Формирование структуры дисперсных систем в неравновесном состоянии в условиях совмещения двух видов кавитационных воздействий

В кондитерской промышленности нашли широкое применение высококонцентрированные жидкие дисперсные системы с количеством сухих веществ не менее 70%, и с полным отсутствием трансляционного движения: сахарные и инвертные сиропы, различные эмульсии и суспензии [1]. Отличительной их особенностью является большое количество агрегатов из твердых частиц с высокой дисперсностью, окруженных оболочками из дисперсионной среды. За счет возникновения молекулярного силового поля на границе раздела фаз, монослой оболочки, приобретающий специфические модифицированные свойства, прочно удерживается на всей поверхности данных частиц [1].

Определяющим фактором образования агрегатов из частиц дисперсной фазы является возникновение молекулярных сил сцепления между ними [2].

В существующих традиционных технологиях производства пищевых масс, в частности кондитерских, образование жидких дисперсных систем осуществляется в большом объеме с подводом одного вида потока энергии. И технологические процессы осуществляются настолько медленно, что в каждый момент времени в системе устанавливается некоторое равновесное макроскопическое состояние, и данное состояние можно контролировать температурой, плотностью или молярной концентрацией. Поэтому макроскопическое равновесие во всем технологическом объеме достигается за весьма продолжительное время.

Более того, биологические свойства обрабатываемой среды могут ухудшиться из-за чрезмерной продолжительной термической обработки.

Работами института доказана эффективность получения жидких дисперсных систем в динамических условиях созданием неравновесного состояния за счет подачи двух видов потока энергии, путем совмещения гидродинамической и акустической кавитации [3].

В настоящей работе отражены пути решения данной проблемы с учетом особенностей структурообразования используемых жидкостных высококонцентрированных дисперсных систем.

Цель работы – разработка принципов перехода от макростатического равновесия к разработке каждого микростатического объема жидких дисперсных систем в процессе их получения в условиях неравновесного состояния, создаваемого совмещением двух видов кавитационных воздействий.

post@vestnik-vsuet.ru Материалы и методы

В качестве объекта исследований выбран инвертный сироп с количеством сухих 80% и редуцирующих 79–80% веществ. Инвертный сироп со 100% инверсией сахарозы на глюкозу и фруктозу широко применяется при производстве мучных кондитерских изделий и ряда пастило-мармеладных изделий. Данный сироп относится к одной из простейших макромолекулярных сред, где процессы образования структур могут проявляться наиболее простым образом.

На начальных стадиях технологии инвертного сиропа в процессе нагревания сахарного сиропа до 90 ^о С, в варочном котле в статическом состоянии, при растворении сахара образуется большое количество частиц дисперсной фазы с образованием водных оболочек вокруг них. Прочное сцепление оболочек с частицами на границе раздела фаз, можно объяснить возникновением в монослое оболочки молекулярного силового поля. Работами академика П.А. Ребиндера и его школой доказано своеобразие свойства тончайшего монослоя образовавшихся оболочек дисперсионной среды, которое заключается в удержании влаги за счет молекулярного силового поля, всегда возникающего вследствие некомпенсированности молекулярных сил в междуфазном поверхностном слое [4, 5]. Также своеобразие монослоя заключается в том, что влага находится в уплотненном состоянии, имеет плотность больше единицы и не растворяет обычно растворимые вещества (соль, сахар).

В процессе нагревания сиропа и постоянного повышения количество фруктозы и глюкозы при инверсии сахарозы создаются наиболее благоприятные условия для максимального сближения частиц дисперсной фазы, которые при разрыве оболочек сцепляются с образованием агрегатов из молекул сахарозы различной пространственной формы и размеров (молекулярный размер сахарозы приблизительно равен 1 нм).

Также установлено, что по углам и ребрам образовавшихся частиц дисперсной фазы, возникают молекулярные силы сцепления, в которых молекулярные силы и потенциальная энергия достигает своих локальных максимумов [6]. В образовавшихся агрегатах из-за уплотнения содержания частиц дисперсной фазы удельная поверхность агрегата значительно меньше, чем суммарная поверхность частиц его образующих. В связи с содержанием сухих веществ в сиропе, порядка 80%, образуется большое количество агрегатов из высокодисперсных частиц дисперсной фазы. При этом суммарная удельная поверхность данных агрегатов значительно снижается в сиропе, что обеспечивает образование значительного количества пустот. Такие пустоты с содержанием газовой фазы, по своей физической сути являются кавитационными зародышами, чьи физические характеристики могут меняться с течением времени. Аналогично, при получении эмульсии с влажностью от 25–32% на начальной стадии по мере повышения плотности также обеспечивается зарождение большого количества пузырьков воздуха.

Талейсник М.А. и др.

