CC BY
149
сушильных установок кипящего слоя для перехода от лабораторных масштабов к промышленным с достаточной степенью надежности [2]. При этом в промышленных условиях могут меняться по сравнению с модельными обрабатываемые материалы (высушиваемый продукт; его теплофизические характеристики), геометрические размеры аппарата, параметры прове -дения процесса (температура, скорость сушильного агента) и другие условия при неизменности физиче-
ской сущности исследуемого процесса и инвариантности критериев и симплексов подобия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. - 2-е изд. - М.: Высш. шк., 1976. - 479 с.
2. Романков П.Х., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. - Л.: Химия, 1982. - 287 с.
Поступила 06.11.08 г.
KINETIC MODEL IN GENERALISED COORDINATE OF PROCESS OF DRYING FOOD FIBRES IN A BOILING LAYER
L.M. TITOVA, I.YU. ALEKSANYAN, YU.A MAKSIMENKO
Astrakhan State Technical University,
16, Tatischeva st., Astrakhan, 414025; ph./fax: (8512) 25-73-68, e-mail: [email protected]
The generalized criterional equation of the process of the drying the food fibres in a boiling layer was received on base of the theories of the resemblance and method of the analysis of dimensionality. The criterional function can be used for designing of the rational dry installation boiling layer. The mathematical model provide turning from laboratory scale to industrial with sufficient degree of reliability.
Key words: modeling of the process, theory of the resemblance, drying, fluidiration.
[664.951.014:663.15]:664.959.001.57
КРИТЕРИИ ОПТИМИЗАЦИИ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОЛИЗАТОВ ИЗ ГИДРОБИОНТОВ
М.Е. ЦИБИЗОВА, С.А МИЖУЕВА, К.В. КОСТЮРИНА
Астраханский государственный технический университет,
414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16; тел.: (8512) 61-45-94, факс: (8512) 25-73-68, электронная почта: m.e.zibizova@gmail. com, [email protected]
На основе проведения многофакторного эксперимента и математической обработки полученных результатов опреде -лены критерии оптимизации биотехнологических процессов, позволяющие обосновать режимы биотрансформации получения рыбных гидролизатов.
Ключевые слова: гидробионты, биотрансформация, глубина гидролиза, факторы варьирования, оптимизация.
Современный этап развития прикладной биотехнологии характеризуется разработкой и совершенствованием биотехнологических способов переработки сырья в пищевые и кормовые продукты для получения белковых продуктов нового поколения
Перерабатываемое сырье можно рассматривать как многокомпонентную систему, подвергаемую разнообразным режимам переработки. Использование ферментативных технологий позволяет получать не только пищевые продукты высокого качества, обладающие высокой биологической ценностью, но и кормовые продукты повышенной биологической доступности. Применение процессов биотрансформации в полном объеме распространяется на рыбные объекты промысла, в том числе на гидробионты Волго-Каспийского бассейна, актуальность переработки которых обусловлена изменением сырьевой базы и появлением маломерного и малоценного рыбного сырья, ранее являвшегося нетрадиционным для переработки [1].
Цель настоящих исследований - определение критериев оптимизации биотехнологических процессов производства гидролизатов из гидробионтов.
Объектами исследования являлись мороженые густера, сопа весеннего вылова, а также отходы от переработки прудовых и частиковых рыб весеннего вылова. Поставлен модельный эксперимент, при котором определены параметры гидролиза. Измельченное рыбное сырье подвергали гидролизу, реакционной средой являлся жидкий комплекс протеолитических ферментов (ЖКПФ), которые использовали при различном соотношении субстрата и гидролизуемого агента (0,5-2), температура гидролиза варьировала от 30 до 60°С, продолжительность процесса от 1 до 6 ч. Инактивацию действия ферментов проводили путем нагрева смеси до 85-90°С в течение 5-10 мин. Полученную смесь высушивали до остаточной влажности 8-10% [2].
В процессе работы была изучена динамика измене -ний выходных параметров процесса биотрансформации, таких как тирозин, азот концевых аминогрупп, характеризующих глубину гидролиза белковых веществ.
