Технологии обезвоживания ягод в промышленности.

Роль новых технологий в обезвоживании ягод: качество, биологически активные соединения и срок хранения. И опять вакуум.

Основные моменты

• Ягоды содержат необходимые питательные вещества, которые важны для здорового образа жизни.

• Наиболее распространенными методами являются конвективная, вакуумная, микроволновая сушка и лиофилизация.

• Предварительная обработка улучшает проницаемость, ускоряет сушку и подавляет окисление.

• Для обеспечения высокого качества обезвоженных ягод рекомендуется использовать комбинированные методы.

Ягоды относятся к числу продуктов с наивысшей питательной и коммерческой ценностью. В данной статье рассматриваются традиционные и новые методы обезвоживания (сушки), наиболее часто используемые в качестве послеуборочной обработки, и обсуждается их эффективность в сохранении и/или улучшении питательных и функциональных качеств сушеных ягод. Обсуждаются характеристики традиционных методов (например , конвективная сушка, лиофилизация, распылительная сушка, осмотическая дегидратация), их предварительная обработка, их комбинация и прерывистая сушка, а также их потенциальные недостатки. Использование новых методов обезвоживания (например, сушка электромагнитным излучением, взрывная сушка, сушка с тепловым насосом, сушка перегретым паром низкого давления, микроволновая сушка) позволяет улучшить качество сушеных ягод по сравнению с традиционными методами, а также сократить время сушки, увеличить скорость сушки и энергоэффективность. Наконец, использование предварительной обработки и комбинация технологий могут повысить качество конечного продукта в результате повышения эффективности процесса обезвоживания.

Введение

Под «ягодой» обычно подразумевают небольшой плод, который можно есть целиком. С другой стороны, с ботанической точки зрения он определяется как «тип крупного плода, у которого завязь одного цветка развивается в съедобную мясистую часть (т. е . околоплодник)». В обоих случаях ягоды являются популярными продуктами, широко признанными как отличный источник питательных веществ и биологически активных соединений, таких как минералы, фенольные соединения (особенно антоцианы) и витамины. Антоцианы — это пигменты, принадлежащие к группе флавоноидов, которые отвечают за красный, фиолетовый и синий цвета, характерные для многих ягод. Кроме того, эти соединения связаны с полезными для здоровья свойствами.

Плоды, такие как ягоды, содержат необходимые питательные вещества для здорового образа жизни, однако они очень скоропортящиеся. Кроме того, их характеристики зависят от различных факторов, включая выращивание, географический регион, условия хранения, степень зрелости и климат, среди прочего. Действительно, эти факторы могут изменять качество ягод, их биоактивное содержание и антиоксидантную способность. Поэтому необходимы адекватные и передовые технологии послеуборочной обработки, чтобы минимизировать качественные и количественные потери после сбора урожая (свежесрезанные или переработанные продукты), что позволит избежать нежелательных изменений веса, цвета, текстуры и аромата.

Сушка — один из старейших методов удаления воды для консервации продуктов питания, поскольку именно при ней достигается наименьший водный потенциал (активность воды), необходимый для стабильности продуктов во время хранения. Она связана с естественным процессом, обычно происходящим на открытом воздухе. Поэтому сегодня её заменили другие методы, осуществляющие сушку при контролируемой температуре и влажности с использованием сложного оборудования. В этом смысле обезвоживание обычно используется для снижения активности воды в фруктах, что позволяет предотвратить их последующее порчу.

Вода является основным компонентом фруктов и овощей, и её удаление предотвращает вредные микробные и физико-химические реакции, что приводит к увеличению срока хранения. Поэтому технология обезвоживания позволяет сохранять фрукты и их соки, увеличивая срок их хранения при одновременном уменьшении объёма и веса, тем самым снижая затраты на упаковку, хранение и транспортировку. В результате изменяются вкусовые и текстурные свойства, получаются новые продукты, в которых сохраняется или даже улучшается их конечное качество. Однако температуры, используемые при обезвоживании, могут разрушать биологически активные соединения (например, пищевые полифенолы), присутствующие в ягодах, снижая их качество. Влияние на свойства ягод будет зависеть от метода обезвоживания и вида фруктов. Это делает необходимым изучение биоактивных соединений в сушеных ягодах, чтобы понять преимущества, связанные с их употреблением. Учитывая это, появление новых методов обезвоживания обеспечит такие преимущества, как сокращение времени сушки, повышение энергоэффективности, улучшение качества продукции, снижение затрат и уменьшение воздействия на окружающую среду.

Эти факты подтверждают необходимость изучения методов обезвоживания с целью определения оптимальных условий для сохранения свойств сухофруктов по сравнению со свежими. Кроме того, влияние обезвоживания на полифенолы и антиоксидантные свойства не было последовательно оценено. Поэтому выбор оптимальных условий обезвоживания для улучшения качества ягод имеет решающее значение для производства сухофруктов, которые могут быть использованы пищевой промышленностью для удовлетворения потребительского спроса.

В данном обзоре рассматриваются основные методы обезвоживания ягод, представлены наиболее распространенные и новые методы, а также их комбинации. Кроме того, обсуждаются методы с точки зрения их влияния на общее качество, биоактивные соединения и срок хранения конечного сухого продукта. Поиск научных исследований, соответствующих тематике данного обзора, проводился в последнее время несколькими группами исследователей. В качестве основных ключевых слов использовались «ягоды» и «обезвоживание», отбирались публикации, вышедшие в период с 2017 по 2021 год. Такой подход дал 106 результатов, из которых было отобрано 31. Кроме того, был проведен еще один библиографический поиск по ссылкам, связанным с «сушеными ягодами в пищевых продуктах», который подтвердил, что это новая тема, поскольку с 2017 года было опубликовано лишь несколько статей.

Методы обезвоживания

Для обозначения потери воды взаимозаменяемо используются различные термины: сушка, обезвоживание и увядание. Однако между ними есть особенности, которые необходимо отметить. Как уже обсуждалось, сушка — это процесс интенсивной потери воды из ягод после сбора урожая, который обычно проводится на открытом воздухе; обезвоживание — это процесс потери воды в контролируемых условиях; и, наконец, увядание — это результат длительного процесса обезвоживания, в ходе которого происходит потеря воды и эффект, связанный со старением ягод. В данном обзоре будут рассмотрены только процессы, протекающие в контролируемых условиях.

