Numerical and Experimental study of step-wise drying of carrots

Abstract

Carrot is widely consumed as it contains bioactive compounds such as carotene. However these are very sensitive to heat. Therefore, degradation behaviors during thermal process should be considered. This study aimed to study kinetics of moisture content, shrinkage and b-carotene degradation of carrot cubes subjected to hot-air drying. Several empirical models were fitted to experimental data obtained under different hot-air temperatures ranging from 60°C to 80°C. Based on the highest coefficient of determination (R2), lowest root mean square error (RMSE) and chi square (c2), the suitable equations were selected and employed to describe the change behavior of moisture, shrinkage and b-carotene. The results indicated that the Page and Modified Page models, the so-called Ratti model and the 2nd-order reaction kinetics equation suitably described the kinetics behaviors of moisture, shrinkage and degradation of beta-carotene, respectively. Finite element model was used against data of moisture ratio experiments at constant drying conditions 60, 70 and 80°C. The two-stage drying at 60 to 70°C and 60 to 80°C showed the moisture content obtained from the model relative to the results. However, step drying, moisture content and drying time decrease faster than constant temperature drying. Prediction of beta-carotene obtained from step drying at 60 to 70°C and greater beta-carotene content than drying at 60 to 80°C. Due to the process drying of both temperature ranges, the beta-carotene content of dried carrots was reduced to less than that at the constant temperature of 60°C. The prediction of carrot shrinkage obtained from step drying at 60 to 70°C and 60 to 80°C resulted in less shrinkage of carrots than that of step drying at 60 to 80°C has more shrinkage of carrots than drying at 60 to 70°C. Consequently, all suitable kinetics model and Finite element model obtained in this work can be further used as a basis for design and optimization purposes.

แครอทเป็นพืชที่มีการบริโภคอย่างกว้างขวางมีคุณค่าทางอาหารโดยเฉพาะสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพเบต้าแคโรทีน แต่เนื่องจากสารเบต้าแคโรทีนมีความไวต่อการสูญเสียจากความร้อน ดังนั้นจึงควรพิจารณาพฤติกรรมการสลายตัวของสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพในระหว่างกระบวนการแปรรูปด้วยความร้อน การศึกษานี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาจลนศาสตร์ของปริมาณความชื้น การหดตัวและการสลายตัวของเบต้าแคโรทีน โดยใช้แครอททรงลูกบาศก์เป็นวัสดุที่ใช้ในการทดสอบ และใช้ระบบอบแห้งลมร้อนในการทดสอบนี้ เพื่อเปรียบเทียบกับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อหาสภาวะการอบแห้งที่เหมาะสมกับการทดลองภายใต้อุณหภูมิอบแห้งอุณหภูมิคงที่ 60, 70 และ 80oC โดยเปรียบเทียบกับค่าสถิติการวิเคราะห์สหสัมพันธ์ (R2) ที่มีค่ามาก และค่าเฉลี่ยความผิดพลาดกําลังสอง (RMSE) และไคสแควร์ (c2) เลือกค่าข้อมูลที่มีค่าน้อย เพื่อเป็นข้อมูลที่ให้ในการตัดสินใจในการอธิบายและทำนายค่าสมการที่เหมาะสมและใช้เพื่ออธิบายพฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงของความชื้น การหดตัวและเบต้าแคโรทีน ผลการวิจัยพบว่าแบบจำลอง Page and Modified Page เหมาะสมที่สุด สำหรับใช้อธิบายพฤติกรรมการอบแห้งแครอท ส่วนแบบจำลองของ Ratti และสมการจลนศาสตร์ลำดับที่ 2 อธิบายพฤติกรรมจลนศาสตร์ของการหดตัวและการสลายตัวของเบต้าแคโรทีน ตามลำดับ การใช้แบบจำลองไฟไนเอลิเมนต์เทียบกับข้อมูลผลการทดลองอัตราส่วนความชื้นที่สภาวะการอบแห้งคงที่ 60, 70 และ 80°C และการอบแห้งแบบสองขั้นตอนที่อุณหภูมิ 60 เป็น 70°C และ 60 เป็น 80°C ค่าความชื้นที่ได้จากแบบจำลองมีค่าใกล้เคียงกับผลการทดลอง แต่การอบแห้งแบบขั้นตอนปริมาณความชื้นและเวลาในการอบแห้งลดลงเร็วกว่าการอบแห้งแบบอุณหภูมิคงที่ การทำนายปริมาณเบต้าแคโรทีนที่ได้จากการอบแห้งแบบขั้นตอนที่อุณหภูมิ 60 เป็น 70°C และ มีปริมาณเบต้าแคโรทีนมากกว่า การอบแห้งที่อุณหภูมิ 60 เป็น 80°C แต่การอบแห้งแบบขั้นตอนของทั้งสองช่วงอุณหภูมิพบว่าปริมาณเบต้าแคโรทีน ของแครอทอบแห้งมีปริมาณลงเหลือน้อยกว่าการอบแห้งแบบคงที่ที่อุณหภูมิ 60°C และผลการทำนายการหดตัวแครอทอบแห้งที่ได้จากการอบแห้งแบบขั้นตอนที่อุณหภูมิ 60 เป็น 70°C และ 60 เป็น 80°C การหดตัวแครอทน้อยกว่าการอบแห้งแบบขั้นตอน โดยการอบแห้งที่อุณหภูมิ 60 เป็น 80°C มีการหดตัวของแครอทมากกว่าการอบแห้งที่อุณหภูมิ 60 เป็น 70°C และการอบแห้งแบบคงที่ที่อุณหภูมิ 60°C ดังนั้นแบบจำลองจลนศาสตร์และแบบจำลองไฟไนเอลิเมนต์จึงเหมาะสมสำหรับการออกแบบการอบแห้งแครอทและช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการอบแห้งได้