Вакуумная сушка биологических объектов: принципы, технологии и качество продукции

Аннотация:

Вакуумная сушка представляет собой одну из основных технологий обработки термо- и оксидативно-чувствительных биологических материалов, позволяющую удалять влагу при пониженных температурах за счет снижения давления в рабочей камере.

Настоящий обзор кратко систематизирует принципы, преимущества и ограничения метода, сравнивает его с альтернативными способами обезвоживания и анализирует влияние на базовые параметры качества (сохранность нутриентов, цвет, текстура). Уделено внимание современным гибридным технологиям, сочетающим вакуумную сушку с не-тепловыми предобработками, такими как импульсное электрическое поле (PEF) и ультразвук (US), что открывает пути для интенсификации процесса и улучшения потребительских свойств готовой продукции. На примере последних исследований показано, что сушка при пониженном давлении, особенно в комбинации с PEF-предобработкой, является перспективным методом для производства высококачественных сушеных продуктов, балансируя между скоростью процесса, энергозатратами и сохранностью биоактивных соединений.

От редактора:

Текст является адаптивным переводам нескольких статей, переработан для формата блога и не содержит доказательную часть и подробные объснения ряда технологий и понятий. Сублимационная сушка не входит в сферу интересов компании, поэтому, в данном обзоре не приводится. Для подробного изучения заинтересовавшей вас темы, в конце даны библиографические ссылки по каждой теме. Термины и опредления приведены в конце обзора.

Содержание

• 1. Введение
• 2. Физические основы и технологические аспекты вакуумной сушки
  • 2.1. Принцип работы и ключевые параметры
  • 2.2. Преимущества и ограничения технологии
• 3. Влияние вакуумной сушки на качество биологических объектов
  • 3.1. Сохранность биоактивных соединений
  • 3.2. Структурные, оптические и органолептические характеристики
• 4. Современные тенденции: интенсификация с помощью не-тепловых предобработок
  • 4.1. Интенсификация процесса
  • 4.2. Формирование микроструктуры
  • 4.3. Влияние на биоактивные соединения: компромисс между скоростью и качеством
• 5. Заключение и перспективы
• Библиографический список
• Термины и определения

1.Введение

Сушка является одним из древнейших и наиболее распространенных методов консервации биологического сырья растительного и животного происхождения [4]. Традиционные способы, такие как конвективная сушка горячим воздухом, часто приводят к значительной деградации термолабильных соединений (витаминов, антиоксидантов, эфирных масел), окислительным реакциям и необратимым изменениям структуры из-за длительного воздействия высоких температур и кислорода. Для высокочувствительных материалов, включая лекарственное растительное сырье, ферментные препараты, пробиотические культуры и функциональные пищевые ингредиенты, необходим щадящий подход.

Типовые конфигурации полочных вакуумных шкафов: СНВС-ПЭ-25-0,077/3,5-И2-П-Н и СНВС-ПЭ-90-0.7392/5-И2-П-Н.

Вакуумная сушка (ВС) — технология, при которой процесс удаления влаги происходит в условиях пониженного давления (вакуума). Основной физический принцип заключается в снижении температуры кипения воды: при давлении 4–10 кПа она снижается до 30–45°C [1]. Это позволяет проводить сушку при температурах на 40–60°C ниже, чем при атмосферном давлении, минимизируя тепловую деструкцию. Кроме того, отсутствие кислорода в рабочей камере резко замедляет окислительные процессы, что критически важно для сохранения цвета, аромата и биологической активности многих соединений.

Несмотря на очевидные технологические преимущества, широкое применение ВС исторически сдерживалось ее относительно высокой энергоемкостью, сложностью и стоимостью оборудования по сравнению с конвективными методами [1]. Однако, как показывают современные исследования, ее потенциал раскрывается в комбинации с не-тепловыми методами предобработки и для малосерийного производства продуктов с высокой добавленной стоимостью [3]. Кроме того, развитие гибридных технологий открывает пути для оптимизации энергозатрат и производительности [7].

