CC BY
44
doi: 10.24411/0235-2451-2021-10211 УДК 664.1.03:577.15
Технологические приемы ингибирования бактериальной инфицированности процесса экстрагирования сахарозы при производстве сахара
Л.И. БЕЛЯЕВА, М.К. ПРУЖИН, А.В. ОСТАПЕНКО, В.Н. ГУРОВА, Т.И. СЫСОЕВА
Курский федеральный аграрный научный центр, ул. Карла Маркса, 70 б, Курск, 305021, Российская Федерация
Резюме. Исследования проводили с целью определения взаимодействия антимикробного средства, пеногасителя и ферментного препарата в заданном диапазоне доз в процессе экстрагирования сахарозы из инфицированной слизистым бактериозом сахарной свеклы. Моделирование осуществляли в лабораторном опыте на основе D-оптимального плана Бокса-Бенкена 2-го порядка для трех факторов на трех уровнях варьирования, дополненного 5-кратным дублированием одного варианта в центре факторного пространства. Схема эксперимента предусматривала изучение 13 вариантов. Совместное применение антимикробного средства Бетасепт, пеногасителя Волтес ФСС 93 и ферментного препарата гликозидазного действия Декстрасепт 2 в оптимальных дозах, соответствующих максимальным значениям обобщенного коэффициента желательности (0,94 - для базовых технологических индикаторов и 0,82 - для выхода сахара), улучшает технологические индикаторы диффузионного сока, в том числе повышает эффект очистки в среднем в 2,9 раза, что способствует увеличению расчетного выхода белого сахара в среднем на 0,25 %. Антимикробное средство и ферментный препарат сопоставимо закономерно влияют на базовые технологические индикаторы процесса экстрагирования сахарозы. Антимикробное средство оказывает преобладающее ин-гибирующее воздействие на концентрацию молочной кислоты, снижая ее в среднем на 32 %, а ферментный препарат - на содержание высокомолекулярных соединений, уменьшая его в среднем на 26 %, пеногасителя - на высоту столба пены, понижая его в среднем на 5 %. Качественное протекание технологического процесса экстрагирования сахарозы из сахарной свеклы второй степени инфицирования достигается при вводе ферментного препарата в дозе 6.. .8 кг/1000 т свеклы, антимикробного средства - 1,5.2,0 кг/1000 т свеклы и пеногасителя - 15.20 кг/1000 т свеклы.
Ключевые слова: экстрагирование сахарозы, антимикробное средство, ферментный препарат, пеногаситель, сахарная свекла, бактериальная инфицированность, слизистый бактериоз, потери сахарозы, технологический индикатор. Сведения об авторах: Л. И. Беляева, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник (e-mail: belyaeva_li@mail.ru), М. К. Пружин, доктор сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник, А. В. Остапенко, старший научный сотрудник, В. Н. Гурова, старший научный сотрудник, Т. И. Сысоева, научный сотрудник.
Для цитирования: Технологические приемы ингибирования бактериальной инфицированности процесса экстрагирования сахарозы при производстве сахара / Л. И. Беляева, М. К. Пружин, А. В. Остапенко и др. // Достижения науки и техники АПК. 2021. Т. 35. № 2. С. 66-72. doi: 10.24411/0235-2451-2021-10211.
Technological methods for inhibiting bacterial infection of the process of extracting sucrose in the sugar production
L.I. Belyaeva, M.K. Pruzhin, A.V. Ostapenko, V.N. Gurova, T.I. Sysoeva
Federal Agricultural Kursk Research Center, ul. Karla Marksa, 70 b, Kursk, 305021, Russian Federation
Abstract. We determined the interaction of antimicrobial agent, antifoam, and enzyme preparation in a given dose range during the extraction of sucrose from sugar beet infected with mucous bacteriosis. Modelling was conducted in a laboratory experiment on the basis of the 2nd order D-optimal Box-Behnken plan for three factors at three levels of variation, supplemented by 5-fold duplication of one option in the centre of the factor space. The experimental design provided for the study of 13 options. The combined use of the antimicrobial agent Betasept, antifoam agent Voltes FSS 93, and the enzyme preparation of glycosidase action Dextrasept 2 in optimal doses corresponding to the maximum values of the generalized desirability coefficient (0.94 - for basic technological indicators and 0.82 - for sugar yield) improved technological indicators of diffusion juice, increased the cleaning effect by an average of 2.9 times that contributed to an increase in the estimated yield of white sugar by an average of 0.25%. The antimicrobial agent and the enzyme preparation had a comparable natural effect on the basic technological indicators of the sucrose extraction process. The antimicrobial agent has a predominantly inhibitory effect on the concentration of lactic acid, reducing it on average by 32%; the enzyme preparation had a predominantly inhibitory effect on the content of high-molecular compounds, reducing it on average by 26%; the defoamer had an inhibitory effect on the height of the foam column, lowering it on average by 5%. A high-quality flow of the technological process of extracting sucrose from sugar beets of the second degree of infection was achieved by introducing enzyme preparation at a dose of 6-8 kg/1000 tons of beets, the antimicrobial agent at a dose of 1.5- 2.0 kg/1000 tons of beets, and antifoam agent at a dose of 15-20 kg/1000 tons of beets.
