Теоретические основы физических процессов при обработке пищевых продуктов инфракрасным излучением

Введение
1 Понятие о звуке
1.1 Инфразвуковые аномалии
2 Инфразвук и его применение
3 Влияние инфракрасного излучения на пищевую продукцию
4 Эффективность применения инфразвука
в пищевой продукции
4.1 Инфразвук аналитической химии
пищевых продуктов
4.2 Использование инфразвука в растительном масле
5 Санитарно - эпидемиологические требования
к пищевым продуктам
Заключение
Список используемой литературы

Теоретические основы физических процессов при обработке пищевых продуктов инфракрасным излучением

нашему уху, а инфразвуки с частотой 8 – 13 герц. Перед штормом усиливающийся ветер срывает гребни волн и захлестывает их. Каждое такое захлопывание воды на гребне волны порождает акустический удар, создаются инфразвуковые колебания, их-то и улавливает своим куполом медуза. Колокол медузы усиливает инфразвуковые колебания (как рупор) и передает на "слуховые колбочки". Шторм разыгрывается еще за сотни километров от берега, он придет в эти места примерно часов через 20, а медузы уже слышат его и уходят на глубину. Нужно отдать должное бионикам, которые создали электронный автоматический аппарат - предсказатель бурь, работа которого основана на
принципе "инфрауха" медузы. Такой прибор может предупредить о готовящейся
буре за 15 часов, а не за два, как обычный морской барометр.
3 Влияние инфракрасного излучения на пищевую продукцию
Эффективное обеззараживание сыпучих продуктов питания, зерна, семян, комбинированных кормов птицы и животных и других продуктов сельскохозяйственного производства, ингредиентов фармакологических и гомеопатических препаратов на сегодняшний день представляет собой актуальную задачу. Традиционные методы дезинфекции, основанные на применении химических дезинфицирующих реагентов (сильных окислителей - хлора, озона и др.), и радиационные методы стерилизации, использующие различные ионизирующие излучения (рентгеновское, гамма-излучение), применительно к пищевым и лекарственным продуктам не могут рассматриваться как удовлетворительные, поскольку небезопасны в экологическом отношении и, кроме того, могут приводить к существенному и нежелательному изменению физико-химических и биологических свойств обрабатываемых объектов.
Термические методы дезинфекции сыпучих продуктов питания в их различных модификациях весьма энергоемки, требуют дорогостоящего оборудования и имеют ограниченную область применения. Кроме того, при высокотемпературной обработке неизбежно происходит частичная термодеструкция многих белковых и других биологически активных структур исходного продукта, что приводит к снижению его потребительских свойств.
Эффективное направление решения данной проблемы – использование инфракрасного излучения. ИФ-излучение обладает выраженным биоцидным действием и производит эффективную инактивацию микроорганизмов различных типов - бактерий, спор, вирусов, микрогрибов и др. В отличие от ионизирующего излучения, обладающего большой проникающей способностью (десятки сантиметров и более), ИФ-излучение очень сильно поглощается практически всеми твердыми веществами - характерные пробеги ИФ-фотонов в твердых конденсированных средах составляют от долей микрона до нескольких микрон. Поэтому при ИФ-облучении твердой частицы обрабатывается только ее тончайший поверхностный слой, основная же масса вещества не подвергается никакому воздействию и, соответственно, не изменяет свои биохимические свойства. В этом заключается существенное преимущество метода ИФ-биоцидной обработки по сравнению с другими известными методами дезинфекции.
С другой стороны, непрозрачность твердых сред для ИФ-излучения при обработке сыпучих продуктов требует эффективного перемешивания частиц, чтобы поверхность каждой частицы была бы доступной для ИФ-облучения. Этого можно достичь, например, с помощью современных вибрационных или ротационных аппаратов.
Попытки создания эффективной технологии дезинфекции сыпучих пищевых продуктов с использованием ИФ-излучения предпринимались неоднократно, однако заметного прогресса в развитии его промышленных реализаций пока не наблюдается.
