3.2.5 Импульсные методы обработки

Импульсный подвод энергии к продукту вызывает не только количественные, но и качественные изменения процессов, что особенно специфично для электрофизических методов.

В качестве источников импульсных нагрузок можно использовать различные системы: механические, гидравлические, электроимпульсные, магнитно-импульсные, оптические, низкочастотные вибрации, пульсационная техника и др.

Виброобработка оказывает влияние на цвет и консистенцию колбас. Образцы, изготовленные с применением вибрации, имеют более яркий цвет и плотную консистенцию, что подтверждается и данными по определению напряжения среза.

Пульсационные методы при минимальных затратах обеспечивают довольно значительную интенсификацию процессов перемешивания, гомогенизации, экстракции, посола и др.

Обработка под высоким давлением и ударными волнами. Производство пищевых продуктов часто можно рассматривать в виде целенаправленного комбинирования свойств сырьевых материалов и параметров технологического процесса. В качестве альтернативы термообработке для инактивирования микроорганизмов, а также изменения структуры продукта и создания новых вариантов изделий можно использовать электрическое и магнитное поля или давление. В Германском институте пищевых технологий DIL такие процессы разработаны и внедрены в промышленную практику.

Инактивация патогенных и ведущих к порче продуктов микроорганизмов, ферментов и вирусов достигается за счет повышения давления при температуре окружающей среды. Обработка под давлением 600 мПа с выдержкой в течение нескольких минут обеспечивает до

нескольких лог-циклов инактивации (лог-цикл – это время и температура, необходимые для снижения количества определенных микроорганизмов на 90 %), что позволяет увеличить срок хранения. В противоположность термической обработке такие ценные вещества и функциональные составляющие продукта, как витамины, минералы, ароматические вещества, а также свежесть продукта сохраняются. Применяемая более чем 70 компаниями по всему миру обработка под высоким давлением доказала свою экономическую жизнеспособность. Около 30 % обрабатываемых с ее помощью изделий составляют мясные продукты, но она также широко применяется и для обработки большого ассортимента фруктовой, овощной и молочной продукции. К главным преимуществам этого типа обработки относятся высокая энергетическая эффективность и возможность предотвращать повторное заражение за счет обработки уже в окончательной упаковке. Уровень инактивирования микробов зависит от характеристик изделия (содержание соли, водная активность и pH), а также уровня давления и температуры. Обычно наблюдается инактивирование от 5 до 7 лог-циклов. Хотя обработка некоторых продуктов производится при низкой температуре (например, от 4 до 20 °C) с целью предотвращения коагуляции белков или изменений цвета, можно также использовать и синергетический эффект от комбинирования температур и давлений. Обработка под давлением при повышенных температурах в пределах 80–100 °C позволяет инактивировать споры и стерилизовать мясные, фруктовые и овощные продукты. Используя характерные графики «температура-давление», можно описать кинетику желательных и нежелательных реакций (рис.18нежелательных реакций (рис.18).

а б

Рис.18.График давление-температура для иннактивации за пять лог-циклов отдельных штаммов микропроцессов (а), оборудование высокого давления 600МПа, объем 55 л (б)

Ведущиеся в настоящее время исследования направлены на изучение влияния высокого давления на структуру пищевых продуктов путем денатурирования их белковой составляющей и желатинации крахмала. У пшеничного крахмала, например, набухание гранул наблюдается при давлении на уровне 300 MПа при температуре окружающей среды. При этом у него наблюдаются иные реологические свойства, чем у термически желатинированного крахмала, и повышается способность удерживать воду. Таким образом, обработка крахмала под давлением позволяет получить искомые структурные свойства продукта за счет изменения физических условий. Воздействие давлением может использоваться также как технологический этап обработки белковых продуктов, например, с целью замены этапа варки мясных изделий или способствования такой обработке. После обработки давлением колбасного фарша наблюдается такое же затвердевание, как и при термической обработке. В отличие от производимых традиционным образом продуктов при их обработке под давлением увара не наблюдается, поэтому выход готовой продукции бывает выше.

