способ гидратации биополимеров

Формула изобретения

Способ гидратации биополимеров, характеризующийся тем, что производят обработку воды в кавитационном режиме и смешивают ее с биополимерной массой, при этом обработку воды осуществляют в кавитационном реакторе с амплитудой, вызывающей кавитацию акустической волны не менее 5,5 Р_h, где Р_h - гидростатическое давление внутри кавитационного реактора, и с производительностью не более 450·V м³/ч, где V - внутренний объем кавитационного реактора, м³.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства, хранения и переработки сельхозсырья, а также хранения и переработки природного сырья растительного и животного происхождения и предназначено к применению в процессах гидратации биополимерной массы, включающих обеззараживание используемой для этого воды и самой биомассы.

Изобретение может быть использовано, например, для:

- обработки зерна, семян, плодов и иной биомассы перед закладкой их на хранение;

- предпосевной обработки зерна и семян;

- кондиционирования зерна при переработке его в муку;

- увлажнения и обеззараживания сырья в процессе приготовления сухих кормов для сельскохозяйственных животных и птицы;

- получения водных суспензий из продуктов измельчения зерна, семян и плодов, например хлебопекарного теста или жидких кормов;

- обработки продуктов измельчения зерна, семян и плодов, либо другой биомассы в процессе экстрагирования растворимых и эмульгируемых веществ, например, при производстве напитков, в том числе алкогольных, жидких специй или лекарственных препаратов.

Возможно применение изобретения для гидратации биополимеров животного происхождения, например:

- в процессах охлаждения, замораживания, размораживания и переработки мяса;

- восстановления молока из сухого молока и приготовления заменителей цельного молока, в том числе с использованием растительных протеинов.

Изобретение распространяется также на случаи, когда для гидратации биополимеров вместо воды используется водный раствор.

Известен способ увлажнения зерна при переработке его в муку водой с температурой 15...20°С и последующей изотермической выдержкой [Егоров Г.А., Мартыненко Я.Ф., Петренко Т.П. Технология и оборудование мукомольной, крупяной и комбикормовой промышленности. - М.: Издательский комплекс МГУПП, 1996]. При выдержке происходит распределение влаги по анатомическим частям зерна и образование ее связей с биополимерами.

Достижению указанного ниже технического результата при использовании данного способа препятствует то, что вода, обладающая при комнатной температуре кластерной структурой, которая образована водородными связями ее молекул между собой, слабо вступает в реакцию гидратации биополимеров.

Кроме того, вода комнатной температуры не оказывает бактерицидного или бактериостатического действия на микроорганизмы, обитающие в ней самой, а также на поверхности зерна и способные вызвать его микробиологическую порчу.

Известны способы горячего увлажнения зерна [Айзикович Л.Е. Физико-химические основы технологии производства муки. - М.: Колос, 1975], осуществляемые предварительно подогретой водой или паром с давлением, близком к атмосферному.

Недостатком этих способов, препятствующим получению сформулированного ниже технического результата, является необратимая термическая денатурация протеинов, приводящая в дальнейшем к ухудшению потребительских качеств производимого продукта.

Известны способы:

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

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

- обеззараживания кормов [RU №2164747, 1999];

- закладки силоса [RU №2168910, 1999];

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

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

в процессе которых воду подвергают электрохимическому активированию в электролизере. Здесь факторы, влияющие на интенсивность гидратации, носят не тепловой характер, поэтому недостатки, связанные с влиянием температуры на биополимеры, отсутствуют. Однако у описанных способов существует общий недостаток, заключающийся в необходимости предварительной химической очистки воды. В противном случае обрабатываемая биополимерная масса загрязняется продуктами электродных реакций.

Известны способы:

- обработка зерна, в котором воду распыляют в зерно при помощи ультразвука [RU №2122311, 1998];

- посола мясопродуктов, в процессе которого на рассол воздействуют ультразвуком при давлении ниже атмосферного [SU 1717063, 1992];

- приготовления теста на основе жиро-водо-мучной суспензии, подвергнутой воздействию ультразвука [RU №2151783, 2000];

- приготовления с помощью ультразвука мучной суспензии для активации хлебопекарных дрожжей [RU №2184145, 2000].

