Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технологий производства плодово-ягодных соков 13
1.1 Сущность функционального питания 13
1.2 Основные вещества, входящие в состав плодово-ягодного сока 14
1.3 Технологии производства плодово-ягодных соков 19
1.4 Способы процесса деаэрации при производстве плодово-ягодных соков 32
2 Теория применения мембран и обоснование предлагаемой технологии производства соков 36
2.1 Классификация и макрохарактеристики мембран 36
2.2 Процессы мембранного разделения 41
2.3 Мембранные элементы и техника 54
2.4 Технология деаэрации ягодного сока функционального назначения с применением мембран 62
3 Условия, объекты и методы проведения экспериментальных исследований 66
3.1 Объекты и методы исследований 66
3.1.1 Организация эксперимента и проблемно-концептуальная схема исследований 66
3.1.2 Определение содержания кислорода в соке при проведении исследований 68
3.1.3 Методы исследований показателей качества сырья .74
3.1.4 Сырье, применяемое в работе, характеристика сырья 74
3.2 Условия проведения исследований .76
4 Результаты экспериментальных исследований .80
4.1 Сравнительный анализ содержания кислорода в различных объектах исследования 80
4.2 Результаты применения мембран при деаэрации ягодного сока 98
4.3 Биохимический анализ ягодных соков, полученных с применением мембранной деаэрации 106
4.4 Экономическая эффективность применения мембранной технологии при производстве ягодного сока функционального назначения 110
Заключение .115
Рекомендации производству 117
Список литературы 118
Приложения .129
- Основные вещества, входящие в состав плодово-ягодного сока
- Мембранные элементы и техника
- Сравнительный анализ содержания кислорода в различных объектах исследования
- Экономическая эффективность применения мембранной технологии при производстве ягодного сока функционального назначения
Основные вещества, входящие в состав плодово-ягодного сока
Ягодам принадлежит важная роль в создании продуктов функционального питания. На рисунке 1 представлен химический состав плодов и ягод.
Основная особенность их состава – высокое содержание воды – 80-90%. Содержание сухих веществ достигает в среднем 10-20%, из них меньшую часть представляют нерастворимые (2-5%), а большую – растворённые в клеточном соке (5-18%).
Соки без содержания сахара содержат 9% сухих веществ, соки с содержанием сахара – 18%, из которых сахара занимают основную долю. В их веществе содержатся 0,5-25% сахаридов. Сахара в основном находятся в виде легкоусвояемых фруктозы и глюкозы. Другой сахар - сорбит, содержится в основном в груше, черешне, рябине, черносливе и других плодах. Сахариды, так называемые полисахариды, обладающие высокой биологической активностью, противомикробным, антитоксичным и противовирусным действиями, находятся в консервированных продуктах главным образом в виде крахмала и волокон целлюлозы. Крахмал состоит из молекул глюкозы и в воде не растворяется.
Белков в соках незначительное количество (0,1-0,8%). Химически белки являются сложными азотистыми соединениями. Их составные части аминокислоты растворяются в воде, в то время как белки в воде дают коллоидные растворы.
В соках с мякотью (персиковый, абрикосовый, апельсиновый) содержатся 0,2-0,3% клетчатки и пектиновые вещества, которые производят синтез нужных для организма веществ, возвращают в норму холестерин, защищают от негативного воздействия радиации, улучшают обмен веществ. В растениях попадаются пектиновые вещества в виде нерастворимых пектоцеллюлоз и протопектина, как и клетчатка, а также как коллоидные растворы пектинов (растворимые).
Органические кислоты содержатся в разном количестве в зависимости от вида сока. Их содержание колеблется от 0,4% – в персиковом соке до 4,7% – в лимонном соке. Они растворимы в воде. Из органических кислот преобладают лимонная и яблочная, имеющиеся в разных плодах в разных количествах. В малом количестве содержится винная и щавелевая кислота – вещества, незаменимые для полноценной жизнедеятельности человека. Они оказывают антисептическое и бактерицидное действие, активизируют работу пищеварительных желез. Также содержится аскорбиновая кислота (витамин C). Общая зольность соков составляет от 0,2% в черноплодно-рябиновом до 0,5% в мандариновом.