Целью данного обзора является анализ современного состояния технологии вакуумной сушки применительно к биологическим объектам, оценка ее влияния на качественные показатели продукции и обзор перспективных направлений развития, связанных с комбинированием с другими физическими методами.

2. Физические основы и технологические аспекты вакуумной сушки

2.1. Принцип работы и ключевые параметры

Процесс ВС основан на создании и поддержании разрежения в герметичной камере с помощью вакуумных насосов. Тепловая энергия для испарения влаги подводится, как правило, кондуктивным способом через нагревательные плиты (полки). Основными управляемыми параметрами являются:

• Рабочее давление (обычно 1–30 кПа). Определяет температуру фазового перехода воды. Например, в работе Matys et al. [2] эффективная сушка яблочной ткани достигалась при давлении 4 кПа.
• Температура нагрева (обычно 40–70°C). Должна превышать температуру кипения воды при заданном давлении.
• Скорость и степень разрежения.

Важным феноменом, наблюдаемым на начальном этапе ВС, является эвапоративное охлаждение продукта: при резком снижении давления и интенсивном испарении поверхностной влаги температура образца может временно опускаться ниже температуры нагревательных элементов [1]. Этот эффект необходимо учитывать при моделировании кинетики процесса. В таких процессах рекомендуется использовать специализированные аппараты с компенсациее тепла — полочные вакуумные сушильные шкафы. Подробно и на конкретных примерах мы разбирали эту тему в предыдущей статье нашего блога.

2.2. Преимущества и ограничения технологии

Преимущества:

• Низкотемпературный режим, щадящий для термолабильных компонентов.
• Минимизация окислительной деградации благодаря отсутствию кислорода.
• Возможность сушки до экстремально низких значений конечной влажности.
• Более высокая скорость сушки по сравнению с атмосферной при равной температуре за счет увеличения движущей силы процесса — градиента давления пара.

Ограничения:

• Высокие капитальные и эксплуатационные затраты на создание и поддержание вакуума.
• Повышенная сложность оборудования.
• Относительно высокая энергоемкость.
• Плотная микроструктура: Как показано в исследовании Matys et al. [2], вакуумная сушка без предварительной обработки приводит к образованию относительно плотной и компактной структуры с малым количеством пор, что может ухудшать регидратационные свойства.

В практических условиях вакуумная сушка позволяет достигать конечной массовой влажности ниже 3–5% и значений активности воды aw < 0,3, что недостижимо для стандартной конвективной сушки без деградации качества

Для подбора оптимального вакуумного сушильного шкафа, учитывающего особенности вашего сырья, вам может потребоваться консультация наших инженеров.

3. Влияние вакуумной сушки на качество биологических объектов

3.1. Сохранность биоактивных соединений

Многочисленные исследования подтверждают, что ВС превосходит конвективные методы по сохранности витаминов, полифенолов и каротиноидов. Однако степень сохранения сильно зависит от параметров процесса и вида сырья.

• Термическая предобработка (бланширование), хотя и ускоряет сушку, приводит к значительным потерям. Например, в красном болгарском перце бланширование в воде перед сушкой снизило содержание витамина С на 38,4%, а в паре — на 24,5% [3].
• ВС как самостоятельный метод позволяет добиться лучших результатов. Так, в яблоках, высушенных вакуумным способом при 40°C, наблюдалось даже повышение измеряемого общего содержания фенолов (TPC) по сравнению со свежим материалом, что авторы [2] связывают с образованием меланоидинов — продуктов реакции Майяра, также обладающих антиоксидантной активностью.

