НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА И

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА И УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ
ПЕНООБРАЗНЫХ МАСС С ЗАДАННЫМ СОСТАВОМ И СВОЙСТВАМИ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Просеков А. Ю.
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, г.Кемерово, Россия
Введение
Известно, практическое использование пен ограничено несколькими областями, в основном теми,
в которых для оптимизации свойств пены можно использовать принципы регулирования ее
технологических параметров. В этой связи необходимо подведение научных принципов с целью
интенсификации производства и управления качеством пенообразных масс с заданным составом и
свойствами, что является важным направлением развития отечественной пищевой промышленности.
Исследование процесса пенообразования дает ценные сведения для различных областей знания,
в том числе – пищевой технологии. Однако, научные принципы создания, трактования и
прогнозирования явлений, аспектов и свойств пен невозможно без их классификации.
1. Классификация пен в пищевой промышленности
В настоящее время пены и пенные пленки, главным образом, классифицируют по свойствам,
определяющим их техническое назначение. Другая классификация основана на кратности (отношение
конечного объема пены к объему раствора, пошедшего на его пенообразование). Существуют
классификации, основанные на свойствах пенообразователя, по способности сухого остатка пены
растворяться в дисперсионной среде.
Имеющиеся классификации, на наш взгляд, выбирают за основу всего один или ограниченное
количество признаков, что сужает возможность их прикладного использования и не отражает полноты
состава и свойств пены, используемых человеком. Отсутствие подобной классификации
предопределяет дальнейшие попытки по систематизации накопленных знаний. Таким образом,
существуют объективные причины для разработки классификации пенообразных масс в пищевой
промышленности.
Нами была сделана попытка, разработать интегральную классификацию (табл. 1), в основе
которой лежит отдельно взятый фактор классификации, базирующийся на особенностях процессов
пенообразования. Проведем анализ предложенной к рассмотрению классификации.
Таблица 1
Классификация пен в пищевой промышленности
Значимость отраслевого критерия классификации обусловлена многообразием пенных масс,
применяемых в каждой отрасли пищевой промышленности. Это дает возможность включать в
классификацию пены независимо от их состава, свойств и происхождения. Отметим, что некоторые
отрасли не вошли в классификацию, но это не указывает на отсутствие явления пенообразования в
технологических процессах.
В большинстве отраслей пищевой промышленности пенообразование может выступать в качестве
нежелательного явления. Например, транспортировка и резервирование молока сопровождаются
нежелательным и достаточно интенсивным вспениванием с образованием низкократных (сухих) пен,
что приводит к дестабилизации оболочек жировых шариков и потере молочного жира.
Свойство некоторых видов пищевых продуктов образовывать стабильные пены высокой степени
взбитости широко используется в промышленности для создания продуктов питания с пенной
структурой. Многообразие и совершенствование методов получения пен предоставило возможность
выдвинуть это в качестве отдельного критерия классификации. Разнообразные нехимические методы
(перемешивание, взбивание, выливание и т. п.) получили распространение во многих отраслях
пищевой промышленности.
В настоящее время для получения пенообразных масс традиционно используют
пенообразователи животного происхождения (например, яичный белок). Некоторый их дефицит
послужил предпосылкой для изыскания новых продуктов и веществ, обладающих пенообразующими
свойствами. Благодаря успешному развитию пищевой химии получены модифицированные
пенообразователи. Они обладают хорошей пенообразующей способностью, являются недорогими,
пены на их основе отличаются повышенной стойкостью при хранении.
Как уже ранее отмечали, назначение пен определяется их свойствами, которые формируются под
влиянием различных технологических факторов. Устойчивость пен также определяется наличием
специальных условий (как правило, охлаждение до отрицательных, либо низких положительных
температур), а также использование в качестве стабилизирующих веществ студнеобразователей
(агара, пектина, желатина) или загустителей (крахмалов, камедей). Механизм их действия связан с
изменением одного из факторов устойчивости пен (кинетического, термодинамического или
структурно-механического).
При выборе стабилизатора необходимо учитывать то, что он либо должен увеличивать значение
расклинивающего давления в каналах пены, либо значительно повышать в них вязкость, практически
ограничивая движение жидкости по каналам. Этого можно достигнуть, зная состав и свойства
стабилизатора (температуру действия, интервал рН, оптимальные концентрации и т. д.).
