Влияние электроплазмолиза на процесс сушки плодов и ягод

УДК 631.17

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОПЛАЗМОЛИЗА НА ПРОЦЕСС СУШКИ ПЛОДОВ И ЯГОД

Калафатов Э. Т., кандидат технических наук, доцент;

Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»; Дидович А. Н., кандидат технических наук;

ФГБУН «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма»; Османов Э. Ш., ассистент; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»

В статье проанализированы химические методы обработки плодов и ягод перед сушкой с целью снижения энергоемкости процесса и сохранности сушеной продукции. Рассмотрен метод электроплазмолиза как альтернатива химическому методу обработки, что позволяет совместить процесс сушки с процессом обеззараживания высушиваемой продукции. Проведены предварительные лабораторно-полевые эксперименты по обработке плодов и ягод электрическими разрядами.

Ключевые слова: химический и физический методы, бланширование, электроплазмолиз, электрическое сопротивление.

EFFECT OF ELECTROPLASMO-

LYSIS ON THE FRUITS' AND BERRIES' DRYING PROCESS

Kalafatov E. T., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»; Didovich A. N., Candidate of Technical Sciences;

FGBUN «Agricultural Research Institute of the Crimea»; Osmanov E. Sh., Assistant; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»

The article analyzes the chemical methods of processing of fruits and berries before drying to reduce the energy intensity of the process and the preservation of driedproduct. The method of electro-plasmolysis as an alternative to chemical treatment method that allows to combine the drying process with the process of decontamination of products to be dried. Preliminary laboratory and field experiments on processing of fruits and berries electrical discharges.

Keywords: chemical and physical methods, blanching, electro-plasmolysis, the electrical resistance.

Введение. Сушка сельскохозяйственной продукции является энергоемким процессом. Например, в конвективных сушилках зерна с электроподогревом воздуха расход электроэнергии составляет от 1,3 до 1,9 кВт-ч на каждый кило-

грамм удаленной влаги, в терморадиационных - от 1,4 до 2,2 кВт-ч, в высокочастотных - от 1,8 до 3,5 кВт-ч [1].

Если для сушки зерна необходимо снизить его влажность в среднем от 30 % до 15 %, то есть в 2 раза, то для сушки овощей и фруктов этот показатель должен быть снижен в среднем от 85 % до 15 %, то есть в 5,66 раза.

Энергоемкость и технология сушки овощей и фруктов существенно отличается от энергоемкости сушки зерна.

На рисунке 1 приведена технологическая схема сушки плодоовощной продукции [2].

Рисунок 1. Технологическая схема сушки плодоовощной продукции

В указанной технологии от качества химической обработки зависит качество высушенной продукции и энергоемкость процесса.

Целью химической обработки сырья являются оптимизация сушки; уменьшение потерь микроэлементов, витаминов и питательных веществ, сохранение цвета продукта и увеличение длительности хранения.

Существуют мокрый и сухой способы химической обработки высушиваемого сырья [3].

Мокрый способ (бланширование) проводят в горячих растворах (в щелочном, солевом или сернистых соединений) в основном для плодоягодной продукции (слива, виноград, смородина, черешня, вишня и др.) с целью растворения восковой пленки на кожицах плодов и образования микротрещин, что облегчает процесс влагоотдачи при сушке.

К недостаткам бланширования относятся:

- необходимость затраты значительного количества энергии на подогрев и поддержание температуры раствора в пределах 90-95 оС;

- растрескивание кожицы обрабатываемых продуктов, которое приводит к потере части питательных веществ и витаминов путем их перехода в обрабатываемый раствор;

- распад углеводов и витаминов под действием высокой температуры в подкожном покрове, где их концентрация наиболее высока;

- раздражающее воздействие щелочей и кислот на слизистую оболочку дыхательных путей обслуживающего персонала.

Вышеуказанных недостатков лишен процесс окуривания продуктов серным ангидридом (сухой метод). Окуривание серой позволяет дезинфициро-

вать обрабатываемый продукт и не приводит к разрушению клеток, ввиду чего энергоемкость сушки обработанных серой продуктов несколько выше в сравнении с тепловой обработкой. Окуривание серой только приостанавливает образование гнилостных процессов и улучшает товарный вид продукта. Однако оно не влияет на процесс интенсификации сушки.

