Интенсификация вакуум-сублимационной сушки плодов калины за счет предварительной обработки низкотемпературной плазмой

Введение: Длительность классической вакуум-сублимационной сушки при переработке цельных ягод дикоросов может достигать более 120 часов, что напрямую влияет на доступность конечного продукта для потребителей. В связи с этим поиск решений снижения длительности процесса вакуум-сублимационной сушки с сохранением высокого качества получаемого продукта является актуальной производственной задачей.

Цель: Интенсификация вакуум-сублимационной сушки плодов калины за счет формирования дополнительных каналов на поверхностной оболочке с применением предварительной обработки низкотемпературной плазмой, для уменьшения общей длительности сушки данного вида сырья.

Материалы и методы: В качестве вариации обработки низкотемпературной плазмой были выбраны режим слаботочного искрового и дугового разряда при поддержке термоэлектронной эмиссии. Обезвоженные с помощью вакуум-сублимационной сушки плоды калины анализировали на предмет микроструктурных изменений, кинетики сушки и показателей качества. Обработку низкотемпературной плазмой проводили на установке в режиме напряженности поля 8 кВ/см и 6 кВ/см и величиной тока разряда 1 мА и 10 мА, для искрового и дугового режима соответственно.

Результаты: Предварительная обработка низкотемпературной плазмой в режиме дугового разряда значительно интенсифицирует процесс вакуум-сублимационной сушки плодов за счет формируемых каналов на поверхности покровной оболочки. Предварительная обработка низкотемпературной плазмой позволила увеличить скорость сушки в три раза и снизить общую длительность процесса. Показатели качества обезвоженных плодов калины с предварительной обработкой низкотемпературной плазмой сохранились на высоком уровне.

Выводы: Доказана целесообразность применения обработки низкотемпературной плазмы на этапе подготовки плодово-ягодного сырья к процессам вакуум-сублимационной сушки. Подобранный режим слаботочного разряда позволяет уменьшить общие материальные и энергетические затраты. Данная работа вносит вклад в развитие электрофизических методов для интенсификации сложных процессов тепломассопереноса.

1. Алексеенко, Е. В., Каримова, Н. Ю., & Цветкова, А. А. (2023). Способы переработки ягод черники: современное состояние и перспективы развития. Хранение и переработка сельхозсырья, (1). https://doi.org/10.36107/spfp.2023.353

2. Гусейнова, Б. М., Асабутаев, И. Х., & Даудова, Т. И. (2021). Оценка пригодности абрикосов к шоковой заморозке по физико-технологическим показателям качества. Вестник Международной академии холода, (1), 74-83. https://doi.org/10.17586/1606-4313-2021-20-1-74-83

3. Курдюков, Е. Е., Митишев, А. В., Водопьянова, О. А., Шелудякова, Ю. Б., & Финаенова, Н. И. (2021). Спектрофотометрическая методика количественного определения суммы антоцианов в сырье эвтерпы овощной (Euterpe oleracea). Вестник Московского университета. Серия 2. Химия, 62(6), 523-525.

4. Соснин, М. Д., & Шорсткий, И. А. (2023). Сушка яблочных чипсов с применением интеллектуальной обработки низкотемпературной атмосферной плазмой. Техника и технология пищевых производств, 53(2), 368-383. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2023-2-2442

5. Сычева, О. В., Шлыков, С. Н., & Омаров, Р. С. (2019). Научные принципы создания пищевых продуктов для персонализированного питания в соответствии с концепцией развития перспективного рынка «FoodNet». Пищевая индустрия, 1(39), 36-37.

6. Тихонов, С. Ю., & Типсина, Н. Н. (2017). Использование сухого сырья калины в кондитерских изделиях с повышенной пищевой ценностью. Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития (с. 95-97). Красноярск: Изд-во Красноярского гос. аграр. ун-та.

7. Шестопалова, И. А., & Уварова, Н. А. (2012). Влияние экстрактов дикорастущих плодов и ягод на цвет рубленых полуфабрикатов из мяса птицы. Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств», (1), 53.