Важным критерием, характеризующим пену, является время ее жизни. Однако, на наш взгляд, его
достаточно сложно свести к конкретному значению времени τ (часы, минуты), что обусловлено
большим количеством пенообразователей и различных технологических факторов, влияющих на эту
величину. Для однородных по составу пенообразных масс целесообразно определять значение
устойчивости за фиксированное время τ, которое, как правило, меньше времени жизни пены, а также
периода ее полураспада.
В пищевой промышленности дисперсная фаза пен представлена крупными, средними и мелкими
пузырьками. Некоторые трудности анализа пен связаны с критерием раздела пузырьков по размерам.
В каждом конкретном случае необходимо дифференцировано подходить к этому вопросу. В общем
виде предлагаем следующие размерные характеристики пузырьков: крупные – размер большинства
пузырьков (80% от общего формируемого ими объема пены) можно определить без использования
увеличительных средств (т. е. до 2–3 мм и более); средние – размер большинства пузырьков (80% от
общего формируемого ими объема пены) можно определить с помощью лупы (от 2–3 мм до 0,1 мм);
мелкие – размер большинства пузырьков (80% от общего формируемого ими объема пены) можно
определить только с помощью специальных увеличительных приборов (микроскопов). В некоторых
пенах количество больших по размеру пузырьков может быть в несколько десятков (и даже более) раз
меньше, чем средних и мелких, но их объем составит основную часть объема, занимаемого пеной.
Это необходимо учитывать при оценке количества пузырьков (необходимо вводить коэффициенты,
позволяющие разбивать пену по фракциям).
Очень часто, особенно в случае нежелательного пенообразования, образуются полидисперсные
пены. Эти пены могут быть образованы в результате старения монодисперсных пен. По данному
фактору классификации можно также получить информацию о времени жизни пены, о качестве
продукта, о правильности протекания технологического процесса, о длительности воздействия на
пенообразователь.
Критерий пенообразующей способности в большинстве случаев является интегральной итоговой
характеристикой, максимально определяющей состав и свойства пен. Анализируя значения
пенообразующей способности, можно судить о перспективах использования пенообразователя в
промышленности, о надежности работы оборудования, прогнозировать состав и свойства продуктов
на основе пенообразных масс.
Прикладное и научное значение разработанной классификации состоит в систематизации
имеющихся данных, объясняющих отдельные аспекты пенообразования. Классификация не
претендует на завершенность, должна обновляться и дополняться по мере изучения
пенообразования как явления в пищевой промышленности.
2. Методологические аспекты системного анализа пенообразных пищевых масс
Современные физико-химические, структурно-механические и микроскопические методы
исследования позволяют определить состав, структуру, свойства и другие характеристики пен и
пенных пленок, образованных различными видами пенообразователей. Однако количественные и
качественные характеристики пены нельзя рассматривать внесистемной связи с теоретическими
аспектами пенообразования (получения пен) из различных видов пенообразователей и
стабилизированных различными веществами.
Данное положение на современном этапе развития пищевой промышленности не получило
достаточного развития в силу отсутствия надежных и достоверно воспроизводимых результатов по
изучению состава и свойств пены, большого разнообразия пенообразных масс, в том числе
неизвестного состава и свойств, что послужило предпосылкой разработки методологических
системных принципов их изучения.
На рис. 1 представлена принципиальная схема исследования пенообразных масс.
На первой стадии исследования необходимо выявить, засчет чего происходит процесс
пенообразования исходной системы. Для этого необходимо исследовать его химический состав и дать
мотивированное заключение о возможном веществе пенообразователе или веществе стабилизаторе.
На данном этапе необходимо помнить, что получение пенообразных масс возможно засчет истинного
пенообразователя, в качестве которого выступают полимерные соединения, главным образом,
белковой и углеводной природы, содержащие в своем составе заряженные молекулы, которые,
благодаря конформационным изменениям при взбивании способны образовывать пену
определенного характера. С другой стороны известно, что стабильные пены также получаются из
растворов, содержащих ПАВ (мономеры) липидной, углеводородной и азотистой природы.
На втором этапе с целью подтверждения правильности выдвинутой гипотезы необходимо изучить
содержание вещества в исходном растворе и в пене. В случае различия концентраций можно сделать
вывод о правильности предположения. Это следует из свойства пенообразователя – его количество в
пене и в исходном растворе всегда является постоянным.
Некоторые трудности обусловлены многообразием веществ, обладающих пенообразующими
свойствами. Одной из причин является наличие в исходном растворе как пенообразователя, так и
стабилизатора. Эти вещества могут обладать либо антагонистическими (подавлять способность друг
друга образовывать пены), либо синергитическими (усиливать пенообразование друг друга)
свойствами. В серии модельных опытов необходимо выяснить пенообразующую способность одного,
другого и совместную в диапазоне нативных концентраций истинного (исследуемого) раствора.
