Use of omic heating technology in the process of processing fruits and vegetables. Overview of the subject field

Full Text

1. Введение

Информация об использовании натуральных продуктов, отсутствии в них химических консервантов и о применении современных технологий переработки, позволяющих максимально сохранять пищевую ценность продукта, свежесть вкуса и аромата, привлекает потребителей и определяет их покупательскую способность. Технологии обработки омическим нагревом (ОН) продуктов переработки фруктов и овощей улучшают качество конечного продукта, поскольку потребители отдают предпочтение более натуральным продуктам, содержащим минимальное количество синтетических консервантов. Омические методы можно использовать для нагрева пищевых продуктов с проводимостью от 0,1 до 10 См/м. Омическая технология применяется периодически или непрерывно. Напряженность электрического поля, конфигурация электродов и проводимость нагреваемого материала генерируют потоки тока, которые обусловливают высокую плотность мощности и быстрое выделение тепловой энергии. Параметры, применяемые при ОН: напряжение — от 400 до 4000 В; мощность поля — от 20 до 400 В/см; зазор между электродами — от 10 до 50 см. Скорость нагрева определяется эффективностью источника энергии, конструкцией оборудования и характером тепловой среды, например, проводимостью, вязкостью и теплоемкостью [1, 2]. ОН — это метод быстрого и равномерного нагрева, требующий меньше энергии по сравнению с традиционной термической обработкой [3, 4]. Нетермическое воздействие ОН, то есть электропорация и электрический пробой, изменяло клетки и ткани в зависимости от характеристик пищевого материала и условий процесса, таких как температура, приложенная частота и градиент напряжения. Согласно данным Gavahian и др. [4], низкая частота и повышенная напряженность электрического поля усиливают образование пор и электрический пробой клеток. Кроме того, свежее плодоовощное сырье более чувствительно к нетепловому воздействию ОН, чем материалы, которые до ОН подвергались другим процессам, таким как сушка [4]. Хотя метод омического нагрева имеет ряд преимуществ перед традиционной обработкой, там, где необходимы высокие температуры для стерилизации, данный метод неэффективен. За последние несколько десятилетий проведен ряд исследований OH различных пищевых материалов [5]. Технология OH была изучена в широком диапазоне продуктов питания, включая фрукты и овощи [6], молоко и молочные продукты [7], крупы и хлебобулочные изделия [8, 9], мясо и морепродукты [10, 11] и так далее. Использование OH предполагает не только пастеризацию и стерилизацию [5, 12], выпаривание или концентрирование [13, 14], обезвоживание [15, 16, 17], приготовление пищи [18, 19, 20], бланширование [21], запекание [22, 23], но и извлечение [4, 24, 25, 26], размораживание [27], шелушение [28, 29] и размягчение тканей [8, 30]. Перечисленные исследования были направлены на изучение происходящих процессов при нагревании, изменений электропроводности, моделирования и/или имитации, инактивации ферментов и микробов, изменений реологии, цвета и пищевых компонентов [31]. Цель данной статьи — обзор результатов исследований, касающихся влияния омического нагрева на продукт в сравнении с термической обработкой и рассматривающих комбинированное применение данного метода с нетермическими технологиями при производстве фруктовых и овощных консервов.

2. Материалы и методы

Поиск научной литературы на английском и русском языках об использовании технологии омического нагрева в процессе переработки плодоовощной продукции проводили в библиографических базах Scopus и Web of Science. Для отбора научных статей на русском языке провели поиск, по ключевым словам, в Google Scholar и в Научной электронной библиотеке (eLIBRARY.RU).

В качестве временных рамок для обзора научных публикаций принят период 2010–2023 гг. При выполнении работы использованы научные методы — поиск и скрининг научной литературы, извлечение и анализ данных, систематизации и обобщения. При отборе публикаций для обзора приоритет отдавали высоко цитируемым источникам. Для обзора предметного поля проведенного исследования применяли алгоритм в соответстви и с протоколом PRISMA и составляли схему проведения исследования.

Для поисковых запросов в зарубежных базах данных базах Scopus, Web of Science были использованы следующие ключевые слова и словосочетания на английском языке: ohmic heating, vegetables, fruits, pasteurization, processing, inactivation, drying, evaporation. На русском языке в базе данных Google Scholar и Научной электронной библиотеке (eLIBRARY.RU) вводились следующие ключевые слова: омический нагрев, овощи, фрукты, пастеризация, обработка, инактивация, сушка, выпаривание.

Критерии включения для статей, подлежащих анализу:

1. Статья написана в период 2010–2023 гг;
2. Статья соответствует теме исследования;
3. Типы анализируемых статей — оригинальные исследовательские статьи, обзорные статьи, краткие отчеты.

Критерии исключения для статей, подлежащих анализу:

1. Статья не соответствует теме данного обзора: не касается тематики использования технологии омического нагрева при обработке продукции переработки плодов и овощей;
2. Статья написана не на английском языке, статья на русском языке не входит в РИНЦ;
3. Содержание статьи дублируется. Если из разных баз данных или разных электронных библиотечных систем были извлечены повторяющиеся источники, их классифицировали только один раз.

Результаты анализа были представлены в виде таблиц и диаграмм для визуализации данных. Для обзора предметного поля проведенного исследования использовали алгоритм в соответствии с протоколом PRISMA и составили схему проведения исследования (Рисунок 1).

 

Рисунок 1. Блок-схема, описывающая процесс выбора исследования, в соответствии с протоколом PRISMA

Figure 1. Flow chart describing the process of choosing a study according to the PRISMA protocol

Примечание: PRISMA Extension for Scoping Reviews (PRISMA-ScR): Checklist and Explanation, 2018 (https://www.acpjournals.org/doi/10.7326/M18–0850). In the public domain.

