Интенсификация процесса выпечки хлебобулочных изделий с применением ультразвуковой кавитации

УДК 664.66(045) DOI: 10.24411/0235-2486-2019-10110

интенсификация процесса выпечки хлебобулочных изделий с применением ультразвуковой кавитации

В.А. Романова; Д.А. Помогова; И.А. Кирш, д-р хим. наук; О.В. Безнаева, канд. техн. наук; О.А. Банникова, канд. техн. наук; И.С. Тверитникова

московский государственный университет пищевых производств

Реферат

В производстве продуктов питания в основном применяются три способа энергетического воздействия: измельчение посредством резания либо деформации, перемешивание и термическая обработка. Кроме дезинтегрирующего воздействия ультразвука известны совершенно противоположные явления, сопровождающие трансформацию энергии колебаний ультразвукового диапазона в жидкой среде. Применение кавитации в перерабатывающей и пищевой промышленности является эффективным, так как позволяет существенно снизить, а в некоторых случаях полностью исключить, использование химических пищевых добавок. Применение физического воздействия считается более эффективным и безопасным по сравнению с использованием традиционных химических ингредиентов. Российскими учеными была разработана рабочая модель проточного высокопроизводительного аппарата акустической кавитации типа РКУ с пьезокерамическим преобразователем для обработки жидких сред в промышленных масштабах. Жидкими средами являются вода, органические растворители, жидкие среды на водной основе с малым объемом твердых фракций (рассолы, сиропы, молоко и т. д.). Применение водных сред позволяет создать режим развитой кавитации при минимальных энергетических затратах. Энергия акустической кавитации дробит зерна крахмала у мучной суспензии, осуществляет частичную изотермическую клейсте-ризацию крахмала, а также гидролизует амилозу и амилопектин крахмала с образованием растворимых сахаров. Благодаря этому технология приготовления хлебопекарного теста на кавитационно-активированной воде, сопровождающаяся структуризацией белков клейковины, позволяет увеличить удельный объем хлеба, повысить его эластичность, замедлить очерствение и сократить использование хлебопекарных улучшителей.

Ключевые слова

акустическая кавитация, водный и солевой растворы, диспергирование, сонохимия, ультразвук, эталонный хлеб Цитирование

Романова В.А., Помогова Д.А., Кирш И.А., Безнаева О.В., Банникова О.А., Тверитникова И.С. (2019) Интенсификация процесса выпечки хлебобулочных изделий с применением ультразвуковой кавитации // Пищевая промышленность. 2019. № 7. С. 58-61.

The intensification of the process of baking bread products with the use of ultrasonic cavitation

V.A. Romanova; D.A. Pomogova; I.A. Kirsch, Doctor of Chemical Sciences; O.V. Beznaeva, Candidate of Technical Sciences; O.A. Bannikova, Candidate of Technical Sciences; I.S. Tveritnikova Moscow State University оf Food Production

Abstract

In the production of food, three methods of energy impact are mainly used - grinding by cutting or deformation, mixing and heat treatment. In addition to the disintegrating effect of ultrasound, completely opposite phenomena are known that accompany the transformation of the vibration energy of the ultrasonic range in a liquid medium. The use of cavitation in the processing and food industry is effective, since it can significantly reduce, and, in some cases, completely eliminate the use of chemical food additives. The use of physical action is considered to be more effective and safe than the use of traditional chemical ingredients. Russian scientists have developed a working model of high-performance flow apparatus of acoustic cavitation type RCU with piezoceramic Converter for the treatment of liquid media on an industrial scale. Liquid media are water, organic solvents, water-based liquid media with a small volume of solid fractions (brines, syrups, milk, etc.). The use of aqueous media can create a regime of developed cavitation at minimal energy costs. The energy of acoustic cavitation crushes starch grains in flour suspension, carries out partial isothermal gelatinization of starch, and hydrolyzes amylose and starch amylopectin to form soluble sugars. Thanks to this technology, the preparation of baking dough on cavitation-activated water, accompanied by the structuring of gluten proteins, can increase the specific volume of bread, increase its elasticity, slow down the hardening and reduce the use of baking improvers.

Key words

acoustic cavitation, ultrasound, sonochemistry, dispersion, reference bread, aqueous and salt solutions Citation

Romanova V.A., Pomogova D.A., Kirsch I.A., Beznaeva O.V., Bannikova O.A., Tveritnikova I.S. (2019) The intensification of the process of baking bread products with the use of ultrasonic cavitation // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost. 2019. № 7. P. 58-61.

58 7/2019 пищевая промышленность issn 0235-2486

Введение. В современной технологической аппаратуре пищевой промышленности широкое распространение получили устройства, использующие кавитацион-ный эффект воздействия на обрабатываемую среду.

