Procesi u Prehrambenoj Industriji

MANUALIA UNIVERSITATIS STUDIORUM ZAGRABIENSIS

Izdava

HINUS Miramarska 13 b Zagreb Prof.dr.sc. Branko Tripalo Prof.dr.sc. Janez Hribar Prof.dr.sc. Andrija Pozderovi Silvija Brki Ivanica uri Ivica Posavec

Recenzenti

Lektorice

Slike izradio

Senat Sveuilita u Zagrebu proglasio je ovu knjigu sveuilinim udbenikom Odlukom br. /3-2003. od 2003.

ISBN 987-953-6904-25-9

Copyright autor

Knjigu moete besplatno preuzeti samo za osobnu upotrebu, a ne smijete je stavljati na druge mrene stranice, umoavati ili je koristiti za bilo koju komercijalnu svrhu.

Profesor emeritus Tomislav Lovri

PROCESI U PREHRAMBENOJ INDUSTRIJIS OSNOVAMA PREHRAMBENOG INENJERSTVA

HINUS

PREDGOVOR AUTORASadraji obraeni u ovoj knjizi trebali bi, bar dijelom, ispuniti prazninu u literaturi na hrvatskom jeziku kod nas zanemarenog znanstvenog i strunog podruja, koje se odnosi na znanost o hrani, prehrambeno inenjerstvo, ili (u irem smislu) prehrambenu tehnologiju. Istina je da su za pojedine tradicionalne prehrambene tehnologije neki od uvaenih strunjaka-autora objavili odgovarajue tekstove u vidu knjiga, prirunika, ili skripata za studente. Polazili su od naslijeenih pristupa tehnologiji manje ili vie definiranih proizvoda, iji su procesi proizvodnje bili manje podloni promjenama, koje su rezultirale iz razvoja danas dominantnih generikih tehnologija, s jedne strane, i trendova u prehrani, s druge strane. Istina je, takoer, da su u studijima prehrambene tehnologije, ugraeni mnogi sadraji u kolegijima poput Tehnolokih operacija, relevantnih za prehrambeno inenjerstvo, za koje je postojala dostupna literatura. Uvaavajui injenicu da se u godinama nakon Drugog svjetskog rata prehrambeno-procesno inenjerstvo razvilo kao posebna i zaokruena disciplina, uvedeni su i na hrvatskim studijima iz prehrambene tehnologiji odgovarajui kolegiji, iji su sadraji djelomino obraeni u skripti ovog autora Procesi u prehrambenoj industriji s osnovama prehrambenog inenjerstva. Najvei dio gradiva (sadraja) iz tih skripata koriten je i u ovoj knjizi, s namjerom da su i oni postupci, koji su danas manje ili vie prevladani, opisani i upotrebljeni radi ilustracije procesnih rjeenja, kljunih u danom trenutku da se unaprijedi tehnologija pojedninih prehrambenih proizvoda. Uz osnovne jedinine procese, koje moemo smatrati standardnim u pretenom dijelu prehrambene industrije, u knjizi je dan odreeni prostor pojedinim procesima i postupcima novijeg datuma, odnosno tzv. alternativnim, izmeu kojih se posebno izdvajaju oni minimalnog procesiranja, koji danas nailaze na sve veu primjenu. Knjiga je prvenstveno namijenjena polaznicima dodiplomskih i poslijediplomskih studija iz prehrambene tehnologije, ali i strunjacima (inenjerima) u prehrambenoj industriji i institucijama povezanim proizvodnjom i prometom prehrambenih proizvoda. Za kraj ovog predgovora neophodno je dati jo jednu napomenu. S obzirom na dinaminost razvitka podruja kojim se bavi ova knjiga, neminovno e neki odabrani sadraji biti podloni dopunama i eventualno novim interpretacijama (sloenih) pojava povezanih s procesima primijenjenim u tehnologiji prehrambenih proizvoda. Na takav trend upuuju i neki od zakljuaka sadranih u prilogu asopisa Journal of Food Science (JFS Suplement, 2000) u poglavlju Research needs (Potrebe istraivanja), izmeu kojih navodim samo slijedei: "Novija istraivanja upuuju na potrebu preispitivanja adekvatnosti primjene modela kinetike prvoga reda za preivljavanje mikroorganizama. Naime, iako su zapaena u pojedinim sluajevima odstupanja od tog tradicionalnog modela, jo nije razraen (novi) alternativni model, koji bi bio ope prihvaen. Stoga se

ocjenjuje da je potrebno usmjeriti istraivanja na definiranje odgovarajueg modela za sve metode konzerviranja. S time u vezi trebat e utvrditi ekperimentalni protokol (postupak) koji bi omoguio dobivanje statistiki potkrepljenih kinetikih parametara za opis krivulje preivljavanja mikrobnih populacija podvrgnutih obradi alternativnim postupcima, kao to su obrada pulsirajuim elektrinim poljem, pulsirajuim svjetlom i sl."

ZahvalaZahvaljujem recenzentima, profesorima: Dr.sc. Branku Tripalu (Prehrambeno-biotehnoloki fakultet Sveuilita u Zagrebu), Dr.sc. Janezu Hribaru (Biotehnika fakulteta Univerze u Ljubljani), Dr.sc. Andriji Pozderoviu (Prehrambeno tehnoloki fakultet Sveuilita Josip Juraj Strossmayer u Osijeku) na korisnim sugestijama i kolegijalnoj pomoi pri zavrnoj obradi teksta. Posebnu zahvalnost dugujem kolegici mr.sc. Karin Kovaevi Gani za nesebian trud uloen u tehnikom oblikovanju grafikih prikaza i slika.

SADRAJ

1.0. UVOD ............................................................................................................................11 1.1. Prehrambena tehnologija, Znanost o hrani, Prehrambeno procesno inenjerstvo (definicije i pojmovi)............................................................................11 1.2. Pojam procesa u prehrambenoj industriji ...............................................................14 1.3. Fizike veliine i jedinice u prehrambenom inenjerstvu ........................................16 1.4. Konverzija dimenzijskih jednadbi..........................................................................17 1.5. Klasifikacija i karakterizacija prehrambenih proizvoda ...........................................18 Bibliografija....................................................................................................................19 2.0. FIZIKA I TERMOFIZIKA SVOJSTVA ......................................................................21 2.1. Uvod .......................................................................................................................21 2.2. Gustoa ..................................................................................................................23 2.3. Nasipna gustoa.....................................................................................................24 2.4. Gustoa tekuina (kapljevina) i specifina gustoa ................................................25 2.5. Gustoa aeriranih proizvoda: pretiak ....................................................................26 2.6. Specifina toplina ...................................................................................................27 2.7. Latentna toplina ......................................................................................................28 2.8. Entalpija..................................................................................................................29 2.9. Toplinska vodljivost ...............................................................................................30 2.10. Toplinska difuzivnost ...........................................................................................31 2.11. Dielektrina svojstva.............................................................................................31 2.12. Viskoznost i reoloka svojstva..............................................................................32 2.12.1.Viskoznost...................................................................................................33 2.12.2.Sustavi (fluidi) ija svojstva ne ovise o vremenu smicanja..........................35 2.12.3.Sustavi (fluidi) ija svojstva ovise o vremenu smicanja...............................37 2.13. Koligativna svojstva i njihovo odreivanje ...........................................................38 2.14. Dijagrami stanja....................................................................................................39 Bibliografija....................................................................................................................42 3.0. PRINCIPI TEORIJE SLINOSTI I MODELIRANJE U PREHRAMBENOM INENJERSTVU ...........................................................................................................47 3.1. Dimenzionalna analiza i Buckinghamov ili teorem slinosti ................................48 3.2. Fizikalno modeliranje i ekstrapolacija .....................................................................51 3.3. Matematiko modeliranje........................................................................................51 Bibliografija....................................................................................................................53

4.0. PROCESI KONZERVIRANJA.......................................................................................55 4.1. Uvod .......................................................................................................................55 4.2. Kvarenje namirnica.................................................................................................56 4.3. Kinetika degradativnih promjena kakvoe hrane ....................................................57 4.4. Principi i metode konzerviranja...............................................................................58 4.5. Konzerviranje termikom sterilizacijom...................................................................59 4.5.1.Fo vrijednost (za procjenu procesa sterilizacije) ............................................71 4.5.2.FP vrijednost (za procjenu procesa pasterizacije).........................................72 4.5.3.Naini provedbe i ureaji za sterilizaciju .......................................................72 4.5.4.Aseptini postupci ........................................................................................82 4.5.5.Kvarenje proizvoda konzerviranih termikom sterilizacijom ..........................87 4.6. Konzerviranje hlaenjem ........................................................................................88 4.6.1.Princip ...........................................................................................................88 4.6.2.Primjena........................................................................................................88 4.6.3.Tehniki aspekti ............................................................................................91 4.6.4.Toplinske promjene pri hlaenju ...................................................................92 4.7. Primjena kontrolirane i modificirane atmosfere (CA, MA) u skladitenju i pakiranju prehrambenih proizvoda .........................................................................94 4.7.1.Pakiranje u modificiranoj atmosferi ...............................................................99 4.8. Konzerviranje zamrzavanjem ...............................................................................101 4.8.1.Osnovne znaajke metode..........................................................................101 4.8.2.Struktura vode i leda ...................................................................................102 4.8.3.Mehanizam tvorbe leda (kristalizacija vode) ...............................................105 4.8.4.Veliina kristala leda ...................................................................................110 4.8.5.Pojave pri zamrzavanju biolokog materijala ..............................................110 4.8.6.Raspored kristala u tkivima i suspenzijama stanica ....................................110 4.8.7.Promjene tijekom skladitenja.....................................................................115 4.8.8.Neke definicije i pojmovi..............................................................................116 4.8.9.Postupci zamrzavanja.................................................................................118 4.8.10.Toplinske promjene pri zamrzavanju i odmrzavanju .................................131 4.9. Konzerviranje koncentriranjem (procesi koncentriranja).......................................133 4.9.1.Uvodne napomene......................................................................................133 4.9.2.Sistemi za koncentriranje tekuih namirnica ...............................................136 4.9.3.Koncentriranje uparavanjem .......................................................................137 4.9.4.Koncentriranje zamrzavanjem.....................................................................149 4.9.5.Koncentriranje membranskim procesima....................................................159 4.9.6.Perevaporacija ............................................................................................178 4.10. Konzerviranje suenjem (dehidratacijom)...........................................................179 4.10.1.Uvod (Teorijske osnove) ...........................................................................179 4.10.2.Stabilnost (dehidratirane) hrane u funkciji ravnotene vlanosti ...............188 4.10.3.Promjene tijekom dehidratacije .................................................................190 4.10.4.Sposobnost rehidratacije...........................................................................190 4.10.5.Gubitak i zadravanje arome prilikom suenja..........................................191

