Результат интеллектуальной деятельности: Способ обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных

Изобретение относится к мясоперерабатывающей отрасли и может быть использовано при подготовке кишечного сырья убойных животных для производства колбасных изделий.

Технологический процесс обработки кишечного сырья трудоемок и включает ряд механических, тепловых и биохимических операций: освобождение от содержимого, обезжиривание, удаление слизистой оболочки (шлямовка), охлаждение, консервирование, калибровку и упаковку. На сельских убойных пунктах большим затруднением является удаление с поверхности кишок балластных оболочек (жира и слизистой оболочки). В этих условиях после операции отжатия с поверхности кишечного сырья удаляют жир и промывают, выворачивают и погружают на 4 ч в чаны с 20%-ным раствором поваренной соли, содержащим 1% щавелевой кислоты и 2% хлористого кальция. Для выполнения этих операций применяют отдельные машины и аппараты [1, 2].

Процессы переработки кишечного сырья энергоемки, связаны с потреблением большого количества электроэнергии, пара и воды. Исключить эти недостатки в полной мере на базе традиционных методов обработки кишечного сырья чрезвычайно затруднительно, что является причиной необходимости поиска новых эффективных методов обработки.

В разработанном способе обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных предлагается использовать комбинированное воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ), ультразвуковых (УЗ) колебаний через паузу. При данном способе обеспечивается получение широкого ассортимента натуральных оболочек для колбасных изделий из кишечного сырья. Обезжиривание и обеззараживание кишечного сырья происходит за счет совместного действия разных нелинейных эффектов, возникающих в жидкости под действием ЭМПСВЧ и мощных УЗ колебаний. Для этого необходимо обосновать напряженность электрического поля СВЧ диапазона и интенсивность УЗ колебаний, позволяющих обезжиривать сырье и разрушить клеточную мембрану микроорганизмов. Известно, что при кавитационном воздействии в сырье разрушаются коллоиды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии. Эффективность ультразвукового воздействия повышается с увеличением температуры обрабатываемого сырья за счет воздействия ЭМПСВЧ. Поэтому сверхвысокочастотный нагрев кишечного сырья обеспечивает эффективное разрушение защитных оболочек микроорганизмов. В связи с чем технология обработки кишечного сырья предусматривает последовательное многократное воздействие ЭМПСВЧ и УЗ колебаний.

Технологический результат заключается в повышении эффективности обработки кишечного сырья, в том числе снижении бактериальной обсемененности и улучшении качества продукта.

Указанный технологический результат достигается тем, что снижение бактериальной обсемененности сырья и улучшение его органолептических показателей происходит при комбинированном воздействии электромагнитных излучений сверхвысокочастотного диапазона и ультразвуковых колебаний в передвижных перфорированных сферических резонаторах СВЧ генератора в многократном циклическом режиме общей продолжительностью процесса до 240 с, предусматривающем эндогенный нагрев при удельной мощности 2,67…6 Вт/г и напряженности электрического поля выше 3 кВ/см, паузу и ультразвуковую обработку при мощности 0,25…0,73 кВт и температуре кавитационной жидкости 48°С до достижения температуры кишечного сырья 37…38°С.

Фиг. 1 - схема процесса воздействия ЭМПСВЧ и УЗ колебаний на кишечное сырье.

Фиг. 2 - схематическое изображение установки с СВЧ и УЗ генераторами для обработки кишечного сырья: 1 - СВЧ генератор с магнетроном; 2 - тороидальный волновод; 3 - стационарная полусфера объемного резонатора; 4 - передвижная перфорированная полусфера резонатора; 5 - патрубок для подачи жидкости; 6 - направляющий ободок; 7 - опорные ролики; 8 - шарнирное соединение; 9, 10 - ведущая звездочка с зубчатым венцом; 11 - пьезоэлектрические элементы УЗ генератора; 12 - патрубок для слива отработанной жидкости; 13 - циркуляционный насос с фильтром; 14 - кишечное сырье; 15 - дверца для выгрузки и загрузки исходного сырья; 16 - омывающая жидкость; (в) - расположение полусфер на венце; (г) - контрольно-измерительные приборы (преобразователь частоты, ваттметр, тахогенератор, тепловизор).

