CC BY
187
УДК 663.11, 663.05, 663.03,663.038
Д. Д. Темершин, С. В. Гаврилов ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Ключевые слова: электролиз, электродиализ, электроактивация, деминерализация, электрофлотация, пищевые продукты.
Рассмотрены сферы применения электрохимических процессов в пищевой промышленности на примере мясного, молочного, мукомольного и овощепереабатывающего производств.
Keywords: Electrolysis, electrodialysis, an anode, a cathode, electroactivation, demoralization, electroflotation.
Consider the sphere of application of electrochemical processes in the food industry for example, meat, milk, flour and vegetable production.
Актуальность. Электрохимические
процессы широко применяется в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, а также гидроксида натрия,хлора, хлорорганических соединений, диоксида марганца, пероксида водорода. Значительное количество металлов извлекаются из руд и подвергаются переработке методом электролиза
(электроэкстракция, электрорафинирование). Также, электролиз является основным процессом, благодаря которому функционирует химический источник тока и принимает участие в очистке сточных вод (процессы электрокоагуляции, электроэкстракции, электрофлотации). Применяется для получения многих веществ (металлов, водорода, хлора и др.), при нанесении металлических покрытий (гальваностегия), воспроизведении формы предметов (гальванопластика) [1,2].
Цель данной работы — анализ областей применения электрохимических процессов в пищевой промышленности.
В мясной промышленности электролиз используется при посоле мяса, мясопродуктов, колбасных изделий и изделия из цельномышечного сырья. Способ включает приготовление посолочного рассола, включающего поваренную соль, активирование рассола путем проточной обработки в корпусном кавитационном реакторе или порционной обработки в бескорпусном кавитационном реакторе и смешивание активированного рассола с мясным сырьем. При этом активирование рассола осуществляют при отношении максимальной внутри реактора амплитуды давления акустической волны в пределах от 2 до 23 к значению гидростатического давления в реакторе. Смешивание полученного таким способом активированного посолочного рассола с мясным сырьем может осуществляться при перемешивании измельченого сырья путем дозирования активированного посолочного рассола в предварительно измельченное мясо, шприцеванием цельномышечного мяса активированным
посолочным рассолом или путем погружения цельномышечного мяса в активированный посолочный рассол. Способ обеспечивает исключение из посолочного рассола, а следовательно, и из конечного продукта неорганических влагоудерживающих и
цветостабилизирующих добавок либо снижение их
содержания, снижение содержания вкусовых и консервирующих добавок, в частности поваренной соли, а также сокращение времени посола при сохранении традиционного вкуса и внешнего вида готового продукта [3].
Анализ опыта работы ряда отечественных и зарубежных предприятий показывает, что стабильно высокое качество мясных изделий (даже при колебании качества поступающего сырья) может быть получено за счет применения системы соответствующей водоподготовки. Это связано с тем, что большинство пищевых продуктов содержит значительное количество воды, которая находится в различном состоянии по формам и энергиям связи и существенно влияет на их физико - химические и реологические свойства [4].
При производстве красителя из щелухи лука используется электроактивация раствора. Техническим результатом изобретения является интенсификация экстрагирования. Этот результат достигается тем, что в способе производства красителя из шелухи лука, включающем экстрагирование водой при температуре 69 - 79 °С и давлении 7,2 - 10,0 МПа при непрерывном введении аммонийных солей угольной кислоты и отделение целевого продукта от шрота, согласно изобретению, воду перед экстрагированием подвергают электрохимической активации, а для экстрагирования используют католит. [5].
Аналогичный метод используется при добыче альгиновой кислоты из бурых водорослей. Водорослевое сырье обрабатывают кислотными и щелочными химическими реагентами, извлеченные альгинаты очищают и обесцвечивают, выделяют альгиновую кислоту с последующим получением альгината натрия нейтрализацией. В качестве кислотного и щелочного химических реагентов используют растворы анолита и католита, полученные электрообработкой электролита -водного раствора солей щелочных металлов, например поваренной соли, в анодной и катодной камерах двухкамерного электролизера
соответственно. Данный способ помогает упростить технологическую схему, а так же улучшить саниатрно - гигиенические условия [6].
