Кавитационные технологии являются высокотехническими и экологически безопасными процессами. Они дают превосходные результаты преобразования газообразных, твердых и жидких сред. Внастоящее время кавитационные технологии широко применяются в пищевой промышленности. Предлагается использовать для водоподготовки в технологическом процессе приготовления пива гидродинамический кавитационный аппарат, реализующий эффект ударного воздействия на жидкую среду скачка давления.
Ключевые слова: пиво, экстрагирование, биополимеры, кавитационная технология, ударная волна.
Инновационные технологии и разработанное оборудование, ориентированные на получение высококачественной продукции, должны в полной мере отвечать требованиям энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности, быть конкурентоспособны в современных условиях рыночной экономики [1–5]. Это возможно, если в их основе лежат прогрессивные инновационные идеи [6–8]. Одним из таких инновационных направлений является полезное использование кавитационных явлений [9].
К слабоалкогольным относятся напитки с содержанием спирта от 2,8 до 9,5 % об-щей массы — это пиво, брага, медовые напитки. Пиво — старинный слабоалкогольный ячменно-солодовый напиток, обладающий приятной горечью, ароматом хмеля, способностью вспениваться при наполнении бокала и долгое время удерживать на поверхности слой компактной пены. Благодаря приятному вкусу, тонизирующему жаждоутоляющему действию пиво пользуется большим спросом у населения.
Основной химический состав пива: вода; углеводы; этиловый спирт определяет калорийность в 400–450 ккал/л (высших спиртов мало); азотосодержащие вещества; углекислый газ; дрожжи — продуцируют основную массу аминокислот.
Прочие компоненты в незначительном количестве: соли органических кислот; минеральные соединения солода; витамины солода присутствуют в фосфорилитированной форме, способствующей хорошему их усвоению; эстрогены (фитоэстрогены хмеля) достаточно для действенного влияния на гормональный фон: злоупотребление пивом из-за этих растительных женских половых гормонов действительно оказывает обратный гормональный эффект на мужчин; фенольные соединения; ароматические соединения в составе хмелевого масла; горькие мало- и высокосмолистые вещества хмеля определяют аромат и вкус напитка в процессе изменяют свои свойства. Горькие вещества пива — психоактивные соединения, бактерицидны, снотворны, бактериостатически, седативны, в больших дозах — галлюциногены; биогенные амины. Большие дозы биогенных аминов повышают давление, прово-цируют головную боль и поражают почки.
Пиво представляет собой водный раствор экстрактивных веществ солода, не претерпевших изменения в ходе его брожения и дображивания, этилового спирта и вкусоароматических веществ, являющихся либо вторичными метаболитами дрожжей, либо происходящими из хмеля. Содержание в пиве несброженных углеводов (а- и б-глюканы), фенольных веществ (антоцианогены, олиго- и полифенолы), меланоидинов и карамели в зависимости от массовой доли сухих веществ в начальном сусле, технологии брожения колеблется от 2,0 до 8,5 г/100 г пива. Эти же экстрактивные вещества определяют содержание в пиве спирта, массовая доля которого может изменяться от 0,05 до 9,4 %, а также вкусоароматических веществ (высших спиртов, эфиров, альдегидов и пр.), синтез которых зависит от состава сусла, от режимов брожения и природы дрожжей.
Одним из основных этапов технологии приготовления пива является процесс затирания — экстрагирование из солода и несоложеных материалов в водный раствор растворимых и нерастворимых частей зернопродуктов, составляющих экстракт сусла и пива. Экстрактивные вещества зернопродуктов (ячменя и солода) переходят в сусло в результате биохимических процессов, так как в ячмене и солоде они находятся в виде высокомолекулярных соединений — биополимеров (крахмала и белка).
Прогрессивным и эффективным методом интенсификации технологических процессов в жидкостях является кавитационное воздействие на обрабатываемую среду [9–12]. В настоящее время кавитационные технологии применяют для смешения трудносмешиваемых сред, приготовления стойких против расслоения смесей, гомогенных растворов, эмульсий, взвесей и дисперсий, для активации ферментов, ускорения химических процессов за счет поддержания каталитических реакций, для очищения воды за счет подавления колонн бактерий и снижения уровня бактерицидных агентов [13] и для многих другие полезных целей. Столь широкое применение кавитации для различных целей обусловлено многофункциональным спектром действия кавитационных явлений.
Явление кавитации можно инициировать в жидкости различными способами, например с помощью ультразвукового реактора вызвать акустические колебания — источник рождения микроскопических парогазовых пузырьков — акустическая кавитация — или с помощью гидродинамических кавитационных аппаратовпри прохождении жидкой среды через кавитационное устройство (сопло или гидродинамическую решетку) — гидродинамическая кавитация. Схлопывание пузырьков порождает высокочастотный колебательный процесс и, как следствие,точечные повышения давления и температуры, сопровождающиеся образованием ударной волны. Именно воздействие ударной волны на жидкую среду обуславливает вышеперечисленные кавитационные эффекты [14].
Предлагается инновационная технология водоподготовки для производства слабоалкогольной продукции, в частности, пива. С этой целью целесообразно использовать гидродинамический кавитационный аппарат «двойного действия», который формирует при помощи кавитационного устройства (например, сопла) на выходе последнего высокоскоростные струи [15, 16].
Разработанная математическая модель рабочего процесса позволяет рассчитать параметры аппарата, при которых на выходе кавитационного устройства можно сформировать не только развитие кавитации, но и сверхзвуковой парогазожидкостный поток (как известно, скорость звука в парогазожидкостной смеси может быть существенно меньше скорости звука в составляющих эту смесь компонентах). Течение сверхзвукового двухфазного потока в условиях трения рабочей камеры аппарата приводит к переходу сверхзвукового течения в дозвуковое в скачке давления. Это ударное воздействие скачка давления на жидкую среду является мощным дополнительным интенсифицирующим фактором кавитационного эффекта.
