Stan badań z zakresu właściwości fizycznych surowców
advertisement
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego AGROINŻYNIERIA GOSPODARCE Ekspertyza Stan badań z zakresu właściwości fizycznych surowców roślinnych w aspekcie ich przetwarzania Prof. dr hab. Józef Horabik Instytut Agrofizyki im. B. Dobrzańskiego Polskiej Akademii Nauk Lublin, 2011 Publikacja dostępna w serwisie: www.agengpol.pl Dynamicznie rozwijające się rolnictwo, przemysł przetwórczy, technologia żywności, a w ostatnich latach również energetyka odnawialna oparta na biomasie, wymaga precyzyjnego opisu parametrów materiałowych przetwarzanych materiałów rolniczych. Jest to niezbędne do uzyskiwania półproduktów i produktów coraz wyższej jakości przy ograniczonych nakładach energetycznych. Racjonalne zasady projektowania oraz użytkowania systemów technicznych stosowanych w nowoczesnej produkcji rolniczej i przetwórstwie żywności bazują coraz szerzej na precyzyjnych informacjach o właściwościach poddawanego obróbce materiału roślinnego. Grupę bardzo istotnych właściwości materiałowych stanowią właściwości fizyczne. Właściwości fizyczne określane są jako niezależna od obserwatora, mierzalna i wyrażana ilościowo charakterystyka opisywanego materiału definiująca stan materiału bez wskazywania w jaki sposób stan ten został osiągnięty. W przypadku materiałów roślinnych oraz płodów rolnych właściwości fizyczne opisują unikalne reakcje na materiału na fizyczne wymuszenia np. w procesach mechanicznych, cieplnych czy elektrycznych. Wiedza o fizycznych właściwościach jest podstawą projektowania urządzeń do obróbki, składowania, przetwarzania. Stanowi podstawową wiedzę niezbędną do modelowania zachowania się materiałów oraz ich jakości w okresie poprzedzającym zbiór, w okresie zbioru oraz obróbce pozbiorowej. Metody te wykorzystywane są coraz częściej do pomiaru charakterystyk materiałowych oraz monitoringu, modelowania i projektowania komputerowego przebiegu procesów, zarządzania bazami danych parametrów środowiska przyrodniczego oraz tworzenia modeli prognostycznych. Wyspecjalizowane metody modelowania komputerowego i prognozowania przebiegu procesów istotnych dla środowiska przyrodniczego oraz procesów przetwórczych istotnie wspomagają podejmowanie decyzji. Właściwości fizyczne zależą od wielu czynników takich jak wilgotność, miejsce uprawy, rok uprawy, czy odmiana. Ponadto większość właściwości fizycznych ulega zmianie podczas procesów, do opisu których są stosowane. Morfologiczny i fizyczny stan materiałów pochodzenia roślinnego decyduje o doborze właściwych parametrów wielu procesów technologicznych. Szczegółowy opis tego stanu pomaga przy modelowaniu procesów roboczych, a w dalszej kolejności przy ich optymalizacji. Właściwości fizyczne płodów rolnych to cechy typowe, charakterystyczne dla danego gatunku. Ponieważ obiekty nauk rolniczych (surowce, produkty, przetwory) znacznie odbiegają swoją specyfiką od tych, którymi zajmują się fizyka i chemia metody pomiaru właściwości fizycznych materiału roślinnego nie mogą być przenoszone wprost z fizyki, materiałoznawstwa technicznego i wytrzymałości materiałów konstrukcyjnych. Ograniczenie to stawia przed badaczami trudne wymagania dostosowania metod przejętych z innych dziedzin nauki bądź opracowania własnych oryginalnych metod badawczych. Środowisko nauk rolniczych wypracowywało więc również własne narzędzia badań, dostosowane do specyfiki materiałów rolniczych. W tym obszarze dość duże osiągnięcia posiada metrologia agrofizyczna proponująca metody pomiarowe dostosowane do badanych obiektów bądź własne oryginalne rozwiązania metodyczne oraz aparaturowe (Rajchew i in., 2009; Skierucha, 2008; Zdunek i in., 2009). Do potrzeb badań gleby i materiałów pochodzenia roślinnego przystosowanych zostało cały szereg oryginalnych fizycznych metod pomiarowych do analiz. Można tu wymienić metody spektroskopowe, dostępne praktycznie w pełnym zakresie widma elektromagnetycznego – od termografii do rentgenografii i mikrotomografii, elektrometryczne – potencjometryczne, amperometryczne czy jonometryczne, spektroskopię dielektryczną, mechatronikę, analizę obrazu czy emisję akustyczną. Cenną zaletą bardzo wielu metod fizycznych jest to, iż są one niedestrukcyjne i zapewniają krótki czas analizy (Baranowski i in., 2009; Bieganowski i in., 2010; Skierucha i Wilczek, 2010; Zdunek i in., 2010). Niezwykle dynamiczny rozwój eksperymentalnych fizycznych metod badań sprawił, że pojawiły się zupełnie nowe, niedostępne jeszcze niedawno obszary badań podstawowych oraz stosowanych. Fizyczne metody badań dostarczają opisu procesów oraz właściwości fizycznych roślin i płodów rolnych podczas wegetacji, zbioru, transportu, przechowywania oraz przetwarzania. Pozwalają na opracowywanie innowacyjnych technologii uprawy, zbioru i przetwarzania. Z kolei rozwój badań teoretycznych (termodynamika, mechanika) i metod matematycznego modelowania (modele fizyczne, empiryczne, FEM, DEM, SSN) jaki dokonał się w ostatnich kilku dekadach sprawił, że symulowanie procesów produkcyjnych zmierzające do określenia wartości parametrów optymalnych dla danego procesu stało się dużo łatwiejsze. Symulacja taka musi jednak opierać się na wiarygodnych wynikach badań podstawowych niezbędnych do ich kalibracji oraz weryfikacji (Sykut i in., 2008; Usowicz i in., 2006). Jakość surowców rolniczych kształtowana jest na wszystkich etapach produkcji rolniczej, począwszy od warunków środowiskowych, poprzez właściwy dobór warunków uprawy, zbioru, składowania, obróbki, przetwarzania aż do produktu końcowego. Na wszystkich tych etapach niezbędna jest szeroka wiedza o właściwościach fizycznych środowiska, roślin, płodów rolnych, przetworów, produktu końcowego. Fizyczne właściwości dla hodowli i uprawy roślin Obecnie w dobie znacznego postępu biologicznego zwłaszcza w aspekcie dynamicznego rozwoju inżynierii genetycznej i biotechnologii bardzo istotna jest wiedza o właściwościach fizycznych materiałów roślinnych w ocenie przystosowania nowych odmian do warunków środowiska. Przykładowo strukturę ziarniaków zbóż można precyzyjnie opisać pod względem ich właściwości mechanicznych (fizyka) czy fizykochemicznych, lecz jest oczywistym, że u podstaw obserwowanej zmienności badanych parametrów fizycznych czy chemicznych leżą pierwotne zmiany natury genetycznej będące w określonej interakcji z czynnikami środowiskowymi. Stąd jednym z podstawowych wyzwań jest interdyscyplinarna interpretacja badanych oddziaływań zachodzących w środowisku przyrodniczym, a zwłaszcza w materiale roślinnym. W aspekcie interdyscyplinarnym, zarówno genetycy i hodowcy z jednej strony jak i agrofizycy z drugiej, dysponują obecnie nowoczesnym warsztatem badawczym, umożliwiającym wszechstronne opracowanie zmienności genetycznej cech oraz oddziaływań fizycznych i fizykochemicznych zachodzących w szeroko pojętym środowisku wzrostu i rozwoju roślin. Niezależnie od obu wspomnianych dyscyplin naukowych, aspekty genetyczno-hodowlane jak i fizyczne analizowane są w ścisłej zależności od układu gleba – roślina – atmosfera. Jest niewątpliwie interesującym w jakim stopniu prace genetyczno-hodowlane mogą przyczynić się do wyjaśnienia zjawisk fizycznych zachodzących w materiale roślinnym i na odwrót, w jakim stopniu procesy fizyczne mogą pomóc w interpretacji szeregu zjawisk natury genetycznej i hodowlanej (Rybiński W., Szot B, 2009). Inny przykład to proces pękania strąków i osypywania nasion, który ma ścisły związek z procesami natury fizycznej zachodzącymi w strąku w określonych warunkach środowiskowych, ale z drugiej strony zjawisko to jest uwarunkowane genetycznie i jest specyficzne dla gatunków, odmian czy rodów. Stąd wiedza o fizycznym aspekcie pękania strąków przy kumulacji określonych czynników klimatycznych (temperatura, opady, wilgotność powietrza itp.) jest niewątpliwie istotnym czynnikiem w pracach nad udoskonalaniem genetycznym roślin uprawnych. W pracach nad wyprowadzaniem nowych wysokoplennych odmian odpornych na stresy biotyczne i abiotyczne, zarówno genetycy jak i hodowcy koncentrują się na podstawowych cechach ilościowych i jakościowych roślin gwarantujących wysoką konkurencyjność marketingową nowych odmian. Nie dysponują natomiast precyzyjnym warsztatem umożliwiającym uzyskanie podstawowych informacji o np. właściwościach fizycznych (mechanicznych) łodyg czy źdźbeł w kontekście poprawienia odporności roślin na wyleganie czy wytrzymałości nasion na obciążenia mechaniczne, co znajduje później reperkusje w procesie zbioru materiałów roślinnych, przechowywania i obróbki technologicznej. Aby sprostać potrzebom współczesnej gospodarki wykorzystywane w produkcji odmiany roślin uprawnych winny umożliwiać uzyskanie surowca i produktu biologicznego, który musi odpowiadać określonym wymaganiom i standardom przy jednoczesnym ograniczeniu strat. Wiąże się to ściśle z postępem biologicznym, którego intensyfikację, zwłaszcza w ostatnich latach obserwuje się już w skali globalnej. Postęp hodowlany u roślin uprawnych można rozpatrywać w aspekcie poprawienia wskaźników jakości plonu – wyrażonych między innymi zwiększeniem zawartości białka, poprawę jego składu aminokwasowego, pozbawieniem czy istotnym obniżeniem substancji przeciwżywieniowych, a także polepszeniem elementów struktury plonu, skróceniem okresu wegetacji, zwiększoną odpornością roślin na wyleganie, suszę oraz atak szkodników czy chorób. Finalnym celem, do którego zmierza hodowla roślin jest zwiększenie plonu nasion i ulepszenie jego cech jakościowych (Święcicki, 1993). Elementem dotąd niedocenianym i mniej poznanym jest stopień odporności nasion na czynniki fizyczne, wyrażone ich właściwościami mechanicznymi, co z kolei wiąże się z ograniczeniem strat związanych ze zbiorem, transportem i przechowywaniem nasion. Metody instrumentalne oceny tekstury owoców i warzyw Szczególnie ważne dla przetwórstwa owoców i warzyw jest dysponowanie dobrymi i szybkimi metodami oceny ich jakości do dalszego przetwórstwa bądź bezpośredniej konsumpcji. Ważne też jest aby metody instrumentalne odpowiadały choć w części ocenie organoleptycznej, która ma jedną zasadniczą przewagę nad