RU2341967C1

RU2341967C1 - Method of production of food emulsions

Info

Publication number: RU2341967C1
Application number: RU2007133858/13A
Authority: RU
Inventors: Сергей Дмитриевич Шестаков (RU); Сергей Дмитриевич Шестаков
Original assignee: Сергей Дмитриевич Шестаков
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2008-12-27

Abstract

FIELD: food processing.

SUBSTANCE: method stipulates introduction of phase into emulsion medium from thin layer on the surface from which into the formed emulsion ultrasound is radiated in the direction, on which projection of the gravity force vector has the same sign as the difference between the medium density and the emulsion phase.

EFFECT: creation of universal method in relation to the type of preparable food emulsions with any proportion of components without reduction of their dispersity and homogenity.

1 tbl

Description

Изобретение относится к способам приготовления пищевых эмульсий, состоящих преимущественно из жидких жиров и воды, с использованием ультразвука. Получаемые этим способом эмульсии могут также содержать способствующие их стабилизации компоненты в виде мелкодисперсных твердых частиц и/или жидкостей, имеющих двойственную растворимость. Используемая для приготовления эмульсии вода может содержать растворенные в ней вещества, а жировой компонент может быть сам растворен в каком-либо растворителе или также содержать растворенные вещества.The invention relates to methods for preparing food emulsions, consisting mainly of liquid fats and water, using ultrasound. The emulsions obtained by this method may also contain components that contribute to their stabilization in the form of finely divided solid particles and / or liquids having dual solubility. The water used to prepare the emulsion may contain substances dissolved in it, and the fat component may itself be dissolved in some solvent or may also contain dissolved substances.

Преимущественная область применения изобретения - приготовление эмульсий на основе низкоплавких жиров, например, вкусоароматических эмульсий эфирных масел, либо хлебопекарных эмульсий воды в растительных жирах.The preferred field of application of the invention is the preparation of emulsions based on low-melting fats, for example, aromatic emulsions of essential oils, or baking emulsions of water in vegetable fats.

Изобретение может быть использовано для приготовления эмульсионных косметических и гигиенических средств.The invention can be used for the preparation of emulsion cosmetic and hygiene products.

Известен способ ультразвукового приготовления эмульсий, в соответствии с которым компоненты располагают перед смешиванием таким образом, чтобы толщина слоя каждого из них составляла половину длины волны ультразвука в нем, а плоскую ультразвуковую волну направляют перпендикулярно границе их раздела [С.А.Недужий, Акустический журнал, 7 (265), 1961]. То есть границу раздела компонентов эмульсии располагают в плоскости пучности колебательного смещения ультразвуковой волны. Достижению указанного ниже технического результата при использовании данного способа препятствует то обстоятельство, что соотношение компонентов в эмульсии, полученной таким способом, будет зависеть от скорости звука в них. Поэтому таким способом невозможно получить эмульсию с произвольным соотношением компонентов.There is a method of ultrasonic preparation of emulsions, according to which the components are placed before mixing so that the layer thickness of each of them is half the wavelength of the ultrasound in it, and a plane ultrasonic wave is directed perpendicular to the interface [S.A. Neduzhiy, Acoustic Journal, 7 (265), 1961]. That is, the interface of the components of the emulsion is placed in the antinode plane of the vibrational displacement of the ultrasonic wave. The achievement of the following technical result when using this method is hindered by the fact that the ratio of the components in the emulsion obtained in this way will depend on the speed of sound in them. Therefore, in this way it is impossible to obtain an emulsion with an arbitrary ratio of components.

