Wpływ temperatury i wilgotności na wartość ciepła właściwego

ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2012 z. 571: 99–106
WPŁYW TEMPERATURY I WILGOTNOŚCI
NA WARTOŚĆ CIEPŁA WŁAŚCIWEGO PIECZAREK
Małgorzata Serowik
Instytut Inżynierii Rolniczej
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Wstęp
Prawidłowe kierowanie przebiegiem procesu suszenia wymaga znajomości nie tylko jego ogólnych parametrów, ale także wielu właściwości fizycznych
i chemicznych, charakteryzujących suszony surowiec. Ciepło właściwe jest jednym z bardzo istotnych parametrów wpływających na proces suszenia żywności
[SHRIVASTAVA i DATTA 1999]. Badania właściwości termofizycznych produktów
rolniczych umożliwiają projektowanie urządzeń zapewniających optymalną obróbkę cieplną. Zainteresowanie zakresem zmienności różnorodnych cech materiałów biologicznych wynika z faktu coraz szerszego stosowania numerycznych
metod projektowania oraz sterowania procesami technologicznymi [SHRIVASTAVA
i DATTA 1999]. Zróżnicowana budowa i skład produktów roślinnych powodują, że
ciepło właściwe jest funkcją wielu czynników, głównie wilgotności, temperatury
oraz m.in. przemian fazowych składników i składu fazy stałej [HWANG i in. 1999].
Oprócz wilgotności istotny wpływ na wartość ciepła właściwego ma temperatura
produktu. Z tego względu analiza wpływu temperatury na wartość ciepła właściwego suszonego surowca jest bardzo uzasadniona. Do wyznaczania ciepła właściwego bardzo użyteczna jest metoda kalorymetrii skaningowej (DSC) [KARDAS
i GROCHOWSKA-NIEDWOROK 2009]. DSC jest uniwersalną, często wykorzystywaną
techniką analityczną do śledzenia przemian zachodzących m.in. w materiale biologicznym. Analizie poddano pieczarki, ponieważ liczne badania naukowe wskazują, że stanowią one cenne źródło związków biologicznie aktywnych [KALBARCZYK
2003; RAJEWSKA i BAŁASIŃSKA 2004]. Gatunek ten jest powszechnie dostępny na
rynku i ma obecnie duże znaczenie gospodarcze.
Celem niniejszych badań było wyznaczenie i charakterystyka ciepła właściwego pieczarek w zależności od ich wilgotności i temperatury.
Materiał i metody
Przedmiotem badań były pieczarki uprawne, dwuzarodnikowe, odmiany kremowej (Agaricus bisporus). Plastry pieczarek o jednakowej grubości 5 mm zamrożono
100
M. Serowik
w komorze zamrażalniczej z szybkością 1°C·min–1 do temperatury −40°C, a następnie suszono sublimacyjnie. Podczas suszenia temperatura płyty grzejnej wynosiła
30°C, a ciśnienie w komorze suszenia utrzymywano na poziomie 25 Pa. Proces suszenia prowadzono przez 24 h, końcowa wilgotność plastrów wynosiła około 7%.
Wysuszony materiał poddawano nawilżeniu celem uzyskania założonego przedziału
wilgotności (7,5–91,0%). Wysuszone plastry pieczarek umieszczano na sicie, nad
taflą nasyconego roztworu NaCl, w szczelnie zamkniętym pojemniku. Pojemnik termostatowano w 20 ±2°C. W określonych odstępach czasowych pobierano próbkę do
analizy oraz oznaczano zawartość suchej masy. Próbki do badań eksperymentalnych
pobierano z części kapeluszowej ze względu na jednolitość struktury komórkowej.
Badania ciepła właściwego pieczarek przeprowadzono metodą różnicowej kalorymetrii skaningowej DSC. Pomiary wykonano za pomocą zestawu firmy Mettler
Toledo DSC 821 w przedziale temperatury od 0 do 80°C, przy prędkości skanowania 5°C·min–1. Do obliczeń przyjęto średnie wartości ciepła właściwego próbki
o takiej samej wilgotności, wyznaczone z czterech powtórzeń. Wyniki badań poddano analizie metodami statystyki matematycznej, wykorzystując w szczególności
analizę regresji.
Wyniki i dyskusja
Wyniki analizy pomiarów zależności ciepła właściwego pieczarek od ich temperatury i od zróżnicowanych wartości wilgotności przedstawia rysunek 1.