Существующие технологии переработки водорослей отличает длительность,
многостадийность процессов, использование агрессивных химических реагентов, особенно на
стадии отбеливания. Разработана новая электрохимическая технология экстрагирования и обесцвечивания полисахаридов из водорослей и обоснованы рациональные параметры
электрохимической обработки с интерпретацией научных основ процессов. Наработаны опытные партии образцов, проведена сравнительная оценка свойств полисахаридов, полученных традиционным и электрохимическим способами. Выбор оптимальных параметров электрообработки обеспечивает рациональные условия
экстрагирования полисахаридов из сырья и безопасные условия обесцвечивания, исключающие галогенирование и снижающие степень их деструкции [7].
Известно, что при производстве молочнокислых продуктов происходит закисление молока до 100 и более градусов Тернера. Молочный сахар превращается в молочную кислоту, белки денатурируют, молоко сворачивается и превращается в молочнокислый продукт. Для продления срока буферности свежего молока его обычно охлаждают или пастеризуют [8].
Альтернативой данному процессу являются современные разработки по электрохимической активации водных растворов - раскисление молока. Суть их состоит в том, что обработка молока в электроактиваторе позволяет поднять рН молока до требуемого уровня и, таким образом, восстановить необходимый уровень кислотности. В результате кислотность молока по шкале Тернера может постоянно находиться в требуемых пределах. При этом возрастает стойкость молока (время, в течение которого сохраняются микробиологические, биохимические и органолептические показатели на уровне) что повышает выход сухого продукта при термообработке электроактивированного молока [8].
В молочной промышленности все более широко применяется электродиализная обработка сыворотки. Использование этого процесса в технологии молока дает возможность получить дополнительный источник углеводсодержащего сырья, при правильной переработке которого значительно повышается эффективность работы молокоперерабатывающих предприятий,
организуется безотходное производство молочного сырья, а также расширяется ассортимент вырабатываемых продуктов. Основная задача электродиализной обработки сыворотки заключается в ее деминерализации. Удаление солей позволяет получить обессоленный раствор лактозы, переработка которого дает возможность вырабатывать молочный сахар повышенной чистоты, а также открывает новые возможности для переработки деминерализованного лактозного раствора. Следует отметить, что снижение содержание солей в сгущенном растворе лактозы способствует более быстрой ее кристаллизации и интенсифицирует производство молочного сахара
[9].
В связи с увеличением объемов и ассортимента производства молока и молочных продуктов его переработки в России и за рубежом,
стоит проблема утилизации молочной сыворотки отхода переработки молока.
Объемы получаемой молочной сыворотки теоретически достигает 90 % объема перерабатываемого молока: практически они несколько меньше из - за неполного сбора и технологических потерь. В сыворотку переходит около 50 % сухих веществ молока.
Очистка 1 м3 сточных вод с высоким содержанием молочной сыворотки приравнивается к очистке 400 м3 промышленных стоков. Возрастают проблемы охраны окружающей среды вследствие высокой биологической активности молочной сыворотки.
До недавнего времени молочную сыворотку считали отходом производства. В мировой печати, посвященной молочной промышленности, систематически публикуют материалы из которых следует, что молочная сыворотка по своему составу, пищевой и биологической ценности, относится к ценнейшему сырью, из которого можно производить необычайно широкий ассортимент пищевых и кормовых продуктов, полученных в результате применения специфических методов ее переработки.
Одним из способов утилизации молочной сыворотки - является получение спирта на её основе, а одним из путей интенсификации биохимических процессов - электрохимическое воздействие на сырье [10].
Способ деминерализации сладкой сыворотки сводится к электродеионизации в специальном устройстве. Устройство включает камеру разбавления, содержащую слой ионообменной смолы между катионопроницаемой и анионопроницаемой мембранами, камеры концентрирования
соответственно анионов и катионов, а также электроды для создания электрического поля. Пропускают субстрат через слой ионообменной смолы, который содержится в камере разбавления. При этом электрическое поле, создаваемое электродами, направляет катионы из камеры разбавления через катионопроницаемую мембрану в камеру концентрирования катионов и направляет анионы из камеры разбавления через анионопроницаемую мембрану в камеру концентрирования анионов. При этом через камеры концентрирования анионов и катионов пропускают промывочный раствор для удаления анионов и катионов из камер концентрирования. Обработанный продукт собирают из камеры разбавления. При этом сладкую сыворотку пропускают через слой смолы камеры разбавления, который содержит сильно катионообменную смолу, а рН промывочного раствора поддерживают так, чтобы раствор, присутствующий в камерах концентрирования анионов и катионов, имел уровень менее 5 мСм (милиСимменс). Также возможно дополнительно пропускать промывочный раствор через слой смолы, который присутствует в каждой камере концентрирования, содержащий сильно
катионообменную смолу для поддержания рН раствора, присутствующего в каждой камере, на уровне ниже 5 мСм. Промывочный раствор может
быть кислым для поддержания рН на желательном уровне. Дополнительно может быть проведена обработка сладкой сыворотки так, чтобы пропускаемая к слою смолы сладкая сыворотка имела рН от 7,5 до 8. Другой вариант деминерализации сладкой сыворотки отличается от первого тем, что сладкую сыворотку пропускают через слой смолы камеры разбавления, который содержит катионообменную смолу и слабо анионообменную смолу, а рН промывочного раствора поддерживают так, чтобы раствор, присутствующий в камерах концентрирования анионов и катионов, имел уровень менее 5 мСм. Катионо - и анионообменные смолы находятся в форме гранул, при этом катионообменная смола является сильно катионообменной смолой. Весовое соотношение между сильно катионообменной смолой и слабо анионообменной смолой составляет 30 - 40 % катионообменной смолы и 60 - 70 % анионообменной смолы [11].