Keywords: sucrose extraction; antimicrobial agent; enzyme preparation; defoamer; sugar beet; bacterial infection; bacterial soft rot; sucrose loss; technological indicator.
Author Details: L. I. Belyaeva, Cand. Sc. (Tech.), leading research fellow (e-mail: belyaeva_li@mail.ru); M. K. Pruzhin, D. Sc. (Agr.), leading research fellow; A. V. Ostapenko, senior research fellow; V. N. Gurova, senior research fellow; T. I. Sysoeva, research fellow. For citation: [Technological methods for inhibiting bacterial infection of the process of extracting sucrose in the sugar production] / LI Belyaeva, MK Pruzhin, AV Ostapenko, et al. // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2021;35(2):66-72. Russian. doi: 10.24411/02352451-2021-10211.
В последние годы благодаря высокоэффективным агротехнологиям и технической модернизации перерабатывающих предприятий производство белого свекловичного сахара в стране демонстрирует устойчивый тренд улучшения основных технико-экономических показателей: повышение выхода готового продукта, снижение расхода условного топлива и известнякового камня. Кроме того, отмечена тенденция сокращения потерь целевого компонента сахарозы на
всех участках агропищевой технологии производства кристаллического сахара. При этом учтенные (определяемые, производственные) потери сахарозы приближены к минимально возможным величинам, а неучтенные (неопределяемые), обусловленные в основном жизнедеятельностью микроорганизмов, могут достигать высоких значений. Негативное проявление микробиологических процессов наблюдается уже в поле и продолжается во время хранения и переработки сахарной свеклы. При
этом известно, что в микрофлоре перерабатываемых высокосахаристых гибридов доминирует бактериальная составляющая [1, 2].
Более 99 % бактериальных популяций существует не в форме одиночных планктонных (свободноживущих) клеток, а в виде специфически организованных биологических пленок, позволяющих микроорганизмам выживать в неблагоприятных условиях окружающей среды. По сути биопленка представляет собой микробное сообщество, заключенное в матрикс синтезированных им внеклеточных полимерных веществ. Матрикс составляет 85 % общей массы биопленки и состоит на 95 % из полисахаридов (экзополимеров), остальное - белки, жиры и др. Именно матрикс защищает бактерии в пленке от воздействий высокой температуры, кислой и щелочной среды, антимикробных средств. В результате устойчивость микроорганизмов биопленки к антимикробным средствам в 100...1000 раз выше, чем в планктонной форме [3]. Проблема биопленкообразования и связанные с ним риски актуальна для всех пищевых производств и широко обсуждается в научном сообществе [4].
Корнеплоды, в том числе свекловичный сок, содержащие большое количество питательных веществ, -идеальная среда для размножения многих микроорганизмов. При этом наибольшую опасность представляют слизеобразующие бактерии (ЬеиаоповЮа теве^егоШев), обладающие высокими биопленкообразующими свойствами благодаря синтезируемым из сахарозы полисахаридам декстрану и левану. В благоприятных условиях первичных процессов гидротранспортирования, отмывания корнеплодов, получения свекловичной стружки и экстрагирования сахарозы они активно развиваются, вызывая контаминацию всей технологической линии; в результате наблюдается повышение потерь сахарозы, увеличение ресурсозатрат, ухудшение потребительских свойств вырабатываемой продукции [5, 6].
В процессе экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки нормативное содержание сахарозы в жоме составляет 0,29.0,35 %, а потери сахарозы из-за деятельности микроорганизмов могут достигать 0,80.1,00 % от массы свеклы [3, 7]. Кроме прямых потерь продукты жизнедеятельности микроорганизмов - редуцирующие вещества, органические кислоты (в основном молочная), высокомолекулярные полисахариды, газы ухудшают качество протекания последующих технологических процессов и препятствуют производству кристаллического сахара, увеличивая учтенные и неучтенные потери сахарозы [8]. Указанные продукты метаболизма микроорганизмов, составляющие структурные компоненты бактериально зараженных корнеплодов сахарной свеклы и изготовленных из них полуфабрикатов, могут служить индикаторами микробиологического состояния технологической линии производства белого свекловичного сахара [9].
Для устранения указанных негативных проявлений в процессе экстрагирования сахарозы используют технологические вспомогательные средства - антимикробные и ферментные препараты, пеногасители. Антимикробные препараты различаются по активному действующему веществу (дикарбанаты, тиокарбаматы, четвертичные аммонийные соединения, надуксусная кислота, перекись водорода, формальдегид и другие) и обладают обширным спектром дезинфицирующего действия, состоящего в угнетении дыхания и обменных процессов микроорганизмов в результате разрушения клеточных мембран микробной клетки [3]. В качестве пе-ногасителей раньше использовали природные средства
(животные и растительные масла); сегодня - синтетические препараты на основе силикона (кремнийорганиче-ских соединений), оксиэтилированных жирных спиртов, различных полигликолей (полимер пропиленоксида и сополимер этиленоксида и пропиленоксида) и других химических соединений, обладающие высоким пролонгированным действием [10]. Из ферментных препаратов практическое применение получили энзимы с гликози-дазной активностью - декстраназа и леваназа, целевое предназначение которых заключается в гидролизе труд-ноудаляемых высокомолекулярных соединений (ВМС) декстрана и левана [11].
