CC BY
168К ВОПРОСУ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УЛЬТРАЗВУКА В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ULTRASOUND IN THE FOOD INDUSTRY
М.М. ЧЕРЕМНЫХ, аспирант
Л.А. ДОНСКОВА, канд. с.-х. наук, доцент
Уральский государственный экономический университет
M.M. CHEREMNYKH, postgraduate student
L.A. DONSKOVA, Cand. of agricult. sci., Ass. professor
Ural State University of Economics
Аннотация
В статье сформулированы основные сферы применения ультразвука в области пищевой промышленности. Раскрыты особенности свойств ультразвуковых частот, влияющие на широкий охват его применения. Обозначено новое перспективное направление исследования применения ультразвука.
Abstract
The paper defines the main areas of application of ultrasound in the food industry. The properties of ultrasonic frequencies that affect the broad scope of its application are featured. The authors marked a new promising area of research the use of ultrasound.
Ключевые слова: ультразвук, ультразвуковые технологии, ультразвуковые установки, пищевая промышленность, применение ультразвука.
Key words: ultrasound, ultrasound technology, ultrasonic devices, food processing, the application of ultrasound.
Ультразвук представляет собой упругие колебания и волны, частота которых превышает 15-20 кГц. Ультразвук, в зависимости от таких параметров, как длина волны и частота, обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения. В связи с этим область ультразвуковых частот подразделяется на следующие части: низкие частоты (1,5-104-105 Гц), средние (105-107 Гц) и высокие (107-
109 Гц) [1, 11].
Необходимо отметить, что распространение ультразвука в твердых телах имеет свои особенности - зависит оно от отражения и преломления звука на границах различных сред, дифракции и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах тел.
При этом скорость распространения ультразвуковых волн определяется характеристиками упругости и плотности среды. Уменьшение амплитуды волны приводит к изменению интенсивности ее распространения -затухает, рассеивается и поглощается. При значительной интенсивности волны, наоборот, возникают нелинейные эффекты - изменяется форма волн и возникает их взаимодействие.
Неоднозначность протекания процессов при акустических методах создает существенные трудности при выборе метода обработки.
Например, наличие кавитации1 при ультразвуковой обработке приводит к ряду процессов: эмульгирование, диспергирование и другие. При этом усиливаются нежелательные окислительно-восстановительные реакции, возникающие при контакте продукта с продуктами распада перекиси водорода, образующимися в зоне кавитации [11].
Так, в присутствии кислорода кавитация приводит к разрушению ферментов и к потере ими активности. При достаточной мощности ультразвука химически изменяются и разрушаются аминокислоты; возможен переход одних аминокислот в другие, например, серина в глицин. Крахмал деполимеризуется до декстринов, а при достаточно интенсивном и длительном озвучивании - до моносахаридов.
Как показывают научные исследования в этой области, влияние ультразвука (в зависимости от интенсивности) приводит к следующим процессам в структуре продукта:
- снижение концентрации микроорганизмов (например, параллельный процесс стерилизации молока);
- замедление действия ферментов;
- интенсификация биологически активных процессов;
- ускорение физико-химических процессов;
- получение новых видов продуктов с биологически активными свойствами;
- консервация ценных свойств компонентов растительного сырья [2,
4, 7].
Высокая эффективность ультразвуковых технологий в жидких средах обусловлена причинами, приведенными ниже
Условия ввода ультразвуковых колебаний из колебательных систем с
1 Под кавитацией понимают разрыв сплошности жидкости, сопровождаемый образованием мельчайших пузырьков, наполненных паром и газами, содержащимися в жидкости.
помощью металлических рабочих инструментов (генераторов) в жидкости наиболее благоприятны по сравнению с введением ультразвуковых колебаний, например, в газовые среды. Обусловлено это тем, что удельное волновое сопротивление жидких сред значительно (для воды в 3500 раз) больше, чем у газов и поэтому, большая мощность излучается из колебательной системы в жидкость при одинаковой амплитуде колебаний инструмента колебательной системы [7].
В жидкостях возникает и протекает специфический физический процесс - ультразвуковая кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия, как на сами жидкости, так и на твердые тела в жидкостях. Аналогичного по эффективности воздействия физического процесса нет в твердых телах и газовых средах.
Ультразвуковая кавитация порождает большое количество эффектов второго порядка, которые, в свою очередь, также обеспечивают интенсивное протекание технологических процессов.
Эти обстоятельства привели к тому, что ультразвуковое воздействие получило наиболее широкое распространение при реализации технологических процессов, связанных с жидким состоянием объектов обработки.
Многочисленные исследования в этой области показали, что применение высокоэнергетических колебаний, то есть ультразвуковых волн высокой интенсивности, приводит к следующим процессам:
- активное воздействие на вещества,
- изменение структуры вещества,
- изменение свойств вещества,
- многочисленные химические реакции [2, 6].
Понятие «ультразвук» имеет сегодня более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн.
С ультразвуком связаны не только области современной физики, информационной и измерительной техники, медицины и биологии, но и технологии производства пищевых продуктов.
Характерной особенностью ультразвука является многообразие его применений, охватывающих широкий частотный диапазон и большую область мощностей.
Широкое применение ультразвука связано с его физическими характеристиками и особенностями свойств. При этом его уникальность в большей степени определяется теми эффектами, которые происходят и протекают после его воздействия.
