В распространенных тепловых аппаратах нагревание пищевых продуктов обусловлено в основном процессом теплопередачи, что вызывает значительный температур­ный перепад между продуктами и теплопередающей по­верхностью, а также между наружными и внутренними слоями продукта. Это обстоятельство обусловливает по­явление местных перегревов продукта и снижение его качества [66]. Не случайно поэтому, что многочислен­ные работы посвящены исследованиям и практическому освоению новых способов интенсивной технологической обработки пищевых продуктов, таких, как воздействие электромагнитных полей высоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот, импульсного электрического поля и др. [10, 14, 131].

Фирма «Richard Efert» (ФРГ) запатентовала способ получения биологических стабильных систем, таких, на­пример, как пиво. На продукт вначале воздействует электромагнитное поле, образованное в индукционной катушке, а затем импульсное электрическое поле, созда­ваемое конденсаторами. Обработку пива производят в условиях сравнительно невысоких температур (около 25° С). Уничтожение микроорганизмов, находящихся в продукте, происходит путем их необратимой поляриза­ции [125]. Обработанное таким способом пиво характе­ризуется повышенным сроком хранения без изменения качества.

В Японии [34] известен способ обработки пищевых жидкостей путем их индукционного нагревания в волно­воде с помощью мощного пульсирующего электрическо­го поля. Частота поля 127 МГц, мощность генератора 150—250 кВт. Длительность обработки продукта не превышает 3 мин. Продукт при этом становится сте­рильным, не изменяет вкуса, аромата и цвета.

Целесообразность применения электромагнитных по­лей высокой частоты для пастеризации жидких про­дуктов подтвердили работы, проведенные в ФРГ и дру­гих странах [211]. Штайнер (Швейцария) исследовал возможность применения токов высокой частоты для пастеризации жидких продуктов. Пиво, пастеризованное в течение 2 мин при температуре 60° С, имело высокие органолептические показатели. Гибель находящихся в пиве микроорганизмов наступала при сравнительно не­высоких температурах пастеризации и в очень короткое время [222].

В последние годы предложены ускоренные способы обеспложивания напитков посредством обработки их ин­фракрасными излучениями, ультрафиолетовыми лучами и ультразвуком.

Во Франции [34] сконструирован пастеризатор про­изводительностью 130 л/ч, в котором пиво обрабатыва­ется инфракрасными лучами в течение 4—6 с. После па­стеризации при выходе из аппарата пиво охлаждается до 6° С.

Аппарат «Актинатор» (Франция) производительно­стью 500 л/ч предназначен для пастеризации вина и пи­ва ультрафиолетовыми лучами. Обработанное в таком аппарате пиво обладает высокой биологической стойко­стью.

Пельман (ФРГ) [34] установил, что пиво поглощает ультрафиолетовые лучи даже в очень тонком слое, что затрудняет его пастеризацию по всему объему. Вкусо­вые свойства обработанного пива при этом резко сни­жаются в связи с образованием постороннего неприят­ного запаха и привкуса. К аналогичному выводу при­шла и Покровская (СССР), проводившая исследования с целью изыскания способа холодной стерилизации пи­ва. Исследования по обеспложиванию пива только УФ- лучами, проведенные в 1971 г. Каданером и др., также не дали положительных результатов. Однако экспери­менты по обработке пива совместным действием УФ- лучей и ультразвука показали, что такой способ повы­шения биологической стойкости напитка является пер­спективным [35, 241]. Стерилизация продуктов ионизи­рующим излучением имеет ряд особенностей по сравне­нию с другими способами инактивации микроорганиз­мов [8, 253].

Работы Нейла (США) указали на возможность па­стеризации пива ионизирующим излучением от источни­ка Со⁶⁰. Для получения биологически стабильного пива потребовалась доза излучения 50 крад. Качество пива, облученного дозой 1—10 крад, не изменялось. При большей дозе ухудшались цвет и вкус пива, снижался pH, появлялся посторонний запах. Предварительные расчеты автора свидетельствуют об экономичности это­го метода пастеризации. Производительность такого па­стеризатора может быть очень высокой и практически ограничивается скоростью движения транспортера, т. е. может составить до 3000 бутылок в минуту.

