Обзор электрофизических методов пастеризации молока

Пастеризация молока — это тепловая обработка молока с целью уничтожения вегетативных форм микрофлоры, в том числе патогенных. Режим пастеризации обеспечивает получение заданных свойств готового продукта, в частности органолептических показателей (вкус, нужные вязкость и плотность сгустка). Эффект пастеризации, обусловленный степенью гибели патогенной микрофлоры, влияет на выбор режимов и способов пастеризации. 
Чтобы увеличить срок хранения свежего молока и предотвратить размножение микроорганизмов, молоко обычно нагревают – то есть, проводят процесс пастеризации, в ходе которого холодное молоко нагревают в несколько этапов. Так, на одном из этапов температура молока повышается за несколько секунд до 72 градусов Цельсия. Основные микроорганизмы, присутствующие в молоке, во время этого процесса погибают, а значит, молоко может храниться в течение 10 дней. Эффект пастеризации зависит от температуры и продолжительности.
Известны традиционные способы пастеризации (стерилизации) жидких водосодержащих пищевых продуктов [1]. При традиционной пастеризации (стерилизации) тепловое воздействие на микрофлору поступает от носителя тепла через разделительную пластину, далее через жидкость и оболочку к ядру бактерии. Бактерия гибнет только при разрушении ядра. Так как вода имеет низкую теплопроводность, темп нагрева без образования пригара на разделительной пластине нельзя получить более 3oC/с. Отсюда следует, что для достижения летальной температуры ядра бактерии необходима длительная выдержка. В результате длительного теплового воздействия одновременно с гибелью бактерий происходит разрушение наиболее ценной части пищевого продукта. При этом необходимо отметить, что нагрев молока без выдержки до 60oC практически не влияет на качество молока, но не убивает бактерии.
Среди современных методов интенсификации молочного производства известны способы сверхвысокочастотной обработки в непрерывном и импульсном режиме, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, электроконтактный нагрев, обработка в электростатическом поле и другие. Вместе с тем мировой опыт позволяет рассматривать методы ультразвукового воздействия (УЗВ) как особенно перспективную технологию для молочной отрасли[5].
Из электрофизических методов обработки жидких водосодержащих продуктов к очень эффективным способам можно отнести технологии обработки с применением СВЧ-энергии[2]. К основным особенностям СВЧ-энергии можно отнести: способность проникать на значительную глубину обрабатываемого водосодержащего продукта (объемный нагрев), отсутствие контакта обрабатываемого продукта с теплоносителем и то, что при СВЧ-нагреве возможно сконцентрировать очень большие энергии в небольших объемах обрабатываемого продукта. Хотя к настоящему времени разработаны источники СВЧ-энергии с КПД, превышающим 75%, все же применение СВЧ-энергии для пастеризации молока является делом сложным и дорогостоящим, но СВЧ-нагрев в сочетании с традиционными методами нагрева - наиболее плодотворный конструктивный путь.
Известен взятый в качестве аналога способ обработки пищевых продуктов [3], включающий обработку продукта ИК-излучением. Данный способ не обеспечивает высокого качества готового продукта.
Целью настоящего изобретения является создание способа пастеризации жидких водосодержащих пищевых продуктов, включающий обработку продуктов ИК-излучением и энергией СВЧ, указанная цель достигается тем, что на первом этапе в течение 5-15 с нагревают продукт энергией ИК-излучения до температуры меньшей температуры пастеризации (стерилизации) на 8-12oC, на втором этапе в течение 0,05-0,2 с энергией СВЧ плотностью мощности в обрабатываемом продукте не менее 680 Вт/см3 нагревают продукт до температуры пастеризации (стерилизации), а на третьем этапе выдерживают температуру пастеризации (стерилизации) в течение 3-6 с энергией СВЧ, составляющей 2-3% от плотности мощности энергии второго этапа.
При удельной плотности СВЧ-энергии более 680 Вт/см3 наведенная на мембранах бактерий напряженность поля достигает более 460 В/см3. В результате этого происходит электрический пробой клеточных мембран и мгновенный разогрев ядра бактерий, который летален для них. При этом происходит также электролитическое обеззараживание вредных соединений (фенолов, альдегидов, пестицидов и т.д.) и нейтрализация ионов тяжелых металлов. На третьем этапе энергией СВЧ, составляющей от 2% до 3% от энергии СВЧ второго этапа, температура пастеризации (стерилизации) в обрабатываемом продукте выдерживается в течение 3 - 6 С для обеспечения гарантированной пастеризации (стерилизации).
Все режимы и характеристики предлагаемого способа окончательно определены экспериментально. Построена установка, реализующая предлагаемый способ, проведены испытания. Как показали испытания, в обрабатываемом продукте происходит полная инактивация микроорганизмов, разрушение микробных токсинов, пестицидов и других вредных соединений, нейтрализация ионов тяжелых металлов, исправление пороков молока (запах силоса). Благодаря кратковременному нагреву максимально сохраняются нативные свойства жидких пищевых продуктов.
