автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.01, диссертация на тему:Обоснование основных элементов технологии комплексной переработки сырья фенхеля обыкновенного (Foeniculum vulgare Mill.)

На правах рукописи

Горбунова Елена Викторовна

ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ ФЕНХЕЛЯ ОБЫКНОВЕННОГО (FOENICULUM VULGARE MILL.)

Специальность: 05.18.01 -технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

2 СЕН 2015

005561840

Мичуринск - наукоград РФ, 2015

005561840

Работа выполнена на кафедре технологии и оборудования производства жиров и эфирных масел в Южном филиале Национального университета биоресурсов и природопользования Украины «Крымский агротехнологический университет» (с 01.01.2015 г. Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского»)

Научный руководитель:

кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Тимашева Лидия Алексеевна

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Бухаров Александр Федорович,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор / ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт овощеводства)), заведующий лабораторией семеноводства и первичного семеноводства

Дерканосова Наталья Митрофановна

доктор технических наук, профессор / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», заведующая кафедрой товароведения и экспертизы товаров

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет»

Защита диссертации состоится 8 октября 2015 года в 13:30 часов на заседании диссертационного совета Д 220.041.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корпус 1, зал заседаний диссертационных советов, тел./факс (47545) 9-44-12, E-mail: dissov@mgau.ru.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ на сайте www.mgau.ru. с авторефератом на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российский Федерации WWWAgkiOigOVJTJ

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные и скрепленные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, ____

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент З.Н. Тарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие эфиромасличной промышленности требует совершенно нового подхода к использованию растительного сырья. Решением проблемы рационального использования растений является технология комплексной переработки, позволяющая повысить экономическую эффективность предприятия благодаря получению не только эфирного масла, но и получению других продуктов, содержащих биологически активные вещества.

Как известно, переработка растительного сырья, для получения продукции разного направления использования, сопровождается образованием значительного количества отходов на всех стадиях переработки. В связи с этим проблема комплексной переработки эфиромасличного сырья с использованием ресурсосберегающих технологий, которые включают в хозяйственный оборот первичные и вторичные отходы производства, приобретает особую актуальность и практическую значимость. Такой подход к переработке эфиромасличного сырья вызывает потребность во всесторонних комплексных исследованиях его состава и свойств, отходов их переработки, а также совершенствование способов получения эфирного масла, экстрактов и других биологически активных веществ.

Фенхель обыкновенный (Foeniculum vulgare Mill) является ценным лекарственным, пряно - ароматическим и эфирномасличным растением. Он содержит большое количество биологически активных компонентов, среди которых основным является эфирное масло. Недостаточная изученность фенхеля обыкновенного, как сырья для получения биологически активных веществ, привело к формированию основной цели наших исследований.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Южного филиала Национального университета биоресурсов и природопользования Украины «Крымского агротехнологического университета» по теме «Разработка и усовершенствование энергосберегающих технологий переработки сельскохозяйственной продукции» (номер государственной регистрации 0111U008808).

Цель и задачи исследования. Цель работы — теоретическое обоснование и разработка технологии комплексной переработки сырья фенхеля обыкновенного сорта Мэрцишор.

В связи с поставленной целью определены основные задачи исследования:

- изучение качественного состава сырья фенхеля обыкновенного в разные фазы вегетации и установление оптимальных сроков уборки сырья в условиях предгорной зоны Крыма;

- исследование изменения качества сырья, происходящего в процессе хранения фенхеля и определение продолжительности его хранения;

- изучение качественного состава отходов фенхеля после дистилляции и предложение эффективных способов их переработки;

- обоснование перспективности экстрагирования сырья фенхеля (отходов) после паровой дистилляции органическими и водно-спиртовыми экстра-гентами;

- разработка схемы комплексной переработки сырья фенхеля обыкновенного;

- разработка нормативно — технической документации на технологию комплексной переработки сырья фенхеля и на полученную продукцию;

- оценка экономической эффективности внедрения производства при технологии комплексной переработки фенхеля обыкновенного.

Научная новизна. Научная новизна результатов проведенных исследований состоит в системности подхода к решению проблемы комплексной переработки сырья фенхеля обыкновенного и получению новых натуральных продуктов.

Признакам научной новизны отвечают следующие результаты диссертационной работы:

- впервые показаны закономерности изменения количественного и качественного состава эфирного масла фенхеля и его распределение по органам растения, зависящие от фазы вегетации растения и погодных условий в предгорной зоне Крыма;

- обоснован выбор промышленной части фенхеля обыкновенного по количественным и качественным характеристикам, определена модель промышленной части растений фенхеля для максимального извлечения целевых продуктов (эфирное масло, конкрет, абсолю, воск и экстракты);

- впервые установлены сроки хранения сырья фенхеля срезанного в фазу молочно-восковой зрелости плодов на центральном зонтике для получения эфирного масла;

- впервые установлено и математически описано изменение выхода компонентного состава целевых продуктов: эфирного масла, конкрета и абсолю в зависимости от параметров технологического процесса (продолжительности гонки, скорости гонки и степени извлечения);

- впервые определены условия извлечения экстрактивных веществ из отходов фенхеля после извлечения эфирного масла, математически описана зависимость выхода экстрактивных веществ от концентрации этилового спирта и температуры процесса;

- научно и экспериментально обоснована целесообразность и высокая эффективность комплексной переработки сырья фенхеля обыкновенного, позволяющей в едином технологическом процессе получать продукты, обладающие биологически активными веществами;

- впервые исследован качественный и количественный состав водно-спиртовых экстрактов, концентрата, натуральной душистой воды, абсолю, конкрета из отходов сырья после извлечения эфирного масла из растений фенхеля;

- доказано, что измельчение плодов фенхеля обыкновенного в процессе паровой дистилляции позволяет увеличить выход эфирного масла.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая ценность данного исследования заключается в применении научно-обоснованного комплексного подхода к переработке сырья фенхеля обыкновенного.

