حفظ و نگهداری محصولات غذایی با توجه به رشد جمعیت و کمبود مواد غذایی

حفظ و نگهداری محصولات غذایی با توجه به رشد جمعیت و کمبود مواد غذایی

حفظ و نگهداری محصولات غذایی با توجه به رشد جمعیت و کمبود مواد غذایی بسیار مورد توجه قرارگرفته است و روز به روز اهمیت جلوگیری از اتلاف مواد غذایی و طولانی نمودن زمان ماند آنها بدلیل رشد صادرات و بدست آوردن بازارهای پایدار بیشتر نمایان می گردد. خشک کردن[1] یکی از قدیمی ترین و متداول ترین روش ها جهت حفظ و نگهداری مواد غذایی است. [4] مشخص نیست از چه زمانی خشک کردن برای نگهداری مواد غذایی استفاده شده است. اما تاریخ گویای این واقعیت است که پیشینیان ما نحوه خشک کردن مواد غذایی را با آزمون و خطا آموختند. خشک کردن مواد غذایی علمی‌است مبتنی بر محیط پیرامون که امکان ایجاد یک صنعت جهانی را فراهم کرده و قادر به تهیه مواد غذایی مناسب و مغذی است.

نقطه آغاز عمل خشکاندن بدرستی مشخص نیست اما استفاده از آفتاب برای خشک کردن مواد غذایی از زمان‌های بسیار دور رایج بوده است، بطوریکه در 2000 سال پیش، چینی‌‌ها سیب زمینی را با خشک کردن نگهداری ‌می‌کردند. همچنین تهیه خرما، کشمش و انجیر خشک از زمان‌های بسیار قدیم رایج بوده است. اولین گزارش در مورد خشک کردن مواد غذایی مربوط به سبزی‌هاست که به قرن هیجدهم میلادی باز ‌می‌گردد. در آن زمان استفاده از حرارت مصنوعی برای خشک کردن سبزی‌‌ها مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1795 دو نفر فرانسوی بنام‌های کاله[2] و میسون[3] ، جریانی از هوای گرم را بر روی لایه نازکی از سبزی عبور دادند و به این ترتیب اولین دستگاه خشک‌کن را اختراع کردند.

بعدها گسترش صنعت خشک کردن رابطه نزدیکی با سناریوی جنگ در سراسر جهان پیدا کرد. سربازان بریتانیا در جنگ کریمه (1856-1845)، سبزی‌های خشک را از کشورشان دریافت ‌می‌کردند. حدود 4500 تن سبزی خشک از ایالات متحده در طول جنگ جهانی اول حمل شده بود. تا سال 1919، سبزی‌هایی که در ایالات متحده ‌‌فرآوری ‌می‌شدند شامل لوبیا سبز، کلم، هویج، کرفس، سیب زمینی، اسفناج، ذرت شیرین، شلغم و مخلوط سوپ بود. ‌‌فرآیند خشک کردن به ویژه ‌به دلیل صرفه‌جویی در حجم و وزن، متناسب با مقاصد نظا‌می‌است. در ایالات متحده، تولید مواد غذایی خشک از ‌‌فرآیندهای توسعه یافته در زمان جنگ است که برای رشد فزاینده کل صنعت غذا مفید واقع شده است.[5]

طی فرآیند خشک کردن رطوبت از طریق انتقال همزمان حرارت و جرم حذف می گردد. انتقال حرارت از فضای پیرامون به ماده غذایی، موجب تبخیر رطوبت سطحی می شود. همچنین رطوبت می تواند از درون جسم به سطح محصول منتقل و سپس تبخیر شود، و یا در درون محصول و در حالتی میان بخار-مایع تبخیر گردد و به صورت بخار به سطح محصول آید.[2] از اولویتهای روش خشک کردن نسبت به سایرروشهای نگهداری کاهش شدید وزن و حجم محصولات است که این امر در مسائل ترابری و حمل ونقل و در زمینه حجم اشغالی انبارها خیلی مقرون بصرفه می باشد. همچنین در این روش هزینه عمل آوری نسبت به سایر روشها کمتر بوده و پس از عمل آوری، نگهداری محصولات نیازی به تاسیسات برودتی و سردخانه و غیره ندارد و محصولات در انبار مناسب قابلیت نگهداری را دارند . افزایش ماندگاری از طریق کاهش فعالیت آبی و کاهش روند رشد میکروبی از دیگر مزایای محصولات خشک شده می باشد.[4] علاوه بر اینکه  خشک کردن اغلب باعث تولید فرآورده هایی می شود که مصرف آن ها آسانتر و راحت تر است.

عملیات خشک کردن تاثیر زیادی بر روی کیفیت محصول و قیمت آن می گذارد. کیفیت محصول غذایی به میزان تغییرات فیزیکی و بیوشیمیایی که در طول فرآیند خشک کردن در آن رخ می دهد بستگی دارد. درجه ی حرارت، زمان و فعالیت آبی در حین فرآیند خشک کردن بر روی کیفیت محصول نهایی تاثیر می گذارد. دماهای پایین اثر مثبتی بر روی کیفیت محصول دارد، ولی زمان فرآیند را نیز طولانی تر می کند. اگرچه در فعالیت آبی پائین رشد میکروارگانیسم ها کند یا متوقف می شود ولی سرعت اکسیداسیون لیپید[4] افزایش می یابد.

