Sankt-Peterburg, St. Petersburg, Russian Federation
Sankt-Peterburg, St. Petersburg, Russian Federation
Sankt-Peterburg, St. Petersburg, Russian Federation
Sankt-Peterburg, St. Petersburg, Russian Federation
Sankt-Peterburg, St. Petersburg, Russian Federation
Introduction. Rose hips are rich in macro- and micronutrients. Unfortunately, heat treatment destroys most nutrients. Ultrasonic technologies make it possible to reduce the drying time and lower the temperature regime. The research objective was to adjust ultrasound technology to rose hip production in order to reduce the loss of vitamins and improve the quality indicators of the dried product. Study objects and methods. The research featured rose hips of the Rosa canina species collected in the south of Kazakhstan. This subspecies of wild rose is poor in vitamin C. Nevertheless, this shrub is extremely common in Russia and other countries of the Commonwealth of Independent States. The raw material was dried according to standard methods. One group of samples was treated with ultrasound, while the other served as control. Both groups underwent a sensory evaluation and were tested for moisture and vitamin C. Results and discussion. The rose hips were dried in a combination steam oven with a built-in ultrasonic wave generator. The research revealed the following optimal parameters of the ultrasound drying process: frequency of ultrasonic vibrations – 22 kHz, processing time – 2.5 h, temperature in the combination steam oven – +56°C, initial moisture content – 30%. The resulting product met the requirements of State Standard. The loss of moisture was 57%. According to State Standard 1994-93, the initial moisture content should be 15% or less. Time decreased from 360 min to 160 min, and the initial moisture was 13%. The experiment confirmed the initial hypothesis that ultrasonic treatment improves the drying process by improving quality indicators and preserving vitamin C in raw materials using. Conclusion. Ultrasound treatment during moisture removal from rose hips provides a resource-saving technology that fulfills an economically and socially important function.
Acoustics, vibrations, Rosaceae fruits, vitamins, raw materials, medicine, confectionery industry, quality
Введение
Сегодня в каждой аптеке можно найти сушеные
плоды шиповника как в измельченном виде, так
и целые ягоды. Шиповник как лекарственное
средство очень популярен, особенно среди людей
пожилого возраста, за счет своих многочисленных
полезных свойств и низкой цены в сравнении с
дорогостоящими препаратами [1, 2]. Шиповник
является ярким представителем растения, которое
содержит в себе большое количество витаминов,
в частности витамина С [3]. Это делает его
незаменимым помощником в борьбе с вирусными
заболеваниями.
Для применения шиповника в различных
отраслях пищевой и медицинской промышленностей
используют тепловую обработку. Однако в процессе
теряется часть витаминов, в частности витамина С [5].
Перечень витаминов, содержащихся в ягодах
шиповника, представлен в таблице 1.
Плоды шиповника также широко используют
для витаминизации различных кулинарных и
кондитерских изделий. Из них готовят пюре, пасту,
повидло, мармелад, конфеты, компот, кисели,
морс и квас. Плоды шиповника применяются при
производстве пивных напитков, хлеба из пшеничной
муки, а также мясорастительных паштетов для
придания им дополнительных функциональных
свойств [6–9].
Широкое применение в пищевой биотехнологии
во всем мире получили сонохимические техноло-
гии, т. е. преобразование энергии упругих колеба-
ний ультразвуковой частоты. Перспективными
направлениями в области создания ресурсосбере-
гающих технологий в сушке растительного сырья
являются инфракрасная сушка и сушка в поле
действия ультразвука. Анализируя труды российских
и зарубежных ученых в данной области, авторами
статьи было решено использовать ультразвук для
достижения цели исследования, а именно уменьшение
потери витаминов за счет применения современных
ультразвуковых технологий, позволяющих снизить
температурный режим и сократить время сушки,
а также улучшить качественные показатели
высушенного продукта [4, 11, 13–20].