3.2. Структурные, оптические и органолептические характеристики

• Цвет: ВС эффективно предотвращает ферментативное потемнение. Однако продукты могут демонстрировать неферментативное потемнение (браунинг). Исследование Krokida et al. [6] показало, что такая сушка может вызывать более выраженное потемнение по сравнению с лиофилизацией.
• Текстура и пористость: Как отмечалось выше, структура продукта после ВС плотная. Варьирование температуры сушки существенно влияет на процесс: повышение температуры с 40°C до 70°C сократило время сушки яблок более чем в два раза [2].
• Содержание сахаров: Процесс сушки, особенно в комбинации с предобработками, проводимыми в водной среде (PEF, US), может приводить к выщелачиванию водорастворимых веществ, включая сахара. В красном перце гибридная обработка PEF+US снизила содержание общих сахаров в высушенном продукте до 30% от исходного [3].

4. Современные тенденции: интенсификация с помощью не-тепловых предобработок

Чистая ВС служит основой для множества комбинированных подходов, направленных на преодоление ее ограничений, главным образом — на интенсификацию процесса и улучшение микроструктуры. Наиболее изученными и перспективными являются методы импульсного электрического поля (PEF) и ультразвука (US).

4.1. Интенсификация процесса

Оба метода за счет повреждения клеточных структур (электропорация — PEF, кавитация и «губчатый эффект» — US) значительно повышают скорость последующей сушки.

• PEF-предобработка яблок перед вакуумной сушкой сократила время процесса на 6–22% в зависимости от подведенной энергии (1-6 кДж/кг) и температуры сушки [2].
• В случае с красным перцем PEF, US и их комбинации перед сушкой сократили время процесса на 29–70% по сравнению с необработанным контролем, причем наилучший результат (сокращение на 70%) показала комбинация PEF+US [3].

4.2. Формирование микроструктуры

Предобработки кардинально меняют структуру высушенного продукта.

• PEF приводит к увеличению пористости высушенного материала. В яблоках, обработанных PEF с энергией 6 кДж/кг, наблюдалась более пористая структура по сравнению с контролем [2].
• В красном перце PEF-предобработка ингибировала усадку ткани [3], способствуя получению продукта с лучшей текстурой.

4.3. Влияние на биоактивные соединения: компромисс между скоростью и качеством

• PEF-предобработка может иметь двойной эффект. С одной стороны, сокращая время теплового воздействия, она способствует сохранению соединений. С другой, повреждая клетки, может вызывать утечку и активацию ферментов. В яблоках PEF-помощью вакуумной сушки привела к снижению TPC на 12–40% и антиоксидантной активности на 23–81% по сравнению с сушкой без предобработки [2]. Однако оптимальная мягкая комбинация (PEF 1 кДж/кг + сушка при 40°C) позволила сохранить уровень фенолов и антиоксидантной активности на уровне контрольного образца.
• В красном перце не-тепловые предобработки (PEF, US) позволили сохранить значительно больше витамина С, фенолов и каротиноидов по сравнению с традиционным бланшированием, несмотря на некоторое снижение относительно необработанного контроля [3].

5. Заключение и перспективы

Вакуумная сушка остается важным инструментом для переработки высокочувствительных биологических объектов. Ее ключевые преимущества — низкотемпературный режим и отсутствие окисления — обеспечивают сохранность ценных компонентов, недостижимую при конвективной сушке.

На основании анализа современных исследований можно выделить следующие четкие тенденции и перспективы:

• 1. Сдвиг от чистой вакуумной сушки к гибридным процессам. Наиболее эффективным путем является ее комбинация с не-тепловыми физическими методами (PEF, US). Эти предобработки позволяют преодолеть главный недостаток ВС — длительность процесса, сокращая его на 20-70%, и улучшить микроструктуру продукта [2, 3, 7].
• 2. Необходимость тонкой оптимизации параметров. Эффект предобработок нелинеен. Существует оптимум удельной энергии (для PEF часто около 1 кДж/кг), превышение которого не дает выигрыша в скорости, но может ухудшить сохранность биоактивных веществ из-за «переобработки» и активации ферментов [2].
• 3. Качество как результат баланса. Гибридные технологии предлагают стратегический компромисс: значительное ускорение процесса при умеренном, контролируемом и часто приемлемом снижении содержания некоторых биоактивных соединений по сравнению с эталоном (лиофилизацией), но с кардинальным выигрышем по сравнению с термическими методами.
• 4. Перспективные направления. Дальнейшие исследования и разработки должны быть сосредоточены на:

• -Поиске оптимальных режимов PEF/US-предобработки для конкретных видов сырья.

