Разработка кислотно-кавитационной технологии пектина из растительного сырья

На правах рукописи

ТЫЩЕНКО ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ РАЗРАБОТКА КИСЛОТНО-КАВИТАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕКТИНА ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ Специальность 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в Федеральном Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» кандидат технических наук, доцент

Научный консультант:

Попов Валерий Павлович

Официальные оппоненты: Гореньков Эдуард Семёнович доктор технических наук, профессор, ВНИИ консервной и овощесушильной промышленности, заместитель директора по научной работе Ипатова Лариса Григорьевна доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств, доцент кафедры «Органическая, пищевая и биохимия» ФГБОУ ВПО «Башкирский

Ведущая организация:

государственный аграрный университет»

Защита состоится «31» мая 2013 года в 1100 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.122.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления» имени К.Г. Разумовского по адресу: 109004, г. Москва, ул. Земляной вал, д.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГУТУ имени К.Г. Разумовского» Отзывы высылать по адресу: 109004, г. Москва, ул. Земляной вал, д

Автореферат разослан: «29» апреля 2013 года Учёный секретарь Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.122. кандидат технических наук, доцент Н.С. Конотоп

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена решению технологических задач производства пектина, связанных с совершенствованием процесса экстрагирования, а также оптимизации технологии с использованием растительного сырья, характерного для Оренбургской области.

В настоящий момент производство пектина в России отсутствует в связи с рядом причин. Одной из главных проблем является сильное отставание в технологии пектина по сравнению с западными фирмами-производителями, держащими параметры производства в строжайшей тайне. Применявшийся ранее в России способ производства пектина не позволял получить конкурентно способный продукт, кроме этого применение высококонцентрированной кислоты вызывало быстрый износ многих частей оборудования. В результате предприятия-производители российского пектина были не в состоянии окупить производство. Еще одной проблемой классической технологии пектина является образование большого количества токсичных отходов. Применение высококонцентрированной соляной кислоты негативно сказывается как на качестве получаемого продукта и на износе оборудования, так и на условиях труда работников. В связи с этим актуальным остается вопрос безопасности производства пектина, связанный со снижением концентрации применяемых реагентов.

В регионах с развитой сельскохозяйственной инфраструктурой и с высокой потребностью пектина необходима разработка новых энерго- и ресурсосберегающих технологий производства данного вида продукта.

В России имеется достаточная сырьевая база для организации производства пектина. Так, ежегодно в Оренбургской области отводится под посев: свеклы сахарной – 150,01 га (3750,25-4050,27 т), подсолнечника на зерно – 436117.37 га (9594582,14 т), тыква столовая – 578 га (17340-20230 т), арбузы столовые – 7831.16 га (313246,4 т), бахчевые кормовые культуры – 470.12 га. На корнеплодные кормовые культуры, включая свеклу сахарную на корм скоту отводится – 465.50 га Кроме того известно, что столовые арбузы, занимающие 7831,16 га, не являются экономически выгодным сырьем для производства пектина, большинство хозяйств согласны перейти на выращивание кормовых сортов арбузов, в случае гарантированной реализации.

Вопросы оптимизации производства пектина исследовались в трудах отечественных и зарубежных ученых как: Н.С. Карпович, Л.В. Донченко, А.М.

Богус,.И. Шаззо, А.А. Кочеткова, М.Л., В.Н. Голубев и ряда других.

Многие альтернативные способы получения пектина предлагают замену традиционной кислотной обработке – физическое воздействие на растительные клетки. Основным из таких способов является применение эффекта кавитации.

Российскими исследователями предлагалось несколько вариантов использования кавитации для экстрагирования пектина. Однако исследований возможности взаимодействия кислотного гидролиза и кавитационной обработки проводилось недостаточно.

Таким образом, кислотно-кавитационная технология экстрагирования сырья может обеспечить не только мягкие условия его переработки, улучшающие технологические показатели пектина, но и высокий выход пектина.

Производство пектина в Оренбургской области поможет более эффективно проводить профилактику многих заболеваний населения благодаря полезным медицинским свойствам пектина, а также обеспечить недорогим высококачественным продуктом.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка и научное обоснование технологии пектина, на основе интенсификации процесса гидролиза-экстрагирования пектина из растительного сырья с использованием ультразвуковой кавитации.

Для выполнения заданной цели были поставлены следующие задачи:

- провести анализ состояния производства пектина, в результате которого обосновать применение кавитационного воздействия на растительное сырье с целью извлечения пектиновых веществ;

- исследовать растительное сырьё, позволяющее получить пектин с высокими качественными показателями;

- разработать технологию пектина с использованием кавитационной установки, моделирующей процесс кислотно-кавитационного экстрагирования и определить его параметры;

- разработать математическую модель процесса кислотно-кавитационного экстрагирования, учитывающую влияние основных технологических параметров на его качественные и количественные показатели, на базе которой провести оптимизацию технологического процесса;

- провести апробацию и оценить экономическую эффективность разработанной технологии;

Научные положения, выносимые на защиту:

- Научно обоснованная технология пектина из нетрадиционного сырья с применением кислотно-кавитационной обработки.

- Экспериментально установленные параметры кислотно-кавитационного экстрагирования пектина, влияющие на качественные и количественные показатели пектина.

- Экспериментально установленные способы дополнительной обработки растительного сырья, способствующие повышению и сохранению выходных показателей пектина.

Научная концепция работы состоит в разработке технологии пектина, обеспечивающей высокое качество готового продукта, повышающее экономические показатели производства, снижающее количество применяемых высококонцентрированных кислот, за счет обоснованного и адекватного применения кислотно-кавитационного воздействия при экстрагировании пектина из нетрадиционного растительного сырья.

