CC BY
3
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Вестник аграрной науки Дона. 2023. Т. 16. № 3 (63). С. 71-84. Don agrarian science bulletin. 2023. 16-3(63): 71-84.
Научная статья УДК 664.1.033
doi: 10.55618/20756704_2023_16_3_71 -84 EDN: QXZZPC
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПЛАЗМОЛИЗА ЯБЛОЧНОГО И ТЫКВЕННОГО СЫРЬЯ
Руслан Геннадьевич Кокурин1, Игорь Викторович Юдаев2, Юлия Владимировна Даус2
1ООО «Приборостроительная компания «Высоковольтные технологии», г. Волгоград, Россия, [email protected]
Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина, г. Краснодар, Россия, [email protected]
Аннотация. Применение электрических импульсов высокого напряжения при переработке растительного сырья считается технологически эффективной и малоэнергозатратной операцией в перерабатывающей, пищевой, фармакологической, парфюмерной промышленности и сельском хозяйстве. Эффект импульсной электропорации позволяет обрабатывать растительное сырье, добиваясь нетермического результата повреждения внутриклеточных структур, сохраняя высокое качество получаемого продукта, организуя пастеризацию обрабатываемого материала и, следовательно, увеличивая его срок сохранности. В исследованиях изучалось сырье растительного происхождения, а именно - яблоки местных сортов «Гала» и тыквы сорта «Грибовская зимняя». Проведя анализ характера изменения и количественных показателей зависимостей: 1) выхода сока и пюре-образной массы, полученных методом прессования; 2) изменения сопротивления растительной ткани обрабатываемых материалов от воздействующих параметров обработки: напряженности электрического поля в растительной ткани и энергии, ею поглощённой, было определено, что выход продукта, а следовательно, и степень деструктуризации внутренних компонентов растительных тканей, и в первую очередь целостность клеточных мембран, в значительно меньшей степени зависят от энергии воздействующего импульса, чем от градиента напряжения. С повышением напряженности электрического поля в ткани растительного сырья и с увеличением количества импульсов, воздействующих на него, увеличивается выход продукта (сока или пюреобразной массы) и снижается сопротивление растительной ткани обрабатываемого сырья относительно его первоначальных значений. Исследования на микроскопе образцов, взятых до и после обработки, подтвердили, что
© Кокурин Р.Г., Юдаев И.В., Даус Ю.В., 2023
под действием прикладываемых к сырью электрических импульсов высокого напряжения мембраны растительных клеток теряют свойство полупроницаемости и становятся проницаемыми для выхода сока в межклеточное пространство.
Ключевые слова: высоковольтные электрические импульсы, растительная ткань сырья, экстракция, сок, пюре
Для цитирования: Кокурин Р.Г., Юдаев И.В., Даус Ю.В. Изучение процесса электроимпульсного плазмолиза яблочного и тыквенного сырья // Вестник аграрной науки Дона. 2023. Т. 16. № 3 (63). С. 71-84.
Original article
STUDYING THE PROCESS OF ELECTRIC PULSE PLASMOLYSIS OF APPLE AND PUMPKIN RAW MATERIALS
Ruslan Gennadievich Kokurin1, Igor Viktorovich Yudaev2, Yulia Vladimirovna Daus2
Vnstrument-Making Company "High-Voltage Technologies" LLC, Volgograd, Russia, [email protected] 2Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin, Krasnodar, Russia, [email protected]
Abstract. The use of high-voltage electrical pulses in the processing of plant raw materials is considered to be a technologically efficient and low-energy operation in the processing, food, pharmacological, perfume industries and agriculture. The effect of pulsed electroporation makes it possible to process plant raw materials, achieving non-thermal damage to intracellular structures, maintaining the high quality of the resulting product, organizing pasteurization of the processed material and, therefore, increasing its shelf life. The studies have examined raw materials of plant origin, namely apples of the local varieties "Gala" and pumpkins of the "Gribovskaya winter" variety. Having analyzed the nature of the change and quantitative indicators of the dependencies: 1) the yield of juice and puree mass obtained by pressing; 2) changes in the resistance of plant tissue of the processed materials, from the influencing processing parameters: the electric field strength in the plant tissue and the energy absorbed by it, it was determined that the yield of the product, and, consequently, the degree of destructuring of the internal components of plant tissues, and primarily the integrity cell membranes depend to a much lesser extent on the energy of the applied pulse than on the voltage gradient. The greater the electric field strength in the tissue of plant raw materials and the greater the number of pulses that influence it, the greater the increase in the yield of the product (juice or puree mass) and at the same time the greater the decrease in the resistance of the plant tissue of the processed raw material, relative to its initial values. Microscopic studies of samples taken before and after processing confirmed that under the influence of high voltage electrical pulses applied to the raw material, the membranes of plant cells lose their semi-permeable property and become permeable for the release of juice into the intercellular space.
Keywords: high-voltage electrical pulses, plant tissue raw materials, extraction, juice, puree
For citation: Kokurin R.G., Yudaev I.V., Daus Yu.V. Studying the process of electric pulse plasmoly-sis of apple and pumpkin raw materials // Vestnik agrarnoy nauki Dona = Don agrarian science bulletin. 2023; 16-3(63): 71-84. (In Russ.)
