Способ приготовления вкусоароматической эмульсионной добавки и эмульсия вкусоароматическая
Изобретение относится к пищевой промышленности. Сырье, содержащее вкусоароматические вещества, механически смешивают с полярной жидкостью и обрабатывают полученную смесь воздействием ультразвуковой кавитации при значении безразмерного критерия, выраженного отношением произведения интенсивности ультразвука на удельное акустическое сопротивление смеси к квадрату гидростатического давления в ней, не менее 2,5. При этом в качестве содержащего вкусоароматические вещества сырья используют измельченные специи, эфирные масла или их экстракты, а в качестве полярной жидкости используют воду либо водные растворы. Изобретение позволяет приготовить устойчивую к расслоению, высокодисперсную вкусоароматическую эмульсию без использования искусственно вводимых эмульгаторов. 1 табл., 2 н. и 3 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к технологии приготовления вкусоароматических добавок в виде эмульсий, применяемых при производстве продуктов из мяса, рыбы и молока, а также из пищевого сырья растительного происхождения. Изобретение также может быть использовано в парфюмерии, например, при производстве кремов.
Известны способы введения вкусоароматических веществ в процессе приготовления пищевых продуктов в виде спиртовых экстрактов, например, [RU 2078520, 1997, Заявка РФ 94030620]. Сами экстракты получают с использованием в качестве экстрагента, например, этилового спирта или сжиженного газа, а для интенсификации процесса его проводят при переменном гидростатическом давлении [RU 2285536, 2006, RU 2277348, 2006, RU 2277347, 2006], с применением вибрационного [RU 2282636, 2006] либо кавитационного воздействия [Заявка РФ 2003112206, 2003]. Вкусоароматические вещества, которые представлены в природе главным образом эфирными маслами, хорошо растворяются в этиловом спирте, но практически нерастворимы в воде. Большинство же пищевых продуктов содержит в своем составе значительное количество воды и являются системами типа эмульсий или суспензий с различной концентрацией фазы. Поэтому вкусоароматические вещества из экстрактов могут равномерно распределиться в продукте лишь в виде мелкодисперсной водно-жировой эмульсии [1]. Добиться получения такой эмульсии непосредственно в продукте перечисленными способами введения вкусоароматических добавок невозможно без искусственного добавления веществ-эмульгаторов, что не позволяет получить технический результат настоящего изобретения, используя эти способы.
Известен способ получения вкусоароматической добавки в виде эмульсии также в процессе введения вкусоароматических веществ в продукт [RU 2166866, 2001]. При его осуществлении сырье, содержащее вкусоароматические вещества, вводятся в пищевой продукт в натуральном, механически измельченном или растворенном виде и удерживаются там, как дисперсная фаза эмульсии, за счет вводимых туда же натуральных или искусственных стабилизаторов, эмульгаторов или структурообразователей. Эти вещества, как правило, не являются традиционным пищевым сырьем и, даже если имеют натуральное происхождение, то увеличивают себестоимость продукта, не увеличивая его пищевой ценности. Это обстоятельство не способствует достижению цели настоящего изобретения.
В составе пищевых продуктов чаще используются вкусоароматические эмульсии, например [RU 2281010, 2006], которые готовятся отдельно, до введения в продукт. Они могут быть приготовлены любым известным способом получения жироводных эмульсий, например, с применением энергии ультразвуковой кавитации [RU 2172207, 2001], где дисперсная фаза вводится в дисперсионную среду из тонкого слоя на поверхности, с которой в смесь распространяются ультразвуковые колебания. Достижению указанного ниже технического результата при использовании этого способа препятствует следующее обстоятельство. Если фазой дисперсной системы приготавливаемой вкусоароматической добавки являются только эфирные масла, то для обеспечения стабильности эмульсии требуется наличие у жировых шариков фазы оболочки, содержащей стабилизирующие вещества, например мелкодисперсные частицы твердой фазы с развитой поверхностью, либо вещества, обладающие двойственной растворимостью [2]. Такими веществами являются, например, ди- и моноглицериды жирных кислот, которые получают путем гидролиза триглицеридов жира, в том числе под воздействием ультразвуковой кавитации [3]. Но в случае, если передача ультразвуковых колебаний с поверхности, с которой они распространяются, осуществляется через обладающий низким акустическим сопротивлением жировой слой [4, 5], то энергия кавитации, возникающей на его границе с водой, может оказаться недостаточной для значимого смещения реакции гидролиза-этерификации в сторону гидролиза [6]. Эмульгирующие вещества при этом не будут образовываться или будут образовываться в недостаточных количествах.