بسیاری از غذاهای خشک شده قبل از مصرف بازآبپوشی می شوند. ساختار، چگالی و اندازه ی ذره ی یک ماده ی غذایی خشک شده در حل شدن آن در آب یا بازآبپوشی نقش مهمی را ایفا می کند. کاهش اندازه ی ذرات و افزودن امولسیفایرهایی چون لسیتین یا عوامل فعال کننده ی سطحی موجب سهولت بازآبپوشی می شود. پایداری یک ماده ی غذایی در مدت ذخیره سازی با کاهش فعالیت آبی، افزایش می یابد و فرآورده هایی که در دمای پایین تری خشک می شوند در طول مدت انبارداری پایداری بیشتری از خود نشان می دهند.[2]

کینگ[5] (1974) به طور کلی سه هدف زیر را برای خشک کردن مواد غذایی به صورت فشرده بیان کرده است:

الف- کیفیت محصول

  • حداقل کردن واکنش های شیمیایی و بیوشیمیایی
  • انتخاب شرایط به صورتی که در طول خشک کردن فقط آب از ماده ی غذایی جدا شود و مواد دیگر مانند نمک ها و مواد مولد عطر فرار و طعم دهنده، حذف نشود.
  • ساختار محصول حفظ شود.
  • چگالی کنترل شود.
  • بازآبپوشی (حل شدن در آب) سریع و با سهولت صورت گیرد.
  • ماده ی غذایی در طول مدت انبار شدن، پایدار بوده، به سرد کردن و بسته بندی نیاز کمتری داشته باشد.
  • ماده ی غذایی خشک شده رنگ مطلوبی داشته باشد.
  • از آلودگی و تقلبات مبرا باشد.

ب- اقتصاد فرآیند

  • اتلاف محصول به حداقل برسد.
  • جداسازی آب سریع صورت گیرد.
  • منبع انرژی ارزان باشد.
  • مشکلات حمل ونقل مواد جامد حداقل شود.
  • تا حد ممکن عملیات خشک کردن به صورت پیوسته باشد.
  • از دستگاه های ساده و غیر پیچیده استفاده شود تا هزینه های تعمیر و نگهداری به حداقل کاهش یابد.

ج- موارد دیگر

تاثیرات مخرب بر محیط زیست حداقل باشد.[2]

با توجه به این موارد طراحی فرآیند خشک کردن نیازمند تحلیل دقیق انتقال جرم و حرارت در داخل ساختمان محصول است تا از این طریق بتوان به حداکثر بازده و مناسب ترین کیفیت دست یافت.[1]

1-2: اصول خشک کردن

خشک کردن فرآیند حذف رطوبت از طریق انتقال همزمان جرم و حرارت می باشد. انتقال حرارت در داخل ساختمان محصول صورت می گیرد و به اختلاف دمای بین سطح محصول و سطح آب در بعضی نواحی درون آن بستگی دارد. چنانچه انرژی حرارتی کافی به آب داده شود تا تبخیر گردد، بخارات از سطح آب درون محصول به سطح آن منتقل می شوند. عاملی که باعث انتشار بخارات مرطوب می شود، تفاوت فشار بخار در سطح آب نسبت به فشار بخار هوا در سطح محصول است. انتقال جرم و حرارت در داخل ساختمان محصول در سطح مولکولی انجام می شود، با این تفاوت که انتقال حرارت تابع ضریب هدایت حرارتی ساختمان محصول بوده، ولی انتقال جرم به انتشار مولکولی بخار آب در هوا بستگی دارد. [2]

انتقال جرم و حرارت در سطح محصول به صورت همزمان و از طریق جابجایی انجام می شود. انتقال بخار از سطح محصول به هوا و انتقال حرارت ازهوا به سطح به محصول به  ترتیب تابع اختلاف فشار بخار موجود و اختلاف دماست.

در یک خشک کن، انرژی گرمایی می تواند بصورت هدایت، جابجایی و یا تابش از یک منبع حرارتی به ماده غذایی منتقل شود. [1]

1-3: میوه ی گلابی وحشی(ازگیل ژاپنی)[6]

میوه ی ازگیل ژاپنی که قدمت آن مربوط به 2000 سال پیش است، در ابتدا در منطقه ی جنوب شرقی چین و بعد از آن در  ژاپن کشت می شده است . بعد از مدتی ، این میوه به مناطق مختلفی مانند هند، پاکستان، برزیل، اسپانیا، آمریکا، ایتالیا و ایران و … انتقال یافت. در ایران این میوه بیشتر در مناطق شمالی آن موجود می باشد و در این مناطق به اسم ازگیل ژاپنی یا انبه گیلان معروف است. نام علمی این میوه Eriobotrya  japonica می باشد و نام لاتین آن Loquat  است . با توجه به فصلی بودن این میوه  و با در نظر گرفتن میزان ضایعات تولیدات باغی آن ، ابداع و استفاده از روش های تبدیل این محصول به فراورده های با دوره ماندگاری بالا و سازگار با سلیقه مصرف کننده می تواند بسیار با ارزش باشد. خشک کردن با بهره گرفتن از روش های علمی گوناگون راهکار مناسبی در این زمینه می باشد.[60 61]

شکل 1-1: سطح زیر کشت ازگیل ژاپنی در شمال ایران طبق آمار جهاد کشاورزی

شکل 1-2: میزان تولید ازگیل ژاپنی در شمال ایران طبق آمار جهاد کشاورزی

 