Введение. Совершенствование технологии предварительной подготовки растительного сырья для последующей переработки с целью увеличения выхода внутриклеточной и межклеточной жидкости при гарантированном сохранении качества сока и сокосодержащих продуктов является необходимым направлением для оптимизации технических и технологических подходов по
интенсификации процесса экстрагирования. Экстрагирование является одной из главных операций целого ряда технологических процессов в пищевой, перерабатывающей, химической, парфюмерной, фармакологической промышленности и сельском хозяйстве и требует для своего совершенствования и модернизации применения энерго- и ресур-
сосберегающих, а также технологически эффективных решений.
Перспективным направлением для улучшения показателей экстрагирования является применение различных эффективных воздействующих на первичное, исходное растительное сырье факторов, позволяющих снизить затраты энергии на процесс, а также улучшить качество и увеличить количество получаемых продуктов, к которым можно отнести и электроимпульсный плазмолиз. Этот вид электроконтактной обработки относится к обработке, при которой, в результате организуемого деструктивного воздействия электрической природы на биологическое сырье наблюдается увеличение его сокоотдачи при сохранении качества продукта по сравнению с другими, более энергозатратными способами экстрагирования [1-4].
Для обоснования возможности практического применения предлагаемой электротехнологии перед операцией экстрагирования и обоснования её режимов и параметров необходимым является проведение комплексных изысканий, которые включают в себя анализ имеющихся в открытой печати результатов теоретических и экспериментальных работ, посвященных совершенствованию процессов экстрагирования, а также проведение исследований по изучению эффективности импульсного электроплазмолиза для обработки местного растительного сырья. Именно все вышесказанное можно отнести к формулировке цели исследований, представленных в статье.
Явление электроплазмолиза характеризуется тем, что в процессе деструктивного электрического воздействия на клеточные структуры растительного сырья наблюдается явление плазмолиза - отделение пристеночного слоя цитоплазмы от клеточной оболочки, приводящее к подавлению важных для жизни клетки функций, и затем к ее необратимому повреждению, из-за чего наблюдается более свободный и интенсивный выход внутриклеточной жидкости в межклеточник.
Механизм электроимпульсного процесса обработки заключается в том, что, когда электрическое поле приложено к растительной клетке, окруженной электролитической межклеточной суспензией, то под его влиянием ионы перемещаются к мембране и последняя, в результате этого, поляризуется [3, 5-7]. Поляризация мембраны приводит к тому, что через некоторое время происходит разделение зарядов ионов на положительные и отрицательные, и сформировавшаяся разность потенциалов, первоначально приложенная ко всему объему клетки, сосредотачивается только на её мембранной поверхности. Электрический потенциал, появившийся на поверхности мембраны, вызывает нарушение ее нормальной жизнедеятельности, что характеризуется образованием большего, чем в отсутствии внешнего электрического поля, количества ионных пор в стенке мембраны. В том случае, если в течение временного промежутка, характеризующего длительность воздействия импульсного электрического поля, размер радиуса поры превысит значение, соответствующее его максимуму при нормальном, естественном мембранном потенциале, то произойдет необратимое увеличение размера поры - цитоплазма и другие внутриклеточные компоненты вытекут в межклеточное пространство, смешаются и клетка погибнет, прекращая нормально функционировать [5, 7, 8]. При этом создаются условия для извлечения сокосо-держащей жидкости с минимальными затратами, например при экстрагировании.
Для нарушения нормального функционирования ионных пор или, иными словами - открытия «ионных ворот клетки», необходимо, чтобы длительность воздействующего электрического импульса по своей величине была больше, чем сумма временных интервалов, необходимых для образования поляризованного слоя на мембране и достижения ионными порами предельного, критического значения радиуса их открытия. Также необходимо, чтобы выполнялось условие -значение приложенного к мембране клетки
разности потенциалов было больше 1 В, или, что соответствует напряженности электрического поля на ней, - 2103 В/см [4, 9].
Содержание сока - внутриклеточной и межклеточной жидкости, в свежем плодоовощном сырье достигает значения 90-95% от общей массы, но в то же время при их переработке при традиционно принятых технологиях выход сокосодержащей жидкости зачастую может составлять только 5060% [2, 3]. Отбор внутри- и межклеточной жидкости у сырья растительного происхождения, прежде всего, зависит от проницаемости протоплазменных оболочек клеток и от их способности противостоять внешним разрушающим воздействиям. Поэтому любые внешние воздействия, направленные на нарушение нормального функционирования клеточных структур и их необратимое повреждение, впоследствии приводящие к увеличению проницаемости клеточных мембран, позволяют увеличить сокоотдачу плодоовощного сырья.