Известно, что к числу белковых продуктов относятся гидролизаты рыбного белка (ГРБ), рыбные белковые концентраты (РБК) и изоляты рыбного белка (ИРБ), технологические режимы получения которых лабиль-
ны и зависят от многих факторов, в том числе от технологических свойств обрабатываемого сырья. Поэтому установленные так называемые «оптимальные условия» процесса биотрансформации сырья при получении белковых продуктов можно назвать таковыми достаточно условно. Оптимизация процесса сводится к отысканию экстремальных критериев: максимум -свидетельствует об увеличении эффективности процесса, минимум - о снижении [3].
Изучение всех влияющих на исследуемый объект факторов одновременно провести невозможно, поэтому при постановке модельного опыта рассматривается их ограниченное количество. Остальные активные факторы стабилизируются, т. е. устанавливаются на каких-то одинаковых для всех опытов уровнях. При изучении процессов биотрансформации рыбного сырья входными параметрами являются температура, продолжительность, гидромодуль, водородный показатель среды; выходными - степень расщепления белка, т. е. глубина гидролиза. Ферментативная активность исследуемого сырья, зависящая от его свойств, времени вылова , среды обитания объекта, предварительного аккумулирования сырья, используемых методов консервирования, выступает как наиболее активный фактор, стабилизируется и считается постоянной в течение всего процесса биотрансформации [4].
Таким образом, планирование эксперимента позволит получить математическую модель, связывающую входные параметры с выходными. С целью обоснования оптимального режима проведения гидролиза были определены основные требования к получаемому продукту. Выходными параметрами ферментативного гидролиза являются требуемая максимальная глубина гидролиза при наименьших значениях указанных входных факторов.
Существуют различные методы оптимизации: перебор сочетаний уровней факторов, раздельная оптимизация, методы Гаусса-Зайделя и Бокса-Уилсона [3, 4].
С нашей точки зрения, для оптимизации процессов биотрансформации наиболее эффективным является применение метода Бокса-Уилсона. Поэтому для оптимизации был использован многофакторный эксперимент с ограниченным числом опытов и одновременным изменением факторов в каждом опыте. Для чего были поставлены три задачи с одинаковыми выходными критериями. В качестве фактора, способного оптимизировать процесс биотрансформации, использован ЖКПФ, технология получения которого была разработана нами ранее [2].
Во всех экспериментах выбраны три варьируемых фактора: температура /, продолжительность процесса х, концентрация ЖКПФ. К фиксированным параметрам, соответствующим фону, отнесли концентрацию водородных ионов, протеолитическую активность (ПА) и концентрацию субстрата Выходными параметрами служили накопление тирозина, азота концевых аминогрупп (ФТА), рассчитанная глубина гидролиза (ГГ). Таким образом, при осуществлении процесса оптимизации использовано 3-уровневое планирование (таблица).
Таблица
Задача
Факторы фи ксиров анные
Факторы
варьируемые
Тирозин, мг/100 г ФТА, мг/100 г ГГ, %
^4, рН Х5, субстрат Хб, ПА, ед./г
Хі, ґ, °С
Х2, Т, ч
Х 3, С
После проведения регрессионно-корреляционного анализа полученных экспериментальных данных с помощью опции «Поиск решения» программного обеспечения 8іаі8ой Зіайєйса 6.0 получены адекватные уравнения регрессии, описывающие изменения основных показателей, свидетельствующих о количественно-качественном составе продуктов дезагрегации субстрата рыбного сырья при корреляции режимов [5].
В результате математической обработки экспериментальных данных сформированы массивы данных, отражающие уравнения регрессии общего вида и показывающие зависимость выходных критериев от изменения значений входных параметров.
Для визуализации полученных данных фактически невозможно построить график зависимости в четырехмерном пространстве. Поэтому для построения графических зависимостей пользовались методом взаимного исключения одного из факторов эксперимента из уравнения регрессии. Оптимизация, проводимая по разным выходным параметрам путем варьирования разных входных факторов, дала возможность получить критерии оптимизации при планировании биотехнологических процессов.