1-3-1: خواص درمانی ازگیل ژاپنی

این میوه سرشار از ویتامین های «ب» و «ث» ،  سلولز و اسید سیتریک[7] و مؤثر در تقویت خون بدن می باشد. بسیار کم کالری و غنی از فیبر نامحلول و پکتین[8] می باشد. به علت دارا بودن پکتین می تواند باعث کاهش میزان کلسترول خون گردد. منبع خوبی از ویتامین A و آنتی اکسیدانهای فلاوونوئیدی[9] مانند اسید کلروژنیک[10] ،هیدروکسی بنزوئیک اسید[11]، پروتوکاتکوئیک اسید[12]، اپی کاتچین[13]، فوماریک اسید[14] و فرولیک اسید[15] می باشد. تانن و پتاسیم موجود در آن اسید اوریک را حل می کند، به همین دلیل افراد مبتلا به نقرس، آرتروز و رماتیسم می توانند از آن بهره بگیرند و همچنین پتاسیم آن ،کنترل کننده ضربان قلب و فشار خون می باشد. این میوه منبع خوبی از آهن، مس، کلسیم، منگنز و دیگر مواد معدنی می باشد، دارای مقدار زیادی هیدرات کربن است که مولد انرژی است. تانن موجود در آن  داروی خوبی برای درمان عفونت های روده بزرگ و معالجه امراض سینه است. ویتامین «ب» آن، اعصاب را تقویت می کند و از نظر تغذیه اهمیت دارد، در معالجه اسهال ساده اثر قطعی دارد.خوردن میوه خام و خصوصاً نارس آن که تانن بیشتری دارد در معالجه خونریزی های داخلی مانند: بواسیر، خونریزی رحمی و غیره اثر شفا بخش دارد. در معالجه ورم روده به کار می رود و همچنین در معالجه زخم دهان و تورم مخاط گلو مؤثر است. کار روده ها را تنظیم می کند و ادرار آوراست . [60 و 66]

1-3-2: مورفولوژی[16] گیاه ازگیل ژاپنی

نام لاتین: Loquat                                                         نام علمی: Eriobotrya japonica

تیپ رویشی: درخت مثمر                                                 وضعیت خزان: همیشه سبز

سرعت رشد: سریع                                                          ارتفاع: 6 متر

قطر تاج: 6 متر                                                               نیاز نوری: آفتابی

نیاز آبی: متوسط                                                             معیار زیبایی: گل و میوه

زمان ظهور معیار زیبایی: تابستان تا اواسط پاییز                        قابلیت هرس: نیاز ندارد

مقاومتهای اکولوژیک: مقاوم به گرما                                     خاک مناسب: خاکهای سنگین

 

1-3-3 : طبقه بندی علمی                                                                                                                فرمانرو: گیاهان                        دستـــه : گیاهان دارویی                     رده: دولپه ای

راسته: رزالس                          خانواده : گلسرخیان                           زیرخانواده : مالیـده

سرده : ازگیل ها [39، 65 و 24]

1-3-4: ویژگیها

درختی با ارتفاع بیش از 6 متر ، به سبب اینکه در ژاپن و کشورهای که در مناطق مدیترانه قرار دارند پرورش داده میشود مورد توجه قرار دارد. در تزیین نیز مورد استفاده قرار میگیرد. چون درخت جذابی می باشد .

برگ: دارای برگها بزرگ که براق می باشد.

گل: سنبله متراکم که در خوشه های با انشعابات محکم بوجود می آیند. که بصورت رشد جدید از نقاط انتهایی شاخه های راکد نمایان می شود .

میوه: میوه ها در خوشه بوجود می آیند که میوه رسیده آن کم پرز شده و از رنگ سبز و کرمی به رنگ زرد و نارنجی تغییر رنگ پیدا می کنند . میوه نرم بوده و در زمان رسیدن کامل به راحتی ضربه می خورد. اندازه میوه متفاوت است، که در صورت عدم تنک کردن طول میوه به 35 میلی متر می رسد. میوه حاوی یک یا چند بذر می باشد. کاهش نسبت بذر به گوشت میوه ، و افزایش حجم نهایی میوه برای جذابتر ساختن آن است. برای رسیدن به این اهداف به تنک کردن نموده که بطوری که در هر شاخه فقط یک میوه باقی می گذارند. مزه میوه خیلی تند و طعمی شبیه سیب تازه دارد.

ساقه: ساقه نسبتاٌ صاف با شاخه های قوی که از ارتفاع یک متری زمین منشعب می گردد.[39 و 61]

جدول1-1: ارزش تغذیه ای میوه ازگیل ژاپنی(در 100 گرم میوه) [60]

ترکیباتمقدار تقریبی
محتوای رطوبت73/86 گرم
کالری47 کیلوکالری
پروتئین43/0 گرم
چربی2/0 گرم
خاکستر5/0 گرم
کلسترول10 میلی گرم
کربوهیدرات14/12 گرم
کلسیم16 میلی گرم
آهن28/0 میلی گرم
منیزیم13 میلی گرم
فسفر27 میلی گرم
پتاسیم266 میلی گرم
سدیم1 میلی گرم
ویتامینC1/0 میلی گرم
ویتامینAIU 1528

 

 

1-4: سیستم های خشک کردن مواد غذایی

خشک کردن یکی از قدیمی ترین و با صرفه ترین  روش های نگه داری مواد غذایی است. از نقطه نظر محیطی، مصرف انرژی، بهبود منابع غذایی برای جامعه انسانی و کاهش آسیب به ماده غذایی، بهبود تکنولوژی خشک کردن ضروری است. [42] بسته به شرایط و روش خشک کردن با یک ماده اولیه مشابه، ممکن است محصولاتی با خصوصیات کاملا متفاوت بدست آید. هر نوع روش خشک کردن دارای پارامترهای مختص به خود است که بایستی به خوبی تنظیم گردند. هر گونه تغییر در این پارامترها  منجر به تغییر در سرعت حرکت آب و در نتیجه سرعت خشک کردن خواهد شد. هم اکنون در خشک کردن مواد غذایی از روش های مختلفی استفاده می شود که هر کدام از این روش ها دارای مزایا و معایب مختص به خود هستند. [44]

1-4-1: خشک کردن با هوای داغ

خشک کردن با هوای داغ پرکار برد ترین عملیات آبگیری در صنایع غذایی و شیمیائی است.[42] کیفیت محصول خشک شده شدیداً با درجه حرارت هوا و ویژگی ابعادی  مواد تأثیر می پذیرد. درجه حرارت بالا و زمان های خشک کردن طولانی در روش مرسوم خشک کردن با هوا ممکن است باعث آسیب جدی بر روی طعم، رنگ، ارزش غذایی و کاهش دانسیته توده  و ظرفیت آبگیری  محصول غذایی شود.[40] این روش باعث کاهش ظرفیت جذب آب و حرکت مواد حلال از بخش های داخلی تر می گردد.[45] امروزه از این روش به تنهایی و یا در ترکیب با روش های دیگر در صنعت خشک کردن مواد غذایی استفاده می گردد.