Эффективность индуцированной импульсным электрическим воздействием пермеабилизации при 20 °С было внимательно исследовано на растительных тканях некоторых фруктовых и овощных растений (яблоко, картофель, морковь, кабачок, апельсин и банан). Экспериментально было изучено влияние обработки электрическими импульсами напряженностью 1 кВ/см и длительностью 1000 мкс, а последующий анализ полученных результатов показал, что средний радиус клеток находился в пределах 30-60 мкм, а отношение электропро-водностей необработанных и поврежденных тканей - в пределах 0,07-0,79 (для тканей разных растений). Выкладки из теории элек-тропорации позволили предположить, что большее повреждение должно наблюдаться у тканей с более крупными клетками, однако прямая корреляция между эффективностью электроимпульсного повреждения и размером клетки наблюдалась не всегда. Для объяснения этой аномалии была разработана теоретическая модель Монте-Карло, которая проверялась на параметрах, типич-
ных для ткани картофеля. Модель показала сильную зависимость эффективности электроимпульсного повреждения и потребляемой мощности от отношения электропро-водностей необработанных и поврежденных тканей. Обработка тканей растений, которая характеризовалась высоким значением отношения электропроводностей, требовала приложения достаточно сильного поля, как например, напряженностью 3 кВ/см для отношения электропроводностей « 0,8. Однако обработка при более низких значениях напряженности « 0,4 кВ/см позволяла регулировать избирательность повреждения клеток в зависимости от их размера. Наблюдалось хорошее качественное соответствие между экспериментальными данными и результатами моделирования [10].
Обработка электрическими высоковольтными импульсами для интенсификации производства и получения здоровой продукции с высоким содержанием питательных элементов, витаминов разных групп, а именно - сока, пюре, пасты, сушеных фруктов, бахчевых и овощей, из соответствующего растительного сырья, нашла широкое распространение в перерабатывающей промышленности многих зарубежных стран [6, 8, 10-12]. Технология оказалась очень эффективной при переработке, прежде всего, яблок, винограда, свёклы, цитрусовых, бахчевых культур, а также других фруктов и овощей.
Кроме достигаемого эффекта увеличения выхода продукции без снижения ее качества, обработка в электрическом импульсном поле позволяет добиться деактивации микробов, осуществить первичную стерилизацию продукции и повысить качественные показатели экстрагируемого сока для его сохранности и увеличения срока хранения [6, 13, 14].
Применение импульсных высоковольтных воздействий и термической обработки высоким давлением кусочков тыквы сорта cv. Butternut дало положительный эффект, поскольку увеличило содержание некоторых представляющих интерес биологически ак-
тивных соединений, таких как каротиноиды. Такая предварительная обработка (стерилизация) может быть использована для сохранения пюре из этих продуктов, так как позволила добиться наилучшего сохранения содержания каротиновых соединений и антиок-сидантной активности тыквенного пюре [15].
Исследования были проведены для изучения влияния импульсными воздействиями с напряженностью электрического поля (0,1-1 кВ/см) и частотой (5-75 Гц) на экстра-гируемость каротиноидов в моркови при изготовлении морковного пюре. Увеличение напряженности электрического поля до 1 кВ/см при частоте 5 Гц значительно увеличивало извлечение каротиноидов из выжимок моркови, а вот увеличение частоты выше 10 Гц при 1 кВ/см не улучшало экстракцию каротиноидов. Изучение выхода сахара при предварительной обработке морковного сырья также показало, что наблюдается положительная динамика: сразу после обработки высоковольтными импульсами происходит значительное увеличение экстракции растворенных веществ [16, 17].
Хорошо известно, что деактивация деградирующих и пектинолитических ферментов имеет решающее значение в производстве фруктовых соков. Проведенные исследования по изучению влияния электроимпульсной высоковольтной обработки фруктов показали, что такая обработка является перспективной технологией сохранения свежести сока за счет эффективной инактивации ферментов и бактерий. Обработка приводит к изменению конформации а-спирали и изменяет активный центр ферментов, и более того, обработанные соки восстанавливают ферментативную активность во время хранения либо за счет частичной инактивации ферментов, либо за счет присутствия специфических резистентных изоферментов. Все вышеперечисленное сказывается на сохранении качества и увеличении сроков хранения соков, полученных простым механическим прессовани-
ем из сырья, предварительно обработанного электрическими импульсами [18].
Проанализировав изученную специализированную научно-техническую информацию, можно констатировать, что проведенные исследования по изучению механизма, параметров и режимов электроимпульсного плазмолиза растительного сырья, с целью совершенствования процессов экстрагирования, являются актуальными в современных условиях развития пищевых технологий и при переработке растительного сырья, на наш взгляд, требуют проведения отдельных и дополнительных исследований как технического сопровождения самого процесса, так и по изучению свойств и характеристик растительного сырья и его поведения в процессе электроимпульсной обработки.
Материалы и методы исследования. Для проведения экспериментальных исследований по экстрагированию яблочного и тыквенного сока, а также пюре из исходного сырья c предварительной обработкой последних электрическими импульсами высокого напряжения была собрана лабораторно-исследовательская установка, представленная на рисунках 1 и 2.
Установка для проведения экспериментальных исследований была собрана как из выпускаемых промышленностью приборов и аппаратов, так и из электротехнического оборудования, спроектированного и изготовленного авторами статьи.
