Ультразвук в пищевой промышленности

Ультразвук в пищевой промышленности

Технологи и специалисты, работающие в пищевой промышленности, давно знакомы с удивительной способностью ультразвука улучшать и ускорять технологические процессы. Научные исследования и практические опыты показали, что применение ультразвуковых устройств позволяет значительно интенсифицировать такие технологические процессы, как диспергирование, эмульгирование, коагуляция, гомогенизация, окисление, восстановление, пропитка, растворение, распыление, сушка, горение, дубление, измельчение, смешение, экстракцию, выпаривание и т. д.

В пищевой промышленности ультразвук применили для стерилизации и очистки, пастеризации и дезинфекции продуктов. Благодаря ультразвуковым колебаниям повышается качество пищевых продуктов и улучшаются технологические процессы их изготовления. Так что же такое ультразвук и благодаря каким физическим процессам происходит обработка сырья? И стоит ли его применять у себя на производстве? На эти вопросы мы попробуем найти ответ в этой статье.

Неслышимые звуки – необычное сочетание слов, все равно, что черный свет или холодный кипяток. По своей физической природе слышимый звук и ультразвук ничем друг от друга не отличаются. Ультразвук отличается от обычных звуков тем, что обладает значительно более короткими длинами волн, которые легче фокусировать и, соответственно, получать более узкое и направленное акустическое излучение, т.е. сосредоточивать всю энергию ультразвука в нужном направлении и концентрировать ее определенном объеме. А вот мощность ультразвука, в отличие от слышимых звуков, может быть достаточно большой. От искусственного источника мощность может достигать значения в десятки киловатт, а интенсивность – десятки и сотни ватт на квадратный сантиметр. Следовательно, ультразвук передает внутрь материальной среды очень большую энергию механических колебаний. Возникает, так называемое, звуковое давление колебательного характера. К тому же не следует забывать, что это давление меняет свой знак, переходя в разряжение, с частотой несколько десятков тысяч раз в секунду.

Если мы сравним давление слышимых звуков, соответствующих разговору средней громкости, то это давление ничтожно мало, его можно сравнить разве что с таким давлением, которое оказывает комар, сидящий на листике, плывущем по воде. При интенсивности ультразвуковой волны всего лишь 5 Вт/см² звуковое давление (в воде) равняется нескольким атмосферным, что в миллионы раз превышает давление звуков человеческой речи. В результате столь сильного энергетического воздействия возникает еще целый ряд эффектов и явлений в «озвучиваемой» среде, которые мы рассмотрим на конкретных примерах применения мощного ультразвука в пищевых технологиях.

В результате многочисленных опытов было установлено, что ультразвуковые колебания определенной частоты и интенсивности не только повышают сроки сохранности, но и улучшают качество молочных продуктов. Так, например, обработка молока ультразвуком позволяет значительно снизить содержание в нем вредной микрофлоры. Кислотность «озвученного» молока не повышается в течение пяти часов. При этом вкус, запах и цвет не изменяются, сохраняется стойкость при перевозке и хранении.

Хранение молока в замороженном виде известно давно. Но известно и то, что после размораживания оно меняет вкус и консистенцию – выделяется жир, появляются хлопья. Если же пастеризованное молоко обработать ультразвуком, а потом заморозить, то его можно хранить длительное время, поддерживая температуру минус 12 °С. Размороженное, оно ничем практически не отличается от того, каким оно было до замораживания.

При изготовлении порошкового молока тоже применим ультразвук. Свежее молоко замораживают до минус 16 °С, а затем обрабатывают ультразвуковыми колебаниями. Порошок, полученный таким способом, хранится дольше, чем порошок, полученный методом выпаривания. Кроме того, он изготавливается быстрее.

Применение ультразвука при производстве молочных продуктов (сметана, творог, кефиры, йогурты и прочее) позволит значительно улучшить качество продуктов, снизить количество консервантов и химических добавок, увеличить сроки хранения, уничтожить патогенную микрофлору.

Экономически выгодно и эффективно применение ультразвука в кондитерской промышленности. Ультразвуковые колебания позволяют ускорить кристаллизацию сахарозы и получить однородную массу при изготовлении кремов и помадки. При этом качество готовой помадки повышается. Под действием ультразвука улучшаются специфические и вкусовые качества шоколада и значительно сокращается продолжительность его обработки в отделочных машинах.

Всем известны взрывоопасные свойства сахарной пудры. Ученые предложили сахарную пудру заменить сахарной эмульсией, приготовленной на ультразвуковом оборудовании.

