CC BY
86УДК 664.66
Технические науки
Рохлова Мария Валерьяновна, студент 2 курса магистратуры ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств», Россия, г. Москва Богуш Владимир Иванович, научный руководитель,
к.т.н., доцент кафедры индустрии питания, гостиничного бизнеса и сервиса ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств», Россия, г. Москва Юшина Елена Анатольевна, к.т.н., доцент кафедры индустрии питания, гостиничного бизнеса и сервиса ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств», Россия, г. Москва
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Аннотация: В данной статье рассматривается преимущества использование акустической кавитации для обработки жидких пищевых сред, которые имеют широкое применение в производстве пищевых продуктов: муки, хлеба, хлебобулочных и кондитерских изделий, соков и т.д. Воздействие кавитационной обработки осуществляется на воду или рассол. После чего обработанные пищевые среды вносятся на биополимеры. Проведено значительное количество научных исследований о влиянии кавитационной обработки при производстве муки, хлеба, кондитерских изделий, вина, соков, молока и мясных продуктов.
Ключевые слова: хлеб, хлебобулочные изделия, пищевая сонохимия, акустическая кавитация, активированные жидкие среды.
Annotation: This article discusses the benefits of using acoustic cavitation for processing liquid food media, which are widely used in the production of food
products: flour, bread, bakery and confectionery products, juices, etc. The impact of cavitation treatment is on water or brine. After that, the processed food media are applied to biopolymers. A significant amount of scientific research has been carried out on the effect of cavitation processing in the production of flour, bread, confectionery, wine, juice, milk and meat products.
Keywords: bread, bakery products, food sonochemistry, acoustic cavitation, activated liquid media.
Главной задачей пищевой промышленности является производство безопасных продуктов питания высокого качества. В первую очередь особое внимание уделяется продуктам питания массового потребления, к которым относится хлеб и хлебобулочные изделия. Безопасность и качество продуктов во многом зависит от используемого сырья, для хлеба это мука, вода, дрожжи, соль, сахар и т.д.
Одним из основных компонентов при производстве хлеба и хлебобулочных изделий является вода, которая играет огромную роль в получении качественных готовых изделий. Воду применяют не только в качестве растворителя компонентов, входящих в состав рецептур хлебобулочных изделий, но и для приготовления дрожжевой суспензии [13]. Процесс растворения сопровождается образованием водородных мостиков с карбонильными группами альдегидов и кетонов, гидроксильными группами спиртов и сахаров [1].
От используемой воды зависят биохимические, физико-химические, микробиологические и коллоидных процессы. Химический состав и состояние воды влияет на влажность полуфабрикатов и готовых изделий.
Воду, используемую при производстве хлеба и хлебобулочных изделий, проверяют на соответствие требованиям ГОСТ P 51232-98 «Вода питьевая. Общие требования к организации и контролю качества» и санитарным правилам и нормам (СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого
водоснабжения. Контроль качества»). Вода должна быть прозрачной, без постороннего запаха и вкуса. По этой причине вопрос использования в производстве чистой воды особенно актуален.
Существуют различные методы очистки воды в производстве, их разделяют на:
- физические (процеживание, отстаивание, фильтрование, ультрафиолетовая обработка)
- химические (химическое окисление с использованием в качестве окислителя перманганат калия, осаждение, нейтрализация);
- физико-химические (флотация, сорбция, экстракция, ионообмен, электродиализ и т.д.).
К недостаткам большинства способов очистки воды относят увеличение затрат сухих веществ, использование дорогостоящего оборудования, которое требует высококвалифицированного обслуживания. Например, недостатком такого способа, как очистка воды хлорированием, либо озонированием является то, что реагент (хлор) распределяется в воде неравномерно, а часть неиспользуемого реагента попадает в окружающую среду, что приводит к ее и загрязнению [17].
Существует способ радиационно-химической обработки жидкостей, в результате которого обеззараживание воды производят воздействием на нее ускоренными электронами с введением озоно-воздушной смеси [16]. К недостатку данного способа можно отнести то, что озон, который появился в процессе облучения электронами, ухудшает энергетические экологические показатели установки.
В настоящее время достигнуты определенные успехи в разработке и усовершенствовании способов очистки воды. Наибольший интерес среди таких процессов представляет кавитационная технология [21]. Вода, прошедшая кавитационную обработку, обладает бактерицидными свойствами и сильной проникающей и растворяющей способностью.
