INTENSIFICATION OF THE APPLE DRYING PROCESS UNDER ULTRASOUND TREATMENT

УДК 634.11:66.047.7

Аннотация

Целью исследования являлось изучение влияния предварительной ультразвуковой обработки на кинетику конвективной сушки яблок и обоснование рационального режима, обеспечивающего сокращение продолжительности процесса при сохранении качества готового продукта. Методология включала конвективную сушку образцов яблок сорта «Симиренко» (толщина ломтиков 5 мм) при температуре сушильного агента 60 °C и скорости воздуха 1,5 м/с после ультразвуковой предобработки в водной среде (частота 30 кГц, удельная мощность 0–200 Вт/л, продолжительность 10 мин); кинетику сушки описывали моделью Пейджа, эффективный коэффициент диффузии влаги рассчитывали по уравнению второго закона Фика, качество продукта оценивали по коэффициенту регидратации, цветовому показателю ΔE и сохранности витамина C. Установлено, что ультразвуковая предобработка при удельной мощности 150 Вт/л сокращает продолжительность сушки до влагосодержания MR = 0,1 с 250 до 178 мин (на 28,8 %), повышает эффективный коэффициент диффузии влаги с 1,52·10⁻¹⁰ до 2,61·10⁻¹⁰ м²/с и улучшает показатели качества готового продукта. Сделан вывод о том, что ультразвуковая предобработка является эффективным способом интенсификации тепломассообмена при сушке яблок. Практическая значимость результатов заключается в возможности их использования при модернизации технологических линий сушки плодоовощной продукции для снижения энергозатрат и продолжительности процесса.

Abstract

The aim of the study was to examine the effect of ultrasonic pretreatment on the kinetics of convective drying of apples and to justify a rational treatment mode providing a reduction in process duration while preserving product quality. The methodology included convective drying of Simirenko apple slices (5 mm thick) at an air temperature of 60 °C and air velocity of 1.5 m/s after ultrasonic pretreatment in an aqueous medium (frequency 30 kHz, specific power 0–200 W/L, duration 10 min); drying kinetics were described by the Page model, effective moisture diffusivity was calculated from Fick's second law, and product quality was assessed by rehydration ratio, colour difference ΔE and vitamin C retention. Ultrasonic pretreatment at 150 W/L reduced the drying time to MR = 0.1 from 250 to 178 min (by 28.8 %), increased the effective diffusivity from 1.52·10^-10 to 2.61·10^-10 m²/s and improved the quality indices of the finished product. Ultrasonic pretreatment is concluded to be an effective way of intensifying heat and mass transfer during apple drying, applicable to the modernisation of fruit-drying lines to reduce energy consumption and process duration.

Ключевые слова: сушка яблок, ультразвуковая предобработка, кинетика сушки, коэффициент диффузии, конвективная сушка, качество сушёного продукта, энергоэффективность.

Keywords: apple drying, ultrasonic pretreatment, drying kinetics, diffusion coefficient, convective drying, dried product quality, energy efficiency.

Введение

Конвективная сушка яблок характеризуется значительной продолжительностью процесса и высокими энергозатратами, а длительное тепловое воздействие приводит к снижению содержания термолабильных нутриентов и ухудшению структурно-механических характеристик готового продукта [3,8]. Одним из перспективных направлений интенсификации тепломассообмена является ультразвуковая предобработка сырья: кавитационные эффекты вызывают образование микроканалов в клеточной структуре плодовой ткани и снижают сопротивление массопереносу при последующей сушке [2,4,6,9,12,13]. Количественные закономерности влияния удельной мощности ультразвука на кинетику сушки яблок и показатели качества готового продукта требуют дальнейшего уточнения [1,7,11,14,16].

Целью настоящего исследования являлось изучение влияния ультразвуковой предобработки различной удельной мощности на кинетику конвективной сушки яблок, определение кинетических параметров процесса и показателей качества готового продукта, а также обоснование рационального режима обработки.

Материалы и методы

Объектом исследования служили яблоки сорта «Симиренко» технической зрелости. Начальная влажность сырья составляла 84,2 ± 0,6 % (на сырую массу), определялась по ГОСТ 28561-90 [5]. Образцы нарезали в виде ломтиков толщиной 5 ± 0,2 мм. Ультразвуковую предобработку проводили в водной среде (частота 30 кГц) при удельной мощности 0 (контроль), 60, 100, 150 и 200 Вт/л, продолжительность обработки 10 мин, температура водной среды 20 ± 1 °C. После предобработки образцы подвергали конвективной сушке при температуре сушильного агента 60 ± 1 °C и скорости воздуха 1,5 м/с.

