Способ консервирования сока и устройство для его осуществления

Данная группа изобретений относится к пищевой промышленности. Согласно предложенному способу сок деаэрируют и подвергают обработке электромагнитным полем. Электромагнитное поле генерируют электрическим сигналом в форме переменного электрического тока или однополярных электрических импульсов в частотном диапазоне 100-500 Гц, с амплитудой магнитной индукции от 0,2 до 0,45 Тл и удельной мощностью от 0,01 до 0,1 кВт/л. Деаэрацию проводят в течение 5-15 с в камере низкого давления. Устройство включает емкость для исходного продукта, связанную трубопроводом со средством обработки части трубопровода с продуктом электромагнитным полем, а также средство регулирования мощности и частоты электромагнитного поля, систему создания избыточного давления, состоящую из баллона с азотом и краном подачи азота, систему создания вакуума и систему упаковки обработанного продукта, связанные с емкостью для исходного продукта, представляющую собой камеру низкого давления. Средство обработки продукта включает, по меньшей мере, одну катушку электромагнита, связанную с генератором электромагнитного поля, работающего в диапазоне 100-500 Гц. Предложенная группа изобретений позволяет снизить седиментацию сока и тем самым увеличить срок его хранения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Заявляемая группа технических решений относится к способу консервирования соков путем воздействия магнитного поля, а также к устройству, реализующему этот способ, и может быть использована в пищевой промышленности.

Задача консервирования (стерилизации и/или пастеризации) продуктов фактически состоит в ослаблении болезнетворной и ферментной активности микроорганизмов при сохранении активных составных частей продукта, определяющих его органические и органолептические свойства.

Из всех известных способов процессы с использованием нагревания до настоящего времени являются наиболее эффективными и потому наиболее распространенными. Тепловые способы пастеризации и стерилизации, хотя и наиболее широко используются в промышленности, все имеют очевидный недостаток: высокая температура неизбежно приводит к ухудшению качества продукта. При температуре пастеризации, а тем более стерилизации, происходит не только уничтожение микроорганизмов, но также инактивируются ферменты, белки и прочие активные вещества. Обрабатываемый теплом продукт изменяет свой вкус и цвет, и тем заметнее, чем длительнее нагревание и выше температура. Кроме того, использование косвенного нагрева посредством теплообменников создает проблему неравномерного нагрева, а использование прямого нагрева паром изменяет влажность продукта. Поэтому существует потребность в создании новых технологий стерилизации и пастеризации пищевых продуктов, не имеющих недостатков известных способов. Как выяснилось, использование магнитного поля в процессах обработки продуктов недостаточно применяется.

Анализ источников информации показывает, что чаще всего магнитное поле используют для очистки и смягчения воды. Однако в отдельных технических решениях оказывают электромагнитное воздействие на воду в целях изменения ее физико-химических характеристик, не связанных с ионами кальция и магния. Такие технические решения предназначены для улучшения пищевой ценности и вкусовых качеств воды. Они используют постоянные стационарные магниты [RU 2189948 С1, 2002], вращающиеся стационарные магниты [RU 2197435 С2, 2003] или импульсные электромагниты [RU 2172299 С2, 2001]. Известно устройство, предназначенное для получения воды, биологически совместимой с объектами живой природы [RU 2297392 С2, 2007]. Кроме того, известны патенты, рекомендующие применять магнитное поле при производстве мадеры [RU 2300555 С1, 2007] и портвейна [RU 2300554 C1, 2007]. Одно из технических решений направлено на получение импульсного магнитного поля, которое используется для достижения оптимальной величины рН-фактора сока [RU 2306343 C1, 2007].

Основной недостаток всех перечисленных технических решений состоит в том, что они предполагают использование постоянных магнитов либо электромагнитов, обеспечивающих заданные характеристики магнитного поля. Отсутствуют системы по регулируемому воздействию магнитного поля на жидкую субстанцию.