За последние два десятилетия наблюдается научное и промышленное развитие методов обезвоживания ягод (от традиционных к новым технологиям и их комбинациям). Поэтому в этом разделе будут рассмотрены механизмы, преимущества, недостатки, экономическая эффективность и практическое применение наиболее важных традиционных (конвективная сушка, лиофилизация, прерывистая сушка, осмотическая дегидратация и распылительная сушка) и новых технологий сушки (электромагнитное излучение, взрывное распыление, тепловой насос, перегретый пар низкого давления), изученных в последние годы (таблица 1), а также их комбинаций.

Таблица 1.

Сравнение традиционных и новых методов обезвоживания: механизмы, преимущества, недостатки, экономическая эффективность и практическое применение.

Традиционные методы

Что касается традиционных механизмов обезвоживания, то основными используемыми технологиями являются конвективная (с использованием горячего воздуха) и вакуумная сушка. Обезвоживание ягод основано на обмене теплом и массой между средой и плодом, где движущей силой диффузии влаги является создаваемый градиент температуры и влажности. 

Конвективная сушка

Конвективная сушка — это простой и недорогой метод сушки горячим воздухом, используемый для обезвоживания фруктов. Обычно его классифицируют на три различных метода: сушка горячим воздухом (ягоды непосредственно подвергаются воздействию горячего воздуха), конвективная многократная сушка (теплопередача усиливается за счет большой разницы температур ягод и горячего воздуха) и сушка в псевдоожиженном слое (горячий воздух подается на сушильную ленту с контролируемой скоростью). Ягоды непосредственно подвергаются воздействию горячего воздуха для передачи тепла от поверхности к внутренней части плода, способствуя обмену влаги между продуктом и горячим воздухом, протекающим через сушильную камеру. Относительная влажность (ОВ) горячего воздуха является ключевым фактором в процессе сушки, поскольку она влияет как на тепло-, так и на массоперенос, и, следовательно, на качество фруктов. В этом отношении низкая относительная влажность связана с более низким давлением пара воздуха и более высокой скоростью массопереноса, что ускоряет сушку, но при этом на поверхности материала может образовываться корка. Напротив, высокая относительная влажность снижает способность поглощать влагу из окружающей среды, что приводит к улучшению пористой структуры материалов, но увеличивает время сушки.

В свежих фруктах сходятся связанная и несвязанная влага. В первом случае жидкий раствор удерживается в структуре твердой матрицы, тогда как во втором представлен свободной водой. Многие традиционные методы используют горячий воздух (конвекционная сушка) для усиления теплопередачи между воздухом с низкой относительной влажностью и фруктами, что приводит к сосуществованию сложных процессов во время термической сушки. Хотя в процессе происходит испарение на поверхности, необходимо также испарять связанную воду, поскольку только после периода снижения скорости процесс позволяет получить безопасный высушенный продукт. Безопасность гарантируется характеристиками высушенных фруктов, которые обычно включают низкую активность воды (<0,600), высокое содержание сахара (38–66%), низкий pH (<4,5) и антимикробные фенольные соединения. С другой стороны, у некоторых мягких ягод из-за высокого содержания влаги и высокого давления пара, образующегося внутри плода, может произойти деформация и растрескивание (снижение качества сушки). Более того, если испарение с поверхности ягоды происходит слишком медленно, может случиться так, что влага внутри материала практически не будет выходить наружу. Это приведет к снижению скорости сушки, а также к замедлению созревания и появлению плесени.

Конвективная сушка широко используется для переработки твердых фруктов и жмыха (производство функциональных ингредиентов). К преимуществам конвективной дегидратации относятся простота эксплуатации, низкая стоимость и простая конструкция, а также увеличение срока хранения обезвоженного продукта. Однако этот метод также имеет некоторые недостатки, связанные с характеристиками входящего газа (высокая температура, относительная влажность) и длительным временем сушки, что приводит к образованию корки на поверхности продукта, деградации термочувствительных соединений, ферментативным и неферментативным реакциям потемнения, появлению постороннего привкуса, видимой усадке (из-за механического напряжения) и, следовательно, низкой способности к регидратации и снижению питательной ценности. В исследовании (2018 г.) было отмечено, что применение длительного времени сушки (50 °C в течение 48 ч) или высоких температур сушки (130 °C в течение 2 ч) приводило к большему ухудшению качества малины, ежевики, красной и черной смородины. Напротив, промежуточные условия сушки (65 °C в течение 20 ч) позволяли сохранить цвет, содержание полифенолов и антиоксидантную активность ягод. Некоторые исследования утверждают, что эффект времени выдержки будет более заметным, чем эффект температуры. Это может быть связано с уменьшением объема и увеличением пористости, происходящими во время сушки, что приводит к деградации антиоксидантов. Это наблюдалось при применении конвективной сушки к клубнике, показав потерю антиоксидантной активности на 74,7 % при 50 °C/360 мин по сравнению с 66,2 % при использовании 60 °C/300 мин. Аналогичный эффект наблюдался и в отношении цвета: более высокие значения изменения цвета (ΔE) были отмечены в образцах, подвергнутых длительному воздействию температуры (9,3 против 5,3 при 50 °C/360 мин и 60 °C/300 мин соответственно). Аналогичным образом, обнаружили, что сочетание высоких температур и низкого времени (50 °C в течение 5 дней против 40 °C в течение 12 дней и 30 °C в течение 30 дней) способствовало накоплению глюкозы, фруктозы и общего количества растворимых сахаров, а также содержанию лимонной, молочной, яблочной, винной и галловой кислот и их производных в ягодах винограда.

Поэтому на протяжении многих лет исследования были сосредоточены на улучшении конвективной сушки, ее сочетании с другими процессами или замене другими методами.

