CC BY
45
УДК 663
Канд. техн. наук П.Е. БАЛАНОВ (Университет ИТМО, balanov@yandex.ru) Канд техн наук И.В. СМОТРАЕВА (СПбГАУ, irinasmotraeva@yandex.ru)
ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА И МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЫХОД
СОКА ИЗ ДИКОРАСТУЩИХ ЯГОД
Брусника, клюква, ультразвук, микроволновое излучение, замораживание, сок
В настоящее время в связи с политикой здорового питания, проводимой правительством РФ, актуальным становится применение в пищевой промышленности дикорастущих ягод и трав [1]. Дикорастущее растительное сырье представляет большой интерес как источник полезных для организма человека биологически активных веществ.
В Северо-Западном регионе РФ наиболее распространенными видами дикорастущего ягодного сырья являются клюква (Уассттт Охусоссиз) и брусника (Уассттт \>Шь-'иЛаеа). Эти ягоды содержат уникальный набор важных компонентов, таких как органические кислоты, витамины, пектиновые вещества, биофлавоноиды, макро- и микроэлементы. Благодаря своему составу они зарекомендовали себя как ценное лечебное средство противовоспалительного и витаминного действия.
Ягоды клюквы и брусники широко используются в пищевой промышленности для производства соков, морсов, киселей и экстрактов. Одним из достоинств этих ягод является высокое содержание бензойной кислоты, которая является отличным природным консервантом и антисептиком [2]. В связи с этим продукты переработки клюквы и брусники хорошо хранятся, не подвергаясь длительное время микробиологической порче.
На данный момент актуальной проблемой является разработка технологии, позволяющей добиться максимального выхода сока из дикорастущих ягод с сохранением большинства полезных свойств.
Для производства сока из лесных ягод, таких как брусника и клюква, решающее значение имеет выход жидкой фазы (сока) из плодов. Как правило, эти ягоды содержат заметное количество веществ, затрудняющих сокоизвлечение за счёт связи влаги с гидрофильными коллоидами. Это могут быть пектины, клетчатка, пентозаны и вещества белковой природы. Эти вещества удерживают влагу на уровне межмолекулярного взаимодействия и отделить её без специального воздействия затруднительно.
Традиционно для увеличения выхода сока применяют умеренный нагрев и иногда замораживание сырья. Как в одном, так и в другом случае происходит частичная деформация и разрыв растительной ткани, в результате чего сок из внутриклеточного и межклеточного пространства выходит При этом лиофилизованная влага во многом остается не затронутой.
В последнее время для сокоизвлечения активно используются ферментные препараты, которые гидролизуют органические макромолекулы и тем самым облегчают выход сока. Однако природа ферментов такова, что они могут воздействовать не на все составляющие плодовой мезги, а только на определённые группы, на которых они «профилируются», например: белки, некрахмалистые полисахариды, крахмал и тп. Существуют комплексные ферментные препараты, которые разрушают несколько групп веществ, при этом их температурные и кислотные оптимумы могут не совпадать. Кроме того, такие группы соединений, как клетчатка и лигнин, с трудом поддаются ферментативному воздействию. Следует понимать, что пищевые продукты, которые получены с использованием ферментных препаратов, необходимо подвергать термической обработке, чтобы инактивировать ферменты, так как их активность может привести к неконтролируемому течению биологических процессов при хранении продуктов. Применение термической обработки, как правило, приводит к потере биологической ценности продукта.
Существует возможность использования современных высокотехнологичных методов воздействия на растительное сырьё, таких как ультразвук и сверхвысокочастотное излучение. Природа воздействия ультразвука и применимость его в пищевой промышленности рассмотрена авторами в предыдущих работах [3,4], и в данном исследовании он использовался как хороший и удобный пример для сравнения с микроволновым воздействием. Кроме того, в контексте используемого дикорастущего сырья (брусника, клюква) данные по изменению сокоотдачи при воздействии обоих видов воздействия представляются интересными и актуальными.
Предваряя исследовательские и аналитические материалы работы, целесообразно вкратце изложить основные положения природы и механизма воздействия сверхвысокочастотного излучения на биологические объекты. Кроме того, будут приведены примеры использования СВЧ-излучения при переработке органического сырья.
Микроволновое излучение - это поток электромагнитных волн с частотой от 300 МГц до 300 ГГц и длиной волны от 1 м до 1 мм. Волны с частотой от 1000 до 5000 МГц имеют наибольшее практическое применение (бытовое и промышленное оборудование). Подобные частоты обработки позволяют наблюдать в объектах явления дипольного молекулярного сдвига молекул. При этом образующееся электромагнитное поле имеет переменный характер, и молекулы в нем постоянно меняют направление движения. В результате этого движения молекулы соударяются, и температура среды увеличивается.