В сотрудничестве с германскими производителями продуктов из мяса птицы DIL сейчас изучает возможности продления срока хранения изделий из маринованного мяса птицы. Для маринования используются составы с низким уровнем pH, действующие как барьер для микробио-логического фактора. При использовании высокого давления для инактивирования микроорганизмов параметры и состав маринада (pH, содержание соли, нитрита или фосфата) можно подобрать в расчете на получение оптимальных параметров продукта. Например, увеличение уровня pH может обеспечить снижение потерь при тепловой обработке. Для изделий из маринованного мяса птицы срок хранения после обработки давлением может быть продлен с 10 дней до 4 недель, что значительно снижает расходы на дистрибуцию.

В отличие от обработки при гидростатическом давлении применение ударных волн (давление до 1 ГПa) не имеет целью воздействовать на микрофлору, а оказывает только механическое воздействие на продукт, в частности таким образом можно размягчать мышечную ткань. Механизм воздействия в данном случае связан с рассеиванием энергии и механической нагрузкой на граничные зоны материалов, имеющих разную скорость распространения звука и акустический импеданс. Такие ударные волны можно образовывать путем подрыва взрывчатых веществ под водой, а также созданием электрического разряда в подводной среде. В институте DIL была создана электрогидравлическая установка, которая позволяет производить ударные волны без использования опасных взрывчатых веществ. Упакованное мясо погружается в сосуд и подвергается воздействию ударных волн. Механическая нагрузка, а также вторичные биохимические реакции вызывают усиленное созревание мяса и снижают время приготовления с 14 до 7 дней. После варки размягченного мяса было обнаружено снижение усилия резания. Общий расход энергии составляет всего несколько КДж на килограмм продукта, что соответствует увеличению температуры всего лишь менее чем на 1 °C. Одним из других возможных видов применения этой технологии является обработка устриц ударными волнами. Сырые устрицы погружаются в воду и подвергаются воздействию ударной волны. Сжимающий створки устрицы мускул расслабляется, и устрица открывается. Сейчас образцы такого оборудования для обработки отдельных партий уже применяются на практике, при этом планируется разработать установку непрерывного действия.

Применение нетермических методов обработки открывает новые возможности для целевой модификации структуры и функциональных свойств пищевых продуктов. В основе механизмов воздействия большинства процессов обработки лежит взаимодействие биологических, биохимических и физических факторов. Предлагаемая методика предназначена для более широкого промышленного использования, она масштабируется, в институте DIL уже имеется готовое промышленное оборудование для экспериментальных исследований, опытного и совместного производства. Разработка таких инновационных технологий расширяет инструментарий пищевой промышленности за счет введения новых способов обработки в круг проверенных обычных технологий [14].

Применение электрогидравлического эффекта. Эффект проявляется при высоковольтном импульсном электрическом разряде в жидкости.

Посол мяса и мясных продуктов является одним из видов химического метода консервирования мяса. Посол, или обработка мяса поваренной солью, самый древний широко распространенный и доступный способ консервирования.

Посол мяса - сложный технологический процесс, включающий осмотическо-диффузионый процесс. В перерабатывающих отраслях посол мяса применяется часто: при производстве крупнокусковых полуфабрикатов, мелкокусковых полуфабрикатов и др. В процессе посола важную роль играет скорость перераспределение влаги и соли по времени, а так же их конечное содержание в массе продукта. Соотношение соли и влаги обеспечивает выраженный вкус и консистенцию продукта.

В современном производстве широко применяются электрофизические технологии для усовершенствования процесса с целью сокращения времени посола. Нами, для сокращения времени посола, использованы электрогидравлические технологии. Электрогидравлические технологии основаны на использовании электрогидравлического эффекта (ЭГЭ), который открыл наш соотечественник Л.А. Юткин.

На кафедре плодоовощеводства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции разработана экспериментальная установка для обработки жидких сред в поле ВИЭР.

Рис.19. Принципиальная схема установки с параллельным подводом жидкой среды

На рисунках 19, 20 представлены принципиальная схема установки (рис.19) и принципиальная электрическая схема (рис.20).

Д ля исследований было взято мясо свинины, нарезанное на куски одинаковой массы (300 г), 13-ти процентный водный раствор соли.