Вакуумная сушка

Вакуумная сушка — подходящий метод сушки для фруктов, чувствительных к теплу и быстро портящихся из-за высоких температур и окисления. Отсутствие кислорода в процессе обезвоживания, применение пониженного атмосферного давления и низких температур сушки приводят к получению продукта с низким содержанием влаги и высоким качеством. Выбор соответствующих параметров обезвоживания (например , температуры, остаточного давления и скорости теплового потока) определяет эффективность этого метода сушки. Оценка вакуумной сушки дикорастущих ягод (ежевики, малины, красной смородины и клубники) в различных условиях показала, что повышение температуры сокращает время сушки, но ухудшает качественные характеристики высушенных ягод. Напротив, повышение остаточного давления увеличивает продолжительность вакуумной сушки.

По сравнению с конвекционной сушкой, вакуумная сушка имеет преимущества, включая более высокую скорость сушки, возможность использования более низкой температуры сушки и среды с низким содержанием кислорода. Кроме того, фенольные и летучие соединения, а также витамины лучше сохраняются в свежих ягодах. В некоторых исследованиях оценивалось влияние условий вакуумной сушки на качество высушенного продукта. Изучали влияние температуры вакуумной сушки на фенольные и антиоксидантные соединения ягод маки. Образцы сушили в вакуумной сушильной печи при температуре 40–80 °C под давлением 150 мбар. Как и ожидалось, повышение температуры снизило содержание w в плодах (0,482–0,387 при температурах 40 и 80 °C соответственно), что обеспечило микробиологическую стабильность продукта (<0,600). Что касается полифенолов, использование 80 °C позволило сохранить содержание общего количества фенольных соединений (TPC) (36,49 против 23,16 мг GAE/г сухого вещества при температурах 80 и 40 °C соответственно), общего количества флавоноидов (TFC) (21,09 против 16,82 мг QE/г сухого вещества при 80 и 40 °C соответственно) и общего количества антоцианов (TAC) (11,57 против 10,20 эквивалента дельфинидин-3-глюкозида/г сухого вещества при 80 и 40 °C соответственно). Эта тенденция также наблюдалась в антиоксидантной активности, измеренной методом DPPH (220,26 против 195,60 мкмоль TE/г дм при 80 и 40 °C соответственно). В случае ORAC наибольшая активность наблюдалась в образцах, высушенных при 60 °C (454,02 мкмоль TE/г дм). В профиле фенольных соединений были идентифицированы эллаговая кислота, феруловая кислота, галловая кислота, мирицетин, протокатеховая кислота и кверцетин. В целом, применение температур выше 60 °C способствовало разложению этих соединений.

Аналогичные результаты были получены на ягодах мурты, подвергнутых вакуумной сушке при различных температурах. Применение вакуумной сушки также позволило получить безопасный продукт (a w  < 0,500). Наблюдалось различное поведение между свободными и связанными TPC и TFC. В целом, вакуумная сушка снизила содержание свежих TPC и TFC по сравнению с содержанием, наблюдаемым в свежих ягодах мурты. Наибольшее содержание свободных флавоноидов в высушенных ягодах было обнаружено при 90 °C (2373,21 мг GAE/г дм и 854,3 мг QE/г дм для TPC и TFC соответственно). Напротив, в высушенных образцах содержание связанных флавоноидов было выше, чем в свежих образцах. Аналогичная тенденция наблюдалась в отношении связанного TPC, когда образцы сушили при температуре ниже 60 °C. Это может быть связано с изменениями в их химической структуре или возможным их сочетанием с другими соединениями (например , белками). В отличие от результатов, полученных другими авторами, повышение температуры значительно снизило антиоксидантную активность, вероятно, из-за деградации фенольных соединений. Напротив, содержание β-каротина увеличивалось с повышением температуры сушки.

Сочетание вакуумной сушки с другими технологиями, такими как лиофилизация и микроволновая сушка, позволяет сократить время сушки и повысить ее эффективность. В этом отношении недавно разработали гибридную солнечно-вакуумную сушилку как инновационную и экологически чистую технологию для обезвоживания фруктов и овощей.

Распылительная сушка

Этот метод обычно применяется для производства жидкостей (соков) в виде порошков и микрокапсулирования. Это одностадийная технологическая операция, в которой в качестве осушителя используется горячий осушающий газ (обычно воздух). Экстракт ягод быстро испаряется, поскольку он быстро распыляется на капли благодаря высокому давлению, достигаемому в камере распыления, и небольшому соплу, через которое он выходит из оборудования. В результате получается порошок с хорошей растворимостью и диспергируемостью. Кроме того, полученные сушеные фрукты имеют высокое качество, поскольку они имеют схожий размер и форму, что в сочетании с низкими значениями активности воды и содержания влаги, а также высокими значениями температуры стеклования (Tg) обеспечивает им длительный срок хранения. С другой стороны, эта технология имеет некоторые недостатки, связанные, с одной стороны, с использованием высоких температур, что может привести к потере биологически активных соединений; С другой стороны, из-за наличия в соке низкомолекулярных сахаров и органических кислот на стенках образуются отложения, что остается одной из главных проблем этого метода сушки. Кроме того, оборудование имеет большие размеры и высокую стоимость установки.

Таким образом, с целью разработки ягодных порошков, богатых биоактивными соединениями и обладающих желаемыми физическими свойствами, предложили применять комбинированный метод, используя ультразвуковую экстракцию в качестве предварительной обработки и распылительную сушку (условия работы: температура входящего воздуха 170 °C, скорость потока 8 мл/мин, давление воздуха 3,2 бар и диаметр сопла 1,5 мм; матрица-носитель: мальтодекстрин). Авторы пришли к выводу, что сочетание этих методов является удовлетворительной процедурой для получения ягод с более высоким содержанием фитохимических веществ и относительно хорошими свойствами текучести.

Сублимационная сушка

Лиофилизация, также известная как сушка замораживанием или криодесификация, является относительно распространенным методом вакуумной сушки для обезвоживания ягод. В этом случае ягоды выпариваются при низком давлении и низкой температуре. В целом, процесс делится на 3 этапа: (1) этап охлаждения, на котором материал охлаждается до температуры замерзания. Этот этап очень важен, поскольку он определяет морфологию и размер кристаллов льда, которые могут привести к разрушению клеток и повреждению микроструктуры плода, что препятствует правильной сушке замораживанием; (2) этап изменения фазы, на котором происходит фазовый переход из жидкого состояния в твердое, что приводит к образованию первых ядер льда и росту кристаллов льда; и, наконец, (3) этап затвердевания, на котором кристаллы льда растут, уменьшая доступность жидкой воды. Преимущества лиофилизации заключаются в возможности проведения процесса в условиях высокого вакуума, более низкой температуре сушки и более высокой скорости сушки.

