CC BY
105.18.15 - Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические науки) DOI: 10.25712^Ж2072-8921.2019.03.011 УДК 637./3
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ ПЕКТИНА ПУТЕМ ГИДРАТАЦИИ СЫРЬЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ
Г.В. Алексеев, А.Н. Пальчиков, И.Г. Нестеренко
Современные пищевые производства озабочены производством продуктов питания максимальной пищевой и биологической ценности с минимальной дополнительной нагрузкой на окружающую среду, ведущей к ухудшению экологической обстановки. Наилучшим выходом из такой ситуации является утилизация вторичного пищевого сырья, остающегося от основного производства, с получением дополнительного количества пищевых ингредиентов, например пектина или инулина. Реализация такой технологической цепочки часто связана с расходованием дополнительной энергии, что зачастую сводит на нет дополнительно получаемую выгоду от вторичной переработки пищевого сырья. Описываемая ситуация ставит задачу поиска новых технологических приемов и оборудования либо для снижения получаемого вторичного сырья, либо для малоэнергоемкой его переработки. Одной из наиболее ответственных операций при производстве пищевых волокон из вторичного сырья является его гидратация. Степень извлечения полезных ингредиентов из перерабатываемой массы часто является определяющей для оценки общей эффективности процесса. Наиболее широко распространенные кислотные методы предполагают воздействие на сырье сильных кислот, что может негативно сказаться на качестве вырабатываемых пектина или инулина и требуют дополнительных мер по нейтрализации полученных суспензий.
Рядом исследователей изучались альтернативные способы эффективной гидратации вторичного пищевого сырья, в частности с использованием физических полей различной природы.
Ключевые слова: пищевая и биологическая ценность, производство пищевых волокон, пектин, физические поля.
ВВЕДЕНИЕ
Важными этапами выработки пектина являются как предварительная подготовка сырья, которая включает его измельчение, так и последующие гидратация и экстракция. В проведенных исследованиях отмечается положительное влияние для некоторых из этих стадий наложения на осуществляемые процессы физических полей. Высказываются предположения о существенном вкладе в это влияние кавитационных эффектов, способствующих нарушению клеточных и надклеточ-ных структур и дополнительному высвобождению экстрагируемых ингредиентов [1-6].
Указанные обстоятельства стимулируют создание технологического оборудования и расчетных методов реализации на нем предполагаемых наиболее эффективных воздействий, например, полей акустической или ультразвуковой природы определенной интенсивности [7].
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
С целью исследования эффективности воздействия указанных полей использовали установку, оснащенную генератором ультразвуковых колебаний.
Рисунок 1 - Установка для гидратации свекловичного жома
В процессе гидратации жома сахарной свеклы подаваемая смесь с использованием механических перемешивающих устройств поступает через входной патрубок 2 на участок 4 корпуса 1, где попадает на обработку между лопатками, установленными на внутренней поверхности участка 4, и лопатками 6, установленными на роторе 5. В результате вращения ротора 5 связанного с приводом 7 и осевых колебаний с ультразвуковой частотой, возбуждаемых ультразвуковым генератором 8, смесь интенсивно перемешивается и диспергируется. Получаемая более тонкая фракция через патрубок 3 отводится из корпуса 1. В зависимости от вязкости, дисперсности, производительности или других задаваемых характеристик смеси регулируются частота вращения привода 7 и частота ультразвуковых колебаний генератора 8. Ка-витационные эффекты, возникающие в зазоре между лопатками в процессе измельчения сырья, способствуют более полному высвобождению и попаданию пищевых волокон в
суспензию, отправляемую на дальнейшую экстракцию [8-10].
При проведении экспериментов варьировали:
- Х1 - частота колебаний, 1/мин; (пределы 3-7);
- Х2 - выход суспензии, %; (пределы 80120);
- Х3 - продолжительность гидратации, мин. (пределы 40-50);
После получения экстракта определяли:
- У1 - содержание пектина, %;
- У2 - доброкачественность экстракта (прозрачность).
ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Обработка результатов экспериментов, выполненных по квадратичному плану, позволила получить следующие уравнения регрессии:
2
У10(Х1,Х3) := 7.978 - 0.118X1 - 0.087X3 - 0.008X1 + 0.008Х1-Х3 - 0.008X1 - 0.00X3
У11(Х1, X3) := 7.901 - 0.118X1 - 0.087X3 - 0.008Х12 + 0.008Х1-Х3
У12(Х1,Х3) := 7.864 - 0.118X1 - 0.087X3 - 0.008Х12 + 0.008Х1-Х3 + 0.008X1 + 0.004X3
У20(Х1, Х3) := 108.802- 1.646X1 - 0.588X3 + 0.01(К12 - 0.081Х1-Х3 - 0.008X1 - 0.001X3
2
У21(Х1,Х3) := 108.214- 1.646X1 - 0.588X3 + 0.010ХГ - 0.081Х1-Х3
У22(Х1, Х3) := 107.709- 1.646X1 - 0.588X3 + 0.010Х12 - 0.081Х1-Х3 + 0.008X1 + 0.001X3
При индексации уравнений регрессии вторая цифра обозначает величину построенной функции отклика для разных выходов
пектина ( 0 - для 80 %, 1 - для 100 % и 2 для 120 %).
У11, У10, У12
У20, У21, У22
а)
б)
Рисунок 1 - Характерные зависимости изменения выхода экстракта пектина и его доброкачественности: а) выход пектиновой суспензии; б) доброкачественность суспензии
Г.В. АЛЕКСЕЕВ, А.Н. ПАЛЬЧИКОВ, И.Г. НЕСТЕРЕНКО
Например, уравнение У21(Х1,Х2) характеризует доброкачественность экстракта для полного извлечения пектина (100 % по сравнению с традиционной технологией). На рисунке 1 приведена соответствующая графическая интерпретация полученных результатов. По оси ОХ откладывается частота колебаний, а по ОУ - продолжительность гидратациии.
ВЫВОДЫ
Графический анализ выявленных закономерностей говорит о том, что с повышени-
ем частоты колебаний падает качество суспензии. Это требует дополнительного сравнения происходящих процессов для выявления таких режимов, когда качество суспензии остается приемлемым при достаточном ее выходе [11-14]. Такой компромисс может быть достигнут при сравнении отдельных зависимостей изменения функций отклика, например, в условиях стандартного количества выхода пектиновой суспензии. Этот анализ легко сделать на основании рисунка 2, где изображены упомянутые зависимости.
Рисунок 2 - Определение рациональных режимов обработки пектиновой суспензии У11 - содержание пектина; У22 - доброкачественность суспензии
Поскольку по оси ОХ отложена частота колебаний, а по ОУ - продолжительность гидратации, штриховые линии обозначают компромиссные режимы процесса [15-16]. Следует отметить, что этот графический анализ относится к случаю стандартного количества выхода пектина. Аналогичные рассуждения относятся и к случаям повышенного выхода пектина (вторая цифра в целевых функциях 2), и к случаю пониженного выхода (но лучшего качества).
Для стандартного выхода из рисунка 2 следуют такие режимы: частота - 7,3 мин-1, а продолжительность - 43,2 минуты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Велямов, Ш. М. Изучение влияния ультразвука и активного перемешивания экстрагента при ферментативной экстракции пектина из столовой свеклы на экстракторе / Ш. М. Велямов, С. С. Джин-гильбаев, М. Т. Велямов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. -2016. - № 7-1. - С. 19-22
2. Архангельский, М. Е. Воздействие акустических колебаний на процесс диффузии.// Успехи физических наук.- 1967 - Том 92.- № 2.- С.181
3. Алексеев, Г.В., Кондратов, А.В. Перспективы применения кавитационного воздействия для измельчения пищевых продуктов./ Монография - Саратов, Вузовское образование, 2013.-226 с.
