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L’essiccazione della frutta comporta la rimozione dell’acqua in diverse forme (sia libera che legata) e quantità diverse. La quantità e le modalità di rimozione dell’acqua cambiano la struttura della frutta a seconda del tipo di legame e determinano anche il carattere del materiale essiccato ricostituito. Tra le varie forme di legame dell’acqua, la più forte è il legame chimico, fisico-chimico, seguito da adsorbimento, osmotico, micro e macrocapillare, e, infine, reidratazione. Durante l’essiccazione, l’acqua legata più debole viene rimossa per prima. Rimuovere l’umidità rompendo legami più
forti richiede energia. La rimozione dell’acqua libera non modifica il carattere del materiale né nello stato secco né in quello reidratato. Sono necessarie energie significativamente più elevate e procedure speciali per rimuovere l’acqua legata, cioè per decomporre le energie di legame più elevate.
Mettendo materiale umido in uno spazio chiuso, le molecole d’acqua passano allo stato gassoso, formando una miscela di aria e vapore acqueo. Allo stesso tempo, le molecole del vapore acqueo assorbono sulla superficie del materiale inumidendolo. Dopo un dato tempo, il numero di molecole adsorbite sulla superficie del materiale e il numero di molecole che passano allo stato gassoso diventano uguali. In questo momento, c’è uno stato di equilibrio tra l’atmosfera gassosa nello spazio e il materiale solido. Lo stato dell’atmosfera gassosa può essere caratterizzato dalla sua attività dell’acqua, che è il rapporto tra la pressione parziale del vapore acqueo e la pressione parziale satura. L’umidità relativa di equilibrio del materiale può essere determinata dall’attività dell’acqua:
dove aw è l’attività dell’acqua, p1 è la pressione parziale dell’acqua nel cibo e p2 è la pressione di vapore saturo dell’acqua alla stessa temperatura. Il contenuto di umidità caratterizza lo stato del materiale, cioè il suo contenuto di acqua espresso in chilogrammo relativo a 1 kg di materiale essiccato. L’equilibrio tra l’atmosfera e il materiale umido è fortemente influenzato dalla temperatura.
La conoscenza della correlazione tra i vari fattori che influenzano l’equilibrio ha un’importanza primaria per la tecnologia di essiccazione, poiché lo stato di umidità dell’aria determina il contenuto di umidità finale raggiunto alla temperatura di essiccazione.
La conoscenza della correlazione tra i vari fattori che influenzano l’equilibrio ha un’importanza primaria per la tecnologia di essiccazione, poiché lo stato di umidità dell’aria determina il contenuto di umidità finale raggiunto alla temperatura di essiccazione. La relazione tra le tre caratteristiche dello stato rende possibile avere un’isoterma di assorbimento che rappresenta la funzione del contenuto di umidità del materiale con l’attività dell’acqua a temperatura costante. La determinazione delle isoterme di assorbimento viene effettuata mediante misurazioni effettive o teoriche. La conoscenza delle isoterme di assorbimento di un materiale è di primaria importanza dal punto di vista pratico. Per garantire un prodotto con il contenuto di umidità richiesto, vengono utilizzate isoterme di assorbimento per determinare lo stato dell’aria (temperatura, contenuto di vapore relativo). La temperatura e il contenuto di vapore relativo, predicono l’inumidimento e il deterioramento di un prodotto essiccato con un determinato contenuto di umidità durante lo stoccaggio. Inoltre, ha una grande importanza nella selezione della procedura di essiccazione e nella previsione dell’essiccabilità, della forza legante dell’umidità e della durata di conservazione del frutto. Se sull’isoterma di assorbimento, il basso contenuto di umidità si riferisce ad un alto valore aw, il materiale è altamente igroscopico e l’asciugatura può essere eseguita solo con cura in uno spazio climatizzato o sottovuoto. Le procedure di essiccazione con aria secca possono essere utilizzate anche per frutti con un contenuto di umidità più elevato, ad esempio frutta a basso valore aw. La progettazione di qualsiasi processo in cui è coinvolto il trasferimento di calore richiede la conoscenza della densità e delle proprietà termiche dei frutti in lavorazione.
L’essiccazione di un materiale umido e la diminuzione dell’attività dell’acqua comportano l’evaporazione dell’acqua legata, dall’interno del materiale solido verso l’atmosfera. La rottura dei legami idrici, il rilascio e il trasferimento di calore collegato al cambiamento di fase richiedono energia. L’essiccazione può essere effettuata con diversi tipi di energia di essiccazione: energie convettive (aria calda), di contatto (superficie riscaldata), radiative (raggi infrarossi) e di eccitazione (microonde).