Сублимационная сушка — один из самых щадящих методов обезвоживания, позволяющий получать высококачественные сухофрукты, в которых летучие соединения, биологически активные вещества и витамины сохраняются в относительно высокой степени. Более того, эта технология позволяет минимизировать усадку и способна сохранять первоначальный цвет и ароматические вещества ягод с высокой степенью регидратации, сохраняя особый вкус свежих ягод. Напротив, хотя сублимационная сушка является хорошей альтернативой для сохранения лабильных и фотооксидирующихся соединений ( например , антиоксидантов), она требует больших энергозатрат и затрат на оборудование, предварительной обработки (первоначального замораживания) и вакуумного оборудования.

В последнее время сочетание с другими инновационными технологиями или предварительной обработкой позволяет преодолеть некоторые проблемы обработки. Сушка замораживанием с использованием микроволнового излучения способствует быстрому нагреву, поскольку микроволны обеспечивают общий нагрев больших частей продукта. Это происходит благодаря глубокому проникновению микроволн в плод посредством электромагнитного излучения. Эти характеристики предотвращают или уменьшают окислительные повреждения, деградацию биологически активных и летучих соединений, усадку и смещение растворимых твердых веществ, а также потерю пористой структуры.

Осмотическое обезвоживание

Метод осмотической дегидратации заключается в погружении свежего продукта в гипертонический раствор для переноса воды из продукта в раствор за счет разницы осмотического давления. Эта техника, применимая ко всем видам фруктов, использует концентрированные соки, растворы полиолов, а также растворы соли (хлорида натрия) и сахара в качестве наиболее распространенного осушителя. В целом, тип осмотического раствора и время процесса являются наиболее значимыми факторами, влияющими на значения массообмена при осмотической дегидратации, в то время как температура является наименее значимым фактором.

Этот метод позволяет сохранить физико-химические характеристики и органолептические свойства. Осмотическая обработка эффективна для предотвращения и минимизации обесцвечивания и потери вкуса, вызванных термическим повреждением и замедленными ферментативными реакциями потемнения. В этом отношении она может даже улучшить качество при использовании в концентрированных соках. Кроме того, она описывается как инструмент, требующий меньшего энергопотребления и эксплуатационных затрат. С другой стороны, ее недостатки связаны с составом конечного продукта, в частности, с высоким содержанием влаги или сахара/соли (при обезвоживании с помощью этих растворов), что иногда затрудняет прогнозирование химического состава конечного продукта (например, концентрированных соков).

Применили осмотическую дегидратацию к клюкве. В качестве осмотического раствора использовали раствор сахарозы с концентрацией 65° Brix. Дегидратацию проводили в течение 6 часов при 21 °C с непрерывным перемешиванием. Несмотря на то, что применение этого метода сушки увеличило степень дегидратации и уменьшило пропитку, его сочетание с микроволновой вакуумной предварительной обработкой улучшило процесс дегидратации, снизив сопротивление массопереносу через кожицу и восковой слой клюквы. Оценили использование осмотической дегидратации для плодов земляники, используя сахарозу в качестве осмотического раствора. Кроме того, в качестве носителей функциональных соединений изучали инулин и концентрат сока черноплодной рябины. Эти осмотические вещества использовались в качестве частичных заменителей сахарозы. Все растворы имели концентрацию 50° Брикс и применялись при температуре 30–50 °C в течение 360 мин. Использование инулина или концентрата сока черноплодной рябины способствовало массообмену. В первом случае инулин предотвратил увеличение содержания сухих веществ по сравнению с сахарозой (1,29 против 1,48 для нормализованного содержания сухих веществ в осмотически обезвоженной клубнике с использованием инулина и сахарозы соответственно). Это может быть связано с тем, что инулин характеризуется меньшей способностью проникать в ткани. С другой стороны, использование концентрата сока увеличило содержание полифенолов и, следовательно, антиоксидантную активность обезвоженной клубники.

Новые технологии

Как уже упоминалось выше, существует несколько методов обезвоживания ягод. Однако ягоды характеризуются высокой вязкостью и чувствительностью к теплу и обезвоживанию, что может привести к деградации биологически активных соединений, таких как фенольные соединения и витамины. Учитывая это, пищевая промышленность искала новые методы, модифицировала существующие или применяла известные методы, ранее не использовавшиеся в обезвоживании пищевых продуктов, чтобы избежать нежелательных последствий, которые традиционные методы могут оказать на ягоды. В этом отношении появились новые технологии обезвоживания, главным образом с целью экономии энергии или оптимизации стоимости и качества ягод.

Концепция новых технологий обезвоживания включает в себя новые методы или производные от традиционных методов обезвоживания, а также их сочетание с другими технологиями (например, микроволновым излучением, импульсными электрическими полями, ультразвуком). Эти методы способствуют улучшению процесса обезвоживания, сокращению времени сушки, повышению энергоэффективности и/или улучшению качества конечного продукта. С другой стороны, эти методы не всегда экономически эффективны, поэтому пищевая промышленность часто комбинирует различные методы обезвоживания, чтобы максимизировать преимущества каждой технологии обезвоживания. Например, технология вакуумной дегидратации часто используется в сочетании с лиофилизацией и микроволновой сушкой для сокращения времени сушки и повышения эффективности сушки.

Сушка с помощью теплового насоса

Как уже упоминалось выше, потери энергии, возникающие при традиционном обезвоживании горячим воздухом, значительны. Это привело к тому, что многие методы были переработаны для предотвращения этих потерь энергии. В этом отношении была разработана сушилка с тепловым насосом, позволяющая рекуперировать явную и скрытую теплоту, обычно теряемую при других методах. В этом случае обезвоживание осуществляется путем конденсации воздуха в компрессионном испарителе, который подается в виде горячего сухого воздуха к продукту, а скрытая теплота испарения рекуперируется путем конденсации для повторного использования при нагреве сушильного воздуха. Фактически, этот метод сушки считается усовершенствованием конвекционной сушилки с холодильной системой.