Известен способ ультразвукового эмульгирования растительного масла в воде [RU 2151783, 2000], где в состав компонентов эмульсии перед началом эмульгирования добавляют твердую фазу, в качестве которой используют хлебопекарную муку. В процессе эмульгирования мука становится основой разделительного слоя на границе водной среды и диспергируемой жировой фазы, стабилизируя эмульсию. Недостаток способа состоит в том, что для стабилизации эмульсии в ней используется только хлебопекарная мука, не всегда сочетающаяся с продуктом, косметическим или гигиеническим средством, в составе которого либо в качестве которого эмульсия в принципе может быть использована. Это ограничивает область применения приготовленных таким способом эмульсий и препятствует достижению указанного ниже технического результата.A known method is the ultrasonic emulsification of vegetable oil in water [RU 2151783, 2000], where a solid phase is added to the composition of the emulsion components before emulsification, as baking flour is used. In the process of emulsification, flour becomes the basis of the separation layer at the interface between the aqueous medium and the dispersible fat phase, stabilizing the emulsion. The disadvantage of this method is that to stabilize the emulsion, it uses only baking flour, which is not always combined with a product, cosmetic or hygiene product, in the composition of which or as an emulsion, in principle, can be used. This limits the scope of the emulsions prepared in this way and prevents the achievement of the technical result indicated below.

Известны способы приготовления пищевых эмульсий, при которых компоненты механически смешивают и подвергают полученную смесь ультразвуковому диспергированию путем рециркуляции относительно источника ультразвука при произвольно заданной температуре процесса [RU 2055479, 1996] или с интенсивностью ультразвука, зависящей от скорости звука в эмульсии, ее плотности и гиростатического давления в ней [RU 2304460, 2007]. Общим недостатком, препятствующим получению сформулированного ниже технического результата этими способами, является то, что навсегда удается механически смешать компоненты так, чтобы получить заданный тип эмульсии даже при последующем ее ультразвуковом диспергировании. Известно, что при механическом смешивании компонентов, особенно когда их объемы приблизительно одинаковы, эмульсия получается в виде смеси эмульсий прямого и обратного типов. В любом случае она является множественной, то есть, содержащей в качестве фазы эмульсию же противоположного типа, что приводит к структурной неустойчивости всей такой полидисперсной системы [С.Д.Шестаков, Хранение и переработка сельхозсырья, 3, 2003], которая становится частично подверженной инверсии. Для предотвращения этого используют предварительную обработку воды ультразвуковой кавитацией [RU 2183986, 2000, RU 2279918, 2004], что является усложнением процесса и выходит за рамки предмета настоящего изобретения.Known methods for the preparation of food emulsions, in which the components are mechanically mixed and subjected to ultrasonic dispersion of the resulting mixture by recirculation relative to the ultrasound source at an arbitrarily set process temperature [RU 2055479, 1996] or with ultrasound intensity depending on the speed of sound in the emulsion, its density and gyrostatic pressure in it [RU 2304460, 2007]. A common drawback that impedes the preparation of the technical result formulated below by these methods is that it is possible to permanently mechanically mix the components in such a way as to obtain a given type of emulsion even with its subsequent ultrasonic dispersion. It is known that during mechanical mixing of components, especially when their volumes are approximately the same, the emulsion is obtained in the form of a mixture of emulsions of direct and inverse types. In any case, it is multiple, that is, containing as the phase an emulsion of the opposite type, which leads to structural instability of such a polydisperse system [SD Shestakov, Storage and processing of agricultural raw materials, 3, 2003], which becomes partially subject to inversion . To prevent this, pre-treatment of water with ultrasonic cavitation is used [RU 2183986, 2000, RU 2279918, 2004], which is a complication of the process and is beyond the scope of the subject of the present invention.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ приготовления эмульсии посредством введения эмульсионной фазы в среду эмульсии из тонкого слоя, образуемого на поверхности, с которой в эмульсию излучается ультразвук [RU 2172207, 2001]. Этот способ принят за прототип.The closest analogue of the invention is a method for preparing the emulsion by introducing the emulsion phase into the medium of the emulsion from a thin layer formed on the surface with which ultrasound is emitted into the emulsion [RU 2172207, 2001]. This method is adopted as a prototype.

