книги из ГПНТБ / Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов

При нагревании продукта в поле СВЧ воздействие тепла на микроорганизм происходит не столько путем теплоотдачи от окружающей среды (продукта), как это характерно для других методов нагрева, сколько в результате образования тепла в са­ мом содержимом клеток под действием высокочастотного переменного поля. Поэтому при нагревании продукта в поле СВЧ микроорганизмы отмирают значительно быстрее. Напри­ мер, воздействие электромагнитного поля частотой 1400 МГц на культуры стафилококков, кишечных палочек и палочек Коха в течение 1 мни, нагревавшего культуру до 34° С, приводило к прекращению размножения бактерий. Существует еще ряд аналогичных примеров воздействия СВЧ-энергии на другие ви­ ды бактерий, подтвеождающие этот эффект.

Эффективность воздействия СВЧ-энергии подтверждена мно­ гочисленными опытами пастеризации молока, вина, стерилиза­ ции фруктовых консервов, плодово-ягодных и томатных соков, молока, мяса, рыбы. Например, стерильный продукт (мясо и рыбу) можно получить при нагревании до температуры 145° С в течение 3 мин, тогда как обычная стерилизация проводится в течение 40 мин при температуре 115—118° С. Упакованный в по­ лимерную пленку хлеб, обработанный в поле ВЧ и СВЧ с повы­ шением его температуры до 60° С, не плесневеет при хранении в течение 10 суток, в то время как не подвергшийся обработке хлеб плесневеет на вторые-третьи сутки [153].

В настоящее время еще нет оснований категорически утверж­ дать, что единственной причиной бактерицидного действия явля­ ются нетепловые эффекты СВЧ. Однако у ряда исследователей эта точка зрения находит свое отражение [51, 97 и др.]. Досто­ верно установлено, что СВЧ-поле малой интенсивности не обла­ дает бактерицидным действием, но оказывает заметное влияние на некоторые физиологические и биохимические процессы. Так, под воздействием СВЧ повышается активность некоторых де­ гидрогеназ, стимулирующих рост клеток бактерий, отмечается также мутогенное действие [30]. В то же время при исследовании влияния полей СВЧ низких интенсивностей на гемоглобин и фер­ менты установили, что конформационная структура белка и ферментативная активность не меняются [50]. Клетка представ­ ляет собой объект с многочисленными границами раздела сред, обладающими отличительными друг от друга электрофизичес­ кими свойствами. Разница свойств предопределяет и уровень энергии, поглощаемой данной средой при прочих равных усло­ виях. Измеряемая в опытах температура объекта является инте­ гральной, т. е. не выражающей локальное распределение. Впол­ не вероятно, что селективное выделение тепла на жизненно важ­ ных участках клетки и приводит к эффектам, описанным выше.

440

в о з д е й с т в и е н а в о д у и в о д н ы е р а с т в о ­

ры МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Пищевые продукты содержат значительное ко­ личество воды, аномальность свойств которой общеизвестна и не вызывает сомнений. Одна особенность воды — изменение и сох­ ранение в течение некоторого времени ряда свойств под дейст­ вием электромагнитного поля — в достаточной степени досто­ верна. Данных об исследовании влияния магнитного поля на пищевые продукты очень мало, поэтому сведения из близких областей знаний могут быть полезны и для пищевых отраслей промышленности. Как известно, вода в пищевых продуктах на­ ходится как в слабо связанной форме, так и в виде химических соединений. В подавляющем большинстве случаев вода в коли­ чественном и качественном отношении представляет как свойства продукта, так и характер протекания целого ряда технологичес­ ких процессов: сушка, выпаривание, разделение неоднородных систем и др. Поэтому изменение свойств воды, являющейся не­ отъемлемой частью пищевых продуктов, под действием электро­ магнитного поля представляет большой интерес.