 

3. Результаты и обсуждение

3.1. Принцип действия технологии омического нагрева (ОН)

Омический нагрев (OH) — метод относительно новый, используемый для пастеризации и стерилизации пищевых продуктов в качестве альтернативы традиционной термической обработке. ОН выделяет внутреннее тепло, сопротивляясь потоку переменного электрического тока. В технологии OH используются высокотемпературные кратковременные процессы для равномерного и быстрого нагревания жидких и твердых продуктов [32]. Основные компоненты оборудования ОН включают источник питания, нагревательную камеру, электроды, термопару, датчик тока и систему сбора данных. Во время обработки OH пищевое сырье действует как резистор и повышает свою температуру за счет эффекта Джоуля [33]. Повышение температуры влияет на структуру пищи и вызывает перенос влаги, клейстеризацию крахмала и денатурацию белка [8]. Принцип ОН основан на распределении электрической энергии в виде тепла через электрический проводник, когда электрическая энергия, поступающая в продукт, преобразуется в тепловую энергию, а электрическое сопротивление пищи вызывает объемный нагрев [34]. Нагрев с эффектом Джоуля имеет эффективность более 90% по сравнению с обычной теплопередачей (т. е. за счет температурных градиентов или горячих поверхностей от окружающей среды к среде) [35]. Кроме того, быстрый и равномерный нагрев, вызванный флуктуациями электрических полей, увеличивает динамическое движение заряженных частиц и дипольные моменты растворов [34]. Электроды ОН непосредственно воздействуют на нагреваемую среду, что является основным отличием ОН от других методов нагрева [35]. Оптимизировать систему омического нагрева весьма сложно по причине теплофизических воздействий в процессе тепломассопереноса.

Авторы Hashemi и Roohi [36] внедрили метод вычислительной гидродинамики, предоставив исследователям ценные данные, в том числе контроль непроектных тепловых пятен, потерь тепла и эффективности оборудования с помощью численных расчетов. Также было установлено, что ОН способствует экономии электрической энергии [37]. Разработка эффективных тепловых систем для высокотемпературных применений является перспективным направлением для промышленного использования в различных отраслях промышленности. В промышленности технология ОН может демонстрировать эффективность более 90%, однако для достижения этого уровня необходимо обеспечить снижение тепловых потерь с помощью изоляции стен [38].

3.2. Использование технологии омического нагрева при переработке овощей и фруктов

Технология OH способствует процессу пастеризации с максимальным сохранением пищевой ценности продукта, с защитой ценных компонентов, таких как каротиноиды и ксантофиллы во фруктовых соках [12]. Проведены исследования и установлено влияние ОН на инактивацию Salmonella spp. [39], Lactobacillus spp. [40] и Staphylococcus spp. [41]. В последнее время многие авторы изучили влияние пастеризации технологией OH при переработке купажированных цитрусовых соков [36], морковных соков [42], виноградных соков [43], яблочного сока [44], сока шелковицы [45]. При анализе стабильности фенольных соединений во время пастеризации OH (20,5 В/см) было установлено, что большему разрушению фенолов и флавоноидных соединений способствовало не изменение напряжения и частоты электрического поля, а трансформация формы волны (прямоугольная или импульсная) [46]. По данным Darvishi и др [47], биологически активные вещества (особенно витамин С и общее содержание фенолов) цитрусовых соков (например, апельсинового сока) сохранялись за счет сокращения времени обработки и увеличения градиента напряжения. Точно так же применение технологии ОН при разных частотах электрического поля (10–1000 Гц) и напряжения (25–80 В) способствовало сохранению качества малиновых напитков на основе сыворотки. Согласно результатам данного исследования, для жидких продуктов необходимо обеспечивать равномерное распределение тепла внутри матрицы [48]. Следует отметить исследование, в ходе которого проводили пастеризацию купажированных фруктово-овощных соков методом термической обработки и омического нагрева. Были приготовлены соки из овощей, произрастающих в Республике Беларусь, таких как тыква, морковь и сельдерей. Овощные соки купажировали с соками апельсина, грейпфрута и плодов бузины. С целью увеличения срока хранения купажированных соков они были подвергнуты омической пастеризации. Согласно полученным данным, было установлено, что термическое воздействие омического метода оказывает меньший вред для флавоноидов по сравнению с общепринятым методом пастеризации. Оптимальными параметрами омической пастеризации были определены напряжение 18 В и температура 70 °C. Дальнейшее увеличение напряжения влекло изменение цвета и консистенции соковой продукции, что отрицательно влияло на внешний вид и органолептические показатели [2].

Хотя система OH изначально была разработана для жидких пищевых продуктов, она эффективно применялась для пюре из манго с целью улучшения качественных показателей, таких как содержание растворимых сухих веществ (СВ) и кислотность продукта [49]. Метод обработки ОН не требует присутствия пара или горячей воды, а также перемешивания для достижения однородности при обработке сока. Во время концентрирования сока тепловые технологии потребляют много энергии, в то время как OH является одной из перспективных энергоэффективных систем [50]. Согласно данным литературных источников, был исследован ряд фруктовых соков после процесса концентрирования или выпаривания методом ОН, например, апельсиновый сок [51, 52], гранатовый сок [14], виноградные соки [53], вишневые соки [54, 55], соки из киви [56] и вержус [57]. Авторы Fadavi и др. [54] концентрировали вишневый сок до содержания сухих веществ на уровне 33% и 46,7% от исходной массы с использованием OH (при 10–30 В/см; при атмосферном давлении и вакууме 30 и 60 кПа). Результаты показали снижение скорости нагрева на 11,3% при снижении давления на 60% и снижение скорости нагрева на 30,7% при изменении концентрации на 46,7%. Авторы подтвердили, что при понижении давления (вакуумное состояние) электропроводность уменьшалась, а концентрация увеличивалась.

