СПОСОБ СОНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РАССОЛА
METHOD FOR SONOCHEMICAL TREATMENT OF BRINE

Изобретение относится к пищевой промышленности, включая производство кормов для сельскохозяйственных и домашних животных, птицы и рыб, и может использоваться в приготовлении растворов посолочных и консервирующих веществ (рассолов) для пищевого сырья животного и растительного происхождения.
Область применения изобретения - сонохимическая обработка преимущественно насыщенных растворов посолочных веществ перед смешиванием их с измельченным пищевым сырьем, когда требуется гидратировать его биополимеры, главным образом белки, водой, являющейся средой рассола [1]. Происходящие при такой обработке физико-химические процессы порождаются кавитацией, возникающей в рассоле под действием упругих ультразвуковых колебаний, и относятся к надтепловым процессам химии высоких энергий, которые в этом случае называются сонохимическими [2, 3]. Изотермически увеличивая растворяющую способность воды в рассоле за счет известного физико-химического действия ультразвука, можно восполнять в сырье утраченную им при хранении в высушенном либо замороженном виде природную гидратационную воду [4]. А за счет известного бактерицидного действия ультразвука на микроорганизмы [5] можно при этом ослабить либо вовсе исключить микробиологические процессы, могущие иметь место при искусственном увлажнении пищевого сырья и способствующие ускорению порчи получаемых из него продуктов.
Известен способ гидратации биополимеров сонохимически обработанной при величине амплитуды звукового давления не меньшей, чем 5,5 значений гидростатического давления, и с производительностью, не большей 450 объемов кавитационного реактора в час, водой [RU 2279918, 2006].
Также известен способ посола мяса для мясопродуктов активированным рассолом, представляющим собой раствор поваренной соли и других посолочных веществ [RU 2245624, 2005], при осуществлении которого отношение амплитуды звукового давления в рассоле к гидростатическому давлению в сонохимическом реакторе выбирают в диапазоне 2…23. Оба эти способа позволяют увеличить гидратируемость биополимеров пищевого сырья.
В первом случае, судя по описанию способа, сонохимическая обработка также направлена на увеличение содержания синтезируемой в результате кавитационного процесса перекиси водорода. И во втором случае, хотя нижний предел диапазона звуковых давлений меньше, чем в первом, в рассоле тоже синтезируется перекись водорода, которая, разлагаясь в мясе с выделением энергии, ускоряет его созревание и снижает в нем активность бактерий.
Известен еще способ обработки жидкости, в том числе воды и водных растворов, ультразвуком, определенной амплитудой звукового давления в кавитационном реакторе для реализации в ней процессов, свойственных химии высоких энергий [RU 2254911, 2005]. В результате этих сонохимических процессов вода на определенное время выводится из состояния термодинамического равновесия, что позволяет аккумулировать в ней практически без ее нагрева некоторое количество энергии и впоследствии при возврате к равновесному состоянию отдавать ее в ходе реакции гидратации. Способ предназначен для использования в том числе и в пищевой промышленности, а результатом осуществляемой обработки также может быть и бактериолиз. В этом способе амплитуда звукового давления в воде внутри кавитационного реактора не менее чем в 4,4 раза превышает статическое давление в нем.
2
2
Все три перечисленных способа объединяет общий недостаток, препятствующий получению сформулированного ниже технического результата при их использовании для сонохимической обработки рассола и заключающийся в следующем. Как известно [5], синтезу НО в сонохимии предшествует диссоциация воды на являющиеся сильными катализаторами гидролиза жиров ионы водорода и гидроксилы, остаточное содержание которых всегда будет наличествовать в обработанном рассоле. Поэтому из-за наличия жирового компонента в пищевой биомассе как растительного, так и животного происхождения при смешивании ее с рассолом будет происходить гидролиз жиров. А поскольку распад перекиси водорода в биомассе имеет окислительный характер, то выделяемый кислород может окислять жиры и образующиеся в результате их гидролиза свободные жирные кислоты. Это наряду с увеличением гидратационной способности белковой составляющей биомассы сырья приведет к ускоренному прогорканию ее жировой составляющей, ухудшению вкусовых качеств и ускоренной порче получаемого из нее пищевого продукта.