Электрохимические процессы используются при производстве творога и творожных продуктов. При обезвоживании творожного сгустка находит применение электроосматическая фильтрация (фильтрация путем наложения на сгусток электрического поля напряженностью 112 - 220 В/м) [12].
В овощеперерабатывающей
промышленности электрохимические процессы используются для извлечения нитратов из сырья -овощей. Подготовленные к переработке овощи, содержащие нитраты, выдерживают в кислой среде анодной фракции электрохимически активированной воды с рН 2 - 3 и окислительно-восстановительным потенциалом 900 - 1200 мВ в течение 30 - 60 мин при объемном соотношении овощей и воды 1 : (0,5 - 1,0). Анодную фракцию можно освобождать от свободного хлора отстоем при перемешивании или пропускать через катализатор, в качестве которого может быть активный уголь или углерод оксидно-марганцевый. Для удаления остатков анолита и привкуса кислоты овощи после обработки можно промывать катодной фракцией активированной воды с рН 10- 11 и потенциалом 300 - 500 мВ. Это позволяет значительно повысить степень извлечения нитратов из овощей, упростить технологию и одновременно дезинфицировать овощи [13].
В мукомольной промышленности электроконтактные методы используются для интенсификации проращивания ячменя при производстве ячменной крупы и муки. Было установлено, что скорость роста и качество проростков можно контролировать с помощью оптимальной продолжительности замачивания и обработки зерновки токами высокой частоты. При том продолжительность проростания ячменя сокращается, а качественные показатели пророщенного зерна сохраняются (активный комплекс ферментов, комплекс витаминов, пищевых волокон, минеральных солей, сахаров и т.д.) [13].
Аналогичные методы используются для интенсификации проращивания льна. Метод заключается в обработке сырья 0.0025 % водным
раствором перманганата калия и последующей промывке дистиллированной водой. Затем семена льна помещают для набухания в плоскую емкость и заливают электрохимически активной водой с рН равной 9 и отношением семян и воды 1/2 с последующим помещением в термостат с температурой 25 °С на 12 часов. Способ позволяет интенсифицировать процесс проращивания семян, повысить выход биомассы на 30 - 40 %, увеличить энергию прорастания и процент ростовых параметров семян - 40 %. [14,15].
Широко используется при извлечении белка или белковых растворов из различных отходов рыбной, жировой промышленностей (сухой гаммарус, биомасса грибов Aspergillus Heger, соевый шрот, отходы рыбной разделки) [16]. Происходит измельчение сырья с раствором электролита, электрообработка в катодной камере двухкамерного электролизера и нагревание таким образом, чтобы при достижении pH смеси значения 10,0 - 12,5 температура последней не превышала температуры коагуляции белка. Процесс ведут до скачкообразного увеличения коэффициента светопропускания. Известен способ растворения белка в основном для получения белковых гидролизатов из белоксодержащего сырья включающий кислотный гидролиз сырья концентрированной кислотой и нагревание до 100 - 250 °С перед смешиванием. Недостатками способа являются относительно низкая степень растворения белка и соответственно ухудшенное качество конечного продукта -белоксодержащего раствора, а также необходимость использования сильнодействующих
концентрированных кислот, в значительной степени ухудшающих экологию такого производства. Найден эффективный способ растворения белка, позволяющего совместить высокое качество конечного продукта - белоксодержащего раствора с одновременной гарантированной максимально высокой степенью содержания растворенного в нем белка, минимизацией энерго- и трудозатрат и расширением диапазона видов перерабатываемого сырья. Это достигается тем, что в предполагаемом способе растворения белка, включающем измельчение сырья, смешивание его с раствором электролита, обработку исходной смеси в электрическом поле, преимущественно в катодной камере двухкамерного электролизера, и нагревание. В отличие от прототипа, электрообработку и нагревание исходной смеси осуществляют таким образом, чтобы при достижении pH смеси значения 10,0 - 12,5 температура последней не превышала температуры коагуляции белка (соответствующего вида сырья).