Причина, препятствующая использованию этих способов для гидратации и обеззараживания, состоит в том, что в воде при ее ультразвуковом распылении, ультразвуковой обработке с гидростатическим давлением ниже атмосферного или при наличии в ней фазы с развитой площадью поверхности истинная кавитация отсутствует. Поэтому процесс разрушения водородных связей протекает в этих условиях крайне медленно. Можно показать, что при пониженном статическом давлении в воде или в тонком слое воды, где действует тепловой механизм рассеяния энергии акустических колебаний, даже если вся потенциальная энергия ультразвука с плотностью:

где: - амплитуда давления в акустической волне; - адиабатическая сжимаемость воды; t - продолжительность воздействия ультразвука; T - длительность периода ультразвуковой волны, расходуется на полезную работу, то для разрушения водородных связей, теплота которых в термодинамически равновесных условиях составляет ˜25 кДж на моль воды (18 г), потребуются десятки часов.

Известны способы:

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

- обработки зерна перед закладкой на хранение или переработкой в муку, в котором воду предварительно подвергают обработке в кавитационном режиме [RU №2171568, 2000]. При осуществлении этих способов воду предварительно также подвергают аэрации.

Наиболее близким способом, который может быть использован по тому же назначению, что и заявленный, является способ обработки зерна [RU №2171568, 2000], который и принят за прототип. Он предназначен для улучшения мукомольных свойств зерна, а также снижения его микробиологической загрязненности. Зерно, являющееся объектом применения прототипа, состоит в основном из гидрофильных биополимеров: белков клейковины и полисахаридов крахмала. Эффект улучшения мукомольных свойств зерна достигается за счет интенсификации микрорастрескивания зерновок под воздействием явлений тепломассопереноса, сопровождающих гидратацию этих биополимеров и распад синтезируемой в процессе кавитационной обработки воды перекиси водорода на ферментах. В результате последнего также образуется кислород, который подавляет активность микрофлоры. То есть такая обработка зерна водой является процессом гидратации биополимеров, сопровождающимся эффектом снижения микробиологического загрязнения обрабатываемой биомассы.

Известно, что наиболее эффективно кавитационный процесс осуществляется в кавитационном реакторе - аппарате, в котором кавитация образуется в виде областей, располагающихся в пучностях давлений акустической волны [US №4618263, 1986; RU №2209112, 2002; RU №2226428, 2003; RU №2228217, 2003].

Известно также, что уровень рассеиваемой на явлении кавитации энергии описывается посредством дифференциального уравнения движения стенки кавитационного пузырька [Knapp R.T., Daily J.W., Hammitt F.G. Captation. - New York: McGraw Hill Book Company, 1970]. Интегрируя это уравнение можно показать, что при амплитуде волны в воде, составляющей, например, 0,8 давления покоя внутри кавитационного пузырька P₀, мгновенное значение Р давления на поверхности пузырька будет изменяться, как показано на Фиг.1. Тогда среднее за время t давление, порождаемое осцилляциями кавитационного пузырька, вычисляемое в зависимости от фазы гармонической волны по формуле:

будет изменяться, удовлетворяя принципу сохранения импульса давления, как показано на Фиг.2 кривой под номером 1.

В теории кавитационного реактора, которая применима к случаям, когда зависящий от коллапс кавитационных пузырьков (отрезок времени, на протяжении которого их мгновенный радиус меньше радиуса покоя) пренебрежимо мал по сравнению с периодом вызывающей кавитацию ультразвуковой волны, справедливо выражение:

где [...] обозначена целая часть числа (Фиг.2 ломаная линия под номером 2). Среднее за период волны T значение плотности потенциальной энергии кавитации w, трансформируемой одной кавитационной областью в произвольной точке пространства реактора, вычисляется путем интегрирования:

где: n - число кавитационных пузырьков, участвующих в процессе; С - коэффициент затухания импульса давления в пространстве, м^-1. При этом время t в (2) или (3), через которые выражается , понимается как среднее время прихода возмущения давления от пузырьков, составляющих кавитационную область, в точку пространства, для которой производится вычисление.

Используя выражение (4) можно показать, например, что у круглого в плане реактора радиусом 50 мм со стоячей полуволной, равной 35 мм, значения средней по объему реактора плотности потенциальной энергии, выделяемой за одинаковые промежутки времени для случаев, показанных на Фиг.2 графиками 1 и 2, отличаются почти в 20 раз.

