Τεχνολογίες Αφυδάτωσης τροφίμων

Η απομάκρυνση νερού από τα τρόφιμα προκειμένου να γίνουν στερεά γίνεται με πάρα πολλούς τρόπους. Οι εξελίξεις στην τεχνολογία έχουν βοηθήσει ώστε να επιλέγεται για κάθε περίπτωση τροφίμου ή συστατικού που επιθυμείται η αφυδάτωσή του, ο πιο ιδανικός συνδυασμός μεθόδου και εξοπλισμού στα πλαίσια της επίτευξης της ποιότητας του προϊόντος και της αποτελεσματικής διαχείρισης των χρησιμοποιούμενων πόρων (ενέργεια κλπ). Στο στάδιο αυτό θα δοθεί μια συνοπτική περιγραφή των χρησιμοποιούμενων μεθόδων .

Οι διεργασίες αφυδάτωσης μπορούν έτσι να χωριστούν βάσει της μεθόδου απομάκρυνσης νερού με διάφορα είδη ξηραντήρων. Οι ξηραντήρες μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τις μεθόδους με τις οποίες επιτυγχάνονται αυτές οι μεταφορές:
i)    ξηραντήρες με μεταφορά θερμότητας,
ii)    οσμωτικούς ξηραντήρες και
iii)    ξηραντήρες με μηχανική απομάκρυνση νερού.
Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται σχηματικά η ταξινόμηση αυτών των μεθόδων.
Στους ξηραντήρες με μεταφορά θερμότητας ένα αέριο μέσο χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση του νερού από το τρόφιμο. Στην οσμωτική αφυδάτωση χρησιμοποιείται διαλύτης για την απομάκρυνση νερού και στην μηχανική αφυδάτωση εφαρμογή δύναμης.   
Οι ξηραντήρες μεταφοράς θερμότητας μπορούν να διακριθούν σε δύο βασικούς τύπους: τους αδιαβατικούς και τους μη αδιαβατικούς.
Στους αδιαβατικούς ξηραντήρες, ρεύμα αέρα παρέχει την απαιτούμενη θερμότητα εξάτμισης απομακρύνοντας ταυτόχρονα την εξατμιζόμενη υγρασία. Στους μη αδιαβατικούς ξηραντήρες η θερμότητα παρέχεται στο προϊόν με ακτινοβολία ή με αγωγή μέσω επαφής με μία επιφάνεια. Η θερμοκρασία της επιφάνειας του προϊόντος που βρίσκεται σε επαφή με την πηγή θερμότητας αυξάνει και οι παραγόμενοι υδρατμοί απομακρύνονται με κενό ή με κάποιο αέριο.
Τύποι αδιαβατικών ξηραντήρων αποτελούν οι ξηραντήρες με ρεύμα αέρα, το οποίο διέρχεται πάνω από την επιφάνεια του προς ξήρανση τροφίμου, και ξηραντήρες με αιώρηση σταγονιδίων υγρών τροφίμων (π.χ. διασπορών) σε ρεύμα αέρα. Στους ξηραντήρες με ρεύμα αέρα το προϊόν βρίσκεται είτε ακίνητο σε ράφια (θάλαμοι ξήρανσης, σήραγγες ξήρανσης) είτε μετακινείται συνεχώς δια μέσου του ξηραντήρα (ξηραντήρες με μεταφορική ταινία, περιστρεφόμενοι ξηραντήρες). Ξηραντήρες με αιώρηση σε αέρα αποτελούν οι ξηραντήρες ψεκασμού (spray dryers), ξηραντήρες πνευματικής μεταφοράς και ξηραντήρες ρευστοστερεάς κλίνης.
Οι κύριοι μη αδιαβατικοί ξηραντήρες που χρησιμοποιούνται για ξήρανση τροφίμων είναι οι ξηραντήρες τυμπάνου, οι ξηραντήρες κενού και οι θάλαμοι ξήρανσης υπό κατάψυξη (λυοφιλιωτές – freeze dryers) που είναι και αυτοί ξηραντήρες κενού.

