Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 — Анализ состояния проблемы 13
1.1 Интенсификация технологических процессов в условиях акустических колебаний 13
1.2 Кавитационная дезинтеграция жидких сред как новый способ интенсификации технологических процессов 24
1.2.1 Теоретические аспекты процесса кавитационной дезинте грации 24
1.2.2 Процессы кавитационной дезинтеграции 26
1.2.3 Механизмы формирования функциональных свойств объектов в условиях кавитационной дезинтеграции 29
1.3 Применение электрохимически-активированных жидких систем в технологических процессах производства мясопродуктов 33
1.4 Интенсификация массообменных процессов в технологии производства цельномышечных мясопродуктов 36
1.5 Перспективные направления комплексного использования кави-тационно-дезинтегрированных и электрохимически-активированных жидких систем для интенсификации технологических процессов 45
1.5.1 Концепция интенсификации технологических процессов производства мясопродуктов наноактивированными жидкими системами 45
1.5.2 Цель и задачи исследований 52
Глава 2 - Методология проведения и организация работы, объекты и методы исследований 54
2.1 Организация выполнения работы 54
2.2 Характеристика объектов и методы исследований 67
Глава 3 - Аналитическое и экспериментальное изучение физико-химических и электрофизических свойств наноактивированных растворов NaCl 70
3.1 Теоретическое обоснование использования наноактивированных растворов в технологии мясопродуктов 70
3.2 Молекулярное моделирование процесса кавитационной дезинтеграции растворов NaCl 74
3.3 Нейросетевое моделирование процесса кавитационной дезинтеграции растворов NaCl 83
3.3.1 Аналитические исследования результатов нейросетевого моделирования растворов NaCl на основе питьевой воды 88
3.3.2 Графоаналитические исследования основных свойств растворов NaCl на основе щелочной фракции ЭХА-воды 99
3.4 Научно-практические выводы и рекомендации 108
Глава 4 - Научно-практическое обоснование использования нано активированных жидких сред для модификации растительного сырья при производстве нутриентносбалансированных мясопродуктов 111
4.1 Оценка целесообразности использования растительного сырья при производстве мясопродуктов с позиций сбалансированного питания 111
4.2 Экспериментальное исследование модификации зернобобовых и злаковых культур активированными жидкими средами 118
4.3 Разработка нутриентносбалансированных рецептур рубленых мя-сорастительных полуфабрикатов 131
4.4 Научно-практические выводы и рекомендации 141
Глава 5 - Модификация коллагеносодержащего сырья в активированных средах при производстве мясопродуктов 144
5.1 Анализ использования коллагеносодержащего сырья в технологии мясопродуктов 144
5.2 Аналитическая оценка специфики модификации коллагена 149
5.3 Молекулярное моделирование гидролиза коллагена в нейтральных водных средах 152
5.4 Молекулярное моделирование гидролиза коллагена в активированных водных средах 170
5.5 Экспериментальное обоснование модификации коллагеносодержащего сырья жидкими активированными средами в технологии мясопродуктов 177
5.6 Исследование функционально-технологических свойств эмульсий на основе модифицированной свиной шкурки 186
5.7 Научно-теоретические выводы и рекомендации 187
Глава 6 - Аналитическое и экспериментальное обоснование использования наноактивированных жидких сред в технологии эмульгированных мясопродуктов 193
6.1 Аналитическая оценка специфики образования стабильных водо- жировых эмульсий 193
6.2 Оценка технологических факторов образования стабильных эмульсий в технологии эмульгированных мясопродуктов 198
6.3 Экспериментальное изучение функционально-технологических характеристик наноструктурированных эмульсий 203
6.4 Научно-практические выводы и рекомендации 219
Глава 7 - Теоретическое и экспериментальное обоснование применения наноактивированных жидких сред в качестве цветорегулирующих и цветостабилизирующих факторов при производстве цельномышечных мясопродуктов 222
7.1 Предпосылки использования наноактивированных жидких сред для регулирования и стабилизации цветовых характеристик мясопродуктов
7.2 Исследование модельных образцов цельномышечных мясопродуктов без красителей 240
7.3 Исследование влияния наноактивированных рассолов на стабильность окраски модельных мясных систем при хранении с использованием красителей 246
7.4 Исследование качественных характеристик варено-копченых мясопродуктов при посоле наноактивированными рассолами с применением красителей 253
7.5 Изучение влияния комплексных многокомпонентных препаратов в составе активированных рассолов на формирование качественных и цветовых характеристик цельномышечных мясопродуктов из свинины 263
7.6 Разработка рецептурной композиции многокомпонентного активированного. рассола для шприцевания цельномышечного сырья на основе католита 271
7.7 Нейросетевое моделирование процессов формирования цветовых и качественных характеристик варено-копченых цельномышечных соленых изделий из свинины при использовании наноактивированных рассолов 277
7.8 Научно-практические выводы и рекомендации 290
Глава 8 - Аналитическое и экспериментальное обоснование принципов интенсификации гидромеханических процессов при посоле мяса вакуумным тумблированием с использованием наноактивированных жидких сред 298
8.1 Математическое моделирование процесса релаксации давления в начальной зоне накопления рассола 303
8.1.1 Анализ влияния различных факторов на процесс распределения давления рассола в начальной зоне его накопления 307