4.10.6.Priprema hrane za suenje .......................................................................194 4.10.7.Postupci i ureaji za dehidrataciju.............................................................195 4.10.8.Dehidratacija osmozom.............................................................................211 4.10.9.Liofilizacija.................................................................................................212 4.10.10.Zadravanje i rekonstitucija arome .........................................................226 4.10.11.Pakiranje dehidratiranih proizvoda..........................................................227 4.11. Konzerviranje biolokim putem (fermentacijom) ................................................227 4.11.1.Principi i primjena.....................................................................................227 4.11.2.Tehnoloki aspekti ....................................................................................227 4.12. Konzerviranje dodacima (aditivima)....................................................................228 4.12.1.Prirodni i kemijski konzervansi ..............................................................228 4.12.2.Baktericini .................................................................................................229 Bibliografija..................................................................................................................231 5.0. POSTUPCI MINIMALNOG PROCESIRANJA I ALTERNATIVNI POSTUPCI........235 5.1.Minimalno procesirana hrana ................................................................................235 5.2. Konzerviranje preprekama ...................................................................................236 5.3. Konzerviranje ionizirajuim zraenjem .................................................................238 5.3.1.Osnove procesa..........................................................................................238 5.3.2.Jedinice i dozimetrija...................................................................................244 5.3.3.Djelovanje zraenja na bioloke sisteme i sastojke hrane ..........................247 5.3.4.Tehnoloki i tehniki aspekti .......................................................................251 5.3.5.Zdravstveni i zakonodavni aspekt ...............................................................257 5.4. Obrada (zagrijavanje) otporom i indukcijom .........................................................260 5.5. Obrada (procesiranje) pulsirajuim elektrinim poljem (High intensity electric field)......................................................................................................................262 5.6. Obrada (procesiranje) pulsirajuim svjetlom.........................................................268 5.7. Fotodinamika inaktivacija mikroorganizama ......................................................270 5.8. Obrada oscilirajuim magnetskim poljem .............................................................270 5.9. Obrada (procesiranje) visokim tlakom ..................................................................271 5.10. Procesiranje mikrovalovima i radiofrekvencijama (idielektrino zagrijavanje) ....274 5.10.1.Uvod (teorijske osnove) ............................................................................274 5.10.2.Konzerviranje hrane visokofrekventnom(HF) i mikrovalnom energijom ....278 5.10.3.Djelovanje HF i mikrovalova na bioloke sisteme .....................................279 5.10.4.Tehnoloko-tehniki aspekti......................................................................279 5.11. Obrada ultrazvukom ...........................................................................................282 5.12. Kombinirane i ostale metode konzerviranja........................................................283 Bibliografija..................................................................................................................284 6.0. EKSTRUZIJA (EKSTRUZIJSKO KUHANJE).............................................................287 Bibliografija..................................................................................................................297

7.0. PROCESI EKSTRAKCIJE U PREHRAMBENOJ INDUSTRIJI ..................................299 7.1. Osnove procesa ...................................................................................................299 7. 2. Ekstrakcija superkritinim fluidima.......................................................................300 Bibliografija..................................................................................................................303 8.0. EMULGIRANJE ..........................................................................................................305 Bibliografija..................................................................................................................312 KAZALO.............................................................................................................................315

______________________ PROCESI U PREHRAMBENOJ INDUSTRIJI S OSNOVAMA PREHRAMBENOG INENJERSTVA

1.0. UVOD1.1. Prehrambena tehnologija, Znanost o hrani, Prehrambeno procesno inenjerstvo (definicije i pojmovi)Prerastanje tradicionalne prehrambene tehnologije s manufakturnim obiljejima, zasnovanih u velikoj mjeri na iskustvenim imbenicima, u visokomehaniziranu i automatiziranu industrijsku proizvodnju, u uskoj je svezi s razvojem disciplina koje su se bavile svim relevantnim vidovima proizvodnje i odravanja kvalitetne i zdravstveno ispravne hrane. U razdoblju intenzivnog razvitka tih disciplina nije bilo jednoznanog poimanja naziva koji definiraju njihove sadraje, i koji se, zbog interdisciplinarnih znaajki, vrlo esto isprepliu. Stoga emo pokuati ukazati na neke definicije i meusobne odnose podruja i disciplina koje se u obinom izraavanju uopeno nazivaju prehrambena tehnologija. Prehrambena tehnologija, prema definiciji Instituta prehrambenih tehnologa IFT (Institut of Food Tecnologists, 1964), primjena je znanosti i inenjerstva u proizvodnji, preradi, pakiranju, distribuciji, pripremanju i upotrebi hrane (Livingston, 1977). Ranije je podruje prehrambene tehnologije bilo iskljuivo podijeljeno prema sirovinama ili proizvodima prerade pa se npr. govorilo o tehnologiji mlijeka, masti i ulja i sl. Danas se i prehrambena tehnologija sve vie promatra kao cjelina u procesnoj tehnici, jer se uvidjelo da jedinine operacije i procesi ine zajedniku osnovu procesa u prehrambenoj tehnologiji. Neki smatraju prehrambenu tehnologiju svojevrsnim hibridom znanosti o hrani i prehrambeno-procesnog inenjerstva (Livingston, 1977, Lovri, 2000). Prema E.Livingstonu i M. Solbergu Znanost o hrani je primijenjena znanstvena disciplina koja se bavi kemijskim, biokemijskim, fizikim, fizikalno-kemijskim i biolokim svojstvima hrane (Lapedes, 1977). Kemijska svojstva ukljuuju sastav, kemijske reakcije koje se dogaaju u tijeku razliitih procesa proizvodnje, pakiranja, skladitenja i interakcije sastojaka hrane s dodacima (aditivima) ili pomonim tehnolokim sredstvima. Biokemijska svojstva se odnose na fizioloke promjene nakon branja biljaka ili smrti (tzv. postmortalne promjene) kod ivotinja djelovanjem enzima, fizioloki aktivnim tvarima poput vitamina i drugih esencijalnih sastojaka. Fizika svojstva ukljuuju reoloka svojstva (viskoznost, teksturu, konzistenciju), gustou, boju i termika svojstva. Fizikalno-kemijska svojstva se odnose na disperzne sustave, kristalizaciju i druge pojave koje se dogaaju u hrani. Bioloka svojstva ukljuuju aktivnosti makro- i mikroorganizama. Znanost o hrani (engl. Food science) daje bazino znanje o prehrambenoj tehnologiji, koja predstavlja primjenu znanosti i inenjerstva u istraivanju, proizvodnji, preradi, konzerviranju, pakiranju, distribuciji, pripravi i koritenju hrane. (Food science se predaje u SAD na vie od 40 sveuilita. U meunarodnoj organizaciji 11

Lovri _______________________________________________________________________________________________

Institute of Food Technologists ukljueno je preko 25.000 istaknutih znanstvenika i strunjaka iz itavog svijeta). Prema Edwinu S. Doyleu prehrambeno inenjerstvo je tehnika disciplina koja se bavi proizvodnjom i preradom namirnica (food manufacture and refined foods processing) (Doyle, 1977). Ona obuhvaa praktinu primjenu znanosti o hrani u uinkovitoj industrijskoj proizvodnji, pakiranju, skladitenju i distribuciji kvalitetnih i zdravstveno ispravnih prehrambenih proizvoda. Prehrambeno inenjerstvo ukljuuje kontrolirane bioloke, kemijske i fizike procese, planiranje, projektiranje, konstruiranje i operacionaliziranje (stavljanje u pogon) objekata prehrambene industrije i u njih ukljuenih procesa. Prehrambeno inenjerstvo je ekvivalentno kemijskom inenjerstvu. Prehrambeno inenjerstvo je ivotna karika koja povezuje poljoprivrednu proizvodnju (farme) i distribuciju gotovih prehrambenih proizvoda.

Iskustveni imbenici (empirijski pristup)

Kemija hrane Biokemija hrane Mikrobiologija hrane Fizika svojstva hrane itd.

Prehrambena tehnologija

Znanost o hrani

Prehrambeno inenjerstvo

Procesno inenjerstvo Kemijsko inenjerstvo Sistemsko inenjerstvo Informacijsko inenjerstvo Projektiranje i kontrola procesa Ekoloko inenjerstvo

Kemija Biologija Fizika Bazine i primjenjene znanosti (znanstveni pristup)

Primjenjena matematika Primjenjena fizika Biofizika Osnove infor. znanosti itd.

Slika 1.1. Prikaz meusobnog odnosa disciplina ukljuenih u tehnologiju prehrambenih proizvoda

12


Na slici 1.1. je prikazan meusobni odnos izmeu navedenih disciplina, dok je na slici 1.2. taj odnos ilustriran na primjeru HTST (High Temperature Short Time) procesa sterilizacije namirnica.Znanost o hrani, prehrambena tehnologija, prehrambeno inenjerstvo zajednike znaajke: - multidisciplinarnost - integrativnost - utjecaj generikih tehnologija Primjer:

HTST postupciPrincip: Arhenius, Charm (izrazi) Temperaturni koeficjenti: (razlike) Znanost o hrani Q10 (Cl. Bot.) 10 Q10 (tiamin) = 2,1 termiki proces (sterilizacija) koeficijenti prijenosa Prehrambeno inenjerstvo konvekcija kondukcija radijacija (mikrovalovi)

kontrola procesa

TTI (biosenzori)

tekua (kapljevita) namirnica s vrstim esticama (juhe, graak u naljevu itd.)

Prehrambena tehnologija

Slika 1.2. Primjer povezanosti disciplina u tehnologiji prehrambenih proizvoda

Temeljna obiljeja prehrambeno-procesnog inenjerstva prikazana su na slici 1.3. Iz navedenoga proizlazi da se prehrambenoprocesno inenjerstvo bavi operacijama i procesima ukljuenim u preradi sirovina koje slue za dobivanje hrane i njezinom konzerviranju. Mogue je razlikovati dva aspekta discipline nazvane prehrambeno (procesno) inenjerstvo: opisni dio koji se bavi poznavanjem procesa i ureaja (kvalitativni aspekt); teorijski dio koji se odnosi na matematiku interpretaciju fenomena (pojava) u tehnolokim operacijama i procesima, a slui i kao osnova za projektiranje procesnih ureaja i postrojenja (kvantitativni aspekt). 13

Lovri _______________________________________________________________________________________________

Fiziki i termofiziki podaci za prehrambene proizvode

Jednadbe o prijelazu mase, energije i impulsa

Sistemska analiza, matematiko modeliranje

Automatizacija, kontrola (TQM, HACCP)

PREHRAMBENO PROCESNO INENJERSTVO

CAD, CAM

proizvodnja prehrambenih proizvoda (prehrambena industrija), rukovanje, skladitenje i distribucija, higijena i sanitacija postrojenja, gospodarenje energijom, razvoj proizvoda.Slika 1.3. Bazina i primijenjena podruja prehrambeno-procesnog inenjerstva

Budui da su sirovine u prehrambenoj industriji ponajee vrlo sloenog sastava i meusobno se u pravilu razlikuju, gotovo je nemogue jednoznano interpretirati odgovarajue pojave. Stoga veina matematikih izraza koji slue za odreivanje potrebnih procesnih parametara predstavlja aproksimaciju, i prema tome tek uvoenjem odreenih pomonih faktora oni dobivaju aplikativnu (primjenljivu) vrijednost. Iz toga proizlazi da je uz savladavanje takvih temeljnih disciplina kao to su matematika i fizika, te termodinamike, fenomena prijenosa, kinetike reakcija, potrebno i temeljito poznavanje svojstava biolokog materijala i hrane, kao i fiziko-kemijskih, biokemijskih i mikrobiolokih promjena koje se odvijaju tijekom procesa. Prehrambeno-procesno inenjerstvo je prema tome multidiscilinarno podruje koje pretpostavlja u edukaciji inenjera prehrambene tehnologije predznanja iz odreenih disciplina. Vanu kariku u toj edukaciji ini kolegij Tehnoloke operacije, ije sadraje moemo smatrati (nunim) sastavnim dijelom tog inenjerstva, kao to je sluaj i s kemijskim inenjerstvom. (Stoga se pretpostavlja da su korisnici ove knjige dio potrebnog gradiva savladali u navedenom kolegiju).