Недостатком этого принятого за прототип способа приготовления эмульсий, не позволяющим достигнуть технического результата изобретения, является следующее обстоятельство. Как следует из описания прототипа, он предназначен преимущественно для приготовления эмульсий обратного типа - олеофильных. При этом среда эмульсии (жир) находится перед началом процесса эмульгирования поверх излучателя ультразвука, а распространение ультразвуковой волны направлено против силы тяжести. Поэтому фаза эмульсии (вода) растекается по излучающей ультразвук поверхности, на которую подается по каналам в акустическом трансформаторе, в виде тонкого слоя, так как имеет более высокую плотность, чем жир. Если же этим способом попытаться приготовить эмульсию прямого типа, не меняя при этом ориентацию излучателя относительно гравитации, то подаваемая фаза (в этом случае - жир) будет всплывать, практически не образуя тонкого слоя на поверхности излучателя, поскольку все жидкие пищевые жиры имеют меньшую, чем у воды плотность. В этом случае прототип фактически выродится в описанный выше аналог с присущими ему недостатками.The disadvantage of this adopted as a prototype of the method of preparation of emulsions, which does not allow to achieve the technical result of the invention, is the following circumstance. As follows from the description of the prototype, it is intended primarily for the preparation of emulsions of the inverse type - oleophilic. In this case, the emulsion medium (fat) is before the emulsification process begins on top of the ultrasound emitter, and the propagation of the ultrasonic wave is directed against gravity. Therefore, the phase of the emulsion (water) spreads over the surface emitting ultrasound, which is fed through the channels in the acoustic transformer, in the form of a thin layer, since it has a higher density than fat. If in this way we try to prepare a direct emulsion without changing the orientation of the emitter relative to gravity, then the supplied phase (in this case, fat) will float up, practically without forming a thin layer on the surface of the emitter, since all liquid edible fats have less than water density. In this case, the prototype actually degenerates into the analogue described above with its inherent disadvantages.

Техническим результатом изобретения является создание способа универсального в отношении типа приготавливаемых им пищевых эмульсий с любым соотношением компонентов без снижения их дисперсности и гомогенности.The technical result of the invention is the creation of a universal method in relation to the type of food emulsions prepared by it with any ratio of components without reducing their dispersion and homogeneity.

Сущность изобретения состоит в следующем. В соответствии с законом Стокса скорость всплытия частиц жира в эмульсии прямого типа или оседания частиц воды в обратной эмульсии под воздействием гравитации пропорциональна квадрату линейного размера этих частиц. Обобщенной характеристикой размера частиц фазы эмульсии является ее дисперсность, которая измеряется отношением суммарной поверхности частиц к их суммарному объему. Перемещения частиц фазы под действием гравитации ведут к увеличению ее концентрации в верхней или нижней части объема в зависимости от типа эмульсии, что в свою очередь приводит к коалесценции фазы и расслоению эмульсии. Дисперсность и гомогенность эмульсии, как показано выше, в том числе зависят от способа ввода фазы в среду при эмульгировании. Оптимальным в отношении получения высокой дисперсности при ультразвуковом способе приготовления олеофильных эмульсий является способ ввода фазы из тонкого слоя на излучающей поверхности. Чтобы это обеспечить при получении эмульсии любого типа следует учесть разность плотности компонентов и правильно расположить источник ультразвука относительно направления силы тяжести.The invention consists in the following. In accordance with the Stokes law, the rate of rise of fat particles in a direct type emulsion or sedimentation of water particles in a reverse emulsion under the influence of gravity is proportional to the square of the linear size of these particles. A generalized characteristic of the particle size of an emulsion phase is its dispersion, which is measured by the ratio of the total surface of the particles to their total volume. The movement of phase particles under the action of gravity leads to an increase in its concentration in the upper or lower part of the volume, depending on the type of emulsion, which in turn leads to phase coalescence and separation of the emulsion. The dispersion and homogeneity of the emulsion, as shown above, also depend on the method of introducing the phase into the medium during emulsification. The best way to obtain high dispersion in the ultrasonic method of preparing oleophilic emulsions is the method of introducing a phase from a thin layer on a radiating surface. To ensure this, upon receipt of an emulsion of any type, one should take into account the difference in the density of the components and correctly position the ultrasound source relative to the direction of gravity.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что при ультразвуковом приготовлении пищевых эмульсий фазу эмульсии вводят из тонкого слоя на поверхности, с которой излучают в образующуюся эмульсию ультразвук в направлении, проекция вектора силы тяжести на которое имеет тот же знак, что и разность плотностей среды и фазы эмульсии.The technical result of the invention is achieved due to the fact that during ultrasonic preparation of food emulsions, the emulsion phase is introduced from a thin layer on the surface from which ultrasound is emitted into the emulsion in the direction, the projection of the gravity vector onto which has the same sign as the difference in density of the medium and emulsion phases.