Использование перечисленных средств предусматривает применение локальных технологий, включающих способы, точки, оптимальные дозы введения, автоматические установки для приготовления и дозирования рабочего раствора препарата. При этом их совершенствование, в основном в направлении повышения технологического эффекта, привело к появлению на рынке высокоэффективных узкоспецифических препаратов. Сахарные заводы могут выбирать антимикробные средства в зависимости от микробного профиля сред - для диффузионного сока из здоровой сахарной свеклы или из сырья, пораженного слизистым бактериозом, жомо-прессовой воды [12]; пеногасители - для диффузионного сока, полученного из аппаратов разных типов, сиропа, оттеков, транспортерно-моечной воды [10]. При этом производители и потребители перечисленных средств рассматривают технологические приемы использования конкретного препарата (место и оптимальные дозы введения) лишь с точки зрения узкой цели его применения в локальном процессе [10, 11, 12], что приводит к нерациональному использованию препаратов. Для технологических вспомогательных средств как химических веществ характерны взаимодействия, поэтому желателен системный подход, позволяющий научно обоснованно и правильно определять последовательность, оптимальные дозы и точки ввода каждого средства при совместном их применении.
Указанная производственная ситуация определила актуальность исследований взаимодействия триады технологических вспомогательных средств, включающих пеногасители, антимикробные и ферментные препараты, применяемые совместно в процессе экстрагирования сахарозы из бактериально инфицированной сахарной свеклы. Поскольку их комплексное использование более результативно при первых признаках появления заболевания, срочное принятие мер позволит быстро ингибиро-вать бактериальное заражение, устранив его негативные последствия по всему технологическому потоку.
Анализ опубликованной в научно-технической литературе информации по взаимовлиянию используемых при производстве сахара технологических вспомогательных средств различной функциональной направленности показал, что полноценные сведения такого рода практически отсутствуют. В то время как в сфере использования пищевых ингредиентов, к которым отнесены технологические вспомогательные средства, уделяется большое внимание вопросу изучения взаимодействий между различными пищевыми добавками и тому, каким образом их можно использовать для повышения качества и пищевой ценности продуктов питания [13].
Цель исследований - установление взаимодействия антимикробного средства, пеногасителя и ферментного препарата в заданном диапазоне доз в процессе экстрагирования сахарозы из инфицированной слизистым бактериозом сахарной свеклы.
Условия, материалы и методы. Объект исследования - выращенные в Курской области, свежевыкопанные и прошедшие хранение корнеплоды сахарной свеклы урожая 2019 и 2020 гг. со степенью поражения слизистым бактериозом в пределах 5.10 %. Свекловичный сок из таких корнеплодов характеризовался второй степенью инфицированности слизистым бактериозом (наличие 2.6 шт. слизистых включений), содержание сахарозы в нем составляло 89,2.89,6 % от массы сухих веществ (СВ). В качестве антимикробного средства использовали Бетасепт (ТУ 2381-001-922877882014), пеногасителя - Волтес ФСС 93 (ТУ 2226-10034686523-09), ферментного препарата - Декстрасепт 2 (ТУ 20.14.64-001-09265941-2017).
Эксперименты проводили в лаборатории технологий сахара Курского ФАНЦ путем моделирования процесса экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки при температуре 68.70 оС. В качестве экстрагента использовали подогретую до 80 оС водопроводную воду, подкисленную серной кислотой до рН 5,5.5,8 ед.; соотношение стружки и экстрагента составляло 1:1; полученный диффузионный сок очищали от мезги. Качество процесса экстрагирования сахарозы оценивали на основе выбранных научно обоснованных[11] репрезентативных показателей диффузионного сока со следующими пороговыми значениями: содержание сахарозы - более 90,0 % от массы СВ, содержание ВМС - менее 2,1 % от массы СВ, содержание молочной кислоты - менее 100 мг/100 г сока, высота столба пены - менее 15 см, эффект очистки диффузионного сока - не менее 13,0 %. Учитывая ранее выявленную высокую степень сопряженности показателей качества диффузионного сока [11], репрезентативные показатели рассматривали как технологические индикаторы.
Содержание сахарозы, СВ, ВМС, молочной кислоты, эффект очистки диффузионного сока определяли по общепринятым в сахарном производстве методикам (Инструкция по химико-техническому контролю и учету сахарного производства. Киев: ВНИИСП, 1983. 476 с.), инфицированность слизистым бактериозом клеточного и диффузионного соков - методом микроскопирования, выражая ее степень через количество слизистых включений [12].