Практическая значимость заключается в разработке безотходной технологии переработки фенхеля обыкновенного. Определены качественные характеристики сырья фенхеля (целые растения), которые включены в проект Национального стандарта на сырье фенхеля обыкновенного для промышленной переработки. Разработаны и утверждены проекты технических условий на водно - спиртовый экстракт, конкрет отходов фенхеля и воск. Разработаны и утверждены технологические инструкции на производство конкрета и водно-спиртового экстракта отходов фенхеля обыкновенного.

Предложена и внедрена технология комплексной переработки сырья фенхеля обыкновенного на предприятии ООО «ТРИА», г. Симферополь.

Методология и методы исследования. Для оценки и интерпретации результатов исследования были использованы общепринятые и модифицированные физико-химические, органолептические, экспериментально-статистические. Результаты исследований обрабатывали с использованием методов математической статистики, корреляционного и регрессионного анализов, с помощью пакетов прикладных программ Microsoft Excel, MathCAD Statistica 6.0.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплексная переработка фенхеля обыкновенного с получением новых натуральных продуктов, обладающих биологически активными веществами.

2. Химический состав фенхеля и закономерности его изменения, связанные с вегетационным периодом в условиях предгорной зоны Крыма.

3. Оптимальный срок уборки фенхеля целыми растениями и закономерности изменения химического состава сырья, происходящие в процессе продолжительности его хранения в течение года.

4. Индивидуальный состав эфирных масел, натуральной душистой воды, концентрата, водно-спиртового экстракта, конкрета отходов, конкрета, абсолю и воска фенхеля обыкновенного.

5. Особенности влияния технологических факторов на состав и качество извлекаемых натуральных продуктов.

6. Технико-экономическое обоснование технологии комплексной переработки фенхеля обыкновенного.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных Международных и Всеукраинских конференциях: «Прикладная наука и инновационный путь развития национального производства» (Тернополь, 2012 и 2013); «Развитие научных исследований 2012» (Полтава, 2012); «Проблемы механизации производства и технологии переработки сельскохозяйственной продукции» (Симферополь, 2013 и 2014); «Научные исследования — теория и эксперимент 2013» (Полтава, 2013); «Перспектив-

ные направления научных исследований лекарственных и технических культур» (Лубны, 2013).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 научных статей, из них 8 в издательствах, рекомендованных ВАК РФ, б тезисов докладов, 1 проект Национального стандарта.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 248 страницах, включая 137 страниц основного текста и 111 страниц приложений, содержит 36 таблиц, 21 рисунок и состоит из введения, аналитического обзора литературы, объектов и методов исследований, результатов собственных исследований, заключения и приложений. Список использованной литературы насчитывает 163 наименований, в том числе 30 иностранных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее вклад в комплексную переработку фенхеля обыкновенного в условиях предгорной зоны Крыма, значимость получаемых продуктов в отечественной промышленности.

В первой главе проведен аналитический обзор научно - технической и патентной литературы по теме диссертации. Систематизированы сведения о биологических особенностях фенхеля обыкновенного. Рассмотрены основные способы его переработки, физико-химические, потребительские свойства и практическая значимость получаемых из него продуктов и область их применения.

Вторая глава посвящена объектам и методам исследования. Объект исследования целые растения фенхеля обыкновенного (Foeniculum vulgare Mill) сорта Мэрцишор, произрастающий в предгорной зоне Крыма и отходы растений после извлечения эфирного масла. Сырье заготавливали в 2011-2013 гг. Структурная схема исследования приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема исследования

В главе указаны основные методики проведения экспериментальных исследований и анализа сырья и полученных продуктов. Приведены методики обработки экспериментальных данных. Определены сроки наступления фенологических фаз растений фенхеля в период вегетации и урожайность. Компонентный состав полученных продуктов определены с помощью газожидкостной хроматографии. Изучение объектов исследования проводилось с помощью комплекса физико-химических методов анализа: методы исследования эфирных масел, рекомендуемые Государственной Фармакопеи, и другие методы, применяемые в эфиромасличном производстве. Продукты, выделенные из фенхеля обыкновенного, анализировали по общепринятым методикам, органолептическими, физико-химическими и биохимическими методами. Анализ сырья и выделяемых продуктов проводили в 3-5-кратной повторно-сти.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Динамика накопления эфирного масла и определение технической зрелости сырья фенхеля обыкновенного. На основании проведенных исследований установлено, что в фазу бутонизации характерно минимальное содержание эфирного масла фенхеля, а максимальное в фазу молочно - восковой зрелости плодов на центральном зонтике (табл. 1). Таким образом, фазой технической зрелости, т.е. периодом максимального накопления эфирного масла является фаза молочно-восковой зрелости плодов на центральном зонтике.

Таблица 1 - Содержание эфирного масла в целых растениях фенхеля

обыкновенного сорта Мэрцишор по фазам вегетации за 2011-2013года

Фаза развития растения Массовая доля эфирного масла, %

2011 г. 2012 г. 2013 г.