Таким образом, установлено, что жидкие дисперсные системы с содержанием сухих веществ свыше 70% сжимаемы, и, как правило, содержат большое количество зародышей пузырьков воздуха [7]. После максимально возможного растворения сахара и образования газо-жидкостной системы (ЖДС)

с большим количеством агрегатов из молекул сахарозы, дальнейшая её инверсия будет осуществляться в условиях создания динамического и неравновесного состояния сиропа. Такое состояние достигается путём установки реактора на продуктовом трубопроводе лабораторной кавитационной установки (рисунок 1, а).

Зоне поеыи.е**<хо давления

Pressure zone

L - длина волновода waveform length

V)>V?>Vi - скорость speed

Рз<Рт<Р1 - давление pressure Эоне повышенного aaanew*

Pressure zone

Акустическое воздействие Acoustic influence

1 – приемная емкость, 2 – реактор, 3 – насос

1 – receiving capacity, 2 – reactor, 3 – pump

1 • волноотвод; 2 - реактор

1 - breakwater; 2 - reactor

Геометрическая конфигурация реактора

Geometrical configuration of the reactor

(a)                                                                         (b)

Рисунок 1. Принципиальная схема кавитационной установки (a), принципиальная схема реактора кавитационной установки (b)

Figure 1. Schematic diagram of cavitation plant (a), schematic diagram of cavitation plant reactor (b)

В реакторе при температуре порядка 95℃ инверсия сахарозы осуществляется в условиях подвода двух видов потоков энергии – совмещения гидродинамической и акустической кавитации (рисунок 1, b). Получение инвертного сиропа обеспечивается многократным прохождением реактора в режиме рециркуляции [8].

При переходе от макроскопического к микроскопическому уровню получения газо-жидкостных систем становится возможным управление различными технологическими потоками. В настоящей работе такое управление обеспечивается совмещением быстрых и медленных гидродинамических процессов [9]. Данные процессы могут быть организованы заданным образом в потоке ЖДС на лабораторной кавитационной установке, в реакторе которой обеспечивается совмещение двух видов кавитационных воздействий – гидродинамического медленного и акустического быстрого. В установке ЖДС из приемной емкости по трубопроводам насосом прокачивается через реактор, который создается путем установки в трубопроводе волновода созданием узкого зазора между ними около 3 мм.

Создаются условия гидродинамической кавитации (ГДК). В соответствии с законом гидродинамики, при резком увеличении скорости потока и частичным нарушением сплошности твердых частиц, происходит значительное падение давления [9, 10]. При этом значительно увеличивается объём газовых пузырьков и происходит накопление поверхностной потенциальной энергии.

При наличии акустической кавитации с высокочастотным колебанием волновода порядка 24 кГц обеспечивается волнообразное движение потока в вертикальном направлении при одновременном образовании сложного турбулентного движения (рисунок 2) [2, 5].

Рисунок 2. Схема цикла колебаний пузырька газовой фазы в условиях акустической кавитации

V 1 > V 2 ; Р 1 < Р 2.

V 1 , Р 1 скорость и давление на подъеме волны

V 2 , Р 2 скорость и давление на спуске волны

Figure 2. Scheme of gas phase bubble oscillation cycle under conditions of acoustic cavitation

V 1 , Р 1 speed and pressure at wave rise

V 2 , Р 2 speed and pressure at wave descent

Из-за резкого увеличения скорости движения и понижения давления в цикле колебаний кавитационного пузырька на подъеме волны, дополнительно значительно увеличивается его объем, т. к. создается кратковременное разрежение и дальнейшее аккумулирование поверхностной энергии.

Далее на спуске волны давление резко возрастает. В условиях деформационных процессов пузырьки сжимаются, и при схлопывании происходит выброс энергии с образованием ударной волны, вызывающей максимальное диспергирование агрегатов из частиц твердой фазы. На выходе из реактора при повышении давления оставшиеся пузырьки схлопываются с выделением запасенной энергии и с дополнительным разрушением агрегатов. Такое селективное воздействие способно инициировать различные кинетические реакции, меняющие структуру среды в т. ч. с образованием материалов с новыми свойствами [12].

Например, в процессе схлопывания пузырька, по нашему мнению, количество выделяющейся энергии может оказаться достаточным для диссоциации молекул воды [13]. Можно предположить, что в результате этого произойдет образование новых свойств пищевых продуктов, на основе фруктозы и глюкозы, образовавшихся ранее на стадии инверсии сахарозы

Результаты и обсуждение

В настоящее время технически сочетание гидродинамических и акустических эффектов, при которых инициируется протекание физикохимических процессов, как было указано выше, реализуется на лабораторной кавитационной установке, обеспечивающей максимальное накопление энергии и ее высвобождение с интенсивным технологическим эффектом (рисунок 3) [14].

Рисунок 3. Лабораторная кавитационная установка – здесь осуществляется распределение скорости потока и распределение давления

Figure 3. Laboratory cavitation plant – flow rate distribution and pressure distribution are performed here

Эффективность совмещения акустического и гидродинамического воздействия обеспечила 100% инверсию сахарозы на фруктозу и глюкозу, c ускорением технологического процесса по сравнению с классической технологией (рисунок 4).