1.2. Pojam procesa u prehrambenoj industrijiOno to bitno razlikuje prehrambeno od kemijskog inenjerstva jesu procesi, specifini u tehnologiji hrane, premda ima i takvih koji su vrlo slini procesima kemijske industrije. Ta specifinost procesa prehrambene industrije lei u prirodi 14


sirovina koje su u pravilu kompleksnije nego polazne sirovine u kemijskoj industriji. Iako je ovjek nekim temeljnim procesima prerade i konzerviranja hrane ovladao mnogo prije nego kemijskim procesima, prehrambeno se inenjerstvo kao znanstvena (primijenjena) disciplina razvilo kasnije nego kemijsko inenjerstvo. Naime, industrija prehrambenih proizvoda je dugo zadrala empirijski karakter, tj. bazirala tehnologiju na iskustvu i tradiciji. Tek u novije vrijeme prevladao je znanstveni pristup u tretiranju procesa proizvodnje (prerade i konzerviranja) hrane (namirnica). To je bilo mogue tek onda kada se dolo do spoznaja o biti odgovarajuih procesa. Inae, sam pojam proces u tehnologiji ponajee ima dvojako znaenje. Pojam jedinini proces oznaava jednu ili vie operacija, kemijskih ili enzimskih reakcija usmjerenih na evidentnu i smislenu promjenu u procesiranom materijalu, tj. njegovom sastavu i/ili svojstvima (kao to su sterilizacija, prenje, kuhanje, peenje, dezodorizacija, aglomeriranje, smrzavanje itd.). Pri tome procesni uvjeti moraju biti odabrani tako da se promjene usmjere u eljenom pravcu uz izbjegavanje, minimiziranje ili usporavanje nepoeljnih promjena. Pod pojmom tehnolokog procesa podrazumijeva se cjelokupan proizvodni proces koji se sastoji iz kombinacije jednog ili (to je ee) vie takvih jedininih procesa i mehanikih ili fizikalnih operacija. Takav se tehnoloki proces obino opisuje tehnolokom shemom (engl. flow sheet). U ovoj knjizi bit e obraeni prvenstveno jedinini (opi) procesi prehrambene industrije. Ti procesi mogu se svrstati u nekoliko skupina na osnovi nekih zajednikih znaajki. Navest emo neke vanije: Procesi konzerviranja kojima je cilj poveanje trajnosti prehrambenih proizvoda temelje se na unitenju mikroorganizama, iskljuenju ili smanjenju njihove aktivnosti, te inaktivaciji enzima (npr. konzerviranje toplinskom sterilizacijom, ionizirajuim zraenjem, hlaenjem, smrzavanjem, dehidratacijom i sl.). Procesi temeljeni na kemijskim reakcijama izmeu sastojaka sirovine ili smjese sirovine i pomonog materijala (npr. peenje, prenje, kuhanje itd.). Procesi temeljeni na kemijskim reakcijama izazvanim dodatkom odreenih kemikalija (hidroliza, neutralizacija, hidrogenacija, karbonatacija i sl.). (Mnogi od ovih procesa nalaze se na granici procesa prehrambenog i kemijskog inenjerstva!). Enzimski procesi koji igraju sve vaniju ulogu u prehrambenoj industriji, a mogu se svrstati u nekoliko podskupina: a) procesi u kojima sudjeluju autohtoni enzimi hrane animalnog ili vegetativnog podrijetla; b) mikrobni procesi (neposredna upotreba mikroorganizama npr. razliiti fermentacijski procesi); c) enzimski procesi s izoliranim enzimima, npr. iz mikroorganizama.

15

Lovri _______________________________________________________________________________________________

Uz navedene procese, koji se obino smatraju temeljnim, ne manje znaajnu ulogu u prehrambenoj industriji imaju i neki drugi mehaniki i fizikalni procesi, kao to su na primjer razliiti procesi separacije, zatim procesi aglomeriranja i nastajanja kompleksnih proizvoda, emulgiranje itd. U mnogim je sluajevima vrlo teko ili skoro nemogue povui otru granicu izmeu operacije i procesa. Pojam procesa, prema ranijoj definiciji, implicira razmatranje svrsishodnih promjena u konkretnom materijalu (u ovom sluaju hrani ili u sastojcima hrane). Da bi se ovladalo prehrambeno-procesnim inenjerstvom, potrebno je stoga uz tehnoloke operacije, koje su jedan od njegovih temelja, poznavati specifina svojstva namirnica i eventualnih pomonih materijala, te promjene koje se odvijaju ili se mogu odvijati tijekom razliitih tehnolokih pretvorbi. U ovoj je knjizi stavljeno teite prvenstveno na tipine jedinine procese prehrambene industrije, kao to su procesi konzerviranja, ekstruzija, emulgiranje i neki alternativni procesi novijeg datuma, osim mikrobnih i enzimskih procesa koji se danas obrauju u okviru biokemijskog inenjerstva odnosno biotehnologije.

1.3. Fizike veliine i jedinice u prehrambenom inenjerstvuU prehrambeno-procesnom inenjerstvu, to je usvojeno i u ovoj knjizi, danas se u pravilu primjenjuje iskazivanje fizikih veliina i jedinica u skladu s Meunarodnim sustavom jedinica (SI = Le Systeme International d'Units). Nazivi i definicije fizikih veliina i jedinica mogu se nai u odgovarajuoj literaturi (5,7). Stoga emo na ovome mjestu navesti samo one najvanije za podruje kojim se bavi ova knjiga. Pojmom fizike veliine oznaava se neko fiziko svojstvo (pojava, tvari, tijela), koje omoguuje njihovo kvalitativno razlikovanje i kvantitativno odreivanje. Jedinicom se oznaava mjera kojom se odreuju vrijednosti mjerene veliine. Osnovne jedinice su one jedinice koje su dimenzijski neovisne, a koriste se za opisivanje samo jedne veliine (npr. duljine, mase ili vremena).Tablica 1.1. Osnovne fizike veliine i SI-jedinice Fizika veliina Duljina (l) Masa (m) Vrijeme (t) Elektrina struja (I) Termodinamika temperatura (T) Koliina tvari (n) Intenzitet svjetlosti (Iv) Naziv SI-jedinice metar kilogram sekunda amper kelvin mol kandela Simbol m kg s A K mol cd

16


Tablica 1.2. Neke izvedene jedinice koje se primijenjuju u prehrambenom inenjerstvu Fizika veliina Povrina Volumen (obujam) Brzina Akceleracija (ubrzanje) Sila Tlak Energija, toplina, rad Snaga Frekvencija Specifini toplinski kapacitet Povrinska napetost Gustoa Gustoa el.struje Jakost magnetskog polja Magnetski tok Gustoa magnetskog toka (magnetska indukcija) Elektrini napon (elektrini potencijal) Jakost elektrinog polja Elektrini otpor Elektrina vodljivost Naziv SI-jedinice etvorni metar kubni metar metar po sekundi metar po sekundina kvadrat newton pascal joule watt hertz joule po kilogramu i kelvinu newton po metru kilogram po kubnom metru amper po etvornom metru amper po metru weber tesla volt volt po metru ohm siemens Simbol m2 m3 m/s m/s2 N Pa Nm W Hz J/(kgK) N/m kg/m3 A/m2 A/m Wb T V V/m S V/A A/V Definicija jedinice

N/m2 J/s s1 kg/s2

Izvedene jedinice su definirane kombinacijom fizikih veliina, odnosno, definicijskim jednadbama (npr. sila = masa x ubrzanje = masa x duljina / vrijeme; F = m x a = m x l/t). U tablicama 1.1. i 1.2. dan je prikaz osnovnih i nekih izvedenih jedinica s oznakom naziva i simbola.

1.4. Konverzija dimenzijskih jednadbiDimenzijske jednadbe (izrazi) su one koje sadre brojane vrijednosti i odgovarajue jedinice i koje se promatraju (tretiraju) kao algebarski izrazi.

J J kg K Na primjer, 5 (10 kg )(5 K ) = 5(10 )(5) = 250 J kg K kg K Izrazi (jednadbe) koje se esto upotrebljavaju u procesnom inenjerstvu mogu biti i bezdimenzijske, ukoliko se primjenjuju bezdimenzijske grupe (znaajke),17

Lovri _______________________________________________________________________________________________

poput Reynoldsovog (Re), Nusseltovog (Nu), Prandtlovog (Pr), Fourierovog (Fo), Biotovog (Bi) broja i sl.

1.5. Klasifikacija i karakterizacija prehrambenih proizvodaPrehrambeni proizvodi se ponajee razvrstavaju na osnovi podrijetla sirovine i stupnja obrade. Sirovine se razlikuju po podrijetlu kao ivotinjske (animalne) i biljne (vegetabilne). Skupina polupreraevina obuhvaa sirovine koje su obraene do odreenog stupnja s obzirom na mogunosti daljnje dorade ili finalizacije u takozvane gotove proizvode. U ovu skupinu mogu se svrstati i neke sirovine iz nekonvencionalnih izvora, poput jednostaninih proteina. Gotovi proizvodi ili preraevine (engl. processed food) su proizvodi (prehrambene industrije) namijenjeni za neposrednu uporabu u prehrani. Lakopripremljiva hrana (convenience food) spada takoer u ovu skupinu (kategoriju) proizvoda. S obzirom na agregatno stanje, gustou, tip disperzije ili reoloka svojstva mogue je podijeliti prehrambene proizvode na vrste (krute),koji mogu biti homogeni (npr. gelovi) ili heterogeni (kapilarno porozni), prakaste, tekue, kaaste, emulzije ili pjene (tueno vrhnje i sl.). Veina tekuih proizvoda ne moe se svrstati samo u jednu skupinu, odnosno samo na osnovi jednog svojstva, budui da istovremeno mogu biti i emulzija, disperzija (suspenzija) i otopina poput mlijeka. Takvi se proizvodi u pravilu karakteriziraju gustoom, viskoznou ili reolokim svojstvima. vrsti (kruti) proizvodi se karakteriziraju na osnovi gustoe i geometrijskih znaajki (obiljeja). Za poluvrste proizvode znaajna su i reoloka svojstva. Za homogene vrste proizvode dovoljno je u pravilu poznavanje gustoe, dok se za one heterogene karakterizacija svodi na poroznost i nasipnu gustou. Potrebno je u svakom sluaju imati u vidu i potekoe pri definiranju znaajki razliitih tipova disperzija i promjene svojstava tijekom razliitih procesa, npr. termikih, kao to je peenje kruha, gdje poetna homogena visko-elastina struktura tijesta prelazi u vrstu, spuvastu strukturu.

18


BibliografijaAdvances in Food Research. Vols I-XVII, E. M. Mrak and G.F. Stewards (eds.) (1953-1967) Academic Pres, New York (1967). Advances in Food Engineering, R.Paul Singh and M.A. Wirakartakusumah, CRC Press, Boca Raton, Ann Arbor, London, Tokyo (1992). Borgstrom, G., Principles of Food Sciences; The Macmillan Company, New York (1968). Clayton, J. T., Flexibile Manufacturing Systems for the Food Industry, Food Technol. (1987) 66. Cvita, T. i N.Kallay, Fizike veliine i jedinice meunarodnog sustava, kolska knjiga i Hrvatsko kemijsko drutvo, Zagreb (1992). Doyle, E.S., Food Engineering, in Encyclopedia of Food, Agriculture and Nutrition, D. N. Lapedes (ed.) Mc Graw-Hill Book Company, New YorkLondon (1977) 259. Grabari, B.S. i B.Tripalo, Iskazivanje fizikalnih veliina u kemiji i biokemiji, Prehrambeno- tehnol. Biotehnol rev. 31 (1) (1993) 19. Lawler, F.K., Food Technology, in Encyclopedia of Food, Agriculture and Nutrition, D. N. Lapedes (ed.) Mc Graw-Hill Book Company, New-York-London (1977) 315. Livingston, G.E. and M.Solberg, Food Science, idem.,313. Lovri, T., Znaajke prehrambene tehnologije, Kem. Ind. 43 (4) (1994) 213 Lovri, T., Trendovi u prehrambeno-procesnom inenjerstvu u funkciji unapreenja kakvoe prehrambenih proizvoda, Bilten Razreda za tehnike znanosti HAZU, 1 (2000) 12. Lovri, T. i V. Piliota, Prehrambena tehnologija, Tehnika enciklopedija, Jugoslavenski leksikografski zavod, Zagreb,11 (1988) 73. Ranjevi, K., Fizikalne veliine i mjerne jedinice meunarodnog sustava (SI), Nakladni zavod Znanje, Zagreb (1985). Singh, R.P.,and Heldman D.R., Introduction to Food Engineering, 3rd Edition, Academic Press (Food Science and Technology, Internatinal Series), a Harcourt Science and Technology Company), (2001).