Предложенный способ экспериментально сравнивали с прототипом при получении эмульсии прямого типа из одной части 20%-ного спиртового раствора укропного эфирного масла и четырех частей питьевой воды по объему. В качестве источника ультразвука использовали ультразвуковой процессор типа UIP250 фирмы Hielscher systems GmbH (Германия) с коэффициентом трансформации амплитуды колебаний, равным единице. При реализации прототипа акустический трансформатор вводили в емкость с водой снизу, как это указано в его описании. Разность плотностей среды (воды) и фазы эмульсии (эфирного масла) положительна, а направление распространения ультразвука в этом случае противоположно вектору силы тяжести, то есть длина проекции на него этого вектора является отрицательной величиной. Поэтому при реализации заявленного способа ультразвук излучали в емкость сверху в соответствии с отличительным признаком изобретения. Раствор укропного масла принудительно подавали на излучающую ультразвук поверхность через капилляр со скоростью около четверти миллилитров в секунду. Эмульсии перемешивались естественным образом за счет порождаемых ультразвуком акустических течений.The proposed method was experimentally compared with the prototype when obtaining a direct type emulsion from one part of a 20% alcohol solution of dill essential oil and four parts by volume of drinking water. An ultrasound processor of the UIP250 type manufactured by Hielscher systems GmbH (Germany) with a vibration amplitude transformation coefficient of unity was used as an ultrasound source. When implementing the prototype, an acoustic transformer was introduced into the tank with water from below, as indicated in its description. The difference between the densities of the medium (water) and the phase of the emulsion (essential oil) is positive, and the direction of propagation of ultrasound in this case is opposite to the gravity vector, that is, the length of the projection of this vector onto it is a negative value. Therefore, when implementing the inventive method, ultrasound was radiated into the tank from above in accordance with the distinguishing feature of the invention. A solution of dill oil was forcibly applied to the surface emitting ultrasound through the capillary at a speed of about a quarter milliliters per second. The emulsions were naturally mixed due to the acoustic currents generated by ultrasound.

Для сравнения содержания фазы в образцах эмульсий, характеризующего эффективность ее введения в среду под действием ультразвука и без механического смешивания, в пробах, взятых из образцов сразу же после их приготовления с помощью анализатора влажности МХ-50 A&D Company Ltd (Япония), было измерено содержание жирового компонента по массе. Сравнение стойкости эмульсий производилось фотометрическим методом. Для этого у проб каждого из образцов, взятых из верхней и нижней части объема мерной емкости после суточного отстаивания с помощью спектрофотометра СФ-46, были измерены коэффициенты пропускания в красной области спектра и вычислено их отношение.To compare the phase content in emulsion samples, characterizing the efficiency of its introduction into the medium under the action of ultrasound and without mechanical mixing, in samples taken from samples immediately after their preparation using a moisture analyzer MX-50 A&D Company Ltd (Japan), the content was measured fat component by weight. Comparison of the stability of emulsions was carried out by the photometric method. For this purpose, the samples of each of the samples taken from the upper and lower part of the volume of the measured capacity after daily sedimentation using an SF-46 spectrophotometer measured the transmission coefficients in the red region of the spectrum and calculated their ratio.

Полученные средние по пяти замерам результаты приведены в таблице.The average values obtained for five measurements are shown in the table.

