Food Processing: Techniques and Technology Food Processing: Techniques and Technology Техника и технология пищевых производств 2074-9414 2313-1748 76068 10.21603/2074-9414-2024-1-2493 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ ORIGINAL ARTICLE ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ Drying Grain Pretreated by Low-Voltage Spark-Discharge Plasma Channel Сушка зернового материала с предварительной обработкой слаботочным плазменным каналом искрового разряда https://orcid.org/0000-0002-8270-628X Мунассар Емад Хуссейн Али Munassar Emad Hussein Ali https://orcid.org/0000-0001-5804-7950 Шорсткий Иван Александрович Shorstkii Ivan A. i-shorstky@mail.ru Кубанский государственный технологический университет Краснодар Россия Kuban State Technological University Krasnodar Russian Federation Кубанский государственный технологический университет Краснодар Россия Kuban State Technological University Krasnodar Russian Federation 28 03 2024 28 03 2024 54 1 116 123 22 02 2023 04 04 2023 https://fptt.ru/en/issues/22328/22370/

В пищевой и сельскохозяйственной промышленности для увеличения сроков хранения пищевых продуктов и совершенствования процессов переработки пищевого сырья и подготовительных процессов применяются электрофизические технологии, такие как озонирование, обработка импульсным электрическим полем и низкотемпературная плазменная обработка. Цель работы – исследовать влияние предварительной обработки слаботочным плазменным каналом искрового разряда на эффективность сушки зерновых материалов. В качестве объекта исследования выбрали семена мягкой пшеницы. Рассмотрели три варианта воздействия на материал: обработку при прямом контакте зернового материала с электродами, обработку на диэлектрической подложке и без обработки (контрольный образец). Изучение кинетики сушки семян пшеницы проводили с помощью теплового агента при температуре 110 °С после предварительной обработки слаботочным плазменным каналом искрового разряда. Для оценки возникающих в результате предварительной обработки эффектов использовали средства электронной сканирующей микроскопии для выявления изменений поверхности структуры, а также изучили кинетику процесса сушки. Обработка семян пшеницы на диэлектрической подложке способствует более интенсивному процессу удаления влаги под действием возникающих эффектов травления поверхности с образованием нового континуума в структуре зернового материала. Обработка позволяет снизить длительность сушки зернового материала до достижения кондиционной влажности на 15–25 % по сравнению с контрольным образцом. Кривые скорости демонстрируют ускорение сушки в начальный период времени, что вызвано наличием дополнительных электроосмотических сил, и изменение абсорбционных характеристик зернового материала. Снижение общего удельного потребления энергии на 20 % получили для образцов с предварительной обработкой слаботочным плазменным каналом искрового разряда. Электрофизическая технология на базе слаботочного плазменного канала искрового разряда может быть использована для подготовки зернового материала к последующей сушке. Перспективой дальнейшего развития данного направления является масштабирование технологии с обработкой слаботочным плазменным каналом искрового разряда зернового материала в поточном режиме с выявлением новых эффектов, в том числе повышение сроков хранения зернового материала.

The food industry and agriculture use such electrophysical technologies as ozonation, pulsed electric field, and low-temperature plasma. They increase the shelf-life of food products, as well as help to advance food processing. This article features pretreatment with a low-voltage spark-discharge plasma channel as a means to increase the efficiency of grain drying. The grain material involved three samples of soft wheat seeds. Sample 1 was subjected to direct contact with the electrodes while sample 2 underwent treatment on a dielectric substrate. The control remained untreated. The kinetics of grain-drying in the open air was studied using a thermal agent at 110°C after pre-treatment with a low-voltage spark-discharge plasma channel. This experiment also involved scanning electron microscopy tools to detect changes in surface structure. The electron microscopy showed that the dielectric substrate accelerated moisture removal, probably as a result of the emerging surface effects that developed a new continuum in the grain structure. This treatment made it possible to reduce the drying time by 15–25%, compared to the control sample. The drying rate curves demonstrated acceleration in the initial period, associated with additional electroosmotic forces and changes in the absorption properties. The samples treated with low-voltage spark-discharge plasma channel showed a 20% reduction in total energy consumption. Electrophysical technology based on a low-voltage spark-discharge plasma channel proved to be an effective pre-drying procedure. Further research is needed to scale the technology in a flow mode and to identify its effect on shelf-life.

