Ультразвуковая обработка – одна из передовых технологий, которая позволяет повысить объёмы производства, улучшить качество продукта и сократить затраты энергии. Здесь мы расскажем, как именно ультразвук применяется в пищевом производстве.
Как работает ультразвук
Ультразвук – это, как известно, звуковые волны настолько высоких частот (от 20 кГц до 10 МГц), что человек не может их слышать. Ультразвуковой диапазон, в свою очередь, делится ещё на три диапазона:
- Низкочастотный (20-100 кГц). Применяется для изменения структуры и физико-химических свойств продукта.
- Средний (100 кГц – 1 МГц). Позволяет активировать химические реакции и формировать свободные радикалы, поэтому ещё называется сонохимическим.
- Высокочастотный (1-10 МГц). Используется для диагностики.
На низких и средних частотах звуковые волны, имеющие синусоидальную форму, проходят сквозь жидкость и заставляют её вибрировать, что приводит к акустической кавитации. Акустическая кавитация и есть основной механизм воздействия ультразвука. Она заключается в быстром расширении и сжатии микропузырей газа внутри жидкости, что создаёт волны высокого давления и температуры. В случае вязких продуктов кавитация происходит асимметрично и позволяет модифицировать их структуру и ускорять перенос массы.
Высокочастотные волны не меняют структуру продукта, через который проходят, поэтому для обработки не используются, зато подходят для анализа структуры, состава и физического состояния продукта. С их помощью измеряют содержание в продуктах белков, жиров и воды, изменение консистенции теста, жировой состав и уровень примесей в маслах и так далее.
Необходимое оборудование
Ультразвуковая система обработки состоит из трёх главных компонентов: это электрический генератор, преобразователь и один или несколько эмиттеров. Генератор даёт системе энергию. Преобразователь конвертирует электрическую энергию в звуковую с помощью механических вибраций на ультразвуковых частотах.
Третий компонент – эмиттер – нужен для излучения (и в некоторых случаях – для усиления) ультразвуковых волн. Эмиттер может иметь форму ванны, рожка или наконечника-волновода. Эмиттер-ванна обычно представляет собой резервуар, в котором находится преобразователь, испускающий волны. Эмиттер-рожок присоединяется к преобразователю, чтобы усилить сигнал и направить его на продукт с большей точностью. На конце такого рожка можно закрепить волновод (обычно титановый), который усилит ультразвуковую волну. Волновод, как правило, имеет форму сопла или ножа.
Существуют компании, специализирующиеся на ультразвуковых установках конкретно для пищевой промышленности. Мировыми лидерами являются Branson и Dukane (США), Cavitus и Innovative Ultrasonic (Австралия), Hielscher (Германия), Sonimat (Франция) и Telsonic (Швейцария). В России такие установки производят фирмы «Дженерус», «Инлаб», «Александра-Плюс» и другие.
Теперь перейдём к конкретным применениям ультразвука.
1. Нарезание
Одно из самых частых применений ультразвука в пищевом секторе. При ультразвуковом нарезании вибрационная энергия ультразвука дополняет обычные движения ножом. Так сокращается время контакта ножа с продуктом и снижается пороговое значение силы (а вместе с ним – риск повреждения продукта). Ещё важнее то, что при нарезании липких продуктов (в том числе протеиновых батончиков и некоторых сыров) они не прилипают к лезвию ножа и не создают риск перекрёстного заражения других продуктов патогенами или незаявленными аллергенами. Также ультразвуковой нож хорошо работает с замороженными, хрупкими и неоднородными продуктами.
2. Консервация
Ультразвук можно использовать для деактивации микроорганизмов и ферментов, чтобы увеличить срок годности продукта без вреда для его качества. При частотах 20-600 кГц ультразвуковая кавитация, о которой написано выше, обладает антимикробным эффектом: выработка свободных радикалов делает клеточные мембраны бактерий тоньше и повреждает их ДНК. Известны случаи такого применения ультразвука для консервации хлеба и молока.
3. Фильтрация
Ультразвук сам по себе не очищает продукт от физических и химических примесей, но с его помощью можно повысить текучесть продукта во время фильтрации. Так ускоряют фильтрацию фруктовых соков, экстрактов и промышленных сточных вод.
4. Сушка
Ультразвук применяется для ускорения осмотического обезвоживания фруктов и овощей. Такое обезвоживание происходит при их погружении в раствор сахара или соли до основного процесса сушки. Так вот, скорость осмотического переноса влаги увеличивается, если продукт ещё и обрабатывать ультразвуком. Кроме того, применение ультразвука ускоряет процесс сушки горячим воздухом, но только при низких скоростях воздушного потока.
5. Заморозка и разморозка
При производстве замороженных продуктов (например, мороженого) ультразвук можно использовать для улучшенного контроля процессов кристаллизации. А во время разморозки ультразвук при определённых частотах вызывает резонансные вибрации ледяных кристаллов, ускоряя процесс.
6. Экстракция
Ультразвуком можно сделать более эффективным процесс экстракции за счёт ускоренного переноса массы (см. «Как работает ультразвук»). Так происходит экстракция остаточных соков из яблочного жмыха, антиоксидантов из лекарственных растений, масла из семян.
7. Гомогенизация
Обработка неоднородного жидкого продукта, содержащего жиры, ультразвуком ускоряет процесс гомогенизации за счёт того, что в его толще быстрее образуются нестабильности и турбулентные потоки. Частицы жиров становятся меньше, и их равномерное распределение по продукту происходит быстрее. Так обрабатывают молоко, фруктовые напитки, различные соусы.
8. Дегазация
С помощью ультразвука можно контролировать лишнюю пену, которая генерируется на линии упаковывания газированных напитков. В таких системах звуковые волны идут сверху вниз, быстро разрушая пузыри, из которых состоит пена.
Заключение
Ультразвуковая обработка – недорогая технология с широким спектром применений в пищевом секторе. Сегодня с помощью ультразвука ускоряют выдержку вина и виски, улучшая их вкус, ускоряют процессы ферментации и сокращают необходимое время отдыха теста для хлеба.
У ультразвука только один недостаток – относительный. Он ускоряет многие процессы, но при этом не заменяет уже существующее оборудование. Поэтому многие производители не видят в нём необходимости, и пока ультразвуковые системы не нашли широкого применения. Однако число пищевых компаний, использующих ультразвук ради качества и безопасности продуктов и сокращения затрат энергии, продолжает постепенно расти.
Источник: crispy.news
