Izotermy sorpcji cukru i ich znaczenie w procesach

„Izotermy sorpcji cukru i ich znaczenie w procesach suszenia, kondycjonowania i składowania” prof. Jan Iciek, mgr inż. Zbigniew Tamborski, Zakład Cukrownictwa w Instytucie Chemicznej Technologii Żywności Wydziału Biotechnologii i Nauk o Żywności PŁ.

Sorpcja Pochłanianie gazów, par cieczy, par substancji stałych i ciał rozpuszczonych w cieczach przez ciała porowate (sorbenty). Jeżeli sorpcja polega na utworzeniu cienkiej, cząsteczkowej warstwy na powierzchni sorbenta mówi się o adsorpcji i adsorbencie. Jeżeli natomiast substancja pochłaniana przenika do wewnątrz sorbenta, wówczas mówi się o absorbcji i absorbentach.

Izoterma sorpcji wilgoci Nieliniowa, w większości sigmoidalna zależność pomiędzy zawartością wody w żywności a aktywnością wody w stałej temperaturze i przy stałym ciśnieniu, nazywana jest izotermą sorpcji wilgoci.

Użyteczność izoterm sorpcji Znajomość izoterm sorpcji wilgoci przez produkt spożywczy jest niezwykle pomocna podczas projektowania, modelowania i optymalizacji procesów: ü Suszenia ü Chłodzenia ü Kondycjonowania ü Składowania Znajomość izoterm sorpcji jest również ważna dla przewidywania stabilności i zmian jakości podczas pakowania i przechowywania suszonej żywności.

Równania opisujące izotermy sorpcji dla suszonej żywności aw - aktywność wody aw = pw / pn, gdzie pw – ciśnienie pary wodnej nad żywnością, pn - ciśnienie pary wodnej nad czystą wodą w tej samej temperaturze A, B, C, K - parametry równania izoterm, V- zawartość wilgoci (g wody/ 100 g s. s)

Klasyfikacja izoterm sorpcji wg BET

Klasyfikacja izoterm wg Heissa a – krzywa charakterystyczna dla silnie higroskopijnych produktów; b – kształt typowy dla większości produktów spożywczych; c – krzywa dla produktów wrażliwych na wilgoć.

Pętla histerezy izotermy sorpcji/desorpcji

Rozróżnia się trzy formy wilgoci obecnej w cukrze: ü Wilgoć swobodna, znajdująca się na powierzchni kryształów opuszczających wirówki, łatwo i szybko usuwana przez suszenie ü Wilgoć związana powierzchniowo, znajdująca się w szklistej warstwie na powierzchni kryształów i w załomkach, ulatniająca się powoli w miarę krystalizowania szkliwa ü Wilgoć wewnętrzna, zamknięta w siatce krystalicznej i usuwana w zasadzie tylko po zmieleniu kryształów.

Dyfuzja pary wodnej z powierzchni kryształów sacharozy do otoczenia

Przebieg izoterm sorpcji wilgoci przez cukier

Czynniki wpływające na sorpcję wody przez cukier • • Inwert Popiół Związki aromatyczne Substancje barwne Wielkość kryształów cukru - granulacja Temperatura powietrza Wilgotność względna powietrza.

Inwert Jest mieszaniną glukozy i fruktozy w stosunku 1: 1, powstającą w reakcji hydrolizy sacharozy. W praktyce cukrowniczej inwert jest właściwie łączną nazwą sumy związków redukujących, głównie glukozy i fruktozy w zmiennej proporcji. Zawartość tych substancji wg PN nie powinna przekraczać wartości 0, 04 %.

Popiół Pojęcie to oznacza nieorganiczne substancje pozostałe po całkowitym spopieleniu składników organicznych. Zawartość popiołu wyrażana jest w procentach jego udziału w masie próbki. Składnikami popiołu są kationy metali K+, Na+, Ca 2+, Mg 2+ i ślady innych kationów, oraz aniony Cl-, SO 42 -, CO 32 -.

