Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса получения натуральных соков из мелкоплодных яблок и дикорастущих ягод Восточной Сибири 10
1.1. Анализ использования натуральных соков в качественном питании населения Восточной Сибири 10
1.2. Сырьевая база и технологические возможности производства соков из плодово-ягодного сырья 13
1.3. Существующие и перспективные технологии приготовления и хранения натуральных соков 16 Выводы 24
Глава 2. Алгоритм формирования технологической системы получения натуральных купажированных соков 25
2.1. Организация работы и структура исследования 25
2.2. Методика проведения опытов 33
Глава 3. Экспериментальные исследования по получению оптимальной рецептуры натуральных купажированных соков 37
3.1. Химический состав мелкоплодных яблок и ягод брусники и клюквы
3.2. Рецептура купажированных яблочно-брусничных и яблочно-клюквенных соков 38
3.3. Содержание биологически активных веществ в купажах яблочно-брусничного и яблочно-клюквенного соков 40 Выводы 55
Глава 4. Разработка технологии получения купажированных соков из мелкоплодных яблок и дикорастущих ягод 56
4.1. Моделирование потоков сырья в технологической системе получения сока из мелкоплодных яблок и дикорастущих ягод 56
4.2. Проектирование технологической схемы получения купажированных соков из мелкоплодных яблок и ягод брусники и клюквы 81
4.3. Испытания проектируемого накопителя отстойника с функцией фильтрации при получении сока из мелкоплодных яблок и дикорастущих ягод 85
4.4. Выводы 97
Глава 5. Технико-экономические показатели производства натуральных соков из мелкоплодных яблок и дикорастущих ягод 98
5.1. Экономическая оценка предложенной технологии получения купажей яблочно-брусничного, яблочно-клюквенного соков
Общие выводы 106
Библиографический список .
- Сырьевая база и технологические возможности производства соков из плодово-ягодного сырья
- Методика проведения опытов
- Рецептура купажированных яблочно-брусничных и яблочно-клюквенных соков
- Проектирование технологической схемы получения купажированных соков из мелкоплодных яблок и ягод брусники и клюквы
Сырьевая база и технологические возможности производства соков из плодово-ягодного сырья
В Сибири широко распространены мелкоплодные сорта яблони — ранетки. Эти сорта яблок получили методом скрещивания Сибирских яблок с китайкой. Ранетки морозоустойчивы, быстро вызревают и имеют небольшие, по сравнению с обычными яблоками, плоды. Считается, что мелкоплодные яблоки Сибири более насыщены витаминами и другими полезными веществами, чем южные. Яблоки полезны в терапии атеросклероза, гипертонической болезни, анемии, малокровия, артритов, лечения колитов, почечно-каменной болезни [3, 4, 7, 13, 22, 23, 61].
Рост, развитие и плодоношение яблони зависят от многих факторов. Они складываются из климатических, почвенных особенностей, рельефа местности и экспозиции участка. Многие сорта яблонь, выращиваемые в средней полосе, переносят понижения температуры до — 40. Но в отдельные годы, когда в течение зимы бывают оттепели, деревья, даже морозоустойчивых сортов яблони, повреждаются уже при температуре — 25. Условия освещенности так же оказывают существенное влияние на рост яблони, которая относительно светолюбива, требует свободного размещения деревьев и равномерного их освещения. При густой посадке или сильном затенении высота растений увеличивается, диаметр крон уменьшается и наблюдается сильное оголение ветвей [5, 24, 26, 103].
Яблоня является влаголюбивой породой, поэтому один из основных факторов, обеспечивающих хорошую продуктивность деревьев — благоприятный водный режим сада в течение всего года. Почва и подпочва так же являются определяющими факторами при возделывании яблони. Основная масса ее корней в нечерноземной зоне залегает на глубине до 1 м, но отдельные корни проникают гораздо глубже. Наиболее благоприятны для яблони почвы рыхлого сложения, с мощностью корнеобитаемого слоя не менее 2 м. Большое влияние на состояние плодового дерева оказывает плотность почвы и особенно подпочвы. Уровень стояния грунтовых вод оказывает очень сильное влияние на рост, развитие и плодоношение яблони. Грунтовые воды являются одним из источников влаги, но высокое их стояние ограничивает распространение корней и часто ведет к гибели деревьев. Для яблони опасна и так называемая верховодка — временное переувлажнение почвы, вызванное особенностями рельефа, физико-механических свойств почвы и климата [25, 68, 77, 90].