Альтернативой методам химической обработки являются физические методы, которые сочетают процесс сушки с одновременным его обеззараживанием. К этим методам относятся электроплазмолиз [4-8], инфракрасные [9-10], озоно-воздушные [11] и СВЧ [12] методы сушки.

Материал и методы исследований. Электроплазмолиз - способ необратимого глубокого нарушения функции и структуры живой протоплазмы клеток электрическим током, под действием которого свободная влага изнутри клеток выходит в межклеточные пространства [4]. Этот эффект используется для интенсификации сокоотдачи плодов и ягод, процессов консервирования пищевых продуктов и сушки растительной массы (кормов) [4-8]. В работе [6] вводится понятие токоустойчивости плодов и ягод, зависящей от градиента напряженности электрического поля и времени обработки:

- для яблок это величина (11,0-17,6) •Ю-4 В2 с/см2;

- для винограда - (3,8-8,5) • 10-4 В2 с/см2 ;

- для различных ягод - (1,5-4,5) • 10-4 В2 с/см2 .

Однако в последующих исследованиях [7] указывается, что на жизнедеятельность клеток влияет в основном напряженность внешнего электрического поля - Ев. Согласно этим исследованиям, установлено:

- Ев < 0,4107 В/м - происходит электростимуляция жизнедеятельности клеток и, соответственно, тканей биологических объектов;

- Ев = 0,4107 В/м - достигается их возбуждение и стресс;

- Ев > 0,4107 В/м - электрический пробой биологических объектов.

Следовательно, при электрическом пробое неизбежно происходит электроплазмолиз растительной ткани. Приведенные в работах [6-7] данные не представляется возможным сравнивать, так как в первом случае приводятся значения градиента напряженности электрического поля (изменение напряженности на поверхности растительной ткани), а во втором случае - напряженности внешнего электрического поля. Поэтому основным критерием воздействия электрического тока на растение должно быть принято удельное электрическое сопротивление растительной ткани и приложенное к нему электрическое напряжение.

В указанных выше исследованиях не учтен самый главный фактор, а именно сопротивление клетки продукта или в совокупности сам продукт, от удельного сопротивления которого зависит величина поражающего тока, приводящего или не приводящего к эффекту электроплазмолиза. С целью проверки метода электроплазмолиза нами был собран лабораторный стенд, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема електроплазмолизатора 1 - ЛАТР; 2 - высоковольтный трансформатор ТГ-120 (Ш = 0-220 V; Ш = 0-5 кУ);

3 - диоды КЦ-201 Д; 4 - конденсатор С = 0,25 мкФ, и = 6,3 кУ; 5 - разрядник;

6 - емкость плазмолизатора с потенциальным и заземленным электродами

Схема на рис. 2 предусматривает обработку как единичных образцов, так и образцов сырья в слое толщиной от 1 до 10 см.

С целью определения электрических параметров обрабатываемых продуктов (вишня, сливы и яблоки) нами была поставлена задача определить объемное электрическое сопротивление единичных образцов. Этот параметр позволит оценить величину тока, проходящего через исследуемый образец, и мощность, выделяемую при этом. Попытка измерить электрическое сопротивление единичных плодов с помощью мультиметра не дает никаких результатов, а замер через мегомметр приводит к пробою самого образца. Поэтому доступным и точным методом измерения омического сопротивления является метод амперметра и вольтметра.