История использования кавитационной технологии берет свое начало с середины прошлого века. Уже в тот период у ученных родилась идея применения основ кавитационной обработки в пищевой промышленности. Однако, из-за отсутствия специализированного оборудования, обладающего необходимыми режимами обработки жидких пищевых сред, кавитационная обработка пищевого сырья не была реализована до конца XX века. Исключение составила молочная промышленность, где кавитационная обработка использовалась для гомогенизации и пастеризации молока в специальных аппаратах роторного-пульсационного типа [5].
Благодаря развитию науки и техники данное научно-техническое направление стало вновь востребованным. Это позволило создать и усовершенствовать аппараты, которые были способны обрабатывать необходимые объемы жидкостей.
Процесс кавитация представляет собой повышение активности воды, то есть усиление растворяющей способности. С латинского языка кавитация переводится как образование, а затем схлопывание микроскопических пузырьков в жидкости под действием внешних сил. Кавитационная обработка придает воде некоторые свойства кипятка, но при этом температура воды не повышается и остается холодной. В этом случает вода усиливает физические и биохимические процессы, которые возникают при взаимодействии с пищевым сырьем и его компонентами, в результате чего обработанная вода выступает в роли катализатора. Процессы смешивания и растворения веществ получаются лучше и быстрее. По сравнению с кипятком обработанная вода позволяет сохранить естественные свойства пищевого сырья. Применение активной воды может существенно сократить использование различных пищевых добавок, что является более эффективным и безопасным, по сравнению с использованием химических ингредиентов [8].
Источником энергии в процессе кавитации является мощный ультразвук, который излучается в замкнутом пространстве, заполненном жидкой обрабатываемой средой. Под воздействием ультразвуковой волны в воде
испускаются микроскопические газовые включения - кавитационные пузырьки [18]. Молекула воды теряет один электрон, в результате чего образуются ионизированные частицы воды: H2O - Н20+, распадающиеся на Н+ и ОН-. В последствии образуются О2, H3O- и Н^2. Помимо этого ультразвук разрывает в воде водородные связи между молекулами, и вода становится более активной.
Существует два вида кавитационной обработки - гидродинамическая кавитация и акустическая кавитация. За счет местного понижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тел возникает гидродинамическая кавитация. Акустическая кавитация возникает под воздействием колебаний ультразвуковой частоты, которые принудительно распространяются в жидкой среде и в строго заданной амплитуде звукового давления. Такие колебания могут образовывать пьезокерамические или магнитострикционные излучатели. Коэффициент полезного действия магнитострикционного излучателя составляет 30%, а пьезокерамического 60-70%. При колебании этих излучателей в обрабатываемой среде возникают чередования сжатий и растяжений, создающих перепады давления относительно постоянного статического давления. Ли Чжицзя и М.А. Промтов указывают, что «в фазе разрежения акустической волны в жидкости образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения полость захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз» [12].
За счет таких проявлений как кумулятивные струйки и ударные волны, которые образуются при схлопывании кавитационных пузырьков, кавитацию применяют в следующих процессах: в очистке поверхностей, диспергирование твердых частиц, экстрагирование, растворение, гомогенизация, эмульгирование и пенообразование.
Еще одним не менее важным положительным качеством обработки воды ультразвуком относится бактерицидный эффект. За счет действия ультразвуковых волн микроорганизмы вместе с обрабатываемой водой
подвергаются деформацией, приводящей к разрушению оболочек этих микроорганизмов [9].
В российско-китайском проекте «Feature of Influence of Cavitation Effects on the Physicochemical Properties of Water and Wastewater» проведено исследование гидротермической кавитации для дистиллированной и обычной водопроводной воды. В ходе эксперимента было выявлены изменения по таким показателям воды как температура, электропроводность, окислительно-восстановительный потенциал и кислородосодержащие. Результаты эксперимента показали возможность использования кавитации в качестве отчистки воды. Установлено, что активированная вода после 200 мин кавитационной обработки не возвращается в свое первоначальное состояние. Такую воду можно использовать в приготовлении напитков, поскольку она обладает улучшенными органолептическими качествами [7].
Кавитационная обработка жидких пищевых сред активно применяется в производстве различных продуктов питания. Например, в мясном производстве акустическая кавитация используется для подготовки рассолов непосредственно перед их использованием. Данный процесс необходим для того, чтобы целенаправленно изменить структуру белков мяса, которые мгновенно реагируют с активированным рассолом.