Существенные признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, не поддаются самостоятельной квалификации, так как неотделимы от всего способа. Этапы способа и их характеристики окончательно определены экспериментально и позволяют создать высокоэффективный и экономичный способ пастеризации (стерилизации) жидких водосодержащих продуктов. Предлагаемый способ пастеризации (стерилизации) сочетает в себе традиционные методы нагрева, например, нагрев на первом этапе ИК-излучением до температуры, меньшей температуры пастеризации (стерилизации) на 8 - 12oC, и на втором этапе СВЧ-энергией с плотностью СВЧ мощности в обрабатываемом продукте не менее 680 Вт/см3. При воздействии такой плотности СВЧ мощности на обрабатываемый продукт он в течение 0,05 - 0,2 с нагревается до температуры пастеризации (стерилизации).
Ещё один способ пастеризации молока с использованием теплообменников, в которых предварительно нагретое молоко движется навстречу горячей воде или пару. Тепло, вырабатываемое при пастеризации предыдущего объёма молока, используется для нагрева поступающей порции холодной молока. Но, ученые отмечают, у такого способа нагрева есть недостатки. Так, процесс теплообмена ослабевает из-за образования загрязнений на поверхности теплообменника. Поэтому оборудование необходимо регулярно чистить – тратить время и воду. 
Исследователи из Университета Хоэнхайма и Института инженерии и биотехнологий Фраунгофера (Германия) в рамках проекта MicroMilk разработали новый метод пастеризации молока с помощью микроволн. Но при новом способе пастеризации не нужно слишком много энергии, воды и моющих средств.
Данный способ сохраняет ценные компоненты молока, а также подходит для нагрева вязких и концентрированных молочных продуктов. В ближайшее время технологией переработки молока и молочных продуктов ученые поделятся с производителями продуктов питания.
Так, в рамках проекта MicroMilk ученые разработали систему пастеризации с помощью микроволн. Прототип устройства непрерывной микроволновой пастеризации с пропускной способностью 400 литров молока в час был интегрирован в существующий процесс пастеризации на молочном производстве Университета Хоэнхайма. Даже при опытной эксплуатации были очевидны преимущества новой системы. Так как устройство теперь не надо было постоянно очищать, удалось сэкономить время и большие объемы воды. Кроме того, почти в 3 раза быстрее происходит процесс нагревания молока до нужной температуры. Молоко подвергается воздействию высокой температуры только на короткое время, потому большая часть ценных и термочувствительных веществ, особенно белков и витаминов, сохраняется.
По словам ученых, разработанный ими метод микроволновой пастеризации можно использовать для переработки других продуктов с высоким содержанием твердых веществ, таких как концентрат молочной сыворотки.
Микроволновое оборудование для пастеризации представляет собой компактный реактор, который разделен на несколько отсеков. Каждый отсек снабжен собственным магнетроном, генерирующим электромагнитные волны. Микроволновые устройства соединены в волновод, который одновременно действует в качестве нагревательной камеры. Через эту полость молоко течет по специальным трубам. Материал труб не поглощает микроволны и устойчив к воздействию тепла и давления[4].
Во время этого прохода по трубам молоко нагревается и, в отличие от процесса с теплообменником, нагревается иным способом. Когда электромагнитные волны поглощаются молекулами молока, это заставляет молекулы колебаться, и нагревать весь объем молока одновременно.
На молочных производствах с небольшой пропускной способностью новый микроволновой модуль можно интегрировать в уже существующие системы. Это позволит сохранить рентабельность небольшого производства. Для этого подойдет микроволновой блок, позволяющий перерабатывать 2000 литров молока в час. Устройство специально разработано для быстрого нагрева молока с 67 до 72 градусов Цельсия, заменяя обычный теплообменник.
В зависимости от этих факторов различают три режима пастеризации: длительная пастеризация — при температуре 60-63 °С с выдержкой 30 мин; кратковременная — при 74-78 °С с выдержкой20 с; моментальная — при температуре 85-87 °С или 95-98 °С без выдержки.
Выбор режимов пастеризации предопределяется технологическими условиями и свойствами продукта. При содержании в продукте компонентов, отличающихся низкой термоустойчивостью, следует применять длительную пастеризацию. Процесс длительной пастеризации хотя и обеспечивает надежное уничтожение патогенных микробов и наименьшее изменение физико-химических свойств молока, однако требует больших затрат, связанных с использованием малопроизводительного оборудования.
Главное одно – электрофизические методы обработки пищевых продуктов  продолжают оставаться инновационными.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
 1. Дьяченко П.Ф., Коваленко М.С., Грищенко А.Д., Чеботарев А.И.. Технология молока и молочных продуктов, М.: Пищевая промышленность, 1974 г.
2. Рогов И. А., Горбатов А.В.. Физические методы обработки пищевых продуктов, М.: Пищевая промышленность, стр. 404-447.
3. Попова. Н.В. Обеспечение качества восстановленных продуктов переработки молока и интенсификация их производства на основе ультразвуового воздействия/ Попова Н.В.//автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.18.15 Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. г.Кемерово, 2014
4. Сажинов Ю. Г. Влияние магнитного поля на развитие некоторых видов молочнокислых микроорганизмов. / Ю. Г. Сажинов, Г. В. Бовыкина // Тез. докл. 24-го международного Молочного конгресса. – Австралия, Мельбург, 1994. – С. 227.
5. Богуш В.И., Сонохимическая обработка молочных продуктов/ Богуш В.И., Ашоккумар М., Красуля О.Н., Тихомирова П.А., Шестаков С.Д. // Переработка молока. -2011. - № 8. - С. 40-42.