Исследования проводили в 13-вариантном лабораторном опыте на основе D-оптимального плана Бокса-Бенкена 2-го порядка для трех факторов на трех уровнях варьирования. Дополнительное 5-кратное дублирование одного варианта выполнено в области центра факторного
пространства, что соответствует практическим положениям теории планирования эксперимента. Каждый из вариантов опыта отражал заданное матрицей планирования соотношение дозы вводимого ферментного препарата (4, 6 и 8 кг/1000 т свеклы - фактор А), антимикробного средства (1,0, 1,5 и 2,0 кг/1000 т свеклы - фактор В) и пеногасителя (10, 15 и 20 кг/1000 т свеклы - фактор С). Выявление закономерностей совокупного влияния перечисленных факторов на технологические индикаторы изучаемого процесса выполняли с использованием практических положений теории планирования эксперимента на основе алгоритмов регрессионного анализа и методов проверки статистических гипотез.
Преобразование натуральных значений частных откликов в безразмерную шкалу желательности выполняли на основе подобранного для каждого индикатора уравнения. Обобщенный коэффициент желательности рассчитывали по формуле средней геометрической для всех анализируемых индикаторов [14].
Зависимости технологических индикаторов процесса экстрагирования (^ - содержание сахарозы, % от массы СВ; У2 - содержание ВМС, % от массы СВ; У3 - содержание молочной кислоты, мг/100 г сока; У4 - высота столба пены, см; У5 - эффект очистки диффузионного сока, %) от вводимых доз антимикробного средства, пеногасителя и ферментного препарата представлены в виде регрессионных уравнений. Статистическую значимость коэффициентов регрессии на уровне а = 0,05 определяли путем сравнения их численных значений с доверительным интервалом. Адекватность уравнений регрессии определяли по F-критерию Фишера путем проверки статистической гипотезы на основе соотношения дисперсий адекватности и воспроизводимости. Дисперсию воспроизводимости вычисляли по результатам дополнительных анализов в центре плана эксперимента. Коэффициент детерминации (Я2) характеризовал совокупную долю вклада в вариацию отклика всех вошедших в модель факторов, а его численное значение, близкое к единице, считали индикатором степени соответствия модели экспериментальным данным.
Показатель наименьшей существенной разности (НСР05), характеризующий статистическую значимость эффектов влияния изучаемых факторов, определяли по результатам параметрического дисперсионного анализа полученных данных для уровня значимости а = 0,05.
Результаты и обсуждение. Более высокие значения технологических индикаторов процесса экстрагирования
Таблица 1. Технологические индикаторы процесса экстрагирования сахарозы по вариантам опыта
Вариант Матрица плана опыта / изменение факторов, кг/1000 т свеклы Технологический индикатор
ферментный препарат (А) антимикробное средство (В) пеногаси-тель (С) содержание высота столба пены, см (V эффект очистки, % (У)
сахароза, % от массы СВ (У) ВМС, % от массы СВ (У) молочной кислоты, мг/100 г сока (У3)
1 (+) / 8 (+) / 2,0 (0) / 15 91,1 1,63 72 12,4 17,6
2 (+) / 8 (-) / 1,0 (0) / 15 90,5 2,07 97 12,7 11,5
3 (-) / 4 (+) / 2,0 (0) / 15 90,6 1,97 81 13,7 13,5
4 (-) / 4 (-) / 1,0 (0) / 15 89,9 2,45 118 15,3 5,2
5 (+) / 8 (0) / 1,5 (+) / 20 90,8 1,83 83 12,5 14,5
6 (+) / 8 (0) / 1,5 (-) / 10 90,7 1,90 85 17,8 13,5
7 (-) / 4 (0) / 1,5 (+) / 20 90,2 2,27 88 13,5 8,4
8 (-) / 4 (0) / 1,5 (-) / 10 90,0 2,38 91 19,2 6,3
9 (0) / 6 (+) / 2,0 (+) / 20 91,0 1,69 76 12,7 16,6
10 (0) / 6 (+) / 2,0 (-) / 10 90,8 1,83 78 18 14,5
11 (0) / 6 (-) / 1,0 (+) / 20 90,4 2,14 98 12,9 10,4
12 (0) / 6 (-) / 1,0 (-) / 10 90,2 2,24 114 18,7 8,4
13 (0) / 6 (0) / 1,5 (0) / 15 90,7 1,90 87 13,1 13,5
Клеточный сок Диффузионный сок
I © О
II <гш> 5 пав
Вариант 9 Вариант 10 Вариант 13
Рис. 1. Микрофотография слизистых включений в образцах клеточного и диффузионного соков бактериально инфицированной сахарной свеклы.
сахарозы с точки зрения их последующего влияния на формирование качества готовой продукции отмечены в вариантах 1, 5, 6, 9, 10, 13 с максимальными и средними дозами ввода ферментного препарата Декстрасепт 2, антимикробного средства Бетасепт и пеногасителя Волтес ФСС 93 (табл. 1). Содержание сахарозы в этих вариантах находилось в диапазоне 90,7...91,1 % от массы СВ, что соответствует уровню принятого порогового значения этого показателя. Вместе с тем, с позиций расхода дорогостоящих средств, в особенности ферментных препаратов, к наиболее предпочтительным можно отнести варианты 9, 10 и 13. При их использовании содержание ВМС, в том числе полисахаридных, меньше принятого порогового уровня (2,1 %), а в сравнении с вариантом 4 (ввода минимальных доз препаратов), снижение составляет в среднем 26 %. Это косвенно свидетельствует о разложении полисахаридных ВМС под действием ферментного препарата и об уменьшении степени бактериальной инфицированности диффузионного сока.