 Пищевое сырье зерновой материал сушка электрофизические технологии искровой разряд озоновоздушая смесь эффективность сушки кинетика сушки электроосмотическая сила Food raw materials grain material drying electrophysical technologies spark discharge ozone-air mix drying efficiency drying kinetics electroosmotic force Исследование выполнено при финансовой поддержке Кубанского научного фонда в рамках научного проекта № МФИ-20.1/42. Исследования выполнялись с использованием оборудования ЦКП «Исследовательский центр пищевых и химических технологий» Кубанского государственного технологического университета (КубГТУ) (CKP_3111), развитие которого поддерживается Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (Минобрнауки России) (Соглашение № 075-15-2021-679). The research was supported by the Kuban Science Foundation as part of research project No. MFI-20.1/42. The research was carried out using the equipment of the Research Center for Food and Chemical Technologies of Kuban State Technological University (KubSTU) (CKP_3111) financed by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Minobrnauki) (Agreement № 075-15-2021-679).

Радиационная обработка как технологический прием в целях повышения уровня продовольственной безопасности / Т. В. Чиж [и др.] // Вестник РАЕН. 2011. Т. 11. № 4. С. 44–49. https://www.elibrary.ru/TXIKUJ Chisch TV, Kozmin GV, Polyackova LP, Melnickova TV. Radiation treatment as a technology accepting for food safety. Bulletin of the Russian Academy of Natural Sciences. 2011;11(4):44–49. (In Russ.). https://www.elibrary.ru/TXIKUJ Shorstkii IA. Cold plasma pretreatment in plant material drying. Food Processing: Techniques and Technology. 2022;52(3):613–622. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2022-3-2391 Shorstkii IA. Cold plasma pretreatment in plant material drying. Food Processing: Techniques and Technology. 2022;52(3):613–622. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2022-3-2391 Ganesan AR, Tiwari U, Ezhilarasi PN, Rajauria G. Application of cold plasma on food matrices: A review on current and future prospects. Journal of Food Processing and Preservation. 2021;45(1). https://doi.org/10.1111/jfpp.15070 Ganesan AR, Tiwari U, Ezhilarasi PN, Rajauria G. Application of cold plasma on food matrices: A review on current and future prospects. Journal of Food Processing and Preservation. 2021;45(1). https://doi.org/10.1111/jfpp.15070 Priyadarshini A, Rajauria G, O'Donnell CP, Tiwari BK. Emerging food processing technologies and factors impacting their industrial adoption. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2019;59(19):3082–3101. https://doi.org/10.1080/10408398.2018.1483890 Priyadarshini A, Rajauria G, O'Donnell CP, Tiwari BK. Emerging food processing technologies and factors impacting their industrial adoption. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2019;59(19):3082–3101. https://doi.org/10.1080/10408398.2018.1483890 Zhakin AI. Electrohydrodynamics. Physics-Uspekhi. 2012;182(5):495–520. (In Russ.). https://doi.org/10.3367/UFNr.0182.201205b.0495 Zhakin AI. Electrohydrodynamics. Physics-Uspekhi. 2012;182(5):495–520. (In Russ.). https://doi.org/10.3367/UFNr.0182.201205b.0495 Martynenko A, Bashkir I, Kudra T. The energy efficiency of electrohydrodynamic (EHD) drying of foods. Trends in Food Science and Technology. 2021;118:744–764. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.09.002 Martynenko A, Bashkir I, Kudra T. The energy efficiency of electrohydrodynamic (EHD) drying of foods. Trends in Food Science and Technology. 2021;118:744–764. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.09.002 Bashkir I, Martynenko A. Optimization of multiple-emitter discharge electrode for electrohydrodynamic (EHD) drying. Journal of Food Engineering. 2021;305. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110611 Bashkir I, Martynenko A. Optimization of multiple-emitter discharge electrode for electrohydrodynamic (EHD) drying. Journal of Food Engineering. 2021;305. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110611 Martynenko A, Misra NN. Thermal phenomena in electrohydrodynamic (EHD) drying. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 2021;74. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2021.102859 Martynenko A, Misra NN. Thermal phenomena in electrohydrodynamic (EHD) drying. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 2021;74. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2021.102859 Rashidi S, Bafekr H, Masoodi R, Languri EM. EHD in thermal energy systems – A review of the applications, modelling, and experiments. Journal of Electrostatics. 