Σχήμα 1 Κατηγοριοποίηση ξηραντήρων βάσει του τρόπου απομάκρυνσης νερού.

Λυοφιλίωση ή Κρυοξήρανση (Freeze drying)
Λυοφιλίωση είναι η αφυδάτωση με κατάψυξη και εξάχνωση των σχηματιζόμενων παγοκρυστάλλων, δηλαδή η άμεση μετάβαση του νερού από τη στερεά στην αέρια κατάσταση. Η διεργασία της ξήρανσης με κατάψυξη είναι μία διαδικασία αφύγρανσης υγρών ή στερεών με υψηλή υγρασία προϊόντων. Χρησιμοποιείται τα τελευταία 40 χρόνια στην παραγωγή τροφίμων, φαρμάκων και άλλων ευπαθών βιολογικών προϊόντων. Η διαδικασία περιλαμβάνει τρία στάδια:
α) κατάψυξη του προς ξήρανση τροφίμου,
β) πρωτογενής ξήρανση με υγρασία 15-20% στο προϊόν και
γ) δευτερογενής ξήρανση με τελική περιεκτικότητα υγρασίας 2%.
Η πρώτη φάση ξήρανσης είναι ταχύτερη από τη δεύτερη χάρη στη διαθεσιμότητα μεγάλης ποσότητας αδέσμευτου νερού που είναι παγωμένο. Η εξάχνωση του πάγου αφήνει ένα ξηρό στρώμα πορώδους το οποίο αυξάνεται όσο προχωράει η ξήρανση. Κατά τη διάρκεια του δεύτερου σταδίου ξήρανσης, το δεσμευμένο νερό πρέπει να απομακρυνθεί με αποτέλεσμα ο ρυθμός ξήρανσης να είναι πολύ αργός.
Η αρχή της μεθόδου βασίζεται στην εξάχνωση του πάγου (ice sublimation) των προϊόντων (τροφίμων ή άλλων). Το νερό μεταβαίνει από την στερεά του κατάσταση (πάγος) στην αέρια (υδρατμός) χωρίς να περάσει από την υγρή. Η καμπύλη εξάχνωσης/ συμπύκνωσης) (sublimation-condensation) βρίσκεται μεταξύ της στερεάς και της αέριας φάσης του νερού σε πολύ χαμηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, κάτω από το τριπλό σημείο (triple point) του νερού. Το τριπλό σημείο του νερού (Σχήμα 2) είναι το σημείο στο οποίο συνυπάρχουν οι τρεις φάσεις του, υγρή, αέρια και στερεή υπό την επίδραση συγκεκριμένης θερμοκρασίας και πίεσης (θερμοκρασία 0,01°C και πίεση 6,12 kPa). Για τη φυσική αυτή μεταβολή από στερεό σε αέριο απαιτείται σημαντική προσφορά ενέργειας, λόγω θερμοδυναμικής απαίτησης για την αλλαγή φάσης, έστω και αν η διαδικασία γίνεται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.