8.1.2 Процесс распределения давления рассола в начальной зоне его накопления при циклической механической обработке мясного сырья 316
8.1.3 Использование результатов исследований для практического применения 318
8.2 Моделирование процесса тумблирования мяса при его посоле 319
8.2.1 Моделирование процесса движения куска в полочных барабанах 322
8.2.2 Аналитическое изучение процесса тумблирования в полочных барабанах с наклонной осью вращения 338
8.3 Оптимизация режимов вакуумного циклического тумблирования при производстве цельмышечных соленых мясопродуктов с использованием наноактивированных рассолов 349
8.4 Научно-практические выводы и рекомендации 372
Глава 9 - Реализация научно-практических результатов применения наноактивированных жидких сред при производстве мясопродуктов и разработка оборудования для тумблирования мяса в посоле
9.1 Разработка новых технологий производства цельномышечных мясопродуктов из свинины с использованием активированных и нано-активированных рассолов 378
9.2 Разработка универсальной установки для интенсивного посола мяса 389
Основные результаты и выводы 399
Список литературы 402
Список приложений 441
- Кавитационная дезинтеграция жидких сред как новый способ интенсификации технологических процессов
- Характеристика объектов и методы исследований
- Нейросетевое моделирование процесса кавитационной дезинтеграции растворов NaCl
- Экспериментальное исследование модификации зернобобовых и злаковых культур активированными жидкими средами
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время приоритетные направления развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года связаны с разработкой наукоемких технологий, направленных на изыскание принципиально новых, экологически безопасных и эффективных методов интенсификации технологических процессов, их совершенствование, а также создание системы ресурсосберегающих технологических процессов и машин, стабилизирующих показатели технологической адекватности и безопасности пищевого сырья и готовой продукции. Современные тенденции в науке и технологиях, с позиции общей концепции государственной политики в области здорового питания, а также реализации антикризисных мер в АПК России, должны быть ориентированы на разработку конкурентоспособных пищевых продуктов нового поколения, перспективных в плане импортозамещения и наращивания внутреннего спроса.
В основу создания высокоэффективных процессов производства, с учетом требований современной экологии и реабилитации окружающей среды, должны быть положены безопасные акустические, физико-химические, электрофизические и механические способы обработки сельскохозяйственного сырья, в том числе с использованием нанотехнологий, позволяющие осуществлять безреагентное регулирование его функционально-технологических свойств.
К таким, наиболее перспективным и современным способам интенсификации технологических процессов пищевых производств, относится использование активированных различными способами жидких сред в комплексе с рациональными гидромеханическими воздействиями. В настоящее время активированные жидкие среды с технологически значимыми функциональными свойствами получают как электрохимической обработкой, так и кавитационной дезинтеграцией.
Значительный вклад в решении проблем модификации функциональных свойств сырья животного и растительного происхождения, интенсификации технологических процессов его переработки, в том числе с использованием активированных жидких сред, внесли отечественные и зарубежные ученые: Л.В. Антипова, Э.Э. Афанасов, В.М. Бахир, Т.В. Бархатова, А.С. Большаков, А.А. Борисенко, В.Г. Боресков, Л.А. Борисенко, В.М. Горбатов, И.Ф. Горлов, И.А. Глотова, Л.В. Донченко, И.А. Евдокимов, А.И. Жаринов, Н.К Журавская, Г.И. Касьянов, Ю.И. Ковалев, Ю.В. Космодемьянский, А.А. Кочеткова, Л.С. Кудряшов, Н.Н. Липатов, А.Б. Лисицын, А.И. Мглинец, Л.Ф. Митасева, Ю.Н. Нелепов, И.А. Рогов, Б.А. Рскелдиев, С.А. Рябцева, А.В. Серов, Е.И. Титов, А.Г. Храмцов, С.Д. Шестаков, De Gennaro L., O. W. Fennema, T.A .Gillet, O. D. Macej и другие.
Однако работы в данных областях посвящены частным исследованиям. Принципы использования каждого из способов активации, а также возможности их комплексного применения в технологических процессах производства мясопродуктов нуждаются в теоретическом обосновании, развитии и систематизации.
Сдерживание темпов внедрения и использования акустически и электрохимически активированных (ЭХА) жидких сред в технологии мясопродуктов связано с недостаточными сведениями о механизмах влияния таких сред на формирование требуемых свойств сырья и готовой продукции, а также с недостатком научно-практических разработок в области использования активированных сред для модификации белоксодержащего сырья животного и растительного происхождения, возможности совмещения с другими способами интенсификации технологических процессов.
Расширение знаний и практического опыта по комплексному применению акустических и электрохимических способов активации жидких сред с целью формирования их высоких реакционных свойств, а также физико-химической и биохимической активности, позволит существенно расширить возможности их применения в технологии мясопродуктов, создать экологичные приемы рационального использования вторичного белоксодержащего сырья, разработать новые продукты здорового питания с высокими показателями безопасности, а также оптимизировать условия совместного использования активированных жидких сред и существующих гидромеханических процессов переработки сельскохозяйственного сырья.
