Обработка яблочных ломтиков электрополем привело к сухофруктам с более высокой пользой для здоровья, чем продукция традиционной сушки. Турецкие исследователи определили правильные формы волны и режим обработки электрополем для получения самых питательных закусок из сушеных яблок.
Важное открытие для пищевой промышленности сделали исследователи из Турции Дерянур Калкаван и Несе Сахин Йешилчубук (Стамбульский технический университет, Beko Corporate Central R&D).
Глобальный спрос на богатые питательными веществами сухофрукты, минимально обработанные и не содержащие добавок, растет.
Яблоки, богатые витаминами и фенольными соединениями, особенно уязвимы к ухудшению качества во время традиционной сушки горячим воздухом.
Длительное время сушки приводит к изменению цвета из-за активности окислительных ферментов, а высокие температуры ускоряют окисление чувствительных к теплу питательных веществ, способствуя образованию гидроксиметилфурфурола, побочного продукта реакции Майяра с потенциальными канцерогенными свойствами. Эти проблемы подчеркивают необходимость инновационных предварительных обработок, которые повышают эффективность сушки без ущерба для питательных качеств пищевых продуктов.
Технология импульсного электрического поля (Pulsed electric field (PEF)) появилась как перспективная нетермическая предварительная обработка для модификации клеточных структур посредством электропорации, тем самым ускоряя удаление влаги и снижая термическое воздействие. Однако ее эффективность сильно зависит от характеристик формы волны, напряженности электрического поля и параметров импульсации.
Квадратные формы волн, характеризующиеся быстрыми скачками напряжения и устойчивой пиковой интенсивностью, известны своей превосходной энергоэффективностью и способностью разрушать клетки по сравнению с синусоидальными или экспоненциальными формами волн. Тем не менее, их агрессивная электропорация может увеличить окислительное повреждение таких соединений, как витамин С и каротиноиды. Этот компромисс между сохранением питательных веществ и эффективностью обработки остается плохо изученным, особенно в растительных тканях со сложными клеточными матрицами.
На сегодняшний день большинство исследований в основном сосредоточены на эффективности обработки электрическим полем для микробной инактивации или извлечения сока, с ограниченным вниманием к его роли в модуляции кинетики реакции Майяра во время сушки.
Хотя влияние электрических полей на питательные соединения, такие как витамины и антиоксиданты, было хорошо задокументировано, роль характеристик формы волны была упущена из виду в существующей литературе. Большинство исследований сосредоточены на одной форме волны и ее эффекте при различной интенсивности. Однако форма волны может играть решающую роль в определении эффективности механизма электропорации. Например, квадратные формы волн продемонстрировали превосходную энергоэффективность и способность микробной инактивации по сравнению с экспоненциальными и синусоидальными импульсами.
Тем не менее, проектирование системы, производящей квадратную форму волны, является более сложным и трудным из-за большего количества требований, таких как сеть формирования импульсов, конденсаторы и индукторы.
Это исследование отличается от предыдущих, изучая некоторые пробелы, например, как умеренная напряженность электрического поля, тип формы волны и режим импульсации влияют на сохранение питательных и химических соединений в сушеных ломтиках яблок. Оно сосредоточено на применении низкой напряженности электрического поля для получения оптимальных результатов с минимальными затратами энергии.
Основное внимание было уделено влиянию электроплазмолиза на некоторые питательные соединения, такие как аскорбиновая кислота и β-каротин, а также на загрязнитель процесса гидроксиметилфурфурол (hydroxymethylfurfural (HMF)).
Аскорбиновая кислота жизненно важна для питательного и антиоксидантного профиля яблок и очень чувствительна к термической и окислительной деградации. Аналогичным образом, β-каротин, липофильный каротиноид провитамина А, играет двойную роль в здоровье, смягчая окислительный стресс. С другой стороны, HMF образуется при нагревании в присутствии восстанавливающих сахаров и аминокислот, что делает его контроль критически важным для безопасности и качества пищевых продуктов. На образование HMF могут влиять температура обработки, активность воды, содержание сахара и аминокислоты.