metodami instrumentalnymi – jest bardzo czuła na preferencje konsumentów. Obszerny przegląd instrumentalnych metod oceny tekstury owoców i warzyw przedstawił Zdunek (2008). Podkreśla on, że obecnie opracowuje się szereg metod instrumentalnych do oceny tekstury, w tym opartych głównie na pomiarze zależności siła-odkształcenie-czas i wielkości fizycznych z nich wynikających (Bourne, 2002; Harker i in., 2002). Takie obiektywne metody mogą być tańsze i szybsze, szczególnie w zastosowaniach przemysłowych. Metody instrumentalne można podzielić na niedestrukcyjne i destrukcyjne. Do pierwszych zalicza się np. metody wykorzystujące fale akustyczne, zjawisko rezonansu własnego czy metody laserowe (Abbott i in., 1992; 1997; Chen i Sun, 1991) lub sensory tarcia czy niedestrukcyjnych uderzeń (Puchalski i Brusewitz, 1996; Puchalski i in., 2002; 2003). W drugiej grupie metod znajdują się metody wytrzymałościowe. Ponieważ proces jedzenia jest procesem destrukcyjnym, najwłaściwszym wydaje się stosowanie dużych deformacji i testów zniszczeniowych do jego symulacji (Roudat i in., 2002). Najpopularniejszymi testami mechanicznymi w badaniach żywności są: zginanie (Rybczyński i Dobrzański jr., 2002, Vincent, 2004), rozciąganie (De Smedt i in., 1998; Harker i in., 1997b; Rybczyński i Dobrzański jr., 2002) i ściskanie (Alvarez i in., 2002; Mohsenin, 1970). Ściskanie jest testem najczęściej stosowanym, ponieważ jest najbliższe symulacji procesu gryzienia i żucia. Spośród wielu konfiguracji próbników używanych w testach ściskania najczęściej spotykanymi są ściskanie pomiędzy równoległymi płytami (np. test profilowej analizy tekstury lub jednokrotne jednoosiowe ściskanie) i test przebicia (Abbott, 1999; Duprat i in., 1995; Konopacka i Płocharski, 2004; Mohsenin, 1970). Spośród innych testów wytrzymałościowych na uwagę zasługuje test trójpunktowego zginania próbki z karbem jednostronnym, który w ostatnich latach jest wprowadzany jako nowa metoda instrumentalna w ocenie tekstury owoców i warzyw (Alvarez i in. 2000b, Harker i in., 2006; Vincent 2004). W testach mechanicznych analizie poddawane są parametry krzywej naprężenie-odkształcenie-czas, takie jak moduł sprężystości, granica płynności biologicznej, granica wytrzymałości biologicznej, odporność na kruche pękanie oraz inne parametry związane z siłą i odkształceniem, które próbuje się korelować z cechami sensorycznymi badanych materiałów. Mimo wielu sukcesów tych prac należy stwierdzić, że procesy pękania, tak istotne dla konsumenta, są zawarte (a raczej „ukryte”) w parametrach mechanicznych. Istotne dla jakości świeżego bądź wysuszonego surowca okazują się również cechy reologiczne wyznaczane w testach ściskania bądź rozciągania (Bohdziewicz, 2007; Stępień, 2009) Nie ma więc bezpośredniej możliwości oceny kruchości lub chrupkości, czy prześledzenia procesu pękania podczas testu (Zdunek, 2008). Harker i in. (2002) testując różne dostępne wówczas metody instrumentalne do oceny tekstury jabłek, mimo pewnych satysfakcjonujących wyników stwierdzili, że analiza sensoryczna jest w tej chwili jedyna i krytyczna w ocenie tekstury owoców. YNAMIKĄ BRĄZOWIE Świeżość miąższu owoców jest podstawową cechą jakości, którą zainteresowany jest konsument. Cecha organoleptyczna, jaką jest świeżość miąższu owoców, nie jest dokładnie rozpoznana (Kuczyński, 2006). W ocenie jakości i świeżości jabłek brano pod uwagę właściwości fizyczne, którym można przypisać interpretację organoleptyczną (Abbott, 1999), tzn. znaną zmysłom konsumentów, lecz określającą tzw. jakość zewnętrzną (Kleynen i in., 2005). W ocenie świeżości owoców nadal dominują oceny jędrności i barwy. Wymagania jakościowe, postawione w normie określającej świeżość (ISO–7563, 1998) w formie opisu i terminów organoleptycznych, są zbyt skromne w stosunku do możliwości współczesnej hodowli i oczekiwań rynku konsumenta. Wzrosły wymagania w stosunku do świeżości jabłek, gdyż konsumenci świadomi są wartości żywieniowej składników dostępnych w owocach. Określa się ją pojęciem „jakości wewnętrznej”(Treutter, 2001). Studia nad dynamiką brązowienia i jej związkiem ze zmianami wywołanymi przejrzewaniem, utratą świeżości i w efekcie brązowieniem enzymatycznym miąższu, mogą znaleźć zastosowanie przy ustalaniu metod aparaturowych do oceny zmian świeżości jabłek, autentyczności produktu w technologii ciętych owoców i do badania preferencji konsumenckich w ocenie świeżości. Utrata wartości użytkowej owoców wynika często z uszkodzeń mechanicznych powstających podczas pozbiorowych operacji technologicznych. W przypadku większości owoców najczęstszym typem uszkodzenia są obicia prowadzące do enzymatycznego brunatnienia w wyniku naruszenia struktury tkanki. Inne typy uszkodzeń to otarcia oraz otwarte rozerwanie struktury owocu. Utrata jakości związana z obiciami wynika nie tylko z ogólnej oceny konsumenckiej ale również z potencjalnej utraty wartości związanej z rozwojem patogenów w uszkodzonej tkankce (Van Zeebroeck i in., 2006). Baritelle and Hyde (2001) sugerują obniżenie ciśnienia turgorowego poprzez lekkie przesuszenie owoców w celu zmniejszenia modułu sprężystości, w wyniku czego cienka powierzchniowa warstwa o mniejszym module sprężystości stanowi rodzaj warstwy ochronnej - siła zewnętrzna rozkłada się na większą powierzchnię kontaktu generując mniejsze naprężenia wewnętrzne. W przypadku większości owoców podatność na obici e wzrasta wraz z dojrzałością. Wynika to częściowo ze stosowanej współcześnie technologii wczesnego zbioru, krytykowanej przez wielu konsumentów. Konsumenci uważają, że owoce nie są tak smaczne jak kiedyś, gdy były zbierane w pełniejszej dojrzałości. Jest to jednak uboczny efekt naszych czasów, gdy owoce muszą pokonać bardzo długą drogę od producenta do konsumenta (Ruiz Altisent i Moreda, 2011). Teledetekcyjne metody oceny jakości owoców W ostatnich dekadach obserwujemy bardzo dynamiczny rozwój teledetekcyjnych metod oceny jakości owoców i warzyw. Szczegółowy przegląd literatury w zakresie teledetekcyjnych metod oceny jakości znaleźć można w pracy Baranowskiego (2008). Autor wykazał, że wymóg precyzyjnej kontroli i monitorowania jakości owoców w czasie zbioru i podczas ich przechowywania wyzwala olbrzymie zainteresowanie technologiami nieniszczącymi, tj. analiza gęstości optycznej (Throop i in., 1994), kolorymetria (Dobrzański i Rybczyński, 2002; Kuczyński i in., 1993; Kuczyński, 2006; Lancaster i in., 1997), spektrometria i spektrofotometria (Voltz i in., 1996; Schmilovitch i in., 2000), rentgenografia (Kim i Schatzki, 2000; Schatzki i in., 1997; Thomas i in. 1995), rezonans magnetyczny (Faust i in., 1997; Wang i in., 1988; Clark i in. 1998), rezonans akustyczny (Armstrong i in., 1990; Zude i in., 2006), analiza emisji w bliskiej i średniej podczerwieni (Brown i in., 1974; Dull i in., 1989; Upchurch i in., 1994; Cheng i in., 2003; Veraverbeke i in. 2006). Połączenie metod detekcji i analizy zobrazowań w wielu zakresach spektrum poprzez stworzenie wielospektralnych systemów wspomaganych komputerowymi technikami przetwarzania obrazu umożliwiło automatyczną detekcję i klasyfikację wielu zewnętrznych i wewnętrznych defektów (Abbott, 1999; Barkai-Golan, 2001; Kleynen i in., 2003; Kleynen i in., 2005, Xing i in., 2005). Jednakże, niezależnie od zastosowanego zakresu fal elektromagnetycznych i złożoności informacji, która może być uzyskana ze zobrazowania, fundamentalnym zagadnieniem jest zrozumienie związku pomiędzy rejestrowanym przez detektor sygnałem a fizycznymi i fizykochemicznymi własnościami badanych obiektów. W odniesieniu do płodów rolnych, a w szczególności owoców i warzyw, jakość wyrażona jest zbiorem cech sensorycznych (wygląd, tekstura, smak i aromat), właściwościami mechanicznymi, składem chemicznym, zawartością składników odżywczych, właściwościami funkcjonalnymi oraz ewentualnym występowaniem zaburzeń i defektów. Detekcja ich w skali przemysłowej na liniach sortowniczych możliwa jest tylko dzięki zastosowaniu nowoczesnych metod widzenia komputerowego (Brosnan i Sun, 2004; Chaerle i Van der Straeten, 2001; Wen i Tao, 2000). Istniejące obecnie systemy selekcji owoców i warzyw, wspomagane komputerowymi technikami przetwarzania i analizy obrazu, umożliwiają automatyczną detekcję oraz klasyfikację niektórych wewnętrznych i zewnętrznych defektów, jednak nie stworzono do tej pory systemu umożliwiającego całościową i spójną ocenę defektów tkanki owoców i warzyw. Rozwój metod optycznych opartych na zakresie światła widzialnego i bliskiej podczerwieni w systemach sortowniczych umożliwił detekcję powierzchniowych defektów owoców i warzyw oraz ocenę zawartości węglowodanów, protein i tłuszczów w ich tkankach, co doprowadziło do stworzenia indeksów ich jakości (Belie i in., 1999). Systemy pracujące w tym zakresie są ustawicznie w fazie rozwojowej. Metody stosowane do detekcji niektórych defektów powierzchniowych oraz zawartości ekstraktu w miąższu wymagają dalszych badań laboratoryjnych. W badaniach niektórych defektów wewnętrznych, np. brązowienia enzymatycznego miąższu, przydatna okazała się spektrofotometria różnicowa, stanowiąca część systemów wielospektralnych (Greensill i Newman, 2001; Xing i in., 2007). Metoda ta umożliwia nie tylko detekcję, ale również identyfikację defektów wewnętrznych miąższu owoców. Znajduje się ona ciągle na etapie badań laboratoryjnych i wdrożeniowych na niewielką skalę. Spośród metod „widzenia komputerowego”, szczególnie przydatne do detekcji i identyfikacji defektów wewnętrznych, wydają się być metoda obrazowania rentgenowskiego oraz metoda rezonansu magnetycznego. Obie umożliwiają szybką i obiektywną ocenę występowania nawet bardzo głębokich zaburzeń i uszkodzeń tkanki warzyw i owoców. Ze względu na wysoki koszt i złożone instrumentarium towarzyszące tym metodom, nie są one szeroko stosowane w rutynowych testach jakości owoców na liniach sortowniczych. Poważnym ograniczeniem stosowania tych metod w chwili obecnej jest brak opracowania jednoznacznych kryteriów oceny i algorytmów klasyfikacji poszczególnych defektów owoców i warzyw (Kleynen i in. 2003, Kleynen i in. 2005). Termografia Obecnie poszukuje się nowych