Ультразвуковая кавитация как фактор интенсификации процессов восстановления сухого молока

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Оренбургский государственный университет

Ультразвуковая кавитация как фактор интенсификации процессов восстановления сухого молока

Сейдалиева Т.А.

Межуева Л.В., д.т.н., профессор

На сегодняшний день молочная промышленность является одной из наиболее значимых отраслей хозяйства, динамика развития которой зависит от степени минимизации проблем. В связи с необходимостью ежедневного присутствия молочной продукции в рационе питания человека вопросы создания требуемых резервов молочного сырья и разработка ресурсосберегающих технологий его восстановления приобретают безусловную значимость.

Разработка принципиально новых технологий, нацеленных на глубокую ресурсосберегающую переработку сырья, включает различные направления, среди которых выделены ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, электроконтактный нагрев, обработка в электростатическом поле. Сегодня методы ультразвукового воздействия определены мировым научным сообществом как особенно перспективная технология для пищевой промышленности в целом и молочной отрасли в частности, позволяющие создать экологически безопасные производства.

Использование ультразвука в пищевом производстве активно изучается Акуличевым В.А., Галстяном А.Г., Дежкуновым Н.В., Игнатенко П.В., Шестаковым С.Д., Красулей О.Н., Зениным С.В. и др. Вместес тем, обеспечение качества восстановленных продуктов, а также использование ультразвукового воздействия, как фактора интенсификации процессов восстановления сухого молока, в настоящее время изучено недостаточно.

Возможности кавитационного воздействия широко используются в различных процессах пищевых технологий, в частности:

- эмульгирование (за счет высокой скорости сдвига микропотоков);

- фильтрация (нарушение пограничного слоя);

- изменение вязкости;

- экструзия (механические вибрации, снижение трения);

- ферментная и микробная инактивация (высокая скорость сдвига, прямое кавитационное повреждение мембраны микробной клетки);

- ферментация (ускорение ферментных процессов);

- ускорение процессов теплопередачи [1, 2].

Цель внедрения ультразвуковой кавитации заключается в совершенствовании технологии восстановления продуктов переработки молока путем интенсификации данного процесса, для повышения качества восстановленных продуктов переработки молока и обеспечения их сохраняемости.

Ультразвуковое воздействие характеризуется наличием упругих колебаний и волн частотой выше 15-20 кГц, которые и определяют его специфические особенности в различных средах.

Важнейшим эффектом в ультразвуковом поле является кавитация, которая представляет собой возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Движение пузырьков в различных направлениях, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия и микропотоки, что способствует локальному нагреванию среды, возникновению ионизации. В результате указанных эффектов происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел, жидкость перемешивается, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Степень и глубина кавитационных процессов определяются условиями ультразвукового воздействия.

Многие инициируемые ультразвуком полезные реакции в растворах пищевых систем, по мнению австралийского специалиста в области пищевой химии, изучающей взаимодействие мощных акустических волн и возникающие при этом химические и физико-химические эффекты, Ашокумара, базируются на том, что эффекты кавитации вызывают изменения функционально-технологических свойств жидких пищевых систем (химических, технологических, физических, органолептических), что способствует достижению определенного технологического эффекта. Технология такой водоподготовки может быть реализована в производстве молочных продуктов из восстановленного молочного сырья, а также в производстве молочных, составных и молокосодержащих продуктов [3].

Доказано, что механические и химические эффекты, генерируемые низкочастотным ультразвуком высокой интенсивности, могут быть полезны для инактивации патогенных микроорганизмов в пищевых продуктах и находят применение в процессах пастеризации и стерилизации жидких пищевых продуктов [4].

