Введение Сухие кисломолочные продукты занимают особое место в молочной промышленности. В настоящее время существенно расширяется их ассортимент и качественно изменяется подход к продуктам питания данной группы, а также существенно расширяется сфера их применения [1]. Сухие кисломолочные продукты являются основой для создания группы мультисимбиопробиотиков - биологически активных добавок, совмещающих пробиотические свойства микроорганизмов, работающих в симбиозе и включающих пребиотические компоненты [2]. Один из возможных способов получения таких продуктов - распылительная сушка [3-6]. Минимальная потеря продуктом полезных свойств - важнейшее преимущество распылительной сушки перед другими (тепловая, СВЧ, вакуумная сушка). Это преимущество обусловлено возможностью использования пониженных температурных режимов процесса (температура продукта не превышает 60 °C) за счет формируемой распылением огромной поверхности контакта сырья (до 200 м2/кг) с сушильным агентом (воздухом). Такой способ сушки успешно реализуется в ряде отечественных и зарубежных промышленных распылительных сушилок [4, 7-9]. Однако большинство современных распылительных сушилок непригодно для сушки кисломолочных продуктов и других бактериальных суспензий. Это вызвано жесткими ограничениями по температуре продукта (как правило, не более 40…45 °C), обусловленными необходимостью сохранить жизнеспособность микроорганизмов в процессе сушки. Попытки практической реализации сушки при указанных невысоких температурах в рамках существующих конструкций распылительных сушилок приводят к недопустимому снижению производительности процесса, которое усугубляется уносом мелкой фракции готового продукта (менее 10 мкм), трудноулавливаемойциклонами. При этом высокая востребованность сухих кисломолочных продуктов определяет актуальность модернизации существующих способов, а также поиска новых технологичных методов сушки и разработки их аппаратурного оформления. Один из возможных путей повышения эффективности низкотемпературной распылительной сушки кисломолочных продуктов - применение ультразвукового (УЗ) воздействия при распылении сырья и при взаимодействии сформированных распылением капель с потоком сушильного агента. УЗ распыление позволяет сформировать более однородный факел распыла (по сравнению с пневматическим распылением) [10-13], что исключает унос продукта из-за низкого содержания мелкой фракции (частиц размером менее 10 мкм). Применение УЗ колебаний на стадии взаимодействия капель с сушильным агентом интенсифицирует процесс испарения влаги (за счет увеличения коэффициента диффузии) [14-16], что дает возможность снизить температуру сушки до величины, не влияющей на выживаемостьбактерий. Вместе с тем очевидно, что УЗ воздействие будет оказывать влияние на жизнеспособность микроорганизмов в процессе сушки. Поскольку численность живых микроорганизмов - важнейшая характеристика сухих кисломолочных продуктов, цель исследований - определение влияния ультразвука на сохранность бактерий при распылительной сушке. Объект и методы исследований В качестве объекта исследований, подвергавшегося распылительной сушке с применением ультразвука, использовался кисломолочный продукт, предназначенный для питания детей раннего возраста, - «Бифилин Д лакто», производимый ОАО «Модест», Россия, Алтайский край, г. Барнаул, согласно ТУ 9222-460-00419785-09 [17]. Количество бифидобактерий (Bifidobacterium adolescentis, штамм МС-42) в продукте составило 79,5·106 КОЕ/г, молочнокислых бактерий (Lactobacillus acidophilus, Streptococcus thermophilus) - 41·107 КОЕ/г. Массовая доля влагив продукте составила 89,76 %. Возможность применения ультразвуковых колебаний для распылительной сушки кисломолочных продуктов определялась на специально разработанной экспериментальной установке, технологическая схема которойприведена на рис. 1. Экспериментальная установка состоит из сушильной камеры (вертикальный цилиндр размерами Ø600x2000 мм с коническим днищем), систем подготовки и подачи воздуха и исходного сырья в зону сушки, отвода и разделения смеси высушенного продукта с отработанным сушильным агентом, а также ультразвукового распылителя и ультразвукового излучателя, предназначенного для повышения эффективности процесса сушки. Созданная установка обеспечивает сушку с производительностью до 4,4 л/ч (по сырью) при расходе воздуха не более 340 м3/ч (в пересчете на нормальные условия). Во всех экспериментах температура сушильного агента на входе была одинаковой и составляла 78 °C. Температура воздуха на выходе - не более 40 °C. Рис. 1. Технологическаясхемаэкспериментальной установки дляисследованияпроцессараспылительной сушки с применением УЗ воздействия: Ф - УЗ распылитель илифорсунка; Б1 - бункер влажного материала; Б2 - бункер высушенного материала; РС - распылительная сушилка; К - калорифер; Ц - циклон; В - вентилятор; Др - дроссель; ПН - перистальтический насос; РВП - распределительвоздушных потоков; Кр - компрессор; РОД - регулятор оборотов двигателя; ГУЗЧ - генератор ультразвуковой частоты; УЗ ИЗ - ультразвуковой излучатель