Αφυδάτωση: απομάκρυνση νερού

Η αφυδάτωση είναι μια διαδικασία αποβολής υγρασίας με ταυτόχρονη μεταφορά μάζας και θερμότητας στα τρόφιμα. 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 με ποιόν από τους παραπάνω τρόπους γίνεται η μετακίνηση του νερού.
Η συμπεριφορά του νερού μέσα στο τρόφιμο αποτελεί τον κύριο παράγοντα κατανόησης του φαινομένου της αφυδάτωσης. Το νερό ανάλογα με το βαθμό δέσμευσής του μέσα στο τρόφιμο χαρακτηρίζεται από τρεις καταστάσεις: το νερό τύπου Ι, τύπου ΙΙ και τύπου ΙΙΙ.
Το νερό που απομακρύνεται πιο εύκολα κατά τη διαδικασία της αφυδάτωσης είναι το νερό τύπου ΙΙΙ και είναι αυτό που βρίσκεται κυρίως στην επιφάνεια του προϊόντος ή σε κοιλότητες, σε μεγάλους τριχοειδείς σωλήνες του τροφίμου και αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του νερού που βρίσκεται στους φυτικούς και ζωϊκούς ιστούς στα τρόφιμα. Καθώς ένα τρόφιμο αποξηραίνεται και το νερό τύπου ΙΙΙ απομακρύνεται, ελαττώνεται και η τάση ατμών του προϊόντος λόγω αύξησης της περιεκτικότητας των διαλυτών στερεών στο τρόφιμο. Το νερό τύπου ΙΙ στη συνέχεια απομακρύνεται πολύ πιο δύσκολα αλλά σε αυτή τη φάση παρουσιάζεται και χαμηλότερη ενεργότητα που περιορίζει σημαντικά τη μικροβιακή δραστηριότητα.
Το νερό τύπου Ι αντιστοιχεί ουσιαστικά στην προσρόφηση μιας μονομοριακής στοιβάδας νερού στα συστατικά του τροφίμου και το οποίο είναι πολύ ισχυρά δεσμευμένο έτσι ώστε όποιες αντιδράσεις εξαρτώνται από αυτό πρακτικά διεξάγονται τόσο αργά που η ταχύτητά τους δεν μπορεί πρακτικά να μετρηθεί.
Ο τρόπος με τον οποίο το νερό βρίσκεται δεσμευμένο στην εσωτερική δομή του τροφίμου, ο βαθμός στον οποίο είναι διαθέσιμο ως διαλύτης, εξατμίζεται ή παγώνει, ή ο βαθμός στον οποίο είναι χημικά δεσμευμένο και μη διαθέσιμο για φυσικοχημικές δράσεις αντικατοπτρίζεται στον υπολογισμό της τιμής της ενεργότητας του νερού. Η ενεργότητα του νερού μπορεί να θεωρηθεί και ως δείκτης της σχετικής υγρασίας ισορροπίας του τροφίμου.
Σε κατάσταση ισορροπίας το τρόφιμο ούτε χάνει αλλά ούτε προσλαμβάνει υγρασία. Η διαδικασία απόκτησης ισορροπίας από το τρόφιμο περιλαμβάνει δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, περιλαμβάνεται η μεταφορά υδρατμών μεταξύ της εξωτερικής επιφάνειας του τροφίμου στο περιβάλλον ή αντίστροφα (ρόφηση ή εκρόφηση), ανάλογα με το αν οι υδρατμοί εισέρχονται ή εξέρχονται από το τρόφιμο, ενώ στο δεύτερο, περιλαμβάνονται φαινόμενα διάχυσης ή ρόφησης των υδρατμών στην εσωτερική δομή των ιστών του τροφίμου. Το ποσοστό σχετικής υγρασίας ισορροπίας του τροφίμου περιγράφει το τελικό ποσοστό περιεχόμενης υγρασίας του τροφίμου μετά το τέλος της διαδικασίας αφυδάτωσης. Η σχέση μεταξύ της ενεργότητας του νερού και της περιεχόμενης υγρασίας του τροφίμου για δεδομένη θερμοκρασία περιγράφεται από τις ισόθερμες ρόφησης (καμπύλη περιεχόμενης υγρασίας ισορροπίας). Από τις πιο γνωστές εξισώσεις ισόθερμων καμπύλων ρόφησης είναι η εξίσωση ΒΕΤ(Brunauer-Emmet-Teller), η οποία υπολογίζει την τιμή του μονομοριακού στρώματος νερού μέσω της σχέσης:  

 

Όπου a_w ενεργότητα νερού
         x_w υγρασία του τροφίμου (kg H2O/kg ξηρού στερεού)
         x w,a τιμή μονομοριακού στρώματος (kg H2O/kg ξηρού στερεού)
        C σταθερά

Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη προσέγγιση της ισοθέρμου ρόφησης για τα περισσότερα τρόφιμα και για μεγαλύτερο εύρος τιμών ενεργότητας νερού (μέχρι 0.90 ή 0.95) δίνεται από την εξίσωση GAB (Guggenheim-Anderson-de Boer):