Работа выполнялась с 1998 года в рамках приоритетного направления развития науки, технологии и техники РФ «Технологии живых систем», в соответствии с научным направлением СевКавГТУ «Пища», госбюджетными и хоздоговорными научно-исследовательскими работами кафедр машин и аппаратов пищевых производств и технологии мяса и консервирования СевКавГТУ.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка научных принципов интенсификации и совершенствования технологических процессов производства мясопродуктов с использованием безопасных кавитационно- и электрохимически-активированных жидких сред, их комплексного воздействия на формирование основных свойств сырья и готовой продукции.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- на основе системного подхода к решению проблем обеспечения безопасности пищевых продуктов разработать концепцию интенсификации и совершенствования технологических процессов активированными кавитационной дезинтеграцией ЭХА-средами, обосновать целесообразность их использования при производстве мясопродуктов;
- провести аналитическую оценку технологически значимых свойств кавитационно- и электрохимически-активированных жидких сред, установить закономерности формирования их физико-химических показателей и оптимизировать режимы их комплексной активации;
- исследовать и научно обосновать основные принципы применения кавитационно- и электрохимически-активированных сред для интенсификации процесса проращивания растительного сырья, используемого при производстве мясопродуктов;
- провести теоретическое и экспериментальное исследование процесса гидролиза коллагеносодержащего сырья в активированных средах, установить механизмы, дать сравнительную и качественную оценку его интенсивности;
- научно и экспериментально обосновать применение активированных сред для приготовления стабильных наноактивированных водо-жировых эмульсий в условиях кавитационной дезинтеграции;
- установить закономерности процессов формирования и стабилизации окраски мясных изделий при использовании кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-сред. На основе нейросетевого моделирования разработать рецептуры цветорегулирующих рассольных композиций для производства цельномышеных соленых мясопродуктов;
- научно обосновать пути интенсификации процесса посола мяса тумблированием; выполнить математическое моделирование процесса перераспределения давления рассола при его инъецировании в начальной зоне накопления в условиях интенсивных гидромеханических воздействий;
- создать и реализовать алгоритм расчета оптимальных режимов процесса тумблирования мяса в посоле с учетом технологической специфики обрабатываемого сырья и конструктивных особенностей тумблера;
- разработать частные технологии новых видов цельномышечных соленых мясопродуктов и конструктивные решения технологического оборудования для посола мяса тумблированием.
Концептуальная направленность работы состоит в научно-практическом обосновании новых подходов и методов интенсификации и совершенствования технологических процессов с использованием активированных кавитационной дезинтеграцией ЭХА-сред и разработке принципов их применения при производстве мясопродуктов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
результаты теоретического обоснования режимов кавитационной активации растворов NaCl на основе питьевой и ЭХА-воды, нейросетевые модели формирования их физико-химических и электрофизических свойств;
теоретические аспекты интенсификации и механизмы процесса гидролиза коллагена в активированных жидких средах;
научное обоснование интенсификации процесса проращивания зернобобовых и злаковых культур, используемых при производстве мясопродуктов, в кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-средах;
принципы формирования функционально-технологических свойств наноструктурированных водо-жировых эмульсий на основе электрохимически-активированных сред;
аналитико-экспериментальная оценка и основные закономерности формирования цветовых и других качественных характеристик цельномышечных мясопродуктов при их посоле в условиях вакуумного циклического тумблирования с применением кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-рассолов, содержащих цветорегулирующие добавки и различные типы красителей;
математическая модель процесса вакуумного тумблирования мяса в установках с наклонной осью вращения, алгоритм оптимизации его режимов с учетом технологической специфики сырья, массы кусков мяса, геометрических размеров барабана тумблера и степени его заполнения сырьем;
нейросетевая модель формирования высоких цветовых, физико-химических и структурно-механических показателей цельномышечных соленых мясопродуктов в зависимости от режимов вакуумного циклического тумблирования с применением кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-рассолов;
частные технологии производства новых видов цельномышечных соленых мясопродуктов на основе кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-сред; оригинальные технические решения при разработке универсального оборудования для посола мяса тумблированием.
Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснованы режимы кавитационной активации растворов поваренной соли на основе питьевой воды и католита ЭХА-воды, разработана нейросетевая модель формирования физико-химических и электрофизических свойств таких растворов с учетом параметров кавитационной дезинтеграции.
Обоснованы принципы интенсификации процессов проращивания зернобобовых и злаковых культур, используемых при производстве мясопродуктов, с применением кавитационно-активированных ЭХА-сред.
Впервые изучен и теоретически описан процесс гидролиза коллагена в кавитационно-дезинтегрированных и ЭХА-средах с применением методов молекулярного моделирования и квантово-химических исследований. Расчетным путем определены и экспериментально подтверждены оптимальные соотношения активированной жидкой среды и белка для интенсификации его гидролиза.
Экспериментально доказана целесообразность применения ЭХА-сред в качестве основы получаемых кавитационной дезинтеграцией водо-жировых эмульсий при производстве эмульгированных мясопродуктов.
