Применение защитных покрытий

В соответствии с составом и свойствами сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов, а также присущими отдельным видам продукции наборам специфической микрофлоры, вызывающей порчу, в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ) разработаны многокомпонентные защитные пищевые покрытия на основе натуральных ингредиентов [4].

Благодаря воздействию на различные системы микробной клетки отдельных компонентов покрытий достигается высокий бактериостатический эффект при малых концентрациях действующих веществ. Разработанные плёнкообразующие покрытия состоят из натуральных компонентов, естественных и абсолютно безвредных для организма человека, таких как полисахариды и полипептиды животного и растительного происхождения. Покрытия обладают не только бактериостатическим эффектом, но и уменьшают естественные потери массы продукта при хранении (усушку). Составы для защитных пленкообразующих покрытий подбираются под конкретные условия хранения, вид упаковки и продукт. Разработанные способы обработки и хранения сырья и пищевой продукции с использованием антимикробых средств натурального происхождения составляют ноу-хау «Ресурсосберегающая технология пролонгированного холодильного хранения пищевых продуктов», коммерческое наименование упаковки - «Витапак». Использование данного объекта интеллектуальной собственности регламентировано заключенным с университетом лицензионным договором.

Все используемые в разработанной технологии ингредиенты отечественного производства и являются продуктами переработки вторичного сырья. Разрабатываемые технологии могут быть охарактеризованы как импортозаменяющие и ресурсосберегающие. Внедрение предлагаемых технологий повысит глубину переработки сырья и конкурентоспособность российских пищевых и сельскохозяйственных предприятий.

Продолжительность хранения мяса и мясопродуктов в вакуумной упаковке и с применением внедряемой технологии защитных пищевых покрытий одинакова. Однако для вакуумной упаковки требуется дорогостоящее упаковочное оборудование, в то время как в предлагаемой технологии могут использоваться простейшие средства механизации, даже в условиях отсутствия доступа к электрической сети. Вакуумная упаковка нецелесообразна в условиях розничной торговли, где часто осуществляется нарезка потребительских порций от больших кусков мяса. Кроме того, для вакуумной упаковки также необходимы многослойные пластиковые упаковочные материалы, что связано с негативным воздействием на экологию.

Применение электрофизических методов в технологиях

Переработки мяса

Новейшие достижения современных теоретических наук, особенно в области электротехники и биологии, находят широкое практическое применение в производстве мясопродуктов.

Физики понимают основные задачи, стоящие перед пищевой отраслью, и всемерно стремятся способствовать интенсификации технологических процессов, повышению выхода и улучшению качества готовой продукции, совершенствованию существующей технологии и техники, более рациональному использованию имеющегося в мясной промышленности животного сырья.

Однако что общего, например, у радиационной физики и мясной промышленности?

Оказывается, сугубо теоретические исследования, проведенные еще в лабораториях институтов Академии наук СССР, имеют большое прикладное значение для предприятий мясной отрасли. В частности, ионизирующие излучения, такие, как катодные, рентгеновские и радиоактивные гамма-лучи, обладают сильным бактерицидным действием, т. е. обеспечивают полную стерилизацию продукта за очень короткое время. Обработка радиоактивными ионизирующими излучениями приводит к уничтожению микрофлоры в мясном сырье или готовых изделиях в течение нескольких десятков секунд.

Короткое время облучения, высокая степень стерильности при сохранении первоначального качества сырья, возможность изменять глубину проникновения и дозу облучения позволяют легко организовать непрерывно-поточный процесс ионизационной обработки различных мясопродуктов. Реализация радуризации в промышленности позволяет хранить мясо, упакованное в герметическую тару, при температурах около 20°С, т. е. без холодильника, в течение 1,5— 2 лет. Легко представить, какую практическую пользу и экономический эффект получается вследствие использования радиоактивной обработки мяса в промышленности.

Другим физическим методом технологической обработки мясопродуктов является ультрафиолетовое облучение. Стерилизующее действие ультрафиолетовых лучей проявляется в основном на поверхности продукта (на глубине до 0,1 миллиметра), что имеет особое значение для мяса, которое сразу после убоя внутри не имеет микробов и промышленно-стерильно, но снаружи уже обсеменено нежелательной микрофлорой.

