Патент на изобретение №2331478

(54) СПОСОБ ГИДРАТАЦИИ БИОПОЛИМЕРОВ И ПРОДУКТ ИЗ ГИДРАТИРОВАННОЙ БИОМАССЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области производства, хранения и переработки сельскохозяйственного и природного сырья растительного и животного происхождения и предназначено для гидратации биополимерной массы при ее увлажнении, консервации и смешивании с водными растворами пищевых ингредиентов. Способ характеризуется тем, что перед смешиванием с биомассой водного раствора солей его подвергают обработке ультразвуковой кавитацией с заданным отношением интенсивности ультразвука к квадрату гидростатического давления в растворе, являющемся критерием подобия процесса. Смешивание может быть осуществлено в ходе измельчения биомассы введением раствора в предварительно измельченную биомассу либо погружением биомассы в раствор. Способ обеспечивает одинаковую степень гидратации биополимеров водой, являющейся средой растворов солей органических и неорганических кислот, независимо от их состава и концентрации. Продукт из гидратированной биомассы, полученный в результате использования любого из методов смешивания, будет содержать не зависящее от концентрации и состава раствора количество связанной с биополимерами влаги. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области производства, хранения и переработки сельхозсырья, а также хранения и переработки природного сырья растительного и животного происхождения и предназначено для гидратации биополимерной массы при ее увлажнении, консервации и смешивании с водными растворами пищевых ингредиентов.

Изобретение может быть использовано:

– для операций посола в процессах производства пищевых продуктов, включая консервы, из мяса животных и птицы, рыбы и морских животных, а также овощей и плодов;

– для получения водных суспензий из продуктов измельчения зерна и семян, например, хлебопекарного теста или жидких кормов для сельскохозяйственных животных, птицы и рыб;

– для кондиционирования зерна при переработке его в муку, в том числе с использованием растворов обеззараживающих средств, например, ацетата натрия для предотвращения «картофельной болезни»;

– для обработки зерна, семян, плодов, овощей и иной биомассы водными растворами обеззараживающих средств перед закладкой их на хранение;

– для предпосевной обработки зерна и семян;

– при обработке продуктов измельчения зерна, семян и плодов и другой биомассы в процессе экстрагирования из них полезных веществ, например, при производстве напитков, в том числе алкогольных, жидких специй или лекарственных препаратов;

– при восстановлении сухого молока и производстве молочных продуктов, в том числе консервированных, из сухого и цельного молока, в том числе с использованием растительных компонентов.

Известен способ увлажнения зерна при переработке его в муку водой комнатной температуры [1], либо подогретой водой, либо паром с давлением, близким к атмосферному [2].

Достижению указанного ниже технического результата при использовании этих способов препятствует то, что вода, обладающая при комнатной температуре кластерной структурой, образованной водородными связями ее молекул между собой, слабо вступает в реакцию гидратации биополимеров зерна [3], а горячая вода либо пар вызывают их необратимую термическую денатурацию, приводящую к ухудшению потребительских свойств производимых из зерна продуктов.

Известны способы:

– предпосевной обработки семян [RU №2170499, 1999];

– обработки зерна [4];

– обеззараживания кормов [RU №2164747, 1999];

– закладки силоса [RU №2168910, 1999];

– изготовления препарата для обработки мясного сырья [RU 2130267, 1999];

– посола мяса [5],

в процессе которых воду подвергают электролизу.

Здесь факторы, влияющие на интенсивность гидратации, не зависят от температуры, поэтому недостатки, связанные с влиянием тепла, отсутствуют. Однако у описанных способов существует общий недостаток, заключающийся в необходимости предварительной химической очистки воды. Растворы солей, которые называют также электролитами, являются хорошими проводниками электричества. Подвергаясь электролизу, растворы солей высоких концентраций вызовут в электролизере режим короткого замыкания, а низких – загрязнятся сами и загрязнят гидратируемую ими биомассу продуктами электродных реакций, которые могут быть даже ядовиты.

Известны способы приготовления хлебопекарного теста на основе жиро-водо-мучной суспензии, подвергнутой воздействию ультразвука [RU №2151783, 2000], и приготовления с помощью ультразвука мучной суспензии для активирования хлебопекарных дрожжей [RU №2184145, 2000].

Причины, препятствующие использованию этих способов для гидратации, следующие. Во-первых, при наличии в дисперсной системе с водной средой фазы с развитой площадью поверхности, кавитация сильно зависит от условий смачивания последней, что, как правило, снижает порог кавитации и ослабляет ее действие [6]. Поэтому процесс разрушения водородных связей, то есть увеличения гидратационной способности, протекает в этих условиях крайне медленно [7]. Во-вторых, при воздействии кавитации непосредственно на биополимеры возможна их денатурация аналогичная термической, о которой сказано выше.

