Kutatások már régóta folynak abban az irányban, hogy a természet bőkezű ajándékait, a zöldségeket, gyümölcsöket úgy tudjuk tartósítani, hogy megőrizzék eredeti jellemzőiket a téli, hideg hónapokra is. Ma, a 21. században az előállított zöldség– és gyümölcsszárítmányokkal kapcsolatban olyan követelményeket támasztanak, hogy mikrobálisan, és fizikai, kémiai, mechanikai paramétereik szempontjából stabilak, illetve tárolási, csomagolási, szállítási tulajdonságaik kiválóak legyenek. Mindezek mellett magas beltartalmi jellemzőkkel rendelkezzenek, melyek alkalmasak funkcionális táplálékok és táplálék-kiegészítők előállítására. Az előbb felsorolt tartósítással kapcsolatos igények kielégítésére csak néhány szárítási eljárás megfelelő, jelenlegi ismereteink szerint a legkíméletesebb vízelvonási módszer a vákuum-fagyasztva szárítás.

A liofilezett termékek jobb minősége oda vezethető vissza, hogy a liofilezéskor alkalmazott hőmérsékletek jóval kisebbek, mint hagyományos szárításkor, másrészt arra, hogy a hagyományosan szárított termékekre jellemző denaturálódási folyamatok nem következnek be. Liofilezéskor belső diffúzió nem következik be, mert a szublimáció a felületen megindulva fokozatosan mélyebben fekvő rétegekre terjed ki, a jég közvetlenül gőzzé alakul.

A zöldség- és gyümölcsszárítás tehát nemcsak vízelvonó, hanem értékmegőrző folyamat is egyben. Ez akkor valósítható meg, ha olyan szárítási paramétereket alkalmaznak, amelyekkel elérhető, hogy a szárított anyag minőségi értéke, úgymint a beltartalma, a visszanedvesíthetősége, a struktúrája, és a felületi szilárdsága ne, vagy csak kis mértékben változzon.

 

A fagyasztva szárítás fogalma és története

Beke (2002) a következő módon határozta meg a fagyasztva szárítás vagy más néven liofilizálás fogalmát: „A liofilezés a fagyasztás-szárítás együttes alkalmazása. Korszerű tartósító eljárás, melynek lényege, hogy a tartósítandó anyag víz-jég tartalmát szublimációval eltávolítják. Ez a jelenleg alkalmazott legkíméletesebb szárítás.”

A liofilizálás a második világháború óta elsősorban gyógyszergyártásban terjedt el. Hazánkban vakcina és szérum előállítására először Szakmáry alkalmazta ezt az eljárást a Phylaxia Oltóanyag- és Tápszertermelő Vállalatnál. Az eljárás az 1950-es évek közepétől külföldön élelmiszerek tartósítására is kezdett teret hódítani. Almási munkatársaival 1962-ben saját konstrukciójú készüléken kezdte meg kísérleti méretekben a liofilezés alkalmazását élelmiszerek tartósítására. 1966-ban Almási és Beke munkatársaikkal bevezették a kávéoldat ipari méretű liofilezését (Lio kávé) (Almási, 1977).

 

A fagyasztva szárítás elve

Fagyasztva szárítás folyamata három részműveletre bontható: 

- a termék előfagyasztása -20 °C hőmérsékletre,

- szublimációs szárítás,

- utószárítás.

A folyamat elve (a részműveletek során bekövetkező állapotváltozások a víz fázisdiagramja alapján) az 1. ábra segítségével követhető nyomon. Az előfagyasztás során a termék nedvességtartalmának nagy részét mélyhűtéssel kifagyasztjuk (A-B szakasz). Ezután az anyag egy vákuumkamrába kerül, ahol a nyomást a hármasponti határérték (H) – 6,11 mbar (611 Pa) – alá, pü= 0,5-1 mbar (50-100 Pa) értékre csökkentjük (B-C szakasz). A szublimációs szárítás során a termék hőmérsékletének növelésével a jégkristályokat elpárologtatjuk (C-D szakasz). Az utószárítás feladata a mélyhűtés során ki nem fagyott folyadék elpárologtatása, amely általában a szublimációval egy időben megy végbe, a termék azon részén, amelynél a szublimációs szárítás már megtörtént (Várszegi, 1995).


 

1. ábra. A fagyasztva szárítás elve

(Forrás: Várszegi, 1995)

 

Üzemi méretekben történő zöldség- és gyümölcsszárítás

Magyarországon jelenleg csak kutatást végeznek funkcionális preventív, terápiás táplálékok és táplálék-kiegészítők előállítására, zöldség és gyümölcs alapanyagokból (paradicsom, brokkoli, karfiol, sárgarépa, pritamin paprika, szőlő, ananász, narancs, alma). Bár van arra is eset a hazánkban, hogy vákuum-fagyasztva szárítással állítanak elő gombaszárítmányokat, illetve kávéporokat.

