Gıdaların Kurutulması. Prof. Dr. Özgül Evranuz

Transkript

1 Gıdaların Kurutulması Prof. Dr. Özgül Evranuz

2 Kurutma nedir? Bilinen en eski ve halen en yaygın olarak uygulanan bir muhafaza yöntemidir. Tanım: Kurutma herhangi bir maddenin içerdiği suyun, buharlaştırılarak uzaklaştırılması işlemidir. Suyun madde içinden yüzeye (sıvı veya buhar difüzyonu) ve daha sonra yüzeyden buharlaşarak havaya hareketi söz konusudur. Suyun buharlaştırılması için gereken enerji: Güneş enerjisi (doğal kurutma=natural drying) Sıcak hava (suni kurutma=artificial drying)

3 Gıdaların kurutularak muhafazası Güneşte veya güneş enerjisinden yararlanarak kurutma, günümüzde, gelişmiş ülkeler de dahil olmak üzere, yaygın bir şekilde yapılmaktadır. Gıda maddelerinin sıcak hava ile kurutulması çalışmaları II. Dünya Savaşı yıllarına rastlar. Amaç gıdanın dayanma süresini uzatmaktır. Su miktarı azaldıkça bozulma reaksiyon hızları yavaşlar ve belirli bir seviyenin altında minimum olur (Belirli seviye nedir? Nasıl belirlenir?)

4 Diğer su uzaklaştırma işlemleri??? Presleme, Santrifüj, Filtrasyon, Membran ayırma, Adsorpsiyon Evaporasyon/distilasyon

5 Gıdaların kurutulmasının sağladığı yararlar Gıda maddesinin hacmi ve ağırlığı azalır (taşıma ve depolamada kolaylık sağlanır). Mikrobiyal bozulma önlenir. Enzimatik, enzimatik olmayan, oksidayon reaksiyonları gibi diğer bozulma reaksiyonlarının hızı azalır. Kuru ürünlerle yeni gıda formülasyonları hazırlanır (hazır çorbalar, kek ve puding karışımları gibi).

6 Güneşte kurutma-suni kurutma karşılaştırma Güneşte kurutma Kurutma işlemi açık havada, ürün yere veya uygun bir zemin üzerine serilerek yapılır. Kurutma koşulları kontrol edilemez, gece-gündüz farkı olduğu gibi, kurutma koşulları günden güne de değişir, Kalite değişkendir, standart bir kalite elde edilemez Kurutma hızı oldukça yavaştır, hijyenik koşulların sağlanması zordur, kurutma sırasında ürün kaybı fazladır, Geniş alana ihtiyaç vardır, işçilik fazladır, Suni kurutma Kurutma sıcaklığı ve süresi kontrol edilebilir, Ürün kapalı sistemler içinde kurutulduğundan kalitesi daha iyi korunur, Kurutma sırasında hijyenik koşullar sağlanabilir, Daha fazla ürünü daha kısa sürede kurutmak mümkündür, Kurutma sırasında ürün kaybı azdır.

7 Kuru gıdaların kalitesi Mikrobiyolojik kalite Renk Aroma, Besin değeri, Fiziksel görünüm (büzülme, sertleşme, kabuk bağlama), Kütle yoğunluğu, Tekrar su alma özelliği

8 Proses gereksinimleri Proses koşulları üründe en az değişikliğe neden olacak şekilde seçilmelidir, örn., renk, aroma, besin değeri. Kurutulmuş ürün tekrar su aldığı zaman ilk haline dönebilmelidir.