Продуктивность садов. На продуктивность яблоневых садов оказывает заметное влияние и наличие вблизи больших водных бассейнов. Реки и большие водоемы улучшают условия произрастания плодовых деревьев. Вода медленно поглощает тепло и так же медленно отдает его, что позволяет сглаживать вредные колебания температуры [119, 120].
В плодоводстве Российской Федерации насаждение яблоней
составляет порядка 60% насаждений что является важнейшим плодовым растением. Яблоня издавна возделывается в Европейской части России, на Кавказ и в Средней Азии, так же развивается на Урале, Дальнем Востоке и в Сибири [20, 34].
В Красноярском крае выращивается большое количество плодово-ягодных культур, из них, наибольшее распространение получила мелкоплодная яблоня. Ассортимент яблонь представлен большим разнообразием сортов [81, 121].
Площадь производственных садов в Красноярском крае насчитывает 1470 га, из которых яблоней занято 300 га. Немаловажную роль играют коллективные сады, площадь которых составляет 3000 га, из них под яблонями – 1000 га. Средняя урожайность яблок в период последних 10 лет по садам составила 15-20 центнеров с гектара, а урожайность в коллективных садах – 25-30 центнеров с гектара [82].
В Восточной Сибири наблюдается сокращение площадей садоводства. Все чаще в последнее время садоводы стали избавляться от большей численности яблони, так как не имеют рынка сбыта а содержание и уход для личных целей в больших количествах не целесообразен с экономической точки зрения [18, 122, 124]. Рисунок 1.3. Карта произрастания мелкоплодных яблок (основные районы выращивания) Основные районы произрастания мелкоплодных яблок (рис. 1.3) [123].
1.3 Существующие и перспективные технологии приготовления и хранения натуральных соков В ходе анализа существующих технологий получения соков, сиропов, и безалкогольных напитков, были найдены наиболее близкие технические решения [21, 92]. Известна линия переработки плодоовощного сырья Патент №2030892 (Нариниянц Г.Р., Гореньков Э.С., Квасенков О.И., Касьянов Г.И.) (рис. 1.4) [95].
Методика проведения опытов
Обработка давлением не вызывает изменений основных веществ, входящих в состав продукта, влияние на аромат так незначительно (в неосветленных соках прямого отжима могут наблюдаться небольшие изменения размеров частиц).
Подавление жизнедеятельности инфицирующих микроорганизмов тепловой обработкой. Теоретические основы тепловой обработки продуктов в целях подавления жизнедеятельности микроорганизмов описаны в специализированной литературе. Однако граничные условия, при которых микроорганизмы во фруктовых и овощных соках гибнут полностью, еще не совсем изучены. Поэтому без детального изучения конкретных условий нельзя заранее предсказать, при каких условиях следует проводить стерилизацию того или иного продукта на том или ином предприятии. Это объясняется не только специфической устойчивостью различных инфицирующих микроорганизмов к тепловым нагрузкам, но и влияние нагреваемой среды, которое может быть очень различным [125].
Вегетативные клетки бактерий, дрожжей и плесневых грибов погибают уже при температурах, всего на 10-15 С превышающие температуру, при которой их активность оптимальна. Обычно для достижения приемлемой стабильности продукта бывает достаточно пастеризации при 65-80 С. Если же в продукте присутствуют спорообразующие бактерии или аскоспоры Byssochlamys, требуются существенно более высокие температуры. В обоих случаях необходимым условием эффективной стерилизации является наличие информации о термоустойчивости указанных микроорганизмов. Предполагается, что воздействие тепла приводит к денатурированию клеточных белков, и оно протекает тем медленнее, чем меньше содержание воды в клеточных тканях. Возможно, это объясняет высокую термоустойчивость спор [127]. Влияние числа микроорганизмов. Прежде считалось, что все микроорганизмы одного вида при достижении определенной температуры (так называемой точки летальности) мгновенно погибают. В настоящее время установлено, что гибель микроорганизмов зависит от продолжительности обработки. При одной и той же температуре в каждую единицу времени погибает одинаковое количество живых микроорганизмов. Таким образом, процесс гибели микроорганизмов под действием тепла имеет логарифмическую закономерность. Это означает следующее: - продолжительность тепловой обработки, необходимая для достижения стерилизующего эффекта, зависит от количества микроорганизмов в продукте; - теоретически невозможно достичь абсолютной стерильности, поскольку кривая летальности микроорганизмов лишь асимптотически приближается к нулю; обычно применяемое понятие «практически стерилен» означает, что соответствующий продукт с большой долей вероятности больше не содержит живых микроорганизмов [126, 142].