2017;90:1–14. https://doi.org/10.1016/j.elstat.2017.08.008 Rashidi S, Bafekr H, Masoodi R, Languri EM. EHD in thermal energy systems – A review of the applications, modelling, and experiments. Journal of Electrostatics. 2017;90:1–14. https://doi.org/10.1016/j.elstat.2017.08.008 Изменение свойств и структуры поверхности семян зерновых культур под воздействием тлеющего разряда атмосферного давления / Б. Б. Балданов [и др.] // Успехи прикладной физики. 2019. Т. 7. № 3. С. 260–266. https://www.elibrary.ru/IXYPYH Baldanov BB, Ranzhurov TsV, Sordonova MN, Budazhapov LV. Changes in the properties and surface structure of grain seeds under the influence of an atmospheric pressure glow discharge. Advances in Applied Physics. 2019;7(3):260–266. (In Russ.). https://www.elibrary.ru/IXYPYH Misra NN, Yadav B, Roopesh MS, Jo C. Cold plasma for effective fungal and mycotoxin control in foods: Mechanisms, inactivation effects, and applications. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2019;18(1):106–120. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12398 Misra NN, Yadav B, Roopesh MS, Jo C. Cold plasma for effective fungal and mycotoxin control in foods: Mechanisms, inactivation effects, and applications. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2019;18(1):106–120. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12398 Li S, Chen S, Han F, Xv Y, Sun H, Ma Z, et al. Development and optimization of cold plasma pretreatment for drying on corn kernels. Journal of Food Science. 2019;84(8):2181–2189. https://doi.org/10.1111/1750-3841.14708 Li S, Chen S, Han F, Xv Y, Sun H, Ma Z, et al. Development and optimization of cold plasma pretreatment for drying on corn kernels. Journal of Food Science. 2019;84(8):2181–2189. https://doi.org/10.1111/1750-3841.14708 Штанько Р. И. Электроозонаторная установка для сушки зерна: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.02. Зерноград, 2000. 143 с. https://www.elibrary.ru/QDDZOD Shtanʹko RI. Electric ozonation device for grain drying. Cand. eng. sci. diss. Zernograd: Azov-Black Sea State Agricultural Engineering Academy; 2000. 143 p. (In Russ.). https://www.elibrary.ru/QDDZOD Mirzaei-Baktash H, Hamdami N, Torabi P, Fallah-Joshaqani S, Dalvi-Isfahan M. Impact of different pretreatments on drying kinetics and quality of button mushroom slices dried by hot-air or electrohydrodynamic drying. LWT. 2022;155. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2021.112894 Mirzaei-Baktash H, Hamdami N, Torabi P, Fallah-Joshaqani S, Dalvi-Isfahan M. Impact of different pretreatments on drying kinetics and quality of button mushroom slices dried by hot-air or electrohydrodynamic drying. LWT. 2022;155. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2021.112894 Xiao A, Ding C. Effect of electrohydrodynamic (EHD) on drying kinetics and quality characteristics of shiitake mushroom. Foods. 2022;11(9). https://doi.org/10.3390/foods11091303 Xiao A, Ding C. Effect of electrohydrodynamic (EHD) on drying kinetics and quality characteristics of shiitake mushroom. Foods. 2022;11(9). https://doi.org/10.3390/foods11091303 Martynenko A, Iranshahi K, Defraeye T. Plate versus mesh collecting electrode for electrohydrodynamic (EHD) drying. Drying Technology. 2022;40(13):2759–2769. https://doi.org/10.1080/07373937.2021.1962338 Martynenko A, Iranshahi K, Defraeye T. Plate versus mesh collecting electrode for electrohydrodynamic (EHD) drying. Drying Technology. 2022;40(13):2759–2769. https://doi.org/10.1080/07373937.2021.1962338 Voroshilin RA, Kurbanova MG, Ostapova EV, Makhambetov EM, Petrov AN, Khelef MEA. Effect of gelatin drying methods on its amphiphilicity. Foods and Raw Materials. 2022;10(2):252–261. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2022-2-534 Voroshilin RA, Kurbanova MG, Ostapova EV, Makhambetov EM, Petrov AN, Khelef MEA. Effect of gelatin drying methods on its amphiphilicity. Foods and Raw Materials. 2022;10(2):252–261. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2022-2-534 Шорсткий И. А. Применение обработки импульсным электрическим полем биоматериалов при подготовке к сушке. Краснодар: Дом-Юг, 2020. 172 c. https://www.elibrary.ru/DRFQUI Shorstkiy IA. Pulsed electric field treatment of biomaterials in pre-drying. Krasnodar: Dom-Yug; 2020. 172 p. (In Russ.). https://www.elibrary.ru/DRFQUI Полищук Н. В., Панченко М. С., Панченко И. М. Влияние радиусов кварцевых капилляров на высоту поднятия воды в электрическом поле // Электронная обработка материалов. 