Аннотация

Переход к эффективному производству требует построения научных основ для развития энергосберегающих технологий и процессов сушки растительных материалов для их преобразования в продукты с функциональными свойствами. Математическое моделирование и управление процессом сушки имеет большое значение для прогнозирования ее хода и обеспечения эффективной переработки растительных материалов, предварительно обработанных низкотемпературной плазмой.
В работе были использованы растительные материалы: яблоко сорта Гренни Смит и картофель сорта Боровичок. В качестве электрофизической обработки использовали воздействие низкотемпературной плазмы атмосферного давления в воздушной газовой среде. За основную модель тепломассопереноса приняли модель Лыкова через систему связанных дифференциальных уравнений потенциала влажности и температуры. Математический аппарат и программный код реализовывали в программной среде MathCAD.
В результате обработки низкотемпературной плазмой атмосферного давления в воздушной газовой среде отмечено снижение длительности сушки растительных материалов. При росте величины индекса дезинтеграции установлено снижение общей длительности процесса сушки. Математический аппарат модели тепломассопереноса при сопоставлении с данными эксперимента сушки растительных материалов показал высокую схожесть результатов. На основе анализа кинетических коэффициентов переноса потенциалов тепла, влаги и давления предложен управляющий параметр процесса сушки растительных материалов – индекс дезинтеграции.
Предлагаемый математический аппарат дает возможность провести объяснения возникающих эффектов, а уточненные кинетические коэффициенты на основе экспериментальных данных способствуют объяснению процессов, протекающих в объекте сушки.

Ключевые слова

Сушка, тепломассоперенос, управление процессом сушки, электрофизическая обработка, низкотемпературная плазма, индекс дезинтеграции, численное моделирование