Известны способы, объединенные общим характерным признаком – использованием акустической кавитации в качестве воздействующего фактора только на воду или водные растворы, используемые для гидратации, например:

– способ производства хлеба, в котором замес теста осуществляют с использованием воды, прошедшей кавитационную обработку [RU №2151782, 2000];

– способ обработки зерна подвергнутой кавитационной обработке водой перед закладкой его на хранение или переработкой в муку [RU №2171568, 2000];

– способ посола мяса обработанным в кавитационном реакторе рассолом [RU №2245624, 2004];

– способ гидратации биополимеров водой, обработанной ультразвуковой кавитацией [RU №2279918, 2004].

Наиболее близким к заявляемому способу из них является способ гидратации биополимеров водой, подвергнутой кавитационной обработке [RU №2279918, 2004], который и принят за прототип. Способ характеризуется тем, что режим кавитационной обработки воды перед ее смешиванием с биополимерной массой выбирают в зависимости от гидростатического давления в ней.

Известно, что возмущение давления, вызываемое в жидкости кавитацией, при прочих равных условиях увеличивается с ростом плотности жидкости [6], а у растворов солей плотность увеличивается с ростом концентрации растворенной соли и достигает максимума при насыщении. Поэтому при кавитационной обработке растворов произвольной концентрации нельзя не учитывать их физические свойства, такие как плотность и скорость звука в них. В противном случае в растворах солей различной концентрации степень разрушения кластерной структуры воды, а значит, и гидратационная способность окажутся разными. Это не позволяет достигнуть технического результата изобретения при использовании прототипа для гидратации биополимеров водой, являющейся средой растворов солей.

Техническим результатом изобретения и является обеспечение одинаковой степени гидратации биополимеров водой, являющейся средой растворов солей независимо от их концентрации.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Известно, что растворы солей используются в процессах гидратации биополимеров в основном для консервации и как вкусовые добавки. Кавитация усиливает диссоциирующее действие на растворенные в воде соли практически с любыми типами химических связей [7]. Количественный показатель этого эффекта пропорционален выходу отдельно существующих молекул воды в результате разрушения образованной водородными связями кластерной структуры воды энергией кавитации. Эти отдельно существующие полярные молекулы воды эффективно разделяют молекулы солей на ионы и иммобилизируют последние, в том числе в сольватных оболочках гидратируемых биополимеров. Известно также, что различия в акустических свойствах жидкостей обусловлены двумя характеристиками – их плотностью и скоростью звука в них [8]. Параметром ультразвука в жидкости, включающим ее плотность и скорость звука в ней является интенсивность ультразвука [9]. То есть, если процесс кавитационной обработки водных растворов солей и обладает подобием в диапазоне их концентраций, то критерием этого подобия является минимальная в диапазоне изменения произведения плотности на скорость звука величина интенсивности ультразвука, отнесенная к квадрату гидростатического давления в растворе. Экспериментально установлено, что для растворов солей различных органических и неорганических кислот, включая раствор нулевой концентрации, когда в воде нет растворенных солей, значение такого критерия подобия составляет 1,1 Вт·м^-2·кПа^-2.

Технический результат при использовании изобретения достигается тем, что при гидратации биополимеров используемый водный раствор солей произвольного состава и концентрации перед смешиванием с биомассой подвергают обработке ультразвуковой кавитацией с отношением интенсивности ультразвука к квадрату гидростатического давления в растворе, не меньшим 1,1 Вт·м^-2·кПа^-2.

Смешивание осуществляют в процессе измельчения биомассы, введением раствора в предварительно измельченную биомассу либо погружением биомассы в раствор. Продукт из гидратированной биомассы, полученный в результате использования любого из перечисленных методов смешивания, будет содержать не зависящее от концентрации и состава раствора количество связанной с биополимерами влаги.

Сравнение заявленного способа с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что отличительный признак заявленного способа являются существенными по отношению к указанному техническому результату.

При исследовании этих признаков описываемого способа заявителем не выявлено каких-либо известных решений, касающихся установления требований к соотношению интенсивности ультразвука и гидростатического давления в водных растворах солей, которые используются для гидратации биополимеров в связи с концентрацией растворов.

Способ может быть реализован, как показано в приведенных ниже примерах гидратации биополимеров растительного и животного происхождения.