Поэтому лампы УФЛ чаще всего используют на холодильниках для облучения туш мяса, предназначенных для длительного хранения. Применяют ультрафиолетовое облучение и для стерилизационной обработки колбас, воды, воздуха и рассолов.

Большинство видов готовой продукции перед выпуском в реализацию подвергают различным способам тепловой обработки. Термические процессы, как правило, очень продолжительны и сократить их традиционными способами в настоящее время не представляется возможным. Именно поэтому технологи и физики постоянно занимаются совершенствованием условий термообработки мясопродуктов на базе использования электрофизических методов.

К числу таких методов в первую очередь относят нагрев продуктов энергией инфракрасного излучения (ИК-нагрев). Комплексные исследования по изучению теоретических характеристик и кинетики процессов тепловой обработки мясопродуктов, а также определение влияния ИК-излучения различного спектрального диапазона на физико-химические, микробиологические и структурно-механические свойства готовых изделий позволяют использовать ИК-обработку для получения запеченных мясопродуктов типа шейки, карбонада, мясных хлебов и некоторых других. При этом достигается не только сокращение общей продолжительности термообработки, но и высокий выход и качество изделий, а затраты на их изготовление снижаются.

Электрические и электромагнитные поля также могут быть использованы применительно к технологии некоторых видов мясопродуктов. Диэлектрический нагрев, при котором электрическая энергия преобразуется в тепловую в результате сложных поляризационных процессов на молекулярном уровне, что дает возможность прогревать продукт одновременно по всему объему в очень короткое время (1 килограмм фарша при изготовлении мясных хлебов можно нагреть за 3—5 минут до 70°С). Электрический нагрев прост в применении и конструкторском исполнении, экономичен, он используется для варки мясных фаршевых изделий, паштетов, ливерных колбас.

С этой же целью применяют индукционный нагрев, токи высокой частоты и электромагнитные поля сверхвысоких частот. Интересно отметить, что СВЧ-нагрев имеет преимущества перед традиционными способами, заключающиеся как в быстроте и равномерности прогрева продукта по всему объему, так и в высоком стерилизующем эффекте высокопеременных электромагнитных полей. При ТВЧ- и СВЧ-обработке гибель микроорганизмов происходит не только благодаря объемному нагреву, но во многих случаях и в результате прямого воздействия излучения на микробные клетки. В силу этих обстоятельств высокочастотный нагрев можно использовать не только для варки мясопродуктов, размораживания сырья, обезвоживания жидких сред и сублимационной сушки, но и для стерилизации консервов и пресервов.

К физическим методам обработки сырья относят процессы электростатического, электроконтактного, высокочастотного, сверхвысокочастотного, инфракрасного, радиационного, импульсного и ультразвукового методов обработки продуктов. Использование новых методов позволит по-новому построить технологические процессы, значительно увеличить производительность труда, повысить выход готовой продукции и улучшить его качество, повысить требования к гигиенической безопасности пищевых продуктов и снижение остроты экологической проблемы, снизить металлоемкость и энергоемкость машин и установок, а значит и повысить эффективность производства в целом.

Процесс электрокопчения

Электрофоретическое осаждение компонентов коптильного дыма на различных пищевых продуктах представ­ляет собой процесс электрокопчения. Этот способ так же основан на явлении самостоятельной ионизации.

В результате осаждения дыма на поверхности продукта и проникновения его компонентов внутрь происходит окрашива­ние поверхности изделия в коричнево-золотистые тона, продукт приобретает специфический аромат и вкус копчения, а также до­стигаются бактериальный и антиокислительный эффекты.

Процесс электрокопчения при средней плотности дыма проте­кает очень быстро (2-5 мин). Однако при этом не происходит сушки продукта, в связи с чем весьма затруднительна его срав­нительная оценка с обычным тепловым копчением. Использова­ние инфракрасного излучения для подсушки продукта позволя­ет получать сравнимые результаты.

Существует ряд схем электрокопчения. Принципиально схе­мы электрокопчения очень просты (рис.2). Для стабилизации самостоятельной ионизации используют резко неравномерное электрическое поле, например между проволокой и плоской пластиной. Именно этой цели отвечает первая схема (рис. 2 а). Тогда электростатическое поле создается заведомо неравномер­ным, практически не зависящим от размеров продукта.