Известен способ магнитной обработки пива [RU 2196819 С2, 2003]. Пиво подвергают магнитно-импульсной обработке с частотой 1…100 Гц и напряженностью поля 0,2·10⁴…1,6·10⁴ А/м с помощью полого цилиндрического индуктора, помещенного снаружи пивопровода, идущего от фильтров к фарфасам. Причем материал пивопровода в месте установки индуктора должен быть немагнитным. В результате магнитной обработки вкус пива становится мягче, аромат приятней, нежней, экономия электроэнергии в 10…80 раз, кроме того, это ведет к уменьшению расхода электроэнергии и достижению более выраженного улучшения органолептических свойств пива.

Данная технология предполагает применение цилиндрического индуктора, создающего продольное по отношению к трубопроводу магнитное поле. Обработка продольным полем является неэффективной поскольку она принципиально не изменяет кинематических характеристик прямоточного движения продукта-электролита. Поэтому требуется либо большое время экспозиции, либо значительная длина обрабатываемого участка.

Предложены также способ и устройство обработки продуктов [RU 2275826 С2,

2006]. Изобретение относится к способу стерилизации жидкости, а также поверхностей, находящихся в контакте с ней. Способ предусматривает нагрев жидкости до температуры, которая ниже температуры, требуемой для стерилизации путем пастеризации и наложения электрического поля с напряженностью приблизительно 10² B/см или выше, во время которого жидкость или твердый объект подвергают акустической вибрации. Способ осуществляют с помощью устройства, которое содержит систему для перемещения жидкого продукта и пункт стерилизации, установленный по длине указанной системы. Пункт стерилизации включает источник электроэнергии, который формирует в жидкости, проходящей через пункт стерилизации, электрическое поле напряженностью от 10² B/см до 10⁴ B/см, и ультразвуковой генератор.

Известен способ хранения жидкости или продуктов питания [RU 2125819 С1, 1999]. Способ заключается в расфасовке жидкости или продуктов питания в соответствующие емкости, вакуумировании их и последующей герметизации. При этом на вакуумированные продукты питания или жидкость дополнительно воздействуют магнитным полем, и/или ультрафиолетовым излучением, и/или ультразвуковыми колебаниями, и/или лазерным излучением. При этом воздействие может осуществляться как порознь, так и в любом необходимом сочетании. Параметры излучения в каждом конкретном случае выбирают исходя из вида продукции, подготавливаемой к хранению, ее объема, сроков хранения и т.д. Продукты питания или жидкость, подготовленные к хранению таким образом, являются экологически чистыми и после длительного срока хранения.

Оба вышеуказанных способа предполагают комбинацию двух и более способов физического воздействия на продукт, каждый из которых наряду с консервирующим назначением разрушает качественные показатели продукта.

Известен способ консервирования жидких и вязких пищевых продуктов [SU 1795882 A3, 1993], заключающийся в тепловой обработке молока в две стадии: первая - косвенным нагревом в потоке, вторая - обработку рафасованного молока осуществляют в электромагнитном поле высокой частоты в диапазоне 13-40 МГц при напряженности поля не менее 100 В/см с экспозицией до 600 с.

Предложен способ обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов [RU 2085508 С1, 1997], позволяющий увеличить сроки хранения продуктов, сохранить или даже улучшить их исходные качества, уменьшить удельные энергозатраты при требуемой степени обработки за счет реализации нового механизма инактивирующего действия на микроорганизмы и активирующего действия на молекулы. Способ включает обработку жидкостей и жидкотекучих продуктов импульсами электромагнитного поля. Длительность каждого импульса менее 10^-7, а амплитуда напряженности электрического поля в жидкости составляет более 10⁷ В/м.

Также известен способ непрерывной стерилизации и пастеризации биологических и пищевых продуктов и устройство для его осуществления [RU 2067400 С1, 1996]. Способ заключается в том, что продукт предварительно направляют в нагреватель, а затем облучают в средстве, в котором создают переменное электромагнитное поле. Обработанный продукт собирают в контейнере и упаковывают в емкости или пакеты. Предварительное нагревание продукта осуществляют до температуры не ниже 40°С, но менее 50°С, а облучающее электромагнитное поле создают посредством источника радиоволн в частотном диапазоне ниже 1 гГц. Облучение ведут от 10 с до 1 мин до температуры продукта 50°С, после чего продукт выдерживают в течение 10 с-1 мин в зависимости от концентрации бактериальной флоры продукта.