Во многом это связано с тем, что в качестве источников биоцидного ИФ-излучения практически во всех предлагаемых вариантах рассматриваются традиционные ртутные лампы, которые, хотя и являются с энергетической точки зрения достаточно эффективными ИФ-излучателями, не обеспечивают необходимого для решения данной задачи качества самого ИФ-излучения.
Здесь в первую очередь существенны такие характеристики генерируемого ИФ-излучения, как его интенсивность и спектр. Традиционные ртутные лампы обеспечивают весьма низкую интенсивность облучения объектов (как правило, это микроватты на 1 см² обрабатываемой поверхности), и для набора необходимой биоцидной дозы требуются значительные времена экспозиции. Спектр излучения ртутных ламп в коротковолновой ИФ-области (200~300 нм) содержит только одну узкую спектральную линию (254 нм). Однако различные представители микрофлоры имеют в ИФ-области различные спектральные полосы поглощения, поэтому эффективно ртутные лампы могут инактивировать только определенные виды микроорганизмов, максимум спектральной чувствительности которых совпадает или близок к спектральной линии излучения лампы (254 нм). Жизнедеятельность же других микроорганизмов, спектр поглощения которых не совпадает с эмиссионным спектром лампы, подавляться не будет совсем или будет, но очень слабо и неэффективно. По этой причине ртутные лампы имеют весьма низкую биоцидную эффективность в отношении ряда вирусных и споровых (в том числе и патогенных) видов микрофлоры, микрогрибов и др.
Обеззараживание сыпучих сред, включая сыпучие сельскохозяйственные (пищевые) продукты, комбикорма и лекарственные препараты, предлагается осуществлять высокоинтенсивным импульсным ИФ-излучением сплошного спектра, а в качестве источников излучения использовать ИФ-лампы нового поколения - импульсные ксеноновые лампы. Спектр излучения таких ламп сплошной и близок к спектру солнечного излучения - он непрерывно перекрывает всю ИФ-, видимую и ближнюю инфракрасную области. Однако доля коротковолнового ультрафиолетового излучения, т. е. излучения в диапазоне длин волн 200-300 нм, которое обладает максимальной биоцидной активностью, в спектре применяемых ламп намного выше, чем в спектре Солнца. Обработка контаминированных объектов осуществляется короткими по длительности (несколько десятков или сотен микросекунд) световыми импульсами очень высокой интенсивности - в десятки тысяч раз превышающей интенсивность солнечного излучения и интенсивность наиболее мощных ртутных бактерицидных ламп.
Результаты исследований показывают, что такое излучение обладает уникальными биоцидными свойствами - там, где традиционные средства обеззараживания, например, стандартные ртутные лампы снижают уровень зараженности в 1000 раз, данная технология уменьшает концентрацию микробов в несколько миллионов и более раз. Высокая антимикробная эффективность обусловлена широким сплошным спектром ИФ-излучения, его чрезвычайно высокой интенсивностью и коротким временем воздействия.
Проведены экспериментальные исследования по обеззараживанию сыпучих пищевых продуктов - черного перца и ферментной муки протосубтилина. Результаты показывают, что при соответствующем выборе режима обработки импульсное ИФ-облучение позволяет осуществить глубокое обеззараживание сыпучих продуктов: после 6 мин облучения крупной фракции черного перца и мелкодисперсной (-50 мкм) ферментной муки общая микробиологическая обсемененность уменьшалась на 3~4 порядка (эффективность обеззараживания 99,9-99,99 %). При этом для черного перца бактерии группы кишечной палочки (БГКП) не обнаруживались в 100 мг обработанного продукта, независимо от его фракционного состава (в исходном продукте БГКП обнаружены в 1 мг, норматив СанПиН 2.3.2.1078-01 - отсутствие в 10 мг продукта). Одновременно у всех исследованных тест-объектов отмечено значительное (более чем на порядок) снижение общей обсемененности дрожжами и плесневыми грибами.