Для кавитационной обработки воды и растворов солей может использоваться аппарат типа «СИРИНКС» [10]. У аппарата имеется возможность произвольно задавать потребляемую кавитационным реактором электрическую мощность и гидростатическое давление в нем. Это позволило воспроизвести прототип и заявленный способы. Использованная модель аппарата [11] предназначена для обработки концентрированного раствора натрия хлорида способом, который принят за прототип. Как было сказано выше, мощность кавитации выше в более плотных жидкостях. Плотность воды при температурах вблизи комнатной 1000 кг/м³, а скорость звука в воде составляет при давлениях вблизи атмосферного 1450 м/с. У насыщенного раствора NaCl эти параметры соответственно равны 1200 кг/м³ и 1720 м/с. Для реализации заявленного способа потребляемая реактором мощность, которой пропорциональна интенсивность ультразвука, увеличивалась в 1720·1200/(1450·1000)=1,4 раза, так как сама интенсивность обратно пропорциональна плотности жидкости и скорости звука в ней.

ПРИМЕР 1. Гидратация белков клейковины и полисахаридов крахмала зерна пшеницы, с целью увеличения массы сухого вещества в получаемой из него муке.

Увлажнялось 25 весовых частей сухого зерна пшеницы в первом случае 1 весовой частью воды, во втором – 1 весовой частью 5% раствора натрия ацетата, обработанными заявленным способом и способом-прототипом. Время выдержки после увлажнения составляло во всех случаях 24 часа. Средняя по пяти образцам влажность муки смолотой из цельного зерна, измеренная термогравиметрическим методом приведена в таблице 1.

ПРИМЕР 2. Гидратация порошка зерен горчицы в процессе экстрагирования с целью увеличения выхода экстрагируемых веществ.

Порошок горчицы смешивали в первом случае с водой, во втором – с 5% раствором NaCl, обработанными заявленным способом и способом-прототипом. Полученные результаты измерения хроматографическим методом содержания валериановой кислоты в среде полученной суспензии приведены в таблице 2.

ПРИМЕР 3. Гидратация протеинов мясного фарша в процессе его мокрого посола с целью увеличения сухой массы изготавливаемого из этого фарша мясопродукта.

При посоле фарша из равных частей мяса говядины и свинины в одном случае его смешивали в весовом соотношении 1000:21 с сухой посолочной смесью, содержащей хлорид и лактат натрия NaC₃H₅O₃, затем посоленный фарш смешивали с водой, обработанной заявленным способом и способом-прототипом в весовом соотношении 1000:58. В другом случае концентрированный водный раствор посолочной смеси обрабатывали заявленным способом и способом-прототипом, затем смешивали с мясным фаршем в весовом соотношении 100:8. Усредненные по пяти образцам результаты термогравиметрического измерения сухого вещества в полученном фарше сведены в таблицу 3.

Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных и известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Егоров Г.А., Мартыненко Я.Ф., Петренко Т.П. Технология и оборудование мукомольной, крупяной и комбикормовой промышленности. – М.: Издательский комплекс МГУПП, 1996.

2. Айзикович Л.Е. Физико-химические основы технологии производства муки. – М.: Колос, 1975.

6. Knapp R.T., Daily J.W., Hammitt F.G. Cavitation. – NY: McGraw Hill Book Company, 1970

8. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. – М: ИИЛ, 1956.

9. Физический энциклопедический словарь. – М: Советская энциклопедия, 1984.

10. Аппарат «Сиринкс 4000» для кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред. Технические условия СИТБ.443146.002ТУ, 2002.

Формула изобретения

1. Способ гидратации биополимеров, характеризующийся тем, что используемый для гидратации водный раствор солей произвольного состава и концентрации перед его смешиванием с биомассой подвергают кавитационной обработке с отношением интенсивности вызывающего кавитацию ультразвука к квадрату гидростатического давления в растворе не меньшим 1,1 Вт·м^-2·кПа^-2.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что смешивание обработанного раствора с биомассой осуществляют в процессе измельчения биомассы.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что смешивание обработанного раствора с биомассой осуществляют введением раствора в предварительно измельченную биомассу.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что смешивание обработанного раствора с биомассой осуществляют погружением биомассы в раствор.

5. Продукт из гидратированной биомассы, полученный способом по любому из пп.1-4.

QB4A – Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Шестаков Сергей Дмитриевич

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью “ПрофиРестКонсалт”

Договор № РД0057383 зарегистрирован 26.11.2009

Извещение опубликовано: 10.01.2010 БИ: 01/2010

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия

QB4A – Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Шестаков Сергей Дмитриевич

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью “Ультратехника-СИ”

Договор № РД0060680 зарегистрирован 17.02.2010

Извещение опубликовано: 27.03.2010 БИ: 09/2010

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия