УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГОМОГЕННОГО МОЛОЧНОГО ПРОДУКТА И СПОСОБ ГИДРАТАЦИИ ПОЛЯРНЫХ МОЛЕКУЛ АМИНОКИСЛОТ МОЛОЧНЫХ БЕЛКОВ В ПРОЦЕССЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГОМОГЕННОГО МОЛОЧНОГО ПРОДУКТА
HOMOGENEOUS MILK PRODUCT MANUFACTURE DEVICE AND METHOD FOR HYDRATION OF POLAR MOLECULES OF MILK PROTEINS AMINO ACIDS IN PROCESS OF HOMOGENEOUS MILK PRODUCT PREPARATION

Группа изобретений относится к молочной промышленности, а именно к области техники и технологии для приготовления с помощью кавитации рекомбинированных молочных смесей из натурального молока или пахты, растительного жира, воды и сухих молочных компонентов, и может быть использовано для получения гомогенного молочного продукта, из которого производят, отделяющие при изготовлении основную часть воды в составе сывороток такие продукты, как творог и сыр. Изобретение также может быть использовано для производства составных молочных напитков с сонохимической водоподготовкой.
Существует устройство, которое используется для гомогенизации, в том числе и молока с помощью ультразвука по [СА 2111802, 1992]. В этом устройстве невозможно управление соотношением гидростатического и среднего звукового давления, поскольку зазор, в котором протекает процесс, очень мал. Из-за этого же затраты энергии в нем на создание кавитации должны быть велики.
Запатентована гомогенизация молока [RU 2172107, 2000], включающая обработку путем его рециркуляции при температуре до +85°C относительно акустического излучателя, образующего в нем кавитацию. Именно нагрев молока является недостатком такой гомогенизации. Как известно, что хотя кавитационный порог в жидкостях при увеличении температуры снижается, но это сопровождается снижением энергии самой кавитации [1]. Это снижает количество образующихся в молоке при кавитации веществ двойственной растворимости, которые, располагаясь на увеличивающейся при гомогенизации границе жира и воды, стабилизируют эмульсию молока [2].
Известен способ [RU 2101969, 1998], в котором молочное сырье нормализуют сухим обезжиренным молоком перед пастеризацией. Белки сухого молока, добавляемые, например, в натуральное молоко вообще без его гомогенизации, будут целиком существовать в нем в виде самостоятельных белковых хлопьев и глобул в коллоидном растворе, являющемся его средой, а не на границах жировой фазы, оболочка которой в этом случае сохраняет натуральную целостность, так как удельная поверхность ее не меняется.
Существует обработка молока в роторно-пульсационном устройстве без искусственного добавления белков [RU 2222952, 2002]. Она также может быть использована для его гомогенизации. В таком устройстве в результате градиентов давления в молоке возникает гидродинамическая кавитация, которая дробит и делает однородной по размерам частиц жировую фазу молока. При увеличении площади поверхности жировой фазы на поверхности частиц жира возникает дефицит оболочечных веществ, стабилизирующих эмульсию молока. Это в последствии может приводить к обратному процессу - коалесценции жира. Значит и полученная молочная смесь также не будет стабильной.
Известна гомогенизация молока [RU 2283584, 2006] путем воздействия на него энергией акустической кавитации при заданном значении амплитуды звукового давления. Для повышения стабильности эмульсии молока на увеличивающейся в процессе гомогенизации границе между жировой фазой и водной средой искусственно создают и разделительную белковую оболочку. Для этого в молоко перед воздействием кавитацией добавляют молочные белки в виде сухого обезжиренного молока или пахты в количестве, пропорциональном ожидаемому увеличению удельной поверхности жировой фазы. Поэтому смесь получается обладающей повышенным содержанием белка. Но сам белок остается недостаточно подготовленным к гидратации, поскольку для дезинтеграции его структуры более важна кинетическая составляющая энергии кавитации. При акустической же кавитации соотношение энергий имеет преимущество в пользу потенциальной составляющей [2].