Внутри этого диапазона находится пороговая энергия, ниже которой обеззараживания воды не происходит, а наблюдается ускоренное развитие колоний бактерий, связанное с механическим разделением их скоплений без гибели отдельных микроорганизмов [Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956]. Поэтому обеззараживания используемой воды в прототипе не происходит. Усиление бактериостатического эффекта в отношении микрофлоры зерна при реализации прототипа достигается за счет аэрации воды с тем, чтобы увеличить выход перекиси водорода путем вовлечения в реакцию его синтеза кислорода воздуха. Однако аэрация приводит к уменьшению Р₀, что равноценно снижению гидростатического давления и, соответственно, эффективности разрушения водородных и ковалентных связей в воде.

Все это не позволяет достигнуть сформулированного ниже технического результата изобретения при использовании прототипа.

Техническим результатом изобретения является снижение микробиологического загрязнения гидратируемых биополимеров за счет интенсификации обеззараживания гидратирующей их воды и увеличения содержания синтезируемого в результате кавитационного воздействия бактерицидного средства - перекиси водорода, а также интенсификация реакций гидратации, результатом которой является увеличение массы биополимеров, за счет увеличения содержания в воде наиболее активного реагента - ее неструктурированной фазы, путем надтеплового разрушения в воде собственной структуры, образованной водородными связями ее молекул между собой.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Известно, что давление покоя P₀ в кавитационном пузырьке зависит от радиуса покоя этого пузырька R₀, поверхностного натяжения жидкости, плотности паров жидкости и гидростатического давления P_h в ней. Реальный порог кавитации в воде и водных растворах составляет для кавитационных пузырьков диаметром более 10^-6 м ˜0,5·10 ⁵ Па при гидростатическом давлении 10⁵ Па, что объясняется низкой плотностью паров воды по сравнению с гидростатическим давлением в ней при равновесном состоянии. С учетом этого, используя уравнение равновесия зародыша кавитационного пузырька в жидкости, можно показать, что при различных вариациях параметров давление покоя в пузырьке в равновесном состоянии, начиная с R₀ >10^-5 м, пренебрежимо мало отличается от гидростатического Р_h. Подтверждающая этот вывод зависимость давления внутри пузырька P₀ от его радиуса R₀ при в различных начальных равновесных условиях, полученная путем вычислительных экспериментов с моделью кавитационного пузырька, показана на Фиг.3. Таким образом, можно гидростатическое давление Р_h в воде принять в качестве константы, относительно которой устанавливается .

Также известно, что в силу закона сохранения импульса давления, независимо от того четно или нечетно кратна пауза между коллапсами отдельно взятого пузырька периоду акустической волны, при условии, что пауза больше периода, среднее давление, порождаемое кавитационной областью за большое число периодов, равно нулю. Значит, для каждого Р_h существует такое значение , свыше которого плотность выделяемой потенциальной энергии в кавитационном реакторе постоянна. Это значение соответствует условию равенства периода осцилляции кавитационного пузырька периоду акустической волны, вызывающей кавитацию. То есть выбор амплитуды давления из области, в которой находится искомое значение и все значения, превышающие его, является необходимым и достаточным условием достижения сформулированного технического результата.

Это значение найдено путем численного эксперимента по установлению зависимости от при атмосферном давлении. Результаты эксперимента показаны графически на Фиг.4, где пунктирной линией отмечено значение максимума среднего давления при совпадении коллапса с концом периода акустической волны, вызывающей кавитацию. Видно, что искомое значение составляет 5,5 P_h.

Оптимальная продолжительность процесса кавитационной обработки воды установлена экспериментально путем исследования зависимости содержания в воде неструктурированной составляющей от времени кавитационного воздействия. При этом вода считалась дисперсной системой, средой которой является неструктурированная составляющая, фазой - структурированная. Полагалось также, что при температуре парообразования в адиабатических условиях весь объем воды деструктурирован, а в диапазоне температур 0°С...+4°С вода содержит максимум структурированной фазы. Тогда, если зависимость вязкости воды от соотношения объемов фазы и среды подчиняется уравнению Эйнштейна - Смолуховского, то путем измерения вязкости можно установить процентное содержание неструктурированной воды в общей массе воды, подвергнутой кавитационному воздействию.

Для исследования использовался кавитационный реактор, в котором обеспечивалось условие и реометр Brookfield LVDV-III (Br. Eng. Lab., USA). Результаты эксперимента показаны на Фиг.5. Асимптотический характер зависимости объясняется равновесным состоянием, устанавливающимся при длительном кавитационном воздействии.

С учетом инструментальной и методической погрешности эксперимента (заштрихованная область) можно принять необходимой и достаточной продолжительностью обработки 8 секунд.

