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 г. с. 249—252

В. Л. Кудряшов, А. Н. Сиверская, Н. М. Лебедев, К. В. Наумов, В. Е. Лыжин, Е. С. Павлова, Н. С. Погоржельская, Н. В. Маликова
Всероссийский НИИ пищевой биотехнологии, ООО «Александра-Плюс»

Применение ультразвука позволяет:

  • существенно ускорить некоторые технологические процессы;
  • увеличить коэффициент использования сырья и полуфабрикатов;
  • снизить количество отходов.

К настоящему времени доказана эффективность и выявлены следующие перспективные области его применения в отраслях АПК:

  • предпосевная стимуляция прорастания семян с одновременной их санобработкой взамен протравливания ядохимикатами;
  • снижение концентрации посторонних микроорганизмов в тузлуках в процессе ультразвукового фильтрования;
  • обеззараживание поверхности куриных яиц и прединкубационная стимуляция с целью повышения выводимости и резистентности цыплят к болезням;
  • ультразвуковое экспресс-эмульгирование при производстве майонезов, соусов, пудингов и кремов, а также при введении различных добавок в комбинированные продукты на основе молока;
  • осветление соков с применением бентонита и др. оклеивающих материалов;
  • активация и адаптация хлебопекарных дрожжей па хлебозаводах;
  • удаление стойких загрязнений на возвратной стеклянной таре, не отмываемых стандартными бутылкомоечными машинами;
  • обработка свекловичной стружки и извлечение пектина;
  • расщепление белков до аминокислот и углеводов.

Наиболее же перспективными областями применения ультразвука в пищевой промышленности являются:

  • интенсификация процессов экстракции биологически активных, дубильных и других ценных компонентов из растительного сырья;
  • дезинтеграция микроорганизмов и клеточных культур с целью извлечения ферментов и других биологически активных веществ.

Эффективность воздействия ультразвука может быть объяснена воздействием следующих специфических факторов, присущих ультразвуковым колебаниям:

  • кавитационного эффекта;
  • разрушающего действия на пограничный слой и клеточную стружку сырья;
  • образования микропотоков;
  • повышение диффузионной проницаемости ткани экстрагируемого материала.

Процессы экстракции (настаивания) растительного сырья широко распространены при производстве алкогольных и безалкогольных напитков, лечебно-профилактических, комбинированных продуктов питания и натуральных лекарственных препаратов. Основным существенным недостатком этого процесса является его длительность, достигающая несколько недель.

Имеющийся отечественный и зарубежный опыт показывает, что существенно ускорить процессы экстракции (настаивания) можно с помощью ультразвука.

Для решения этой проблемы объединены усилия технологов ВНИИПБТ и фирмы «Александра-Плюс», производящей комплектное ультразвуковое оборудование.

Как показали наши совместные лабораторные исследования, наибольшая эффективность экстракции достигается при оптимальном сочетании следующих гидродинамических методов воздействия:

  • обработка смеси сырья и экстрагента ультразвуком с частотой 22 кГц;
  • механического перемешивания;
  • подогрева паром с одновременным перемешиванием.

Опыт интенсификации процесса экстракции в производственных условиях, накопленный фирмой «Александра-Плюс», подтвердил эффективность и перспективу применения ультразвука в ликероводочной промышленности.

Так, опыты по экстракции водно-спиртовой жидкостью сухих плодов рябины, зерен кофе и сухого травяного сырья проводились на промышленной экстракционной ультразвуковой установке типа РПМ-2/12-Н, имеющей следующие технические характеристики:

1. Рабочая вместимость, м.куб., не менее 2
2. Количество оборотов перемешивающего устройства, об/мин. 10-15
3. Частота вращения мешалки, об/мин. 45
4. Количество ультразвуковых излучателей, шт. 8-12
5. Давление пара, кг/см² 4
6. Рабочая частота ультразвуковых колебаний, кГц 22 ± 1,65
7. Габаритные размеры, мм, не более:
— наружный диаметр 1000
— высота 2000

Опыты по экстрагированию из сушеных плодов рябины на ликероводочном заводе «Великоустюгский» показали, что при использовании ультразвука достижение нормативного показателя извлечения происходит на шестые или максимум седьмые сутки, что соответствует ускорению процесса экстракции и увеличению производительности в 3—4 раза. На десятые сутки обеспечивается увеличение выхода экстрагируемых веществ по сравнению с нормативным на 4,5%. (По действующей на заводе традиционной технологии настаивание осуществляется в две стадии в течение 28 дней.)

Испытания на этом же заводе по экстракции кофе показали, что нормативные органолептические показатели достигаются через трое суток вместо десяти по действующей технологии, то есть ускоряются в 3 раза.

Аналогичные показатели достигаются при ультразвуковой экстракции сушеных трав. Было установлено, что процесс можно сократить с двенадцати до семи суток.

Испытания по ультразвуковой водной экстракции БАВ из элеутеррокока проводились на фармацевтической фирме «БИОК» в г.Курске.

В этих экспериментах было установлено, что при использовании ультразвука из одного и того же количества сырья в раствор переходит в 2,45 раза больше экстрактивных веществ за время в 6 раз меньшее.

Проведенные на ликероводочном заводе «Курский» исследования по применению ультразвука для осветления спиртованного яблочного сока с использованием «оклеивающего» материала бентонита показали, что скорость осаждения взвешенных частиц повышается в 5…6 раз.

Вместе с тем, при ультразвуковой экстракции наблюдается повышенная мутность настоев и морсов, устранение которых с помощью обычного процесса фильтрования через фильтр-картон вызывает трудности. Кроме того, установлено, что применение ультразвука более эффективно при обработке разбавленных более обычного суспензиях.

Проведенные в отделе мембранных технологий ВНИИПБТ исследования показали, что все эти недостатки легко устраняются за счет комбинирования ультразвуковой экстракции с мембранными процессами. Так, при фильтрации через микрофильтрационные мембраны достигается «кристальная» прозрачность экстрактов с одновременной холодной стерилизацией. При этом, из них гарантированно удаляются пектин и другие компоненты, выпадающие в осадок при длительном хранении напитков.

Предварительно очищенные на микрофильтрационных мембранах настои и морсы надежно концентрируются на обратноосмотических или нанофильтрационных мембранах в 10…20 раз по объему до концентрации СВ порядка 25%, после чего могут транспортироваться на значительные расстояния и длительно храниться вне холодильников.

Создаваемая на основе оптимального сочетания ультразвуковых и мембранных процессов комбинированная технология может быть принята за основу линии на специализированных крупнотоннажных производствах глубокосконцентрированных экстрактов, морсов и соков для производства напитков и других пищевых продуктов, в том числе лечебно-профилактических.

Созданная совместно ВНИИПБТ и ООО «Александра-Плюс» база для исследования взаимодополняющих ультразвуковых и мембранных процессов может быть использована для разработки комплексных технологий в других вышеперечисленных областях применения при сотрудничестве специалистов НИИ Россельхозакадемии.