Отношение влажности (MR) рассчитывали по формуле MR = (M − M_e)/(M₀ − M_e). Экспериментальные данные аппроксимировали моделью Пейджа: MR = exp(−k·tⁿ). Эффективный коэффициент диффузии влаги D_eff определяли по упрощённому решению второго закона Фика для тел плоской формы [4, 6]. Показатели качества оценивали по коэффициенту регидратации, цветовому показателю ΔE (CIE Lab) и сохранности витамина C (йодометрический метод). Опыты проводили в трёхкратной повторности; статистическую обработку — методом ANOVA (p < 0,05).

Результаты и обсуждение

Кривые кинетики сушки контрольных и ультразвуково обработанных (150 Вт/л) образцов приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Кинетика сушки яблочных ломтиков при 60 °C

Ультразвуковая предобработка смещает кривую влагоотдачи: время достижения MR = 0,5 сокращается с 80 до 55 мин, время достижения MR = 0,1 — с 250 до 178 мин, что связано с облегчением внешней и внутренней диффузии влаги вследствие кавитационного воздействия на клеточную структуру плода [2, 4, 9]. Кинетические параметры модели Пейджа и значения D_eff для всех режимов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Кинетические параметры сушки яблок при различных режимах ультразвуковой предобработки

Коэффициент D_eff возрастает с увеличением мощности ультразвука от 1,52·10^-10 (контроль) до 2,7·10^-10 м²/с (200 Вт/л), т.е. на 77,6 %. При переходе от 150 к 200 Вт/л прирост скорости сушки замедляется (рис. 2), что может быть связано с насыщением кавитационного эффекта. С учётом соотношения «эффект/энергозатраты» рациональным следует считать режим 150 Вт/л, обеспечивающий сокращение времени сушки на 28,8 % относительно контроля, что согласуется с данными Szadzińskiej и соавт. [16], показавшими снижение удельных энергозатрат при ультразвуковой предобработке яблок.

Рисунок 2. Влияние мощности УЗ-предобработки на продолжительность сушки яблок

Влияние ультразвуковой предобработки на показатели качества готового продукта (режим 150 Вт/л) представлено в таблице 2.

Таблица 2. Показатели качества сушёных яблок

Различия между контрольными и обработанными образцами по всем показателям статистически значимы (p < 0,05). Повышение коэффициента регидратации и сохранности витамина C, снижение усадки и ΔE свидетельствуют о положительном влиянии ультразвуковой предобработки не только на скорость сушки, но и на структурно-механические и биохимические характеристики продукта, что согласуется с данными других авторов [1, 7, 10, 11, 14, 15].

Ограничения исследования и направления дальнейших работ

Полученные закономерности установлены для яблок сорта «Симиренко» при фиксированной толщине ломтиков (5 мм), одном температурном режиме сушки (60 °C) и трёхкратной повторности опытов; их распространение на другие сорта, толщины и температуры сушки требует отдельной экспериментальной проверки. Значения D_eff рассчитаны по упрощённому решению второго закона Фика без учёта усадки материала и температурной зависимости коэффициента диффузии, что может вносить систематическую погрешность в их абсолютные значения; более точная оценка предполагает применение моделей с переменным коэффициентом диффузии и учётом усадки, а также увеличение числа повторностей для последующего апостериорного статистического анализа. Прямые измерения удельных энергозатрат процесса в настоящей работе не проводились: сокращение продолжительности сушки на 28,8 % при сопоставимой мощности сушильной установки указывает на потенциальное снижение удельных энергозатрат соответствующего порядка, однако это предположение носит оценочный характер и нуждается в прямом калориметрическом подтверждении, как это выполнено в работе [16], где зафиксировано снижение энергопотребления на 22–31 % в зависимости от режима ультразвуковой обработки.

Заключение

Ультразвуковая предобработка яблочных ломтиков перед конвективной сушкой интенсифицирует влагоотдачу за счёт кавитационного воздействия на клеточные структуры плодовой ткани. При удельной мощности 150 Вт/л и продолжительности обработки 10 мин время сушки до MR = 0,1 сокращается с 250 до 178 мин (на 28,8 %), D_eff увеличивается с 1,52·10^-10 до 2,61·10^-10 м²/с; одновременно повышаются коэффициент регидратации (на 20,0 %) и сохранность витамина C (на 12,8 п.п.), снижается усадка объёма (на 10,6 п.п.). Полученные закономерности носят предварительный характер и могут служить основой при модернизации технологических линий сушки плодовой продукции; для яблок сорта «Симиренко» в исследованном диапазоне условий предварительно рекомендуемый режим предобработки — 150 Вт/л, 10 мин., требующий подтверждения в условиях, приближенных к производственным.

