СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОХЛАЖДЕННОГО МЯСА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ ПЛАЗМОЙ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR TREATMENT OF COOLED MEAT WITH LOW-TEMPERATURE GAS PLASMA OF ATMOSPHERIC PRESSURE

Изобретение относится к пищевой промышленности и может применяться для обработки пищевых, в особенности мясных продуктов или продуктов сходной структуры, их обеззараживания и дезинфекции с целью предотвращения их порчи, увеличения сроков годности с использованием низкотемпературной газовой плазмы атмосферного давления (НПАД).
Проблема ограниченного срока хранения продуктов является одной из самых известных в пищевой промышленности. Наиболее часто для лучшего хранения пищевых продуктов и обеспечения их безопасности используются термические методы обработки. Однако избыточная термическая обработка может привести к нежелательным изменениям в сенсорных и питательных свойствах продуктов, особенно для таких чувствительных к термической обработке продуктов, как мясо. Пищевые продукты быстро становятся средой для размножения патогенных микроорганизмов, особенно охлажденное мясо.
Из уровня техники известно множество способов обработки пищевых продуктов для предотвращения их микробиологической порчи. За последние годы разработан ряд нетепловых способов обработки для инактивации патогенных микробов в пищевых продуктах, которые наносят меньший ущерб качеству продуктов, чем традиционная термическая обработка. Однако высокая устойчивость некоторых микроорганизмов, в особенности бактериальных спор, к таким нетепловым способам обработки ограничивает их применение.
Наиболее перспективной считается обработка низкотемпературной плазмой атмосферного давления, так как допускает воздействие как на абиотические, так и на биотические поверхности, является экологически чистой и эффективно производит инактивацию патогенных микроорганизмов без термического воздействия на продукты.
Конечный эффект действия холодной плазмы на пищевые продукты зависит от таких факторов, как макромолекулярная структура, pH и проводимость. В связи с этим известны различные подходы к обработке различного рода продуктов. Среди них зерновые и другие сыпучие и твердые продукты (RU2707944C1, RU2535625), жидкие пищевые продукты (RU2573308C1), вода (US9475713B2), хлебобулочные изделия (RU2434437C2). Также некоторые документы раскрывают решения, которые могут быть использованы для различного рода продуктов и материалов (RU2443433, RU2086262C1), бумаги как оболочки для пищевых продуктов (RU2059742C1).
Реализация способа по RU2707944C1 происходит при частоте 10-60 Гц при напряжении 10 кВ. Низкочастотный разряд при таком напряжении может быть опасным в использовании. В решении по RU2535625С1 применяют дополнительное воздействие лазерного излучения, что требует дополнительных затрат и также низкочастотного электрического разряда при напряжении 3 кВ. А при напряжениях выше 100 вольт необходимый уровень безопасности обеспечивается лишь при условии, что ток является высокочастотным – частотой 20 и более кГц.
То есть известные устройства сконструированы с учетом специфики конкретного продукта и не приспособлены к обработке различных видов пищевых продуктов, в частности, отдельных образцов мясных продуктов, то есть их индивидуальной равномерной обработки по всей поверхности.
•
•
Как указано выше существует разница между воздействием НПАД на жидкости и твердые вещества. В продуктах с высоким содержанием воды после контакта плазмы с молекулами воды происходит образование OH в качестве основного реактивного соединения кислорода. Радикалы OH обладают высокой реакционной способностью и при определенных значениях pH сохраняют свою активность в течение длительного времени, даже после завершения непосредственного воздействия плазмы. Эти стабильные радикалы ответственны за антимикробные эффекты воды в пищевых продуктах, обработанной плазмой. Что касается продуктов питания с низким содержанием влаги, то эффект реактивных видов плазмы обычно проявляется только на поверхности, так как в зависимости от их состава (в основном, содержания воды) и пористости они могут проникать в продукты лишь на несколько миллиметров в глубину.
•
1
•
2
2
2
2
Кроме отмеченных факторов на проникновение плазмы в продукт оказывают влияние ее химический состав и скорость потока, так как период полураспада образующихся радикалов колеблется от 1 наносекунды (OH), 1 микросекунды (O, Oˉ) до 1 миллисекунды (HO), что чаще всего приводит к глубине проникновения от 1–30 нм до 1 микрона. Однако небольшие глубины проникновения как раз полезны при обработке пищевых продуктов холодной плазмой, так как микроорганизмы, присутствующие на поверхности, становятся неактивными, в то время как чувствительные питательные вещества внутри продукта сохраняются в нативном состоянии.