Разработаны принципы создания цветорегулирующих активированных рассольных композиций с применением натуральных красителей на основе гемоглобина крови, пониженным количеством нитрита натрия и поваренной соли в технологии мясопродуктов.
Создана математическая модель процесса тумблирования мяса при его посоле в установках с наклонной осью вращения, исследовано влияние геометрии барабана тумблера, угла его наклона и режимов работы на интенсивность гидромеханических воздействий. Разработан алгоритм расчета оптимальных режимов тумблирования мясного сырья с учетом его технологической специфики, массы кусков мяса, коэффициента заполнения барабана тумблера сырьем и его геометрических характеристик. Теоретически и экспериментально обоснованы режимы вакуумного циклического тумблирования мяса с позиций формирования высоких цветовых и других качественных характеристик готовых мясопродуктов с использованием кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-рассолов.
Новизна технических решений подтверждена 3 патентами РФ.
Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны и предложены:
- параметры и режимы: регулирования физико-химических и электрофизических свойств активированных растворов NaCl различной концентрации на основе питьевой воды и католита; проращивания зернобобовых и злаковых культур; получения стабильных водо-жировых эмульсий на основе ЭХА-сред в условиях кавитационной дезинтеграции; гидролиза коллагена в экологически чистых активированных средах; вакуумного циклического тумблирования мяса с учетом его технологической специфики, массы кускового сырья и геометрии барабана;
- нейросетевые модели: формирования физико-химических и электрофизических свойств активированных растворов NaCl в зависимости от их концентрации, продолжительности и интенсивности кавитационной обработки; изменения качественных показателей цельномышечных изделий при их посоле тумблированием с использованием кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-рассолов, в зависимости от степени вакуумирования, продолжительности активной фазы обработки и окружной скорости барабана тумблера; формирования цветовых характеристик готовых мясопродуктов с учетом концентрации цветорегулирующих добавок и натурального красителя на основе гемоглобина крови.
Результаты проведенных исследований реализованы в частных технологиях производства цельномышечных соленых мясопродуктов, подтвержденных разработанной технической документацией (ТУ 9213-005-02067965-01), апробацией и внедрением. Основные технико-технологические результаты и решения, а также рекомендации по разработке новых технологий и оборудования для посола мяса тумблированием апробированы и внедрены на предприятиях Ставропольского края, Карачаево-Черкесской Республики, Астраханской и Самарской области.
Научные и практические изыскания автора включены в лекционные курсы, учебные пособия, методические указания и используются при подготовке студентов, бакалавров и магистров технологических и технических специальностей.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы опубликованы в трудах, доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «PERMEA 2009» (Прага, 2009), Международном симпозиуме ММФ «Лактоза и её производные» (Москва, 2007), Международной НПК «Проблемы и перспективы совершенствования производства и промышленной переработки с/х продукции» (Волгоград, 2001), Международной НТК, посвящённой 70-летию Санкт-Петербургского ГУНТП (Санкт-Петербург, 2001), Международной НПК «Биоресурсы. Биотехнологии. Инновации Юга России» (Пятигорск, 2003), II Всероссийской НТК с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии и технические средства для их реализации» (Москва, 2004), региональных научно-технических конференциях (Ставрополь, 1999-2008), 38-й юбилейной отчётной научной конференции ВГТА (Воронеж, 2000), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ (1999-2008), а также демонстрировались на Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2006, 2007), Всероссийской выставке «НТТМ-2006» (Москва, 2006).
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 58 научных работ, в том числе две монографии, два учебных пособия с грифом УМО, 28 статей, получено три патента на изобретения. Результаты экспериментальных исследований, опубликованные, а так же обобщённые в настоящей работе, выполнены автором или в соавторстве.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 9 глав с выводами, основных результатов и выводов, списка литературы из 347 источников и приложений с актами испытаний, дегустаций и внедрения. Работа содержит 335 страниц основного текста, 156 рисунков и 44 таблицы.
Список сокращений, приведенных в работе. ВВ – питьевая водопроводная вода; ВСС – водосвязывающая способность; ВУС – водоудерживающая способность; КВ, ЩВ – кислая (анолит) и щелочная (католит) электроактивированная (ЭХА) вода; КД – кавитационная дезинтеграция в кавитационном реакторе; КДВ – вода, прошедшая кавитационную активацию КД; ККДВ – кавитационно-дезинтегрированный анолит ЭХА-воды; НАЖС – наноактивированные жидкие среды (жидкие системы, прошедшие активацию путем их кавитационной дезинтеграции); НЗН – начальная зона накопления рассола; ОВП – окислительно-восстановительный потенциал; ОМВ – омагниченная вода; КЗ – коэффициент загрузки барабана тумблера; ФХС, ФТС – физико-химические и функционально-технологические свойства; ЭХА-вода (жидкости, среды, системы) – питьевая вода, прошедшая униполярную электрохимическую активацию в диафрагменных электроактиваторах, а так же растворы, среды или многокомпонентные системы на ее основе.