 

1-4-2: امواج مایکروویو و مکانیسم حرارت دهی آن

امواج مایکروویو بخشی از طیف الکترومغناطیسی هستند که دارای فرکانس حدود 300000-300 مگاهرتز و طول موج 1-001/0 متر در هوا می باشند و این طیف بین دی الکتریک و مادون قرمز واقع شده اند.(شکل 1-3)[3]

شکل1-3: طیف امواج الکترومغناطیسی

 

امواج مایکروویو بر خلاف اشعه ایکس و گاما، قادر به شکستن پیوندهای شیمیایی و آسیب رسانی به مولکول های مواد غذایی نیستند. در روش های حرارت دهی متداول، گرما از منبع حرارتی خارجی به ماده غذایی منتقل می شود، لیکن در روش مایکروویو، حرارت داخل ماده غذایی تولید می شود. دو مکانیسم اصلی تولید حرارت در مایکروویو عبارتند از: پلاریزاسیون یونی و چرخش دو قطبی.

پلاریزاسیون یونی زمانیکه یون های موجود در یک محلول شیمیایی به طرف یک میدان الکتریکی حرکت می کنند، روی می دهد. یونهای مثبت و منفی و نمکهای محلول در غذا نظیر کلرید سدیم در میدان الکتریکی به طرف بار مخالف یون حرکت کرده (سدیم به طرف قطب منفی و کلرید به سمت قطب مثبت)، تکرار تصادم این یون های مهاجر منجر به تولید حرارت می شود. هرچه تعداد دفعات برخورد در واحد زمان بیشتر باشد انرژی جنبشی زیادتر شده و حرارت  بیشتری تولید می گردد.

مکانیسم گرم شدن در اثر چرخش دو قطبی بستگی به وجود مولکولهای قطبی دارد. همزمان با جذب امواج توسط ماده غذایی مولکولهای دو قطبی(به ویژه مولکول آب) با میدان هم جهت می شوند. وقتی میدان به طور متناوب به کار برده می شود، با معکوس شدن قطبیت میدان، مولکولهای قطبی، مجدداً خودشان را در راستای میدان تغییر یافته قرار می دهند. قرار گرفتن مولکولها به اندازه ی 106×2450 بار در ثانیه (در امواج با فرکانس 2450 مگاهرتز) در راستای میدان باعث ایجاد اصطکاک و در نتیجه تولید حرارت می شود. پس از جذب انرژی مایکروویو و تبدیل آن به انرژی حرارتی، حرارت توسط فرآیندهای جابه جایی و هدایت به تمام قسمت های ماده غذایی منتقل می شود. [3]

1-5: ویژگی های دی الکتریک مواد

ویژگی های تعیین کننده در حرارت دیدن مواد غذایی پرتوتابی شده با RF و MW، خواص دی الکتریک آن ها می باشد. این ویژگی ها، ثابت دی الکتریک [17]( ̍ε)  و فاکتور جذب (ʺɛ)  می باشند که قابلیت رسانایی الکتریکی و تانژانت افت جذب انرژی رابطه دارند. [5]

                                                                                              (1-1)

                                                                                                 (1-2)

ثابت دی الکتریک (ε′) تعیین کننده نحوه توزیع میدان الکترو مغناطیسی در داخل ماده و همچنبن مقدار انرژی قابل ذخیره در آن می باشد. فاکتور جذب (ʺɛ) بیانگر این نکته است که چه مقدار انرژی در داخل بافت ماده غذایی می تواند تولید یا پراکنده شود.

تانژانت افت جذب انرژی نسبت جذب دی الکتریک به ثابت دی الکتریک است. اصطلاح فاکتور یا تانژانت جذب برای نشان دادن میزان افت انرژی مایکروویو حین عبور و یا هنگام جذب بوسیله ماده غذایی می باشد. موادی که به میزان زیادی انرژی مایکروویو را جذب می کنند مواد جاذب نام دارند.

موادی که قابلیت جذب زیادی دارند به راحتی پرتوهای مایکروویو را جذب کرده و دمای آن ها افزایش می یابد. در محدوده فرکانسی پرتوهای مایکروویو، چرخش دو قطبی مولکول های آب بر سایر ویژگی های حرارتی این پدیده غالب است. تغییر قطبیت میدان الکتریکی موجب چرخش دو قطبی مولکولهای آب می شود. در حالت عادی مولکولهای آب به صورت تصادفی آرایش یافته اند، اما در میدان الکتریکی و تحت اثر پرتوهای مایکروویو تغییر آرایش به صورت اجباری انجام می شود. در صورتیکه میدان الکتریکی حذف شود مولکولهای آب بلافاصله آرایش تصادفی خود را باز خواهند یافت و بوسیله میدان الکتریکی که این بار در جهت مخالف دفعه پیش (جریان متناوب) اعمال می شود، مولکولهای آب مجدداً آرایش اجباری متفاوت از مرحله قبل پیدا می کنند، این تغییرات در قطبیت میدان الکتریکی به میزان چند میلیون در ثانیه به وقوع می پیوندد، بنابراین موجب ایجاد اصطکاک و در نهایت تولید حرارت می شود. [5]

 