Этот метод обезвоживания позволяет сократить время и температуру по сравнению с традиционной сушилкой горячим воздухом. В этом отношении образцы, высушенные с помощью теплового насоса, имеют более высокое общее качество, время сушки сокращается на 20 %, а затраты — на 19 %. Кроме того, энергоэффективность может быть повышена, если в процессе обработки установлен химический тепловой насос или используется гибридная система с другими технологиями (например, микроволновым, радиочастотным или инфракрасным излучением). В первом случае химический тепловой насос поглощает избыточное тепло (например, выхлопные газы сушилки или солнечную энергию) эндотермически и высвобождает его экзотермически в химической форме, используя обратимую химическую реакцию для изменения уровня температуры тепловой энергии, запасенной в химических веществах.

Сушка с помощью электромагнитного излучения.

Помимо методов, основанных на использовании горячего воздуха, существуют и другие, использующие спектр электромагнитных длин волн для получения тепла. К числу доступных методов обезвоживания фруктов с помощью электромагнитного излучения относятся микроволновая, инфракрасная, радиочастотная сушка и сушка с использованием рефракционного окна.

Что касается микроволновой сушки, этот метод основан на передаче электромагнитных волн (спектр от 1 мм до 1 м, частота 915 и 2450 МГц), где тепло, генерируемое молекулярными колебаниями, проходит через ягоды, вызывая колебания молекул, которые производят тепловую энергию, используемую для обезвоживания ягод. По сравнению с традиционными методами, эта технология позволяет получать высококачественную продукцию при одновременном снижении затрат и времени нагрева с более высокой энергоэффективностью. Эти характеристики делают его одним из наиболее часто используемых в промышленности методов сушки ягод. Кроме того, он позволяет снизить микробную нагрузку за счет термических и нетермических эффектов. Микроволны также способствуют образованию пористых продуктов в результате механизма сушки, который испаряет связанную воду за счет объемного нагрева. Однако наблюдалось большее и более быстрое уменьшение размеров образцов, высушенных в микроволновой печи. Это связано с сильным проникновением микроволн, которые вызывают быстрое повышение внутренней температуры ягоды, ускоряя удаление воды из образца ткани. Помимо этого недостатка, из-за высоких температур, генерируемых внутри ягод во время сушки, может происходить значительная деградация термолабильных биоактивных соединений. Поэтому для предотвращения повреждения продукта необходим надлежащий контроль тепло- и массопереноса в процессе. Кроме того, хотя микроволновое излучение позволяет лучше контролировать процесс обезвоживания, явления проникновения, отражения и преломления или реакции потемнения, вызванные микроволновым излучением, могут привести к неравномерному нагреву продукта, что является основным недостатком этой технологии. Оценили влияние микроволновой сушки на физико-химические параметры клубники. Применение мощности 800 Вт в течение 40 минут привело к ухудшению цвета по сравнению с результатами, полученными при других методах обезвоживания с использованием электромагнитного излучения (например, радиочастотного). Это может быть связано с реакциями потемнения, происходящими во время сушки из-за неравномерного нагрева и длительного времени сушки. Кроме того, наблюдалось снижение содержания каротиноидов, антоцианов и общего количества фенолов, которые чувствительны к перегреву, при этом легко образуются горячие точки при микроволновом нагреве.

Наконец, важно также подчеркнуть, что использование комбинированных или гибридных процессов сушки с применением микроволнового излучения (например, сушка с использованием микроволнового излучения и горячего воздуха, а также микроволновая вакуумная сушка) позволяет улучшить качество обезвоживания, достигая органолептических свойств, аналогичных тем, которые получаются при лиофилизации, но сокращая время сушки вдвое.

Метод инфракрасной сушки обеспечивает равномерную передачу тепловой энергии от источника тепла к плодам в виде электромагнитных волн (0,75–1000 мкм), что позволяет быстро и эффективно удалять влагу. По сравнению с традиционными методами, эта технология требует простого оборудования, сокращает время сушки и потребляет меньше энергии, что приводит к получению продукта лучшего качества при меньших затратах и ​​экологичности процесса. В этом отношении усадка ягод, высушенных инфракрасным методом, была значительно ниже, чем у ягод, высушенных горячим воздухом. Поэтому этот метод является одним из наиболее подходящих для использования в сочетании с традиционными методами обезвоживания.

Влияние параметров инфракрасного излучения на качество фруктов различно. В целом, с увеличением мощности инфракрасного излучения увеличивались изменение цвета, эффективный коэффициент диффузии, твердость и усадка. Оценили влияние параметров инфракрасной сушки (мощность, температура и скорость воздуха) на характеристики качества клубники. Клубника, разрезанная пополам, подвергалась воздействию различных условий мощности (100, 200 и 300 Вт), температуры воздуха (60, 80 и 100 °C) и скорости (1,0, 1,5 и 2,0 м/с). Авторы обнаружили, что применение 200 Вт, 100 °C и 1,5 м/с позволяет сохранить питательные вещества клубники. Однако наибольшее содержание полифенолов и антоцианов было получено при использовании самых низких температур и скорости воздуха.

Что касается радиочастотной сушки, она широко рассматривается как альтернатива сушке горячим воздухом. В этом случае нагрев происходит за счет взаимодействия электромагнитного поля, создаваемого радиочастотным генератором, с фруктом. Продукт находится между двумя электродами, подверженными воздействию переменного электрического поля, что вызывает колебательную миграцию полярных молекул и заряженных ионов. В результате электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, которая проникает глубоко и широко в ягоду, нагревая весь продукт. Радиочастотная сушка уменьшает воздействие на структуру высушенного материала, вызывая едва заметную усадку, которая предотвращает растрескивание фруктов. Хотя она позволяет сохранить качество полученного высушенного продукта, эта технология имеет некоторые ограничения, такие как проблемы тепловой миграции и краевые эффекты.