Бутонизация 0,21 ±0,01 0,85±0,03 1,08±0,02

Начало цветения центральных зонтиков 0,65±0,02 1,21 ±0,03 1,33±0,01

Конец цветения центральных зонтиков 0,70±0,01 2,65±0,01 2,75±0,01

Начало образования плодов на центральном зонтике 1,24±0,02 2,79±0,01 2,86±0,02

Молочная зрелость плодов на центральном зонтике 1,78±0,03 3,54±0,02 3,71 ±0,01

Молочно-восковая зрелость плодов на центральном зонтике 1,84±,001 3,85±0,01 3,99±0,01

Восковая зрелость плодов на центральном зонтике 1,б1±0,02 3,17±0,01 3,16±0,02

Полная зрелость плодов на центральном зонтике 1,21 ±0,01 2,91±0,01 2,85±0,01

По результатам данных установлено, что компонентный состав эфирного масла фенхеля количественно и качественно изменяется в зависимости от фазы вегетации растений. В составе летучих компонентов было обнаружено от 24 до 32 компонентов эфирного масла фенхеля, из них идентифицировано 15-17 веществ, на которые приходится 90 % от общей суммы и основные из них: анетол, фенхон, а-пинен, /3-фелландрен, метилхавикол, 1,8 цинеол, ли-налоол (табл. 2).

Таблица 2 - Компонентный состав эфирного масла фенхеля сорта

Название компонента Массовая доля компонентов эфирного масла, %

Фазы вегетации

Бутонизация Цветение центральных зонтиков Молочная зрелость плодов на центральном зонтике Молочио-восковая зрелость плодов Полная зрелость плодов на центральном зонтике

а-пинен 3,17±0,03 9,24±0,6 8,20±0,04 7,41±0,05 6,44±0,03

Камфен 0,04±0,01 0,02±0,01 0,04±0,02 0,05±0,01 0,10±0,02

Сабинен 0,17±0,02 0,35±0,01 0,38±0,02 0,59±0,03 0,22±0,01

/3-пинен 0,11±0,01 0,92±0,01 0,94±0,01 0,72±0,01 0,17±0,04

/3-фелландрен 7,17±0,05 1,30±0,01 2,42±0,01 4,27±0,03 0,9б±0,02

Лимонен 0,17±0,06 0,95±0,04 0,65±0,08 0,48±0,04 0,37±0,02

7-терпинен 0,42±0,02 1,04±0,05 1,49±0,03 0,00 0,03±0,01

1,8-цинеол 1,23±0,08 1,33±0,02 1,06±0,01 0,91±0,01 1,37±0,01

Пара-цимен 0,07±0,01 0,12±0,03 0,34±0,02 0,12±0,03 0,15±0,01

Фенхон 4,84±0,01 2,84±0,02 2,99±0,02 4,94±0,03 10,09±0,05

Линалоол 0,05±0,02 0,05±0,01 0,09±0,01 0,11 ±0,01 1,43±0,01

Метилхави-кол 2,49±0,01 2,36±0,01 2,41±0,03 2,83±0,01 2,73±0,02

Анетол 67,32±0,8 68,12±0,6 68,52±0,8 69,60±0,05 63,91 ±0,03

Анисовая кислота 0,40±0,02 0,11 ±0,01 0,01±0,01 0,01±0,01 0,00

Анисовый альдегид 1,28±0,01 0,2б±0,03 0,05±0,03 0,02±0,01 0,01 ±0,01

Исследования по содержанию эфирного масла фенхеля в различных органах и в разные фазы вегетации (табл. 3), показали, что наибольшее количество эфирного масла фенхеля накапливается в зонтиках с плодами и его содержание увеличивается, начиная с фазы бутонизации (3,54 %) и до фазы мо-лочно - восковой зрелости плодов на центральном зонтике (5,3 %). К наступлению фазы полной зрелости плодов отмечено снижение массовой доли эфирного масла на 9,8 %.

Количество анетола, основного компонента эфирного масла фенхеля, варьирует в зависимости от органа растения и фазы вегетации. Так в зонтиках с плодами в фазу молочной и молочно-восковой зрелости плодов его содержание 80,0 %, в эфирном масле из листьев от 63,8 % до 66,8 %, а из стеблей -от 71,5 % до 75,7 % от общей суммы.

Таблица 3 - Содержание эфирного масла фенхеля сорта Мэрцишор

Фаза вегетации Массовая доля эфирного масла, %

Целое растение Зонтики с плодами Листья Стебли

Бутонизация 0,46±0,02 3,54±0,02 0,78±0,01 0,44±0,01

Цветение центральных зонтиков 1,21 ±0,02 3,87±0,03 1,21 ±0,02 0,54±0,02

Молочная зрелость плодов на центральном зонтике 3,45±0,03 4,43±0,03 1,19±0,01 0,80±0,01

Молочно-восковая зрелость плодов на центральном зонтике 3,78±0,04 5,3±0,03 1,31 ±0,04 0,88±0,01

Полная зрелость плодов на центральном зонтике 2,76±0,02 4,78±0,02 0,6±0,01 0,49±0,01

Содержание фенхона в эфирном масле из зонтиков с плодами наивысшее и колеблется от 3,8 % до 14,6 % в зависимости от периода вегетации. Максимальное его количество отмечено в фазу начала цветения и минимальное в фазу молочной зрелости плодов. В эфирном масле из листьев количество фенхона изменяется от 2,13 % в фазу молочно-восковой зрелости до 6,82% в фазу начала цветения центральных зонтиков, из стеблей - от 1,68 % в фазу молочно-восковой зрелости до 8,17 % в фазу полной зрелости плодов.

Максимальное количество /3-фелландрена было отмечено в зонтиках с плодами 8,48 % в фазу бутонизации и минимальное 0,11 % в фазу цветения. В эфирном масле из листьев - наивысшее его количество 5,98 % отмечено в фазу молочно-восковой зрелости плодов на центральном зонтике и наименьшее 1,67 % с фазы бутонизации до начала цветения. В масле из стеблей -наибольшее количество /3-фелландрена зафиксировано 3,18 % в фазу полной зрелости плодов на центральном зонтике и наименьшее 0,12 % в фазу бутонизации. Этим и объясняется качество эфирных масел из разных частей фенхеля и их физико-химические показатели. Исходя из проведенных исследований, рекомендуем проводить уборку фенхеля обыкновенного в период молочно-восковой зрелости плодов на центральном зонтике, что свидетельствует о концентрации значимых компонентов, т.е. анетола наивысшее, а фенхона и /3-фелландрена наименьшее.

