СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ЭМУЛЬСИЙ
FOOD EMULSION PRODUCTION METHOD

Изобретение относится к ультразвуковым способам приготовления пищевых эмульсий из воды и жидких жиров. Получаемые этим способом эмульсии могут также содержать водо- и/или жирорастворимые вещества, в том числе способствующие их стабилизации. Жировой компонент также может быть сам растворен в каком-либо растворителе. Предлагаемым способом можно получать как прямые (гидрофильные) эмульсии, например, вкусоароматические эмульсии эфирных масел в воде, так и обратные (олеофильные), например, хлебопекарные эмульсии воды в растительных маслах. Преимущественная область применения изобретения - порционное приготовление эмульсий. Изобретение может быть использовано для приготовления эмульсионных косметических, гигиенических и фармацевтических средств. Не исключается применение изобретения для получения прямых и обратных эмульсий и в других областях промышленности, например, гидрофильных эмульсионных смазочно-охлаждающих жидкостей для металлорежущих станков в машиностроении или олеофильных топливно-водных эмульсий, используемых в энергетике и на транспорте.
Известен способ ультразвукового эмульгирования растительного масла в воде, применяемый в хлебопекарной промышленности [RU 2151783, 2000], где в состав компонентов эмульсии с целью снижения поверхностного натяжения на границе водной среды и диспергируемого жира добавляют твердую фазу - хлебопекарную муку. В процессе эмульгирования биополимеры муки образуют межфазный слой, снижая поверхностное натяжение на границе раздела фаз и облегчая тем самым смешивание воды и жира. Недостаток способа состоит в том, что в составе эмульсии используется твердый компонент, который может не сочетаться с продуктом, косметическим, гигиеническим или лечебным средством, в составе или в качестве которого эмульсия может быть использована. Это ограничивает область применения приготовленных таким способом эмульсий и препятствует достижению указанного ниже технического результата.
Известны способы приготовления пищевых эмульсий, при которых компоненты смешивают механически и полученную смесь подвергают ультразвуковому диспергированию путем рециркуляции относительно источника ультразвука [RU 2055479, 1996], в том числе с интенсивностью ультразвука, зависящей от скорости звука в эмульсии, ее плотности и гидростатического давления в ней [RU 2304460, 2007]. Общим недостатком, препятствующим получению сформулированного ниже технического результата этими способами, является необходимость использования технических средств для предварительного механического смешивания компонентов, что усложняет их осуществление, особенно при порционном изготовлении небольших объемов эмульсий или эмульсий с малым содержанием эмульсионной фазы. С другой стороны, известно, что при механическом смешивании компонентов, когда их объемы приблизительно одинаковы, эмульсия получается в виде смеси эмульсий прямого и обратного типов, то есть может содержать в качестве фаз эмульсии противоположного типа, что затрудняет получение заданного типа эмульсии и приводит к структурной неустойчивости всей получаемой полидисперсной системы [1]. Для предотвращения этого используют предварительную обработку воды ультразвуковой кавитацией [RU 2183986, 2000, RU 2279918, 2004], что также является усложнением процесса. Все эти недостатки препятствуют получению сформулированного технического результата изобретения перечисленными способами.
Известен способ приготовления эмульсии, позволяющий избежать неуправляемости процесса эмульгирования в отношении типа получаемой эмульсии вплоть до содержания фазы, ограничиваемого известным соотношением Оствальда. Он осуществляется путем введения эмульсионной фазы в среду эмульсии из тонкого слоя, образуемого на поверхности, с которой излучается ультразвук [RU 2172207, 2001], и предназначен для порционного приготовления олеофильных хлебопекарных и топливно-водных эмульсий [2]. Недостатком этого способа, не позволяющим достигнуть с помощью него технического результата изобретения, является именно то обстоятельство, что он позволяет получать только олеофильные эмульсии.