Вольф (ФРГ) подчеркнул большую перспективность радиационной пастеризации пива оптимальными доза­ми излучения около 10—30 крад. Дозы излучения 100— 300 крад для практических целей он считает непри­годными.

Пардо (Италия), исследовавший стерилизующее действие у-лучей от источников облучения Со⁶⁰ на рас­фасованное в бутылки пиво, также отметил, что только доза выше 10 крад обеспечивает необходимый пастери­зационный эффект. Однако после такой обработки пиво приобретает посторонние привкус и запах, а бутылки делаются хрупкими, резко изменяют цвет, становятся непрозрачными.

Опыты Бахмановой и Банаса (ПНР) показали, что радиационная пастеризация (радуризация) пива дозами 100—500 крад при мощности излучения 0,5 Мрад/ч яв­ляется эффективным методом удлинения срока хранения напитка при незначительно изменяющихся органолепти­ческих свойствах. Аналогичные исследования (Каданер и др.), выполненные во ВНИИПБПе, показали, что об­работка пива даже дозой 10 крад резко ухудшала его вкус и запах [8, 74, 177].

Противоречивые результаты, полученные разными ис­следователями, по-видимому, обусловлены трудностя­ми методического характера. Однако преимущества способа настолько велики, что дальнейшие исследова­ния в этом направлении просто необходимы. В настоя­щее время во многих странах (США, Англия, Голлан­дия, Япония и др.) для стерилизации пищевых про­дуктов широко применяют обработку их в сверхвысоко­частотных электромагнитных полях¹ [67, 216, 246]. Сущность этого способа заключается в том, что в СВЧ- поле продукты нагреваются одновременно по всему объему за счет возникающих диэлектрических потерь в материалах. При этом резко сокращается время их об­работки [49, 67].

Бурьян, Василевская, Кобзинова и др. [66] показа­ли, что создание высокочастотных генераторов откры­вает широкие возможности применения сверхвысокоча­стотных электромагнитных волн в различных областях народного хозяйства. Повышение эффективности высо­кочастотного нагрева пищевых продуктов обусловлива­ется применением возможно более высоких частот в со­четании с большими мощностями. Серийный выпуск СВЧ-аппаратов различного назначения налажен в США, Англии, Франции, Голландии, ФРГ, Швеции и Японии. Для тепловой обработки пищевых продуктов использу­ют главным образом следующие частоты (в МГц): США —916, 2450, 5850; ФРГ —461, 2400, 5850; СССР— 433, 915, 2375. Многие фирмы Японии [118] выпуска­ют различные СВЧ-аппараты небольшой мощности. Аналогичные аппараты выпускаются в Бельгии и Ан­глии [215, 257].

Туннельный аппарат фирмы «Husqwarna Warenfab- ric Akt» (Швеция) представляет собой одну из наибо­лее современных установок. На ней за 1 мин можно от­таивать и подогревать до 16 изделий. Включение и вы¹ ключение СВЧ-генератора производится автоматически, когда упаковка последовательно касается двух кон­тактных переключателей. Установочная мощность аппа-

В литературе сверхвысокочастотный электромагнитный нагрев часто называют микроволновым, диэлектрическим. В настоящей работе при дальнейшем изложении материала этот вид воздействия будет называться для краткости СВЧ-нагревом (СВЧ-воздействием. СВЧ- иолем и т. д.), рата 9,5 кВт, полезная мощность в работай камере 5 кВт [90].

Шоу и Уидмен. (США) запатентовали с'пособ и аппа­рат для обработки жидких пищевых продуктов СВЧ- энергией. Нагреваемая жидкость подается по прозрач­ной вертикальной трубе, расположенной в специальной цилиндрической камере-резонаторе, в которую вводится по волноводу СВЧ электромагнитная энергия при ча­стоте поля 600 МГц. Нагретая в резонаторе жидкость охлаждается в теплообменнике и направляется в сбор­ник [216, 246]. Фирма «Raythion and Со» (США) орга­низовала пастеризацию пива в потоке на СВЧ-установке мощностью 425 кВт и к. п. д. равным 72%. Время па­стеризации пива при темпеоатуре 71° С составляет 3 с [95].