A szublimációs szárító működéséhez két műszaki berendezés egyidejű alkalmazása szükséges. Az egyik, a lég-turbóhűtőgép, melynek lényege, hogy atmoszférikus levegővel mínusz 50-130 °C hőmérsékletig terjedő tartományba eső hűtési igényt tud kielégíteni, a másik a szublimációs berendezés, mely a vákuumban történő víztelenítést segíti elő.

A hűtési folyamatban – a jelenleg használatos technológiákkal ellentétben – semmiféle vegyi anyag nem vesz részt, így környezetkímélőbb, és üzemeltetése is gazdaságosabb. A berendezés működési elvéből adódóan a hűtési folyamat során kihagy egy más hűtőberendezéseknél a vegyszeres hűtőközeg elpárologtatásához, illetve sűrítéséhez szükséges fázist. A hagyományos kompresszoros hűtőberendezésekkel mínusz 55 °C-nál alacsonyabb hőmérséklet sem állítható elő, míg a kifejlesztésre került technológiával mínusz 130 °C is elérhető. A berendezés működése során a gépből kilépő 100-120 °C forró levegő hasznosítható energia-előállításra (a szárítókamra fűtése), így energetikailag zárt rendszer létrehozása lehetséges.

A szárítót egy hétfokozatú, axiális kompresszor, turbó-expanziós axiális hűtőgép, két regeneráló egység, háromszelepes hidraulikus meghajtású kamra, sokszorozó, valamint villanymotor alkotja.

A lég-turbóhűtő gép alapvető kedvező tulajdonságai a következők:

- hideg hűtőközegként, és a hordozó közegként atmoszferikus levegőt használ, aminek következtében a gép használata egyszerű és veszélytelen,

- nincs szükség vízre a hideg-ágens hűtéséhez,

- a hideg levegővel létrejött közvetlen kapcsolat révén hozza létre a hűtési folyamatot a különböző egységeken,

- gyorsan eléri a tervezett nominális üzemi paraméter-értékeket.

A rendszer másik, fontos része a szublimációs berendezés. A berendezés két, egyenként 160 kg anyag befogadására alkalmas kamrából áll, amelyekben a szublimátor és a kondenzátor ágán elhelyezésre kerül a turbó-hűtőgép, a vezérlő és ellenőrző rendszer, a hűtőközeg továbbító rendszer és a vákuum kamrák rendszere. A vezérlés és ellenőrzés folyamata az LCD panelen figyelemmel kísérhető, a program módosítása érintésérzékeny kapcsolókkal történik, ezek mellett a szoftver tartalmaz automata üzemmódot is. A szublimátor és a kondenzátor munkaterének felmelegítése a szárítási folyamatban többlet energia betáplálása nélkül történik, a hűtőgép kompresszorában összenyomott levegő hőjének felhasználásával.

A 2. ábrán látható a liofilizáló berendezés fő részei, a szublimációs szárító és a lég-turbóhűtőgép.


 

 

2. ábra. Üzemi méretű liofilizáló kísérleti berendezés a részegységeivel együtt

(Forrás: saját felvétel)

 

A szárítási folyamat három fázisban valósul meg: az első, kezdetben a termék gyorsan lefagy az alacsony hőmérsékletre. Ennek során a benne lévő víztartalom jégkristályokká alakul. A második fázis a vákuumban történő víztelenítés: a kristályos víztartalom eltávozik a szublimáció következtében (kb. 40 °C hőmérséklet hatására vízgőzzé alakul). Ebben a lépésben a víztartalom 80 - 90 %-a eltávozik. A harmadik fázis a deszorpció, ahol a maradék víz nagy részét távolítjuk el (Antal et al., 2009).

 

A vizsgálatok eredményei

Az üzemi vizsgálatok eredményeiből megállapítottuk, hogy az üzemi szublimációs szárító a szárítmány szinte minden beltartalmi összetevőjét tekintve nagyobb mennyiséget őrzött meg a hagyományos módszerrel szárított (konvektív) mintákhoz viszonyítja. Ennek oka, hogy gyors terméklefagyasztás történt (lég-turbóhűtőgép által), ami hozzájárult ahhoz, hogy a mikro jégkristályok nem vagy csak kis mértékben szakították át a sejtfalakat, így a szárítás következtében szublimáló vízgőz kis mennyiségű oldott állapotú beltartalmi anyagot vitt magával a szárítmány külső felülete felé. Ezek mellett az alacsonyabb szárítási sebesség is hozzájárult a sejtfalak viszonylagos stabil állapotához.