Наиболее близким аналогом изобретения является способ приготовления эмульсии также посредством введения эмульсионной фазы в среду эмульсии из тонкого слоя, образуемого на поверхности, с которой в эмульсию излучается ультразвук. Он позволяет готовить эмульсии любого типа, для чего излучатель ультразвука ориентируют так, чтобы ультразвук распространялся в направлении, проекция вектора силы тяжести на которое имеет тот же знак, что и разность плотностей среды и фазы эмульсии [RU 2341967, 2008]. Этот способ принят за прототип.
Прототип позволяет не только приготавливать эмульсию любого типа, но также делать это как порционно, так и непрерывно, если фазу подают на излучающую поверхность по каналам в волноводном трансформаторе. При этом требуется использование устройства для прецизионного дозирования фазы, от точности которого зависит содержание фазы в эмульсии. Причем, чем требуемое содержание фазы меньше, тем точнее должно быть дозирование. Если же в порционном режиме эмульгирования каким-либо образом создавать на излучающей поверхности слой из всего количества фазы, отмерив его объем перед началом процесса, то слой может оказаться не «тонким». Ясно, что давление, которое испытывает перед началом процесса граница раздела среды и фазы будущей эмульсии со стороны среды, должно быть не больше радиационного давления излучаемого ультразвука. Иначе невозможно разрушить эту границу, то есть произвести собственно эмульгирование. Поскольку величина радиационного давления ультразвука в точке жидкости пропорциональна квадрату колебательной скорости ее частиц в этой точке [3], то следует располагать границу раздела в плоской волне ультразвука либо вблизи поверхности, с которой он распространяется, либо на расстоянии от нее, кратном половине ее длины. Первое известно из [RU 2172207, 2001], второе - из [4]. Поэтому при порционном процессе заранее произвольно дозировать фазу эмульсии нельзя, не принимая в расчет величину радиационного давления ультразвука, которая будет иметь место на границе ее раздела со средой. Поскольку требования к интенсивности ультразвука у прототипа отсутствуют, то с помощью него осуществление наиболее технически просто организуемого порционного процесса с предварительным дозированием фазы вообще невозможно. А во многих случаях в области применения изобретения нужен именно порционный процесс приготовления эмульсии. В этом и заключается недостаток прототипа, препятствующий достижению с помощью него технического результата изобретения.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Известно, что квадрат амплитуды колебательной скорости частиц жидкости в плоской ультразвуковой волне прямо пропорционален интенсивности излучаемого ультразвука и обратно пропорционален удельному акустическому сопротивлению жидкости [5]. Таким образом, значение колебательной скорости в точке, лежащей на луче волны, равно произведению интенсивности излучаемого ультразвука, расстояния от этой точки до поверхности, с которой распространяется ультразвук, и квадрата косинуса модуля волнового вектора, умноженного на это расстояние [6]. Известны задачи определения величины радиационного давления звука на границе раздела двух несмешиваемых жидкостей и их решения, точность которых определяют сделанные в них допущения [3]. Путем постановки натурных и вычислительных компьютерных экспериментов с учетом допусков и граничных условий, действующих в области предмета изобретения, была решена обратная задача нахождения толщины слоя фазы у излучающей ультразвук поверхности в зависимости от интенсивности и частоты ультразвука, при которой радиационное давление ультразвука на границе этого слоя равно давлению, оказываемому на нее средой. Последнее физически возникает под действием силы тяжести либо выталкивающей силы в зависимости от типа изготавливаемой эмульсии. Ясно, что если статическое давление на границу раздела меньше или равно действующему на нее радиационному давлению, смешивание компонентов эмульсии осуществимо.
2
Зависимость толщины слоя фазы от интенсивности и частоты ультразвука с достаточной точностью была определена для полярной и неполярной фаз эмульсии, разница удельных акустических сопротивлений которых не превышает 40 кг/(смс). Если учесть, что электролиты, такие как, например, используемая в пищевой промышленности поваренная соль, способствуют разложению эмульсий [7] и в качестве компонентов эмульсий в больших концентрациях не используются, то в этот диапазон попадают водные растворы и жиры, из которых готовят все известные пищевые эмульсии.