Список литературы:

1. Amanor-Atiemoh R. et al. Effect of ultrasound-ethanol pretreatment on drying kinetics, quality parameters, functional group, and amino acid profile of apple slices using pulsed vacuum drying // Journal of Food Process Engineering. – 2020. – Vol. 43. – Art. e13347.
2. Kowalski S.J., Pawłowski A. Intensification of apple drying due to ultrasound enhancement // Journal of Food Engineering. – 2015. – Vol. 156. – P. 1–9.
3. Çetin N., Sağlam C. Effects of ultrasound pretreatment assisted drying methods on drying characteristics, physical and bioactive properties of windfall apples // Journal of the Science of Food and Agriculture. – 2023. – Vol. 103, No. 2. – P. 534–547.
4. Fijałkowska A. et al. Ultrasound as a pretreatment method to improve drying kinetics and sensory properties of dried apple // Journal of Food Process Engineering. – 2016. – DOI: 10.1111/jfpe.12217.
5. ГОСТ 28561-90. Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения сухих веществ или влаги. – М.: Стандартинформ, 2010. – 12 с.
6. Nowacka M., Wiktor A., Śledź M., Jurek N., Witrowa-Rajchert D. Drying of ultrasound pretreated apple and its selected physical properties // Journal of Food Engineering. – 2012. – Vol. 113, No. 3. – P. 427–433.
7. Jakubczyk E., Rybak K., Witrowa-Rajchert D., Wiktor A., Rąbkowski R., Nowacka M. Convective drying with the application of ultrasonic pre-treatment: the effect of applied conditions on the selected properties of dried apples // Foods. – 2024. – Vol. 13, No. 23. – Art. 3893.
8. Deng L.Z., Mujumdar A.S., Zhang Q. et al. Chemical and physical pretreatments of fruits and vegetables: effects on drying characteristics and quality attributes – a comprehensive review // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. – 2019. – Vol. 59, No. 9. – P. 1408–1432.
9. Matys A., Wiktor A., Dadan M., Witrowa-Rajchert D. Influence of ultrasound and the conditions of convective drying with dehumidified air on the course of the process and selected properties of apple tissue // Foods. – 2021. – Vol. 10, No. 8. – Art. 1840.
10. Opalić M., Domitran Z., Komes D., Belščak A., Horžić D., Karlović D. The effect of ultrasound pre-treatment and air-drying on the quality of dried apples // Czech Journal of Food Sciences. – 2009. – Vol. 27. – P. 297–300.
11. Musielak G. et al. Ultrasound-assisted drying of apples – process kinetics, energy consumption, and product quality // Drying Technology. – 2024. – Vol. 42, No. 11. – P. 1757–1765.
12. Pandiselvam R., Aydar A.Y., Kutlu N., Aslam R., Sahni P., Mitharwal S., Gavahian M., Kumar M., Raposo A., Yoo S. et al. Individual and interactive effect of ultrasound pre-treatment on drying kinetics and biochemical qualities of food: a critical review // Ultrasonics Sonochemistry. – 2023. – Vol. 92. – Art. 106261.
13. Fan K., Wu J., Chen L. Ultrasound and its combined application in the improvement of microbial and physicochemical quality of fruits and vegetables: a review // Ultrasonics Sonochemistry. – 2021. – Vol. 80. – Art. 105838.
14. Tepe F.B., Tepe T.K. Ultrasound pretreatment prior to hot air drying and intermittent microwave drying of apple slices: effect of acoustic density and microwave power // Turkish Journal of Agriculture – Food Science and Technology. – 2025. – Vol. 13, No. 6. – P. 1631–1644.
15. Tran T.T.H., Nguyen T.T.D., Kharaghani A., Le K.H. The impact of ultrasound pre-treatment on hot-air-drying kinetics and quality of carrot slices assessed by simulations and experiments // Applied Sciences. – 2023. – Vol. 13, No. 21. – Art. 11865.
16. Szadzińska J., Mierzwa D., Pawłowski A., Kowalski S.J. Ultrasound- and microwave-assisted convective drying of apples – drying kinetics and energy consumption // Ultrasonics Sonochemistry. -2023.  -Vol. 93. - Art. 106285.