Βασικές αρχές αφυδάτωσης

Ως αφυδάτωση (dehydration – drying) χαρακτηρίζεται η απομάκρυνση νερού από τα τρόφιμα με εξάτμιση ή εξάχνωση. Αποτέλεσμα αυτής είναι η μείωση της περιεχόμενης υγρασίας σε πολύ χαμηλά επίπεδα. Σκοπό της αφυδάτωσης αποτελεί η συντήρηση των τροφίμων σε συνθήκες περιβάλλοντος για σημαντικά μεγάλο χρονικό διάστημα, με την προϋπόθεση ότι αυτό θα έχει συσκευασθεί κατάλληλα ώστε εμποδίζεται η προσρόφηση υγρασίας.

Επιπλέον της συντήρησης των τροφίμων η τεχνολογία της αφυδάτωσης έδωσε τη δυνατότητα της δημιουργίας προϊόντων τα οποία ο καταναλωτής δεν μπορούσε να τα παρασκευάσει μόνος τους και να τα έχει διαθέσιμα τη στιγμή που τα χρειαζόταν (πχ σκόνη γάλακτος, ροφήματα). Ακόμη, ο συνδυασμός αφυδατωμένων φυσικών συστατικών (πχ λαχανικά) μαζί και με άλλα συστατικά έδωσε τη δυνατότητα ανάπτυξης ακόμη και ολοκληρωμένων γευμάτων (πχ αφυδατωμένες σούπες, επιδόρπια, παιδικές τροφές κλπ) τα οποία ο σύγχρονος άνθρωπος δεν θα είχε τη δυνατότητα να τα χρησιμοποιήσει εύκολα, χωρίς ιδιαίτερη προετοιμασία και μάλιστα εκτός εποχής και μακριά από τον τόπο παραγωγής των.
Η αφυδάτωση αποτελεί ίσως την αρχαιότερη μέθοδο συντήρησης των τροφίμων και είναι επεξεργασία σημαντικής οικονομικής σημασίας. Ήδη από τα αρχαία χρόνια ο άνθρωπος τοποθετούσε τα τρόφιμα στον ήλιο ή τον αέρα προκειμένου να απομακρύνει το περιεχόμενο νερό ώστε να τα συντηρήσει για μακρύ χρονικό διάστημα. Στις αρχές του 1960 σε μεγάλες ποσότητες αφυδατώνονταν ζάχαρη, καφές και διάφορα άλευρα. Άλλα τρόφιμα τα οποία υφίστανται αφυδάτωση είναι τα φρούτα, όπως τα βερίκοκα, τα μήλα, οι μπανάνες, οι σταφίδες, οι φράουλες κ.α. Επίσης αφυδατώνονται τα λαχανικά, όπως τα κρεμμύδια, οι πατάτες (πουρές), καρότα, μπιζέλια, πιπεριές κ.α., το βοδινό κρέας, πολλά αλιεύματα, τα προϊόντα γάλακτος, όπως το άπαχο γάλα, το πλήρες γάλα, ο ορός γάλακτος κ.α., τα εκχυλίσματα καφέ και τσαγιού, τα προϊόντα αυγού κ.α.