Кавитационная дезинтеграция жидких сред как новый способ интенсификации технологических процессов
Впервые термин «кавитационная дезинтеграция» введен С.Д. Шестако-вым [292], являющегося автором научного открытия, связанного с установлением закономерности пространственного распределения относительной плотности потенциальной энергии многопузырьковой акустической кавитации в конденсированной среде (Диплом на открытие № 288 от 21.07.2005 г.). Под этим термином исследователь обозначает процесс разрушения, разъединения, разделения на части любых субстанций, включая живые, существующих в виде взвешенных фаз в жидкой среде, в которой каким-либо способом . возбуждается кавитация.
Кавитация порождается колебаниями ультразвукового диапазона в жидкой среде, источником которых являются упругие гармоничные синусоидальные волны, распространяющиеся в ней вследствие воздействия внешней механической или акустической энергии. Сама же кавитация проявляется в виде колебаний парогазовых полостей (пузырьков), распространяющихся вблизи поверхности пучности деформации среды. Эти колебания сопровождаются возникновением периодического несинусоидального звукового поля с высокими пиковыми значениями давления и колебательной скорости [290].
Акустическое поле кавитации складывается из слабо коррелированных между собой по характеристикам их полей отдельных кавитационных полостей и накладывается на поле вынуждающего осциллятора, от параметров которого, колебания полостей строго зависимы. Экстремальные значения характеристик поля кавитации одиночной полости тем больше по абсолютной величине, чем более колебания полости отличаются от синусоидальных. При одних и тех же значениях частоты / и амплитуды давления вынуждающего осциллятора Р степень отличия закона колебаний полости от синусоидального зависит от начального радиуса R0, равного радиусу зародыша, давления насыщенного пара жидкости в нем Pv и гидростатического давления в жидкости Р/,. По данному признаку различаются стационарные и нестационарные полости. Нестационарные полости в фазе сжатия уменьшаются в объеме до размеров значительно меньших размера соответствующего зародыша. Такой эффект называют коллапсом.
Хлестаковым С.Д. разработана теория кавитационного реактора, устанавливающая физико-математические основы и закономерности акустической кавитации и кавитационных процессов в жидких средах. Использование данной теории позволило смоделировать промышленный процесс кавитационной дезинтеграции двумя его параметрами: плотностью мощности первичного звука и времени воздействия, что позволило оптимизировать процесс и сформулировать основные принципы проектирования промышленных кавитационных реакторов [290]. Реализация выявленных закономерностей процесса позволила установить оптимальные размеры корпуса кавитационного реактора с позиций снижения кавитационной эрозии элементов его конструкции и загрязнения обрабатываемой среды продуктами кавитационной эрозии [184].
В исследованиях Подхомутова Н.В. [196], основанных на теории кавитационного реактора, установлено выражение, описывающее распределение плотности потенциальной энергии кавитации (W) в зависимости от давления покоя внутри кавитационного пузырька (Ро), площади кавитационной облас ти (S) и длины акустической волны (X) при низких значениях амплитуды звукового давления акустической волны. Установлена зависимость W от радиуса кавитационного А/2-реактора, позволяющая проектировать реакторы, в которых исключено или минимизировано эрозионное разрушение корпуса.
С целью управления процессами кавитационной активации и повышения величины суммарного импульса давления, порождаемого ансамблем ка-витационных пузырьков, некоторые специалисты предлагают увеличивать импульс, генерируемый каждым отдельным пузырьком, синхронизировать схлопывание пузырьков между собой и повысить гидростатическое давление [82]. В свою очередь, увеличение импульса отельного пузырька возможно за счет синхронизации коллапса с окончанием полупериода сжатия осциллятора [224]. Однако остальные условия, по мнению И.А. Рогова и С.Д. Шестакова, малодостижимы ввиду неравномерности распределения выделяемой в реакторе энергии кавитации [224, 228].
Созданные С.Д. Шестаковым и др. математические модели процесса акустической кавитации позволяют научно-обоснованно осуществлять конструирование кавитационных реакторов и оптимизировать режимы их работы с учетом требуемых технологических задач. В настоящее время основные положения теории кавитационного реактора легли в основу серии новых технологических установок для активации воды путем кавитолиза, эмульгирования жидких сред, а также комбинации указанных дезинтеграционных процессов.
Характеристика объектов и методы исследований
Объектами исследований на этапах изучения влияния наноактивиро-ванных жидких систем на процессы проращивания и гидролиза коллагена, гидратации сухих белковых препаратов, а также на формирование качественных показателей мясопродуктов являлись следующие виды воды: анолит - кислая фракция (KB, рН=2,(К2,2) и католит - щелочная фракция (ЩВ, рН=10,45-И 1,0) ЭХА-воды; омагниченная вода (ОМГ); кавитационно-дезинтегрированная вода (КДВ, рН=8,0-8,55 ед.), кавитационно-активированный католит (ЩВ+КДВ), кавитационно-активированный анолит (ККДВ) и питьевая водопроводная вода (ВВ, рН=7,85-8,15 ед.).
При исследовании изменения ФХС и ЭФС растворов NaCl при их кави-тационной активации в качестве объектов исследований принимали растворы поваренной соли, которые готовили путем растворения определенного количества соли, соответствующего требуемой концентрации, в католите или питьевой воде. Кавитационную обработку растворов проводили по режимам, соответствующим матрице планирования трехфакторного эксперимента, представленную в разделе 3.3 (глава 3).