1-5-1: محتوای رطوبتی

در  ºC25 ، آب دارای ثابت دی الکتریک بالایی در حدود 75 می باشد. ثابت دی الکتریک محصولات با رطوبت بالا به میزان زیادی تحت اثر ثابت دی الکتریک بالای آب قرار گرفته و در نتیجه دارای ثابت دی الکتریک بالایی هستند. اثر مستقیم حرارت دهی دی الکتریک، افزایش سریع دمای درونی ماده غذایی بوده که بسته به نحوه توزیع رطوبت در ماده در حال خشک شدن پروفیل حرارتی آن را تغییر   می دهد. در فرآیند خشک کردن، محتوای رطوبتی می تواند به دو صورت باشد: آب آزاد و آب پیوسته. آب آزاد که در فضاهای خالی و بافت متخلخل ماده غذایی وجود دارد، فشار بخار تعادل را تحت تاثیر قرار می دهد، تاثیر آب پیوسته در این مورد بسیار کمتر است.  ثابت دی الکتریک آب پیوسته چیزی در حدود 003/0 و آب آزاد در حدود 12 است. علت این امر رفتارهای متفاوت این دو نوع آب نسبت به چرخش ها و تغییر جهت های میدان الکترومغناطیسی است. بنابراین محصولاتی که دارای محتوای رطوبتی به شکل پیوسته هستند نسبت به آنهایی که رطوبتشان به صورت آزاد و در فضاهای خالی وجود دارد، کمتر در مقابل پرتوهای مایکروویو از خود حساسیت نشان می دهند. ثابت دی الکتریک موادی که دارای ترکیبی از حلال های مختلف هستند بطور معمول در بین ثابت های دی الکتریک این حلال ها قرار می گیرد. تحریک رطوبتی به وسیله مایکروویو پدیده ای است که به علت جذب انتخابی انرژی مایکروویو در نقاط با محتوای رطوبتی بالا، دیده می شود. همانطور که می دانیم جاهایی که محتوای رطوبتی بالا است، فاکتور جذب نیز بیشتر است. تورنر[18] و لوفور[19] این پدیده را پمپ مایکروویو نامیدند. علت این پدیده جذب انتخابی انرژی مایکروویو و مشخصاً ایجاد گرادیان فشار بخار بین داخل و خارج در مایع و حرکت بخار بطرف سطح ماده غذایی می باشد. این تاثیر، ناشی از واکنش متفاوت آب نسبت به سایر مواد در برابر چرخش، حرارت داخلی و تحریک ایجاد شده بوسیله انرژی الکترومغناطیسی است. [5]

1-5-2: دانسیته

تاثیر دانسیته برروی خواص دی الکتریک مواد به فاکتور پایین جذب هوا در مقایسه با آب و سایر   حلال ها بر می گردد. در موادی با دانسیته کمتر، حضور هوا در فضاهای خالی منجر به کاهش ویژگی های دی الکتریک شده، بنابر این میزان حرارت دهی بوسیله پرتوهای مایکروویو کاهش می یابد.[5]

 1-5-3: دما

دما می تواند ویژگیهای دی الکتریک ماده غذایی را تحت تاثیر قرار دهد. خاصیت دی الکتریک مواد، زیر نقطه انجماد نسبت به شرایط عادی معمولاٌ کمتر است. ظاهراٌ ثابت دی الکتریک مایعات تحت تاثیر دما قرار نمی گیرد، اما فاکتور جذب دی الکتریک با افزایش دما تحت تاثیر قرار می گیرد. بعنوان مثال فاکتور جذب دی الکتریک آب درºC 25 برابر 12 است در حالیکه در ºC 95 به 44/2 کاهش پیدا می کند. در بعضی مواد جامد نظیر نایلون و اکریلیک[20] با افزایش دما میزان فاکتور جذب افزایش پیدا می کند که در نتیجه تغییر ساختار ماده در اثر انرژی مایکروویو است. این مواد دارای خاصیتی هستند که ضریب حرارتی مثبت در محتوای رطوبتی پایین نامیده می شود و معنی آن افزایش ویژگی های دی الکتریک با افزایش دما می باشد.[5]

 

 

1-5-4: ظرفیت گرمایی ویژه

ظرفیت گرمایی ویژه، خصوصیات دی الکتریک ماده غذایی را تحت تاثیر قرار نمی دهد، اما می تواند توجیه کننده این نکته باشد که چرا بعضی مواد در اثر اعمال انرژی مایکروویو سریعتر گرم می شوند. ظرفیت گرمایی ویژه نشان دهنده مقدار حرارت مورد نیاز برای بالا بردن دمای واحد جرم ماده غذایی به میزان یک درجه می باشد. از این رو موادی که ظرفیت گرمایی ویژه پایین تری دارند، در پرتودهی ثابت با انرژی مایکروویو سریع تر از موادی که ظرفیت گرمایی ویژه بالاتری دارند گرم می شوند.[5]

 1-5-5: رسانایی حرارتی

رسانایی حرارتی به همراه ثابت و فاکتور جذب دی الکریک، بیانگر کارایی انرژی مایکروویو در حرارت دهی به ماده غذایی هستند. رسانایی حرارتی، ویژگی های دی الکتریک ماده غذایی را تحت تاثیر قرار نمی دهد. اما در توزیع و انتقال انرژی تولید شده در سراسر بافت ماده غذایی نقشی مهم بازی می کند. اهمیت این عامل زمانی افزایش پیدا می کند که پرتوهای مایکروویو حرارت را بصورتی غیر یکنواخت در بافت ماده غذایی تولید کنند، بنابراین به منظور توزیع بهتر انرژی حرارتی بهتر است به صورت پالسی باشد تا فرصت کافی جهت انتقال و توزیع یکنواخت حرارت بوسیله رسانایی در بافت ماده غذایی بوجود آید. در صورتی که ماده غذایی جهت انتقال حرارت تولید شده بوسیله مایکروویو، دارای قابلیت رسانایی خوبی نباشد، حرارت دادن و یا خشک کردن متناوب تاثیر خوبی نخواهد داشت. بکارگیری پرتوهای مایکروویو به صورت پالسی نه تنها فرصت انتقال حرارت را در اختیار ماده غذایی قرار می دهد، بلکه موجب می شود ماده غذایی به صورتی صحیح خشک شود. با جلوگیری از حرارت دادن بیش از حد بعضی نواحی به علت اختلاف در ویژگی های دی الکتریک در داخل محصول بوسیله فرآیند پالسی، این هدف قابل دستیابی است. [5]

