Аннотация

В пищевой и сельскохозяйственной промышленности для увеличения сроков хранения пищевых продуктов и совершенствования процессов переработки пищевого сырья и подготовительных процессов применяются электрофизические технологии, такие как озонирование, обработка импульсным электрическим полем и низкотемпературная плазменная обработка. Цель работы – исследовать влияние предварительной обработки слаботочным плазменным каналом искрового разряда на эффективность сушки зерновых материалов.
В качестве объекта исследования выбрали семена мягкой пшеницы. Рассмотрели три варианта воздействия на материал: обработку при прямом контакте зернового материала с электродами, обработку на диэлектрической подложке и без обработки (контрольный образец). Изучение кинетики сушки семян пшеницы проводили с помощью теплового агента при температуре 110 °С после предварительной обработки слаботочным плазменным каналом искрового разряда. Для оценки возникающих в результате предварительной обработки эффектов использовали средства электронной сканирующей микроскопии для выявления изменений поверхности структуры, а также изучили кинетику процесса сушки.
Обработка семян пшеницы на диэлектрической подложке способствует более интенсивному процессу удаления влаги под действием возникающих эффектов травления поверхности с образованием нового континуума в структуре зернового материала. Обработка позволяет снизить длительность сушки зернового материала до достижения кондиционной влажности на 15–25 % по сравнению с контрольным образцом. Кривые скорости демонстрируют ускорение сушки в начальный период времени, что вызвано наличием дополнительных электроосмотических сил, и изменение абсорбционных характеристик зернового материала. Снижение общего удельного потребления энергии на 20 % получили для образцов с предварительной обработкой слаботочным плазменным каналом искрового разряда.
Электрофизическая технология на базе слаботочного плазменного канала искрового разряда может быть использована для подготовки зернового материала к последующей сушке. Перспективой дальнейшего развития данного направления является масштабирование технологии с обработкой слаботочным плазменным каналом искрового разряда зернового материала в поточном режиме с выявлением новых эффектов, в том числе повышение сроков хранения зернового материала.

Ключевые слова

Пищевое сырье, зерновой материал, сушка, электрофизические технологии, искровой разряд, озоновоздушая смесь, эффективность сушки, кинетика сушки, электроосмотическая сила