H συντήρηση των τροφίμων με την αφυδάτωση στηρίζεται στη μείωση του διαθέσιμου νερού σε τιμές μικρότερες εκείνων οι οποίες θα επέτρεπαν την ανάπτυξη διαφόρων μικροοργανισμών που θα μπορούσαν να προκαλέσουν αλλοιώσεις. Το διαθέσιμο νερό το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τους μικροοργανισμούς για ανάπτυξη, εκφράζεται ως ενεργότητα νερού a_w (water activity), και ορίζεται από τη σχέση :
a_w = p/p_o = (%) σχετική υγρασία/100, όπου:
p: η μερική πίεση υδρατμών πάνω από το τρόφιμο και
p₀: η πίεση υδρατμών πάνω από το καθαρό νερό της ίδιας με το τρόφιμο θερμοκρασίας.
Η τιμή  της ενεργότητας νερού (a_w) κυμαίνεται μεταξύ 0-1, όπου 1 είναι η τιμή που αντιστοιχεί στη δραστηριότητα του καθαρού νερού. Οι απαιτήσεις των διαφόρων μικροοργανισμών σε διαθέσιμο νερό και ως εκ τούτου και οι τιμές  a_w  στις οποίες μπορεί να αναπτύσσονται διαφέρουν ανάλογα με το είδος του μικροοργανισμού οπότε με την επίτευξη συγκεκριμένης τιμής aw μέσω της αφυδάτωσης ελέγχεται και η μικροβιολογική ανάπτυξη. Τα περισσότερα βακτήρια γενικά αναπτύσσονται σε τιμές μεγαλύτερες του 0.9 ενώ σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να φτάνουν και σε 0.86 . Σε τιμές κοντά στο 0.70 παρεμποδίζεται η ανάπτυξη ζυμών και μυκήτων αν και ορισμένα είδη πιο ανθεκτικά (ωσμώφιλες ζύμες) μπορεί αναπτύσσονται και σε χαμηλότερες τιμές ενεργότητας της τάξης του 0,62.  
Τα αφυδατωμένα τρόφιμα τα οποία έχουν χαμηλό a_w (<0.60) είναι μικροβιολογικά σταθερά αλλά δεν είναι αποστειρωμένα. Αυτό δίνει ιδιαίτερη σημασία στην επιλογή της προς αφυδάτωση πρώτης ύλης, στην τεχνική της αφυδάτωσης που θα χρησιμοποιηθεί και τις παραμέτρους της επεξεργασίας (ρυθμός απομάκρυνσης νερού, θερμοκρασίες κλπ) αλλά και στις απαιτήσεις υγιεινής των εγκαταστάσεων παραγωγής. Οι μετά την επεξεργασία χειρισμοί του τροφίμου και η συσκευασία του είναι στάδια τα οποία επιδρούν στην μικροβιολογική κατάσταση του αφυδατωμένου τροφίμου. Πρόσληψη υγρασίας σε αυτά τα στάδια (διακίνηση, αποθήκευση κλπ) μπορεί να δημιουργήσει ευνοϊκές συνθήκες για την ανάπτυξη υπαρχόντων μικροοργανισμών που επέζησαν της επεξεργασίας ή προέκυψαν κατά τους διάφορους χειρισμούς ως αποτέλεσμα επιμόλυνσης.
Επιπλέον όμως της επίδρασης της ενεργότητας του νερού στη μικροβιολογική σταθερότητα των τροφίμων δεν πρέπει να παραβλεφθεί και ο ρόλος του νερού στις διάφορες χημικές αντιδράσεις και γενικότερα στις ιδιότητες των τροφίμων. Έτσι μπορεί να λειτουργεί ως διαλύτης στα συστατικά που συμμετέχουν σε αντιδράσεις, ως αντιδρών σώμα αυτό καθαυτό (πχ υδρολύσεις) αλλά και ως ρυθμιστής δραστηριότητας άλλων ενώσεων που δρουν καταλυτικά ή ανασταλτικά σε αντιδράσεις. Ακόμη, το νερό ως κύριο συστατικό των κυττάρων επιδρά στη δομή, εμφάνιση, υφή κλπ. χαρακτηριστικά του τροφίμου με αποτέλεσμα η απομάκρυνσή του να επηρεάζει αυτά τα χαρακτηριστικά.
Η αφυδάτωση είναι μια διαδικασία αποβολής υγρασίας με ταυτόχρονη μεταφορά μάζας και θερμότητας στα τρόφιμα. Η αποτελεσματικότητα της αφυδάτωσης ως μεθόδου συντήρησης και ο σχεδιασμός της αντίστοιχης διεργασίας εξαρτάται από την έκταση στην οποία επιτυγχάνεται η απομάκρυνση του νερού από το τρόφιμο.
Το νερό μεταφέρεται είτε ως υγρό είτε ως αέριο. Ως υγρό, είτε μεταφέρεται στην επιφάνεια του προϊόντος και εξατμίζεται, είτε εξατμίζεται εσωτερικά στη διεπιφάνεια υγρού-ατμού και κατόπιν μεταφέρεται στην επιφάνεια του τροφίμου όπου και εξατμίζεται. Η μεταφορά γίνεται λόγω διαφοράς συγκέντρωσης ή λόγω της δύναμης των τριχοειδών σωλήνων. Σε ένα πολύπλοκο σύστημα όπως είναι τα τρόφιμα, είναι δύσκολο να καθοριστεί ακριβώς με ποιόν από τους παραπάνω τρόπους γίνεται η μετακίνηση του νερού.
Παράγοντες που επηρεάζουν το ρυθμό μεταφοράς υγρασίας από το τρόφιμο στο περιβάλλον αποτελούν η επιφάνεια του προϊόντος, η αρχική του υγρασία, η θερμοκρασία του, η σύσταση του όπως το είδος και συγκέντρωση των διαλυμένων ουσιών. Επιπλέον σημαντικούς παράγοντες αποτελούν η μέθοδος και οι συνθήκες αφυδάτωσης του τροφίμου όπως η θερμοκρασία της ξήρανσης, η σχετική υγρασία του μέσου ξήρανσης και η εξωτερική πίεση. Η συμβατική αφυδάτωση περιλαμβάνει μεταφορά ενέργειας με αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία χρησιμοποιώντας μια πηγή θερμότητας. Η θερμότητα μεταφέρεται είτε απευθείας με θερμό αέρα που έρχεται σε επαφή με το προϊόν, είτε εμμέσως από μεταλλικές επιφάνειες. Για τρόφιμα ευαίσθητα επιλέγονται χαμηλές θερμοκρασίες κατεργασίας, παρόλο που απαιτείται μεγαλύτερος χρόνος ξήρανσης. Παρόλα αυτά αφυδάτωση μπορεί να επιτευχθεί και απουσία πηγής θερμότητας (π.χ. οσμωτική αφυδάτωση).
Κατά την αφυδάτωση ενός τροφίμου διακρίνουμε τα εξής στάδια (Σχήμα 1):
–    Στάδιο προσαρμογής (ΑΒ) (equilibration period),
–    Στάδιο σταθερού ρυθμού αφυδάτωσης (ΒΓ) (constant rate period) και
–    Στάδιο μειωμένου ρυθμού αφυδάτωσης (ΓΔ) (falling rate period)
Στο στάδιο προσαρμογής επέρχεται εξισορρόπηση της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας μεταξύ της επιφάνειας του τροφίμου και του μέσου ξήρανσης. Στο στάδιο τού σταθερού ρυθμού η επιφάνεια του προϊόντος είναι κορεσμένη, καθώς νερό μεταφέρεται από το εσωτερικό του τροφίμου στην επιφάνεια με ταχύτερο ή ίσο ρυθμό, από αυτόν με τον οποίο εξατμίζεται το νερό από την επιφάνεια. Τέλος, στο στάδιο του μειωμένου ρυθμού αφυδάτωσης η επιφάνεια του προϊόντος που παραμένει κορεσμένη συνεχώς μειώνεται, καθώς ο ρυθμός μεταφοράς νερού προς την επιφάνεια είναι μικρότερος από τον ρυθμό εξάτμισης του. Όταν όλη η επιφάνεια φθάσει σε κατάσταση μη κορεσμού, η εσωτερική μεταφορά υγρασίας γίνεται ο ελέγχων παράγοντας της ξήρανσης. Η μεταφορά υγρασίας από το εσωτερικό προς την επιφάνεια του τροφίμου γίνεται με  μοριακή διάχυση και  ροή μέσω τριχοειδών αγωγών.   

