Lina Hu

Gedroogde vruchten, groenten en paddenstoelen kunnen zonder koeling worden opgeslagen en getransporteerd, wat hun houdbaarheid aanzienlijk verlengt. Onjuiste droogmethoden kunnen echter een nadelige invloed hebben op de textuur, kleur, sensorische eigenschappen en voedingswaarde. Aan de lucht gedroogde producten worden vaak taai en rehydrateren slecht, terwijl gevriesdroogde producten over het algemeen goed rehydrateren, maar de neiging hebben een overdreven zachte textuur te hebben. Met de bestaande droogtechnologieën blijft het behoud van de oorspronkelijke kwaliteit van voedsel een aanzienlijke uitdaging, waardoor gedroogde producten moeilijk de kwaliteit van verse kunnen evenaren (Hoofdstuk 1).

In dit proefschrift onderzoeken we of het serieel combineren van verschillende droogtechnieken het kwaliteitsbehoud van gerehydrateerde paddenstoelen kan verbeteren. We proberen ook de kritische factoren te identificeren die de rehydratieprestaties beïnvloeden door de microstructionele evolutie tijdens het drogen te bestuderen. Daarnaast hebben we een mechanistisch model van het drogen van paddenstoelen ontwikkeld om de warmte- en stofoverdrachtsprocessen die de microstructurele vorming bepalen, beter te begrijpen.

In Hoofdstuk 2 namen we de shiitake paddenstoel als casestudy en bestudeerden we verschillende combinaties van droogtechnieken, zoals instant gecontroleerde drukdaling drogen (DIC) en vriesdrogen (FD), voor porositeitsverbetering die de rehydratieprestaties verbetert. Deze behandelingen werden toegepast voor of na een extra droogstap bij lage (35 °C) of hoge (65 °C) temperaturen. Op basis van de principale componentenanalyse (PCA) op kwaliteitsindicatoren, waaronder relatief volume, rehydratiesnelheid, verlies van droge stof en sensorische scores, bleek de DIC-behandeling vóór het drogen met hete lucht op 35 °C de meest veelbelovende combinatie te zijn voor het verbeteren van de rehydratiekwaliteit.

Om de hypothese uit Hoofdstuk 2 te valideren, hebben we in Hoofdstuk 3 een vervolgstudie uitgevoerd. Gericht op de microstructurele ontwikkeling veroorzaakt door DIC, vergeleken we de algehele porositeit en connectiviteit tussen drie groepen: met hete lucht gedroogde monsters bij 35 °C (HA35), met DIC behandelde monsters en monsters onderworpen aan DIC gecombineerd met HA35. Onze bevindingen bevestigden dat het kritische temperatuurbereik voor schade aan het celmembraan tussen 30 °C en 40 °C ligt. Belangrijk is dat DIC-voorbehandeling een poreuze microstructuur creëert met een verhoogde porositeit, mits de producttemperatuur onder de kritische drempel van 40 °C blijft tijdens het daaropvolgende drogen.

Om een theoretisch model te ontwikkelen dat het fysieke proces van het drogen van paddenstoelen nauwkeurig weergeeft, onderzochten we in Hoofdstuk 4 de vocht-sorptie-isothermen (MSI's) van paddenstoelen, via zowel experimentele metingen als theoretische modellering. Onze analyse bracht variaties in MSI's en hysterese aan het licht tussen paddenstoelen die met verschillende methoden waren gedroogd. We hebben mogelijke oorzaken van deze variaties onderzocht.

Op basis van de Flory-Huggins (FH) theorie suggereren onze bevindingen dat eiwitdenaturatie de vochtsorptie of hysterese niet significant beïnvloedt. De integriteit van het celmembraan beïnvloedt primair de vochtsorptie en het waterhoudend vermogen bij een hoge relatieve vochtigheid. In plaats daarvan schrijven we de waargenomen verschillen in MSI en hysterese toe aan visco-elastische relaxatie. Deze conclusie wordt ondersteund door dynamische damp-sorptie (DVS) experimenten, die temperatuur- en vochtafhankelijk visco-elastisch gedrag in paddenstoelen lieten zien.