В настоящее время проведены исследования по изучению действия ОН на процесс инактивации ферментов во фруктовых и овощных соках, включая соки манго [58], томатный сок [59], соки сахарного тростника [60–61] и арбузный сок [31]. Согласно исследованиям, проведенным Morales-Sánchez с соавторами [62], инактивация пектинметилэстеразы (ПМЭ) в результате ОН (17–23 В/см при 30–72 °C) зависит не только от приложенного электрического поля, но и от исходной проводимости образца. Ученые Jakob и др. [63] также сообщили об увеличении инактивации ПМЭ при высокой начальной электропроводности, в то время как значения электрического поля были постоянными. По мнению авторов, для обработки ОН фруктовых соков, обладающих высокой электропроводностью, достаточно короткого времени (секунды). Ранее группа исследователей [64] установила снижение активности полифенолоксидазы (ПФО) под действием ОН (20–40 В/см, 20–90 °C) в процессе переработки виноградного сока.

Обобщенные данные исследований о применении ОН в процессе переработки фруктов и овощей представлена в Таблицах 1 и 2.

 

Таблица 1. Результаты использования OH для фруктовых и овощных соков

Table 1. Results of using OH for fruit and vegetable juices

Продукт	Процесс	Комбинирование/ сравнение с другими методами	Условия проведения эксперимента	Выводы	Источник
Гранатовый (Punica granatum cv. Hicaz) сок	Концентрирование (до 40% сухих веществ)	В сочетании с выпариванием под вакуумом	7,5–12,5 В/см	Время ОН сокращается на 56% по сравнению с обычным нагревом	[14]
Вишневый сок	Концентрирование	В сочетании с выпариванием под вакуумом	10–14 В/см	Увеличение производительности процесса выпаривания и снижение энергоемкости	[52]
Вишневый сок	Концентрирование (до 40% потери воды)	По сравнению с обычным нагревом	8,3–13,9 В/см, 50 Гц	Скорость нагрева ОН в 10 раз выше по сравнению с обычным нагревом	[54]
Апельсиновый сок	Концентрирование	В сочетании с выпариванием под вакуумом (27 кПа), по сравнению с ОН при атмосферном давлении	15–30 В/см, 66 °C	OH значительно замедляет процесс разрушения пектина и витамина С, а также позволяет получить сок более высокой концентрации	[51]
Апельсиновый сок	Концентрирование (до 40% сухих веществ)	В сочетании с выпариванием под вакуумом (25–101 кПа)	13 В/см, 65–100 °C, 34–54 мин	При повышении температуры время обработки уменьшилось по мере выпаривания	[55]
Сок киви	Концентрирование	В сочетании с выпариванием в вакууме, по сравнению с ОН при атмосферном давлении	—	ОН в сочетании с выпариванием под вакуумом лучше сохраняет антиоксидантную активность и витамин С в концентрированном соке. Однако при этом увеличивается время обработки, ускоряется коррозия электродов, снижается эффективность процесса и проводимость среды	[56]
Арбузный сок	Инактивация полифенолоксидазы	По сравнению с обработкой горячей водой (90 °C в течение 15–60 с)	24 В/см, 50 Гц	Активность полифенолоксидазы снизилась на 36,15% и 8,87% за 60 с при использовании горячей воды и ОН соответственно. Изменение цвета было меньше в образцах, обработанных OH	[59]
Напитки на основе арбузного сока	Физико-химические показатели, содержание биоактивных соединений и срок годности	По сравнению с обычным нагревом	80 °C, 3 мин	При ОН снижение микробиологической обсемененности эффективнее, чем при обычном нагреве	[65]
Сок сахарного тростника	Инактивация пероксидазы	По сравнению с обычным нагревом	7,8 В/см, 60 Гц, 25 мин, 75 °C	Инактивация пероксидазы при ОН 78% в жидком состоянии и 100% в твердом состоянии, что более эффективно, чем при обычном нагреве	[60]
Сок сахарного тростника	Оценка влияния способа обработки	По сравнению с ультразвуком (20 кГц) и обычным нагревом	7,8 В/см, 60 Гц, 80 °C	ОН способствовал сохранению цвета и содержания фенольных соединений	[66]
Сок плодов помело	Инактивация Salmonella enterica serovars enteritidis	По сравнению с обычным нагревом	30 В/см, 50–20 000 Гц	Разрушение бактерий происходит быстрее при ОН, чем при обычном нагреве	[67]
Томатный сок	Инактивация ферментов (полигалактуроназа и пектинметилэстераза)	По сравнению с обычным нагревом (90 °C, 5 мин).	90 °C, 1 мин	Инактивация ферментов происходит быстрее при ОН, что способствует сохранению цвета и консистенции	[59]
Купажированный цитрусовый сок (сладкий лимон и апельсин)	Пастеризация	По сравнению с обычным нагревом (75 °C, 30 мин)	150–250 В, 99,4 °C, 120 с	При увеличении напряжения скорость инактивации патогенных бактерий увеличивается	[36]
Сок черной шелковицы	Кинетика обработки, качество термодинамическая оценка процесса концентрирования	По сравнению с обычным нагревом	15–30 В/см	Содержание фенола в концентрированном образце в 3,0–4,5 раза выше при ОН, чем при обычном нагреве, потребление энергии в 4,6–5,3 раза ниже	[68]
Сок из плодов помело	Инактивация пектинметилэстераза и лактобацилл	По сравнению с обычным нагревом (20–80 °C)	20–40 В/см, 50– 20 000 Гц	Инактивация происходит быстрее при ОН, чем при обычном нагреве	[69]
Сок из плодов помело	Влияние частоты переменного тока и напряженности электрического поля на изменения биоактивных соединений	По сравнению с обычным нагревом (20–80 °C)	20–40 В/см, 50–20 000 Гц	ОН при 60 Гц и 30 В/см эффективнее совместно с пастеризацией	[69]
Морковный сок	Пастеризация	По сравнению с обычным нагревом (80 °C, 7 мин)	120 В/см, 60 кГц, 15–80 °C	При ОН увеличились антиоксидантная способность и микробиологическая стабильность в процессе хранения в течение 60 дней при 4 °C	[42]
Морковный сок	Подбор оптимальных параметров обработки	По сравнению с обычным нагревом (80 °C в течение 60 с)	15–25 В/см, 40–90 с	После обработки ОН (17 В/см при 40 с) сок был пригоден для потребления в течение 10 дней, органолептические и микробиологические показатели были более естественные, чем при обычной обработке	[70]
Виноградный сок	Пастеризация	—	10–40 В/см, 55–85 °C, 1–5 мин	Микробиологическая стабильность после обработки при 30 В/см, 85 °C, 5 мин сохранялась в течение 21 дня	[43]
Виноградный сок	Концентрирование	—	16–24 В/см	При OH выпаривание происходит эффективнее на 80%	[55]
Яблочный сок	Пастеризация	—	10–15 В/см, 50–60 °C, 1–5 мин	Наиболее значительное уменьшение количества микроорганиз-мов наблюдалось при 12,5 В/см, 60 °C и 5 мин	[44]
Яблочный сок	Инактивация Staphylococcus aureus	По сравнению с обычным нагревом (72 °C)	10 В/см, 50 Гц, 2 мин	При ОН гибель Staphylococcus aureus происходит за более короткое время по сравнению с обычным нагревом	[41]