Хорошие результаты показал ультразвук на предприятиях, производящих животные и растительные жиры. После обработки ультразвуком семена лучше набухают и выход масла увеличивается на несколько процентов.

Благодаря мощному ультразвуку можно получать эмульсии из несмешивающихся жидкостей (например, масло-вода). Это имеет огромное практическое значение для различных отраслей, например, благодаря масловидным эмульсиям, полученным с помощью ультразвука, почти на 90 % сокращается расход масла без ущерба для качества продукции. При обработке ультразвуком пекарских дрожжей, бродильная энергия повышается, в среднем, на 15 % в течение часа. В обработанных ультразвуком дрожжах повышается содержание эргостерина, являющегося сырьем для получения высокоактивного витамина D.

Заслуживает внимание применение ультразвука в мясной и птицеперерабатывающей промышленности для получения эмульсий животных жиров, ароматических эмульсий, специй и для посола мяса. Ультразвуком обрабатывают фарш при изготовлении сосисок, сарделек и вареной колбасы. Эмульсия из воды и жира соединяется с фаршем, в результате чего колбасные изделия получаются более сочными. Ультразвуковые жировые эмульсии позволяют отказаться от выдержки мяса в посоле и более точно регулировать содержание в фарше жира и воды. Качественный посол мясопродуктов продолжается не менее 15 суток, а отдельных видов мясных изделий - до 60 суток, что затрудняет перевод технологических процессов на поточное производство. Ультразвук, благодаря капиллярному (насосному) эффекту, позволяет значительно ускорить процесс посола, под его воздействием засолка идет быстрее, соль в тканях мяса распределяется более равномерно, а цвет его приобретает равномерную розовую окраску.

В консервной промышленности ультразвук применим для приготовления овощных и фруктовых консервов-пюре. Ультразвуковые колебания позволяют очень тонко и равномерно измельчать овощи и фрукты. Овощные пюре, приготовленные с помощью ультразвука, легче усваивается и обладает хорошими вкусовыми качествами. Особенно это важно при производстве консервов для детей и больных, которым необходима строгая диета.

В рыбной промышленности ультразвуковые колебания ускоряют посол и сушку продуктов; извлечение жира из рыбной печени, повышают качество медицинского рыбьего жира, в нем сохраняются ценные для человека витамины А и D.

С помощью ультразвука были получены стабильные экстракты и эмульсии ароматических веществ и специй. Опыты показали, что ультразвук ускоряет экстрагирование горьких веществ из хмеля, способствует лучшему сохранению в нем ароматических веществ. Применение ультразвуковых установок на пивоваренных заводах позволяет значительно сократить расход хмеля и ускорить процесс брожения.

Разработана принципиально новая ультразвуковая технология изготовления ячменного солода, не требующая от солодовых заводов значительных капиталовложений, позволяющая интенсифицировать процесс и улучшить качество солода.

Ультразвук позволяет усовершенствовать технологии на эфиромасличных заводах; значительно ускорить технологические процессы на заводах, производящих безалкогольные напитки, концентраты и экстракты. Улучшить качество и ускорить процессы производства настоек, ликеров, коньяков и прочих алкогольных напитков. Длительность процесса «созревания» настоек сокращается с месяцев, а в некоторых случаях и десятков месяцев, до нескольких суток и часов. При обработке сырья ультразвуком появляется возможность отказаться от применения стабилизаторов и консервантов или значительно снизить их количество в готовом продукте.

Применение ультразвука в процессе приготовления соков позволяет увеличить выход сока, ускорить процесс его осветления и очистки, в десятки раз ускорить процесс выпадения винного камня при производстве виноградного сока. В процессе отжима сока ультразвук быстро разрушает органическую ткань. При «озвучивании» часть мякоти, которая раньше шла в отход, перерабатывается в чистый виноградный сок, что позволяет увеличить выход сока на 8 %.

Ультразвук способен не только уничтожать микроорганизмы, но и, при определенных условиях, может значительно ускорять их рост и развитие. Это свойство позволяет ускорять процессы ферментации и брожения. При том, что скорость этих процессов может быть увеличена в десятки раз. Для применения данной технологии в виноделии, пивной отрасли и на спиртзаводах необходимы лишь незначительные опытные работы в заводских лабораториях для привязки ультразвукового оборудования к конкретному технологическому процессу.

