1.5.1 Пути применения ультразвука в пищевой промышленности

Очень многие процессы, применяемые в пищевой промышленности, выполняют с помощью ультразвука.

Эмульгирование и диспергирование (гомогенизация). Весьма перспективным является использование ультразвука для процессов эмульгирования, диспергирования и коагуляции [26]. В настоящее время при переработке молока используются ультразвуковые установки для гомогенизации [28]. Под термином “гомогенизация” в современной научно-технической литературе называют процессы обработки эмульсии, которые приводят к повышению дисперсности капель, уменьшению широты их распределения по размерам, уменьшению различии между размерами наиболее крупных и наиболее мелких капель. Повышение дисперсности в результате гомогенизации замедляет седиментацию; эмульсии, подвергнутые гомогенизации, обычно расслаиваются значительно медленнее и значительно дольше сохраняют макроскопическую однородность. В пищевой промышленности эффект эмульгирующего и диспергирующего действия ультразвука использован для процесса гомогенизации молока [29].

В молоке после гомогенизации не происходит скопления жировых шариков и практически не наблюдается отстаивания сливок.

Эмульгирование двух жидкостей под воздействием ультразвука — один из наиболее хорошо изученных процессов [20]. Особого внимания заслуживает возможность получения под действием ультразвуковых волн стабильных высокодисперсных (высокоизмельченных) водных эмульсии различных жировых веществ [25]. С. И. Ржевкин и Е. Л. Островский, исследовавшие этот вопрос, предполагают следующий механизм диспергирующего действия ультразвука.

Ультразвуковая волна пронизывает диспергируемую частицу и вызывает в различных её точках различные ускорения, что приводит к возникновению силы, стремящейся разорвать частицу. Амплитуда ускорения частиц будет в десятки и сотни раз больше ускорения силы земного тяготения; отсюда ясна большая диспергирующая сила действия ультразвука.

Большое значение в процессе эмульгирования имеет кавитация. Сильное ударное действие образования и разрушения газовых пузырьков способствует диспергированию вещества в среде.

Нелинейное распространение колебаний, вызывающее силы трения, и значительные величины ускорения частиц также являются факторами, обусловливающими резкую интенсификацию процессов диспергирования и эмульгирования под влиянием ультразвуковых колебаний.

В процессах диспергирования и эмульгирования под влиянием ультразвука оптимальные условия могут быть созданы при учете, следующих факторов:

1) интенсивность ультразвуковых колебаний должна составлять 10-20 Вт/см², при слишком большой или слишком малой интенсивности эмульсии не образуются;

2) частота ультразвука обычно колеблется в пределах 20-100 кГц и определяется размером диспергируемых частиц. При выборе частоты следует учитывать также тот факт, что в некоторых случаях диапазон изменяемых частот определяет направленность процесса (эмульгирование, коагуляция). При эмульгировании смешение происходит наиболее активно на поверхности раздела системы, т. е. между жидкостью и вибрирующей системой и между жидкостью и стенками сосуда, поэтому процесс следует вести в малых объемах.

В результате ультразвука в молоке образуются однородные по величине жировые шарики, происходит перераспределение оболочечного вещества.

Стойкость эмульсий, образованных под воздействием ультразвука, значительно превышает стойкость систем, полученных обычным путем. Во многих случаях эти эмульсии проявляют достаточную стабильность даже без введения в них специальных эмульгаторов, концентрацию диспергируемого вещества в дисперсионной среде удается повысить при проведении эмульгирования под воздействием ультразвука.

Основные типы излучателей ультразвуковых колебаний – это пьезоэлектрические вибраторы, магнитострикционные вибраторы и гидродинамические преобразователи. Частота колебаний в этом процессе очень мала. Уже при частоте 360 колебаний в секунду гомогенизация молока проходит вполне удовлетворительно в аппарате, общий вид которого изображен на рисунке 8.

Эффективность ультразвуковой гомогенизации молока можно значительно повысить, если во время ультразвуковой обработки через молоко пропускать электрический ток. Это явление связано с усилением кавитационного эффекта во время прохождения тока [29].

После обработки в ультразвуковой установке накопление перекисных радикалов в молоке незначительное. Органолептические свойства молока в сравнение с контролем удовлетворительные. Липолиз (расщепление жиров) несущественный, прирост содержания свободных жирных кислот 20% к фоновому значению.

Предложен метод использования ультразвука при приготовлении майонеза. Перемешивание компонентов происходит под воздействием ультразвуковых колебаний. Ультразвук используется также в процессе приготовления мороженого (при использовании низких частот 360 Гц). При этом качество массы для мороженого повышается, в особенности при применении желатины.

Интересно применение ультразвука для изготовления молока из порошка. В опытах, проведенных в лаборатории некоторых авторов [17], удалось получить гомогенную смесь из порошка, считавшегося непригодным для изготовления порошкового молока в условиях завода. Кроме того, порошковое молоко, полученное с применением ультразвука, было почти стерильно.

Имеются данные об использовании ультразвука для коагуляции частиц при осветлении соков и выделении крахмала из крахмального молока [18]. Особенно интересно использование ультразвуковой коагуляции для очистки сахарного сиропа от примесей темных коллоидных частиц. Очистка сахарного сиропа является трудоемким и длительным процессом. Работа в этой области проводится научно-исследовательским институтом сахарной промышленности [19].

Кристаллизация. Большие возможности практического использования представляет процесс кристаллизации в ультразвуковом поле. При изучении процесса кристаллизации в присутствии затравки под воздействием ультразвуковых колебаний на расплав или раствор, охлажденный ниже температуры начала кристаллизации, сделаны следующие наблюдения. Количество новых центров кристаллизации резко возрастает, наблюдается отщепление от границы раздела большого количества кристалликов, которые после отщепления, благодаря силам поверхностного натяжения, оттягиваются от границы раздела фаз и заполняют незакристаллизовавшуюся часть расплава. При этом отщепление может происходить не только от поверхности растущих кристаллов, но и от вновь образовавшихся маленьких монокристаллов [20].

Деполимеризация. Ультразвуковые волны могут вызвать действительный разрыв химических связей, приводящий к образованию молекул меньшего размера и, следовательно, к постоянному уменьшению вязкости. Интересен ультразвуковой метод приготовления томата-пюре. Под действием ультразвуковых колебаний с частотой 210—300 кГц происходит разрыв клеток и получается продукт такой же консистенции, как томат-пюре тепловой обработки [20].

Стерилизация. Явление разрушающего действия ультразвуковых колебаний на микробные клетки вызвало попытки использовать ультразвук в целях дезинфекции и стерилизации.