Optimization of Processing Technology for Commercial Drying of Bananas (Matooke)
| dc.contributor.corporatename | Universität Kassel, Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften, Fachgebiet Agrartechnik | |
| dc.contributor.referee | Hensel, Oliver (Prof. Dr. sc. agr.) | |
| dc.contributor.referee | Hofacker, Werner (Prof. Dr.-Ing,) | |
| dc.date.accessioned | 2014-05-08T10:14:28Z | |
| dc.date.available | 2014-05-08T10:14:28Z | |
| dc.date.examination | 2013-12-13 | |
| dc.date.issued | 2014-05-08 | |
| dc.description.sponsorship | Rev. Prof. Dr. Florence Isabirye Muranga, Presidential Initiative on Banana Industrial Development, Plot 26A, Lumumba Avenue,P.O. Box 35747, Kampala Uganda, | ger |
| dc.identifier.issn | 0931-6264 | |
| dc.identifier.uri | urn:nbn:de:hebis:34-2014050845410 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/2014050845410 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Bananas (Matooke) | eng |
| dc.subject | Commercial processing | eng |
| dc.subject | Maturity window | eng |
| dc.subject | Drying | eng |
| dc.subject.ddc | 630 | |
| dc.subject.swd | Mehlbanane | ger |
| dc.subject.swd | Trocknung | ger |
| dc.subject.swd | Konservierung | ger |
| dc.subject.swd | Optimierung | ger |
| dc.subject.swd | Verfahrenstechnik | ger |
| dc.subject.swd | Gewerbliche Nutzung | ger |
| dc.title | Optimization of Processing Technology for Commercial Drying of Bananas (Matooke) | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | Summary - Cooking banana is one of the most important crops in Uganda; it is a staple food and source of household income in rural areas. The most common cooking banana is locally called matooke, a Musa sp triploid acuminate genome group (AAA-EAHB). It is perishable and traded in fresh form leading to very high postharvest losses (22-45%). This is attributed to: non-uniform level of harvest maturity, poor handling, bulk transportation and lack of value addition/processing technologies, which are currently the main challenges for trade and export, and diversified utilization of matooke. Drying is one of the oldest technologies employed in processing of agricultural produce. A lot of research has been carried out on drying of fruits and vegetables, but little information is available on matooke. Drying of matooke and milling it to flour extends its shelf-life is an important means to overcome the above challenges. Raw matooke flour is a generic flour developed to improve shelf stability of the fruit and to find alternative uses. It is rich in starch (80 - 85%db) and subsequently has a high potential as a calorie resource base. It possesses good properties for both food and non-food industrial use. Some effort has been done to commercialize the processing of matooke but there is still limited information on its processing into flour. It was imperative to carry out an in-depth study to bridge the following gaps: lack of accurate information on the maturity window within which matooke for processing into flour can be harvested leading to non-uniform quality of matooke flour; there is no information on moisture sorption isotherm for matooke from which the minimum equilibrium moisture content in relation to temperature and relative humidity is obtainable, below which the dry matooke would be microbiologically shelf-stable; and lack of information on drying behavior of matooke and standardized processing parameters for matooke in relation to physicochemical properties of the flour. The main objective of the study was to establish the optimum harvest maturity window and optimize the processing parameters for obtaining standardized microbiologically shelf-stable matooke flour with good starch quality attributes. This research was designed to: i) establish the optimum maturity harvest window within which matooke can be harvested to