Существует еще способ, которым можно готовить вкусоароматические добавки в виде эмульсий и суспензий с использованием энергии ультразвуковой кавитации [RU №2279918, 2004]. Способ характеризуется тем, что кавитацией в акустической волне, имеющей определенные параметры, отдельно обрабатывают воду, а затем смешивают ее с биополимерной массой, например, содержащей вкусоароматические вещества. Энергии, запасенной при этом в воде, равной суммарной энергии разрушенных в ней водородных связей, достаточно чтобы увеличить растворяющую способность воды и ее способность гидратировать биополимеры [7, 8], но также, как и в предыдущем аналоге, недостаточно для гидролиза жира. Для обеспечения стабильности эмульсии и в этом случае придется вводить их искусственно. Это препятствует достижению указанного ниже технического результата при использовании описанных способов.
Известен способ [RU №92151783, 2000] эмульгирования жирового компонента с водой ультразвуковым методом, где в состав компонентов эмульсии перед началом эмульгирования добавляют суспензию с твердой фазой, который также может быть использован для получения и вкусоароматической эмульсии. В процессе эмульгирования твердая фаза суспензии становится основой разделительного слоя на границе водной среды и диспергируемой жировой фазы. В описанном способе в качестве твердой фазы суспензии используют хлебопекарную муку. Недостаток способа при использовании его для приготовления вкусоароматических эмульсий состоит в том, что твердая фаза является искусственно вносимым в эмульсию компонентом, необходимым лишь для ее стабилизации, и не всегда может сочетаться с продуктом или косметическим средством, в котором эта эмульсия будет использована в виде ароматизатора. Это ограничивает область использования приготовленной таким способом эмульсии и препятствует достижению указанного ниже технического результата.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ производства пищевых эмульсий, при котором компоненты эмульсии, в состав которых входят поверхностно-активные вещества, механически смешивают и подвергают полученную смесь ультразвуковому диспергированию в кавитационном режиме путем многократной рециркуляции при температуре выше комнатной [RU 2055479, 1996]. Этот способ принят за прототип.
Недостатками этого принятого за прототип способа приготовления эмульсий в достижении технического результата является то, что в составе эмульсий используются поверхностно-активные вещества, концентрация которых влияет, в том числе и на величину энергии кавитации [10], а интенсивность ультразвука не регулируется в зависимости от физических свойств смеси. Это приводит к тому, что при различных консистенциях получаемых эмульсий, видах и агрегатных состояниях вкусоароматического сырья дисперсность и стабильность эмульсий будет сильно различаться. Сроки хранения, показатели вкуса и аромата также не будут одинаковыми.
Техническим результатом изобретения и является приготовление устойчивой к расслоению (стабильной), высокодисперсной вкусоароматической эмульсии без использования искусственно вводимых эмульгаторов, а, значит, и более универсальной в отношении области применения.
Сущность изобретения состоит в следующем.
От дисперсности эмульсии зависит интенсивность вкуса и аромата добавки, так как дисперсность - это величина, обратная среднему диаметру капель фазы и определяет отношение площади поверхности фазы, эмульсии, с которой собственно и происходит диффузия вкусоароматических веществ, к ее объему [9]. С другой стороны, дисперсность является показателем стойкости эмульсии. Чем она выше, тем менее эмульсия подвергнута расслоению при хранении под действием внешних сил, например гравитации [2]. Как известно, при ультразвуковом эмульгировании основным фактором, обеспечивающим получение требуемой дисперсности, является энергия кавитации. Из компонентов жироводной эмульсии кавитация возникает преимущественно в воде, так как вода, в отличие от любой неполярной жидкости, имеет зародыши кавитационных полостей, локально снижающие ее прочность на разрыв, убывающую с ростом давления вязкость и относительно высокое поверхностное натяжение [10]. При прохождении ультразвуковой волны через дисперсную систему, такую как, например, водная суспензия измельченных специй, кавитация преимущественно возникает вблизи границ воды и твердых частиц, содержащих вкусоароматические вещества или на свободной поверхности жидкой фазы из эфирных масел и их экстрактов. Это обусловлено поверхностными явлениями и резким изменением там физико-механических и акустических свойств [10, 11]. Если кавитация обладает достаточной энергией, то она диспергирует твердые частиц фазы, которая в данном случае представлена измельченными частями высушенных растений и служит источником вкусоароматических веществ, а также частично гидролизует входящие в их состав эфирные масла. В том и другом случае естественным путем образуются вещества, служащие стабилизаторами эмульсии (клетчатка и ди- и моноглицериды жирных кислот) и отпадает необходимость вводить эмульгаторы и стабилизаторы эмульсии искусственно.