 

Таблица 2. Обзор результатов использования ОН в производстве продуктов из фруктов и овощей

Table 2. Overview of the results of using OH in production of products from fruits and vegetables

Продукт	Процесс	Комбинация/ сравнение с другими методами	Условия проведения эксперимента	Выводы	Источник
Ягоды винограда	Экстракция полифенолов	По сравнению с обычным нагревом (72 °C, 90 с)	55 В/см, 60–90 с, 72 °C.	При ОН снижается время мацерации, сохранение полифенолов на 17% выше, чем при обычном нагреве	[75]
Кизил	Экстракция полифенолов ОН с микроволнами	По сравнению с микроволнами и мацерацией	20–40 В/см, 1–20 мин + микроволны (10, 60 и 120 мин)	При ОН увеличился выход полифенолов в 1,1–5,4 [раза] чем при микроволнах и мацерации (вар.ред.: по сравнению с воздействием микроволн и мацерации)	[76]
Кизил	Экстракция полифенолов ОН с ультразвуком	По сравнению с ультразвуком и мацерацией	20–40 В/см, 1–20 мин. + ультразвук (1–80 мин)	При ОН уменьшилось время экстракции на 34%	[76]
Кусочки ананаса	Сравнение физических, микроструктурных, антиоксидантных и ферментных характеристик	По сравнению с обработкой под высоким давлением (600 МПа, 3 мин) и обычным нагревом (90 °C, 5 мин)	Увеличение температуры до 90 °C	Обработка ОН свидетельствовала об электропорации клеточных стенок, а также о последовательном ухудшении равномерности распределения (ввиду большого количества мелких кусочков	[77]
Кусочки персика	Влияние на качественные характеристики	По сравнению с обработкой под высоким давлением (600 Мпа, 3 мин) и обычным нагревом (98 °C, 100 с)	98 °C, 110 с	При OH меньшее количество инвазий, чем при обычном нагреве. При ОН увеличилось общее содержание полифенолов	[77]
Грейпфрут, лимон и апельсин	Производство пектина из цитрусовых отходов	—	9 В/см, 80 °C	Общее потребление энергии увеличивается по мере увеличения времени обработки, средняя мощность уменьшается	[78]
Томат	Очистка	По сравнению с обычным нагревом (100 °C)	1500–4500 В/м + солевой раствор (0,1–0,3%)	Быстрый рост температуры томата, а также электропорация ускорила процесс очистки. При ОН сохранность витамина С на 4,1% выше	[79]
Томатная паста	Сохранение биоактивных соединений	В сочетании с вакуумом (0,03 МПа), по сравнению с обычным нагревом (87–90 °C)	3,64 В/см, 87,30 °C	ОН-продукт имеет большую степень разрушения сахаров, а также карамельный запах, связанный с фурфуролом и 5-метилфурфуролом. ОН снижает время обработки	[79]
Пюре ежевики	Кинетика разложения антоцианов	По сравнению с обычным нагревом (70–90 С, 90 мин)	23–125 В, 60 Гц, 70–90 °C, 90 мин	Потеря антоцианов при ОН на 3% выше, чем при обычным нагреве	[73]
Пюре манго	Инактивация полифенолоксидазы	По сравнению с обычным нагревом (72 °C, 2 мин)	15–20 В/см, 60 Гц, 72 °C, 2 мин	При ОН увеличилась кажущаяся вязкость на 10,26–15,64% и содержание растворимых волокон. Инактивация на 95,7% достигнута через 15 с в обоих случаях	[58]
Пюре манго	Инактивация микроорганизмов	По сравнению с обычным нагревом (90 °C в течение 10 мин).	10–20 В/см, 60–80 °C	Бактериальная нагрузка снизилась с 80 КОЕ/мл до 7 КОЕ/мл для дрожжей/ плесеней	[80]
Морковь и яблоко, пюре	Оптимизация	По сравнению с импульсным электрическим полем (4 кВ, 0,5 кДж/кг, 0,5 мс)	572 В, 12 кГц, 114 В/см, 40–80 °C	Инактивация ОН полифенолоксидазы и пероксидазы было больше (около 90%) при 80 °C	[81]
Яблочное пюре	Влияние на качество и пищевую ценность	По сравнению с импульсным электрическим полем (600 МПа, 3 мин) и обычным нагревом (107 °C в течение 35 с)	107 °C (образец, подогретый от 25 до 60 °C).	При ОН установлено более высокое сохранение качественных характеристик яблочного пюре по сравнению с обычным нагревом	[82]
Выжимка из томата	Получение биоактивных соединений	В сочетании с умеренным электрическим полем (4–11 В/см)	Растворитель с обработкой ОН-экстракцией (70 °C, 60–280 В, 15 мин, 25 кГц с использованием 70% этанола)	Извлечение ликопина выше на 4,93 мкг/г выжимок, на 58% выше скорость извлечения. Извлечение полифенолов и каротиноидов увеличилось при использовании ОН 6 и 11 В/см	[83]
Отходы лимона	Производство пектина	—	70–90 °C для 0–30 мин	Условия экстракции влияют на выход пектина	[84]