technologii, które mogłyby wzbogacić istniejące wielospektralne systemy sortownicze. Podstawowymi cechami, jakie powinny spełniać fizyczne metody określania zaburzeń i defektów owoców oraz warzyw, są: bezinwazyjność, niezawodność, krótki czas detekcji, prostota obsługi systemu oraz możliwość detekcji szybko poruszających się na linii sortowniczej obiektów. Taką metodą jest niewątpliwie termografia, która w sposób zdalny i bezkontaktowy umożliwia w czasie rzeczywistym uzyskiwanie rozkładów temperatury na powierzchni badanych obiektów (Baranowski i in., 2007; Fito i in., 2004; Walczak i in., 2004). Metoda ta polega na obserwacji i zapisie rozkładu promieniowania w zakresie podczerwieni termalnej emitowanego przez dowolne ciała o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego. Urządzenia termograficzne wizualizują to promieniowanie, w wyniku czego otrzymuje się mapę termalną badanego obiektu. Urządzenie termograficzne rejestruje wytworzony poprzez radiację strumień energii cieplnej, którego gęstość określona jest prawem Stefana-Boltzmanna. Dla ciał rzeczywistych ilość wypromieniowanej energii zależy zarówno od ich temperatury jak i od właściwości emisyjnych (Białousz, 1999). Ze względu na radiacyjny charakter tego sposobu przekazywania energii w pomiarach bezkontaktowych temperatury stosowany jest termin „temperatura radiacyjna”. W literaturze przyjęło się stosować termin „termografia” do obrazów otrzymanych z naziemnych kamer termalnych, np. w zastosowaniach medycznych, budowlanych, itp. W ostatnich latach prowadzone są badania nad wykorzystaniem termografii do określania jakości produktów pochodzenia roślinnego. Dotyczą one określania cech fizjologicznych materiałów roślinnych z uwzględnieniem charakterystyk cieplnych, np. określanie zdolności kiełkowania nasion na podstawie badania temperatury ich powierzchni we wczesnej fazie pęcznienia (Baranowski i in., 2003). W przypadku badania jakości owoców metoda termografii okazała się użyteczna do kontroli warunków ich przechowywania i przetwarzania (Ching-Cheng i Paull, 2001; Walczak i in., 2003). Stosowane są metody i systemy kontroli czasu suszenia owoców pozwalające określić moment, w którym proces powierzchniowego suszenia kończy się, a rozpoczyna się wysychanie skórki owocu. Analiza obrazów termalnych owoców, często w połączeniu z analizą zobrazowań w świetle widzialnym, jest wykorzystywana do oceny średnicy owoców w sadzie, a więc do wczesnego szacowania plonu (Stajnko i in. 2004). Termografia wykorzystywana jest również do określania intensywności transpiracji owoców po zbiorze (Baranowski i in., 2005). Prowadzone są także prace nad określaniem dojrzałości i mączystości jabłek oraz różnic własności mechanicznych między odmianami z wykorzystaniem pomiaru termograficznego. Wykorzystanie termografii oraz spektroskopii fourierowskiej w podczerwieni pozwoliło na określenie współczynników emisyjności produktów rolniczych i sadowniczych. Wykazano również przydatność metody termografii do wykrywania niewielkich uszkodzeń mechanicznych tkanki jabłek spowodowanych słabym obiciem (Baranowski i in., 2005; Varith, 2001). W przypadku defektów wewnętrznych miąższu owoców stwierdzono, że ich detekcja możliwa jest poprzez analizę zmian w czasie temperatury poszczególnych części owoców przy występowaniu gradientu temperatury pomiędzy powierzchnią owocu a otaczającym powietrzem. Przykłady możliwości wykorzystania zobrazowań w bliskiej i średniej podczerwieni w badaniach roślin, płodów rolnych surowców i produktów żywnościowych: • • • • • • • • • • • • • • Badania właściwości cieplnych tkanek roślinnych i zwierzęcych. Wykrywanie uszkodzeń mechanicznych i zmian fizjologicznych tkanki owoców i warzyw. Wykrywanie stresu wodnego i biotycznego roślin. Pomiary zdolności kiełkowania nasion. Określanie stosunków wodnych pola uprawnego z możliwością wykorzystania do sterowania systemami nawadniania. Modelowanie ewapotranspiracji rzeczywistej. Badanie warunków temperaturowych w szklarniach pod kątem optymalnej ich eksploatacji. Wykrywanie powierzchni roślinnych zaatakowanych chorobami i szkodnikami. Modelowanie transportu ciepła w biomateriałach. Opracowywanie procedur termograficznej detekcji zmian chorobowych tkanki roślin i zwierząt przy wykorzystaniu nowoczesnych metod analizy obrazu. Określanie związku między temperaturą radiacyjną powierzchni owoców i warzyw a ich właściwościami mechanicznymi i chemicznymi. Kontrola i optymalizacja warunków przechowywania owoców i warzyw. Klasyfikacja i selekcja owoców płodów rolnych. Wykrywanie defektów w warstwie przypowierzchniowej różnych materiałów. • • • • • • • • • • • • • Badania charakterystyk spektralnych w zakresie UV różnych materiałów, w tym biologicznych. Badanie odporności tkanki roślin i zwierząt na promieniowanie UV. Określanie związku między kolorem a innymi parametrami jakości żywności. Badanie związku między charakterystykami spektralnymi gleby a jej składem granulometrycznym i właściwościami wodnymi. Badanie stanu fizjologicznego roślin. Nieniszcząca analiza jakości owoców i warzyw podczas przechowywania. Wykrywanie chorób i uszkodzeń owoców i warzyw. Badanie stopnia dojrzałości owoców. Badanie zawartości związków chemicznych i proporcji między składnikami żywności. Wczesne wykrywanie infekcji wirusowych i bakteryjnych w liściach. Testy genetyczne roślin. Kontrola dojrzałości i jakości owoców i warzyw. Detekcja uszkodzeń powierzchniowych i wewnętrznych tkanki. Badania właściwości fizycznych nasion Badania właściwości fizycznych nasion są stosunkowo dobrze rozwinięte, głównie ze względu na duże znaczenie gospodarcze nasion i związane z tym stosunkowo wczesne zainteresowanie badaczy. W badaniach dotyczących określenia fizycznych właściwości nasion daje się zaobserwować wyraźne rozdzielenie na dwa kierunki. Pierwszy z nich oparty jest na pomiarach wykonywanych na pojedynczych nasionach, drugi zaś na masie ziarnistej. Do rzadkości należą próby określenia powiązania między wynikami uzyskanymi tymi dwoma drogami. Dobrym wyjątkiem jest tutaj bardzo dynamicznie rozwijana w ostatnich dziesięcioleciach Metoda Elementów Dyskretnych (DEM) używana do modelowania mechaniki ośrodków rozdrobnionych na bazie oddziaływań zachodzących pomiędzy poszczególnymi ziarnami ośrodka. W chwili obecnej brak jest w Polsce przyjętych i ogólnie uznanych standardów pomiaru wielu fizycznych właściwości nasion. W nielicznych przypadkach istnieją normy branżowe, które pozwalają na dokonanie znormalizowanych pomiarów określających pewne właściwości fizyczne ważne z punktu widzenia danego procesu technologicznego. Zazwyczaj są to więc wielkości wyrażane w jednostkach umownych, nie pozwalających na ich zastosowanie w ogólnych teoriach fizycznych. Jako przykład może posłużyć norma branżowa BN-71/9160-03 – „Pasze – oznaczenie wytrzymałości kinetycznej pasz granulowanych” (1971), która została opracowana w oparciu o amerykański standard ASAE i która pozwala na określenie trwałości granulatu wyrażonej jako stosunek masy granulatu przed testowaniem do masy po testowaniu wykonanym na specjalnym urządzeniu. Większość ze stosowanych do tej pory sposobów pomiaru wykorzystywanych w tego typu badaniach ma swe źródło w pomiarach stosowanych przy badaniu materiałów konstrukcyjnych. O ile jednak w klasycznej wytrzymałości występuje pełna spójność i jednoznaczność stosowanego nazewnictwa, o tyle w badaniach roślinnych materiałów ziarnistych daje się zaobserwować pewną chaotyczność. Stosowane terminy są często nieadekwatne do opisywanych właściwości. Przeprowadzone badania wykazały, iż stosowany przy określaniu modułu Younga standard ASAE nie spełnia wymagań odnośnie dokładności i powtarzalności uzyskiwanych wyników. Częstym powodem tego jest błędne stosowanie praw mechaniki ośrodków ciągłych do opisu zachowania się obciążanych nasion (Frączek i in., 2003). Określenie wytrzymałości pojedynczych nasion Ocena wytrzymałości nasion prowadzona jest pośrednimi i bezpośrednimi metodami pomiarowymi: • • pośrednio – poprzez pomiar liczebności i rodzaju uszkodzeń powodowanych przez zadane obciążenie; względnie poprzez określenie spadku wartości siewnej nasion określanej na podstawie próby kiełkowania lub zdolności do wschodów wywołanego zadanym obciążeniem (w wyniku którego powstają uszkodzenia). Sposób ten jest stosunkowo mało obiektywny i wymaga dużego doświadczenia osoby dokonującej kwalifikacji uszkodzeń. Trudno jest zatem porównywać wyniki uzyskane w różnych ośrodkach. Dodatkowo, „waga” rozmaitych rodzajów uszkodzeń jest różna – powstaje zatem pytanie: czy można je sumować wprost? Wyniki pomiarów przeprowadzonych w ten sposób można wykorzystać jedynie do porównania między odmianami, czy też między gatunkami. Dodatkowo, mogą one służyć do oceny jakości pracy danego systemu technicznego z punktu widzenia utrzymania wysokiej jakości przerabianego materiału – problem szczególnie istotny przy produkcji nasiennej lub przy dłuższym magazynowaniu materiału. Metody pośrednie są mało przydatne z punktu widzenia utworzenia jednolitej teorii wytrzymałościowej. Metody oceny uszkodzeń nasion są bardzo rozbudowane. Można jej dokonywać począwszy od najprostszej - czyli wzrokowej, poprzez rentgenowską, a skończywszy na kolorymetrycznej (pomiar intensywności koloru barwnika, w którym zanurzone są nasiona). Ostatnia z wymienionych metod wydaje się być najbardziej obiektywną, ale nadaje się raczej do przeprowadzania pomiarów „w masie”. bezpośrednio – poprzez pomiar odkształcenia i naprężenia oraz wyznaczenie na tej podstawie stałych materiałowych. Wobec uniwersalności i obiektywności tego rodzaju pomiarów oraz możliwości wykorzystania uzyskanych wyników do utworzenia odpowiedniego opisu fizycznego niszczenia materiału, w prezentowanych badaniach skupiono się właśnie na tym sposobie określenia wytrzymałości nasienia. Jedną z przyczyn trudności w badaniach twardości nasion jest niewątpliwie interpretacja tego pojęcia w odniesieniu do nasion oraz zróżnicowane cechy fizyczne produktów żywnościowych, co z kolei pociąga za sobą powstanie wielu metod oceny twardości. Metody te można generalnie podzielić na