2
2
Наиболее близким к заявленному способу его аналогом является способ гидратации биополимеров пищевого сырья и получения продуктов из гидратируемой биомассы [RU 2331478, 2008] с использованием сонохимической обработки водных растворов солей, которая осуществляется с отношением интенсивности ультразвука к квадрату гидростатического давления в растворе не меньшим значения тривиального критерия подобия, численно равного 1,1 Bт/(мкПа). Этот способ принят за прототип изобретения.
2
2
Критериальный способ установления параметров сонохимической обработки, учитывающий их как совокупность и отличающий этим прототип от рассмотренных выше аналогов, позволяет обеспечивать одинаковую степень гидратации биополимеров водой, являющейся средой рассолов независимо от содержания растворенных в ней солей. В случае обработки в соответствии с признаком этого прототипа, обладающего наивысшим в области применения изобретения значением удельного акустическое сопротивления насыщенного раствора натрия хлорида, который чаще всего используется в качестве рассола при посоле, например, измельченного мяса [4], значение критерия 1,1 Bт/мкПа будет соответствовать амплитуде звукового давления составляющей 2,1 значения гидростатического давления в сонохимическом реакторе. Это следует из закономерностей акустики конденсированных сред и теории кавитации [6]. Таким образом, при использовании этого принятого за прототип способа будет происходить диссоциация молекул воды на ионы, из которых будет синтезироваться перекись водорода приблизительно в таких же количествах как при нижней границе диапазона, характеризующего отличительный признак второго из рассмотренных выше аналогов. Следовательно, прототип также как и известные аналоги сонохимической обработки рассолов, хотя и в меньшей степени, но обладает тем же недостатком, что и они. Это препятствует получению технического результата изобретения и при его использовании.
Сущность изобретения состоит в следующем. Известно [1], что основным фактором сонохимических реакций является кавитация, а порог кавитации в воде и водных растворах зависит от гидростатического давления и уравновешивающего его внутри находящихся в воде паровоздушных микропузырьках - кавернах (отсюда и термин «кавитация») давления паров воды, соответствующего температуре этой воды [6]. В области применения изобретения значение кавитационного порога будет по величине приблизительно равно разности гидростатического давления и давления паров воды при температуре процесса, которая не выше комнатной. Известно также, что рассеиваемая на кавитации часть энергии плоской ультразвуковой волны ограничена максимальным значением, которое соответствует приблизительно трехкратному превышению амплитудой звукового давления кавитационного порога в воде [7], а при неограниченном росте интенсивности ультразвука растет только кинетическая составляющая энергии кавитации, которая не влияет на сонохимический синтез перекиси водорода [8]. Энергия термической диссоциации воды, происходящей при кавитации в ее газовой фазе, заполняющей кавитационные пузырьки [3, 6], превышает энергию водородных связей молекул воды между собой в жидкой фазе более чем на порядок [9]. Поэтому повышение растворяющей способности воды не сопровождающееся диссоциацией ее молекул на ионы физически возможно и должно лежать в области порождающего кавитацию звукового давления с амплитудой 1…2 значения гидростатического давления в ней или растворе на ее основе.
Техническим результатом изобретения является исключение гидролиза и окисления жировой составляющей пищевого сырья при его посоле рассолом, который предварительно подвергнут сонохимической обработке в кавитационном реакторе.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном способе сонохимической обработки рассола в кавитационном реакторе перед смешиванием его с биомассой пищевого сырья отличие состоит в том, что амплитуду звукового давления в обрабатываемом рассоле поддерживают меньшей удвоенного значения гидростатического давления в реакторе.
2
2
Существенность отличительного признака изобретения была проверена экспериментально с помощью кавитационного реактора, разработанного в Московском государственном университете технологий и управления [4]. Электроакустический излучатель этого реактора при номинальной потребляемой электрической мощности обеспечивает с учетом отражения акустической волны от имеющегося в нем рефлектора [10] абсолютную величину амплитуды звукового давления в насыщенном растворе натрия хлорида при атмосферном давлении в нем равную 198 кПа. То есть амплитуда звукового давления превышает гидростатическое давление в реакторе, через который рассол свободно подается перистальтическим насосом, в 1,98 раза. После обработки в номинальном режиме водных растворов гуминовых кислот, их перманганатная окисляемость, определяемая по ИСО 8467, не изменилась. То есть легко окисляемые органические кислоты не были трансформированы в перекисные соединения путем присоединения кислорода, как это происходит в конечном итоге с водой при синтезе НО. Отсюда следует, что и перекись водорода также не синтезировалась или синтезировалась в пренебрежимо малых для выбранного стандартного метода анализа количествах. Растворяющая же способность обработанной в том же режиме воды в отношении натрия хлорида увеличилась в 1,7 раза. Все это говорит о том, что при использовании подвергнутых обработке в таком режиме рассолов для посола, например, измельченного мяса, гидратируемость его белков увеличится, а окисления жиров не произойдет. Результаты эксперимента официально оформлены протоколом испытаний аккредитованной испытательной лаборатории «ЭкоЗонд» (аттестат аккредитации РОСС RU.0001.515746).
