HIDROKOLLOID SZÁRÍTÁSA MECHANIKUS GEJZÍRSZÁRÍTÓBAN

Átírás

1 HIDROKOLLOID SZÁRÍTÁSA MECHANIKUS GEJZÍRSZÁRÍTÓBAN Tóth Judit 1 Szentmarjay Tibor 2 Plutzer Csaba 3 Gyenis János 4 1 MTA Kémiai Kutatóközpont Anyag és Környezetkémiai Intézet, toth@mukki.richem.hu 2 ENVI-CALC Tanácsadó és Szolgáltató Bt. 3 BUSZESZ Élelmiszeripari Zrt., H-1033 Budapest, Sorompó u Pannon Egyetem, 8200 Veszprém, Egyetem út 10. Összefoglaló Inert töltettel ellátott mechanikus gejzírszárítóban vizsgáltuk porformátumú gumiarábikum elıállítási lehetıségét. A vizsgálatok célja az volt, hogy egy meglévı szárító üzembe helyezéséhez adatokat szolgáltassunk. Az élelmiszeriparban széles körben használt hidrokolloidok fontos képviselıje a gumiarábikum, és mint ilyen, szárításánál figyelembe kell venni hıérzékenységét. A gumiarábikum nyers, kemény gyantaszerő gömbjeinek jellemzı feldolgozási folyamata oldatkészítési, szőrési, szárítási lépésekbıl áll. Elıírt minıségi követelmények a por alakú termékkel szemben a következık: nedvességtartalom <10 %, átlagos szemcseméret <300 µm, emellett fontos, szerkezethez kapcsolódó tulajdonságok a viszkozitás (20% szárazanyag tartalmú oldat esetén 25 C on: mpa.s) és az emulgeáló képesség megırzése. Vizsgáltuk a mőveleti paraméterek (szárítandó oldat koncentrációja, adagolás sebessége, szárító levegı hımérséklete, a belsı szállítócsiga forgási sebessége) hatását a szárítórendszer mőködésére és a termék paramétereire. Megállapítottuk, hogy az MGSZ berendezés alkalmas porformátumú gumiarábikum elıállítására, a termék elıírt minıségét biztosítani lehet a paraméterek megfelelı megválasztásával. A nagylabor kísérletek alapján adatokat szolgáltattunk egy üzemi szárító beüzemeléséhez. Summary The feasibility of production of acacia gum powder in a mechanically spouted bed dryer with inert packing was studied. The aim of the investigation was to provide data for a new drying technology realized by existing plant equipment. Hydrocolloids are widely used auxiliaries in food industry and as it, its heat sensitivity have to be considered during drying. The crude acacia gum exudates are processed from its solutions after filtration and heat treatment by drying. The quality requirements of the powder products are the followings: moisture content <10 %, average particle size <300 µm. Important characteristics ensued from its molecular structure have to be preserved: the viscosity (20% solution (on dry base) at 25 C: mpa.s) and the emulsifying capability. The effect of operational parameters (the concentration of the solution to be dried, inlet temperature, feeding rate, the rotational speed of the screw) was investigated on the operation of the dryer and the product characteristics. It was stated that the mechanically spouted bed dryer with inert packing is suitable equipment for production of acacia gum powder in the required quality. On the basis of pilot plant experiments data were provided for the installation of a commercial scale drying technology.