Воздействие ультразвука на мед позволяет значительно увеличить срок его хранения без снижения вкусовых и лечебных качеств.

Это примеры воздействия ультразвука непосредственно на продукт производства. Далее мы с Вами рассмотрим еще целый ряд возможностей применения «макрозвука» на предприятиях пищевой промышленности.

Ультразвук способен очищать разнообразные металлические, стеклянные, керамические и другие материалы от всевозможных загрязнений. Одним из основных преимуществ ультразвуковой очистки перед другими способами является ее высокое качество и антимикробное (бактерицидное) действие, кроме того, стало гораздо легче очищать детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, узкие щели, маленькие отверстия и полости. Ультразвуковая очистка высокопроизводительна и допускает замену огнеопасных и дорогостоящих органических растворителей водными растворами солей и другими, более дешевыми, веществами. Ультразвуковая очистка способна либо заменить, либо дополнить традиционные способы и методы, избавить от ручного труда и повысить степень очистки. Благодаря кавитации с помощью ультразвука можно очищать подшипники от масляных и прочих загрязнений, мыть технологическое оборудование, в том числе наружную и внутреннюю поверхность трубопроводов и теплообменных аппаратов (удалять накипь). Ускорить процессы мойки внутренних и наружных поверхностей стеклянной тары (бутылки, банки, ампулы и пр.), а также значительно улучшить качество очистки. Разработана технология восстановления и упрочнения оборотной стеклотары. Обработка стеклотары ультразвуком в 1 % растворе соляной кислоты позволяет снизить влажность стекла до требований стандарта, убрать ржавчину внутри бутылки, убрать, так называемое, «кольцо жесткости» с ликеро-водочной тары, дает возможность ее повторного применения.

Ультразвук позволяет очищать жесть, как в виде ленты, так и в виде готовой тары, и многое другое.

В некоторых технологиях необходима дегазация жидкости. Под действием ультразвука возможна очистка жидкостей от газов непосредственно в трубопроводах.

Засорение фильтров, сеток, мембран – разрешима ли вообще эта проблема? Наверное, нет предприятия, где этот вопрос не был бы актуален. Решить этот вопрос поможет наложение мощного ультразвукового поля либо в зону фильтрования, либо на сам фильтровальный элемент. Благодаря мощному кавитационному полю и капиллярному эффекту можно не только ускорить процесс фильтрации, но и очистить фильтровальный элемент от загрязнений. Этот метод применим как для металлических и полимерных сеток, так и для керамических фильтров и мембран ультрафильтрации.

Наверное, ни один технологический процесс в пищевой промышленности не обходится без применения воды. Сегодня существует очень много методов водоподготовки и способов очистки и обеззараживания воды. Не будем сейчас рассматривать достоинства и недостатки существующих методов, скажем лишь то, что Научно-Производственная Лаборатория «Ультра Звуковые Технологии» разработала метод безреагентного обеззараживания и очистки воды. Он основан на комплексном взаимодействии ультразвука, ультрафиолета, магнитного поля, мембранных технологий и позволяет не только очищать и обеззараживать воду, но и улучшать качество питьевой воды.

Почти все предприятия сталкиваются с проблемой вредных выбросов в атмосферу и промышленных стоков. Существующие сегодня методы ультразвуковой очистки воздуха и методы обеззараживания и очистки промышленных стоков на базе ультразвуковых технологий позволяют эффективно и комплексно решать экологические проблемы.

Точки приложения ультразвука в пищевой промышленности можно перечислять еще очень долго, но формат статьи не позволяет это сделать.

Хотелось бы отметить лишь то, что с развитием электроники и силовой электротехники современное ультразвуковое оборудование обладает высоким к.п.д. и энергосберегающими характеристиками.

Ультразвуковые преобразователи легко встраиваются в уже работающее технологическое оборудование, что дает возможность модернизации существующего производства. Современное ультразвуковое оборудование, разработанное и изготовленное Научно-Производственной Лабораторией «Ультра Звуковые Технологии», способно работать круглосуточно, в автоматическом режиме и не требует специально обученного персонала. Все детали, контактирующие с пищевыми продуктами, выполнены из титана или пищевых нержавеющих сталей.

И самое главное: ультразвук – это абсолютно безвредный, экологически чистый «инструмент» эффективной интенсификации различных процессов. Инструмент, способный улучшить качество продукции и принести значительные экономические выгоды Вашему предприятию.

06.09.2008

Зав. Лаборатории Валерий Буряков

Техн. директор Александр Кореневич