19

Lovri _______________________________________________________________________________________________

20


2.0. FIZIKA I TERMOFIZIKA SVOJSTVA2.1. UvodTonost procesnih prorauna ovisi o tonosti raspoloivih podataka o odgovarajuim fizikim (i termofizikim) svojstvima tvari, to pretpostavlja raspolaganje tonim podacima, pri emu su oni dobiveni eksperimentalnim putem najpouzdaniji (a to nam danas omoguuju razliite metode: reoloke, termike analize i sl.). Sasvim je razumljivo da se porastom sloenosti sustava, to je jedna od bitnih znaajki veine prehrambenih proizvoda, u pravilu smanjuje tonost prorauna. U tim je sluajevima neophodna primjena raunala i nerijetko sloenih programa. Poznavanje termofizikih svojstava (toplinski kapacitet, entalpija pretvorbi latentna toplina, toplinska vodljivost i difuzivnost) ini osnovu za opisivanje i simuliranje toplinskih procesa u prehrambeno-procesnom inenjerstvu (grijanja, hlaenja, suenja, smrzavanja, liofilizacije i sl.). Zbog velike razliitosti prehrambenih proizvoda (sastava, teksture itd.) potrebne su brze i to tonije metode za njihovo odreivanje. Danas se u tu svrhu primjenjuje sve vei broj razliitih fizikalnih i kemijskih tehnika, izmeu kojih izdvajamo sljedee: 1. Strukturalne tehnike: poput mikroskopije, difrakcije (x-zraka, neutrona) i scattering 2. Spektroskopske tehnike: apsorpcija u IR, Raman-scattering, fotoakustina spektroskopija (PAS), nuklearna magnetska rezonancija (NMR), elektronska spin rezonancija (ESR); 3. Termoanalitike tehnike: diferencijalna motridbena kalorimetrija (DSC, engl. Differential Scanning Calorimetry), diferencijalna termika analiza (DTA, engl. Differential Thermal Analysis), dinamika mehaniko-termika analiza (DMTA, engl. Dynamic Mechanical Thermal Analysis). Osim toga, inenjeri i istraivai dananjice mogu se koristiti znaajnim fondom podataka o fizikim i termofizikim svojstvima pojedinih prehrambenih proizvoda iz literature ili baza podataka, kao i izrazima razliitih autora za njihovo (barem priblino) odreivanje. Brojni istraivai razvili su matematike modele za predvianje toplinskih svojstava prehrambenih proizvoda. Meutim, u veini sluajeva ti se modeli ne mogu primijeniti na ire podruje temperature i sastava. Da li e se termofizika svojstva odrediti s pomou matematikih modela ili primjenom eksperimentalnih metoda mjerenja, ovisit e o zahtjevu za tonou i brzinom odreivanja. U sluaju potrebe primjene termofizikih svojstava u razliitim procesnim uvjetima najuinkovitiji i najpraktiniji su oni modeli koji se temelje upravo na procesnim uvjetima. Openito, sastav, gustoa i temperatura su kljuni imbenici, odnosno procesni uvjeti o kojima zavise termofizika svojstva.

21

Lovri _______________________________________________________________________________________________

Metode (postupci) priblinog odreivanja svojstava tvari ili pojava u kojima sudjeluju, polaze u pravilu od kritinih svojstava ili stanja (npr. kritina temperatura, kritini tlak itd.) koja se ujedno koriste kao referentna, odnosno "reducirana" svojstva ili korespondentna stanja. U daljnjem tekstu bit e dan saeti pregled ponajvanijih fizikih i termofizikih svojstava namirnica, povezanih s odgovarajuim fizikalnim procesima od vanosti za procese obuhvaene prehrambeno-procesnim inenjerstvom, koji se primijenjuju u prehrambenoj industriji. U tablici 2.2. navedeni odgovarajui fizikalni i kemijski principi, modeli i koncepti, koji ine njihovu osnovu.Tablica 2.1. Fizika i termofizika svojstva vode i leda Svojstvo Molekulska masa Svojstva faznih prijelaza Talite pri 101.3 kPa Vrelite pri 101.3 kPa Kritina temperatura Kritini tlak Trojna toka Entalpija taljenja pri 0C Entalpija isparavanja pri 100C Entalpija sublimacije pri 0C Ostala svojstva Gustoa (g/cm3) 0.99821 Viskoznost (Pa s) 1.002103 Povrinska napetost prema zraku 72.75103 (N/m) Tlak para (kPa) 2.3388 Toplinski kapacitet (kJ/kg) 4.1818 Toplinska vodljivost (W/mK) 0.5984 Toplinska difuzivnost (m2/s) 1.4107 Provodljivost (dielektrina konstanta) 80.20 Izvor: Fennema, Food Chemistry, 1996.20C

Vrijednost 18.0153 0.000C 100.000C 373.99C 22.064 Mpa 0.01C i 611.73 Pa 6.012 kJ/mol 40.657 kJ/mol 50.91 kJ/ mol Temperatura0C 0C (led) 20C (led)

0.99984 1.793103 75.64103 0.6113 4.2176 0.5610 1.3107 87.90

0.9168 0.6113 2.1009 2.240 11.7107 90

0.9193 0.103 1.9544 2.433 11.7107 98

22


Tablica 2.2. Primjena fizikalnih i kemijskih principa, modela i koncepata na hranu i prehrambene procese Teorija Termodinamika Primjena na hranu Toplinska obrada hrane; DSC i DTA, analize Termofizika Projektiranje procesa i procesnih ureaja Kemijska termodinamika Biokemijski procesi u hrani; primjena biotehnologije, projektiranje bioreaktora Kvantna mehanika / Elektromagnetizam Procesiranje mikrovalovima; predvianje molekulskih svojstava sastojaka hrane; Spektralna analiza prehrambenih materijala Hidrodinamika / Reologija Funkcionalna svojstva hrane; Ekstruzija; Kontrola strujanja u prehrambenoprocesnim postrojenjima Izvor: Physical Chemistry of Food Processes, Ion. C. Baianu, ed., 1993.

2.2. GustoaGustoa proizvoda je vrlo vano svojstvo, ije poznavanje je nezaobilazno u razliitim procesnim proraunima. Gustoa pojedinih prehrambenih proizvoda s obzirom na njihovu raznovrsnost zavisi o brojnim imbenicima (npr. o sastavu, agregatnom stanju, procesnim uvjetima i sl.). Gustoa neke tvari se definira kao odnos mase i zapremine i obino se oznaava grkim slovom . Gustoa ( ) =Masa kg m -3 Zapremina

[

]

U veini inenjerskih problema pretpostavlja se da su krutine i tekuine nestlaive, tj. da na gustou neznatno utjeu umjerene promjene temperature i tlaka. Gustoa smjesa praktiki je aditivno svojstvo na molnoj (odnosno masenoj osnovi), to olakava izraunavanje. Ako je poznat sastav nekog prehrambenog proizvoda, gustoa se moe odrediti s pomou izraza:

p =

1 m1 1 + m 2 2 + m3 3 + ... + m n n

gdje je p gustoa proizvoda, m1 do mn su maseni udjeli sastojaka 1 do n, a 1 do n gustoe sastojaka 1 do n (n je broj sastojaka).

23

Lovri _______________________________________________________________________________________________

Tablica 2.3. Gustoa nekih sastojaka hrane i prehrambenih proizvoda Sastojak Gustoa (kg/m3) Glukoza 1560 Saharoza 1590 krob 1500 Celuloza 1270 1610 Proteini 1400 Masti 900 950 Sol (NaCl) 2160 Limunska kis. 1540 Voda Lewis, M.J. (1987) Proizvod Svjee voe Svjee povre Svjea riba Meso (spec. gustoa) Smrznuto voe Smrznuto povre Smrznuta riba Led (0C) Led (20C) Gustoa (kg/m3) 865 1067 801 1095 967 1.07 625 801 561 977 1056 916 948

2.3. Nasipna gustoaU sluajevima mijeanja, transporta, pakiranja i skladitenja materijala u komadima ili esticama (npr. voa, graka, brana) vano je poznavati tzv. nasipnu gustou, budui da ukupna zapremina ukljuuje znaajan udio zraka i zavisi o brojnim imbenicima kao to su gustoa krutine, geometrija, veliina (masa) i povrinska svojstva, te metoda mjerenja. Nasipna gustoa ( ) = Masa kg m -3 Nasipna zapremina

[

]Nasipna gustoa (kg/m3) 610 960 800 480 480 520 340

Tablica 2.4. Nasipna gustoa razliitih prakastih prehrambenih proizvoda Proizvod (u prahu) Nasipna gustoa (kg/m3) 513 785 449 480 330 330 560 Proizvod (u prahu) Mlijeko Sol (granule) eer (granule) eer (prah) Penino brano Kvasac (pekarski) Jaja

Zob Penica Brano Kakao Kava instant Kava (prena i mljevena) Kukuruzni krob Milson i Kirk (1980), Peleg (1983)

24


Tablica 2.5. Nasipna gustoa nekih vrsta voa i povra Voe, povre Jabuke Mrkva Groe Limun Mohsenin (1970) Nasipna gustoa (kg/m3) 544 608 640 368 768 Voe, povre Narane Breskve Luk (crveni) Rajica Nasipna gustoa (kg/m3) 768 608 640 736 672

Tablica 2.6. Udio vlage, gustoa i nasipna gustoa razliitih itarica itarica Udio vlage (%) Jeam 7.5 8.2 Zob 8.5 8.8 Ria 8.6 9.2 Penica 6.2 8.5 Mohsenin (1970) Gustoa (kg/m3) 1374 1415 1350 1378 1358 1386 1409 1430 Nasipna gustoa (kg/m3) 565 650 358 511 561 591 790 819

2.4. Gustoa tekuina (kapljevina) i specifina gustoaZa tekue proizvode esto se upotrebljava svojstvo izraeno kao specifina gustoa (engl. specific gravity), definirano na slijedei nain:masa tekuine gustoa tekuine t Sg = = = (bezdimenzijska veliina) masa iste zapremine vode gustoa vode vTablica 2.7. Gustoa i udio suhe tvari nekih vonih sokova Voni sok Srednja gustoa (kg/m3) Narana 1042 Grapefruit 1040 Limun 1035 Limeta 1035 Jabuka 1060 Ribiz crni 1055 Adapt. prema Lewis, M.J. (1987) Prosjena suha tvar (%) 10.8 10.4 10.0 9.3 13.0 13.5

25

Lovri _______________________________________________________________________________________________

2.5. Gustoa aeriranih proizvoda: pretiakZa proizvode koji su dobiveni upjenjavanjem, tj. inkorporiranjem zraka u tekuu kontinuiranu, fazu koliina uneenog zraka se izraava kao tzv. pretiak (engl. over-run), izraena u postotcima: poveanje zapremine pretiak = x 100 = poetna zapremina zapremina upjenjenog proizvoda poetna zapremina = x 100 zapremina tekueg proizvoda masa tekueg proizvoda masa iste zapremine upjenjenog proizvoda ili: masa iste zapremine upjenjenog proizvoda

Tablica 2.8. Pretiak nekih prehrambenih proizvoda Proizvod Sladoled (pakirani) Sladoled (u masi) erbet Mekani (krem) sladoled Ledeno mlijeko Tueno vrhnje Arbuckle (1977) Pretiak 70 80 90 150 30 40 30 50 50 80 10 15

Za plinove vrijedi izraz:

=

Mp kg m -3 Z R T

[

]

gdje Z oznaava faktor stlaivosti (za idealne plinove i pare Z = 1), a procjenjuje se s pomou odgovarajuih dijagrama.