Ультразвуковые процессоры используются в пищевой промышленности для следующих операций [6, 10]:
- расщепления клеток;
- экстрагирования внутриклеточных компонентов и получения бесклеточных бактериальных ферментов;
- активизации (ускорения) реакции ферментов в жидкой пище;
- ускорения процесса ферментации;
- смешивания;
- гомогенизации;
- диспергирования сухого порошка в жидкости;
- распыления;
- дегазирования;
- контроля качества (в частности, в производстве напитков);
- деактивации ферментов;
- инактивации микробов (консервирования);
- кристаллизации;
- стимуляции живых клеток;
- усиленного окисления.
Из самых распространенных примеров ультразвуковой обработки сегодня можно назвать следующие технологические процессы [2, 4, 8]:
- обеззараживание воды,
- обработка зерна и семян перед посадкой для повышения интенсивности процесса прорастания;
- стерилизация молока - устранение вредной микрофлоры для увеличения срока хранения,
- гидрогенизация жиров, осветление растительных масел;
- получение сухого молока,
- дегазация соусов, напитков, шоколада - уменьшения количества пузырьков воздуха в их структуре,
- получение эмульсий для хлебопечения,
- обработка дрожжей для повышения их бродильных способностей,
- сушка продукта в процессе его производства, например, сахарного песка,
- выделение экстрактов жидкостей,
- декристаллизация меда,
- копчение продуктов,
- предварительная обработка мяса при изготовлении колбасных изделий и другие сферы применения.
Необходимо уточнить, что сферы применения в пищевой промышленности ультразвука не ограничиваются приведенными примерами.
Такое широкое распространение ультразвуковых методов обусловлено появлением новых средств излучения и приёма акустических волн. Такие средства обеспечивают возможность существенного увеличения не только излучаемой ультразвуковой мощности, но и чувствительности.
К достаточно новым способам использования ультразвука относится его применение для фиксации малейших изменений химического состава и физического состояния веществ и материалов. Так можно выделить ультразвуковую дефектоскопию, возможности которой значительно возросли в последнее время [9].
Специфические свойства ультразвука позволяют находить все новые сферы применения и разрабатывать новые направления научных исследований.
Самое значимое свойство, которое повышается при обработке продуктов ультразвуком - это сохранение их пищевой ценности и вкусовых свойств. Это означает, что повышаются свойства надежности и сохраняемости товаров.
Как одно из научных направлений для более подробного изучения можно обозначить исследование влияния ультразвука на структуру плодов и овощей.
На основании вышеизложенного можно сделать предположение, что обработка овощной продукции ультразвуковыми приборами перед закладкой на хранение, не только увеличит срок хранения, но и уменьшит естественные потери массы без потери основных функциональных свойств продукции.
Поэтому именно на базе уже сформированных результатов научных достижений целесообразно проводить и дальнейшие исследования в этой области.
При выборе метода обработки ультразвуком пищевых продуктов следует определять оптимальные его технические характеристики, в частности время обработки, количество циклов, частота, мощность и температура среды. В частности должен учитываться и вид продукта, а также цели его обработки.
Кроме того, необходимо подобрать и вид ультразвукового генератора. Основными техническими характеристиками аппаратов являются: мощность (Вт), интенсивность ультразвукового воздействия (Вт/см ), время непрерывной работы (мин.); габаритные размеры (см); производительность (м3/мин.).
Ультразвуковые аппараты имеют схожую конструкцию и общие принципы работы. Ультразвуковой аппарат состоит из следующих обязательных структурных элементов: источник питания, генератор ультразвука, устройство контроля и управления, колебательная система.
В процессе обработки энергия электрического тока преобразуется в энергию акустических колебаний, а затем и в энергию тока ультразвуковой частоты.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что в на сегодняшнем этапе развития сферы пищевой промышленности применение ультразвука очень разнообразно. Ультразвук применяют для разных целей при производстве пищевой продукции. Однако достаточно мало исследований использования ультразвука на этапе хранения.
Если рассматривать приведенный выше пример относительно овощной продукции боле подробно, то можно обозначить следующее - для обработки овощной продукции перед ее закладкой на хранение самым обос-
нованным предполагается использование специализированных потолочных аппаратов со следующими минимальными функциями - встроенный таймер, регулятор мощности, цифровой отображатель информации, принудительное охлаждение. После обработки ультразвуком овощей необходимо оценивать параметры свежести, лежкости, изменения пищевой ценности, компонентного состава, а также вкусовых свойств.
Библиографический список
1. ГОСТ 12.1.001-89 Система стандартов безопасности труда. Ультразвук. Общие требования безопасности.
2. Беззубов А.Д. Ультразвук и его применение в пищевой промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1964. 196 с.
3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Пищевая промышленность, 1956. 126 с.
4. Еренгалиев А.Е., Масленников С.Л. и др. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств.
5. Кудряшов В.Л., Сиверская А.Н. и др. Эффективность и проблемы применения ультразвука в технологических линиях пищевой промышленности // Труды научно-практической конференции «Технологические аспекты комплексной переработки сельскохозяйственного сырья при производстве экологически безопасных пищевых продуктов общего и специального назначения» (11-14 сентября 2002 года) Россельхозакадемия, Углич 2002. С. 249-252.
6. Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1999. 223 с.
7. Хмелев В.Н., Леонов Г.В. и др. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве. Барнаул: АлтГТУ, 2007. 400 с.
8. Хмелев В.Н., Сливин А.Н. и др. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. 203с.
9. Официальный сайт компании ООО «Кладовая солнца». http://www. sunfood.ru
10. Официальный сайт компании ООО «Александра Плюс». http: //ultrazvuk-oborud.narod. ru
11. Официальный сайт ООО «Центр ультразвуковые технологии». http://u-sonic.ru/
Контактная информация
marichery@ya. ru
8 902 635 1261