Использование активированного рассола оказывает положительное влияние на кинетику посола, дает возможность сократить длительность выдержки мясного полуфабриката в посоле благодаря повышению интенсивности диффузионно-осмотических процессов, а также позволяет равномерно распределить рассол по всему объему мышечной ткани. Прошедшие кавитационную обработку рассолы позволяют снизить рост и развитие микроорганизмов и увеличить сроки хранения без применения пищевых консервантов [10].
В молочном производстве технология кавитационной обработки применяется достаточно давно, используется в процессе гомогенизации молока (дробление жировых шариков молока, для равномерного распределения жира в
общей массе продукта), в подготовке воды для разведения сухого молока. Применение кавитационного ректора позволяет изменить дисперсность и углеводный состав смеси сухого и цельного молока, что в итоге приводит к увеличению объема производства кисломолочных продуктов, без дополнительных расходов цельного молока [8].
Кавитационная обработка нашла свое применение в производстве вина и сахара, она увеличивает сокоотделение примерно на 15 %, что сокращает время предварительной и основной дефекации свекловичных диффузионных соков приблизительно в 10 раз (в производстве сахара), способствует качественному экстрагированию полезных веществ из плодов и растений при производстве различных пищевых добавок и витаминов [11].
В мукомольном производстве большое значение имеет кондиционирование (гидротермическая обработка) зерна, поскольку оно является одним из основных этапов подготовки зерна к помолу, качественно улучшающие степень его продовольственного использования [6].
Холодное кондиционирование является наиболее распространенным способом гидротермической обработки зерна. При использовании холодного кондиционирования продолжительность отволаживания зерна составляет 6 - 24 ч. За счет процессов отволаживания и увлажнения в зерне происходят физико-биологические изменения, благодаря чему облегчается отделение оболочек от зерна при незначительных потерях эндосперма [4]. Обработка зерна перед помолом аэрозолем кавитационно-активированной воды обеспечивает интенсивную гидратацию белков и крахмала, что позволяет в три раза сократить время подготовки зерна к помолу и уменьшить энергозатраты [21].
В ходе опытных промышленных испытаний Костромского комбината хлебопродуктов, было установлено, что при внедрении данной технологии приводит к сокращению подготовки сократилась в три раза и уменьшает энергозатраты на 3 кВт/ч с каждой тонны размалываемой пшеницы.
Производство хлеба и хлебобулочных изделий с применением кавитационно-активированной воды способствует ускорению накопления
дрожжевых клеток, развитию белковой матрицы, улучшению гидратации биополимеров. Замедляются процессы черствения и плесневения хлеба, увеличивается его удельный объем. Кавитационная обработка позволяет сократить использование хлебопекарных улучшителей. Хлеб и хлебобулочные изделия, приготовленные с использование воды, обработанной акустической кавитацией, обладают высокими потребительскими достоинствами, имеют высокие показатели качества (цвет, вкус, запах, удельный объем, состояние поверхности и мякиша) и имеют долгие сроки хранения.
Ученые Хэнаньского университета науки и технологии показали, что обработка воды акустической кавитацией при мощности 23,08 Вт/л в течение 40 минут снижает твердость изделий из хлеба на 22,4% по сравнению с образцами, изготовленными на основе необработанной воды, и тем самым повышает удельный объем изделия на 22,4 %. В процессе хранения хлеб, приготовленный с использованием активной воды, дольше сохранял свою качество, чем контроль [22].
С.Д. Шестаков отмечает, что «с помощью кавитационной обработки сахарно-солевых растворов перед смешиванием их с тестом позволяет снизить содержание соли и сахара в хлебе без изменения вкуса, пищевой ценности продукта» [20].
Одним из главных этапов в производстве хлебобулочных и кондитерских изделий является приготовление эмульсий. В своих научных трудах Л.Я. Ауэрман, Л.И. Пучкова, Г.С. Федорова доказали, что для повышения качества хлебобулочных и кондитерских изделий лучше использовать жировые продукты в виде жироводной эмульсии. В данном случае использование кавитационной обработки жировых продуктов вместе с водой позволяет сформировать устойчивые эмульсии. Такой способ обработки является наиболее перспективным для получения желаемого результата.
Например, при производстве пряников и коврижек с использованием кавитационной технологии обработки эмульсии увеличивается скорость набора
углекислого газа в тесте, его пластичность, увеличиваются показатели качества продукта (намокаемость, удельный объем) [9].