Примечание: HPP — обработка под высоким давлением; ОН — омический нагрев; PEF — импульсное электрическое поле; ПФО — полифенолоксидаза; ПОД — пероксидаза; TPC — общее содержание полифенолов.

 

3.3. Сравнение технологии ОН и традиционных методов нагрева

3.3.1. Микробная / ферментативная инактивация

Получены результаты, указывающие на более заметную эффективность омического нагрева в инактивации Escherichia coli, дрожжей, лактобацилл и сальмонеллы по сравнению с традиционным методом пастеризации [16, 36, 39, 71]. Кроме того, авторы Cho et al. [71] использовали непрерывную пастеризацию OH собственной разработки для продукта Gochujang (ферментированный национальный корейский продукт) с пастой из острого перца. Система обеспечивала быстрый и равномерный нагрев (> 100 °C) без образования накипи, инактивацию микроорганизмов (2-логарифмическое сокращение), сокращение времени обработки по сравнению с традиционной системой нагрева периодического действия. Khue et al. [39] в своем исследовании установили более быструю инактивацию микробов при обработке фруктовых соков помело OH по сравнению с обычной пастеризацией. По данным Hashemi and Roohi [36], скорость инактивации микроорганизмов увеличивалась при повышении напряжения от 150 до 250 В при обработке цитрусовых соков. Схожие результаты были получены автором Kumar в процессе обработки виноградного сока методом OH: по мере увеличения градиента напряжения снижалось время, необходимое для инактивации, количество микробов было ниже рекомендуемого предела до 21 дня хранения в обработанном виноградном соке OH (30 В / см, 85 °C, 5 мин) [43]. Priyadarshini и соавторы [72] наблюдали значительную инактивацию бактерий и дрожжей/плесени во время пастеризации мякоти манго OH (10–20 В/см при 60–80 °C) по сравнению с обычным нагреванием при 90 °C в течение 10 мин. Пастеризация OH (12,5 В/см, 60 °C в течение 5 минут) обеспечила максимальное снижение микробиологической обсемененности в яблочном соке. Однако с увеличением времени обработки и температуры происходили значительные изменения содержания аскорбиновой кислоты и трансформации цвета [44]. Ученые Sarkis и другие [73] продемонстрировали кинетику деградации антоцианов при 23–125 В и при обычном нагревании (70–90 °C) в мякоти ежевики. Обе технологии нагревания, ОН при низком напряжении (23 В) и обычный нагрев, показали одинаковую скорость деградации антоцианов. Авторы сообщили о значительном разрушении антоцианов при высоком напряжении из-за электрохимических реакций. Однако увеличение градиента напряжения положительно влияло на сохранение антиоксидантной активности [73]. Darvishi и соавторы [74] в своем исследовании установили самую высокую антиоксидантную активность в образцах концентрата черного винограда (патоки), обработанных OH, по сравнению с образцами, подвергнутыми обычному нагреву. Применение технологии омического нагрева приводит к снижению себестоимости на 2,4 доллара, а также к уменьшению времени обработки в 7,2 раза и энергопотребления в 6,3 раза без изменения органолептических свойств по сравнению с обычным процессом нагревания. Следовательно, эффективность ОН зависит от параметров обработки, таких как градиент напряжения, частота и температура, а также от характеристик самого продукта.

Авторы Kanjanapongkul и Baibua использовали OH для предотвращения обесцвечивания розового цвета, связанного с ингибированием ПФО и ПОД в кокосовой воде [85]. Хотя более высокая напряженность электрического поля быстрее снижала активность ферментов, обработка ОН (70–80 °C) непрерывно уменьшала активность ПФО в течение длительного времени. Так, ОН при 90 °C за 3 мин снижал на 10% исходную активность ПФО, которая оставалась неизменной в условиях хранения. Напротив, ОН при 70 °C сначала повышал активность ПОД, затем снижал при 80 °C с выдержкой до полной инактивации при 90 °C. После обработки кокосовая вода приобрела светло-розовый цвет на 14-й день. Вместе с тем результаты показали большую активацию фермента при увеличении напряженности электрического поля, при этом электрическая частота не оказывала существенного влияния на активность фермента. Также степень сохранения витамина С после ОН была значительно ниже (10,6 ± 1,4%), чем при обычном нагревании (14,7%). В другом исследовании OH снижал активность ПФО сока сахарного тростника (остаточная активность 10,07% при 32 В/см и 80 °C) за более короткое время обработки (1 мин) со сроком хранения 10–30 дней при комнатной температуре и температуре охлаждения соответственно, по сравнению с обычной термической обработкой, которая снижала активность ПФО (остаточная активность 6,47%) за 10 мин при 80 °C [61].