Научная новизна. Впервые теоретически и экспериментально обоснована возможность применения процесса ультразвуковой кавитации для интенсификации экстрагирования пектиновых веществ при кислотном воздействии.

Впервые экспериментально обосновано влияние видовых и сортовых особенностей, климатических условий произрастания на содержание пектиновых веществ в растительном сырье Оренбургской области. Установлено, что на соотношение пектиновых веществ в анатомических частях растений, качественные характеристики, являющиеся биохимическими признаками растительного сырья, существенно влияют почвенно-климатические условия произрастания, степень зрелости, вид, сортовые особенности.

Впервые проведены комплексные исследования влияния технологических особенностей сырья, соотношения используемых химических реагентов, интенсивности и продолжительности воздействия ультразвука на количество и качество получаемого продукта. Доказана возможность применения кислот низких концентраций при кавитационном гидролизе растительного сырья.

Разработана конструкция устройства для проведения кислотно кавитационного экстрагирования растительного сырья.

Определены оптимальные параметры использования сильных и слабых кислот при кислотно-кавитационном экстрагировании растительного сырья.

Практическая ценность. Разработана конструкция и изготовлена лабораторная установка для проведения кислотно-кавитационного гидролиза растительного сырья.

Разработан способ производства пектина, позволяющий сократить расходы кислот и повысить качество пектина за счет применения ультразвуковой кавитационной обработки (Патент РФ № 2333669).

Разработана технология производства пектина на основе кислотно кавитационного способа из растительного сырья.

Материалы работы, результаты исследований используются при чтении курса лекций и проведении лабораторных работ для студентов специальностей «Технология детского и функционального питания», «Технология бродильных производств и виноделия», «Технология пищевых производств», «Химическая технология и биотехнология».

Материалы работы используются ООО «Вира» при проектировании цеха по производству пектина в г. Оренбурге (договор №188/59 от 16 апреля 2012 года), материалы работы были апробированы и планируются к использованию на ООО «Бородино-Оренбург» (письмо о подтверждении результатов НИР №1 от 3.03.2013), на ООО «Сладкая жизнь» (письмо о подтверждении результатов НИР №1-02 от 28.02.2013).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены:

- на XXIX научной конференции студентов (24 апреля 2007 г. Оренбург);

- на всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ – 2008» (25-28 июня 2008 г. Москва, ВВЦ);

- на региональной выставке «Инновации Оренбуржья – 2008» (2008 г.

Оренбург);

- на одиннадцатой специализированной выставке «Оренбург. Нефть и газ.

Энерго-2008», «Оренбург. Строительство. ЖКХ. Экология-2008» (1-3 октября 2008 г. Оренбург);

- на VI международной научно-практической конференции и выставке «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты» (7-10 октября 2008 г. Москва, МГУПП);

- на IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций ( г. Москва, ВВЦ).

Результаты исследований были представлены на научно-технических выставках и награждены дипломами, премиями и медалями:

- выставка научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2008» (Оренбург, Москва) диплом лауреата за разработку «Технология производства пектина и пектиносодержащих продуктов из растительного сырья Оренбургской области», диплом за проект «Технология производства пектина и пектиносодержащих продуктов из растительного сырья Оренбургской области» и Свидетельство о творческих успехах в создании научного проекта и активном участии в выставке НТТМ-2008, - IX Московский международный салон инноваций и инвестиций (г.

Москва, 2009) –диплом и золотая медаль «За разработку технологии производства пектина и продуктов функционального питания из растительного сырья Оренбургской области с применением эффекта кавитации».

- За проект «Разработка и оптимизация технологии производства пектина из сырья Оренбургской области» получен диплом лауреата I степени и присуждена премия Губернатора Оренбургской области в 2010 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано печатных работ, из них 4 в журналах, рекомендуемых ВАК и 1 патент РФ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, содержит 187 страниц машинописного текста, 27 таблиц, 54 рисунка, список использованной литературы включает 193 источника российских и зарубежных авторов, 6 приложений.

Работа выполнена на кафедре пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета в рамках госбюджетной темы №ГБ «Совершенствование производственных процессов в пищевой промышленности и АПК на основе био- и нанотехнологий».

Основное содержание работы

1. Обзор литературы В обзоре научно-технической литературы даны современные представления о процессах извлечения пектиновых веществ из растительного сырья. Приведен обзор результатов научных исследований и статистических данных по проблеме производства пектина из растительного сырья Оренбургской области. Представлен анализ растительного сырья, характерного для Оренбургской области, и перспективного для производства пектина. Дан обзор и анализ существующих способов и устройств получения пектина из различного сырья.

Рассмотрены теоретические основы процесса ультразвуковой кавитации и влияния кавитационного воздействия на растительные клетки.

Выявлено, что возникающая при прохождении ультразвуковой волны через жидкость ультразвуковая кавитация и обусловленные ею мощные микропотоки жидкости, а также «ультразвуковой ветер» и давление воздействуют на пограничный слой и как бы «смывают» его. При этом сопротивление переносу молекул реагирующих веществ значительно уменьшается, и скорость технологических процессов за счет этого возрастает.

2. Материалы и методы исследований Схема проводимых исследований представлена на рисунке 1.

Исследования проводили в лабораториях кафедры «Пищевой биотехнологии» и в институте биоэлементологии ГОУ ВПО Оренбургского государственного университета, а также во Всероссийском научно исследовательском институте мясного скотоводства г. Оренбурга, в аккредитованной испытательной лаборатории ГБОУ ВПО Оренбургской Государственной медицинской академии Минздравсоцразвития России.

