СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ

Изобретение относится к пищевой промышленности и кормопроизводству и предназначено для обеззараживания зернового сырья, в частности, в производстве пива для обеззараживания от плесневых грибов в процессе приготовления солода.

Цель достигается обработкой увлажненного зерна в водной среде в акустическом поле с широким спектром частот, включающим как звуковой диапазон, так и низкочастотную область ультразвукового диапазона, при кавитационно-пороговом значении звукового давления, создаваемого гидроакустическим излучателем, с одновременным диспергированием в среде воздуха, поступающего в импульсном режиме из атмосферы в область пониженного давления резонаторных камер излучателя. Предлагаемый способ позволяет на 75-80% подавить рост плесневых грибов, например, в ячмене для приготовления солода и в 2-2,5 раза по сравнению с известными способами снизить энергозатраты на обеззараживание ячменя, поскольку коэффициент преобразования механической энергии потока жидкости в энергию акустических колебаний значительно выше, чем коэффициент преобразования электрической энергии в энергию ультразвука, генерируемого магнитострикционными или пьезокерамическими преобразователями.

Известен способ обеззараживания фуражного зерна от плесневых грибов и их токсинов дезинфицирующими веществами, в частности анолитным электроактивированным раствором с pH 2÷4, с содержанием активированного хлора 0,04÷0,06% с экспозицией до 1 суток [1]. Такой способ недостаточно эффективен, поскольку при указанном значении pH среды некоторые грибы могут сохранять жизнеспособность [2], процесс опрыскивания зерна сопровождается частичной потерей раствора, попадающего в окружающую среду, кроме того, т.н. анолитный электроактивированный раствор не стандартизован, что не гарантирует воспроизводимости результатов.

Известен также способ гидратации биополимеров зерна, заключающийся в его обработке в воде в кавитационном режиме. При этом обработку воды осуществляют при давлении не менее 5,5P_h, где P_h - гидростатическое давление внутри реактора. Авторы отмечают, что «обработку воды осуществляют в кавитационном реакторе с амплитудой, вызывающей кавитацию акустической волны». Недостатком способа и его описания является недопустимая некорректность формулировок, отсутствие в описании энергетических параметров акустического воздействия, затруднения при масштабировании, не позволяющие проводить обработку и обеззараживание сырья в больших объемах, невысокая эффективность, и чрезмерная энергетическая затратность [3].

Известен способ обработки зерна при его подготовке к помолу [4], где зерно помещают в воду и обрабатывают низкочастотным ультразвуком, причем такую обработку проводят одновременно с отделением оболочки зерна в ламинарном потоке в течение 15 секунд, при указанной авторами интенсивности колебаний не менее 3 Вт/см². Следует, однако, отметить, что понятие интенсивности не применимо к описываемому авторами процессу, т.к. интенсивность, по определению, характеризует плоскую волну, которая не возникает при низких частотах ультразвука, когда длина волны меньше размеров излучателя [5]. Кроме того, приведенный параметр даже в случае применения высокочастотного ультразвука недостаточен для масштабирования предлагаемого способа и установки для его промышленной реализации. Необходимо отметить невысокую экономическую эффективности обработки зерна за счет применения магнитострикционных преобразователей ультразвука.

Известен также способ обработки зараженного плесневыми грибами ячменя [6], заключающийся в обработке зерна инфракрасным излучением при длине волны 1,2-4,8 мкм, в течение 15-50 секунд. Недостаток способа - очень низкая производительность, обусловленная длительной экспозицией и высокими энергозатратами.

Известен способ производства солода из пивоваренных сортов ячменя, при котором зерна ячменя перед замачиванием предварительно промывают водой, после чего ячмень с влажностью 15,5-17% обрабатывают СВЧ полем с частотой 2450 МГц, со скоростью нагрева зерна 0,4-0,8°C/с. Продолжительность обработки составляет 60-90 секунд до достижения конечной температуры обрабатываемого зерна 58-60°C [7]. К недостаткам способа можно отнести высокий расход воды и электроэнергии, а также невысокую степень обеззараживания зерна в процессе замачивания и обработки СВЧ.

Известен способ послеуборочной обработки зерна перед закладкой на хранение, предусматривающий его очистку от примесей, где авторы создают поток зерна в виде «падающего дождя» и потока химраствора, подачу которого осуществляли через ультразвуковой свисток [8]. Известен также способ обработки зерна перед его закладкой на хранение или перед переработкой в муку [9], с использованием воды, предварительно обработанной ультразвуком в режиме кавитации с последующим ее распылением. К недостаткам этих способов относится низкая эффективность степени очистки и обеззараживания, а также существенные затраты на энергию и химреагенты.