Фиг. 3 - сравнительный анализ мощности диэлектрического нагрева (А) микроорганизмов и их колоний при разных напряженностях электрического поля и мощности тепловых потерь (Б) при превышении температуры кишечного сырья на 5°С: 1 и 2 ряды при напряженности 3 кВ/см (радиус бактерии 5⋅10^-6 м); 3 и 4 ряды - 1 кВ/см (радиус бактерии 5⋅10^-6 м); 5 и 6 ряды - 3 кВ/см (радиус колонии микроорганизмов 50⋅10^-6 м).

Фиг. 4 - динамика нагрева кишечного сырья убойных животных при воздействии ЭМПСВЧ разных удельных мощностей: 1) 2,67 Вт/г; 2) 4 Вт/г; 3) 6 Вт/г.

Фиг. 5 - операционно-технологическая схема обработки кишечного сырья убойных животных с применением разработанной установки.

Фиг. 6 - двумерные сечения в изолиниях и поверхность отклика трехфакторный моделей (а) производительности установки (кг/ч) и (б) энергетических затрат (Вт⋅ч/кг) для обработки кишечного сырья убойных животных при загрузке 300 г.

Фиг. 7 - динамика нагрева кишечного сырья и графики снижения общего микробного числа в нем в процессе четырехкратного комбинированного воздействия ЭМПСВЧ и УЗ колебаний.

Технологический процесс обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья с использованием УЗ и СВЧ генераторов осуществляется следующим образом.

Кишечное сырье со шлямами при нахождении в сферической резонаторной камере подвергается воздействию ЭМПСВЧ, далее погруженной в моющую жидкость, подвергается воздействию ультразвуковых колебаний. Это обеспечивает раздробление не только жировых тканей, но и раздробление колоний микроорганизмов (фиг. 1).

Тогда, при воздействии электрического поля определенной напряженности СВЧ диапазона, происходит затормаживание развития бактериальной микрофлоры, а слои жира растапливаются и выводятся с моющей жидкостью за пределы тороидального экранирующего корпуса. Обезжиренное и обеззараженное кишечное сырье выгружается путем опрокидывания нижних перфорированных полусфер резонаторных камер. СВЧ генератор обеспечивает обеззараживание сырья в процессе раздробления жировой ткани, в том числе и колоний микроорганизмов, за счет воздействия УЗ колебаний. Разрушительное воздействие ультразвуковой кавитации на колонии микроорганизмов способствует снижению бактериальной обсемененности кишечного сырья, освобожденного от жировых тканей при наложении электрического поля СВЧ диапазона. Схема технологического процесса воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты и ультразвуковых колебаний на кишечное сырье приведена на фиг. 2.

По величине критической напряженности электрического поля (равенства между поглощаемой и отдаваемой за счет теплопередачи энергии для микроорганизма) можно оценить степень обеззараживания кишечного сырья. С этой целью проведен сравнительный анализ значений потери мощности за счет теплопередачи и мощности диэлектрического нагрева микроорганизмов при воздействии ЭМИ. Результаты подсчета мощности диэлектрических потерь при разных напряженностях электрического поля и размерах колонии микроорганизмов приведены в виде диаграммы (фиг. 3). С учетом объема микроорганизма определяем мощность диэлектрических потерь 5,84⋅10^-6 Вт (1 ряд, А). Это означает, что каждый микроорганизм радиусом 5⋅10^-6 м при напряженности электрического поля 3 кВ/см поглощает мощность 5,84⋅10^-6 Вт и нагревается на 5°С. Мощность тепловых потерь с поверхности микроорганизма с таким же радиусом (5⋅10^-6 м) составляет 7,22⋅10^-6 Вт (ряд 2, Б). Следовательно, при напряженности электрического поля выше 3 кВ/см происходит затормаживание развития бактериальной микрофлоры. Если напряженность электрического поля всего 1 кВ/см (3 и 4 ряды), то поглощаемая мощность (6,48⋅10^-7 Вт) меньше, чем мощность тепловых потерь с поверхности микроорганизмов, поэтому снижение бактериальной микрофлоры кишечного сырья не происходит. Если рассмотреть размер колоний микроорганизмов (50⋅10^-6 м), то потери энергии за счет теплопередачи (5,84⋅10^-3 Вт, ряд 5) значительно превышают поглощаемую энергию ЭМПСВЧ (7,22⋅10^-5 Вт, ряд 6). Но уничтожение микроорганизмов, таких как бактерии, споры или вирусы, за счет непосредственного поглощения ими энергии ЭМПСВЧ происходит не в полной мере. Поэтому необходимо предусмотреть дополнительный фактор воздействия на колонии микроорганизмов. Нами предлагается разрушить колонии микроорганизмов воздействием УЗ колебаний. Если размер колоний составляет 50⋅10^-6 м и более, то за счет УЗ кавитации необходимо разрушить структуру колоний до отдельных микроорганизмов, с тем чтобы при воздействии ЭМПСВЧ напряженностью более 3 кВ/см затормаживать их развитие.

