصرف انرژی بسیار پرهزینه است. در این تحقیق سعی شده است تا بهکمک امواج فراصوت با توان بالا و تغییر در بافت میوهی سیب، نرخ فرایند خشکشدن را بهبود بخشید.
برای این منظور، برشهای مکعبی سیب به ابعاد 2×2×2 سانتیمتر مکعب در دمای محیط 25 - درجه سانتیگراد - و درون یک دستگاه حمام فراصوت با توان 70 وات و فرکانس 28 کیلوهرتز در سه سطح زمانی 20، 40 و 60 دقیقه تحت تیمار قرار گرفتند. سپس نمونهها تا رسیدن به وزن ثابت درون آون با دمای 105 درجه سانتیگراد خشک شدند. نتایج بررسیها نشان داد که شدت خشکشدن در نمونههای تحت تیمار بیش از نمونهی شاهد بوده است. بهکارگیری فراصوت سبب کاهش 12-26/5 درصدی در رسیدن نمونهها از رطوبت اولیهی 5/89 به 0/1 - بر پایهی خشک - شده است.
مقدمه
خشک کردن یکی از روشهایی است که بهمنظور نگهداری طولانی مدت مواد غذایی بهخصوص میوهها و سبزیجات مورد استفاده قرار میگیرد که با انتقال همزمان جرم و حرارت همراه است. بنابراین، از نظر مصرف انرژی بسیار پرهزینه است
با توجه به کاهش منابع سوختی و بهمنظور صرفهجویی در مصرف انرژی بهویژه در فرایندهای خشک کردن، روشهای گوناگونی درجهت کاهش درصد رطوبت اولیهی محصول و کاهش مدت زمان فرایند خشک شدن مورد استفاده قرار گرفته است. از جملهی این روشها میتوان به فشردهسازی تک محوری، اشباعسازی خلا، تیمار اسمزی پیش از فرایند خشک شدن و غیره اشاره نمود. اگرچه تمامی این روشها تاثیر قابل ملاحظهای از خود بر روی نرخ و مدت زمان انجام فرایند خشکشدن نشان دادهاند اما، بایستی تاثیر نامطلوب این روشها بر روی ساختار و کیفیت محصول تولیدی نیز مورد توجه قرار گیرد
یکی از روشهای نوینی که امروزه برای این منظور مورد استفاده قرار میگیرد، بهکارگیری امواج فراصوت با توان بالا در جهت افزایش نرخ فرایند خشک شدن میباشد.
امواج فراصوت که از گذشتههای بسیار دور در طبیعت و توسط بسیاری برخی از جانداران از جمله خفاش، فیل و دلفینها مورد استفاده قرار میگرفته است، دارای فرکانسی در محدودهی 20 کیلوهرتز تا 100 مگاهرتز بوده و توسط گوش انسان قابل شنیدن نیستند پیش از جنگ جهانی دوم، بهکارگیری این امواج در برخی صنایع آغاز شده و تاکنون نیز ادامه داشته است
براساس طبقهبندی صورت گرفته، امواج فراصوت در دو گروه امواج با توان کم - فرکانس بالا - و امواج فراصوت با توان بالا - فرکانس کم - جای میگیرند. گروه اول به دلیل شدت کم امواج تاثیر قابل ملاحظهای بر روی ساختار مواد نداشته هیچگونه تغییر فیزیکی و شیمیایی در آن ایجاد نخواهند کرد . بههمین دلیل، از این گروه اغلب در مانیتورینگ فرایندها و کیفیت سنجی مواد مختلف استفاده میشود
اما، امواج فراصوت با توان بالا سبب ایجاد برخی تاثیرات از قبیل ایجاد حرارت، اغتشاش، گسیختگی مکانیکی و یا تغییرات فیزیکی شیمیایی در ساختار مواد خواهند شد