2 Bevezetés A hidrokolloidok jelentıs segédanyagai az élelmiszeriparnak, alkalmazzák ıket viszkozitás növelésére, sőrítésre, állagjavításra. Emellett számos egyéb felhasználásuk is ismert, úgymint gyógyszeripar, fotográfia, nyomda-, textil-, festékipar stb. A hidrokolloidok népes csoportját alkotják a széles felhasználási területet felölelı különbözı gumik, mint xantán gumi, arabgumi, guárgumi stb. A legjobb minıségő gumiarábikum (GA) vagy arabmézga a Szahara vidékén honos két arabmézgafa (Acacia senegal, A. seyal) szagtalan, gumiszerő váladéka. A nyers gumiarábikumot sárgás-rózsaszínes kb. 5 cm-es mézgagömbök formájában forgalmazzák. Feldolgozásakor oldat formában mechanikai tisztításon és hıkezelésen esik át, majd jellemzıen porlasztva szárítással porformátumként (acacia gum powder), ill. granulálással jobb oldási tulajdonságokkal rendelkezı instant formátumban forgalmazzák. Az élelmiszeriparban fontos alkalmazási területei: szirupok, gumi- és pillecukrok adalékanyaga, illetve fontos filmbevonatképzı és kolloid stabilizátorként használják. Legnagyobb mennyiségben aromák gyártásához használjak az üdítı iparban - emulzifikáló és stabilizaló tulajdonságai miatt -, de jelentıs a felhasználása az édesiparban, tekintve, hogy megakadályozza a cukor kikristályosodását. Fagylaltnál és tejszín tartalmú termékeknél is elterjedt az alkalmazása, krémessé teszi a termékeket. Filmképzı tulajdonsága miatt bevonásra alkalmas, így édességeknél valamint gyógyszereknél is alkalmazzak. Önállóan - mint 100% organikus termék - prebiotikumként is egyre jobban terjed a felhasználása. A gumiarábikum kémiailag a pektinekkel rokon anyag, száraztömegének 95%-a poliszacharid, a fennmaradó rész oligoszacharidok és glükoproteinek bonyolult összetételő elegye. Emulgeáló és stabilizáló hatását a hidrofil szénhidrát és a hidrofób fehérje együttes jelenléte biztosítja. Az emulgeáló képességét nagymértékben befolyásolja a gumiban jelenlevı ún. arabinogalaktán protein mennyisége és molekulatömege (Padala et al., 2009). A gumiarábikum oldatának szárítása során bekövetkezı hıkezelés és a nedvességelvonás mértéke befolyásolhatja a szerkezetalkotó proteinek stabilitását és szerkezetét, a termék emulgeáló képességének mértékét, ezért a megfelelı szárítási technológia kidolgozása döntı fontosságú a termék minısége szempontjából. Korábbi vizsgálataink azt mutatták, hogy az inert töltettel ellátott mechanikus gejzírszárító (MGSZ) alkalmas hıérzékeny anyagok (pl. fehérje oldatok, paradicsom, élesztı) szárítására (Tóth, Pallai-Varsányi, 2007). Az inert szemcsék felületén kialakuló vékony filmrétegben történı szárítás rövid tartózkodási idıket tesz lehetıvé, mely a viszonylag magasabb hımérsékleten is kedvezı szárítási feltételeket biztosít a szárítandó anyag szerkezeti tulajdonságai megırzésében. Kísérleteink célja az volt, hogy megvizsgáljuk gumiarábikum oldat szárítási lehetıségét inert töltettel ellátott laboratóriumi mérető gejzírszárítóban annak érdekében, hogy adatokat szolgáltassunk egy meglévı üzemi mérető berendezésben történı szárítási technológia megvalósításához. A kísérletek lépései a következık voltak: I. Elıkészítı vizsgálatok: oldatkészítés, gumiarábikum oldatok viszkozitásának koncentrációfüggése, tisztítás a mechanikai szennyezıktıl, szőrési vizsgálatok. II. Szárítási kísérletek: szárítandó oldat koncentrációja, hımérséklet, adagolási sebesség hatásának vizsgálata a szárítás folyamatára. III: A termék emulgeáló képességének vizsgálata. 2

