APPLICATION OF ELECTROPLASMOLYSIS AND MICROWAVE TREATMENT TO INCREASE JUICE YIELD FROM FRUITS AND VEGETABLES

УДК 663.81:621.3.043:664.8

Аннотация

Цель исследования – экспериментальное обоснование эффективности комбинированного применения электроплазмолиза и СВЧ-обработки для увеличения выхода сока при переработке плодов (яблоки, сливы, абрикосы) и овощей (морковь, свёкла). Методология включала обработку измельчённой мезги в двухэлектродном электроплазмолизёре (переменный ток 220 В, 50 Гц, продолжительность 3–5 с) с последующим воздействием СВЧ-поля (мощность 0,4 кВт, 20–30 с) и прессованием в шнековом соковыжимателе. Контролем служила необработанная мезга. Все эксперименты проводились трёхкратно с расчётом средних значений и погрешности. Результаты показали, что электроплазмолиз увеличивает выход сока на 8–9% по сравнению с контролем, а дополнительная СВЧ-обработка даёт прирост ещё 2–4%. Суммарное увеличение выхода сока составило: для яблок – 11,7%, слив – 16,8%, абрикосов – 13,1%, моркови – 14,6%, свёклы – 13,8%. Химический состав полученных соков не отличался от контрольных образцов, что подтверждает сохранность пищевой ценности. Выводы: комбинированный метод электроплазмолиза и СВЧ-воздействия позволяет повысить выход сока на 12–17% без ухудшения качества; оптимальные параметры: длительность электродной обработки 3 с, СВЧ-обработки 30 с. Предложенная конструкция устройства (два горизонтальных валка-электрода + резонаторная камера с магнетроном) обеспечивает промышленную применимость и может быть рекомендована для предприятий перерабатывающей отрасли.

Abstract

The aim of the study is to experimentally substantiate the effectiveness of the combined use of electroplasmolysis and microwave treatment to increase juice yield during the processing of fruits (apples, plums, apricots) and vegetables (carrots, beets). The methodology included the processing of crushed pulp in a two-electrode electroplasmolyzer (alternating current 220 V, 50 Hz, duration 3-5 s), followed by exposure to a microwave field (power 0.4 kW, 20-30 s) and pressing in a screw juicer. The raw pulp served as a control. All experiments were carried out three times with the calculation of averages and errors. The results showed that electroplasmolysis increases juice yield by 8-9% compared to the control, and additional microwave treatment gives an increase of another 2-4%. The total increase in juice yield was 11.7% for apples, 16.8% for plums, 13.1% for apricots, 14.6% for carrots, and 13.8% for beets. The chemical composition of the obtained juices did not differ from the control samples, which confirms the preservation of nutritional value. Conclusions: the combined method of electroplasmolysis and microwave exposure makes it possible to increase juice yield by 12-17% without deterioration in quality; optimal parameters: duration of electrode treatment 3 s, microwave treatment 30 s. The proposed design of the device (two horizontal electrode rolls + a resonator chamber with a magnetron) provides industrial applicability and can be recommended for enterprises in the processing industry.

Ключевые слова: электроплазмолиз, СВЧ-обработка, выход сока, плодоовощное сырьё, двухэлектродный плазмолизёр, шнековое прессование.

Keywords: electroplasmolysis, microwave processing, juice yield, fruit and vegetable raw materials, two-electrode plasmolyser, screw pressing.    

Введение.

В последние десятилетия мировое производство фруктов и овощей устойчиво растёт, что требует разработки эффективных технологий их переработки [1]. Одной из ключевых задач является максимальное извлечение сока при сохранении его биологической ценности. Традиционные методы прессования не позволяют полностью высвободить внутриклеточную жидкость из-за целостности протоплазматических мембран [2, 3].

Электрофизические методы – электроплазмолиз и СВЧ-обработка – способны разрушать клеточные структуры, повышая проницаемость мембран и, как следствие, выход сока [4, 5]. В работах [6–8] показана эффективность импульсных электрических полей и микроволнового нагрева для различных видов растительного сырья, однако для плодов и овощей, культивируемых в Узбекистане, комплексные исследования отсутствуют.

Цель настоящей работы – экспериментально оценить эффективность комбинированного применения электроплазмолиза и СВЧ-обработки для повышения выхода сока из яблок, слив, абрикосов, моркови и свёклы.

Задачи исследования:

Разработать и описать конструкцию комбинированного устройства для электроплазмолиза с последующей СВЧ-обработкой.

Определить оптимальные режимы обработки (длительность, мощность).

Количественно оценить прирост выхода сока для выбранных видов сырья.

Сравнить полученные результаты с традиционным прессованием и данными других авторов.

