Разработка технологии получения гидролизованного цикорного пюре Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

2. Рупасова, Ж.А. Клюква крупноплодная: биохимический состав, хранение, переработка / Ж.А. Рупасова, Т.И. Василевская; под ред. В.И. Решетникова. - Минск: Белорусская наука, 1999. - 167 с.

3. Жамьянсан, Я. Биологически активные вещества плодов облепихи и их промышленное использование: автореф. дис. ... канд. биол. наук / Я. Жамьянсан. - М., 1973. - 23 с.

4. Доценко, В.А. Овощи и плоды в питании / В.А. Доценко. - Л., 1998. - 240 с.

5. Барахаева, Л.П. Химический состав и технологические свойства тыкв, кабачков, патиссонов: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Л.П. Барахаева. - М., 1983. - 22 с.

6. Клямкин, Н.К. ИК-сушка - перспектива развития сушильной отрасли / Н.К. Клямкин // Техника и оборудование для села. - 1999. - № 5. - С. 20-21.

7. Волончук, С.В. Полноценное питание и инфракрасная сушка растительного сырья / С.В. Волончук, Л.П. Шорникова // Пищевая пром-сть. - 1998. - № 5. - С. 16-17.

----------♦--------------

УДК 663.934.4.002.3 Г.О. Магомедов, Е.А. Яковлев, Н.А. Сиволобова

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОЛИЗОВАННОГО ЦИКОРНОГО ПЮРЕ

В статье обоснованы технологические режимы подготовки, гидролиза корнеплодов цикория и хранения готового продукта, а также разработана машинноаппаратурная схема производства фруктозосодержащего гидролизованного цикор-

ного пюре, которое может быть использовано для замены части дорогостоящей кристаллической фруктозы в рецептуре диабетических продуктов.

Особое внимание уделено оптимизации режимов кислотного гидролиза полифрукта-нов цикория. Оптимальными следует считать значения продолжительности гидролиза - 48 мин, температуры - 124,8°С, активной кислотности - 3,9 и массовой доли влаги - 78,4%.

Важным направлением развития пищевой промышленности является создание продуктов профилактической направленности из экологически безопасного, генетически немодифицированного растительного сырья.

Одним из перспективных видов растительного сырья является цикорий обыкновенный (Cichorium

intybus L.). Многолетнее травянистое растение со стержневым корнем длиной до 1,5 м растет по суходоль-

ным лугам, опушкам, пустырям, окраинам полей, вдоль дорог. Цикорий - медонос, он является хорошим кормом для крупного рогатого скота, цветет в июле - сентябре. В культуре цикорий корневой размножается семенами. В первый год образуется мясистый корнеплод толщиной 5-8 см, длиной 30-40 см и массой до 800 г. По внешнему виду корнеплоды культурного цикория напоминают белые коренья. В поперечном разрезе его можно увидеть пробковую ткань (перицикл), толстый слой коры (перидерма), древесину (проводящие сосуды и млечники) [1].

Состав свежих корнеплодов цикория (табл. 1) определяет его пищевую ценность и полезные свойства. Важнейшие вещества корнеплодов (углеводы, азотистые вещества, соли минеральных и органических кислот) растворены в основном в свободной воде, составляющей 70-80% общего количества воды в свежем цикории. Цикорий улучшает обмен веществ, в его корнях содержатся витамины С, В1, Е, минеральные соли и большое количество микроэлементов. В свежих корнеплодах в зависимости от сорта содержится не менее 60% инулина (в пересчете на сухое вещество) [1]. В нативном виде этот полифруктан не усваивается организмом человека, поэтому разработан способ получения пюре из цикория, содержащего продукты гидролиза инулина: инулоиды и фруктозу. Последняя в 1,7 раза слаще сахарозы, активнее глюкозы вступает в обменные процессы, ее можно употреблять в пищу людям, больным сахарным диабетом.

