Введение к работе
Актуальность проблемы. Основами государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 г. ставится задача модернизации и интенсификации перерабатывающей промышленности с целью обеспечения продовольственной безопасности страны за счет развития фундаментальных исследований в области современных биотехнологических способов получения продукции повышенной пищевой ценности с новыми функционально-технологическими свойствами.
Одним из перспективных направлений совершенствования процессов переработки растительного сырья является биоконверсия с использованием ферментных препаратов, применение которых позволяет существенно изменить, интенсифицировать и усовершенствовать существующие технологии хлебобулочных изделий как систему энергоэффективных процессов. Этому направлению посвящены работы Аксеновой Л.М., Черных В.Я., Богатыревой Т. Г., Гинзбурга А. Г., Магомедова Г.О., Цыгановой Т. Б., Дерканосовой Н. М., Пономаревой Е.И., Корячкиной С.Я., Кузнецовой Е.А., Кузнецовой Л. И., Матвеевой И. В., Нечаева А.П., Николаевой В.А., Пучковой Л.И., Рослякова Ю.Ф., Савенковой Т. В., Lees, R. и др.
Однако в научно-технической литературе отсутствуют научно обоснованные подходы к использованию фермента инулиназы Bacillus polymyxa 29 для получения биомодифицировнных продуктов с заданными технологическими свойствами и их использование в технологии хлебобулочных изделий повышенного качества и пищевой ценности.
Инулиназа способствует превращению растительного полимера инулина в практически чистую фруктозу, или фруктоолигосахариды. Инулин накапливается как резервный полисахарид в таких с.-х.-ных культурах, как, артишок, цикорий, топинамбур, якон и др. Фруктоза становится все более востребованной в пищевых технологиях как более безопасная для здоровья человека альтернатива сахарозе, которая способствует возникновения атеросклероза, ожирения, кариеса и диабета.
Особое место в биотехнологических процессах пищевой технологии отводится мембранному разделению жидких сред с возможностью их концентрирования при обычной температуре без термического воздействия на их физиологическое и химическое состояние.
К сожалению, исследования в этой области ведутся разрозненно, по краткосрочным программам, на недостаточно совершенной технической базе. Из-за несовершенства баромембранной техники не всегда ультрафильтрация культуральной жидкости перед вакуум-сублима-ционной сушкой позволяет в полной мере удалить низкомолекулярные белки, повысить содержание СВ и активность фермента.
Современные тенденции в развитии теории вакуум-сублима-ционной сушки подготовили условия для научного подхода к созданию новых энергоэффективных технологий ферментных препаратов (ФП) при наиболее рациональных с энергетической точки зрения схемах подключения компрессорно-холодильных установок с использованием важнейших принципов энергосбережения и охраны окружающей среды. Теоретические основы тепломассообмена в процессах вакуум-сублимационной сушки и их аппаратурное оформление отражены в работах А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, А.А. Гухмана, Э.И. Гуйго, Б.П. Камовникова, Г.В. Семенова, И.Т. Кретова, С.Т. Антипова, С.В. Шахова, Э.И. Каухчешвили, А.П. Лебедева, А.З. Волынец, и др., а также зарубежными учеными – Е.В. Флосдорфа, А.Я. Эддома, Р. Харрисома, и др.
Недостаточное изучение общих закономерностей совместно протекающих процессов культивирования, ультрафильтрации и вакуум-сублимационной сушки ферментных препаратов сдерживает разработку и использование новых, перспективных технологий, позволяющих интенсифицировать все ее стадии с рациональным использованием энергетического потенциала и обеспечением высокого качества получаемого продукта. Существующие в настоящее время способы производства ферментных препаратов, зачастую, не используют вторичные энергоресурсы, что не позволяет существенно повысить экономичность протекающих процессов. Поэтому разработка и использование универсальных подходов для анализа и поиска решений по повышению эффективности способов производства ферментных препаратов является актуальной задачей.
Научная работа проводилась в рамках Федеральных целевых научно-технических программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в соответствии с тематическим планом НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна ВГУИТ (№ гос. регистрации 01201253866) «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологических чистых технологий хранения и переработки с.-х.-ного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по направлению «Экологически безопасные ресурсосберегающие производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» (№ гос. регистрации П 1201).
Цель работы – разработка научно обоснованных ресурсосберегающих, экологически безопасных и энергоэффективных технологий ферментных препаратов с применением холодильной техники. На примере ферментативного гидролиза инулина топинамбура инулиназой Bacillus polymyxa 29 с последующим использованием гидролизованного порошка топинамбура показать преимущество предлагаемого ферментного препарата в производстве хлеба диабетического назначения повышенной пищевой ценности.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
1. Разработать научно-практические подходы к энергосбережению и предложить энергоэффективные технологии получения ферментных препаратов с использованием холодильной техники.
2. Методами планирования эксперимента получить уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс ультрафильтрации инулиназы бактерий Bacillus polymyxa 29 на пилотной установке. Определить технологические режимы ультрафильтрационной установки, обеспечиващие минимум удельных энергозатрат на прокачку раствора и максимум расхода, массовой доли сухих веществ и активности инулиназы в концентрате на выходе из мембраны.
3. Разработать мембранный аппарат, обеспечивающий повышение эффективности мембранного разделения при концентрировании культуральной жидкости за счет изменения во времени гидродинамического режима в мембранном канале переменного сечения.
4. Изучить кинетические закономерности вакуум-сублима-ционной сушки ферментного препарата инулиназы, сформулировать и решить задачу оптимального выбора загрузки сублиматора по минимальной величине удельных энергозатрат.