На этапе изучения процессов проращивания в активированных средах объектами исследований являлись зерна и бобы следующих культур: фасоль белая и красная по ГОСТ 10251-85; зернобобовая культура маш - по ГОСТ 10251-85; нут - по ГОСТ 8758-76; люпин - по ГОСТ 11321-89; горох - по ГОСТ 28674-90; пшеница - по ГОСТ Р 52554-2006; овес - по ГОСТ 28673-90.
Методика проращивания исследуемых культур в активированных средах и водопроводной воде приведена в разделе 2.1.
При изучении процесса гидролиза коллагеносодержащего сырья, объектом исследований принимали свиную шкурку, полученную при разделке свинины, освобожденную от прирезей жира и остатков щетины. Шкурку пластовали, взвешивали и заливали раствором поваренной соли 10-типроцентной концентрации, на основе: кислой (KB) и щелочной (ЩВ) фракций ЭХА воды; кавитационно-дезинтегрированной кислой фракции ЭХА-воды (ККДВ); 1%-го раствора химического регулятора кислотности БП-2/ВР-2 (ВР-2) и питьевой воды (ВВ). Количество раствора для заливки на основе ЩВ и KB определяли расчетным путем по методике А.А. Борисенко [41], с учетом смещения рН сырья в области значений, соответствующих наивысшей степени набухания коллагена. Для питьевой воды и химического регулятора кислотности ВР-2 соотношение сырья и раствора для заливки составляло 1:3 (согласно рекомендациям [190, 271]). Выдержку шкурки в растворе проводили в холодильной камере при температуре 4±2 С в течение 3 суток. Оценку динамики гидролиза свиной шкурки проводили путем измерения ФХС экстракта с интервалами времени 1,4, 18, 24, 72 часа.
На основе гидролизата свиной шкурки готовили эмульсию путем ее измельчения в гомогенизаторе с добавлением белкового препарата «Биогель» (производитель «Chr. Hansen Italia S.p.A.», Италия; Свидетельство о госрегистрации № 77.99.26.9.У.3178.4.09 от 13.04.2009 г.). Количество вносимого в состав эмульсии белкового препарата «Биогель» составляло 5 г на 100 г гидролизата свиной шкурки. При составлении эмульсии вводили ледяную активированную воду в соотношении 1 : 1 к массе шкурки. Тип воды, добавляемой в эмульсию, был аналогичен тому, который применяли для замачивания шкурки. Далее исследовали физико-химические (рН, ед. и ОВП, мВ), структурно-механические показатели (предельное напряжение сдвига (ПНС, Па) и липкость (Л, Па)) готовой эмульсии.
Липкость определяли методом отрыва стальной пластины известной площади поверхности и массы. В момент отрыва пластины фиксировали величину отклонения индикатора (Am), выраженную в кг. Значение липкости в Па определяли: где g - ускорение свободного падения, м/с ; m - масса пластины, кг; S - площадь пластины , м2.
В экспериментальных исследованиях, представленных в главе 6 дис сертационной работы, объектом исследований на первом этапе являлся белковые препарат «Кат-гель 95», полученный из натурального очищенного коллагенового сырья (Нессе, Германия). Изучались его функционально-технологических характеристики с применением питьевой воды и различных активированных вод: ЩВ, КДВ, ЩВ+КДВ. На следующем этапе исследований изучались основные функционально-технологические и структурно-механические свойства модельных фаршевых систем в зависимости от уровня введения гидратированного в соотношении 1:4 белкового препарата «Кат-гель 95». Модельные фаршевые системы изготавливали из охлажденного говяжьего мяса с заменой мясного белка в количестве 5, 10 и 15 %. Модельные фаршевые системы подвергали эмульгированию на кавитационном дезинтеграторе «Hielscher».
На этапе изучения влияния наноактивированных жидких сред на процессы цветообразования мясопродуктов в качестве объектов исследований принималась: - нитритная соль фирмы «DANSK SALT A/S» (Дания); - натуральный краситель на основе гемоглобина крови «АпроРед» фирмы «TEXPRO» (Россия); - краситель смешанного типа «Неолин ДР» фирмы ООО «Платинум Абсолют» (Россия); - рассольные композиции с добавлением белкового препарата «Биогель Биф» (производитель «Chr. Hansen Italia S.p.A.», Италия), пищевых волокон «Джелуцель ВФ-90» (Фирма «Регион - новые технологии», Россия), белково-углеводного препарата Лактобел по ТУ 9229-034-00437062-01.