technologiczne, wytrzymałościowe i inne. Metody technologiczne Badania technologiczne należy traktować jako pośredni sposób oceny twardości. Najczęściej są bowiem mierzone wartości wielkości fizycznych, decydujących o przebiegu danego procesu technologicznego. I tak np. na potrzeby przemysłu zbożowego prowadzi się badania związane z planowaniem energochłonności i łatwości prowadzenia procesu przemiału, stopnia uszkodzenia skrobi jak również stopnia granulacji mąki oraz czasu trwania procesu. Według Obuchowskiego (1985) oraz Gąsiorowskiego i in. (1999) za najbardziej wiarygodny sposób oceny technologicznej twardości ziarna pszenicy uważane jest wyznaczenie WHI (Wheat Hardness Index) - wskaźnika twardości pszenicy. Jest on definiowany jako stosunek maksymalnego momentu skręcającego do ilości uzyskiwanej mąki, wyrażony w procentach. Dużą popularnością cieszy się również ocena twardości przy pomocy PSI (Particle Size Index) wskaźnika wielkości cząstki (Dziki i Laskowski, 2000). Jest to procentowa ilość mąki uzyskanej z rozdrobnienia 20 gramowej próbki ziarna określona po przesianiu jej na przesiewaczu o otworach sita 0,16 mm. Przytoczone powyżej metody bazowały na przemiale określonej masowo próbki materiału ziarnistego. Natomiast w przypadku oceny wartości technologicznej pojedynczych nasion określa się najczęściej HI (Hardness Index) indeks twardości. Wykorzystywany jest w tym celu zestaw pomiarowy SKCS 100 (Gaines i in., 1996), który służy do rejestracji siły potrzebnej do rozdrobnienia pojedynczego ziarniaka. W przypadku masy ziarnistej określa się również PRI (Pearling Resistance Index) wskaźnik odporności na obłuskiwanie. Określa on procentowy udział masy próbki po procesie obłuskiwania, nie przesiewającej się przez sito o otworach 0,8 mm. Obłuskiwanie przeprowadzane jest na obłuskiwaczu laboratoryjnym w określonym przedziale czasu. Badania fizycznych właściwości masy ziarna, proszków i pudrów Właściwości fizyczne płodów rolnych to cechy typowe, charakterystyczne dla danego gatunku. Specyficzny zazwyczaj kształt i struktura wewnętrzna, anizotropowość materiału, zmienność struktur w czasie powodują, że metody pomiaru właściwości fizycznych materiału roślinnego nie mogą być przenoszone wprost z fizyki, materiałoznawstwa technicznego i wytrzymałości materiałów konstrukcyjnych. Mimo to metody wyznaczania właściwości mechanicznych materiałów sypkich pochodzenia roślinnego zaczerpnięte są bezpośrednio z mechaniki materiałów technicznych z uwzględnieniem, w miarę możliwości, specyfiki materiałów roślinnych. Specyfika ta obejmuje przede wszystkim dużą odkształcalność ziaren ośrodka, dominujący wpływ wilgotności oraz zmienność właściwości w czasie. Adoptowane metody te umożliwiają wyznaczanie takich parametrów materiałowych jak: gęstość, ściśliwość, moduł sprężystości, kąt tarcia wewnętrznego, kohezję, kąt tarcia o materiały konstrukcyjne (Stasiak i in., 2011). Różnorakość stosowanych w tym wypadku metod wielokrotnie doprowadza do sytuacji, w której przedstawiciele istniejących ośrodków badawczych często nie rozumieją się dobrze, a nawet używają tych samych pojęć w różnym znaczeniu. Podobnie rozwój metod tworzenia charakterystyk materiałów przebiega w różnych kierunkach, zgodnie z zainteresowaniami poszczególnych grup. W związku z tym niezbędna jest dokładna analiza aktualnego stanu przewidywanych kierunków rozwoju standaryzacji metod charakteryzowania materiałów sypkich w poszczególnych grupach zastosowań. Technologiczne metody oznaczania jakości produktów sypkich Kontrola jakości jest ważnym elementem w wytwarzaniu i przetwarzaniu proszków, gdyż pozwala uniknąć awarii związanych z zaburzeniami przepływu oraz umożliwia utrzymanie stałości składu produktu. Dlatego w ostatnich latach zaproponowano szereg nowych konstrukcji testerów i dziś szukają one swojego miejsca na rynku. Badania jakości materiału muszą odbywać się wszędzie tam, gdzie na linii produkcyjnej płynność może ulegać zmianom, tak że materiał nie mógłby być niezawodnie przetwarzany. Metody te w przeciwieństwie do fizycznych metod wyznaczania parametrów materiałowych pozwalają ocenić jakość (sypkość) materiału w umownej skali z pominięciem bezpośredniego odniesienia do takich właściwości fizycznych materiałowych jak kohezja, adhezja czy tarcie wewnętrzne. Testery jakości proszków powinny spełniać następujące wymagania (Ploof i Carson, 1994): • • • aparat ma być łatwy w użyciu i wymagać od obsługi minimum szkolenia i wprawy, czas niezbędny dla wykonania pomiaru i analizy wyników ma być możliwie najkrótszy, wyniki pomiarów powinny być dokładne, powtarzalne oraz powinny dawać istotną informację o materiale, • konstrukcja aparatu ma być prosta i zwarta, zapewniając przenośność. Wtedy zamiast dostarczać materiał do laboratorium, można umieszczać urządzenie w odpowiednim miejscu linii produkcyjnej. Wśród najbardziej rozpowszechnionych wymienić należy aparat obrotowy Peschla, aparat i wskaźniki Johansona, tester jakości Jenike & Johanson, aparat jednoosiowego ściskania POSTEC, czy też wskaźniki Carra. Wietrzenie i schładzanie surowców i produktów Wietrzenie, czyli wymuszony przepływ otaczającego lub schłodzonego powietrza przez zmagazynowane w zbiorniku surowce bądź produkty, jest niezbędne do zachowania jakości materiału. Głównym celem wietrzenia jest zmniejszenie ryzyka strat poprzez wyrównanie temperatury w całym złożu materiału w celu ograniczenia migracji wilgoci, schłodzenie materiału w celu zahamowania rozwoju szkodników oraz pleśni i grzybów oraz zahamowanie procesu samozagrzewania. Ciepło wydzielane w wyniku reakcji biologicznych zachodzących w zgromadzonym w dużej ilości materiale biologicznym musi zostać odebrane, stąd potrzeba chłodzenia materiału. Ogrzewanie celu suszenia bądź chłodzenie dużych mas materiału biologicznego jest bardzo energochłonne oraz czasochłonne stąd wiedza szeroka wiedza na temat zachodzących procesów jest niezbędna do ich optymalizacji. Proces ogrzewania bądź chłodzenia nie przebiega równomiernie w całej objętości materiału lecz towarzyszy mu przemieszczanie się przez złoże materiału frontu ogrzewania bądź chłodzenia. Prędkość oraz miąższość warstwy frontu zależy od prędkości powietrza, prędkości parowania, różnicy temperatur, rozmiaru cząstek materiału. Zwykle najważniejszym czynnikiem jest prędkość powietrza. Proces wietrzenia ziarna w silosach zbożowych należy prawdopodobnie do najczęściej stosowanych. Ziarno jest dobrym izolatorem ciepła, zatem strata ciepła w takim materiale jest stosunkowo niewielka w porównaniu do innych materiałów. Ziarno zgromadzone w silosie po zbiorze zachowuje w środkowej części swojej masy temperaturę z jaką dotarło z suszarni bądź pola. Ziarno w pobliżu ścian zbiornika podąża za średnią temperaturą otoczenia. Wraz ze spadkiem temperatury otoczenia różnica temperatur pomiędzy częścią środkową i zewnętrzną powoduje cyrkulację powietrza w masie ziarna. Zimniejsze powietrze w pobliżu ściany jest cięższe i opada na dół zbiornika podczas gdy ciepłe powietrze w części centralnej unosi się ku górze. Ciepłe powietrze zawiera więcej wilgoci zatem gdy dotrze do góry zbiornika i ulegnie ochłodzeniu poniżej temperatury punktu rosy woda skrapla się na zimnej powierzchni dachu oraz otaczającym ziarnie, co sprzyja rozwojowi owadów, pleśni oraz grzybów. Problemy wynikające z cyrkulacji powietrza można zminimalizować poprzez utrzymanie temperatury w środku zbiornika zbliżonej do temperatury w pobliżu ściany (Loewer i in., 1994). W tym celu niezbędne jest aktywne wietrzenie, w wyniku którego temperatura ziarna znajdzie się w przedziale 5oC od średniej miesięcznej temperatury. Nie ma potrzeby schładza ziarna do temperatury poniżej 5oC gdyż w temperaturze tej zanika aktywność typowych grzybów i pleśni przechowalniczych. Na wiosnę czasami zachodzi potrzeba ogrzewania ziarna jeśli jego temperatura jest poniżej 0oC lub ziarno ma być składowane dłużej (Navarro i Noyes, 2001). Do projektowania procesów oraz urządzeń wykorzystuje się matematyczne modelowanie procesów termodynamicznych wprowadzając niezbędne założenia upraszczające. Zwykle do najważniejszych założeń upraszczających należą: izotropowość materiału pod względem właściwości cieplnych i dyfuzyjnych, temperatura, wilgotność i porowatość na początku procesu są przyjmowane jako stałe w całej objętości złoża materiału, porowatość nie ulega zmianie podczas przebiegu procesu, temperatura jest niezmienna, ściany stanowią dobrą izolację, wpływ fluktuacji temperatury zewnętrznej jest pomijalny. Na tej podstawie formułowane są różniczkowe równania transportu masy i energii, których numeryczne rozwiązanie daje możliwość przewidywania przebiegu procesu. Do prawidłowego zaprojektowania urządzeń oraz technologii wietrzenia oraz schładzania ziarna niezbędna jest dokładna wiedza o szeregu właściwościach fizycznych składowanych materiałów wśród których najważniejsze to: właściwości cieplne i dyfuzyjne, właściwości higroskopijne oraz właściwości geometryczne – rozkład wielkości i kształtu ziaren ośrodka oraz porowatość. Proces wietrzenia oraz kontroli atmosfery w magazynach surowców i produktów żywnościowych jest nadal doskonalony w celu wypracowania efektywnych metod kontroli temperatury i wilgotności składowanych materiałów jak również wypracowania optymalnych strategii dla poszczególnych grup surowców i produktów, konstrukcji magazynów oraz warunków klimatycznych. Biomasa roślinna na cele energetyczne, właściwości fizyczne Nowy obszar zapotrzebowania na właściwości fizyczne materiałów biologicznych pochodzenia rolniczego wiąże się z dynamicznie rozwijającym się na świecie oraz znacznie przyspieszającym w kraju wykorzystaniem biomasy na cele energetyczne. Polityka energetyczna Wspólnoty Europejskiej zakłada wzrost udziału energii ze źródeł odnawialnych w produkcji energii ogółem w krajach Unii Europejskiej do 20% w roku 2020, 20% wzrost efektywności energetycznej oraz 20% redukcję emisji CO2. Osiągniecie tak wysokich wskaźników będzie możliwe m.in. dzięki przeznaczeniu znacznych środków finansowych na rozwój energetyki odnawialnej oraz wspieraniu badań naukowych i innowacyjnych technologii umożliwiających