Известен способ обработки зерна, включающий увлажнение зерна, путем помещения его в воду и обработку зерна в воде ультразвуком. Отволаживание зерна и его очистку осуществляют одновременно в ламинарном потоке воды в течение 15 секунд в режиме кавитации при интенсивности колебаний не менее 3 Вт/см² в течение 1,0÷2,5 часов [4]. Необходимо отметить, что в данном источнике авторы указывают только на очистку зерна от оболочек, но не приводят данных о присутствии на зерне после обработки плесневых грибов, которые могут проникать сквозь оболочки зерен и контаминировать конечный продукт. Следует также отметить, что понятие интенсивности, как было указано выше, не применимо к описываемому авторами процессу.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату аналогом представленной заявки является способ подготовки (в том числе обеззараживания) зернового сырья, включающий увлажнение зерна путём помещения его в воду, обработку зерна ультразвуком в кавитационном режиме, обеспечивающем уменьшение содержания плесневых грибов в зерновом сырье [10.1; 10.2].

Настоящее изобретение направлено на повышение эффективности способа обеззараживания зернового сырья от плесневых грибов, в частности при производстве солода в пивоваренной промышленности. Известно, что зерновые культуры, в том числе и различные сорта ячменя на начальных этапах развития зерна в полевых условиях поражаются грибами и бактериями, а на стадии хранения представители плесневых грибов вытесняют других представителей микрофлоры и снижают качество солода. Особо следует отметить, что многие плесневые грибы выделяют сильнодействующие токсины, приводящие к микотоксикозам - тяжелым последствиям действия микотоксинов на организм человека. Именно поэтому поступающие на пивзаводы партии ячменя нуждаются в обеззараживании.

Поставленная в заявленном изобретении задача обеззараживания зернового сырья решается способом, включающим увлажнение зерна путем помещения его в воду, обработку водно-зерновой смеси ультразвуком, насыщение воды кислородом воздуха, причем процесс проводят в водной среде в акустическом поле с широким спектром частот, включающим как звуковой диапазон, так и низкочастотную область ультразвукового диапазона при кавитационно-пороговом значении звукового давления, создаваемого гидроакустическим излучателем, с одновременным диспергированием в среде воздуха, поступающего в импульсном режиме в резонаторные камеры излучателя.

От наиболее близкого аналога ([10.1; 10.2]) заявленный способ очистки и обеззараживания зернового сырья отличается тем, что:

- при реализации способа создается импульсный режим насыщения водной среды кислородом воздуха;

- процесс ведут в водной среде в акустическом поле с широким спектром частот, включающим как звуковой диапазон, так и низкочастотную область ультразвукового диапазона при кавитационно-пороговом значении звукового давления, создаваемого гидроакустическим излучателем, с одновременным диспергированием в среде воздуха, поступающего в импульсном режиме в резонаторные камеры излучателя.

Указанные отличия делают представленную заявку на изобретение соответствующей требованию патентоспособности «новизна».

Для осуществления заявленного способа в качестве источника акустических колебаний, создающих поле непрерывного широкого спектра частот в диапазоне от 1 кГц до 45, используется гидроакустический излучатель «ножевого» типа или двухлучевой гидроакустический излучатель «веерного» типа.

Гидроакустический излучатель широкого спектра частот «ножевого типа», наиболее подходящий для реализации предлагаемого способа, характеризуется следующими параметрами:

- конфигурация: однолучевой с двумя резонаторными камерами;

- диапазон частот 1÷45 кГц;

- частота основной гармоники (основного тона) - 3 кГц;

- плотность мощности акустического поля при кавитационно-пороговом значении звукового давления - 0,1÷0,3 Вт/см³. Значение порога кавитации в зерноводной смеси может меняться в указанных пределах при изменении эффективной вязкости среды, зависящей от соотношения в смеси объемов зерна и воды;

- давление воды на входе в излучатель - 3·10⁵÷5·10⁵ Па;

- импульсный режим подачи воздуха в резонаторные камеры - 1 секунда с интервалами в 5 секунд.

Проведенный анализ уровня техники повышения эффективности обеззараживания зернового сырья, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение не противоречит условию «новизна».

Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку в предложенном способе используется:

- акустическое воздействие в поле непрерывного широкого спектра частот, среди которых всегда существуют частоты, резонансные собственным частотам газовых кавитационных пузырьков различных размеров;

- способность гидроакустического излучателя инжектировать содержащий кислород воздух и диспергировать его на мелкие пузырьки в жидкой среде;

- импульсный энергосберегающий режим воздействия, обеспечивающий возникновение эффективных неравновесных процессов на переднем и заднем фронтах импульсов, откуда следует, что заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Техническая реализация предлагаемого изобретения поясняется следующими примерами, не носящими, однако, ограничивающего характера.

