CC BY
28
'ТЕХНОЛОГИИ Г^Р'ТіНИЧІЕіТИИХ И НіЕГ^Р'ТіНИЧІЕіТИИХ BEЩEOТB
У роботі встановлено оптимальні умови та отримана математична модель, що дозволяє прогнозувати вплив кожного параметра на результативність ферментативного процесу підготовки соняшникової макухи до вилучення олії
Ключові слова: соняшникова макуха, математичне моделювання, гідролаза
В работе установлены оптимальные условия и получена математическая модель, позволяющая прогнозировать влияние каждого параметра на результативность ферментативного процесса подготовки подсолнечного жмыха к извлечению масла
Ключевые слова: подсолнечный
жмых, математическое моделирование, гидролаза
In the present work the optimal conditions were obtained and the mathematical model was developed allowing to predict the influence of each parameter on the efficiency of the enzymatic process of sunflower cake preparation for oil extraction
Key words: sunflower cake,
mathematical modeling, hydrolase
УДК 665:664.3:577.152.3
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕКСТРАКЦІЇ ОЛІЇ ІЗ СОНЯШНИКОВОЇ МАКУХИ БІОКАТАЛІТИЧНИМ ШЛЯХОМ
П.О. Некрасов
Доктор технічних наук, професор* Контактний тел.: (057) 707-64-95 E-mail: [email protected]
О.П. Некрасов
Кандидат технічних наук, професор Кафедра фізичної хімії** Контактний тел.: (057) 707-65-50 E-mail: [email protected]
О.В. Аверіна
Викладач*
Контактний тел.: (057) 707-64-95 E-mail: [email protected] *Кафедра технології жирів та продуктів бродіння **Національний технічний університет «Харківський
політехнічний інститут» вул. Фрунзе, 21, м. Харків, Україна, 61002
В традиційній технології для інтенсифікації екстракції олії із соняшникової макухи її піддають попередньої обробці низкою методів з отриманням відповідно крупки, пелюстка або гранул. Вказані методи підготовки мають такі вади: використовується громіздке, енергоємне та важке в експлуатації обладнання; додаткова волого-теплова обробка погіршує якість продукції, що отримують; при виготовленні пелюстка утворюється мучниста фракція, яка погіршує перколяцію розчинника у шар матеріалу, забруднює місцелу, заважає відгонці розчинника зі шрота [1, 2].
У зв’язку з цим набуває актуальності розробка нових методів підготовки макухи до вилучення олії, які виключали б вказані вади традиційної технології. Одним із інноваційних шляхів вирішення поставленої задачі є використання біокаталітичних процесів. Ферментативні процеси проходять у м’яких умовах (температура близька до кімнатної, нормальний тиск), не потребують складного апаратурного оформлення. Все це забезпечує значне зменшення витрат
матеріальних та енергоресурсів за рахунок підвищення виходу високоякісних цільових продуктів поряд з мінімізацією формування побічних [3 - 5].
Метою роботи було встановлення оптимальних параметрів ферментативного процесу підготовки соняшникової макухи до вилучення олії. Критерієм оптимізації був вихід олії, який оцінювали за стандартною методикою миттєвого збовтування [6]. Параметрами, що варіювались, було обрано вміст ферментного препарату, тривалість та температура біокаталітичного гідролізу макухи. В якості біокаталізатора використо-вувся комплексний ферментний препарат «Церемікс» (виробник - фірма «Новозаймс», Данія), який має у своєму складі низку гідролаз, зокрема р-глюканазу, а-амілазу, нейтральну протеазу і геміцелюлазу.
Для оптимізації процесу було застосовано методологію поверхні відклику. Вказана методологія є сукупністю математичних та статистичних прийомів, спрямованих на моделювання процесів та знаходження комбінацій експериментальних рядів предикторів
3
з метою оптимізації функції відклику [7]. Вибір рівнів та інтервалів варіювання факторів було здійснено за результатами попередніх експериментів. Матрицю планування та отримані експериментальні значення функції відклику (середні значення 2-х паралельних досліджень) представлено в табл. 1.
Матриця планування та функція відклику
Таблиця і
Вміст ферментно- Тривалість про- Температура про- Вихід олії
№ го препарату,e цесу гідролізу, т цесу гідролізу, t
(F), %
Код. % до маси макухи Код. Хви- Код. °С
рівень рівень лини рівень
1 -1 0,28 -1 40 49 24,5
2 -1 0,28 -1 40 + 1 61 34,4
3 -1 0,28 + 1 100 49 38,7
4 -1 0,28 + 1 100 + 1 61 42,5
5 + 1 0,82 -1 40 49 38,1
6 + 1 0,82 -1 40 + 1 61 42,0
7 + 1 0,82 + 1 100 49 47,0
8 + 1 0,82 + 1 100 + 1 61 49,4
9 -1,682 0,10 0 70 0 55 32,0
10 + 1,682 1,00 0 70 0 55 47,5
11 0 0,55 -1,682 20 0 55 30,6
12 0 0,55 + 1,682 120 0 55 47,2
13 0 0,55 0 70 -1,682 45 35,3
14 0 0,55 0 70 + 1,682 65 46,4
15 0 0,55 0 70 0 55 45,8
16 0 0,55 0 70 0 55 46,0
17 0 0,55 0 70 0 55 46,2
18 0 0,55 0 70 0 55 45,9
Статистичний аналіз експериментальних даних було проведено за допомогою пакета Statistica (StatSoft, Inc.).
Отримане рівняння моделі має вигляд:
довірчою ймовірністю. Таким чином, можна зробити висновок, що усі ефекти та їх взаємодії є значущими для досліджуваного процесу.
Адекватність отриманої моделі перевірялась методом дисперсійного аналізу, результати якого представлено в табл. 2.
