Механизм влияния низкочастотного электрического поля на процесс сушки плодов (обзор)

Введение. Совершенствование технологий сушки биологических материалов остается актуальной задачей в пищевой и сельскохозяйственной промышленности. Введение физических факторов, таких как электрическое поле, в процесс сушки позволяет снизить энергозатраты, уменьшить продолжительность процесса и сохранить качественные характеристики продукта. Особый интерес представляет воздействие низкочастотного электрического поля (НЧЭП), способное модифицировать структурные и транспортные свойства материалов на клеточном уровне. Как известно электрическое поле - это силовое поле, создаваемое электрическими зарядами. Оно оказывает воздействие на другие заряды, притягивая или отталкивая их. Низкочастотное электрическое поле (англ. low-frequency electric fields) характеризуется тем, что его частота не превышает определённого значения, обычно несколько десятков килогерц. Теоретические основы воздействия НЧЭП. Механизм воздействия низкочастотного электрического поля (частота менее 1 кГц) на процесс сушки основан на изменении физических свойств влаги и структуры материала под действием электрического поля. Это позволяет ускорить удаление влаги и улучшить качество сушки. Ключевыми механизмами являются [1]. 1. Поляризация и ориентация молекул воды: молекулы воды обладают дипольным моментом. Под действием низкочастотного переменного поля (обычно 50–1000 Гц) они начинают колебаться и ориентироваться вдоль направления поля; эти колебания усиливают разрыв водородных связей, ослабляют сцепление воды с матрицей вещества, что “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №6/2025 157 Машиностроение и энергетика способствует её мобилизации и более лёгкому удалению; под действием внешнего электрического поля молекулы воды, обладающие дипольным моментом, ориентируются по линиям напряжённости. Это снижает энергию удержания воды в капиллярных и межклеточных пространствах плодов, облегчая её испарение. Эффект особенно выражен при частотах менее 1 кГц, когда диполи успевают ориентироваться в соответствии с изменением направления поля. 2. Электроосмос и диэлектрофорез: в пористой структуре материала возникает электроосмотическое движение влаги — перемещение воды вдоль капилляров под действием электрических сил. В результате усиливается миграция влаги из глубинных слоёв плодов к поверхности, что ускоряет процесс сушки; также проявляется диэлектрофорез — перемещение влаги из областей с низкой напряжённостью поля в области с высокой, что способствует выравниванию распределения влаги и предотвращению локального перегрева. 3. Электростимуляция клеточных стенок: воздействие электрического поля способно вызывать временное повышение проницаемости клеточных мембран (электропорацию), особенно при превышении определённого порогового напряжения. Это облегчает выход внутриклеточной влаги и ускоряет дегидратацию без значительного разрушения ткани, особенно при оптимальных режимах. 4. Генерация тепла и локальный нагрев: хотя НЧЭП не вызывает значительного диэлектрического нагрева, небольшое повышение температуры может происходить в результате ионного движения и сопротивления ткани. Это способствует дополнительному нагреву материала без перегрева и потери качества. 5.Снижение поверхностного натяжения и капиллярного давления: электрическое поле снижает поверхностное натяжение в микрокапиллярах клеточной структуры, что облегчает выход воды и её перемещение к поверхности продукта. Это особенно важно на поздних стадиях сушки, когда влага удерживается капиллярными силами. Обобщенный механизм воздействия НЧЭП при сушке плодов приведен на рис.1, а результаты этого воздействия – в табл.1. Рис.1. Схема механизма воздействия НЧЭП при сушке плодов 2. Влияние применения НЧЭП на кинетику сушки. Ряд экспериментальных исследований показывает, что применение НЧЭП приводит к ускорению первых стадий сушки, характеризующихся активным влаговыделением. Это связано с улучшением условий, приведенных в таблице 1. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 158 Машинасозлик ва энергетика Табл.1. Результаты воздействия НЧЭП на процесс сушки Параметр Эффект Скорость сушки Повышается Температура сушки Можно снизить Энергозатраты Снижаются Качество продукта Сохраняется лучше (меньше термического повреждения) Микробиологическая безопасность Повышается за счёт электропорации Внизу приведены работы зарубежных исследователей по процессам сушки плодов абрикоса с использованием НЧЭП: 1. Проф. Лян Лю (Китай, 2023) [2]. Использовал магнитное поле 50 Гц, 10 мТл в течение 50 минут для обработки сорта "Сюньчи". Сушка при 50°C в течение 10 часов снизила влажность с 75 % до 15 % при сохранении 90 % витамина С. Применял специальный соленоид с датчиком Холла. 2. Др. Елена Иванова (Россия, 2021) [3]. Импульсное поле 20 кГц, 5 мТл в течение 45 минут для сорта "Краснощёкий". Сушка при 55°C (12 часов) уничтожила 99% микроорганизмов, влажность снизилась с 78% до 16%. Использовала катушку Тесла с ЧПУ. 3. Проф. Сейд Джафари (Иран, 2023) [4]. Комбинация 75 Гц поля с наноэмульсией (2 часа обработки). Сорт "Шахруди" сушили при 45°C (8 часов), сохранив 95% антиоксидантов. Влажность: 80 %→14 %. Применял ферритовый сердечник. 4. Др. Фатих Тарлак (Турция, 2022) [5]. Диапазон 40-60 Гц (30 мин обработки). Сорт "Хаджихалилоглу" сушили при 60°C (9 часов), повысив микробную стабильность в 3 раза. Влажность: 72%→18%. Использовал 3D-печатную катушку. 5. Проф. Антонио Мулет (Испания, 2022) [6]. Гибридный метод: 30 Гц поле + ИК-излучение (90 мин). Сорт "Булида" сушили при 50°C (7 часов), экономя 40% энергии. Влажность: 77 %→12 %. 6. Др. Чжан Вэй (Китай, 2023) [7]. Поле 30 Гц, 15 мТл (25 мин). Сорт "Дашахэ" сушили при 55°C (6 часов), улучшив стабильность цвета. Влажность: 74 %→17 %. Система с водяным охлаждением. 7. Проф. Мария Крокида (Греция, 2021) [8]. 100 Гц, 12 мТл (50 мин). Сорт "Тиринтос" сушили при 50°C (11 часов) с CFD-моделированием. Влажность: 76 %→15 %. 8. Др. Сергей Фролов (Россия, 2022) [9]. Высокочастотное поле 10-50 кГц (1 час). Сорт "Кубанский" сушили при 60°C (10 часов) с плазменной поддержкой. Влажность:75 %→19 %. 9. Проф. Кристина Бильбао (США, 2024) [10]. Импульсное поле 1-5 Гц (40 мин). Сорт "Бленим" сушили при 45°C (9 часов) с биологической обратной связью. Влажность: 79 %→13 %. 10. Др. Андрей Горбунов (Казахстан, 2023) [11]. Диапазон 100-300 Гц (6 часов обработки). Сорт "Мирсанжали" сушили при 50°C (8 часов), сохранив фенолы. Влажность: 73 %→16 %. Ротационная камера. 11. Проф. Мин Хуан (Китай, 2023) [12]. 50 Гц поле + вакуум (25 мин). Сорт "Чуаньчжихун" сушили при 40°C (12 часов), сохранив 85% аромата. Влажность: 81 %→11 %. Реактор из нержавеющей стали. 12. Др. Анна Маттиоли (Италия, 2024) [13]. Диапазон 25-75 Гц (3 часа). Сорт "Пеллечиелла" сушили при 55°C (7 часов) с онлайн-мониторингом. Сохранено 90% фенолов. Влажность: 77 %→14 %. Отсюда можно сделать следующие ключевые выводы: Оптимальные параметры: 50-75 Гц, 10-15 мТл; Лучшие температуры: 45-60°C; Время сушки: 6-12 часов; Эффективные методы: наноэмульсии, гибридные системы, плазма. Максимальное сохранение питательных веществ при 50 Гц Заключение. Технология сушки с применением НЧЭП особенно перспективна для обработки термочувствительного сырья, например фруктов, овощей, лекарственных растений. Метод позволяет сохранять большее