УДК 664.8.022.03
, канд. техн. наук (НУХТ, Київ)
канд. техн. наук (ОІПДО НУХТ, Одеса)
ЗАСТОСУВАННЯ КАВІТАЦІЙНОЇ ОБРОБКИ ДЛЯ ОТРИМАННЯ ФРУКТОВИХ ГОМОГЕНІЗОВАНИХ ПРОДУКТІВ ПОДОВЖЕНОГО СТРОКУ ЗБЕРІГАННЯ
У статті наведено результати досліджень щодо можливості використання гідродинамічної обробки для стерилізації фруктових гомогенізованих продуктів. Зазначені переваги застосування такого процесу обробки порівняно з класичними.
Ключові слова: стерилізація, кавітація, гідродинамічна обробка, тиск, фрукти гомогенізовані, мікрофлора рослинної сировини.
Свіжоприготовані харчові продукти зазнають псування, яке викликається, в основному, життєдіяльністю мікроорганізмів і термін їх придатності до споживання вимірюється декількома годинами. Джерелом інфікування продуктів може бути як сама сировина, так і навколишнє середовище. Рослинна сировина значно забруднена різноманітними мікроорганізмами, джерелом яких може бути ґрунт, вода або повітря. Додатково продукт інфікується в процесі технологічної обробки. Отже, головним завданням виробників консервованої продукції є підбір процесів і технологій обробки сировини для попередження біологічного псування та водночас збереження поживної цінності вихідної сировини, яка визначається її складовими, зокрема вмістом біологічно активних нутрієнтів, доброякісністю та органолептичними властивостями (кольором, смаком, консистенцією, ароматом, тощо).
Найпоширенішим способом знищення мікрофлори рослинної сировини є теплова обробка. Якість консервованих продуктів залежить від обраного методу консервування та способу теплової обробки. В процесі розвитку науки і техніки були розроблені різні способи та модифікації теплової обробки:
- стерилізація – теплова обробка консервів при 100°С і вище;
- пастеризація – теплова обробка консервів за температур нижче 100°С;
- гаряче фасування – окремий випадок пастеризації - термічна обробка кислотних продуктів до фасування у велику тару (≥ 3 дм3), яка забезпечує одержання промислово стерильних продуктів та знищення залишкової мікрофлори за рахунок високої температури продукту при фасуванні та довільного охолодження;
- тиндалізація або повторна (багаторазова) стерилізація (пастеризація) – продукт піддають тепловій обробці двічі або тричі з інтервалами між нагріванням 20-28 годин;
- дробова теплова стерилізація – двостадійна обробка при традиційній температурі стерилізації з проміжною витримкою продукту між тепловими обробками протягом 1,5 і 0,5 годин відповідно при температурі від 30 до 50°С.
При використанні класичної технології стерилізації продукт нагрівають за рахунок теплоносія (вода, пара), що вимагає значних енерговитрат [1,2].
Автори даної роботи досліджували можливість зниження витрат енергії на стерилізацію продукту за рахунок використання процесу кавітації.
Кавітація являє собою засіб локальної концентрації енергії низької густини у високу густину енергії, пов’язану з пульсаціями і схлопуванням кавітаційних бульбашок. Кавітація – явище розриву краплинної рідини під дією розтягуючих напруг, що виникають при розрідженні в точці рідини, що розглядається. В фазі розрідження акустичної хвилі або за рахунок місцевого пониження тиску нижче деякого критичного при обтіканні твердого тіла, в рідині утворюються каверни (кавітаційні бульбашки), які заповнюються насиченою парою даної рідини. В фазі стискання під дією підвищеного тиску і сил поверхневого натягу каверна захлопується, а пар конденсується на поверхні розділу фаз. Через стінки каверни в неї дифундує розчинений в рідині газ, що згодом піддається сильному адіабатичному стисканню.
В промисловості для кавітаційного впливу на рідину використовують гідродинамічні, електродинамічні, п’єзоелектричні, магнітострикційні і механічні генератори кавітації.
Якщо тиск знижується внаслідок зростання місцевих швидкостей потоку краплинної рідини, то кавітація має назву гідродинамічної, якщо пониження тиску викликане проходженням акустичних хвиль, то кавітація має назву акустичної.
Критичний тиск, за якого відбувається розрив рідини залежить від багатьох факторів: чистоти рідини, вмісту повітря, стану поверхні, на якій виникає кавітація [3, 4].