Какого-либо заметного нагрева обрабатываемых продуктов за счет воздействия импульсного излучения широкого спектрального состава не обнаружено (в течение времени обработки температура тест-объектов не превышала - 35 °С). Контрольные измерения ферментативной активности протосубтилина, подвергнутого обработке таким излучением, показали ее неизменность до и после экспериментов, т. е. сохранение потребительских свойств продукта.
4 Эффективность применения инфразвука
в пищевой продукции
Применение инфразвука позволяет:
- существенно ускорить некоторые технологические процессы;
- увеличить коэффициент использования сырья и полуфабрикатов;
- снизить количество отходов.
К настоящему времени доказана эффективность и выявлены следующие перспективные области его применения в отраслях пищевой продукции:
- предпосевная стимуляция прорастания семян с одновременной их санобработкой взамен протравливания ядохимикатами;
- снижение концентрации посторонних микроорганизмов в тузлуках в процессе ультразвукового фильтрования;
- обеззараживание поверхности куриных яиц и прединкубационная стимуляция с целью повышения выводимости и резистентности цыплят к болезням;
- инфразвуковое экспресс-эмульгирование при производстве майонезов, соусов, пудингов и кремов, а также при введении различных добавок в комбинированные продукты на основе молока;
- осветление соков с применением бентонита и др. оклеивающих материалов;
- активация и адаптация хлебопекарных дрожжей па хлебозаводах;
- удаление стойких загрязнений на возвратной стеклянной таре, не отмываемых стандартными бутылкомоечными машинами;
- обработка свекловичной стружки и извлечение пектина;
- расщепление белков до аминокислот и углеводов.
Наиболее же перспективными областями применения инфразвука в пищевой промышленности являются:
- интенсификация процессов экстракции биологически активных, дубильных и других ценных компонентов из растительного сырья;
- дезинтеграция микроорганизмов и клеточных культур с целью извлечения ферментов и других биологически активных веществ.
Эффективность воздействия инфразвука может быть объяснена воздействием следующих специфических факторов, присущих ультразвуковым колебаниям:
- кавитационного эффекта;
- разрушающего действия на пограничный слой и клеточную стружку сырья;
- образования микропотоков;
- повышение диффузионной проницаемости ткани экстрагируемого материала.
Процессы экстракции (настаивания) растительного сырья широко распространены при производстве алкогольных и безалкогольных напитков, лечебно-профилактических,
комбинированных продуктов питания и натуральных лекарственных препаратов. Основным существенным недостатком этого процесса является его длительность, достигающая несколько недель.
Имеющийся отечественный и зарубежный опыт показывает, что существенно ускорить процессы экстракции (настаивания) можно с помощью ультразвука.
Для решения этой проблемы объединены усилия технологов ВНИИПБТ и фирмы «Александра-Плюс», производящей комплектное ультразвуковое оборудование.
Как показали наши совместные лабораторные исследования, наибольшая эффективность экстракции достигается при оптимальном сочетании следующих гидродинамических методов воздействия:
- обработка смеси сырья;
- механического перемешивания;
- подогрева паром с одновременным перемешиванием.
Опыт интенсификации процесса экстракции в производственных условиях, подтвердил эффективность и перспективу применения ультразвука в ликероводочной промышленности.
Так, опыты по экстракции водно-спиртовой жидкостью сухих плодов рябины, зерен кофе и сухого травяного сырья проводились на промышленной экстракционной ультразвуковой установке типа РПМ-2/12-Н, имеющей следующие технические характеристики:
Опыты по экстрагированию из сушеных плодов рябины на ликероводочном заводе «Великоустюгский» показали, что при использовании ультразвука достижение нормативного показателя извлечения происходит на шестые или максимум седьмые сутки, что соответствует ускорению процесса экстракции и увеличению производительности в 3—4 раза. На десятые сутки обеспечивается увеличение выхода экстрагируемых веществ по сравнению с нормативным на 4,5%.