Кавитационная обработка сырья обеспечивает значительный рост интенсивности производственных процессов и открывает возможности для расширения ассортимента зерновых, хлебобулочных и других мучных видов изделий. С помощью кавитации можно совершать помол зерна пшеницы с целью получения зерновых суспензий. На основе суспензий можно производить зерновой хлеб или готовить блины и оладья [2].
Существует кавитационный способ приготовления теста из пророщенного зерна пшеницы и ржи. Данный способ включает в себя подготовку зерна, замачивание зерна в воде в течение 20-24 часов при температуре 20-30°С до появления ростков длиной 1-2 мм, дальнейшее гидродинамическое кавитационное диспергирование зерна, внесение в полученную массу рецептурных компонентов, расстойку, разделку и выпечку или шоковую заморозку. Использование кавитационных технологий в качестве помола проросшего зерна позволяет полностью уничтожить патогенную микрофлору, разложить на простые соединения микотоксины, снизить содержание тяжелых металлов, повысить содержание сахаров путем гидролиза крахмалов, сохранить витамины, содержащиеся в зерне, улучшить реологические свойства теста, улучшить структуру мякиша и замедлить очерствение хлеба [15].
В.В. Горшков и А.С. Покутнев анализируя способы обработки зерна гидродинамической кавитацией при производстве хлеба, показали возможность отказа от многократного прогона зерна через мельницы и устранение потерь от образования мельничной пыли. Акустической кавитацией подвергались вода и зерно пшеницы со слабыми хлебопекарными свойствами. К полученной суспензии (65%) добавляли муку пшеничную 1-го сорта (35%), поваренную соль и дрожжи. Выпеченный хлеб по органолептическим (поверхность изделия, его вкус и запах) и физико-химическим показателям (кислотность, пористость, влажность, посторонние включения) соответствовал требованиям ГОСТ [3].
Рассматривая задачу развития производства пищевых продуктов отметим, что кавитационная обработка сырья имеет широкое применение в производстве различных пищевых продуктов.
Библиографический список:
1. Бегеулов М. Ш. Рационализация питания человека путем расширения ассортимента хлебобулочных изделий// Хлебопечение России. №2. 2002. С. 24.
2. Горбылева Е. В. Исследование качественных характеристик зерновых суспензий и их использование при производстве продуктов питания: дис. канд. тех. наук. - Кемерово, 2008. С. 57-58. URL: http://tekhnosfera.com/issledovanie-kachestvennyh-harakteristik-zernovyh-suspenziy-i-ih-ispolzovanie-pri-proizvodst ve-produktov-pitaniya#ixzz64F35X3Zg (дата обращения: 03.11.2019).
3. Горшков В.В., Покутнев А.С. Эффективность обработки зерна гидродинамической кавитацией при производстве хлеба. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-obrabotki-zerna-gidrodinamicheskoy-kavitatsiey-pri-proizvodstve-hleba/viewer (дата обращения 28.04.2020).
4. Демский А. Б., Борискин М. А., Тамаров Е. В., Камалетдинов Ш. С. Справочник по оборудованию зерноперерабатывающих предприятий. - М.: Колос, 1959. 383 с.
5. Денисюк Е. А., Шевелев С. П. Пути использования эффекта гидродинамической кавитации при обработки жидких пищевых сред // Вестник НГИЭИ. 2011. №1 (2). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/puti-ispolzovaniya-effekta-gidrodinamicheskoy-kavitatsii-pri-obrabotki-zhidkih-pischevyh-sred (дата обращения: 05.12.2019).
6. Егоров Г. А. Активация воды - важнейший фактор эффективности помола// Хлебопродукты. 2002. №5. С. 22-23.
7. Иванов Е. Г., Кокорин Н. В., Чавачина Е. Е. Активизация информационных качеств воды способом акустической кавитации // Вестник НГИЭИ. 2017. №4 (71). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/aktivizatsiya-
informatsionnyh-kachestv-vody-sposobom-akusticheskoy-kavitatsii (дата
обращения: 05.12.2019).
8. Кавитационные технологии в пищевой промышленности. URL: https://helion-ltd.ru/food-ind-cavity/ (дата обращения: 03.11.2019).
