Μελέτη της επίδρασης της επεξεργασίας με Παλλόμενα Ηλεκτρικά Πεδία στο ρυθμό ξήρανσης και τα χαρακτηριστικά υφής των λαχανικών

Τσόνας, Θεοφάνης; Tsonas, Theofanis

dc.contributor.author	Τσόνας, Θεοφάνης	el
dc.contributor.author	Tsonas, Theofanis	en
dc.date.accessioned	2016-12-19T12:18:57Z
dc.date.available	2016-12-19T12:18:57Z
dc.date.issued	2016-12-19
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44169
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.10924
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Παλλόμενα ηλεκτρικά πεδία	el
dc.subject	Προεπεξεργασία ξήρανσης	el
dc.subject	Pulsed electric fields	en
dc.subject	Drying pretreatment	en
dc.title	Μελέτη της επίδρασης της επεξεργασίας με Παλλόμενα Ηλεκτρικά Πεδία στο ρυθμό ξήρανσης και τα χαρακτηριστικά υφής των λαχανικών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Επιστήμη και τεχνολογία τροφίμων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-10-03
heal.abstract	Η απομάκρυνση της υγρασίας στα τρόφιμα στην βιομηχανία επιτυγχάνεται κυρίως μέσω της διεργασίας ξήρανσης. Η ξήρανση αυξάνει την διατηρησιμότητα των τροφίμων μειώνοντας την ενεργότητα του νερού, με αποτέλεσμα να αποφεύγεται η ανάπτυξη μικροβίων και αλλοιογόνων χημικών αντιδράσεων, έχει όμως υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις. Τα Παλλόμενα Ηλεκτρικά Πεδία (ΠΗΠ) μπορούν να προκαλέσουν διάρρηξη των κυτταρικών τοιχωμάτων των φυτικών ιστών ώστε η απομάκρυνση της υγρασίας από αυτούς να γίνεται με μεγαλύτερο ρυθμό. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης της επεξεργασίας με τη μέθοδο των ΠΗΠ στα χαρακτηριστικά ξήρανσης και υφής φρούτων και λαχανικών. Με επεξεργασία στις κατάλληλες συνθήκες, στόχος είναι να μειωθεί ο χρόνος ξήρανσης και να αξιολογηθούν τα χαρακτηριστικά υφής της γλυκοπατάτας, του παντζαριού και του κολοκυθιού. Αρχικά, δείγματα γλυκοπατάτας, παντζαριού και κολοκυθιού υπέστησαν προεπεξεργασία με ΠΗΠ με εντάσεις ηλεκτρικού πεδίου από 0.5 έως 1.5 kV/cm, 10 Hz συχνότητα, 15 μs πλάτος παλμού και διαφορετικούς χρόνους επεξεργασίας (διαφορετικός αριθμός παλμών). Στα δείγματα αυτά εκτιμήθηκε ο δείκτης κυτταρικής διάρρηξης Ζ μέσω της μεθόδου χαμηλής-υψηλής συχνότητας αλλά και οι μηχανικές ιδιότητες τους (ανάλυση υφής). Πραγματοποιήθηκαν τρία διαφορετικές μετρήσεις για την ανάλυση υφής των δειγμάτων: η δοκιμή συμπίεσης, η δοκιμή χαλάρωσης τάσης και η δοκιμή δύναμης κοπής. Οι τρείς αυτές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν και για τις τρείς διαφορετικές τιμές έντασης ηλεκτρικού πεδίου 0.5 , 1.0 , 1.5 kV/cm σε διάφορους χρόνους επεξεργασίας και συγκρίθηκαν με τα ανεπέξεργαστα και τα κατεψυγμένα-αποψυγμένα δείγματα. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη ξήρανσης σε θερμοκρασίες 40-70οC για ανεπεξέργαστα, για προεπεξεργασμένα με ΠΗΠ και για κατεψυγμένα-αποψυγμένα δείγματα γλυκοπατάτας, παντζαριού και κολοκυθιού. Η προεπεξεργασία των δειγμάτων με ΠΗΠ, τα οποία στη συνέχεια θα οδηγούνταν στους ξηραντήρες, πραγματοποιήθηκε με σταθερό ηλεκτρικό πεδίο 1.5 kV/cm, πλάτος παλμού 15 μs και συχνότητα 10Hz. Έτσι, η μοναδική μεταβαλλόμενη παράμετρος του πειράματος ήταν ο αριθμός των παλμών. Συγκεκριμένα, επιλέχθηκαν οι εξής παλμοί για το κάθε προϊόν : για τη γλυκοπατάτα οι παλμοί 70, 150 και 620, για το παντζάρι οι παλμοί 125, 200 και 300 και για