Способ гидратации биополимеров и продукт из гидратированной биомассы

Изобретение относится к области производства, хранения и переработки сельскохозяйственного и природного сырья растительного и животного происхождения и предназначено для гидратации биополимерной массы при ее увлажнении, консервации и смешивании с водными растворами пищевых ингредиентов. Способ характеризуется тем, что перед смешиванием с биомассой водного раствора солей его подвергают обработке ультразвуковой кавитацией с заданным отношением интенсивности ультразвука к квадрату гидростатического давления в растворе, являющемся критерием подобия процесса. Смешивание может быть осуществлено в ходе измельчения биомассы введением раствора в предварительно измельченную биомассу либо погружением биомассы в раствор. Способ обеспечивает одинаковую степень гидратации биополимеров водой, являющейся средой растворов солей органических и неорганических кислот, независимо от их состава и концентрации. Продукт из гидратированной биомассы, полученный в результате использования любого из методов смешивания, будет содержать не зависящее от концентрации и состава раствора количество связанной с биополимерами влаги. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области производства, хранения и переработки сельхозсырья, а также хранения и переработки природного сырья растительного и животного происхождения и предназначено для гидратации биополимерной массы при ее увлажнении, консервации и смешивании с водными растворами пищевых ингредиентов.

Изобретение может быть использовано:

- для операций посола в процессах производства пищевых продуктов, включая консервы, из мяса животных и птицы, рыбы и морских животных, а также овощей и плодов;

- для получения водных суспензий из продуктов измельчения зерна и семян, например, хлебопекарного теста или жидких кормов для сельскохозяйственных животных, птицы и рыб;

- для кондиционирования зерна при переработке его в муку, в том числе с использованием растворов обеззараживающих средств, например, ацетата натрия для предотвращения «картофельной болезни»;

- для обработки зерна, семян, плодов, овощей и иной биомассы водными растворами обеззараживающих средств перед закладкой их на хранение;

- для предпосевной обработки зерна и семян;

- при обработке продуктов измельчения зерна, семян и плодов и другой биомассы в процессе экстрагирования из них полезных веществ, например, при производстве напитков, в том числе алкогольных, жидких специй или лекарственных препаратов;

- при восстановлении сухого молока и производстве молочных продуктов, в том числе консервированных, из сухого и цельного молока, в том числе с использованием растительных компонентов.

Известен способ увлажнения зерна при переработке его в муку водой комнатной температуры [1], либо подогретой водой, либо паром с давлением, близким к атмосферному [2].

Достижению указанного ниже технического результата при использовании этих способов препятствует то, что вода, обладающая при комнатной температуре кластерной структурой, образованной водородными связями ее молекул между собой, слабо вступает в реакцию гидратации биополимеров зерна [3], а горячая вода либо пар вызывают их необратимую термическую денатурацию, приводящую к ухудшению потребительских свойств производимых из зерна продуктов.

Известны способы:

- предпосевной обработки семян [RU №2170499, 1999];

- обработки зерна [4];

- обеззараживания кормов [RU №2164747, 1999];

- закладки силоса [RU №2168910, 1999];

- изготовления препарата для обработки мясного сырья [RU 2130267, 1999];

- посола мяса [5],

в процессе которых воду подвергают электролизу.

Здесь факторы, влияющие на интенсивность гидратации, не зависят от температуры, поэтому недостатки, связанные с влиянием тепла, отсутствуют. Однако у описанных способов существует общий недостаток, заключающийся в необходимости предварительной химической очистки воды. Растворы солей, которые называют также электролитами, являются хорошими проводниками электричества. Подвергаясь электролизу, растворы солей высоких концентраций вызовут в электролизере режим короткого замыкания, а низких - загрязнятся сами и загрязнят гидратируемую ими биомассу продуктами электродных реакций, которые могут быть даже ядовиты.

Известны способы приготовления хлебопекарного теста на основе жиро-водо-мучной суспензии, подвергнутой воздействию ультразвука [RU №2151783, 2000], и приготовления с помощью ультразвука мучной суспензии для активирования хлебопекарных дрожжей [RU №2184145, 2000].

Причины, препятствующие использованию этих способов для гидратации, следующие. Во-первых, при наличии в дисперсной системе с водной средой фазы с развитой площадью поверхности, кавитация сильно зависит от условий смачивания последней, что, как правило, снижает порог кавитации и ослабляет ее действие [6]. Поэтому процесс разрушения водородных связей, то есть увеличения гидратационной способности, протекает в этих условиях крайне медленно [7]. Во-вторых, при воздействии кавитации непосредственно на биополимеры возможна их денатурация аналогичная термической, о которой сказано выше.

Известны способы, объединенные общим характерным признаком - использованием акустической кавитации в качестве воздействующего фактора только на воду или водные растворы, используемые для гидратации, например:

- способ производства хлеба, в котором замес теста осуществляют с использованием воды, прошедшей кавитационную обработку [RU №2151782, 2000];

- способ обработки зерна подвергнутой кавитационной обработке водой перед закладкой его на хранение или переработкой в муку [RU №2171568, 2000];

- способ посола мяса обработанным в кавитационном реакторе рассолом [RU №2245624, 2004];

- способ гидратации биополимеров водой, обработанной ультразвуковой кавитацией [RU №2279918, 2004].