Пример 1 (по прототипу, в оптимальном варианте)

В реактор объемом 50 литров помещали 1 кг ячменя сорта «Скарлетт» и создавали ламинарный поток воды. На дне реактора находился магнитострикционный преобразователь марки ПМС-6-22 с частотой колебаний 22 кГц. Питание осуществляли от ультразвукового генератора марки УЗГ-2-4М мощностью 4 кВт. Обработку вели в режиме кавитации с интенсивностью колебаний 4 Вт/см². Оптимальное время озвучивания в ламинарном потоке - 15 с. В аналогичных режимах были озвучены и другие сорта ячменя, такие как «Гонор», «Визит» и «Одесский 115». После озвучивания из всех указанных сортов были отобраны пробы и высеяны на фильтровальной бумаге в аппарате Аубри с целью подсчета выросших колоний плесневых грибов. Результаты анализа представлены в таблице 1.

Пример 2 (по предлагаемому способу в оптимальном варианте)

В реактор объемом 50 литров помещали 1 кг ячменя сорта «Скарлетт» и заливали водой. На дне реактора был жестко фиксирован гидроакустический излучатель, на вход которого подавали воду под давлением 4 атм, создавая акустическое поле с широким непрерывным спектром частот, с частотой основной гармоники равной 3 кГц. Плотность мощности при этом составляла 0,2 Вт/см³, а степень разрежения в резонаторных камерах достигала 0,5·10⁵Па. Воздух из атмосферы за счет разрежения поступал в резонаторные камеры в импульсном режиме со скважностью 1:5 (по 1 секунде подачи воздуха с интервалами в 5 с).

Результаты обработки различных сортов ячменя с целью их обеззараживания от плесневых грибов по прототипу и предлагаемому способу представлены в таблице 1.

Из анализа результатов, приведенных в таблице 1, следует, что содержание колониеобразующих клеток в обработанных предлагаемым способом различных сортах ячменя снизилось в среднем на 77%.

Таким образом, техническим результатом заявленного способа является уменьшение содержания в зерновом сырье плесневых грибов за счёт воздействия на зерно в водной среде акустического поля с широким спектром частот при кавитационно-пороговом значении звукового давления, с одновременным диспергированием в среде воздуха, поступающего в импульсном режиме в резонаторные камеры излучателя.

Проведенные нами дополнительные исследования по варьированию различных физических параметров процесса (давления, разрежения, тона основной гармоники, импульсного режима подачи воздуха), при поиске оптимальных режимов обработки ячменя с целью его обеззараживания, показали, что изменение каждого из указанных параметров как в сторону увеличения, так и уменьшения (при постоянстве остальных параметров) снижало эффективность обработки ячменя на 15-45%. Исследования показали, что параметры заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, оптимальны и способ может быть осуществлен с помощью описанных в заявке средств и методов. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Литература

1. Болотов Н.А., Кашкин Е.Е. Патент РФ №2164757. Способ обеззараживания фуражного зерна. 2001.

2. Коротяев А.И., Бабишев С.А. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология. С.-П., «Спецлит», 2002, 500 с.

3. Шестаков С.Д. Патент РФ №2279918. Способ увлажнения зерна перед помолом. 2006.

4. Рудик Ф.Я., Русин В.И., Ребров В.Г., Савельев И.Ф. Патент РФ №2405629. Способ обработки зерна при его подготовке к помолу. 2010.

5. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. - М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2005, 224 с.

6. Темираев Р.Б., Столбовская А.А., Чохаториди Г.Н., Мильдзихов Т.З., Кибизов Г.К. Способ обеззараживания зерна ячменя. Патент РФ №2378814. 2010.

7. Цугленок Н.В., Юсупов P.X., Юсупова Г.Г., Цугленок Г.И., Зданович Ю.И. Способ производства солода из пивоваренных сортов ячменя. Патент РФ №2283861. 2006.

8. Квасенков О.И., Росляков Ю.Ф., Тонких В.В. Способ послеуборочной обработки зерна перед закладкой на хранение. Патент РФ №2153792. 1999.

9. Шаззо Р.И., Квасенков О.И., Шаззо Ф.Р. Способ послеуборочной обработки зерна перед закладкой на хранение. Патент РФ №2228007. 2004.

10.1. Санина Т.В., Черемушкина И.В., Алёхина Н.Н. Способ производства теста для хлеба повышенной экологической безопасности. RU № 2292721, 2005 г.

10.2. Алехина Н.Н. Разработка ускоренной технологии хлеба повышенной пищевой ценности из биоактивированного зерна пшеницы. Автореф. канд. дис. Воронеж, 2007.