В Англии предложен способ стерилизации жидких пищевых продуктов в свободном потоке без контакта с твердой поверхностью в атмосфере инертного газа при мгновенном (за 0,1—0,4 с) СВЧ-нагреве продукта до температуры стерилизации 150—180° С и быстром после­дующем охлаждении путем смешивания нагретого про­дукта с холодным, стерильным [35].

В Японии также нашел распространение способ рав­номерной и непрерывной стерилизации напитков СВЧ- энергией в волноводе специальной конструкции [67].

Для пастеризации жидких пищевых продуктов в по­токе в СССР разработана установка, обеспечивающая обработку жидкости в СВЧ-поле прямоугольного волно­вода с длиной волны 0,126 м при мощности генератора 1,7 кВт. В ходе испытаний установки было выяснено, что, например, органолептические свойства молока и его химический состав после указанного воздействия изме­няются значительно меньше, чем при обычной пастери­зации. Микрофлора, обычно встречающаяся в этом про­дукте и специально в него внесенная, погибает при от­носительно низких температурах пастеризации за не­сколько секунд [76].

Разработка и выпуск аналогичных установок, пред­назначенных для пиво-безалкогольной промышленности, является важной задачей. Расчеты экономической эф­фективности применения СВЧ-нагрева показывают, что за немногими исключениями экономически оправдано использование СВЧ-энергии там, где она является ча- стыо суммарной тепловой энергии, необходимой для вы­полнения технологического процесса [50, 67, 93, 180J. Например, прй, пастеризации жидких пищевых продук­тов на СВЧ-установках целесообразно предусматривать подогрев этих продуктов за счет повторного использо­вания теплоты (е’е рекуперации). По мере расширения применения СВЧ-энергии ее стоимость приближается к стоимости электрической энергии промышленной ча­стоты.

Учитывая важность практического освоения СВЧ- способа пастеризации пива и создания СВЧ-оборудования, в 1971 —1975 гг. впервые в нашей стране, во ВНИИПБПе (Каданер, Ананин и др.), были проведены разносторонние исследования СВЧ-воздействия на пи­во. Пастеризацию пива СВЧ-способом осуществляли на специально сконструированной экспериментальной уста­новке, выполненной на базе серийного отечественного СВЧ-аппарата модели «Волжанка». Пиво, направляе­мое на пастеризацию, не подвергалось какой-либо спе­циальной подготовке, а приготовлялось в обычных за­водских условиях.

Разработка режимов и технологии СВЧ-пастериза­ции сдерживается из-за отсутствия исследований ди­электрических свойств пива в широком диапазоне ча­стот и температур и специфических особенностей СВЧ- нагрева этого продукта. Характер изменений диэлектри­ческих свойств пива сортов жигулевское и московское в зависимости от разрешенных' частот СВЧ-поля и тем­пературы (в диапазоне 20—70° С, соответствующем про­цессу пастеризации) показан на рис. 20—23.

Из рис. 20—23 видно, что действительная часть ком­плексной диэлектрической проницаемости е' указанных сортов пива с ростом частоты СВЧ-поля незначительно уменьшается, а тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 возрастает. Полученные результаты не противоре­чат теоретическому положению о том, что в определен­ной области дисперсии частот значение tg6 может воз­растать, а е,' — незначительно уменьшаться.

Коэффициент поглощения энергии е" в диапазоне ча­стот от 433 до 2375 МГц претерпевает изменения, ана­логичные изменениям с tg 6. Полученные данные по глубине проникновения СВЧ-поля в продукт А свиде­тельствуют о том, что этот показатель с ростом частоты существенно уменьшается. Такое положение обусловле­но высокой концентрацией дипольных молекул воды в исследуемых образцах, резонансная частота которых близка к исследованным частотам.

Рис. 20. Изменение действительной части комплексной диэлектриче­ской проницаемости пива в зависимости от частоты СВЧ-поля (а) и его температуры (б) (на этом рисунке и рис. 21—23 сплошная линия характеризует жигулевское пиво, пунктирная — москов­ское. )

Рис. 21. Изменение тангенса угла диэлектрических потерь пива в зависимости от частоты СВЧ-поля (а) и его температуры (б).