Техническим результатом изобретения является создание способа, позволяющего готовить пищевые эмульсии любого типа с любым соотношением среды и фазы как непрерывно, так и порционно и предварительно не смешивая компоненты механически.
2
2
Технический результат изобретения достигается за счет того, что в способе ультразвукового приготовления пищевых эмульсий путем введения фазы эмульсии в эмульсионную среду из слоя, прилегающего к излучающей ультразвук плоской поверхности, отличие состоит в том, что в зависимости от выраженной в Вт/см интенсивности I и выраженной в кГц частоты f излучаемого ультразвука, выраженную в сантиметрах толщину слоя фазы δ у поверхности излучателя в процессе эмульгирования устанавливают и поддерживают в процессе эмульгирования, не превышающей значения первого положительного корня трансцендентного уравнения δ=0.0037·I·cosα, где α=0,043·f·δ радиан.
2
Предложенный способ экспериментально сравнивали с прототипом при получении эмульсий прямого типа из одной части оливкового масла и девяти частей питьевой воды по объему и обратного типа из девяти частей оливкового масла и одной части питьевой воды. В качестве ультразвукового аппарата использовали сонохимический реактор, изготовленный в соответствии с материалами отчета по ОКР «Разработка технического предложения «Установка для кавитационной обработки жидких пищевых сред и воды лабораторная»» [7] по указанному в отчете первому варианту. Такой реактор может порционно с повторно-периодическим добавлением фазы приготавливать эмульсии, используемые промышленные объемы которых невелики, например, вкусоароматические эмульсии из экстрактов эфирных масел. Акустическая система реактора излучает ультразвук частотой 22 кГц с регулируемой интенсивностью, которая в сравниваемых случаях устанавливалась равной 35 Вт/см. Источник ультразвука расположен в установке поверх реактора, то есть ультразвук излучается в него сверху вниз, что соответствует реализации отличительного признака прототипа при приготовлении прямых эмульсий. Рабочее пространство реактора, до излучающей поверхности источника ультразвука, вмещает 520 мл жидкости.
Порядок приготовления сравниваемых гидрофильных эмульсий был следующий. Чтобы порционно приготовить такую эмульсию с требуемым содержанием компонентов способом-прототипом, который не выдвигает конкретных требований к толщине слоя фазы, в реактор заливали 468 мл воды и 52 мл оливкового масла и эмульгировали его в воде воздействием ультразвука. Расчетная высота слоя масла при этом составляла 0,96 см. В соответствии с отличительным признаком изобретения высота слоя масла должна быть не более 0,75 см. Поэтому, воспроизводя заявленный способ и выдерживая заданное соотношение компонентов и толщину слоя вводимого масла, равную 0,48 см (<0,75 см), эмульгирование производили в два этапа. Сначала эмульгировали 494 мл воды и 26 мл масла, замещали 26 мл полученной эмульсии маслом и снова эмульгировали. После окончания эмульгирования, замещенный маслом объем эмульсии смешивали механически с эмульсией из реактора, поскольку известно, что гидрофильные эмульсии разбавляются гидрофильными же или водой в любых пропорциях [7]. Общее время работы излучателя ультразвука при воспроизведении прототипа и заявленного изобретения было равным и составляло 1 мин.
Порядок приготовления сравниваемых олеофильных эмульсий был следующий. Реактор вертикально переворачивали и устанавливали так, чтобы источник ультразвука оказался внизу. Часть акустического трансформатора являющегося источником ультразвука поршневого излучателя помещается внутри рабочего пространства реактора [8], а объем рабочего пространства до плоскости излучения составляет 201 мл. Поэтому при эмульгировании способом-прототипом, зная, что олеофильная эмульсия не разбавляется водой [7], в перевернутый реактор заливали 468 мл оливкового масла и не 52, а 52+201=253 мл воды, после чего эмульгировали их в течение 1 мин. Так в процессе эмульгирования участвовал только объем воды, располагавшийся выше плоскости, в которой лежит излучающая ультразвук поверхность. Осуществляя заявленный способ, эмульгирование производили также в два этапа, вводя в первом 26+201=227 мл, а во втором 26 мл воды. Общее время работы излучателя ультразвука при воспроизведении заявленного изобретения также составляло 1 мин, чтобы затраченная на эмульгирование энергия была в том и другом случаях одинаковой.