το κολοκύθι οι παλμοί 90, 150 και 9000, με στόχο να επιτευχθεί ένας δείκτης κυτταρικής διάρρηξης Z από το 0 έως το 1. Σε όλες τις φάσεις της πειραματικής διαδικασίας εκτός από προεπεξεργασμένα με ΠΗΠ δείγματα χρησιμοποιήθηκαν και ανεπεξέργαστα δείγματα, που αντιστοιχούν σε μηδενική κυτταρική διάρρηξη, αλλά και κατεψυγμένα-αποψυγμένα δείγματα, που αντιστοιχούν στην μέγιστη κυτταρική διάρρηξη. Οι αντιστοιχίες αυτές βρέθηκαν βιβλιογραφικά και επιβεβαιώθηκαν από τις μετρήσεις υπολογισμού του δείκτη κυτταρικής διάρρηξης. Στόχος ήταν η συσχέτιση του ρυθμού ξήρανσης και των χαρακτηριστικών υφής των προεπεξεργασμένων με ΠΗΠ δειγμάτων με τα δείγματα που αντιστοιχούν στις δυο ακραίες τιμές του δείκτη κυτταρικής διάρρηξης. Από τον 2ο νόμο του Fick υπολογίστηκαν οι φαινόμενοι συντελεστές διάχυσης Deff και από το εκθετικό μοντέλο 1ης τάξης υπολογίστηκαν οι ρυθμοί ξήρανσης k. Για την περιγραφή του ρυθμού ξήρανσης από την θερμοκρασία χρησιμοποιήθηκε ο νόμος του Arrhenius και τέλος, υπολογίστηκε ο χρόνος ξήρανσης, για 20% εναπομένουσα υγρασία, για ανεπεξέργαστα, προεπεξεργασμένα με ΠΗΠ (1.5kV/cm, 10Hz, 15μs πλάτος παλμού) και για κατεψυγμένα-αποψυγμένα δείγματα γλυκοπατάτας, παντζαριού και κολοκυθιού. Οι μελέτες υπολογισμού του δείκτη κυτταρικής διάρρηξης Ζ της γλυκοπατάτας, του παντζαριού και του κολοκυθιού έδειξαν ότι για κάθε τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, σε μικρούς χρόνους επεξεργασίας υπάρχει σημαντική αύξηση του δείκτη κυτταρικής διάρρηξης Z ενώ σε μεγαλύτερους χρόνους εμφανίζεται μικρότερη αύξηση του Z μέχρις ότου να πάρει την τιμή 1. Επίσης όσο μεγαλώνει το ηλεκτρικό πεδίο, ο δείκτης κυτταρικής διάρρηξης Ζ αυξάνεται πιο γρήγορα σε σχέση με το χρόνο επεξεργασίας. Σχετικά, με τα τρία πειράματα ανάλυσης υφής που πραγματοποιήθηκαν για τα δείγματα γλυκοπατάτας, παντζαριού και κολοκυθιού παρατηρήθηκε ότι όσο αυξάνεται ο αριθμός των παλμών, οι δυνάμεις συμπίεσης, κοπής και ο χρόνος χαλάρωσης μειώνονται σημαντικά. Ακόμη, με την αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, ο χρόνος επεξεργασίας με ΠΗΠ που απαιτείται για την επίτευξη μιας συγκεκριμένης δύναμης συμπίεσης, κοπής ή ενός συγκεκριμένου χρόνου χαλάρωσης μειώνεται σημαντικά (μείωση παλμών). Η κινητική μελέτη ξήρανσης για τα δείγματα γλυκοπατάτας, παντζαριού και κολοκυθιού οδήγησε στο συμπέρασμα ότι στις χαμηλότερες θερμοκρασίες των 40°C, 50°C και 55°C ο ρυθμός ξήρανσης των κατεψυγμένων-αποψυγμένων δειγμάτων είναι σημαντικά μεγαλύτερος από τον ρυθμό των προεπεξεργασμένων με ΠΗΠ δειγμάτων και αυτός με τη σειρά του σημαντικά μεγαλύτερος από το ρυθμό των ανεπεξέργαστων δειγμάτων. Επιπλέον, μεταξύ των προεπεξεργασμένων με ΠΗΠ δειγμάτων είναι εμφανές ότι η εντονότερη επεξεργασία (περισσότεροι παλμοί) οδηγεί σε πιο σύντομο χρόνο ξήρανσης. Γενικά, με την αύξηση της θερμοκρασίας εμφανίζονται μικρότερες διαφορές μεταξύ των δειγμάτων. Συγκεκριμένα στους 40 και τους 50 παρατηρούνται σημαντικές διαφορές μεταξύ των διαφορετικών συνθηκών ΠΗΠ ενώ στους 60 και τους 70 δεν συμβαίνει το ίδιο. Παρατηρήθηκε επίσης, ότι ο φαινόμενος συντελεστής διάχυσης Deff και η σταθερά του ρυθμού ξήρανσης k, για την ίδια θερμοκρασία είναι μεγαλύτεροι στα επεξεργασμένα με ΠΗΠ δείγματα από ότι στα ανεπεξέργαστα. Επίσης, ακόμα μεγαλύτερες τιμές λαμβάνουν στα κατεψυγμένα-αποψυγμένα δείγματα. Όσο πιο