Таким образом, подходы к обработке твердых продуктов с малым содержанием влаги должны отличаться от подходов, используемых для влагосодержащих продуктов, таких как мясные продукты.
Известен, кроме того, способ инактивации патогенных микроорганизмов с помощью холодной плазмы [Заявка на патент US20190290792A1, опубл. 26.09.2019, A23L2/02; A23L2/50; A23L3/26; A61L2/00; A61L2/14; C02F1/46; H05H1/24], который осуществляется при атмосферном давлении в присутствии рабочего газа, в том числе с добавлением кислотного компонента или его регулированием в сочетании с обработкой плазмой.
Рассматриваемый способ предполагает добавление кислотного компонента при обработке, что неприемлемо при обработке мяса . Генерация плазмы происходит при высоком напряжении (до 200 кВ) с формированием разряда с диэлектрическим барьером (DBD), что предполагает использование сложного оборудования и существенные затраты на реализацию процесса. Используемая частота 60 Гц при таком напряжении требует принятия дополнительных мер по обеспечению безопасности персонала.
Из уровня техники известно устройство для обработки и остановки кровотечений с применением НПАД [RU 2732218, опубл. 14.09.2020, A61B 18/04 (2006.01)], содержащее источник высокого напряжения, систему подачи газа и набор биполярных и монополярных разрядников. Процесс формирования потока низкотемпературной плазмы атмосферного давления на обрабатываемую поверхность осуществляется с одновременным использованием и биполярных, и монополярных разрядов в две стадии. На первой стадии осуществляется первоначальная ионизация подаваемого газа в биполярных разрядниках внутри устройства с последующей подачей ионизированного газа к обрабатываемой поверхности. На второй стадии осуществляется окончательное формирование потока низкотемпературной плазмы атмосферного давления в зоне обработки раневой поверхности высоковольтными разрядами между монополярными электродами и обрабатываемой поверхностью тела пациента.
Данное решение представляет собой достаточно эффективное устройство, однако созданное для реализации специфического назначения – прицельной обработки относительно плоской раневой поверхности, которое вместе с тем не позволяет решать специфические задачи обработки пищевых продуктов.
Таким образом, известные способы и устройства для обработки НПАД часто предполагают сложный и дорогостоящий процесс/конструкцию за счет осуществления дополнительных воздействий - использования вакуумирования, воздействия магнитным полем, кислотным агентом и др. Причем для обработки продуктов используются разряды при высоком напряжении и на небезопасных для персонала частотах, что требует дополнительных мер безопасности, в том числе усложняющих конструкцию устройства.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого способа, является увеличение сроков хранения охлажденного мяса с сохранением его безопасности и потребительских свойств. При этом реализуемый способ позволяет использовать устройство достаточно простой конструкции, безопасного для персонала.
Заявляемый способ обработки охлажденного мяса холодной плазмой атмосферного давления характеризуется тем, что:
− охлажденное мясо помещают на решетку из нержавеющей стали, расположенной в индивидуальном полиэтиленовом контейнере для погружения всего продукта в ионизированный газ,
− наполнение контейнера НПАД осуществляют через плазмоподводящую трубку, герметично прикрепленную к контейнеру, постепенно вытесняя воздух через плазмоотводящую трубку, герметично прикрепленную к контейнеру, после заполнения контейнера НПАД охлажденное мясо выдерживают от 10 до 30 мин, поддерживая постоянную скорость потока газа 0,4 – 0,6 м/с для равномерной и качественной обработки продукта,
− после выдерживания подачу НПАД прекращают, герметично закрывают плазмоотводящую и плазмоподводящую трубки,
− при этом используют инертный газ, ионизацию которого проводят разрядами с частотой от 450 до 550 кГц при напряжении между электродами 2-4 кВ и мощности генератора 25-30 Вт, которые позволяют осуществлять способ с минимальным риском для персонала и использовать устройство довольно простой конструкции, в то же время обеспечивая необходимый уровень воздействия.
Предлагаемый способ за счет равномерной и качественной обработки позволяет снизить общую микробную обсемененность продукта при сохранении органолептических показателей обработанных образцов на том же уровне, что и у необработанных образцов. Воздействие НПАД позволяет предотвратить последующее развитие микроорганизмов на обработанном продукте, что снижает микробное обсеменение мясных полуфабрикатов и увеличивает их срок хранения, повышает безопасность продукта.
Заявляемое устройство для обработки охлажденного мяса НПАД обеспечивает реализацию указанного выше способа с достижением результата в виде увеличения сроков хранения продукта без снижения потребительских свойств и уровня безопасности продукта за счет снижения общей микробной обсемененности продукта. Что достигается в результате проведения качественной и равномерной обработки по всей площади продукта. При этом устройство имеет достаточно простую и безопасную для использования конструкцию.
Устройство представляет собой многоступенчатый резонансный плазмотрон, позволяющий получать одновременно различные виды плазмы, такие как плазма, получаемая с использованием коронных разрядов, дуговых разрядов и атмосферных плазменных струй, с использованием различных газов и их смесей, таких как азот, кислород, гелий и аргон, а также окружающий воздух и водяной пар. Устройство позволяет комбинировать виды и режимы воздействия НПАД в процессе обработки мясопродуктов в очень широких пределах в зависимости от технологической задачи по обработке охлажденного мяса, в частности, состав газовой смеси, тип разряда, конфигурация электродов, температура, время воздействия и т.д.
Заявляемое устройство для обработки охлажденного мяса НПАД содержит:
− удерживающий ионизированный газ индивидуальный контейнер с установленной внутри него решеткой из пищевой нержавеющей стали для размещения обрабатываемого продукта,
− выполненные в верхней части контейнера плазмоотводящую и плазмоподводящую трубки, последняя из которых связана с баллоном с инертным газом и высоковольтным разрядником в виде кварцевой трубки, предпочтительно, с внутренним диаметром 8 мм,
− в разряднике размещены два заостренных на концах игольчатых электрода из вольфрама, расстояние между которыми предпочтительно составляет 18 мм,
− источник высокого напряжения в виде генератора, а также резонансный трансформатор.
Конструкция устройства позволяет одновременно производить взаимозависимые обработки мяса и упаковки НПАД заданного плазмохимического состава и заданных физических характеристик. За счет использования специализированных контейнеров с решетками плазма равномерно контактирует с поверхностью обрабатываемого продукта, что соответственно позволяет обработать продукт со всех его сторон.
Возможность утечки электрического тока минимизирована за счёт конструктивных особенностей плазматрона. Так использование генератора высокой частоты позволяет компенсировать утечку тока, тем самым повышая безопасность устройства и минимизируя риск неблагоприятного воздействия на человека. При этом не требуется реализовывать дополнительные меры безопасности.
Группа изобретений позволяет осуществлять обработку мясопродуктов без создания вакуума, без использования дополнительных источников излучения, например, ультразвукового, инфракрасного, ультрафиолетового, лазерного и СВЧ излучения.
Сущность изобретения поясняется фигурами и таблицей, где представлены:
– на фигуре 1 – принципиальная схема устройства для обработки пищевой продукции НПАД, где:
1 – специализированный индивидуальный контейнер, удерживающий ионизированный газ;
2 – обрабатываемый продукт (образец);
3 – решетка из пищевой нержавеющей стали;
4 – плазмоотводящая трубка;
5 – плазмоподводящая трубка;
6 – высоковольтный разрядник;
7 – баллон с инертным газом;
8 – среда ионизированного газа;
9 – резонансный трансформатор;
10 – генератор.
– на фигуре 2 изображение исследуемых образцов, помещенных в индивидуальные контейнеры, где I, II, III, IV – номера исследуемых образцов;
– в таблице 1 – микробиологические показатели охлажденного мяса после обработки и хранения.
Для подтверждения возможности реализации группой изобретений своего назначения и достижения технического результата рассмотрим пример осуществления заявляемого способа и устройства для его реализации.
Принципиальная схема устройства для обработки охлажденного мяса низкотемпературной аргоновой плазмой атмосферного давления изображена на фигуре 1. Устройство представляет собой многоразрядный комбинированный плазмотрон, продуцирующий низкотемпературную плазму заданного плазмохимического состава и разработано для обработки пищевых продуктов, в частности мясных продуктов. Устройство содержит индивидуальный контейнер 1, к которому подключается система, заполняющая его ионизированным газом 8. На дне контейнера 1 для размещения обрабатываемого продукта 2 установлена решетка 3 из пищевой нержавеющей стали, безопасная для использования с пищевыми продуктами. Использование решетки 3 и размещение образца 2 в индивидуальном контейнере 1 позволяет осуществлять обработку равномерно по всей площади размещаемого на решетке продукта, в том числе снизу.