Нейросетевое моделирование процесса кавитационной дезинтеграции растворов NaCl
Результаты молекулярного моделирования процесса кавитационной дезинтеграции водных растворов NaCl позволили установить влияние продолжительности кавитационной обработки на интенсивность деструктуризации ассоциатов, образованных за счет ион-дипольных взаимодействий между молекулами воды и ионами поваренной соли, а также клатратов воды, связанных водородными связями. Такие структурные изменения, безусловно, оказывают влияние на изменение физико-химических и электрофизических свойств таких растворов. Изучение динамики изменения указанных свойств растворов позволит экспериментально подтвердить теоретические изыскания предыдущего раздела диссертационной работы, а также установить оптимальные параметры кавитационной обработки растворов поваренной соли. Кроме того, основные физико-химические и электрофизические свойства растворов поваренной соли, такие как показатель активной кислотности рН, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), удельная электропроводность (к) и др., должны быть учтены при определении их технологического назначения. Например, известно, что значения показателя рН и ОВП существенным образом оказывают влияние на основные качественные показатели мясопродуктов: водоудерживающую и водосвязывающую способности, микробиологические показатели, влияющие на показатели стабильности при хранении.
Объектами экспериментальных исследований являлись наноактивиро-ванные растворы NaCl, приготовленные на основе питьевой водопроводной воды (ВВ, рН=7,0-7,1) и щелочной фракции ЭХА-воды (ЩВ, рН=10,2-10,3). Поваренную соль растворяли в соответствующем виде воды, затем проводили кавитационную обработку раствора на индустриальном звуковом процессоре «Hielscher Ultrasound Technology UP» при различных режимах: продолжительность обработки (т, мин) изменяли от 1 до 5 минут, интенсивность воздействия (I, %) - от 50 до 100 % (что соответствует мощности в 200 и 400 Вт соответственно) [175].
Минимальная продолжительность обработки в 1 минуту обусловлена результатами экспериментальных исследований [228], а также собственными поисковыми экспериментальными исследованиями, показавшими несущественное изменение физико-химических свойств растворов при обработке их менее 1 минуты. Максимальное время обработки ограничено 5 минутами ввиду того, что при более длительном воздействии существенно повышается температура раствора, что ограничивает использование таких режимов для белоксодержащих и других многокомпонентных растворов. Диапазон изменения интенсивности воздействия в 50 и 100% определены с учетом рекомендаций [290] и техническими возможностями кавитационного дезинтегратора.
Реализуемая схема экспериментальных исследований и обработки полученных данных представлены на рисунке 3.5.
Концентрацию растворов поваренной соли изменяли от 4 до 26 %. Предельный порог насыщения растворов NaCl составляет 26 % и именно при такой концентрации насыщенные растворы соли используют, например, в технологии хлебопечения, при посоле шкур и т.д. Нижний предел концентрации NaCl в растворах (4%) установлен по результатам анализа их технологического применения в колбасно-кулинарном производстве.
Исследуемыми параметрами наноактивированных растворов являлись: показатель активной кислотности (рН, ед.), окислительно-восстановительный потенциал (ОВП, мВ), удельная электропроводность (А-, мСм-см) и плотность (р, кг/м3).
Для организации исследований использована методика математического планирования эксперимента трехфакторного эксперимента на основе греко-латинских квадратов [75] прикладного пакета программ Statistica 6.0. Определено сочетание независимых варьируемых факторов для каждой экспериментальной точки. Матрица эксперимента представлена в таблице 3.2.
Экспериментальное исследование модификации зернобобовых и злаковых культур активированными жидкими средами
С целью разработки принципов модификации растительного сырья путем его проращивания в активированных средах проведена серия экспери-ментов (рисунок 4.2). В качестве объектов исследований принимали наиболее распространенные и новые виды растительного сырья, представляющие интерес в качестве источника растительного белка при производстве мясо Для модификации растительного сырья применяли следующие активированные водные среды: питьевая водопроводная вода — ВВ (рН=8,0-8,15); щелочная фракция электрохимически активированной воды - НТВ (рН= 10,45-10,55); омагниченная вода, полученная на установке М 30-40-1 (ТУ 25.04.02.012.83) - ОМВ (рН=8,0-8,15); кавитационно-дезинтегрированная вода-КДВ (рН=8,0-8,15); щелочная фракция ЭХА-воды прошедшей кавитаци-онную дезинтеграцию - ЩВ+КДВ (рН=10,45-10,55). Кавитационную обработку проводили на индустриальном звуковом процессоре Hielscher Ultrasound Technology UP.
Проращивание проводили по методике [195] в течение 3 суток при t=18-20 С. По истечении указанного времени проводили подсчет проросших зерен и измеряли длину ростков.
На основе предварительных поисковых экспериментов, для проведения сравнительного анализа, была выбрана классификация пророщенных зерен, которая основывалась на формировании групп по размерам образуемых при проращивании ростков. С этой целью, в качестве критериальных значений длин ростков, были приняты результаты проращивания соответствующей культуры в питьевой воде.
В итоге, были сформированы следующие группы, характеризуемые средней длиной ростка для каждого вида исследуемого растительного сырья: 1) «минимальные», 2) «малые», 3) «средние», 4) «большие», 5) «максимальные».
Результаты проращивания исследуемых культур в активированных водных средах, с учетом формирования длины ростка, представлены на рисунках 4.3 и 4.4. На рисунках 4.3 и 4.4 области с заливкой соответствуют наиболее оптимальным условиям проращивания. При определении оптимальных условий проращивания учитывалась длина ростков, соответствующая основному критерию накопления заменимых и незаменимых аминокислот в процессе проращивания.