9 Proses optimizasyonu Gıda kalitesinin en iyileştirilmesi (deneyler yaparak, sıcaklık, hava hızı ve kuruma süresi saptanır. Kurutma işlemine, ürün nemi güvenli depolama nemine ulaşana kadar devam edilir) Kurutucunun en verimli şekilde çalıştırılması (sıcak hava miktarı ve özellikleri, kurutulacak ürün kuruma süresi) konularını kapsar

10 Kontrol edilen parametereler Sıcaklık, Basınç (normal atmosfer koşullarında, vakum altında, süblimasyonla), Isıtma yöntemi (sıcak hava, mikrodalga, vb), Kuru ürünün nemi,

11 Kuru gıdaların nemi ne olmalıdır? Kuru gıdaların dayanma özelliği su içeriği kontrol edilerek sağlanmaktadır. Bozulma reaksiyonlarının su ile ilişkisi var, ancak su miktarı ile doğrudan bir ilişki bulunmamaktadır. Çalışmalar, bozulma reaksiyon hızlarının, suyun tutulma şekli ve buhar basıncıyla ilişkisi olduğunu göstermiştir. Kuru gıdalarda bozulma reaksiyon hızları ile su miktarı arasındaki ilişki su aktivitesi terimi ile açıklanmaktadır.

12 Su aktivitesi (a w )nedir? a w = Gıda maddesinin içerdiği suyun buhar basıncının(p), aynı sıcaklıktaki saf suyun buhar basıncına (p 0 ) oranı p a w p 0 Su aktivitesi gıdanın bileşimi ve sıcaklıkla değişir. Teori: Gıda maddesi içinde bulunduğu havanın neminden etkilenir. Gıdanın içinde bulunduğu havanın buhar basıncı, gıdanın içerdiği suyun buhar basıncından büyükse gıda nem alır, küçükse, gıda su kaybederek nemi azalır (kuruma). Bu nem alışverişi havadaki suyun buhar basıncı, gıdanın içerdiği suyun buhar basıncına eşit olana dek devam eder. Bu duruma denge hali, denge halinde gıdanın içinde bulunduğu havanın bağıl nemine de denge bağıl nemi (equilibrium relative humidity (ERH)) denir.

13 Hava nemi ile su aktivitesi arasındaki ilişki Su aktivitesi, gıdanın içinde bulunduğu atmosfer havasıyla nem alış verişinin durduğu denge halinde ölçülür. Denge halinde gıdanın içinde bulunduğu havanın bağıl nemi denge bağıl nemi ile su aktivitesi arasında aşağıdaki ilişki vardır. a w p p 0 ERH 100 ERH p p a w 100

14 Su aktivitesinin ölçülmesi The water activity (aw) represents the ratio of the water vapor pressure of the food to the water vapor pressure of pure water under the same conditions and it is expressed as a fraction. If we multiply this ratio by 100, we obtain the equilibrium relative humidity (ERH) that the foodstuff would produce if enclosed with air in a sealed container at constant temperature. Thus a food with a water activity (aw) of 0.7 would produce an ERH of 70%.

15 The approximate water activities of some common foods a w Food group Fresh fruit, meat, milk Cheese Margarine, Salted meats Jam Nuts 0.6 Dried fruit Honey 0.5 Pasta 0.3 Cookies 0.2 Dried veg., crackers 0.2 Milk powder

16 Gıda maddesinin dayanıklılığı Gıda maddesinin nemi dayanıklılığı hakkında karar vermek için yeterli bir gösterge değildir. Dayanıklılığı belirleyen iki etmen, a w ve bozulma mekanizmasıdır (mikrobiyal, enzimatik, otoksidasyon gibi). Bileşimi farklı gıdaların nem içeriği aynı olsa bile farklı a w değerlerine sahip olabilirler. Gıda maddesinin güvenli saklama nemi, normal saklama koşullarında, karakteristik bozulma reaksiyon hızının en yavaş olduğu aw değerine karşı gelen nem değeridir.

17 Örnekler Kuru baklagiller, yağlı tohumlar, kuru meyveler için güvenli depolama neminde a w, en çok 0,70 (mikrobiyal bozulma engellenir) Kuru sebzeler için güvenli depolama neminde a w, en çok 0,40 (mikrobiyal, enzimatik ve otoksidasyon reaksiyonları engellenir) Süt tozu, toz içecekler, makarna, çikolata ve şekerlemeler için güvenli depolama neminde a w 0,10-0,30 (Bozulma reks. hızları en düşük seviyededir. Ürünün doku yapısı önemlidir. Ürün depolama süresi içinde nem almamalıdır)

18 Many spoilage reaction are influenced by a w Almost all microbial activity is inhibited below an aw of 0.6 Bacteria below 0.9, Yeast below 0.8, Molds below 0.7, bacterial spores the minimum aw is about 0.25 Staph a.: 0.86 C. bot.: 0.94 Chemical oxidation reaction below 0.4 to 0.6 Enzyme reactions below 0.8 Key point: Many chemical rxns, except enzymatic, will take place at lower Aw s than microbial growth.

