Possibilities of using ultrasonic vibrations in the homogenization of food media
Authors: Иван Евгеньевич Волков, , Сергей Александрович Романчиков, , Анна Геннадьевна Леу, , Геннадий Валентинович Алексеев, 
Published: January 2023

Решение проблемы качества и безопасности пищевых продуктов зависит не только от изменения состава ингредиентов и сбалансированности структуры питания, но и от оборудования, обеспечивающего требуемые показатели. Особенно остро эта задача стоит в хлебопекарной отрасли при использовании инновационной технологии производства хлебобулочных изделий на основе сбивного теста. Наиболее энергоемкими процессами при приготовлении сбивного полуфабриката являются перемешивание и сбивание, которые в значительной мере отражают показатели качества и себестоимости готовой продукции. Научные достижения в данной области подготовили условия для численно-аналитического моделирования этого процесса с возможностью использования полученных результатов при проектировании месильно-сбивальных машин нового поколения. Вместе с тем современные научные достижения в области процессов смешивания и сбивания при производстве сбивного теста не нашли должного применения. Так, например, нет убедительных данных о влиянии на процессы сбивания ультразвуковых колебаний. К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация - рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли миллиметра, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков возникают акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных, так и вредных явлений. Частоты ультразвука, при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области ультразвука низкой частоты. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и других факторов. В статье приведены результаты аналитического моделирования влияния обработки полуфабрикатов в поле ультразвуковых колебаний на основные показатели качества сбивного теста. Для кинетики пенообразования системы мука-вода выполнены численные оценки на основании разработанных математических моделей и определены меры по обеспечению рациональных режимов приготовления сбивного хлебопекарного теста.

The solution to the problem of food quality and safety depends not only on the change in the composition of the ingredients and the balance of the nutrition structure, but also on the equipment that provides the required indicators. This task is especially acute in the baking industry when using innovative technology for the production of bakery products based on aerated dough. The most energy-intensive processes in the preparation of whipped semi-finished products are mixing and churning, which largely reflect the quality and cost of the finished product. Scientific achievements in this field have prepared the conditions for numerical and analytical modeling of this process with the possibility of using the results obtained in the design of new generation kneading machines. At the same time, modern scientific achievements in the field of mixing and churning processes in the production of aerated dough have not been properly applied. So, for example, there are no convincing data on the effect of ultrasonic vibrations on the processes of knocking down. Among the important nonlinear phenomena that occur during the propagation of intense ultrasound in liquids is acoustic cavitation - the growth in an ultrasonic field of bubbles from existing submicroscopic nuclei of gas or vapor in liquids up to fractions of a millimeter in size, which begin to pulsate with the frequency of ultrasound and collapse in the positive phase of pressure. When gas bubbles collapse, large local pressures of the order of thousands of atmospheres arise, and spherical shock waves are formed. Acoustic microflows are formed near the pulsating bubbles. Phenomena in the cavitation field lead to a number of both useful and harmful phenomena. The frequencies of ultrasound at which ultrasonic cavitation is used for technological purposes lie in the region of low frequency ultrasound. The intensity corresponding to the cavitation threshold depends on the type of liquid, sound frequency, temperature and other factors. The article presents the results of analytical modeling of the influence of processing semi-finished products in the field of ultrasonic vibrations on the main indicators of the quality of aerated dough. For the kinetics of foaming of the flour-water system, numerical estimates were made, based on the developed mathematical models, and measures were determined to ensure rational modes for preparing aerated bread dough.