В нашем случае нагрев объекта исследования (плодовая мезга) не является самоцелью. Более того, излишнее повышение температуры негативно скажется на ценных биологически активных составляющих ягод. Для сохранения полезных веществ температура в экспериментах не превышает 40°С.
Интерес представляет межмолекулярное взаимодействие компонентов, интенсивность которого тем больше, чем дольше и интенсивнее обрабатывается мезга излучением. Чтобы избежать локальных перегревов, но при этом произвести должное воздействие по мощности на молекулы, предусматривается циклическое воздействие на сырьё при рабочей частоте 2450 МГц.
Для удобства анализа полученных данных время воздействия СВЧ-излучения будет представлено в «чистом» виде, т.е. время пауз, обеспечивающих исключение перегрева, учитываться не будет Это время «простоя», безусловно, имеет технологическое значение (удлиняет время обработки), однако с научной точки зрения не очень информативно, тк. в этот период воздействия СВЧ-излучения нет
В пищевой промышленности микроволновое излучение применяют для размораживания, нагрева, пастеризации и стерилизации сырья и продуктов. Интересные результаты получены при использовании СВЧ-лучей при сушке пищевых продуктов [5] .
Для ультразвуковой обработки исследуемых материалов использовалась хорошо зарекомендовавшая себя установка с источником ультразвуковых колебаний, выполненным из пьезокерамического материала. Рабочая частота колебаний 42 КГц, мощность 50 Вт
Образцы клюквы и брусники предварительно измельчались. Критерием измельчения служил факт полноценного повреждения каждой ягоды, но не перетирание её, то есть смесь была однородной, но не гомогенной, чтобы избежать пюрирования и сложностей при сокоизвлечении.
Использовались как свежие, так и замороженные ягоды. Удобство использования замороженной продукции состоит в том, что она доступна круглогодично и не привязана к сезонности получения свежих ягод. Кроме того, ранее было доказано, что замораживание растительного сырья также способствует заметному увеличению выхода сока [4].
Результаты эксперимента по обработке сырья микроволнами представлены на рис. 1 и 2.
я _
с и
X 1
50
40
30
20
10
— гч Л ^ о г- об 2К с — п т ^ >в г- м Время обработки клюквенной мезги, с
замороженная клюква
свежая клюква
Рис.1. Влияние микроволнового излучения на выход сока из клюквенной мезги
о п
7П
60 г
—♦— замороженна я брусника ■ свежая брусника э 0 н
« эи 8 лл
§ 2 30 л со 9П
1 п
п
о ооооооооооооо И И И Н Время обработки брусничной о о о о 1Л из Н И н н мезги, с с с г
Рис.2. Влияние микроволнового излучения на выход сока из брусничной мезги
Из приведенных графиков видно, что вне зависимости от вида ягод факт заморозки сырья обеспечивает стабильный прирост выхода сока. Прирост выхода сока стабилен и составляет около 5%. Кристаллы льда при заморозке прорезают клеточные оболочки, а затем после оттаивания внутриклеточное содержимое вытекает из них. В этом смысле обработку замораживанием можно считать вполне самостоятельным приёмом, что особенно удобно и целесообразно при длительном хранении сырья.
Обработка клюквенной мезги (рис. 1) микроволновым излучением с частотой 2450 МГц при мощности 600 Вт показывает неравномерность сокоотдачи. Максимум выхода сока наблюдается в диапазоне 60-90 секунд, превышение этого времени даёт более низкий результат В точке максимального выхода сока он увеличивается на 9%, что имеет значимость, принимая во внимание тот факт, что это достаточно дорогостоящее сырьё. Если
рассматривать факторы прироста выхода сока суммарно (замораживание и воздействие микроволнами), то выход сока увеличивается в точке максимума на 14%.
Обработка брусничной мезги (рис. 2) при тех же частоте и мощности показывает несколько иные результаты, при тех же тенденциях прироста и падения выхода сока. Наибольшая сокоотдача наблюдалась при обработке в течение 20-50 секунд, с дальнейшим плавным падением результативности вплоть до нулевого прироста с выходом в зону значений, которые ниже исходного выхода сока (без обработки).
Это можно связать с тем, что на первых стадиях микроволнового излучения локальные перегревы способствуют истечению сока из различных полостей растительных клеток, а в дальнейшем уже вытекший сок под действием микроволн и вызываемых ими местных перегревов способствует химическим и физическим процессам связывания, полимеризации и конденсации веществ, входящих в состав сока. Структурный состав лесных ягод сложен и на детальном уровне изучен мало, но с уверенностью можно сказать, что там есть вещества пектиновой природы и некрахмалистые полисахариды, которым свойственны реакции полимеризации.