Ультразвук – это распространяющееся волно-
образно колебательное движение, которое совершают
частицы среды. Именно эти колебания и позволяют
теплому воздуху намного быстрее разрушать
пограничный слой и проникать к центру ягоды,
обеспечивая равномерный прогрев и равномерное
удаление влаги [10]. Эффективность ультразвуковой
сушки связана с ускорением процессов теплообмена
в ультразвуковом поле [12]. При этом материал
высушивается и испытывает со стороны газовой
среды воздействие ультразвукового поля с уровнем
интенсивности до 145 дБ.
Сильное влияние акустических волн на
первых стадиях сушки связано с относительно
малой толщиной пограничного слоя. Сравнение
ультразвуковой сушки с конвективным способом
(постоянный обдув поверхности материала)
показывает, что даже, когда скорость акустических
потоков сравнима со скоростью постоянного потока
воздуха при охлаждении, ультразвуковая сушка
происходит значительно быстрее, учитывая, что
толщина пограничного слоя для акустических
Commonwealth of Independent States. The raw material was dried according to standard methods. One group of samples was treated
with ultrasound, while the other served as control. Both groups underwent a sensory evaluation and were tested for moisture and
vitamin C.
Results and discussion. The rose hips were dried in a combination steam oven with a built-in ultrasonic wave generator. The research
revealed the following optimal parameters of the ultrasound drying process: frequency of ultrasonic vibrations – 22 kHz, processing
time – 2.5 h, temperature in the combination steam oven – +56°C, initial moisture content – 30%. The resulting product met the
requirements of State Standard. The loss of moisture was 57%. According to State Standard 1994-93, the initial moisture content
should be 15% or less. Time decreased from 360 min to 160 min, and the initial moisture was 13%. The experiment confirmed the
initial hypothesis that ultrasonic treatment improves the drying process by improving quality indicators and preserving vitamin C in
raw materials using.
Conclusion. Ultrasound treatment during moisture removal from rose hips provides a resource-saving technology that fulfills an
economically and socially important function.
Keywords. Acoustics, vibrations, Rosaceae fruits, vitamins, raw materials, medicine, confectionery industry, quality
For citation: Verboloz EI, Ivanova MA, Demchenko VA, Fartukov S, Evona NK. Ultrasound Drying of Rose Hips: a Process Study.
Food Processing: Techniques and Technology. 2020;50(1):79–86. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.21603/2074-9414-2020-1-79-86.
Таблица 1. Содержание витаминов на 100 грамм
шиповника семейства «Собачий»
Table 1. Content of vitamins per 100 grams of Rosa canina
Витамины Содержание, мг
С 650,000
А 434,000
Е 5,840
В9 3,000
РР 1,300
В5 0,800
В2 0,166
В6 ˂ 1
81
Верболоз Е. И. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2020. Т. 50. № 1 С. 79–86
потоков меньше, чем толщина гидродинамического
пограничного слоя.
Вторая стадия сушки характеризуется как
период нисходящей скорости, а также пониженной
влажностью материала и слабым выделением
жидкости изнутри. В связи с этим не выполняется
падение ее содержания на поверхности. Влияние
акустических колебаний сводится к увеличению
коэффициента диффузии жидкости в результате
ее нагрева при поглощении ультразвука в макро-
капилярах и порах [10].
Эффективным является применение ультразвука
на первой стадии, т. е. в период постоянной скорости
сушки. На второй стадии процесс сушки носит
характер цикла: волна выбивает влагу, которая
находится на поверхности продукта, затем влага,
которая осталась внутри материала, равномерно
распределяется по капиллярам и процесс запускается
снова. Данный процесс происходит до тех пор, пока
продукт не достигнет нужной влажности. Наиболее
целесообразной ультразвуковая сушка является для
мелкодисперсных материалов, которые находятся
в процессе обработки в состоянии покоя, т. к. при
этом является малым пороговое значение звукового
давления и обеспечивается равномерная обработка
продукта [10].