έντονη είναι η συνθήκη ΠΗΠ τόσο μεγαλύτεροι είναι οι δύο αυτοί δείκτες. Τα παραπάνω παρατηρούνται σε όλες τις θερμοκρασίες εκτός των 70°C, όπου ο συντελεστής διάχυσης και η σταθερά του ρυθμού ξήρανσης δεν μεταβάλλονται ανεξαρτήτως επεξεργασίας των δειγμάτων. Ακόμη, για όλα τα δείγματα που έχουν υποστεί την ίδια επεξεργασία, οι δείκτες παρουσιάζουν σημαντική αύξηση με αύξηση της θερμοκρασίας ξήρανσης. Προκύπτει επίσης το συμπέρασμα ότι η ενέργεια ενεργοποίησης του φαινόμενου συντελεστή διάχυσης Deff και η ενέργεια ενεργοποίησης της σταθεράς του ρυθμού ξήρανσης k είναι σημαντικά μικρότερες στα επεξεργασμένα με ΠΗΠ δείγματα από ότι στα ανεπεξέργαστα και ακόμα μικρότερες στα κατεψυγμένα-αποψυγμένα δείγματα. Επίσης, μεταξύ των συνθηκών ΠΗΠ παρατηρείται ότι πιο έντονη επεξεργασία οδηγεί σε μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης Εa. Τέλος, για κάθε θερμοκρασία ξεχωριστά ο χρόνος ξήρανσης των δειγμάτων μειώνεται με αύξηση της έντασης της επεξεργασίας των ΠΗΠ που έχουν υποστεί ενώ για την ίδια επεξεργασία δειγμάτων όσο αυξάνεται η θερμοκρασία ξήρανσης τόσο μειώνεται ο χρόνος ξήρανσης των δειγμάτων. Συμπερασματικά, από τη μελέτη που πραγματοποιήθηκε προκύπτει η θετική επίδραση της χρήσης των ΠΗΠ ως προεπεξεργασία της ξήρανσης, αφού οδηγεί σε χαμηλότερους χρόνους ξήρανσης αλλά και υψηλής ποιότητας προϊόντα χωρίς να παρουσιάζονται αξιοσημείωτες αλλοιώσεις στα ποιοτικά τους χαρακτηριστικά.	el
heal.abstract	Moisture removal in the food industry is mostly achieved through thermal dehydration and aims at increasing the preservation of foods by reducing the water activity, but makes up a significant fraction of the energy cost. Pulsed Electric Fields (PEF) have been shown to permeabilize plant cells and thus facilitate moisture removal from plant tissues increasing drying rates. The objective of this work was to evaluate the potential benefit of Pulsed Electric Field (PEF) application on the enhancement of vegetablesdrying and their texture properties. By selecting appropriate treatment conditions, the aim was to reduce the drying time and to evaluate the textural properties of sweet potatoes, beetroots and zucchini. Sweet potatoes, beetroots and zucchini were PEF pretreated at 0.5-1.8 kV/cm electric field strength, a frequency of 10 Hz, a pulse width of 15 μs and for several treatment times (different number of pulses). The degree of cell disintegration Z was estimated for each PEF pretreatment by using the electrical conductivity low-high frequency method and their texture properties were determined. Three different texture analysis treatments were carried out: the compression test, the stress relaxation test and the cutting force test. These three experiments were performed for three different electric field strengths 0.5, 1.0, 1.5kV/cm at different treatment times and compared with control and freeze-thawed samples. Drying experiments for control, PEF pretreated and freeze-thawed sweet potatoes, beetroots and zucchini were carried out at drying temperatures 40–70 °C. The selected PEF conditions for drying experiments were 1.5kV/cm electric field strength, a frequency of 10 Hz and a pulse width of 15 μs. Thus, the only variable parameter of the treatment was the number of pulses. For sweet potato, the selected pulses were: 70, 150 and 