В пяти пробах объемом по 1 мл взятых из каждого образца хорошо механически перемешанных эмульсий с помощью анализатора влажности МХ-50 A&D Company Ltd (Япония) было измерено содержание по массе жирового компонента. Полученные средние по пяти замерам результаты приведены в таблице.
ТИП ЭМУЛЬСИИ
СОДЕРЖАНИЕ ЖИРА, мг
способ-прототип
заявленный способ
Гидрофильная (прямая)
79
82
Олеофильная (обратная)
803
778
Из таблицы видно, что в процессе приготовления эмульсии как прямого, так и обратного типов заявленным способом эмульгируется большее количество фазы, нежели при использовании прототипа. Это говорит о том, что технический результат изобретения достигается.
Таким образом, сравнение заявленного способа с наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что отличительный признак заявленного способа является существенным по отношению к указанному техническому результату. Заявителем не выявлено каких-либо известных решений, касающихся установления требований к толщине слоя эмульгируемого компонента в зависимости от интенсивности излучаемого ультразвука при ультразвуковом эмульгировании.
На чертеже показаны графики зависимости максимально допустимой толщины слоя фазы на поверхности излучателя от интенсивности излучаемого им ультразвука для частот 20, 22 и 40 кГц. Пунктирная линия указывает соответствующие друг другу значения функции и аргумента зависимости при частоте 22 кГц, использованные в рассмотренном примере сравнения. Каждый из приведенных графиков представляет собой верхнюю грань множества значений зависимости, удовлетворяющих признаку изобретения при указанной на нем частоте излучения ультразвука. То есть все точки фазовой плоскости «толщина - интенсивность», лежащие ниже кривой каждой из зависимостей при обозначенной на ней частоте, соответствуют изобретению.
Наряду с порционным, изобретение не исключает организации и непрерывного процесса производства эмульсий аналогично [9] и прототипу. Можно реализовать отличительный признак изобретения как функцию автоматического управления непрерывным процессом. Такое применение изобретения позволит оптимизировать процесс путем управления скоростью подачи фазы, например, через каналы в акустическом трансформаторе [RU 2183986, 2000] в зависимости от интенсивности ультразвука и колебаний скорости истечения эмульсии из реактора и, наоборот, управляя производительностью процесса по отклонениям нерегулируемой скорости подачи фазы и интенсивности акустического излучения. Для выравнивания содержания фазы во всем объеме образующейся в реакторе эмульсии можно использовать простейшие перемешивающие устройства типа лопастных мешалок и импеллеров.
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления изобретения с помощью описанных и известных средств и методов и достижения при этом указанного выше технического результата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шестаков С.Д. // Хранение и переработка сельхозсырья. 3, 2003.
2. Отчет по НИР гос. рег. №70990000162, ВНТИЦ, 1999.
3. Гольдберг З.А. / В кн. Мощные ультразвуковые поля. - М.: Наука, 1968.
4. Недужий С.А. // Акустический журнал. 1961 7, (265).
5. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИИЛ, 1956.
6. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: ИФ-МЛ. - 1959.
7. Кроит Г.Р. Наука о коллоидах. Т.1. - М.: ИИЛ, 1955.
8. Отчет по ОКР гос. рег. №0120.0804052, ВНТИЦ, 2008.
9. Шестаков С.Д., Сучков В.Н. и Кветный Ф.И. // Хлебопечение России. 2002, 5.