Еще в 30-х годах рядом исследователей обнаружено влияние магнит­

нение вязкости и электропроводности воды под действием магнитного поля. Обнаруживается изменение оптических свойств — коэффициента экстинкиии. Отмечается уменьшение угла смачивания, так, для силикалия эта величина уменьшается на 20--30% [56]. Интересные сведения о магнитной обработке воды для питания паровых котлов сразу привлекли к себе внимание. Это тем более удивительно, что метод практически без всякого теоретического обоснования нашел достаточно широкое практи­ ческое применение в промышленности [56, 107, 108, 1151. В результате весьма элементарной обработки воды, заключающейся в прохождении ее через слабое магнитное поле, на теплопередающей поверхности не обра­ зуется прочной накипи. Образующийся осадок легко удаляется при продув­ ке. Д . Пиккарди, анализируя экспериментальный материал, установил, что на процессы в водных растворах влияет магнитное поле земли. Он считает, что эти изменения свойств воды происходят за счет водородных связей.

С. И. Ремпель полагает, что в гидратированных ионах образуется маг­ нитное поле, наведенное внешним магнитным полем. В результате их взаимо­ действия осуществляется ориентация ионов. Он считает, что упорядоченному расположению ионов «мешает» тепловое движение и именно внешнее маг­ нитное поле создает условия для создания более плотной структуры раство­ ров. Дальнейшее развитие такие представления находят в работах В. И. Ми­ ненко и др. (Харьковский инженерно-экономический институт). По их пред­ ставлениям внешнее магнитное поле изменяет плотность электронных облаков ионов и происходит их поляризация в молекулах воды, что в конечном итоге приводит к изменению структуры раствора.

Существуют и иные представления о механизме изменения свойств раст­ воров под действием магнитного поля. Н. Н. Непримеров и др. (Казанский государственный университет) считают, что нарушение свойств воды возмож­ но в результате изменения соотношений орто-и паромолекул воды. При этом

441

имеется в виду, что спины ядер двух атомов водорода могут быть ориенти­

подтвердить ее реальность тем, что энергетический барьер такого перехода в сотни раз меньше энергии водородных связей, с изменением которых авторы других гипотез связывают структурные изменения воды в маг­ нитном поле.

Ряд исследователей (А. М. Шахов, А. Н. Киргмнцев, В. М. Соколов- и др.) считает, что изменения в воде являются следствием, либо коагуля­ ции коллоидов, т. е. дегидратации двойного электрического слоя и сни­ жения С-потенциала, либо присутствием в воде железа.

Несмотря на существование ряда гипотез, объясняющих действие магнитного поля на воду, в основном поляризующими факторами против них имеются серьезные возражения и в первую очередь те обстоятельства, чго свойства, приобретенные водой, находящейся в состоянии равновесия при прохождении ее через магнитное поле, сохраняются в течение весьма малого промежутка времени (порядка 10-0с). Как указывают Е. Ф. Тебенихин и Б. Т. Гусев, действие магнитного поля на воду проявляется толь­ ко в термодинамически неустойчивых системах, а также в присутствии ферромагнитных окислов железа.

В любом случае, когда обнаруживается эффект воздействия магнит­ ного поля с какой-либо средой или биологическим объектом, следует признать, что в нем существует либо собственное магнитное поле, либо система двшкущихся зарядов (электрический ток). Так как в любую био­ логическую систему и, конечно, пищевые продукты входит вода и ее рас­ творы, именно их следует иметь в виду как возможную среду для пере­ носа электрических зарядов. Именно поэтому ряд авторов [42, 82, 98] приходит к вполне справедливому заключению, что эффект взаимодей­ ствия магнитного поля с биологическим объектом заключается во взаимо­ действии магнитного поля и водных растворов, содержащихся в биоло­ гическом объекте.

Единого представления о механизме воздействия магнитного поля на воду нет, по-видимому, приведенные гипотезы отражают лишь разные аспекты этого сложного явления.

В целом можно утверждать, что все физические свойства воды, а так­ же их аномалии, являются производными ее структуры и состояния водородных связен. Для биологических структур водородные связи имеют особенно важное значение [131, 145].