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Исследование выполнено при финансовой поддержке Кубанского научного фонда в рамках научного проекта № МФИ-20.1/42. Исследования выполнялись с использованием оборудования ЦКП «Исследовательский центр пищевых и химических технологий» Кубанского государственного технологического университета (КубГТУ) (CKP_3111), развитие которого поддерживается Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (Минобрнауки России) (Соглашение № 075-15-2021-679).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Радиационная обработка как технологический прием в целях повышения уровня продовольственной безопасности / Т. В. Чиж [и др.] // Вестник РАЕН. 2011. Т. 11. № 4. С. 44–49. https://www.elibrary.ru/TXIKUJ
2. Shorstkii IA. Cold plasma pretreatment in plant material drying. Food Processing: Techniques and Technology. 2022;52(3):613–622. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2022-3-2391
3. Ganesan AR, Tiwari U, Ezhilarasi PN, Rajauria G. Application of cold plasma on food matrices: A review on current and future prospects. Journal of Food Processing and Preservation. 2021;45(1). https://doi.org/10.1111/jfpp.15070
4. Priyadarshini A, Rajauria G, O'Donnell CP, Tiwari BK. Emerging food processing technologies and factors impacting their industrial adoption. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2019;59(19):3082–3101. https://doi.org/10.1080/10408398.2018.1483890
5. Zhakin AI. Electrohydrodynamics. Physics-Uspekhi. 2012;182(5):495–520. (In Russ.). https://doi.org/10.3367/UFNr.0182.201205b.0495
6. Martynenko A, Bashkir I, Kudra T. The energy efficiency of electrohydrodynamic (EHD) drying of foods. Trends in Food Science and Technology. 2021;118:744–764. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.09.002
7. Bashkir I, Martynenko A. Optimization of multiple-emitter discharge electrode for electrohydrodynamic (EHD) drying. Journal of Food Engineering. 2021;305. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110611
8. Martynenko A, Misra NN. Thermal phenomena in electrohydrodynamic (EHD) drying. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 2021;74. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2021.102859
9. Rashidi S, Bafekr H, Masoodi R, Languri EM. EHD in thermal energy systems – A review of the applications, modelling, and experiments. Journal of Electrostatics. 2017;90:1–14. https://doi.org/10.1016/j.elstat.2017.08.008
10. Изменение свойств и структуры поверхности семян зерновых культур под воздействием тлеющего разряда атмосферного давления / Б. Б. Балданов [и др.] // Успехи прикладной физики. 2019. Т. 7. № 3. С. 260–266. https://www.elibrary.ru/IXYPYH
11. Misra NN, Yadav B, Roopesh MS, Jo C. Cold plasma for effective fungal and mycotoxin control in foods: Mechanisms, inactivation effects, and applications. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2019;18(1):106–120. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12398
12. Li S, Chen S, Han F, Xv Y, Sun H, Ma Z, et al. Development and optimization of cold plasma pretreatment for drying on corn kernels. Journal of Food Science. 2019;84(8):2181–2189. https://doi.org/10.1111/1750-3841.14708
13. Штанько Р. И. Электроозонаторная установка для сушки зерна: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.02. Зерноград, 2000. 143 с. https://www.elibrary.ru/QDDZOD
14. Mirzaei-Baktash H, Hamdami N, Torabi P, Fallah-Joshaqani S, Dalvi-Isfahan M. Impact of different pretreatments on drying kinetics and quality of button mushroom slices dried by hot-air or electrohydrodynamic drying. LWT. 2022;155. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2021.112894
15. Xiao A, Ding C. Effect of electrohydrodynamic (EHD) on drying kinetics and quality characteristics of shiitake mushroom. Foods. 2022;11(9). https://doi.org/10.3390/foods11091303
16. Martynenko A, Iranshahi K, Defraeye T. Plate versus mesh collecting electrode for electrohydrodynamic (EHD) drying. Drying Technology. 2022;40(13):2759–2769. https://doi.org/10.1080/07373937.2021.1962338
17. Voroshilin RA, Kurbanova MG, Ostapova EV, Makhambetov EM, Petrov AN, Khelef MEA. Effect of gelatin drying methods on its amphiphilicity. Foods and Raw Materials. 2022;10(2):252–261. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2022-2-534
18. Шорсткий И. А. Применение обработки импульсным электрическим полем биоматериалов при подготовке к сушке. Краснодар: Дом-Юг, 2020. 172 c. https://www.elibrary.ru/DRFQUI
19. Полищук Н. В., Панченко М. С., Панченко И. М. Влияние радиусов кварцевых капилляров на высоту поднятия воды в электрическом поле // Электронная обработка материалов. 2008. Т. 44. № 4. С. 45–50.
20. Sheikholeslami M, Seyednezhad M. Simulation of nanofluid flow and natural convection in a porous media under the influence of electric field using CVFEM. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018;120:772–781. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.12.087
21. Los A, Ziuzina D, Boehm D, Cullen PJ, Bourke P. Investigation of mechanisms involved in germination enhancement of wheat (Triticum aestivum) by cold plasma: Effects on seed surface chemistry and characteristics. Plasma Processes and Polymers. 2019;16(4). https://doi.org/10.1002/ppap.201800148
22. Gao X, Zhang A, Héroux P, Sand W, Sun Z, Zhan J, et al. Effect of dielectric barrier discharge cold plasma on pea seed growth. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2019;67(39):10813–10822. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b03099
23. Cao W, Nishiyama Y, Koide S, Lu ZH. Drying enhancement of rough rice by an electric field. Biosystems Engineering. 2004;87(4):445–451. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2003.12.007
24. Cao W, Nishiyama Y, Koide S. Electrohydrodynamic drying characteristics of wheat using high voltage electrostatic field. Journal of Food Engineering. 2004;62(3):209–213. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(03)00232-2
25. Qu J, Zhang J, Li M, Tao W. Heat dissipation of electronic components by ionic wind from multi-needle electrodes discharge: Experimental and multi-physical analysis. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;163. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120406
26. Semenov VK, Belyakov AA, Ivanova NB. Mathematical modeling of a submerged jet of electric wind. Vestnik IGEU. 2021;(3):51–58. (In Russ.). https://doi.org/10.17588/2072-2672.2021.3.051-058
27. Martynenko A, Kudra T. Electrohydrodynamic dryer: Effect of emitters’ density and gap between discharge and collecting electrodes. Drying Technology. 2020;38(1–2):158–167. https://doi.org/10.1080/07373937.2019.1621338
28. Pui LP, Saleena LAK. Effects of spray-drying parameters on physicochemical properties of powdered fruits. Foods and Raw Materials. 2022;10(2):235–251. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2022-2-533