Mathematical analysis of color changes and chemical parameters of roasted hazelnuts

Abstract

Bu çalışmanın ana amacı kavurma sırasında fındıkların kuruma karakteristiği matematiksel olarak ifade etmek ve renk değişim kinetiği, 100°C - 160°C ve en fazla 60 dakikalık kavurma koşullarında, belirlenmektir. Bunlara ek olarak bazı kimyasal kalite parametrelerinin kavurma koşullarına göre değişimi de incelenmiştir. Ayrıca tüketici beğeni testi gerçekleştirilmiştir. Fındıkların kavurma sırasındaki kuruma karakteristiği matematiksel olarak ifade etmek için bir kaç matematiksel denklem incelenmiştir. Etkin nem geçirim katsayısı hesaplanmıştır. Nem geçirim katsayısının sıcaklık bağımlılığı, Arrhenius tipi ilişkiyle tanımlanmıştır. Nem geçirimi için aktivasyon enerjisi de hesaplanmıştır. Kavurma sırasında fındıkların rengindeki değişim kinetiğim matematiksel olarak ifade edebilmek için katsayıları sıcaklığa Arrhenius tipinde bağımlı üçüncü dereceden polinom kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan kavurma sıcaklıkları için Z-değerinin aktivasyon enerjisi hesaplanmıştır. Fındıkların kavurma sırasındaki renk değişimine sıcaklık ve sürenin (süreç değişkenleri) etkisini belirlemek ve renk değişimi tahmin modelleri geliştirmek üzere, kavurma işlemi tepki yüzey yöntemiyle de incelenmiştir. Tepki yüzey yöntemiyle sıcaklık ve zamana bağlı, ikinci dereceden renk değişimi modelleri geliştirilmiş ve kavrulmuş fındıkların dış-, un- ve iç-renklerinin L-, a-, ve ö-değerlerini başarıyla tahmin etmişlerdir. Kavurma sırasındaki kuruma ve renk değişiminin modellenmesine ek olarak, kavurma sıcaklık ve süresinin bazı kimyasal parametreler üzerindeki etkisi de 102 °C - 158°C ve 16 dak. - 44 dak. kavurma koşullarında araştırılmıştır. Bu parametreler protein içeriği, şeker içeriği, amino asit bileşimi, serbest yağ asitliği içeriği ve peroksit değeridir. Ayrıca, 37°C'de bir ay boyunca kavrulmuş depolanmış ve depolanmış örneklerde serbest yağ asitliği, peroksit değeri ve yağ asitleri bileşiminin değişimi incelenmiştir. Kavurma koşulları bütün parametreleri önemli şekilde etkilemiştir. Fındıklar aynı sıcaklıkta daha uzun süre yada aynı sürede daha yüksek sıcaklıkta kavrulduklarında nem, protein ce sugar içeriğinde azalma gerçekleşmiştir. Daha düşük sıcaklıkta kavurulmuş fındıkların acılaşmaya dayanıklılığı daha fazla olmuştur. Kavurma sırasındaki kuruma ve renk değişiminin modellenmesine, ve kavurma koşullarının bazı kimyasal parametreler üzerindeki etkisinin araştırılmasına ek olarak, kavrulmuş fındık örneklerinin tüketiciler tarafından beğeni seviyeleri tüketici beğeni testiyle araştırılmıştır. Beğeni testinde 11 0°C'de 40 dak, 130°C'de 16 dak; 130°C'de 30 dak; 130°C'de 44 dak ve 150°Cde for 20 dakika kavrulmuş fındıklar tüketicilerce beğenildiği tespit edilmiştir.

The main objective of the thesis was mathematical modeling of thin layer drying characteristics and to determine and analyze kinetics of color formation during roasting of hazelnuts over the temperature range of 100-160°C and up to 60 min roasting. Changes in some chemical quality parameters of hazelnuts during roasting were also studied. Moreover a consumer acceptance test was carried out. So as to describe thin layer drying characteristics of hazelnut roasting several semi- theoretical and empirical mathematical models were evaluated. Effective diffusivity was calculated. Activation energy was also calculated using Arrhenius-type temperature dependence of diffusivity coefficient. So as to determine kinetics of color formation, a generalized model, third degree polynomial with Arrhenius type temperature dependence of model coefficients, was developed. Activation energy for L-value of color was calculated over the temperature range of the study. Differences between whole-kernel, cut-kernel and ground-state measurements were analyzed using statistical techniques. Color formation kinetics was also analyzed using response surface methodology to find out the effect of process variables on color development during roasting and to establish prediction models. A second degree prediction models, using RSM, was also developed to described color development as a function of roasting temperature and exposure time for I-value, a-value and 6-value of whole-kernel, ground-state and cut-kernel measurements. Besides mathematical modeling of moisture loss and color formation during roasting, effect of roasting on some of chemical parameters was also investigated over the xii experimental range of 102 °C - 158°C and 16 min - 44 min just after roasting. The parameters used were protein content, sugar content and amino acid composition of hazelnuts, free fatty acid content and peroxide value, was also investigated. Effect of storage 1 month at 37°C on fatty acid composition, free fatty acid content and peroxide value of the roasted samples were also investigated. The results indicated that all of the parameters were affected by the roasting conditions. The longer roasting time at any roasting temperature resulted in the lower moisture, protein, sugar and amino acid contents. Similarly the higher roasting temperature at any roasting time resulted in the lower moisture, protein and sugar content. The lower roasting temperature produced the higher stability. In addition to mathematical modeling of moisture loss and color formation; and analysis of changes in some chemical parameters during roasting, a consumer test were also performed to as to find out preference of consumers among the samples of the experimental study. Consumer acceptance test showed that samples roasted at 110°C for 40 min, at 130°C for 16 min; at 130°C for 30 min; at 130°C for 44 min and at 150°C for 20 min were preferred by the consumer.