Теоретические и практические основы новых технологий получения пектина из растительного сырья с использованием физических процессов Богус Александр Муссович

Содержание к диссертации

ВВЕДЕНИЕ

1. Современное состояние техники и технологии получения пектина из растительного сырья

   1. Строение и основные свойства пектиновых веществ

   2. Основные физические методы гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ

      1. Получение пектина из растительного сырья методом механо- химии

      2. Технологии получения пектинов с использованием электроактивированной воды

      3. Применение электрического поля для проведения гидролиза- экстрагирования пектина их растительного сырья

      4. Современные технологии получения пектина кавитационным методом

      Современные методы коагуляции пектиновых веществ

      1. Способы коагуляции высокомолекулярных природных соединений

      2. Современные способы осаждения пектиновых веществ

         1. Объекты и методы исследований

            1. Характеристика объектов исследований

            2. Экспериментально-аналитические методы исследований

               1. Комплексное определение пектина

               2. Определение качественных характеристик пектина

               3. Определение сорбционных свойств пектина

               4. Методы определения химического состава продуктов

               5. Статистическая обработка полученных данных

                  1. Теоретическое обоснование и разработка технологии извлечения пектина из растительного сырья методом гидродинамической кавитации

                     1. Теоретические основы интенсификации процесса извлечения пектина из растительного сырья методом эжекторной кавитации

                     2. Оптимизация конструктивных решений создания эжекторно- кавитационного аппарата на основе сопла Вентури для получения пектина

                     3. Сравнительный анализ процессов физического воздействия на растительное сырье для извлечения пектинов на различных кави- тационных установках

                     4. Разработка математической модели процесса гидролиза- экстрагирования пектина из растительного сырья в эжекторно- кавитационном режиме

                     Теоретическое обоснование и разработка технологии получения пектина с применением вращающегося электрического поля

                     1. Теоретические основы применения импульсного электрического поля для коагуляции пектина.

                     2. Экспериментальное исследование и обоснование технологических параметров процесса электрокоагуляции пектина

                     3. Исследование возможности фракционирования свекловичного пектина во вращающемся электрическом поле

                     4. Математическое моделирование процесса электроосаждения пектина

                     5. Разработка процессно-аппаратурных схем производства пектина

                     Исследование сорбционных свойств пектина, осажденного электрическим полем

                     1. Сорбционные свойства осажденного пектина по отношению к металлам

                     2. Сорбционные свойства осажденного пектина по отношению к органическим соединениям

                     3. Исследование взаимного влияния ионов металлов на процесс

                     Введение к работе

                     Стратегическим направлением развития пищевой промышленности согласно Концепции государственной политики в области здорового питания населения России на период до 2005 года является развитие пищевых производств, обеспечивающих получение продуктов защитного, оздоровительного, лечебно-профилактического назначения по инновационным технологиям. Решение обозначенной в Концепции проблемы приобрело еще большую актуальность в связи с повсеместным ухудшением экологической ситуации.

                     Минимизация последствий антропогенной нагрузки на вырабатываемую пищевую продукцию успешно реализуется в пищевой индустрии путем ее комбинирования с высокоэффективными сорбентами по отношению к тяжелым металлам, радионуклидам и другим инкорпоративным веществам. Лидирующее положение в ряду эффективных биологических сорбентов занимает растительный высокомолекулярный полисахарид - пектин, обладающий широким спектром комплексообразующих, студнеобразующих и радиопротекторных свойств.

                     Пектин активно используется в российской пищевой индустрии с 80-х годов XX века и за это время он стал одним из основных видов сырья, определяющих развитие пищевой отрасли. В данный момент наблюдается стабильный рост объема потребления пектина в стране. Этому способствует существующая за рубежом индустрия пектина, позволяющая получать самые различные его модификации.

                     Актуальность научного направления подтверждена включением их в Программу фундаментальных и прикладных исследований Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции РАСХН на 2001-2005 гг. «Разработать научные основы систем технологического обеспечения хранения и и комплексной переработки сельскохозяйственного сырья при производстве экологически безопасных конкурентоспособных пищевых продуктов общего и специального назначения» по теме 01.02 «Определить системологические критерии взаимовлияния физических методов и аппаратов при производстве натуральных загустителей и структурообразователей» и программу НИР департа- 6 мента сельского хозяйства и продовольствия Краснодарского края 4.1.3/3 20032005 гг. «Исследование технологических свойств растительного сырья с целью производства новых пищевых продуктов» по теме «Разработать систему оборудования для осаждения пектина из пектинового экстракта высокочастотным электрическим полем».

                     Степень изученности проблемы. Большой вклад в развитие отечественной технологии производства и применения пектина и пектинопродуктов внесли Г.Б. Аймухамедова, З.Д. Ашубаева, Н.П. Шелухина, Сосновский Л.Б., JI.B. Донченко, Г.М. Зайко, Карпович И.С., В.Г. Моисеева, A.A. Кочеткова, И.А. Ильина, В.М. Голубев и др.