Плотность энергии кавитации зависит от параметров ультразвука и физических свойств жидкости: ее плотности и скорости звука в ней, произведение которых называется удельным акустическим сопротивлением среды [5], и может характеризоваться интенсивностью вызывающего кавитацию ультразвука. Мощность кавитации при прочих равных условиях зависит также от гидростатического давления в жидкости. Экспериментально установлено, что интенсивность ультразвука в Вт/м2, достаточная для образования кавитации, способной диспергировать растительную клетчатку и вызывать гидролиз растительных жиров, умноженная на удельное акустическое сопротивление смеси в кг/(м2с), содержащего вкусоароматические вещества сырья и воды, деленная на квадрат гидростатического давления в ней в Па2, является безразмерным критерием подобия процесса. Для достижения технического результата изобретения численное значение этого критерия должно быть не меньше 2,5. Известно, что с ростом интенсивности вызывающих кавитацию гармонических колебаний, плотность энергии кавитации асимптотически стремится к константе процесса [12]. Поэтому выведенный критерий не имеет диктуемого соображениями технического характера ограничения сверху и на практике, с точки зрения экономичности процесса, оптимальным значением критерия является значение 2,5.
Технический результат при использовании изобретения достигается тем, что для приготовления вкусоароматической эмульсионной добавки, содержащей вкусоароматические вещества, сырье механически смешивают с полярной жидкостью и обрабатывают полученную смесь воздействием ультразвуковой кавитации при значении безразмерного критерия, выраженного отношением произведения интенсивности ультразвука на удельное акустическое сопротивление смеси к квадрату гидростатического давления в ней, не менее 2,5. При этом в качестве содержащего вкусоароматические вещества сырья используют измельченные специи, эфирные масла или их экстракты, а в качестве полярной жидкости используют воду либо водные растворы.
Предложенный способ был сравнен посредством эксперимента с прототипом. Измельченную в порошок корицу механически смешивали с водой в пропорции 1:15 по массе. Акустическое сопротивление смеси, вычисленное из измеренных плотности и скорости звука, составило 154 кг/(см2с). Смесь подвергали ультразвуковой обработке в кавитационном режиме в 170 миллилитровом реакторе лабораторного аппарата, имеющего возможность излучать плоскую ультразвуковую волну частотой 22 кГц с интенсивностями 1, 2, 3 и 4 Вт/см2. Обработка и измерения производились при гидростатическом давлении 0,1 МПа и температуре окружающего воздуха 22±1°С Значения безразмерного критерия, определяющего отличительный признак заявленного изобретения, для режимов работы аппарата при этом составляют соответственно 1,54; 3,08; 4,62 и 6,16. Поэтому для реализации прототипа, где интенсивность ультразвука при наличии кавитации выбирают произвольно, использовался первый режим, а заявленного изобретения - второй, третий и четвертый. Поверхностно-активные вещества или другие эмульгаторы и стабилизаторы, ни в одном из случаев не использовались. Имитация многократной циркуляции смеси в реакторе, которая осуществлялась самопроизвольно за счет акустических макротечений [4]. Чтобы обеспечить одинаковые энергетические условия воздействия, обработка во всех случаях продолжалась до тех пор, пока температура смеси не увеличивалась на 2°С Сравнение производилось по седиментационной устойчивости и оптической плотности полученных суспензионно-эмульсионных смесей фотометрическим методом. Для этого у проб каждого из образцов сразу после приготовления и после двухчасового отстаивания, спектрофотометром на длине волны 920 нм были измерены значения коэффициентов пропускания. Средние по пяти независимым замерам значения отношений коэффициентов пропускания, измеренных после отстаивания, к коэффициентам пропускания, измеренным сразу после приготовления, представлены в таблице.