Таблица 1

Химический состав свежих корнеплодов цикория

Химический состав Содержание, % от сухого вещества

Сухие вещества 25,0-27,0%, из них водорастворимые 15,5-17,0% нерастворимые 8,0-11,5%

Углеводы 84,7-90,8

В том числе: инулин 30,0-35,0

глюкоза 0,8-1,2

фруктоза, сахароза, пентозы 10-12

пентозаны 1,9-3,0

клетчатка, слизистые вещества (гумми) 30,1-39,6

Органические кислоты:

яблочная 1,54-1,95

лимонная 0,79-1,1

винная 0,5-0,6

щавелевая 0,01-0,02

Гпикозиды (интибин, лактуцин, лактопирин, тараксатол) 0,032-0,186

Содержание незаменимых аминокислот в сыром цикории, г/100г сухого вещества

Треонин 0,41

Валин 0,31

Метионин Следы

Изолейцин 0,30

Лейцин 0,78

Фенилаланин 0,28

Лизин 0,97

Триптофан Следы

Всего аминокислот 8,34-9,08

Минеральный состав свежего цикория, мг/100 г сухого вещества

Калий 486,4

Натрий 386,3

Кальций 470,8

Магний 77,4

Железо 6,2

Медь 1,0

Марганец 1,1

Цинк 1,7

Цель настоящей работы - разработка и научное обоснование технологии получения фруктозосодержащего гидролизованного пюре из корнеплодов цикория.

Процесс получения пюре состоит из следующих стадий: мойка корнеплодов, бланширование, измельчение, гидролиз, гомогенизация.

Свежие корнеплоды цикория подвергают мойке. Этот процесс состоит из предварительной отмочки сырья на гидротранспортере и собственно мойки, включающей удаление с поверхности корнеплодов грязи, посторонних примесей, а также частичное удаление микроорганизмов и их спор. Мойка проводится в кулачковых или вибрационных моечных машинах. Степень чистоты корнеплодов цикория устанавливают путем контрольной мойки сырья чистой водой, прозрачность которой не должна изменяться.

При дальнейшей переработке корнеплодов, во время измельчения, существует проблема потемнения поверхности. Это связано с действием фермента о-дифенолоксидазы, воздействующего на аминокислоту тирозин с образованием темноокрашенных продуктов - меланинов, которые приводят к потемнению корнеплодов. Поэтому при измельчении в дробилку подавали 20%-й раствор лимонной кислоты, необходимой в дальнейшем для гидролиза. Она окисляет о-дифенолоксидазу, предотвращая потемнение корнеплодов.

Измельченный цикорий имеет вид жидкой кашицы с размером частиц менее 1 мм, которую можно перекачивать насосом. Технологическое значение измельчения состоит в повышении доли свободной поверхности, на которой может происходить реакция гидролиза. Это увеличивает доступность клеток корнеплодов цикория для воздействия катализатора и способствует уменьшению продолжительности процесса.

Наиболее сложной стадией производства цикорного пюре является гидролиз, поэтому остановимся на нем более подробно.

Гидролиз растительных материалов - это каталитический процесс взаимодействия полисахаридов растительных тканей с водой, проводимый с целью превращения нерастворимых в воде полисахаридов в растворимые монозы [2]. В качестве катализаторов этого процесса могут выступать кислота или фермент. При выборе катализатора необходимо учитывать технологические особенности переработки цикория в конкретных производствах. Использование ферментных препаратов позволяет осуществить гидролиз наиболее полно, однако их стоимость относительно высока и их применение сопряжено со значительной затратой времени. Поэтому было решено проводить кислотный гидролиз полифруктанов цикория, представленных, главным образом, инулином.

Молекула инулина представляет собой полифруктозидную цепь, в которой 35...42 остатка фруктофу-ранозы соединены 1,2-гликозидными связями. Каталитическое действие водородных ионов заключается в электрофильной атаке ими атома кислорода гликозидной связи в полисахариде. Завершается процесс гидролиза нуклеофильной атакой молекулы воды на первый атом углерода фруктофуранозного остатка. На рис. 1 представлен предполагаемый механизм кислотного гидролиза инулина [3], штриховые и пунктирные линии свидетельствуют о перераспределении электронной плотности и об исчезновении перекрывания электронных орбит между С1 - О.

