Effects of Freezing on Drying Kinetics and Quality of Atmospheric Freeze Dried Watermelon

Abstract

Watermelon is a popular fruit due to its sweetness and refreshing flavor. The main components in watermelon flesh are water and sugars, which cause short shelf life and microbial spoilage. Drying is a common method to preserve agriculture products. However, drying might affect lycopene pigment which represents red color characteristic in the flesh of watermelon. The objective of this study was to investigate the effects of freezing and atmospheric freeze drying (AFD) on drying kinetic and quality of watermelon slice. Watermelon slices were frozen at 2 different temperatures (-18 and -40 °C) before drying. Drying process was conducted for 75 hours 36 minutes from step 1 to step 6. At the first drying period (step 1-5), temperature inside the drying chamber was increased from -24 °C to 1.6 °C and reached 7.2 °C in the second period (step 6). Temperature and relative humidity of air inlet and air outlet were monitored during the drying process for determination of sublimation rate using ideal gas law. In this study, sublimation was found in the first drying period. Freezing temperature significantly affected the water loss, especially in step 4 (p ≤ 0.05). The rate of sublimation at the freezing temperatures of -18 and -40 °C were 0.141 ± 0.01 and 0.138 ± 0.28 g/s, respectively at this step. Evaporation of water content of watermelon was found in Step 6, which was therefore used for modeling of drying kinetics. Page's and Modified Page's equations were the best models to describe drying behaviors of watermelon with the high R2 (0.9998 – 0.9999) and low RMSE (0.01 – 0.15). Freezing at -18 °C affected the shrinkage of dried products more than that -40 °C. The influence of different drying methods (tray drying; TD, freeze drying; FD, and AFD) on quality of dried watermelon were also investigated. AFD and FD showed high potential to preserve lycopene in dried products with the contents of 0.92 ± 0.03 and 1.29 ± 0.03 mg/g dry matter, respectively. There was no difference between hue angle values of the dried products obtained from AFD and fresh watermelon. Thuse, freezing at -40 °C was more suitable for watermelon preparation before AFD drying as compared with freezing at -18 °C.

แตงโมเป็นผลไม้ที่ได้รับความนิยมมีรสชาติหวานเย็น มีคุณสมบัติให้ความรู้สึกสดชื่นแก่ผู้บริโภค เนื่องจากมีน้ำและน้ำตาลเป็นองค์ประกอบหลัก ทำให้เนื้อแตงโมเกิดการเสื่อมเสียคุณภาพได้ง่าย การทำแห้งเป็นวิธีการถนอมอาหารที่ง่าย ใช้ยืดอายุการเก็บรักษาผลผลิตทางการเกษตร แต่อาจมีผลต่อคุณภาพและปริมาณไลโคปีน (lycopene) ซึ่งเป็นรงควัตถุที่สำคัญที่ให้คุณลักษณะสีแดงในแตงโม งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อ ศึกษาอิทธิพลของการแช่เยือกแข็งและการทำแห้งแบบแช่เยือกแข็งที่ความดันบรรยากาศ (Atmospheric freeze drying; AFD) ต่อจลนพลศาสตร์การทำแห้งและคุณภาพของชิ้นแตงโม โดยการแช่เยือกแข็งก่อนการทำแห้งที่ 2 สภาวะ ได้แก่ ที่ -18 °C และ -40 °C และนำไปทำแห้งตามโปรแกรมอัติโนมัติซึ่งมีขั้นตอน 6 step ในช่วงที่ 1 (step ที่ 1 – 5) อุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก -24 °C ไป 1.6 °C และในช่วงที่ 2 (step ที่ 6) อุณหภูมิ 7.2 °C ใช้ระยะเวลารวมทั้งสิ้น 75 ชั่วโมง 36 นาที ในระหว่างการทำแห้งมีการติดตามความชื้นสัมพัทธ์ขาเข้าและขาออกเพื่อคำนวณปริมาณน้ำที่หายไปจากการระเหิดอ้างอิงจากกฎสมดุลก๊าซ จากการทดลองพบว่า ในช่วงที่ 1 เกิดการทำแห้งแบบระเหิด การแช่เยือกแข็งที่อุณหภูมิ -18 และ -40 °C มีผลอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ (p ≤ 0.05) ต่อการสูญเสียน้ำใน step 4 ซึ่งมีอัตราการระเหิดเท่ากับ 0.141 ± 0.01 และ 0.138 ± 0.28 กรัมต่อวินาที ตามลำดับ การทำแห้งใน step 6 เกิดการระเหยของน้ำ จึงได้นำมาทำนายจลนพลศาสตร์การทำแห้ง จากการทดลองพบว่า สมการของ Page และ Modified page สามารถทำนายพฤติกรรมการทำแห้งได้ดีที่สุด ซึ่งให้ค่า R2 สูง (0.9998 – 0.9999) และ RMSE ต่ำ (0.01 – 0.15) การแช่เยือกแข็งที่อุณหภูมิ -18 °C ส่งผลต่อการหดตัวของชิ้นแตงโมมากกว่าที่อุณหภูมิ -40 °C เมื่อทำการเปรียบเทียบวิธีการทำแห้งที่ต่างกัน ได้แก่ การทำแห้งด้วยตู้อบลมร้อนแบบถาด (Hot air drying) การทำแห้งแบบแช่เยือกแข็ง (Freeze drying, FD) และการทำแห้งวิธี AFD พบว่าการทำแห้งแบบ AFD สามารถรักษาปริมาณไลโคปีนได้ไม่ต่างจากการทำแห้งแบบ FD ซึ่งมีปริมาณไลโคปีนเท่ากับ 0.92 ± 0.03 และ 1.29 ± 0.03 mg/g dry matter สำหรับแตงโมที่ผ่านวิธี AFD และ FD ตามลำดับ ค่า Hue angle ซึ่งแสดงมุมของสีของเนื้อแตงโมที่ทำแห้งด้วย AFD ไม่ต่างจากเนื้อแตงโมสด ในขณะที่เนื้อสีขาวติดเปลือกของแตงโมที่ได้จากการทำแห้งด้วยตู้อบลมร้อนแบบถาดให้ค่า Hue angle ใกล้เคียงของสด ดังนั้นการแช่เยือกแข็งที่ -40 °C มีความเหมาะสมสำหรับการเตรียมวัตถุดิบก่อนการทำแห้งแบบ AFD เมื่อเปรียบเทียบกับการแช่เยือกแข็งที่ -18 °C