Приведенные выше три способа обработки используют диапазон частот, отвечающий жесткому рентгеновскому излучению или жестким радиоволнам, поэтому требуется защита работающего персонала от используемого физического воздействия.

Вышеописанные способ и устройство как наиболее близкие по технической сущности и результату к предлагаемому способу и устройству выбраны в качестве прототипа.

Технической задачей изобретения явилось создание способа и устройства для консервирования сока, обеспечивающих сохранение его естественных качеств без использования консервантов и других компонентов, способствующих длительному хранению за счет снижения температуры тепловой обработки сока при деаэрации, а также достижение бактерицидного эффекта за счет создания регулируемого магнитного поля.

Дополнительной задачей изобретения явилось создание режимов осуществления способа и работы устройства, безвредных для человека.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что заявленный способ консервирования сока характеризуется тем, что предварительно сок деаэрируют, а затем подвергают обработке электромагнитным полем, генерируемым электрическим сигналом в форме переменного электрического тока или однополярных электрических импульсов в частотном диапазоне 100-500 Гц, с амплитудой магнитной индукции от 0,2, до 0,45 Тл, с удельной мощностью от 0,01 до 0,1 кВт/л, при этом деаэрацию проводят в течение 5-15 с в камере низкого давления.

Предпочтительно продолжительность обработки электромагнитным полем составляет от 15 до 90 с, преимущественно от 30 до 50 с, в результате чего продукт остывает от 70 до 65°С.

При этом после деаэрации подают азот в камеру низкого давления для перемещения продукта по системе.

Кроме того, продукт обрабатывают электромагнитным полем в неупакованном и/или упакованном жидком или вязком состоянии в потоке заданной скорости и/или заданном объеме.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что заявляемое устройство для консервирования сока включает емкость для исходного продукта, связанную трубопроводом со средством обработки части трубопровода с продуктом электромагнитным полем, а также средство регулирования мощности и частоты электромагнитного поля.

Особенность заявляемого устройства для консервирования сока заключается в том, что оно дополнительно содержит систему создания избыточного давления, состоящую из баллона с азотом и краном подачи азота, систему создания вакуума и систему упаковки обработанного продукта, связанные с емкостью для исходного продукта, представляющую собой камеру низкого давления, при этом средство обработки продукта включает, по меньшей мере, одну катушку электромагнита, связанную с генератором электромагнитного поля, работающего в диапазоне 100-500 Гц.

Кроме того, средство обработки продукта электромагнитным полем размещено возле обрабатываемой части трубопровода между емкостью для исходного продукта и системой упаковки обработанного продукта и/или после системы упаковки обработанного продукта.

Целесообразно, что катушка электромагнита имеет обмотку в форме спирали, позволяющую генерировать радиальную компоненту магнитного поля.

Целесообразно также, что количество средств обработки продукта электромагнитным полем зависит от продолжительности обработки продукта и мощности электромагнитного поля.

При этом обрабатываемая электромагнитным полем часть трубопровода с продуктом выполнена из диэлектрического материала, прозрачного для электромагнитного излучения генерируемой частоты, причем указанный материал имеет относительную диэлектрическую константу ниже относительной диэлектрической константы активных компонентов, определяющих органические и органолептические свойства продукта.

Кроме того, емкость для исходного продукта, система создания избыточного давления и система создания вакуума снабжены регулирующими и контролирующими приборами.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 представлен схематично общий вид предлагаемого устройства. На фиг.2 показано средство обработки продукта электромагнитным полем, размещенное возле обрабатываемой части трубопровода.

Способ по изобретению применяется для заданного объема или заданного расхода продукта, содержащего бактериальное или споровое загрязнение.

Предлагается при воздействии на продукт применять электромагниты в виде системы катушек, использующих внешнее переменное электрическое напряжение. Такие магниты, дополненные преобразователем частот и напряжений, позволяют создать управляемые и эффективно действующие магнитные поля. Основное в предлагаемом устройстве: емкость для исходного продукта позволяет замедлить деаэрацию продукта, выполнена как камера низкого давления; система катушек, составляющая основу электромагнита, позволяет генерировать радиальную (поперечную по отношению к оси канала) компоненту магнитного поля. Преобразователь частот позволяет генерировать магнитное поле, пронизывающее толщу продукта и имеющее заданные амплитудные и частотные характеристики. Все это позволяет добиться бактерицидного эффекта за счет возникновения в массе продукта контурных токов (токов Фуко).