В верхней части контейнера 1 выполнены плазмоотводящая трубка 4 и плазмоподводящая трубка 5. Трубка 5 связана с высоковольтным разрядником 6 и баллоном 7 с инертным газом. Источником высокого напряжения является генератор 10. Стабильную частоту обеспечивает резонансный трансформатор 9.
Разряд генерируется в потоке газа, например, аргона (Ar), в разрядном канале высоковольтного разрядника 6, в виде трубки, выполненной из химически инертного материала, например, кварца, между двумя игольчатыми электродами, заостренными на концах для упрощения ионизации газа. То есть реализуется достаточно простой способ ионизации газа на игольчатых электродах. При обработке используется комбинация искрового, дугового и коронного разрядов. Электроды предпочтительно выполнены из вольфрама из-за его низкой способности к окислению, воздействию высоких температур.
Внутренний диаметр трубки определяется исходя из конструктивных особенностей устройства. Так в рассматриваемом случае использована трубка с внутренним диаметром 8 мм; больший диаметр трубки требует более высокого разряда, а также мощности устройства.
Расстояние между электродами подбирается исходя из характеристик используемого генератора 10. Чем меньше расстояние между электродами, тем ниже напряжение пробоя, чем больше расстояние, тем выше напряжение. В частности, для генератора с напряжением 2-4 кВ расстояние между электродами составляло 18 мм.
Для обеспечения равномерной и качественной обработки продукта используется скорость потока газа 0,4 – 0,6 м/с, которую требуется поддерживать постоянной. Скорость потока создается за счет избыточного давления. Скорость потока измеряют и регулируют расходомером.
Ионизированный аргон подавался по гибкой силиконовой подводящей трубке 5 с внутренним диаметром 10 мм и длиной 120 мм в контейнер 1 объемом 3 л, в котором находился обрабатываемый продукт - образец мяса весом 0,55 – 0,64 кг, размерами приблизительно 12 см * 18 см * 4 см.
Ионизация аргона в разрядном канале высоковольтного разрядника 6 достигается стримерными разрядами частотой 450 – 550 КГц. Выбранная частота является безопасной при использовании для живых организмов и применяется в медицинских целях. При работе на более низких частотах требуется принимать дополнительные меры для обеспечения безопасности персонала, в то же время большие частоты требуют использования генератора более сложной конструкции.
Для применения в пищевой промышленности температура используемой плазмы должна быть не выше 50°С, чтобы не вызывать тепловых изменений в белках, которые повлияют на итоговое качество продукта и его органолептические свойства. Для этого подобрали напряжение и мощность, обеспечивающие необходимую скорость ионизации газа. Такое напряжение между электродами составляет 2 – 4 кВ, мощность режима работы высоковольтного генератора низкотемпературной аргоновой плазмой атмосферного давления при этом составляет 25 – 30 Вт. Мощность измеряют ваттметром, напряжение контролируют осциллографом.
Для обработки в устройстве используется инертный газ. Например, аргон – Ar (ГОСТ 10157 – 2016 Аргон газообразный и жидкий. Технические условия). Газ подают из баллона объемом 10 литров. Давление в баллоне во время обработки 145 – 135 атм. Избыточное давление в понижающем редукторе 0,1 - 0,2 атм. Скорость потока газа в разрядном канале регулировалась регулятором расходомера газа (LZM 1 – 5) с точностью регулировки 0,1 л/мин.
Источником высокого напряжения является генератор. Генератор может, в частности, представлять собой устройство, известное из патента RU2732218, то есть генератор высокого напряжения свыше 3 кВ и частотой свыше 15 кГц) с выходом на умножитель напряжения с коэффициентом более 4-х и набор биполярных и монополярных разрядников. Причем набор разрядников может состоять из одного или более биполярных разрядников, соединенных с одним или более колебательных контуров, индуктивности которых являются одновременно первичными обмотками одного или более высокочастотных резонансных трансформаторов (с частотой резонанса более 400 кГц), а также один или несколько выходных резонансных контуров, состоящих из индуктивностей, которые в свою очередь являются вторичными обмотками одного или нескольких резонансных трансформаторов (более 400 кГц), и емкостей, в которые входят также емкости между одним или несколькими монополярными электродами и обрабатываемым образцом.