1-5-6: عمق نفوذ

توانایی و قابلیت پرتوهای مایکروویو در نفوذ به عمق ماده را عمق نفوذ می نامند. و این عمقی است که در آن میزان انرژی پرتوها به 37% مقدار اولیه شان کاهش پیدا می کند.  عمق نفوذ را نمی توان یکی از ویژگی های ماده غذایی دانست بلکه حاصل اثر ترکیبی از ویژگی های آن است. طول موج، ثابت دی الکتریک و فاکتور جذب دی الکتریک همگی عمق نفوذ را تحت تاثیر قرار می دهند. [5]

1-6: تجهیزات مایکروویو

تجهیزات مورد استفاده در مقیاس صنعتی دارای اجزاء مهم منبع تغذیه، مولد، هدایت کننده و بکار گیرنده امواج می باشند. اهمیت سایر اجزاء مانند تغییر دهنده رکتی فایر و ابزار های کنترل انرژی مایکروویو اطمینان از یکنواختی و ایمنی کار است. نقش منبع تغذیه، دریافت انرژی الکتریکی و تبدیل آن به ولتاژ بالایی است که مورد نیاز مگنترون[21] می باشد. معمولاً مگنترون به چند هزار ولت، جریان مستقیم نیاز دارد. مگنترون یا لوله جریان قوی، نوسان کننده ای است که توانایی تبدیل الکتریسیته ورودی به انرژی مایکروویو را دارد. هدایت کننده یک مجرای مکعب مستطیلی تو خالی است که انرژی تولید شده را از مگنترون به محفظه آون انتقال می دهد. بکار گیرنده از فلز ساخته شده و دارای انواع مختلفی است اما نوع محفظه ای آن در صنعت بیشترین کاربرد را دارد. در هر صورت نحوه طراحی و نوع بکار گیرنده تابع نوع کاربرد آن است. میزان کارایی کلی تبدیل انرژی الکتریکی به مایکروویو 45 تا 50 درصد است. افت های آن شامل افت حاصل از تبدیل جریان متناوب به مستقیم، جریان مستقیم به پرتوهای مایکروویو و نیز هدر رفتن انرژی در هدایت کننده و بکار گیرنده است. مولد های مایکروویو که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند دارای یک لوله توخالی تحت خلاء که در آن یک تفنگ الکترونی قرار دارد، می باشد. سه نوع رایج از مولد های مایکروویو مگنترون ها، کلیسترون ها و لوله های منتقل کننده امواج می باشند. [4 و 68]

1-7: خشک کردن با بهره گرفتن از پرتوهای مایکروویو

آرزو ی رهایی نسبی از مشکلات ناشی از خشک کردن با هوای داغ و جلوگیری از کاهش کیفیت و دستیابی به فرایند گرمایی مؤثر و سریع منجر به افزایش کاربرد انرژی مایکروویو برای خشک کردن مواد غذایی شده است. [26] استفاده از هوای داغ برای جداسازی آب آزاد نزدیک به سطح بسیار موثر       می باشد در حالیکه استفاده از انرژی مایکروویو روشی مفید در جداسازی آب آزاد داخلی است. [19]

بخاطر هدایت گرمائی پائین ماده غذایی، انتقال گرمایی به بخش های داخلی غذا طی گرم سازی مرسوم محدود می شود و با جداسازی آب انتقال گرمایی مواد جامد بخاطر کاهش همرفتی بطور مشخص کاهش می یابد. [64] روش مایکروویو در مقایسه با روش هوای داغ بخاطر نفوذ امواج مایکروویو به بدنه محصول از کاهش کیفیت محصول جلوگیری می نماید و توزیع سریع و یکنواخت انرژی در محصول ایجاد می نماید.

1-8: مزایای خشک کردن با مایکروویو

1 – کوتاه نمودن زمان خشک کردن

زمان فرآیند می تواند به میزان 50 درصد کاهش یابد. در برخی مقالات به کوتاه شدن زمان خشک شدن به میزان 50 تا 80 درصد و در بعضی نیز به 25 تا 90 درصد نیز اشاره شده است.

2- بهبود کیفیت محصول

پژوهش های صورت گرفته نشان داده است که استفاده از انرژی مایکروویو به صورت ترکیبی همراه با سایر روش های خشک کردن، موجب بهبود کیفیت فراورده پایانی شده است. در بعضی موارد حذف پدیده سخت شدن سطح، تنش های داخلی، بازده بیشتر و کاهش از دست رفتن ویتامین ث و عطر محصولات خشک شده با مایکروویو نسبت به سایر روش های دیگر بوده است. برخی محققین معتقدند که استفاده از خشک کن هوا و متعاقب آن مایکروویو موجب بهبود شاخص های کیفی محصول        می شود.

3- حرارت دادن سریع و حجمی

در مقایسه با روش های حرارت دهی رایج به علت مکانیسم حرارات دهی حجمی، حرارت دادن ماده غذایی با بهره گرفتن از امواج مایکروویو بسیار سریع تر انجام می شود. علاوه بر این حرارت در داخل بافت ماده غذایی تولید می شود و نیازی به انتقال آن با روش های انتشار و رسانایی به داخل ماده غذایی نیست.