Объекты и методы исследования
Объектом исследования являлись плоды
шиповника семейства «Собачий». Подготовительные
операции заключались в мойке и удалении влаги
с поверхности растительного сырья. Сушка ши-
Рисунок 1. Пароконвектомат с ультразвуковым аппаратом
Figure 1. Combination steam oven with a built-in ultrasonic wave generator
Рисунок 2. Схема установки по сушке шиповника в пароконвектомате с наложением поля ультразвука: 1 – компрессор;
2 – блок подготовки воздуха; 3 – трубопровод; 4 – пекарная камера пароконвектомата; 5 – генератор ультразвуковых волн;
6 – сетчатый поддон; 7 – высушиваемое сырье (шиповник); 8 – регулятор температурных режимов;
9 – кнопка включения/выключения
Figure 2. Installation lay-out for ultrasound drying of rose hips in a combination steam oven: 1 – compressor; 2 – air preparation unit; 3 – pipeline;
4 – baking chamber of the combination steam oven; 5 – generator of ultrasonic waves; 6 – mesh pan; 7 – dried raw materials (rose hips);
8 – temperature controller; 9 – on/off button
0 20 40 60 80 100 120 140 160
T, мин
0 40 80 0 20 40 60 80 100 120 140 160
T, мин
0 40 80 140 160
0
15
30
45
60
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360
W, %
T, мин
4,4
4,5
4,6
4,7
4,8
4,9
5
вкус
запах цвет
с узв без узв
82
Verboloz E.I. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2020, vol. 50, no. 1, pp. 79–86
повника проводилась в пароконвектомате марки
Angelo Po FX61e1 со встроенным ультразвуковым
технологическим аппаратом для газовых сред серии
«Соловей» (модель УЗАГС-0,3/22-О) [11]. Частота
ультразвуковых колебаний – 22 кГц, мощность
280 ВА. Процесс удаления влаги из сырья
осуществлялся на сетчатом поддоне, который
использовали для улучшения конвекции. На рисунке
1 представлен внешний вид аппарата с размещенным
в нем генератором ультразвука.
Во время процесса сушки отслеживались
температурные и влажностные показатели сырья.
Процесс сушки осуществлялся при температуре
t = 56 °C, начальная масса плодов шиповника
mнач. = 0,7 кг, начальная влажность Wнач. = 30 %.
На рисунке 2 представлена схема установки
сушки плодов шиповника с наложением поля
ультразвука. Во время проведения эксперимента
производились замеры температуры высушиваемого
сырья, температуры и влажности в пекарной камере,
уровня шума и частоты излучения ультразвукового
генератора. Уровень шума не превышал 75 ДБ,
частота колебалась в пределах 21–22 кГц.
Результаты и их обсуждение
После сушки с наложением поля ультразвука
общая масса плодов сократилась с 1 кг до 0,4 кг.
Процент усушки составил 57 %. Влажность шиповни-
ка должна быть не более 15 % (ГОСТ 1994-93).
После сушки c применением воздушного генератора
ультразвука «Соловей» остаточное процентное
содержание влаги составило 13 %.
На рисунке 3 представлены образцы сушеного
шиповника с применением ультразвука и без.
Плоды шиповника, высушенные с применением
ультразвукового генератора, имеют более равно-
мерную окраску, чем те, что сушились только за счет
конвекции.
Результаты измерений влажности в процессе
сушки шиповника с применением ультразвука и без
него представлены на рисунках 4 и 5.
Исходя из результатов проведенных опытов,
можно сделать вывод о том, что после сушки
плодов шиповника с наложением поля ультразвука
в течение 160 мин, влагосодержание ягод составляет
13 %. При сушке такого же количества шиповника
в пароконвектомате без применения воздушного
генератора «Соловей» требуется около 360 мин,
чтобы достичь необходимого показателя влажности в
готовом продукте. При этом энергозатраты на сушку
шиповника без применения ультразвука выше в
2,5 раза, чем по технологии сушки с наложением
поля ультразвука.
Проведя лабораторные исследования содержания
витамина С в сырье, высушенном без применения
ультразвуковой технологии и с наложением поля
ультразвука, получили данные, представленные в
таблице 2.