На третьем этапе проводят оценку свойств пенообразных масс. Для этого необходимо выбрать
объективные критерии, позволяющие с достаточной достоверностью выявить наиболее значимые
характеристики.
К наиболее важным параметрам, характеризующим пену, относятся кратность, дисперсность и
устойчивость. Кратность можно определить отношением конечного объема пены к начальному,
пошедшему на его пенообразование. Данный метод является достаточно надежным, обладает
хорошей сходимостью. Устойчивость и дисперсность нельзя рассматривать вне объединенной между
(1)
собой связи:
Уτ = ± Σ(kici/di),
где ki – коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние размеров дисперсной фазы i-ой
фракции; ci - концентрация дисперсной фазы, %; di – размер пузырьков дисперсной фазы, м.
Другой величиной, позволяющей судить о динамике данного процесса, является отношение
конечного столба пены к начальному и выраженное в процентах. Недостаток рассмотренного метода
состоит в том, что не всегда пенообразные массы разрушаются интенсивно за короткий промежуток
времени, что снижает разрешающую способность анализа. Существует формула, учитывающая
влияние временного фактора:
(2)
B =τ/VF
где В – коэффициент устойчивости; τ – время разрушения пены; VF – объем пены.
Рис. 1. Схема исследования пенообразных масс
Данный способ определения устойчивости не учитывает между временем разрушения начального
и конечного участка столба пены (разная скорость разрушения свежей и частично разрушенной пены).
Другие критерии устойчивости (время жизни пены; высота столба пены за время, равное периоду
полураспада) целесообразно использовать в каждом конкретном случае с учетом свойств
пенообразователя. При этом необходимо помнить, что объективные критерии оценки пен можно
получить при заданных условиях (способ пенообразования, температура, концентрация и т. д.).
На заключительном, четвертом этапе, на основании полученных результатов, можно
сформулировать основные критерии стабильности (засчет действия определенного фактора –
термодинамического, кинетического, структурно-механического). Таким образом, используя
предложенную методологию и основываясь на промежуточных результатах, можно исследовать
пенообразные массы, отличающиеся по составу, свойствам и другим характеристикам.
С физико-химической точки зрения пены представляют собой капиллярно-пористые тела, которые
характеризуются суммарной пористостью (отношение объема пор Vn к объему образца Vo).
Дифференциальная функция распределения пор по радиусам задается уравнением:
∫(r)V = ∆Vn / Vn ∆r
(3),
где ∆Vn – объем пор, приходящихся на интервал радиусов от r до r+∆r, м3; Vn – общий объем пор, м3.
При исследовании пористой структуры капиллярно-пористых тел, их представляют в виде связки
сквозных капилляров различных радиусов. Тогда объемную функцию (3) справедливо заменить
поверхностной f(r)S, которая имеет вид:
f(r)S = ∆Sn / Sn∆r
(4),
где ∆Sn, Sn – общая площадь пор и площадь, приходящаяся на интервал радиусов пор ∆r,
соответственно, м2.
Графическое представление дифференциальной функции пор по радиусам удобно, так как
позволяет легко находить площадь пор, приходящихся на определенный интервал радиусов пор. Так
как f(r)S удовлетворяет условию:
(5)
и вся площадь под кривой распределения равна единице, то восстанавливая перпендикуляры из
точек r1 и r2, можно определить процентное содержание пор в интервале радиусов от r1 до r2. Для
этого достаточно определить площадь, ограниченную этими вертикальными прямыми и кривой f(r).
Таким образом, системный анализ, основанный на современных физико-химических,
механических, реологических и других методах исследований, позволяет получить более полные
представления о составе и свойствах пены. Считаем, что исследователям необходимо стремиться к
получению результатов, однозначно трактующихся всеми специалистами.
3. Принципы регулирования физико-химических свойств и состава пены
Необходимость регулирования физико-химических свойств пены с целью оптимизации качества
пищевых продуктов с полидисперсной взбитой структурой обусловлена увеличением выпуска
продуктов этой группы. Реализация данного направления возможна только с учетом научнообоснованных принципов проектирования пен, зависящих от состава, свойств и назначения пены.