Рис. 2. Принципиальные схемы электрокопчения: а - продукт помещается в неравномерное электрическое поле; б - продукт выпол­няет роль пассивного электрода; в - предварительная ионизация коптильного агента; 1 - коронирующий электрод; 2 - пассивный электрод; 3 - продукт

Коронирующий (активный) электрод вместе с положительно заряжен­ной пластиной (пассивный электрод) создает неравномерное электрическое поле. Как результат максимальной напряженно­сти электрического поля у активного электрода возникает корона, в зоне которой происходит интенсивная ионизация компо­нентов коптильного дыма, подаваемого снизу. В качестве коронирующего выбирают отрицательный электрод, так как подвиж­ность отрицательных ионов больше, чем положительных. Обра­зованные в зоне короны ионы адсорбируются на частичках дыма, сообщая им заряд, под действием которого они приобретают направленное движение в электрическом поле. В результате после столкновения с продуктом заряженные частицы осажда­ются на его поверхности. При движении заряженных компонен­тов коптильного дыма в движение могут быть вовлечены нейт­ральные элементы, что особенно важно для паровой фазы. В связи с некоторой селективностью действия электростати­ческого поля на составные части дыма возможна некоторая раз­ница в аромате и вкусе изделий, копченных в электрокоптильных и обычных установках. Однако, варьируя напряженностью поля и используя специальные приемы обработки, можно получать продукты, практически не отличимые от обычных.

При работе по второй схеме (рис.2, б)продукт используют в качестве пассивного электрода, причем коронирующие элект­роды расположены по обе стороны продукта. В этом случае электростатическое поле не будет стабильно неоднородным, как в первом, что может привести к возникновению обратной коро­ны и образованию темных ободков излишних коптящих веществ на острых углах продукта.

Некоторое распространение получила схема предваритель­ной ионизации дыма (рис.2, в). Дым, проходя через иониза­ционную решетку (например, из тонких проволочек), ионизиру­ется и затем осаждается на продукты. Недостатком этого способа следует считать излишнюю обработку дымом частей про­дукта, наиболее близко расположенных к ионизационной ре­шетке.

Процесс электрокопчения сложен, особенно его физико-хи­мическая сущность. Он зависит от большого числа факторов: напряжения, расстояния между электродами, скорости движе­ния дыма, концентрации дыма, состава дыма и пр.

Физические основы электрокопчения сводятся к тому, что первоначальные компоненты коптильного дыма под действием электростатических сил осаждаются на поверхности продукта, а затем в соответствии с законом диффузии проникают в про­дукт. Исследования, показавшие немедленное проникновение частицы дыма под действием электростатического поля на незна­чительную глубину, практически не меняют существа дела. Под­вод тепла к продукту (обычно для подсушки) ускоряет диффузию коптильных компонентов в продукт.

Аппарат для электро­копчения должен включать в себя сле­дующие элементы: высоковольтное вы­прямительное устройство с системой за­щиты и регулирования, собственно ка­меру для электрокопчения с транспорт­ными средствами, дымообразователь с аппаратурой очистки дыма и дымопро­водами. Кроме того, можно использовать приборы для контроля и регулирования плотности дыма, контроля и регулиро­вания температуры и влажности, авто­матические разрядники и др. В ряде случаев аппараты оборудуют устройства­ми для подсушки и пропекания проду­ктов.

Аппараты для электрокопчения в зависимости от транспортной схемы можно условно разделить на две группы: вертикального и горизонтального корпусе аппарата вертикального типа (рис.3) помещены на консольных звездочках две бесконечные цепи со свободно висящими крючками, образующими вертикальный секционный конвейер. Продукт, помещенный на колбасные палки, с помощью наклонного спуска захватывается крючьями конвейерной цепи. В зоне предварительной подсушки продукт нагревает­ся инфракрасными лучами. В качестве источника инфракрасного излучения можно использовать лампы, керамические панели, беспламенные горелки и пр.

Подсушенный продукт поступает в зону электрокопчения, которая оборудована коронирующими и пассивными электродами, причем пассивные электроды выполняют также роль перегородок, что способствует более полному использованию дыма. Каждая секция, оборудованная пассивными электродами, имеет индивидуальный выход отработавшего дыма в общий вентиляционный канал. Через этот же канал отсасываются пары из зон подсушки. Дым подается в каждую секцию через гребенку, соединенную с дымогенератором. Коронирующие электроды крепятся к боковым стенкам камеры с помощью высоковольтных изоляторов, помещенных в предохранительные камеры. После копчения продукт проходит в зону окончательной подсушки, в конце которой при помощи наклонных направляющих произво­дится разгрузка. Установка работает при напряжении 40-60 кВ, потребляемая мощность около 2 кВт.