В последнее время достигнуты определенные успехи в разработке принципиально новых конструкций смесителей. Рассматривая тенденции развития смесительного оборудования, можно отметить, что все большее распространение находят идеи использования для интенсификации процессов смешения новых физических эффектов и явлений. Среди таких процессов наибольший интерес представляет кавитационная технология.

Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении ее скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком жидкости в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, ка-витационный пузырек схлопывается, излучая при этом ударную волну. Принято считать, что при возникновении кавитаци-онных пузырьков в жидкости и изменении их размеров в процессе развития кавитации происходит изменение акустических и физических свойств этой жидкости, что позволяет рассматривать такую жидкость вместе с кавитационными пузырьками как некую новую среду с акустическими характеристиками, которые отличаются от характеристик капельных [1, 2]. В связи с этим явление кавитации принято называть сонохимическим. В сонохимии используется дезинтегрирующее действие этого эффекта, по сути являющегося физическим эффектом, поэтому сонохимия относится к физической химии, а пищевая сонохимия составляет отдельный раздел сонохимии. Явление кавитации носит локальный характер и возникает только там, где есть условия. Перемещаться в среде возникновения не может.

В производстве продуктов питания в основном применяются три способа энергетического воздействия: измельчение посредством резания либо деформации, перемешивание и термическая обработка. Они хорошо изучены и понятны, что подтверждает история применения их на протяжении многих столетий при обработке человечеством продуктов из биологического сырья растительного и животного происхождения [3].

Кроме дезинтегрирующего воздействия ультразвука известны совершенно противоположные явления, сопровождающие трансформацию энергии колебаний ультразвукового диапазона в жидкой среде. Так, наряду с диспергирующим эффектом существует коагулирующий эффект ультразвука, обусловленный действием сил Бьеркнеса, поэтому в реальных условиях в реакторе произвольной формы может существовать, например, равновесие между эмульгированием и коалесценцией фазы эмульсии. Аналогично при ультразвуковой стерилизации жидкостей наряду с областями поля, нахождение в которых приводит микроорганизмы к летальному исходу, могут существовать зоны, где, наоборот, скопления бактерий будут разделяться без гибели отдельных клеток, давая жизнь новым колониям.

Применение явления кавитации в перерабатывающей и пищевой промышленности, несомненно, эффективно, так как позволяет существенно снизить, а в некоторых случаях полностью исключить, использование химических пищевых добавок. Применение физического воздействия считается более эффективным и безопасным по сравнению с использованием традиционных химических ингредиентов. Активированная за счет кавита-ционных воздействий вода легко связывается в эмульсиях, где происходит гидролиз жиров с образованием ди- и моноглице-ридов, которые являются естественными загустителями. В мясной промышленности гидратация белков увеличивает выход продукции без использования фосфатов, а вода получается связанной на молекулярном уровне. К положительным сторонам обработки ультразвуком относится и бактерицидный эффект, возникающий при водоподготовке. Например, для обеззараживания воды путем пастеризации необходимо затратить много энергии, так как необходимо передать кинетическую энергию на всю массу микроорганизмов, которые распределены по объему воды, что обязывает прогревать весь объем с большим потреблением электричества. Для достижения такого же эффекта при обработке жидкости ультразвуком достаточно нескольких циклов воздействия на нее. Микроорганизмы вместе с водой под действием эффектов ультразвука испытывают деформации, приводящие к разрушению их оболочек. В этот момент газы внутри микроорганизмов расширяются, и они взрываются. Перечисленные выше достоинства позволят ультразвуковому воздействию занять лидирующие позиции в использовании для нужд пищевой промышленности.

Российскими учеными разработана рабочая модель проточного высокопроизводительного аппарата акустической кавитации типа РКУ с пьезокерамическим преобразователем для обработки жидких сред в промышленных масштабах. Состоит такой реактор из проточной камеры и погруженного в нее излучателя ультразвуковых волн. Традиционными жидкими средами являются вода, органические растворители, жидкие среды на водной основе с малым объемом твердых фракций (рассолы, сиропы, молоко и т. д.). Применение водных сред позволяет создать режим развитой кавитации при минимальных энергетических затратах [4].

Широко известно, что акустическая кавитация, порождаемая высокоамплитудным ультразвуком, является мощным дезинтегрирующим средством, гораздо более действенным по диспергирующему эффекту, нежели механическое измельчение фаз суспензий при использовании различного рода мешалок. Также известно деполимеризующее действие ультразвуковой кавитации, в том числе на полисахариды, приводящее к возникновению более простых сахаров (амилодекстри-нов, мальтозы). Вода под действием кавитации диссоциирует на ионы Н+ и ОН-с последующим образованием Н3О-, Н2О2 и О2, что способствует гидролизу сахаров крахмала и создает условия для активной жизнедеятельности дрожжей, в том числе по кислотности среды. Кроме того, ультразвук деструктурирует воду, разрывая в ней водородные связи между молекулами, то есть делает молекулы воды более активными при гидратации биополимеров муки.

