Bilgisayar modelini geliştirdikten sonra donma hızı, bileşim ve buz kristali boyutu arasındaki ilişkiyi araştırmak için birkaç bilgisayar simülasyonu gerçekleştirdik. Yiyecek malzemesinin küçük bir kısmına yakınlaştırdık ve buz kristallerinin büyümesi için birkaç çekirdek tohumladık. Gıda malzemesinin bu kısmı daha sonra bir dizi donma hızına tabi tutuldu. Bazı iyi istatistikler elde etmek için iki farklı sükroz konsantrasyonu ve çekirdeğin çok sayıda farklı rasgele konumu için simülasyonlar yapıldı.
Bu bilgisayar simülasyonlarının anlık görüntüleri Şekil 1'de gösterilmektedir . Koyu mavi dağılmış elementler, bireysel buz kristalleridir. Donma hızı çok hızlı değildir, bu nedenle buz kristallerinin yaklaşık olarak küresel kaldığını varsayabiliriz. Simülasyon sonuçlarını anlamak için, buz kristallerinin şeker içermediğini bilmek önemlidir, bu nedenle buz kristallerinin büyümesi, donmamış fazda şeker konsantrasyonlarının artması anlamına gelir. Artan şeker konsantrasyonu, donma noktasının artmasına neden olarak sürekli matrisi donmadan bırakır.
Daha fazla donma üzerine buz kristalleri birbirine çarpabilir ve aralarındaki donmamış sıvıdaki şeker konsantrasyonunun artmasına neden olarak donma noktasının düşmesine neden olabilir. Böylece düz bir arayüz geliştirilmiştir. Donma hızı çok yavaşsa, şekerler çarpma bölgesinden dışarı yayılmak için zamana sahip olur ve kristaller birleşebilir. Buz kristali büyümesine bağlı olarak şeker konsantrasyonundaki yerel artışın küçük olduğu dondurmanın erken aşamasında, birkaç birleşme olayı vardır. Donmanın sonraki aşamasında, donmamış matris, su ve şeker difüzyonunun durma noktasına geldiği ve buz kristali büyümesinin durduğu camsı duruma yaklaşır.
Simülasyonlardan ortalama buz kristali boyutunu belirledik ve bunu iki farklı sükroz konsantrasyonu için uygulanan donma hızına karşı çizdik. Bu sonuçlar Şekil 2'de gösterilmiştir.
Çekirdeklenme sürecinin stokastikleri nedeniyle simülasyon verilerinde önemli miktarda saçılma gözlemlenebilir. Bununla birlikte, birçok simülasyon çalıştırması gerçekleştirerek, Şekil 2'deki (sayfa 00) veri noktalarından geçen çizgiler olarak görüntülenen veriler aracılığıyla güvenilir bir kuvvet yasası ilişkisi kurulabilir. Uydurma, güç yasasının üslerinin sırasıyla %10 ve %15 başlangıç şeker konsantrasyonu için 0,31 ve 0,18 olduğunu göstermektedir. Daha önceki ampirik ilişkimiz, bileşimden bağımsız olduğu varsayılan 0.25'lik bir kuvvet yasası üssüne sahiptir. Ampirik değerin simülasyon yoluyla bulduğumuz üslere oldukça yakın olması çok cesaret verici. Ayrıca, tüm malzeme ve termodinamik özellikler bilindiği için simülasyon modelinin herhangi bir parametre uyumu gerektirmediğini belirtmekte fayda var.
Dondurulmuş Meyve ve Sebzeler İçin Gıda Kalitesi Sorunları
Food & Biobased Research, modelin büyük ölçüde gerçekçiliğe sahip olduğu sonucuna varıyor. Ayrıca, diğer birçok gıda maddesi için malzeme ve termodinamik özellikler hakkında benzer öngörü teorileri mevcuttur. Sonuç olarak, model ilke olarak çok sayıda başka gıda maddesine uygulanabilir. Bu temelde, meyve ve sebzeler için dondurulmuş gıda kalitesi sorunlarını araştırmak üzere modeli geliştirmeye ve hücresel yapıya sahip dondurulmuş gıda malzemelerine uyarlamaya devam eden yeni bir araştırma projesi başlattık. Faz alanı modeli, çok ölçekli bir modele dahil edilecektir - çünkü gıda ürünlerinde donma hızında yerel farklılıklar ortaya çıkacaktır – bu da sıcaklık profilinin ürün ölçeğinde ve buz kristali büyümesinin mikro ölçekte hesaplandığı gelişmiş bir yaklaşımla çözülmesi gerekir. Makro ölçekli bilgisayar modeli, çok sayıda konum için mikro ölçekli modeli birkaç kez arayacak. Makro ölçekli model uygulanan sıcaklık gradyanını mikro ölçekli modele verirken, mikro ölçekli model yerel buz fraksiyonunu geri bildirecektir.
Food & Biobased Research adlı bu yeni projede, yalnızca ilk dondurma adımına değil, aynı zamanda donmuş depolamaya da odaklanacağız. Depolama sırasında, mekanik soğutma veya kapı açılıp kapanması nedeniyle sıcaklık dalgalanmaları meydana gelebilir. Bu sıcaklık dalgalanmalarının buz kristallerinin daha fazla büyümesine izin verdiği varsayılır, bu da ürün kalitesi için dezavantajlıdır. Depolama sıcaklığının düşürülmesinin gıdayı sıcaklık dalgalanmalarına karşı daha az duyarlı hale getirip getirmediğini ve hatta enerji kullanımında azalma sağlanıp sağlanamayacağını araştırmayı amaçlıyoruz. Ayrıca, depolama sıcaklığının oldukça sabit olduğu durumlarda bile, -18°C'lik geleneksel koşullarda depolama sırasında meydana gelen buz kristali dağılımında hala kabalaşma vardır. Bu, hava püskürtmeli dondurma ve Basınç Kaydırmalı Dondurma (PSF) yoluyla dondurulan gıdaların karşılaştırmasında gösterilmiştir. Başlangıçta, PSF aracılığıyla elde edilen buz kristali boyutu, geleneksel hava üflemeli dondurma yoluyla elde edilenden çok daha küçüktür. Bununla birlikte, birkaç haftalık depolamadan sonra nihai buz kristali boyut dağılımında küçük bir fark bulunur, bu da PSF gıdalarının depolanması sırasında irileşmenin meydana geldiğini gösterir.
Özetle, yeni simülasyon modeli, ürün formülasyonu, işleme koşulları ve donma hızı gibi alanlarda, dondurulmuş gıda endüstrisinin dondurulmuş gıda dokusunu ve buz kristali boyutunu kontrol etmesi için olası araçlara dalmak için önemli bir araçtır. Formülasyonun ve işlemenin dondurulmuş gıda kalitesi üzerindeki etkisi bilindiğinde, hem ürün kalitesi hem de enerji tasarrufu üzerindeki etkileri nedeniyle dondurulmuş depolamaya yönelik yeni stratejiler değerlendirilebilir.