Как видно из таблицы 2, содержание витамина
С при сушке сырья с наложением поля ультразвука
– это более щадящая температурная обработка,
позволяющая сохранить больше полезных веществ
в обработанном сырье. Данная технология позво-
ляет повысить уровень содержания витамина C
в высушенном продукте, а значит содержание
(а) (б)
Рисунок 3. Плоды шиповника: (а) сушка без ультразвука;
(б) сушка с применением ультразвука
Figure 3. Rose hips: (a) dried without ultrasound;
(b) dried using ultrasound
Рисунок 4. График зависимости влагосодержания
от времени сушки в пароконвектомате
с наложением поля ультразвука
Figure 4. Effect of drying time in a combination steam oven with
ultrasound on moisture content
Рисунок 5. График зависимости влагосодержания
от времени сушки в пароконвектомате
без применения ультразвука
Figure 5. Effect of drying time in a combination steam oven without
ultrasound on moisture content
0
20
40
60
0 20 40 60 80 100 120 140 160
W, %
T, мин
0
15
30
45
60
0 W, %
0
20
40
60
0 20 40 60 80 100 120 140 160
W, %
T, мин
0
15
30
45
60
0 W, %
0
20
40
60
0 20 40 60 80 100 120 140 160
W, %
T, мин
0
15
30
45
60
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360
W, %
T, мин
запах 0
20
40
60
0 20 40 60 80 100 120 140 160
W, %
T, мин
0
15
30
45
60
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360
W, %
T, мин
запах
83
Верболоз Е. И. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2020. Т. 50. № 1 С. 79–86
витаминов, перечисленных в таблице 1, по мнению
авторов, будет иметь повышенные показатели.
Анализ качественных показателей образцов
шиповника показал, что за счет применения
ультразвука в процессе сушки удается в большей
степени сохранить цвет и запах. Вкус при
заваривании отличается большей насыщенностью,
по сравнению с шиповником, высушенным без
ультразвука. Номограмма качественных показателей
представлена на рисунке 6.
Анализ качественных показателей осуществлялся
по 5 бальной шкале. Применение шкалы позволило
привлечь к оцениванию дегустаторов с невысокой
сенсорной чувствительностью и небольшим опытом.
Выводы
Применение ультразвука позволяет увеличить
скорость процесса сушки в 2 раза, уменьшить потери
витаминов на 17 %, а значит улучшить качество
выпускаемого продукта. Уменьшение времени
температурной обработки позволяет снизить
энергозатраты на производственный процесс,
снижение энергозатрат – себестоимость выпускаемой
продукции.
Критерий авторства
Е. И. Верболоз руководила проектом. М. А. Ива-
нова и В. А. Демченко занималась разработкой
методики эксперимента, преобразованием получен-
ных данных в статью. С. Фартуков и Н. К. Евона
занимались закупкой сырья, проведением экспери-
мента, сбором полученных данных.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта
интересов.
Contribution
E.I. Verboloz supervised the project. M.A. Ivanova
and V.A. Demchenko were engaged in the development
of experimental techniques and converting the data into
a readable form. S. Fartukov and N.K. Evona purchased
raw materials, conducted the experiment, collected and
processed the data.
Conflict of interest
The authors declare that there is no conflict of interest
regarding the publication of this article.
1. Gurol A, Taplak AS, Polat S. Herbal supplement products used by mothers to cope with the common health problems in childhood. Complementary Therapies in Medicine. 2019;47. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ctim.2019.102214.
2. Santos JS, De Sá Barreto LCL, Kamada I. Rosehip as a potential healing agent. Revista Cubana de Enfermeria. 2018;34(1).
3. Laman N, Kapylova N. Rosehips as a natural concentrate of vitamins and antioxidants. Science and Innovations. 2017;176(10):45-49. (In Russ.).
4. Mason TJ. Power ultrasound in food processing - the way forward. In: Povey MJW, Mason TJ, editors. Ultrasound in Food Processing. London: Blackie Academic and Professional; 1998. pp. 105-126.
5. Kadakal C, Duman T, Ekinci R. Thermal degradation kinetics of ascorbic acid, thiamine and riboflavin in rosehip (Rosa canina L) nectar. Food Science and Technology. 2018;38(4):667-673. DOI: https://doi.org/10.1590/1678-457x.11417.
6. Ivanchenko OB, Danina MM. The use of rose hips in the technology of beer drinks. Beer and beverages. 2015;(2):12-15. (In Russ.).