26


2.6. Specifina toplinaToplinski kapacitet ili specifina toplina je jedno od osnovnih fizikalnih svojstava neophodnih u toplinskim proraunima pri procesima koji ukljuuju dovoenje ili odvoenje topline. Pojam specifina toplina koristi se u termodinamici kao skraenica za specifini toplinski kapacitet, tj. kao odnos toplinskog kapaciteta neke tvari i toplinskog kapaciteta vode iz te mase. Specifina toplina je mjera potrebne energije za porast jedinice temperature po jedinici mase neke tvari (mjera energije potrebne da se jedinici mase neke tvari povisi temperatura za jednu jedinicu). Za razliku od plinova iji toplinski kapacitet zavisi o tlaku i temperaturi i znaajno varira o toj zavisnosti, toplinski kapacitet kapljevina (tekuina) praktiki ne ovisi o tlaku, a neznatno se mijenja s temperaturom. Budui da se u toplinskim procesima prehrambene industrije prijenos topline uglavnom odvija pri konstantnom tlaku uobiajena je uporaba toplinskog kapaciteta pri konstantnom tlaku, to se izraava cp (jedinica: kJ kg1 K1). Specifina toplina prehrambenih proizvoda u najveoj mjeri zavisi o masenom udjelu vode, kao uostalom i druge veliine. Najjednostavniji izraz za izraunavanje pribline specifine topline, c nekog prehrambenog proizvoda je slijedei: c = mvcv+mscs (kJ kg1K1) gdje je mv maseni udio vode, cv = 4.18 kJ kg1K1 specifina toplina vode, ms maseni udio suhe tvari i cs = 1.46 kJ kg1K1 (Lamb, 1976.) specifina toplina suhe tvari. Ako je poblie poznat sastav namirnice mogue je upotrijebiti i ovaj izraz: c = mvcv + mucu + mbcb + mmcm + mpcp gdje je: mv = maseni udio vode; mu = maseni udio ugljikohidrata; mb = maseni udio bjelanevina; mm = maseni udio masti; mp = maseni udio pepela (mineralnih tvari); cv = 4.18 kJ kg1K1 specifina toplina za vodu; cu = 1.22 kJ kg1K1, specifina toplina za ugljikohidrate; cb = 1.6 kJ kg1K1, specifina toplina za bjelanevine; cm = 1.7 kJ kg1K1, specifina toplina za masti; cp = 0.8 kJ kg1K1, specifina toplina za pepeo (mineralne tvari). Navedeni izrazi se primjenjuju u sluajevima promjene tzv. osjetne topline, tj. pri energetskim promjenama koje se oituju promjenama temperature, odnosno pri zagrijavanju ili hlaenju.

27

Lovri _______________________________________________________________________________________________

Tablica 2.9. Specifina toplina nekih prehrambenih proizvoda i procesnih materijala Prehrambeni proizvod (materijal) Voda Led Vodena para Zrak Bakar Aluminij Nehrajui elik Etilen glikol Etilni alkohol Glicerol Ulje kukuruznih klica Ulje suncokreta Ulje suncokreta Jabuke (84.1% vl.) Jabuke (84.1% vl.) Krumpir (77.8% vl.) Krumpir (77.8% vl.) Krumpir osueni (10.9% vl.) Janjetina (58.0% vl.) Janjetina(58.0% vl.) List (riba) List Mlijeko (87.5% vl.) Mlijeko (87.5% vl.) Soja (8.7% vl.) Penica (10.0% vl.) Lewis, M.J. (1987) Temperatura 0 C 20 C 20C 20 C 40 C 0 C 18 50 C 20 C 0 C 20 C iznad t. smrzavanja ispod t. smrzavanja iznad t. smrzavanja ispod t. smrzavanja iznad t. smrzavanja ispod t. smrzavanja iznad t. smrzavanja ispod t. smrzavanja iznad t. smrzavanja ispod t. smrzavanja Specifina toplina (kJ/kg K) 4.18 2.04 2.05 1.00 0.38 0.89 0.46 2.21 2.24 2.43 1.73 1.86 1.93 3.59 1.88 3.43 1.80 1.85 2.80 1.25 3.76 2.05 3.89 2.05 1.85 1.46 1.80

2.7. Latentna toplinaU mnogim operacijama i procesima prehrambene industrije susreemo se s faznim prijelazima to je povezano s energetskim promjenama. Prilikom smrzavanja iste vode potrebno je pri (temperaturi) 0C odvesti 334 kJ/kg. Prehrambeni proizvodi sastoje se u pravilu od vie sastojaka i toplina skruivanja e ovisiti o udjelu vode u odnosu na ostale sastojke. ak, ukoliko je udio vode u proizvodu relativno visok, dolazi do snienja ledita zbog prisutnosti u vodi otopljenih sastojaka. Zavisno o sastavu, toka smrzavanja (ledite) veine prehrambenih proizvoda nalazi se izmeu 0.5C i 4C. 28


Tijekom smrzavanja u proizvodu se snienjem temperature postupno stvaraju kristali, to se obino prikazuje dijagramima za entalpiju ili dijagramima o udjelu nesmrznute vode pri razliitim temperaturama. Niti pri vrlo niskim temperaturama nije mogue smrznuti svu prisutnu vodu; udio zavisi o higroskopinim svojstvima materijala. U proizvodima koji sadre masti, mast kristalizira ili se tali pri prijelazu toke kristalizacija/taljenje. Obino, prehrambeni proizvodi sadre razliite vrste masti s razliitim talitima, to ima za posljedicu iroki raspon podruja taljenja. Ta pojava, naravno, uvjetuje i specifian toplinski kapacitet.Tablica 2.10. Latentna toplina taljenja (zamrzavanja) u funkciji udjela vode Namirnica Salata Jagode Mahune Marelice Krumpir Suhe smokve Suhi graak Janjetina Lewis, M.J. (1987) Udio vode (%) 94.8 90.9 88.9 85.4 77.8 24.0 9.5 58.0 Latentna toplina (kJ/kg) 316.3 (317.6) 289.6 (304.5) 297.0 (297.8) 284.0 (286.1) 258.0 (260.6) 79.0 (80.4) 32.6 (31.8) 194.0 (194.3)

Latentna toplina isparavanja vode iznosi 2256 kJ/kg pri (temperaturi) 100C i (tlaku) 101.3 kPa. Hlapljivi sastojci u hrani obino su od zanemarivog znaenja za izraunavanje topline isparavanja. Toka isparavanja tekuih proizvoda je esto iznad 100C to ovisi o koncentraciji suhe tvari. Za poznate otopine povienje vrelita je proporcionalno molarnoj koncentraciji otopljene tvari. Za vodene otopine faktor proporcionalnosti (molarna konstanta vrelita) je 0.52, iz ega proizlazi da je: TBPR = 0.52X gdje je X molni udio otopljene tvari.

2.8. EntalpijaPojam entalpije je termodinamski definiran kao suma unutarnje i kinetike energije. Taj je pojam identian s ranijim izrazom 'sadraj topline'. Entalpija se izraava na jedinicu mase, iz ega proizlaze jedinice J/kg; Nm/kg ili Ws/kg. 29

Lovri _______________________________________________________________________________________________

Entalpija (H) neke namirnice (Heldman, 1982) jednaka je zbroju entalpija pojedinih sastojaka. Tako je na primjer za smrznute proizvode: H = Hs + Hv + Hl + L gdje je: Hs = entalpija suhe tvari namirnice; Hv = entalpija vode; Hl = entalpija leda; L = latentna toplina smrzavanja Za odreivanje entalpije prehrambenih proizvoda najee se upotrebljavaju kalorimetrijske metode ili matematiki modeli (entalpije), koji su, zavisno o temperaturnom podruju primjene, funkcija temperature ili masenog udjela vode. Naime, modeli zavisnosti entalpije namirnice o temperaturi iznad temperature zamrzavanja (Tf) linearne su funkcije ili temperature ili masenog udjela vode, dok su modeli (prividne) entalpije namirnice ispod Tf eksponencijalne funkcije dviju meusobno zavisnih varijabli, temperature i masenog udjela vode. Kao primjer navodimo dva matematika modela (izraza)za izraunavanje entalpije. Jedan takav model, prema Chang i Tao-u (1981), za izraunavanje entalpije pri temperaturi zamrzavanja namirnice (Hs), ukoliko je poznat udio vode, dan je ovim izrazom: Hs = 9792,46 + 405096 mv (J/kg) gdje je mv = maseni udjel vode. Za izraunavanje prividne entalpije (), pri T < Tf, Pham, Q. T. i Willix, J. (1987, 1990) ponudili su slijedei model: = 71,9 + 1,99T 152,6 T

2.9. Toplinska vodljivostToplinska vodljivost je svojstvo kojim se izraava lakoa prolaza toplinske energije kroz neki materijal (npr. prehrambeni proizvod) pri konstantnom toplinskom gradijentu. Poznavanje toplinske vodljivosti je neophodno za raunanje prijenosa topline kondukcijom. Toplinska vodljivost se tek neznatno mijenja s promjenom temperature. Veina matematikih izraza predloenih za izraunavanje toplinske vodljivosti pretpostavlja prehrambene proizvode kao dvofazne sustave na bazi vode i suhe tvari. To je osobito vano pri procesu smrzavanja budui da se toplinska vodljivost vode, kao sastojka s najveim udjelom, znatno mijenja prilikom faznog prijelaza iz kapljevitog (tekueg) u vrsto stanje. Naime, toplinska vodljivost leda, 2.210 W/mK, je etiri puta vea od toplinske vodljivosti vode u kapljevitom stanju, 0.555 30


W/mK. To znai da toplinska vodljivost prehrambenih proizvoda u najveoj mjeri ovisi o udjelu vode.

2.10. Toplinska difuzivnostToplinska difuzivnost je svojstvo koje odreuje brzinu protoka topline kroz materijal (prehrambeni proizvod) tijekom hlaenja ili zagrijavanja, a moe se izraunati s pomou sljedeeg izraza:

=

k

cp

[m s ]2 1

gdje je k toplinska vodljivost, (J/mKs), gustoa proizvoda, (kg/m3), cp specifina toplina proizvoda (J/kgK). Zbog doprinosa toplinske vodljivosti (k) i specifine topline (cp) njenoj vrijednosti, toplinska difuzivnost pokazuje sloeni odnos s udjelom vode u hrani. Iznad toke smrzavanja vrijednost toplinske difuzivnosti se moe pretpostaviti iz vrijednosti za k, cp i udjela vode. Budui da je toplinska vodljivost (k) vea za smrznutu hranu od one za nesmrznutu, a specifina toplina (cp) i gustoa () su manje, to e toplinska difuzivnost u smrznutoj hrani biti znatno vea od one u nesmrznutoj.