Определение промышленной части растений фенхеля. Количество эфирного масла и других ценных веществ, зависит от фракционного состава промышленного сырья, который в свою очередь обусловлен высотой среза при уборке и составом различных морфологических органов, отличающих по количественному и качественному составу полученных продуктов. Определение оптимальной высоты среза растений проводили путем сравнения содержания количества эфирного масла в фазу молочно-восковой зрелости плодов на центральном зонтике. Исследования показали, что с увеличением высоты среза увеличивается массовая доля зонтиков с плодами и листьев, а

стеблей уменьшается, что, приводит к увеличению маслосодержащих органов и выходу эфирного масла. Для обоснования высоты среза растений (промышленной части сырья) оценивали не только количественный, но и качественный состав эфирного масла фенхеля обыкновенного. Полученные данные свидетельствуют о том, что не наблюдается значительного различия компонентного состава эфирного масла.

На основании результатов исследований разработаны требования к сырью фенхеля (целые растения), которые включены в проект Национального стандарта на промышленное сырье фенхеля и рекомендовано использовать всю надземную часть растений, убранных в фазу молочно - восковой зрелости плодов на центральном зонтике и срезанные на высоте 50 см от поверхности почвы.

Изменение массовой доли эфирного масла в зависимости от высоты среза (х) может быть описано логарифмической функцией:

У = 0,221п(дг) + 3,28 (1)

величина достоверности аппроксимации/? = 0,93 .

Хранение фенхеля обыкновенного. Сырье фенхеля обыкновенного, убранное в фазу молочно-восковой зрелости плодов на центральном зонтике, хранили на стеллажах в проветриваемом помещении при температуре окружающей среды и относительной влажности 30 %.

Как показали исследования, в первый месяц хранения фенхеля наблюдается значительное снижение (на 20 %) содержания эфирного масла по сравнению с исходным за счет уменьшения легколетучих компонентов, а в последующие месяцы хранения потери содержания масла минимальные (на 9,77 %). Количество анетола изменяется, в исходном сырье его содержание составляло - 67,04 %, а через месяц его количество уменьшилось на 17,56 %, через 6 месяцев на 17,98 % и через год на 18,66 %.

Кроме того, при сушке растений фенхеля обыкновенного до воздушно-сухого состояния, листья легко отделяются от стеблей, что в производственных условиях приведет к уменьшению выхода ценных компонентов за счет безвозвратных потерь сырья при транспортировке в цех переработки. Таким образом, сырье фенхеля с целью получения эфирного масла целесообразно перерабатывать в свежеубранном состоянии.

Влияние способа переработки сырья фенхеля обыкновенного на количество и качество извлекаемых продуктов. Для определения оценки влияния способов переработки и регулируемых технологических параметров на эффективность извлечения эфирного масла, конкрета и абсолю применили технологический критерий эффективности (Е), при этом определяли степень извлечения целевых продуктов (е) и рассчитывали технологический критерий эффективности (Е) по формуле (2). Полученные результаты представлены в таблице 4.

е • с • 1п

(е-1)-

_1_ Уор<т

+1

где е - степень извлечения целевого продукта; е - рациональное число, равное 2,71;

/>/*«>. " фактор качества эфирного масла (конкрета, абсолю), содержащегося в растении (оптимальный) и извлекаемого в опыте, представляет отношение содержания суммы компонентов (определяющих) ко всем остальным.

Таблица 4 - Показатели технологической оценки способов

Способ переработки Полученный продукт Показатели

Массовая доля определяющего компонента, % / \ [ / | ^ ^орйт у Е,

Дистилляция Эфирное масло 95,5 69,6 0,93 94,92

Экстракция Конкрет Абсолю 88,7 90,2 86,9 62,0 0,90 0,88 88,21 89,61

По результатам данных следует, что при дистилляции извлекается максимальное количество эфирного масла, при этом процессе получен максимальный, среди представленных результатов, технологический критерий эффективности Е = 94,92. Выход конкрета составил 88,7 %, а технологический критерий эффективности - 88,21. Выход абсолю составил 90,2 %, а технологический критерий эффективности составил 89,61. Показатели качества эфирного масла, конкрета и абсолю фенхеля представлены в табл. 5.

Таблица 5 - Показатели качества извлекаемых продуктов

Название показателя Эфирное масло Конкрет Абсолю

Внешний вид Легкоподвижная прозрачная жидкость Густая мазеобразная масса Подвижная прозрачная жидкость

Цвет От бесцветного до желто-зеленого цвета Темно-зеленый с бурым оттенком Зеленовато-коричневый

Запах Характерный для свежих растений Растений фенхеля с медовым оттенком Растений фенхеля с медовым оттенком

Относительная плотность при 20 °С 0,960-0,970 0,965-0,975 0,970-0,985

Показатель преломления при 20 °С 1,5100-1,5110 1,5260-1,5265 1,5290-1,5300

Кислотное число, мг КОН/г 2,3-3,0 4,1-5,0 13-15

Массовая доля анетола, % 60,0-75,0 70,0-80,0 65,0-75,0

Массовая доля фенхона, % 4,8-6,0 5,6-8,0 8,0-10,0

Компонентный состав эфирного масла, конкрета и абсолю количественно и качественно различен. Основные компоненты эфирного масла: анетол (69,6%), а-пинен (7,41 %), /3-фелландрен (4,27 %), фенхон (4,94 %), ме-тилхавикол (2,83 %). Основные компоненты конкрета: анетол (86,86 %), ме-тилхавикол (3,15 %), фенхон (0,7 %). Основные компоненты абсолю: анетол (62,02 %), фенхон (10,06 %), анисовый альдегид (10,94 %), метилхавикол (3,38 %). Одним из показателей, характеризующим качество извлекаемых продуктов из фенхеля обыкновенного — анетол. Массовая доля его в эфирном масле 69,6 %, в экстрактовых маслах содержание его в конкрете выше на 17,3 %, а в абсолю ниже на 7,6 %.