На свойства водных растворов большое влияние оказывает гидрата­ ция. За счет воды гидратных оболочек уменьшается общее ее количество в растворе, что естественно сказывается на свойствах системы: вязкости, растворимости, коэффициенте диффузии и т. д.

В связи с тем что потенциальная энергия взаимодействия иона с молекулой воды значительно превосходит энергию теплового движения, ионы и соседние молекулы воды образуют прочные молекулярные агре­ гаты, ведущие себя во внешнем электрическом поле и в тепловом движе­ нии, как обособленная частица. В то же время магнитное поле само спо­ собно влиять на степень гидратации животных тканей [42]. Аналогичное действие на биологические объекты отмечены при наложении на них низ­ кочастотных электромагнитных полей (3—50 Гц).

Аномальность свойств воды проявляется особенно резко при взаимодействии ее с магнитным или высокочастотным полем, причем наличие в воде макромолекул белка только усложняет общую картину. Рядом исследователей установлено, что под действием магнитного поля в биологическом объекте возникают

4 1 2

серьезные изменения в таких жизненно важных процессах, как нарушение обменных реакций и передачи вещества через биоло­ гические мембраны. При этом утверждается, что стержнеобразные молекулы в форме жидких кристаллов могут ориентироваться в магнитном поле [157, 160].

Показателен факт перемещения эритроцита при весьма зна­ чительных напряженностях магнитного поля (24-10е А/м), при этом угловая скорость вращения вдвое превышает вращение, обусловленное броуновским движением [161].

Важным является уменьшение в белковых растворах коэф­ фициента диффузии D ионов в магнитном поле [158]. Средний ква­

драт перемещения иона г2 в клетке во времени t связан с коэф­

фициентом диффузии соотношением г2 = 4Dt. Показано, что уменьшение среднего квадрата перемещения иона под влиянием магнитного поля более заметно в том случае, если электростати­ ческое поле создается зарядами цитоплазмы. Заметный эффект ожидается при напряженности магнитного поля около 8 • 106 А/м.

Очень существенно воздействие магнитного поля на фермен­ тативную активность. Так, сравнивали ультрафиолетовые спект­ ры поглощения раствора трипсина, облученного УФ-светом с дли­ ной волны 253,7 мм и подвергнутого действию магнитного поля напряженностью 64 • 104 А/м [149]. Облучение инактивирует три­ псин, нивелирует спектр и вызывает образование 3+0,5 SH-rpynn на одну молекулу. Действие магнитного поля приводит к умень­ шению УФ-поглощения трипсина; свободные SH-группы при этом не появляются. Близкие результаты получены при изуче­ нии инфракрасных спектров: после обработки в поле напряжен­

зом при pH 7—8 и ингибиторами трипсина из яичного белка, под действием магнитного поля напряженностью 4-105 А/м стабиль­ но увеличивалась на 5—12% [166]. Отмечен еще ряд факторов влияния магнитных полей на биологические системы, однако пов­ торяемость и достоверность этих факторов невелика.

Заслуживает внимания факт воздействия на микробные клет­ ки магнитных полей [125]. На тест-микробы действовали в те­ чение 50 пассажей постоянным (Я = 48-104 А/м), переменным (144-102А/м) и импульсным магнитным полем. Установлено, что при обработке Proteus Vulgaris на агаре вырастали двоякого вида колонии (рис. 195, а); большинство были мелкими, круг­

443

колонии большого размера с неровными краями. В обработан­ ных штаммах Bas. subtilis обнаруживается редкая изменчивость морфологии (рис. 195, б, в): бациллы утолщены, увеличены в длину, изогнуты, нитевидны. Можно заключить, что микроорга­ низмы не нейтральны к воздействию магнитных полей.

Основные практические аспекты применения эффекта воз­ действия магнитного поля на водные растворы — борьба с накипеобразованием. По-видимому, только отсутствием достаточ­ но достоверных и широких сведений о природе эффекта можно объяснить пока ограниченность его использования, особенно

впищевых отраслях производства.

Впастеризаторах молока, вина и других жидких пищевых продуктов наблюдается значительное отложение на стенках не­ растворимого осадка. Так, в молочных пастеризаторах нака­ пливается «молочный камень», удалять который трудно. Мож­ но использовать для борьбы с нерастворимыми осадками маг­ нитное поле [66]. Магнитный поток создается электромагнитом, состоящим из стального сердечника с шестью катушками, раз­ деленными стальными кольцами, которые являются магнитопроводами между сердечником и корпусом аппарата. Напряжен­ ность поля 400 А/см при чередовании полярности в рабочем за­ зоре. Установлено, что при данных энергетических параметрах наилучший эффект имеет место при скорости протекания молока около 0,5 м/с.

Установлено, что при предварительной обработке молока в магнитном поле снижается количество нерастворимого осадка на 15—20%. Заметных изменений в белке и жире не обнаруже­ но. Поведение молока в магнитном поле аналогично воде. Так, удельная электропроводность молока (температура 20° С) в ре­ зультате магнитной обработки изменяется. Аналитически связь

между удельной электропроводностью до обработки •/„ и после обработки •/-! следующая:

где а — 12,02; b = 0,6637.

Аналогичный результат получен при обработке магнитным полем мелассы и сахарного сока. При этом период между чист­ ками испарителя увеличился с 6 до 52 дней [119].

Для обработки виноматериалов и питательной воды на Мукачевском винзаводе использован статор асинхронного двигателя мощностью 2,6 кВт. Обрабатываемый продукт протекает по тру­ бе из диамагнитного материала, расположенной в роторном отверстии двигателя. Удельный расход энергии около 100 Вт/м3.

Однако пока наибольшее значение магнитная обработка при­ обрела для очистки питательной воды. Конструкции аппаратов

445

для этих целей весьма разнообразны. В качестве источника маг­ нитного поля используют постоянные и электромагниты. По­

жидкости 2 м/с.Наиболее целесообразно использовать это устрой­ ство для обработки подпиточной воды в системах горячего во­ доснабжения и охлаждения.

Рис. 197. Аппарат для магнитной обработки воды:

/ — полюсный наконечник; 2 — труба; 3 — магнит.

446

список и с п о л ь з о в а н н о й л и т е р а т у р ы

Н А м а д ж а л о в а Н. А. О возможности использования метода измерения диэлектрических потерь в области аномального поглощения для определения качества пищевых продуктов. — «Труды Научной сес­ сии. Достижения и задачи советской биофизики в сельском хозяйстве».

Изд-во АН СССР, 1955, с. 103—107 с ил.

2. А н д р е е в С. Н., К у д и н В. Н., Н е т у ш и л А. В. Электрические свойства некоторых пищевых продуктов в полях высокой

гаустирование консервов в стеклянной таре. — В сб.: «Новые физические методы обработки пищевых продуктов». Киев, Гостехиздат, 1963, с. 97—

9.А в т о р с к о е свидетельство № 286491, 1970.

10.А в т о р с к о е свидетельство № 96349, 1968.

имолочного производства. Киев, ММП УССР, 1970, 128 с.

14.Б а б а и о в Г., Т к а ч П. и др. Электроконтактная обработка

и функций живых систем. Перевод с нем. под ред. К. С. Тринчера. М.,

стерилизатора сыпучих питательных сред для производства ферментных препаратов. Кандидатская диссертация, Воронеж, ВТИ, 1972, 146 с.

роконтактной обработке некоторых пищевых продуктов. Кандидатская диссертация. Киев, КТИПП, 1972, 140 с.

22. Б у н к е Э. К., Д а н и л о в В. Н., Ш е в ч е н к о А. М. Электроконтактная обработка мясного фарша на частотах 9—14 кГц. — В сб.: «Новые физические методы обработки пищевых продуктов». М., 1967, с. 23—25.