                     Анализ состояния и тенденции развития технологий получения пектина показал, что в современных условиях ключевой проблемой производства различных видов пектинов являются безопасность, экологическая чистота процесса, высокое качество и прогнозируемость свойств целевого продукта.

                     В связи с этим, разработка физических способов гидролиза- экстрагирования и коагуляции пектиновых веществ, основанных на использовании пространственной структуры пектиновых молекул, является перспективным и актуальным научным направлением в развитии технологии пектина, отвечающей современным требованиям.

                     Цель и задачи исследований. Основной целью работы является теоретическое обоснование и разработка технологии производства пектина функционального (лечебно-профилактического) назначения на основе электрофизических методов.

                     Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: теоретическое обоснование и экспериментальное исследование процесса интенсификации гидролиза протопектина и экстрагирования пектиновых веществ из растительного сырья в эжекторно-кавитационном режиме; разработка математической модели электрофизического процесса гидролиза- экстрагирования пектиновых веществ; оптимизация технологических режимов процесса извлечения пектинов из сырья и технических характеристик эжекторно-кавитационного аппарата непрерывного действия, обеспечивающих получение лечебно-профилактических пектинов; теоретическое обоснование и разработка технологических приемов коагуляции (выделения из экстрактов) пектиновых веществ из концентратов (экстрактов) на основе применения вращающегося импульсного электрического поля; установление влияния параметров электрического поля на аналитические характеристики и функциональные свойства выделяемых фракций пектина; разработка математической модели процесса электрокоагуляции пектина и оптимизация технологических параметров осуществления процесса электрокоагуляции пектина из раствора и технических характеристик электролизера, обеспечивающих выделение пектинов с высокой сорбционной способностью; выявление количественных взаимосвязей аналитических характеристик и сорбционных свойств электроосажденных фракций пектинов; разработка технологических схем и аппаратурного оформления для практической реализации предложенных электрофизических способов производства пектинов функционального назначения.

                     Объектами исследований являлись: образцы пектиносодержащих выжимок - яблочные выжимки, свекловичный жом и цитрусовые отжимы, образцы свекловичного, яблочного и цитрусового пектинов.

                     В процессе исследований применялись следующие методы: кондуктометрический, вискозиметрический, атомно-абсорбционный, флуориметрический метод и др.

                     Экспериментальные исследования выполнены на специально созданных стендовых установках КНИИХПСП. При разработке конструкций новых аппаратов основным методом являлось стендовое моделирование на основе экспериментальных данных.

                     Опытно-промышленные испытания проведены на экспериментальном и опытном оборудовании ОАО «Славянский консервный завод» и Корочанском консервном заводе (Белгородская область).

                     Теоретической и методологической основой исследования стали работы современных отечественных и зарубежных ученых в области технологии пектинов.

                     Проведенные комплексные теоретические и экспериментальные исследования технологии производства пектиновых веществ позволили разработать научную концепцию, заключающуюся в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении возможности интенсификации процессов гидролиза протопектина, экстрагирования пектина из растительного сырья в эжек- торно-кавитационном режиме и электрокоагуляции пектинов из растворов при взаимодействиях молекул пектина (диполей) с высокочастотным импульсным электрическим полем.

                     Полученная информация систематизирована в соответствии со схемой функциональной структуры поиска технического решения и применена для создания линии производства пектинов для функциональных продуктов питания.

                     Научная новизна заключается в разработке научной концепции и основных теоретических положений, экспериментально подтвержденных возможностью получения пектинов функционального назначения на основе применения эжекторно-кавитационного способа для интенсификации процесса гидролиза- экстрагирования пектинов, и выражается в следующем: доказательстве преимуществ эжекторного-кавитационного способа создания гидродинамической кавитации (с использованием сопла Вентури) для оптимизации процессов гидролиза протопектина и экстрагирования пектиновых веществ из растительного сырья по сравнению с действием различных ро- торно-кавитационных установок (а.с. 95110354/04 (017899) от 26.06.95). выявлении механизма процесса электрокоагуляции пектинов из растворов при применении импульсного вращающегося электрического поля. В ре- зультате выдвинута гипотеза, что в основе этого процесса лежит процесс взаимодействия макромолекул пектина, являющихся диполями в растворе, с высокочастотным импульсным электрическим полем, ориентирующим движение молекул пектина в растворе и приводящим к их слипанию в ассоциаты (процесс коагуляции), что в отличие от процесса электроосаждения пектина на электролизере с алюминиевыми пластинками, позволяет осаждать не пектинаты алюминия, а сам пектин, т.е. рамногалактуронан. Достоверность выдвинутой гипотезы подтверждена при проведении исследований аналитических характеристик выделяемых пектинов. теоретическом обосновании области необходимых частот и напряжений электрического поля для осуществления процесса, выявлении закономерностей процесса электрокоагуляции пектина и количественных взаимосвязей его свойств с электрическими параметрами применяемого высокочастотного поля малых энергий, позволяющих выделять фракции пектина с прогнозируемым химическим составом. разработке технологической схемы и ее аппаратурном оформлении для практической реализации производства пектинов функционального назначения на основе применения электрофизических методов, базирующейся на системном подходе к логической интерпретации физических явлений и полученных достоверных результатах, которые подтверждают эффективность и целесообразность их использования в пектиновом производстве.