В соответствии с целями и задачами работы объектами исследования служили:

Кормовой арбуз (ГОСТ 7177-80), тыква (ГОСТ 7975-68), корзинки подсолнечника, свекловичный жом, пектин кормового арбуза, тыквы, корзинок подсолнечника, свекловичного жома (ГОСТ 29186-91), кислоты соляная (ГОСТ 3118-77);

серная (ГОСТ 4204-77);

лимонная (ГОСТ 908-2004), спирт этиловый (ГОСТ Р 52473-2005).

В работе применяли как общепринятые, так и специальные методы оценки сырья, полуфабрикатов и готовой продукции.

Физико-химические свойства пектинов определяли по следующим показателям: содержание свободных и этерифицированных карбоксильных групп, степень этерификации.

Методы исследования пектина включали: Определение влажности высушиванием по ГОСТ 27668-88. Содержание балластных веществ и содержание пектиновых веществ методом спиртовой очистки.

Студнеобразующая способность и комплексообразующая способность – по ГОСТ 29186-91. рН раствора пектина, а также кислотность исследуемых кислот определяли при помощи лабораторного рН-метра типа анион 7000.

Студнеобразующую способность пектинов определяли на приборе Сосновского, путем приготовления стандартного студня и определение его прочности на разрыв.

Содержание сухих веществ – рефрактометрическим методом по ГОСТ 28562-90.

Представлена схема экспериментальных исследований, которая состоит в разработке способа экстрагирования и экспериментальной установки, проведении основного эксперимента, анализе качества получаемого пектина.

Математическую обработку экспериментальных данных проводили с использованием стандартного пакета приложения Microsoft Excel, с помощью встроенных функций регрессии и программных средств, разработанных на факультете пищевых производств Оренбургского Государственного университета.

Рисунок 1 – Структурная схема исследований Исследование процесса воздействия ультразвуковой кавитации на растительное сырье и определение оптимальных параметров кислотно кавитационного экстрагирования пектина проводилось на специально разработанной установке, которая представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Лабораторная установка для кислотно-кавитационного экстрагирования пектина из растительного сырья Установка состоит из крышки с оборудованной на ней роторной мешалкой 1, запорного механизма крышки 2, рабочей камеры 3, рабочая часть кавитационного устройства 4, волноводной системы – концентратора 5, преобразователя электрических колебаний 6 и электрического генератора 7.

Под воздействием ультразвуковых волн частотой 22±1 кГц, интенсивностью 1…10 Вт/см, проходящих через камеру с раствором кислоты и обрабатываемым сырьем, под воздействием сил поверхностного натяжения создаются разрывы, принимающие форму пузырьков. В момент схлопывания кавитационного пузырька возникает гидравлическая ударная волна, оказывающая разрушающее действие на органические соединения и микроорганизмы. Под действием кавитации происходит разрыв оболочки клетки, частичная деполимеризация протопектина, а также интенсификация проникновения кислоты в сырье и диффузии растворимого пектина в раствор.

По окончании процесса экстрагирования пектина раствор подается на фильтрацию.

3. Результаты исследований и их анализ.

3.1 Исследование возможности получения пектина из перезимовавшего в поле сырья Проведены исследования возможности использования в качестве источника пектина сырья «перезимовавшего в поле» (Кормовой арбуз, тыква, корзинки подсолнечника). Результаты представлены в таблице Таблица 1 – Сравнительные данные, полученные при исследовании пектина из свежего и перезимовавшего в поле сырья Показатели Тыква Кормовой Корзинки арбуз подсолнечника Выход пектина, %, от Свеж. 9,7 17,5 32, сухой массы Весен. 5,1 8,3 17, Прочность 2 %- Свеж. 70±1,2 75,1±1,4 75,2±1, го студня, кПа Весен. 50,1±1,4 50,5±1,3 53,5±1, Компклексобр. сп-ть, Свеж. 480±16,3 380±11,0 460±15, 2+ мг Pb /г. Весен. 363±10,5 291±9,5 348±10, Установлено снижение выхода пектина до 50 %, по сравнению со свежим сырьём того же урожая. Значения качественных показателей снижены на 25 %.

3.2 Исследование характера изменения динамики содержания пектина при хранении сырья Исследована способность сырья сохранять пектин при хранении в условиях заморозки (-18 С) и в высушенном состоянии.

В результате исследования выявлено:

- что хранение сырья в течении 180 дней, при температуре минус 18 С снижает выходе пектина для кормового арбуза на 1,3 %, для тыквы – на 1,0 %, для корзинок подсолнечника – на 3,3 %, что составляет 10,1 %, 10,0 % и 11,3 % от первоначального выхода пектина, для каждого сырья соответственно.

Наибольшее снижение показателя студнеобразования происходит при заморозке сырья, при последующем хранении сырья в замороженном виде качественные изменения не значительны;

- при хранении в высушенном состоянии снижение выхода для кормового арбуза, тыквы и корзинок подсолнечника составляют соответственно 10,1 %, 10,0 % и 11,0 %. (в данном способе хранения снижение качественных показателей происходит постепенно, в течение всего времени хранения).

3.3 Исследование влияния степени зрелости сырья на качество получаемого пектина На выход и качественные показатели также оказывает влияние степень зрелости сырья произрастающего в Оренбургской области. Максимальный выход пектина с наиболее высокими показателями студнеобразования достигается для каждого вида сырья в период технической зрелости.

Наибольшие значения комплексообразующей способности пектина достигают за 40-60 дней до достижения технической зрелости. С увеличением срока перезревания качество пектина снижается, за исключением пектина корзинок подсолнечника, который способен сохранять высокие показатели студнеобразования еще на протяжении 2х месяцев.

3.4 Исследование влияния степени измельчения сырья на качество получаемого пектина Установлено, что оптимальной степенью измельчения сырья, при кислотно-кавитационном способе обработки, является размер частиц, с эквивалентным диаметром 5,5 мм. Результаты представлены в таблице Таблица 2 – Зависимость выхода пектина от размера частиц.