wykorzystywanie odnawialnej energii na szeroką skalę (Krajowy plan działania, 2010). Wypracowanie efektywnych technologii przetwarzania biomasy, przede wszystkim w oparciu o technologie produkcji biogazu, biopaliw stałych i płynnych wymaga szczegółowej wiedzy m.in. z zakresu właściwości fizycznych przerabianych materiałów. Stąd odnotowuje się w ostatnich latach bardzo duże zainteresowanie badaniami naukowymi w tym zakresie. Biomasa jest najbardziej obiecującym, łatwo dostępnym i najtańszym źródłem energii odnawialnej. Energia pozyskiwana ze źródeł odnawialnych stanowi niespełna 3% całkowitego zużycia energii pierwotnej w kraju, z czego około 98% przypada na biomasę. Głównym źródłem biomasy jest drewno odpadowe, odpady drzewne oraz pewne ilości słomy. Do głównych źródeł pozyskiwania biomasy należą: • • • leśnictwo i związany z nim przemysł drzewny; rolnictwo, łącznie z produkcją roślinną i zwierzęcą; gospodarka komunalna (składowiska odpadów i oczyszczalnie ścieków). Biomasa może być wykorzystana do bezpośredniego spalania (przygotowana w formie brykietów lub peletów z drewna, słomy, roślin energetycznych) lub służyć jako surowiec do produkcji paliw płynnych; obecnie – oleju napędowego (biodiesla) oraz alkoholu etylowego (bioetanolu), a w przyszłości – również alkoholu metylowego (metanolu) i paliw gazowych (metan, wodór). Biomasę należy traktować jako jedno z najbardziej perspektywicznych źródeł energii odnawialnej, co wynika z łatwej dostępności surowca. Właściwe wykorzystanie biomasy będzie w przyszłości jednym z ważniejszych elementów zrównoważonego i wielokierunkowego rozwoju obszarów wiejskich. W rozwoju energetyki opartej na biomasie należy dążyć do: pełniejszego wykorzystania odpadów przemysłu leśnego i drzewnego (zwłaszcza zrębków drzewnych); zagospodarowania na cele energetyczne nadwyżek: słomy zbóż, rzepaku i kukurydzy; systematycznej wymiany kotłów starszego typu na nowoczesne kotły spalające drewno z jego zgazowaniem; upowszechnienia celowych upraw roślin na cele energetyczne; zwiększenia areału upraw rzepakowych do celów energetycznych; rozwoju lokalnych agrorafinerii; wspierania rozwoju elektrowni biogazowych; pozyskiwania biogazu wysypiskowego; pozyskiwania biogazu z fermentacji osadów; rozwoju instalacji do wytwarzania paliw ciekłych (alkohol metylowy i etylowy). Obecnie szczególnie duży nacisk kładzie się na możliwości pozyskiwania energii z biomasy pochodzącej z rolnictwa (odpadów porolniczych) oraz odpadów z przemysłu rolno-spożywczego. Glony mogą służyć do produkcji biomasy, którą następnie można wykorzystywać na wiele sposobów. Biomasa może posłużyć do produkcji biodiesla, biogazu, energii elektrycznej, a także cieplnej. Ze względu na rosnące ceny ropy naftowej, a także wzrost zanieczyszczenia środowiska, prowadzone są co raz szersze badania w zakresie wykorzystania biomasy, jako źródła energii odnawialnej. Obecnie w wielu ośrodkach naukowych na świecie testowane są liczne systemy namnażania glonów, które często charakteryzują się różną wydajnością produkcji, przy czym wydajność zależy w dużym stopniu od składników pokarmowych dostarczanych podczas namnażania, natężenia światła, stężenia CO2 i temperatury (Kozieł i Włodarczyk, 2011). Drewno Drewno przeznaczone do celów energetycznych może być pozyskiwane w postaci tradycyjnego drewna opałowego lub leśnych zrębków drzewnych, wykorzystywanych w większych instalacjach grzewczych. Obiecujące wydaje się wykorzystanie do celów energetycznych surowca z pozostałości zrębowych cięć rębnych i cięć pielęgnacyjnych drzewostanów sosnowych, dotychczas praktycznie nie pozyskiwanego. Kolejnym istotnym rodzajem biomasy są odpady powstające w przemyśle drzewnym. Szacuje się, że ze 100 m3 drewna pozyskiwanego z gospodarki leśnej po przeróbce otrzymuje się do 60% odpadów (kory, ścinków, trocin i zrębków). Odpady te wykorzystywane są przeważnie w miejscu powstawania; służą głównie do produkcji ciepła lub pary technologicznej, a niewielkie nadwyżki sprzedawane są prywatnym odbiorcom (Różański i Jabłoński, 2003). Dotychczas głównym dostawcą biomasy było leśnictwo i związany z nim przemysł. Obecnie ich znaczenie dla energetyki maleje z uwagi na konieczność bardziej racjonalnego, ze względów ekologicznych, gospodarowania zasobami leśnymi. Surowce energetyczne z rolnictwa Do biomasy pozyskiwanej z rolnictwa na cele energetyczne zalicza się: odpady z produkcji roślinnej (słoma) i zwierzęcej (gnojowica, obornik i pozostałości poubojowe) oraz z przemysłu rolnospożywczego, a także biomasę pozyskiwaną z trwałych użytków zielonych i celowych upraw roślin na cele energetyczne. W ostatnim czasie duży nacisk kładzie się na możliwość pozyskiwania energii z biomasy pochodzącej z rolnictwa. W związku z tym przed rolnictwem otwiera się szansa rozwoju nowego kierunku, tj. uprawy specjalnych gatunków roślin na cele energetyczne. Biomasa zaczyna stanowić poważną alternatywę dla paliw konwencjonalnych. Głównym odpadem produkcji roślinnej w rolnictwie jest słoma. W ostatnich latach w wielu gospodarstwach rolnych powstają znaczne jej nadwyżki, które znajdują zastosowanie w energetyce. Do celów energetycznych może być użyta słoma wszystkich rodzajów zbóż (żytnia, gryczana, kukurydziana) i roślin oleistych (rzepakowa). W porównaniu z konwencjonalnymi nośnikami energii słoma jest paliwem dość uciążliwym w użyciu, gdyż charakteryzuje się niższą wartością energetyczną i zmienną wilgotnością. Najczęściej oceny jakości słomy dokonuje się na podstawie wartości opałowej, wilgotności i stopnia zwiędnięcia. Dla słomy suchej wartość opałowa zawiera się w stosunkowo wąskim zakresie i wynosi od 16 do 17 MJ/kg. Dla porównania: wartość opałowa węgla waha się od 18,8 MJ/kg do 29,3 MJ/kg. Można więc przyjąć, że pod względem energetycznym 1,5 tony słomy jest równoważne 1 tonie węgla kamiennego średniej jakości. Wartość energetyczna słomy w największym stopniu uzależniona jest jednak od jej wilgotności. Wilgotność słomy zmniejsza nie tylko wartość uzyskanej energii, ale wpływa również na przebieg samego spalania, powodując podwyższoną emisję zanieczyszczeń w spalinach. Duża wilgotność słomy powoduje problemy w jej magazynowaniu, transporcie i rozdrabnianiu podczas zadawania do pieca. Maksymalna dopuszczalna zawartość wilgoci jest różna dla różnych instalacji, lecz na ogół waha się w granicach 18–25%. Bezpośrednie wykorzystanie biomasy jako paliwa stałego jest niemożliwe ze względu na dużą zawartość wilgotności i stosunkowo niską gęstość. Trudności te mogą być pokonane w procesie ciśnieniowej aglomeracji poprzez przetwarzanie biomasy do postaci paliwa stałego o ściśle określonych rozmiarach geometrycznych (peletu bądź brykietu). Na przebieg procesu ciśnieniowej aglomeracji materiału roślinnego oraz jego energochłonność ma wpływ szereg czynników, takich jak: • • • • właściwości fizyczne zagęszczanego materiału (wilgotność, skład granulometryczny) skład chemiczny, parametry procesu aglomeracji (ciśnienie, prędkość zagęszczania, temperatura procesu) parametry konstrukcyjne. Właściwości fizyczne surowców stanowią jeden z podstawowych czynników decydujących o przebiegu procesu zagęszczania. Zdolność surowców do zagęszczania zależy m.in. od wilgotności, składu granulometrycznego, współczynnika tarcia wewnętrznego,, temperatury, sypkości itp. Surowce pochodzenia roślinnego zawierają celulozę, skrobię, białka, żywice, ligninę, tłuszcze i woski. Substancje te podczas aglomeracji ulegają różnym przemianom, które wpływają na parametry procesu i jakość produktu. Na przykład wzrost zawartości włókna może powodować zwiększenie poboru energii podczas zagęszczania, natomiast wzrost zawartości tłuszczu wpływa na zmniejszenie oporów wytłaczania. Współczesna wiedza o procesie ciśnieniowego zagęszczania surowców roślinnych jest bogata i dotyczy głownie surowców stosowanych do produkcji pasz, takich jak: ziarno zbóż, nasiona roślin strączkowych. Wzrost zapotrzebowania na wiedzę w zakresie przygotowania biomasy (suszenie, rozdrabnianie, aglomerowanie) na cele energetyczne sprawił duże zainteresowanie środowiska naukowego badaniami w tym zakresie (Potręć, 2010, Frączek i in., 2010; Kolowca i Wróbel, 2010). Biomasa roślinna Innym źródłem biomasy dla bioekoenergetyki są celowe uprawy roślin charakteryzujących się dużą wydajnością wytwarzania z nich biometanu, liczoną na tonę suchej masy (t.s.m), dochodzącą do 840 m3/t s.m. (dla porównania wydajność biogazu z gnojowicy, odpadów z wysypisk czy osadów z oczyszczalni ścieków wynosi od 40 do 300 m3/t s.m.). Uprawy te osiągają duże plony z hektara, przekraczające 20 t s.m./ha (np. buraki pastewne, trawa spartina preriowa). Drugim rodzajem biomasy roślinnej są uprawy wiązane, których celem jest produkcja ziarna, ziemniaków czy cukru, a słoma, łodygi, liście, korzonki, łęty i inne odpady stosowane są do wydajnej produkcji biometanolu. W chwili obecnej istotnym utrudnieniem dla użytkowników biomasy jest brak pełnej, usystematyzowanej wiedzy na temat właściwości fizycznych biomasy. Podsumowanie Właściwości fizyczne nierozerwalnie związane są z procesami fizycznymi, których przebieg opisują jako parametry procesu, bądź też wyznaczane są podczas procesu fizycznego przebiegającego w ściśle kontrolowanych warunkach. W przypadku roślin, płodów rolnych, surowców i produktów żywnościowych bardzo istotne są zarówno procesy fizyczne przebiegające w sposób naturalny w środowisku pola uprawnego, jak również procesy technologiczne związane z uprawą gleby, roślin, zbiorem i wszystkimi kolejnymi etapami uszlachetniania i przetwarzania płodów rolnych aż do produktu finalnego. Wszystkie te etapy produkcji rolniczej kształtują bowiem ilość i jakość plonu a w dalszej kolejności również produktu finalnego. Stąd też powstaje potrzeba spojrzenia na właściwości fizyczne poprzez pryzmat wszystkich procesów fizycznych uczestniczących w produkcji rolniczej, w przebiegu których właściwości te odgrywają istotną rolę. W tabeli 1 zebrano główne procesy i właściwości fizyczne wskazując jednocześnie ich wpływ na glebę, roślin oraz surowce i produkty żywnościowe. Tabela 1. Główne procesy i właściwości fizyczne oraz ich