Położenie punktów obrazujących wyniki pomiarów wskazuje na istnienie
prostoliniowych zależności ciepła właściwego pieczarek w każdej z badanych
Cp (kJ·kg−1 ·°C−1)
4,20
7,5%
11,8%
13,5%
19,6%
3,62
24,0%
45,0%
51,5%
53,5%
3,03
59,2%
71,6%
77,9%
2,45
78,8%
91,0%
1,86
0
Rys. 1.
Fig. 1.
20
40
60
80
t (°C)
Zależność ciepła właściwego pieczarek od temperatury przy różnej wilgotności
The dependence of specific heat mushrooms on temperature for different moisture
WPŁYW TEMPERATURY I WILGOTNOŚCI NA WARTOŚĆ CIEPŁA WŁAŚCIWEGO... 101
wilgotności. Wraz ze wzrostem zawartości wody w materiale wzrasta wartość ciepła właściwego pieczarek i osiąga maksymalną wartość Cp = 4,18 kJ·kg–1·°C–1 dla
surowca świeżego o wilgotności 91%. STROSHINE [1998] podaje, że ciepło właściwe grzybów o wilgotności 90% wynosi 3,94 kJ·kg–1·°C–1. Wysoki wynik wartości
ciepła właściwego uzyskany w badaniach własnych mógł być spowodowany niedostateczną precyzją pomiarów, przy czym błąd metody DSC wynosi ±4%.
W tabeli 1 zestawiono wartości parametrów równania regresji, charakteryzującego przebieg badanych zależności, oraz odpowiadające wartości współczynnika
determinacji R2.
Tabela 1; Table 1
Zależność ciepła właściwego od temperatury dla różnej wilgotności
The dependence of specific heat on temperature for different moisture contents
Lp.
No
Wilgotność
Moisture (%)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
7,5
11,8
13,5
19,6
24,0
45,0
51,5
53,5
59,2
71,6
77,9
78,8
91,0
Cp = a · t + b (kJ·kg–1·°C—1)
a
b
0,0025
0,0035
0,0036
0,0029
0,0032
0,0031
0,0025
0,0020
0,0010
0,0008
0,0013
0,0018
0,0005
1,8907
1,9276
2,0009
2,1460
2,2780
2,6969
2,9562
3,0989
3,3100
3,8218
3,8439
3,900
4,1364
Współczynnik
determinacji, R2
Determination
coefficient, R2
0,8727
0,9700
0,9957
0,9594
0,9823
0,9858
0,9783
0,8424
1,0000
0,9814
0,9895
0,9837
0,9603
Rysunek 2 przedstawia wyznaczone wartości ciepła właściwego pieczarek
o wilgotności w przedziale od 7,5 do 91,0% dla temperatury: 10, 20, 30, 50, 70°C.
Zaobserwowano duży wzrost ciepła właściwego wraz ze wzrostem wilgotności
pieczarek. Ciepło właściwe rośnie ze wzrostem temperatury, jednakże zmiany te
są nieznaczne i stają się zauważalne dopiero w zakresie wilgotności poniżej 50%.
Omawiane zależności dają się dość dobrze opisać funkcjami liniowymi. Komórki
grzybów wykazują wiele cech strukturalnych i biochemicznych, odróżniających je
od komórek roślinnych. Celem porównania dokonano zestawienia wyników uzyskanych w badaniach własnych z wynikami badań czosnku pospolitego i selera
korzeniowego, jak również dokonano porównania z wartościami wyliczonymi na
podstawie wybranych wzorów literaturowych [RIEDEL 1966; GINZBURG i GROMOV
1987].
Na rysunku 3 przedstawiono zależność ciepła właściwego pieczarek, czosnku
[KRAMKOWSKI i in. 2001], selera [GAWLIK i in. 2001] od ich wilgotności. Do porównania wybrano wartości ciepła właściwego wyznaczone w temperaturze 20°C.
Porównanie dotyczy wilgotności materiału powyżej 15%.
102
M. Serowik
Cp (kJ·kg−1·°C−1)
4,20
3,75
t = 10°C
t = 20°C
3,30
t = 30°C
t = 50°C
2,85
t = 70°C
2,40
1,95
7
Rys. 2.
Fig. 2.
28
49
70
91 W (%)
Ciepło właściwe pieczarek w zależności od ich wilgotności dla różnej wartości
temperatury
Specific heat of mushrooms depending on their moisture content for different
temperatures
Cp (kJ·kg−1·°C−1)
4,20
3,71
3,22
pieczarki
mushrooms
czosnek
garlic
2,73
seler
celery
2,24
t=20 °C
1,75
15
Rys. 3.