Сырье Выход пектина, % Экв. диам., мм Кормовой Тыква Свекловичный Корзинки арбуз жом подсолнечника 3,5 9,6 8,1 10,1 26, 4 10,4 8,6 10,6 26, 4,5 11,2 8,9 11,2 27, 5 12,1 9,7 11,6 28, 5,5 12,8 10,0 12,0 29, 6 12,4 9,6 11,7 28, 6,5 12,2 9,3 11,4 27, Измельчение сырья до размера частиц с эквивалентным диаметром менее 5,5 мм повышает вероятность разрушения молекулы пектина при кавитационной обработке, кроме этого затрудняется последующее отделение пектина от мезги, из-за схожих размеров молекул пектина и частиц разрушенного сырья. Наличие частиц с эквивалентным диаметром более 5,5 мм снижает эффективность кавитационного воздействия, по причине невозможности проникновения ультразвуковых волн вглубь сырья при заданных параметрах интенсивности кавитации.

3.5 Исследование процесса кислотно-кавитационного извлечения пектина из растительного сырья Оренбургской области С целью определения оптимальных объёмов кислот, были проведены исследования по изучению влияния серной, соляной и лимонной кислот на выход пектина при проведении кислотно-кавитационной обработки сырья с интенсивностью кавитации от 2 до 10 Вт/м3.

Исследование проводилось на экспериментальной кавитационной установке, в которую помещали измельченное до оптимального размера сырьё, и заливали раствором кислоты с уровнем рН от 0.5 до 6.0. На начальном этапе исследований принимали значения температуры и продолжительности процесса, рекомендованные литературными данными для кислотной технологии.

Продолжительность процесса для соляной кислоты принята – 100 мин., для серной кислоты – 60 мин., для лимонной – 120 мин. Температура процесса поддерживалась на уровне 80 С.

Результаты проведенных исследований по определению зависимости выхода пектиновых веществ кормового арбуза от интенсивности кавитационного воздействия и рН среды при экстрагировании соляной, серной и лимонной кислотой представлены на рисунках 3-5.

Рисунок 3 Рисунок Рисунок Оптимальное значение интенсивности ультразвукового воздействия на кормовой арбуз составило 5 Вт/см2, при уровне рН=5 для соляной кислоты (рис. 3), интенсивность 4 Вт/см2, при рН=5 для серной кислоты (рис. 4), интенсивность 6 Вт/см2, при рН=4 для лимонной кислоты (рис. 5).

Результаты исследований зависимости выхода пектиновых веществ тыквы, свекловичного жома и корзинок подсолнечника от интенсивности кавитационного воздействия и рН среды при гидролизе соляной, серной и лимонной кислотой показали следующие оптимальные значения: для соляной кислоты – интенсивность ультразвукового воздействия – 5 Вт/см2, при рН=5, для серной кислоты – интенсивность ультразвукового воздействия – 4 Вт/см2, при рН=5, для лимонной кислоты – интенсивность ультразвукового воздействия – 6 Вт/см2, при рН=4.

По полученным зависимостям видно, что применение процесса кавитации при кислотном экстрагировании пектина увеличивает глубину воздействия на сырьё, однако выход пектина при заданных условиях не является максимальным, в связи с чем были проведены эксперименты по определению оптимальной температуры и продолжительности кислотно-кавитационного экстрагирования.

3.6 Исследование влияния температуры обрабатываемой среды в зависимости от интенсивности ультразвукового воздействия на выход и качественные показатели пектина Для исследования влияния температуры обрабатываемой среды в зависимости от интенсивности ультразвукового воздействия на выход и качественные показатели пектина использовали оптимальные параметры гидролиза-экстрагирования, полученные в предыдущих опытах. Значения температуры жидкости варьировали от 10 до 80 С с интервалом в 10 С. Более высокая температура раствора нецелесообразна, т.к. при высоких значениях происходит деградация молекул пектина, и, как следствие, снижение его качественных и количественных показателей. Кроме того, с увеличением температуры более 80 С возрастает масса пара в кавитационной полости, что приводит к уменьшению давления возникающего в жидкости при захлопывании полости и, следовательно, к уменьшению кавитационного воздействия.

В результате экспериментов было установлено оптимальное значение температуры гидролизующей смеси – 55-60 С. При превышении указанного температурного порога происходит снижение выхода пектина и его качественных показателей. Проведение кислотно-кавитационного экстрагирования при температуре среды ниже 55 С свидетельствует о снижении выхода пектина.

3.7 Исследование влияния интенсивности ультразвукового воздействия и продолжительности процесса кислотно-кавитационного экстрагирования на выход пектина Результаты исследования влияния интенсивности ультразвукового воздействия и продолжительности процесса кислотно-кавитационного гидролиза на выход пектина на примере кормового арбуза для соляной, серной и лимонной кислот представлены на рисунках 6-8.

Рисунок 6 Рисунок Рисунок Оптимальные параметры интенсивности воздействия и продолжительности экстрагирования для соляной кислоты составили:

интенсивность 5 Вт/см2, время экстрагирования – 60 мин (рис.6);

для серной – 4 Вт/см2, продолжительность экстрагирования – 45 мин (рис.7);

для лимонной – интенсивность ультразвуковой обработки – 6 Вт/см2, продолжительность экстрагирования – 90 мин.

Результаты исследования влияния интенсивности ультразвукового воздействия и продолжительности процесса кислотно-кавитационного экстрагирования на выход пектина для тыквы, свекловичного жома и корзинок подсолнечника показали схожие значения интенсивности ультразвуковой обработки и продолжительности процесса.

3.8 Изучение влияния концентрирования пектиносодержащего раствора на выход и качество пектина.