4. Борисов Ю.Я., Статников Ю.Г. Влияние звука на процессы тепломассообмена протекающих в газовых средах.// Инженерно-физический журнал 1967.-Том 413.- №3.- С.553
5. Донченко, Л. В. Пектин: основные свойства, производство и применение / Л. В. Донченко, Г. Г. Фирсов. - М. : ДеЛи принт, 2007. - 276 с.
6. Богус, А. М. Механический способ выделения пектиновых веществ / А. М. Богус, Е. П. Запорожец, Г. Н. Тлехурай, М. Ю. Яхутль // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 1998. -№ 1. - С. 79.
7. Патент №2033856 Российская Федерация, МПК В01П1/02, Устройство для получения эмульсий, Квасенков О. И., Квасенкова З. И., 1995 г.
8. Просеков А.Ю., Ульрих Е.В., Козлова О.В., Дышлюк Л.С. Изучение свойств пектина как растительного аналога фармацевтического желатина.// Современные проблемы науки и образования. 2014.-№5. - С.134-138
9. Иванова, А. С. Моделирование процесса натекания неньютоновской жидкости на жесткую преграду / А. С. Иванова, Г. В. Алексеев // Вестник Международной академии холода. - 2012. - № 1. - С. 3435.
10. Способ производства яблочно-пектиновой пасты: а.с. 888915 СССР: МКИ А 23 L 1/04. А 23 L 1/06 / B.C. Баранов, З.В. Василенко. B.C. Михаилов, О.И. Заявка - №2900762/28-13; заявл. 25.03.80; опубл. 15.12.81, Бюл. №46.
11. Бондарь, С. Н. Экстрагирование свекловичного пектина / С. Н. Бондарь, В. Н. Голубев // Пищевая промышленность. - 1992. - №12. - С. 18-19.
12. Ван Муорик СВ. Современные тенденции развития промышленности пищевых добавок и ин-гридиентов // Пищевые ингридиенты - сырье и добавки. - 2004. - №1.- C.36-39
13. Остриков А.Н., Красовицкий Ю.В., Шевцов А.А. Процессы и аппараты пищевых производств. : в 2 кн. / под ред. А. Н. Острикова.- Санкт-Петербург; ГИОРД, 2007, 657 с.
14. Алексеев Г.В., Аксенова О.И. Использование математического моделирования для ресурсосберегающих пищевых производств.// Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств. -2014.- № 3.- С. 1-10.
15. Дранников, А. В. Повышение эффективности процесса сушки свекловичного жома перегретым паром : монография / А. В. Дранников. - Воронеж : Изд-во Воронеж. гос. технол. акад., 2010. - 172 с.
16. Патент № 2079077 Российская Федерация, МПК F 26 В 17/10. Установка для сушки влажного зернистого материала с помощью перегретого пара / Арне Слот Енсен (Дания). - № 92016629/06,
заявл. 08.07.91 ; опубл. 10.05.97 ; Бюл. № 13 // Открытия. Изобретения. - 1997. - № 13.
Алексеев Геннадий Валентинович,
д.т.н., профессор кафедры Процессы и аппараты пищевых производств Мегафа-культета биотехнологий и низкотемпературных систем Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, e-mail: gva2003@mail.ru, тел: 89213350796
Пальчиков Анатолий Николаевич, к.в.н., доцент кафедры Процессы и аппараты пищевых производств Мегафакультета биотехнологий и низкотемпературных систем Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, e-mail: pslcikov@mail.ru, тел: 89214210034
Нестеренко Иван Геннадьевич, аспирант кафедры Процессы и аппараты пищевых производств Мегафакультета биотехнологий и низкотемпературных систем Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, email: nesterenko@mail.ru, тел: 89990263021