Σχήμα 1. Στάδια ρυθμού ξήρανσης

Πλεονεκτήματα της αφυδάτωσης αποτελούν η συντήρηση των τροφίμων για μεγάλο χρονικό διάστημα σε συνθήκες περιβάλλοντος, η μείωση του βάρους ίσως και του  όγκου με αποτέλεσμα την διευκόλυνση κατά την μεταφορά και την αποθήκευση τους και τέλος η ευκολία χρήσης τους όπως π.χ. οι αφυδατωμένες σούπες, ο στιγμιαίος καφές, παιδικές τροφές κλπ.
Βέβαια όπως οι περισσότερες επεξεργασίες που εφαρμόζονται στα τρόφιμα με σκοπό τη διατήρησή τους ή τη μετατροπή τους σε άλλες μορφές, έτσι και η αφυδάτωση επιδρά κατά κάποιο τρόπο ώστε να επηρεάζονται μερικώς τα αρχικά τους χαρακτηριστικά και ιδιότητες. Οι σύγχρονες τεχνικές αφυδάτωσης που εφαρμόζονται μειώνουν τις όποιες αρνητικές επιδράσεις μπορεί να έχει η απομάκρυνση νερού από τα τρόφιμα (απώλεια υδατοδιαλυτών συστατικών, απώλεια ορισμένων αρωματικών ουσιών, ανάπτυξη ανεπιθύμητων οσμών, μείωση ευαίσθητων θρεπτικών συστατικών, μεταβολή δομής, αλλαγές στην εμφάνιση κλπ.) εξασφαλίζοντας έτσι άριστης ποιότητας προϊόντα και συστατικά και με πολλά πλεονεκτήματα στη χρήση τους.

Βιβλιογραφία

1. Chen X.D. and Mujumdar A. S., 2008.  Freeze and vacuum drying of foods, Drying Technologies in Food Processing, 225-246
2. Hui Y.H., Clary C.,Farid M.M., Fasina O.O., Noomhorm A., Wlti Chanes J.  (2008). Food Drying Science and Technology: Microbiology, Chemistry, Application. DEStech Publications, inc., Lancaster Pennsylvania U.S.A., pp. 1-42, 403- 416
3. Heldman D.R.and Singh R.P., 1981. Food Process Engineering, 2nd ed. The AVI Publishing Co.Inc, Westport, Connecticut, pp. 261-331
4. Ρόδης Σ.Π., 1995. Μέθοδοι συντήρησης τροφίμων, σελ. 127-205, 289-347
5. McCabe W.Smith J. and Harriott P., 2001. Βασικές Φυσικές Διεργασίες Μηχανικής, 6η έκδοση, σελ.549-584

 

Κλεοπάτρα Δ. Τσατσαράγκου – Χημικός Μηχανικός
Στέλλα Β. Πρωτονοταρίου – Γεωπόνος Επιστ. & Τεχν. Τροφίμων
Κων. Καραβασίλης – Γεωπόνος Επιστ. & Τεχν. Τροφίμων, MSc, MBA