Рис.20. Принципиальная электрическая схема: 1 – автотрансформатор; 2 – высоковольтный трансформатор; 3 – удвоитель напряжения; 4 – конденсатор импульсный; 5 – воздушный формирующий промежуток; 6 – рабочий промежуток

Исследования проводились с использованием методики рационального планирования эксперимента. В качестве факторов выбраны: - напряжение пробоя рабочего промежутка (U); емкость конденсаторной батареи (C). Функцией отклика являлось содержание соли в мясе. Попутно контролировалось еще ряд параметров: кислотность солевого раствора (рН), состояние кристаллов соли в солевом растворе, содержание соли в солевом растворе.

После проведения математической обработки получено уравнение регрессии

y = 0,785 + 0,03 U + 0,134 C – 0,013 U·C (1)

Построены графики зависимости содержания соли в мясе от продолжительности выдержки мяса в рассоле (рис.21).

Анализ полученных графиков показывает, что содержание соли через пять суток в опытном образце примерно в два раза превышает содержание соли в контрольном.

Рис.21. Динамика посола мяса

В рассоле проводились исследования кристаллов (рис.22, 23) и изменение кислотности. Были взяты два образца рассола: без обработки (№1) и обработанный ВИЭР (№2).

А Б

Рис. 22. Изображение кристаллов. Первый день опыта (А – контроль, Б – образец №2.

Пробу отбирали микропипеткой и высушивали ее. Последующие действия выполнялись при помощи микроскопа. Выявлено изменение формы кристаллов и их расположения по капле. В первый день проведения опыта в обоих образцах наблюдаются кристаллы с формой 3-х и 4-хугольных пирамид. На последний день опыта наблюдались изменения формы кристаллов. В образце №2 изменения более интенсивны - кристаллы уменьшились в размере, появились новые формы. Предполагается, что данное явление связано со скоростью диффузии веществ из мяса. Это доказывает, что в контрольном образце скорость посола мяса ниже, чем в опытном.

В Г

Рис. 23. Изображение кристаллов. Последний день опыта (В – контроль, Г – образец №2)

рН рассола измерялась рН-метром. Наличие сахаров в рассоле способствует развитию кислотообразующих микроорганизмов. Вследствие этого значение рН рассола сохраняется на уровне, неблагоприятном для развития гнилостных микроорганизмов. рН рассола без мяса – 7,0, через 8 дней посола – 5,8, что соответствует норме (Рис.24).

Предполагалось, что сырье, подвергнутое высоко импульсивному электрическому разряду, должно подлежать хранению и подвергаться порче медленнее, чем сырье, посоленное обычным способом (контроль). В связи с этим, были проведены опыты, целью которых установить сохранность мяса в условиях повышенной температуры (40°С) и при комнатных условиях.

Рис. 24. График изменения кислотности раствора

Предполагалось, что сырье, подвергнутое высоко импульсивному электрическому разряду, должно подлежать хранению и подвергаться порче медленнее, чем сырье, посоленное обычным способом (контроль). В связи с этим, были проведены опыты, целью которых установить сохранность мяса в условиях повышенной температуры (40°С) и при комнатных условиях.

Были взяты два образца по две пробы (в форме кусков), по истечению срока проводились органолептические исследования, где устанавливался внешний вид, запах, консистенция, цвет. Кроме этого, проводилась бактериоскопия каждой пробы, окраска мазков по Грамму. Результаты опыта приведены в таблице 1 и 2.

Таблица 1 - Органолептические показатели продукта

Показатели	t, °C	Образец №2	Контроль
Органолептика	40	Запах резкий	Запах разложения, наличие слизи
	комн	Запах сносный	Запах резкий, неприятный

Таблица 2 - Бактериоскопические показатели продукта

Показатели	Образец №2	Образец №5
Бактериоскопия	Заселенность бактериями нормальная	Заселенность бактериями значительная

Проверка на бактериоскопию выявила, что обсеменённость бактериями, на тыльной стороне хранившегося куска мяса и на разрезе, менее обширна у образца №2, нежели у контрольного образца.

Применение электрогидравлического эффекта для обработки солевого раствора для посола мяса повышает скорость процесса посола в полтора-два раза.

Раствор, обработанный высоковольтным импульсным электрическим разрядом способствует более качественному хранению мяса после посола[6].