Fig. 3.
34
53
72
91 W (%)
Zależność ciepła właściwego od wilgotności wybranych materiałów biologicznych (pieczarki, czosnek, seler)
The relation between specific heat and moisture content of selected biological
materials (mushrooms, garlic, celery)
Położenie punktów pomiarowych wskazuje prostoliniową zależność ciepła
właściwego od wilgotności w przypadku każdego z badanych materiałów. W tabeli 2 zestawiono równania regresji, charakteryzujące przebieg zależności Cp od wilgotności pieczarek, czosnku i selera.
WPŁYW TEMPERATURY I WILGOTNOŚCI NA WARTOŚĆ CIEPŁA WŁAŚCIWEGO... 103
Tabela 2; Table 2
Zależność ciepła właściwego pieczarek, czosnku, selera od ich wilgotności
w temperaturze 20°C
The relation between specific heat of mushrooms, garlic, celery and their moisture content
at temperature 20°C
a
b
Współczynnik
determinacji, R2
Determination
coefficient, R2
Pieczarki; Mushrooms
0,0290
1,5979
0,9846
Czosnek; Garlic
0,0275
1,6696
0,9841
Seler; Celery
0,0296
1,3016
0,9779
Cp = a · W + b (kJ·kg–1·°C–1)
Materiał
Material
Wartości ciepła właściwego analizowanych warzyw, w zależności od wilgotności, w takich samych warunkach eksperymentu są nieznacznie różne. Ciepło
właściwe pieczarek i czosnku przyjmuje nieco większe wartości niż selera. Uzasadnieniem może być różnica w budowie i składzie chemicznym omawianych surowców roślinnych. Dokonana analiza wyników badań wskazuje na złożony charakter zmian Cp pieczarek, czosnku i selera w funkcji wilgotności.
Na rysunku 4 przedstawiono średnie wartości ciepła właściwego wyznaczone w prezentowanych badaniach oraz obliczone według wzoru RIEDLA [1966]:
Cp = 1,675 + 0,025W, a także równania GINZBURGA i GROMOVA [1987]:
Cp = 1,401 + 0,02786W. Oba równania opisują uogólnioną zależność ciepła właści-
Cp (kJ·kg−1·°C−1)
4,20
badania własne
own studies
wg Riedla
by Riedel
wg Ginzburga i Gromova
by Ginzburg and Gromov
3,66
3,12
2,58
2,04
t = 20°C
1,50
7
Rys. 4.
Fig. 4.
28
49
70
91 W (%)
Zależność ciepła właściwego od wilgotności pieczarek według danych literaturowych i wyników badań własnych
The relation between specific heat and the moisture content of cultivated mushrooms according to literature data and the results of the authors’ studies
104
M. Serowik
wego w funkcji wilgotności warzyw korzeniowych. Do porównania wybrano wartości ciepła właściwego w temperaturze 20°C.
Uzyskane w badaniach własnych wartości ciepła właściwego są nieco większe niż wartości wyliczone ze wzorów Riedla oraz Ginzburga i Gromova. Nieznaczna rozbieżność może być związana zarówno z precyzją pomiarów, jak i charakterystyczną, odmienną budową komórkową grzybów w porównaniu ze strukturą
komórek roślinnych.
Wnioski
1.
2.
3.
4.
Wartość ciepła właściwego pieczarek rośnie znacząco wraz ze wzrostem wilgotności i nieznacznie ze wzrostem temperatury materiału.
Zależność ciepła właściwego pieczarek od ich temperatury oraz przebieg zależności ciepła właściwego od wilgotności badanego materiału można opisać
funkcjami liniowymi.
Wartości ciepła właściwego pieczarek wyznaczone w badaniach własnych są
nieznacznie większe w porównaniu z wynikami uzyskanymi przez innych autorów dla czosnku i selera. We wszystkich eksperymentach uzyskano liniowe
zależności ciepła właściwego od wilgotności materiału.
Wyznaczone wartości ciepła właściwego według wzorów Riedla, Ginzburga
i Gromova są nieco mniejsze niż uzyskane w badaniach własnych.
Literatura
GAWLIK P., KRAMKOWSKI R., PEROŃ S., BANASIK K. 2001. Ciepło właściwe selera
korzeniowego w funkcji jego wilgotności. Inżynieria Rolnicza 12 (32): 83–88.