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bassey EJ, Cheng J-H, Sun D-W. Novel nonthermal and thermal pretreatments for enhancing drying performance and improving quality of fruits and vegetables. Trends in Food Science and Technology. 2021;112:137–148. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.03.045
2. Kumar M, Dahuja A, Tiwari S, Punia S, Tak Y, Amarowicz R, et al. Recent trends in extraction of plant bioactives using green technologies: A review. Food Chemistry. 2021;353. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129431
3. Lammerskitten A, Shorstkii I, Parniakov O, Mykhailyk V, Toepfl S, Rybak K, et al. The effect of different methods of mango drying assisted by a pulsed electric field on chemical and physical properties. Journal of Food Processing and Preservation. 2020;44(12). https://doi.org/10.1111/jfpp.14973
4. Armenta S, Garrigues S, Esteve-Turrillas FA, de la Guardia M. Green extraction techniques in green analytical chemistry. TrAC – Trends in Analytical Chemistry. 2019;116:248–253. https://doi.org/10.1016/j.trac.2019.03.016
5. Fauster T, Schlossnikl D, Rath F, Ostermeier R, Teufel F, Toepfl S, et al. Impact of pulsed electric field (PEF) pretreatment on process performance of industrial French fries production. Journal of Food Engineering. 2018;235:16–22. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2018.04.023
6. Ostermeier R, Hill K, Dingis A, Töpfl S, Jäger H. Influence of pulsed electric field (PEF) and ultrasound treatment on the frying behavior and quality of potato chips. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 2021;67. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2020.102553
7. Arab Shirazi SH, Pedram Nia A, Saeidi Asl MR, Naghipour F, Tavakolipour H. Antioxidant activity of aqueous and alcoholic extracts of Salvia leriifolia L. and Linum usitalissmum L. subjected to a pulsed electric field. Foods and Raw Materials. 2020;8(1):186–195. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2020-1-186-195
8. Vorobiev E, Lebovka N. Fundamentals of Electroporation, theory and mathematical models for simulation of PEE processing. In: Vorobiev E, Lebovka N, editors. Processing of foods and biomass feedstocks by pulsed electric energy. Cham: Springer; 2020. pp. 27–49. https://doi.org/10.1007/978-3-030-40917-3_2
9. Zipaev DV, Tulina AA, Kozhukhov AN. The use of capillary electrophoresis in the evaluation of food and beverages. Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. 2020;82(1):82–87. (In Russ.). https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-1-82-87
10. Misra NN, Martynenko A, Chemat F, Paniwnyk L, Barba FJ, Jambrak AR. Thermodynamics, transport phenomena, and electrochemistry of external field-assisted nonthermal food technologies. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2018;58(11):1832–1863. https://doi.org/10.1080/10408398.2017.1287660
11. Шорсткий И. А. Применение обработки импульсным электрическим полем биоматериалов при подготовке к сушке. Краснодар: Издательский Дом-Юг, 2020. 172 с.
12. Bao T, Hao X, Shishir MRI, Karim N, Chen W. Cold plasma: An emerging pretreatment technology for the drying of jujube slices. Food Chemistry. 2021;337. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.127783
13. Farias TRB, Rodrigues S, Fernandes FAN. Effect of dielectric barrier discharge plasma excitation frequency on the enzymatic activity, antioxidant capacity and phenolic content of apple cubes and apple juice. Food Research International. 2020;136. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2020.109617
14. Karim N, Shishir MRI, Bao T, Chen W. Effect of cold plasma pretreated hot-air drying on the physicochemical characteristics, nutritional values and antioxidant activity of shiitake mushroom. Journal of the Science of Food and Agriculture. 2021;101(15):6271–6280. https://doi.org/10.1002/jsfa.11296
15. Shorstkii I. Application of cold filamentary microplasma pretreatment assisted by thermionic emission for potato drying. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 2020;66. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2020.102540
16. Khudyakov D, Sosnin M, Shorstkii I, Okpala COR. Cold filamentary microplasma pretreatment combined with infrared dryer: Effects on drying efficiency and quality attributes of apple slices. Journal of Food Engineering. 2022;329. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.111049
17. Shorstkii IA, Sosnin MD. Cell membranes of plant materials anatomical integrity changes under the influence of filamentary microplasma treatment assisted by thermionic emission. Advances in Applied Physics. 2021;9(3):235–244. (In Russ.). https://doi.org/10.51368/2307-4469-2021-9-3-235-244
18. Koukouch A, Bakhattar I, Asbik M, Idlimam A, Zeghmati B, Aharoune A. Analytical solution of coupled heat and mass transfer equations during convective drying of biomass: experimental validation. Heat and Mass Transfer. 2020;56(6):1971–1983. https://doi.org/10.1007/s00231-020-02817-w
19. Vargas-González S, Núñez-Gómez KS, López-Sánchez E, Tejero-Andrade JM, Ruiz-López II, García-Alvarado MA. Thermodynamic and mathematical analysis of modified Luikov’s equations for simultaneous heat and mass transfer. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2021;120. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.105003
20. Лыков А. В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472 с.
21. Shorstkii IA, Kosachev VS, Koshevoi EP. Numerical modeling of the process of drying biomaterials after pulsed electric field treatment using a system of temperature, moisture, and pressure equations. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2020;93(5):1285–1295. https://doi.org/10.1007/s10891-020-02233-1
22. Никитина Л. М. Термодинамические параметры и коэффициенты массопереноса во влажных материалах. М.: Энергия, 1968. 500 с.
23. Krokida MK, Zogzas NP, Maroulis ZB. Heat transfer coefficient in food processing: Compilation of literature data. International Journal of Food Properties. 2002;5(2):435–450. https://doi.org/10.1081/JFP-120005796
24. Berk Z. Physical properties of food materials. In: Berk Z, editor. Food process engineering and technology. Academic Press; 2009. pp. 7–25. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-373660-4.00001-6
25. Mohsenin NN. Thermal properties of foods and agricultural materials. New York: Gordon and Breach; 1980. 408 p.
26. Ostermeier R, Giersemehl P, Siemer C, Töpfl S, Jäger H. Influence of pulsed electric field (PEF) pre-treatment on the convective drying kinetics of onions. Journal of Food Engineering. 2018;237:110–117. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2018.05.010
27. Liu C, Grimi N, Lebovka N, Vorobiev E. Effects of pulsed electric fields treatment on vacuum drying of potato tissue. LWT. 2018;95:289–294. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2018.04.090
28. Lammerskitten A, Mykhailyk V, Wiktor A, Toepfl S, Nowacka M, Bialik M, et al. Impact of pulsed electric fields on physical properties of freeze-dried apple tissue. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 2019;57. https://doi.org/10.1016/J.IFSET.2019.102211