Таким образом, в общем случае максимальная производительность процесса при соблюдении условия может быть определена как 450 V м³/ч, где V - объем реактора в м³.

Технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе гидратации биополимеров, характеризующемся тем, что производят обработку воды в кавитационном режиме и смешивают ее с биополимерной массой, при этом обработку воды осуществляют в кавитационном реакторе с амплитудой вызывающей кавитацию акустической волны не менее чем 5,5 P_h, где Р_h - гидростатическое давление внутри кавитационного реактора, и с производительностью не более 450·V м³/ч, где V - объем кавитационного реактора в м³.

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

При исследовании этих признаков описываемого способа заявителем не выявлено каких-либо известных решений, касающихся требований к аппарату для кавитационной обработки, амплитуде давления вызывающей кавитацию акустической волны в этом аппарате, а также производительности процесса в связи со сформулированным техническим результатом.

На фиг.1 показано изменение во времени, выраженном в единицах периода акустической волны Т давления Р на поверхности одиночного кавитационного пузырька, находящегося в пучности давления волны.

На фиг.2 приведены функции среднего за время t/Т давления , порождаемого осцилляциями одиночного кавитационного пузырька начальной фазой =0,75 Т. Кривая 1 соответствует а ломаная линия

На фиг.3 показана зависимость давления внутри пузырька от его радиуса при различных начальных условиях. Верхняя группа кривых для P_h=10⁵ Па, средняя P _h=5·10⁵ Па, нижняя P_h=10·10 ⁵ Па. В группах сверху вниз - поверхностное натяжение 0,10 Н/м; 0,05 H/м; 0,02 Н/м.

На фиг.4 показана зависимость от атмосферном давлении. Пунктирной линией отмечено значение максимума среднего давления при совпадении коллапса кавитационного пузырька с концом периода вынуждающего осциллятора.

На фиг.5 показана эмпирическая зависимость содержания неструктурированной фазы в воде, подвергнутой кавитационной обработке при и атмосферном давлении в кавитационном реакторе. Заштрихована область, соответствующая аппаратной погрешности измерений вязкости воды.

На Фиг.6 в аксонометрии, видом, совмещенным с разрезом, показана конструкция кавитационного реактора радиусом 35 мм и высотой 215 мм, предназначенного для обработки воды в процессе гидратации биополимеров. Чертеж реактора является иллюстрацией к приведенным ниже примерам осуществления изобретения.

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

Внутри кавитационного реактора, например, с диаметром внутреннего объема 70 мм и высотой 215 мм (Фиг.6) при помощи источника акустических колебаний, состоящего из электроакустического преобразователя 1, акустического волноводного трансформатора 2 и отражателя-резонатора 3, внутри корпуса реактора 4 в воде, пропускаемой сквозь реактор под давлением, например, 1,0·10 ⁵ Па, устанавливают плоскую стоячую акустическую волну, вызывающую возникновение кавитации. Реактор посредством фланцев 5 встроен в водопровод, по которому вода подается для смешивания биомассой. Для обеспечения отличительного признака изобретения амплитуду давления акустической волны задают посредством выбора электрической мощности преобразователя в зависимости от среднего значения объемной плотности потенциальной энергии кавитации, рассеиваемой за период волны, установленного при получении зависимости, изображенной на Фиг.5, которое равно 4,2 Дж/м³. Если электроакустический КПД процесса составляет 0,8 (с учетом потерь на внутреннее трение в электроакустическом преобразователе 1, волноводном трансформаторе 2 и отражателе-резонаторе 3), то мощность преобразователя должна составлять 3,9 кВт. Для этой цели подходит, например, BRANSON converter model 502/932R. При выбранных размерах объем внутреннего пространства реактора составляет 8,4·10 ^-4 м³. Таким образом, признак изобретения, в соответствии с которым производительность не должна превышать 450 V, будет реализован при максимальной производительности процесса, равной 377 л/ч.

Вода подается во внутренний объем реактора через один из патрубков 6, соединяемый посредством фланца 5 с водопроводом, и выходит через другой. В реакторе под действием рассеиваемой мощности акустической волны в воде возникает кавитация. Потенциальная энергия кавитации разрушает оболочки обитающих в ней микроорганизмов. Эта же энергия, реализуя механизм трансформации, свойственный химии высоких энергий, надтепловым путем непосредственно воздействует на водородные связи внутри кластеров воды, разрушая их. Не связанные между собой водородными связями молекулы воды при смешивании с биополимерной массой гидратируют ее макромолекулы. Кавитационное воздействие также увеличивает химическую активность воды за счет ее диссоциации, сопровождающейся образованием ионов H₃О⁺ и ОН^-. Эти ионы также принимают участие в синтезе перекиси водорода. Образовавшаяся перекись водорода, разлагаясь, в том числе на ферментах и метаболитах микроорганизмов с образованием кислорода и выделением энергии, способствует ускорению взаимодействия воды с биополимерной массой и подавляет активность бактерий.