Состав лабораторно-исследователь-ской установки включал в себя: высоковольтный генератор постоянного напряжения марки «УИВН-10»; высоковольтный делитель напряжения собственного изготовления; высоковольтный конденсатор; рабочую камеру для обработки собственного изготовления; блок коммутации и блок управления коммутатором собственного изготовления; цифровой осциллограф марки «DSO5102P»; цифровые весы марки «MH-200»; LCR-метр типа «Mastech MS5308»; персональный компьютер для анализа и сбора данных; пресс собственного изготовления [19].
Рисунок 1 - Внешний вид экспериментальной лабораторно-исследовательской установки для предварительной обработки электрическими импульсами высокого напряжения растительного сырья перед экстракцией
Figure 1 - External view of an experimental laboratory research installation for pre-treatment of plant raw materials with high-voltage electrical pulses before extraction
Когр. - токоограничительный резистор; Rai, Ra2 - высоковольтный делитель; С - высоковольтный конденсатор Рисунок 2 - Схематическое представление электрической части экспериментальной лабораторно-исследовательской установки для обработки растительного сырья перед экстракцией
электрическими импульсами высокого напряжения Rlim. - current limiting resistor; Rdi, Rd2 - high-voltage divider; C - high voltage capacitor Figure 2 - Schematic view of the electrical part of an experimental laboratory research installation for processing plant raw materials before extraction with high voltage electrical pulses
Исследования проводились при комнатной температуре 20 °С. Обрабатываемое плодоовощное сырье перед закладкой в рабочую камеру подготавливалось следующим образом: вырезались цилиндрические заготовки правильной формы из цельного яблока или тыквы с помощью специального приспособления, после чего отрезались образцы длиной 5 мм, взвешивались.
Растительное сырье - отдельные элементы-кусочки правильной формы из
яблок или тыквы, взвешивалось на цифровых весах, масса фиксировалась, и после этого оно размещалось между электродами рабочей ячейки, прижимаясь с некоторым усилием подвижным верхним электродом. Затем к контактам электродов подключался цифровой LCR-метр и измерялись начальные электрофизические параметры сырья, после чего измерительный прибор отключался от контактов ячейки, а последняя подключалась к высоковольтной цепи экспери-
ментальной установки. Генератор постоянного напряжения УИВН-10 подключался в цепь питания рабочей камеры, и на его выходе по показаниям встроенного цифрового киловольтметра выставлялось необходимое значение напряжения обработки, а на блоке управления - значение частоты следования импульсов и их количество. После этого последний начинал осуществлять управление блоком коммутатора - разряжать высоковольтный конденсатор на плодоовощное сырье, находящееся в ячейке обработки. В это же время считывались характеристики и параметры протекающего процесса электроимпульсной обработки с использованием цифрового осциллографа. По завершении обработки высокое напряжение снималось, шунтировался высоковольтный конденсатор, ячейка обработки отключалась от высоковольтной цепи и снова подключалась к LCR-метру для измерения изменившегося сопротивления растительной ткани обрабатываемой массы. После фиксации данных измерений плодоовощное сырье загружалось в пресс и происходил отжим сока из обработанного сырья в специальный сборный стакан. Масса выжатого сока, а в некоторых случаях пюреобразной массы, фиксировалась в электронном журнале исследований на персональном компьютере после взвешивания на цифровых весах. Экспериментальное исследование проводилось несколько раз при изменении одного из воздействующих факторов: напряжения обра-
ботки или количества воздействующих импульсов.
Конденсатор разряжался сначала быстро, а затем снижал скорость зарядки, при этом у импульса формировался крутой фронт и экспоненциальный срез. Энергия, запасенная в электрическом поле конденсатора, при разряде выделялась в обрабатываемом образце растительного сырья. Во всех экспериментах на выходе установки формировались высоковольтные импульсы с амплитудным значением 13 кВ, длительностью 65 мкс, временем нарастания фронта импульса 300 нс, временем среза импульса 63 мкс; во всех экспериментах выдерживалась фиксированная частота следования импульсов, равная 15 Гц, а количество воздействующих импульсов задавалось.
Количество энергии, поглощённой растительной тканью обрабатываемого сырья, можно оценить, зная энергию, запасаемую выходным каскадом электрической части схемы, основным элементом которого является конденсатор, который во всех экспериментальных исследованиях выбирался емкостью, равной 264,55 нФ:
\У _ СХ(^заряда-300)2 ^
где С - емкость конденсатора, выходного каскада, Ф; ^заряда - напряжение, до которого был заряжен конденсатор, В; ^т = 300 В -напряжение, при котором размыкается тиратрон.
Таблица 1 - Количество энергии (Дж), поглощённой растительной тканью обрабатываемого сырья в зависимости от напряжения обработки и числа воздействующих импульсов Table 1 - Amount of energy (J) absorbed by plant tissue of processed raw materials depending on the processing voltage and the number of applied pulses
Напряжение обработки, кВ Processing voltage, kV Количество поглощённой растительной тканью сырья энергии, Дж Amount of energy absorbed by plant tissue, J
Количество воздействую Number of acting щих импульсов, шт. pulses, pcs
50 100 500 1000
2,5 32,01 64,02 320,11 640,211
5,0 146,09 292,19 1460,97 2921,950
7,5 542,85 685,71 3428,56 6857,130
10,0 622,28 1244,57 6222,87 12445,750
Напряженность поля определяется с учетом прикладываемого напряжения и и расстояния между электродами б:
е = 7 <2>
Взяв за основу формулу (2), определили напряжённости электрического поля в проводимых исследованиях: 5,0; 10,0; 15,0 и 20,0 кВ/см, которые соответствовали напряжениям обработки: 2,5; 5,0; 7,5 и 10,0 кВ.