GINZBURG A.S., GROMOV M.A. 1987. Teplofiziczjeskije charakteristiki kartofela,
owoscej i plodov. V O Agropromizdat, Moskva.
HWANG C.H., HELDMAN D.R., TAYLOR T.A., CAO R.R. 1999. Changes in Specific
Heat of Corn Starch Due to Gelatinization. Journal of Food Science 64, 1: 141–149.
KALBARCZYK J. 2003. Impact of freeze on the contents of biologically active substances in the fruiting bodies of selected edible mushrooms species. Acta Agrophysica 2 (2): 321–330.
KARDAS M., GROCHOWSKA-NIEDWOROK E. 2009. Różnicowa kalorymetria skaningowa jako metoda termoanalityczna stosowana w farmacji i analizie żywności. Bromat. Chem. Toksykol. XLII 2: 224–230.
KRAMKOWSKI R., KAMIŃSKI E., SEROWIK M. 2001. Effect of moisture and temperature of garlic on its specific heat. Electronic Journal of Polish Agricultural Universities, Food Science and Technology 4, 2.
RAJEWSKA J., BAŁASIŃSKA B. 2004. Związki biologicznie aktywne zawarte w grzybach jadalnych i ich korzystny wpływ na zdrowie. Postępy Hig. Med. Dośw. 58: 352–
–357.
WPŁYW TEMPERATURY I WILGOTNOŚCI NA WARTOŚĆ CIEPŁA WŁAŚCIWEGO... 105
RIEDEL L. 1966. Versuche zur Bestimmung der Spezifischen Warme des gebunden
Wassers. Kaltetechnik – Klimatisierung 18: 193–199.
SHRIVASTAVA M., DATTA A.K. 1999. Determination of specific heat and thermal conductivity of mushrooms (Pleurotus florida). Journal of Food Engineering 39: 255–
–260.
STROSHINE R. 1998. Physical properties of agricultural materials and food products.
Purdue University, West Lafayette, IN.
Słowa kluczowe:
pieczarki, ciepło właściwe, kalorymetria skaningowa DSC,
suszenie sublimacyjne
Streszczenie
W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące zmian ciepła właściwego pieczarek dwuzarodnikowych (Agaricus bisporus) w funkcji wilgotności oraz
temperatury. Do wyznaczenia ciepła właściwego pieczarek wykorzystano metodę
różnicowej kalorymetrii skaningowej DSC. Pomiary przeprowadzono w zakresie
wilgotności materiału od 7,5 do 91,0% i przedziale temperatury od 0 do 80°C.
Uzyskane zależności opisano funkcjami liniowymi. Celem porównania zestawiono
dane dotyczące zmiany ciepła właściwego pieczarek z wynikami analiz wykonanych dla czosnku pospolitego (Allium sativum) [KRAMKOWSKI i in. 2001] i selera
korzeniowego (odmiana Makar) [GAWLIK i in. 2001]. Dokonano również porównania wyników uzyskanych w badaniach własnych z wynikami wyliczonymi z wzorów literaturowych [RIEDEL 1966; GINZBURG i GROMOV 1987].
EFFECT OF TEMPERATURE AND MOISTURE CONTENT
ON MUSHROOMS SPECIFIC HEAT
Małgorzata Serowik
Institute of Agricultural Engineering
Wroclaw University of Environmental and Sciences
Key words:
mushrooms, specific heat, scanning calorimetry, DSC, freeze-drying
Summary
The paper presents the results of studies on the relationship between the specific heat of bisporous mushrooms (Agaricus bisporus), its moisture content and
temperature. The method of differential scanning calorimetry DSC was used to determine the specific heat of mushrooms. The measurements were performed for
106
M. Serowik
moisture contents ranging from 7.5 to 91.0% and in the temperature range from 0 to
80°C. The obtained relations were presented as linear functions. The data concerning changes of specific heat of mushrooms were compared with the results of analysis performed on common garlic (Allium sativum) [KRAMKOWSKI et al. 2001], and
rooted celery (Makar cv.) [GAWLIK et al. 2001]. Besides, a comparison of results
obtained in the authors’ studies with the results calculated on the basis of literature
formulas was made [RIEDEL 1966; GINZBURG and GROMOV 1987].
Mgr inż. Małgorzata Serowik
Uniwersytet Przyrodniczy
Instytut Inżynierii Rolniczej
ul. Chełmońskiego 37/41
51-630 WROCŁAW
e-mail: [email protected]