По результатам исследования влияния концентрирования пектиносодержащего раствора на выход и качество пектина, оптимальные соотношения температуры и продолжительности выпаривания пектинового экстракта из каждого вида сырья различны. Результаты эксперимента представлены в виде графиков на рисунках 9-12.

Рисунок 9 - раствор пектина Рисунок 10 - раствор пектина свекловичного жома тыквы Рисунок 11 - раствор пектина Рисунок 12 - раствор пектина кормового арбуза корзинок подсолнечника Для получения содержания сухих веществ 15 % в пектиновом экстракте свекловичного жома необходимо проводить выпаривание в течение 60 мин. при температуре 80 С. Это объясняется тем, что свекловичный жом отмывается от сахаров и других водорастворимых веществ еще на стадии производства сахара.

Для получения того же содержания сухих веществ в кормовом арбузе сокращали время выпаривания до 20 мин. при 70 С. Это объясняется тем, что пектиновый экстракт кормового арбуза содержит наибольшее количество сахаров, которые при выпаривании резко увеличивали концентрацию сухих веществ.

Соответственно, наибольшее количество спирта для отмывки пектина требуется для кормового арбуза, а наименьшее для свекловичного жома. Следует отметить, что при выпаривании пектинового экстракта (вне зависимости от вида сырья) до содержания сухих веществ 15 %, расход спирта снижается на 15 %, по сравнению с традиционной технологией.

3.9 Изучение влияния уровня рН и вида нейтрализующего агента на интенсивность осаждения пектина Нейтрализация пектинового экстракта проводилась 25 %-ым раствором гидроксида аммония. С целью выбора альтернативного нейтрализатора, проведено исследование на возможность использования 25 %-ного раствора гидроксида натрия. Выявлено, что уровень рН=6.0 является оптимальным для последующего спиртового осаждения пектина с точки зрения обеспечения его максимального выхода. Установлено также, для нейтрализации пектинового экстракта возможно применение как гидроксида аммония, так и гидроксида натрия. Однако, анализируя качественный состав получаемого пектина, установлено, что при использовании в качестве нейтрализатора – гидроксида натрия, получали пектин с более высоким содержанием примесей, в сравнении с пектином, нейтрализованным гидроксидом аммония.

Исследования показали, что наиболее оптимальным объёмом для разового осаждения и промывки пектина является соотношение 1:2 при температуре экстракта 5-10 С, при концентрации спирта не менее 80 %, для первой промывки и осаждения. При второй промывке является целесообразным в спирт с аналогичной концентрацией добавлять серную кислоту (в рекомендуемом традиционной технологией количестве). При третьей промывке – концентрация спирта должна составлять 94-95 %.

3.10 Изучение влияния способа сушки на качество получаемого пектина из исследуемого сырья Исследовано влияние способа сушки на качество получаемого пектина из исследуемого сырья. Для исследования были выбраны следующие способы сушки: сублимационная, в псевдоожиженном (кипящем) слое, а также конвективно-инфракрасная при температуре сушильного агента не выше 85 °С.

Значения студнеобразующей способности, а также степень этерификации пектина, были максимальны при использовании сублимационного способа сушки. При высушивании пектина в псевдоожижженом слое наиболее высокие значения имели показатели значения комплексообразующей способности.

Однако при этом студнеобразующая способность снижалась на 9,5 %, по сравнению с пектином, высушенным сублимационном способом. Применение конвективно-инфракрасной сушки позволяет получить пектин с параметрами студнеобразующей способности на 20 % ниже, чем при сублимационной сушке, комплексообразующая способность снижается до 5 %. Степень этерификации снижается на 10 %, что объясняется неравномерным распределением тепла, меньшей площадью поверхности испарения.

По полученным результатам проведенных экспериментов при применении кавитации совместно с кислотой (рН которой соответствует традиционному способу экстрагирования), выход пектина снижается, поскольку наблюдается чрезмерно агрессивное воздействие на сырье и растворенный пектин. Однако, при снижении рН до 4-6 выход пектина из исследуемого сырья достигает значений соответствующих количеству ранее определенного пектина в исследуемом сырье.

Показатели качества получаемого по разработанной технологии пектина соответствуют требования ГОСТ для каждого сырья и представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Основные физико-химические и аналитические характеристики полученных пектиновых веществ Показатели Пектин Пектин Пектин Пектин кормового тыквы свекловичного корзинок арбуза жома подсолнечника Студнеобразующая 75,1 70,1 72,1 75, способность, кПа.

Комплексообразующая 395-415 460-605 550-610 410- способность, мг Pb2+/г Степень этерификации, % 45-47 50-53 46-48 42- В результате анализа полученных показателей качества пектина можно сделать вывод о соответствии его действующим международным стандартам.

Показатели безопасности пектина анализировались совместно с лабораторией Оренбургской государственной медицинская академия.

Полученные результаты свидетельствуют о безопасности пектина для организма человека.

Таким образом, применение кавитации совместно с кислотой при экстрагировании пектина позволяет снизить концентрацию кислоты, сохранив при этом показатели выхода и качества получаемого пектина.

3.11 Оптимизация параметров кислотно-кавитационной технологии пектина.

Проведя серии экспериментов по исследованию влияния продолжительности экстрагирования, интенсивности кавитации, уровня рН раствора гидролизата на качественные показатели и показатели выхода пектина было установлено, что сочетание определенных значений исследуемых показателей позволяет добиться максимального выхода пектина, а также контролировать такие качественные показатели как студне и комплексообразующая способность.