В большинстве известных способов гидратации биополимеров энергоемкость кавитационной обработки прямо не установлена. Например, в [RU 2331478, 2008], где воду или водный раствор перед смешиванием с биомассой подвергают обработке ультразвуковой кавитацией, задан только нижний предел отношения интенсивности ультразвука к квадрату гидростатического давления, который определяет только требуемую мощность. Время же воздействия кавитации, то есть количество энергии для обеспечения сонохимических преобразований в воде остается произвольным. Это может привести к излишним затратам энергии.
Запатентовано устройство [LV 15040, 2009], объединяющее роторно-пульсационный аппарат, который может быть использован для гомогенизации молока с эффектом дезинтеграции белков, и электроакустические излучатели ультразвуковых волн, которые должны усиливать воздействие градиентов давления до получения кавитации с величиной потенциальной энергии, способной разрушать водородные связи. При его работе молоко и вода в нужных пропорциях сначала могут подаваться в предварительный смеситель, а затем в роторно-пульсационный диспергатор. Это устройство может подготовить и воду, воздействуя на нее акустической кавитацией, то есть, используя эффекты сонохимии, перед смешиванием ее с молоком и диспергированием смеси. В способе [WO 2007111524, 2006] кавитацию вызывают, излучая ультразвук с амплитудой звукового давления, не меньшей 5,5 значений статического давления в кавитационном реакторе. Необходимую для разрушения структуры воды энергию задают здесь через максимальную производительность процесса, равную 450 объемов реактора в час.
Последние два объекта являются наиболее совершенными в области изобретения и выбраны в качестве его прототипа. Недостатком [LV 15040, 2009] является то, что акустические излучатели в нем размещены так, что не могут воздействовать на воду, а излучают упругие колебания в уже смешанную с молоком воду и сухие молочные продукты. Такое воздействие на бинарную смесь, содержащую, кроме воды и коллоидного раствора молока, неполярную жидкость - молочный жир, ослабляет кавитацию в воде. Кроме того, без управления энергией акустического воздействия, могут получиться разные результаты дисперсности и стабильности смеси. Недостатком [WO 2007111524, 2006] является то, что продолжительность кавитационной обработки воды в нем установлена путем исследования зависимости динамической вязкости воды в термостатических условиях от времени кавитационного воздействия. При этом полагалось, что вязкость воды определяется соотношением объемов ее структурированной и неструктурированной составляющих и подчиняется уравнению Эйнштейна-Смолуховского [3]. Однако исследования, выполненные в Лейденском университете в 2008 г. [4], заставляют предположить, что основанное на этой гипотезе значение производительности процесса занижено. На практике это может привести к излишним затратам энергии. Эти недостатки препятствуют получению технического результата настоящего изобретения с помощью таких объектов.
Техническим результатом изобретения является получение гомогенного молочного продукта из натурального молока и/или пахты и растительных жиров, сухих молочных продуктов, содержащих молочные белки: сухого цельного или обезжиренного молока; сухой молочной сыворотки; сухих концентратов молочного белка и воды без излишних затрат энергии на процесс её сонохимической обработки.
Сущность изобретения заключается в следующем. Как известно, кавитация при определенном уровне потенциальной энергии обладает диспергирующим действием на взвешенные в жидкости твердые и жидкие частицы и дезинтегрирующим действием на водородные связи молекул воды между собой, сопровождающимся выведением воды на определенное время из состояния термодинамического равновесия [5]. Вода на время релаксации этого неравновесного состояния приобретает аномально высокую гидратационную способность по отношению к биополимерам, в том числе к белкам [2]. Известно, что плотные гидратные оболочки, образованные в результате гидратации у молекулярных групп аминокислот белка, препятствуют его термической денатурации [RU 2444201, 2012]. Поэтому, образованные, например, у включающих серу молекулярных групп молочного белка, они не будут допускать блокирования κ-казеина β-лактоглобулином при термическом воздействии во время дальнейшей пастеризации смеси, что позволит улучшить ее сычужную свертываемость.