                     Практическая ценность работы заключается в доведении до практической реализации и производственных испытаний научных разработок, выполненных в настоящей диссертационной работе, в ОАО «Славянский консервный завод» и Корочанском консервном заводе (Белгородская область).

                     Разработан и запатентован принципиально новый способ производства пектина на основе эжекторно-кавитационной обработки растительного сырья, позволяющий снизить порог активации процесса гидролиза протопектина и интенсифицировать процесс гидролиза-экстрагирования пектина (а.с. 95110354/04 (017899) от 26.06.95)

                     Разработанный и запатентован способ электроосаждения пектинов из растворов при применении импульсного вращающегося электрического поля (патент РФ №.2153264 от 20.07.99).

                     Разработана и запатентована электронная установка для электрокоагуляции пектина (патент РФ №2208944 от 21.03.2001).

                     Решения, выводы и предложения диссертационной работы нашли практическое применение и использование при разработке: процессно-аппаратурной схемы получения пектина и пектинопродуктов с использованием физических процессов; нормативной документации на производство очищенного пектина (ТУ 9169-157-04801346-04), плодовой пасты из яблочных выжимок (ТУ 9161 - 149 - 04801346 - 06); технико-экономического обоснования «Организация промышленного производства отечественных пектинопродуктов и сухого пектина» для ОАО «Славянский консервный завод». конструкции кавитационных аппаратов для получения пектина и пектинопродуктов, легко встраиваемых в существующие технологические линии консервного производства; технического задания на изготовление специального импульсного генератора для создания вращающегося электрического поля в пектиновом экстракте.

                     Защищаемые результаты исследований: механизм перехода протопектина в гидратопектин методом эжекторной кавитации и на его основе технология извлечения пектинов. В отличие от ранее предлагаемых методов использования дисковых роторно-кавитационных аппаратов для извлечения пектинов из растительного сырья выделение пектина в эжекторно-кавитационном режиме осуществляется не за счет тонкого измельчения растительной ткани под действием истирающих тел, а за счет создания гидродинамической кавитации при течении жидкости через сопло типа Венту- ри. Организация струйного течения смеси с изменением внешнего давления циклами, включающими гидродинамический разрыв смеси с инверсией воды в насыщенный пар и сжатием ее с инверсией насыщенного пара в воду, приводит к снижению порога энергии активации и возрастанию скорости реакции гидролиза протопектина. При этом прогидролизованный пектин за счет турбулентного движения жидкости мгновенно переходит в жидкую фазу; механизм процесса и технология электрокоагуляции пектинов из растворов при применении импульсного вращающегося электрического поля, заключающийся во взаимодействии макромолекул пектина с высокочастотным импульсным электрическим полем, ориентирующим движение диполей пектина и разряжение его молекул на катоде, и обеспечивающий в отличие от процесса электроосаждения пектина в электролизере с металлическими электродами коагуляцию рамногалактуронана, а не солей пектинов; фракционирование пектина по молекулярной массе путем обработки пектиновых экстрактов высокочастотным электрическим полем с целью выделения пектинов с высокими сорбционными свойствами по отношению к тяжелым металлам.

                     Под руководством диссертанта выполнена защищенная кандидатская работа А.Д. Ачмиз (2005 г). Результаты совместных исследований вошли составной частью в кандидатскую диссертацию М.Ю. Яхутль (2001 г).

                     I АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

                     Похожие диссертации на Теоретические и практические основы новых технологий получения пектина из растительного сырья с использованием физических процессов

                     

                     Разработка технологии игристых вин на основе интенсификации процесса вторичного броженияМагомедов, Низамутдин Маллараджабович

                     Совершенствование технологии белых столовых вин на основе интенсификации процесса спиртового броженияДжинджолия, Тимур Нугзарович

                     

                     Совершенствование технологии производства натуральных сухих вин на основе регулирования процессов брожения и кислотопониженияКасай Елена Викторовна

                     

                     Научно-практические основы ресурсосберегающих технологий получения и применения биомодифицированных продуктов из овса и ячменяРумянцева, Валентина Владимировна

                     

                     Технология получения пектина из красной смородины для производства натурально окрашенных пастило-мармеладных групп изделийСилин Василий Евгеньевич

                     

                     Разработка рациональной технологии получения пектина из отходов плодового виноделияЖиров Владимир Михайлович

                     

                     Разработка технологии получения пектина с высокими сорбционными свойствами Ачмиз Аминет Довлетовна

                     

                     Разработка технологии комплексной переработки яблок летних и осенних сортов с получением пектина и пектинопродуктов функционального назначенияКрасноселова Екатерина Анатольевна

                     

                     Совершенствование технологии производства цукатов из кабачков и тыквы с использованием моделирования технологических и массообменных процессов Причко Вадим Александрович

                     

                     Совершенствование технологического процесса и обеспечение микробиологической безопасности при производстве зернового хлеба с использованием проростков пшеницыСинельникова, Ольга Викторовна