A terményszilárdsági mérésekkel kimutattuk, hogy az üzemben dehidrált minták felülete rugalmasabb, puhább volt, mint a konvektív eljárással szárított minták felülete. Ennek oka, hogy a hagyományos eljárásnál a víz a termék felületéről párolgással távozik el a szárítás alatt, és a párolgó víz utánpótlása a belső rétegekből diffúzióval történik. A belső részekből a felület felé diffundáló víz mozgása során oldott anyagokat visz magával, amelyek a felületen a víz elpárolgása után visszamaradnak, koncentrálódnak és kemény réteget képeznek. Liofilezéskor a belső diffúzió nem következik be, mert a szublimáció a felületen megindulva fokozatosan a mélyebben fekvő rétegekre terjed ki, a jég pedig közvetlenül gőzzé alakul, nincs folyékony fázis.

Megállapítottuk, hogy a fagyasztva szárított anyagok a visszanedvesedéskor közel eredeti víztartalmukra állnak be, megtartják eredeti alakjukat és méretüket is. Ennek oka a liofilizált termékek lyukacsos, szivacsos szerkezete (a sejtfal rugalmassága), mely gyors nedvességfelvételre és helyreállításra képes. A rehidrációs vizsgálatokkal kimutattuk, hogy a fagyasztva szárított anyagok nagy része a nedvesítés után puhábbnak bizonyult a nyersanyaghoz képest. A konvekciósan szárított minták a visszanedvesedési folyamat végén továbbra is megtartották kemény, szilárd felületüket, így nem voltak képesek helyreállítani az eredeti formájukat és nedvességtartalmukat.

Visszanedvesedéskor a nagy porozitás biztosította, hogy az anyagok eredeti tulajdonságaikat gyorsan visszanyerték. Természetesen a gyors visszaduzzadás lehetőségét adó nagy felület, a porózus szerkezet növeli az oxidációs veszélyt, ami miatt semleges gáztérben (vízgőzzáró) történő csomagolás szükséges a bomlásra hajlamos szín- és ízanyagokat tartalmazó liofilizált szárítmányok esetében.

A szerkezeti struktúra vizsgálatából kimutattuk, hogy a vákuum-fagyasztva szárított metszetek sejtfalai roncsolódtak a vízelvonás alatt, enyhe kimenetelű károsodás jelentkezett, a sejtfalak elvékonyodtak, néhány elvált egymástól és szabálytalan alakot vett fel az eredeti (nyers) állapothoz képest. Zsugorodást viszont nem tapasztaltunk, mivel a jégkristályok megakadályozták a méretcsökkenés kialakulását. A hagyományos módszerrel szárított mintáknál a cellák összezsugorodtak, a sejtfalak elvékonyodtak, elváltak egymástól és torzuláson mentek keresztül, ami rehidrásnál sem állt helyre. A méréseinkből ezen kívül megállapítható, hogy a liofilizálás energiafogyasztása (1 kg víz elpárologtatásához szükséges energiafelhasználás) 3,7-9,4-szerese a meleglevegős szárítási eljárás energiafelhasználásának. Az ipari alkalmazás ezért elsősorban olyan élelmiszerek tartósítására korlátozódik, amelyeknél a kiindulási nyersanyag magas ára folytán a drága tartósítási költségei a végtermék árában százalékosan csak kis részt tesznek ki.

Összegezve elmondható, hogy az üzemi kísérletek bizonyították, hogy a szublimációs szárító alkalmas táplálék-kiegészítők, funkcionális preventív táplálékok alapanyagainak gyártására, viszont törekedni kell, hogy ne húzódjon el a szárítási idő, hiszen jóval rövidebb idő alatt is dehidrálható a szárított anyag. Ezen kívül azzal is csökkenthető az üzemeltetési költség, ha a lég-turbóhűtő berendezést temperált helyen helyezzük el, illetve ezáltal elkerülhetjük, hogy a vákuumszivattyú működéséhez szükséges hűtőközeget (olaj) előmelegítsük.

 

Felhasznált irodalom

Almási, E.: 1977. Fagyasztva szárítás (liofilezés). [In: Almási, E. (szerk.) Élelmiszerek gyorsfagyasztása.] Mezőgazdasági Kiadó, Budapest, 230-232.

Antal, T. – Kerekes, B. – Sinóros-Szabó, B.: 2009. Plant tests of Freeze drying equipment and operating experiences. Hungarian Agricultural Research. 18. 2-3. 17-20.

Beke, J.: 2002. Liofilezés (fagyasztva szárítás). [In: Beke, Gy. (szerk.) Hűtőipari Kézikönyv. Alapismeretek.] Mezőgazda Kiadó, Budapest, 52-54.

Várszergi, T.: 1995. Fagyasztva szárítás (liofilezés). [In: Fábry, Gy. (szerk.) Élelmiszer-ipari eljárások és berendezések.] Mezőgazda Kiadó, Budapest, 601-607.

 

Antal Tamás

főiskolai adjunktus

NYF-MMK

 

 

(Jelen szakmai anyag teljességében /az itt kimaradó ábrákkal/ megtalálható a 2010/1-es Őstermelő- Gazdálkodók  Lapjában- a  szerk.)