از این تاثیرات بهخوبی میتوان در اجرا و یا کمک به انجام فرایندهایی از قبیل جوشکاری و شکلدهی پلاستیک و فلزات، کف زدایی، عصارهگیری، امولسیون سازی، ریز ساختن ذرات، هموژنیزاسیون، تمیز کردن، خشک کردن و غیره استفاده نمود
امواج فراصوت با توان بالا هنگام عبور از یک بافت متراکم سبب ایجاد انقباض و انبساطهای پیدرپی خواهند شد. این پدیده اثر اسفنجی نامیده میشود. در بافتهایی همچون بافت میوهها و سبزیجات، نیروی مکانیکی ناشی از این پدیده میتواند از نیروی کشش سطحی که وظیفهی نگهداری رطوبت داخلی را بر عهده دارد بیشتر بوده و با ایجاد میکروکانالهایی در ساختار مواد، به خروج سریعتر رطوبت در طول فرایند خشک شدن کمک نماید
در سالهای اخیر، مطالعات گوناگونی در زمینهی بهکارگیری این امواج در خشککردن محصولات مختلف گزارش شده است. جامبراک1 و همکارانش در سال 2007 به بررسی تاثیر استفاده از امواج فراصوت با دو فرکانس و شدت متفاوت بهترتیب 20 و 40 کیلوهرتز، 39 -43 و 0/5 وات بر سانتیمترمربع در سرعت بخشی به فرایند خشک شدن کلم بروکلی، قارچ دکمهای و گلکلم پرداختند. نتایج تحقیقات آنها نشان داد که امواج فراصوت سبب کاهش زمان فرایند خشک شدن در نمونههای تحت تیمار نسبت به نمونهی شاهد شده است
فرناندس و رودریگس2 در سال 2007 از امواج فراصوت با فرکانس 25 کیلوهرتز و شدت 4870 وات بر مترمربع در فرایند خشک شدن نمونههای استوانهای موز به ارتفاع 0/026 متر و قطر 0/01 متر استفاده کردهاند. نمونهها پس از تیمار فراصوت درون یک آون با رطوبت هوای 16 درصد و دمای 60 درجهی سانتیگراد خشک شدند. نتایج تحقیقات آنها نشان داد که میزان گلوکز در نمونههای تحت تیمار حدود 11 درصد نسبت به نمونهی شاهد کاهش یافته است. همچنین زمان انجام فرایند نیز به همین میزان کاهش یافته است
نتایج تحقیقات فرناندس و همکارانش در سال 2008 بر روی میوهی عنبهی هندی نیز نشاندهندهی کاهش 16 درصدی زمان خشک شدن و 13/8 درصدی میزان گلوکز پس از 30 دقیقه استفاده از فراصوت میباشد .
علاوه براین، نوواکا3 و همکارانش در سال 2012 تاثیر فراصوت بر روی برخی خواص فیزیکی میوهی سیب از جمله چگالی، چروکیدگی و تخلخل را مورد مطالعه قرار دادند. آنها در تحقیقات خود از امواج فراصوت فراصوت با فرکانس 35 کیلوهرتز در سه سطح زمانی 10، 20 و 30 دقیقه بهمنظور تیمار نمونهها استفاده کردهاند. نتایج نشان داد که نمونههای تحت تیمار پس از خشک شدن در یک خشککن آزمایشگاهی با دمای 70 درجهی سانتیگراد و سرعت هوای 1/5 متر بر ثانیه، از 6 -20 درصد کاهش در چگالی، 9 -14 درصد افزایش در تخلخل و 9 -11 درصد افزایش در چروکیدگی نسبت به نمونهی شاهد برخوردار بودهاند
بنابراین، هدف از این تحقیق بررسی تاثیر استفاده از امواج فراصوت با توان بالا در افزایش نرخ خشک شدن و کاهش مدت زمان انجام فرایند خشک شدن میوهی سیب میباشد.