Испытания на этом же заводе по экстракции кофе показали, что нормативные органолептические показатели достигаются через трое суток вместо десяти по действующей технологии, то есть ускоряются в 3 раза.
Аналогичные показатели достигаются при ультразвуковой экстракции сушеных трав. Было установлено, что процесс можно сократить с двенадцати до семи суток. Испытания по ультразвуковой водной экстракции из элеутеррокока проводились на фармацевтической фирме «БИОК» в г.Курске.
В этих экспериментах было установлено, что при использовании ультразвука из одного и того же количества сырья в раствор переходит в 2,45 раза больше экстрактивных веществ за время в 6 раз меньшее.
Проведенные на ликероводочном заводе «Курский» исследования по применению ультразвука для осветления спиртованного яблочного сока с использованием «оклеивающего» материала бентонита показали, что скорость осаждения взвешенных частиц повышается в 5…6 раз.
Вместе с тем, при инфразвуковой экстракции наблюдается повышенная мутность настоев и морсов, устранение которых с помощью обычного процесса фильтрования через фильтр-картон вызывает трудности. Кроме того, установлено, что применение ультразвука более эффективно при обработке разбавленных более обычного суспензиях.
Проведенные в отделе мембранных технологий исследования показали, что все эти недостатки легко устраняются за счет комбинирования ультразвуковой экстракции с мембранными процессами. Так, при фильтрации через микрофильтрационные мембраны достигается «кристальная» прозрачность экстрактов с одновременной холодной
стерилизацией. При этом, из них гарантированно удаляются пектин и другие компоненты, выпадающие в осадок при длительном хранении напитков.
Предварительно очищенные на микрофильтрационных мембранах настои и морсы надежно концентрируются на обратноосмотических или нанофильтрационных мембранах в 10…20 раз по объему до концентрации СВ порядка 25%, после чего могут транспортироваться на значительные расстояния и длительно храниться вне холодильников.
Создаваемая на основе оптимального сочетания ультразвуковых и мембранных процессов комбинированная технология может быть принята за основу линии на специализированных крупнотоннажных производствах глубокосконцентрированных экстрактов, морсов и соков для производства напитков и других пищевых продуктов, в том числе лечебно-профилактических.
Сегодня ультразвук применяется в огромном количестве отраслей. Среди них: медицина, геология, сталелитейная промышленность, военная промышленность и т.д. Чрезвычайно интенсивно ультразвук применяется в геологии, существует специальная наука – геофизика. С помощью ультразвука геофизики находят залежи ценных ископаемых и определяют глубину их местонахождения. В металолитейной отрасли ультразвук применяется для диагностики состояния кристаллической решетки металла. При «прослушивании» труб, балок у качественных изделий получается определенный сигнал, если же у изделия что-то отличается от нормы (плотность, дефект конструкции), сигнал будет другим, что и укажет инженеру на брак.
В современной медицине также используется ультразвук. Например, одна из самых распространенных процедур с его использованием – УЗИ, где ультразвук используется для диагностики состояния внутренних органов. Также применяется ультрозвуковая физиотерапия, позволяющая ускорить регенерацию шрамов, тканей, сращивания костей; ультразвуковая кардиограмма, ультразвуковой остеосинтез.
Окруженная вражескими суднами подводная лодка имеет только один безопасный способ связаться с базой – передать сигнал в водной среде. Для этого используется особенный условный ультразвуковой сигнал определенной частоты – перехватить такое послание практически невозможно, т.к. для этого необходимо знать его частоту, точное время передачи и «маршрут». Однако отправка сигнала с лодки также является сложнейшей процедурой – необходимо учитывать все глубины, температуру воды и т.д. База, получая сигнал, и, зная время его прохождения, может высчитать расстояния до лодки, в результате – ее местонахождение. Также в подводном флоте используют специальные короткие ультразвуковые импульсы, посылаемые гидролокаторо
прямо с подводной лодки; импульс отражается от предметов – скал, других судов, и с его помощью рассчитывают направление и расстояние до препятствия (прием, позаимствованный у ночных хищников - летучих мышей).