Результаты и обсуждение. Для проведения этих измерений электрическое напряжение подается непосредственно на измеряемый объект в обход разрядника 5, при котором подведенное к измеряемому объекту напряжение увеличивается до появления электрического тока через продукт, который измеряется при помощи миллиамперметра, включенного в разрыв между нижним плоским электродом и заземлением. Это напряжение в среднем для вишни составляло 30 В, величина электрического тока в среднем - 115-10-6 А, сопротивление -0,2Ы06 Ом, для сливы - 143 В, величина электрического тока в среднем -153-10-6 А, сопротивление - 0,93-Ш6 Ом, для яблок - 319 В, величина электрического тока в среднем - 118-10-6 А, сопротивление - 2,7-106 Ом. После измерения 10 образцов последние пробивались импульсным напряжением от 1 до 5 кВ в зависимости от вида продукта и в такой же последовательности повторно замерялось их объемное сопротивление после пробоя, которое составило: для вишни - 4,5-103 Ом, для сливы - 5,8103 Ом, для яблок - 57-103 Ом.

Анализ полученных данных показывает следующее:

- в зависимости от вида продукции и ее размеров среднее значение объемного сопротивления до пробоя составляет от (0,26-106) Ом до (2,7-106) Ом;

- напряжение пробоя вишни, сливы и яблок колеблется от 1 до 5 кВ соответственно;

- электрический пробой вышеупомянутых образцов импульсным напряжением снижает электрическое сопротивление на несколько порядков (от 106 Ом до 103 Ом).

Вышеупомянутые значения электрических параметров получены при установившихся значениях токов и напряжений. Электрический пробой происходит мгновенно, поэтому величины токов, время и форма разрядов должны быть получены путем исследования процесса при помощи импульсного осциллографа, что предполагается провести в дальнейшем.

В процессе экспериментов наблюдениями установлено следующее:

- после обработки вишен и слив электрическими разрядами через 5-10 мин. наблюдается размягчение образцов и побурение плодов;

- разрез яблок показывает изменение их цвета от светлого до коричневого;

- величина этих изменений зависит от количества электрических разрядов при указанном выше напряжении пробоя;

- оптимальное значение величин этих разрядов должно составлять от 1 до 3 разрядов при энергии разряда 3,12 Дж или 3,12 Вт/с для единичного плода (расчет произведен по параметрам разрядной цепи).

- увеличение количества разрядов от 3 и выше приводит к почернению плодов и отбраковке высушиваемого материала.

С целью сравнения эффективности электроплазмолиза с другими методами подготовки сырья к сушке нами были проведены эксперименты по обработке и сушки сливы обычным проветриванием при комнатной температуре. На рисунке 3 приводятся данные по сушке слив в зависимости от времени и различных методов обработки.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

* 8 Я 1

1 7 3

% 5

\ 1 5, 5 5

\4 5ч 3

N Э В

- Контрольный образец

- Механическое повреждение

- Электроплазмолиз

- Электроплазмолиз и механическое повреждение

- Тепловая обработка

^ 2 3 4 дни сушки

Рис. 3. Кривые сушки сливы при комнатной температуре в зависимости от времени и различных методов обработки

Условия проведения опытов:

- обработка слив проводилась механическим, электрическим и тепловым методами;

- вес навесок слив - 150 г;

- обработка электрическим методом в слое толщиной 5,5 см;

- режим обработки импульсный напряжением разряда 5 кВ;

- энергию разряда 3,12 Дж рассчитывали по известной формуле W=Си2/2, исходя из емкости разрядной цепи, равной 0,25 мкФ;

- тепловое бланширование проводили в кипятке объемом в 1 литр в течение 1 мин.;

- механическое повреждение кожицы слив - прокалыванием;

- сушку обработанных навесок слив проводили обычным обдувом вентилятора при температуре окружающей среды от + 18 °С до + 23 °С.

Анализ полученных данных показывает следующее:

- при механической и тепловой обработке повреждаются лишь кожица плодов, однако связанная влага продолжает находиться внутри клетки;

- при электроплазмолизе повреждается клетка, а сок из клетки выходит в межклеточное пространство, при этом свободная влага удерживается внешней оболочкой плода, обработанный плод теряет тургор;

- механические повреждения кожицы после обработки электрическими разрядами облегчают выход влаги из межклеточного пространства наружу в процессе сушки сливы.

На рис. 4 показаны фотографии необработанных (4а) и обработанных (4б) электрическими разрядами, долек яблок. Из рисунка видно, что в начальный момент разряда обработанные и необработанные яблоки ничем не отличаются друг от друга. Далее по истечении 5-10 мин. яблоки в местах повреждения электрическими разрядами начинают темнеть, что связано с возникновением окислительных процессов.