2.11. Dielektrina svojstvaKoliina topline proizvedena prilikom dielektrinog zagrijavanja ovisi o dielektrinim svojstvima prehrambenih proizvoda, kao to su relativna dielektrina konstanta ', relativni faktor dielektrinh gubitaka '', odnosno ugao gubitaka tan , koji pak zavise o sastavu proizvoda, temperaturi i frekvenciji zraenja. Tangens gubitaka ukljuuje doprinos dielektrine relaksacije i zagrijavanja elektrinim otporom, to prevladava pri niim frekvencijama. Izmeu navedenih parametara postoji sljedei odnos: '' = ' tan Neki od primjera prikazani su u tablici 2.11. Sposobnost prodiranja mikrovalova esto se izraava kao dubina prodiranja; to je dubina kod koje je upadna snaga smanjena na 37%, a moe se izraunati pomou izraza:

d= 0

8

1 + tan 2 131

Lovri _______________________________________________________________________________________________

gdje: d = dubina prodiranja; 0 = valna duljina elektromagnetske energije u vakuumu; ' = (relativna) dielektrina konstanta.Tablica 2.11. Dielektrina svojstva nekih prehrambenih proizvoda pri 2 700 MHz Proizvod Voda Sirova govedina Kaa krumpira Halstrom, B. (1988) Temp. (C) +3 +60 20 +20 +60 20 +20 +60 Dielektrina konstanta (F/m) 83 66 4.8 48 40 4.6 65 55 Tangens gubitka (tan ) 0.27 0.18 0.12 0.28 0.31 0.07 0.34 0.35 d (mm) 8 30 74 9 10 130 7 8

2.12. Viskoznost i reoloka svojstvaU mnogim procesima i operacijama prehrambene industrije potrebno je za definiranje odreenih procesnih parametara poznavanje tzv. reolokih svojstava odgovarajuih materijala (krutina ili tekuina), odnosno njihovo ponaanje (deformacija ili teenje) pod utjecajem djelovanja nametnute sile (naprezanja). Pod deformacijom se podrazumijeva promjena oblika i dimenzija nekog tijela pod utjecajem sile, a pod pojmom teenja kontinuirana promjena deformacije s vremenom. Reologija je znanstvena disciplina koja se bavi teenjem i deformacijom kako krutih (vrstih), tako i tekuih materijala. Kod prehrambenih proizvoda, osim pri odreivanju procesnih uvjeta, reologija se koristi i za definiranje parametara kakvoe. Prema Mohsenimu materijali se, zavisno o ponaanju prema djelovanju naprezanja (sile) svrstavaju na nain kako je prikazano na slici 2.1. Osnovna reoloka svojstva krutih materijala su elastinost i plastinost, a tekuih (fluida) viskoznost. Bioloki materijali, ukljuujui prehrambene proizvode, zbog svog sloenog sastava rijetko pokazuju samo jedno od navedenih svojstava, iako se najee opisuju samo jednim od njih. Materijal je idealno elastian kada se deformacija pojavi trenutano s djelovanjem sile, a nestaje nakon prestanka djelovanja sile. Ako materijal podlijee trajnoj deformaciji kada se postigne odreeni prag naprezanja, za njega se kae da pokazuje plastino ponaanje. 32


Sila Deformacija Elastina Hookeovska Nehookeovska Viskoelastino Plastino Bingamovsko Viskoplastino Teenje Viskozno

Nebingamovsko Nenewtonsko Newtonsko

Slika 2.1. Ponaanje materijala prema djelovanju sile (naprezanja)

Pojedini koloidni sustavi, pod odreenim uvjetima, pokazuju svojstva i tekuih i krutih materijala u razliitom omjeru, pa se zbog toga nazivaju viskoelastini sustavi. Osim kemijskog sastava, na stanje nekog reolokog sustava utjeu jo neki imbenici, kao to su: temperatura, udio suhe tvari, pH, brzina smicanja, vrijeme smicanja, uvjeti pripreme i dranja materijala, kao i primijenjena metoda odreivanja reolokih znaajki.

2.12.1. ViskoznostVeina tekuina pokazuje svojstvo idealne viskoznosti. Newtonsku viskoznost pokazuju oni sustavi kod kojih pri mirovanju nema jaih privlanih sila i kod kojih se odvijaju elastini sudari. Sile otpora javljaju se tek pri protjecanju. Viskoznost se moe jednostavno definirati kao unutranje trenje koje djeluje unutar fluida (tekuine), tj. kao otpor teenju. Deformacija izazvana djelovanjem sile (naprezanja) se moe izraziti kao gradijent brzine izmeu dviju ploha: dy/du (s1), a izraz koji to opisuje poznat je kao Newtonov zakon: du = = dy gdje je = smino naprezanje (Pa) ili (N/m2), = koeficijent viskoznosti ili viskoznost (Pas) ili (Ns/m2), du/dy = = gradijent brzine izmeu dvije plohe, odnosno brzina smicanja (s1). Odnos sminog naprezanja i brzine smicanja, prikazan grafiki, predstavlja pravac koji prolazi kroz ishodite. Prema tome Newtonski sustavi (fluidi, tekuine) su oni kod kojih postoji linearni odnos izmeu sminog naprezanja i brzine smicanja, pri emu se konstanta proporcionalnosti (tj. nagib krivulje ) naziva koefi33

Lovri _______________________________________________________________________________________________

cijent viskoznosti ili jednostavno viskoznost, (ponekad i "apsolutna" ili "dinamika" viskoznost). Uz uobiajeni pojam dinamike viskoznosti (), u pojedinim sluajevima (npr. za ne-prehrambene proizvode, kao to su maziva ulja) upotrebljava se i pojam kinematika viskoznost, koja je definirana slijedeim odnosom:

v=

(m2/s)

gdje je dinamika viskoznost, a gustoa. Voda, mlijeko, med (tekui) i voni sokovi posjeduju znaajke Newtonskih sustava (tekuina).Tablica 2.12. Viskoznost nekih materijala pri sobnoj temperaturi Materijal (fluid) Viskoznost priblina (Pas) Zrak 105 Voda 103 Maslinovo ulje 101 Glicerol 100 Med (tekui) 101 Zlatni sirup 102 (Staklo) (1040) Singh, R. P., Heldmann, D. R., (1993)

Meutim, mnogi prehrambeni proizvodi odstupaju svojim reolokim znaajkama od zakonitosti opisanih Newtonovim izrazom. Takve nazivamo ne Newtonovskim tekuinama (fluidima).Smino naprezanje a b c d e

Brzina smicanja

Slika 2.2. Odnos izmeu sminog naprezanja i brzine smicanja za Newtonske i ne Newtonske tekuine a. Herschel-Bulkley, b. Bingham-plastina, c. pseudoplastina, d. Newtonska e. dilatantna

34


Svojstva ne-Newtonskih tekuina mogu se svrstati u dvije skupine, zavisno o tome da li se s vremenom smicanja ta svojstva mijenjaju ili ne, kao to se vidi iz slike 2.2., ili prema Uliksonu u tri skupine.

Slika 2.3. Svojstva ne Newtonskih tekuina

2.12.2. Sustavi (fluidi) ija svojstva ne ovise o vremenu smicanjaKod ovih sustava brzina smicanja je ovisna samo o lokalnom sminom naprezanju: du = f ( ) dy U ovu skupinu spadaju ovi sustavi (tekuine):Pseudoplastini sustavi. Kod ovih sustava smino naprezanje mnogo bre raste pri niim brzinama smicanja nego pri viim, a taj odnos se obino opisuje izrazom koji se naziva i Oswald-Reinerov zakon potencije:

= 0

du dy

n

ili = K ( )n

(n < 1)

gdje je K = koeficijent konzistencije (Pasn) i n = indeks teenja. Viskoznost pseudoplastinih tekuina odreena je izrazom: = K ()n1. U veini sluajeva ponaanje ovog tipa ne-Newtonskih fluida se pripisuje prisustvu visokomolekularnih tvari u otopini ili dispergiranih vrstih estica u tekuoj fazi (suspenzoida). Primjeri pseudoplastinih tekuina su: kondenzirano mlijeko, majoneza, senf, pire banane, pire jabuke, juhe od povra. (za med n = 1!). 35

Lovri _______________________________________________________________________________________________

Dilatantni sustavi. Kod ovih sustava pri poveanju brzine smicanja naglo raste smino naprezanje, odnosno viskoznost, tako da je otpor sustava mnogo vei pri veim brzinama nego pri manjim, a opisuju se istim izrazom kao i pseudoplastini, s time da je n > 1. Primjer za ove sustave su koncentrirane suspenzije, kao to je 60% suspenzija kroba u vodi. Iz navedenih izraza i primjera je vidljivo da vrijednost indeksa teenja (n) karakterizira tip fluida. Za Newtonske fluide n = 1, za pseudoplastine n < 1, a za dilatantne n > 1. Na taj je nain mogue odrediti da li je rije o Newtonskom ili neNewtonskom fluidu. Razlike izmeu spomenuta dva tipa ne-Newtonskih fluida mogu se lako razumjeti uvoenjem pojma tzv. prividne viskoznosti. Za prividnu viskoznost (p) odnos / nije konstantan ve se mijenja brzinom smicanja. Prividnu viskoznost mogue je priblino ocijeniti grubom (grafikom) aproksimacijom (primjene) Newtonovog zakona na ne-Newtonske sustave. Na taj je nain mogue utvrditi da se poveanjem brzine smicanja prividna viskoznost pseudoplastinih tekuina smanjuje, a dilatantnih poveava. Binghamski plastini sustavi. Za ove sustave je svojstveno da kretanje (teenje) poinje tek kada je postignut odreeni prag naprezanja 0. U tom sluaju zakon potencije postaje:

= 0 + p

du ili = K + 0 dy

Primjeri ovog tipa fluida su okoladna masa, biljne masti, margarin i sok narane. Navedeni izrazi opisuju idealno plastino teenje ili binghamovsko teenje, a odgovarajue tvari u sluaju kada je naprezanje vee od 0, pokazuju linearnu ovisnost sminog naprezanja o brzini smicanja. Ispod vrijednosti ovog naprezanja plastini sustavi se ne dovode u gibanje, ve se deformiraju, tj. promijene oblik poput vrste plastine tvari. Po prestanku djelovanja sile ponovno poprime prvobitni oblik. Ukoliko materijal nakon postizanja praga naprezanja pokazuje pseudoplastino ili dilatantno ponaanje, tada se naziva kvaziplastian ili fluid mjeovitog tipa, a to ponaanje se moe opisati Hershel Bulkely izrazom:

= K n +0ili Casson-ovim izrazom:

1 2 = K 0 + K1 1 2gdje je K0 = granica teenja prema Cassonu i K1 = plastina viskoznost prema Cassonu. 36


2.12.3. Sustavi (fluidi) ija svojstva ovise o vremenu smicanjaKod ovih sustava smino naprezanje ne ovisi samo o brzini smicanja nego i o vremenu: du = f (t , ) dyTiksotropni sustavi. Tiksotropni su sustavi oni kod kojih unutarnji otpor ovisi o primijenjenom naprezanju, trajanju naprezanja i prethodnim deformacijama, pri emu dolazi do naruavanja strukture, a viskoznost se smanjuje s trajanjem naprezanja. Kada prestane djelovanje naprezanja, dolazi do ponovnog uspostavljanja poetne strukture i porasta viskoznosti. Mjerilo tiksotropnosti nekog fluida je povrina tzv. tiksotropne petlje, kod koje uzlazna krivulja pokazuje poetno stanje, kada struktura nije razorena, a silazna krivulja razoreno stanje, dok povrina petlje predstavlja energiju potrebnu za razaranje tiksotropne strukture. Za opisivanje pojave tiksotropije koriste se razliiti koeficijenti, kao to su koeficijent tiksotropije, Kt i koeficijent tiksotropnog razaranja, Ktr:

Kt =

1 n ( i i); n i

K tr =

1 n ( i i) n i i

gdje je n = broj mjerenja, ti' = smino naprezanje pri uzlaznom mjerenju i ti'' = smino naprezanje pri silaznom mjerenju. Primjeri tiksotropnog ponaanja su koncentrat rajice i razliite kreme. Reopektiki sustavi. Ovi sustavi pokazuju suprotno ponaanje od tiksotropnih, tj. s vremenom naprezanja poveava se konzistencija. Ova pojava naziva se antitiksotropija: djelovanjem smicanja dolazi do porasta viskoznosti-konzistencije, a pri mirovanju dolazi do pada. Primjer navedenog ponaanja je tueno vrhnje. Viskoelastini sustavi. Pri primjeni (sminog) naprezanja ovi sustavi pokazuju i elastino i plastino ponaanje. Meutim, od plastinih fluida se razlikuju u tome, to se oba navedena svojstva javljaju istovremeno, s time, da nakon prestanka naprezanja, smicanje u materijalu u potpunosti ne prestaje. Viskoelastina svojstva pokazuju mnogi polutekui proizvodi, poput tijesta, neki sirevi i veina eliranih proizvoda. Na reoloka svojstva prehrambenih proizvoda utjeu brojni imbenici. To su: kemijski sastav i njegove promjene tijekom proizvodnje i skladitenja; procesni uvjeti (temperatura, tlak); razliite operacije i procesi (koncentriranje, toplinska obrada, obrada enzimima, smrzavanje, ekstrudiranje, homogenizacija, mijeanje, emulgiranje i sl.). Posebno je znaajan utjecaj temperature na reoloka svojstva (viskoznost, odnosno konzistenciju). Taj se utjecaj moe zadovoljavajuom korelacijom zavis37

Lovri _______________________________________________________________________________________________

nosti viskoznosti (za Newtonske fluide), ili prividne viskoznosti, odnosno konzistencije (za ne-Newtonske fluide, gdje je p = K()n1) o temperaturi opisati Arrhenius-ovim izrazom: E = exp a RT gdje je = empirijska konstanta za viskoznost, (Pa s); Ea = energija aktivacije teenja, (J/gmol); R = plinska konstanta, (J/gmol K); T = apsolutna temperatura, (K). Ne samo to temperatura (prema navedenom izrazu) utjee na viskoznost, ve o njoj ovise i reoloke znaajke fluida. Tako, na primjer, koncentrirani (mutni) sok limuna pri nioj temperaturi (7C) pokazuje plastina, a pri vioj (22 50C) temperaturi pseudoplastina svojstva. Za odreivanje reolokih svojstava danas se koriste brojni tipovi instrumenata (viskozimetara, reometara), koji rade na razliitim principima, a prilagoeni su specifinim zahtjevima u pogledu primjene i tonosti (preciznosti) rezultata. Iako se u praksi susreu dva osnovna tipa viskozimetara: kapilarni i rotacijski, na tritu se nude razliite varijante instrumenata koji rade na istim ili slinim principima, s tim da se u novije vrijeme uvode sve vie elektromehaniki senzori i elektronske metode mjerenja.