Для определения оптимальных режимов получения пектина, кислотно кавитационным способом по известным в литературе методикам был составлен и реализован композиционный ортогональный план двухфакторного эксперимента по установлению влияния интенсивности ультразвукового излучения, уровня рН раствора, продолжительности экстрагирования на качественные и количественные показатели получаемого пектина на основе плана полного факторного эксперимента ПФЭ Интенсивность кавитационного излучения изменяли от 2 до 10 Вт/см2;

продолжительность экстрагирования пектина в пределах от 15 до 105 минут, уровень рН раствора-гидролизата составлял от 0,5 до 6. Качество готового пектина оценивали по студнеобразующей и комплексообразующей способностям, оценивали количественный показатель выхода пектина.

Описанные выше показатели и являлись критериями оптимизации.

По результатам эксперимента, при помощи программного средства, разработанного на факультете прикладной биотехнологии и инженерии ФГБОУ ВПО Оренбургского государственного университета, получены уравнения регрессии второго порядка и проведена оптимизация технологических режимов.

Уравнения регрессии:

Для показателя выхода пектина (ВП.):

ВП 13,67 2,39 4,11I 2,13 I 1,93I рН 0,55 рН 0,2 I рН 2,66 2 2,93I 2 1,54 рН Для показателя комплексообразующей способности (КСп):

KCп 454 18 151I 26 pH 14 I 34 I pH 35 pH 58 2 17 I 2 51 pH Для показателя студнеобразующей способности (СтСп) СтСп 64,7 2 26,33I 4,5 pH 1,6 I 2,1I pH 2,66 pH 11,6 2 17,7 I где – продолжительность процесса экстрагирования;

I – интенсивность кавитационной обработки;

рН – уровень рН раствора гидролизата.

Величины, I, рН даны в условных единицах, для перевода натуральных единиц в условные нужно воспользоваться следующими уравнениями:

= 0,0222 ’ – 1,3333;

I=-0,25 I’ + 1,5;

pH=-0,4 pH’ + 1,2;

Величины со штрихом натуральные, где ’ – продолжительность экстрагирования пектина, мин;

I’ – интенсивность кавитации, Вт/см2;

pH’ – уровень водородного показателя раствора, ед.

По уравнениям регрессии были построены диаграммы плоскостей отклика зависимостей выхода пектина, комплексо- и студнеобразующей способности от уровня рН раствора, продолжительности экстрагирования и интенсивности кавитации.

Путем наложения горизонтальных проекций этих диаграмм, при фиксированном значении рН, были выделены области оптимальных режимов получения пектина кислотно кавитационным способом, для рН=0,5;

рН=3;

рН=5,5. Наиболее оптимальная область получена при рН=3. Область оптимальных значений при рН=3 обозначена штриховкой на рисунке 13.

Рисунок 13 – Зависимость выхода пектина (ВП), комплексообразующей способности (КСп) и студнеобразующей способности (СтСп) от продолжительности экстрагирования и интенсивности ультразвуковой обработки (при рН=3).

1 – ВП=15 % от сух. массы;

2 – ВП=12 %;

3 – ВП=9 %;

4 – ВП=6 %;

5 – КС=450 мгPb2+/г;

6 – КС=360 мгPb2+/г;

7 – КС=270 мгPb2+/г;

8 – КС=180 мгPb2+/г;

9 – КС=90 мгPb2+/г;

10 – СтСп=70 кПа;

11 – СтСп=60 кПа;

– СтСп=50 кПа;

13 – СтСп=40 кПа;

14 – СтСп=30 кПа.

В результате эксперимента выявлено, что оптимальным для пектина, полученного кислотно-кавитационным способом, является уровень рН=3, продолжительность экстрагирования составляет от 0 до 0,4 усл. единиц (60…80 мин), интенсивность ультразвуковой обработки – от 0,3 до 0,8 усл.

единиц (2,8…4,8 Вт/см2). При этом выход пектина составит не менее – 15 %, студнеобразующая способность (СтСп) – не менее 70 кПа, 2+ комплексообразующая способность (КСп) – не менее 450 мгPb /г.

3.12 Апробация и экономическая эффективность разработанной технологии На базе ООО «Вира» были проведены полупромышленные сравнительные испытания кислотной и кислотно-кавитационной технологий пектина.

При проведении исследования использовали оптимальные установленные значения технологических параметров, полученные в результате проведенных исследований.

Сравнительная оценка технологических параметров и качественных показателей представлена в таблице 4.

Таблица 4 – сравнительная оценка параметров процесса производства кислотной и кислотно-кавитационной технологий.

Применяемая технология № Наименование параметров технологического Кислотно п/п процесса, на 100 кг кормового арбуза Классическая кавитационная 1 Производительность, т/сут 0,98 1, 2 Расход электроэнергии, кВт/ч 88,73 92, 3 Продолжительность обработки 100 кг сырья, ч. 1,63 0, 4 Потери при приемке кормового арбуза и его мойке, % 2,5 2, 5 Количество отделяемых семян арбуза, % 10 6 Количество соляной кислоты, кг 50 7 Количество расходуемой воды, кг 369,76 8 Количество добавляемого гидроксида аммония, л 20 9 Количество добавляемого спирта, л 430 10 Потери спирта при осаждении, % 0,6 0, 11 Количество спирта, на промывку пектина, л 143 12 Масса спиртовой браги, кг 641 13 Масса спиртовой браги после второй промывки, кг 7,23 7, 14 Расход упаковочного материала, кг 1,03 1, Применение кислотно кавитационной технологии по сравнению с кислотной технологией позволяет повысить эффективность технологии пектина, о чем свидетельствует повышение интегрального критерия с 0,0017 для кислотной технологии, до 0,0979 для кислотно-кавитационной. При этом повышается критерий глубины переработки сырья с 0,0098 до 0,5517, критерий экологичности с 0,9989 до 0,9993. Помимо этого удельные затраты энергии на проведение процесса снижаются с 1,443 до 0,870 кВт/кг.