Кинетика закономерности извлечения целевых продуктов Процессы извлечения продуктов рассматривали с точки зрения массопереноса. Кинетика извлечения этих веществ зависит от многих факторов, поэтому для получения кинетических характеристик извлечения эфирного масла, конкрета и абсолю из сырья фенхеля было проведено ряд экспериментов. Сначала определяли продолжительность извлечения продуктов, а затем оценивали закономерности и оптимальные условия их извлечения. На рис. 2 представлены кривые извлечения эфирного масла, конкрета и абсолю в зависимости от продолжительности процесса.

МИН

эф масло конкрет —а— абсолю

Рисунок 2- Кривые извлечения целевых продуктов из сырья фенхеля обыкновенного

Кинетическая кривая отгонки эфирного масла из сырья показывает, что в первые 30 мин процесса отгоняется 64,8 % эфирного масла, через 60 мин -84,1 %, через 90 мин - 90,9 % и через 120 мин - 95,5 %, а затем от 150 до 300 мин прибавка эфирного масла не наблюдается (0,2 %). Характер извлечения конкрета показывает, что сырье фенхеля трудно экстрагируется, потому что в течение 30 мин извлекается всего 53,5 % от его общего количества, полученного экстракцией в течение 5 часов. Прибавка конкрета в период от 30 до 120

13

мин составляет 44,2 %, в период от 120 до 300 мин прибавка составила 2,3 %. Кривая абсолю фенхеля указывает, что за первые 30 мин извлекается 71,2 %, через 60 мин - 86,6 %, через 120 мин - 96,2 %, далее прибавка не наблюдалась. Таким образом, оптимальное время для полного извлечения эфирного масла и абсолю составляет 120 мин, для конкрета 150 мин.

Разработка технологии извлечения биологически активных веществ из отходов фенхеля обыкновенного после извлечения эфирного масла. Технология комплексной переработки фенхеля обыкновенного предусматривает получение эфирного масла, дистилляционную воду (натуральная душистая вода фенхеля) и концентрата. Переработка отходов позволяет получить водно-спиртовый экстракт и конкрет отходов. Исследованиями доказано, что натуральная душистая вода и концентрат фенхеля содержат анетол, основной компонент эфирного масла (87,68 % и 65,23 % соответственно) и биологически активные вещества, прежде всего сапонины (7,3 и 8,6 %) и флавоноиды (1,3 и 1,5 %) дубильные вещества (в пересчете на танин) (0,9 и 0,6 %) и аскорбиновую кислоту (0,05 и 0,8 мг %).

В отходах фенхеля содержатся ценнейшие органические соединения (экстрактивные вещества), представляющий интерес для фармацевтической и парфюмерно-косметической промышленности. В качестве экстрагента использовали этиловый спирт. Влияние концентрации этилового спирта (от 20 до 90 %) и температуры процесса (от 20 до 60 °С) на выход экстрактивных веществ фенхеля при экстракции в течение двух часов представлены в табл 6.

Таблица 6 - Влияние концентрации этанола и температуры

процесса на выход экстрактивных веществ из отходов сырья фенхеля обыкновенного

Концентрация этанола, % Содержание экстрактивных веществ в экстрактах, %

20 °С 30 °С 40 °С 50 °С 60 °С

20 8,21±0,01 8,67±0,03 8,94±0,01 9,25±0,02 8,48±0,04

30 8,28±0,02 8,72±0,02 8,98±0,01 9,37±0,03 8,51 ±0,02

40 8,95±0,05 9,43±0,02 9,68±0,02 9,82±0,01 9,13±0,01

50 9,06±0,05 9,5±0,03 9,76±0,03 9,89±0,01 9,25±0,02

60 9,17±0,04 9,66±0,01 9,91±0,02 10,04±0,03 9,37±0,03

70 7,83±0,06 8,07±0,04 8,34±0,02 8,69±0,02 7,98±0,02

80 7,38±0,01 7,81±0,02 8,02±0,01 8,23±0,01 7,46±0,01

90 6,94±0,01 7,49±0,01 7,63±0,02 7,9±0,01 6,99±0,01

Анализируя, полученные данные, установили, что выделения экстрактивных веществ из водно-спиртового экстракта фенхеля для всех исследуемых температур изменяется в пределах от 9 % до 10 %, оптимальная концентрация этилового спирта 60 % для полного извлечения экстрактивных веществ.

Для достижения полноты извлечения необходимо учитывать факторы, позволяющие интенсифицировать процесс экстрагирования. В наших исследованиях была температура экстрагента и продолжительность процесса. Кривые выхода экстрактивных веществ при интенсификации процесса экстрагирования отходов фенхеля от продолжительности процесса при различных температурах экстракции при концентрации этанола — 60% представлены на рисунке 3.

