Введение к работе
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 (2009 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 14 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 №ГБ01200902661 «Совершенствование производственных процессов в пищевой промышленности и АПК на основе био- и нанотехнологий».