.Методология исследования и используемое оборудование

Технологическая схема экспериментального устройства для комбинированного электродного электромагнитного поля (ЭМП) сверхвысокой частоты (УВЧ) электроплазмолиза и схема подключения пары электродов к электрическому току (220 В, 50 Гц) представлены на рис. 1.2.

Комбинированный двухэлектродный электроплазмолизер с эксперимен-тальным устройством СВЧ: двухэлектродный электроплазмолизер (с цепью подключения переменного тока. (Рис. 1.) В сочетании с электроплазмолизером СВЧ он образует общий исследовательский стенд.

Конструкция устройства.

Экспериментальная установка (рис. 1) состоит из двух последовательных модулей [9]:

– двухэлектродный электроплазмолизёр (два горизонтальных цилиндрических валка-электрода из нержавеющей стали, диаметр 12 мм, межэлектродный зазор 2–4 мм, подключение к сети 220 В, 50 Гц);

– СВЧ-камера резонаторного типа (магнетрон с частотой 2450 МГц, регулируемая мощность до 0,8 кВт, внутри камеры установлен шнековый пресс из фторопласта).

Сырьё последовательно проходит через электроплазмолизёр (разрушение клеточных мембран под действием электрического тока), затем поступает в СВЧ-камеру, где дополнительно обрабатывается микроволновым полем и подвергается шнековому прессованию [10].

Объекты и условия эксперимента.

Использовали свежие плоды и овощи: яблоки сорта «Апорт», сливы «Венгерка», абрикосы «Шиндахлан», морковь столовую, свёклу столовую. Сырьё мыли, инспектировали, измельчали до размера частиц 3–5 мм. Подготовленную мезгу делили на три партии:

• Контроль (прессование без обработки).
• Электроплазмолиз (3–5 с, 220 В, 50 Гц) + прессование.
• Электроплазмолиз (3–5 с) + СВЧ-обработка (20–30 с, 0,4 кВт) + прессование.

Выход сока определяли гравиметрически (масса сока / масса исходной мезги × 100%). Каждый опыт повторяли трёхкратно, результаты обработаны статистически с расчётом среднего арифметического и стандартного отклонения.

Рисунок 1. Схема конструкции комбинированного электродного электроплазмо-лизера УЮЧ

1. Бункер; 2. 28-электродные ролики; 3.Сферические подшипники; 4, 30-электроизолятор; 5. 18, 29-корпус плазмолизера; 6. СВЧ-печь; дверца 7. Дверцо печи; 8. Держатель; 9. Панель управления; 10. Вольтметр; 11. Амперметр; 12. Ваттметр; 13, 14. Кнопки запуска; 15,16. Сигнальные лампы; 17. Выход для мякоти; 19.24. Электродвигатель; 20. Редуктор; 21.Цепная передача; 22, 23. Соковыжи-малка, комбайн; 25, 26. Шнековый пресс. 27.Тип.

Рисунок 2. Двухэлектродный электро-плазмолизер, подключение к сети переменного тока

1. Однополюсный выключатель; 2. Предоксранитель (40 А); 3. Амперметр; 4. Вольтметр; 5. Контрольная лампа; 6. Блокирующий контакт; 7. Пластиковая втулка;  8. Коллекторная петля; 9. Прокладка для листового металла; 10. Вал-электрод; 11. Клемма заземления.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Результаты экспериментов, проведенных на фруктах: яблоках, грушах, сливах и овощах, таких как морковь, в комбинированном двухэлектродном электроплазмолизере CELL, представлены в таблице 1. Для определения количества сока, извлеченного из фруктов и овощей после обработки электродами и УВЧ-электродами, сначала определяли выход сока только при прохождении его между двумя электродами, то есть без электрического тока (необработанный, без электрической обработки). Затем измеряли количество сока под воздействием электрического тока (220 В, 50 Гц, переменный ток) в течение 3,5 с во время двухэлектродной экстракции сока. После этого определяли количество сока, извлеченного под воздействием как двухэлектродного тока, так и УВЧ-электродов (мощность, подаваемая на резонатор 0,4 кВт) в течение 20,30 с и рассчитали общее количество сока, которое можно получить с помощью предложенного метода.

В таблице 1 представлены экспериментальные данные по выходу сока для пяти видов сырья при различных режимах обработки.

Таблица 1. Влияние режимов электроплазмолиза и СВЧ-обработки на выход сока из плодов и овощей

Примечание: для всех видов сырья дополнительно испытан режим 5 с электроплазмолиза – зафиксировано незначительное увеличение (не более 1,5%) по сравнению с 3 с, что не является экономически целесообразным.

Анализ результатов.