12 ' У40 =0,44 -х3 -4,16 -л:2 +11,79 ■ х + 0,56 Я = 0,93

-20 С

-40 С —»—60 С

Рисунок 3 - Влияние температуры и продолжительности экстракции на выход экстрактивных веществ из отходов фенхеля

Важной задачей исследований является выявление технологических параметров, которые обеспечат оптимальный выход экстрактивных веществ, при постоянном давлении. При их определении в основу эксперимента был положен план второго порядка - план Бокса с числом независимых переменных гп = 2. Переменными факторами при настаивании отходов фенхеля выбраны: у - концентрация этилового спирта - 20 - 90 %, х - температура процесса в интервале варьирования 20 - 60 С. В качестве функции отклика ЕУ-содержание суммарных экстрактивных веществ % к абсолютно сухой массе.

В результате математической обработки и исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии представляется в виде:

ЕУ = 2,85 + 0,1 Зх + 0,19у - 0,00 \х2 - 0,002у2

График зависимости выхода экстрактивных веществ от температуры концентрации этилового спирта представлен на рис. 4.

В компонентном составе водно-спиртового экстракта отходов фенхеля было обнаружено 8 компонентов, из них идентифицировано 4 вещества, на которые приходится 97,75 % от общего количества, основные из них: камфен (41,75 %), лимонен (38,66 %), а-пинен (10,19 %), анетол (7,15 %). Экстракт содержит биологически активные вещества: сапонины (13,3 %), флавоноиды (8,1 %), дубильные вещества (1,2 %) и аскорбиновую кислоту (ОД %).

Рисунок 4 - Зависимость выхода экстрактивных веществ от температуры процесса и концентрации спирта

В процессе экстрагирования сырья фенхеля целыми растениями образуется побочный продукт при выделении абсолютных масел из конкретов - воск, выход его составил 14,96 % на абсолютно сухую массу и представляет мазеобразную консистенцию белого цвета со слегка кремовым оттенком, со слабым запахом растения фенхеля. Воск применяется в косметической и фармацевтической промышленности.

Разработка технологии комплексной переработки фенхеля. По результатам проведенных исследований предложена технология комплексной переработки фенхеля обыкновенного, которая включает два направления получения: первое: эфирное масло, натуральную душистую воду, концентрат фенхеля, конкрет отходов и водно-спиртовый экстракт отходов фенхеля (рис. 5); второе: конкрет, абсолю и воск (рис. 6).

В таблице 7 представлены физико-химические и органолептические характеристики готовых продуктов, извлекаемые в оптимальных условиях при комплексной переработке фенхеля обыкновенного.

- сырье и материалы; | [ - полупродукт; <£> - готовый продукт; Д - отход используемый;

- отход неиспользуемый

Рисунок 5 - Процессуально - технологическая схема переработки целых растений фенхеля с получением эфирного масла, натуральной душистой воды, концентрата фенхеля, водно-спиртового экстракта и конкрета отходов

щмщнг

X

Вакуум-сушка

/ \

Растворение

I

Кристаллизация

II

Вакуум-

фильтрация

/ \

/ Мисделлй .

м, сгшртовая

с пир-гфвая !

Вакуум- ;

ДИСТИЛЛЯЦИЯ \

А»<»лн>

С? - сырье и материалы; | I - полупродукт; О - готовый продукт;

А - отход используемый^ - отход неиспользуемый

Рисунок 6 - Процессуально - технологическая схема комплексной переработки сырья фенхеля с получением конкрета, абсолю и воска

Таблица 7 - Физико-химические и органолептические показатели

Показатели Продукты

Натуральная душистая вода фенхеля Концентрат фенхеля Водно-спиртовый экстракт Конкрет отходов фенхеля Воск фенхеля

Внешний вид Подвижная мутноватая жидкость Вязкая темно-коричневая жидкость Прозрачная жидкость Густая мазеобразная масса Мазеобразная масса

Цвет Бесцветный Темно-коричневый Светло-желтый Темно-зеленый с бурым оттенком Белый с кремовым оттенком

Запах Нежный, характерный для свежих растений Растений фенхеля Приятный, характерный для растений фенхеля Сухого сена с медовым оттенком Слабый запах растений фенхеля

Массовая доля анетола, %, не менее 70,0 50,0 5,0 45,0 Не определяли

Массовая доля фенхона, %, не более 10,0 5,0 1,0 10,0 Не определяли

В заключение рассмотрены экономические аспекты предприятия по комплексной переработке фенхеля обыкновенного по предложенным направлениям.

Расчет себестоимости эфирного масла, натуральной душистой воды, концентрата, водно-спиртового экстракта, конкрета, абсолю и воска приведен в таблице 8. При переработке предприятием 100 т свежесрезанного сырья по предлагаемой технологии при рентабельности продукции 30,0 % полная себестоимость годового выпуска продукции составит 5023,39 тыс. руб., выручка от реализации 8673,6 тыс. руб., годовая сумма прибыли 3650,2 тыс. руб. (табл. 9).

Таблица 8 - Себестоимость продуктов, полученных

Статьи затрат Сумма затрат на единицу, руб.

Эфирное масло Душистая вода Водно-спиртовый экстракт Конкрет Абсолю Воска

Сырье и основные материалы 258,4 17,1 8,36 246,54 400,14 122,74

Вспомогательные и тароупаковочные материалы 42,94 23,94 82,92 135,28 115,44 117,04

Топливо и энергия на технологические цели 107,16 11,78 145,92 110,58 115,52 185,82

Затраты на оплату труда производственных рабочих 62,32 6,08 59,66 57,76 60,04 71,82

Отчисления на социальные нужды 4,18 3,04 3,42 0,76 9,5 12,54

Условно-постоянные расходы 267,52 42,18 245,67 367,08 467,10 345,0

Полная себестоимость 742,52 104,12 545,95 918,0 1167,74 855,0

Таблица 9 - Расчет прибыли на годовой объем производства

Наименование продукта Годовой выпуск, кг Себестоимость Прибыль Выручка от реализации (оптовая цена)

1 кг, руб. годового выпуска, тыс. руб. 1 кг, руб. годового выпуска, тыс. руб. 1 кг, руб. годового выпуска, тыс. руб.