Результаты исследования и их обсуждение. Как уже говорилось, исследования проводились на растительных образцах, получаемых из яблок районированного сорта «Гала» и тыквы сорта «Грибовская зимняя». Перед обработкой и помещения обрабатываемого плодоовощного сырья в рабочую камеру последнее нарезалось на образцы равного диаметра, равной высоты и массы.
Таблица 2 - Выход сока и пюре (г) в зависимости от напряжения обработки и числа воздействующих импульсов Table 2 - Yield of juice and puree (g) depending on the processing voltage and the number of acting pulses
Напряжение обработки, кВ Processing voltage, kV Напряженность обработки, кВ/см Signal treatment, kV/cm Количество воздействующих импульсов, шт. Number of acting pulses, pcs
50 100 500 1000
2,5 5,0 0,69 2,14 3,39 3,31
5,0 10,0 0,92 3,43 3,59 4,79
7,5 15,0 1,44 3,67 4,61 5,38
10,0 20,0 2,45 3,37 4,89 6,24
2? ■5»
2 Q.
TO
ta ^
d о
CP
с
d
о
*
-Ü CQ
6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
2,5 кВ 5 кВ - -7,5 кВ--10 кВ
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 9501000
Количество воздействующих импульсов, шт. Number of acting pulses, pcs
Рисунок 3 - Зависимости выхода сока и пюре (г) из сырья яблок районированного сорта «Гала»
от напряжения обработки (кВ) и количества воздействующих импульсов (шт.) Figure 3 - Dependence of the yield of juice and puree (g) from raw materials of apples of the regionized "Gala" variety on the processing voltage (kV) and the number of acting pulses (pcs)
Яблочное сырье обрабатывалось электрическими импульсами, у которых варьировалось амплитудное значение напряжения обработки и подводимое к сырью их количество. Масса всех обрабатываемых массивов сырья была практически одинаковой, а диапазон контролируемых значений составлял 7,03-7,10 г. После окончания электроимпульсной обработки к каждому обработанному массиву сырья прикладывалось фиксированное давление и фиксировался выход сока. Масса сока, полученного из массива обрабатываемого сырья без электроимпульсной обработки, составляла 0,22 г.
Режимы электроимпульсной обработки и полученные в экспериментах результаты представлены в таблице 2 и на рисунке 3.
Образцы массива сырья из тыквы также подвергались обработке при разных параметрах электроимпульсного воздействия (напряжение, количество импульсов) для получения зависимости сопротивления растительной ткани от перечисленных параметров электроимпульсного воздействия. Режимы обработки и полученные результаты представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Изменение сопротивления обрабатываемого продукта (Ом) в зависимости от напряжения обработки и числа воздействующих импульсов Table 3 - Change in resistance of the processed product (Ohm) depending on the processing voltage
and the number of acting pulses
Напряжение обработки, кВ Processing voltage, kV Количество воздействующих импульсов, шт. Number of acting pulses, pcs
10 50 100 1000
1,0 391,37 204,10 143,17 -
5,0 320,49 185,33 166,04 -
10,0 199,20 76,317 74,024 13,671
re
О
3 J
«D О
? ®
I- О
& =
S. Х5
o .S2
S ОТ
х Sí
О)
■п S
m 3
s от
ЕС .*2
О ч-
= Ï
о SS
О Q.
600
500
400
300
200
100
1 кВ--5 кВ
10кВ
10 20 30 40 50 60 70 80
Количество воздействующих импульсов, шт. Number of acting pulses, pcs
90
100
Рисунок 4 - Зависимости сопротивления растительной ткани (Ом) образцов тыквы районированного сорта «Грибовская зимняя» от напряжения обработки (кВ) и числа воздействующих импульсов (шт.) Figure 4 - Dependence of plant tissue (Om) of the "Gribovskaya Zimnyaya" pumpkin regionized variety on processing voltage (kV) and the number of acting impulses (pcs)
0
0
Сопротивление массива сырья из тык- ткани тыквенного сырья от количества воз-вы, измеренное до электроимпульсной об- действующих импульсов и напряжения обработки, было равно 524,56 Ом. работки представлены на рисунке 4.
Графические зависимости изменения сопротивления обработанной растительной
а а б b
Рисунок 5 - Образец среза поверхности растительной ткани тыквы сорта «Грибовская зимняя» до обработки, увеличение микроскопа: 4- (а) и 10-кратное (б) Figure 5 - Sample of a section of the surface of plant tissue of the "Gribovskaya Zimnyaya" pumpkin variety before processing, microscope magnification: four-fold (a) and 10-fold (b)
а а б b
Рисунок 6 - Образец среза поверхности растительной ткани тыквы сорта «Грибовская зимняя» после обработки, увеличение: 4- (а) и 10-кратное (б) Figure 6 - Sample of a section of the surface of plant tissue of the "Gribovskaya Zimnyaya" pumpkin variety after processing, microscope magnification: four-fold (a) and 10-fold (b)
Параллельно с изучением режимов и параметров процесса электроимпульсной обработки исследовалось и изменение внутренней структуры растительных тканей сырья, подвергнутых такому воздействию, с использованием микроскопа «Микромед Р-1». Для лучшего визуального восприятия, срезы поверхности образцов растительной ткани, а в предлагаемом примере - тыквы районированного сорта «Грибовская зимняя», изучались с применением четырех- и десятикратного увеличения.