Расчет основных технико-экономических показателей выявил, что использование разработанной технологии, вместо классической на предприятии позволит: увеличить рентабельность продукции на 30,33 % и снизить затраты на один руб. товарной продукции на 0,3 руб.

Исследования показателей безопасности проводились совместно с аккредитованной испытательной лабораторией ГБОУ ВПО Оренбургской Государственной медицинской академии Минздравсоцразвития России. В результате исследований установлено отсутствие в пектине токсичных металлов, таких как свинец, мышьяк и т.п. А также Всероссийским научно исследовательским институтом мясного скотоводства установлена микробиологическая безопасность.

На основании проведенного эксперимента был предложен способ кислотно-кавитационного производства пектина, на который получен патент РФ № 2333669. Технологическая схема промышленного производства пектина кислотно-кавитационным способом представлена на рисунке 14.

Сырье, поступающее на переработку, подается в приемную емкость для временного хранения. Из приемной емкости арбузы поступают на инспекционный транспортер. По мере продвижения сырья на инспекционном транспортере, работниками отбираются плоды, не пригодные для дальнейшей переработки, срезаются черенки, а также удаляются посторонние примеси, крупный мусор и т. п. Отобранные плоды поступают на мойку. Мойка осуществляется в моечной машине, проточной водой, под давлением около 2-х атмосфер. Сырье поступает в измельчитель. Измельченное сырье попадает в протирочную машину, где происходит удаление семечек.

Мякоть, двукратно промывается водой. Затем подвергается обработке кавитацией. При этом происходит физическое разрушение клеточной оболочки, частичный вывод растворимого пектина в раствор. После кавитационной обработки проводится кислотный гидролиз. Под действием кислоты происходит гидролиз протопектина до состояния растворимого пектина, который также переходит в раствор. После гидролиза полученный экстракт отделяется от мезги на фильтрах и нейтрализуется гидроксидом аммония, до рН 6,0.

Нейтрализованный пектиновый экстракт осаждается 95 %-ым раствором этилового спирта. Образуется осадок в виде прозрачного сгустка. Полученный коагулят представляет собой первичную форму пектина – полиметилполигалактуронат. При спиртовом осаждении пектиновых веществ часть примесей, растворенных в экстракте соосаждается вместе с пектином.

Далее коагулят центрифугируется и отделяется от жидкости. В нашем случае используется спиртовой метод очистки пектина. Данный метод основывается на свойстве пектина не растворяться в этиловом спирте при концентрации последнего выше 45 %. Осажденный пектин подвергается 2-х кратной промывке спиртом, очищаясь при этом от низкомолекулярных балластных веществ, спиртонеосаждаемых полисахаридов с низкой молекулярной массой. При первой промывке в спирт, концентрацией 80 % добавляется серная кислота (7 %) для отбеливания пектина. При второй промывке используется 95 %-ный этиловый спирт. Многократная промывка осадка спиртом приводит к получению пектинового препарата с относительно высокой степенью чистоты.

Очищенный пектин высушивали с применением сублимационной установки. Благодаря такому методу высушивания получали пектин с высокой студнеобразующей способностью, а также повышенной скоростью растворения.

Полученный, высушенный коагулят необходимо измельчить до порошка.

Измельчение проводится до монодисперсного состояния.

Рисунок 14 – Технологическая схема получения пектина кислотно кавитационным способом.

Общие выводы 1. Анализ теоретических и экспериментальных исследований посвященных оптимизации технологий пектина, выявил, что для повышения эффективности гидролиза-экстрагирования пектина из растительного сырья, с сохранением щадящих режимов обработки, лучше проводить с применением ультразвуковой кавитации при кислотном экстрагировании пектина.

2. Определено, что нетрадиционным сырьём для получения пектина являются кормовой арбуз, корзинки подсолнечника, свекловичный жом и тыква.

Для данного вида сырья комплексообразующая способность пектина составит 400-600 мг Pb2+/г, студнеобразующая способность (необходимы ионы кальция) – до 75,1 кПа.

3. Разработана технология пектина с применением кислотно кавитационного гидролиза-экстрагирования, позволяющее использовать нетрадиционное сырьё:

3.1. Для лучшего выхода пектина при длительном хранении наиболее оптимально замораживание сырья до -18 С, а в высушенном состоянии происходит снижение выхода пектина для кормового арбуза на 1,3 %, для тыквы – на 1 %, для корзинок подсолнечника – на 3,3 %. Перезимовка в поле растительного сырья снижает выход пектина до 50 %. При этом выход пектина корзинок подсолнечника составляет 17,5 %, что позволяет использовать их как выгодное сырьё для производства пектина. Наиболее высокие показатели студнеобразования и выхода пектина наблюдается у сырья в стадии зрелости.

Наибольшее значение комплексообразования характерно для пектина, полученного из недозрелого сырья (за 40-60 дней до достижения степени зрелости).

3.2. Оптимальной степенью измельчения сырья является размер частиц, с эквивалентным диаметром 5,2…5,8 мм, т.к. при меньшем диаметре повышается вероятность разрушения молекулы пектина при кавитационной обработке, кроме этого затрудняется последующее отделение пектина от мезги, из-за схожих размеров молекул пектина и частиц разрушенного сырья. Наличие частиц с эквивалентным диаметром более 5,8 мм снижает эффективность кавитационного воздействия, по причине невозможности проникновения ультразвуковых волн вглубь сырья при исследуемых параметрах интенсивности кавитации.

3.3. Исследование процесса концентрирования от 6 до 23 % сухих веществ показало, что выпаривание пектиносодержащего экстракта до содержания сухих веществ 15 %, позволяет снизить расход спирта, для очистки и осаждения пектина, снижается в среднем на 25 %.