620, for beetroot, the selected pulses were 125 200 and 300 and for zucchini, the selected pulses were 90, 150 and 9000, aiming to achieve a degree of cell disintegration Z from 0 to 1. In all phases of the experimental procedure, except PEF pretreated samples, untreated samples, amounting to no cell disruption, and freeze-thawed samples were used, corresponding to maximum cell disruption. The aim was to correlate the drying rate and the textural characteristics of PEF pretreated samples with the samples corresponding to both ends of cell disintegration Z. The moisture effective diffusion coefficients Deff(2nd Fick’s law), and the drying rate constant k (1st order exponential model)of untreated, PEF pretreated and freeze-thawed samples were estimated and compared. The Arrhenius equation was used to describe the effect of temperature on drying rates and the drying time was estimated ( 20% residual moisture) for untreated, PEF pretreated (1.5kV / cm, 10Hz, 15μs pulse width) and freeze-thawed sweet potatoes, beetroots and zucchini. The obtained results indicated a significant increase of degree of cell disintegration Z of sweet potatoes, beetroots and zucchini, for short PEF treatments times for all electric field strengths studied, while for higher treatment times led to smaller increase in Z until got a value of 1. The obtained results of texture analysis experiments indicated that increasing the number of pulses the compression forces, the cutting forces and the stress relaxation times significantly reduced. Furthermore, when more intense PEF conditions applied, the PEF treatment time was required to achieve a given compression force, cutting force or stress relaxation is significantly reduced (reduction of number of pulses). It was observed that for low drying temperatures (40, 50 and 55° C) the constant drying rate for PEF pretreated samples was significantly higher than untreated samples. The highest drying rates were observed for freeze-thawed samples. More intense PEF conditions (more pulses) led to lower drying times. For temperatures higher than 60 °C there were no significant differences on drying rates between treatments. It was also observed that effective moisture diffusivity Deffand constant drying rate k of PEF pretreated samples were higher than untreated samples for the same temperature. Also,the highest values of Deff and k for all studied vegetables were observed for freeze-thawed samples. More intense PEF conditions led to higher values of Deff and k. For temperatures higher than 70 °C there was no significant effect on the Deff and k for PEF pretreated samples and untreated. Increasing drying temperature led to increase of Deff and k. The activation energies of effective moisture diffusivity and of constant drying rate of PEF pretreated samples were significant lower than untreated samples and even lower for freeze-thawed samples. More intense PEF conditions led to lower activation energy. The obtained results indicated a potential benefit of PEF as a pretreatment of drying, leading to shorter drying times without causing degradation of quality properties of vegetables.	en
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Τζιά, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	123 σ.
heal.fullTextAvailability	true