3 I. Elıkészítı vizsgálatok A gumiarábikum minısítése, ill. minıségének ellenırzése meglehetısen szerteágazó feladat. A piacon lévı forgalmazók különbözı minıségi és technikai adatlapokat készítenek, a leendı vásárlók igényei is változnak a minısítéssel kapcsolatban. A gumiarábikum nyersanyagok és porformátumú termékek számos, minıséget meghatározó paramétere közül a viszkozitás, nedvességtartalom, és szemcseméret meghatározását részletezzük. A következıkben ismertetjük a mérésekkel kapcsolatos tapasztalatokat, elıször a legfontosabb jellemzı, a viszkozitás mérésével kapcsolatos vizsgálatokat mutatjuk be. Gumiarábikum viszkozitásának vizsgálata Laboratóriumunkban egy vibrációs elven mőködı, SV-10 Vibroviscosimeter állt rendelkezésre. Általában a forgalmazótól, ill. a felhasználótól függ, hogy milyen koncentrációjú oldatokban és milyen hımérsékleten adják meg a kívánt viszkozitást. Az erre vonatkozó jellemzı értékeket az 1. táblázatban mutatjuk be. 1. táblázat Gumiarábikum elvárt viszkozitás értékei Vizsgálati körülmények Viszkozitás (mpa.s) 20 %, 25 C %, 20 C %, 20 C A gumiarábikum hidratálása viszonylag lassú folyamat, eközben változik a viszkozitása is. Fontos volt ezért megvizsgálni, hogy mennyi idıt kell hagyni az oldás után a hidratálásra, mielıtt mérjük a mintát. A nyersanyagból való mintavétel is egy szempont, mivel természetes, darabos anyagról van szó, különösen kistömegő beméréseknél eltérı eredményeket kaphatunk. Mivel a viszkozitás értéke jelentıs minısítı paraméter, ezért ezeket a szempontokat mindenképpen figyelembe kell venni a vizsgálatoknál, melyek alapján a következı megállapításokat tettük: - a minták nedvesség tartalmának mértéke befolyásolja a viszkozitás értékét, ezért mindig meg kell adni, hogy a koncentráció szárazanyagra vagy bemért tömegre (névleges koncentráció) vonatkozik-e (minıségi adatlapokon ez nem mindig egyértelmően megadott információ), - nyersanyagoknál nagyobb beméréssel vagy párhuzamos mérésekkel lehet átlag viszkozitás értéket meghatározni, - a szárítmányoknál jó párhuzamos értékek adódnak, az oldatkészítés során egy átlagmintát kapunk a nyersanyagot tekintve, - az oldatkészítés után 1 éjszakát kell hagyni a teljes hidratálódásra, - amennyiben hígítással készítünk különbözı koncentrációjú oldatokat, 1 órát állni kell hagyni az oldatot (itt már elızetesen megtörtént a hidratálódás, csak átrendezıdnek a polimer molekulák az oldatban). A nyersanyagokat és a termékeket e szempontok alapján vizsgáltuk. A kísérletekhez az üzemeltetı a 2. táblázatban felsorolt gumiarábikum mintákat adta át. Mint látható, beszállítótól függıen a gumiarábikum minısége jelentısen különbözhet egymástól. Elızetes kísérletekhez a Cleaned 1, a nagylabor mérető vizsgálatokhoz pedig a Cleaned 4 alapanyagot használtuk, melynek 20 m/m% -os (szárazanyagra von.) viszkozitása 25 C-on az elıírt mpa.s között van (20 %-os névleges oldatának viszkozitása 25 C-on 63,7 mpa.s). 3

4 2. táblázat Vizsgált gumiarábikum alapanyagok Minta jelzet Egyéb jellemzı Viszkozitás 20% -os oldat, 25 C (száraz anyagra von.) Nedvesség tartalom m/m % Cleaned A szemcsés 103 mpa.s 8,98 Cleaned B szemcsés 59,1 mpa.s 9,37 Cleaned C szemcsés 51,8 mpa.s 10,68 Cleaned 1 szemcsés 39,8 mpa.s 9,21 Cleaned 4 szemcsés 72,8 mpa.s 8,63 Spray dried (SD)* fehér, porszerő 44,6 mpa.s 8,46 * forgalomban lévı, porlasztva szárított gumiarábikum, összehasonlításul Nedvességtartalom meghatározása A nyersanyagok nedvességtartalmát dörzsmozsárban történt porítás után, a porformátumokét közvetlenül Sartorius Thermo Control YT 01 L gyorsnedvesség mérı készülékben, 105 C-on súlyállandóságig tartó szárítással mértük. A