Дані, наведені в таблиці 2, свідчать про те, що отримана модель адекватно описує експеримент.
На основі пошуку екстремумів математичної залежності (1) визначено оптимальні параметри, що дозволяють отримувати максимальний вихід олії, а саме: вміст ферментного препарату - 0,8 % до маси макухи; тривалість процесу гідролізу - 94 хвилин; температура процесу гідролізу - 57 °С.
З метою дослідження основних закономірностей впливу предикторів на протікання процесу в цілому було побудовано поверхні відклику (рис. 2), які відображають залежність виходу олії від кожної пари параметрів при фіксованому в оптимумі значенні третього параметру.
Аналіз поверхонь відклику, представлених на рис. 2, дозволяє зробити наступні висновки. Процес доцільно здійснювати в межах температур 55-60°С при оптимумі 57 °С. Подальше підвищення температури знижує ефективність процесу внаслідок теплової денатурації ферментного комплексу. Подовження тривалості гідролізу макухи та збільшення вмісту біокаталізатора вище оптимальних значень у свою чергу веде до незначного зменшення виходу олії. Це обумовлюється тим, що при вказаних умовах має місце вивільнення гідрофобних фрагментів білків та структурних полісахаридів олійної сировини, які були екрановані в нативному виді. За рахунок цього підвищується жироутри-муюча спроможність макухи, що веде до зменшення виходу цільового продукту.
F = -215,294 + 87,916 ■ e - 30,024 ■ e2 + +0,892 ■ т - 0,003 ■ т2 + 6,635 ■ t - 0,050 ■ t2 -0,093 ■ e т - 0,571 ■ e ■ t-0,005■т■ t
(1)
де Р - вихід олії, %; е - вміст ферментного препарату, % до маси макухи; т - тривалість процесу гідролізу, хвилини; Ь - температура процесу гідролізу, °С.
Для перевірки значущості коефіцієнтів регресії (1) було побудовано діаграму Парето, яку представлено на рис. 1 ^ - лінійній ефект, Q - квадратичний ефект). На вказаній діаграмі Парето (рис. 1) приведено стандартизовані коефіцієнти, які відсортовано за абсолютними значеннями. Аналіз даних показує, що усі колонки перетинають вертикальну лінію, що є 95 %
(2)Тривалість процесу гідролізу(Ь) (1)Вміст ферментного препарату(І_) (З)Температура процесу гідролізу(Ь) Тривалість процесу гідролізу(О) Вміст ферментного препарату(О) Температура процесу гідролізу(О) 2І_*ЗІ_
-2,61318
р=, 05
Оцінка ефекту (абсолютне значення)
Рис.і. Діаграма Парето
Таблиця 2
Висновки
Дисперсійний аналіз моделі
Фактор Сума квадратів, SS Ступінь свободи, df Середнє значення квадрата, MS F-крітерій Рівень значу- щості, P
(1) Вміст ферментного препарату, % (В) 285,7122 1 285,7122 433,5648 0,0004
Вміст ферментного препарату^) 59,1061 1 59,1061 89,6928 0,0013
(2) Тривалість процесу гідролізу, хв. ^) 323,9462 1 323,9462 491,5845 0,0001
Тривалість процесу гідролізу^) 76,7882 1 76,7882 116,5252 0,0010
(3) Температура процесу гідролізу, °С ^) 109,3463 1 109,3463 165,9317 0,0005
Температура процесу гідролізу(О) 39,6532 1 39,6532 60,1733 0,0054
L 2 4,5000 1 4,5000 6,8287 0,0310
L 3 6,8450 1 6,8450 10,3872 0,0122
L 3 2 7,2200 1 7,2200 10,9563 0,0107
Похибка 5,2719 8 0,6590
Загальна сума квадратів 869,7850 17
Коефіцієнт детермінації R2=0,9871
В результати проведених досліджень показано принципову можливість та доцільність використання комплексу ферментів класу гідролаз у підготовці соняшникової макухи до вилучення олії. Методом математичного моделювання щодо ферментативного гідролізу олійної сировини встановлено оптимальні параметри та проаналізовано внесок кожного із предикторів на ефективність процесу в цілому.
Література
1. Shahidi F. Bailey’s industrial oil and fat products [Текст] / F. Shahidi. -[6th еd.]. - Hoboken, New Jersey, USA: John Wiley & Sons Inc., 2005. - 3616 p.
2. Щербаков В. Г. Биохимия и товароведение масличного сырья [Текст] / В. Г. Щербаков. - М: Агропромизр дат, 1991. - 304 с.
3. Rastall R. Novel enzyme technology for food applications [Текст] / R. Rastal. - Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, England, 2007. - 336 pp.
Bornscheuer U. T. Hydrolases in organic synthesis : regio-and stereoselective biotransformations [Текст] / U. T. Bornscheuer, R. J. Kazlauskas. - Weinheim: Wiley-VCH, 2006. - 355 pp.
Whittall J. Practical methods for biocatalysis and biotransformations [Текст] / J. Whittall, P. Sutton. - Chichester, U.K.: J. Wiley, 2010. - 402 pp.
Копейковский В. М. Лабораторный практикум по технологии производства растительных масел [Текст] / В.М. Копейковский, А.К. Мосян, Л.А. Мхитарьянц - М: Агропромиздат, 1990 - 191 с.
Montgomery D.C. Design and analysis of experiments [Текст] / D.C. Montgomery. - [7th еd.]. - New York, John Wiley & Sons, 2008. - 656 pp.
а
б
Рис. 2. Залежність виходу олії від параметрів процесу: а) температури гідролізу та вмісту ферментного препарату; б) температури та тривалості гідролізу
З