Процесс ведут до скачкообразного увеличения коэффициента светопропускания исходной смеси, на основании этого показателя делают вывод о полном растворении белка и окончании процесса. При этом скачкообразное увеличение коэффициента светопропускания среды исходной смеси сопровождается и совпадает по времени с образованием во всем объеме исходной смеси светопрозрачной, преимущественно
однородной, структуры. После этого прекращают процесс подвода тепла для поддержания температуры смеси. Коэффициент светопропускания определяют путем измерения степени мутности среды, например, при помощи
фотоэлектрокалориметра.
В качестве сырья для извлечения белка используются отходы из точных вод рыбного производства. Известен способ получения белковых препаратов, в частности рыбных, путем воздействия на мясную ткань рыбы и морских беспозвоночных нетермическим химико - механическим способом. Согласно изобретению тщательно раздробленное рыбное сырье экстрагируют органическими растворителями, липидную фракцию отделяют, мясную массу подвергают сверхдавлению, поддерживая при этом температуру 35 - 38 °С. Полученный полупродукт полоскают в слабом растворе этанола, затем обезвоживают и получают нескоагулированный белковый препарат [17].
Недостатком это способа является использование большого количества органических растворителей и неорганических веществ, а также технологических стадий, что делает этот способ длительным и дорогостоящим. Недостатки устраняются путем проведения электрофлотации сточных вод или отходов рыбного производства при напряжении 12 В, плотности тока 200 - 300 А/м2 в течение 60 мин при температуре 18-20 °С до достижения рН 6,5 - 7,2. Использование электрофлотации при заявленных параметрах обеспечивает максимальную степень извлечения белка из сырья при сохранении его высоких функциональных свойств.
Выводы
Электрохимические процессы все больше
находят применение в молочной, консервной,
овощеперерабатывающей, сахарной, рыбо- и
мясоперерабатывающих отраслях промышленности. Использование электрохимических процессов в пищевом производстве способствует повышению производительности оборудования, качества продукции и снижению капитальных затрат на организацию производства, а также снижению отрицательных факторов на окружающую среду.
Литература
1. «Электролиз» СИешр°г1 [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.chemport.ru.
2. Р.Т. Валеева, С.Г. Мукачев, «Вестник Казанского технологического университета», 5, 135-138, (2014).
3. Патент РФ 2245624 (2004).
4. А.А. Чичко, автореферат дисс. канд. тех. наук, Москва, 2005. 8 с.
5. Патент РФ 2130472 (1999).
6. Патент РФ 2197840 (2001).
7. Е.Э Куприна «Рыбпром: технологии для обработки водных биоресурсов», 3, 10-14, (2010).
8. Патент РФ 2067435 (1997).
9. Применение электромембранных процессов в молокопереабатываемой промышленности, кафедра мембранной технологии, [Электронный ресурс] Режим доступа:
http://www.membrane.msk.ru/books/?id_b=14&id_bp=451.
10. М.Т. Рашидов, автореферат дисс. канд. тех. наук Москва, 2003, 4 с.
11. Патент РФ 2192751 (2005).
12. Патент РФ 2028059 (1995).
13. Патент РФ 2241348 (2004).
14. Е.К. Иванов, В.И. Степанов, «Техника и технология пищевых производств», 2, 12-15, (2001).
15. Р.Т. Валеева, С.Г. Мукачев, «Вестник Казанского технологического университета», 10, 101-104, (2014).
16. Патент РФ 2528498 (2004).
17. Патент РФ 2133577 (2008).
© Д. Д. Темершин - магистр кафедры Пищевая инженерия малых предприятий КНИТУ, [email protected]; С. В. Гаврилов - аспирант кафедры Пищевая инженерия малых предприятий КНИТУ [email protected].
© D. D. Temershyn - master Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research Technological University, [email protected]; S. V. Gavrilov - Ph.D. Student, Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research Technological University, [email protected].