Пример 1. Активирование и обеззараживание воды и зерна пшеницы в процессе увлажнения при переработке зерна в муку, сопровождающееся гидратацией белков его клейковины и полисахаридов крахмала, с целью улучшения структурно-механических свойств зерна, увеличения содержания клейковины и уменьшения микробиологического загрязнения.

Требовалось увлажнить зерно пшеницы IV типа, содержащее 18,1% сырой клейковины и имеющее влажность 13,7%. Увлажнение зерна производили водой при температуре 35°С, обработанной в соответствии с признаками прототипа и заявленного изобретения. Время изотермической выдержки после увлажнения составляло 8 часов. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1
ПАРАМЕТРЫ	СПОСОБ
	заявленный	прототип
Содержание сырой клейковины, %	19,6±0,8	18,5±1,1
Содержание МАФАнМ, КОЕ/г	2,7·107±9,0·10 6	1,2·108 ±3,0·107

Пример 2. Активирование и обеззараживание воды и порошка зерен горчицы в процессе экстрагирования из него водорастворимых и эмульгируемых веществ при изготовлении майонеза с целью увеличения выхода экстракта и повышения микробиологической чистоты промежуточного продукта - суспензии горчичного порошка.

Порошок зерен горчицы смешивали при температуре 40°С с водой, соответствующей СанПиН 2.1.4.1116-02 и прошедшей обработку в соответствии с признаками прототипа и заявленного изобретения. Полученные результаты исследования среды полученной суспензии приведены в таблице 2.

Таблица 2
	СПОСОБ
ПАРАМЕТРЫ	заявленный	прототип
Содержание масляной кислоты, г/л	1,05	0,60
Содержание валериановой кислоты, г/л	0,80	0,20
Содержание капроновой кислоты, г/л	0,80	0,60
Содержание МАФАнМ, КОЕ/г	5,0·10 3	1,2·105

Пример 3. Активирование и обеззараживание воды в процессе восстановления молока, используемого при изготовлении заменителя цельного молока, для придания продукту натуральных свойств, увеличения массы "сухого вещества" и обеспечения его микробиологической чистоты.

Требовалось получить синтетическое молоко с содержанием протеинов 4,5% из сухого обезжиренного молока (38,5% протеинов), воды и цельного неохлажденного молока с содержанием протеинов 3,0%. Приготавливался концентрат, содержащий 23,3% сухого обезжиренного молока и 76,7% обработанной воды. Затем концентрат разбавлялся цельным молоком. Вода для приготовления концентрата, соответствующая СанПиН 2.1.4.1116-02, подвергалась кавитационной обработке в соответствии с признаками прототипа и заявленного изобретения. Результаты сравнения отражены в таблице 3.

Таблица 3
ПАРАМЕТРЫ	СПОСОБ
	заявленный	прототип
Сухой остаток, %	15,1±1,3	14,5±1,2
Содержание МАФАнМ, КОЕ/г	5,1·105±6,0·10 4	1,8·106 ±1,0·105

Пример 4. Активирование и обеззараживание воды для приготовления посолочного рассола в процессе изготовления мясных рубленых формованных полуфабрикатов для придания им сочности, уменьшения потерь массы при термообработке и снижения микробиологических показателей.

Готовили фарш из мяса говядины и свинины в соотношении 1:1 и насыщенный раствор соли (пищевой по ГОСТ-Р 51574-2000) в воде, соответствующей Сан-ПиН 2.1.4.1116-02, прошедший обработку в соответствии с признаками прототипа и заявленного изобретения. При посоле фарш смешивали с рассолом в соотношении 1000:76 по массе. Результаты сведены в таблицу 4.

Таблица 4
	СПОСОБ
ПАРАМЕТРЫ	заявленный	прототип
Содержание белка, %	17,2	16,5
Содержание жира, %	22,2	21,9
Содержание влаги, %	59,4	60,4
Содержание МАФАнМ, КОЕ/г	8,5·105±7,0·10 4	2,2·106 ±2,0·105

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.