2008. Т. 44. № 4. С. 45–50. Polishchuk NV, Panchenko MS, Panchenko IM. Effect of the radii of quartz capillaries on water-rising in electric field. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2008;44(4):45–50. (In Russ.). Sheikholeslami M, Seyednezhad M. Simulation of nanofluid flow and natural convection in a porous media under the influence of electric field using CVFEM. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018;120:772–781. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.12.087 Sheikholeslami M, Seyednezhad M. Simulation of nanofluid flow and natural convection in a porous media under the influence of electric field using CVFEM. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018;120:772–781. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.12.087 Los A, Ziuzina D, Boehm D, Cullen PJ, Bourke P. Investigation of mechanisms involved in germination enhancement of wheat (Triticum aestivum) by cold plasma: Effects on seed surface chemistry and characteristics. Plasma Processes and Polymers. 2019;16(4). https://doi.org/10.1002/ppap.201800148 Los A, Ziuzina D, Boehm D, Cullen PJ, Bourke P. Investigation of mechanisms involved in germination enhancement of wheat (Triticum aestivum) by cold plasma: Effects on seed surface chemistry and characteristics. Plasma Processes and Polymers. 2019;16(4). https://doi.org/10.1002/ppap.201800148 Gao X, Zhang A, Héroux P, Sand W, Sun Z, Zhan J, et al. Effect of dielectric barrier discharge cold plasma on pea seed growth. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2019;67(39):10813–10822. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b03099 Gao X, Zhang A, Héroux P, Sand W, Sun Z, Zhan J, et al. Effect of dielectric barrier discharge cold plasma on pea seed growth. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2019;67(39):10813–10822. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b03099 Cao W, Nishiyama Y, Koide S, Lu ZH. Drying enhancement of rough rice by an electric field. Biosystems Engineering. 2004;87(4):445–451. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2003.12.007 Cao W, Nishiyama Y, Koide S, Lu ZH. Drying enhancement of rough rice by an electric field. Biosystems Engineering. 2004;87(4):445–451. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2003.12.007 Cao W, Nishiyama Y, Koide S. Electrohydrodynamic drying characteristics of wheat using high voltage electrostatic field. Journal of Food Engineering. 2004;62(3):209–213. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(03)00232-2 Cao W, Nishiyama Y, Koide S. Electrohydrodynamic drying characteristics of wheat using high voltage electrostatic field. Journal of Food Engineering. 2004;62(3):209–213. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(03)00232-2 Qu J, Zhang J, Li M, Tao W. Heat dissipation of electronic components by ionic wind from multi-needle electrodes discharge: Experimental and multi-physical analysis. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;163. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120406 Qu J, Zhang J, Li M, Tao W. Heat dissipation of electronic components by ionic wind from multi-needle electrodes discharge: Experimental and multi-physical analysis. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;163. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120406 Semenov VK, Belyakov AA, Ivanova NB. Mathematical modeling of a submerged jet of electric wind. Vestnik IGEU. 2021;(3):51–58. (In Russ.). https://doi.org/10.17588/2072-2672.2021.3.051-058 Semenov VK, Belyakov AA, Ivanova NB. Mathematical modeling of a submerged jet of electric wind. Vestnik IGEU. 2021;(3):51–58. (In Russ.). https://doi.org/10.17588/2072-2672.2021.3.051-058 Martynenko A, Kudra T. Electrohydrodynamic dryer: Effect of emitters’ density and gap between discharge and collecting electrodes. Drying Technology. 2020;38(1–2):158–167. https://doi.org/10.1080/07373937.2019.1621338 Martynenko A, Kudra T. Electrohydrodynamic dryer: Effect of emitters’ density and gap between discharge and collecting electrodes. Drying Technology. 2020;38(1–2):158–167. https://doi.org/10.1080/07373937.2019.1621338 Pui LP, Saleena LAK. Effects of spray-drying parameters on physicochemical properties of powdered fruits. Foods and Raw Materials. 2022;10(2):235–251. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2022-2-533 Pui LP, Saleena LAK. Effects of spray-drying parameters on physicochemical properties of powdered fruits. Foods and Raw Materials. 2022;10(2):235–251. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2022-2-533