19 Gıda maddelerinde suyun bulunma şekli Bağlı su: COOH ve NH 2 (amin) gruplarına İYONİK BAĞ ile bağlı, OH ve NH 3 (amid) gruplarına HİDREJEN BAĞI ile bağlı, Serbest su: Gözeneklerde serbest halde bulunan su Gıda maddesinin su ile etkileşime giren maddelerinin cins ve miktarına bağlı olarak gıda maddesinin içerdiği suyun buhar basıncı değişir. Bu nedenle gıda maddesinin, sadece su içeriğine bakarak, a w sinin ne olacağını söylemek mümkün değildir. Aynı su içeriğine sahip farklı gıda maddelerinin a w leri farklı olabileceği gibi, yüksek su içeriğine sahip gıda maddesinin a w si daha küçük olabilir.

20 Psikrometri: hava- su buharı karışımlarının özellikleri Bazı Tanımlar: Kuru termometre sıcaklığı (dry bulb temp) Yaş termometre sıcaklığı (wet bulb temp.) Hava mutlak nemi (absolute humidity) Hava bağıl nemi (relative humidity) (%RH) Çiylenme noktası (dew point) Adyabatik soğuma (adiabatic cooling)

21

22 Sorpsiyon izotermi nedir? Gıda maddelerinde, sabit sıcaklıkta, a w ile su içeriği arasındaki ilişkiyi gösteren eğriye, sorpsiyon izotermi denir. Sorpsiyon izotermi biliniyorsa, hangi aw değerinde nemin ne olacağı veya hangi nemde aw nin ne olacağı şekilden bulunabilir.

23 Detrmination of sorption isotherms These curves are determined experimentally. Moisture sorption isotherms are sigmoidal in shape for most foods, and a moisture sorption isotherm prepared by adsorption (starting from the dry state) will not necessarily be the same as an isotherm prepared by desorption (starting from the wet state). This phenomenon of different aw vs moisture values by the two methods is called moisture sorption hysteresis and is exhibited by many foods. Hysteresis represents the difference in aw between the absorption and desorption isotherms (Figure 8-6).

24 Figure: Typical moisture isotherms for foods.

25

26

27 Sorpsiyon izotermine sıcaklığın etkisi

28 Water sorption by foods depends, among others, on: 1) the microstructure of the product; 2) the physical-chemical state of food components (e.g., amorphous and crystalline sucrose), 3) the chemical composition (e.g., protein, starch, and oil). Hence, it is impossible to predict a priori the water vapor pressure exerted by a complex food system and MSIs have to be determined experimentally. Published data for sorption isotherms of many foods are available as well as a comprehensive bibliography on the subject.

29 Kuruma mekanizması Kurutma işlemi ısı ve kütle iletim hızı problemidir. Kurutulan madde içinde ısı ve kütle iletimi: Kurutulan maddenin ısıtılması (ısı iletimi=maddenin ısıl iletkenliği ile sınırlıdır), madde içindeki suyun yüzeye taşınması (kütle iletimi=maddenin doku yapısı ile ilgilidir) Kuru ürünün kalitesi ile kuruma hızı arasında yakın ilişki vardır.

