Сорбция и десорбция влаги

Количественное соотношение воды и сухих веществ в продукте оказывает существенное влияние на выбор параметров сушки и на условия хранения сухого продукта. Если в продукте, предназначенном для сушки, содержится много белков, то максимальная температура сушки не должна вызывать их денатурацию. Количество в продукте сахаров определяет количество воды, которое можно удалить при сушке, чтобы не происходило реакций меланоидинообразования при хранении.

С биологической точки зрения решающей характеристикой продуктов является не количественное содержание в них воды, а ее состояние. Состояние влаги в продукте (способность материала удерживать воду) характеризуется равновесным влагосодержанием.

Равновесное влагосодержание – то, при котором давление водяного пара над продуктом будет равно парциальному давлению водяного пара в окружающей среде. При этом температура продукта равна температуре окружающего воздуха.

Равновесное влагосодержание определяет способность продукта удерживать влагу и играет большую роль при сушке. По значению этого показателя  определяют связь влаги с материалом; потенциальную возможность воздуха, как сушильного агента; условия хранения высушенных продуктов; вид тары для упаковки сушеных продуктов. Значение равновесного влагосодержания входит в уравнение продолжительности сушки, так как удаление влаги при сушке происходит только до равновесного влагосодержания, которое соответствует определенным параметрам сушильного агента.

Удаляемая влага при сушке определяется как разность влагосодержания продукта  и равновесная влажность :

(1)

Равновесное влагосодержание зависит от влажности и температуры воздуха и способа достижения его равновесия. Графически зависимость между равновесным влагосодержанием продукта и влажностью воздуха при определенных постоянных значениях температуры называется изотермой сорбции или десорбции  продукта.

Если равновесие достигнуто путем поглощения влаги из окружающего воздуха, то получается изотерма сорбции. Если же равновесие достигнуто при отдаче влаги продуктом окружающему воздуху, то образуется изотерма десорбции (сушка).

Равновесное влагосодержание определяется экспериментально по изотермам сорбции и десорбции влаги, так как различные формы связи влаги с материалом и разнообразие структур продуктов не позволяют определить его аналитическим путем. При определении равновесной влажности продукт выдерживают в воздушной среде с постоянной влажностью и температурой до равновесного состояния.

1 – изотерма сорбции 2 – изотерма десорбции Рисунок 1 – Изотерма сорбции и десорбции для картофеля

Изотермы сорбции и десорбции для картофеля представлены на рисунке 1. Сорбция и десорбция влаги в растительных продуктах, как видно из рисунка, характеризуются S-образными кривыми. Для одного и того же продукта они совпадают только при очень малых и очень больших значениях относительной влажности воздуха, при других значениях – не совпадают. При этом образуется площадь гистерезиса.

Изотермы сорбции располагаются выше, чем изотермы десорбции и равновесное влагосодержание при одинаковом значении относительной влажности воздуха при десорбции влаги больше, чем при сорбции влаги.

Причины гистерезиса для растительных продуктов заключаются в том, что в капиллярно-пористых материалах в капиллярах содержится воздух. Это уменьшает смачиваемость капилляров при сорбции влаги. Поэтому, если предварительно выдержать сухой материал в глубоком вакууме перед сорбцией, то площадь гистерезиса уменьшается или исчезает совсем, и кривая сорбции приближается или совпадает с кривой десорбции.

Характер изотерм зависит от вида связи влаги с материалом. Для капиллярно-пористых материалов S-образные изотермы сорбции и десорбции сначала в области малых значений ( ) обращены выпуклостью к оси абсцисс. Это соответствует мономолекулярной адсорбции. При реальной сушке материала влага, связанная мономолекулярной адсорбцией, не удаляется. Затем выпуклость кривой обращена к оси ординат ( ). На этом участке происходит полимолекулярная адсорбция. В дальнейшем изотерма плавно переходит к пологой кривой, наклоненной к оси абсцисс. Это соответствует переходу к осмотически и капиллярно-связанной влаге. На пологом участке происходит поглощение воды макрокапиллярами при непосредственном соприкосновении материала с водой. Равновесное влагосодержание, которое соответствует максимальной степени насыщения воздуха парами воды ( ) называется гигроскопическим влагосодержанием. С повышением температуры значение гигроскопического влагосодержания уменьшается.

Гигроскопическое состояние пищевых продуктов охватывает значительный диапазон влажности и на удаление этой влаги приходится значительная часть времени сушки, т.к. в этот период удаляется наиболее прочно связанная влага. Значение гигроскопического влагосодержания приведено в таблице 1.

 Таблица 1 – Гигроскопическое влагосодержание для плодов и овощей

На основании экспериментальных данных выведены зависимости для определения равновесного влагосодержания некоторых продуктов.
Для круп и бобовых при производстве пищеконцентратов равновесное влагосодержание определяется по уравнению (2):

(2)

где: и – константы круп и бобовых до и после гидротермической обработки. Значение констант приведено в таблице 2.
Уравнение (2) действует в пределах относительной влажности воздуха от 20 до 70 % при температурах воздуха от 10 до 90°С.

Таблица 2 – Значения констант для круп и бобовых

Наименование продуктов	Значения	Значения
Крупа гречневая	1,10	0,007
Крупа пшеничная	1,05	0,006
Крупа перловая	1,15	0,008
Горох плющеный	0,93	0,007
Крупа рисовая	1,22	0,0065
Крупа пшено	1,17	0,0055

Для картофеля равновесное влагосодержание определяется по уравнению (3):

(3)

Равновесное влагосодержание для овощных порошков распылительной сушки определяется по формуле (4):

(4)

Значения коэффициентов и для порошков приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Значения коэффициентов   и для порошков

Наименование продуктов	Значение коэффициентов
Шпинат	1,2	0,0354
Зеленый горошек	1,4	0,0347
Кабачки	1,05	0,056

Основные компоненты плодов и овощей – сахароза, крахмал, пектин и клетчатка оказывают различное влияние на связь влаги с материалом. Величина равновесного влагосодержания при одинаковой относительной влажности и температуре воздуха наибольшая у пектина (а, следовательно, наибольшая и энергия связи), несколько меньшая у крахмала и самая меньшая у сахарозы. Поэтому влага наиболее прочно связывается пектином, затем крахмалом, клетчаткой и сахарозой. Содержание этих компонентов в растительных материалах оказывает существенное влияние на продолжительность процесса сушки. 

Материал подготовлен по: "Технология сушки: Учебно-методический комплекс", Киселева Т.Ф. - /Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2007. - 117 с.