В естественных условиях в молоке полярные центры аминокислот белков образуют своими связями надмолекулярную структуру за счет диполь-дипольных взаимодействий между молекулами. Эта структура может быть разрушена гидродинамической кавитацией в роторно-пульсационном аппарате, подготавливая аминокислоты к вступлению в реакцию гидратации. Высвобожденные полярные центры аминокислот активнее, чем с молекулярными ассоциатами воды вступают во взаимодействие с диполями, которые представляют собой отдельные водные молекулы. Но для этого сама вода, также имеющая даже при достаточно высоких температурах собственную структуру [4], должна быть предварительно деструктурирована. Известно, что лучше всего для разрушения структуры воды, то есть подготовки ее к реакции гидратации подходит сонохимическая обработка в кавитационном реакторе [5]. Чтобы получить технический результат изобретения, достаточно соединить входной патрубок механического смесителя сухих белковых компонентов молока и воды с выходным патрубком такого реактора. Также известно, что неравновесное состояние воды сохраняется в течение определенного времени [5]. Поэтому в условиях непрерывного приготовления смеси в таком включающем кавитационный реактор устройстве возникает необходимость согласования скорости обработки всей смеси в роторно-пульсационном аппарате со скоростью сонохимической обработки воды в реакторе. Последний должен иметь заданную производительность, зависящую от затрачиваемой энергии. Для ее определения нужно знать удельную (на единицу объема) энергию сонохимической обработки.
3
3
3
В работе [2] описан факт наличия максимума у функции выхода пероксида водорода в результате сонолиза воды, который объясняется рассеянием акустической энергии на внутреннем трении в воде с образованием ослабляющего кавитацию тепла. Следовательно, и зависимость степени дезинтеграции структуры воды от затраченной энергии также должна иметь максимум. Поэтому диапазон удельных энергий сонохимической обработки может быть найден посредством практической оптимизации процесса. Этот диапазон будет являться общим для всей области предмета изобретения в соответствии с принципом подобия кавитационных процессов [6]. Ясно, что здесь имеется в виду акустическая энергия, поскольку существует несколько обладающих определенными коэффициентами полезного действия способов преобразования электрической энергии в энергию упругих колебаний. В устройстве, удовлетворяющем [WO 2007111524, 2006], используется способ преобразования за счет обратного пьезоэффекта. Коэффициент полезного действия у него равен 90%, а удельная производительность устройства равна 0,6 м/ч:(4 КВт·0,9)=0,17 м/КВт·ч. Следовательно, использованный для практической оптимизации реактор электрической мощностью 630 Вт, который работает от преобразователя магнитострикционного типа (КПД 50%), имеет производительность 2 дм/мин.