wpływ na glebę, rośliny oraz surowce i produkty żywnościowe (Gliński i in., 2011) Procesy fizyczne Właściwości fizyczne Wpływ na glebę i rośliny Wpływ na surowce i produkty żywnościowe Transport masy (woda, para wodna, przepływ powietrza, substancji chemicznych, przepływ kapilarny, dyfuzja molekularna, osmoza) Przewodnictwo hydrauliczne, dyfuzja wody, pary wodnej, powietrza, substancji chemicznych, przepuszczalność Woda dostępna dla roślin, wyciek, filtracja, drenaż, nawadnianie, zalewanie, transport substancji chemicznych, emisja gazu z gleby, napowietrzanie, parowanie, oddychanie, erozja, spływ powierzchniowy, zaskorupianie gleby Chłodzenie, zamrażanie, suszenie, napowietrzanie, oddychanie magazynowe, dojrzewanie magazynowe Absorpcja/adsorpcja masy (adhezja, kohezja) Rozkład wielkości cząstek, porowatość, powierzchnia właściwa, zwilżalność Gromadzenie odpadów, wymiana gazowa, koagulacja, flokulacja peptyzacja, skurcz gleby, Suszenie, odwadnianie, nawilżanie, składowanie, oddychanie Transport energii (przewodzenie ciepła, konwekcja, Przewodnictwo cieplne, pojemność cieplna, ciepło Warunki cieplne Suszenie, przetwarzanie, promieniowanie) właściwe gotowanie Adsorpcja i emisja energii (przewodzenie ciepła, promieniowanie) Odbicie, absorpcja, dyspersja, składowe koloru, widzenie spektralne Warunki cieplne, albedo, warunki wzrostu roślin Suszenie, ogrzewanie, przetwarzanie Przejścia fazowe (parowanie, kondensacja, krystalizacja, topnienie) Ciepło utajone Zamarzanierozmarzanie gleby Zamrażanie, liofilizacja Procesy mechaniczne (zderzenia, ściskanie, kruszenie, ścinanie, rozciąganie) Sprężystość, lepkość plastyczność, twardość, wytrzymałość, gęstość, porowatość Uprawa gleby, agregacja, zagęszczanie, przejezdność, wyleganie roślin, wschody Zbiór, obróbka pozbiorowa, czyszczenie, transport, składowanie, przetwarzanie (rozdrabnianie, aglomeracja, mieszanie, separacja) Większość dostępnych w literaturze danych na temat właściwości fizycznych jest rozproszona i na ogół niekompletna. Wynika to głównie z rozproszenia oraz braku koordynacji prowadzonych w tym zakresie badań naukowych oraz ich jednostkowego przeznaczenia. Dane na temat fizycznych właściwości surowców i produktów rolniczych pomimo licznych badań naukowych prowadzonych w tym zakresie mają nadal na ogół ograniczoną wartość ze względu na często pojawiający się w publikacjach brak załączonych danych źródłowych oraz brak precyzyjnego opisu stanu materiału oraz parametrów procesu. Opis materiału powinien zawierać wyczerpujące dane na temat warunków uprawy, odmiany, wilgotności, stanu dojrzałości oraz obróbki wstępnej. Opis materiału powinien zawierać ponadto opis cech geometrycznych, warunki powierzchniowe, porowatość, orientację włókien, procedurę pobrania próbki oraz precyzyjny opis parametrów procesu. Opis powinien być na tyle dokładny aby umożliwić czytelnikowi pełne i dokładne powtórzenie eksperymentu. Nieprecyzyjny opis materiału i warunków eksperymentu sprawia, że dane pochodzące z różnych źródeł są często nieporównywalne. Różnorakość stosowanych metod pomiarowych bez podania dokładnego opisu wielokrotnie doprowadza do sytuacji, w której przedstawiciele różnych ośrodków badawczych często nie rozumieją się dobrze, a nawet używają tych samych pojęć w różnym znaczeniu. Podobnie rozwój metod tworzenia charakterystyk materiałowych przebiega w różnych kierunkach, zgodnie z zainteresowaniami poszczególnych grup. Dostępne w literaturze dane liczbowe dotyczące fizycznych właściwości rośli i płodów rolnych generują olbrzymi rozrzut wartości. Stąd powstaje pilna potrzeba środowiska naukowego oraz przemysłowego związanego z przetwórstwem rolno-spożywczym usystematyzowania wiedzy w tym obszarze. Jednym z istotniejszych wymagań na przyszłość staje się koordynacja badań w różnych ośrodkach naukowych kraju oraz usystematyzowanie już posiadanej oraz oczekiwanej wiedzy. W kraju badania fizycznych właściwości materiałów rolniczych prowadzone są w szerszym bądź węższym zakresie we wszystkich uczelniach przyrodniczych, w instytutach naukowych a ponadto w części uczelni technicznych. Tworzy to bardzo pokaźny wkład w rozwój wiedzy. Jednak potrzebne jest również pewne systematyzowanie wiedzy oraz kompleksowe podejścia do podejmowanych badań. Wydaje się, że w przyszłości takiego całościowego podejścia należałoby oczekiwać przede wszystkim od Instytutu Agrofizyki PAN w Lublinie, którego kilkanaście specjalistycznych laboratoriów ukierunkowanych jest na kompleksowe badanie różnych fizycznych właściwości środowiska przyrodniczego oraz materiałów rolniczych. W szczególności laboratoria te koncentrują się na następujących obszarach badań: Laboratorium Monitoringu Środowiska Przyrodniczego • Monitorowanie parametrów środowiska przyrodniczego • Opracowywanie metodyk pomiarowych parametrów i charakterystyk ośrodków porowatych • Pomiary charakterystyk ośrodków porowatych • Opracowywanie metod ewaluacji parametrów ośrodka glebowego Laboratorium Chromatografii Gazowej Badanie wpływu czynników środowiskowych na aktywność biologiczną oraz metabolizm drobnoustrojów • Badanie procesów wydzielania i pochłaniania gazów cieplarnianych • Oznaczanie składu mieszanin gazów Laboratory Systemu Korzeniowego Roślin • • Wpływu właściwości i stanu środowiska glebowego na wzrost i funkcjonowanie korzeni • Zróżnicowanie aktywności enzymów glebowych w glebie i ryzosferze • Wpływ czynników stresowych w środowisku glebowym na wzrost i funkcjonowanie roślin Laboratory Właściwości Powierzchniowych i Strukturalnych Gleb i Roślin Procesy międzyfazowe w glebie jako ośrodku fizykochemicznym Fizykochemiczne warunki tworzenia i trwałości struktury gleby Degradacja gleby. Fizykochemiczne metody melioracji zanieczyszczonych, zasolonych i kwaśnych Laboratorium Spektroskopii Dielektrycznej • • • i detoksyfikacji gleb Badanie właściwości dielektrycznych materiałów i produktów pochodzenia rolniczego w celu oceny ich jakości • Opracowanie sensorów do pomiaru przenikalności dielektrycznej materiałów porowatych • Projektowanie i uruchamianie prototypów aparatury elektronicznej do pomiaru fizycznych właściwości materiałów porowatych Laboratorium Termografii • Wykorzystanie zobrazowań w bliskiej i średniej podczerwieni do: − modelowania transportu masy i energii w systemie gleba-roślina-atmosfera − określania jakości płodów rolnych oraz roślin energetycznych − diagnostyki medycznej − ekspertyz przemysłowych (energetyka, budownictwo, maszyny) Laboratorium Zastosowań Optycznych Technik Pomiarowych • • Badanie wielkości, rozkładu wielkości oraz kształtu cząstek • Potencjał elektrokinetyczny cząstek w zawiesinach wodnych i niewodnych • Opracowywanie metodyk pomiarowych dla różnych materiałów Laboratorium Mikroskopii • Mikro- i makrostruktura materiałów biologicznych • Mikromechaniczne właściwości w odniesieniu do topografii materiałów • Spektroskopowe metody analizy składu chemicznego i struktury chemicznej związków Laboratorium Analizy Sensorycznej w Właściwości Mechanicznych • Badanie i analiza właściwości mechanicznych biomateriałów • Opracowywanie metod oceny jakości biomateriałów • Modelowanie procesów mechanicznych w tkankach roślinnych • Badania sensoryczne i instrumentalne tekstury owoców i warzyw Laboratorium Oceny Jakości Surowców Zbożowych i Oleistych Badania właściwości fizycznych surowców roślinnych (rośliny, nasiona, owoce i warzywa) oraz procesów fizycznych zachodzących podczas zbioru, transportu, przechowywania i przetwarzania płodów rolnych • Opracowywanie metod badania właściwości fizycznych materiałów roślinnych Laboratorium Fizycznych Właściwości Owoców i Warzyw • Badania właściwości mechanicznych materiałów roślinnych w warunkach obciążeń statycznych i dynamicznych • Opracowywanie fizycznych metod oceny jakości owoców i warzyw • Badania spektrofotometryczne materiałów roślinnych Laboratorum Mechaniki Materiałów Sypkich • • Fizyczne właściwości sypkich surowców i produktów spożywczych • Modelowanie procesów fizycznych w materiałach sypkich Środowiskowe Laboratorium Energii Odnawialnej • Nowe metody i technologie produkcji oraz pozyskiwania biomasy • Procesy gazyfikowania biomasy, w tym analiza procesu fermentacji metanowej i badanie biogazu • Sposoby zagospodarowywania odpadów pofermentacyjnych, w tym technologie wytwarzania nawozu z odpadów i badanie jego wpływu na wzrost roślin i jakość gleb. Kompleksowe, usystematyzowane podsumowania stanu wiedzy w danym obszarze tematycznym pojawiają się w poszczególnych obszarach nauki na ogół stosunkowo rzadko. Podobna sytuacja jest również w zakresie fizycznych właściwościach materiałów rolniczych. W literaturze światowej pozycją numer jeden jest nadal książka Mohsenina z 1970 r. „Physical properties of plant and animal materials”. W literaturze polskiej pierwszym większym opracowaniem z tego zakresu była praca pod redakcją Byszewskiego i in. „Ważniejsze właściwości roślin wiążące się z pracą maszyn rolniczych” z 1975 r. oraz Byszewski i Haman „Gleba, maszyna, roślina” z 1974. Monotematyczne, obszerniejsze opracowania w literaturze polskiej dotyczą na ogół wąskiego wycinka fizycznych właściwości np. właściwości cieplnych materiałów roślinnych (Kaleta, 1999), roślinnych materiałów sypkich (Horabik i Molenda, 2002; Horabik i Laskowski (red.), 2005). Pierwszym szeroko zakrojonym działaniem w tym zakresie było opublikowanie w 2011 r. przez wydawnictwo Springer ponad tysiąc stronicowej Encyklopedii Agrofizyki w języku angielskim, w której 300 autorów z 34 krajów świata, w tym 86 z Polski, podejmuje najbardziej aktualną tematykę z zakresu nadań agrofizycznych, w tym bardzo duża część dotyczy właściwości fizycznych gleby, roślin oraz surowców i produktów żywnościowych w ponad 250 artykułach oraz 400 hasłach encyklopedycznych. Encyklopedia jest jedyną w świecie tak obszerną i usystematyzowaną pozycją wydawniczą pokazującą zastosowanie fizyki do problematyki (również praktyki) rolniczej i środowiska przyrodniczego. W encyklopedii tej na szczególne podkreślenie zasługuje artykuł „Databases on physical properties of plants and agricultural products„ autorstwa Kalety i Górnickiego (2011) systematyzujący zakresy wartości parametrów materiałowych i podsumowujący aktualny stan wiedzy na temat takich fizycznych właściwości roślin i płodów rolnych, jak: właściwości geometryczne, mechaniczne, aerodynamiczne, cieplne, higroskopowe, elektryczne oraz elektromagnetyczne. Można więc przypuszczać, że Encyklopedia, wytyczając pierwszy krok w kierunku systematyzowania wiedzy, przyczyni się do podjęcia następnych wspólnych działań środowiska naukowego prowadzącego badania naukowego wokół zagadnień fizycznych właściwości roślin, płodów rolnych oraz produktów rolniczych. Wnioski 1. Fizyczne właściwości materiałów roślinnych opisują ich unikalną, charakterystyczną reakcję na czynniki zewnętrzne. Wiedza o tych właściwościach stanowi podstawę projektowania urządzeń i procesów technologicznych oraz ich kontroli zapewniającej efektywność pracy urządzeń oraz wysoką jakość produktów. 