В пищевой промышленности применение ультразвуковой техники даёт значимый эффект в целом ряде технологических процессов, в т.ч. для стерилизации, пастеризации и дезинфекции продуктов. Благодаря ультразвуковым колебаниям повышается качество пищевых продуктов, и интенсифицируются (улучшаются) технологические процессы их изготовления. Рядом исследований установлено, что ультразвуковые колебания способны изменять агрегатное состояние вещества, диспергировать, эмульгировать его, изменять скорость диффузии, кристаллизации и растворение веществ, активизировать реакции, интенсифицировать технологические процессы. Воздействие ультразвуковых колебаний на физико-химические процессы в пищевой промышленности дает возможность повысить производительность труда, сократить энергозатраты, улучшить качество готовой продукции, продлить сроки хранения, а также создать новые продукты с новыми потребительскими свойствами. Наиболее перспективным и достаточно освоенным использованием ультразвуковых технологий являются следующие технологические процессы:

— приготовление пищевых водных и водо-жировых эмульсий в мясомолочной, кондитерской, пищевкусовой отраслях промышленности, при изготовлении колбас, молочных продуктов, соков, пива и т.д.;

— низкотемпературная обработка продуктов с целью «мягкой» варки;

— диспергирование, гомогенизация и пастеризация сырья, полуфабрикатов и продуктов;

— биологическая активизация пищевых продуктов с целью улучшения потребительских и лечебно — биологических свойств;

гидрогенизация жиров, осветление растительных масел;

— мгновенная варка водомучных суспензий в хлебопекарных и спиртовых технологиях;

— подавление микробиологических процессов в диффузионных аппаратах при производстве сахара за счет ультразвука;

— интенсификация диффузионного процесса в диффузионных аппаратах при производстве сахара за счет ультразвука;

— очистка диффузионного сахарного сока;

— осаждение вино — кислых солей, содержащихся в вине;

— обеззараживание воды (рис.1).

Ультразвуковая обработка молока

Особенность многих компонентов молока в том, что природа не повторяет их ни в каком другом продукте питания. В молоке жир распределен в виде жировых шариков, окруженных сложной белковой оболочкой, т.е. представляет собой эмульсию молочного жира в воде. Размер жировых шариков колеблется от 1 до 5мкм. Причем количество жировых шариков, имеющих размер более 2мкм, составляет более 50% и зависит от породы и индивидуальных особенностей коровы. Питательная ценность молока в значительной степени определяется размерами частиц жира в молоке. Сверхтонкое дробление жира в эмульсиях очень сильно изменяет свойства исходного продукта. Известно, что дробление жировых шариков молока до меньших, чем в исходном состоянии, размеров на треть повышает питательную ценность молока. Оптимальной является обработка молока при температуре 55–70ºС, позволяющая получать более 80% от общего числа жировых шариков размером менее 2мкм. При такой обработке молока происходит пастеризация молока. При этом количество болезнетворных бактерий существенно сокращается за 8–10мин обработки сырого молока (250мл), обеспечивается снижение обсемененности до нормы (менее 200000КОЕ в 1мл.). При ультразвуковой обработке молока, не происходит разрушения наиболее лабильной части витамина С и его содержание остается практически равным исходному – 0,83мг (пастеризация паром снижает концентрацию до 0,65мг, инфракрасным излучением – до 0,75мг, кипячение практически полностью разрушает витамин С). При достаточной плотности ультразвука происходит стерилизация молока. В отличие от стерилизации и кипячения при ультразвуковой обработке молока не происходит разрушение витамина С. Таким образом, УЗ обработка обеспечивает повышение питательной ценности молока его пастеризацию (холодная пастеризация), гомогенизацию и стерилизацию. Ультразвуковая гомогенизация находит применение в производстве цельного, сгущенного, стерилизованного, сухого молока, а также сливок, сметаны, плавленых и твердых сыров и кисломолочных продуктов. Ультразвук эффективен при изготовлении обогащенных биологически активными веществами и витаминами молочных смесей, майонезов, кремов и др.