| Таблица | |||||
| ОБЪЕКТ | СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ | ||||
| Механическое смешивание | Прототип | Заявленный при значении критерия: | |||
| ПАРАМЕТР | 3,08 | 4,62 | 6,16 | ||
| Отношение оптических коэффициентов пропускания | 6,10±0,11 | 3,17±0,08 | 2,56±0,07 | 2,57±0,07 | 2,58±0,06 |
Из таблицы видно, что через два часа после приготовления прозрачность образцов смеси эмульсии коричного масла с суспензией клетчатки увеличилась за счет оседания тяжелых фракций и всплытия легких и стала определяться оптическим пропусканием собственно вкусоароматической эмульсии. Прозрачность менее всего увеличилась у образцов, приготовленных заявленным способом, независимо от значения критерия, если оно превышает 2,5. Это говорит о том, что показатели извлечения коричного масла из сырья и его эмульгирования заявленным способом самые высокие. Седиментационная устойчивость, а значит и дисперсность и связанные с ней вкусоароматические свойства у полученной с помощью него эмульсии выше, чем у приготовленной способом-прототипом.
Таким образом, 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 способа заявителем не выявлено каких-либо известных решений, касающихся установления требований к соотношению интенсивности ультразвука, гидростатического давления и физических свойств водных смесей вкусоароматических веществ, подвергаемых кавитационному эмульгированию в связи со стабильностью и дисперсностью приготавливаемых вкусоароматических эмульсий.
Для приготовления вкусоароматических эмульсий в промышленном масштабе может быть использован, например, индустриальный ультразвуковой процессор UIP4000 фирмы Hielscher systems GmbH (Германия) [13]. Последний имеет электрическую мощность преобразователя 4000 Вт, КПД 90% и площадь излучающей плоскую ультразвуковую волну поверхности сонотрода KS20d65L6 около 100 см2. Таким образом, он может излучать в жидкость ультразвук интенсивностью 0,9-4000:100=36 Вт/см2. Чтобы обрабатывать на нем смесь с удельным акустическим сопротивлением, равным, например, 150 кг/(см2с), заявленным способом необходимо, чтобы давление в ней было не выше 4,6 атм. Давлением в реакторе аппарата можно управлять, подавая смесь посредством нагнетающего насоса и дросселируя ее на выходе из реактора.
Таким образом, 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.
ЛИТЕРАТУРА
1. Борисенко А.В., Алексеева Ю.И., Климова С.А. Пищевая промышленность, 3/2002.
2. Кроит Г.Р. Наука о коллоидах. - М: ИИЛ, 1955.
3. Шестаков С.Д. Хранение и переработка сельхозсырья, 3/2003.
4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956.
5. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: Ф-МЛ. - 1959.
6. Пищевая химия п/р А.П.Нечаева. - СПб.: ГИОРД, 2004.
7. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Хранение и переработка сельхозсырья, 7/2004, 10/2004.
8. Шестаков С.Д. Хранение и переработка сельхозсырья, 4/2003.
9. Большая Советская Энциклопедия. - М: Советская Энциклопедия, 1972.
10. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф., Кавитация. - М.: Мир, 1974.
11. Ребиндер П.А. Избранные труды. - М.: Наука, 1978.
12. Шестаков С.Д. Труды XVI сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, Том 1, 2005.
13. www.hielscher.com.
1. Способ приготовления вкусоароматической эмульсионной добавки, характеризующийся тем, что содержащее вкусоароматические вещества сырье механически смешивают с полярной жидкостью и обрабатывают полученную смесь воздействием ультразвуковой кавитации при значении безразмерного критерия, выраженного отношением произведения интенсивности ультразвука на удельное акустическое сопротивление смеси к квадрату гидростатического давления в ней, не менее 2,5.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве содержащего вкусоароматические вещества сырья используют измельченные специи.
3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве содержащего вкусоароматические вещества сырья используют эфирные масла либо их экстракты.
4. Способ по пп.1-3, характеризующийся тем, что в качестве полярной жидкости используют воду либо водные растворы.
5. Вкусоароматическая эмульсия, полученная по любому из пп.1-4.