Для изучения динамики изменения содержания азо -тистых веществ гидролизуемой массы в качестве варьируемых факторов учитывались температура, соотношение субстрат : ЖКПФ и продолжительность процесса. Функциями отклика являлись обобщенные численные характеристики глубины процесса дезагрегации азотистых соединений смеси.
Возможность интенсификации процесса биотрансформации объектов исследования была реализована путем использования ЖКПФ, который выступал в качестве реакционной среды при проведении процесса ферментации.
Анализ полученного уравнения регрессии (1), адекватно описывающего процесс изменения глубины гидролиза (%) с использованием ЖКПФ при гидролизе:
ГГ = 7,8039ґ + 3,415т - 0,9593 ґ2 + 0,0065ґт -
- 0,0332т2 - 62,9355,
(1)
и построенных по нему графических зависимостей изменения ГГ от температуры и продолжительности (рис. 1: а - поверхность отклика, б - изолинии ее сечений), позволил установить характер роста глубины гидролиза по мере увеличения температуры и продолжительности процесса гидролиза.
Использование естественного комплекса протеоли -тических ферментов рыбного сырья, безусловно, интенсифицирует процесс гидролиза, что подтверждают полученные данные, согласно которым максимальное значение азота концевых аминогрупп наблюдается при оптимальном температурном интервале 50-55°С в те-
.-■-'¡"Г"-
...-Г'! ..¡--кГ',-..
1.л.чГ'Ч ¡ч''>.
I I 40
I I 35
I I 30
I I 25
О 20
О 15
О 10
/, °С 65
60
55
50
45
40
35
30
25
Рис. 1
чение 3,5-4,5 ч. Дальнейшее увеличение продолжительности процесса не приводит к значительному росту степени биотрансформации. Снижение скорости реакции можно объяснить тем, что в белке существует большое количество пептидных связей, количество которых в процессе гидролиза уменьшается. Кроме этого, из-за существования в белке большого количества разных по реакционной способности химических связей высказано предположение, что даже в условиях насыщения субстрата ферментом гидролиз каждой из связей происходит с максимальной скоростью. Но эти связи гидролизуются в порядке убывания их реакционной способности, что и приводит к снижению наблюдаемой суммарной скорости гидролитической деградации белка.
Аналогичная закономерность наблюдается при исследовании показателя ГГ при других факторах: варьировании продолжительности и гидромодуля ЖКПФ. В результате математической обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии (2),
адекватно описывающее зависимость продолжительности гидролиза от количества вводимого ЖКПФ:
ГГ = 7,8928х + 9,5395с - 5,908х2 - 0,2292хс -
- 1,125 с2 + 24,6205. (2)
Как показывает анализ поверхности отклика и изо -линий ее сечения (рис. 2), характер изменения ГГ имеет тенденцию к возрастанию по мере увеличения основных факторов, однако несколько иную, чем при других факторах. Полученная зависимость изменения ГГ от продолжительности и гидромодуля коррелирует с результатами, представленными на рис. 2. Максимальная глубина ферментативного гидролизата достигнута в течение 3,5-5,5 ч.
Результаты исследований показали, что при прове -дении гидролиза в течение 6 ч при различном гидромодуле максимальное значение азота концевых аминогрупп наблюдается при соотношении ЖКПФ : субстрат 0,5-0,8, продолжительности гидролиза 4,5 ч, что, по-видимому, связано с созданием оптимального соот-
т, ч
О 45 О 40 О 35
0 30
1 I 25
О 20
Рис. 2
ношения ЖКПФ : субстрат и активизацией ферментного комплекса в начальный период протекания проце сса гидролиза. Дальнейшее увеличение продолжительности процесса нецелесообразно, так как наблюдается процесс постепенной денатурации ферментов, как ЖКПФ, так и сырья, хотя протеолиз частично денатурированных молекул не всегда связан с потерей ферментативной активности, которая может сохраняться после удаления значительной части аминокислотных остатков. Дальнейшая денатурация и протеолиз приводят к полной утрате активности фермента. Кроме того, в ферментных препаратах всегда присутствуют молекулы, сохранившие активность, которая быстро утрачивается при неблагоприятных условиях.