nyersanyagok nedvességtartalma jellemzıen 8-11 % között mozog. A termékre a minıségi elıírása 10 % alatti értéket ad meg. A szárítmányok szemcsemérete A szemcseméret analízist Malvern Mastersizer 2000 lézer diffrakciós készülékkel és szitaanalízissel végeztük. A két elemzés eredményét tekintve lényeges különbség, hogy szitaanalízissel tömegszerinti, nem folyamatos szemcseméret eloszlást, míg a lézeres módszerrel térfogatszerinti, folyamatos eloszlás görbét kapunk. A minıségi elıírás porlasztva szárított termékre 300 µm-nél kisebb szemcseméret. II. Szárítási kísérletek A gumiarábikum mechanikai tisztítása Irodalmi adatok alapján a gumiarábikumból kb. 50 m/m%-os oldat készíthetı. Az oldat különbözı mechanikai szennyezıket tartalmaz (fadarabok, homok). Az oldat szőrését nehezíti, hogy koncentrációjának növekedésével exponenciálisan nı az oldat viszkozitása (példának az Cleaned 1 jelő alapanyag viszkozitás változását mutatjuk be az 1. ábrán) y = 1,1319e 0,1817x R² = 0,996 Viszkozitás, mpas Nyers gumiarábikum szárazanyag tartalma, m/m % 1. ábra Nyers gumiarábikum viszkozitásának változása az oldat koncentrációjával Szőrési próbát végeztünk 16,62 cm 2 felülető nyomószőrıvel, 1,5 bar nyomással, sőrített levegıvel, 4-5 µm-es BEKO K1 elıszőrı betétet használva. Az eredmények azt mutatták, 4

5 hogy 30 %-os töménységig az oldatok jól szőrıdnek. A szőréssel eltávolított mechanikai szennyezık aránya 1 % alatt van. A szárítás elve, az alkalmazott berendezés Hıérzékeny anyagokat tartalmazó oldatok vagy nagy nedvességtartalmú szuszpenzióik nedvességének elvonása meglehetısen nehéz feladat. Nagy hı- és anyagátadási felületek biztosítása szükséges a rövid száradási idı, valamint a megengedett, viszonylag alacsony szárítási hımérséklet eléréséhez. Ilyen jól szabályozható szárítási körülmények biztosíthatók a belsı szállítócsigával ellátott mechanikus gejzír-szárítóban, az ún. MGSZ-berendezésben. Eltérıen a hagyományos gejzír elven mőködı szárítóktól, ahol a szemcsemozgást a megfelelı levegıáram biztosítja, az MGSZ-szárítóban a szemcseréteg cirkulációját a szárító függıleges tengelye mentén beépített, ház nélküli szállítócsiga tartja fenn, ezáltal a szárítólevegı térfogati sebessége a szárítás igényének megfelelıen választható meg. A felmelegített levegı a szárító kúpos alján, réseken keresztül, tangenciális irányítottsággal lép be, jelentıs sebességgel. E térrészben intenzív a gáz-szilárd fázisok érintkezése, ennek következtében a száradás lényegében a kúpos szárítóaljban megy végbe. Inert töltetet alkalmazva nagy nedvességtartalmú, hıérzékeny anyagok kíméletes szárítása valósítható meg. A szárítás elvének részletei korábbi publikációkban megtalálható (Pallai-Varsányi et al., 2007). Elızetes kísérleteket egy laboratóriumi mérető berendezésben végeztünk. A nagylaboratóriumi berendezés kiinduló mőveleti paramétereit a 3. táblázatban SZ-14-gyel jelölt kísérlet alapján állítottuk be. A szárítórendszer vázlata a 2. ábrán látható. A gumiarábikum-oldatot a szárító két oldalán vezettük be a csúszó rétegő tömörebb rétegzónába, perisztaltikus szivattyú segítségével. A szárítóból a levegıárammal kilépı száraz porterméket ciklonnal, majd sőrőszövéső zsákos porszőrıvel választottuk le. A hımérséklet és a levegıáram szabályozása folyamatirányító számítógéppel történt. Kilépı levegı Szuszpenzió tartály Tki Belépı levegı Tbe Termék PC 1- Hengeres szárítótest 5- Hıcserélı 2- Kúpos alj 6- Tang. Légbevezetés 3- Iner t töltet 7- Adagoló szivattyú 4- Háznélküli szállítócsiga 8- Ciklon/zsákos szőrı 9, 10- Hımérséklet és relatív páratartalom mérı 2. ábra Az inert töltetes, mechanikus gejzír szárítórendszer vázlata 5