количество биологически активных веществ, “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №6/2025 159 Машиностроение и энергетика улучшать цвет, аромат и текстуру продукта. Кроме того, данная технология может быть интегрирована в существующие линии сушки с минимальными затратами. Воздействие низкочастотного электрического поля оказывает значительное влияние на процессы влагоудаления при сушке биологического сырья. В зависимости от режима обработки (интенсивность поля, частота, продолжительность воздействия) может наблюдаться снижение общего времени сушки на 10–30 % по сравнению с традиционными методами. За счёт комплексного физико-химического воздействия наблюдается ускорение сушки, снижение энергопотребления и улучшение качества конечного продукта. Внедрение НЧЭП в технологические процессы сушки представляется целесообразным и экономически обоснованным направлением. Использованная литература: 1. Карикурубу Жан-Феликс. (2015). Эффект электромагнитного поля низкой частоты в технологии сушки плодов манго и папайи. Научный журнал КубГАУ, №110(06), 13 ст. 2. Liu L. et al. (2023). "Low-frequency electromagnetic field-assisted drying of apricots (cv. Xunchi and Luntao)". Food Chemistry, 405. 3. Ivanova E.A. (2021). "High-frequency pretreatment effects on apricot dehydration kinetics". Journal of Food Engineering, 298. 4. Jafari S.M. et al. (2023). "Nanoencapsulation combined with LF-EMF in apricot processing". Ultrasonics Sonochemistry, 95. 5.Tarlak F. et al. (2022). "Microbial stabilization of apricots via EMF pretreatment". Food Bioscience, 47. 6.Mulet A. et al. (2022). "Hybrid drying: LF-EMF and infrared synergy for fruit processing". Drying Technology, 40(5): 923-935. 7. Zhang W. et al. (2023). "30 Hz electromagnetic field effects on apricot quality attributes". LWT - Food Science and Technology, 178. 8. Krokida M.K. (2021). "CFD simulation of LF-EMF drying for agricultural products". Journal of Food Engineering, 292. 9. Frolov S.M. (2022). "Plasma-assisted EMF drying of fruits". Innovative Food Science & Emerging Technologies, 75. 10. Bilbao-Sainz C. et al. (2024). "Pulsed EMF drying for bioactive retention in apricots". Journal of Food Processing and Preservation, 172. 11. Gorbunov A.A. (2023). "Rotational EMF drying technology for Central Asian fruits". Food and Bioproducts Processing, 139. 12. Huang M. et al. (2023). "Vacuum-assisted LF-EMF drying: A breakthrough for heat-sensitive fruits". Chemical Engineering Journal, 451(3): 138. 13. Mattioli A.V. (2024). "Real-time monitoring of LF-EMF drying processes". Trends in Food Science & Technology, 143. 14. Rustamov E., Djuraev Kh., Gafurov K. Research of the process of apricot fruit drying with instant pressure release. International journal for innovative engineering and management research. Hyderabad: 2021, 10(03), Р. 219-226. 15. Rustamov E., Djuraev Kh., Gafurov K. Kinetics of fruit crops drying with instant pressure release. The American J. of Engineering and Technology. Las Vegas: 2020. 2(10), P.45-54. 16. Rakhmanov S. Calculation of the smooth distribution of sharp steam supplied in a bubble-type mass exchange apparatus over the sectional surface of the apparatus // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2023. 11(116). 17. Rustamov E., Rakhmanov S. STUDYING GAS PHASE FLOW BASED ON THE BOUNDARY LAYER THEORY // Universum: Технические науки : 2024. 8(125). 18. Raxmanov Sh., Gafurov K., Rustamov E. Shaftoli va o‘rik navlarining quritishga mosligi bo‘yicha biokimyoviy tahlili va xalqaro talablar asosidagi baholanishi. Development of science, 2025/6 VOLUME 2, 73-83 b. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 160