• -Изучении синергетических эффектов при комбинации PEF и US в разной последовательности.

• -Разработке энергетически и экономически эффективных решений для масштабирования гибридных установок «PEF/US + вакуумная сушилка».

ВС сохраняет свою актуальность и открывает новые возможности для создания высококачественных сушеных биопродуктов с улучшенными потребительскими свойствами.

На практике, решения для таких процессов подбираются аккуратно и индивидуально. Обратитесь за консультацей и вам помогут в выборе нужного оборудования.

---

Материал подготовил и адаптировал для компании «ТУЛА-ТЕРМ»: Валенцев А.А

---

Библиографический список

1.Bazyma L.A., Kutovoy V.A. Vacuum drying and hybrid technologies // Stewart Postharvest Review. 2005. Vol. 1, No. 4. P. 1-7.

• Классический обзор, систематизирующий принципы вакуумной сушки и ранние гибридные технологии. Задает общий контекст.

2.Matys A., Witrowa-Rajchert D., Parniakov O., Wiktor A. Application of pulsed electric field prior to vacuum drying: Effect on drying time and quality of apple tissue // Research in Agricultural Engineering. 2022. Vol. 68, No. 2. P. 93-101.

• Cовременное исследование по комбинации PEF и вакуумной сушки. Содержит конкретные данные по сокращению времени сушки (6-22%) и влиянию на пористость и биоактивные вещества.

3.Rybak K., Wiktor A., Witrowa-Rajchert D., Parniakov O., Nowacka M. The Quality of Red Bell Pepper Subjected to Freeze-Drying Preceded by Traditional and Novel Pretreatment // Foods. 2021. Vol. 10, No. 2. P. 226.

• Работа, демонстрирующая преимущества не-тепловых предобработок (PEF, УЗИ) перед термическими (бланширование) для сохранения витамина С, фенолов и каротиноидов. Хотя объектом была лиофилизация, выводы о предобработках релевантны.

4.Van Arsdel W.B., Copley M.J., Morgan A.I. (Eds). Food Dehydration. Westport, CN: Avi Publishing Company; 1973.

• Фундаментальный труд, считающийся классикой в технологии сушки пищевых продуктов.

5.Kudra T., Mujumdar A.S. Advanced Drying Technologies. New York: Marcel Dekker Inc.; 2001.

• Одна из самых цитируемых монографий в области. Содержит исчерпывающую классификацию и описание перспективных методов сушки, включая гибридные.

6.Krokida M.K., Maroulis Z.B., Saravacos G.D. The effect of method of drying on the colour of dehydrated product // International Journal of Food Science and Technology. 2001. Vol. 36. P. 53–59.

• Экспериментальное исследование, напрямую сравнивающее влияние различных методов сушки (конвективная, вакуумная, микроволновая, лиофильная) на цвет продуктов.

7.Chou S.K., Chua K.J. New hybrid drying technologies for heat sensitive foodstuffs // Trends in Food Science & Technology. 2001. Vol. 12. P. 359–369.

• Знаковый обзор, в котором была сформулирована и систематизирована концепция гибридных сушильных технологий для термочувствичных материалов. Задает теоретическую базу для раздела о современных тенденциях.

8.Mongpraneet S., Abe T., Tsurusaki T. Accelerated drying of welsh onion by far infrared radiation under vacuum conditions // Journal of Food Engineering. 2005. Vol. 55(2). P. 147–156.