Максимальный прирост выхода сока из брусничной мезги составил 8%. Если же суммировать факторы замораживания и микроволнового излучения, то происходит увеличение выхода сока на 13%. Эти цифры близки к образцам из клюквы, таким образом можно говорить об общей природе, происходящих при этом процессов.
С индустриальной точки зрения интерес представляет не только ощутимый прирост выхода сока, но и энергоэффективность процесса. Показанный оптимум находится в пределах одной минуты (с данной частотой, мощностью и массой образцов). Безусловно, крупная тоннажность потребует и больших мощностей и грамотного построения цикла производства, чтобы избежать чрезмерного прогрева внешних областей и малой активности во внутренних областях обрабатываемого сырья.
Обработка образцов клюквы и брусники с помощью ультразвуковых волн показала результаты, графически представленные на рис. 3.
90 80 70 . 60
1 50
и
? 40
X
2 ВО
г«
20 10 0
0125456789 Длительность воздействия ультразвука, мин
■свежая клюква
■ заморожены ая клюква
свежая брусника
" замороженн ая брусннка
Рис. 3. Влияние длительности воздействия ультразвука на выход сока
Полученные данные говорят о том, что максимальный выход сока во всех образцах получался при длительности обработки 5 минут Фактор свежести или замороженности сырья хорошо согласуется с предыдущими результатами, то есть замороженное сырье даёт прирост выхода сока порядка 5%, вне зависимости от последующих режимов воздействия.
Выход сока у обработанной ультразвуком клюквенной мезги увеличивался на 15%, а у брусники - на 14%. Если сочетать факторы замораживания и воздействия ультразвуковыми волнами, то прирост сокоотдачи клюквы достигает 20%, а брусники - 19%. Таким образом, сочетание факторов даёт очень хороший технологический результат
Если провести сравнительный анализ микроволнового и ультразвукового воздействия, то можно сделать следующие выводы:
1. Воздействие ультразвука даёт принципиально больший выход сока из ягод клюквы и брусники, чем микроволновое излучение. Это связано с принципиально другим механизмом влияния, который обеспечивает разрыв клеточных тканей за счёт сил кавитации.
2. Для достижения оптимальных результатов время воздействия микроволнового излучения приблизительно в 10 раз меньше, чем в случае ультразвуковой обработки. Однако и мощность, которую необходимо приложить для эффективной сокоотдачи, в 12 раз больше (600 Вт у микроволнового излучателя, против 50 Вт у ультразвукового излучателя). Хотя, конечно, следует понимать, что важна эффективная мощность, то есть та энергия, которая непосредственно воздействует на продукт Часть энергии всегда теряется, и степень этих потерь может существенно варьироваться.
3. Микроволновое излучение при выходе из режима функционального оптимума приводит к потерям выхода сока. Ультразвуковые колебания позволяют плавно достигнуть интересующего результата, затем сокоотдача не меняется. Вероятно, это связано с принципиально ограниченным количеством компонентов, которые могут быть деструктированы ультразвуковыми колебаниями при данной частоте и мощности. В этой связи научный и практический интерес представляют дальнейшие исследования, которые позволят выяснить потенциальные возможности ультразвукового воздействия.
4. Микроволновое воздействие, даже в самых щадящих режимах, нагревает объект исследования, что для промышленных нужд может создать определённую проблему, так как возможно придётся затрачивать дополнительную энергию на охлаждение продукта. С другой стороны, если рассматривать частичный нагрев как подготовку к термической стабилизации (например, пастеризации), то это можно рассматривать как преимущество, так как не придётся задействовать габаритное и энергозатратное теплообменное оборудование.
В целом, характеризуя полученные результаты, можно сказать, что эффективность современных методик воздействия на растительное сырьё безусловна. Исследования в этой области позволят эффективно использовать промышленные мощности и получать качественную продукцию с минимальным уровнем издержек.
Стратегический научный интерес представляет работа над пониманием механизма воздействия микроволнового излучения и ультразвука на биологические объекты.
Литература
1. Тутельян В.А., Суханов Б.П., Онищенко Г.Г. Государственная политика здорового питания населения. - М.: ГЭОТАР -Медиа, 2009.
2. Смотраева И.В., Баланов П.Е., Иванченко О.Б., Хабнбуллнн Р.Э. Биологическая стабилизация напитков нативными ингредиентами из растительного сырья // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т 17. - № 22. - С. 229-231.
3. Смотраева И.В., Баланов П.Е., Третьяков H.A. Применение ультразвука при переработке растительного сырья // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. -
2014. - №37. - С. 264-267.
4. Баланов П.Е., Смотраева И.В. Комплексная переработка сливовой мезги для нужд пищевой промышленности // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. -
2015. -№41. -С. 47-52.
5. Рахманкулов Д.Л., Бнкбулатов И.Х., Шулаев Н.С., Шавшукова С.Ю. Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов. - М.: Химия, 2003. - 220 с.