Таким образом, энергия акустической кавитации дробит зерна крахмала у мучной суспензии, осуществляет частичную изотермическую клейстеризацию крахмала, а также гидролизует амилозу и амило-пектин крахмала с образованием растворимых сахаров.

Так технология приготовления хлебопекарного теста на кавитационно-активированной воде, сопровождающаяся структуризацией белков клейковины, позволяет увеличить удельный объем хлеба, повысить его эластичность, замедлить очерствение и сократить использование хлебопекарных улучшителей.

Материалы и методы. В целях установления влияния ультразвуковой кавитации на качество продуктов хлебопекарных изделий объектами исследований были выбраны:

- эталонный хлеб, изготовленный по ГОСТ 27842-88: хлеб из пшеничной муки;

- эталонный хлеб с использованием кавитационно-активированной воды;

- эталонный хлеб с использованием кавитационно-активированного солевого раствора.

В качестве акустического источника упругих колебаний применен реактор кавитаци-онный ультразвуковой (РКУ) (Сертификат соответствия С - RU - ТМ05. В. 00020 ТР 1002178) с пьезокерамическим преобразователем (рис. 1), производитель ООО «ПрофиРест-Консалт». Производительность установки составляет 0,36 м3/ч, что полностью удовлетворяет промышленные потребности предприятий с небольшими объемами переработки. Реализуемый установкой метод обработки основан на использовании явления акустической кавитации, которое порождается упругими гармоническими колебаниями ультразвукового диапазона частоты, распространяемыми в жидкости источником ультразвука.

Хлеб был изготовлен в соответствии с методом проведения пробной лабораторной выпечки. Тесто замешивали в течение 5 мин. Начальная его температура -28...30 °С, продолжительность брожения -90 мин. При брожении тесто однократно обминали через 1 ч после начала данного процесса. Тестовые заготовки разделывали (масса 180 г), помещали на подики в шкафу окончательной расстойки, которую осуществляли при 37 °С и относительной влажности воздуха 74-75 % до готовности в течение 40-43 мин. После расстойки тестовые заготовки выпекали в печи при 220 °с в течение 23-25 мин.

Сонохимическую водоподготовку осуществляли при мощности 55 %, 65 %, 75%, 85% от паспортной мощности РКУ (1000 Вт) и температуре воды (32±2) °С.

В работе применялись стандартные методы оценки органолептических и физико-химических показателей.

50

Контроль

Кавитационно-активированная вода

Кавитационно-активированный солевой раствор Рис. 2. Изменение влажности теста при воздействии акустической кавитации на водный и солевой растворы при разных режимах обработки

50

"" Мощность л

Контроль (эталонный хлеб) Кавитационно-активированная вода Кавитационно-активированный солевой раствор

Рис. 4. Изменение влажности хлеба при воздействии акустической кавитации на водный и солевой растворы при разных режимах обработки

4,5

55 65 75 85

Мощность

Контроль

Кавитационно-активированная вода

а Кавитационно-активированный солевой раствор

Рис. 3. Изменение кислотности теста при воздействии акустической кавитации на водный и солевой растворы при разных режимах обработки

75

£

б е хл

ь ст

стос

и р

£ V-

25

мощность

Контроль

Кавитационно-активированная вода

Кавитационно-активированный солевой раствор

Рис. 5. Изменение пористости хлеба при воздействии акустической кавитации на водный и солевой растворы при разных режимах обработки

60 7/2019 пищевая промышленность issn 0235-2486

Результаты исследования и их обсуждение. В ходе работы проведено исследование влияния ультразвуковой кавитации на готовое хлебопекарное изделие путем обработки водных и солевых растворов.

Были исследованы такие параметры, как влажность и кислотность теста; влажность (ГОСТ 21094-75), кислотность (ГОСТ 5670-96), пористость (ГОСТ 5669-96) формового хлеба.

На рис. 2-5 приведены результаты исследования.

Влажность всех исследуемых образцов была в пределах нормы.

Кислотность всех исследуемых образцов была в пределах нормы.

Было установлено, что показатели влажность, кислотность, пористость в образцах с кавитационно-активированным солевым раствором выше контроля, что свидетельствует о подтверждении факта гидратации биополимеров муки кавитационно-дезинтегрированной водой с переходом ее в связанное состояние, энергия которого не позволяет обнаружить эту воду стандартным методом термогравиметрического измерения влажности.