На рис. 5 показаны фотографии плодов алычи, обработанных электрическими разрядами, и без них, а также плодов, прошедших тепловую обработку с последующей сушкой. Из рис. 5 а видно, что форма плодов, прошедших тепловую обработку (бланширование), после сушки изменилась и они слиплись, что связано с растрескиванием кожицы плодов и вытеканием сока наружу. Естественно, что при сушке происходит их слипание вследствие удаления влаги. И наоборот, образцы алычи, подвергнутые электроплазмолизу с последующей сушкой, незначительно потеряли свою форму, влага испарилась через участки кожицы, травмированной электрическими разрядами, и потому слипания плодов не произошло (рис. 5 б). Что касается контрольных образцов алычи, то они пролежали более 2-х недель, сгнили и испортились (рис. 5 в).

Дальнейшее наблюдение за высушенными плодами, прошедшими тепловое бланширование и электроплазмолиз, показали, что их хранение в открытом состоянии привело к тому, что плоды, прошедшие тепловое бланширование,

были поражены молью, тогда как плоды, прошедшие обработку электроплазмолизом, сохраняются более 6 мес.

а) б)

Рис. 4. Фотографии не обработанных и обработанных электрическими разрядами яблок; а) дольки яблок, не обработанные электрическим разрядом; б) дольки яблок, обработанные электрическим разрядом

а) б) в)

Рис. 5. Фотографии плодов алычи, обработанных электрическими разрядами, и без них, а также плодов, прошедших тепловое бланширование, с последующей сушкой; а) тепловая обработка (бланшировка); б) обработка электрическими разрядами (электроплазмолиз); с) контрольные образцы

Выводы. 1. Существующие химические методы подготовки плодов и ягод к сушке имеют целый ряд недостатков, вследствие чего рекомендуется сочетать процесс сушки с одновременной обработкой продукта физическими методами (озоном, озоно-воздушной, инфракрасной или электроплазмолизом).

2. Электроплазмолиз в основном используется для интенсификации соко-отдачи плодов и ягод. При этом выход сока увеличивается на 10-20 %.

3. Исследование по интенсификации процесса сушки способом электроплазмолиза проводилось в основном для обезвоживания растительной массы (преимущественно кормов).

4. Сведения по использованию электроплазмолиза для обработки овощей и фруктов перед сушкой в доступной нам литературе отсутствуют.

5. Методом электроплазмолиза перед сушкой, на наш взгляд, целесообразно обрабатывать трудновысушиваемую сельхозпродукцию: сливу, виноград, черешню и другие ягоды, предназначенные для сушки в целом виде.

6. Для уменьшения энергоемкости и равномерности обработки, на наш взгляд, целесообразно использовать импульсный режим пропускания электрического тока.

7. С целью снижения энергоемкости процесса сушки рекомендуется использовать солнечную энергию совместно с электрической в инфракрасных или в конвективных сушилках.

8. Проведенные лабораторные исследования являются предварительными и требуют усовершенствования методики определения электрических параметров источников разряда и самого продукта, а также проведения исследований при массовом пропуске продуктов через плазмолизатор.

Список использованных источников:

1. Кудрявцев И. Ф., Коренко В. А. Электрический нагрев и электротехнология. М.: Колос, 1975.

2. Скрыпников Ю. Г. Технология переработки плодов и ягод. М. Агро-промиздат, 1988. 286 с.

3. Бурич О., Берки Ф. Сушка плодов и овощей. Перевод с венгерского. М.: Пищевая промышленность, 1978. 278 с.

4. Решетко Э. В. Использование электроплазмолиза. Механизации и электрификации сельского хозяйства. 1977. № 12.

5. Юдаев И. В. Электроимпульсная энергосберегающая технология борьбы с сорной растительностью. Автореферат на соискание ученой степени доктора тех. наук. Волгоград, 2012.