30

31 Kuruma Hızı Kurutulan madde yüzeyindeki ısı ve kütle iletimi: Yüzeyin sıcaklığı ve nemi (yüzeydeki su buharı basıncı) Birçok kurutma işleminde kurutma işlemini kontrol eden süreç, kurutulan madde içinde gerçekleşen ısı ve kütle iletim hızıdır. Bir kurutma işleminde başlıca araştırma konuları Suyun difüzyon hızı, Kuru ürünün kalitesidir. Suyun yüzeyden havaya difüzyonu (statik veya konveksiyon) (Madde yüzeyinde ölçülen su buhar basıncı ile içinde bulunduğu havanın buhar basıncı arasındaki fark),

32 Suyun buharlaşma hızını etkileyen etmenler Suyun madde içinde yüzeye taşınması ve/veya yüzeyden buharlaşması hızına etki eden etmenler: Maddenin içerdiği suyun buhar basıncı ile içinde bulunduğu havanın buhar basıncı arasındaki fark (havanın nem alma kapasitesi =psikrometrik özelliklerle hesaplanabilir), Kurutulan ürüne ısı iletim hızı (Hava sıcaklığı), Sıcak hava hızı (suyun yüzeyden uzaklaştırılma hızını belirler), Maddenin kalınlığı, (suyun yüzeye ulaşması için gittiği yol) ve yüzey alanı,

33 Bir yüzeyden buharlaşma için genel kural Yüzey ne kadar geniş ve maddenin doku yapısı ne kadar gözenekli ise, kuruma hızı o kadar fazla olur. Kurutmada kullanılan hava hızı fazla ise kuruma hızı artar, Hava sıcaklığı arttığı zaman kuruma hızı artar, Gıdanın içerdiği nem miktarı azaldıkça, kuruma hızı yavaşlar,

34 Kuruma hızı eğrileri Kurutulan üründe zamana bağlı nem değişimini gösteren şekil (m;t), m=nem içeriği (kg su/kg kuru madde), t=zaman Zamana bağlı nem değişimi verilerinden yararlanılarak kuruma hızı, (kg su/dak. kg k.m.) belirli zaman aralığında nem miktarındaki değişim, hesaplanır ve kuruma hızının zamana veya nem miktarına bağlı değişimi şematik olarak gösterilir, (hız; nem miktarı) veya (hız;zaman) Kuruma hızı eğrilerinde 1) Sabit hızda kuruma, 2) Azalan hızda kuruma evreleri gözlenir.

35 Drying rate Drying time Şekil: Kuruma eğrileri (hava sıcaklığı ve nemi sabit)

36 Sabit Hızda Kuruma Gıdaya ne kadar hızlı ısı iletildiği (Maddenin ısınması =maddenin sıcaklığı yükselir)ve buharlaşan suyun ne kadar hızlı ortamdan uzaklaştırıldığı önemlidir. 1. Suyun yüzeyden buharlaşma hızı, suyun madde içinden yüzeye taşınma hızına eşittir (=sabit hızda kuruma) (Yüzey sıcaklığı havanın yaş termometre sıcaklığına eşittir). 2. Kritik Nem Miktarı: Sabit kuruma hızının bitip azalan hızda kurumanın başladığı andaki ürün nemi.

37 Sabit kuruma evresinde kütle iletimi ile ilgili kuruma hızı (Varsayım: Buharlaşma havanın yaş termometre sıcaklığında gerçekleşir ve ürün yüzeyinde hava su buharına doymuş haldedir). R c = = = k m (H s H) R= Kuruma hızı, (kg su/m 2.saat) w= buharlaşan su miktarı, (kg su) M= kurutulan üründeki toplam kuru madde, kg kuru madde (kg km) m= kurutulan ürünün nemi, (kg su/kg km) A= kuruyan yüzey alanı, (m 2 ) k m = kütle iletim katsayısı (kg hava/m 2.s ) H s ve H = Havanın yaş ve kuru termometre sıcaklığındaki mutlak nemi

38 Sabit kuruma evresinde ısı iletimi ile ilgili kuruma hızı. R R c c q q 1 dq Adt Mdm Adt 1 h( T k T Q= Buharlaşma için gerekli ısı, kj q= konveksiyon ısı transfer hızı, kj/m 2.s h= konveksiyon yüzey ısı transfer katsayısı, kj/ m 2.s.K T k ve T y = Havanın kuru ve yaş termometre sıcaklığı λ = Yaş term. sıcaklığında buharlaşma gizli ısısı (kj/kg su) Sabit kuruma evresinde ısı iletim hızı kütle iletim hızına eşittir. R c q 1 dq Adt Mdm Adt y 1 h( T k ) T y ) k m ( H s H)

