СВЧ-стерилизация яблочного пюре

Введение, Из научной литературы [1-3] и из практики [4, 5] известно, что обработка электромагнитным СВЧ-полем определенной мощности продуктов с микроорганизмами приводит к гибели последних, не только за счет теплового, но и за счет полевого воздействий. В работах [6, 7] приведены примеры СВЧ-технологий с применением генераторов СВЧ, разработанных на базе магнетронов от бытовых микроволновых печей. Использование та ких генераторов [8, 9] в технологических установках по переработке продукции АПК значительно снижает их стоимость.

Исследования по экспериментальной обработке электромагнитным СВЧ-полем яблочного пюре проводились на производстве ООО «КОНЭКС» совместно с МКБ «Горизонт».

Цель исследований, Определить режимы статического воздействия электромагнитного СВЧ-поля на образцы яблочно- го пюре, после которых не будет происходить закисания и порчи продукта в течение длительного времени при комнатной температуре хранения в герметично закрытых контейнерах. Смоделировать полученные режимы в динамике, те. осуществить СВЧ-стерилизацию яблочного пюре в потоке.

Методика, результат исследования, В процессе приготовления яблочного пюре существует три источника микроорганизмов:

• 1.    Гнилостные образования, сохраняющиеся в яблоках при их измельчении и протирке.

• 2.    Грибки и плесень, попадающие из воздуха окружающего пространства.

• 3.    Микроорганизмы на внутренних стенках емкостей для расфасовки и хранения.

Предполагая, что основной источник микроорганизмов содержится в исходном продукте, а не в воздухе и не на стенках контейнера, для исследований брались яблоки, частично гнилые (на 10-15%).

Яблоки протирались на терке до состояния пюре, которое помещалось в пластиковые прямоугольные прозрачные контейнеры объёмом 200 мл и подвергалось обработке СВЧ-полем одинаковой мощности (800 Вт) в течение различного времени. После обработки СВЧ-полем контейнеры закрывались крышками, обеспечивающими достаточную герметичность. Контейнеры с обработанным пюре хранились при комнатной температуре 18—20 °C.

Измерения температуры проводились тестером с термопарой, которая погружалась в пюре в различных точках сразу после СВЧ-обработки (для III партии). Разброс температуры по объему контейнера объясняется неоднородностью СВЧ-поля в проводимом эксперименте. Были обработаны СВЧ-полем три партии образцов.

I партия - образцы № 1-4, II партия -образцы № 6-10, III партия - образцы № 11-15. Время обработки каждого образца приведено в таблице.

Время обработки образца

№№	Время обработки, мин	Температура после обработки, °C	Дата обработки
1.	0	18	28.09.09 г.
2.	2,0		28.09.09 г.
3.	3,0		28.09.09 г.
4.	1,0		28.09.09 г.
5.
6.	1,0		02.10.09 г.
7.	1,5		02.10.09 г.
8.	2,0		02.10.09 г.
9.	2,5		02.10.09 г.
10.	3,0		02.10.09 г.
11.	1,0	52-71	16.10.09 г.
12.	1,5	69-90	16.10.09 г.
13.	2,0	77-100	16.10.09 г.
14.	2,5	100-102	16.10.09 г.
15.	3,0	100-102	16.10.09 г.

I партия образцов хранилась две недели при комнатной температуре с 28.09.09 г. по 09.10.09 г. Проверка состояния пюре в контейнерах показала, что образцы № 1 и № 4 имеют следы брожения: № 1 (без СВЧ- обработки) - брожение началось через сутки, № 4 (обработка СВЧ-полем 1 мин) -видимое брожение началось через трое суток. Образцы № 2 и № 3 (обработка СВЧ-полем 2 и 3 мин соответственно) были без

Вестник аграрной науки Дона следов брожения и имели вкус свежего пюре.

ТТ партия образцов хранилась один месяц при комнатной температуре с 02.10.09 г. по 02.11.09 г. Образец № 6, обработанный СВЧ-полем в течение 1 мин, визуально забродил через трое суток: крышка вздулась, наблюдалось вытекание жидкой фазы пюре из контейнера. Образец № 7, обработанный СВЧ-полем в течение 1,5 мин, имел только видимые следы брожения в виде пузырьков в продукте, но крышка контейнера не вздулась. Образцы № 8, 9 и 10 не имели видимых следов брожения и имели вкус свежего пюре.

В III партии образцов, с такими же режимами обработки СВЧ-полем, что 1 и 11 партии, производилось измерение температуры пюре для каждого режима (таблица), но на хранение образцы не оставлялись, т.к. в обработанное пюре микроорганизмы могли вноситься термопарой.