6 A továbbiakban vizsgáltuk a mőveleti paraméterek változtatásának hatását a termék tulajdonságaira, úgymint a szárítandó oldat koncentrációja, a belépı levegı hımérséklete, az adagolási sebesség és a csiga forgási sebességének hatása a termék tulajdonságaira. Állandó paraméterek voltak: szárító levegı térfogati sebessége, az inert töltet a megbízó által biztosított fröccsöntéssel készült hıálló polimer golyókból állt és mennyisége állandó volt. A 3. táblázatban néhány jellemzı kísérletet mutatunk be, melyek jellemzıek a technológia által nyújtott szabályozhatóságra. Az SZ15 kísérletben 20 %-os oldatot szárítottunk, de a kitermelhetı anyag mennyiségének növelése érdekében megnöveltük a szárítandó oldat koncentrációját 30 %-ra az SZ19-es kísérletben. A termék nedvességtartalmát elsısorban a belépı anyag nedvességtartalma, ill. a bemenı/kimenı hımérséklet határozza meg. A termék minısége szempontjából a nedvességtartalomnak 10 % alatt kell lennie, ehhez 80 és 100 Cos bemenı levegı hımérséklet lehet optimális, az alkalmazott kísérleti körülmények között. A gumiarábikum hıérzékeny anyag, irodalmi adatok szerint 80 C-on való hıkezelése során még nem sérül a makromolekulák szerkezete (Al-Assaf et al., 2009), megırzi hidrokolloid tulajdonságait. 100 C-os bemenı levegı esetében a réteg és a kimenı levegı hımérséklete közel 60 C-os, tehát a 100 C is alkalmazható szárítási hımérséklet. További hımérsékletemelésnél figyelembe kell venni az inert töltet hıtőrı képességét és gazdasági számításokat is. Az SZ21 és SZ22 kísérletek azt mutatják, hogy az adagolás növelésével a termék nedvességtartalmát növelni lehet: a golyók felületén képzıdı vastagabb rétegben lassúbb a vízelvonás, ami magasabb víztartalmat eredményez, de a vastagabb réteg kevésbé kopik, mivel a kinyert termék tömege csökkent az SZ21 kísérlethez képest. Az SZ36- os kísérletben megnöveltük a csiga fordulatszámát 600 ford/perc-re, növelve ezzel a koptatás hatékonyságát. Az adagolási sebesség további növelése már nem volt lehetséges a nagylabor berendezésben, mert az oldat egyenletes eloszlatása az inert töltet felületén már nem volt biztosítva, kismértékben összeragasztva az inert töltetszemcséket. Az eljárás üzemi mérető berendezésben való alkalmazásához további optimalizálásra volt szükség, melyet itt nem részletezünk, iparjogvédelmi szempontok miatt. Az inert töltetes mechanikus gejzírszárítóban kidolgozott eljárás szabadalmaztatás alatt áll. 3. táblázat Gumiarábikum szárítási kísérletei nagylabormérető MGSZ berendezésben Minta c * m/m% M g n f/perc T(be) 0 C T(ki) 0 C w ml/perc m t g M sz m/m % viszkozitás 25 0 C**, mpa.s SZ ,7 3,53 54,6 8, Sz ,6 9,04 233,7 7, Sz ,6 9,65 288,3 7,73 53,30 0,063 Sz ,3 9,75 332,6 10,26 47,50 0,056 Sz ,3 9,76 415,5 5,80 52,00 0,098 Sz ,4 12,11 351,0 6,54 52,10 - Sz ,6 12,30 906,4 6,19 53,00 0,082 Sz ,3 11, ,0 6,72 58,30 0,070 c: a szárítandó oldat koncentrációja, M: a szárítandó oldat tömege, w: a szárítandó oldat adagolási sebessége, n: fordulatszám, T(be): a szárító levegı belépı hımérséklete, T(ki): kilépı levegı hımérséklete, m t: a kinyert termék tömege, M sz: a termék nedvességtartalma, d átlag :átlagos szemcseméret szitaanalízis alapján, *: névleges koncentráció, **: 20 m/m%-os (névleges), d átlag, mm 6