Сравнили влияние радиочастотной сушки на физико-химические параметры клубники. Результаты сравнивались с результатами, полученными при сушке клубники в микроволновой печи, лиофилизации и сушке горячим воздухом. По сравнению с микроволновой сушкой, радиочастотная сушка обеспечила лучшую равномерность распределения температуры, а также более высокое сохранение цвета, каротиноидов, антоцианов и общего содержания фенольных соединений. В действительности, существуют исследования, показывающие, что качество образцов, высушенных радиочастотным методом, аналогично качеству, полученному из лиофилизированных фруктов.

В технологии сушки с использованием инфракрасного окна теплопередача осуществляется посредством проводимости, конвекции и излучения. Процесс обезвоживания включает размещение фруктов на поверхности конвейерной ленты (обычно изготовленной из инфракраснопрозрачного пластика), перемещающейся в зоне циркуляции горячей воды, что позволяет повысить эффективность сушки. Кроме того, контакт материала с пластиком обеспечивает прямую передачу инфракрасной энергии ягоде, создавая инфракрасное окно. Таким образом, теплопередача осуществляется в основном за счет проводимости и излучения от воды к образцу, а также за счет конвекции от нагретой ягоды к окружающему воздуху. Этот метод обезвоживания может применяться к термочувствительным фруктам, поскольку условия обработки при атмосферном давлении и низких температурах (в большинстве случаев около 43 °C) позволяют снизить окисление и сохранить цвет и питательные вещества ягод. Более того, он считается энергоэффективным методом, который использует более короткое время сушки и имеет низкие затраты на установку и эксплуатацию. С другой стороны, основным ограничением является низкая пропускная способность системы.

Взрывное вспучивание сушка

Взрывная сушка — это высокоэффективная технология, включающая в себя камеру для вспучивания, вакуумную камеру и насос, парогенератор с декомпрессионным клапаном и воздушный компрессор. В процессе ягоды вспучиваются при температуре 80–130 °C под давлением 0,1–0,3 МПа в течение 5 минут, а затем вакуумно сушатся при температуре 50–70 °C в течение 180 минут до достижения конечного содержания влаги. Испарение связанной воды из плодов приводит к расширению продукта из-за резкого снижения давления и/или повышения температуры, что изменяет внутреннюю структуру продукта, делая его более пористым. Влияние на тепло- и массоперенос, механическую деформацию, сопротивление разрушению и усадку зависит от размера пор и толщины твердых частиц между порами. Кроме того, этот метод сушки позволяет сохранить большую часть питательных веществ ягод в процессе сушки. Однако некоторые из них могут быть повреждены из-за высоких температур, достигаемых на этапе вакуумной сушки.

Этот метод обычно является промежуточным этапом сушки, где он часто сочетается с другими методами (например, конвективной сушкой и лиофилизацией) для сокращения времени обработки и энергопотребления. Оценили влияние этих гибридных методов сушки на антиоксидантные свойства, пищевую ценность и физико-химические параметры сушеной черной шелковицы. Условия, применяемые при сушке горячим воздухом и лиофилизации, составляли 70 °C в течение 3 ч и −55 °C в течение 12 ч и 0,01 кПа соответственно. Применяемые ниже условия были общими в обоих случаях: (1) взрывная сушка при 80 °C в течение 5 мин; (2) вакуумная сушка при 70 °C в течение 3 ч и 0,1 МПа. Сочетание с лиофилизацией позволило получить ягоды с наилучшими свойствами текстуры, цвета и органолептических характеристик. Такое сочетание методов обезвоживания также позволило сохранить более высокое содержание биологически активных соединений, таких как антоцианы (12,38 мг/г против ≈8 мг/г при сушке методом замораживания и конвективно-взрывной сушки соответственно), цианидин-3-глюкозид (8,60 мг/г против ≈5 мг/г при сушке методом замораживания и конвективно-взрывной сушки соответственно), цианидин-3-рутинозид (2,62 мг/г против ≈2 мг/г при сушке методом замораживания и конвективно-взрывной сушки соответственно). Это более высокое содержание биологически активных соединений также отразилось на высокой антиоксидантной активности сушеных ягод, полученных методом замораживания и взрывной сушки. Полученные значения для TPC (25,65 против 27,56 мг GAE/г для лиофилизации и сушки с помощью взрыва соответственно) и DPPH (91,53 против 101,57 мг эквивалента тролокса/г для лиофилизации и сушки с помощью взрыва соответственно) были близки к значениям, наблюдаемым при сушке с помощью взрыва. Фактически, это считается более дешевой альтернативой лиофилизированным продуктам. Аналогичные результаты были получены для малины. Результаты, полученные при сушке горячим воздухом и сушке с помощью взрыва [(1) Горячий воздух 70 °C/90; (2) Сушка с помощью взрыва 97 °C; (3) Вакуумная сушка при 69 °C в течение 150 мин и 5 кПа сравнивалась с результатами, полученными при сушке горячим воздухом (70 °C, 2,1 м/с) и лиофилизации (−56 °C, 0,01 кПа, 36 ч). Лиофилизированные порошки малины продемонстрировали значительно лучшие физические свойства (например, параметры цвета, гигроскопичность, растворимые твердые вещества, растворимость в воде), чем порошки, полученные комбинированным методом сушки. Аналогичный эффект наблюдался и в содержании антоцианов, где наибольшее сохранение среди трех методов сушки наблюдалось в порошках малины, полученных лиофилизацией (0,33 г/кг против Содержание флавоноидов составляло приблизительно 0,25 и 0,18 г/кг для лиофилизации, сушки горячим воздухом и сушки взрывным методом, а также сушки горячим воздухом соответственно. Напротив, малина, высушенная комбинированным методом, показала самое высокое содержание общего количества полифенолов (≈120 г ГАЭ/кг) и общего количества флавоноидов (≈0,27 г катехинового эквивалента/кг). Это также отразилось на значениях антиоксидантной активности, которые были выше, чем полученные при лиофилизации (4510 против 4252 мкмоль ТЭ/г, 2734 против 2588 мкмоль ТЭ/г, 5679 против 5282 мкмоль ТЭ/г для ABTS, DPPH и FRAP соответственно). Таким образом, сушку взрывным методом можно рекомендовать для использования в производстве ягодных продуктов.