2. Niezwykle dynamiczny rozwój eksperymentalnych fizycznych metod badań: AFM, metody spektroskopowe, dostępne praktycznie w pełnym zakresie widma elektromagnetycznego – od termografii do rentgenografii i mikrotomografii, elektrometryczne – potencjometryczne, amperometryczne czy jonometryczne, spektroskopia dielektryczna czy emisja akustyczna sprawił, że pojawiły się zupełnie nowe, niedostępne jeszcze niedawno metody wyznaczania fizycznych właściwości materiałów, w tym materiałów pochodzenia roślinnego. 3. W chwili obecnej bardzo istotne staje się doskonalenie fizycznych metod pomiarowych adoptowanych z innych dziedzin nauki do oceny jakości surowców i produktów żywnościowych w poszczególnych ogniwach łańcucha produkcji żywności (spektroskopia dielektryczna, mikrotomografia, mechatronika, analiza obrazu). 4. Większość dostępnych w literaturze danych na temat właściwości fizycznych jest rozproszona i na ogół niekompletna. Wynika to głównie z rozproszenia oraz braku koordynacji prowadzonych w tym zakresie badań naukowych oraz ich jednostkowego przeznaczenia. 5. Operowanie wieloma wielkościami określającymi stan fizyczny materiału ma znaczenie praktyczne tylko wtedy, gdy poszczególne metody pomiaru, zasady przeprowadzania eksperymentu będą spełniały wymóg porównywalności. Aktualnie do oceny cech fizycznych materiałów roślinnych stosuje się rozmaite metodyki pomiaru, co nie pozwala na porównania i właściwą interpretację wyników, a w konsekwencji utrudnia modelowanie i optymalizację procesów technologicznych. Jednym z wyzwań przed jakimi stają nauki rolnicze, a zwłaszcza agrofizyka, jest podjęcie działań zmierzających do standaryzacji fizycznych metod pomiarowych stosowanych do materiałów biologicznych. 6. Kolejne obszar dynamicznego rozwoju to wykorzystanie pomiarów właściwości fizycznych do kontroli on-line w procesach produkcyjnych. Z powodu oczywistych korzyści płynących ze sterowania procesem tj. obniżenia kosztów i możliwości utrzymania stabilnej jakości produktu obserwujemy bardzo szybki postęp w tym zakresie. Stosuje się różnego rodzaju przetworniki i wciąż prowadzi badania nad nowymi. Zasadnicze wyzwania to: - obniżenie kosztu przetwornika - podniesienie jego niezawodności - opracowanie programów obróbki danych, które przetworzą sygnał z przetwornika w informację użyteczną dla sterowania procesem. Literatura Abbott J.A.: Quality measurement of fruits and vegetables. Postharvest Biol. Technol., 1999, 15, 207225. Abbott J.A, Affeldt H.A., Liljedahl L.A.: Firmness measurements of stored ‘Delicious’ apples by sensory methods, Magness-Taylor, and sonic transmission. Journal of the American Society for Horticultural Science, 1992, 117, 590-595. Abbott J.A., Lu R., Upchurch B.L., Stroshine R.L.: Technologies for nondestructive quality evaluation of fruits and vegetables. Horticulture Review, 1997, 20, 1-120. Alvarez M.D., Canet W.: Effect of osmotic adjustment on the rheology of potato tissue. The use of discriminant analysis for interpretation. European Food Research and Technology, 2002, 214, 8390. Alvarez M.D., Saunders D.E.J., Vincent J.F.V., Jeronimidis G.: An engineering method to evaluate the crisp texture of fruit and vegetables. Journal of Texture Stud., 2000, 31, 457-473. Armstrong P.R., Zapp H.R., Brown G.K.: Impulsive excitation of acoustic vibrations in apples firmness determination. Trans. Am. Soc. Agric. Eng., 1990, 33, 1353-1359. Barkai-Golan R.: Postharvest Diseases of Fruits and Vegetables. Elsevier 2001. Baranowski P.: Temperatura radiacyjna wybranych owoców i nasion jako parametr oceny ich jakości. Acta Agrophysica, 2008, 159, 1-106. Baranowski P., Mazurek W., Walczak R.T., The use of thermography for pre-sowing evaluation of seed germination capacity. Acta Hort., 2003, 604, 2, 459-465. Baranowski P., Lipecki J., Mazurek W., Walczak R.T.: Detekcja uszkodzeń mechanicznych jabłek z wykorzystaniem termografii. Acta Agrophysica, 2005, 125, 19-30. Baranowski P., Lipecki J., Mazurek W., Walczak R.T.: Laboratoryjne badania nad możliwością wykorzystania temperatury powierzchni owoców do określania intensywności parowania jako istotnego parametru oceny jakości owoców. Acta Agrophysica, 2005, 126, 307-318. Baranowski P., Lipecki J., Mazurek W., Walczak R.T.: Detection of watercore in ‘Gloster’ apples using thermography. Postharvest Biol. Technol., doi:10.1016/j.postharvbio.2007.07.014. Baranowski P., Mazurek W., Witkowska-Walczak B., Sławiński C.: Detection of early apple bruises using pulsed-phase thermography. Postharvest Biology and Technology, 2009, 53, s. 91-100. Baritelle, A. L., and Hyde, G. M.: Commodity conditioning to reduce impact bruising. Postharvest Biology and Technology, 2001, 21, 331–339. Belie N., Jancsok K.Tu.P., De Baerdemaeker J.: Preliminary study on the influence of turgor pressure on body reflectance of red laser light as a ripeness indicator for apples. Postharvest Biol. Technol., 1999, 16, 279-284. Białousz S.: Zastosowanie teledetekcji w badaniach pokrywy glebowej. W: Gleboznawstwo, PWRiL, Warszawa, 1999, 511-538. Bieganowski A., Ryżak M., Witkowska-Walczak B.: Determination of soil aggregate disintegration dynamic using laser diffraction. Clay Minerals, 2010, 45, s. 23-34. BN-71/9160-03: Pasze – oznaczenie wytrzymałości kinetycznej pasz granulowanych. 1971. Bohdziewicz J.: Modelowanie przebiegu odkształcenia tkanek parenchymy warzyw w warunkach quasi-statycznych zmian obciążeń, Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, Wrocław 2007. Bourne, M. C.: Food Texture and Viscosity: Concept and Measurement. Second Edition. Academic Press, London, 2002. Brosnan T., Sun W.D.: Improving quality inspection of food products by computer vision-a review. J. Food Eng., 2004, 61, 3-16. Brown G.K., Segerlind L.J., Summitt R.: Near-infrared reflectance of bruised apples. Transactions of the ASAE, 1974, 17(1), 17-19. Byszewski W., Haman J.: Gleba, maszyna, roślina. PWN, Warszawa, 1974. Byszewski W. (pod red.): Ważniejsze właściwości roślin wiążące się z pracą maszyn rolniczych. PWN Warszawa, 1975. Chaerle L., Van der Straeten D.: Seeing is believing: imaging techniques to monitor plant health. Biochimica et Biophysica Acta, 2001, 1519, 153-166. Chen P., Sun Z.: A review of non-destructive methods for quality evaluation and sorting of agricultural products. Journal of Agricultural Engineering Research, 1991, 49, 85-98. Cheng X., Tao Y., Chen Y.R., Luo Y.: NIR/MIR dualsensor machine vision system for online apple stemend/calyx recognition. Trans. ASAE, 2003, 46(2), 551-558. Ching-Cheng C., Paull R.E.: Fruit temperature and crown removal on the occurrence of pineapple fruit translucency. Sci. Hort., 2001, 88, 85-95. Clark C.J., MacFall J.S., Bieleski R.L.: Loss of watercore from ‘Fuji’ apple observed by magnetic resonance imaging. Sci. Hort., 1998, 73, 213-227. De Smedt V., Pauwels E., De Baerdemaeker J., Nicolai B.: Microscopic observation of mealiness in apples: a quantitative approach. Postharvest Biology and Technology, 1998, 14, 151-158. Dobrzański B., jr, Rybczyński R.: Color change of apple as a result of storage, shelf-life, and bruising. Int. Agrophysics, 2002, 16(4), 261-268. Dull G.G., Birth G.S., Leffler R.G.: Use of near infrared analysis for the nondestructive measurement of fry matter in potatoes. Am. Potato J., 1989, 66, 215-225. Duprat F., Grotte M.G., Pietri E., Studman C.J.: A multi-purpose firmness tester for fruits and vegetables. Computer and Electronics in Agriculture, 1995, 12, 211-223. Dziki D., Laskowski J. : Badanie właściwości przemiałowych wybranych pszenic. Inżynieria Rolnicza, 8, 63-70, 2000. Faust M., Wang P.C., Maas J.: The use of magnetic resonance imaging in plant science. Hortic. Rev., 1997, 20, 225-266. Fito P.J., Ortolá M.D., De los Reyes R., Fito P., De los Reyes E.: Control of citrus surface drying by image analysis of infrared thermography. J. Food Eng., 2004, 61, 287-290. Frączek J., Kaczorowski J., Ślipek Z., Horabik J., Molenda M.: Standaryzacja metod pomiaru właściwości fizyczno-mechanicznych roślinnych materiałów ziarnistych. Acta Agrophysica, 2003, 92, 1-160. Frączek J., Mudryk K., Wróbel M.: Nakłady energetyczne w procesie mielenia zrębków wierzby Salix iminalis L. Inżynieria Rolnicza, 2010, 4(122), 43-49. Gaines C.S., Finney P.F., Fleege L.M., Andrews L.C.: Predicting a hardness measurement using the Single-Kernel Characterization System. Cereal Chem., 73, 278-286, 1996. Gąsiorowski H., Kołodziejczyk P., Obuchowski W.: Twardość ziarna pszenicy. Przegląd ZbożowoMłynarski, 7, 6-8, 1999. Gliński J., Horabik J., Lipiec J. Agrophysics: physics applied to Agriculture. (Gliński J. i in., red.) Encyclopedia of Agrophysics, Springer, 2011, 35-48. Greensill C.V., Newman D.S.: An experimental comparison of simple NIR spectrometers for fruit grading applications. Appl. Eng. Agric., 2001, 17(1), 69-76. Harker F.R., Stec M.G.H., Hallett I.C., Bennett C.L.: Texture of parenchymatous plant tissue: a comparison between tensile and other instrumental and sensory measurements of tissue strength and juiciness. Postharvest Biology and Technology, 1997, 11, 63-72. Harker F.R., Maindonald J., Murray S.H., Gunson F.A., Hallett I.C., Walker S.B.: Sensory interpretation of instrumental measurements 1: texture of apple fruit. Postharvest Biology and Technology, 2002, 24, 225-239. Harker F.R., White A., Gunson F.A., Hallett I.C., De Silva H.N.: Instrumental measurement of apple texture: A comparison of the single-edge notched bend and penetrometer. Postharvest Biology and Technology, 2006, 39, 185-192. Horabik J., Molenda M.: Właściwości fizyczne sypkich surowców spożywczych. Zarys katalogu. Acta Agrophysica, 2002, 74, 1-89. Horabik J., Laskowski J.