Эфирное масло 430 742,52 319,28 321,48 138,24 1064,0 457,52

Душистая вода 37575 104,12 3912,31 85,88 3226,94 190,0 7139,25

Водно- спиртовый экстракт 133 545,95 72,61 329,05 43,76 875,0 116,38

Конкрет 390 918,0 358,02 297,00 115,83 1215,0 473,85

Абсолю 280 1167,74 326,97 407,26 114,03 1575,0 441,0

Воска. 40 855,0 34,2 285,0 11,4 1140,0 45,6

Итого: - - 5023,39 - 3650,2 - 8673,6

В экономичных расчетах доказали, что предлагаемая технология комплексной переработки фенхеля обыкновенного эффективная, экономический доход на один год составил 1307,8 тыс. руб. по ценам 2013 г. при переработке 100 т свежеубранного сырья фенхеля обыкновенного, срок окупаемости 2,5 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально установлено, что количество эфирного масла фенхеля обыкновенного сорта Мэрцишор, выращенных в условиях предгорной зоны Крыма изменяется в зависимости от фазы вегетации, минимальное его количество отмечено в фазу бутонизации - 3,54 %, а максимальное в фазу молочно-восковой зрелости плодов на центральном зонтике - 5,3 %.

2. Результаты анализов показывают, что для промышленной переработки необходимо использовать свежеубранную надземную часть растений фенхеля срезанных на высоте 50 см от поверхности почвы в фазу молочно-восковой зрелости плодов на центральном зонтике.

3. В процессе изучения кинетических кривых дистилляции и экстракции растений фенхеля определена оптимальная продолжительность извлечения эфирного масла и абсолю в течение 120 минут, а для извлечения конкрета 150 минут. Варьированием параметров дистилляции найден эффективный ступенчатый режим извлечения эфирного масла, в начале скорость гонки составляет 1,8 кг/кг-ч, а через 20 минут скорость уменьшают до 0,5 кг/кг-ч до полного окончания процесса.

4. В результате экспериментальных исследований установлены оптимальные параметры процесса экстракции отходов фенхеля водно-спиртовым раствором. Для полного извлечения экстрактивных веществ целесообразно проводить экстрагирование в течение 120 минут, содержание этилового спирта в водно-спиртовом растворе - 60 %, температура процесса - 20 °С, количество ступеней экстракции - 1, соотношение фаз (сырье - растворитель) равное

5. Исследованиями доказано, что натуральная душистая вода и концентрат фенхеля содержат основной компонент анетол (87,68 и .65,23 %) и биологически активные вещества (сапонины (7,3 и 8,6 %), флавоноиды (1,3 и 1,5 %), дубильные вещества (0,9 и 0,6 %) и аскорбиновую кислоту (0 05 и 0,8мг %). ' v '

6. Впервые получен водно-спиртовый экстракт отходов фенхеля обыкновенного сорта Мэрцишор. В результате экспериментов, установлены основные компоненты экстракта: камфен (41,75 %), лимонен (38,66 %), о-пинен (10,19 %), анетол (7,15 %) и биологически активные вещества: сапонины (13,3 %), флавоноиды (8,1 %), дубильные вещества (1,2 %) и аскорбиновая кислота (0,1 %).

7. Впервые получен воск белого цвета со слегка кремовым оттенком из целых растений фенхеля обыкновенного сорта Мэрцишор, выход его составил 14,96 %.

8. Разработанная технология комплексной переработки фенхеля обыкновенного включает два направления. По первому, проводим процесс дистилляции эфирного масла и процессы экстракции отходов фенхеля водно-спиртовыми растворами и нефрасом, а также доведение до товарной продукции дистилляционной воды и концентрата фенхеля. По второму, процесс экстракции с получением конкрета, абсолю и воска фенхеля обыкновенного.

9. В результате технологии комплексной переработки сырья фенхеля обыкновенного рационально используется ценный растительный материал, а продукты содержат целый ряд биологически активных веществ. Технология внедрена в 2013 г. на ООО «ТРИА». Разработана нормативная документация. Проведена оценка экономической эффективности. Годовой экономический доход от переработки 100 тонн сырья фенхеля составил 1307,8 тыс. руб., срок окупаемости 2,5 года.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

На основании результатов проведенных исследований при технологии комплексной переработки фенхеля обыкновенного сорта Мэрцишор рекомендуем:

1. Использовать всю надземную часть растения фенхеля срезанного на высоте 50 см от поверхности почвы в фазу молочно-восковой зрелости плодов на центральном зонтике, согласно проекту Национального стандарта Украины на промышленное сырье фенхеля обыкновенного.

2. Перерабатывать сырье фенхеля обыкновенного только в свежесрезанном состоянии.

3. Процесс дистилляции сырья фенхеля проводить в течение 120 минут, процесс экстракции нефрасом 150 минут.

4. Процесс экстракции водно-спиртовыми растворами проводить 120 минут, содержание этилового спирта в водно-спиртовом растворе -60 %, температура процесса - 20 °С, количество ступеней экстракции - 1, соотношение фаз (сырье - растворитель) равное 1:10.

5. Взять за основу разработанную нормативно-техническую документацию:

ТУ У 24.6-3081414841.001:2013 Конкрет отходов фенхеля,

ТУ У 24.6-3081414841.002:2013 Водно-спиртовый экстракт фенхеля,

ТУ У 24.6-3081414841.003:2013 Воск фенхеля обыкновенного,

ТИ 24.6-3081414841.001:2013 Технологическая инструкция по производству водно-спиртового экстракта фенхеля,

ТИ 24.6-3081414841.002:2013 Технологическая инструкция по производству конкрета фенхеля обыкновенного.