3.3.2. Концентрация / сушка

Для концентрирования фруктовых соков используется несколько традиционных методов, однако эти методы приводят к низкому качеству стабилизированных пищевых продуктов, таких как жидкости или соки с высокой вязкостью, содержащие крупные частицы. По этой причине OH был тщательно изучен для применения в целях испарения, концентрирования, сушки или дегидратации. Имеются недавние исследования по комбинированному использованию различных нетермических и термических технологий с обработкой ОН для пастеризации, а также с целью сохранения биоактивных соединений [86] при выпаривании или концентрировании [52, 55, 56, 57]. Например, общее содержание фенолов в соке сахарного тростника, обработанного ОН и ультразвуком, было такое же, как и в свежем соке без дополнительной нетермической обработки. Однако при визуальном восприятии образцов в обоих вариантах обработки установлено незначительное отличие в цвете. С учетом этих двух параметров качества, согласно данным Rodrigues и соавторов [66], ультразвук и ОН оказались эффективной заменой пастеризации. Кроме того, общее содержание фенолов в концентрате сока черной шелковицы, обработанном ОН, было в 3–4,5 раза выше, потребление энергии было ниже в 4,6–5,3 раза, а эффективность концентрирования — на 38–46% выше, чем при традиционном нагреве [68]. Norouzi с соавторами [54] установили, что методы ОН (8,3–13,9 В/см) увеличивают скорость нагрева в 10 раз и сокращают на 13–45% необходимое время концентрирования вишневого сока по сравнению с обычным нагревом (горячая плита). Авторы пришли к выводу, что более высокие напряжения пропускают больший ток через образец и увеличивают скорость испарения воды, тем самым сокращая время обработки. Кроме того, изменение цвета было более заметным в обычно нагретом вишневом соке, чем при ОН. Также авторы Cokgezme и Icier [87] использовали специально разработанное омическое оттаивание (10–20 В/см) для замороженных концентратов вишневого сока (15–50% СВ) с целью сокращения времени (до 90%) по сравнению с обычным оттаиванием (4 °C). При омическом оттаивании небольшая часть замороженных образцов поднималась на поверхность из-за относительно меньшей плотности, что создавало температурную неоднородность на поверхности ввиду относительно быстрого повышения температуры в оттаивающих областях.

В некоторых научных публикациях демонстрируется влияние технологии ОН, используемой для сушки фруктов и овощей, в сравнении с обычной сушкой. Так, Cao с соавторами [88] установили, что сушка плодов личи с помощью технологии прерывистого ОН (при 70 °C; 20 мин и 5–15 мин сушки) уменьшает эффект потемнения и обеспечивает лучшее качество продукта с точки зрения запаха и вкуса, а также требует меньше энергии по сравнению с обычной сушкой [88]. Точно так же Poojitha и Athmaselvi [89] заметили, что скорость сушки была значительно выше при омическом бланшировании чеснока (26,66 В/см за 30 с) по сравнению с обычным бланшированием. Кроме того, омическое бланширование вызывало меньшую интенсивность потемнения и позволило сохранить до 945,8 мг/кг диаллилдисульфида в чесночном порошке.

3.4. Предварительная обработка и комбинирование ОН с нетермическими технологиями

В процессе обработки фруктов и овощей частичная или осмотическая дегидратация используются для удаления части воды, для ингибирования ферментативного потемнения и с целью сохранения первоначальных органолептических показателей качества [90]. Предварительная обработка OH способствует эффективному процессу обезвоживания, обеспечивая при этом сохранение биологически активных соединений, поэтому данный способ является пригодным для промышленного внедрения. Синергетическое воздействие OH и вакуума считается лучшим методом обработки для улучшения микроструктуры яблок при производстве яблочных закусок, богатых фолиевой кислотой, а также осмотически обезвоживает клубнику и чернику [91, 92, 93, 94]. Обработка OH сокращала время сушки до 50% для осмодегидратированных яблок по сравнению с обычными обработками [91]. Точно так же автор Kutlu [90] использовал OH в сочетании с осмотической дегидратацией (20–40 В/см в течение 10–30 мин) для айвы. Установлено более высокое общее содержание фенолов, выявлен коэффициент регидратации и найдены различия в цвете и диэлектрических свойствах (при 40 В/см в течение 30 минут) при концентрации сахарозы 16,67% и микроволнах (270 Вт после обезвоживания) по сравнению с контрольными образцами.

Технология OH наряду с электропорацией, термическим и вакуумным воздействием вызывала осмотические изменения в тканевых порах и поддерживала содержание воды и вторичных метаболитов растений. Их воздействие на ПФО было значительным при 50 °C, что увеличило срок хранения обработанных яблок до 4 недель. Синергетический эффект OH и импульсного вакуума (импульсная вакуумная осмотическая дегидратация/обработка OH) повысил эффективность процессов дегидратации и сохранил биологически активные соединения черники, особенно полифенолы [95]. Импульсное электрическое поле (ИЭП) и предварительная обработка ОН образцов обработанного сока (при 80 °C) показали более низкие значения изменения цвета и повышенную антиоксидантную активность по сравнению с необработанными образцами. Как в морковном, так и в яблочном пюре была достигнута 90% инактивация ПОД И ПФО при 80 °C (температура предварительного нагрева) [81].

Ученый Kumar и его соавторы [96] исследовали воздействие OH (нагрев до 90 °C при 25–35 В/см в течение 60–180 с) в качестве этапа предварительной обработки перед сушкой кубиков свежесрезанного ананаса (Anana comosus). Обработка ОН в течение 90 и 120 с привела к максимальному изменению текстуры. Авторы продемонстрировали влияние напряженности электрического поля на разрушение текстуры, что выражалось в появлении небольших трещин на поверхности кожицы фрукта. Кроме того, электрическое поле вызвало эффект электропорации и электропермеабилизации и увеличило скорость массопереноса, что привело к ускорению процесса обработки и, следовательно, к сокращению времени сушки. По мнению авторов, обработка ОН может использоваться в качестве альтернативы традиционному бланшированию фруктов и овощей перед сушкой и хранением. В другом исследовании Rinaldi и другие [77] наблюдали сильную электропорацию клеточной стенки кубиков персика и ананаса, предварительно обработанных OH (в сахарном сиропе). По мнению авторов, комбинированная обработка ОН и высоким давлением (ВД) позволила добиться наилучшего сохранения размерных характеристик, твердости и цвета кубиков, консистенции сиропа. Однако для образцов, обработанных ОН и традиционным нагревом, наблюдалось значительное снижение содержания аскорбиновой кислоты и одновременное увеличение общего содержания фенолов. Авторы [77] предположили, что образцы, обработанные ВД, имеют менее поврежденную форму и микроструктуру за счет сиропа, содержащего растворимые сухие вещества. С другой стороны, ананас, обработанный обычным нагреванием, показал самую низкую остаточную активность ПФО, однако антиоксидантная способность была сопоставима с образцами обработанных кубиков ананаса.