Также в диффузионном соке в этих вариантах отмечено снижение содержания молочной кислоты, по сравнению с вариантом 4, в среднем на 32 % и высоты столба пены - в среднем на 5 %, повышение эффекта очистки в среднем почти в 2,9 раза, увеличение расчетного выхода сахара на 0,25 %. Это в целом характеризует более качественное протекание процесса экстрагирования сахарозы из бактериально инфицированной сахарной свеклы, что обусловлено эффективным выполнением функциональных действий совместно применяемыми в опыте препаратами.
Положительный эффект совокупного действия Дек-страсепта 2, Бетасепта и Волтеса ФСС 93 в процессе экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки бактериально инфицированной сахарной свеклы подтверждают и результаты микроскопирования клеточного и диффузионного соков, визуально отражающие измене-
ние количественного содержания в них полисахаридных слизевых веществ (рис. 1). Так, образец исходного клеточного сока исследуемых корнеплодов содержал 5 слизистых включений при пороговом диапазоне для второй степени инфициро-ванности слизистым бактериозом 2.6 включений. В диффузионных соках, полученных из этих корнеплодов с применением изучаемых препаратов в вариантах 9, 10 и 13 отмечено снижение количества слизистых включений соответственно на 100, 80 и 80 %, что обусловлено положительным взаимодействием препаратов, выражающимся в ферментолизе высокомолекулярных полисахаридов, подавлении и уничтожении слизеобразующей бактериальной микрофлоры.
В диффузионном соке в варианте 9 инфицирован-ность слизистым бактериозом отсутствовала, в вариантах 10 и 13 она соответствовала первой степени. В целом наилучший совокупный технологический эффект исследуемых препаратов выявлен в варианте 9 при введении ферментного препарата в дозе 6,0 кг/1000 т свеклы, антимикробного средства - 2,0 кг/1000 т свеклы, пеногасителя - 20,0 кг/1000 т свеклы.
На основе интерполяционных расчетов по данным первого этапа регрессионного анализа (без исключения незначимых коэффициентов регрессии) были вычислены показатели изучаемых технологических индикаторов для всей области факторного пространства полной фактори-альной матрицы 3^3x3. Полученные модельные данные обработаны методом параметрического дисперсионного анализа с получением показателя НСР05 (на уровне значимости а = 0,05), затем с использованием алгоритма Йетса рассчитаны главные эффекты и эффекты взаимодействия изучаемых факторов (табл. 2).
Средние эффекты влияния факторов антимикробный и ферментный препарат на содержание сахарозы в диффузионном соке (У^ и эффект очистки на диффузии (У5) существенно возрастали, а средние эффекты их воздействия на содержание ВМС (У2), молочной кислоты (У3) и высоту столба пены (У4) диффузионного сока наоборот снижались. Влияние пеногасителя значимо проявилось только в уменьшении высоты столба пены (У4). Статистически значимое влияние взаимодействия изучаемых факторов по указанным показателям установ-
Таблица 2. Эффекты действия и взаимодействия изучаемых факторов для технологических торов процесса экстрагирования сахарозы
индика-
Технологический индикатор
Уровень варьирования (0, +)
Эффекты действия и взаимодействия
В
АВ
АС
ВС
Y1 (содержание сахарозы,% к массе СВ) Y2 (содержание ВМС, % к массе СВ) Y3 (содержание молочной кислоты, мг/100 г сока) Y4 (высота столба пены,см)
Y5 (эффект очистки, %)
0
НСРо 0
НСРо 0
НСРо 0
НСРо
0 +
НСР
0,36 0,60 0,35 -0,33 -0,41 0,02 -5,26 -10,3 6,23 -1,09 -1,58 0,22 4,64 5,92 0,05
0,31 0,51 0,35 -0,23 -0,45 0,02 -19,9 -30,0 6,23 -0,48 -0,70 0,22 3,21 6,68 0,05
-0,14 -0,05 0,20 0,01 0,02 0,01 3,01 6,00 3,60 0,33 0,65 0,13 -0,55 -1,11 0,03
0,08 0,18 0,35 -0,12 -0,10 0,02 -2,48 -5,74 6,23 -5,11 -5,52 0,22 2,05 1,80 0,05
-0,13 -0,05 0,20 0,01 0,02 0,01 0,24 0,53 3,60 0,10 0,20 0,13 -0,27 -0,55 0,03
0,00 -0,11 0,20 -0,01 -0,03 0,01 3,52 6,99 3,60 0,13 0,25 0,13 0,02 0,05 0,03
Таблица 3. Уравнения регрессии для кодированных значений факторов, отражающие закономерности изменения технологических индикаторов процесса экстрагирования сахарозы
Технологический индикатор Коэффициенты регрессии для факторов и их взаимодействий Показатели адекватности уравнения
0** А В С АА АВ ВС СС Й2
У* 90,62 0,300 0,313 0,088 - - - - 0,30 2,85 0,988 0,98 У2 1,96 -0,210 -0,223 -0,052 0,103 - - - 2,78 2,85 0,987 0,98 У., 89,85 -5,125 -15,000 -2,875 - 3,00 3,50 - 0,88 2,92 0,968 0,94 У. 13,44 -0,787 -0,350 -2,763 - - - 2,220 1,04 2,85 0,993 0,99 У 12,68 3,037 3,263 0,900 -1,442 - - - 1,75 2,85 0,985 0,97 5 ' ' ' ' ' 5 5 5 5
*У1 - содержание сахарозы, % от массы СВ, У2 - содержание ВМС, % от массы СВ, У3 - содержание молочной кислоты, мг/100 г сока, У4 - высота столба пены, см, У5 - эффект очистки, %, **0 - свободный коэффициент.