Основные материалы диссертации изложены в следующих работах: Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Горбунова Е.В. Обоснование использования Foeniculum vulgare Mill, для получения целевых продуктов // Е.В. Горбунова / Научные труды ЮФ НУБиП Украины «КАТУ» (технические науки). - Симферополь, 2011. - Вып. 138.-С. 128-134.

2. Тимашева JT.A. Изучение динамики накопления эфирного масла в процессе вегетации растений фенхеля // JI.A. Тимашева, И.Л. Данилова, Е.В. Горбунова / Научные труды ЮФ НУБиП Украины «КАТУ» (технические науки). - Симферополь, 2012,-Вып. 146.-С. 164-170.

3. Тимашева Л.А Возможности рационального использования плодов фенхеля обыкновенного // Л.А. Тимашева, Е.В. Горбунова / Научные труды ЮФ НУБиП Украины (технические науки). - Симферополь, 2012. - Вып. 150.

- С. 43-47.

4. Горбунова Е.В. Экстрагирование отходов фенхеля после извлечения эфирного масла // Е.В. Горбунова / Научные труды ЮФ НУБиП Украины «КАТУ» (технические науки). - Симферополь, 2013. - Вып. 153. - С. 153-158.

5. Горбунова Е.В. Технологические особенности комплексной переработки целых растений фенхеля обыкновенного / Е.В. Горбунова // Журнал «Техника и технология пищевых производств» - г. Кемерово, 2013. - № 3. -С. 9-15.

6. Горбунова Е.В. Кинетика извлечения целевых продуктов из фенхеля обыкновенного от продолжительности технологического процесса II Е.В. Горбунова / Научные труды ЮФ НУБиП Украины «КАТУ» (технические науки). - Симферополь, 2013. - Вып. 156. - С. 134-138.

7. Timasheva L.A. A promising trend in the processing of fennel (Foeniculum vulgare Mill.) whole plants / L.A.Timasheva, E.V. Gorbunova // Journal «Foods and Raw materials».-2014.-Vol.2, (No. 1).- P.51-58.

8. Бережная Т.Е. Использование метода композиционного планирования эксперимента для описания извлечения экстрактивных веществ фенхеля обыкновенного // Т.Е. Бережная, Е.В. Горбунова / Научные труды ЮФ НУБиП Украины «КАТУ» (технические науки). - Симферополь, 2014. - Вып. 162. -С. 193-197.

Другие издания:

9. ДСТУ Сировина фенхелю для промислового перероблення. Техшчш умови (Проект, перша редакщя) — К.: Мшекономрозвитку Украши, 2013. -19 с.

10. Тимашева Л.А. Определение фазы технической спелости растений фенхеля относительно получения эфирного масла / Е.В. Горбунова, Л.А. Тимашева // Тезисы докладов Международной научно - практической Интернет

- конференции [«Прикладная наука и инновационный путь развития национального производства»], 4-5 октября 2012 г. - г. Тернополь: Шаг 2012. -С. 48-51.

11. Горбунова E.B. Обоснование комплексной переработки сырья фенхеля обыкновенного / Горбунова Е.В., Тимашева JI.A. // Тезисы докладов VIII Международной научно - практической конференции [«Развитие научных исследований 2012»] , 19-21 ноября 2012 г. - г. Полтава: Изд-во «Интерграфик»,

2012.-T.il.-С. 28-30.

12. Горбунова Е.В. Исследование отходов фенхеля обыкновенного после извлечения эфирно масла / Е.В. Горбунова // Тезисы докладов Международной научно - практической конференции [«Проблемы механизации производства и технологии переработки сельскохозяйственной продукции»] ПФ НУ-БиП Украины «КАТУ» 17 апреля 2013 г. — г. Симферополь ИД «АРИАЛ»

2013, —С. 24-25.

13. Gorbunova O.V. Influence of storage period of raw material of fennel vulgare on the content of essential oil / Gorbunova O.V / Тезисы докладов Villi Международной научно - практической конференции [«Научные исследования — теория и эксперимент 2013»], 29-31 мая 2013 г. - г. Полтава: Изд-во «Интерграфик», 2013. - Т.5. - С. 81-83.

14. Горбунова Е.В. Оценка извлечения целевых продуктов растений фенхеля обыкновенного / О.В. Горбунова / Тезисы докладов I Международной научно - практической конференции молодых ученых [«Перспективные направления научных исследований лекарственных технических культур»], 56 июня 2013 / ДСЛР ИСГ Северо-Востока НААН: - Лубны Полиграфия «Ко-пицентр» 2013. - С. 24-26.

15. Горбунова Е.В. Обоснование использование воска фенхеля обыкновенного / Горбунова Е.В. // Тезисы докладов II Международной научно -практической Интернет - конференции [«Прикладная наука и инновационный путь развития национального производства»], 17-18 октября 2013. - г. Терно-поль: Шаг2013.-С. 69-71.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю к.с.-х.н. Л.А. Тимашевой, особая благодарность за поддержку и советы директору Академии биоресурсов и природопользования к.э.н. C.B. Додонову и заместителю директора по научной работе д.с.-х.н. A.M. Изотову.

Отпечатано в ииательско-полшрафичсском иешре ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ Подписано ■ печать 17.07.15г. Формат С>0\84 '/ ,(„ Бумага офсетная № 1. Усл.псч.л. 1,3 Тираж 100 экз. Ризограф Заказ № 17903

Издательско-полиграфичсскнй центр Мичуринского государственного аграрного университета 393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101, тел.+7(47545) 9-44^15