Вакуумное выпаривание применяется в производстве фруктовых соков для концентрирования, но оно имеет некоторые ограничения в отношении сенсорных качеств, таких как модификации ароматических или летучих компонентов из-за длительного времени обработки. Традиционные системы вакуумного выпаривания с паром или горячей водой потребляют большое количество энергии при низкой энергоэффективности. Более того, обычное вакуумное выпаривание приводит к образованию нежелательных компонентов и к потере питательных веществ [55]. В качестве альтернативы вакуумное выпаривание гранатового сока с помощью OH (при 7,5–12,5 В/см, выпаривание от 17,5% до 40% СВ) показало меньшее разложение сахара и снижение содержания гидроксиметилфурфурола. Однако на значение цветовых показателей, антиоксидантную активность, общее содержание мономерных антоцианов и на общее содержание фенолов больше влияли электрохимические реакции на титановых электродах. Кроме того, для более точной оценки эффекта вакуумного выпаривания с помощью ОН на концентраты сока с высокой кислотностью использовались более электрохимически инертные электроды [78]. Большое влияние вакуумного нагрева с помощью OH привело к сокращению времени обработки, температуры кипения и низких рабочих температур, что в итоге снизило потери качества продуктов во время производства [50]. Синергическое воздействие ОН при различных градиентах напряжения (7,5–12,5 В/см) с вакуумным выпариванием было продемонстрировано для концентрирования гранатового сока, которое требует меньшего времени обработки (снижение на 56% по сравнению с традиционной термической обработкой) при эффективном использовании энергии, что делает его пригодным для промышленных целей [14]. Установлено, что интеграция OH в систему вакуумного выпаривания улучшила общее качество концентрирования (содержание СВ 30%) гранатового сока, дала самую высокую энергетическую и эксергическую эффективность, а также высокую скорость удаления воды по сравнению с вакуумным выпариванием. При использовании ОН (7,5–12,5 В/см) с вакуумным выпариванием увеличилось содержание сухих веществ гранатового сока с 17,5 до 40% [13].

OH способствует вакуумному испарению с точки зрения эффективности использования энергии и эксергии и предотвращает частые требования к усовершенствованию системы. Авторы Tunç и другие [84] применяли вакуумное испарение с помощью OH (17,5–25 В/см) для производства виноградного пекмеза (концентрированного сиропообразного продукта), которое потребляло меньше энергии по сравнению с обычным вакуумным выпариванием (57–50 мин). Авторы Sabanci and Icier [55] исследовали вакуумное выпаривание с помощью OH (при 10–14 В/см, для концентрирования до 65% содержания СВ) для вишневого сока. По мнению авторов, общее потребление энергии снижалось по мере увеличения градиента напряжения; однако данный показатель возрастал при повышении содержания сухих веществ [55]. Torshizi M. V. с соавторами [97] установили, что длительное время обработки снижает энергоэффективность, но увеличивает потери и эффективность эксергии. Кроме того, градиент напряжения и процент потери веса образца связаны со временем процесса, с эффективностью использования энергии, с эффективностью и потерей эксергии и с потенциалом улучшения. Однако вакуумное выпаривание с помощью ОН можно использовать в качестве эффективной альтернативы вакуумного выпаривания концентратов фруктовых соков для получения аналогичных или лучших реологических свойств.

Комбинированное использование вакуумного нагрева с ОН (как гибридный вакуумный нагрев ОН) сохраняло качество пищевых продуктов с точки зрения содержания питательных веществ. Так, к примеру, Darvishi и соавторы [47] исследовали условия вакуумного нагрева OH во время процесса концентрирования апельсинового сока и сравнили их с отдельным процессом OH (в атмосферных условиях) и с обычным вакуумным нагревом. Согласно результатам, комбинированный нагрев показал меньшую деградацию витамина С (10–29,2%) по сравнению с омическим (18,0–38,8%) и обычным нагревом (47,4%). Кроме того, рН, содержание общего фенола и антиоксидантная способность свежевыжатого и концентрированного сока в меньшей степени изменяются при омически-вакуумном нагревании. Согласно результатам, витамин С и общий фенол лучше сохранялись при увеличении напряжения, что сокращало время обработки.

Fadavi и другие [98] использовали различные комбинации обработок (OH-вакуум при 10–30 В/см, 30–60 °C, атмосферное давление, вакуум 30 и 60 кПа) для грейпфрутового и лимонного соков. Грейпфрутовый сок имел более низкую электрическую проводимость (около 20%) по сравнению с лимонным соком при том же градиенте давления и напряжения. Хотя процент снижения скорости нагрева варьировался от 19% до 32%, давление значительно влияло на рН обоих соков. Однако авторы наблюдали большее снижение pH при меньшем времени обработки [98]. Abedelmaksoud с соавторами [99] применяли ультразвуковую обработку и OH в лабораторных условиях (ультразвуковой датчик вместо обычных блендеров в смесительном резервуаре перед оборудованием OH) для пастеризации неконцентрированного яблочного и апельсинового соков. Синергетический подход снизил 98% ПФO в яблочном соке и 96% ПМЭ в апельсиновом соке. При этом обработка ультразвуком и OH улучшила содержание биологически активных веществ (аскорбиновая кислота, общее содержание каротиноидов и общее содержание фенолов) и цветовые характеристики соков. По мнению авторов, значительное увеличение общего содержания фенолов было получено в следующем порядке: ОН-обработка ультразвуком > термозвук > ОН > обычный нагрев [99, 100].