лено только в отдельных случаях на верхних (+) уровнях их варьирования.
Построенные по результатам исследований регрессионные уравнения адекватно отражают влияние глико-зидазного ферментного препарата (А), антимикробного средства (В) и пеногасителя (С) на технологические индикаторы процесса экстрагирования сахарозы (табл. 3). Это подтверждают соответствующие фактические значения критерия Фишера ^^) и коэффициентов детерминации (Я2), равные 0,94.. .0,99.
Указанные уравнения могут быть приведены к натуральным показателям уровней варьирования изучаемых факторов, например, для содержания молочной кислоты
од:
У3 = 217,35 - 7,0625А - 69,00В - 2,675С + 3,00АВ +
+ 1,40ВС.
На основе этого уравнения можно дополнительно к экспериментальным определить расчетные значения содержания молочной кислоты (У3) в диапазоне дозы введения фермента от 0 до 10 кг, антимикробного средства от 0 до 2,0 кг на фоне 15 кг/1000 т свеклы пеногасителя при второй степени бактериальной инфицированности клеточного сока. Результаты проведенных расчетов
Рис. 2. Зависимость содержания молочной кислоты (мг/100 г сока) от доз введения ферментного препарата (А) и антимикробного средства (В) на фоне пеногасителя в дозе 15 кг/1000 т сахарной свеклы: ^ - 0 кг антимикробного средства/1000 т сахарной свеклы; г1 - 0,5; ■ - 1,0; □ - 1,5; ■ - 2,0 кг антимикробного средства/1000 т сахарной свеклы.
свидетельствуют, что для достижения принятого порогового уровня содержания молочной кислоты (менее 100 мг/100 г сока) с увеличением дозы введения ферментного препарата дозу антимикробного средства можно снижать до 0,5 кг/1000 т сахарной свеклы (рис. 2).
Таким образом, применение антимикробного средства Бетасепт, пеногасителя Волтес ФСС 93 и ферментного препарата Декстрасепт 2 в процессе экстрагирования сахарозы из сахарной свеклы второй степени инфицированности слизистым бактериозом способствует качественному протеканию процесса извлечения сахарозы, выражающемуся в повышении эффекта очистки диффузионного сока в среднем в 2,9 раза, увеличению расчетного выхода сахара в среднем на 0,25 %.
Для установления оптимальных доз введения ферментного препарата, антимикробного средства и пеногасителя при переработке инфицированной слизистым бактериозом сахарной свеклы можно дополнительно использовать обобщенный коэффициент желательности Р). К оптимальным следует относить дозы, обеспечивающие условия, при которых достигаются наилучшие значения технологических индикаторов при соответствии максимальным значениям обобщенного коэффициента
желательности в диапазоне 0,80.1,00.
Учитывая экономическую составляющую применения ферментных препаратов в варианте 1, обобщенная функция желательности при одностороннем ограничении соответствует уровню оптимальных (максимальных) значений в варианте 9 (рис. 3). Это свидетельствует о целесообразности введения соответствующих количеств исследуемых средств, обеспечивающих условия, при которых содержание сахарозы в диффузионном соке и эффект его очистки выше, а содержания ВМС, молочной кислоты и высоты столба пены ниже. На основе полученных максимальных значений обобщенной функции желательности (0,94 и 0,82 для индикаторов УГ.У5 и выхода сахара соответственно) можно сделать вывод о
1,20
1,00
I-
о
0
X
1 0,80
ь
я е;
^ 0,60 I-
х
ф
| 0,40
■е
я
0,00
6 7 8 9 Варианты опыта
12
13
Ферментный препарат
Рис. 3. Оценка результативности действия изучаемых факторов на основе обобщенного коэффициента желательности ф): ■ - обобщенный коэффициент желательности для индикаторов Y1...Y5; □ - частный коэффициент желательности для выхода сахара, %.
качественном и устойчивом протекании технологического процесса экстрагирования при переработке сахарной свеклы второй степени инфицированности слизистым бактериозом с использованием следующих оптимальных доз: ферментного препарата - 6.8 кг/1000 т свеклы, антимикробного средства - 1,5.2,0 кг/1000 т свеклы, пеногасителя - 15.20 кг/1000 т свеклы.