Наиболее близким к заявляемому способу из них является способ гидратации биополимеров водой, подвергнутой кавитационной обработке [RU №2279918, 2004], который и принят за прототип. Способ характеризуется тем, что режим кавитационной обработки воды перед ее смешиванием с биополимерной массой выбирают в зависимости от гидростатического давления в ней.

Известно, что возмущение давления, вызываемое в жидкости кавитацией, при прочих равных условиях увеличивается с ростом плотности жидкости [6], а у растворов солей плотность увеличивается с ростом концентрации растворенной соли и достигает максимума при насыщении. Поэтому при кавитационной обработке растворов произвольной концентрации нельзя не учитывать их физические свойства, такие как плотность и скорость звука в них. В противном случае в растворах солей различной концентрации степень разрушения кластерной структуры воды, а значит, и гидратационная способность окажутся разными. Это не позволяет достигнуть технического результата изобретения при использовании прототипа для гидратации биополимеров водой, являющейся средой растворов солей.

Техническим результатом изобретения и является обеспечение одинаковой степени гидратации биополимеров водой, являющейся средой растворов солей независимо от их концентрации.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Известно, что растворы солей используются в процессах гидратации биополимеров в основном для консервации и как вкусовые добавки. Кавитация усиливает диссоциирующее действие на растворенные в воде соли практически с любыми типами химических связей [7]. Количественный показатель этого эффекта пропорционален выходу отдельно существующих молекул воды в результате разрушения образованной водородными связями кластерной структуры воды энергией кавитации. Эти отдельно существующие полярные молекулы воды эффективно разделяют молекулы солей на ионы и иммобилизируют последние, в том числе в сольватных оболочках гидратируемых биополимеров. Известно также, что различия в акустических свойствах жидкостей обусловлены двумя характеристиками - их плотностью и скоростью звука в них [8]. Параметром ультразвука в жидкости, включающим ее плотность и скорость звука в ней является интенсивность ультразвука [9]. То есть, если процесс кавитационной обработки водных растворов солей и обладает подобием в диапазоне их концентраций, то критерием этого подобия является минимальная в диапазоне изменения произведения плотности на скорость звука величина интенсивности ультразвука, отнесенная к квадрату гидростатического давления в растворе. Экспериментально установлено, что для растворов солей различных органических и неорганических кислот, включая раствор нулевой концентрации, когда в воде нет растворенных солей, значение такого критерия подобия составляет 1,1 Вт·м^-2·кПа^-2.

Технический результат при использовании изобретения достигается тем, что при гидратации биополимеров используемый водный раствор солей произвольного состава и концентрации перед смешиванием с биомассой подвергают обработке ультразвуковой кавитацией с отношением интенсивности ультразвука к квадрату гидростатического давления в растворе, не меньшим 1,1 Вт·м^-2·кПа^-2.

Смешивание осуществляют в процессе измельчения биомассы, введением раствора в предварительно измельченную биомассу либо погружением биомассы в раствор. Продукт из гидратированной биомассы, полученный в результате использования любого из перечисленных методов смешивания, будет содержать не зависящее от концентрации и состава раствора количество связанной с биополимерами влаги.

Сравнение заявленного способа с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что отличительный признак заявленного способа являются существенными по отношению к указанному техническому результату.

При исследовании этих признаков описываемого способа заявителем не выявлено каких-либо известных решений, касающихся установления требований к соотношению интенсивности ультразвука и гидростатического давления в водных растворах солей, которые используются для гидратации биополимеров в связи с концентрацией растворов.

Способ может быть реализован, как показано в приведенных ниже примерах гидратации биополимеров растительного и животного происхождения.

Для кавитационной обработки воды и растворов солей может использоваться аппарат типа «СИРИНКС» [10]. У аппарата имеется возможность произвольно задавать потребляемую кавитационным реактором электрическую мощность и гидростатическое давление в нем. Это позволило воспроизвести прототип и заявленный способы. Использованная модель аппарата [11] предназначена для обработки концентрированного раствора натрия хлорида способом, который принят за прототип. Как было сказано выше, мощность кавитации выше в более плотных жидкостях. Плотность воды при температурах вблизи комнатной 1000 кг/м³, а скорость звука в воде составляет при давлениях вблизи атмосферного 1450 м/с. У насыщенного раствора NaCl эти параметры соответственно равны 1200 кг/м³ и 1720 м/с. Для реализации заявленного способа потребляемая реактором мощность, которой пропорциональна интенсивность ультразвука, увеличивалась в 1720·1200/(1450·1000)=1,4 раза, так как сама интенсивность обратно пропорциональна плотности жидкости и скорости звука в ней.

ПРИМЕР 1. Гидратация белков клейковины и полисахаридов крахмала зерна пшеницы, с целью увеличения массы сухого вещества в получаемой из него муке.