produce a consistent quality of matooke flour, ii) establish the sorption isotherms for matooke, iii) establish the effect of process parameters on drying characteristics of matooke, iv) optimize the drying process parameters for matooke, v) validate the models of maturity and optimum process parameters and vi) standardize process parameters for commercial processing of matooke. Samples were obtained from a banana plantation at Presidential Initiative on Banana Industrial Development (PIBID), Technology Business Incubation Center (TBI) at Nyaruzunga – Bushenyi in Western Uganda. A completely randomized design (CRD) was employed in selecting the banana stools from which samples for the experiments were picked. The cultivar Mbwazirume which is soft cooking and commonly grown in Bushenyi was selected for the study. The static gravitation method recommended by COST 90 Project (Wolf et al., 1985), was used for determination of moisture sorption isotherms. A research dryer developed for this research. All experiments were carried out in laboratories at TBI. The physiological maturity of matooke cv. mbwazirume at Bushenyi is 21 weeks. The optimum harvest maturity window for commercial processing of matooke flour (Raw Tooke Flour - RTF) at Bushenyi is between 15-21 weeks. The finger weight model is recommended for farmers to estimate harvest maturity for matooke and the combined model of finger weight and pulp peel ratio is recommended for commercial processors. Matooke isotherms exhibited type II curve behavior which is characteristic of foodstuffs. The GAB model best described all the adsorption and desorption moisture isotherms. For commercial processing of matooke, in order to obtain a microbiologically shelf-stable dry product. It is recommended to dry it to moisture content below or equal to 10% (wb). The hysteresis phenomenon was exhibited by the moisture sorption isotherms for matooke. The isoteric heat of sorption for both adsorptions and desorption isotherms increased with decreased moisture content. The total isosteric heat of sorption for matooke: adsorption isotherm ranged from 4,586 – 2,386 kJ/kg and desorption isotherm from 18,194– 2,391 kJ/kg for equilibrium moisture content from 0.3 – 0.01 (db) respectively. The minimum energy required for drying matooke from 80 – 10% (wb) is 8,124 kJ/kg of water removed. Implying that the minimum energy required for drying of 1 kg of fresh matooke from 80 - 10% (wb) is 5,793 kJ. The drying of matooke takes place in three steps: the warm-up and the two falling rate periods. The drying rate constant for all processing parameters ranged from 5,793 kJ and effective diffusivity ranged from 1.5E-10 - 8.27E-10 m2/s. The activation energy (Ea) for matooke was 16.3kJ/mol (1,605 kJ/kg). Comparing the activation energy (Ea) with the net isosteric heat of sorption for desorption isotherm (qst) (1,297.62) at 0.1 (kg water/kg dry matter), indicated that Ea was higher than qst suggesting that moisture molecules travel in liquid form in matooke slices. The total color difference (ΔE*) between the fresh and dry samples, was lowest for effect of thickness of 7 mm, followed by air velocity of 6 m/s, and then drying air temperature at 70˚C. The drying system controlled by set surface product temperature, reduced the drying time by 50% compared to that of a drying system controlled by set air drying temperature. The processing parameters did not have a significant effect on physicochemical and quality attributes, suggesting that any drying air temperature can be used in the initial stages of drying as long as the product temperature does not exceed gelatinization temperature of matooke (72˚C). The optimum processing parameters for single-layer drying of matooke are: thickness = 3 mm, air temperatures 70˚C, dew point temperature 18˚C and air velocity 6 m/s overflow mode. From practical point of view it is recommended that for commercial processing of matooke, to employ multi-layer drying of loading capacity equal or less than 7 kg/m², thickness 3 mm, air temperatures 70˚C, dew point temperature 18˚C and air velocity 6 m/s overflow mode. | eng |