Сушка перегретым паром низкого давления

По сравнению с традиционными низкотемпературными методами обезвоживания, эта технология более энергоэффективна, поскольку позволяет сэкономить 50 % основной энергии без реакций горения или окисления в процессе обработки, что приводит к получению обезвоженных продуктов лучшего качества. Эти преимущества являются результатом работы при низкой температуре и давлении (поддерживаемых вакуумным насосом) и полного отсутствия кислорода. Процесс обезвоживания происходит в изолированной сушильной камере, где в качестве осушителя используется пар (а не горячий воздух), который распределяется электрическим вентилятором по всей сушильной камере. Сушка достигается с помощью перегретого пара при температуре выше температуры насыщения пара и при заданном давлении. Однако система имеет ограниченное применение, поскольку этот метод довольно сложен и медленен. Время сушки, зависящее от давления и температуры, составляет от 280 до 400 минут при давлении 7 кПа и температуре 75 и 65 °C соответственно. Поэтому этот метод обычно комбинируется с другими технологиями (например, дальним инфракрасным излучением) для ускорения процесса.

Периодическая сушка

Прерывистая сушка — один из наиболее энергоэффективных методов обезвоживания фруктов, при котором сушка осуществляется путем контроля некоторых параметров, участвующих в процессе сушки, чередуя периоды эффективной сушки с периодами выдержки. К факторам, которые можно изменять во времени, относятся скорость потока воздуха, температура сушильного воздуха, влажность, потребление энергии (например, теплопроводность, конвекция, микроволновое излучение, радиация) и/или давление. Поэтому в качестве сушильных агентов могут использоваться горячий воздух, мощность микроволнового излучения, вакуум, ультразвук или инфракрасное излучение. Наиболее распространенная форма прерывистой сушки достигается путем изменения условий сушильного воздуха.

На стадии темперирования температура стандартизируется, и вода переносится из внутренней части продукта на поверхность, что предотвращает перегрев. Таким образом, физическое и химическое разложение, а также тепловое повреждение снижаются благодаря постоянному присутствию воды на поверхности. Кроме того, хотя прерывистая сушка увеличивает общее время сушки, она также сокращает эффективное время сушки, необходимое для достижения желаемого конечного содержания влаги. Поэтому, согласно представленной информации, преимущества этого метода связаны с повторением процесса (испарение поверхностной влаги и перемещение внутренней влаги на поверхность), что позволяет снизить перегрев. Это, наряду с коротким временем нагрева, приводит к снижению окислительных и ферментативных процессов, что предотвращает повреждение термочувствительных биологически активных соединений. В результате снижаются нежелательные эффекты, сохраняются свойства (например, цвет и текстура) и увеличивается срок хранения сушеных ягод.

Этот метод представляет собой альтернативу тем методам, которые приводят к значительным недостаткам в процессе сушки. В этом отношении прерывистая микроволново-конвективная сушка значительно улучшает ограничения, связанные с микроволновой сушкой, особенно те, которые возникают на ранней стадии сушки или при более высоких мощностях, минимизируя перегрев, неравномерность распределения температуры, серьезное повреждение клеточных мембран, поверхностные или внутренние трещины, общую усадку, а также разрушение клеток. С другой стороны, по сравнению с конвективной сушкой, прерывистая сушка сокращает время обработки и общую усадку, а также улучшает качество конечной продукции. Кроме того, этот метод позволяет сохранить биоактивные соединения и уменьшить эффекты потемнения и гидротермического стресса в плодах. Поэтому его можно использовать для всех видов фруктов для производства растительного пищевого продукта.

Комбинированные методы сушки для обезвоживания

Комбинация методов обезвоживания может рассматриваться как еще одна перспективная технология. Их использование многообещающе, поскольку сочетание преимуществ методов может уменьшить негативные аспекты каждого из них. Хотя существует несколько возможных комбинаций методов обезвоживания, в данном обзоре будут рассмотрены только те, которые заслуживают особого внимания при обезвоживании ягод: (i) микроволново-конвективная сушка, (ii) вакуумно-микроволновая сушка, (iii) конвективная и вакуумно-микроволновая сушка, (iv) микроволновая сушилка в псевдоожиженном слое, (v) комбинация микроволнового излучения и дальнего инфракрасного излучения, (vi) ультразвуковая конвективная сушка и (vii) сушка с набуханием. Тем не менее, важно подчеркнуть, что для оптимизации процесса эти комбинации все еще требуют дальнейших исследований.

Как уже обсуждалось, конвективная сушка является наиболее распространенным методом обезвоживания ягод. Однако у этой техники есть некоторые недостатки, которые можно уменьшить, если ее сочетать с другими технологиями. В этом отношении микроволново-конвективная сушка позволяет решить проблему, связанную с теплопередачей, поскольку горячий воздух удаляет несвязанную влагу с поверхности продукта, а микроволновая энергия удаляет связанную влагу из внутренней части продукта.

Вакуумно-микроволновая сушка — это инновационная технология, которая до сих пор широко используется в пищевой промышленности. Этот метод позволяет устранить недостатки, связанные с традиционной сушкой, поскольку он отвечает четырем наиболее важным требованиям к улучшению обезвоживания: стоимость, энергоэффективность, скорость работы и качество продукта. Вакуумные условия способствуют массопереносу и предотвращают окисление продукта и высокие температуры, а микроволновый нагрев обеспечивает ускоренную передачу энергии. С другой стороны, одним из недостатков является неравномерность микроволнового излучения, которая может привести к перегреву образца.