Из вышеизложенного следует, что в образцах пюре, обработанных СВЧ-полем в течение двух минут и более, не наблюдается процесс брожения. При этих режимах обработки температура пюре лежит в пределах 80-^100 °C

Для более точного определения нижней границы температуры, обеспечивающей отсутствие брожения яблочного пюре при СВЧ-стерилизации, проводился эксперимент в динамике, т.е. осуществлялась обработка СВЧ-полем яблочного пюре в непрерывном потоке. С этой целью была создана экспериментальная установка (рисунок), состоящая из насоса, забирающего протёртое пюре из накопительного бункера при 70 °C и прокачивающего его через СВЧ-реактор (в виде волноводной нагрузки), к которому подключался СВЧ-генератор с выходной мощностью 1,5 кВт.

В эксперименте применялись двухмагнетронный СВЧ-генератор [10] и волноводная водяная нагрузка. Для отбора пюре использовался промывочный выход насоса парового измельчителя яблок. С этого выхода через переходник с 040 на 010 пюре подавалось на волноводную нагрузку для обработки СВЧ-полем и сливалось в емкость для отбора контрольных образцов.

Схема эксперимента

20 ноября 2009 года на этой же экспериментальной установке проводилась обработка яблочного пюре в потоке.

Установили производительность насоса, обеспечивающую максимально возможный расход пюре через волноводную нагрузку. Температура пюре на выхо де из волноводной нагрузки была 70 °C. Сначала отобрали контрольный образец № 1 (без обработки СВЧ-полем) объемом 3 л. Затем включили один магнетрон (СВЧ-мощность ~ 900 Вт). Через 1,5 мин (время выхода экспериментальной установки на рабочий режим) температура пюре на вы- ходе из волноводной нагрузки составляла 83—85 °C. В этом режиме отобран контрольный образец № 2 объемом 3 л.

При включении второго магнетрона (что соответствовало повышению СВЧ-мощности примерно в два раза) прохождение пюре через волноводную нагрузку прекратилось через 15 сек. Это объясняется тем, что при такой СВЧ-мощности и установленной производительности насоса пюре в волноводной нагрузке быстро закипает, создавая паровую пробку, которую насос не смог прокачать. Еще один образец пюре (№ 3) был отобран при работе СВЧ-генератора на одном магнетроне. Температура пюре на выходе волноводной нагрузки была 85 °C. Каждая банка сразу же после загрузки пюре закатывалась крышкой. Образцы были оставлены на хранение при комнатной температуре в лаборатории завода «КОНЭКС».

Через месяц хранения (22 декабря 2009 г.) эти образцы были исследованы. Во всех образцах крышки на банках не вздуты, видимых следов брожения пюре у боковых поверхностей банок не наблюдалось. Пюре в образце № 1, отобранное при прокачке через волноводную нагрузку без включения СВЧ-генератора (т.е. без обработки СВЧ-полем), имело участки белой плесени на поверхности, нейтральный запах и вкус слегка забродившего продукта. Пюре в образце № 2, отобранное при прокачке через волноводную нагрузку с включенным СВЧ-генератором (т.е. обработанное СВЧ-полем), имело чистую (без плесени) поверхность, запах и вкус свежеприготовленного пюре, а величина сухих веществ - в норме и равнялась 10,5 единицам. Желирование пюре из образцов № 1 и № 2 прошло нормально. Пюре в образце № 3 не имело следов брожения как на поверхности под крышкой, так и на стенках банки. Этот образец был оставлен (без вскрытия крышки) на дальнейшее хранение.

Целью следующего эксперимента на вышеописанной установке была СВЧ-стерилизация яблочного пюре в больших объёмах (значительно больше 3-х литров) с дальнейшим хранением пюре в течение

65 суток. Температура яблочного пюре на выходе из волноводной нагрузки была в пределах 85-87 °C. Сначала отобрали пюре в четыре трёхлитровые банки, которые сразу закатали крышками, затем примерно 70 литров пюре загрузили в стерильный полиэтиленовый пакет, вставленный в пластиковую двухсотлитровую бочку. В бочке пюре оставили открытым остывать в течение суток в производственном помещении. Если бочку сразу закрыть крышкой, чтобы ограничить доступ микроорганизмов извне, то происходит «запаривание» пюре из-за большого его количества при слишком медленном остывании, приводящее к ухудшению качественных характеристик пюре. В трёхлитровых банках пюре остывало быстрее, чем в бочке, и не успевало «запарится». Трёхлитровые банки с пюре отправили на хранение в лабораторию, а пюре в бочке с закрытой крышкой хранилось в производственном помещении с 29.03.2010 г. по 11.06.2010 г.

Через 75 суток хранения были исследованы эти образцы пюре. Первым осмотрен образец пюре в пластиковой бочке. На поверхности пюре наблюдался слой белой плесени толщиной примерно 10 мм. После удаления плесени и извлечения части пюре из глубины оказалось, что пюре имеет нормальный цвет, на вкус - кисловатое и ощущается запах брожения. Полиэтиленовый мешок, в котором хранилось пюре 75 суток, не был вздут. (При наличии в пюре гнилостных микроорганизмов мешок бы раздуло уже через неделю хранения.) Это говорит о том, что брожение происходило не от микроорганизмов, изначально находившихся в пюре до СВЧ-стерилизации, а от плесени, попавшей в пюре из воздуха при остывании в открытом виде в течение суток уже после СВЧ-стерилизации. Величина сухих веществ в пюре составила 6,0 единиц, что однозначно говорило о процессе брожения.