Όπου a_w ενεργότητα νερού
          m μάζα των ροφημένων υδρατμών (kg)
          k, C σταθερές
         m_α μάζα του μονομοριακού στρώματος (kg)
Η εξίσωση GAB, αποτελεί μια επέκταση της διπαραμετρικής εξίσωσης ΒΕΤ, η οποία λαμβάνει υπ’όψιν της, τις ιδιότητες του πολυστρωματικού και του ελεύθερου νερού, με την προσθήκη της σταθεράς k.
Μια ισόθερμη ρόφησης μπορεί να χωριστεί σε τρείς περιοχές (Σχήμα 1). Στην περιοχή Α, εμφανίζεται το ισχυρά δεσμευμένο νερό ή μονομοριακό στρώμα νερού (θερμότητα εξάτμισης σημαντικά υψηλότερη από του καθαρού νερού). Τα μόρια αυτά του νερού είναι ροφημένα σε υδρόφιλα, φορτισμένα ή πολικά συστατικά του τροφίμου (πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες), συμπεριλαμβανομένων των δεσμών υδρογόνου. Το ισχυρά δεσμευμένο νερό δεν παγώνει έως τους –40 °C (unfreezable water), ενώ δεν είναι διαθέσιμο ως διαλύτης και για χημικές δράσεις.
Στην περιοχή Β, τα μόρια του νερού είναι λιγότερο ισχυρά δεσμευμένα (γειτνιάζον νερό), το οποίο είναι διαθέσιμο σαν διαλύτης ουσιών μικρού μοριακού βάρους και για μερικές βιοχημικές δράσεις.  
Στην περιοχή Γ, εμφανίζεται το ελεύθερο νερό, το οποίο καταλαμβάνει τις πιο απομακρυσμένες θέσεις από τα μη υδατικά συστατικά και μπορεί να δρα ως διαλύτης, και εμφανίζει ιδιότητες παρόμοιες με του καθαρού νερού (παγώνει σε θερμοκρασία κατώτερη των 0 °C, με το σημείο πήξης του να εξαρτάται από τη συγκέντρωση των διαλυμένων συστατικών). Το ελεύθερο νερό μπορεί να βρίσκεται παγιδευμένο σε τριχοειδείς πόρους, οπότε και παρουσιάζει μειωμένη τάση ατμών, όσο μικρότερη είναι η ακτίνα των τριχοειδών πόρων.

Σχήμα 1. Τυπική ισόθερμη ρόφησης ενός τροφίμου
Αυτό που παρατηρείται στην καμπύλη ρόφησης είναι πως η ισόθερμη καμπύλη αφυδάτωσης (εκρόφηση-desorpion) δεν συμπίπτει συνήθως με την καμπύλη ενυδάτωσης (ρόφησης-adsorption) γεγονός που δείχνει μια υστέρηση στην πρόσληψη νερού κατά την ενυδάτωση ενός προϊόντος σε σχέση με την αφυδάτωσή του.
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.
Τα τρόφιμα όταν ξηραίνονται δεν αποβάλλουν υγρασία με σταθερό ρυθμό αλλά το φαινόμενο χαρακτηρίζεται τόσο από περιόδους σταθερού όσο και μειωμένου ρυθμού. Η καμπύλη ξήρανσης του κάθε τροφίμου είναι αποτέλεσμα πολλών παραμέτρων που αφορούν τόσο στο τρόφιμο αυτό καθαυτό όσο και στον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται και τις παραμέτρους της επεξεργασίας γενικότερα. Γενικά διακρίνουμε τα στάδια προσαρμογής (ΑΒ) (equilibration period), σταθερού ρυθμού αφυδάτωσης (ΒΓ) (constant rate period) και μειωμένου ρυθμού αφυδάτωσης (ΓΔ) (falling rate period) (Σχ. 2). Στο στάδιο προσαρμογής επέρχεται εξισορρόπηση της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας μεταξύ της επιφάνεια του τροφίμου και του μέσου ξήρανσης. Στο στάδιο του 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 και η επιφάνεια εξάτμισης του νερού αρχίζει να μετατοπίζεται προς το εσωτερικό του προϊόντος. Η μεταφορά υγρασίας από το εσωτερικό προς την επιφάνεια του τροφίμου γίνεται με  μοριακή διάχυση και  ροή μέσω τριχοειδών αγωγών.   

 

Σχήμα 2 Στάδια ρυθμού ξήρανσης

Η περιεκτικότητα του προϊόντος σε νερό κατά την έναρξη του μειωμένου ρυθμού αφυδάτωσης χαρακτηρίζεται ως κρίσιμη περιεκτικότητα ύδατος και εξαρτάται τόσο από την αρχική περιεκτικότητα του προϊόντος σε νερό αλλά και από τις συνθήκες αφυδάτωσης και τις γεωμετρικές διαστάσεις του προϊόντος. Σε αυτό το στάδιο η θερμοκρασία του προϊόντος αρχίζει να ανεβαίνει προς την κατεύθυνση της θερμοκρασίας του αέρα που χρησιμοποιείται ως μέσο ξήρανσης και κατά συνέπεια θεωρείται πολύ κρίσιμο με τη λογική πως η θερμοκρασία μπορεί να επιφέρει μεταβολές στο προϊόν.

Βιβλιογραφία

1. Sahin S., Sumnu S. G., Physical properties of Foods, pp 193-228
2. Singh R.P., Heldman D.R, Introduction to Food Engineering, 4th Edition, pp 653-686
3. Heldman D.R, Lund D. B., Handbook of Food Engineering, 2nd Edition, CRC Press, Taylor and Francis Group, pp 603-631
4. Λαζαρίδης, Χ.Ν., Μηχανική Τροφίμων, 2000, Γιαχούδης-Γιαπούλης, Θεσσαλονίκη

 

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