| dcterms.abstract | Zusammenfassung - Kochbananen sind eine der wichtigsten Anbauprodukte in Uganda, sie sind Grundnahrungsmittel und Einkommensquelle in ländlichen Gebieten. Die bekannteste Kochbanane, umgangssprachlich matooke genannt, ist die Musa sp triploid acuminate genome group (AAA-EAHB). Sie ist verderblich und wird im frischen Zustand gehandelt, so dass sehr hohe Nachernteverluste auftreten (22-45%). Gründe dafür sind: Ernte bei nicht einheitlichem Reifegrad, wenig schonende Aufbewahrung, Transport in großen Einheiten und vor allem findet keine Weiterverabeitung bzw. Konservierung/Trocknung statt, was die Grundlage für Handel, Export und vielfältige Nutzung von matooke wäre. Trocknung ist eine der ältesten Technologien in der landwirtschaftlichen Produktionskette. Es gibt zahlreiche Forschungsarbeiten zur Trocknung von Obst und Gemüse, aber wenig ist über die Trocknung von matooke bekannt. Trocknung von matooke und anschließendes Vermahlen diente der Wertsteigerung und –erhaltung und würde die zuvor genannten Nachteile kompensieren. Rohes matooke -Mehl wurde ursprünglich entwickelt, um die Lagerstabilität der verarbeiteten Früchte zu verbessern und alternative Nutzungen zu finden, es hat einen hohen Stärkeanteil (80 - 85% db) und ist somit eine kalorienreiche Nahrungsquelle. Es hat gute Eigenschaften sowohl für den Nahrungsmittelbereich, als auch für den non-food Bereich. Einige Bemühungen wurden unternommen, um die Weiteverarbeitung von matooke auszuweiten, aber Wenig ist über die Verarbeitung zu Mehl bekannt. Es war somit notwendig detailliertere Studien in die Wege zu leiten, um folgende Lücken zu füllen: genaue Kenntnisse über das optimale Reifefenster zur Ernte von matooke, um gleichmäßige und qualitativ hochwertiges Mehl zu erhalten; es gibt keine Informationen über des Sorptionsverhalten von matooke, aus dem das Feuchtegleichgewicht in Abhängigkeit von Temperatur und relativer Luftfeuchte zu ermitteln ist, bei dem getrocknete matooke mikrobiologisch stabil gelagert werden kann; außerdem gibt es keine Informationen über das Trocknungsverhalten von matooke sowie standarisierte Prozessparameter von matooke in Bezug auf physiochemisch Eigenschaften des Mehl. Das Hauptanliegen dieser Forschungsarbeit besteht darin, ein optimales Reife- und Erntefenster zu definieren, so wie optimale Weiterverarbeitungsparameter zu bestimmen, die ein standarisiertes mikrobiologisch einwandfreies Mehl mit guten Stärke Eigenschaften garantieren. Diese Arbeit hat folgende Ziele : i) ein optimales Reifefenster zu definieren, innerhalb dessen matooke geerntet werden kann um gleichbleibendes matooke Mehl zu erhalten, ii) die Sorptionsisothermen für matooke aufzuzeigen iii) die Auswirkungen verschiedener Trocknungsvarianten von matooke aufzeigen, vi) die Trocknungsparameter optimieren v) Wertungen der verschiedenen Modelle zu Reifegrad und Verarbeitungsschritten erstellen vi) Standardkriterien für eine kommerzielle Weiterverarbeitung von matooke zu definieren. Das Probenmaterial stammt ausschließlich von der Bananen Plantage der “Presidential Initiative on Banana Industrial Development (PIBID), Technology Business Incubation Center (TBI) at Nyaruzunga – Bushenyi” in West Uganda. Nach einem vollständig randomisierter Entwurf (completely randomized design (CRD) wurden die Bananen Stauden für die Versuche beerntet. Für die Untersuchungen wurde der weichkochende Kultivar Mbwazirume, der in Bushenyi weitverbreitet ist, ausgewählt. Zur Bestimmung der Sorptionsisothermen wurde die Methode COST 90 Project (Wolf et al., 