Анализ цитологической информации с фотографий, представленных на рисунках 5 а и 5 б, позволяет утверждать, что клетки растительного образца сырья до обработки имеют округлую форму с нормальным тур-горным давлением и равномерный окрас. На фотографиях рисунков 6 а и 6 б показана цитологическая информация образцов растительной ткани тыквы после электроимпульсной обработки, на основании которой можно говорить, что клетки обработанных образцов ткани обрели некоторую угловатую форму и появились клеточные скопления, что свидетельствует о выходе жидкости из внутренней части клеток в межклеточное пространство, наблюдается явное уменьшение тургорного давления и потеря клеткой первоначальной формы. При этом изменение объема клетки сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки, что свидетельствует о свершившемся процессе плазмолиза.
Выводы. Экспериментальные исследования по изучению влияния электроимпульсной обработки сырья растительного происхождения - яблок районированного сорта «Гала» и тыквы районированного сорта «Грибовская зимняя» и анализ характера изменения выхода сока и варьирования сопротивления растительной ткани обрабатываемого массива сырья от воздействующих параметров обработки (напряжение, количество воздействующих импульсов) позволяет констатировать следующее: выход продукта, а следовательно, и степень де-структуризации внутренних компонентов
растительных тканей сырья, и в первую очередь целостность клеточных мембран, в значительно меньшей степени зависят от энергии воздействующего импульса, чем от градиента напряжения. Отдельные цитологические исследования образцов растительной ткани тыквенного сырья с применением микроскопа позволили визуально зафиксировать протекание процесса плазмолиза в обработанном электрическими импульсами плодоовощном сырье. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что с помощью спроектированной установки, реализуя на ней соответствующие режимы обработки, удается достичь эффекта плазмолиза и тем самым увеличить выход сока или пюреобразного продукта, при этом - чем выше напряженность электрического поля в обрабатываемом сырье и больше количество воздействующих импульсов, тем больше увеличивается этот выход и при этом наблюдается уменьшение сопротивления растительной ткани обрабатываемого сырья. Это позволяет говорить о том, что уменьшение сопротивления происходит за счет потери мембраной полупроницаемых свойств, благодаря чему вакуо-лярный сок выходит в межклеточник и увеличивает его проводимость. Микроскопические исследования подтвердили, что под действием электрических импульсов полупроницаемые мембраны клеток теряют свойство полупроницаемости и становятся проницаемыми для выхода сока.
Список источников
1. Юдаев И.В., Кокурин Р.Г., Даус Ю.В. Изучение процесса электроимпульсного плазмолиза растительного сырья // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2018. № 2(50). С. 346-354. ЕРЫ: УОТОЫ
2. Лазоренко Б.Р., Фурсов С.П., Щеглов Ю.А., Бордиян В.В., Чебану В.Г. [и др.]. Электроплазмолиз: монография. Кишинев: Кар-тя Молдовеняскэ, 1977. 79 с.
3. Попова Н.А., Пaпчeнкo А.Я., Боло-га М.К. Электроплазмолиз винограда с применением биполярных импульсов // Электронная обработка материалов. 2014. № 50(6). С. 83-91. https://ibn.idsi.md/ru/vizualizare_articol/41101. (дата обращения 5.06.2023).
4. Юдаев И.В., Кокурин Р.Г. Электроимпульсный плазмолиз растительного сырья как способ подготовки сырья к экстрагированию // Сельский механизатор. 2017. № 9. С. 28-31. EDN: ZJAKYB
5. Блум Х. Схемотехника и применение мощных импульсных устройств / Х. Блум; пер. с англ. А.М. Рабодзея. М.: ДОДЭКА, 2008. 348 с.
6. Raso J., Condon S., Alvarez I. Non-thermal processing: Pulsed Electric Field // Encyclopedia of Food Microbiology (Second Edition). Editor(s): Carl A. Batt, Mary Lou Tortorello. Academic Press, 2014. P. 966-973. https://doi.org/ 10.1016/B978-0-12-384730-0.00397-9.
7. Luft C., Ketteler R. Electroporation Knows No Boundaries: The Use of Electrostimulation for siRNA Delivery in Cells and Tissues // Journal of Biomolecular Screening. 2015. Vol. 20(8). P. 932942. doi: 10.1177/1087057115579638.
8. Pataro G., Ferrari G., Donsi F. Mass Transfer Enhancement by Means of Electro-poration // Mass Transfer in Chemical Engineering Processes. In Tech, 2011. P. 151-176.
DOI: 10.5772/22386.