Заявляемый способ обработки с помощью заявляемого устройства может быть осуществлен следующим образом.
Для обработки отбирали охлажденную мясную продукцию, например, длиннейшую мышцу спины свиней.
Для сравнения сформировано 4 группы образцов:
1 группа – контрольная (необработанная НПАД),
2 группа – опытная, обработанная НПАД в течение 10 минут,
3 группа – образцы, обработанные НПАД в течение 15 минут,
4 группа – образцы, обработанные НПАД в течение 30 минут.
Перед началом обработки проведена групповая рандомизация образцов мясных продуктов, помещенных в контейнеры 1, с помощью конвертов. Данные рандомизации занесены в протокол, запечатанный до получения результатов микробиологических исследований.
Перед обработкой НПАД образцы продуктов поместили в специальные индивидуальные контейнеры 1 (см. фиг. 2), которые затем заполняли НПАД. Образец помещался в контейнер 1 при комнатной температуре 21°С. Температура образцов перед началом обработки 8°С. Использовали инертный газ, например, аргон, ионизацию которого проводили разрядами частотой от 450 до 550 кГц. Время обработки каждого образца определялось по таймеру с точностью до 10 секунд.
Перед началом отсечки времени обработки образцов низкотемпературной аргоновой плазмой атмосферного давления контейнер 1 заполнялся ионизированным аргоном в течение примерно 2 минут. Степень замещения воздуха в контейнере ионизированным аргоном оценивалась визуально по степени наполнения полиэтиленового пакета, герметично присоединенного к плазмоотводящей трубке 4 контейнера 1, вытесненным из контейнера 1 воздухом. После наполнения полиэтиленового пакета он отсоединялся от трубки 4, и включался таймер отсчета времени обработки образца. После окончания заданного времени обработки отключалась подача аргона, герметично закрывалась плазмоотводящая трубка 4 контейнера, отсоединялась гибкая силиконовая трубка 5 подачи аргона, герметично закрывалась плазмоподводящая трубка 5 контейнера, выключался плазмообразующий генератор 10.
Затем контейнеры 1 с образцами помещались на хранение в переносной холодильник для транспортировки к месту хранения.
После обработки образцы хранили при температуре от 0 до +2 °С в течение 15 суток. По истечению 15 суток хранения опытные и контрольный образцы отправили на микробиологические исследования в испытательную лабораторию. Определяли бактерии рода Listeria monocytogenes по ГОСТ 32031-2012, количество бактерий группы кишечных палочек (БГКП, колиформы) по ГОСТ 31747-2012, бактерии рода Salmonella ГОСТ 31659-2012 (ISO 6579:2002), количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) по ГОСТ 10444.15-94.
3
3
В Таблице 1 отражены полученные по результатам исследования микробиологические показатели охлажденного мяса. В результате исследований установлено, что обработка НПАД охлажденного мяса существенно снижает микробную обсемененность. В контрольных образцах, необработанных НПАД, микробное обсеменение превышает установленные требованиями ТР ТС 034/2013, также в контрольных (необработанных) образцах обнаружены колиформы, что не допускается. Высокое бактерицидное действие НПАД отмечается при обработке мяса в течение 15 и 30 минут. Так КМАФАнМ в третьей группе на уровне 1,6×10 КОЕ/г, что ниже контроля в 462 раза. Увеличение продолжительности обработки охлажденного мяса НПАД до 30 минут (4 опытная группа) приводит к снижению КМАФАнМ до 5,1×10 КОЕ/г в 145 раз. В опытных группах БГКП не обнаружены. Микробиологические показатели опытных (обработанных) образцов соответствуют требованиями ТР ТС 034/2013 по безопасности мясных продуктов.
Эффективность технологии обработки доказана в эксперименте по исследованию продолжительности хранения охлажденного мяса, обработанного НПАД на заявляемом устройстве.
Охлажденное мясо соответствии с принятыми Техническими условиями (ТУ 9214-002-54907417-09) было изготовлено со сроком годности 5 суток в охлажденном виде. Использование заявляемой группы изобретений позволило хранить продукт в охлажденном виде 15 суток. Таким образом, использование заявляемой группы изобретений позволяет хранить мясо в охлажденном виде в три раза дольше и не замораживать его с сохранением качества, органолептических свойств и, главное, безопасности пищевых продуктов.