Предварительная обработка ОН (40 °C в течение 20 мин; 40–100 °C в течение < 20 с) ускоряет процесс извлечения ценных фитохимических веществ, таких как антоцианы, из остатков виноделия (кожица винограда). Результаты показали, что OH увеличивает проводимость, общее количество фенольных соединений, содержание растворимых сухих веществ и интенсивность красного цвета обработанных экстрактов. Предварительная обработка ОН (при высокой температуре в течение короткого времени) обеспечила быстрый внутренний нагрев кожицы винограда, что повысило содержание антоцианов: с 756 до 1349 мкг/г мальвидин-3-О-глюкозида [101].

OH-очистка используется в качестве альтернативы обычной очистке фруктов и овощей. Однако комбинированная система OH и небольших концентраций щелочи (гидроксида натрия или калия) или растворов солей обеспечивала лучшее качество очистки, чем процессы по отдельности [28, 29, 102].

3.5. Преимущества и недостатки использования технологии OH в плодоовощном производстве

Технология ОН не только инактивирует микроорганизмы и пищевые ферменты, но и предотвращает перегрев и позволяет пище сохранять свое естественное качество без добавления синтетических консервантов. Однако нетермическое воздействие ОН включает электропорацию (электрический пробой), которая зависит от качества сырья и от параметров обработки ОН, таких как градиент напряжения, частота и температура [3, 4]. Авторы Gavahian и другие [8] всесторонне исследовали текстурные свойства пищевых продуктов, подверженных тепловому и нетермическому воздействию OH. Однако нетермический эффект обработки ОН в отношении микро- и макроструктур пищевых продуктов практически не изучен. Действие ОН исследовано во многих пищевых процессах, включая пастеризацию, обжаривание, варку, приготовление пищи, сушку, стерилизацию, очистку от кожуры, микробиологическое ингибирование и извлечение полифенолов и антиоксидантов. В промышленном производстве непрерывная стерилизация OH использовалась для высоковязких пищевых продуктов с такими преимуществами, как техническая простота, более высокая энергоэффективность и низкие капитальные затраты и затраты на техническое обслуживание [80, 103]. Энергопотребление ОН было в 4,6–5,3 раза ниже, чем при обычном нагревании [104]. Усовершенствованные системы ОН имеют лучшую конструкцию или конфигурацию электродов, эффективный объемный нагрев или высокую скорость нагрева по сравнению с традиционной системой [32]. Быстрый нагрев (до желаемой температуры) сокращает время обработки, предотвращает сенсорные изменения и позволяет избежать чрезмерного термического повреждения термочувствительных компонентов. Кроме того, технология OH для процессов очистки пищевых продуктов повышает выход по сравнению с традиционными методами, такими как очистка щелочью и паром, которые связаны с отходами, с высоким pH, с чрезмерным использованием воды и едких химикатов.

Несмотря на все преимущества, авторы научных исследований высказали ряд опасений по поводу промышленного применения метода ОН, включая коррозию электродов и ее потенциальное негативное влияние на здоровье потребителей, высокие капиталовложения, отсутствие гарантий безопасности для обслуживающего персонала и неравномерный нагрев некоторых материалов в непрерывном режиме процесса. Согласно данным авторов Wang и Farid [105], ионы Ni и Cr переносятся с электродов из нержавеющей стали в пищу с меньшей скоростью, чем ионы Fe, что приводит к тому, что концентрации ионов Ni и Cr в приготовленной пище находятся в безопасном пределе использования при воздействии высокочастотной мощности. Авторы пришли к выводу, что оптимизация процесса, а именно применение соответствующей частоты (10 кГц вместо 50 Гц) и подходящих электродов может уменьшить химические изменения в продукте при обработке OH [105]. Следует отметить и другие проблемы, которые связаны с вязкостью, электропроводностью и образованием отложений. Кроме того, возможность усиленного выщелачивания клеточных составов во время низкочастотного процесса ОН может быть нежелательной для некоторых продуктов по причине возможной потери питательных веществ.

4. Заключение

Исследования, проведенные в течение более двух десятилетий, направлены на разработку эффективных технологий, гарантирующих не только безопасность пищевых продуктов, но и повышение их качества (улучшение внешнего вида, сохранение пищевой ценности и т. д.), увеличение срока хранения и снижение производственных затрат. Обзор научных публикаций показал, что исследования технологии омического нагрева подтверждают эффективность ее использования для инактивации микроорганизмов и ферментов, воздействующих на фрукты и овощи. Выпаривание/концентрирование, обезвоживание/сушка фруктовых соков или пюре с помощью ОН способствовали более высокой энергоэффективности и сокращению времени обработки по сравнению с традиционной термической обработкой при сохранении биологически активных соединений. Результаты научных исследований показали эффективность ОН в качестве предварительной обработки перед проведением сушки, концентрирования, экстракции. Кроме того, учеными доказана целесообразность сочетания метода омического нагрева с термическими и нетермическими технологиями. Стоит отметить, что для масштабного промышленного внедрения необходимо проведение дальнейших углубленных исследований распределения температуры внутри пищевых продуктов с целью обеспечения равномерности их нагрева.

About the authors

L. Ch. Burak

BELROSAKVA Limited Liability Company

Author for correspondence.
Email: leonidburak@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6613-439X

Candidate of Technical Sciences, Director

Belarus, Minsk

A. N. Sapach

BELROSAKVA Limited Liability Company

Email: aleksandr@belrosakva.by
ORCID iD: 0000-0002-8579-2689

Chemist

Belarus, Minsk

References

Supplementary files