7. Blinova OA, Prazdnichkova NV, Trots AP, Makushin AN. The use of syrop from hips in the production of bread from wheat flour. Modern science success. 2016;(1):45-47. (In Russ.).
8. Skripnikova DP, Leshchukov KA. The study of the influence of the powder of rosehips on the chemical composition and functional and technological properties of and cereal paste. International Scientific Review. 2016;17(7):27-30. (In Russ.).
9. Nicorescu V, Papuc C, Predescu C, Gajaila I, Petcu C, Stefan G. The influence of rosehip polyphenols on the quality of smoked pork sausages, compared to classic additives. Revista De Chimie. 2018;69(8):2074-2080.
10. Sastry SK, Shen GQ, Blaisdell JL. Effect of ultrasonic vibration on fluid-to-particle convective heat-transfer coefficients. Journal of Food Science. 1989;54(1):229-230. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1989.tb08611.x.
11. Carcel JA, Castillo D, Simal S, Mulet A. Influence of temperature and ultrasound on drying kinetics and antioxidant properties of red pepper. Drying Technology. 2019;37(4):486-493. DOI: https://doi.org/10.1080/07373937.2018.1473417.
12. Verboloz EI, Ivanova MA, Demchenko VA, Moldovanov D, Evona NK. Mathematical modeling of spicy herbs intensive drying with ultrasound. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020;421(3). DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/421/3/032054.
13. Correa JLG, Rasia MC, Mulet A, Carcel JA. Influence of ultrasound application on both the osmotic pretreatment and subsequent convective drying of pineapple (Ananas comosus). Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2017;41:284-291. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ifset.2017.04.002.
14. Santacatalina JV, Fissore D, Carcel JA, Mulet A, Garcia-Perez JV. Model-based investigation into atmospheric freeze drying assisted by power ultrasound. Journal of Food Engineering. 2015;151:7-15. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2014.11.013.
15. de la Fuente-Blanco S, de Sarabia ERF, Acosta-Aparicio VM, Blanco-Blanco A, Gallego-Juarez JA. Food drying process by power ultrasound. Ultrasonics. 2006;44:E523-E527. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultras.2006.05.181.
16. García-Perez JV, Bon J, Carcel JA, Mulet A, Gallego-Juarez JA, Acosta VM, et al. Secado convectivo de alimentos asistido por ultrasonidos de potencia [Convective drying of food assisted by power ultrasound]. 44° Congreso Español de acústicaencuentro [44th Spanish Congress of Acoustics Encounter]; 2013; Valladolid. Valladolid; 2013. p. 1585-1591. (In Spanish).
17. Bennaceur S, Bennamoun L, Mulet A, Draoui B, Carcel JA. Effect of ultrasound on drying kinetics of El Henna leaves (Lawsonia inermis). IDS’2018: 21st International Drying Symposium; 2018; Valencia. Valencia: Polytechnic University of Valencia; 2018. p. 887-894. DOI: https://doi.org/10.4995/ids2018.2018.7530.
18. Yudin AV, Verboloz EI. Ehffektivnostʹ sushki kiprey-chaya s primeneniem ulʹtrazvuka [Efficiency of ultrasound drying of rosebay tea]. Alʹmanakh nauchnykh rabot molodykh uchenykh Universiteta ITMO: Materialy XLVI nauchnoy i uchebnometodicheskoy konferentsii [Almanac of scientific works of young scientists of ITMO University: Materials of the XLVI scientific and educational conference]; 2017; St. Petersburg. St. Petersburg: ITMO University; 2017. p. 332-335. (In Russ.).
19. Mieszczakowska-Frac M, Dyki B, Konopacka D. Effects of ultrasound on polyphenol retention in apples after the application of predrying treatments in liquid medium. Food and Bioprocess Technology. 2016;9(3):543-552. DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-015-1648-z.
20. Gamboa-Santos J, Montilla A, Soria AC, Carcel JA, Garcia-Perez JV, Villamiel M. Impact of power ultrasound on chemical and physicochemical quality indicators of strawberries dried by convection. Food Chemistry. 2014;161:40-46. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2014.03.106.