Принципиальное отличие разработки состоит в том, что магнитное поле используется не в традиционном аспекте, а именно не для целей уменьшения содержания солей кальция и магния, а для достижения бактерицидного эффекта. Режим по выходу кислорода из продукта был найден как локальная область в плоскости режимных параметров: температуры предындукцированной обработки, давления в вакуумной камере.

Рассмотрим прямое воздействие магнитных полей на жидкости. Авторский коллектив имеет опыт исследования магнитогидродинамических процессов в трубах и проточных системах [Бубенчиков A.M., Клевцова А.В., Харламов С.Н. Закрученный поток проводящей жидкости в узких трубках при наличии магнитного поля. Математическое моделирование, 2004, т.16, №3, с.109-122], в частности опыт по использованию воздействия переменных магнитных полей на поток крови в сосудах [Бубенчиков A.M. и др. Теория магнитогидродинамического взаимодействия эритроцитов. // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Материалы Всероссийской научной конференции. Томск, 2006, с.480-481]. Известно, что растительные жидкости так же, как и физиологические жидкости, характеризуются наличием разделенных электрических потенциалов. Сумма этих потенциалов составляет заметную долю внутренней энергии живой системы и называется зета-потенциалом. Указанным потенциалом могут обладать и неживые жидкие системы, например некоторые электролиты (растворы солей в воде). Однако в живых системах, постоянно стремящихся увеличить количество запасенной внутренней энергии, уровень разделенности зарядов, как правило, существенно выше. Проводя обработку растительной соковой субстанции в камере низкого давления переменным магнитным полем определенной частоты и амплитуды, мы добиваемся выхода растворенного в продукте кислорода при более низких температурах. Кроме этого, магнитное поле позволяет поднять уровень разделенности зарядов. При этом в коллоидной системе образуются структуры, состоящие из отрицательно заряженных коллоидов, окруженных группой положительных ионов. Указанные структуры в первом приближении представляют собой сферический бислой с одноименно заряженной внешностью. Они и являются носителями разделенных потенциалов, и их наличие препятствует разделению соковой субстанции на фракции. Запасенная таким образом энергия электричества способствует увеличению срока хранения продукции и улучшению ее вкусовых качеств. Обработанный таким образом сок вновь создает ощущение свежевыжатого продукта.

Снижение температуры обработки продукта позволяет сохранить витамины и уменьшить суммарные затраты электроэнергии на производство конечного продукта.

Продолжительность обработки электромагнитным полем найдена экспериментальным способом и составляет от 15 до 90 с, преимущественно от 30 до 50 с, в результате чего продукт остывает от 70 до 65°С, но уже с меньшей скоростью охлаждения, нежели в отсутствие магнитной обработки.

Обработку продукта ведут при частоте электромагнитного поля 100-500 Гц, с амплитудой магнитной индукции от 0,2 до 0,45 Тл, с удельной мощностью от 0,01 до 0,1 кВт/л, предпочтительно от 0,02 до 0,04 кВт/л. Переменным магнитным полем индуцируется переменное электрическое поле, в котором одноклеточные организмы с физической точки зрения ведут себя, как диполи, меняют свою полярность с заданной частотой, в результате чего они разрушаются и погибают.

Деаэрацию проводят в течение 5-15 с, преимущественно в течение 10-12 с в камере низкого давления. За это время успевает выйти 70-80% растворенного в продукте кислорода. После деаэрации подают азот в камеру низкого давления для перемещения продукта по системе.

Обработку при необходимости можно выполнять за несколько повторяющихся стадий или за несколько циклов, при этом между последовательными циклами осуществляют промежуточное охлаждение.