(pod red.): Mechanical Properties of Granular Agro-Materials and Food Powders for Industrial Practice. Part I: Molenda M., Horabik J.: Characterization of mechanical properties of particulate solids for storage and handling. 1-145. Part II. Laskowski J., Łysiak G., Skonecki S.: Material properties in grinding and agglomeration. 1-159. Lublin, 2005. ISO–7563. Fresh fruits and vegetables – Vocabulary. 7563, 1998. Kaleta A.: Thermal properties of plant materials. SGGW Warszawa 1999. Kaleta A., Górnicki K.: Databases on physical properties of plants and agricultural products. (Gliński J. i in., red.) Encyclopedia of Agrophysics, Springer, 2011, 189-194. Kim S., Schatzki T.F.: Apple watercore sorting system using X-ray imagery – algorithm development. Trans. ASAE 2000, 43 (6), 1695-1702. Kleynen O., Leemans V., Destain M.F.: Selection of the most efficient wavelength bands for ‘Jonagold’ apple sorting. Postharvest Biol.Technol., 2003, 30, 221-232. Kleynen O., Leemans V., Destain M.F.: Development of a multi-spectral vision system for the detection of defects on apples. J. Food Eng., 2005, 69, 41-49. Kolowca J., Wróbel M.: Wytrzymałość mechaniczna źdźbła trawy Miscanthus giganteus. Inżynieria rolnicza, 2010, 4(122), 121-126. Konopacka D., Płocharski W.J.: Effect of storage conditions on the relationship between apple firmness and texture acceptability. Postharvest Biology and Technology, 2004, 32, 205-211. Kozieł W., Włodarczyk T.: Glony – produkcja biomasy. Acta Agrophysica 2011, 17(1), 105-116. Krajowy plan działania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych. Minister Gospodarki. Warszawa 2010. Kuczyński A.P., Varoquaux P., Souty M.: Reflectance spectra of 'ready-to-use' apple products for determination of enzymatic browning. Int. Agrophysics, 1993, 7, 85-92. Kuczyński A.: Studia nad dynamiką brązowienia i jej wykorzystaniem w ocenie świeżości miąższu jabłek. Acta Agrophysica, 2006, 138, 1-144. Lancaster J.E., Lister C.E., Reay P.F., Triggs C.M.: Influence of pigment composition on skin color in a wide range of fruits and vegetables. J. Am. Soc. Hortic. Sci., 1997, 122, 594-598. Loewer, O. J., Bridges, T. C., and Bucklin, R. A.: On-FarmDrying and Storage Systems. St. Joseph: American Society of Agricultural Engineers, 1994. Mohsenin N.N.: Physical properties of plant and animal materials. New York, Gordon and Beach Science Publishers, 1970. Navarro, S., and Noyes, R. T.: The mechanics and Physics ofModern Grain Aeration Management. Boca Raton: CRC Press, 2001. Obuchowski W.: Twardość ziarna pszenicy: znaczenie technologiczne i czynniki wpływające na tę własność. Rocznik Akademii Rolniczej w Poznaniu, 1-56, 1985. Ploof D.A., Carson J.W.: Quality control tester to measure relative flowability of powders. Bulk Solids Handling, 14(1), 127-132, 1994. Różański H., Jabłoński K., Wykorzystanie zasobów drewna energetycznego w leśnictwie. Konferencja naukowo-techniczna w Malinówce, 16-17 października 2003. Potręć M.: Ocena procesu ciśnieniowego zagęszczania surowców roślinnych stosowanych do produkcji biopaliw stałych. Rozprawa doktorska. Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydz. Inżynierii Produkcji, 2010. Puchalski C., Brusewitz, G.H.: Watermelon abrasion resistance parameters from friction tests. Transaction of the ASAE, 1996, 39, 5, 1765 -1771. Puchalski C., Sosnowski S., Brusewitz, G.H.: Non-destructive measurements of apple firmness using friction and impact sensors. Acta Agrophysica, 2003, 2, 1, 161-171. Puchalski C., Brusewitz, G.H., Dobrzański jr. B., Rybczyński R.: Relative humidity and wetting affect friction between apple and flat surface. International Agrophysics, 2002, 16, 67-71. Rajchew T., Popandowa S., Piszmanowa S., Arsova A., Sokołowska Z., Hajnos M., Józefaciuk G.: Sposób fizykochemicznej melioracji gleb kwaśnych zanieczyszczonych cynkiem. Patent: 193727, 2009. Roudat G., Dacremont C., Vales Pamies B., Colas B., Meste M.: Crispness. A critical review on sensory and material science approaches. Trends in Food Science & Technology, 2002, 13, 217-227. Ruiz-Altisent M., Moreda G.P.: fruits, mechanical properties and bruise Susceptibility. In: (Gliński J., i in., Ed.) Encyclopedia of Agrophysics, Springer, 2011, 318-321. Rybczyński R., Dobrzański jr. B.: Fizyczne aspekty pomiaru jędrności jabłek, Acta Agrophysica, 2002, 69. Rybiński W., Szot B.: Związki między agrofizyką a genetyką i hodowlą roślin zbożowych oraz strączkowych. Acta Agrophysica, 2009, 174, 1-56. Schatzki T.F., Haff R.P., Young R., Can I., Le L.C., Toyofuku N.: Defect detection in apples by means of X-ray imaging. Trans. ASAE, 1997, 40 (5), 1407-1415. Schmilovitch Z., Mizrach A., Hoffman A., Egozi H., Fuchs Y.: Determination of mango physiological indices by near-infrared spectrometry. Postharvest Biol. Technol 2000, 19, 245-252. Skierucha W.: Temperature dependence of time domain reflectometry-measured soil dielectric permittivity. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2008, 172, 2, s. 186-193. Skierucha W., Wilczek A.: A FDR sensor for measuring complex soil dielectric permittivity in the 10500 MHz Frequency Range. Sensors, 2010, 10(4), s. 3314-3329. Stajnko D., Lakota M., Hocevar M.: Estimation of number and diameter of apple fruits in an orchard during the growing season by thermal imaging. Computers and Electronics in Agric. 2004, 42, 3142. Stasiak M., Rusinek R., Molenda M., Fornal J., Błaszczak W.: Effect of potato starch modification on mechanical parameters and granules morphology. Journal of Food Engineering, 2011, 102, 154162. Stępień B.: Modyfikacja cech mechanicznych i reologicznych wybranych warzyw pod wpływem różnych metod suszenia. Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, Wrocław 2009. Sykut J., Molenda M., Horabik J.: DEM simulation of the packing structure and wall load in a 2dimensional silo. Granular Matter, 2008, 10, s. 273-278. Święcicki W.: Wybrane zagadnienia genetyki i hodowli roślin łubinu. Mat. Konf. „Łubin w gospodarce i życiu człowieka”. Poznań, 29.11. 1993, 23-39. Thomas P., Kannan A., Degwekar V.H., Ramamurthy M.S.: Non-destructive detection of seed weevilinfested mango fruits by X-ray imaging. Postharvest Biol. Technol. 1995, 5, 161-165. Throop J.A., Aneshansley D.J., Upchurch B.L.: Camera system effects on detecting watercore in ‘Red Delicious’ apples. Trans. ASAE 1994, 37 (3), 873-877. Treutter D.: Biosynthesis of phenolic compounds and its regulation in apple. Plant Growth Regul., 2001, 34 (1), 71-89. Upchurch B.L., Throop J.A., Aneshansley D.J.: Influence of time, bruise-type, and severity on nearinfared reflectance from apple surfaces for automatic bruise detection. Trans. Am. Soc. Agric. Eng., 1994, 37 (5), 1571-1575. Usowicz B., Lipiec J., Marczewski W., Ferrero A.: Thermal conductivity modelling of terrestrial soil media - A comparative study. Planetarny and Space Science, 2006, 54, s. 1086-1095. Van Zeebroeck,M., Tijskens, E., Dintura, E., Kafashan, J., Loodts, J., De Baerdemaeker, J., and Ramon, H.: The discrete element method (DEM) to simulate fruit impact damage during transport and handling: model building and validation of DEM to predict bruise damage of apples. Postharvest Biology and Technology, 2006, 41, 85–91. Varith J.: Uses of thermal properties for non-destructive assessment of apple quality. PH.D. Dissertation, Washington State University, Pullman, Wa, 2001. Veraverbeke E.A., Verboven P., Lammertyn J., Cronje P., De Baerdemaeker J., Nicolaı B.M.: Thermographic surface quality evaluation of apple. J. Food Eng., 2006, 77, 162-168. Vincent J.F.V.: Application of fracture mechanics to the texture of food. Engineering Failure Analysis, 2004, 11, 695-704. Voltz R.K., Tustin D.S., Ferguson I.B.: Mineral accumulation in apple fruit as affected by spur leaves. Sci. Hort. 1996, 65, 151-161. Walczak R.T., Mazurek W., Baranowski P.: Termografia w agrofizyce. Acta Agrophysica 2003, 97, 2(3), 663-675. Walczak R.T., Baranowski P., Mazurek W.: Modelling of actual evapotranspiration with the use of crop cover radiation temperature and soil data. In Plant growth in relation to soil physical conditions. Ed. by J. Lipiec, R. Walczak, G. Józefaciuk, EU 5th Framework Program QLAM-200100428, Centre of Excellence for Applied Physics in Sustainable Agriculture AGROPHYSICS, Lublin, 144-152, 2004. Wang C.Y., Wang P.C., Faust M.: Non-destructive detection of watercore in apple with nuclear magnetic resonanse imaging. Hortscience, 1988, 24, 106-109. Wen Z., Tao Y.: Dual-camera NIR/MIR imaging for stem-end/ calyx identification in apple defect sorting. Transaction of the ASAE, 2000, 43(2), 449-452. Xing J., Baerdemaeker D.J.: Fresh bruise detection by predicting softening index of apple tissue using VIS/NIR spectroscopy. Postharvest Biol. Technol., 2007, 45 176-183. Xing J., Bravo C., Jancso P.T., Ramon H., Baerdemaeker D.J.: Detecting bruises on ‘Golden Delicious’apples using hyperspectral imaging with multiple wavebands. Biosystems Eng., 2005, 90(1), 27-36. Zdunek A.: Instrumentalna metoda oceny wybranych cech tekstury jabłek na podstawie emisji akustycznej. Acta Agrophysica, 2008, 155, 1-98. Zdunek, A., Cybulska J., Konopacka D., Rutkowski K.: New contact acoustic emission detector for texture evaluation of apples. J. Food Engineering, 2010, 99(1), s. 83-91. Zdunek A., Pytka J., Ranachowski Z.: Sposób i urządzenie do pomiaru kruchości i tekstury owoców i warzyw, zwłaszcza jabłek. Zgłoszenie patentowe P-388443, 2009. Zude M., Herold B., Roger J.M., Bellon-Maurel V., Landahl S.: Non-destructive tests on the prediction of apple fruit flesh firmness and soluble solids content on tree and in shelf life. J. Food Eng., 2006, 77, 254-260.