Теоретические исследования динамики нагрева кишечного сырья убойных животных (фиг. 4) показывают, что температура в продукте 37…40°С при удельных мощностях СВЧ генератора 6 Вт/г, 4 Вт/г, 2,67 Вт/г достигается в течение 45 с, 60 с, 88 с соответственно.

Операционно-технологическая схема обработки кишечного сырья убойных животных с использованием предлагаемой установки приведена на фиг. 5. Она предусматривает многократное циклическое воздействие ЭМПСВЧ и УЗ колебаний через паузу. При этом обеззараживание и обезжиривание кишечного сырья воздействием ЭМПСВЧ происходит в сферических резонаторах, выполненных из стационарных и передвижных перфорированных полусфер. Частичное расщепление шлямов сырья и колоний микроорганизмов осуществляется воздействием УЗ колебаний. Выгрузка обработанного сырья осуществляется в процессе опрокидывания передвижных полусфер.

Пользуясь методикой активного планирования трехфакторного эксперимента и программой «Statistic V5.0», построены поверхности отклика и их двумерные сечения в изолиниях моделей (фиг. 6). Они являются критериями оценки процесса обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных. Полученные уравнения регрессии (1) проверены на адекватность по критерии Фишера. Рациональными режимами процесса обработки кишечного сырья являются: удельная мощность СВЧ генератора 2,67 Вт/г; мощность УЗ генератора 0,73 кВт; масса загрузки сырья в резонаторную камеру 250…300 г. Эмпирические выражения, описывающие зависимости приращения температуры сырья Y₁, продолжительности обработки Y₂, производительности установки Y₃, количество циклов Y₄ и энергетических затрат на обработку Y₅ от воздействующих факторов при основном уровне фактора x₃=300 г, приведены ниже:

1) Y₁=4,782+0,007039⋅x₁-0,017875⋅х₂-0,000001⋅x₁²+0,00001⋅х₂²+0,000005⋅x₁⋅x₂,

2) Y₂=22,364+0,037088⋅x₁-0,132717⋅x₂-0,000006⋅x₁²+0,000085⋅x₂²+0,000029⋅x₁⋅x₂,

3) Y₃=1649,076-1,43121⋅x₁+0,436522⋅x₂+0,000274⋅x₁²-0,000957⋅x₂²+0,000325⋅x₁⋅x₂,

4) Y₄=35,409-0,03188⋅x₁-0,003115⋅x₂+0,000006⋅x₁²-0,000014⋅x₂²+0,000011⋅x₁⋅x₂,

5) Y₅=0,252+0,059005⋅x₁+0,063617⋅x₂+0,00000027⋅x₁²-0,00000362⋅x₂², (1)

где x₁ - мощность СВЧ генератора в кодированных единицах; х₂ - мощность УЗ генератора; x₃ - масса загрузки в один объемный резонатор (табл. 1).