39 Sabit hızda kuruma süresinin hesaplanması 1. Hız tanımından yararlanılarak ) ( ) ( c c c m m c t c y k c m m A R M t dm A R M dt M A R dt dm T T h Adt Mdm R c c

40 2. Isı iletim hızı formulünden yaralanılarak ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( y k c y k c c m m t y k y k c T T m m h d M T T m m Ah M t dm T T Ah M dt T T h Adt Mdm R c c For a tray of food, in which water evaporates only from the upper surface, the drying time is found using ( ρ = kg/m 3 ) bulk density of food and d (m) thickness of the bed of food: d A 1

41 Konveksiyon ısı transfer katsayısının tahmini Kaynak:Fellows (1988) The surface heat transfer coefficient (h in W/m 2.K) is related to the mass flow rate of air using the following equations, where G,is the mass flow rate of air per unit area. For parallel air flow: h 14.3G 0.8 G (kg/m 2.saniye) (Fellows 1988) h G 0.8 G (kg/m 2.saat) (Geankoplis 1993) For perpendicular air flow: h 24.2G 0.37 G (kg/m 2.saniye) (Fellows 1988)

42 Azalan hızda kuruma süresinin hesaplanması Suyun madde içinden yüzeye taşınma hızı, yüzeyden buharlaşma hızından yavaştır (=azalan hızda kuruma) (Yüzey sıcaklığı yükselmeye başlar ve hava sıcaklığına yaklaşır). Kuruma çoğunlukla bu evrede gerçekleşir. = K, yukarda yerine konur ve dt için düzenlenir. = - t az =

43 ÖZET R c = = = - k m (H s H) = = t top = t c + t az = + ]

44 Effect on foods All products undergo changes during drying and storage that reduce their quality compared to the fresh material and the aim of improved drying technologies is to minimise these changes while maximising process efficiency. The main changes are the textural changes loss of flavour or aroma, changes in colour and nutritional value

45 Textural changes An important cause of quality deterioration Pretreatments (blanching, peeling, osmotic dehydration, etc.) affect the textural changes Low rehydration capacity: gelatinisation of starch, crystallisation of cellulose and localised variations in the moisture content during drying, which set up internal stresses. These rupture, crack, compress and permanently distort the relatively rigid cells, to give the food a shrunken shrivelled appearance. On rehydration the product absorbs water more slowly and does not regain the firm texture of the fresh material. Shrinkage

46 In general, rapid drying and high temperatures cause greater changes to the texture of foods than do moderate rates of drying and lower temperatures. Case hardening: As water is removed during drying, solutes move from the interior of the food to the surface. The mechanism and rate of movement are specific for each solute and depend on the type of food and the drying conditions used. Evaporation of water causes concentration of solutes at the surface. High air temperatures (particularly with fruits, fish and meats), cause complex chemical and physical changes to solutes at the surface, and the formation of a hard impermeable skin. This is termed case hardening and it reduces the rate of drying to produce a food with a dry surface and a moist interior.

47 Kuru termometre sıcaklığı 32 C ve yaş termometre sıcaklığı 20 C olan havanın psikrometrik grafiği kullanılarak H ve RH değerlerini bulunuz. T db = 32 C T wb = 20 C verilmiş ise psikrometrik grafikten; RH = % 33 H =,01 kg su/ kg k.h. % 33 0,01 20 C 32 C

48 Bir kurutucuya giren havanın kuru termometre sıcaklığı 333 K ve çiğlenme noktası 300 K olarak verilmiştir. H, ve RH değerlerini bulunuz. T db = 333 K = 60 C T dp = 300 K = 27 C verilmiş ise psikrometrik grafikten RH = % 18 H = 0,023 kg su/kg k.h. % 18 0, C 60 C