Рис. 1. Механизм кислотного гидролиза инулина

Была поставлена задача определить оптимальные технологические режимы кислотного гидролиза полифруктанов цикория для получения пюре, имеющего максимальное содержание фруктозы, минимальную цветность, при этом его физико-химические показатели должны соответствовать требованиям, предъявляемым к полуфабрикатам кондитерских изделий. Для реализации данной задачи прибегли к методам математического моделирования. Исходя из механизма кислотного гидролиза инулина, в качестве независимых факторов были выбраны: температура и продолжительность гидролиза, активная кислотность и массовая доля влаги в полуфабрикате.

Чтобы построить математическую модель, отражающую зависимость содержания РВ у1 (%) и цветности у2 (см3 0,1н раствора йода) от температуры гидролиза х1 (°С), активной кислотности х2 (ед. рН), продолжительности процесса хз (мин) и массовой доли влаги продукта х4 (%), провели центральное композиционное ротатабельное планирование (ЦКРП) [4] (табл.2).

Таблица 2

Характеристики планирования

Параметр Хі Х2 Хз Х4

Основной уровень (0) 125 4,0 45 80

Верхний уровень (+1) 135 4,4 60 85

Нижний уровень (-1) 115 3,6 30 75

Верхняя «звездная точка» (+2) 145 4,8 75 90

Нижняя «звездная точка» (-2) 105 3,2 15 70

В результате статистической обработки экспериментальных данных по известной методике, после исключения незначимых коэффициентов (по критерию Стьюдента), получили уравнения регрессии, адекватно описывающие (по критерию Фишера при 5%-м уровне значимости) зависимости содержания РВ у1 и цветности у2 от изучаемых факторов:

У1=86,19+4,25x1-4,74x2+11,41хз+0,47х4-7,21х12-5,08х22-10,58хз2-0,53х1х2-

-2,9 7X1X3+2,2 7х2хз-3,77X1X2X3 ; (1)

У2=9,148+1,18x1-0,60x2+1,67x3+ 0,10x4+ 0,64х12+ 0,36х22+ 0,44x32-0,23X2X4-

-0,23x1X2X3-0,23x2X3X4-0,24x1X2X4-0,21 X1X2XзX4. (2)

Анализ коэффициентов при линейных членах уравнения показал, что на накопление фруктозы наибольшее влияние оказывают температура гидролиза, активная кислотность и продолжительность процесса; на формирование цвета - температура и продолжительность процесса.

Для поиска оптимальных параметров Х1, Х2, Х3 и Х4 задачу оптимизации сформулировали так: необходимо найти значения независимых переменных X1, X2, xз и X4, обеспечивающих условный экстремум (максимум) функции отклика у^и^^^зм), при этом У2=f1(x1,x2,xз,x4) должен быть меньше максимально допустимой цветности и. Значения независимых переменных XI, X2, xз и X4 при этом не должны выходить за об-

ласть эксперимента, границы которой определяются значениями факторов в звездных точках.

Таким образом, постановка задачи оптимизации аналитически записывается как

У1=86,19+4,25x1-4,74x2+11,41xз+0,47x4-7,21x12-5,08x2?-10,58xз22-0,53x1x2--2,9 7X1X3+2,2 7X2X3-3,77x1x2xз^max,

У2=9,148+1,18x1-0,60x2+1,67x3+ 0,10x4+ 0,64x12+ 0,36x22+ 0,44x32-0,23x2X4-0,23x1X2X3-0,23x2X3X4-0,24X1X2X4- (3)

0,21X1X2X3X4<и,

^ X12+X2,+X32+X42=P2.

Чтобы получить точное и единственное решение, применяли метод неопределенных множителей Лагранжа [4].

В результате найдены оптимальные значения продолжительности гидролиза - 48 мин, температуры -124,8°С, активной кислотности - 3,9 и массовой доли влаги - 78,4%. При этом содержание РВ составило 87,8%, цветность - 9,5 см3.