ПАРАМЕТРPARAMETER СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯCOOKING METHOD прототипprototype заявленныйdeclared Объемное содержание эфирного масла, %The volume content of essential oil,% 3,86±0,193.86 ± 0.19 4,32±0,104.32 ± 0.10 Отношение оптических коэффициентов пропускания, отн.ед.Optical transmittance ratio, rel. 0,94±0,010.94 ± 0.01 0,96±0,010.96 ± 0.01

Из таблицы видно, что в процессе приготовления эмульсии заявленным способом за одно и то же время эмульгируется большее количество жирового компонента, нежели при использовании прототипа, а стойкость этой эмульсии к изменению под воздействием гравитации распределения фазы по объему не отличается в худшую сторону. Это говорит о том, что технический результат изобретения достигнут в части обеспечения требуемой гомогенности и дисперсности получаемых эмульсий. Ясно, что при приготовлении эмульсий обратного типа в соответствии с признаками прототипа и заявленного изобретения расположение излучателя ультразвука должно быть одинаковым в обоих случаях, что предполагает и получение одинаковых результатов. Следовательно, технический результат достигается и в части универсальности заявленного способа по отношению к типу приготавливаемых эмульсий.The table shows that in the process of preparing the emulsion by the claimed method, a greater amount of the fat component is emulsified at the same time than when using the prototype, and the resistance of this emulsion to change under the influence of gravity of the phase distribution in volume does not differ for the worse. This suggests that the technical result of the invention is achieved in terms of ensuring the required homogeneity and dispersion of the resulting emulsions. It is clear that when preparing the reverse type emulsions in accordance with the features of the prototype and the claimed invention, the location of the ultrasound emitter should be the same in both cases, which implies the same results. Therefore, the technical result is achieved in terms of the versatility of the claimed method in relation to the type of prepared emulsions.

Таким образом, сравнение заявленного способа с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что отличительный признак заявленного способа является существенным по отношению к указанному техническому результату. Заявителем не выявлено каких-либо известных решений, касающихся установления требований к направлению излучения ультразвука при приготовлении пищевых эмульсий в зависимости от их типа.Thus, a comparison of the claimed method with the prototype, which is the closest analogue of the technical solutions characterizing the prior art known to the applicant in the field of the subject of the invention, shows that the distinguishing feature of the claimed method is significant in relation to the specified technical result. The applicant has not identified any known solutions regarding the establishment of requirements for the direction of ultrasound radiation in the preparation of food emulsions, depending on their type.

Для приготовления в промышленном масштабе заявленным способом, например, 5%-ной вкусоароматической эмульсии эфирного масла или смеси эфирных масел может быть использован индустриальный ультразвуковой процессор UIP 2000 фирмы Hielscher systems GmbH. Излучение ультразвука и подача фазы на излучающую поверхность может осуществляться посредством акустического трансформатора, например по [RU 2183141, 2000], снабженного каналами аналогично [RU 2183986, 2000]. При этом в соответствии с отличительным признаком изобретения излучающая поверхность трансформатора должна погружаться в среду эмульсии (воду) сверху. При обеспечении параметров эмульсии, которые были получены при экспериментальном сравнении изобретения с его прототипом, описанный аппарат позволит получать до 200 литров эмульсии в час.For industrial preparation by the claimed method, for example, a 5% aromatic emulsion of essential oil or a mixture of essential oils, an industrial ultrasonic processor UIP 2000 from Hielscher systems GmbH can be used. Ultrasound radiation and phase supply to the radiating surface can be carried out by means of an acoustic transformer, for example according to [RU 2183141, 2000], equipped with channels similarly to [RU 2183986, 2000]. Moreover, in accordance with the distinguishing feature of the invention, the radiating surface of the transformer must be immersed in the medium of the emulsion (water) from above. When providing the parameters of the emulsion, which were obtained by experimental comparison of the invention with its prototype, the described apparatus will allow you to get up to 200 liters of emulsion per hour.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления изобретения с помощью описанных и известных средств и методов и достижения при этом указанного выше технического результата.The above information indicates the possibility of carrying out the invention using the described and known means and methods and achieving the above technical result.

Claims

The method of ultrasonic preparation of food emulsions, characterized in that the phase of the emulsion is introduced from a thin layer on the surface from which ultrasound is emitted into the emulsion in the direction, the projection of the gravity vector onto which has the same sign as the difference in density of the medium and phase of the emulsion.