2.13. Koligativna svojstva i njihovo odreivanjeSvojstva, kao to su snienje tlaka para otopine, snienje ledita, povienje vrelita i osmotskog tlaka pri unoenju topljive tvari, tijesno su meusobno povezana i zbog toga ih nazivamo koligativnim svojstvima. Izrazi koji slue za izraunavanje tih svojstava (prema pojedinim autorima) mogu se meusobno povezati, tako da se moe svako od tih svojstava izraunati na osnovi vrijednosti danih za ostala, na sljedei nain:p p1 M w Lv Tb M w L f T f M 1 aw = 0 = = w 2 2 p0 RT RTb RT0 (1) (2) (3) gdje je p0 = tlak para vode (Pa); p1 = parcijalni tlak para vode sustava (Pa); Mw = molekulska masa vode; Lv = latentna toplina isparavanja vode (kJ/kg); Tb = vrelite vode (373.15 K); Lf = latentna toplina taljenja leda (kJ/kg); T0 = temperatura smrzavanja vode (273.15 K); Tf = temperatura smrzavanja otopine (K); = gustoa (kg/m3); = osmotski tlak (Pa).

38


Izraz (1) odnosi se na povienje vrelita; (2) snienje ledita; (3) poveanje osmotskog tlaka. RT = ln a w Mw Osmotski tlak je teko mjeriti, naroito pri visokim koncentracijama otopljene tvari. Teoretski, osmotski tlak se moe odrediti na osnovi drugih parametara, poput aktiviteta vode, snienja ledita ili povienja vrelita.

2.14. Dijagrami stanjaU novije vrijeme koriste se sve vie tzv. dijagrami stanja (engl. State diagram) za opisivanje stanja vode u hrani, posebno pri tvorbi amorfnog stanja, odnosno tzv. staklastog prijelaza,to je vano pri razmatanju pojava koje se javljaju u razliitim procesima, npr. dehidratacije ili smrzavanja. Dijagram stanja (prikazan na slici) jednostavnog sustava (otapala i otopljene tvari) je fazni dijagram sastojaka hrane u kojem je prikazana i krivulja staklastog prijelaza. Naime, fazni dijagrami se odnose iskljuivo na ravnotene uvjete, dok dijagrami stanja sadre, uz podatke za ravnotene i za neravnotene uvjete i metastabilna ravnotena stanja. Prema tome dijagrami stanja su dopunjeni fazni dijagrami budui da dehidratirani, djelomino osueni ili smrznuti proizvodi ne dolaze u stanju termodinamske ravnotee.+60 +50 +40 +30 20 0 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -100 -140S

Tm

Tg Vodena otopina Tm Led+Otopina Led+Koncentrirana otopina Led+Staklo Tg' TE Prezasiena otopina Staklo

Temperatura, C

0

10

20

30

40 50 60 70 Otopljena tvar, W%

80

90

100

Slika 2.4. Dijagram stanja vodenih otopina

39

Lovri _______________________________________________________________________________________________

Za izraunavanje temperature staklastog prijelaza (Tg) jednostavnih sustava predloeni su razliiti izrazi, izmeu kojih je najstariji i najpoznatiji onaj Gordona i Taylora, koji je posluio i za izradu priloenih dijagrama (binarnih sustava):Tg = W1T g1 + kW2T g 2 W1 + kW2

gdje su Tg1 i Tg2 vrijednosti staklastog prijelaza (K) komponente 1 (voda) i 2 (uzorka); W1 i W2 maseni udjeli komponenata 1 i 2, dok je k empirijska konstanta koja se moe nai u literaturi. U priloenoj tablici dani su podaci za Tg vrijednosti nekih prehrambenih proizvoda. Za odreivanje Tg (temperature staklastog prijelaza) najprikladnije su metode DSC (diferencijalna motridbena kalorimetrija) ili DMTA (dinamika mehaniko-termika analiza). Kao to je reeno, krivulje staklastog prijelaza prikazuju metastabilno prijelazno podruje gdje je viskoznost u tolikoj mjeri velika da proizvod nema sposobnost teenja, znaajnog za njegovu stabilnost. Ispod te krivulje na dijagramu proizvod je stabilan u pogledu procesa zavisnih o difuziji, kao to je migracija vode, na ekstremno dugi period. Npr. mlijeko u prahu je suho i stabilno ukoliko se uva pri temperaturi ispod temperature staklastog prijelaza. Meutim, ako primi vlagu iz okolinog zraka ili se dri pri povienoj temperaturi (tj. iznad temperature staklastog prijelaza), tada mu se smanjuje stabilnost i dolazi do sljepljivanja estica. Spomenuti difuzijom ogranieni procesi u hrani povezani su s molekulskom pokretljivou Mm (engl. Molecular mobility) iju su kinetiku obradili Williams Landel Ferry za temperature iznad Tg (staklasti prijelaz) i Tm' ili Tm* (temperatura taljenja onosno topljivosti), izrazom danim za viskoznost: log C1 T T g = g C 2 + T Tg

( (

) )

gdje je = viskoznost pri temperaturi proizvoda; g = viskoznost pri Tg (K); C1 (bezdimenzijska) i C2 (K) su konstante (27, 130). ( se moe zamijeniti sa 1/Mm).

40


Tablica 2.13. Neka svojstva i znaajke pojava u prehrambenim proizvodima uvjetovanih pokretljivou molekula (difuzijom uvjetovanih promjena u proizvodima koji sadre amorfna podruja) Suhi i polusuhi proizvodi Svojstva teenja i ljepljivosti Kristalizacija i rekristalizacija "cvjetanje" eera u okoladi Lomljenje tijekom suenja i hlaenja pekarskih proizvoda Kolaps strukture tijekom drugog stadija liofilizacije (desorpcije) Isputanje hlapljivih sastojaka iz amorfnog matriksa ukapsuliranih proizvoda Enzimska aktivnost Maillardova reakcija elatinizacija kroba i retrogradacija kroba u pekarskim proizvodima Smrznuti proizvodi Migracija vlage (kristalizacija leda, na primjer u pakovini) Kristalizacija laktoze "pjeskovitost" u smrznutim desertima Enzimska aktivnost Kolaps strukture amorfne faze tijekom sublimacije Smeuranje djelominim kolapsom strukture u pjenastim-smrznutim desertima

41

Lovri _______________________________________________________________________________________________

BibliografijaArbucle, W. S., Ice Cream, 3rd edition, AVI, Westport, Connecticut (1977). Brennan, J.G., Butters, J.R., Cowell, N.D. and Lilly, A.E.V.,Food Engineering Operations, 3rd ed. Elsevier Science Publishing Co., New York (1990). Casson, N., A flow equation for pigmented-oil suspensionof the printing ink type, in Rheologie of Dispersed Systems (C.C. Mill, ed.), Pergamon Press, New York (1959) 84. Chang, H.D., Tao, L.C., J. Food Sci. 46 (1981) 1493. Charm, S.E., The Fundamentals of Food Engineering, 3rd ed. AVI Publ. Co., Westport, Connecticut (1978). Chen, C. S., Physicochemical Principles for Concentration and Freezing of Fruit Juice, in Fruit Juice Processing Technology, S. Nagy, C.S. Chen, and P. E. Shaw (Editors), AGSCIENCE, Inc. Auburdale, Florida. Choi,Y. and Okos, M.R., Effects of temperature and composition on the thermal properties of food, in Food Engineering and Process Applications, Vol 1. Transport Phenomena. (M.Le Maguer and P.Jelen, eds.), Elsevier Applied Science Publishers, London (1986) 93. Dickerson, R.W., Jr., Thermal properties of foods. In The Freezing Preservation of Foods, 4th ed., Vol.2.(D.K. Tressler, W.B. Van Arsdel and M.J.Copley, eds.) AVI Publ.Co., Westport, Connecticut, (1969) 26. Dodge, D.W. and Metzner,A.B., Turbulent flow of non-Newtonian systems, AIChEJ, 5 (7) (1959) 189. Earle, R.L., Unit Operationsin Food Processing, 2nd ed., Pergamon Press, Oxford (1983). Esher, F., Progress in measurament of physical properties of food. Proceedings of Euro Food Chem IV, Vol. 2, Leon, Norway, (1987) 428. Farrall, A.W., Food Engineering Systems, Vol. 1. AVI Publ. Co., Westport, Connecticut (1976). Farrall, A.W., Food Engineering Systems, Vol. 2. AVI Publ. Co., Westport, Connecticut (1979). Fennema, O.R., Water and Ice, in Food Chemistry (Food science and Tecnology), edited by Owen R. Fennema, 3rd ed., Marcel Dekker, Inc. New York (1996) 17. Halstrom, B., Skjoldebrand, C., and Tragardh, C., Heat Transfer and Food Products, Elsevier Applied Science Publ., London and New York (1988). 42


Hegedui, V., Progress in Food Rheology, In Advances in Food Process Engineering (Short Intensive Course EFAPTEM, a Tempus Joint European Project) Technological Educational Institution (TEI) of Zagreb) (1992) 13. Heldman, D. R., and Gorby, D.P., Prediction of thermal conductivity of frozen foods. Trans. ASAE 18 (1975) 740. Heldman, D.R., and Singh, R.P., Food Process Engineering, 2nd ed. AVI Publ. Co., Westport, Connecticut (1981). Heldman, D.R.., and Lund, D. B., Handbook of Food Engineering, Marcel Dekker, New York (1992). Hill, J.E., Litman, J.E., and Sutherland, J.E., Thermal conductivity of various meats. Food Technol. 21, (1967) 1143. Karel, M., Buera, M. P., and Roos, Y., Effects of glass transitions on processing and storage, in The Glassy State in Foods (J.M.V. Blanshard and P.J. Lillford, eds.), Nottingham University Press, Loughborough (1993) 13. Lentz, C.P., Thermal conductivity of meats, fats, gelatin gels and ice., Food Technol. 15 (1961) 243 Lewis, M.J., Physical Properties of Foods and Food Processing Systems, Ellis Horwood Ltd, Chicester, 111 (1987). Loncin, M. and Merson, R.L., Food Engineering; Principles and Selected Applications. Academic Press, New York, (1979). Milson, A., and Kirk, D., Principles of Design and Operation of Catering Equipment. Ellis Horwood, Chichester, West Sussex (1980). Mohsenin, N. N., Phycical Properties of Plant and Animal Materials, Vol. 1, Structure, Physical Characteristics and Mechanical Properties. Gordon and Breach, London (1970). Mohsenin, N.N., Physical Properties of Plant and Animal Materials: Structure, Physical Characteristics and Mechanical Properties, 2nd ed., Gordon and Breach Science Publishers, New York (1978). Mohsenin, N. N., Thermal Properties of Food and Agricultural Materials, Gordon and Breach (1980). Muller, H.G., An Introduction to Food Rheology, Heineman, London (1973). Myers, G.E.., Analytical Methods in Conduction Heath Transfer., McGraw-Hill, New York, (1971). Peleg, M., and Bagley, E. B., (Eds.), Physical Properties of Foods, AVI, Westport, Connecticut (1983).