По органолептическим показателям образцы кисломолочных продуктов имели некоторые различия в консистенции и оценках запаха и вкуса, были более привлекательными, что согласуется с результатами оценки вязкости и тенденциями в изменении кислотности, характеризующими активность протекания молочнокислого и спиртового брожения.

Заключение. Проведенная работа дает основания рекомендовать сонохимиче-скую обработку с использованием ка-витационного ультразвукового реактора

в технологии хлебопекарных продуктов на этапе водоподготовки хлебопекарных продуктов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Новицкий, Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах (процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии) / Б.Г. Новицкий. - М.: Химия, 1983.

2. Поландова, Р.Д. Способ активации хлебопекарных дрожжей / Р.Д. Поландова, С.Д. Шестаков, Т.П. Волохова. Патент на изобретение № 2184145.

3. Промтов, М.А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процес-сов / М.А. Промтов // Вестник Тамбовского государственного технического универси-тета. -2008. - Т. 14. - № 4. - С. 861-869.

4. Розенберг Л.Д. Физические основы ультразвуковой технологии» / Л.Д. Розенберг. -М.: Наука, 1969. - 689 с.

5. Шестаков, С.Д. Многопузырьковая акустическая кавитация: математическая модель и физическое подобие / С.Д. Шестаков. -СПб: Крыловский государственный научный центр, 2010.

6. Шестаков, С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. Теория кавитационного реактора и ее приложения в производстве хлебопродуктов / С.Д. Шестаков. - М.: ЕВА-пресс, 2001. -173 с.

7. Шестаков, С.Д. Технология и оборудование для обработки пищевых сред с использованием кавитационной дезинтеграции (учебное пособие для вузов) / С.Д. Шестаков,

О.Н. Красуля, В.И. Богуш. - СПб: ГИОРД, 2013. - 152 с.

REFERENCES

1. Novickij, B.G. Primenenie akusticheskih kolebanij v himiko-tehnologicheskih proces-sah (processy i apparaty himicheskoj i neft-ehimicheskoj tehnologii) / B.G. Novickij. - M.: Himija, 1983.

2. Polandova, R.D. Sposob aktivacii hle-bopekarnyh drozhzhej / R.D. Polandova, S.D. Shestakov, T.P. Volohova. Patent na izo-bretenie № 2184145.

3. Promtov, M.A. Perspektivy primenenija kavitacionnyh tehnologij dlja intensifikacii hi-miko-tehnologicheskih processov / M.A. Promtov / Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2008. - T. 14. -№ 4. - S. 861-869.

4. Rozenberg L.D. Fizicheskie osnovy ul'trazvukovoj tehnologii» / L.D. Rozenberg. -M.: Nauka, 1969. - 689 s.

5. Shestakov, S.D. Mnogopuzyr'kovaja akus-ticheskaja kavitacija: matematicheskaja model' i fizicheskoe podobie / S.D. Shestakov. - SPb: Krylovskij gosudarstvennyj nauchnyj centr, 2010.

6. Shestakov, S.D. Osnovy tehnologii kavita-cionnoj dezintegracii. Teorija kavitacionnogo reaktora i ee prilozhenija v proizvodstve hle-boproduktov / S.D. Shestakov. - M.: EVA-press, 2001. - 173 s.

7. Shestakov, S.D. Tehnologija i oborudovanie dlja obrabotki pishhevyh sred s ispol'zovaniem kavitacionnoj dezintegracii (uchebnoe posobie dlja vuzov) / S.D. Shestakov, O.N. Krasulja, V.I. Bogush. - SPb: GIORD, 2013. - 152 s.

Авторы

Романова Валентина Александровна,

Помогова Дарья Александровна,

Кирш Ирина Анатольевна, д-р хим. наук,

Безнаева Ольга Владимировна, канд. техн. наук,

Банникова Ольга Анатольевна, канд. техн. наук,

Тверитникова Изабелла Сергеевна

Московский государственный университет пищевых

производств», 125080, Россия, г. Москва, Волоколамское ш., д. 11,

bwal1307@ramb1er.ru, po1echka0107@yandex.ru, irina-kirsh@yandex.ru,

o1gabeznaeva@mgupp.ru, BannikovaOA@mgupp.ru, iza-1995@bk.ru

Authors

Valentina A. Romanova, Darya A. Pomogova,

Irina A. Kirsch, Doctor of Chemical Sciences, Olga V. Beznaeva, Candidate of Technical Sciences, Olga A. Bannikova, Candidate of Technical Sciences, Izabella S. Tveritnikova

Moscow State University of Food Production, 11, Volokolamskoe highway, Moscow, Russia, 125080, bwa11307@ramb1er.ru, po1echka0107@yandex.ru, irina-kirsh@yandex.ru, o1gabeznaeva@mgupp.ru, BannikovaOA@mgupp.ru, iza-1995@bk.ru