4- سرعت خشک شدن بالاتر

طی خشک شدن ماده غذایی با بهره گرفتن از روش های رایج ابتدا رطوبت سطحی ماده غذایی خارج      می شود، سپس تحت تاثیر مکانیسم انتشار رطوبت از عمق حرکت کرده جایگزین رطوبت سطحی     می شود. پرتودهی مایکروویو منجر به ایجاد حرارت داخلی شده در نتیجه افزایش دما، فشار داخلی افزایش یافته و این فشار موجب رانده شدن رطوبت از عمق به طرف سطح شده و امکان خشک شدن سریع تر را فراهم می نماید. علاوه بر این برخی محققین گزارش کرده اند که مزیت عمده کاربرد انرژی مایکروویو نسبت به روش رایج کارایی بسیار بالاتر آن در مرحله سرعت نزولی خشک کردن است. [56]

5- تولید بافت حجیم شده و متخلخل

در سیستم های مایکروویو، پرتوها می توانند به سادگی از خلال دیواره های خشک مقاوم در برابر انتقال حرارت عبور کرده خود را به لایه های مرطوب برسانند و در آنجا بصورت مستقیم توسط آب جذب شده به حرارت تبدیل شوند. جذب سریع انرژی موجب تبخیر شدید آب شده که این  جریانی فرار و دمنده به طرف خارج ایجاد می نماید. علاوه بر بهبود و سرعت بخشیدن به فرآیند خشک کردن این جریان خروجی می تواند تا حدودی از بروز چروکیدگی و پلاسیدگی محصول در حال خشک شدن جلوگیری نماید، بنابراین ویژگی باز جذب آب بهبود می یابد. [18]

1-9: معایب استفاده از مایکروویو

  • حرارت دهی غیر یکنواخت بر اثر تجمع بالای حرارت در لبه ها و گوشه های محصول منجر به بیش گرم شدگی موضعی می گردد.
  • باید روشی برای کنترل انتقال جرم بوسیله کنترل انرژی ورودی بکار گیرد. زیرا انتقال سریع جرم منجر به آسیب به بافت غذا می گردد که از آن جمله می توان به پف کردگی  اشاره نمود.
  • هزینه نصب اولیه بالای مایکروویو استفاده صنعتی آنرا محدود ساخته است.
  • هزینه عملیاتی بسیار بالا است که از آن جمله می توان تعویض مگنترون را نام برد. [8]
  • عدم خروج برخی مواد فرار نامطلوب به دلیل کوتاه بودن زمان حرارت دهی [3]
  • گزارش‌هایی مبنی بر پایین بودن کیفیت و نیز از دست رفتن عطر  در پودر تولید شده از آبمیوه‌ها بوسیله این روش نسبت به آبمیوه تازه وجود دارد. دلیل این اتفاق احتمالا پایین بودن دما پیرامون محصول است که از انجام تبخیر سطحی و نیز ایجاد یک لایه سخت سطحی  جلوگیری کرده، در نتیجه مواد فرار و عطری می‌توانند براحتی از بافت محصول خارج شوند. دوم اینکه زمان کوتاه فرآیند اجازه وقوع واکنش‌های چند مرحله‌ای مانند واکنش مایلارد و تولید بعضی عطرهای مخصوص و احتمالا دلخواه را نمی‌دهد. گزارش‌هایی مبنی بر غیر قابل قبول بودن عطر و طعم محصولات خشک شده با این روش از نظر مصرف کننده وجود دارد و دلیل آن سوختگی و خرابی بافت محصول عنوان شده است.[43]
  • بعضی آسیب‌های فیزیکی در نتیجه بالا رفتن دما بصورت موضعی- حتی با کاهش رطوبت و فاکتور جذب- مشاهده می‌گردد. ترکیب مواد شیمیایی موجود دربافت ماده غذایی موجب غیر یکنواختی در توزیع رطوبت و در نتیجه غیر یکنواختی در حرارت دیدن ماده غذایی می‌شود. تعدادی از پژوهشگران عقیده دارند هرچند که با بهره گرفتن از مایکروویو می‌توان سریع‌تر به نقطه تعادلی رسید اما نمی‌توان از آن عبور کرد، آنها اعلام کردند که استفاده از مایکروویو در این حالت موجب سوختن و سیاه شدن محصول می‌شود. [33]

1-10: ویژگی های کیفی محصولات خشک شده

ویژگی هایی که تحت عنوان کیفیت قرار می گیرند را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

1) ویژگی های ساختمانی، مانند دانسیته، تخلخل، اندازه منافذ و حجم مخصوص.

2) ویژگی های ظاهری، مانند رنگ و ظاهر محصول.

3) ویژگی های بافتی ، مانند رفتار محصول در آزمایش های فشار، تحلیل رفتن تنش ،  و آزمایش های کشش.

4) ویژگی های حرارتی، حالات محصول را شامل می شود: شیشه ای، کریستالی، لاستیکی.

5) ویژگی های حسی، مانند: عطر، طعم، مزه.

6) ویژگی های تغذیه ای مانند: میزان ویتامین، پروتئین و سایر مواد مغذی.