7 A kiindulási Cleaned 4 alapanyag 20 %-os névleges oldatának viszkozitása 63,70 mpa.s volt. A szárítmányok viszkozitása ennél alacsonyabb, de eléri az elıírt mpa.s közötti értéket, a bemutatott mintáknál eléggé változó az értéke: 47,50 55,30 mpa.s. A 60 C-on szárított Sz20-as termék viszkozitása 20%-os (névleges) oldatban 25 C-on alatta marad az 50 mpa.s értéknek, de a nedvességtartalma is magas, 10,26 %. A minták átlag szemcsemérete jellemzıen 100 µm alatt van, eloszlásuk alapján a szemcséknek mintegy 80 %-a 100 µm alatti, nagyon finom por. A 3. ábrán az SZ36-os termék eloszlását mutatjuk be. Volume (%) Particle Size Distribution gumiar_36, július 12. 9:33:41 Particle Size (µm) 3. ábra Az SZ-36 jelő termék szemcseméret eloszlása (etanolban mérve) III. A termék emulgeáló képességének vizsgálata A gumiarábikum minısítésének fontos jellemzıje az emulgeáló képesség. Ez már a természetes eredető alapanyag felhasználási területének meghatározásában is szerepet játszik, de a szárítási folyamat megfelelıségének is jellemzıje lehet. Az emulgeáló képesség vizsgálatát Aoki et al. (2007) leirata alapján végeztük. A módszer lényege röviden: 20% GA-t, 0,12% nátrium-benzoátot, 0,13% citromsavat és 20% MCT (Medium-chain triglycerides) olajat tartalmazó elegyébıl emulziót készítünk, oly módon, hogy az emulzió cseppek 90%-a 1 µm alatt legyen. (Elıször gyorsfordulatszámú keverıvel elıemulgeálást végeztünk, majd a további kezelés ultrahangos szonikálással történt). Az emulziót 60 C-on hıkezeljük 3 és 7 nap idıtartamig. Az emulzió cseppméret eloszlását Malvern Mastersizer 2000 lézerdiffraktométerrel elemezzük. A 4. ábrán egy üzemi kísérlet nyersanyagának (EM39) és az ebbıl készült porformátumú terméknek (EM40) emulzió stabilitási vizsgálati eredményeit mutatjuk be, példaként. Az elıállított gumiarábikum portermékek emulgeáló képessége a szárítás következtében a nyersanyagéhoz képest nem változott. A két minta jellemzı eloszlás értékei - az a méret, mely alatt a minta 10, 50 és 90%-a van (d(0,1) stb.), ill. a térfogati átlagméret (D(4,3) kis hibával azonosak. Végsı következtetésként megállapítottuk, hogy az MGSz berendezésben végzett szárítás alkalmas a gumiarábikum porformátumú termékének elıállítására: a termékek kielégítik a szárított gumiarábikummal szemben támasztott minıségi követelményeket. A fenti kísérletek alapján üzemi termelés folyik. 7

8 2,0 Cseppméret eloszlások, mikron 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 EM-39 EM-40 EM-39 3nap EM-40 3nap EM-39 7nap EM-40 7nap d (0.1) d (0.5) d (0.9) D [4, 3] Hıkezelések 60 C-on 4. ábra A GA nyersanyag és a szárított termékek emulgeáló képessége Irodalom Aoki H. Katayama T. Ogasawara T. Sasaki Y. Al-Assaf S. Glyn O. Phillips G. O. (2007), Characterization and properties of Acacia senegal (L.) Willd. var. Senegal with enhanced properties (Acacia (sen) SUPER GUM TM ): Part 5. Factors affecting the emulsification of Acacia senegal and Acacia (sen) SUPER GUM TM (2007) Food Hydrocolloids 21, Al-Assaf S. Sakata M.. McKenna C. Aoki H. Phillips G. O. (2009), Molecular associations in acacia gums, Structural Chemistry, 20(2), Padala S. R. Williams P. A. Philips G. O. (2009), Adsorption of Gum Arabic, Egg White Protein, andtheir Mixtures at the Oil-Water Interface in Limonene Oil-in-Water Emulsions, J. Agric. Food Chem. 57, Pallai-Varsányi E. Tóth J. Gyenis J. (2007), Drying of suspensions and solutions on inert particle surface in mechanically spouted bed dryer, China Particuology, 5, Tóth J. Pallai-Varsányi E. (2007), Mikroszemcsés bovin szérum albumin elıállítása kíméletes szárítással, Magyar Kémiai Folyóirat, 113(3), Köszönetnyilvánítás Köszönet illeti Dr. Pallai Ivánnét hasznos tanácsaiért, Dr. Szentmarjay Tibornét a lelkiismeretes labormunkáért. 8