49 SORU: 60 C de %8 bağıl nemdeki hava kurutucuyu 35 C de terketmektedir. Kurutucuyu terkeden 1 kg havanın uzaklaştırdığı (taşıdığı) su miktarını, ve saatte 20 kg suyu uzaklaştırmak için ne kadar hava kullanılacağını hesaplayınız. T db = 60 C ve RH = % 8 ise H 1 = 0,01 kg su/kg kh T db = 35 C ise H 2 = 0,021 kg su/kg k.h. Havaya karışan su miktarı = 0,021 0,01 = 0,011 kg su/kg k.h. Hava miktarı = 20(kg su/saat) / 0,011(kg su/kg kh) = 1818,2 kg kh/saat V H V 22,4 273 (273 60) ,2 0, ,7m 0, m 3 kgkh

50 SORU: Bir kurutucuda saatte 60 kg kazein kurutulmaktadır. Kurutucuya giren kazeinin nem içeriği %55 tir. Kurutucudan çıkan ürünün nem içeriğinin %10 olması istenmektedir. Sadece buharlaşma gizli ısısını dikkate alarak kurutma işlemi için gerekli enerji tüketimini hesaplayınız (Not : 1 kg suyu buharlaştırmak için gerekli buharlaşma gizli ısısı 2257 kj dür.) Kuru madde dengesi Su (60). (0,45) = (P).(0,90) P P = 30 kg %55 nemli kazein Toplam kütle dengesi S = = 30 kg su Q = (2257). (30) Q = 6,77 x 10 4 kj %10 nemli kazein

51 SORU: Bir tepsiye 25 mm kalınlığında serilerek kurutulan gıda maddesinin kütle yoğunluğu 7,6 kg/m 3 dür. Kurutma işlemi tepsinin alt ve üst yüzeylerinden gerçekleşmekte olup, hızı 0,75 m/s olan 55 C deki hava ile sağlanmaktadır. Kurutma havasının çiylenme noktası 20 C olarak ölçülmüştür. Gıda maddesinin nem içeriği %20 den %10 a düşürülmektedir. Gıda maddesinin kritik nem miktarı 0,09 kg su/kg kuru madde olduğuna göre, kurutma işlemi için gerekli süre ne kadardır. Tepsi boyutları : 4 m x 2,5 m dir h 0,0204 0,8 (G) T = 55 C deki hava için = 1,068 kg/m 3 G =. V = (kg/m 3 ). (m/san) G = 1,068. 0, = 2883,6 kg/m 2.saat h = 0,0204. (2883,6) 0,8 h = 11,96 W/m 2.K

52 M = 7,6. (2, ,025) = 1,9 kg m 1 = 0,2 / (1 0,2) = 0,25 kg su/kg k.m. m 2 = 0,1 / (1 0,1) = 0,11 kg su/kg k.m. (kritik nemden büyük, o halde sabit hızda kuruma evresinde!!) Verilenlerden yaş term. Sıcaklığı 29 C bulunur. Bu sıcaklıkta buharlaşma gizli ısısı 2433 kj/kg dir. t h s. M A( T T db wb ( m 1 m 2 ) ) t 11,9610 (2433).(1,9) (0,25 3 (2(2,5 4)) (55 29) 0,11) t = 104,06 s = 1,73 dak.

53 SORU: Granüler yapıdaki bir gıda maddesi, eni ve boyu (0,457m x 0,457m) olan bir tepside kurutulacaktır. Gıda maddesi kalınlığı 25,4 mm olacak şekilde tepsiye yayılacaktır. Tepsinin alt ve yan yüzeyleri yalıtılmış olarak düşünülebilir. (Kuruma tek yüzeyden) Isı aktarımı, taşınımla olup, kurutma, yüzeye paralel olarak 6,1 m/s hızla üflenen hava ile gerçekleşmektedir. Havanın sıcaklığı 66 C ve nem içeriği 0,01 kg su/kg kuru hava olduğuna göre sabit hızda kuruma süresindeki kuruma hızını hesaplayınız. R c = (h / ). (T db T wb )

54 T = 65,6 C ise = 1,037 kg/m 3 G = V. G = 6,1. 1, = kg/m 2.saat h = 0,0204. (22770) 0,8 h = 62,46 W/m 2.K T db = 66 C ve H = 0,01 kg su/kg k.h. ise T wb = 29 C T wb = 29 C ise = 2433 kj/kg R c = (62,46/ ). (66 29) R c = 3,42 kg/m 2.saat