3.4. Использование сублимационной сушки позволяет получить пектин с наиболее высокими показателями комплексообразования до 400 мгPb2+/г., студнеобразования до 75 кПа, а высушивание пектина в псевдоожижженом слое дало наиболее высокие значения комплексообразующей способности, в то время как студнеобразующая способность снижалась на 9,5 %. Применение конвективной инфракрасной сушки снижает качественные показатели пектина студнеобразующей способности на 20 %, комплексообразующей способности – на 10 %.

4. Разработанная математическая модель кислотно-кавитационного экстрагирования, учитывающая влияние кислотности среды, продолжительности экстрагирования пектина и интенсивности ультразвуковой обработки, на выход пектина и качественные показатели студнеобразующей и комплексообразующей способности, позволила определить оптимальные параметры технологического процесса для исследуемого сырья: интенсивность ультразвуковой кавитации должна составлять 4-6 Вт/см2, уровень рН растворов 3-6 ед, при этом температура процесса должна быть 55-60 С, продолжительность процесса составит 45 минут для серной, 60 минут – для соляной и 90 минут для лимонной кислот.

Диапазон параметров: уровень рН=3, продолжительность экстрагирования составляет от 60 до 80 минут, интенсивность ультразвуковой обработки – от 2, до 4,8 Вт/см2, позволяет обеспечить выхода пектина из кормового арбуза не менее – 15 %, студнеобразующей способностью – не менее 70 кПа, комплексообразующей способностью – не менее 450 мгPb2+/г.

5. Разработанная кислотно-кавитационная технология пектина из растительного сырья защищена охранным документом – патент РФ №2333669.

Расчет технико-экономических показателей подтверждает целесообразность использования разработанной технологии, в промышленных условиях это позволит: увеличить рентабельность продукции на 30,33 % и снизить затраты на один руб. товарной продукции на 0,3 руб.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Тыщенко, В.М. Пектины и пектиносодержащие продукты / В.М.

Тыщенко // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург:

ОГУ. – 2006. – №13. – С. 290-291.

2. Тыщенко, В.М. Извлечение пектиновых веществ из кормовых арбузов / В.М Тыщенко, А.В. Быков // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург: ОГУ – 2008. – №82. – С. 222.

3. Тыщенко, В.М. Кавитационное извлечение пектиновых веществ из растительного сырья / В.М. Тыщенко // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург: ОГУ – 2009. – №2. – С. 207-208.

4. Тыщенко, В.М. Влияние кислотно-кавитационного гидролиза растительного сырья на выход и качество пектина. / В.М. Тыщенко // Известия ВУЗов. Пищевая технология, №2-3, 2011. – С. 50-52.

Авторские свидетельства и патенты РФ 5. Патент РФ МПК А23L1/052 Способ получения пектина из арбузных корок / Тыщенко, В.М., Быков, А.В., Коротков, В.Г., Попов, В.П. – №2007101255;

заявлено 11.01.2007;

опубликовано 20.09.2008;

Бюл. 26. – 7 с.

Научные труды институтов и материалы конференций 6. Тыщенко, В.М. Разработка нового способа извлечения пектиновых веществ из бахчевых культур /В.М. Тыщенко, А.В. Быков // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Потребительский рынок:

качество и безопасность товаров и услуг, декабрь 4-5, 2007. – Орел: ОрелГТУ. – 2007. – С. 401-403.

7. Тыщенко, В.М. Оптимизация технологического процесса экстрагирования пектиновых веществ из бахчевых культур Оренбургской области / В.М. Тыщенко, А.В. Быков // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях «Наука. Технологии. Инновации». – Новосибирск: Новосибирский ГТУ. – 2007. – С. 106-107.

8. Тыщенко, В.М. Использование процесса кавитации в процессе кислотного экстрагирования пектина из растительного сырья / В.М. Тыщенко, А.В. Быков // IX Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 3-5 июля 2008 г). Сборник тезисов докладов. – Казань: КГТУ – 2008. – С. 163.

9. Тыщенко, В.М. Разработка технологии экстрагирования пектиновых веществ из растительного сырья с использованием процесса кавитации / В.М.

Тыщенко, А.В. Быков, В.П. Попов // Сборник материалов VI Международной научно-практической конференции: в 2 ч. «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты». – Москва: МГУПП – 2008. – С.

82-86.

10. Тыщенко, В.М. Разработка технологии производства пектина с получением арбузного масла и фруктозно-глюкозного сиропа / В.М. Тыщенко, А.В. Быков, А.М. Давлеткулова // Всероссийская научно-практическая конференция « Молодежь и наука – шаг в будущее» 25 марта 2009 г. Сборник материалов. – Оренбург: НОУ ВПО ВТУ – 2009. – С. 193-196.

11. Тыщенко, В.М. Использование процесса кавитации в процессе кислотного экстрагирования пектина из растительного сырья / В.М. Тыщенко, А.В. Быков // X Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 12-15 мая 2009 г). Сборник тезисов докладов. – Казань: КГТУ – 2008. – С. 423.

12. Тыщенко, В.М. Исследование Оренбургского сырья на возможность его использования в получении пектиновых веществ / В.М. Тыщенко, А.В.

Быков, В.П. Попов // Материалы III Международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию ГОУ ВПО «Воронежская государственная технологическая академия». «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития)». – Воронеж: ВГТА – 2009.

Т.-2. – С. 333-335.

13. Тыщенко, В.М. Интенсификация кавитационно-кислотного гидролиза с целью получения пектина / В.М. Тыщенко, А.В. Быков // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург: ОГУ – 2010. – №4. – С. 23.

14. Тыщенко, В.М. Разработка экологически чистой технологии переработки растительного сырья на основе ультразвуковой кавитации / В.М.

Тыщенко, Быков А.В. // Вестник Оренбургского государственного университета.

– Оренбург: ОГУ – 2010. - №12. – 82-86.