Оптимизацию осуществляли с помощью такого реактора 1 в порционном режиме на стенде (Фиг.1), состоящем из диспергатора 2, в качестве которого использовали лабораторный насос-эмульгатор и смесителя 3, заполняемого перед каждым опытом на три четверти натуральным молоком с добавлением в него 2% оливкового масла. Скорость подачи в смеситель воды поддерживали всегда неизменной. Для этого использовали стабилизатор 4, состоящий из коаксиально помещенных одна в другой емкостей и дросселя 5, установленного на соосно выходящем из них патрубке и отрегулированного на минимальный расход воды в эксперименте. Сухой концентрат молочного белка вводили, просто насыпая его в смеситель 3. Во внутреннюю емкость стабилизатора из расходного патрубка реактора через трехходовой кран 6 непрерывно подавали прошедшую сонохимическую обработку воду. Производительность регулировали посредством установленного на выходе реактора дросселя 7 и мерной емкости. Таким образом, реактор мог работать с любой заданной производительностью, а из стабилизатора в смеситель обработанная вода всегда подавалась с одинаковой скоростью. Излишек воды вытекал по заполнении внутренней емкости через сливной патрубок 8, установленный в дне внешней. В смесителе, заполняемом во время каждого опыта до сделанной в нем отметки уровня 9, для эффективного механического перемешивания был установлен импеллер 10 с верхним приводом. То есть смеситель имел вид, используемой в промышленности пастеризационной либо заквасочной емкости. Он был включен в схему рециркуляции смеси через диспергатор с заданной дросселем 11 скоростью. Эксперимент проводили при комнатной температуре. Приготавливали пять образцов молочной смеси с разной производительностью реактора. Для этого с помощью дросселя 7 и мерной емкости предварительно устанавливали требуемую скорость слива воды из стабилизатора в смеситель. Затем при включенном реакторе и трехходовом кране 6, поставленном на сброс воды через сливной патрубок 12, устанавливали нужную производительность, используя мерную емкость. В смеситель заливали натуральное молоко, растительный жир, добавляли сухой концентрат молочного белка в соответствии с [WO 2007111524, 2006], включали импеллер, диспергатор и через 5 секунд переводили трехходовой кран в положение подачи обработанной воды в стабилизатор. По заполнении смесителя до отметки переключали кран 6 на сброс воды через сливной патрубок, прекращали ее подачу в реактор, отключали его, но продолжали перемешивание и диспергирование еще в течение 20 минут.
3
3
3
Вязкость полученных образцов измеряли в пробах отобранных из центральной части емкостей для хранения образцов после их отстаивания в течение трех суток при температуре +8°С ротационным вискозиметром. Результаты этих измерений относили к измеренной таким же образом вязкости натурального молока с добавлением такого же количества жира, сухого концентрата молочного белка и воды, не проходившей сонохимической обработки. Полученные дискретные зависимости относительной вязкости от скорости обработки приближали методом наименьших квадратов полиномом второго порядка [7]. Точка, соответствующая производительности 2 дм/мин, лежащая на ветви параболы по другую сторону от максимума функции, имела абсциссу 5 дм/мин. Внутри полученного таким образом диапазона вязкость молока а следовательно, и дисперсность его жировой фазы больше чем у [WO 2007111524, 2006]. Ему соответствует диапазон удельных энергий обработки воды 5…9 МДж/м, который должен быть общим для кавитационных процессов вблизи синпериодичности и при более высоких амплитудах звукового давления [2, 5, 6].
В целом процесс от перечисленных выше отличался тем, что обработке акустической кавитацией подвергается только вода без всяких примесей, что позволяет снизить энергетические затраты на эту обработку.
Таким образом, указанный выше технический результат изобретения достигается тем, что в устройстве для получения гомогенных молочных составных продуктов, состоящем из смесительной емкости, заполняемой натуральным молоком или пахтой с добавлением растительного жира, с приспособлением для загрузки в него сухих молочных компонентов, ротационного диспергатора, соединенного с этой емкостью в схеме рециркуляции, отличие состоит в том, что это устройство содержит магистраль подачи в смесь воды с встроенным в нее кавитационным реактором, а в способе гидратации полярных молекул аминокислот молочных белков в процессе приготовления гомогенного молочного продукта в описанном устройстве, в котором в смесительную емкость добавляют сухое цельное или обезжиренное молоко, или сухую молочную сыворотку, или сухой концентрат молочного белка и воду, которую предварительно обрабатывают в кавитационном реакторе при средней амплитуде звукового давления не меньше, чем амплитуда синпериодического режима кавитации, отличие состоит в том, что на обработку одного литра воды затрачивают 5…9 килоджоулей акустической энергии.
На Фиг.1 изображена схема экспериментального стенда, на котором была осуществлена практическая оптимизация приготовления смеси. Обозначены: 1 - кавитационный реактор; 2 - диспергатор; 3 - смеситель; 4 - стабилизатор; 5 - дроссель; 6 - трехходовой кран; 7 - дроссель; 8 - сливной патрубок; 9 - отметка уровня; 10 - импеллер; 11 - дроссель; 12 - сливной патрубок.