Минеральные вещества являются известными составными частями плодов – содержание около 0,3 - 1%. Соки отличаются богатым содержанием калия. Особо выделяются вишневые соки, в которых содержится 250 мг% калия. В черноплодно - рябиновых, шиповниковых калия намного меньше – его содержание менее 100 мг%. В других соках количество калия достигает более 100 мг%. Соки не содержат в своем составе значительное количество кальция - от 5 мг% в персиковом соке до 40 мг% в черноплодно - рябиновом. Магния и фосфора тоже имеется в небольшом количестве, кроме черносмородинового сока, в котором содержится до 35 мг% магния, и черноплодно - рябинового – содержание фосфоpa до 41 мг%. Большое количество железа, полезное для сердечнососудистой и нервной систем организма, – более 1 мг% содержит черноплодно - рябиновый сок. Особую значимость соки приобретают благодаря содержанию в их составе витаминов, например, витамина С и Р-активных компонентов. В черносмородиновом соке количество витамина С доходит до 80 мг% и больше, в других соках меньше – 10-40 мг%. Содержание витамина снижается на 20-35% по сравнению с его исходным содержанием в свежих плодах и ягодах вследствие его разрушения при консервировании.
Жиры - это эфиры глицерина и жирных кислот, которые нерастворимы в воде. Мякоть плодов содержит 0,5-1,5% жиров, больше их содержится в семенах, где накапливаются резервные вещества. Дубильные вещества придают плодам терпкий и вяжущий вкус. Они содержатся в рябине, терне, незрелых фруктах. Проявляют себя как составные части ферментов.
Пигменты относятся к нерастворимым сухим веществам. Зеленый растительный пигмент хлорофилл. Каротиноиды придают растениям желтую или оранжевую окраску. Некоторые из них, например, B-каротин, в человеческом организме превращаются в провитамин А. Абрикосы, светлая черешня богаты содержанием B-каротина. Окраска красных и сине-фиолетовых плодов: малины, черники, смородины, брусники, чернослива и других плодов, вызывается антоцианами - природным сильным антиоксидантом. Антоцианы улучшают состояние капилляров, укрепляют стенки кровеносных сосудов, уменьшают их ломкость, помогают в профилактике и ослаблении симптомов сердечнососудистых заболеваний. Они обладают стабилизирующим эффектом, улучшая состояние соединительных тканей. Другой, более известной областью использования антоцианов является профилактика и лечение различных заболеваний зрения. Ароматические вещества присутствуют в плодах в очень малых концентрациях. Из них чаще всего встречаются эфирномасляничные кислоты, спирты, альдегиды и терпеновые вещества.
Витамины подразделяются на растворимые в масляных растворах -витамины A, D, E и K и нерастворимые в воде - витамин С и витамины группы B. Они способствуют улучшению обмена веществ в организме человека и нормализуют работу иммунной и нервной систем. Витамин А (Ретинол) в плодах большей частью содержится в виде провитамина каротина. Его общеизвестными источниками являются абрикосы, персики, бананы, черника, шиповник. Витамин K часто можно встретить в растениях на одном уровне с хлорофиллом, прежде всего в землянике. Значительное количество витамина C (L-аскорбиновая кислота) находится в шиповнике, черной смородине, цитрусовых фруктах, ягодах.
Ферменты образуют апоферменты - белковые части и коферменты функциональные группы. К ним принадлежат ферменты рода оксиредуктаз (L аскорбиназа, фенолоксидаза, пероксидаза и многие другие), а также пектолитические ферменты, которые переходят собственно в пектин.
Кроме воды и твердых тканей в плодах содержатся и газы в незначительном количестве. Самые распространенные из них кислород, азот и углекислый газ. Больше всего газов содержится в яблоках – 40% [104].
Химический состав ягодных соков приведен в таблице 1, минеральный и витаминный состав ягодных соков – в таблице 2. Помимо общего оздоравливающего воздействия и повышения нашего иммунитета, у ягод есть свои уникальные полезные свойства. Однако, качество ягод, их химический состав при переработке существенно изменяются. При производстве осветленных и неосветленных соков все составные вещества, растворенные в воде: витамины, сахара, кислоты, минеральные и пектиновые вещества, аминокислоты, почти полностью сохраняются в соке, в то время как малорастворимые или нерастворимые: каротиноиды, полисахариды, липиды остаются в большей или меньшей степени в выжимках.
В настоящее время при переработке плодово-ягодного сырья перед технологиями стоит задача снабжения человека продуктами, имеющими органолептические свойства высокого класса и содержащими в требуемом количестве полезные компоненты: витамины, микро- и макроэлементы и другие [15].
Таким образом, при разработке технологий и технических средств производства соков функционального назначения необходимо стремиться получить максимальный выход сока при максимальном сохранении богатого витаминного состава, антиоксидантов, питательных веществ плодов и ягод, полезных для организма человека.