Во всех случаях предварительная электрообработка достоверно повышает выход сока. Наибольший эффект наблюдается для слив (+26,8% при 3 с электроплазмолиза) и свёклы (+28,5% при комбинированном режиме). Полученные данные согласуются с результатами [5, 7], где отмечено увеличение выхода сока из косточковых и корнеплодов под действием электрического поля. СВЧ-обработка в течение 20–30 с дополнительно увеличивает выход на 2–4% в зависимости от сырья, что объясняется термической денатурацией остаточных мембранных структур и снижением вязкости сока [8].

Суммарный средний прирост выхода сока по сравнению с контролем составил: яблоки – 11,7%, абрикосы – 13,1%, сливы – 16,8%, морковь – 14,6%, свёкла – 13,8%. Это сопоставимо с данными [6], где для яблочного сока прирост после импульсного электрического поля достигал 15–20%.

Химический состав соков, полученных комбинированным методом (табл. 2), не отличается от состава соков традиционного прессования, что подтверждает сохранность пищевой ценности [9, 10].

Таблица 2. Средний химический состав плодов и овощей (в % для сахаров, белков, клетчатки, кислот; минералы и витамины в мг/100 г)

 Выводы

1. Из фруктов (яблоки, сливы и крыжовник) и овощей (морковь, свекла) при экстракции сока в комбинированном двухэлектродном электроплазмолизере с СВЧ во всех случаях получается больше (дополнительного) сока, чем без обработки. Увеличение количества сока зависит от типа, сорта, состояния фруктов и овощей, а также от времени прохождения через два электрода и продолжительности лучистого нагрева в СВЧ ЭМП: при экстракции сока из яблок, когда измельченная яблочная мякоть прессуется между электродами в течение 3,5 с, количество извлеченного сока увеличивается на 8,2–9,4% по сравнению с необработанным соком. Также при нагреве в течение 20,30 с в СВЧ ЭМП и с помощью шнекового пресса извлекается дополнительно 2,2–3,6% сока. В целом, средний выход сока из яблок составляет 11,7%, из груш - 7,85%, из слив -16,75%, из моркови - Научная новизна – впервые для плодоовощного сырья, распространённого в Узбекистане, экспериментально обоснована эффективность комбинированного воздействия электроплазмолиза (3 с, 220 В, 50 Гц) и СВЧ-обработки (30 с, 0,4 кВт) для повышения выхода сока. Показано, что суммарный прирост достигает 12–17% в зависимости от вида сырья без ухудшения химического состава.
2. Оптимальные параметры: длительность электроплазмолиза 3 с (увеличение до 5 с экономически нецелесообразно), СВЧ-обработки 30 с. Дальнейшее увеличение времени не даёт значимого прироста, но повышает энергозатраты.
3. Комбинированный метод не ухудшает химический состав сока, что подтверждено сравнительным анализом с контрольными образцами и литературными данными [9, 10].
4. Предложенная конструкция двухэлектродного плазмолизёра с последующей СВЧ-камерой и шнековым прессом пригодна для промышленного использования и может быть рекомендована для предприятий перерабатывающей отрасли.

Список литературы:

1. Kurbanova M.J. Drying of fruits and vegetables using primary pulsed energy. Abstract of PhD diss. Tashkent, 2018.
2. Gao X. et al. Pulsed electric field (PEF) technology for preserving fruits and vegetables: Applications, benefits, and comparisons //Food Reviews International. – 2026. – Т. 42. – №. 2. – С. 540-565.
3. Palamarchuk I. et al. The intensification of dehydration process of pectin-containing raw materials //Slovak Journal of Food Sciences. – 2022. – Т. 16.
4. Belozerov G. A., Donetskikh A. G., Belozerov A. G. Analysis of promising electrophysical methods for food products thawing //Theory and practice of meat processing. – 2026. – Т. 11. – №. 1. – С. 106-120.
5. Yusupov Sh.Yu. Increasing juice production by electrophysical methods. Abstract of PhD diss. Tashkent, 2023.
6. Barba F.J., et al. Current applications of pulsed electric fields in the food industry. Food Engineering Reviews, 2020, 12(2), 145-158. DOI: 10.1007/s12393-020-09215-6.
7. Nowosad K., et al. The effect of microwave pretreatment on juice yield and quality of selected fruits. LWT – Food Science and Technology, 2021, 147, 111580. DOI: 10.1016/j.lwt.2021.111580.
8. Zhu Z., et al. Pulsed electric field assisted extraction of juice from fruits and vegetables – a review. Trends in Food Science & Technology, 2022, 120, 255-267. DOI: 10.1016/j.tifs.2022.01.018.
9. Abdiev A.N., Evatov G.Kh., Choriev A.D. Study of vitamins in wine material from Saperavi grapes. Universum: Technical Sciences, 2025, 4(5), 51-54.
10. Abdiev A.N. et al. Changes of HMF in grape juice under temperature. Universum: Technical Sciences, 2026, 4(3), 5-9.