CC BY
28УДК 1
Стремин А.А.
Российский биотехнологический университет (г. Москва, Россия)
Федоренко Б.Н.
Российский биотехнологический университет (г. Москва, Россия)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ УСКОРЕНИЯ ЭКСТРАКЦИИ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Аннотация: в статье рассмотрено текущее состояние использования ультразвука в пищевой промышленности, влияние ультразвуковой обработки на экстрагируемый продукт, а также проиллюстрированы виды реакций, возникающих при ультразвуковой обработке сырья.
Ключевые слова: производство, экстракция, кавитация, ультразвуковая обработка, пищевая промышленность, обработка.
Экстракторы (экстракционные устройства) используются для извлечения полезных веществ из растительного (или органического) сырья путем экстракции растворителями.
В пищевой промышленности ультразвук используется для стерилизации и очистки, пастеризации и дезинфекции. Ультразвуковые колебания улучшают качество продуктов питания и технологических процессов их производства.
Используя экстракционное оборудование, можно многократно сократить время экстракции, что повышает выход продукта (увеличивается содержание экстрагированных веществ) и одновременно повышает выход активных веществ. Ультрафильтрация сырья является перспективным методом. Ультразвуковые
волны - это волны с частотой от 16-20 Гц до 108 кГц. Почти все растительные БАВ могут быть извлечены с помощью ультразвука.
При обработке жидкостей ультразвуком высокой интенсивности звуковые волны, распространяющиеся через жидкость, вызывают чередование циклов высокого давления (сжатия) и низкого давления (декомпрессии), скорость которых зависит от частоты. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки или полости. Когда пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они взрываются с силой во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией. В процессе разрыва в некоторых областях достигаются очень высокие температуры (около 5 000 К) и давления (около 2 000 атм). При взрыве кавитационного пузырька также образуются струи жидкости со скоростью до 280 м/с. Возникающие при этом сдвиговые силы растворяют пузырек. Возникающие при этом сдвиговые силы механически дезинтегрируют клетку и способствуют переносу материала. Ультразвук может оказывать как разрушительное, так и конструктивное воздействие на клетки, в зависимости от параметров используемой ультразвуковой терапии.
Кавитация - это образование пульсирующих пузырьков (полостей) в жидкости, наполненной парами, газами или их смесью. Во время фаз трения в ультразвуковой среде образуются кавитационные пузырьки. Когда они пересекают область повышенного давления, они быстро разрушаются, вызывая сильные гидродинамические возмущения в жидкости и интенсивное излучение звуковых волн, что приводит к разрушению твердых клеток, взаимодействующих с жидкостью. Это увеличивает скорость и количество высвобождения BAS в конечном растворе. В результате возникают кавитационные явления, как показано на рисунке 1.
Использование эффекта кавитации в перерабатывающей и пищевой промышленности, несомненно, является эффективным способом значительно
сократить, а в некоторых случаях и исключить использование химических добавок в продуктах питания. Использование физического воздействия считается более эффективным и безопасным, чем применение традиционных химических веществ. Вода, активированная кавитацией, легко связывается с эмульсиями, где она гидролизует жиры с образованием ди- и моноглицеридов, которые являются естественными загустителями. В мясной промышленности гидратация белка повышает урожайность без использования фосфатов, а вода связывается на молекулярном уровне. Одним из положительных аспектов ультразвуковой обработки является бактерицидный эффект, возникающий в процессе очистки воды. Например, обеззараживание воды путем пастеризации требует больших затрат энергии, так как кинетическая энергия должна быть передана массе микроорганизмов, распределенных по всему объему воды, что требует нагрева всего объема и больших затрат энергии. Для достижения того же эффекта, что и при ультразвуковом лечении, достаточно нескольких циклов воздействия жидкости. Ультразвук изменяет форму микроорганизмов и воды, разрушая их мембраны. Газы, выделяемые микроорганизмами, расширяются и взрываются. Эти преимущества делают ультразвук
Для экстракции используются высокоэнергетические и высокоинтенсивные ультразвуковые волны, улучшающие процессы сопряжения в 10-1000 раз и увеличивающие выход желаемых продуктов. ведущим методом в пищевой промышленности.