В описании же примера применения принятого за прототип способа он осуществлялся так же, как и рассмотренный вторым по счету аналог посредством аппарата «Сиринкс» [11]. Создаваемая им в номинальном режиме интенсивность ультразвука инициировала бы в концентрированном растворе NaCl при атмосферном давлении упругие колебания с амплитудой давления, равной 10 величинам гидростатического давления, что удовлетворяет признаку прототипа. Как было показано при рассмотрении аналогов, колебания с амплитудной звукового давления вдвое большей значения гидростатического давления и выше приводят к термической диссоциации молекул воды в ее парах внутри кавитационных пузырьков и к дальнейшему синтезу перекиси водорода.
Таким образом, сравнение изобретения с наиболее близким аналогом, характеризующим уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что отличительный признак заявленного способа является существенным по отношению к указанному техническому результату. Заявителем не выявлено еще каких-либо известных решений, касающихся аналогичных требований к амплитуде звукового давления в реакторе при сонохимической обработке рассолов.
Предлагаемый способ в промышленном масштабе может быть осуществлен, например, посредством индустриального ультразвукового процессора UIP4000 германского производства [12]. Реактор UIP4000 состоит из акустических ячеек в виде резонаторов, образованных плоскими поверхностями симметричных цилиндрических гантелей, которые составляют монолитный волновод [13]. Условия суперпозиции излучаемых акустических волн и образования результирующих стоячих волн в насыщенном растворе натрия хлорида при расчете звукового давления в соответствии с законами акустики конденсированных сред [14] дают в результате значение меньше удвоенной величины гидростатического давления в реакторе. Следовательно, сонохимический процесс в таком аппарате удовлетворяет отличительному признаку изобретения. UIP4000 обеспечивает производительность сонохимических процессов дезинтеграции до 400 л/час [12]. Им можно обработать порцию рассола для 100 кг измельченного мяса при производстве вареных колбас [4] приблизительно за одну минуту. Это позволит максимально эффективно использовать полученные в результате обработки полезные свойства рассола, которые асимптотически ослабевают по мере релаксации его нестационарного термодинамического состояния [15].
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения с помощью него указанного выше технического результата.
Источники информации
1. Шестаков С.Д., Красуля О.Н. Гидратация белков мяса и «разбавление фарша водой» - в чем разница? // Мясная индустрия. - 2007. - №8. - С.16-19.
2. Шестаков С.Д., Красуля О.Н., Бефус А.П. Особенности сонохимических исследований в пищевой промышленности, - 2008. - Деп. в ВИНИТИ, №886-В2008.
3. Margulis M.A. Sonochemistry and Cavitation. - London; Gordon & Breach, 1995.
4. Шестаков С.Д., Красуля О.Н., Бефус А.П. Восполнение утраченной мясом влаги путем управляемой гидратации его биополимеров при посоле // Мясной ряд. - 2008 - №3 (33) - С 38-40.
5. Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие - М.: ИФ-МЛ, 1963.
6. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. - М.: Мир, 1974.
7. Физика и техника мощного, ультразвука. Мощные ультразвуковые поля // под ред. Л.Д.Розенберга. - М.: Наука, 1968.
8. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М.: ЕВА-пресс 2001.
9. Краткий справочник по химии / под ред. О.Д.Куриленко. - Киев: Наукова думка, 1974.
10. Отчет об ОКР №ГР.0120.0804052, 2003.
11. Отчет о НИР №ГР 0120.0405099, 2005.
12. http://www.hielscher.com.
13. Шестаков С.Д., Бефус А.П. Формулирование критерия подобия сонохимических реакторов при обработке сред, не обеспечивающих акустического резонанса, 2008. - Деп. в ВИНИТИ, №840-В2008.
14. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: ИФ-МЛ. - 1959.
15. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: Заблуждения и реальность // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2004. - №4. - С.17-20. - №10. - С.9-13.