Таким образом, критериями оптимизации, при которых конечный продукт будет иметь максимальную степень расщепления белка, являются: гидромодуль 1 : 0,5, температура 50-55°С, продолжительность процесса 3,5-4,5 ч.
В процессе исследований установлены критерии оптимальности процесса биотрансформации рыбного
сырья: водородный показатель, соотношение субстрат : реакционная среда, ферментативная активность системы, при реализации которых могут быть установлены оптимальные режимы процесса дезагрегации многокомпонентных систем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рогов И.А., Антипова Л.ВДунченко Н.И. Химия пищи. - М.: Колос, 2007. - 853 с.
2. Цибизова М.Е., Костюрина К.В. Рыбные гидролизаты как один из компонентов полнорационных кормов для птицеводства // Вестн. Астрахан. гос. тех. ун-та. - 2006. - № 3 (32). - С. 243-248.
3. Грачев Ю.П., Плаксин Ю.М. Математические методы планирования экспериментов. - М.: ДеЛи принт, 2005. - 296 с.
4. Телишевская Л.Я. Белковые гидролизаты. Получение, состав, применение. - М.: Аграр. наука, 2000. - 295 с.
5. Боровиков В.П., Боровиков И.П. 81а^1;юа®-Статисти-ческий анализ и обработка данных в среде Windows®. - 2-е изд., сте -реотип. - М.: Информ.-издат. дом «Филинъ», 1998. - 608 с.
Поступила 23.04.09 г.
CRITERION OF OPTIMIZATION OF BIOTECHNOLOGICAL PROCESSES OF RECEPTIONHYDROLYZA TS FROMHYDROBIONTS
ME. TSIBIZOVA, S.A MIZHUEVA, K.V. KOSTYURINA
Astrakhan State Technical University,
16, Tatischeva st., Astrakhan, 414025; ph.: (8512) 61-45-94, fax: (8512) 25-73-68, e-mail: m.e. zibizova@ gmail. com, costurina@mail. ru
On the basis of carrying out of multifactorial experiment and mathematical processing of the received results criteria of optimisation of the biotechnological processes are defined, allowing to prove modes of biotransformation of reception fish hydrolyzats.
Key words: hydrobionts, biotransformation, depth hydrolysis, factors of a variation, optimization.
664.121.031.3
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ МОЙКИ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ В СВЕКЛОМОЕЧНОМ АГРЕГАТЕ
Е.Г. СТЕПАНОВА, ВС. РУБАН, А.В. ВАСИЛЬЕВ
Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: k-mapp@kubstu. ru
В целях увеличения эффекта очистки сахарной свеклы от загрязнений разработан свекломоечный агрегат, содержащий барабанную свекломойку, комбинированную секционную установку и струйный шнековый ополаскиватель. Предло -жено на стадии ополаскивания сырья использовать электроактивированный водный раствор, подаваемый через цен -тробежные форсунки.
Ключевые слова: свекломоечный агрегат, струйный ополаскиватель, центробежная форсунка, электрохимический активатор, анолит.
ное удаление примесеи осуществляется на гидротранс-Сахарная свекла, убраннад поточным сп°с°бом, портере. Окончательная очистка сырья производится в
сильно загрязнена минеральными и растительными т-т
fff свекломоечном отделении сахарного завода. Практика
примесями до 10-12% к массе свеклы [11. Наличие ми- , ,
„ , ч показывает, что эффект очистки сырья на выходе из
неральных примесей (песок, камни) в сырье вызывает
преждевременный износ оборудования - свеклорез- го^инир^аннот свекломойки не превишют 65% [3].
ных ножей, а растительных примесей (ботва, солома) С^ршедньш сахарные заводы оснащены тиш^ши
снижает качество диффузионного сока и способствует ьулатаоты^ мойками, в которых о^вдствддатся проувеличению потерь сахара в производстве [2]. Частич- тивоточное движение свеклы и воды. Некоторые заво-