Повышенное содержание сухих веществ в москов­ском пиве (около 5,7%) обусловливает меньшие значения указанных величин, чем в жигулевском пиве (4,8%). При изменении температуры от 20 до 70° С по­казатель е", характеризующий поглощение энергии на указанных частотах, уменьшается в среднем в 1,6 раза. Снижение значений е" при повышении температуры пи­ва, видимо, зависит от того, что на процесс дипольной поляризации молекул воды влияет возрастающая ин­тенсивность их теплового движения, препятствующая ориентации молекул в переменном электрическом поле. Глубина проникновения СВЧ-поля в пиво с увеличе­нием температуры возрастает в среднем в 1,5 раза.

Рис. 22. Изменение коэффициента поглощения пива в зависимости от частоты СВЧ-поля (а) и его температуры (б).

Рис. 23. Изменение глубины проникновения электромагнитных волн в пиво в зависимости от частоты СВЧ-поля (а) и его температу­ры (б).

Полученные данные показывают, что в интервале температур, характерных для процесса пастеризации пива, максимальное поглощение энергии СВЧ-поля и до­статочное ее проникновение в продукт происходит на частоте 2375 МГц.

Время СВЧ-обработки пива зависит от многих фак­торов и прежде всего от темпа нагревания продукта. Темп нагревания в свою очередь определяется диэлект­рическими свойствами пива и величиной колебательной мощности СВЧ-генератора. Расчеты показали, что в экспериментальной установке при изменении ее произ­водительности /в потоке) от 100 до 120 л/ч (или 25—■ 30 бутылок в час) и температуры пастеризации пива (предварительно нагретого в термостате) от 60 до 70° С темп СВЧ-нагрева продукта находился в пределах 0,8—• 0,9° С/с. По литературным данным [49], такой темп нагревания обеспечивает наилучшие условия для полу­чения высококачественного готового продукта. При СВЧ-пастеризации пива без его предварительного по­догревания подведение теплоты находится на уровне 7—9° С/с, что нельзя признать допустимым.

В табл. 43 представлены данные, характеризующие свойства пива, пастеризованного СВЧ-способом при раз­личных условиях.

Из данных табл. 43 видно, что физико-химические показатели образцов пива, пастеризованного СВЧ-спо­собом при температуре 65° С с применением предвари­тельного подогревания, мало отличались от показателей непастеризованного пива. Стойкость образцов пива, па­стеризованного при 60° С, была недостаточной. Высокая стойкость образцов пастеризованного пива была получе­на при температурах пастеризации 65 и 70° С в усло­виях максимально возможного СВЧ-нагрева. Стойкость жигулевского пива составила соответственно 61 и 68 сут, московского — 75 и 87 сут. Вместе с тем и при самом низком уровне подвода СВЧ-энергии к предвари­тельно подогретому пиву (на уровне 5° С) в процессе пастеризации при температуре 65 и 70° С обеспечива­лась достаточно высокая стойкость готового напитка.

Однако СВЧ-пастеризация пива при температуре 70° С не является целесообразной, так как в этом слу­чае при относительно небольшом повышении стойкости продукта значительно возрастают энергетические затра­ты на осуществление процесса.

В табл. 44 приведены сравнительные показатели фи­зико-химических, микробиологических и органолептиче­ских исследований пива, пастеризацию которого осуще­ствляли различными способами. Из данных видно, что физико-химические свойства пива, пастеризованного СВЧ-воздействием, не претерпевали существенных из­менений.

Несмотря на значительную обсемененность исходных образцов пива, при пастеризации их обычным и СВЧ- способами происходит полная инактивация микроорга­низмов, в последнем случае она наступает при сравни­тельно невысокой температуре (65° С).

Характер влияния СВЧ-поля на микрофлору пище­вых продуктов вызывает большой интерес. Некоторые исследователи наблюдали влияние СВЧ-полей на бак­терии, которое нельзя было отнести только за счет обычного теплового действия [40, 72, 92, 213].

Счастная [72] объясняет бактериостатическое дейст­вие СВЧ-волн их термоселективным характером, кото­рый приводит к повышению температуры внутри клеток вследствие различия электрических свойств микробов и среды. Панасенко с соавтором [52], исследовавшие влияние СВЧ-полей малой мощности (длина волн 0,08; 0,009 и 0,1 м), показали наличие специфического эффек­та не только в плане их летального действия на микро­организмы. Биохимические изменения, возникающие у микроорганизмов, подвергнутых воздействию СВЧ-поля, и сохраняющиеся у последующих генераций, авторы склонны квалифицировать как мутации.