Регулирование физико-химических свойств пены возможно также на основе знания структурномеханических параметров пены, которые зависят от многих факторов – способа получения,
количества и вида ПАВ, температуры, используемых стабилизаторов, а также скорости кинетических
изменений (диффузии, коалесценции, синерезиса). На оптимизацию технологических параметров
пены особое влияние оказывает кратность пены. Учет свойств пен различной влажности связанс тем,
что на поведение низкократных пен значительное влияние оказывает кинетика процессов утончения
пленок, диффузия газа и синерезиса, тогда как для обеспечения устойчивости высокократных пен
более важны равновесные свойства, а именно: толщина пленок, распределение жидкости по высоте,
а также зависимость скорости разрушения столба пены и скорости внутреннего разрушения от
капиллярного давления и дисперсности.
Очевидно, что одна и та же кратность может быть достигнута как для пены с мелкими пузырьками
и, соответственно, с тонкими каналами и пленками, так и для грубодисперсной пены с толстыми
пленками и каналами.
К основным принципам регулирования физико-химических свойств пены следует отнести
следующие:
1. Использование способа пенообразования, дающего максимально однородную по кратности
пену (смешение потоков газа и раствора в трубе или на сетках, взбивание жидкости механическими
устройствами).
2. Получение пены с максимально высокой степенью дисперсности и минимальной
полидисперсностью, что достигается понижением поверхностного натяжения и гомогенизацией пены.
3. Получение пены по возможности в виде очень тонких слоев с минимальным равновесным
давлением в каналах.
4. Использование композиций ПАВ и специальных стабилизирующих систем, способствующих
максимальной стабилизации адсорбционных слоев и вязкостных характеристик.
5. Снижение скорости диффузионного переноса газа и связанного с ним укрупнения пузырьков, что
достигается введением добавок, понижающих скорость растворения, десорбции и молекулярной
диффузии газа, использование в качестве дисперсной фазы газа с малой растворимостью и
скоростью диффузии.
Указанные мероприятия позволяют регулировать свойства низкократных пен.
Принципы регулирования физико-химических свойств высокократных полиэдрических пен
основаны на более точных зависимостях. Это обусловлено возможностью поиска точных числовых
значений коэффициентов уравнений, описывающих взаимосвязь кратности, дисперсности,
равновесной толщины пленок, капиллярного давления, синерезиса и разрыва пленок высокократных
пен.
Высокократную пену целесообразно получать любым из известных методов при условии
последующего осушения.
Наиболее перспективным способом регулирования высокократных пен является изменение
давления в каналах, дисперсности пены и поверхностного натяжения исходного раствора. С другой
стороны, целенаправленно управлять свойствами пены возможно на основе установления кинетики
законов синерезиса и внутреннего разрушения.
В результате анализа существующих тенденций в области рационализации и оздоровления
питания, создания продуктов питания, в том числе – на основе пенообразных масс, следует выделить
основные направления модификации состава пены (а, следовательно, пищевых продуктов на ее
основе).
1. Производство безопасной, экологически чистой пищевой пены: получение пены без
использования синтетических ПАВ, консервантов, заменителей натуральных пенообразователей;
получение пены с максимальным набором компонентов нативного исходного сырья.
2. Производство пищевой пены с учетом содержания незаменимых нутриентов пищи:
использование в качестве пенообразователей природных белков, максимально приближенных по
своему составу к идеальному белку (коррекцию аминокислотного состава можно проводить, по
возможности, натуральными белоксодержащими компонентами); использовать в качестве
пенообразователей жиросодержащие продукты, максимально приближенные по своему
жирнокислотному составу к идеальному жиру засчет корректировки растительными жирами.
3. Производство пищевой пены на основе естественных пенообразователей с улучшенными
органолептическими свойствами и повышенной пищевой ценностью: использование плодово-ягодного
и овощного сырья и продуктов его переработки с целью повышения пенообразующей способности,
устойчивости и улучшения органолептических показателей, а также повышения пищевой ценности;
использование стабилизационных систем; использование микроорганизмов пробиотиков (бифидо- и
ацидофильных бактерий); использование нетрадиционных видов пенообразующего сырья.
4. Производство пищевой пены функционального назначения, в том числе с пониженным
содержанием отдельных веществ (липидов, лактозы и т. д.), а также пониженной калорийности.
5. Производство пищевой пены с длительным сроком хранения: использование специальных
технологических режимов обработки; использование специальных методов упаковки.
Заключение (Перспективы использования пенообразных масс в пищевой промышленности)
Имеющиеся в настоящее время в пищевой промышленности технологии и процессы получения
готовой продукции во многих случаях достигли естественного предела скорости и по своим
возможностям не могут быть интенсифицированы, что обусловлено значительным увеличением
ресурсоемкости, наукоемкости технологий, а также другими объективным и субъективным причинам.