8. Alifakı Y. Ö., Şakıyan Ö. & Isci, A. (2022). Investigation of storage stability, baking stability, and characteristics of freeze-dried cranberrybush (Viburnum opulus L.) fruit microcapsules. Food and Bioprocess Technology, 15(5), 1115-1132. https://doi.org/10.1007/s11947-022-02805-4

9. Ashtiani S. H. M., Rafiee M., Morad M. M., Khojastehpour M., Khani M. R., Rohani, A., & Martynenko, A. (2020). Impact of gliding arc plasma pretreatment on drying efficiency and physicochemical properties of grape. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 63, 102381. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2020.102381

10. Ashtiani S. H. M., Aghkhani M. H., Feizy, J. & Martynenko, A. (2023). Effect of cold plasma pretreatment coupled with osmotic dehydration on drying kinetics and quality of mushroom (Agaricus bisporus). Food and Bioprocess Technology, 16(12), 2854-2876. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2020.102381

11. Duan, X., Zhang, M., Mujumdar, A. S., & Wang, S. (2010). Microwave freeze drying of sea cucumber (Stichopus japonicus). Journal of Food Engineering, 96(4), 491–497. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2009.08.031

12. Dziki D. (2020). Recent trends in pretreatment of food before freeze-drying. Processes, 8(12), 1661. https://doi.org/10.3390/pr8121661

13. Falacińska, J., Kowalska, H., Kowalska, J., Galus, S., Marzec, A., & Domian, E. (2021). The effect of pre-treatment (Blanching, ultrasound and freezing) on quality of freeze-dried red beets. Foods, 10(1). https://doi.org/10.3390/foods10010132

14. Fauster T, Giancaterino M, Pittia P, & Jaeger H. (2020). Effect of pulsed electric field pretreatment on shrinkage, rehydration capacity and texture of freeze-dried plant materials. Lwt, 121(December 2019), 108937. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2019.108937

15. Giancaterino M., Werl, C. & Jaeger H. (2024). Evaluation of the quality and stability of freeze-dried fruits and vegetables pre-treated by pulsed electric fields (PEF). LWT, 191, 115651.https://doi.org/10.1016/j.lwt.2023.115651

16. Grimi, N. Mamouni, F., Lebovka N., Vorobiev, E. & Vaxelaire, J. (2010). Acoustic impulse response in apple tissues treated by pulsed electric field. Biosystems engineering, 105(2), 266-272. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2009.11.005

17. Islam, M. N., Zhang, M., Liu, H., & Xinfeng, C. (2015). Effects of ultrasound on glass transition temperature of freeze-dried pear (Pyrus pyrifolia) using DMA thermal analysis. Food and Bioproducts Processing, 94(May 2013), 229–238. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2014.02.004

18. Kajszczak D., Zakłos-Szyda, M. & Podsędek, A. (2020). Viburnum opulus L.—A review of phytochemistry and biological effects. Nutrients, 12(11), 3398. https://doi.org/10.3390/nu12113398

19. Krzykowski A., Dziki D., Rudy S., Gawlik-Dziki U., Polak R. & Biernacka B. (2018). Effect of pre-treatment conditions and freeze-drying temperature on the process kinetics and physicochemical properties of pepper. LWT, 98, 25-30. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2018.08.022

20. Lammerskitten, A., Wiktor, A., Siemer, C., Toepfl, S., Mykhailyk, V., Gondek, E., Rybak, K., Witrowa-Rajchert, D., & Parniakov, O. (2019). The effects of pulsed electric fields on the quality parameters of freeze-dried apples. Journal of Food Engineering, 252(July 2018), 36–43. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2019.02.006

21. Lewicki, P. P., Vu Le, H., & Pomarańska-Łazuka, W. (2002). Effect of pre-treatment on convective drying of tomatoes. Journal of Food Engineering, 54(2), 141–146. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(01)00199-6

22. Li J., Li Z., Ma Q. & Zhou Y. (2023). Enhancement of anthocyanins extraction from haskap by cold plasma pretreatment. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 84, 103294. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2023.103294

23. Liu, Q., Wu, H., Luo, J., Liu, J., Zhao, S., Hu, Q., & Ding, C. (2021). Effect of dielectric barrier discharge cold plasma treatments on flavor fingerprints of brown rice. Food Chemistry, 352(3), 129402. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129402

24. Loureiro, A. da C., Souza, F. das C. d. A., Sanches, E. A., Bezerra, J. de A., Lamarão, C. V., Rodrigues, S., Fernandes, F. A. N., & Campelo, P. H. (2021). Cold plasma technique as a pretreatment for drying fruits: Evaluation of the excitation frequency on drying process and bioactive compounds. Food Research International, 147(February). https://doi.org/10.1016/j.foodres.2021.110462

25. Miraei Ashtiani, S. H., Rafiee, M., Mohebi Morad, M., Khojastehpour, M., Khani, M. R., Rohani, A., Shokri, B., & Martynenko, A. (2020). Impact of gliding arc plasma pretreatment on drying efficiency and physicochemical properties of grape. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 63(May), 102381. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2020.102381

26. Obajemihi O. I., Cheng, J. H. & Sun D. W. (2024). Novel cold plasma functionalized water pretreatment for improving drying performance and physicochemical properties of tomato (Solanum lycopersicum L.) fruits during infrared-accelerated pulsed vacuum drying. Journal of Food Engineering, 112050. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2024.112050

27. Pańka D, Jeske M, Łukanowski A, Baturo-Cieśniewska A, Prus P, Maitah M, Maitah К, Malec К, Rymarz D, Muhire JD, Szwarc K (2022). Can cold plasma be used for boosting plant growth and plant protection in sustainable plant production? Agronomy, 12(4), 1–20. https://doi.org/10.3390/agronomy12040841

28. Ren, Z., & Bai, Y. (2018). Ultrasound Pretreatment of Apple Slice Prior to Vacuum Freeze Drying. 169(Mseee), 112–117. https://doi.org/10.2991/mseee-18.2018.20

29. Ricce, C., Rojas, M. L., Miano, A. C., Siche, R., & Augusto, P. E. D. (2016). Ultrasound pre-treatment enhances the carrot drying and rehydration. Food Research International, 89, 701–708. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2016.09.030

30. Rittiphet, C., Dumyang, K., & Matan, N. (2021). Effect of pre-mechanical compression on free water removal, drying collapses and associated internal voids of oil palm wood. European Journal of Wood and Wood Products, 79(4), 925–940. https://doi.org/10.1007/s00107-021-01674-6

31. Roueita, G., Hojjati, M., & Noshad, M. (2020). Study of Physicochemical Properties of Dried Kiwifruits Using the Natural Hypertonic Solution in Ultrasound-assisted Osmotic Dehydration as Pretreatment. International Journal of Fruit Science, 20(S2), S491–S507. https://doi.org/10.1080/15538362.2020.1741057

32. Rudy, S., Dziki, D., Krzykowski, A., Gawlik-Dziki, U., Polak, R., Rózyło, R., & Kulig, R. (2015). Influence of pre-treatments and freeze-drying temperature on the process kinetics and selected physico-chemical properties of cranberries (Vaccinium macrocarpon Ait.). LWT, 63(1), 497–503. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2015.03.067

33. Sette P., Salvatori D., & Schebor C. (2016). Physical and mechanical properties of raspberries subjected to osmotic dehydration and further dehydration by air-and freeze-drying. Food and bioproducts processing, 100, 156-171. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2016.06.018

34. Shishehgarha, F., Makhlouf, J., & Ratti, C. (2002). Freeze-drying characteristics of strawberries. Drying Technology, 20(1), 131–145. https://doi.org/10.1081/DRT-120001370

35. Shishir, M. R. I., Karim, N., Bao, T., Gowd, V., Ding, T., Sun, C., & Chen, W. (2020). Cold plasma pretreatment–A novel approach to improve the hot air drying characteristics, kinetic parameters, and nutritional attributes of shiitake mushroom. Drying Technology, 38(16), 2134–2150. https://doi.org/10.1080/07373937.2019.1683860

36. Sosnin M. D., & Shorstkii I. A. (2020). Microplasma pretreatment of mango fruits during freeze drying with thermoelectric emission. Food Processing: Techniques and Technology, 50(4), 681–689. https://doi.org/https://doi.org/10.21603/2074

37. Warne, G. R., Lim, M., Wilkinson, K., Hessel, V., & Williams, P. M. (2023). Radiofrequency cold plasma – A novel tool for flavour modification in fresh and freeze-dried strawberries. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 90(October), 103497. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2023.103497

38. Wu, X. fei, Zhang, M., Ye, Y., & Yu, D. (2020). Influence of ultrasonic pretreatments on drying kinetics and quality attributes of sweet potato slices in infrared freeze drying (IRFD). LWT, 131(July), 109801. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.109801

39. Teng X., Zhang M., Devahastin S. & Yu D. (2020). Establishment of lower hygroscopicity and adhesion strategy for infrared-freeze-dried blueberries based on pretreatments using CO 2 laser in combination with ultrasound. Food and Bioprocess Technology, 13, 2043-2053. https://doi.org/10.1007/s11947-020-02543-5

40. Zhang C., Lyu X., Arshad R. N., Aadil R. M., Tong Y., Zhao W. & Yang, R. (2023). Pulsed electric field as a promising technology for solid foods processing: A review. Food Chemistry, 403, 134367. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134367

41. Zhang L., Liao L., Qiao Y., Wang C., Shi D., An K. & Hu J. (2020). Effects of ultrahigh pressure and ultrasound pretreatments on properties of strawberry chips prepared by vacuum-freeze drying. Food Chemistry, 303, 125386. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.125386