Ультразвуковое воздействие осуществлялось в ходе протекания каждой из двух основных стадий процесса: а) распыления жидкости; б) взаимодействие сформированных распылением капель с потоком сушильного агента (воздуха). Для определения влияния ультразвукового воздействия на жизнеспособность микроорганизмов на стадии распыления экспериментальные исследования проводились с использованием пневматического и ультразвукового распылителей (обозначение Ф на технологическойсхеме, рис. 1). В качестве пневматического распылителя использовался стандартно выпускающийся распылитель типа HYVST LVMP. Фото ультразвукового распылителя в комплекте с электронным генератором высокочастотных колебаний представлено на рис. 2 [18]. Рис. 2. Фото ультразвукового распылителя Ультразвуковой распылитель имеет следующие техническиехарактеристики (табл. 1). Таблица 1 Таблица 2 Основные технические Основные технические характеристики характеристикиультразвуковогораспылителя ультразвуковоготехнологическогоаппарата для воздействиянагазовыесреды Параметр Значение Мощность, ВА, не более 100 Частота ультразвуковых колебаний, кГц 60±4,0 Питание от сети переменного тока напряжением, В 220±22 Амплитуда колебаний рабочего инструмента, мкм 20-30 Габаритные размеры: электронный генератор, мм колебательная система, мм 300×300×80 Ø70×60 Вязкость распыляемой жидкости, мПа·с 1-4 Средний размер распыляемых частиц, мкм 31 Производительность (по воде), мл/с, не более 1,2 Для определения влияния ультразвука на численность бактерий кисломолочный продукт распылялся в предварительно стерилизованные герметичные колбыобъемом 200 мл. Определение численности бактерий производилось глубинным методом с использованием двух питательных сред (производитель ФБУН «Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии», г. Оболенск, РФ): бифидумсреды по ТУ 9398-041-78095326-2008 и лактобакагара по ТУ 9398-104-7809532602010. Культивирование осуществлялось при температуре (37±1) °Св течение 60-72 ч. Для определения влияния УЗ колебаний высокой интенсивности на жизнеспособность микроорганизмов в высыхающих каплях был использован УЗ излучатель с рабочим инструментом в виде изгибно-колеблющегося диска (обозначение УЗ ИЗ на технологической схеме, см. рис. 1) [19], позволяющий создавать в объеме сушильной камеры акустическое поле с уровнем звукового давления более 140 дБ. Фото аппарата (УЗ излучатель в комплекте с генератором электрических колебаний) для воздействия на газовые среды (капли распыленного кисломолочного продукта, находящиеся в среде сушильного агента) представлено на рис. 3, а его технические характеристики - в табл. 2. аб Рис. 3. Ультразвуковойтехнологический аппарат для воздействия нагазовые среды: а - дисковыйизлучатель; б - электронныйгенератор Параметр Значение Мощность, ВА, не более 140 Максимальный уровень звукового давления (в пределах 1 м от поверхности рабочего инструмента), дБ, не менее 150 Рабочая частота механических колебаний, кГц 22±1,65 Диаметр рабочего инструмента, мм, не более 320 Габаритные размеры, мм: электронный генератор колебательная система 300×300×130 Ø320×380 Для анализа численности бактерий после сушки с применением УЗ воздействия использовалась методика, аналогичная методике определения численности бактерий при распылении. Далее представлены результаты экспериментальных исследований численности бактерий в высушиваемом материале при ультразвуковом и пневматическом распылении, а также при УЗ воздействии на сформированную распылением воздушно-капельную взвесь. Результаты и их обсуждение Полученные результаты, позволяющие оценить влияние ультразвукового и пневматического способов распыления на численность бактерий, представлены в табл. 3. Таблица 3 Зависимостьчисленностибактерий от способа распыления кисломолочного продукта Количество Количество Вариант опыта молочнокислых бактерий, млн бифидобактерий, КОЕ/мл млн КОЕ/мл Пневматическое распыление 530,0 91,0 Ультразвуковое распыление 47,5 3,9 Установлено, что ультразвуковое распыление приводит к сокращению численности молочнокислых бактерий более чем в 10 раз, бифидобактерий более чем в 20 раз. Причина этого заключается в том, что ультразвуковое воздействие, осуществляемое при распылении кисломолочного продукта, сопровождается возникновением кавитационных явлений, вызывающих образование микроударных волн с амплитудой давления до 100 МПа и локальными повышениями температуры в ядрах кавитационных пузырьков до 5000 К [20], приводящих к разрушению мембран бактерий [21-25]. Таким образом, УЗ способ распыления неприменим для сушки кисломолочных продуктов, поскольку не обеспечивает жизнеспособность молочнокислых и бифидобактерий. Вместе с тем полученные экспериментальные данные свидетельствуют об эффективном уничтожении микроорганизмов в результате УЗ распыления. Это свидетельствует о возможности его применения при распылительной сушке, в частности, растительных экстрактов и лекарственных препаратов. При этом УЗ распыление не только сформирует однородный факел распыла, но и обеспечит частичную стерилизацию продукта. Далее представлены результаты