Związki aromatyczne Zapach kryształów cukru różni się w zależności od surowca z jakiego został otrzymany, jakości tych surowców oraz procesów rafinacyjnych jakim został poddany. Trzy charakterystyczne typy zapachów to: ü zapach buraka – ziemisty, korzenno-warzywny ü zapach kiszonki, kwaśny – produkty degradacji lipidów, estry kwasów tłuszczowych ü zapach amoniaku – ostry, gryzący, powstający podczas rozkładu związków zawierających azot

Związki barwne Adsorbują się na powierzchni rosnących kryształów sacharozy lub wbudowują się w jej siatkę krystaliczną. Zmniejszają one szybkość krystalizacji, sprzyjają wzrostowi zabarwienia i higroskopijności cukru, wywołują skłonność do zbrylania się cukru w silosach. Wyróżniamy trzy grupy związków obecnych w cukrze: ü Melaniny; ü Melanoidyny; ü Substancje pochodzenia karmelowego.

Wpływ granulacji na kształt izoterm

Wpływ granulacji na kształt izoterm c. d.

Wpływ zawartości kationów

Zbrylanie się cukru

Zbrylanie się cukru c. d.

Zbrylanie i „rozklejanie” cukru Eksperymentalny silos laboratoryjny [Mathlouthi, Roge]

Przyczyny zbrylania się cukru ü błędy w prowadzeniu stacji suszenia; ü źle dobrane parametry kondycjonowania; ü przechowywanie w nieodpowiednich warunkach; ü jakość cukru.

Podsumowanie Przebieg izoterm sorpcji produktów zależy od wielu czynników. Nawet dla tak pozornie prostego układu jak krystaliczny cukier istnieją liczne czynniki oddziaływujące na adsorpcję pary wodnej a w konsekwencji wpływają na stabilność przechowywania. Obecność cienkiego filmu syropu na powierzchni kryształu, granulacja jak i inkluzja kropelek syropu w krysztale należą do czynników które ujemnie wpływają na równowagową wilgotność cukru i mogą zwiększać tendencje do zbrylania. Jest oczywistym truizmem iż dla przemysłu cukrowniczego zbrylanie się cukru jest nie lada problemem. Tworzenie się aglomeratów cukru może poważnie zakłócić pracę silosów i w krańcowej sytuacji uniemożliwić ich opróżnienie. Nie trudno się domyśleć iż takie zjawiska powodują duże straty finansowe dla cukrowni gdyż zbrylony cukier trzeba ponownie przetworzyć. Wydaje się być słusznym zatem aby określić i gruntownie zbadać czynniki wpływające na przebieg izoterm sorpcji cukru gdyż uzyskana wiedza może rozwiązać wiele problemów związanych z suszeniem, chodzeniem, kondycjonowaniem i przechowywaniem cukru.

Literatura • • ICUMSA, “Zbiór przepisów analitycznych” Stowarzyszenie Techników Cukrowników, Warszawa 1997. J. Dobrzycki, „Chemiczne podstawy technologii cukru” WNT, Warszawa 1984 M. A. Clarke, M. A. Godshall, R. S. Blanco, X. M. Miranda, (1995). Colour and odour in beet sugar manufacture and storage. International Sugar Journal, Vol. 97. No. 1158 B, 248 -251. A. J. Sandoval, J. A. Barreiro, (2002). Water sorption isotherms of nonfermented cocoa beans. Journal of Food Engineering, 51. 119 -123 M. Mathlouthi*, B. Roge Water vapour sorption isotherms and the caking of food powders /Food Chemistry 82 (2003) M. Mathlouthi Water content, water activity, water structure and the stability of foodstuffs / Food control 12 (2001) 409 – 417. S. Michałowski, K. Wańkowicz „Termodynamika procesowa”.