Мембранные элементы и техника
Мембранное разделение возможно осуществить в устройстве только при соблюдении следующих требований:
1 - создать условия для раздельного вывода образовавшихся продуктов-концентрата и пермеата, чтобы они не смешивались;
2 - создать и поддерживать движущую силу процесса;
3 - сохранить мембрану неразрывной под воздействием движущей силы;
4 – иметь максимальную компактность (площадь мембраны, расположенной в единице объема устройства, м2/м3);
5 – создать условия интенсификации процесса – уменьшение влияния поляризационных эффектов и низкое гидравлическое сопротивление протекающим потокам;
6 – обеспечить безопасность работы [84].
Мембраны по сохранению своей цельности под воздействием движущей силы бывают следующих видов:
1. поддерживаемые – плоские и трубчатые, которые сами не могут сопротивляться движущей силе. Для работы им нужна прочная основа, берущая на себя действие движущей силы и прокачивающая через себя поток пермеата, поэтому материалу основы необходимо быть несжимаемым, пористым и с гладкой поверхностью.
2. самоподдерживаемые – капиллярные и половолоконные, которые могут самостоятельно устоять перед рабочим наружным и внутренним давлением вследствие своего небольшого размера и круглого сечения.
Мембранный элемент – простейшая ячейка разделительного устройства, соединяющая мембрану, дренаж и герметик, закрывающий внутреннее пространство от немембранного проникания в него исходного раствора.
Мембранный модуль – ряд мембранных элементов, объединенных общей камерой сбора пермеата. Включает в себя дистанционирующие проставки для предотвращения слипания мембран соседствующих мембранных элементов, узлы введения исходного раствора в межмембранные камеры, турбулизирующие вставки в межмембранные камеры.
Мембранный аппарат – один или ряд мембранных модулей, соединенных в корпусе, стойкому к рабочему давлению. На нем размещаются штуцеры введения исходного раствора и выведения концентрата и пермеата, крышки и разъемы для удаления мембранных модулей.
Мембранная установка состоит из одного или ряда мембранных аппаратов, насоса, приборов управления и контроля, арматуры и трубопровода. В этом устройстве происходит процесс разделения. Они отличаются мембранными элементами и модулями в их составе, формой мембраны и способом ее расположения [86].
В аппаратах с плоскими мембранными элементами фильтры повторяются, и в первую очередь фильтр - прессы. Простейший мембранный аппарат типа фильтр - пресс показан на рисунке 10.
Исходный раствор последовательно обмывает плоские мембранные элементы, собранные стопкой и проложенные периферийными уплотнительными рамками 5, в которых имеются отверстия и каналы для перемещения раствора из одной камеры в другую. Поэтому аппарат является бескорпусным. Внутреннее давление удерживается рамками, крепко уплотняющимися в общей сборке между фланцами 1 и 2 посредством большого количества шпилек. Основными недостатками аппаратов такого типа являются два тяжелых и толстых фланца и большое количество стягивающих шпилек [84].
Гарантирует наиболее равномерное уплотнение аппарат с круглыми мембранными элементами (рисунок 11). Перемещение из одной камеры в другую происходит с помощью отверстий на мембранном элементе, края которых заливаются специальным клеем.
Аппарат с плоскими мембранными элементами в виде колец представлен на рисунке 12. Все мембранные элементы с промежуточными проставками омываются исходным раствором. Движение следует по радиусам вначале от центра, впоследствии к центру. Фланцы сжимаются одной центральной шпилькой. Пермеат удаляется по прозрачной трубке от всех мембранных элементов во внешний коллектор. Тяжелые фланцы и сложная система перетоков-основные недостатки мембранных аппаратов данного типа [84].
Подавляющее большинство сегодня имеют элементы и модули рулонного типа, а для обратного осмоса другие типы и вовсе не используются. Корпус аппарата трубчатой формы небольшого диаметра до 200 мм из тонкой материи: металла или стеклопластика; плотность упаковки мембран до 1000 м2/м3; осуществляется механизированное изготовление модулей.
Принципиальная конструктивная схема рулонного мембранного элемента изображена на рисунке 13. Он состоит из двух листов полупроницаемой мембраны, герметически закрытых по трем сторонам, листа гибкого дренажного материала, находящегося внутри. Открытая его сторона прикреплена обхватом к перфорированной трубке [86].
Мембранный рулонный модуль представлен на рисунке 14. Он состоит из рулонного мембранного элемента, уложенного разделительной сеткой на плоскости одной мембраны для предотвращения склеивания мембран при сворачивании.