Гусевой и др. [21], изучавшими действие СВЧ-поля частотой 2375 МГц на количественный состав микро­флоры пива, вызывающей его порчу, а также на выжи­ваемость отдельных, наиболее типичных представителей этой микрофлоры, было показано, что указанное воз­действие существенно влияет на жизнеспособность ми­кроорганизмов — вредителей нива при экспозициях, не вызывающих нагревания клеточной суспензии выше 40° С. Это обстоятельство свидетельствовало, по мнению авторов, в пользу специфического действия СВЧ- поля. Обработка дрожжевых клеток СВЧ-полем приво­дит к заметным цитоморфологическим изменениям кле­ток, выражающимся в увеличении размеров, вакуолиза­ции и утолщений клеточной оболочки, что в дальней­шем приводит к их гибели.

Рис. 24. Изменение мутности пива в процессе хранения:

а — жигулевское; б — московское; 1 — не­пастеризованное; 2 — пастеризованное обычным способом; 3 — пастеризованное СВЧ-способом.

Обработка пива СВЧ-полем в потоке в интервале температур от 60 до 70° С приводит к полной стерилиза­ции продукта, а при 55° С дает частичный бактерицид­ный эффект. Проявление бактериостатического дейст­вия СВЧ-поля зависит от степени микробной загрязнен­ности продукта. Органолептические свойства пива, об­работанного СВЧ-способом, существенно не изменялись. Однако окончательное решение вопроса о механизме особого действия СВЧ-поля на микроорганизмы станет возможным после проведения дальнейших глубоких био­физических исследований.

Мутность непастеризованного пива сортов жигулев­ское и московское в первые сутки хранения резко воз­растает, что обусловлено главным образом жизнедея­тельностью микроорганизмов (рис. 24). В пастеризованном пиве коллоидное помутнение образуется постепенно, причем в пиве, прошедшем СВЧ-пастеризацию, глуби­на этих изменений незначительна.

Образцы пива, пастеризованного СВЧ-способом, осо­бенно при температуре 65° С, обладали высокими орга­нолептическими свойствами, которые оценивались на 2—3 балла выше, чем свойства образцов непастеризо­ванного пива и пива, пастеризованного обычным спосо­бом.

Стойкость пива, подвергнутого СВЧ-пастеризации при 65° С, составляла в этом случае соответственно для пива сортов жигулевское и московское 62 и 77 сут, а пастеризованного обычным способом — 32 и 37 сут. В то же время стойкость непастеризованного пива не пре­вышает 7—8 сут. Так как СВЧ-пастеризация пива при 70° С ухудшает его органолептические свойства, рацио­нальной была признана температура 65° С.

Исследование содержания азотистых веществ в па­стеризованном пиве показало, что обработка напитка в СВЧ-поле и последующее хранение не вызывают суще­ственных изменений в составе общего, коагулируемого, аминного азота, а также фракций азотистых веществ по Лундину.

Изучение фракционного состава растворимых белков пива методом электрофореза на полиакриламидном геле свидетельствует о том, что непастеризованное пиво име­ет не менее пяти фракций белков: две у-глобулина, две Р-глобулина и одну альбумина. В образцах пастеризо­ванного пива наблюдается образование шестой фракции. Она находится в зоне фракции р-глобулина и обра­зуется из него. СВЧ-обработка пива способствует обра­зованию максимального количества этой новой фрак­ции: в жигулевском в 3,0—3,5, а в московском в 2,0— 2,5 раза больше, чем в пиве, пастеризованном обычным способом, обусловливая тем самым повышенную кол­лоидную стойкость такого пива, так как вновь образо­вавшаяся фракция р-глобулина, вероятно, в меньшей степени расположена к агрегации с полифенолами, чем другие вещества.

В осадке помутневшего пива, снятого с хранения, среди белковых веществ преобладал р-глобулин, причем из пива сорта жигулевское он выделяется в больших количествах, чем из пива сорта московское (рис. 25).