В практический ситуации нагретый до 70°С сок поступает на деаэрацию в камеру объемом 500 л, которая на ³/₄ части заполняется соком, а из оставшегося свободного объема откачивается воздух, в результате чего происходит вскипание сока, который кипит при указанной температуре в течение приблизительного 15 с. За это время из него выходит основная масса растворенного в нем кислорода. После деаэрации подают азот в камеру низкого давления для перемещения сока по системе. Далее сок поступает в часть трубопровода, обрабатываемую электромагнитным полем, где он достаточно медленно (приблизительно со скоростью 1 см/с) перемещается по пластиковому трубопроводу, расположенному между катушками электромагнита, подвергаясь обработке переменным магнитным полем в течение 30 с. Обработку сока ведут при частоте электромагнитного поля, например, 300 Гц, с амплитудой магнитной индукции 0,2 Тл, с удельной мощностью 0,03 кВт/л. За это время обеспечивается полное разложение бактериальной флоры и основных болезнетворных вирусов. При этом совершенно неизменными остаются органические и органолептические свойства обрабатываемого продукта.

На фиг.1 показан схематично общий вид предлагаемого устройства для осуществления способа по изобретению.

Устройство по изобретению содержит емкость для исходного продукта 1, связанную трубопроводом со средством обработки части трубопровода с продуктом электромагнитным полем 2, а также средство регулирования мощности и частоты электромагнитного поля 3, систему создания избыточного давления 4, систему создания вакуума 5 и систему упаковки обработанного продукта 6.

Средство обработки продукта электромагнитным полем 2 включает катушки 7.

Система создания избыточного давления 4 включает баллон с азотом 8 и кран подачи азота 9.

Система создания вакуума 5 включает вакуумный насос 10 и вакуумный кран 11.

Емкость для исходного продукта 1 соединена с системой автоматического управления уровнем и температурой продукта 12 и имеет люк визуального контроля 13, датчики уровня 14, мановакууметр 15.

Трубопроводы для перемещения продукта по системе снабжены кранами 16.

Мощность электромагнитного поля, его воздействие и продолжительность обработки продукта напрямую зависит от количества средств обработки продукта электромагнитным полем.

Обрабатываемую электромагнитным полем часть трубопровода с продуктом изготавливают из диэлектрического материала, проницаемого для электромагнитных волн, с тем, чтобы ограничить поглощение энергии переменного электромагнитного поля. Материал выбран с учетом того, чтобы его относительная диэлектрическая постоянная была меньше, чем относительная диэлектрическая постоянная активных составных частей продукта, определяющих его органические и органолептические свойства. Таким образом, эта часть трубопровода выполняет роль экрана по отношению к резонансным частотам названных активных составных частей продукта, защищая их от разрушающего действия поля.

Устройство работает следующим образом.

Продукт через кран подачи 16 поступает в емкость для исходного продукта 1, при этом его уровень контролируется и регулируется через систему автоматического управления уровнем продукта 12, люк визуального контроля 13, датчиками уровня 14. Далее при закрытых кранах 16 и открытом вакуумном кране 11 насосом 10 производится откачка воздуха из емкости для исходного продукта 1. После достижения в емкости для исходного продукта 1 режима кипения, он поддерживается в ней приблизительно в течение 15 с. После этого закрывается кран 11 и открывается кран подачи азота 9, а также краны 16, расположенные (фиг.1) справа от емкости для исходного продукта 1. При этом включаются средства магнитной обработки 2. Продукт медленно перемещается по части трубопровода, обрабатываемого электромагнитным полем, при этом взаимодействуя с внешним переменным магнитным полем в течение приблизительно 30 с и сразу же упаковывается с использованием системы 6. Когда весь продукт выйдет из емкости для исходного продукта 1, кран 9 закрывается и вновь открывается левый кран 16 и весь цикл повторяется вновь.

Возможны три варианта реализации устройства, первый, когда средство обработки продукта электромагнитным полем 2 размещено возле обрабатываемой части трубопровода между емкостью для исходного продукта 1 и системой упаковки обработанного продукта 6 и после системы упаковки обработанного продукта 6. Второй и третий варианты, когда средство обработки продукта электромагнитным полем 2 размещено возле обрабатываемой части трубопровода либо между емкостью для исходного продукта 1 и системой упаковки обработанного продукта 6, либо после системы упаковки обработанного продукта 6.