1985) eingesetzt. Es wurde ein eigens entwickelter Versuchstrockner verwendet. Alle Versuche wurden in den Laboren des TBI durchgeführt. Die physiologische Reife von matooke cv. mbwazirume aus Bushenyi ist nach 21 Wochen erreicht. Das optimale Erntefenster zur Weiterverarbeitung als matooke Mehl (Raw Tooke Flour - RTF) in Bushenyi liegt zwischen 15 – 21 Wochen. Zur Ermittlung der Erntereife von matooke wird den Landwirten die Ermittlung des Fingergewichts empfohlen, während den kommerziellen Weiterverarbeitern das kombinierte Modell Fingergewicht und Verhältnis Fruchtfleisch zu Schale empfohlen wird. Matooke Isothermen deuten auf den Typ II hin, welcher charakteristisch für Nahrungsmittel ist. Am besten beschreibt das GAP Modell die Sorption und Desorption der Isothermen. Um ein mikrobiologisch stabiles und kommerziell handelsfähiges Lagerprodukt zu erhalten wird empfohlen unter einen Restwassergehalt von 10 % (wb) zu trocknen. Die erhaltenen Sorptionsisothermen für matooke weisen auf das Hysterese Phänomen hin. Umso geringer die Restfeuchte, umso höher ist die isoterische Sorptionswärme sowohl für Adsorptions- als auch für Desorptionsisothermen. Die gesamte isoterische Sorptionswärme für matooke setzt sich wie folgt zusammen: die Adsorptionsisotherme schwanken zwischen 4,586 – 2,386 kJ/kg und die Desorptionsisothermen zwischen 18,194– 2,391 kJ/kg für ein Feuchtigkeitsgleichgewicht von 0.3 – 0.01 (db). Um matooke von 80 auf 10% (wb) runter zu trocknen ist die Energie von mindestens 8,124 kJ/kg zu entfernendes Wasser notwendig. Was wiederum bedeutet, dass die Energie von mindestens 5,793 kJ notwendig ist um 1 kg frisches matooke von 80 auf 10 % (wb) zu trocknen. Die Trocknung von matooke erfolgt in drei Schritten: das Aufwärmen, gefolgt von zwei abfallende Temperaturstufen. Die konstante Trocknungsrate für alle Prozessparameter variiert zwischen 5,793 kJ und der tatsächliche Diffusionskoeffizient liegt zwischen 1.5E-10 - 8.27E-10 m2/s. Die Aktivierungsenergie (Ea) für matooke ist 16.3kJ/mol (1,605 kJ/kg). Vergleicht man die Aktivierungsenergie (Ea) mit der isoterische Sorptionswärme von Adsorptions- als auch von Desorptionsisothermen (qst) (1,297.62) bei 0.1 (kg Wasser/kg TS), so wird klar, dass Ea größer als qst ist, was vermuten lässt, dass sich die Feuchtigkeitsmoleküle in matooke Scheiben im flüssigen Zustand befinden. Die geringsten Farbänderungen (ΔE*) treten bei einer Schichtdicke der Scheiben von 7 mm, einer Umluftgeschwindigkeit im Trockner von 6 m/s, und einer Trocknungstemperatur von 70 °C auf. Eine Reduzierung der Trocknungszeit um 50 % kann erreicht werden, wenn die Oberflächentemperatur des Produktes anstatt die Lufttemperatur im Trockner als Grundlage für die Steuerung des Trockners genutzt wird. Es sind weder physiochemische noch qualitative Einbußen zu erwarten, wenn die Temperatur in den ersten Stufen der Trocknung unter 72 °C liegt und somit keine Verkleisterung des Produktes stattfindet. Die optimalen Prozessparameter bei der einlagigen Trocknung von matooke sind : Scheibendicke = 3 mm, Lufttemperatur 70˚C, Taupunkt Temperatur 18˚C und Luftströmung über dem Produkt von 6 m/s. Bei der kommerziellen Trocknung von matooke wird eine mehrschichtige Trocknung mit einer Beladung des Trockners von weniger oder gleich 7 kg/m² empfohlen und die o.g. Prozessparameter beizubehalten, Scheibendicke = 3 mm, Lufttemperatur 70˚C, Taupunkt Temperatur 18˚C und Luftströmung über dem Produkt von 6 m/s. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Kawongolo, John Bosco | |
| dcterms.isPartOf | Forschungsbericht Agrartechnik des Fachausschusses Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG) ;; 530 | ger |
| dcterms.source.series | Forschungsbericht Agrartechnik des Fachausschusses Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG) | ger |
| dcterms.source.volume | 530 | ger |