Con l’essiccazione convettiva, l’aria riscaldata a basso contenuto di umidità incontra il materiale umido e, di conseguenza, l’umidità si sposta sulla superficie del materiale e quindi nell’aria di essiccazione. I compiti dell’aria calda, sono di trasferire calore al materiale da essiccare per stabilire il potenziale di essiccazione, e trasferire l’umidità nell’aria. Nell’essiccazione per contatto, il calore dilatato per conduzione dalla superficie raffreddata del materiale fa evaporare l’umidità. Con l’essiccazione a infrarossi, il calore si diffonde da un corpo radiante, che può essere una lampada spot, un pezzo di metallo riscaldato o ceramica, direttamente al materiale da essiccare. Questo metodo può essere ben applicato usando l’essiccazione sottovuoto per materiale molto piccolo o tritato. Per lo scambio di calore per estensione, i materiali costituiti da molecole altamente polarizzate assorbono l’energia dell’eccitazione, con conseguente calore necessario per asciugare il materiale. Utilizzando questo metodo, liquidi, paste e materiali altamente macinati possono essere movimentati rapidamente e senza deterioramento del prodotto. L’essiccazione sottovuoto può essere utilizzata per materiali sensibili al calore con basso contenuto di umidità. In un vuoto senza mezzi di trasferimento, lo scambio termico convettivo non può essere applicato.
Il fenomeno dell’essiccazione è simile indipendentemente dal metodo di essiccazione. Il metodo più utilizzato nell’industria della lavorazione della frutta è l’essiccazione convettiva.
Il materiale umido (frutto) viene posto in uno spazio d’aria con un tenore di umidità relativa inferiore all’umidità relativa di equilibrio del materiale; l’umidità viene trasferita dal materiale solido (frutto) al mezzo di essiccazione (spazio aereo). L’acqua si muove dal solido (frutto) e si trasforma in vapore all’interno o sulla superficie del materiale solido. Questo vapore si muove in superficie e va nell’aria. In alcuni materiali, come i gel, il trasporto di umidità è causato dal flusso di diffusione dell’acqua nel materiale dato. Questo flusso di diffusione è avviato dalla differenza di densità di umidità del materiale. La maggior parte degli alimenti sono materiali porosi capillari-colloidali in cui può verificarsi un trasporto simultaneo liquido-vapore. Il carattere e la direzione di questo trasporto dipendono dalla consistenza, dalla forma e dalla relazione di capillari e pori. Il vapore prodotto dall’evaporazione dell’acqua nella struttura capillare-porosa fluisce per diffusione verso la superficie.
In condizioni stazionarie (temperatura costante, portata d’aria e contenuto di umidità dell’aria), i risultati sperimentali dell’essiccazione sono tracciati in base al tempo. Generalmente, il contenuto di umidità (X) relativo al materiale secco è mostrato in funzione del tempo (t).
Questo grafico mostra un caso tipico in cui l’umidità del materiale solido evapora prima dallo strato di umidità sulla superficie e diminuisce continuamente fino a quando l’acqua evapora dall’interno del materiale solido. Si può vedere che le variazioni nella velocità di essiccazione dipendono dal tempo e dal contenuto di umidità del prodotto a base di frutta. Questo cambiamento può essere visto meglio se la curva di essiccazione è differenziata e viene derivata una curva di portata di essiccazione. La velocità di essiccazione può essere presentata in funzione del periodo di essiccazione, come sotto.
Le curve per la velocità di essiccazione e la portata di essiccazione possono essere suddivise in più parti. Queste parti sono il risultato del meccanismo interno di essiccazione e dei cambiamenti che si verificano durante l’essiccazione. Nella prima fase di essiccazione, si verificano l’equalizzazione della temperatura e il trasporto dell’umidità. Nella fase successiva, che è il periodo di velocità costante, c’è un flusso di umidità costante verso la superficie. In questa fase, la superficie è sempre bagnata. L’umidità media misurata all’essiccazione della superficie è il cosiddetto contenuto di umidità critico. La velocità di essiccazione diminuisce dopo aver raggiunto il contenuto critico di umidità. L’essiccazione si arresta e la velocità di essiccazione diventa pari a zero quando il contenuto medio di umidità raggiunge il contenuto di umidità di equilibrio. Anche le dimensioni del materiale da essiccare sono di primaria importanza nel determinare la tecnologia di essiccazione.
La variazione lineare della dimensione del materiale cambia il periodo di asciugatura alla seconda potenza. Aumentando la temperatura di essiccazione, e quindi la velocità di asciugatura, il tempo di asciugatura viene ridotto e la capacità dell’apparecchiatura viene aumentata. Questo metodo è utile solo nel periodo di velocità costante perché la temperatura più elevata dell’aria di essiccazione non comporta aumenti significativi della temperatura del materiale. L’aumento della velocità di essiccazione nonostante migliori il trasporto dell’umidità in superficie, può portare alla precipitazione dei sali di soluto e provocare la formazione di crosta in superficie.
È necessario conoscere i fattori che determinano la qualità del prodotto finito, che può aiutare a stabilire i parametri della procedura di essiccazione. Il concetto di essiccazione ottimale deve includere il concetto di economia, ovvero l’applicazione ottimale del calore utilizzato per l’essiccazione. I fattori esterni che influenzano l’essiccazione sono i seguenti: temperatura, contenuto di umidità, portata, direzione del flusso d’aria di essiccazione e periodo di essiccazione. Questi fattori devono corrispondere alle proprietà del materiale da essiccare (varietà, contenuto d’acqua, dimensioni) e ai metodi di preparazione.