9. Коновалова М. Ю. Об использование продуктов технологии кавитации в исследовании безотходной технологии формования // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2010. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ob-ispolzovanie-produktov-tehnologii-kavitatsii-v-issledovanii-bezothodnoy-tehnologii-formovaniya (дата обращения: 05.12.2019).
10. Красуля О. Н., Богуш В. И., Мухаметдинова А. К., Козырева С. М., Кузнецова Т. Г., Сергеев А. И., Потороко И. Ю. Исследование изменений мясного сырья в посоле с использованием акустически активированного рассола // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2016. №2. URL: https://cyberleninka.ru/ article/n/issledovanie-izmeneniy-myasnogo-syrya-v-posole-s-ispolzovaniem-akusti cheski-aktivirovannogo-rassola (дата обращения: 03.11.2019).
11. Кулагин В. А. Перспективы развития кавитационных нано-технологий. URL: http://www.professors.ru/A_Kulagin.html (дата обращения: 03.11.2019).
12. Ли Чжицзя, Промтов М.А. Интенсификация массообменных процессов с использованием импульсных энергетических воздействий (на примере кавитации). URL: http: https://docplayer.ru/56072679-Li-chzhiczya-promtov-m-a-intensifikacii-massoobmennyh-processov-s-ispolzovaniem-mpulsnyh-energeticheskih-vozdeystviy.html (дата обращения: 03.11.2019).
13. Матвеева И. В., Белявская И. Г. Биотехнологические основы приготовления хлеба. - М.: Делприпт, 2001. - 120 с.
14. Патент РФ 2000105151/13, 01.03.2000. Способ активации хлебопекарных дрожжей// Патент РФ 2184145 С1. 2000. ФИПС/ Поландова Р. Д., Шестаков С. Д., Волохова Т. П. URL: https://yandex.ru /patents/doc/RU2184145C2_20020627 (дата обращения: 03.11.2019).
15. Патент РФ 2014106256/13, 19.02.2014. Кавитационный способ приготовления теста из пророщенного зерна пшеницы и ржи// Патент РФ 2555141 С1. 2014. ФИПС/ Дуров А. Г., Петраков А. Д., Радченко С. М. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2555141C1_20150710 (дата обращения: 03.11.2019).
16. Патент РФ 95107252/26, 04.05.1995. Способ радиационно-химической обработки жидкостей и устройство для его осуществления// Патент РФ 2076001 С1. 1995. ФИПС/ Лашин А. Ф., Строкин Н. А. URL: https://rusneb.ru/catalog/000224_000128_0002076001_19970327_C1_RU/viewer/ (дата обращения: 03.11.2019).
17. Патент РФ 96103480/25, 22.02.1996. Способ очистки воды// Патент 2098359 С1.1997. ФИПС/ Савчук С. И., Витт Г. С., Савчук П. И., Царик Н. Ф. URL:https://yandex.ru/patents/doc/RU2098359C1_19971210 (дата обращения: 03.11.2019).
18. Тихомирова H.A. Гидродинамическая кавитация становится альтернативой ультразвуковой в сонохимических процессах производства молочных продуктов Текст / Ашоккумар М., Красуля О.Н., Шестаков С.Д., Богуш В.И. // Переработка молока, 2011, №6, с. 25-30.
19. Цыганова Т. Б., Гакова О. А. Специализированная водоподготовка в повышении качества хлебобулочных изделий. URL: http : //www.mgutm.ru/j urnal/tehnologii_21 veka/eni7_chat 1 /section2/15 .pdf (дата обращения: 05.10.2019).
20. Шестаков С. Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. Теория кавитационного реактора и ее приложения в производстве хлебопродуктов. М.: ЕВА-пресс, 2001. 173 с. URL: https://cyberleninka.ru/ article/n/puti-ispolzovaniya-effekta-gidrodinamicheskoy-kavitatsii-pri-obrabotki-zhidkih-pischevyh-sred (дата обращения: 05.12.2019).
21. Ярмаркин Д. А., Прохасько Л. С., Мазаев А. Н., Асенова Б. К., Зинина О. В., Залилов Р. В. Кавитационные технологии в пищевой
промышленности. URL: https://moluch.ru/archive/67/11467/ (дата обращения: 05.12.2019).
22. Denglin L., Ruoyan W., Jie Z., Kangyi Z., Baocheng X., Peiyan L., Yunxia Y., Xuan L. Effects of ultrasound assisted dough fermentation on the quality of steamed bread. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/18254056 (дата обращения: 05.11.2019).