Основным компонентом пива является вода. Содержание воды в пиве превышает 90 % его массы. Поэтому воду, несомненно следует отнести к доминантному виду технологического сырья. И от того, какая вода используется в производстве пива, зависит качество этого напитка. Вода не является чистым химическим веществом, она может различаться по ионному составу, вкусовым качествам, то есть она характеризуется определенными органолептическими и физико-химическими свойствами. И эти свойства определяют сорт пива, его вкусовые качества и пр. Поэтому предлагаемый кавитационный аппарат для кавитационной обработки воды, используемой для экстрагирования полезных веществ из зернопродуктов, вследствие дополнительного ударного воздействия скачка давления позволит наиболее полно осуществить механизм кавитационного воздействия на жидкую среду и получить в дальнейшем пищевой продукт высокого качества. К тому же, двойное воздействие ударных волн давления позволяет полностью подавить находящиеся в воде бактерицидные агенты.
Литература:
1. Ребезов, М. Б. Экология и питание. Проблемы и пути решения. / Ребезов М. Б., Наумова Н. Л., Альхамова Г. К., Лукин А. А., Хайруллин М. Ф. // Фундаментальные исследования. 2011. № 8–2. С. 393–396.
2. Ребезов, М. Б. Изучение отношения потребителей к обогащенным продуктам питания. / Ребезов М. Б., Наумова Н. Л., Хайруллин М. Ф., Альхамова Г. К., Лукин А. А. // Пищевая промышленность. 2011. № 5. С. 13–15.
3. Белокаменская, А. М. Применение физико-химических методов исследований в лабораториях Челябинской области / Белокаменская А. М., Ребезов М. Б., Мазаев А. Н., Ребезов Я. М., Зинина О. В. // Молодой ученый. 2013. № 4. С. 48–53.
4. Ребезов, М. Б. Анализ рынка функциональных безалкогольных продуктов (на примере города Челябинска) / Ребезов М. Б., Наумова Н. Л., С. А. Комаров, Р. В. Залилов, О. В. Зинина // Пищевая промышленность. 2011. № 5. С. 13–15.
5. Ребезов, М.Б., Определение потребностей потребителей / М. Б. Ребезов, К. Е. Трапезникова, Е. С. Вайскробова // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов. — Кемерово: КемТИП, 2008. — Вып. 15. — С. 104–106.
6. Ребезов, М.Б., Инновационные технологии / М. Б. Ребезов, Наумова Н. Л., Зайнутдинов Р. Р., Альхамова Г. К., Лукин А. А. и др. // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: мат. IV междунар. научн.-практ. конф. — Челябинск: ИЦ ЮУрГУ, 2010. — C. 282–285.
7. Наумова, Н.Л., Функциональные продукты. Спрос и предложение (монография) / Н. Л. Наумова, М. Б. Ребезов, Е. Я. Варганова. — Челябинск: ИЦ ЮУрГУ, 2012. — 78 с.
8. Наумова, Н. Л. Микроэлементный статус челябинцев как обоснование развития производства обогащенных продуктов питания / Наумова Н. Л., Ребезов М. Б., // Фундаментальные исследования. 2012. № 4–1. С. 196–200.
9. Прохасько, Л. С. Применение гидродинамических кавитационных устройств для дезинтеграции пищевых сред / Прохасько Л. С., Ребезов М. Б., Асенова Б. К., Зинина О. В., Залилов Р. В., Ярмаркин Д. А. //Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. 2013. Т. 7. № 2. С. 62–67.
10. Прохасько, Л. С. Гидродинамическая кавитационная технология обработки пищевых сред / Л. С. Прохасько, В. А. Евдокимов // Наука. Образование. Молодежь: мат. научн.-практ. конф., посв. 55-летию АТУ. — Алматы: АТУ, 2012. — С. 256–257.
11. Прохасько, Л. С. Расчет кавитационных устройств для обработки жидких пищевых сред / Л. С. Прохасько, Р. В. Залилов, Я. М. Ребезов // Техника и технология пищевых производств: мат IХ междунар. науч.- технич. конф. (25–26 апреля 2013 г). — Могилев: МГУП, 2013. С. 260.
12. Прохасько, Л. С. Кавитационная технология получения высокодисперсных смесей в пищевой промышленности / Л. С. Прохасько // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: мат. V международной научн.-практ. конференции — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2011. — С. 127–128.
13. Прохасько, Л. С. Применение гидродинамических кавитационных устройств для процессов водоочистки // Международная научно-практическая конференция «Чистая вода — 2009»: сб. науч. тр. — Кемерово: Изд-во КТИПП, 2009. — С. 460–464.
14. Прохасько, Л. С. Гидродинамика и расчет кавитационных смесителей непрерывного действия: автореферат дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук / Л. С. Прохасько. — Пермь. Изд-во ПГТУ, 2000. — 20 с.
15. Патент на изобретение RUS 2158627 23.03.1999 Российская Федерация, МПК 7B01F5/08. Смеситель кавитационного типа / Е. К. Спиридонов, Л. С. Прохасько, В. С. Боковиков, А. Х. Валиев. — № 99105906/12; заявл. 23.03.1999; опубл. 10.11.2000.
16. Смеситель кавитационного типа для жидких пищевых сред / Л. С. Прохасько, М. Б. Ребезов, О. В. Зинина, Р. В. Залилов, А. Н. Мазаев, Б. К. Асенова, Д. А. Ярмаркин. ─ Заявка на выдачу патента 2013117605; заявл. 16.04.2013; решение о выдаче патента 11.09.2013 (патент на публикации).