7) ویژگی های مربوط به جذب مجدد آب، مانند: سرعت و ظرفیت آبگیری [46]

1-11: روش شناسی سطح پاسخ

در صنایع غذایی کنترل برخی از فرآیندها، تکیه بر گستره ی وسیع مهارت و تجربیات اپراتورها بدون آگاهی از مفهوم علمی فرآیند داشته است. در واقع تغییر “هنر” به “دانش” هنوز هم هدف بسیاری از سرمایه گذاری های صنایع غذایی بوده است. روش های محاسبه ای نو و کلاسیک به طور وسیعی برای تبدیل “هنر” به “دانش” و شبیه سازی فرآیند غذایی به کار می روند. دو نوع اصلی مدل مشخص    شده اند. مدل های تجربی که از دیدگاه واقع گرایی و عملی اشتقاق می یابند. اینها به سادگی داده ها را در قالب روابط ریاضی مناسب تشریح نموده و در نتیجه غالباً هیچگونه بینشی (و یا به میزان بسیار اندک) نسبت به فرآیند مورد نظر ایجاد نمی کنند. مدل های مکانیکی یا جبری که از پایه های تئوریک ساخته می شوند و در صورتی که به درستی فرموله شوند، تفسیر پاسخ مدل شده را در قالب پدیده ها و فرآیندهای شناخته شده، امکان پذیر می سازند. روش سطح پاسخ[22] (RSM) و تکنیک های هوش مصنوعی (همانند منطق فازی[23]، شبکه های عصبی[24] و الگوریتم های ژنتیک[25](GA)) نیز مدل های مبتنی بر تجربه هستند که به طور گسترده ای در مدل کردن فرآیندهای غذایی با توجه به پیچیدگی واکنش ها و ساختار ناهمگون محصولات غذایی مورد استفاده قرار می گیرند.

کارآیی RSM در بهینه سازی شرایط فرآیندها در تکنولوژی مواد غذایی از مواد غذایی خام تا محصولات نهایی در منابع ثبت گردیده است. از طرفی تکنیک های آماری نظیر RSM، روش های نرم افزاری اخیر همانند منطق فازی، شبکه ی عصبی و الگوریتم ژنتیک راه حل های جدیدی به منظور پیشرفت ابزار کنترل و مدل سازی در فرآیندهای غذایی ارائه می دهند. با توجه به منابع، مطالعات بسیاری در زمینه ی کاربرد شبکه های عصبی جهت مدل کردن و بهینه سازی فرآیندهای غذایی انجام شده است.

داویدسون[26]، براون[27] و لندمن[28] (1999)، یک سیستم کنترل فازی موفقیت آمیز برای برشته کردن جریان متقابل و مداوم بادام زمینی ارائه دادند. برنامه نویسی ژنتیک(GP)، که یکی از روش های نرم افزاری   می باشد، از GA که فرآیند تکامل بیولوژیکی(الگوریتم های تکاملی[29]) را شبیه سازی می کند، مشتق    می شود. [32]

بالا بردن قابلیت اجرایی و راندمان سیستم ها در فرآیندها بدون افزایش هزینه ها مقوله ایست که بسیار حائز اهمیت می باشد. روش اجرایی که بدین منظور به کار می رود، بهینه سازی[30] نامیده می شود. به طور کلی برای تعیین شرایط اجرایی بهینه، یک پارامتر متغیر بوده و سایر پارامترها در یک سطح، ثابت نگه داشته می شوند. به این روش، یک متغیر در یک زمان[31] اتلاق می گردد. ایرادهای وارده به این روش عبارتند از این که این شیوه تغییرات متقابل متغیرها را شامل نشده، تأثیرات کامل پارامترها در فرآیند را تشریح نمی کند. به منظور غلبه بر این مسائل می توان مطالعات بهینه سازی را با بهره گرفتن از روش سطح پاسخ انجام داد. روش سطح پاسخ مجموعه ای از تکنیک های ریاضی و آماری است که جهت توسعه، پیشبرد و بهینه کردن فرآیندهایی به کار می رود که در آنها سطح مورد نظر تحت تأثیر متغیرهای بسیاری قرار داشته و هدف بهینه کردن پاسخ مزبور است. روش سطح پاسخ کاربرد قابل توجهی در طرح ریزی، توسعه و فرموله کردن محصولات جدید و همچنین ارتقای طراحی محصولات موجود دارد. روش سطح پاسخ تأثیر متغیرهای، یک مدل ریاضی که توضیح دهنده ی فرآیندهای شیمیایی و بیوشیمیایی است، در اختیار محقق قرار می دهد. [11] در واقع روش سطح پاسخ از داده های مقداری یک طرح مناسب آزمایشگاهی برای تعیین و حل همزمان مسئله های چند متغیره استفاده می کند. معادلات به دست آمده تأثیر متغیرهای آزمایشی روی پاسخ را توضیح داده، رابطه ی متقابل بین متغیرهای آزمون را مشخص می کند. همچنین این روش تأثیر دو به دوی کلیه ی متغیرهای آزمون بر روی پاسخ را نمایش می دهد. این اطلاعات توانایی شناخت کافی فرآیند را به پژوهشگر می بخشد. [41]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-12: اهداف طرح                                      

  • بکارگیری روش خشک کردن ترکیبی مایکروویو- خلأ جهت خشک کردن ازگیل ژاپنی
  • دستیابی به حداقل زمان خشک کردن با بکارگیری مایکروویو
  • دستیابی به حداقل دمای خشک کردن با بکارگیری خلأ
  • تعیین شرایط بهینه فرآیند جهت رسیدن به کمترین میزان اتلاف مواد مغذی حساس به حرارت و زمان
  • مقایسه ی روش خشک کردن ترکیبی مایکروویو-خلأ با روش خشک کردن تحت هوای داغ 70 درجه سانتیگراد

 

[1] drying

[2] Challet

[3] Masson

[4] Lipid oxidation

[5] king

[6] Eriobotrya japonica)) Loquat

[7] citric asid

[8] pectin

[9] flavonoid

[10] chlorogenic asid

[11] hydroxy benzoic asid

[12] protocatechuic asid

[13] epicatechin

[14] fumaric asid

[15] ferulic asid

[16] morphology

[17] Dielectric constant

[18] Torner

[19] Lofer

[20] acrilic

[21] Magnetron

[22] Response surface plot

[23] Fuzzy logic

[24] Neural network

[25] genetic algorithm

[26] Davidson

[27] Brown

[28] Landman

[29] Evolutionary algorithms

[30] optimization

[31]  One- variable-at-a time

Share