Следует отметить еще несколько положительных сторон УЗ обработки молока, способных найти широкое применение:

1. Обработанное УЗ и замороженное для длительного хранения молоко после размораживания полностью сохраняет свои питательные и вкусовые качества;
2. Сухое молоко, выработанное из обработанного ультразвуком, хранится значительно дольше. При восстановлении не отличается от натурального;
3. При ультразвуковой обработке пригодного к употреблению молока (в т.ч. пастеризованного) в домашних условиях в течение нескольких минут, кислотность молока не повышается более 5 часов.

Использование ультразвука при получении крахмала

Ультразвуковая обработка является эффективным средством разрушения структуры клеток (рис.2). Этот эффект можно использовать для извлечения внутриклеточных материалов, например, крахмала, из матрикса клетки.

Ультразвуковая обработка образует в обрабатываемой жидкости области пониженного и повышенного давления. В ходе цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки или пустоты. Это явление называется кавитацией. Разрыв кавитационных пузырьков вызывает образование гидродинамических сил трения большого значения. Данные силы способны расщеплять волокнистые и целлюлозные материалы на тонкие частицы, а также разрушать стенки клеток. Благодаря этому внутриклеточные вещества в большом количестве высвобождаются и попадают в жидкость. Кроме того, стенки клеток разрушаются на мелкие части. Данный эффект может использоваться при ферментации, гидролизе и в других процессах преобразования органических веществ. Помимо измельчения и дробления, ультразвуковая обработка позволяет выделять из клеток внутриклеточные материалы, например крахмал, а из остатков клеточных стенок – ферменты, которые превращают крахмал в сахар. Также ультразвуковая обработка позволяет увеличить площадь поверхности, подвергающейся воздействию ферментов при диастатическом разжижении или сахарообразовании. Это, как правило, позволяет увеличить скорость и объем выхода дрожжевого брожения, а также повысить эффективность других процессов, например, увеличить производство этанола из биомассы.

В Ибресинском районе Чувашской Республики на крахмальном заводе в 2008 году был установлен ультразвуковой генератор серии USP¹ (GENERUS) на измельчитель картофеля, где выход крахмала был увеличен на 13-15% по сравнению с традиционным способом.

Бренд USP¹ в настоящее время снят с производства, с заменой на усовершенствованную серию GENERUS.

Ультразвуковая обработка соков и пива

Свежий сок – это перенасыщенный раствор винного камня. Достаточно слегка охладить сок, а иногда просто встряхнуть его, как немедленно выпадают кристаллики соли. Никакой фруктовый сок не доставляет производственникам столько хлопот, сколько виноградный. Сейчас его интенсивно облучают ультразвуковыми колебаниями, которые в десятки раз ускоряют выпадение винного камня. Используют ультразвук и при отжимании сока, так как он быстро разрушает органическую ткань. При облучении виноградных ягод ультразвуком часть мякоти, которая раньше шла в отход, перерабатывается в чистый виноградный сок, что увеличивает выход сока на 8%.

Опыты показали, что ультразвук ускоряет экстрагирование горьких веществ из хмеля, способствует лучшему сохранению в нем ароматических веществ. Применение ультразвуковых установок на пивоваренных заводах позволяет значительно сократить расход хмеля. Кроме всего прочего пастеризацию пива и соков можно также выполнять с использованием ультразвука – как один из видов холодной пастеризации.

Ультразвуковая обработка сои и семян

Ультразвуковая обработка часто используется для улучшения извлечения липидов и белков из семян растений, таких как соевые бобы (например, мука или обезжиренные соевые бобы) или прочих масличных семян. В этом случае разрушение стенок клеток облегчает (холодное или горячее) прессование, снижая, тем самым, количество остаточного масла или жира в отжиме. Ультразвук способен пептизировать белки сои при практически любом коммерческом выходе и величина ультразвуковой энергии, требуется достаточно низкая.

Из протокола испытаний известно, что на фирме ЗАО «СОЯ-Ч» в 2001 году был установлен ультразвуковой генератор серии USP (GENERUS) на экстрактор УСМ-150 для интенсификации процесса экстрагирования при получении белка из сои. При традиционной технологии выход белка (тофу) составил 3,4кг. С применением ультразвуковой технологии USP (GENERUS) выход белка составил 4,0кг, что составляет 17%.