Использование дыма в этой установке более эффективное, чем в установке вертикального типа. Кроме того, в горизонтальной ус­тановке легче герметизировать вход и выход продукции, напри­мер, воздушной завесой. В этом аппарате используется дымогене­ратор с вибрационной подачей опи­лок. В качестве источника вибра­ций взят электродинамический дат­чик. Амплитуда колебаний, созда­ваемая датчиком, а следовательно, и скорость подачи опилок в камеру сгорания, зависит от величины на­пряжения, что позволяет поддер­живать постоянный режим дымообразования. С этой целью в успо­коительной камере установлен фо­тоэлектрический датчик плотности дыма, сигналы которого, преобра­зованные в преобразователе, умень­шают или увеличивают напряжение, подаваемое на электродинамический датчик.

Рис. 3. Аппарат для электрокопчения вертикального типа с простран­ственным конвейером: I - зона подсушки; II - зона копчения; III - зона окончательной подсушки; 1 - короб; 2 - цепной конвейер; 3 - звездочки; 4 - конвейерные столы; 5 - преобра­зователь; 6 - дымогенератор; 7 - электродинамический датчик; 8 - фотоэлектриче­ский датчик; 9 - успокоительная камера; 10 - коронирующий электрод

Высокое напряжение от источника высоковольтным кабелем подается на коронирующий электрод. При производительности установки 1 т/час длина конвейера достигает 10 м (по зоне электрокопчения).

Типичный аппарат горизонтального типа для копчения беко­на приведен на рис. 4а. Установка разделена на три зоны. Загрузка и выгрузка производятся с торца. В зоне предварительной подсушки и нагрева до 51°С образующиеся водяные пары отсасываются вентилятором. Затем продукт попадает в зону электрокопчения. Генератор питает установки током высокого напряжения (до 60 кВ). Снабжение дымом производится от дымогенератора. Установка оборудована вариатором скоростей.

В камере электрокопчения прямоугольного сечения на изо­ляторах подвешены коронирующие электроды (рис. 4 б). Дым подается в низ камеры через короб, а отсасывается через верхний канал. Коронирующие электроды представляют собой угольную раму с натянутой нихромовой проволокой диамет­ром 0,6-0,8 мм. Задняя часть электрода закрыта металли­ческим листом, представляющим собой экран. Высоковольт­ный ввод находится в стороне от опорных изоляторов и соединяется с электродом кабелем.

Рис.4. Горизонтальный аппарат для электрокопчения бекона

Поскольку в зону электрокопчения продукт попадает уже разогретый, для сбора жира в нижней части камеры поставлен лоток. Установлены следующие периоды нахождения продукта (бекон массой 4,5 кг) в зонах: предварительной подсушки 20 мин, электрокопчения 3-4 мин, окончательной подсушки 3-4 мин.

На рис. 5 представлен аппарат для панировки рыбы в электрическом поле коронного разряда. Мука, осажденная на поверхности рыбы силами электрического поля, дает хорошую панировку, что позволяет повысить качество консервов и значительно снизить расход муки.

Рис. 5. Аппарат для панировки рыбы в электрическом поле коронного разряда: 1 - струнный транспортер; 2 - очистительное устройство; 3 - камера панировки; 4- бункер для муки; 5 - ленточный дозатор; 6 - устройство для распределения рыбы; 7 - станина; 8 – воздухопровод

Распыление и подача муки в камеры панировки осуществля­ется воздухом, нагнетаемым вентилятором через полиэтиленовые воздуховоды, присоединенные к боковым стенкам камеры так, что мука попадает в пространство между электродами и струн­ным транспортером. Панировка рыбы в электрическом поле коронного разряда позволяет получить на ее поверхности плотный, тонкий и равномерный слой муки. Рыба перемещается с помощью струйного транспортера. Коронирующие электроды изготовлены из нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм. Про­изводительность машины на порционированной рыбе 15-17ч. Расход муки при таком способе панировки уменьшается на 30-50 % в зависимости от влажности рыбы. Потери муки, оседающей на оборудовании, не превышают 0,2-0,5 %.×ц/час, на кильке 5-6 ц/час. Расход электроэнергии около 2 кВт [41].