Поскольку звук большой частоты имеет ограниченную площадь воздействия (чем больше частота, тем меньше площадь) и наоборот, то ультразвуковым лучом большой мощности можно нарушить работу даже искусственного спутника. Луч «забьет» все радиоэлектронные приборы, что будет чревато опасными последствиями. Ходят слухи, что подобное уже происходило при запуске американского «Аполлона». Но пожалуй, это единственное оружие, «пуля» в котором – инфразвук.
4.1 Инфразвук аналитической химии
пищевых продуктов
Показана возможность использования сонолюминесценции в качестве источника аналитического сигнала и предложен метод анализа – сонолюминесцентная спектрофотомерия. Обнаружен эффект повышения интенсивности сонолюминесценции и чувствительности определения элементов (в 5-10 раз) при использовании одновременного действия инфразвука (ИЗ) высокой и низкой частот по сравнению с использованием только ИЗ низких час­тот. Предложен механизм процесса. Изучены спектры сонолюминесценции 16 элементов.
Впервые установлена корреляция между величинами потока сонолюминесценции и поглощенной акустической энергии в рассолах и растворах поваренной соли. Предложен новый метод определения поглощенной акустиче­ской энергии.
Разработаны и внедрены методики определения токсичных элементов в различных видах пищевой продукции с использованием ультразвука. Предложен новый подход к использованию ультразвука в интенсификации аналитического процесса при анализе пищевых продуктов: совместное действие ИЗ высокой и низкой частот – 1) для разрушения органических примесей в водах, рассолах и растворах поваренной соли; 2) для интенсификации стадии кислотной минерализации молокопродуктов, мясопродуктов, со­ков и вин, хлебопродуктов, зерна, кофе и чая; 3) для повы­шения величины аналитического сигнала в сонолюминсцентной спектрофотомерии.
Разработаны и внедрены экспрессные и надежные методики определения 16 элементов методом сонолюминесцентной спектрофотомерии.
Впервые проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований механизма воздействия ИЗ на рассолы и растворы поваренной соли. На основании результатов расчетов химико-акустических выходов пероксида водорода, полученного при воздействии ИЗ на растворы хлорида натрия и поваренной соли, доказан факт участия пероксида водорода в процес­сах деструкции органических соединений растворов поваренной соли и рассолов, установлена корреляция между содержанием фульвокислот и их соединений и накоплением пероксида водорода, образующегося при воздействии ИЗ. Факт участия пероксида водорода в деструкции органических соединений рассолов и растворов поваренной соли, а также образования ра­дикалов Н, ОН и НО2 подтвержден также и анализом спектров сонолюминесценции.
4.2 Использование инфразвука в растительном масле
В технологии переработки растительных масел большое значение имеет удаление из них фосфорсодержащих веществ после гидратации. Классический способ фильтрования предусматривает разделение гидратированного масла, состоящего из масла и взвешенных частиц-хлопьев, а сам процесс осуществляется за счет разности   давления перегородок. Таким образом, для задержания небольших количеств частиц, масло необходимо пропускать через фильтрующую перегородку. Задержка частиц приводит к возрастанию сопротивления фильтровальной перегородки (фильтрование с закупориванием пор) или к повышению сопротивления, увеличивающегося в слое осадки (фильтрование с образованием осадка). Вследствие этого, появляется необходимость очистки фильтровальной перегородки, что технически осуществить сложно.
Применение новых физических методов обработки пищевых продуктов (ультразвука, электрического поля коронного разряда, электромагнитного поля сверхвысокой частоты и др.) позволяет улучшить качество продукта, значительно увеличить производительность установки.