Σχήμα 2 Διάγραμμα φάσεων νερού. Τριπλό σημείο
Για την πραγματοποίηση της ξήρανσης με κατάψυξη απαιτείται :
α) τα προϊόντα να είναι κατεψυγμένα κατά προτίμηση σε θερμοκρασία μικρότερη των -40°C για επίτευξη καλής ποιότητας αποξηραμένων προϊόντων
β) να υπάρχει αντλία υψηλού κενού, ώστε να επιτυγχάνεται πίεση χαμηλότερη τουλάχιστον από την πίεση του τριπλού σημείου (6,104 mbar ή 4,58 mm Hg) και συνήθως <0,2-0,5 mm Hg (200-500 mTorr) και
γ) να παρέχεται στο προϊόν μεγάλο ποσό ενέργειας για την πραγματοποίηση της εξάχνωσης.
Εξαιτίας της απουσίας του νερού και των χαμηλών θερμοκρασιών που απαιτούνται για την διεργασία, η μικροβιολογική δραστηριότητα και οι περισσότερες αντιδράσεις υποβάθμισης έχουν σταματήσει, με αποτέλεσμα το τελικό λυοφιλιωμένο προϊόν να είναι υψηλής ποιότητας. Οι παγοκρύσταλλοι που σχηματίζονται κατά την κατάψυξη και που απομακρύνονται κατά την ξήρανση προστατεύουν την πρωταρχική δομή και το σχήμα των προϊόντων προκαλώντας τελικά μικρή μείωση του όγκου τους.
Η τεχνική αυτή εφαρμόζεται σε ένα μεγάλο εύρος προϊόντων, όπως λαχανικά, φρούτα, καφέ, κρέας κ.α. Τα προϊόντα που δέχονται αυτή την επεξεργασία μπορούν να διατηρηθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα και επανυδατώνονται εύκολα. Ωστόσο αυτή η διεργασία είναι ακριβή και μπορεί να οδηγήσει σε κατάρρευση του προϊόντος.

 

Σχήμα 3 Βασική διάταξη λυοφιλιωτή

Αφυδάτωση με καταιωνισμό (spray drying)
Η αφυδάτωση με καταιωνισμό είναι μία από της σημαντικότερες διεργασίες αφυδάτωσης σε υγρά τρόφιμα. Βρίσκει εφαρμογή σε γαλακτοκομικά προϊόντα, καφέ και χυμούς. Απλουστευμένα, θεωρείται ότι  αποτελείται από δύο βασικά στάδια. Αρχικά το προϊόν ‘διαιρείται’ σε μικρά  σταγονίδια (10 – 200μ) και έρχεται σε επαφή με ένα ρεύμα ζεστού αέρα με αποτέλεσμα λόγω της μεγάλης επιφάνειας των σταγονιδίων ανα μονάδα όγκου να αφυδατώνονται πολύ γρήγορα (1-10 sec). Η διαίρεση των σταγονιδίων γίνεται με ψεκασμό, το βασικότερο στοιχείο σε ένα ξηραντήρα καταιωνισμού. Ο ψεκασμός επιτυγχάνεται με ακροφύσια υψηλής πίεσης (nozzles) μέσα από τα οποία διέρχεται το υγρό. H αφυδάτωση επειδή συμβαίνει ταχύτατα θεωρείται ότι η επίδραση της θερμοκρασίας δεν είναι μεγάλη στα χαρακτηριστικά του προϊόντος οπότε με αυτή την μέθοδο μπορούν να αφυδατωθούν ευαίσθητα προϊόντα (αυγό, γάλα, παιδικές τροφές κλπ). Στη συνέχεια τα αφυδατωμένα πλέον σωματίδια διαχωρίζονται από τον αέρα στον οποίο αιωρούνται και συλλέγονται προς περαιτέρω επεξεργασία εφόσον επιθυμείται.
 
Οσμωτική Αφυδάτωση
Ως οσμωτική αφυδάτωση νοείται η διαδικασία αφυδάτωσης τροφίμων με εμβάπτιση σε υγρό που έχει ενεργότητα νερού μικρότερη από εκείνη του τροφίμου. Με τον τρόπο αυτό ουσιαστικά γίνεται διάχυση μιας διαλυμένης ουσίας από το διάλυμα στο τρόφιμο με ταυτόχρονη διάχυση του νερού από το τρόφιμο στο διάλυμα  έως ότου επέλθει ισορροπία. Στην διεργασία αυτή συνήθως χρησιμοποιούνται διαλύματα αλάτων και ζαχάρων. Η αφυδάτωση αυτή εφαρμόζεται κυρίως σε φρούτα. Περισσότερα στοιχεία μπορείτε να διαβάσετε στο σχετικό άρθρο για την οσμωτική αφυδάτωση.

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