Сравнительный анализ содержания кислорода в различных объектах исследования
На начальном этапе проведения исследования для детализации методики проведения эксперимента было измерено содержание кислорода и изменение его величины в зависимости от изменения температуры в воздухе и водопроводной воде. Полученные результаты экспериментов по определению кислорода в воздухе указаны в таблице 6.
Изменение количества кислорода в воздухе в зависимости от температуры показано на рисунке 28. В начале проведения эксперимента количество кислорода составило 24,04 мг/л при температуре воздуха равной 20,5С. Его количество уменьшалось при повышении температуры. При максимальной температуре измерения 49,9С произошло снижение кислорода до 11,01 мг/л, более чем в 2 раза. Количество кислорода увеличивалось при понижении температуры. В конце проведения эксперимента при температуре 21,7С кислорода стало 23 мг/л. Данный эксперимент проводился в течение 50 мин.
Установлено, что количество кислорода в процессе нагрева и охлаждения воздуха изменяется неодинаково (рисунок 28). Однако, после определенной выдержки в начале и конце измерения количество кислорода одинаково. Из-за большой скорости нагрева и охлаждения в промежуточных интервалах возникает разница в количестве кислорода. Эти кривые сближаются друг с другом после определенного времени выдержки. С повышением температуры количество кислорода снижается. Объяснить это можно тем, что при нагревании воздуха удельный вес кислорода изменяется в большей степени, и концентрация кислорода в воздухе уменьшается. Скорость абсорбции, вследствие которой происходит аэрация, повышается с понижением температуры и с повышением давления. В дальнейшем результаты учитывались при проведении исследований с соковой продукцией.
Такая же закономерность прослеживается и при изменении температуры водопроводной воды. Полученные результаты экспериментов по определению кислорода в водопроводной воде указаны в таблицах 7 и 8. В таблице 7 приведены результаты 2-х опытов: изменение О2 (мг/л) при различной температуре t (С) в течение 115 мин. В данный промежуток времени происходило сначала нагревание, затем охлаждение водопроводной воды.
График изменения массовой концентрации растворенного кислорода в водопроводной воде в зависимости от температуры представлен на рисунке 29.
В начале измерения при температуре равной 15,6С количество кислорода составило 7,63 мг/л. С течением времени при нагреве водопроводной воды и достижении максимальной температуры равной 49,9С количество кислорода уменьшилось до 1,1 мг/л. После охлаждения до температуры 16,3С количество кислорода стало 6,86 мг/л.
На рисунке 30 видно, что при максимальной температуре нагрева водопроводной воды в опыте до 49,9С содержание кислорода в ней минимальное количество – 1,1 мг/л, при меньшей температуре воды – количество кислорода больше. Объяснением произошедшего явления служит ухудшение растворимости кислорода в водных растворах с повышением температуры. Данный процесс является физически закономерным – с повышением температуры газа, и следовательно, кислорода в водной среде становится меньше [92]. Из-за большой подвижности молекул часть сначала перемещается в холодную сторону, затем он возвращается при охлаждении вследствие пропорциональности концентрации в газовой среде и растворе и равновесного состояния [62].
Далее было измерено количество кислорода в дистиллированной воде при различной температуре с течением времени (таблица 9) для сравнения установленных показателей кислорода в водопроводной воде и выяснения факторов, влияющих на изменение его количества.
Из сравнения полученных результатов установлено, что при одинаковых температурах количество кислорода больше в дистиллированной воде, чем в водопроводной. С течением времени количество кислорода в дистиллированной воде либо увеличивалось (при t= 8С и t = 39,0С), либо стало меньше на 0,54 мг/л при t= 12,2С и на 0,2 мг/л при t = 21,9С.
Таким образом, количество кислорода и его изменение зависит от состава объекта исследования. Дистиллированная вода – это очищенная вода, практически не содержащая примесей и посторонних включений, в то время как водопроводная вода имеет определенный химический состав:
1.вещества, которые наиболее часто встречаются в природной воде – фтор (F), железо (Fe), медь (Cu), марганец (Mn), цинк (Zn), ртуть (Hg), селен (Se), свинец (Pb), молибден (Мо), нитраты, сероводород (H2S) и др.;
2.вещества, остающиеся в воде после реагентной обработки: коагулянты (сульфат алюминия), флоккулянты (полиакриламид), реагенты, предохраняющие водопроводные трубы от коррозии (остаточные триполифосфаты), а также остаточный хлор;
3.химические вещества, попадающие в водоемы со сточными водами (отходы бытового и промышленного характера, поверхностные стоки сельскохозяйственных угодий, содержащие химические средства защиты растений: гербициды и минеральные удобрения). Это пестициды, тяжелые металлы, детергенты, минеральные удобрения;
4.вещества, которые могут попадать в воду из водопроводных труб, переходников, соединений, сварочных швов и др. (медь, железо, свинец) [101].