• Пример успешной комбинации вакуумной сушки с альтернативным способом нагрева — дальним инфракрасным излучением, показывающий синергетический эффект для ускорения процесса.

9.Преимущества вакуумной сушки с контролируемым подводом тепла.  

• Виды вакуумной сушки и методы по повышению эффективности. Плюсы и минусы каждой технологии и в каких условиях допустимо применение каждой из них. Статья в данном блоге. Читать подробнее.

---

Термины и определения по теме

1.Вакуумная сушка (Vacuum Drying)

Определение: Технологический процесс удаления влаги из материала, проводимый в условиях пониженного давления (вакуума) в герметичной камере. Главный принцип — снижение температуры кипения воды, что позволяет осуществлять сушку при низких температурах, минимизируя термическую деградацию и окисление продукта.

Контекст/Источник: «Вакуумная сушка — метод для материалов, которые могут быть повреждены или изменены под воздействием высоких температур. Вакуум удаляет влагу, предотвращая окисление. Сушка при пониженном давлении понижает точку кипения и обеспечивает большую разность температур между нагревательной средой и продуктом» (Bazyma, Kutovoy, 2005). «Процессы вакуумной сушки можно рассматривать в соответствии с физическими условиями, используемыми для подвода тепла и удаления водяного пара» (Bazyma, Kutovoy, 2005).

2.Импульсное электрическое поле (Pulsed Electric Field, PEF)

Определение: Не-тепловой метод обработки, основанный на воздействии на биологическую ткань короткими импульсами высокого напряжения. Основной механизм — электропорация.

Контекст/Источник: «Основной механизм PEF основан на мягком вскрытии клеточной мембраны в результате электропорации, т.е. формирования необратимых или обратимых пор в клеточной мембране... Импульсное электрическое поле вызывает увеличение проницаемости клеточной мембраны» (Matys et al., 2022). «PEF влияет на проницаемость клеточных мембран благодаря явлению электропорации, вызванному применением очень коротких электрических импульсов высокого напряжения» (Rybak et al., 2021).

3.Электропорация (Electroporation)

Определение: Ключевое физическое явление при PEF-обработке, заключающееся в образовании пор (каналов) в липидном бислое клеточных мембран под действием внешнего электрического поля, что приводит к повышению их проницаемости.

Контекст/Источник: «Вследствие электропорации, структура материала разрушается, что приводит к увеличению подвижности воды и облегчает её удаление во время сушки» (Matys et al., 2022). «Эффект применения PEF — разрыв клеточной структуры и потеря целостности клеточной мембраны» (Rybak et al., 2021).

4.Индекс дезинтеграции клеток (Cell Disintegration Index, CDI)

Определение: Количественный показатель степени повреждения клеточных мембран в ткани, рассчитанный на основе измерения её электрической проводимости до и после обработки. Значение CDI = 0 соответствует интактной ткани, CDI = 1 — полностью разрушенной.

Контекст/Источник: «Индекс дезинтеграции клеток указывает на повреждение клеток и находится в диапазоне от нуля до единицы. Ноль означает интактную ткань, а единица — максимально разрушенный материал» (Matys et al., 2022). «CDI был рассчитан... где σ — проводимость ткани после применения импульсного электрического поля, σᵢ — проводимость интактной ткани, σd — проводимость максимально разрушенной ткани» (Matys et al., 2022).

5.Ультразвуковая обработка (Ultrasound Treatment, US)

Определение: Метод предобработки, использующий акустические волны высокой частоты (обычно >20 кГц). Основные эффекты в ткани — кавитация и «губчатый эффект» (sponge effect).

Контекст/Источник: «Для US-обработки используется ультразвук высокой мощности, где можно выделить два основных явления: "губчатый эффект" и кавитационный эффект... Кавитация приводит к созданию, увеличению и последующему схлопыванию газовых пузырьков» (Rybak et al., 2021). «Эти явления и процессы сонификации приводят к модификации структуры растительной ткани... вызывая интенсификацию процессов, основанных на массо- или теплообмене» (Rybak et al., 2021).