23. Б у н к е Э. К., П р и л и п к о Л. Т. Исследование процесса перехода ионов железа с электродов в раствор при электроконтактной об­ работке раствора на частотах звукового диапазона. — В сб.: «Пищевая промышленность», вып. 10, Киев, «Техника», 1969, с. 31—34.

447

излучения в отдельных термических процессах мясной технологии. Авто­ реферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1969, 21 с.

вие ионизирующих излучений и полей СВЧ на биологические объекты». Саратов, Изд-во Саратовского университета, 1971, с. 38—42.

31. Д а и ш е в М. И., 3 е л и к м а н И. Ф., Д а и ш е в а Л. М. Анализ явлений, протекающих в низкокачественных сахарных раство­ рах под воздействием переменного электрического тока. — «Тр. Всесоюз­ ной конференции по новым физическим методам обработки пищевых продуктов», Воронеж, 1968, с. 38—39.

32. Д а м а с к и н Б. Б. Электродные проницаемости. Кинетика. Электрохимический анализ. Принципы современных методов изучения

щевых продуктов электрическим током». Сб. 1, М., ГосИНТИ, 1958. 35. В а й к у т и т е А . Ю. Изучение применения электрического

тока промышленной частоты для нагрева мясопродуктов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

М.. МТИММП, 1959, 21 с.

Влияние длительности куттерования и влажности на технологические характеристики фарша и готовых изделий. М., ЦНИИТЭИмясомолпром, 1969, с. 26 —30.

38. В о р о ш и л о в а Н. В. Применение СВЧ электромагнитного нагрева для тепловой обработки мяса домашней птицы. Кандидатская диссертация. Л., ЛИХСТ, 1970, 178 с.

зоне сверхвысоких частот. — В сб.: «Применение СВЧ-нагрева в общест­ венном питании». М., «Экономика», 1969, с. 72—85.

448

41. В ы ш е л е с с к и й А , Н., Н е к р у т м а н С. В. Дефростация пищевых продуктов в поле СВЧ. — В сб.: «Применение СВЧ-нагрева в общественном питании». М., «Экономика», 1969, с. 24—29.

42. Д р у з ь В. А., М а д и е в с к и й Ю. М. Влияние постоян­ ного магнитного и низкочастотных электромагнитных полей на гидро-

следование тепло- и массообмеиа в технологических процессах и аппара­ тах». Минск, «Наука и техника», 1966.

45. 3 а ф р и и Э. Я. Исследование процесса сублимационной суш­ ки в электромагнитном поле СВЧ. Кандидатская диссертация. М., МИХМ, 1971, 168 с.

извлечения сахара из свеклы с помощью селективного электроплазмо­

способ сушки средних жилок табака. — В сб.: «Новые физические методы обработки пищевых продуктов», Киев, 1963, с. 55—66. .

52.И ш у к о в В. П. Сушка мяса токами высокой частоты. — «Тру­ ды МТИММПа», 1958, вып. VIII, с. 37—45.

53.И ш у к о в В. И. Сушка мяса токами высокой частоты. —

«Новая техника в производстве и исследованиях мясных и молочных про­ дуктов». Сб. 18, М., 1956, с. 14—22.

54. К а п п а н с к и й С. Я. Аминокислотный состав и пищевая ценность белков. Тезисы докладов конференции по белку, 1950, с. 51.

55. К и р п и ч н и к о в В. П. Исследование диэлектрических свойств овощей и режимов их тепловой обработки в аппаратах СВЧ.

гических свойств воды воздействием магнитного поля. — «Горный жур­ нал», 1965, № 5.

57.К о з ь м и н а Е. П., М а л ю т и н А. Ф. Исследование ус­ тойчивости витаминов Вх, В2, РР при сверхвысокочастотной термической обработке мяса. — В сб.: «Применение СВЧ-нагрева в общественном пита­ нии. М., «Экономика», 1969, с. 36—49.

58.К о г а н Ф. И. Электрофизические методы в технологии кон­

15-381 449