Таким образом, химический состав гидролизатов и их цвет в значительной степени зависят от режимов гидролиза, и чем выше температура и меньше рН, тем меньше должна быть его продолжительность для достижения наибольшего выхода РВ. При увеличении продолжительности гидролиза после достижения максимума накопления фруктозы происходит снижение выхода РВ за счет образования веществ, придающих гидролизату темную окраску: продуктов реакции меланоидинообразования, термической деструкции фруктозы (фурфурола, оксиметилфурфурола), карамелизации сахаров. По той же причине при увеличении температуры и уменьшении рН процесса наблюдается снижение максимума накопления РВ. Увеличение массовой доли влаги делает более доступными молекулы воды, необходимые для расщепления полифруктанов. Поэтому с увеличением доли свободной воды продолжительность гидролиза сокращается.

После охлаждения до 70°С гидролизованная масса направляется в гомогенизатор для достижения однородности и тонкого измельчения частиц (до 200 мкм). Готовое пюре охлаждается до температуры хранения (+10...+12°С). Для предотвращения микробиологической порчи применяется асептическая упаковка.

Показатели качества пюре представлены в таблице 3.

Таблица 3

Показатели качества гидролизованного пюре из цикория

Показатель Характеристика

Цвет От светло-коричневого до коричневого, однородный

Вкус Свойственный цикорию, сладко-кислый

Запах Свойственный цикорию, без посторонних запахов

Консистенция Однородная, гомогенная, без включений неизмельченной мякоти

Массовая доля сухих веществ, % 25-27

Из них: растворимых 20

нерастворимых 5-7

Массовая доля редуцирующих веществ (в пересчете на абсолютно сухое вещество), % 87-89

Активная кислотность, ед. рН 3,86

На основании существующих способов переработки корнеплодов цикория и проведенных исследований предлагаем следующую схему производства цикорного пюре (рис. 2).

/ і

ч J

Рис. 2. Машинно-аппаратурная схема производства гидролизованного цикорного пюре

Предназначенные для промышленной переработки свежие корнеплоды цикория при поступлении на предприятие подвергают мойке, которая осуществляется в лопастной моечной машине А9-КЛА/1 непрерывного действия 1.

Далее скребковым транспортером 2 корнеплоды перемещаются в измельчающую машину - дробилку А1-КДО непрерывного действия 3. В эту же машину подается 20%-й раствор лимонной кислоты, которая препятствует потемнению корней и в дальнейшем является катализатором гидролиза.

Затем жидкая смесь шестеренчатым насосом ШНК-18,5 4 перекачивается в промежуточную накопительную емкость 5 объемом 3,5 м3, которая предназначена для обеспечения непрерывности процесса и является расходным баком для следующей стадии, осуществляемой в агрегате периодического действия.

Г идролиз осуществляется в разварнике 7. Г идролиз и разваривание загруженной массы проводятся в течение 48 мин при температуре 127°С. Выгрузка пюре осуществляется под давлением, продукт перемещается в промежуточную емкость-охладитель 8.

Емкость снабжена водяной рубашкой, куда подается холодная вода, и мешалкой, обеспечивающей равномерное охлаждение массы. После охлаждения до 70°С масса шестеренчатым насосом 9 подается на гомогенизацию.

Гомогенизатор А1-ОГМ 10 представляет собой трехплунжерный насос. Каждый из трех плунжеров, совершая возвратно-поступательное движение, всасывает жидкость из приемного клапана и нагнетает ее через нагнетательный клапан в гомогенизирующую головку под давлением 20-25 МПа. Под давлением жидкости клапан поднимается на 100-150 мкм, образуя кольцевую щель, через которую жидкость проходит с большой скоростью и затем выводится через штуцер из гомогенизатора.

Хранение готового пюре осуществляется в емкости РЭ-10 11, представляющей собой цельносварной цилиндрической формы резервуар с эллиптическими днищами.

Таким образом, в результате проделанной работы обоснованы технологические режимы подготовки, гидролиза корнеплодов цикория и хранения готового продукта, а также разработана машинно-аппаратурная схема производства фруктозосодержащего гидролизованного цикорного пюре, которое может быть использовано для замены части дорогостоящей кристаллической фруктозы в рецептуре диабетических продуктов, например, кондитерских изделий. Это позволит не только снизить себестоимость конечной продукции, но и обогатить ее функциональными ингредиентами.