6. Бойко А. Я. Исследование способа интенсификации механического обезвоживания растительной массы с целью снижения энергозатрат при сушке. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1976.

7. Загайлов В. И. Электростимуляция и электропробой тканей биологических объектов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2006. № 1.

References:

1. Kudryavtcev I. F., Korenko V. A. The electrical heating and electrotech-nology. Moscow Kolos 1975.

2. Skrypnikov Iu. G. «The processing technology of fruits and berries» Moscow «Agropromizdat» 1988. 286 p.

3. Burich O., Berki F. «Drying of fruits and vegetables». Translation from Hungarian. Moscow «Food processing industry» 1978. 278 p.

4. Reshetko E. V. Using Electro-plasmolyse. Magazine «Mechanisation and Electrification of Agriculture» №12 1977.

5. Judaev I. V. Electropulse energy-saving technology of weed control. Abstract for the degree of Doctor of Technical Sciences. Volgograd, 2012.

6. Boyko A. Y. Study ways of intensification of mechanical dewatering plant matter in order to reduce energy consumption when drying. Abstract for the degree of candidate of technical sciences. Moscow 1976.

7. Zagailov V. I. , Electrical stimulation and electrical breakdown of biological tissues. «Mechanization and electrification of agriculture» magazine №1 2006.

8. Pulse Electroplasmolyse. Food processing industry. № 8-9 2006.

8. Импульсный электроплазмолиз. Пищевая промышленность. 2006. N° 8-9.

9. Завалий А. А., Янович И. В. Инфракрасная сушка плодов и овощей // Научные труды южного филиала национального университета биоресурсов и природопользования Украины. Крымский агротехнологический университет. Симферополь, 2011. Вып. 137. С. 189-195.

11. Клямкин Н. К. ИК-сушка: перспектива развития сушильной отрасли // Техн. и оборуд. для села, 1999. С. 20-21. - рус.

11. Озоно-воздушная сушка продуктов [Электронный ресурс] URL: http://www.prosushka.ru/1523-ozono-vozdushnaya-sushka-produktov.html

12. Калашников Г. В., Литвинов Е. В. Кинетика СВЧ-сушки яблок // Вестник ВГУИТ, 2012. № 2.

Сведения об авторах:

Энвер Тэфикович Калафатов -кандидат технических наук, доцент кафедры механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», Республика Крым, г. Симферополь, ул. Девлет Гирея, 90.

Александр Николаевич Дидович -кандидат технических наук, заведующий отделом механизации производства и разработки новых образцов техники ФГБУН «НИИСХ Крыма», Республика Крым , г. Симферополь.

Энвер Шевхийевич Османов - ассистент кафедры механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», enver_hotboy@mail.ru, Республика Крым, г. Симферополь, ул. Слуцкого, 10.

9. Zavali A. A., Yanovich I. V. The infrared dryer fruits and vegetables. Scientific proceedings of the southern branch of the National University of bioresources and nature management Ukraine. Crimean Agriculture technology university. Rel. 137. Simferopol 2011. P. 189-195.

10. Klyamkin N. K. Infrared drying, prospects for the development of the drying industry. Tech. and equip. for the village, 1999. P. 20-21 Rus.

11. «The ozone-air drying products» Internet http://www.prosushka.ru/1523-ozono-vozdushnaya-sushka-produktov. html

12. Kalashnikov G. V., Litvinov E. V. The kinetics of the microwave drying of apples. Vestnik VGUIT, №2, 2012.

Information about the authors:

Enver Tefikovich Calafatov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of mechanization and technical services in agribusiness, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Ver-nadsky Crimean Federal University», Republic ofCrimea, Simferopol Str. Devlet Giray 90.

Alexander Nikolaevich Didovich - Candidate of Technical Sciences, Head of the new models of production and development of mechanization technology department FGBUN «Agricultural Research Institute of the Crimea», Republic of Crimea, Simferopol.

Enver Shevhiyevich Osmanov -Assistant of the Department of mechanization and technical services in agribusiness Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: enver_ hotboy@mail.ru, Republic of Crimea, Simferopol, Str. Slutsky 10.