Производственное использование полученных результатов возможно на основе сформированной технологической схемы ввода антимикробного средства, пеногасителя и ферментного препарата гликозидаз-ного действия в процесс экстрагирования сахарозы при переработке инфицированной слизистым бактериозом сахарной свеклы (рис. 4). На основе анализа механизмов их функционального действия с учетом особенностей протекания задействованных технологических процессов предложены следующие технологические приемы адресности и последовательности введения указанных средств при переработке сахарной свеклы, инфицированной слизистым бактериозом. Вначале на отмытые корнеплоды и свекловичную стружку вводят ферментный препарат гликозидазного действия для предотвращения формирования и элиминации (удаления) образующихся биопленок. Далее свекловичная стружка поступает в диффузионный аппарат, где соединяется с экстрагентом, потом в соко-стружечную смесь вводится антимикробный препарат, затем пеногаситель. Благодаря ферментолизу полисахаридов, окружающих бактериальные клетки, антимикробное средство беспрепятственно может к ним
проникать и разрушающе на них воздействовать. В свою очередь, антимикробное средство, нарушая целостность клеточных структур микроорганизмов и подавляя их жизнедеятельность, сдерживает формирование полисахаридов с высокой молекулярной массой, позволяя ферментному препарату более результативно выполнять свою функциональную задачу. Кроме того, антимикробное средство способствует вытеснению образующихся в микробиологических процессах пенообразователей с поверхности пузырьков пены, тем самым предоставляя беспрепятственный доступ к ним пеногасителя. При введении послеантимикробно-го средства пеногасителя структурированная пленка пены еще больше ослабевает и при перемешивании не может противостоять соединению пузырьков, в результате они увеличивают свой объем и, лопаясь, исчезают. Вследствие удаления воздуха при ликвидации пены трехфазная система (жидкость - твердое тело - газ) переходит в двухфазную (жидкость - твердое тело), предпочтительную для эффективного экстрагирования. Пеногаситель, ликвидируя пену, способствует более равномерному распределению свекловичной стружки в процессе экстрагирования сахарозы, улучшает циркуляцию экстрагирующей жидкости и, следовательно, содействует более тесному контакту как антимикробного средства с микрофлорой, так и ферментного препарата с полисахаридами. Далее в полученный диффузионный сок вводят ферментный препарат для гидролиза недо-разрушенных полисахаридов, а остатки планктонных
Сахарная свекла
оОатга одслз аоРоТ)
- 3?с
Ферментный препарат
12 9
Антимикробное Ферментный средство
■епарат ПТ! Антимикробное средство
Диффузионный сок на очистку
¿С^г
Рис. 4. Технологическая схема ввода антимикробного средства, гликозидазного ферментного препарата и пеногасителя в процесс экстрагирования сахарозы: 1, 6 - конвейер ленточный; 2, 5 - форсунка; 3 - сборник корнеплодов сахарной свеклы; 4 - свеклорезка; 7 -аппарат диффузионный; 8, 11 - насос; 9 - мезголовушка; 10 - сборник диффузионного сока; 12 - узел приготовления и дозирования препарата.
2
3
4
5
10
слизеобразующих бактерий в соке будут уничтожены на следующих процессах известково-углекислотной очистки под действием высокой температуры в щелочной среде.
Выводы. На основе выявленных статистически значимых регрессионных зависимостей показана возможность качественного протекания технологического процесса экстрагирования сахарозы из сахарной свеклы второй степени инфицирования слизистым бактериозом при вводе ферментного препарата гликозидазного действия Декстрасепт 2 в дозе 6.8 кг/1000 т свеклы, антимикробного средства Бетасепт - 1,5.2,0 кг/1000 т свеклы и пеногасителя Волтес ФСС 93 - 15.20 кг/1000 т свеклы. Их совместное применение в оптимальных дозах, соответ-
ствующих максимальным значениям обобщенной функции желательности 0,82 и 0,94, улучшает технологические индикаторы процесса экстрагирования сахарозы, в том числе повышает эффект очистки в среднем в 2,9 раза, что способствует увеличению выхода белого сахара в среднем на 0,25 %. Антимикробное средство и ферментный препарат оказывали сопоставимое закономерное влияние на базовые технологические индикаторы диффузионного сока. Преобладающее ингибирующее действие антимикробного средства проявилось в снижении содержания молочной кислоты в среднем на 32 %, ферментного препарата - в уменьшении содержания ВМС в среднем на 26 %, пеногасителя - в снижении высоты столба пены в среднем на 5 %.
Литература.
1. Robles-Gancedo S., Lopez-Diaz T. M., Otero A. Identification of main bacteria and fungi found during beet sugar extraction in Spanish factories // International Sugar Journal. 2014. Vol. 116. No. 1386. P. 356-361.
2. Селиванова Г. А. Болезни сахарной свеклы при интенсификации технологии выращивания культуры // Земледелие. 2013. № 4. С. 31-35.
3. Негативное влияние бактерий и микробных биопленок в сахарной промышленности / О. Брандштеттер, С. В. Гаценко, Д. Ю. Третьяков и др. // Сахар. 2020. № 4. С. 22-26.
4. Образование биологических пленок микроорганизмов на пищевых производствах /А. В. Тутельян, Ю. К. Юшина, О. В. Соколова и др. //Вопросы питания. 2019. Т. 88. № 3. С. 32-43. doi: 10.24411/0042-8833-2019-10027.