6.Гибридная (комбинированная) обработка/сушка (Hybrid/Combined Treatment/Drying)

Определение: Последовательное или одновременное применение двух или более различных технологических методов (например, PEF + US, осмос + ВС, воздушная сушка + микроволново-ВС) для достижения синергетического эффекта в интенсификации процесса и улучшения качества продукта.

Контекст/Источник: «Гибридные технологии сушки становятся более распространенными, поскольку комбинированная технология получает преимущества каждого отдельного процесса... Комбинированные системы сушки были протестированы... Количество возможных комбинаций огромно» (Bazyma, Kutovoy, 2005). «В последнее время гибридные методы часто применяются для сушки... Гибридный метод очень часто объединяет несколько предварительных обработок в определенной последовательности с одним или несколькими последующими процессами сушки» (Rybak et al., 2021).

7.Коэффициент влажности (Moisture Ratio, MR)

Определение: Безразмерный параметр, характеризующий текущее состояние влажности материала в процессе сушки. Определяется как отношение текущего влагосодержания к начальному.

Контекст/Источник: «Сушка проводилась до достижения постоянной массы материалом... Влажностное отношение (MR) рассчитывалось по уравнению: MR = u_τ / u₀, где u₀ — начальное влагосодержание, а u_τ — влагосодержание в момент времени τ сушки» (Rybak et al., 2021). «MR (коэффициент влажности) рассчитывался... где M_t — содержание воды в образцах во время сушки, M₀ — начальное содержание воды в образцах» (Matys et al., 2022).

8.Пористость (Porosity)

Определение: Структурная характеристика высушенного материала, представляющая собой долю объёма пор (пустот) в общем объёме образца. Выражается в процентах. Влияет на текстуру, хрупкость и регидратационную способность продукта.

Контекст/Источник: «Пористость лиофилизированного болгарского перца... рассчитывали по формуле: P [%] = (1 — ρ_d / ρ_s) * 100%» (Rybak et al., 2021). «Электропорация привела к получению пористых материалов после сушки, и при применении большего количества удельной энергии во время предварительной обработки PEF наблюдалась более высокая пористость в высушенных яблоках» (Matys et al., 2022).

9.Общее содержание фенолов (Total Phenolic Content, TPC)

Определение: Количественный показатель, отражающий суммарную концентрацию фенольных соединений (природных антиоксидантов) в материале. Определяется колориметрическим методом с реактивом Фолина-Чокальтеу и выражается в эквивалентах галловой кислоты (GAE).

Контекст/Источник: «Общее содержание фенолов (TPC) в полученных сушеных яблоках определяли по методу Фолина-Чокальтеу... Результаты выражали в мг галловой кислоты на 100 г сухого вещества» (Matys et al., 2022). «TPC... рассчитывали как эквивалент галловой кислоты (мг GAE/100 г сухого вещества)» (Rybak et al., 2021).

10.Антиоксидантная активность (Antioxidant Activity)

Определение: Способность вещества ингибировать окисление других молекул. В исследованиях сушки часто оценивается по способности экстракта улавливать стабильные свободные радикалы, такие как DPPH• или ABTS•⁺. Выражается через коэффициент EC₅₀ (концентрация экстракта, необходимая для подавления 50% радикалов).

Контекст/Источник: «Антиоксидантную активность... определяли, оценивая степень улавливания синтетического радикала DPPH•... Результаты выражены в виде коэффициента EC₅₀ (концентрация экстракта, необходимая для 50% снижения исходного количества радикалов DPPH•)» (Matys et al., 2022). «Способность инактивировать свободные радикалы определяли, реагируя с... радикалом DPPH• и катион-радикалом ABTS•⁺. Результаты выражены как эффективная концентрация образца, которая может снизить концентрацию DPPH• или ABTS•⁺ на 50%» (Rybak et al., 2021).