Использование ультразвука для интенсификации технологий производства спирта

На основании многофункциональности действия ультразвука разработан способ интенсификации технологии спирта с использованием ультразвукового воздействия в процессе водно-тепловой обработки пшеницы с одновременным уменьшением летучих примесей спирта в бражке, позволивший:

— сократить продолжительность приготовления сусла на 2ч;

— уменьшить количество ферментного препарата на 47%;

— уменьшить степень помола пшеницы до 65% прохода через сито по сравнению с 90 — 95% в контроле;

— сократить процесс брожения на 8ч;

— увеличить выход спирта на 0,2дал/т условного крахмала;

— снизить содержание летучих примесей в бражке на 43 — 45%;

— микробиологический анализ показал отсутствие микрофлоры.

Способ позволяет исключить из традиционной схемы производства спирта часть технологического оборудования. Опыт использования ультразвуковой варки дает основания считать возможным распространение его и на другие процессы спиртового производства – осахаривание, активизацию бражки, коагуляцию барды, ректификацию и т.д. Таким образом, использование ультразвуковых аппаратов в тепломассоэнергообменных процессах спиртового производства позволяет надеяться на радикальные изменения технологии водно-тепловой обработки зерна.

Ультразвукова переэтерификация масел в биодизель

Ультразвуковая обработка увеличивает скорость и выход химической реакции при переэтерификации растительных масел и животных жиров в биодизель. Это позволяет изменить режим работы производственной установки с порционного на поточный, а также снизить капиталовложения и эксплуатационные затраты. Биодизель обычно производится в периодическом реакторе с использованием тепловой и механической энергии для перемешивания. Перемешивание с применением действия ультразвуковой кавитации является одним из альтернативных методов перемешивания, позволяющим достичь лучших результатов при промышленной обработке. Ультразвуковая кавитация обеспечивает необходимую энергию активации веществ, для промышленного процесса переэтерификации. Ультразвуковая обработка биодизельного топлива включает в себя следующие этапы:

— растительное масло или животный жир перемешивается с метиловым (для метилового эфира) или этиловым спиртом (для этилового эфира) и гидроксидом или метилатом натрия или калия;

— данная смесь подогревается, например, до температуры от 45 до 65°С;

— подогретая смесь подвергается ультразвуковой обработке в потоковом режиме;

— полученное биодизельное топливо отделяется от глицерина;

— преобразованное биодизельное топливо промывается водой.

Сегодня биодизельное топливо в основном производится в периодических реакторах (порционный режим). Применение ультразвука позволяет осуществлять обработку в потоковом режиме. Ультразвуковая обработка позволяет достичь выхода биодизельного топлива свыше 99%. Применение ультразвука уменьшает время обработки с 1 — 4 часов (в порционном режиме) до менее 30 сек. Еще более важно, что ультразвуковая обработка уменьшает время разделения биодизеля и глицерина с 5 — 10 часов до менее чем 60 минут. Ультразвуковая обработка также помогает уменьшить количество катализатора до 50% за счет увеличения химической активности веществ посредством кавитации. При ультразвуковой обработке количество используемого спирта также сокращается. Еще одним преимуществом данного метода является повышение уровня чистоты получаемого глицерина.

Ультразвуковое воздействие – эффективный способ ускорить химическую реакцию в процессе производства биодизеля. Стоимость такого процесса производства напрямую зависит от количества средств, вложенных в ультразвуковое оборудование, расходов на обслуживание и стоимости электроэнергии. Чрезвычайная энергоэффективность ультразвукового оборудования серии GENERUS помогает снизить затраты электроэнергии и сделать процесс производства еще более экологически чистым.

Таким образом, использование ультразвуковых технологий в различных пищевых производствах позволяет:

— во много раз увеличить скорость физико-химических процессов;

— снизить энерго и ресурсозатраты;

— интенсифицировать процессы тепломассоэнергообмена;

— радикально изменить аппаратурные оформления техпроцессов в сторону уменьшения металлоемкости и совмещения нескольких операций;

— освободить производственные площади;

— получить новые виды продуктов с биологически активными лечебными свойствами;

— снизить себестоимость продукции.

Вместе с тем необходимо отметить следующее – внедрение ультразвуковых технологий в ряде случаев влечет за собой корректировку некоторых параметров технологических процессов.