Следовательно, вещества, содержащиеся в жидкости, влияют на количество кислорода.
Далее было измерено содержание кислорода в свежевыжатом соке из смородины черной. Полученные результаты эксперимента указаны в таблице 10.
Экономическая эффективность применения мембранной технологии при производстве ягодного сока функционального назначения
Для проведения экономической оценки результатов исследования использовались общеэкономические и математические методы. В качестве основных критериев оценки экономической эффективности были выбраны уровень рентабельности производства сока объемом 1 л с применением мембранной технологии и прибыли от реализации продукции. Для расчета экономической эффективности применения разработанной мембранной технологии при производстве ягодного сока функционального назначения необходимо вычислить разницу себестоимости производства продукции с применением вакуумного деаэратора. Экономический эффект производства продукции будет состоять из экономии топливно-энергетических ресурсов и затрат на эксплуатацию оборудования.
Экономический эффект использования мембранного устройства для деаэрации ягодного сока достигается за счет разницы затрат на топливно-энергетические ресурсы, обслуживание и ремонт оборудования, применяемых в технологии с использованием вакуумного деаэратора.
Эоб = Звакуум - Змембр , (5.1)
где Эоб – экономический эффект производства продукции вследствие сбережения топливно-энергетических ресурсов и затрат на эксплуатацию оборудования, руб.,
Звакуум – расходы на топливно-энергетические ресурсы, эксплуатацию оборудования и другие расходы при использовании вакуумного деаэратора, руб.,
Змембр – расходы на топливно-энергетические ресурсы, эксплуатацию оборудования и другие расходы при использовании мембранного деаэратора, руб.
В основу расчета полных затрат производства продукции вошли данные о необходимых расходах на закупку сырья и вспомогательных материалов, производства продукции. По формуле (5.1) получаем: Эоб = 7 руб./л Результаты расчета представлены в таблице 24.
Уровень рентабельности (таблица 25) производства продукции рассчитан как процентное соотношение прибыли, полученной от реализации 1 л сока, и полных затрат, требуемых для производства и реализации сока. Важно отметить, что за счет того, что продукты функционального назначения содержат большое количество полезных веществ цены на них выше на 20%, чем на традиционные продукты. Но при этом спрос на данную продукцию находится на достаточно высоком уровне, так как эти продукты питания носят и профилактический, и лечебный характер.
В результате расчета экономической эффективности установлено, что получение сока функционального назначения с применением мембранной установки характеризуется более высокими экономическими показателями по сравнению с традиционным продуктом питания. Согласно данным, приведенным в таблице 25, уровень рентабельности сока функционального назначения, полученного с применением мембранного деаэратора, составляет 75,9% при полной себестоимости 58 руб., что на 45,1% больше по сравнению с традиционным соком, полученным с применением вакуумного деаэратора, у которого уровень рентабельности составляет 30,8% при полной себестоимости 65 руб.
Для определения целесообразности внедрения технологии с использованием мембранного деаэратора рассчитаем срок окупаемости капитальных вложений:
Т=КЭ Вг , (5.2)
где Эг – годовой экономический эффект, руб.,
КВ – капитальные вложения (стоимость мембранного деаэратора), руб.
Годовой экономический эффект высчитывается исходя из разницы в себестоимости годовых выпусков продукции с использованием вакуумной и мембранной деаэрации. Результаты расчета представлены в таблице 26. Согласно полученным результатам после внедрения предложенной технологии и оборудования полная себестоимость готовой продукции снизится на 10,8%, уровень рентабельности станет выше на 45,1% и внедряемое оборудование окупится менее чем за 3 года. Из вышеприведенных экономических расчетов и анализа эффективности применения предлагаемой технологии и оборудования для производства сока функционального назначения следует, что применение мембранного деаэратора при производстве ягодного сока функционального назначения вместо используемого в настоящее время вакуумного деаэратора для производства традиционного сока приносит положительный экономический эффект.
Результаты исследований внедрены в лабораторию продуктов функционального питания и используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Мичуринский ГАУ». Результаты использования газоразделительных мембран на технологической операции – деаэрация, в процессе производства ягодного сока функционального назначения внедрены в технологию производства соков ООО «Экспериментальный центр «М – КОНС – 1» и ООО «Планета садов Плюс» (приложения).