В целях установления влияния ультразвуковой кавитации на качество продуктов переработки молока объектами исследования были выбраны молочные продукты, полученные на основе восстановленного молочного сырья. кавитационный ультразвуковой восстановленный сухой молоко

Основным требованием к восстановленной продукции переработки молока является соответствие требованиям нормативных документов при условии обеспечения показателей пищевой ценности, приближенным к параметрам цельного продукта. По данным Н.Н. Липатова, К.И. Тарасова существенного различия в количественном содержании белка, жира и лактозы в молочных продуктах, полученных из восстановленного и цельного молока, не наблюдается. Различия в содержании белка и лактозы могут объясняться лишь неполным восстановлением сухого молочного остатка, а также потерями при пастеризации и сгущении в производстве сухого молока. По минеральному составу продукты из сухого молока могут даже превосходить продукты из цельного молока вследствие возможности перехода их из воды, используемой для восстановления [4].

В качестве акустического источника упругих колебаний применен реактор кавитационный ультразвуковой, производительность которого составляет 0,36 м³/ч, что полностью удовлетворяет промышленные потребности предприятий с небольшими объемами переработки.

Реализуемый установкой метод обработки основан на использовании явления акустической кавитации, которое порождается упругими гармоническими колебаниями ультразвукового диапазона частоты, распространяемыми в жидкости источником ультразвука.

Ультразвуковую водоподготовку осуществляли при мощности 45%, 60%, 80% от паспортной мощности кавитационного реактора (1000 Вт) и температуре воды (20 ± 2), (40 ± 2) и (50 ± 2)°С.

В ходе работы было установлено, что индекс растворимости сухого молока и смесей, восстановленных на подготовленной воде, был на 0,1-0,2 см³ меньше контроля, что свидетельствует о более полном растворении сухих веществ.

Эффективность процесса восстановления сухого молока, включающего стадии смачивания частиц и их растворения, характеризуется показателями относительной скорости растворения и индекса растворимости. Предварительная обработка воды способствует повышению интенсивности восстановления экспериментальных образцов по сравнению с контрольными образцами (рис. 1). Так, на растворение сухого молока и сухих смесей в обработанной воде было затрачено от 3,0 до 6,0 мин в зависимости от вида восстанавливаемого сырья, а в контрольной воде - от 4,5 до 8,0 мин [5].

Рисунок 1 - Интенсивность растворения сухих молочных продуктов в зависимости от способа водоподготовки, мин

Важным фактором, позволяющим обеспечить положительный результат, является выбор правильной точки для приложения воздействия. Исследование в части возможности модификации технологии восстановления сухого обезжиренного молока включением ультразвуковой обработки на этапах подготовки воды, обработки механической смеси воды и сухого обезжиренного молока, а также двухэтапной обработки ультразвуком показало:

- увеличение относительной скорости растворения (на 17,6 - 39,8% по отношению к контролю);

- снижение индекса растворимости (на 37,5-75%).

Более полное восстановление сухого молока отмечено в продукте, прошедшем двухэтапную ультразвуковую обработку, а также в образце, подвергнутом ультразвуковой обработке на этапе совмещения сухого обезжиренного молока и воды.

Кроме того, достижение требуемой плотности восстановленных молочных продуктов было достигнуто за более короткий срок - 1-1,5 часа (по традиционной технологии время восстановления составляет 3-4 часа). Таким образом, под воздействием ультразвука наблюдается интенсификация процессов восстановления сухого молока [6].

В образцах восстановленного сырья с использованием ультразвуковой водоподготовки отмечено незначительное повышение массовой доли сухих веществ, в том числе белка, а также показателей плотности и динамической вязкости.

Так, под влиянием ультразвуковой кавитации увеличивается доля частиц с размерами в диапазоне 202-243 нм, в то время как контрольный образец характеризуется преобладанием частиц двух размерных фракций, а именно частиц размером (409 ± 10) нм и (174 ± 10) нм.

При двухэтапной обработке наблюдается максимальное дробление частиц, выявлено значительное количество частицы в размерном ряду (202 ± 30) нм.

Рядом учёных доказано, что под воздействием ультразвукового капиллярного эффекта происходит более интенсивное проникновение воды-растворителя в вещества белковой природы, составляющие значительную долю сухого продукта, что приводит к их более полному и краткосрочному набуханию, способствующему снижению индекса растворимости [4].