Образцы пюре в трёхлитровых банках имели на поверхности под крышками зелёные пятна плесени (между поверхностью пюре и крышками был воздух). После удаления плесени проверялось качество пюре, взятое из глубины банок. Пюре име- ло запах, вкус и цвет только что протёртого пюре. Величина сухих веществ в каждом образце составила не менее 10,0 единиц, что говорит о полном отсутствии брожения в пюре. Последним исследовался образец пюре в трехлитровой банке № 3, обработанной СВЧ-полем 20 ноября 2009 года (прослойки воздуха между поверхностью пюре и крышкой практически не было). Этот образец находился на хранении 7 месяцев (210 суток). Никакой плесени на поверхности пюре не обнаружено. Пюре имело запах, вкус и цвет свежего пюре. Величина сухих веществ в норме 10,0 единиц.

Полагая, что плотность р и теплоёмкость с яблочного пюре, полученного после измельчения на паровой машине, имеют значения р = 1,056 г/см³, с = 0,956 кал/г град. [2], можно оценить энергозатраты на СВЧ-стерилизацию единицы массы пюре. Объём трубочки волноводной нагрузки, находящейся в СВЧ-поле, через которую прокачивается яблочное пюре, равен 14 см³. Зная выходную мощность СВЧ-генератора, работающего на одном магнетроне (900 Вт), и полагая, что вся она поглощается пюре,

Р = 4,19 w с AZ/ /, где Р - выходная мощность СВЧ-генератора [Вт];

т - масса пюре [г], (д? = 14,78 г);

с - удельная теплоёмкость пюре [кал/г град];

АГ - приращение температуры [град] за время t [с].

Можно найти время нагрева этого объёма пюре на 15 °C (от 70 до 85 °C) при прохождении через волноводную нагрузку. Это время равно одной секунде (/ = 0,956 с). Следовательно, производительность данной экспериментальной установки составляет (14,78 г х 3600 с = 53200 г/час) 53,2 кг/час. Мощность насоса, обеспечивающая такую производительность, должна быть не более 0,1 кВт. Мощность СВЧ-генератора, потребляемая из сети, с учётом его КПД равна 1,3 кВт. Поэтому суммарную мощность принимаем равной 1,4 кВт. Тогда при скорости обработки пюре 53,2 кг/час будет израсходовано 1,4 кВт-ч электроэнергии, т.е. на 1 кг пюре затрачивается 0,0263 кВт ч, а на 1 т - 26,3 кВт ч. При стоимости 1 кВт-ч электроэнергии 4,6 рубля, СВЧ-стерилизация 1 тонны яблочного пюре обойдётся в 121 рубль. Кроме того, нужно учитывать затраты на асептическую упаковку bag-in-box и на охлаждение пюре от 85 до 40 °C, которые определяются способом охлаждения: водяное, воздушное, электрический холодильник, либо что-то другое. Так же нужно определить срок окупаемости такой технологии стерилизации.

Описанные выше исследования и их результаты позволяют предположить, что СВЧ-стерилизации можно подвергать пюре, полученное практически из любого вида плодоовощной продукции. Очевидно, для каждого вида пюре необходимо подбирать соответствующие режимы обработки электромагнитным СВЧ-полем.

Выводы.

• 1.    Результаты проведенного эксперимента по обработке яблочного пюре электромагнитным СВЧ-полем показывают, что один из источников микроорганизмов в яблочном пюре (гнилостные образования) полностью устраняется СВЧ-стерилизацией при 85 °C, что обеспечивает хранение пюре практически в свежем виде при комнатной температуре семь месяцев, а возможно и более.

• 2.    Необходимо обеспечивать минимальный контакт стерилизованного пюре с воздухом, который является источником других микроорганизмов - грибков и плесени из окружающего пространства. Это осуществляется конструктивным исполнением всего технологического процесса СВЧ-стерилизации яблочного пюре.

• 3.    Устранение третьего вида микроорганизмов обеспечивается использованием асептической упаковки bag-in-box («мешок в коробке»), которая используется при хранении стерилизованных продуктов до года и более и которая очень органично может вписаться в технологический процесс СВЧ-стерилизации яблочного пюре.

• 4.    Чтобы исключить «запаривание» пюре в больших объёмах, сразу после СВЧ-стерилизации его необходимо охла-

• ждать до температуры 40 °C и только после этого загружать в асептическую упаковку bag-in-box.

Полученные результаты позволили сформулировать требования к технологической установке по стерилизации СВЧ-полем яблочного пюре, а также разработать техническое задание на её изготовление.