Рис. 25. Диаграмма распределения белковых веществ в пиве:

1 — непастеризованном; II — пастеризованном обычным способом при 74° С; III — пастеризованном СВЧ-способом при 65° С; IV — пастеризованном СВЧ- способом при 70° С. Содержание белков: а — общее; b — ^-глобулинов; с — у-глобулинов.

В осадке пива, пастеризованного СВЧ-способом, обна­ружено меньше белковых веществ, чем в пиве, прошед­шем обычную пастеризацию.

Многие исследователи обнаружили различия в аромате образцов пива после СВЧ-нагрева и обычного нагревания. При обработке обычным способом хуже сохранялся аромат и наблюдались перегревы продукта [61. 153].

Вкус и аромат пива в значительной степени опреде­ляются составом летучих веществ, являющихся побоч­ными продуктами брожения. При пастеризации содер­жание летучих компонентов в пиве, определенное мето­дом газо-жидкостной хроматографии, уменьшается, при­чем больше в пиве, обработанном в СВЧ-поле, что обусловлено характером подведения теплоты к напитку. В процессе хранения пастеризованного пива эти измене­ния практически не наблюдаются. Снижение содержа­ния летучих компонентов в пастеризованном пиве спо­собствует улучшению его аромата, который на дегуста­циях характеризовался как «смягченный», «не сырой».

Одним из основных санитарно-гигиенических показа­телей пива, обработанного СВЧ-способом, является от­сутствие в нем токсических веществ.

Рис. 26. Технологическая схема пастеризации пива в потоке СВЧ- способом:

1 — пастеризатор-теплообменник; 2 — СВЧ-блок; 3 — выдерживатель; 4 — се­паратор (фильтр); 5 —лагерный танк; 6 — трехходовой кран; 7 — мерник.

Исследование безвредности продуктов, полученных с применением СВЧ- нагрева, приобретает особую актуальность в связи с по­становкой вопроса о механизме действия микроволно­вой энергии. Изучение безвредности пива на куриных эмбрионах и белых мышах показало, что число погиб­ших эмбрионов в опыте равнозначно числу погибших животных в контроле. Выживаемость белых мышей как в опытных, так и в контрольных группах составляла 100%. На этом основании был сделан вывод о том, что пиво, пастеризованное СВЧ-способом, безвредно.

Полученные данные были использованы для разра­ботки СВЧ-способа пастеризации пива. Процесс пасте­ризации пива в потоке в электромагнитном поле сверх­высоких частот осуществлялся следующим образом (рис. 26). После осветления пиво под давлением 0,5 МПа равномерным потоком направляется в секцию регенера­ции теплообменника СВЧ-установки, где подогрева­ется встречным потоком пастеризованного пива от 1—2 до 60° С. Из секции регенерации подогретое пиво посту­пает в камеру пастеризации, в которой его температура повышается до температуры пастеризации 65° С СВЧ- полем. Затем пиво кратковременно находится в выдер- живателях при температуре пастеризации. Пастеризо­ванное пиво из выдерживателя направляется в секцию регенерации для охлаждения встречным потоком холод­ного пива до температуры 20° С. Окончательное охлаж­дение пива происходит в секции рассольного охлажде­ния встречным потоком хладагента (рассола).

Пиво, расфасованное в бутылки, сначала подогре­вается влажным воздухом (или водой) до 40° С; затем в СВЧ-камере температура его быстро доводится до 65° С, после чего бутылки с пивом 20 с выдерживаются при этой температуре и охлаждаются сначала теплым воздухом (или водой), а потом естественным путем до температуры 20° С.

Сравнительный расчет экономической эффективности внедрения в пиво-безалкогольную промышленность СВЧ-пастеризации пива показал, что при обработке 1 млн. дал пива сорта московское экономия по сравне­нию с обычной пастеризацией составит 6,5 тыс. руб. Внедрение СВЧ-пастеризации пива позволяет снизить производственные потери, улучшить санитарно-гигиени­ческие условия и организацию труда, автоматизировать производственный процесс.

Большой теоретический и практический интерес представляет также изучение эффекта «холодной» па­стеризации пива (в бутылках и в потоке) в импульс­ных полях СВЧ. Такие исследования начаты во ВНИИПБПе в 1975 г.