Оценили влияние микроволновой сушки на реологические, химические и физические характеристики золотистой ягоды. Плоды сушили под пониженным давлением (4–10 кПа) для достижения сушки с минимальным эффектом набухания, при мощности 120 и 480 Вт. По сравнению с конвективной сушкой, образцы, высушенные в микроволново-вакуумной среде при мощности 480 Вт, показали наибольшую устойчивость к сжатию (10 мДж против 2 мДж для микроволновой сушки при 480 Вт и конвективного метода соответственно) и наименьшее значение a w (0,232 против 0,524 для микроволновой сушки при 480 Вт и конвективного метода соответственно). Кроме того, эти фрукты имели более привлекательный для потребителя цвет, будучи ярче (62,89 против 40,66 для микроволновой сушки мощностью 480 Вт и конвективной сушки соответственно) и с мягким желтым оттенком (52,82 против 19,41 для микроволновой сушки мощностью 480 Вт и конвективной сушки соответственно). Что касается биологически активных соединений, ягоды, высушенные в микроволновой вакуумной печи, показали самое высокое содержание полифенолов (436,3 против 177,6 мг ГАЭ/100 г для микроволновой и традиционной сушки соответственно) и каротиноидов (296,94 против 169,85 мг/кг дм³/г для микроволновой и традиционной сушки соответственно). Аналогичный эффект наблюдался в содержании транс- лютеина, β-криптоксантина, α-каротина, транс - β-каротина и 15- цис -β-каротина. Эти результаты также отразились на антиоксидантной активности, которая была выше у фруктов, высушенных в микроволновой печи (191 и 19,06 ммоль тролокса/100 г для анализов FRAP и ABTS соответственно). Эти результаты объясняются тем, что микроволновая вакуумная сушка предотвращает частичное окисление биологически активных соединений, которое происходит при обычной сушке, связанной с использованием высоких температур и присутствием кислорода.

В дополнение к вакуумно-микроволновой технологии, предложили новый способ обработки ягод (например, черной смородины, клюквы, малины) с помощью метода микроволново-вакуумного вспучивания. Фактически, этот метод может быть использован для производства обезжиренной альтернативы (например, закусок) с оригинальным вкусом и питательными веществами свежих ягод, а также хрустящей текстурой. Используемое оборудование состоит из сушильной камеры, в которой размещены магнетроны, преобразующие электрическую энергию в электромагнитную в виде микроволн, вакуумного насоса и системы вентиляции. Обычно применяются три уровня мощности микроволнового излучения: 1,34, 2,68 и 4,02 кВт, и вакуумное давление в диапазоне 0–100 кПа. Вспучивание вызывает расширение объема ягоды за счет разницы давлений между внутренним паром и внешним вакуумным давлением, в результате чего получается продукт с пористой структурой.

Сочетание конвективной сушки с вакуумно-микроволновой сушкой приводит к получению продукции лучшего качества при меньших затратах и ​​энергопотреблении. В этом случае обезвоживание фруктов происходит в два этапа: (1) конвективная сушка, которая снижает содержание свободной влаги в фруктах без воздействия на их биологически активные соединения, и (2) вакуумно-микроволновая сушка, которая снижает содержание влаги до желаемого уровня. Аналогично конвективной сушке, сушка в псевдоожиженном слое может быть объединена с микроволновой сушкой. В этом методе сушки движение жидкой воды изнутри к поверхности ягоды инициируется внутренним нагревом. По мере приближения температуры внутри материала к точке кипения воды, создаваемое давление выталкивает влагу на поверхность, и вода начинает испаряться внутри плода. В этот период содержание влаги у поверхности снижается ниже критического уровня влажности. Основными параметрами, участвующими в процессе, являются мощность микроволнового излучения, температура и скорость потока воздуха. Применение этого комбинированного метода предотвращает перегрев, одновременно увеличивая диффузию и сокращая время сушки до 50 %, что приводит к получению продуктов с более низким содержанием влаги и лучшим качеством. Однако в этом случае затраты высоки, и необходимы дополнительные исследования, чтобы определить необходимые этапы сушки и типы продуктов, для которых этот метод может быть использован. С другой стороны, сушка в псевдоожиженном слое с использованием дальнего инфракрасного излучения направлена ​​на повышение температуры фруктов с помощью длин волн, вызывающих вибрацию молекул. В отличие от предыдущего метода, дальние инфракрасные лучи могут применяться на любом этапе сушки, что позволяет более эффективно контролировать качество продукта.

Ультразвуковая сушка горячим воздухом считается альтернативным методом сушки фруктов, чувствительных к теплу. Этот метод, считающийся недорогим и энергоэффективным, обезвоживает продукты за счет ускорения массопереноса, что приводит к получению высококачественного сухого продукта. Ультразвуковая конвективная сушилка состоит из цилиндрического вибрирующего излучателя, активируемого пьезоэлектрическим преобразователем, который генерирует высокоинтенсивное ультразвуковое поле в воздушной среде, где находятся ягоды. Более низкая температура (30–70 °C) и время (0,5–5 мин), необходимые для процесса сушки, уменьшают нежелательные эффекты на фрукты, такие как растрескивание, потемнение цвета, усадка и потеря питательных веществ. Оценили применение ультразвукового воздействия в воздухе при конвективной сушке клубники. Время сушки сокращалось с увеличением мощности звука и температуры благодаря улучшению диффузии и коэффициента массопереноса. Кроме того, эта комбинированная технология не оказала существенного влияния на усадку.

Статьи на тему применения технологий на основе вакуумной техники:

• Метод транспортировки сыпучих продуктов вакуумом..
• Современный подход к лабороторным вакуумным системам..
• Вакуумные технологии в научных исследованиях..
• Как может помочь вакуум для стабилизации древесины?.
• Способ изготовления вакуумной камеры в домашних условиях..
• Методы удаления пузырьков при изготовлении изделий из эпоксидной смолы..
• Для чего нужна вакуумная смазка?.
• Можно ли заменить вакуумную смазку силиконовой смазкой?.
• Какие факторы влияют на срок службы вакуумного масла в масляном роторном насосе и каковы меры его продления?.
• Какое вакуумное масло лучше для паромасляного/диффузионного насоса?.
• Синтетическое масло специального назначения для вакуумных насосов: ВМ-5С..
• Что такое масло для вакуумного насоса?.
• Услуги по ремонту вакуумных насосов: Мирный, Нерюнгри, Алдан, Якутск, Ленск, Нюрба..
• Услуги по ремонту вакуумных насосов в Серпухове, Орехово-Зуево, Балашихе, Раменском, Ногинске..
• Услуги по ремонту вакуумных насосов: Сергиев Посад, Лыткарино, Воскресенск, Щёлково, Клин..

2025. НПП "Вакуумная техника", ИП Шумиловский А.В. - капитальный ремонт вакуумных насосов.

При копировании текста статьи, ссылка на сайт https://mskvac.ru/ обязательна!