Анализ полученных результатов показал, что процесс прорастания в активированных водах протекает более интенсивно, чем в питьевой воде. При этом установлено различное влияние применяемых способов активации водной среды на интенсивность процесса проращивания исследуемых зернобобовых и злаковых культур.
Анализируя результаты проращивания фасоли белой, отмечается наличие ростков группы «максимальные» при использовании ЩВ, КДВ и ЩВ+КДВ (16,67, 26,67 и 3,33 % соответственно), которые не фиксировались при использовании питьевой и омагниченной воды.
Установлена группа-оптимум для всех видов используемой воды -«большие», при длине ростков (2,5-3,2)-10 м. Процентное соотношение данной группы для питьевой, ЩВ и ОМВ составляет 23,33%, а для КДВ и ЩВ+КДВ на 6,66 и 13,33 % меньше соответственно.
Наличие группы «максимальные» для фасоли красной отмечается только при использовании КДВ (16,67 %) и ЩВ+КДВ (3,33 %). Группой-оптимумом для фасоли красной следует считать группу «средние» с длиной ростков (1,3-1,7)-10" м: для питьевой воды она составляет 23,33 %; для ОМВ, КДВ и ЩВ+КДВ на 3,33, 10 и 13,33 % меньше, чем для ВВ соответственно. Следует отметить высокий процент бобов (90%) в группе «минимальные» при применении ЩВ, что позволяет считать нецелесообразным проращивание красной фасоли в этом виде воды.
Группа «максимальные» для нута присутствует во всех активированных водах в разном процентном соотношении: ЩВ и КДВ — 6,67 %, ОМВ — 23,33 %, ЩВ+КДВ - 20 %. Исходя из анализа соотношения количества ростков в каждой квалификационной группе, для нута, на наш взгляд, группой-оптимумом является «средние». Следует отметить, что при использовании ЭХА+КДВ в группе «большие» наблюдалось 56,67 % зерен с длиной ростков (3,0-3,5)-10"2 м. Однако, рекомендовать данную группу для использования в пищевой промышленности, по нашему мнению, нецелесообразно, так как наблюдалось нежелательное появление листочков.
Анализ результатов проращивания люпина показал наличие группы «максимальные» для всех используемых видов активированных вод. Причем при применении ОМВ 50% проросших зерен имеют максимальную длину ростков (3,9-4,5)-10" м, в то время как для остальных активированных вод эта группа составляет не более 10% зерен. В качестве группы-оптимума целесо-образно считать категорию «большие» при длине ростков (3,0-3,6)-10 м. Причем, в питьевой воде количество зерен данной группы составляет 46,67 %, а в ОМВ, ЩВ, КДВ и ЩВ+КДВ соответственно на 20,00, 30,00, 23,34 и 3,34 % меньше по сравнению с ВВ. Отмечается также высокий процент зерен в группе «минимальные» при использовании ЩВ - 50%.
Для гороха группа «максимальные» фиксируется для всех видов активированных вод в разном процентном соотношении: при использовании ЩВ - 20,00 %, ОМВ - 6,67%, КДВ и ЩВ+КДВ - по 3,33 %. По нашему мнению, группой-оптимумом для гороха является - категория «большие» с длиной ростков в (3,0-3,5)-10" м. Таких бобов гороха для питьевой воды отмечено 33.33 %, а в ОМВ, ЩВ, КДВ и ЩВ+КДВ соответственно на 20,00, 30,00, 23.33 и 3,34 % меньше, чем при использовании ВВ. Следует отметить, что группа «минимальные» занимает достаточно большой процент по отношению к другим группам, что необходимо учесть при дальнейшем анализе.
Группа «максимальные» для зернобобовой культуры маш отмечается при использовании ЩВ, ОМВ и ЩВ+КДВ. При этом группой-оптимумом для маша следует считать категорию «большие». Отмечается высокий процент (70%) группы «малые» при использовании КДВ и группы «средние» (60%о) при применении питьевой воды.
Кинетика прорастания овса (рисунок 4.4) позволяет констатировать, что группа «максимальные» наблюдается только при использовании ЩВ и ЩВ+КДВ. При этом наблюдается высокое количество зерен в группе «минимальные» а также большое количество непроросших зерен. В качестве группы-оптимума следует считать группу «большие».
Группа «максимальные» для пшеницы фиксируется только при использовании ЩВ (40%) и ОМВ (66,67 %). Наблюдается высокий процент зерен группы «малые» при применении ЩВ+КДВ. Для пшеницы группой-оптимумом следует считать группу «большие» с ростками длиной (0,8-1,3)-10-2м.
Влияние вида используемой при проращивании воды на величину энергии прорастания зернобобовых культур представлено на рисунке 4.5.
Наименьшей энергией прорастания обладают бобы фасоли белой и красной, а также гороха. Энергия прорастания этих культур не достигает стопроцентной отметки ни при одной из применяемых сред.
Похожие диссертации на Научно-практические аспекты интенсификации технологических процессов с использованием наноактивированных жидких сред при производстве мясопродуктов