Влияние температуры. На практике фруктовые соки могут подвергнуться инфицированию плесневыми грибами, несмотря на то, что температура обеспложивания составляет 82 С. Этой температуры обычно бывает достаточно для подавления вегетативных клеток, но недостаточно, чтобы остановить рост плесневых грибов — для этого необходимо, чтобы продукт закладывался на хранение при температурах 98-100 0С. Известно, что инфицирование плесневыми грибами было устранено путем замены пластинчатого аппарата на установку для извлечения ароматобразующих веществ, работающую при 100 С. Объяснить это можно тем, что при нормальных температурах пастеризации споры грибов и бактерий выживают, и для их гибели необходимы более высокие температуры. В случае сомнений следует применять температурные режимы, при которых происходит гибель спор предполагаемых микроорганизмов [141, 149]. Опасным плесневым грибом, вызывающим порчу фруктовых соков, является Byssochlamysfulva (из-за очень высокой термоустойчивости его аскоспор). В лабораторных условиях гибель аскоспорвызывалась пятиминутным нагреванием до температуры 86 С. Штамм В. niveaоказался более термолабильным, и поэтому среди других микроорганизмов, вызывающих порчу фруктовых соков, он не играет большой роли [138].
Влияние рН. Необходимая продолжительность теплового воздействия существенно зависит от химического состава обрабатываемого сока. Особое влияние оказывает содержание кислоты, то есть значение рН. Так, например, фактор стерилизации (F0)вишневого сока с рН 3,3 составляет 0,002, тогда как для овощного сока это значение равно 6, то есть в 3000 раз больше [148].
Этот пример свидетельствует о том, какое большое практическое значение имеет кислотность продукта при проведении тепловой стерилизации. Кислые соки (например, многие фруктовые) требуют при прочих равных условиях стерилизации значительно меньшей выдержки, чем менее кислые, какими являются большинство овощных соков. Во фруктовых соках со значением рН 2,5-3,5, как и в напитках с рН ниже 4,5, практическая стерильность достигается простой пастеризацией, то есть нагреванием до 75-80 С и выдержкой в течение нескольких минут [137].
Если это допускается нормативными актами, условия проведения стерилизации можно улучшить с помощью подкисления. Иногда это возможно благодаря смешиванию двух соков с различной кислотностью. Возможно и микробиологическое подкисление с помощью молочнокислых бактерий. Более простой способ — это добавление разрешенных пищевых кислот (молочной или лимонной), но дозировку кислоты всегда следует определить предварительно, так как буферная способность соков (даже одного и того же вида) может существенно варьировать [80, 136, 145].
Рецептура купажированных яблочно-брусничных и яблочно-клюквенных соков
Клюква – вечнозеленый кустарничек со стелющимися и укореняющимися тонкими красноватыми стеблями, длина которых доходит до 100 см (обычно 30-50 см). Листья очередные, яйцевидной формы, кожистые, длиной 8-16 мм, шириной 3-6 мм, цельнокрайние с завернутыми вниз краями. Сверху они темно-зеленые, глянцевитые, снизу – более светлые, с голубовато-сизым восковым налетом. Благодаря своему восковому налету листья сохраняются всю зиму под снегом и весной появляются на кочках как новые. Цветет мелкими темно-розовыми кубышками цветов. Плод – сочная четырехгнездная темно-красная ягода, шаровидной, грушевидной или продолговато-яйцевидной формы, кислого вкуса. На верхушке ягоды сохраняются остатки чашечки.
Цветет в мае – июне, плоды созревают в конце августа – сентябре и сохраняются на растениях под снегом до весны [98, 104].
Метод определения pH проходил в соответствии с ГОСТ 26188-84. Метод основан на измерении разности потенциалов между двумя электродами (измерительным и электродом сравнения), погруженными в исследуемую пробу [41].
Метод определения массовой доли титруемых кислот в расчете на яблочную кислоту проходил на основании ГОСТ Р51434-99. Метод основан на потенциометрическом титровании стандартным титрованным раствором гидроксида натрия до значения рН 8,1 [42].
Перманганатный метод определения общего сахара основан на ГОСТ 8756.13-87. Метод основан на способности карбонильных групп сахаров восстанавливать в щелочной среде оксид меди (II) до оксида меди (I). При растворении железоаммонийными квасцами образовавшийся оксид меди (I), окисляясь до оксида меди (II), восстанавливает железо (III) в железо (II), количество которого определяют титрованием раствором марганцовокислого калия. Метод применяется при возникновении разногласий в оценке качества [43].
