Использование ультразвукового воздействия как фактора интенсификации процесса диспергирования в пищевых производствах

Диспергирование как технологический этап определяет эффективность протекания технологий производства целого ряда продуктов как растительного, так и животного происхождения.

Известно, что в технологических процессах пищевых производств диспергирование твердых компонентов в жидкости, как правило, затруднительно и требует большего расхода энергии [4, 8]. Значительная часть твердых веществ оказывает сопротивление внешнему воздействию, т. е. при классических этапах механического воздействия значительная часть клеток не поддается разрушению. Отсюда вытекают основные трудности технологических процессов:

– низкая эффективность процесса экстракции при производстве напитков из растительного сырья;

– снижение эффективности процесса со- зревания при производстве кисломолочных напитков;

– ухудшение потребительских характеристик напитков и т. д. [1, 2, 4, 12].

Диспергирование позволяет обеспечить эффективность протекания экстракционных процессов, способствует улучшению потребительских характеристик готовых продуктов, замедляет процессы их старения и т. д. В этой связи интенсификация достаточно трудоемкого и энергозатратного процесса диспергирования может позволить эффективно решить целый ряд производственных задач.

Целесообразность использования ультразвукового воздействия на этапе диспергирования может быть объяснена наличием ряда специфических факторов, присущих ультразвуковым колебаниям, представленных на рис. 1 [5–8, 13, 14].

Влияние на диффузионную проницаемость ткани

Кавитационный эффект

Рис. 1. Эффекты ультразвукового воздействия, интенсифицирующие процесс диспергирования

Образование микропотоков

Разрушающее действие на пограничный слои и клеточную структуру

В литературе вопросы использования ультразвукового воздействия для интенсификации процессов диспергирования освещены достаточно скудно. Вместе с тем, результаты существующих исследований свидетельствуют о том, что доля различных факторов, влияющих на процесс диспергирования, неодинакова [3, 10, 11, 15].

В задачи нашего исследования входило изучить диспергирующее действие ультразвука на растительное сырье и возможность его применения для улучшения потребительских характеристик напитков на натуральном сырье.

В рамках исследования был установлен режим ультразвукового воздействия: мощность 180 Вт, продолжительность воздействия 5 мин, частота (22 ± 1,65) кГц и сформирован перечень объектов исследований, включающий 3 образца, полученных по тра диционной и модифицированным технологиям. Характеристика образцов с указанием технологических особенностей их получения представлена в таблице.

В рамках работы была поставлена серия экспериментов, направленных на установление возможности использования ультразвукового воздействия в технологии производства морсов с учетом следующей схемы.

Диспергирующее действие ультразвука на систему морса оценивалось по комплексу показателей, характеризующих как количественное состояние коллоидных частиц морса (объемная доля осадка, %), так и качественное (скорость образования осадка, мин; дисперсный состав). Результаты представлены на рис. 2.

Как видно из данных, представленных на рисунке, в результате использования ультразвуковой обработки в технологии производст-

Перечень объектов исследования влияния УЗ на процесс диспергирования

Объекты исследования	Соотношение выжимки:вода	Технологические особенности получения
Контроль	1,5:10	По традиционной технологии без использования УЗВ
Образец 1	1,5:10	Обработка УЗ только на этапе экстракции (мощностью 180 Вт продолжительность воздействия 5 мин) смеси выжимок клюквы с водой без нагревания
Образец 2	1,5:10	Обработка УЗ на этапе экстракции (мощностью 180 Вт продолжительность воздействия 5 мин) смеси выжимок клюквы с водой с последующим перемешиванием в течение 5 мин при температуре 30 °С + УЗ на этапе обеззараживания готового напитка (мощностью 240 Вт продолжительность воздействия 3 мин)

объемная доля осадка, % А скорость образования осадка, мин

Рис. 2. Объемная доля и скорость образования осадка в исследуемых образцах морса

ва морса несколько увеличилась объемная доля осадка (16,7 и 25 % для образцов 1 и 2 соответственно), что может быть связано с интенсификацией процесса экстракции и увеличением общего количества сухих веществ в модифицированных морсах.

Анализ показателя скорости образования осадка в морсах, полученных с использованием ультразвукового воздействия, также возросла по отношению к контрольному образцу: на 4 и 6 минут для образцов 1 и 2 соответственно. Это напрямую указывало на влияние ультразвукового воздействия на коллоидное состояние частиц морса, в первую очередь, размер коллоидных частиц.