30         35         40         45         120

UpaKkixMic.ibHociь«бреГинкм. мин Processing time, min.

■ Без совмещения гидродинамических и акустических воздействий

Without combination of hydrodynamic and acoustic effects

■ С совмещением гидродинамических и акустических воздействий

With combination of hydrodynamic and acoustic effects По классической технологии ВНИИКП

According to the classical technology of VNIIKP

Рисунок 4. Инвертный сироп, приготовленный различными технологиями

Figure 4. Invert syrup prepared by various technologies

Показано, что совмещение быстрых акустических и медленных гидродинамических воздействий позволяет управлять процессами структурообразования в пищевых средах, в которых определяющим фактором является контактное взаимодействие частиц дисперсной фазы [15]. Образование максимально возможного количества частиц с минимальным расстоянием между ними обеспечивает получение высококонцентрированной устойчивой структуры и как следствие увеличение сроков хранения инвертного сиропа (практически до двух лет).

Рисунок 5. Микрофото инвертного сиропа

Figure 5. Micro-photos of invert syrup

По ранней технологии, разработанной ВНИИКП, минимальные размеры агрегатов составляли 2–3 мкм (рисунок 5). Применение кавитационного воздействия впервые обеспечило получение инвертного сиропа с более значительной степенью дисперсности. Отличительной особенностью инвертного сиропа является дегазация, после схлопывания пузырьков на выходе из реактора, с выделением энергии [2].

К отличительным особенностям следует также отнести отсутствие условий для седиментации агрегатов и возникновения броуновского движения, из-за высокой плотности сиропа.

Талейсник М.А. и др.

Необходимо отметить высокую микробиологическую безопасность сиропа, так как повышенная плотность препятствует жизнедеятельности бактерий. В процессе структурообразования сиропа, наличие большого количества микроагрегатов (образующихся в результате инверсии сахарозы и диспергируемых в условиях кавитационных воздействий) является определяющим фактором их взаимодействия с образованием структуры путём образования коагуляционных и точечных контактов с рядом принципиально новых модифицированных свойств (рисунок 6).

К таким свойствам следует отнести:

─ образование ярко-желтого соломенного цвета;

─ отсутствие седиментации агрегатов и их броуновского движения;

─ длительный срок годности с сохранением показателей качества;

─ высокую микробиологическую безопасность;

─ повышение антиокислительной способности.

Рисунок 6. Структура суспензированной эмульсии, полученной по инновационной технологии

Figure 6. Structure of a suspension emulsion obtained by innovative technology

Эффективность совмещения двух видов подвода кавитационных воздействий подтверждена при получении сахарного печенья на стадиях получения суспензии и суспензированной эмульсии (по Г.А. Маршалкину) [7]. Положительное влияние данного воздействия подтверждено снижением размера твердых частиц дисперсной фазы с 25 (по классической технологии) до 6 мкм, при значительном увеличении количества диспергированных частиц сахарного песка, окруженных оболочкой из дисперсионной среды (рисунок 7.). За счёт своеобразия монослоя оболочек обеспечивается удержание влаги за счет молекулярного силового поля, всегда возникающего вследствие некомпен-сированности молекулярных сил в междуфазном поверхностном слое.

Рисунок 7. Микрофотографии (×500) суспензий, полученных при механической обработке (а) и кавитационном воздействии (b)

Figure 7. Microphoto (× 500) suspensions obtained during machining (a) and cavitation exposure (b)

К большим преимуществам кавитационных воздействий следует отнести получение стойкой, не расслаивающейся эмульсии, при использовании в рецептурах жидких растительных масел (рисунок 8).

Рисунок 8. Эмульсия, полученная без кавитации и в условиях кавитационной обработки

Figure 8. Emulsion obtained without cavitation and under conditions of cavitation treatment

Готовое печенье получается с модифицированными свойствами и улучшенными качественными показателями: намокаемости до 230 (по классической технологии 180–200), плотности (снижение на 20%), повышенной пористости и рассыпчатости.

Инвертный сироп с количеством сухих веществ 80% и, следовательно, со 100% количеством фруктозы и глюкозы является основой при получении новых видов кондитерских изделий, в частности мармелада, с использованием свежих фруктов и овощей, с сохранением нативных витаминов и минеральных веществ. Например, при создании морковного мармелада количество β – каротина повышалось до 14,0 мг / 100 г., а в мармеладе с использованием пюре из моркови, без применения кавитационных воздействий количество β – каротина не превышало 1–2% [2]. Микробиологические исследования мармелада показали его высокую безопасность.

Taleysnik M.A. et al. Proceedings of VSUET, 2020, vol. 82, no. Заключение

Показана эффективность совмещения двух видов потоков энергии. Открывается перспектива создания кондитерских изделий с увеличенным сроком годности, а также новых видов кондитерских изделий с принципиально новыми свойствами, с сохранением нативных витаминов и микроэлементов [11].