В ультразвуковому діапазоні найбільш поширені п’єзоелектричні та магнітострикційні генератори кавітації, в яких використовується прямий магнітострикційний та п’єзоелектричний ефект в змінних магнітних та електричних полях. Ультразвукові коливання від перетворювача передаються речовинам, що обробляються через спеціальні трансформуючі та узгоджуючи пристрої (концентратори, пластини та ін.), що закінчуються випромінюючою поверхнею.
Принцип дії імпульсного електророзрядного випромінювача заснований на електрогідравлічному ефекті, що полягає в генерації ударних хвиль в рідині при її пробої.
В гідродинамічних кавітаторах типу роторних імпульсних апаратів, в основному, реалізується гідродинамічний і акустичний вплив в рідині за рахунок розвиненої турбулентності, пульсацій тиску і швидкості потоку рідини та ін.
Суперкавітуючі гідродинамічні пристрої за принципом дії розділяються на: динамічні – з робочими органами, що обертаються, в основному лопатеві; статичні – з робочими органами, що не рухаються: струминні – із струминними кавітаторами; комбіновані – що складаються з комбінацій перших трьох типів. Робочі органи таких апаратів встановлюються в спеціально спрофільованих проточних ділянках (наприклад, труба Вентурі) [3,5].
Не дивлячись на широке розповсюдження інформації щодо позитивних характеристик кавітаційних апаратів, вплив кавітаційної обробки на біологічні об’єкти ще дуже мало вивчений. Але роботи з вивчення цього питання проводяться повсякчас.
В 2003-2005 рр. АОЗТ «Інженерним центром Трансзвук» спільно з Одеською філією інституту біології південних морів було розроблено гідродинамічну ультразвукову установку і досліджено ефективність технології гідродинамічно-електроімпульсного знезараження баластних вод судів при робочому тиску 11∙105 Па. Технологія заснована на локальному високоінтенсивному комплексному впливі на потік рідини, що обробляється комбінацією фізичних полів, що виникають при переході швидкості руху потоку через швидкість звуку. Доведено — гідродинамічна обробка баластних вод при вхідному тиску 11∙105 Па призводить до загибелі фітопланктону та супутньої шкідливої мікрофлори води.
Крім того, автори установки сумісно з доцентом кафедри виноробства Одеського інституту харчових технологій проводили експерименти з вивчення впливу кавітаційної обробки вин на вегетативні клітини рас дріжджів, які використовують при виготовленні шампанських вин. В результаті кавітаційно-акустичного впливу гідродинамічної обробки при тиску 16∙105 Па вегетативні дріжджові клітини повністю загинули. Автори пояснюють це тим, що в зоні різкого перепаду тиску під час руху рідини, відповідно до закону Бернуллі, відбувається її миттєве «мікрозакипання». Ще одним згубним для мікроорганізмів фактором є надвисоке газовиділення, що за своєю дією подібне до «кесонної» хвороби і призводить до порушення цілісності клітин живих організмів, що знаходяться в рідині. Ультразвук, що генерується у вузькій зоні потоку, призводить до руйнування структури мікроорганізмів. Крім того, при повторному перепаді тиску (від вакууму до надлишкового тиску), виникає так званий трансзвуковий перепад тиску, обумовлений переходом режиму руху рідини від надзвукового до дозвукового. В зоні дії такого перепаду відбувається вибух бульбашок, що супроводжується сильним механічним впливом на рідину і мікроорганізми.
Автори даної роботи проводили дослідження на гідродинамічних установках періодичної дії, в яких кавітація виникає внаслідок пониження тиску за рахунок зростання місцевих швидкостей потоку продукту, що обробляється при потраплянні його в статичний кавітатор, встановлений в спеціально спрофільованій ділянці трубопроводу.
Метою нашого експерименту було отримання гомогенного продукту подовженого строку зберігання.
Нами в сезон 2011 року відпрацьовувалась технологія гомогенізованих фруктових продуктів на гідродинамічних установках типу ТЕК-СМ, розроблених Осіпенко С. Б. (НВПП «Текмаш»). Принципова схема такої установки зображена на рисунку 1. Установки типу ТЕК-СМ складаються з послідовно сполучених насосу, засобу турбулізації або кавітації (гідродинамічний модуль) та резервуару.
В резервуар установки завантажували попередньо розвальцьовані або крупноподрібнені ягоди (полуниці, журавлину, чорницю чи смородину). Резервуар повинен бути заповнений повністю. Після заповнення резервуар закривали та герметизували. Вмикали привод насосу, і сировина потрапляла у всмоктуючий патрубок насосу, де вона прискорювалась і під тиском 3 Бар подавалась в гідродинамічний модуль. Внаслідок кавітаційного впливу сировина подрібнювалась і нагрівалась. Після гідродинамічного модуля рідке середовище потрапляло в резервуар, де за рахунок тангенціального введення закручувалось. Тангенціальне введення продукту в резервуар забезпечувало тертя його часточок одна об одну і об стінки резервуару з виділенням теплоти, що інтенсифікувало нагрів продукту.