Метод определения сахарозы, глюкозы, фруктозы и сорбита, дубильных веществ ГОСТ 31669-2012. Метод основан на высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с рефрактометрическим детектором и термостатируемой хроматографической колонкой [44].
Метод определения массовой доля растворимых сухих веществ ГОСТ 28562-90. Метод основан на определении содержания сухих веществ по показателю преломления рефрактометром [45].
Для определения пектиновых веществ используют титриметрический метод ГОСТ 29059-91 [46].
Определения содержания сухого вещества и воды проходило по ГОСТ 28561-90, термогравиметрическим методом. Метод состоит в высушивании разрыхленной или распределенной по абсорбирующей поверхности пробы продукта при повышенной температуре и атмосферном или пониженном давлении [47].
Методы определения титруемой кислотности проходил в соответствии с ГОСТ 25555.0-82. Метод основан на титровании исследуемого раствора раствором гидроокиси натрия С(NaOH)=0,1 моль/дм в присутствии индикатора фенолфталеина [48].
Методы определения золы и щелочности общей и водорастворимой золы ГОСТ 25555.4-91. Метод основан на растворении золы в титрованном растворе соляной кислоты и обратном титровании раствора золы в присутствии индикатора [49].
Содержание клетчатки определялось по ГОСТ Р 52839-2007. Метод основан на последовательной обработке навески испытуемой пробы растворами кислоты и щелочи, озолении и количественном определении органического остатка весовым методом [50].
Определение содержания кальция, калия, железа проводили спектрофотометрическим методом. Проводилось на атомно-абсорбционном спектрометре PinAAcle 900Т, PerKin Elmer [139].
Определение содержания жира проводили в соответствии с ГОСТ 8756.21-89 гравиметрическим методом с экстракцией жира бензином. Метод основан на экстракции жира бензином в металлическом экстракторе с последующим определением массы жира в аликвотной части полученного экстракта после удаления растворителя [51].
Общее количество белков (Бс, г), внесенных в 100 г продукта с отдельными ингредиентами сырья определяется по формуле (3.1): Бс = ;Бсi = ; А ы 100 (з.і) где Бсі - количество белка, внесенного в 100 г изделия с отдельными видами сырья, где і = 1, 2, 3 …. вид сырья, г; і - количество белка в 100 г отдельного вида сырья, г; Zi - количество этого же сырья, внесенного в 100 г. Энергетическая ценность продукта рассчитывается по формуле 1.1 Эн. Ценн. = (Х белок 4) + (Х углеводы 4 ) + (Х жиры 9) + (Х орг.кислоты 3 ) + (Х спирт 7) [97].
Определение содержания витамина А проходило по ГОСТ Р 52147-2003. Сущность метода заключается в омылении образца водно-спиртовым раствором гидроокиси калия, экстракции витаминов диэтиловым эфиром, разделении витаминов хроматографией на колонке с окисью алюминия и количественном определении витаминов фотометрическим методом. Определение витаминов Bi и В2 так же проходило методом ВЭЖХ [52]. Содержание витамина С определялось по ГОСТ Р ЕН 14130-2010. Метод основан на экстракции витамина С из пробы раствором метафосфорной кислоты, последующем восстановлении L(+)-дегидроаскорбиновой кислоты до L(+)-аскорбиновой кислоты и определении общего содержания L(+) аскорбиновой кислоты методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) со спектрофотометрическим детектированием при длине волны 265 нм [53, 147].
Определение массовой доля нелетучего осадка проходило по ГОСТ 8756.9-78. Метод основан на отделении осадка от сока или экстракта центрифугированием с предварительным нагревом сока или экстракта на водяной бане и определении массы выделившегося осадка [54]. Определение содержания оксиметилфурфурола проходило по ГОСТ 29032-91. Метод основан на экстракции оксиметилфурфурола из продукта органическим растворителем и определении оксиметилфурфурола с помощью метода тонкослойной хроматографии. Нижний предел определения оксиметилфурфурола - 8 мг/кг [55].
Массовая концентрация общего диоксида серы определялась по ГОСТ 25555.5-91. Метод основан на вытеснении диоксида серы из продукта в кислой среде потоком инертного газа в приемник, окислении его перекисью водорода до серной кислоты и определении последней ацидиметрическим методом [56].
Массовая доля минеральных примесей определялась по ГОСТ 25555.3-82. Метод основан на отделении минеральных примесей четыреххлористым углеродом, сушке и взвешивании остатка [57].