В целом, ультразвук может сделать клеточные мембраны проницаемыми для ионов и значительно снизить селективность клеточных мембран. Механическая активность ультразвука способствует диффузии растворителей в ткани. Поскольку ультразвук механически разрушает клеточную стенку за счет кавитационных сдвиговых сил, он облегчает массоперенос из клетки в растворитель. Уменьшение размера частиц с помощью ультразвуковой кавитации увеличивает границу раздела твердое тело-жидкость.
Колеблющиеся пузырьки Захлопывающиеся пузырьки Изменения плотности среды
11
Волны давления Ударные волны Перепады акустического давления в среде
Быстрые мнкропотоки и общие течения
г
Механохимические реакции:
1 .Люминесценция, 2.эрозия,
3.активные радикалы.
4.диссоциирование молекул.
Звукохимические реакции:
1.Реакции в парогазовой среде пузырька,
2.диффузия в жидкость,
3.реакция в жидкости.
Появление новых веществ: 1 .Надперикиси,
2.ионы азотной кислоты,
3.активные формы кислорода,
4.свободные электроны.
X
Реакции с разрывом химических связей: I .Изменение ориентации молекул,
2.изменение свойств молекул,
3.разрыв молекул.
Рисунок 1 - Эффекты кавитации.
В результате нарушения клеточных структур при интенсивной ультразвуковой обработке из клеток или внутриклеточных органоидов могут высвобождаться ферменты или белки. В этом случае растворимое в растворителе соединение заключено в нерастворимую структуру. Чтобы удалить его, необходимо разрушить клеточную мембрану. Разрушение клеток - сложный процесс, обусловленный способностью клеточных стенок выдерживать высокое внутреннее осмотическое давление. Лизис клеток должен хорошо контролироваться, чтобы избежать непрерывного высвобождения внутриклеточного детрита и любых внутриклеточных продуктов, включая нуклеиновые кислоты или продукты денатурации. Ультразвуковая терапия является хорошо контролируемым средством разрушения клеток. В то же время
механическое воздействие ультразвука обеспечивает более быстрое и полное проникновение растворителя в клеточный материал и улучшает массоперенос. Ультразвук обеспечивает более глубокое проникновение растворителя в ткани растений и улучшает массоперенос. Вызывающие кавитацию ультразвуковые волны разрушают стенки клеток и способствуют высвобождению компонентов матрикса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Ультразвуковые лабораторные устройства и промышленные установки URL: http://www.ultrazvuc.ru/processe/processes area id/1/processes id/6/ (Дата обращения: 27.11.2022)
2. Акустические ультразвуковые системы — ДЖЕНЕРУС URL: http://generussystem.ru/primenenie-ultrazvuka-v-pishchevoj-promyshlennosti/ (Дата обращения: 27.11.2022)
3. Применение ультразвуковой кавитации в пищевой промышленности URL: https://interactive-science.media/ru/article/18916/discussion platform/ (Дата обращения: 27.11.2022)
4. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции / С.Д. Шестаков. - М: ЕВА-пресс, 2001.
5. Розенберг Л.Д. Физические основы ультразвуковой технологии» / Под ред. Л.Д. Розенберга. - М.: Наука, 1969. - 689 с.
6. Шестаков С.Д. Технология и оборудование для обработки пищевых сред с использованием кавитационной дезинтеграции»: Учебное пособие для вузов / С.Д. Шестаков, О.Н. Красуля, В.И. Богуш [и др.]. - СПб.: ГИОРД, 2013. - 152 с.
Stremin A.A.
Russian Biotechnological University (Moscow, Russia)
Fedorenko B.N.
Russian Biotechnological University (Moscow, Russia)
USING ULTRASOUND TO ACCELERATE EXTRACTIONS IN THE FOOD INDUSTRY
Abstract: the article discusses the current state of ultrasound use in the food industry, the effect of ultrasonic treatment on the extracted product, and also illustrates the types of reactions that occur during ultrasonic processing of raw materials.
Keywords: production, extraction, cavitation, ultrasonic processing, food industry, processing.