В этом исследовании оценивается влияние предварительной обработки электрическим полем на сохранение витамина C, β-каротина и HMF в сушеных ломтиках яблок с акцентом на оптимизацию параметров электрического поля (сила, форма волны и пульсация). Низкая напряженность электрического поля направлена в пределах 0,1–0,2 кВ/см, чтобы поддерживать низкий градиент напряжения и представлять преимущества и недостатки применения электрического поля с более низким потреблением энергии. Корреляция вызванных электрическим полем клеточных изменений со стабильностью питательных веществ и динамикой реакции Майяра позволяет в этой работе оптимизировать эффективность сушки путем сохранения питательных качеств.
Яблоки Фуджи были получены с местного рынка в Турции со средним весом от 150 г до 200 г. Фрукты вымыли и нарезали ломтиками толщиной 3 мм с помощью слайсера. Ломтики были обработаны электрическим полем после нарезки. Все испытания были проведены в трех повторностях.
Приложение электрического поля выполнялось с использованием специально изготовленной установки, состоящей из двух параллельных пластинчатых электродов с площадью поверхности 150 см2 . Электроды располагались на расстоянии 10 мм друг от друга, а приложенное напряжение составляло 100 В, 150 В и 200 В.
Синусоидальные и квадратные формы волн генерировались с использованием источника питания переменного тока с частотой 50 Гц и применялись непрерывно или с длительностью импульса 100 мс. Обработка состояла из 60 импульсов, что приводило к общему времени активного воздействия 6 с. Общий период обработки был зафиксирован на уровне 1 мин, чтобы обеспечить последовательное сравнение с непрерывными приложениями электрического поля и оставаться в пределах ограничений оборудования. Выбор продолжительности обработки был основан на предварительных экспериментах, которые показали, что более длительное общее время применения отрицательно сказывалось на физическом качестве, особенно текстуре, в соответствии с результатами, полученными в предыдущих исследованиях. Полученные значения напряженности электрического поля составили 0,1, 0,15 и 0,2 кВ/см для возрастающих уровней напряжения соответственно.
Нарезанные яблоки помещали в камеру обработки электрическим полем с равномерной толщиной 3 мм и помещали между электродами. Камера была заполнена 0,5 л водопроводной воды комнатной температуры. Обработка применялась в течение 1 мин обработки.
Контрольные эксперименты проводились с использованием необработанных образцов. После обработки ломтики яблок быстро осушали с помощью бумажных салфеток, чтобы удалить избыток воды с поверхности, и высушивали до содержания влаги 6–10% с помощью конвекционной печи при 75 °C. Сушка проводилась в печи с принудительной конвекцией горячим воздухом при температуре 75 °C со скоростью воздуха приблизительно 1,2 м/с, что является обычным условием при сушке яблок и других исследованиях по дегидратации фруктов.
Результаты показали, что на витамин С значительное влияние оказывала форма волны, при этом синусоидальные волны сохраняли примерно на 27% больше витамина С, чем квадратные волны, вероятно, из-за сниженной окислительной деградации из-за более мягкой электропорации.
Напротив, квадратные волны вызывали самые высокие потери β-каротина (25% по сравнению с контролем), что объясняется длительным пиковым напряжением, дестабилизирующим каротиноиды. Образование HMF было снижено на 10–23% в образцах, обработанных электрическим полем, по сравнению с контрольными образцами, что связано с ускоренными скоростями сушки, ограничивающими время реакции Майяра.
Низкая напряженность электрического поля (0,1–0,15 кВ/см) усиливала антиоксидантную активность; однако более высокая интенсивность показала потенциальное снижение. Квадратная форма волны оказала более пагубное воздействие на фенольные соединения, чем синусоидальная форма волны. Эти результаты свидетельствуют о том, что предварительная обработка низким электрическим полем, особенно с синусоидальными формами волны при 0,2 кВ/см, повышает эффективность сушки, одновременно балансируя сохранение питательных веществ и смягчение HMF, предлагая многообещающую стратегию для производства высококачественных сухофруктов.
Статья опубликовала в журнале Foods 2025 на портале www.mdpi.com.