Увлажнялось 25 весовых частей сухого зерна пшеницы в первом случае 1 весовой частью воды, во втором - 1 весовой частью 5% раствора натрия ацетата, обработанными заявленным способом и способом-прототипом. Время выдержки после увлажнения составляло во всех случаях 24 часа. Средняя по пяти образцам влажность муки смолотой из цельного зерна, измеренная термогравиметрическим методом приведена в таблице 1.

Таблица 1
ОБЪЕКТ	Прототип	Заявленный способ	Жидкость
ПАРАМЕТР
Влажность муки, %	16,04	15,53	Вода
15,71	15,62	Раствор NaC2H3O2
Разница, %	0,33	0,09

ПРИМЕР 2. Гидратация порошка зерен горчицы в процессе экстрагирования с целью увеличения выхода экстрагируемых веществ.

Порошок горчицы смешивали в первом случае с водой, во втором - с 5% раствором NaCl, обработанными заявленным способом и способом-прототипом. Полученные результаты измерения хроматографическим методом содержания валериановой кислоты в среде полученной суспензии приведены в таблице 2.

Таблица 2
ОБЪЕКТ	Прототип	Заявленный способ	Жидкость
ПАРАМЕТР
Содержание валериановой кислоты, г/л	0,4	0,8	Вода
0,7	0,8	Раствор NaCl
Разница, г/л	0,3	0

ПРИМЕР 3. Гидратация протеинов мясного фарша в процессе его мокрого посола с целью увеличения сухой массы изготавливаемого из этого фарша мясопродукта.

При посоле фарша из равных частей мяса говядины и свинины в одном случае его смешивали в весовом соотношении 1000:21 с сухой посолочной смесью, содержащей хлорид и лактат натрия NaC₃H₅O₃, затем посоленный фарш смешивали с водой, обработанной заявленным способом и способом-прототипом в весовом соотношении 1000:58. В другом случае концентрированный водный раствор посолочной смеси обрабатывали заявленным способом и способом-прототипом, затем смешивали с мясным фаршем в весовом соотношении 100:8. Усредненные по пяти образцам результаты термогравиметрического измерения сухого вещества в полученном фарше сведены в таблицу 3.

Таблица 3
ОБЪЕКТ	Прототип	Заявленный способ	Жидкость
ПАРАМЕТР
Содержание сухого вещества г/л	22,75	24,62	Вода
24,29	24,78	Насыщенный раствор смеси солей
Разница, %	1,54	0,16

Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных и известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Егоров Г.А., Мартыненко Я.Ф., Петренко Т.П. Технология и оборудование мукомольной, крупяной и комбикормовой промышленности. - М.: Издательский комплекс МГУПП, 1996.

2. Айзикович Л.Е. Физико-химические основы технологии производства муки. - М.: Колос, 1975.

3. Шестаков С.Д. Энергетическое состояние воды и ее связываемость биополимерами пищевого сырья: Новые возможности. // Хранение и переработка сельхозсырья. 4, 2003. - с.35-37.

4. Егоров Г., Кочеткова А., Сушенкова О. Интенсификация гидротермической обработки зерна. // Мукомольно-элеваторная и комбикормовая промышленность, 1986, №5. - с.46-47.

5. Борисенко А.А. Термогравиметрический анализ форм связи влаги в соленой говядине. // Мясная индустрия, 2001, №7. - с.45-46.

6. Knapp R.T., Daily J.W., Hammitt F.G. Cavitation. - NY: McGraw Hill Book Company, 1970

7. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: заблуждения и реальность. // Хранение и переработка сельхозсырья, №7, 2004. - с.24-28, №10, 2004. - с.24-28.

8. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956.

9. Физический энциклопедический словарь. - М: Советская энциклопедия, 1984.

10. Аппарат «Сиринкс 4000» для кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред. Технические условия СИТБ.443146.002ТУ, 2002.

11. Шестаков С.Д., Подхомутов Н.В., Сучков В.Н. Аппараты для кавитационного активирования поселочного рассола в производстве продуктов здорового питания из мяса // Труды международного семинара "Технологии, оборудование и компоненты для производства мясных продуктов здорового питания". / Под ред. акад. И.А.Рогова. - Вологда: Изд. «Сад-огород», 2004. - с.33-37.

1. Способ гидратации биополимеров, характеризующийся тем, что используемый для гидратации водный раствор солей произвольного состава и концентрации перед его смешиванием с биомассой подвергают кавитационной обработке с отношением интенсивности вызывающего кавитацию ультразвука к квадрату гидростатического давления в растворе не меньшим 1,1 Вт·м^-2·кПа^-2.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что смешивание обработанного раствора с биомассой осуществляют в процессе измельчения биомассы.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что смешивание обработанного раствора с биомассой осуществляют введением раствора в предварительно измельченную биомассу.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что смешивание обработанного раствора с биомассой осуществляют погружением биомассы в раствор.

5. Продукт из гидратированной биомассы, полученный способом по любому из пп.1-4.