При проведенні першого етапу дослідних робіт вивчали вплив безпосередньо процесу кавітації на мікрофлору рослинної сировини - мезофільні анаеробні, факультативно-анаеробні мікроорганізми, плісеневі та дріжджові гриби. Максимальний тиск, що досягався в гідродинамічній установці ТЕК-СМ – 3∙105 Па. Продукт обробляли протягом 40 хвилин. Мікробіологічні дослідження показали, що кількість мікроорганізмів до і після обробки або залишалась незмінною, або знижувалась незначно, що свідчить про відсутність стерилізуючого ефекту кавітаційної обробки при низькому тиску. Тому для забезпечення промислової стерильності та стійкості розроблених консервів «Фрукти гомогенізовані» проти мікробіологічного псування використовували ефект нагріву продукту при гідродинамічній обробці за рахунок явищ гідромеханіки: тертя, турбулізації та кавітації.
Оскільки рН гомогенізованих ягід не перевищує 3,5 - летальність, яка забезпечить їх промислову стерильність, повинна складати 100 умовних хвилин (тест-мікроорганізм Bys. nivea) при базовій температурі 80
, z=8 [6]. Нагрів продукту, одночасно з гомогенізацією, до 88°С досягався за 42 хв. Подальше підвищення температури не здійснювали, щоб запобігти руйнуванню термолабільних нутрієнтів сировини, спінювання та надмірного пароутворення при вивантаженні її з установки. Однак, кількість теплоти при цьому була недостатня для загибелі спор плісені. Для досягнення необхідного летального ефекту продукт додатково витримували в установці при осцилюючому режимі, який забезпечував температуру 87,5 – 88,5°С. Фактичний стерилізуючий ефект склав 122 ум. хв.
В ході нашого експерименту стерильний продукт фасували гарячим одразу після стерилізації в гідродинамічній установці в попередньо оброблені парою пляшки І-53-1000. Для знищення мікрофлори, яка потрапляла в продукт при фасуванні з повітря цеху, його додатково пастеризували шляхом витримки в герметично закупореній тарі в термокамері протягом 10 хв. при температурі 86±0,5ºС. Додатковий стерилізуючий ефект складав 50 ум. хв. Мікробіологічні дослідження показали, що при вказаних режимах досягається промислова стерильність і, відповідно, стійкість продукту до мікробіологічного псування.
Процес фасування продукту після досягнення необхідного стерилізую чого ефекту можна здійснювати асептичним методом, що дасть змогу знизити теплове навантаження на продукт. При такій схемі оброблюваний продукт після досягнення стерилізую чого ефекту охолоджують до температури 25°С в контурі гідродинамічної установки і фасують в асептичних умовах в стерильну тару.
На рисунку 2 наведено схему виробництва консервів «Фрукти гомогенізовані» на установці ТЕК-СМ з двома способами консервування.
 |
Рис. 2. Технологічна схема виробництва консервів «Фрукти гомогенізовані»
Отже, проведені дослідження показали, що при застосуванні кавітаційної обробки для отримання гомогенізованих продуктів на гідродинамічних установках низького тиску досягнення їх мікробіальної стабільності можливе за рахунок комбінації дії сил кавітації та нагріву продукту в результаті явищ гідромеханіки. Внаслідок нагрівання продукту без використання теплоносіїв знижуються енерговитрати.
Крім того, попередні дослідження показали – використання вищевказаного процесу для обробки плодово-ягідної сировини забезпечує збереження її біологічно активних компонентів та органолептичних показників.
Література
1. Фізико-хімічні і біологічні основи консервного виробництва / , , . — Одеса: Друк, 2006. — 400 с.
2. Технология консервирования плодов, овощей, мяса и рыбы / Под ред. . —2-е изд., перераб. и доп. —М.: «Колос», 1993. — 320 с.
3. Кавитация / . — Ленинград: «Судостроение», 1977. —247 с.
4. Основы физики и техники ультразвука: Учеб. пособие для вузов / , , и др. — М.: Высш. шк., 1987. — 352 с.: ил.
5. Р. І. Сілін, А. І. Гордєєв / Вібраційне обладнання для кавітаційно-магнітної обробки води // Автоматизація виробничих процесів у машинобудування та приладобудуванні. — 2009.— Вип. 43. — С 33-43.
6. Справочник по стерилизации консервів / , Мазохина-, — М.: Агропромиздат, 1987. — 271 с.