In het licht van deze bevindingen stellen we voor om elastische spanning op te nemen in de drijvende kracht van het drogen, in overeenstemming met de Flory-Rehner theorie. Om de ontwikkeling van de spanning in visco-elastische media tijdens het drogen nauwkeurig te beschrijven, stellen we voor om een apart model te adopteren, zoals het gegeneraliseerde Maxwell-model.

In Hoofdstuk 5 introduceren we een mechanistisch en meerfasenmodel voor het simuleren van het drogen met hete lucht van shiitake paddenstoelen. Het model integreert verschillende belangrijke fysieke verschijnselen, waaronder krimp, voorspelling van wateractiviteit op basis van de Flory-Huggins theorie, visco-elastische relaxatie beschreven door een uitgebreid Maxwell-model, en gekoppelde warmte- en stofoverdracht in een poreus medium. Het legt het kenmerkende drooggedrag van paddenstoelen vast, zoals langdurige interne verdampingskoeling en een scherpe temperatuurstijging tegen het einde van het droogproces. Het model werd gevalideerd aan de hand van experimentele gegevens bij meerdere droogtemperaturen en werd vervolgens toegepast om laag-veld NMR-resultaten te interpreteren, die de aanwezigheid van twee thermodynamische fasen met de twee verschillende waterpopulaties die overeenkomen met verschillende cellulaire compartimenten bevestigden. Door modelvoorspellingen te integreren met elektrische geleidbaarheid en NMR-gegevens, werden kritische drempels voor de integriteit van het celmembraan geïdentificeerd - specifiek wanneer de producttemperatuur de 40 °C overschrijdt of het vochtgehalte onder de 3% (w.b.) zakt. Deze bevindingen bieden een waardevol hulpmiddel voor verdere optimalisatie van de droogprocessen om de membraanintegriteit te behouden en daardoor de rehydratiekwaliteit te verbeteren.

In Hoofdstuk 6 reflecteren we op onze bevindingen in een bredere context. We bespreken DIC-behandelingen in de context van de huidige literatuur over serieel en parallel gecombineerd drogen. Verder zijn de gevonden condities voor het behoud van de integriteit van het celmembraan voor shiitake paddenstoelen waarschijnlijk toepasbaar op andere biologische materialen. Het toestandsdiagram van paddenstoelen kan de weg wijzen bij het ontwerpen van geoptimaliseerde droogprotocollen. We erkennen ook de huidige beperking van het ontwikkelde model in het mechanistisch beschrijven van grote deformaties en krimp, wat te wijten is aan de complexiteit van zachte materialen en het gebrek aan materiaaleigenschappen op cellulair niveau. Toekomstige modellen zouden de impulsbalans moeten bevatten om vochttransport, spanning en krimp te koppelen, waarbij mogelijk poromechanica en diffusie-deformatie-theorieën worden geïntegreerd. Daarnaast wordt het potentieel van T₂-NMR als een niet-destructief hulpmiddel voor het monitoren van waterdynamiek en microstructuur tijdens het drogen besproken. De NMR/MRI-methoden kunnen multifysische modellen valideren, ruimtelijke veranderingen kwantificeren en realtime kwaliteitsbewaking in industriële droogprocessen mogelijk maken. Ten slotte wordt aanbevolen dat toekomstig werk zich richt op het volledige DIC/HA-proces, waarbij de bevindingen worden gegeneraliseerd naar andere vruchten en groenten met inachtneming van de intrinsieke materiaaleigenschappen zoals Tg en initiële porositeit, en het ontwikkelen van simulatiegestuurde optimalisatiekaders voor meerfasen-drogen.

Concluderend bevordert dit proefschrift het begrip van serieel gecombineerd drogen voor shiitake paddenstoelen en biedt het een fundamenteel modelleringskader voor cellulaire voedingsmiddelen. Door de geïdentificeerde onderzoekshiaten aan te pakken, kan toekomstig werk de ontwikkeling van kwaliteitsgevoelige droogtechnologieën voor een breder scala aan vruchten en groenten versnellen.