5. Targeted dextranase application for problem mitigation during sucrose crystallization / K. Abraham, H. Brykczynski, E. S. J. Rudolph-Floter, et al. // International Sugar Journal. 2020. Vol. 122. No. 1455. P. 198-203.
6. Сапронова Л. А. Способы повышения качества кристаллического сахара //Хранение и переработка сельхозсырья. 2017. № 5. С. 9-14.
7. Эффективность технологии диффузионно-прессового способов извлечения сахарозы из свекловичной стружки/Р. С. Решетова, В. О. Городецкий, С. О. Семенихин и др. // Известия вузов. Пищевая технология. 2018. № 2-3. С. 61-64.
8. Влияние технологических качеств сахарной свеклы на выход сахара при поражении корнеплодов гнилью / Н. М. Даишева, С. О. Семенихин, В. О. Городецкий и др. //Хранение и переработка сельхозсырья. 2014. № 9. С. 22-27.
9. Comparison of methods for dextran analysis: Effect of sugar and dextran concentrations / B. Ninchan, P. Saothong, C. Sirisatesuwan, et al. // International Sugar Journal. 2016. Vol. 118. No. 1408. P. 260-267.
10. Отечественные пеногасители для сахарного производства / Т. И. Костенко, М. В. Кузнецова, В. Н. Тарасов и др. // Сахар. 2014. № 5. С. 39-41.
11. Ферменты с гликозидазной активностью в производстве свекловичного сахара: результативность применения /Л. И. Беляева, М. К. Пружин, А. В. Остапенко и др. //Достижения науки и техники АПК. 2020. Т. 34. № 7. С. 102-108.
12. «Бетасепт» и «Декстрасепт»: на всех фронтах борьбы с бактериальной инфекцией / В. А. Сотников, А. В. Сотников, В. Уайлд и др. // Сахар. 2017. № 4. С. 16-20.
13. Заворохина Н. В., Чугунова О. В., Минниханова Е. Ю. Исследование синергизма тройных смесей подсластителей, применяемых для низкокалорийных сладких блюд // Пищевая промышленность. 2019. № 9. С. 66-69.
14. Любушкин Н. П., Брикач Г. Е. Использование обобщенной функции желательности Харрингтона в многопараметрических экономических задачах // Экономический анализ: теория и практика. 2014. Т. 13. Вып. 18. С. 2-10.
References
1. Robles-Gancedo S, Lopez-Diaz TM, Otero A. Identification of main bacteria and fungi found during beet sugar extraction in Spanish factories. International Sugar Journal. 2014;116(1386):356-61.
2. Selivanova GA. [Diseases of sugar beet during the intensification of technology for growing crops]. Zemledelie. 2013;(4):31-5. Russian.
3. Brandshtetter O, Gatsenko SV, Tretyakov DYu, et al. [The negative impact of bacteria and microbial biofilms in the sugar industry]. Sakhar. 2020;(4):22-6. Russian.
4. Tutel'yan AV, Yushina YuK, Sokolova OV, et al. [Formation of biological firms of microorganisms in food production]. Voprosy pitaniya. 2019;88(3):32-43. doi: 10.24411/0042-8833-2019-10027. Russian.
5. Abraham K, Brykczynski H, Rudolph-Floter ESJ, et al. Targeted dextranase application for problem mitigation during sucrose crystallization. International Sugar Journal. 2020;122(1455):198-203.
6. Sapronova LA. [Ways to improve the quality of crystalline sugar]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya. 2017;(5):9-14. Russian.
7. Reshetova RS, Gorodetsky VO, Semenikhin SO, et al. [Efficiency of the technology of diffusion-press methods for extracting sucrose from beet chips]. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya. 2018;(2-3):61-4. Russian.
8. Daisheva NM, Semenikhin SO, Gorodetsky VO, et al. [Influence of technological qualities of sugar beet on sugar yield in the case of root crop rot]. Khranenie i pererabotka selkhozsyr'ya. 2014;(9):22-7. Russian.
9. Ninchan B, Saothong P, Sirisatesuwan C, et al. Comparison of methods for dextran analysis: Effect of sugar and dextran concentrations. International Sugar Journal. 2016;118(1408):260-7.
10. Kostenko TI, Kuznetsova MV, Tarasov VN, et al. [Domestic defoamers for sugar production]. Sakhar. 2014;(5):39-41. Russian.
11. Belyaeva LI, Pruzhin MK, Ostapenko AV, et al. [Enzymes with glycosidase activity in the production of beet sugar: the effectiveness of the application]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2020;34(7):102-8. Russian.
12. Sotnikov VA, Sotnikov AV, Wilde V, et al. [Betasept and Dextrasept: on all fronts of the fight against bacterial infection]. Sakhar. 2017;(4):16-20. Russian.
13. Zavorokhina NV, Chugunova OV, Minnikhanov EYu. [Research of synergism of triple mixtures of sweeteners used for low-calorie sweet dishes]. Pishchevaya promyshlennost'. 2019;(9):66-9. Russian.
14. Lyubushkin NP, Brikach GE. [Using Harrington's generalized desirability function in multiparameter economic problems]. Ekonomicheskii analiz: teoriya i praktika. 2014;13(18):2-10. Russian.