Электрофоретическое осаждение компонентов коптильного дыма на различных пищевых продуктах представляет собой процесс электрокопчения. Этот способ так же основан на явлении самостоятельной ионизации.

В результате осаждения дыма на поверхности продукта и проникновения его компонентов внутрь происходит окрашивание поверхности изделия в коричнево-золотистые тона, продукт приобретает специфический аромат и вкус копчения, а также достигаются бактериальный и антиокислительный эффекты.

Процесс электрокопчения при средней плотности дыма протекает очень быстро (2-5 мин). Однако при этом не происходит сушки продукта, в связи с чем весьма затруднительна его сравнительная оценка с обычным тепловым копчением. Использование инфракрасного излучения для подсушки продукта позволяет получать сравнимые результаты.

Процесс копчения продуктов интересный и увлекательный, но требует немалых затрат времени. Особенно, если вы намерились закоптить рыбу или мясо холодным способом. Такой процесс длится несколько суток. Необходимо следить за температурой в камере, бесперебойным производством дыма нормальной работой дымохода. Электростатическое копчение от обычных методов отличается только временем приготовления продуктов. Оно сокращается в несколько раз без потери качества. Продукты не только не отличаются по вкусу и питательным свойствам, но и хранятся так же долго, как и приготовленные способом холодного копчения или вяления.

Этот метод нельзя назвать новым — промышленные установки холодного электростатического копчения работают давно и успешно. Без сомнения, каждому человеку приходилось хоть раз в жизни пробовать приготовленные в них продукты, даже не подозревая о способе копчения. Суть электростатической обработки дымом состоит в ускорении проникновения продуктов горения в объем продукта. Дальнейшие реакции происходят так же, как и при обычном копчении. На сложные биохимические реакции денатурации и гидролиза, происходящие в мясе при воздействии дыма электростатическое поле влияния не оказывает, только увеличивает скорость диффузии дыма. В связи с этим, копченые этим способом продукты необходимо выдержать несколько суток в холодном месте для дозревания. В домашних условиях — просто положить в холодильник. За это время все процессы закончатся, и продукт станет полностью готовым к употреблению.

Физическая суть процесса состоит в том, что дым от генератора проходит на своем пути сквозь сетку, к которой подключен положительный полюс источника высокого напряжения постоянного тока (анод). Сила тока при этом очень низкая. Дым ионизируется и поступает в камеру коптильни. В ней развешены продукты, к которым подключен отрицательный полюс того же источника (катод). Ионизированный дым, вследствие силы электрического взаимодействия разноименных зарядов, разделяется на две фракции. Положительно заряженные ионы с высокой скоростью устремляются к катоду и буквально пронзают толщу продуктов. Частицы дыма равномерно распределяются по объему мяса или рыбы, что делает этот способ более результативным, чем обычное копчение, при котором верхние слои прокопчены сильнее, чем внутренние. Конструктивно электростатическая коптильня отличается от обычной только наличием электрического контура, поэтому начнем с описание его схемы и принципа работы. Электростатическое копчение происходит при напряжениях 10-20 кВ постоянного тока. В промышленных установках большой мощности, рассчитанных на 50-100 кг продуктов используются специальные трансформаторы. Составные части коптильни: камера для копчения; дымогенератор; блок высокого напряжения; блок управления. Камера для копчения от обычной коптильни несколько отличается. Это связано с тем, что продукты необходимо надежно изолировать от корпуса, если он металлический. С этой целью крепления для стержней, на которые подвешиваются продукты, выполняются из диэлектрика.

В коптильнях для электростатического копчения используются дымогенераторы обычной конструкции, работающие на опилках или щепе, использующиеся в коптильнях для холодного копчения. Для электростатической коптильной установки требуется обильный холодный дым, температура которого составляет не более 35°С. Щепа, стружка и опилки выбираются из фруктовых или лиственных деревьев, кроме березы.

На скорость проникновения дыма в объем заготовки влияет много факторов: температура и плотность дыма; напряженность электрического поля; влажность внутри камеры; материал электродов; напряжение питания. Помимо ускоренного копчения, электростатическое поле обладает сильным бактерицидным действием, и копчености получаются практически стерильными [40].