Для более глубоко изучения влияния ультразвукового воздействия на коллоидные вещества морса был применен метод лазерного динамического светорассеивания, в результате использования которого были получены данные по дисперсному составу исследуемых образцов напитков (рис. 3).

Полученные результаты свидетельствуют о выраженном влиянии ультразвукового воздействия на дисперсный состав морса. Как видно из рисунка соотношение дисперсных частиц по размерам подвержено значительным изменениям. Для контрольного образца морса характерно присутствие дисперсных частиц, размер которых составляет 5670 нм.

Для морса, полученного на основе однократного озвучивания на этапе экстракции, принципиально меняется размерный ряд дисперсных частиц. В исследуемом образце при- сутствуют частицы в диапазоне 743–5200 нм, с преобладанием частиц размером 5200 и 1960 нм.

Для образца полученного 2-кратным озвучиванием размер дисперсных частиц находился в диапазоне значений 236,8–5830 нм, с преобладанием частиц размером 1059 и 5830 нм, т. е. двукратное озвучивание привело к протеканию двух процессов: дальнейшее измельчение частиц и агломерация.

Согласно данным, представленным в литературе, механизм действия ультразвука на коллоидные вещества заключается в том, что при воздействии ультразвука на гетерогенную систему на границе раздела фаз возникают зоны сжатия и разрежения, которые, в свою очередь, обусловливают возникновения давления. Избыточное давление, формируемое ультразвуковой волной, накладывается на постоянное гидростатическое давление и синергетический эффект этого может составлять несколько атмосфер. В фазе разрежения во всем объеме жидкости, в особенности у границ раздела фаз, в тех местах, где встречаются мельчайшие твердые частицы и имеются пузырьки газа, образуются полости [6, 9, 10, 12].

При повторном сжатии кавитационные пузырьки захлопываются, развивая давление до сотен атмосфер. Высокая интенсивность образующейся ударной волны приводит к механическому разрушению твердых частиц. Однако следует учитывать, что при ультразвуковом воздействии на процесс диспергирования может происходить не только разру-

100 DOC

100 000

Рис. 3. Результаты определения дисперсного состава образцов клюквенного морса: а – контроль; б – однократное озвучивание; в – двукратное озвучивание

шение частиц, но и их коагуляция, что связано с разрушением сольватной оболочки на частицах дисперсной фазы.

Полученные нами результаты свидетельствуют о выраженном диспергирующем действии ультразвука на частицы морса, причем двукратное воздействие является более эффективным и позволяет достичь снижения размера частиц до 24 раз. Вместе с тем следует отметить, что для образца морса, полученного с использованием двукратного ультразвукового воздействия, наряду с диспергирующим эффектом было отмечено и некоторое увеличение размера частиц в сравнении с образцом 1. Такой эффект может быть связан со способностью ультразвука в некоторых режимах вызывать агломерацию дисперсных частиц [2, 4, 13, 14].

Таким образом, полученные результаты, показали явную прослеживаемость влияния ультразвукового воздействия на органолептические и физико-химические показатели качества клюквенного морса.

Клюквенный морс, полученный по модифицированной технологии, отличался улучшенными потребительскими свойствами и был оценен дегустаторами на 0,3–0,4 балла выше (рис. 4).

баллы внешний вид

■ цвет

Рзапах

□ вкус

Рис. 4. Результаты дегустационного анализа образцов морса с учетом коэффициентов весомости

Данные, представленные на рис. 4, свидетельствуют о том, что ультразвуковое воздействие положительно сказывается на органолептических характеристиках морса. Более выражено это влияние на таких показателях как цвет и вкус. Внешний вид и запах контрольного образца морса и модифицированных дегустаторы оценили достаточно близкими оценками.

На основании расчета комплексного показателя качества все образцы морса были признаны напитками высшего качества, при этом значение комплексного показателя для контрольного образца морса составило 90,4 %, а для морса, полученного по модифицированной технологии, – 94,4 и 97,0 % для образцов 1 и 2 соответственно.

Таким образом, можно сделать вывод, что использование ультразвукового воздействия в технологии производства клюквенного морса позволяет интенсифицировать процесс диспергирования, тем самым улучшая органолептические показатели напитка и их качество в целом.