Проведена оценка пищевой ценности кишечного сырья опытного и контрольного образцов на основе органолептических, физико-химических и микробиологических показателей. Испытано 4 образца в 4-кратной повторности: первый образец - контрольный вариант (обработка сырья традиционным способом), второй - обработка сырья до 30°С комбинированным воздействием ЭМПСВЧ и УЗ колебаний; третий - обработка сырья до 45°С комбинированным воздействием ЭМПСВЧ и УЗ колебаний; четвертый - обработка сырья до 45°С воздействием УЗ колебаний. Из сравнительной органолептической оценки качества кишечного сырья опытного и контрольного образцов вытекает, что органолептические показатели опытного образца лучше контрольного на 14 баллов.

Схематическое изображение динамики нагрева кишечного сырья в процессе комбинированного воздействия ЭМПСЧ и УЗ колебаний в разработанной установке и графики снижения общего микробного числа в сырье представлены на фиг. 7. В результате исследований выявлено, что общая продолжительность обработки 3 кг кишечного сырья за четыре цикла составляет 240 с, производительность 45 кг/ч, удельные энергетические затраты равны (0,066) кВт⋅ч/кг, обезжиривание и обеззараживание сырья происходит до значений, требуемых по ГОСТ 16402-70 и ТУ 10.02.01.148-91 «Кишки свиные обработанные».

Исследование микробиологических параметров кишечного сырья с исходной бактериальной обсемененностью 10⋅10⁶ КОЕ/см³ и 5⋅10⁶ КОЕ/см³ показало, что при комбинированном воздействии ЭМПСВЧ и УЗ колебаний в течение 240 с (четыре цикла) температура сырья составила 37…38°С, а общее микробное число в продукте снизилось до (30000…100000) КОЕ/см³ (фиг. 7).

Экспериментальные графики (фиг. 7) позволяют определить технологические параметры для обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных, а именно продолжительность процесса комплексного воздействия ЭМПСВЧ и УЗ колебаний, температуру сырья и воды в резервуаре, а также продолжительность цикла. При загрузке 3 кг сырья с содержанием 0,3 кг жировой ткани в объемные резонаторы (10 шт.) в процессе воздействия ЭМПСВЧ и УЗ колебаний в течение 4 мин происходит полное обезжиривание. При этом температура кишечного сырья составляет 37…38°С, а температура воды (кавитационной жидкости) в резервуаре поддерживается на уровне 48°С, продолжительность воздействия ЭМПСВЧ в течение каждого цикла составляет 10 с.

Установлено, что эффективными режимами обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных являются удельная мощность СВЧ генератора 2,67 Вт/г, мощность УЗ генераторов 0,73 кВт, общая продолжительность процесса обработки 240 с.

Выявлено улучшение качества натуральной оболочки на 14 баллов и снижение бактериальной обсемененности сырья с 10⋅10⁶ КОЕ/см³ до 100000 КОЕ/см³.

Согласована нагруженная добротность (60…100) с объемом сферической резонаторной камеры (3,2 л) и напряженностью электрического поля (3 кВ/см) в сырье, обеспечивающей снижение бактериальной обсемененности на два порядка.

Кишечное сырье в рабочей камере транспортируется с помощью перфорированных частей сферического резонатора до тех пор, пока температура кишечного сырья не составит 37…38°С.

Технические характеристики установки, позволяющей реализовать способ обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных

Производительность - 45…60 кг/ч.

Резонансная частота ультразвукового преобразователя - 44 кГц.

Мощность ультразвуковых генераторов - 0,73 кВт.

Мощность СВЧ генераторов - 2,4 кВт.

Мощность электропривода - 0,6 кВт.

Общая мощность установки - 3,73 кВт.

Удельные энергетические затраты - 0,066 кВт⋅ч/кг.

Высота - 1,2 м, диаметр - 1,0 м.

Источники информации

1. Ивашов В.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Ч. 1. Оборудование для убоя и первичной обработки. - М.: Колос, 2001.

2. Бредихин С.А. Технологическое оборудование мясокомбинатов. - М.: Колос, 2000.