Исследование структурно-механических характеристик показало положительное изменение динамической вязкости и влагоудерживающей способности молочного сгустка в образцах, выработанных с использованием метода акустической кавитации, что можно считать косвенным признаком увеличения степени гидратируемости белка.

Сухие молочные продукты имеют высокую обсеменность, что объясняется кратковременностью нагрева и невысокой температурой при сушке. В них сохраняются все виды споровых микроорганизмов, термоустойчивые неспоровые виды микрококков, стрептококков, некоторые молочнокислые бактерии, а также споры мицелиальных грибов, которые могут вызывать их порчу - прокисание, плесневение даже при значительном увлажнении, а впоследствии передаваться в виде пороков в продукты переработки.

Экспериментально подтверждено, что кавитационная обработка обладает определенным инактивирующим действием на микроорганизмы. Причем на снижение популяции мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) и плесневых грибов оказывали влияние, как мощность воздействия, так и температура обрабатываемой ультразвуком воды (рис. 2).

Установлено, что практически полная инактивация микроорганизмов наблюдалась при обработке, когда мощность установки составляла 80% от паспортной мощности кавитационной обработки и температуре (50 ± 2)°С.

Аналогичные результаты были получены при ультразвуковой обработке цельного коровьего молока, максимальный бактериостатический эффект наблюдался при 100 и 80% мощности от паспортной. Следует отметить, что бактерии групп кишечной палочки отсутствовали во всех исследуемых образцах воды, обработанной в реакторе.

Рисунок 2 - Зависимость общего числа микроорганизмов от параметров кавитационного воздействия

Полученные результаты согласуются с литературными данными и позволяют предположить, что эффекты кавитации при ультразвуковой обработке водной системы продукта приводят к повреждению молекулярных структур клеток и клеточных мембран, что, в свою очередь, обусловливает морфологические изменения и деструкцию клеток с частичной или полной потерей жизнеспособности микроорганизмов.

На основании проведенных исследований предложена усовершенствованная технология производства восстановленных продуктов переработки молока путем осуществления на этапе восстановления ультразвукового воздействия, способствующего эффективному переходу биологически важных компонентов из сырья в дисперсную систему продукта, увеличению выхода готовой продукции с единицы перерабатываемого сырья и обеспечению качества.

Список литературы

1. Попова, Н.В. Обеспечение качества восстановленных продуктов переработки молока и интенсификация их производства на основе ультразвукового воздействия: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Н.В. Попова. - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2014. - 166 с.

2. Артемова, Я.А. Ультразвуковая сонохимическая водоподготовка / Я.А. Артемова, О.Н. Красуля, Н.А. Тихомирова, С.Д. Шестаков // Молочная промышленность. - 2011. -№5. - С. 39-42.

3. Тихомиров, Н.А. Применение кавитационной обработки в производстве белковых молочных продуктов / Н.А. Тихомиров, З.В. Волокитина, Ж.Л. Гучок, И.И. Ионова // Переработка молока. - 2011. - №17. - С. 21-16.

4. Красуля, О.Н. Инновационные подходы в технологии молочных продуктов на основе эффектов кавитации / О.Н. Красуля, И.Ю. Потороко, О.В. Кочубей-Литвиненко, А.К. Мухаметдинова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». - 2015. №2. С. 55-63.

5. Пат. 2529361 Российская Федерация, МПК A 23 C 9/16. Способ производства молочного продукта / Потороко И.Ю., Попова Н.В., Ботвинникова В.В., Красуля О.Н.; заявитель и патентообладатель Челябинск. гос. ун-т. - №2013124181/10; заявл. 27.05.13; опубл. 27.09.14, Бюл. №27 (II ч.). - 3 с.

6. Пат. 2329650 Российская Федерация, МПК A 23 C 9/00, A 23 C 9/18, A 23 L 3/54. Способ восстановления сухого молока / Шестаков С.Д.; заявитель и патентообладатель Шестаков С.Д. - №2007114437/13; заявл. 16.04.07; опубл. 27.07.08, Бюл. №21(II ч.). - 3 с.

Размещено на allbest.ru