Проектирование технологической схемы получения купажированных соков из мелкоплодных яблок и ягод брусники и клюквы
Шесть опытных образцов прошли дегустационную оценку, которая проходила в НИИ АММ КрасГАУ в соответствии с национальными стандартами Российской Федерации ГОСТ Р ИСО 3972, ГОСТ Р ИСО 5492, ГОСТ Р ИСО 5496, ГОСТ Р ИСО 8589. В ходе оценки были заполнены дегустационные листы. Образцы прошли испытания на органолептические показатели, такие как, вкус, цвет и запах. Максимальное количество баллов, которое мог набрать образец – 5. В результате исследований выявлялась средняя оценка каждого образца по трем показателям (табл. 3.6) [11, 35, 60, 65, 101].
Введем факториальные и результатные показатели: Хх - массовая доля нелетучего осадка, %; Х2 - массовая концентрация общего диоксида серы, %; Х3 - рН напитка, рН; Х4 - содержание оксиметилфурфурола, мг/кг; Х5 - Массовая доля минеральных примесей, %; Х6 - Массовая доля растворимых сухих веществ, %; Х7 - массовая доля сахара, %; Х8 - массовая доля титруемых кислот в расчете на яблочную кислоту, %; f - дегустационная оценка, бал (табл. 3.7). Изменение качества продукта при инвариантности массовой доли нелетучего осадка Коэффициент детерминации зависимости равен R2=99,45%, абсолютная погрешность составляет 0,28 балл., относительная погрешность 0,48% (табл. 3.8).
В этом уравнении знак минуса соответствует отрицательному действию факторов: Ьг - массовая доля нелетучего осадка; Ь7 - массаовая доля сахара; Ь8 - массовая доля титруемых кислот в расчете на яблочную кислоту. Это связано с условием нормировки: сумма средних значений постоянна и равна 9.59. Коэффициент детерминации по всем разработанным моделям не меньше 0,93 %. Относительная погрешность не превосходит 1,2 % поэтому теоретическая функция хорошо сглаживает экспериментальные данные.
В трех образцах набравших наибольшее количество баллов в ходе дегустационной оценки, определяли содержание витаминов и микроэлементов. Результаты представлены в таблице 3.15 [42, 49, 57, 61, 63].
Для создания условий без отходного производства, выжимки из мелкоплодных яблок и дикорастущих ягод необходимо подвергнуть процессу сушки. Было установлено что из 500 кг сырой массы получается 157 кг сушеного отхода. Данный вид отхода может быть применен для добавления в корма животных и домашних питомцев [71, 85, 134]. Выводы
1. На основе физико-химического анализы сырья разработана рецептура купажированных яблочно-брусничного и яблочно клюквенного соков, определено содержание биологически активных веществ.
2. Содержание биологически активных веществ в натуральных сока из местного растительного сырья превосходит в 1,5-2 раза показатели привозных соков из других регионов.
3. Разработанные рецептуры натуральных купажированных соков соответствуют техническому регламенту на соковую продукцию из фруктов и овощей ТР ТС 023/2011 Глава 4. Разработка технологии получения купажированных соков из мелкоплодных яблок и дикорастущих ягод
Моделирование потоков сырья в технологической системе получения сока из мелкоплодных яблок и дикорастущих ягод
При проектировании новой линии и составляющего его оборудования решающим фактором является прогрессивная технология. Выбранный технологический процесс должен соответствовать требованиям машинной технологии, главным из которых является возможность механизации основных и вспомогательных технологических операций наиболее простыми способами, такими как синхронизация операций на отдельных участках линии [1, 19, 62].
В ходе исследований существующих технологий, технологических схем производства сока и аналитического обзора патентно-информационной литературы, была разработана новая технологическая схема получения яблочно-ягодного сока, структура которой представлена информационно-логической моделью (рис. 2.1)
Технологическая схема получения яблочно-ягодного сока; технологические параметры: p – кол-во фильтрационных элементов, q – размер ячеек фильтрационных элементов Информационно-логическая модель системы включает в себя структуру звеньев обозначенные прописными буквами Х, У, ... функции Х(t), У(t) ... состояния звеньев Х, У, … в момент времени t час; начальные состояния Х(0), Y(0), …. звена Х в момент времени t час; интенсивности Лху потоков массы сырья из звена Х в звено У, а так же входные потоки в систему, являющиеся соответственно, режимными и управляющими параметрами системы [87].