5. Разработать математическую модель нестационарного процесса десублимации при вакуум-сублимационной сушке, позволяющей прогнозировать изменение толщины десублимата и коэффициента теплообмена во времени на межфазной поверхности десублиматора.
6. Составить программно-логические алгоритмы управления технологическими параметрами, обеспечивающие наименьшие потери теплоты и электроэнергии.
7. Исследовать некоторые физико-химические свойства инулополимексина.
8. Выполнить экспериментальные и теоретические исследования применения инулиназы Bacillus polymyxa 29 в технологии хлебобулочных изделий.
9. Провести производственные испытания предлагаемых технических решений и разработать нормативно-техническую документацию для внедрения в промышленность.
Научные положения, выносимые на защиту:
- комплекс проблемно-ориентированных методов анализа и принятия решений, включающих структуризацию процессов в энергоэффективной технологии получения ферментного препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29 с использованием тепловых насосов;
- концептуальный подход к созданию инновационных биотехнологий, техники и способов управления процессами культивирования, ультрафильтрации и вакуум-сублимационной сушки ферментных препаратов;
- научно обоснованные способы энергосбережения за счет рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов и замкнутых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам;
- результаты моделирования процессов ультрафильтрации и десублимации в процессе вакуум-сублимационной сушки;
- принципы выбора рациональных режимов процессов, способствующих снижению удельных энергетических затрат, повышению производительности и качества ферментных препаратов;
- методологический подход к созданию системы автоматической оптимизации технологии по технико-экономическому показателю, обеспечивающей экономию материальных и энергетических ресурсов;
- новая рецептура хлеба диабетического назначения повышенной пищевой ценности.
Научная новизна. Разработана статистическая модель процесса ультрафильтрации инулиназы бактерий Bacillus polymyxa 29, в которой в качестве критериев оптимизации использованы такие важные показатели, как удельные энергозатраты; расход, массовая доля СВ и активность инулиназы в концентрате на выходе из мембраны.
Установлены кинетические закономерности процесса вакуум-сублимационной сушки ферментного препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29.
Решена математическая модель нестационарного процесса десублимации при вакуум-сублимационной сушке ФП, позволяющая прогнозировать изменение толщины десублимата и коэффициента теплообмена во времени на межфазной поверхности десублиматора.
Предложен алгоритм управления биотехнологией получения ферментных препаратов на базе парокомпрессионного теплового насоса, обеспечивающий повышение энергетичекой эффективности совместно протекающих процессов ферментации и вакуум-сублимационной сушки.
Выполнен эксергетический анализ и проведена оценка термодинамического совершенства технологии получения ферментного препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29 как системы процессов.
Получены новые данные по кислотной и термической инактивации инулиназы Bacillus polymyxa 29. Установлены закономерности ферментативного гидролиза инулина топинамбура.
Научно обоснована целесообразность применения ферментного препарата инулополимексина в технологии жидких ржаных заквасок.
Решена задача выбора оптимальной рецептуры хлеба диабетического назначения повышенной пищевой ценности с добавлением отрубей и гидролизованного порошка топинамбура.
Практическая ценность. Разработаны энергоэффективные технологии получения ферментных препаратов с использованием парокомпрессионного (Пат. РФ № 2480520) и пароэжекторного (Пат. РФ № 2484129) тепловых насосов.
Определены рациональные интервалы изменения технологических режимов процесса ультрафильтрации культуральной жидкости ферментного препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29.
Разработана конструкция мембранного аппарата с неустановившейся гидродинамикой (положительное решение по заявке № 2012127526 от 25.09.2013).
Определена оптимальная загрузка сублиматора по минимальной величине удельных энергозатрат при ограничениях на производительность вакуум-сублимационной сушилки по высушенному препарату.
Установлены оптимальные режимы приготовления жидкой закваски с применением гидролизованного порошка топинамбура, позволяющие интенсифицировать процессы накопления диоксида углерода и кислотонакопления при созревании полуфабриката в условиях исключения стадии заваривания муки и осахаривания заварки.
Разработана рецептура и технология хлебобулочных изделий с применением ферментного препарата инулополимексин, позволяющие повысить пищевую ценность продукции, улучшить показатели ее качества, расширить ассортимент изделий диабетического действия.
Разработан и утвержден в установленном порядке пакет нормативной документации на новый сорт хлеба: хлеб Таловские просторы (РЦ, ТИ, ТУ 9113-007-00492894-2013).
Реализация результатов работы. Экономическая и технологическая целесообразность, социальная значимость предложенной рецептуры хлеба диабетического назначения подтверждена ее промышленной апробацией.
Хлеб Таловские просторы апробирован в условиях ОАО «Хлебозавод №7» г. Воронежа (акт производственных испытаний от 11.10.2013 г.).
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует п. п. 1, 2 и 4 паспорта специальности 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств и п. п. 3, 4, и 9 специальности 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных, всероссийских научно-практических конференциях и семинарах (Уфа, 2011), (Воронеж, 2011–2013), (Мичуринск, 2011), (Тамбов, 2011), (Краснодар, 2012), (Казань, 2013), (Уфа, 2013), отчетных научных конференциях ВГУИТ (Воронеж, 2011–2012).
Результаты работы отмечены дипломами участника выставки «Воронежский АПК сегодня» (2012), «Воронежагро» (2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в т.ч. 9 статей в журналах, включенных ВАК в перечень рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, получено 3 патента РФ на изобретения и 1 положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2012127526.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 206 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 224 наименования, в т. ч. 34 зарубежных. Приложения к диссертации представлены на 16 страницах.