Литература

1. Нахмедов, Ф.Г. Технология кофепродуктов / Ф.Г. Нахмедов. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. -184 с.

2. Кретович, В.Л. Биохимия растений / В.Л. Кретович. - М.: Высш. шк., 1980. - 445 с.

3. Корнеева, О.С. Влияние химической природы гликозидных связей на кислотный гидролиз олиго- и полисахаридов / О.С. Корнеева, Н.А. Жеребцов, И.В. Черемушкина // Хранение и переработка сельхозсырья. - 1998. - № 1. - С. 10.

4. Алексеев, Е.Л. Моделирование и оптимизация технологических процессов в пищевой промышленности / Е.Л. Алексеев, В.Ф. Пахомов. - М.: Агропромиздат, 1987. - 272 с.

УДК 630*307

В.А. Иванов, С.Н. Некрасов

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ УПЛОТНЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ СИБИРСКОЙ ЛИСТВЕННИЦЫ

В статье установлены зависимости водопоглощения и предела прочности от степени прессования. Рассмотрены схемы одностороннего и контурного прессования заготовок из топляковой и затопленной древесины.

Переработка топляковой и затопленной древесины актуальна для районов Сибири, где сосредоточены основные запасы древесины лиственницы. Исследования показали, что физико-механические свойства древесины сибирской лиственницы резко улучшаются с увеличением степени прессования.

Зависимость объемной массы от степени прессования может быть выражена формулой

т = 0,640 + 0,978^, (1)

где т - объемная масса прессованной древесины, г/см3; е - степень прессования.

При увеличении е снижается водопоглощение (рис. 1), а прочность увеличивается (рис. 2). Зависимость прочности от е имеет параболический характер и может быть представлена в виде

7 = 7. +№2, (2)

где Ов и <7° - соответственно, пределы прочности прессованной и натуральной древесины, МПа; к - коэффициент, характеризующий прочностные свойства прессованной древесины при различных видах нагру-

жения (табл. 1).

Значения пределов прочности натуральной древесины сибирской лиственницы и коэффициентов к для различных видов нагружения

Таблица 1

Вид нагружения 7%, МПа к х 10-4

Растяжение вдоль волокон 97,2 5,54

Сжатие вдоль волокон 73,0 1,38

Сжатие поперек волокон 8,3 1,19

Как видно из рис. 1 и 2, физико-механические свойства прессованной древесины с увеличением степени прессования вначале улучшаются быстро: резко увеличивается прочность при растяжении и сжатии, резко снижается водопоглощение. Так продолжается до степени прессования е = 0,3-0,35. При дальнейшем увеличении степени прессования физико-механические свойства улучшаются медленнее. Но все же в исследованном диапазоне степени прессования до е = 0,5 наблюдается заметное улучшение физикомеханических свойств. Прессование древесины при е > 0,4 требует резкого повышения удельного давления, что ведет к увеличению затрат энергии на прессование. Физико-механические свойства улучшаются при этом незначительно. Прессование до е > 0,4 следует признать рациональным только в отдельных случаях для деталей с особо тяжелыми условиями работы (повышенная влажность, абразивная среда и т.п.) [1].

Прессованная древесина сибирской лиственницы имеет хорошую сопротивляемость набуханию, что очень важно при работе деталей во влажной среде. Так, после выдерживания образцов из прессованной древесины сибирской лиственницы в воде при комнатной температуре в течение 148 ч распрессовка их составила 9,1%. Распрессовка образцов из прессованной березы и осины в тех же условиях была равна 90% [2].

Износостойкость прессованной сибирской лиственницы (при сухом трении торцовой части о наждачную поверхность) в 16 раз больше, чем натурального дуба, и в 2-3 раза больше, чем прессованной ели и пихты. При трении о радиальную и тангенциальную поверхность ее износ в 2-4 раза меньше, чем в аналогичных условиях для березы, осины и ели.

Детали из прессованной древесины сибирской лиственницы можно успешно применять в подшипниках скольжения со скоростями до 1,0 м/с. Одностороннее и контурное прессование производится при давлении 3,5 МПа. Коэффициент трения в таких подшипниках при обычных смазках составляет 0,02 [3].