Для дальнейшего развития технологий необходимы новые научно-технические решения,
основанные на нетрадиционных подходах к решению имеющихся проблем. Эффективность таких
решений напрямую зависит от знания состава и свойств сырья, а также их комплексного
использования. В то же время технологии традиционных продуктов используют исключительно
незначительное количество подобных свойств, главным образом, касающихся изменений,
происходящих с белковой, липидной или углеводной фазой Большинство технических решений в
настоящее время сведены к решению прикладных задач техники и технологии, причем рассматривают
большинство объектов как непрерывные однородные среды. Однако, по мнению академика И.А.
Рогова наряду с признанием феноменологического способа реализация обработки продуктов
физическими методами невозможна без изучения молекулярных взаимодействий в реальных
системах. Ограниченность подхода, рассматривающего материал с макроскопической точки зрения,
также обусловлена отсутствием единой методологической базы, необходимой для использования
аппарата математического анализа с целью описания основных закономерностей изучаемых явлений.
Существенным резервом в решении имеющихся проблем является изучение поверхностных
свойств молока и молочных продуктов. По своей природе многие компоненты молока являются
поверхностно-активными и изменяют свое поведение на границе раздела фаз, а также состояние
пограничных с ним сред. Однако эти свойства либо вообще не используют в технологии пищевых
продуктов, либо используют ограниченно, исключительно эмпирически, подводя научную базу под уже
установленные закономерности.
Настоящая работа является практически первой попыткой обобщить малоизученные свойства
компонентов продуктов питания, в частности, ответственных за природу пенообразования. Общность
основных закономерностей позволяет прогнозировать явления на границе раздела не только газжидкость, но и масло-вода (вода-масло) и вода-твердое вещество.
В табл. 2 приведены возможные направления использования пенообразующих свойств в
технологии пищевых продуктов.
Таблица 2
Возможные направления использования пенообразующих свойств в прикладных целях
Предложенные варианты использования процесса пенообразования в настоящее время пока не
нашли широкого промышленного использования в связи с отсутствием фундаментальных
теоретических исследований и сложностью изучаемых объектов.
Одной из наиболее весомых причин по незначительному использованию пенообразования для
интенсификации многих процессов в пищевой промышленности обусловлено отсутствием
убедительной научной концепции, связанной с формулировкой принципов регулирования состава и,
особенно, свойств пенообразных масс.
В целом реализация намеченного позволит более эффективно использовать процесс
пенообразования для получения новых видов пищевых продуктов с дисперсной структурой заданного
состава и свойств
Литература
1. Ребиндер П. А. Физико-химическая механика дисперсных структур. – М.: Наука, 1966. – 284 с.
2. Рогов И. А., Горбатов А. В. Физические методы обработки пищевых продуктов. – М.: Пищевая
промышленность, 1974. – 583 с.
3. Урьев Н. Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. – М.: Химия, 1980. – 319 с.
4. Кругляков П. М., Ексерова Д. Р. Пена и пенные пленки. – М.: Химия, 1990. – 432 с.
5. Просеков А. Ю. Устойчивость пенообразных масс // Хранение и переработка сельхозсырья, 2001. – №7. –
С. 40–45.
6. Остроумов Л. А., Просеков А. Ю., Жданов В. А. Пенообразование в молоке и молочных продуктах //
Хранение и переработка сельхозсырья, 2000. – №10. – С. 20–23.
7. Просеков А. Ю. Принципы проектирования пенообразных пищевых масс с заданным составом и
свойствами // Молочная промышленность, 2001. – №11. – С. 41.
8. Остроумов Л. А., Просеков А. Ю. Методологические аспекты системного анализа пенообразных масс //
Хранение и переработка сельхозсырья, 2000. – №12. – С. 9–10.
9. Остроумов Л. А., Просеков А. Ю. Классификация пен в пищевой промышленности // Хранение и
переработка
сельхозсырья,
2001.
–№1.
–
С. 53–54.
10. Просеков А. Ю. Роль межфазных поверхностных явлений в производстве дисперсных продуктов с пенной
структурой // Хранение и переработка сельхозсырья, 2001. – №8. – С. 24–27.
11. Просеков А. Ю. Влияние технологических факторов на качество пенообразных пищевых масс // Хранение
и переработка сельхозсырья, 2001. – №10. – С. 15–17.