9. Baev V.I., Yudaev I.V., Petrukhin V.A., Baev I.V., Prokofev P.V., Armyanov N.K. Electro-technology as One of the Most Advanced Branches in the Agricultural Production Development // Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development. Hershey, Pennsylvania: IGI Global, 2018. P. 149-175. DOI 10.4018/978-1 -5225-3867-7.ch007. EDN: XTRNET
10 Ammar J. Ben, Lanoiselle J.L., Lebov-ka N.I. [et al.]. Impact of a pulsed electric field on damage of plant tissues: effects of cell size and tissue electrical conductivity // J. Food Sci. 2011. Vol. 76(1). P. 90-97. doi: 10.1111/j.1750-3841.2010.01893.x).
11. Visockis M., Bobinaite R., Satkauskas S., Pataro G, Ferrari G., Viskelis P. The Influence of Pulsed Electric Field treatments on juice yield and extraction of phenolic compounds from sour cherry (Prunus cerasus) // Conference: 3rd School on Pulsed Electrical Field (PEF) Processing of Food. At: Dublin, Ireland, 2016.
12. Kempkes M., Munderville M. Pulsed electric fields (PEF) processing of fruit and vegetables // IEEE 21st International Conference on Pulsed Power (PPC). Brighton, UK, 2017. P. 1-7. DOI: 10.1109/PPC.2017.8291186.
13. Xiang B., Sundararajan S., Solval K.M. [et al.]. Effects of pulsed electric fields on physico-chemical properties and microbial inactivation of carrot juice // Journal of Food Processing and Preservation. 2014. Vol. 38. P. 1556-1564.
DOI: 10.1111 /jfpp.12115.
14. Masthan SK.G., Chandra V.R., Raju D.N. [et al.] High Intensity Pulsed Electric Field Procesi-ing of Foods - A Review // International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). 2017. Vol. 6(08). P. 113-126.
DOI:10.17577/IJERTV6IS080062
15. García-Parra J., González-Cebrino F., Delgado-Adámez J. [et al.]. Application of innovative technologies, moderate-intensity pulsed electric fields and high-pressure thermal treatment, to preserve and/or improve the bioactive compounds content of pumpkin // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2018. Vol. 45. P. 53-61. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2017.09.022
16. Roohinejad Sh., Indrawati Oe., Warren D.E. Effect of pulsed electric field processing on carotenoid extractability of carrot purée // International Journal of Food Science & Technology. January 2014. Vol. 49(9). P. 2120-2127. DOI: 10.1111 /ijfs. 12510
17. Dastangoo S., Mosavian M.T.H., Yeganehzad S. Evaluation of temperature and pulsed electric field conditions on sugar extraction from carrots // Food Science and Technology. December 2021. Vol. 18(120). P. 27-38.
DOI: 10.52547/fsct.18.120.3
18. Roobab U., Abida A., Chacha J.S. [et al.]. Applications of Innovative Non-Thermal Pulsed Electric Field Technology in Developing Safer and Healthier Fruit Juices // Molecules. 2022. Vol. 27. Issue 13. P. 4031. https://doi.org/10.3390/ molecules27134031.
19. Yudaev I., Daus Y., Ivanov D., Kokurin R. Automatizing process of electroimpulse treatment of plant raw materials // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 996(1). Issue 13. P. 012022.
DOI: 10.1088/1755-1315/996/1 /012022.
References
1. Yudaev I.V., Kokurin R.G., Daus Yu.V. Izuchenie protsessa elektroimpul'snogo plazmoliza rastitel'nogo syr'ya (Study of the process of electric pulse plasmolysis of plant materials). Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kom-pleksa: nauka i vysshee professional'noe obra-zovanie. 2018; 2(50): 346-354. EDN: YQTCJN
(In Russ.)
2. Lazorenko B.R., Fursov S.P., Scheg-lov Yu.A. [i dr.]. Elektroplazmoliz (Electroplasmoly-sis): monografiya. Kishinev: Kartya Moldove-nyaske, 1977, 80 s. (In Russ.)
3. Popova N.A., Papchenko A.Ya., Bolo-ga M.K. Elektroplazmoliz vinograda s primeneniem bipolyarnykh impul'sov (Electroplasmolysis of grapes using bipolar pulses). Elektronnaya obrabotka materialov. 2014; 50(6): 83-91. https://ibn.idsi.md/ru/vizualizare_articol/41101. (date of the application 5.06.2023). (In Russ.)
4. Yudaev I.V., Kokurin R.G. Elektroim-pul'snyy plazmoliz rastitel'nogo syr'ya kak sposob podgotovki syr'ya k ekstragirovaniyu (Electric pulse plasmolysis of plant raw materials as a method of preparing raw materials for extraction). Sel'skiy mekhanizator. 2017; 9: 28-31. (In Russ.)
5. Blum H. Skhemotekhnika i primenenie moschnykh impul'snykh ustrojstv (Circuit design and application of high-power pulse devices), per. s angl. A.M. Rabodzeya. M.: DODEKA, 2008, 348 s. (In Russ.)
6. Raso J., Condon S., Alvarez I. Non-thermal processing: Pulsed Electric Field. Encyclopedia of Food Microbiology (Second Edition). Editors): Carl A. Batt, Mary Lou Tortorello. Academic Press, 2014, s. 966-973. https://doi.org/10.1016/ B978-0-12-384730-0.00397-9.
7. Luft C., Ketteler R. Electroporation Knows No Boundaries: The Use of Electrostimulation for siRNA Delivery in Cells and Tissues. Journal of Biomolecular Screening. 2015; 20(8): 932-942. doi: 10.1177/1087057115579638.
8. Pataro G., Ferrari G., Donsi F. Mass Transfer Enhancement by Means of Electro-poration. Mass Transfer in Chemical Engineering Processes. In Tech, 2011, s. 151-176.
DOI: 10.5772/22386.
9. Baev V.I., Yudaev I.V., Petrukhin V.A., Baev I.V., Prokofev P.V., Armyanov N.K. Electro-technology as One of the Most Advanced Branches in the Agricultural Production Development //
Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development. Hershey, Pennsylvania: IGI Global, 2018, s. 149-175. DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7. ch007. EDN: XTRNET
10. Ammar J. Ben, Lanoisellé J.L., Lebovka N.I. [et al.]. Impact of a pulsed electric field on damage of plant tissues: effects of cell size and tissue electrical conductivity. J. Food Sci. 2011; 76(1): 90-97. DOI: 10.1111/j.1750-3841.2010.01893.x)
11. Visockis M., Bobinaité R., Satkauskas S. [et al.]. The Influence of Pulsed Electric Field treatments on juice yield and extraction of phenolic compounds from sour cherry (Prunus cerasus), Conference: 3rd School on Pulsed Electrical Field (PEF) Processing of Food. At: Dublin, Ireland, 2016.
12. Kempkes M., Munderville M. Pulsed electric fields (PEF) processing of fruit and vegetables, IEEE 21st International Conference on Pulsed Power (PPC). Brighton, UK, 2017, s. 1-7.
DOI: 10.1109/PPC.2017.8291186.
13. Xiang B., Sundararajan S., Solval K.M. [et al.]. Effects of pulsed electric fields on physico-chemical properties and microbial inactivation of carrot juice. Journal of Food Processing and Preservation. 2014; 38: 1556-1564.
DOI: 10.1111 /jfpp.12115.
14. Masthan SK.G., Chandra V.R., Raju D.N. [et al.]. High Intensity Pulsed Electric Field Procesi-ing of Foods - A Review. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). 2017; 6: 113-126.
DOI: 10.17577/IJERTV6IS080062.
15. García-Parra J., González-Cebrino F., Delgado-Adámez J. [et al.]. Application of innovative technologies, moderate-intensity pulsed electric fields and high-pressure thermal treatment, to preserve and/or improve the bioactive compounds content of pumpkin. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2018; 45: 53-61. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2017.09.022.
16. Roohinejad Sh., Indrawati Oe., Warren D.E. Effect of pulsed electric field processing on carotenoid extractability of carrot purée. International Journal of Food Science & Technology. January 2014; 49(9): 2120-2127.
DOI: 10.1111 /ijfs. 12510
17. Dastangoo S., Mosavian M.T.H., Yega-nehzad S. Evaluation of temperature and pulsed electric field conditions on sugar extraction from
carrots. Food Science and Technology. December 2021; 18(120)-13: 27-38. DOI: 10.52547/fsct.18.120.3
18. Roobab U., Abida A., Chacha J.S. [et al.]. Applications of Innovative Non-Thermal Pulsed Electric Field Technology in Developing Safer and Healthier Fruit Juices. Molecules. 2022; 27-13: 4031. https://doi.org/10.3390/molecules27134031.
19. Yudaev I., Daus Y., Ivanov D., Kokurin R. Automatizing process of electroimpulse treatment of plant raw materials. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022; 996(1)-13: 012022. DOI: 10.1088/1755-1315/996/ 1/012022. EDN: XZGJHP
Информация об авторах
Р.Г. Кокурин - инженер, ООО «Приборостроительная компания «Высоковольтные технологии», г. Волгоград, Россия. E-mail: [email protected].
И.В. Юдаев - доктор технических наук, профессор, Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина, г. Краснодар, Россия. E-mail: [email protected].
Ю.В. Даус - кандидат технических наук, Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина, г. Краснодар, Россия. E-mail: [email protected].
й Игорь Викторович Юдаев, [email protected]
Information about the authors
R.G. Kokurin, - engineer, Instrument-Making Company «High-Voltage Technologies» LLC, Volgograd, Russia. E-mail: [email protected].
I.V. Yudaev - Doctor of Technical Sciences, Professor, Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin, Krasnodar, Russia. E-mail: [email protected].
Yu.V. Daus - Candidate of Technical Sciences, Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin, Krasnodar, Russia. E-mail: [email protected].
^ Igor Viktorovich Yudaev, [email protected]
Вклад авторов. Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors. All authors made an equivalent contribution to the preparation of the article. The authors declare no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 23.06.2023; одобрена после рецензирования 31.07.2023; принята к публикации 01.08.2023. The article was submitted 23.06.2023; approved after reviewing 31.07.2023; accepted for publication 01.08.2023.
https://elibrary.ru/qxzzpc