экспериментальных исследований влияния УЗ колебаний высокой интенсивности на жизнеспособность микроорганизмов в высыхающих каплях. Экспериментальные исследования, направленные на определение выживаемости бактерий при сушке и ультразвуковом воздействии на капли распыленного кисломолочного продукта, находящиеся в среде сушильного агента, проводились с использованием дискового излучателя (см. рис. 3а). Создаваемый излучателем уровень звукового давления в сушильной камере составлял 140…151 дБ. Измеренные значения уровня звукового давления в различных точках сушильной камеры представлены в табл. 4. Нумерация точек в табл. 4 осуществлена в соответствии с технологической схемой, представленной на рис. 1. Таблица 4 Уровни звукового давления в разныхточках сушильной камеры Уровень зву Номер точки кового давле ния, дБ 1 (1,4 м) 147 2 (1,2 м) 151 3 (1,0 м) 147 4 (0,8 м) 146 5 (0,6 м) 145 6 (0,4 м) 147 7 (0,2 м) 150 8 (0 м) 140 9 (выход) 140 Полученные результаты по численности бактерий после сушки с применением ультразвукового воздействия представлены в табл. 5. Поскольку контрольный образец (исходный продукт) представляет собой жидкую суспензию и массы сухих веществ в опытных и контрольном (высушенных с применением и без УЗ колебаний) образцах различаются, то полученные данные представлены в пересчете на 1 г сухого вещества согласно выражению (1): N N0 100% , (1)  где ω - массовая доля сухого вещества в образце, %; N - количество бактерий в образце, млн КОЕ/мл; N0 - приведенное количество бактерий (в пересчете на 1 г сухого вещества), млнКОЕ/мл. Таблица 5 Численность бактерийпри взаимодействиисырья с потоком воздуха в сушильной камере (в пересчете на 1 гсухоговещества) Вариант опыта Количество молочнокислых бактерий, млн КОЕ/мл Количество бифидобактерий, млн КОЕ/мл Контрольный образец (исходный продукт) 1193,4 219,7 Продукт, высушенный с применением УЗ колебаний 48,9 1,2 Продукт, высушенный без применения УЗ колебаний 405,4 5,5 Как следует из представленных результатов, ультразвуковые колебания высокой интенсивности эффективны для уничтожения микроорганизмов и при воздействии на капли распыленного кисломолочного продукта, находящиеся в среде сушильного агента (в частности, численность молочнокислых бактерий сокращается более чем в 24 раза, бифидобактерий - более чем в 180 раз). По-видимому, это обусловлено тем, что при уровне звукового давления более 140 дБ в среде происходит деформация капель высушиваемого материала, приводящая кразрушению мембраны бактерий. Согласно полученным результатам УЗ воздействие неприменимо ни для распыления, ни для сушки кисломолочных продуктов. Однако воздействие УЗ колебаниями может быть рекомендовано для распылительной сушки термолабильных растительных экстрактов и лекарственных препаратов и на стадии испарения наряду с распылением. Это не только интенсифицирует процесс сушки, но и обеспечиваетчастичную стерилизацию продукта. Заключение В результате проведения экспериментальных исследований показано, что УЗ воздействие при распылительной сушке кисломолочных продуктов как на стадии распыления, так и на стадии взаимодействия капель с потоком сушильного агента не обеспечивает выживаемость микроорганизмов. В частности, установлено: Ультразвуковое распыление приводит к разрушению бактерий (число снижается более чем в 10 раз) всравненииспневматическим распылением. Поскольку ультразвуковое распыление обеспечивает формирование факела распыла с малым разбросом размеров капель относительно среднего значения (практически полностью отсутствует мелкодисперсная фракция размером менее 10 мкм, трудно улавливаемая циклонами), оно может быть использовано для формирования капель с одновре менным снижением количества болезнетворных бактерий. Для обеспечения повышенной скорости массообмена в условиях низкой температуры сушильного агента рабочая частота распылителя должна быть не ниже 60 кГц (средний диаметр формируемых капель не более 35 мкм). Ультразвуковое воздействие на воздушнокапельную взвесь при взаимодействии капель с сушильным агентом приводит к сокращению численности бактерий до 180 раз и более (при уровне звукового давления в объеме сушильной камеры 140...152 дБ на частоте 22 кГц). Таким образом, ультразвуковое воздействие неприменимо для сушки кисломолочных продуктов (бактериальных суспензий) вплоть до стадии взаимодействия капель с нагретым воздухом. Поэтому один из возможных путей повышения эффективности распылительной сушки бактериальных суспензий - уменьшение размеров распыляемых капель (чтобы увеличить поверхность контакта фаз и использовать меньшие температуры для испарения влаги) и дальнейшая ультразвуковая коагуляция частиц сухого продукта с целью повышения эффективности его улавливания. Для определения выживаемости микроорганизмов при УЗ коагуляции сухого продукта необходимы дальнейшие исследования. УЗ воздействие может быть рекомендовано для сушки термолабильных растительных экстрактов и лекарственных препаратов, требующих стерилизации продукта. Исследование выполнено при финансовой поддержкегранта ПрезидентаРФ № МК-957.2014.8.