Результаты обработки продукта с использованием предлагаемых способа и устройства подтверждаются следующими данными: сок «Черная смородина» прямого отжима в стеклобутылке твист 0,25 л, изготовленный в соответствии с НД-ГОСТ Р 52184-2003 и обработанный предлагаемым способом, дегустировался и анализировался в сравнении с аналогичным соком без предлагаемой обработки.

Результаты испытания сока отражены в таблице.

Показатели, подтверждаемые на соответствие НД	Методики и ГОСТ испытаний	Результат испытаний
Содержание витамина «В1»	МР 08-47/053	0,1 мг/кг
Содержание витамина «В2»	МР 08-47/540	0,2 мг/кг
Содержание витамина «С»	МР 08-47/113	500,0 мг/кг
Содержание витамина «Е» (альфа-токоферол)	ГОСТ 30417-96	0,01 мг/кг

В соке, произведенном по предлагаемой технологии, практически все показатели по витаминам превышены в два раза, а по витамину «С» - в два с половиной раза.

При сравнении вкусовых качеств преимущество отдано соку после магнитной обработки. В этом соке выше содержание витаминов и минеральных веществ за счет снижения температуры тепловой обработки. Также значительно увеличился срок сохранения внешней кондиции сока, он не расслаивался на фракции продолжительное время.

Таким образом, предлагаемый способ обработки магнитным полем по сравнению с другими способами физического воздействия относится к «мягкому», неразрушающему воздействию и позволяет существенным образом снизить седиментацию (осаждение) сока и тем самым увеличить сроки его хранения, а также вкусовые качества.

1. Способ консервирования сока, характеризующийся тем, что предварительно сок деаэрируют, а затем подвергают обработке электромагнитным полем, генерируемым электрическим сигналом в форме переменного электрического тока или однополярных электрических импульсов в частотном диапазоне 100-500 Гц, с амплитудой магнитной индукции от 0,2, до 0,45 Тл, с удельной мощностью от 0,01 до 0,1 кВт/л, при этом деаэрацию проводят в течение 5-15 с в камере низкого давления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продолжительность обработки электромагнитным полем составляет от 15 до 90 с, преимущественно от 30 до 50 с, в результате чего продукт остывает от 70 до 65°С.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после деаэрации подают азот в камеру низкого давления для перемещения продукта по системе.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукт обрабатывают электромагнитным полем в неупакованном и/или упакованном жидком или вязком состоянии в потоке заданной скорости и/или заданном объеме.

5. Устройство для консервирования сока, включающее емкость для исходного продукта, связанную трубопроводом со средством обработки части трубопровода с продуктом электромагнитным полем, а также средство регулирования мощности и частоты электромагнитного поля, отличающееся тем, что дополнительно содержит систему создания избыточного давления, состоящую из баллона с азотом и краном подачи азота, систему создания вакуума и систему упаковки обработанного продукта, связанные с емкостью для исходного продукта, представляющей собой камеру низкого давления, при этом средство обработки продукта включает, по меньшей мере, одну катушку электромагнита, связанную с генератором электромагнитного поля, работающего в диапазоне 100-500 Гц.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство обработки продукта электромагнитным полем размещено возле обрабатываемой части трубопровода между емкостью для исходного продукта и системой упаковки обработанного продукта и/или после системы упаковки обработанного продукта.

7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что катушка электромагнита имеет обмотку в форме спирали, позволяющую генерировать радиальную компоненту магнитного поля.

8. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что количество средств обработки продукта электромагнитным полем зависит от продолжительности обработки продукта и мощности электромагнитного поля.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что обрабатываемая электромагнитным полем часть трубопровода с продуктом выполнена из диэлектрического материала, прозрачного для электромагнитного излучения генерируемой частоты, причем указанный материал имеет относительную диэлектрическую константу ниже относительной диэлектрической константы активных компонентов, определяющих органические и органолептические свойства продукта.

10. Устройство по п.5, отличающееся тем, что емкость для исходного продукта, система создания избыточного давления и система создания вакуума снабжены регулирующими и контролирующими приборами.