43

Lovri _______________________________________________________________________________________________

Pham, Q.T. and Willix, J., J.Food Sci. 55 (1990) 1429. Physical Chemistry of Food Processes, Vol 1., Fundamental Aspects, edited by Ion C. Baianu, an AVI book (Van Nostrand Reinhold), New York, (1993). Physical Chemistry of Food Processes, Vol 2., Avanced Techniques, Structures, and Applications, edited by Ion C. Baianu, Helmut Pessen, and Thomas F. Kumosinsky, an AVI book (Van Nostrand Reinhold), New York, (1993). Piliota, V., Thermal Analysis of Foodstuffs at Low Temperatures, In Advances in Food Process Engineering (Short Intensive Course EFAPTEM, a Tempus Joint European Project) Technological Educational Institution (TEI) of Zagreb (1992) 60. Rao, M. A., Anantheswaren, R. C., Rheology of fluids in food processing, Food Technol. 36 (1982) 116. Roos, Y., Phase transition and transformation in food systems., in Handbook of Food Engineering. (Heldman,D.R. and Lund, D.B.,eds.) pp. 145-197, Marcel Dekker, New York (1992). Roos, Y. and Karel, M., Applying state diagrams to food processing and development. Food Technol. 45 (12) (1991) 66-71, 107. Rotstein, E.., Singh, R.P.and Valentas, K., Handbook of Food Engineering Practice., CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, (1997). Shoemaker, C.E., Figoni, P.I., Time dependent rheological behaviour of food, Food Technol 38 (1984) 110.. Simatos, D., Blond, G., Le Meste, M., Some aspects of the glass-transition in frozen food systems, in The Science and Technology of the Glassy State in Foods; University of Nottingham: Nottingham, U.K. (1992). Singh, R. P., Thermal properties of frozen foods., in Engineering Properties of Foods (M.A.Rao and S.S.H. Rizvi, Eds.). Marcel Dekker, New York (1994) 139. Singh, R. P., Principles of heath transfer. Chapter 11 in Frozen and Refrigerated Doughs and Batters (K. Kulp, K. Lorenz, and J Brummer, Eds.). American Association of Cereal Chemists, Inc. (1995). Singh, R.P., and Heldman, D.R., Introduction to Food Engineering, 3rd Edition, (Food Science and Technology, International Series), Academic Press, a Harcourt Science and Technology Company, San Diego, California (2001). Steffe, J.F., Rheological Methods in Food Process Engineering, 2nd ed. Freeman Press, East Lansing, Michigan (1996). Tanner, R. T., Engineering Rheology, Oxford University Press, Oxford (1985). 44


Toledo, R.T., Fundamentals of Food Process Engineering, 2nd ed. Van Nostrand Reinhold, New York (1991). Watson, E.L. and Harper, J.C., Elements of Food Engineering, 2nd ed. Van Nostrand Reinhold, New York (1988). Williams, M. L., Landel, R. F., and Ferry J. D., The temperature dependence of relaxation mechanisms in amorphous polymers and other glass-forming liquids., J. Am. Chem. Soc. 77 (1955) 3701.

45

Lovri _______________________________________________________________________________________________

46


3.0.PRINCIPI TEORIJE SLINOSTI I MODELIRANJE U PREHRAMBENOM INENJERSTVUU razliitim aktivnostima procesnih inenjera, posebice u razvoju i projektiranju procesa i procesnih ureaja (postrojenja) te fizikalnom modeliranju, nezaobilazna je primjena teorije slinosti. Principi ove teorije obraeni su u pojedinim kolegijima tehnolokih studija kao to su 'Tehnoloke operacije' i 'Tehnoloko projektiranje'. Zbog toga e ti principi ovdje biti obraeni u skraenom obliku. U sustavima sa strujanjem, koji prevladavaju u procesima prehrambene industrije, u obzir dolaze slijedee osnovne vrste slinosti: geometrijska, kinematina, dinamika i toplinska (u pojedinim sluajevima i kemijska slinost). Geometrijska slinost polazi od jednakosti omjera svih dimenzija kojima je definiran oblik nekog ureaja. Takav odnos odgovarajuih veliina za dva sustava je konstantan i naziva se faktorom poveanja. Za duinu se faktor poveanja oznaava sa lt, za povrinu At At = lt2 , dok je za uglove jednak jedinici. Takvi bezdimenzionalni omjeri karakteristinih veliina nazivaju se i 'invarijante slinosti', odnosno ee 'bezdimenzijske znaajke', 'bezdimenzijski brojevi' ili 'bezdimenzijske grupe'. Transformacijom (uobliavanjem) pojedinanih mjerodavnih veliina u odgovarajue bezdimenzijske znaajke (ili grupe) mogue je broj zavisnosti meu njima smanjiti i na taj nain pojednostaviti i olakati ralambu i interpretaciju pojave, odnosno rjeavanje zadatka. Princip slinosti primijenjen na fizikalne operacije pretpostavlja ispunjenje ovih uvjeta: 1. da su faktori poveanja istih veliina konstantni, i da se odgovarajui fiziki zakoni mogu izraziti u obliku omjera izmeu faktora poveanja; 2. da su bezdimenzijske znaajke (parametri) identini (jednaki) za svaku operaciju; 3. da su fizike zakonitosti kojima podlijeu operacije identine (jednake). Kao i kod geometrijske slinosti navedena tri odnosa (zavisnosti) mogu se izvesti jedan iz drugoga, to znai da svaki od njih ispunjava uvjete slinosti. Tako na primjer kinematika slinost pretpostavlja (uz postojanje geometrijske slinosti) jednakost omjera brzina strujanja v1 v 2 v3 = = = vt v1 v 2 v3 (ovdje je v + faktor poveanja za brzinu);

(

)

dok je pretpostavka za dinamiku slinost konstantnost omjera mjerodavnih sila (npr. inercije, gravitacije, trenja, povrinske napetosti). 47

Lovri _______________________________________________________________________________________________

U praksi primjena dinamike slinosti pretpostavlja u pravilu znatno kompleksnije odnose veliina u razmatranju. Stoga se esto mora pribjei primjeni tzv. parcijalne slinosti, tj. postupnom ili simultanom razmatranju odreenih pojava. Vanost primjene takvog postupka (tj. parcijalne slinosti) posebice dolazi do izraaja pri rjeenju problema gdje se susreemo sa simultanim prijenosom mase i topline kada odgovarajue fizikalne konstante (difuzivnosti i vodljivosti) s dimenzijskog stajalita nisu koherentne s ostalim veliinama razmatranog sustava. Ako se omjeri sastoje od razliitih fizikih veliina, uz pretpostavku da je njihov omjer takoer bezdimenzijska veliina, tada se on naziva invarijanta kompleks ili kriterij. Na primjer, invarijanta dinamike slinosti (omjer impulsa i veliine gibanja) poznata je kao Newtonov kriterij slinosti (Ne), odnosno Newton Bertrandov teorem slinosti, to se moe izraziti na ovaj nain:l F F F v Fl = = = Ne , odnosno = Ne , (poto je m = l 3 ). 2 2 2 mv mv mv l

To znai, da je u sluaju dinamike slinosti dvaju sustava umnoak sile i puta (rad) podijeljen s umnokom mase i kvadrata brzine u bilo kojim dvjema odgovarajuim tokama sustava konstantan, tj. da omjer dviju sila u modelu i prototipu ima istu numeriku vrijednost.

3.1. Dimenzionalna analiza i Buckinghamov ili teorem slinostiOva se metoda koristi u sluaju kada nisu poznati izrazi (pa ni parcijalne diferencijalne jednadbe) za neku pojavu, ali su poznate veliine koje se na nju odnose. Dimenzionalna analiza pretpostavlja da su odnosi (omjeri) veliina ukljuenih u matematiki opis neke pojave (i u sluaju kada ovi nisu utvreni na racionalan nain), dimenzionalno homogeni i identini bez obzira na to koji se sustav jedinica koristi. Prema Buckinghamu, svaka zavisnost izmeu fizikalnih veliina karakteristinih za neku pojavu ili proces, moe se predoiti kao meusobna zavisnost kriterija slinosti. Poto se kriteriji sastoje iz veliina koje imaju razliito znaenje za opis nekog procesa, potrebno je odabrati one koji su neophodni za njegovo jednoznano odreivanje. To su tzv. odreujui kriteriji. Prema Buckinghamovom teoremu P3 = f (P1, P2), tj. kriterij P3 je odreen ako su poznati odreujui kriteriji P1, P2 itd. Iz veliina kao to su svojstva fluida (, , ), hidrodinamike (v, p, g), toplinske (cp, , T), i masene (D, c) veliine, izvode se mehanike sile, odnosno sile 48


difuzije mase i sile difuzije topline. Iz omjera navedenih sila se nadalje izvode invarijante, odnosno kriteriji slinosti, izmeu kojih emo navesti one koji su od znaenja za procese i operacije u prehrambenoj industriji (odnosno u prehrambenoprocesnom inenjerstvu). To su:

Ho (Hooke-ova znaajka) =

F Esl2

, budui da je

F E s Al = A l

gdje je Es modul elastinosti.

Re (Reynolds) =

vl

=

vl

=

sile inercije sile viskoznosti

Fr (Froude) =

sile inercije v2 = lg sila gravitacijev 2l

We (Weber) =

=

sile inercije sile povrinske napetosti sile tlaka sile inercije

Eu (Euler) =

2p

v

2

=

Pr (Prandtl) =

cp

=

cp

=

sile trenja sila difuzijske topline

Sc (Schmidt) =

D

=

sile trenja sile difuzijske mase

Brzina izmjene topline izmeu struje fluida i stijenke je razmjerna ili . Omjer tih dviju veliina je tzv. Nusselt-ova znaajka (Nu), tj.: Nu (Nusselt) =

l = f (Re, Pr,....)

49

Lovri _______________________________________________________________________________________________

Analogni izraz izveden iz odnosa brzine prijelaza (topline) iz fluida na stijenku i provoenja u krutini, poznat je kao Biotova znaajka (broj):

l unutarnji otpor (prijelazu topline) Bi (Biot) = = = l vanjski otpor (prijelazu topline)

l

Slino je Sh (Sherwood) =

lD

= f (Re, Sc,....)

Buckinghamov ili teorem ima veliko znaenje u teoretskom i eksperimentalnom radu, jer omoguava povezivanje bezdimenzijskih izraza sastavljenih od odgovarajuih fizikalnih veliina. Prema tom teoremu, ako u nekoj pojavi sudjeluje n nezavisnih varijabli (fizikalnih veliina), za ije je izraavanje potrebno n' osnovnih jedinica, svaki odnos izmeu tih n varijabli moe se svesti na odnos n n' bezdimenzijskih kriterija (varijabli) sastavljenih iz tih veliina. Za utvrivanje mogue povezanosti (zavisnosti) izmeu odgovarajuih varijabli prikladna je upotreba tzv. 'dimenzijske matrice', tj. tablice sa dva ulazna stupca (horizontalnim i vertikalnim), gdje su u jednom - vertikalnom - jedna ispod druge upisane osnovne jedinice (fizikalnih veliina), a u drugom horizontalnom ('glavi') - varijable karakteristine za odreenu pojavu. Na primjer:itd. F l v 1 0 0 0 1 m 1 1 1 2 3 l 0 1 1 0 t itd. U tablici su prikazani eksponenti pripadajuih osnovnih jedinica danih u lijevom stupcu za odgovarajue varijable naznaene u glavi tablice.

Raspon matrice je odreen brojem horizontalnih redova. Iz navedenog proizlazi da je prema teoremu broj bezdimenzijskih grupa (kriterija) potrebnih za opis nekog procesa ili pojave)

Documents

Procesi u Prehrambenoj Industriji