На Фиг.2 показан вариант промышленного осуществления изобретения. Обозначены: 13 - ротационный диспергатор; 14 - сонохимический реактор с генератором 15; 16 - смесительная емкость; 17 - насос рециркуляции; 18 - насос-дозатор; 19 - приспособление для введения сухих компонентов; 20 - входной патрубок воды.
На Фиг.3 приведена фотография ротационного аппарата компании ОН Tech Production OY из [7] со снятой уплотняющей крышкой рабочего объема 21 и изъятым из статора 22 ротором 23.
Экспериментальное сравнение изобретения с прототипом косвенно было осуществлено в ходе описанного выше эксперимента, который показал, что существует диапазон удельных энергий обработки воды, в котором дисперсность жировой фазы у полученной путем реализации признаков изобретения гомогенизированной молочной смеси выше, чем у прототипа. Это сравнение показывает, что отличительные признаки изобретения являются существенными по отношению к указанному техническому результату.
Предлагаемые устройство и способ в промышленном масштабе могут быть реализованы (Фиг.2) путем использования в качестве диспергатора ротационного аппарата (Фиг.3) компании Oil Tech Production OY (Эстония) [7] и монтажа на магистрали подвода воды в качестве сонохимического реактора, например, индустриального процессора UIP4000 фирмы Hielscher Systems GmbH (Германия) [8]. Он при коэффициенте полезного действия 90% имеет акустическую мощность 3,6 КВт [10]. Если добавляемый перед гомогенизацией белок способен присоединять при гидратации до 40% воды по массе [9], то требуется добавление мономолекулярной воды [WO 2007111524, 2006], которая содержится приблизительно в троекратном объеме воды, обработанной кавитацией [3]. Белки, составляющие структурно-механический слой на границе жировой фазы, при этом будут в большей степени гидратированы, следовательно, будут обладать большей смачиваемостью и поверхностной активностью. В качестве смесительной емкости и приспособления для внесения сухого сырья можно использовать изделия компании MGT. Роторный дезинтегратор можно замкнуть в схему рециркуляции смеси через эту емкость, включив в нее насос марки, например SIMPLEX-MS или STAMP-STN. Выходящую из реактора обработанную воду можно подавать непосредственно в емкость. Дозирование этой воды и установку требуемой производительности реактора можно осуществлять насосом-дозатором, например, типа Pedrollo.
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также возможности получения с помощью него стабильной, гомогенной молочной смеси без излишних затрат энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Knapp R., Daily J., Hammitt F. Cavitation. - New York: McGraw Book Company, 1970.
2. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М.: ЕВА-пресс, 2001. - 173 с. : ил.
3. 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.
4. Jinesh K.В., Frenken J.W.М. Experimental evidence for ice formation at room temperature // Physical Review Letters, 101, 2008, 036101.
5. Шестаков С. Пищевая сонохимия: концепция, теоретические аспекты и практические приложения. - Саарбрюккен: LAMBERT Academic Publishing, 2012. - 152 с. : ил.
6. Shestakov S., Babak V. Mathematical Model of the Spatial Distributing of Density of Erosive Power of Multibubble Cavitation // Applied Physics Research, Vol.4, No. 1, 2012, pp.64-77.
7. Ashokkumar M., Krasulya O., Shestakov S., Rink R. A New Look at Cavitation and the Applications of Its Liquid-Phase Effects in the Processing of Food and Fuel // Applied Physics Research, Vol.4, No. 1, 2012, pp.19-29.
8. http://www.hielscher.com
9. Kuntz I.D. The physical properties of water bound to biomacromolecules, in R.B. Duckworth (Ed.) Water relations of foods. - London: Academic Press, 1975.