مواد و روشها
میوهی سیب رقم زرد لبنانی پس از خریداری از باغهای مناطق شمالی کشور، در محیطی با دمای 11 -12 درجهی سانتیگراد نگهداری شده و حدود 1 ساعت پیش از انجام آزمایشات از محیط انبار به محل آزمایشگاه انتقال داده شدند. نمونهها پس از شستشو، پوستگیری و جداسازی هسته به صورت قطعات مکعبی با ابعاد 2×2×2 سانتیمتر مکعب برش داده شدند. درصد رطوبت اولیهی نمونهها براساس استاندارد PN-90/A-75101/03 از طریق خشک کردن در یک آون با دمای 105 درجهی سانتیگراد و تا رسیدن به وزن ثابت، اندازهگیری و مقدار آن 87/52 درصد - بر پایهی تر - محاسبه شد
تیمار فراصوت
بهمنظور تیمار نمونهها با امواج فراصوت از یک دستگاه حمام فراصوت - مدل - Parsonic 2600S با ابعاد داخلی 24 13/5 10 سانتیمتر مکعب و حجم 2/7 لیتر استفاده شد. این دستگاه قادر به تولید امواج فراصوت با فرکانس 28 کیلوهرتز و توان 70 وات از طریق مبدلی که در زیر محفظهی آن تعبیه شده است میباشد. با توجه به اینکه امواج فراصوت برای عبور از بافت میوه به یک سیال واسطه نیاز دارند بنابراین، پس از قرار گرفتن نمونههای برش خوردهی سیب در کف مخزن، حجم آن بهکمک آب مقطر پر شد. سپس نمونهها در سه سطح زمانی 20، 40 و 60 دقیقه تحت تیمار فراصوت قرار گرفتند
شدت موثر امواج فراصوت براساس روش گرماسنجی اندازهگیری شد. در این روش، ابتدا مخزن حمام فراصوت با حجم مشخصی 2 - لیتر - از آب مقطر پر شد. پس از برقراری تعادل میان دمای محیط و آب مقطر دستگاه راهاندازی شده و افزایش دمای سیال در شش فاصلهی زمانی 10 دقیقهای با استفاده از یک ترموکوپل اندازهگیری شد. افزایش دما پس از 20، 40 و 60 دقیقه بهترتیب 5، 8 و 10 درجهی سانتیگراد محاسبه گردید. با توجه به رابطهی 1 میزان افزایش در آنتالپی سیال بهعنوان توان موثر امواج فراصوت در نظر گرفته میشود.
که در این رابطه P شدت امواج فراصوت - وات - ، m جرم سیال - کیلوگرم - ، گرمای ویژهی سیال - ژول بر کیلوگرم درجه سانتیگراد - ، dT افزایش دمای سیال - درجه سانتیگراد - و dt زمان - ثانیه - میباشند
فرایند خشک شدن
نمونههای تیمار و شاهد - نمونههایی که تحت تاثیر تیمار فراصوت قرار نگرفته است - در 5 تکرار برای هر تیمار و درون ظروف آلومینیومی کدگذاری شده و سپس درون آون - مدل - Memmert UNE500 با دمای 105 درجه سانتیگراد قرار گرفتند. درصد رطوبت نمونهها در طول فرایند خشک شدن از طریق وزن کردن بهکمک ترازوی دیجیتال - با دقت 0/001 گرم - ، تا رسیدن به رطوبت تعادلی و در فواصل زمانی مشخص اندازهگیری شد. بهمنظور تعیین نمودارهای مربوط به خشک شدن، محتوای رطوبتی نمونهها در طول فرایند از رابطهی زیر محاسبه شد.
که در آن M درصد رطوبت نمونه در لحظهی t بر حسب گرم آب به گرم ماده خشک، M درصد رطوبت اولیه بر حسب گرم آب به گرم ماده خشک، 0 درصد رطوبت تعادلی بر حسب گرم آب به گرم ماده خشک و MR محتوای رطوبتی نمونه میباشند.
برای تعیین نرخ خشک شدن نمونههای شاهد و تحت تیمار نیز از مدل هندرسون پابیس مطابق رابطهی 3 استفاده شد.که در آن a ثابت مدل، K نرخ خشک شدن بر حسب عکس ثانیه و t زمان خشک شدن بر حسب دقیقه میباشند
