автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.13, диссертация на тему:Совершенствование технологии производства инулиновых экстрактов из Helianthus tuberosus L.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи УДК 663.9:633.494

ВОЛКОВА Ирина Васильевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИНУЛИНОВЫХ ЭКСТРАКТОВ ИЗ НЕЫАЗЧТНШ ТиВЕВОДДО Ь.

Специальность 05.18.13. - технология консервирования пищевых

продуктов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки РФ, акад. АТН РФ, доктор химических наук, профессор Голубев В.Н.

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение....................................................................................................................................................4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................9

1.1. Химико-технологические особенности топинамбура и перспективы его использования в пищевой промышленности............9

1.1.1. Общая характеристика................................................................................................9

1.1.2. Биохимические особенности состава топинамбура и его 11 лечебно-профилактическое значение................................

1.1.3. Топинамбур и питание................................................................................................15

1.1.4. Топинамбур - сырье для комплексной переработки в

пищевой промышленности.......................................................20

1.2. Инулин...............................................................................................25

1.2.1. Строение и свойства инулина..................................................................................25

1.2.2. Применение инулина......................................................................................................28

1.3. Современные методы интенсификации технологических процессов переработки растительного сырья..............................................30

1.3.1. Гидродинамическая кавитация................................................................................30

1.3.2. Баромембранные методы............................................................................................34

1.4. Заключение по обзору литературы........................................................................38

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................40

2.1. Характеристика объектов исследования ..........................................................40

2.2. Методы анализа........................................................................................................................43

2.3. Экспериментальные методы..........................................................................................46

2.3.1. Методика проведения экстрагирования........................................................46

2.3.2. Методика проведения очистки и концентрирования.............51

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭКСТРАКЦИИ

ИНУЛИНА ИЗ КЛУБНЕЙ ТОПИНАМБУРА............................60

3.1. Состояние вопроса. Постановка задачи............................................................60

3.2. Влияние технологических условий гидродинамической обработки топинамбура на степень экстракции инулина..................64

3.2.1. Вид экстрагента и гидромодуль....................................

3.2.2. Влияние интенсивности гидродинамической кавитации................70

3.2.3. Время экстракции и температура........................................................80

3.3. Анализ и математическая обработка экспериментальных

данных по низкотемпературной экстракции инулина........................86

3.3.1. Эффективность процесса..............................................................................................86

3.3.2. Интерполирование экспериментальных результатов........................90

3.4. Выводы ...........................................................................................................................................91

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МЕМБРАННОЙ

ОЧИСТКИ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ЭКСТРАКТОВ ИНУЛИНА 96

4.1. Состояние вопроса и постановка задачи........................................................96

4.2. Влияние параметров процесса на основные характеристики мембран............................................................................................................................................97

4.3. Математические модели улырафильтрационного процесса очистки и концентрирования экстрактов инулина..................................104

4.4. Оптимизация процесса ультрафильтрации экстрактов инулина. 120 Глава 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

ПОЛУЧЕНИЯ ИНУЛИНА ИЗ КЛУБНЕЙ ТОПИНАМБУРА 133

5.1. Характеристика сырья..........................................................................................................133

5.2. Доставка и хранение сырья............................................................................................133

5.3. Технологический процесс................................................................................................135

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................139

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................141

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................................................................162

Введение

В связи с повышением в нашей стране роли лечебно-профилактического питания перед пищевой промышленностью стоит задача расширения ассортимента продуктов с биологически активными добавками, которые способствуют нормализации обмена веществ, детоксикации организма, повышению его защитных свойств и т.д.

Спрос на диабетические продукты постоянно повышается, особенно, из-за роста заболеваемости сахарным диабетом, ожирением и др. Диетотерапия - основной вид лечения такого рода заболеваний. В этой связи, важным сырьем для решения проблем питания у людей с нарушением обмена веществ является топинамбур (НеИапШш ШЬегозиэ Г.).

В 1998 году в Нидерландах проходил четвертый Международный симпозиум по топинамбуру, который подытожил состояние и перспективы работы по применению топинамбура и продуктов его переработки в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве.

Топинамбур обладает уникальным химическим составом. Он издавна применяется народной медициной для лечения и профилактики сахарного диабета и в последние десятилетия привлекает особое внимание диетологов. Более 70% сухого вещества в клубнях топинамбура принадлежит инулину с сопутствующими ему фруктоолигосахаридами и фруктозой, что делает это растение незаменимым источником сырья для производства пищевых добавок и диетических продуктов питания для больных с нарушением обмена веществ.

В настоящее время, топинамбур известен больше как кормовая культура, а промышленная его переработка носит единичный характер.

Существуют предложения по производству соков, напитков, компотов и пюреобразных продуктов с использованием глюкозо-фруктозных сиропов и пюре из топинамбура. Однако, разработка и совершенствование технологии получения биологически активной добавки из клубней топинамбура позволит значительно расширить ассортимент лечебно-профилактических продуктов в консервной, а также других отраслях пищевой промышленности.

При решении вопросов рационального и полноценного питания использование инулина в пищевых продуктах позволяет снижать их энергетическую ценность, так как для него она составляет 1,0-1,5 ккал/г, что значительно ниже, чем жира, сахара, крахмала.

Использование инулина в пищевой промышленности в качестве диетической и технологической добавки способствует замене сахарозы в рецептуре таких продуктов как напитки, мороженое и молочные десерты, фруктовые и овощные пюре, хлебобулочные и кондитерские изделия и др. Инулин находит широкое применение в медицине при лечении и диагностике ряда заболеваний, а также в микробиологии, физиологии и т.д.

В этой связи, весьма актуальной является переработка инулинсодержащего растительного сырья с использованием современных методов интенсификации технологических процессов, способствующей созданию биологически активной добавки лечебно-профилактического действия.

Целью настоящей работы явилась разработка физико-химических основ отдельных стадий технологии получения инулина (экстрагирование, очистка и концентрирование) с сохранением нативных свойств конечного продукта и создание на базе кавитационных и баромембранных методов эффективной технологии получения водных

экстрактов природного инулина для диабетических и лечебно-профилактических продуктов.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- исследовать и определить зависимость качественных показателей жидких экстрактов в процессе экстрагирования от режимных параметров (гидромодуль, температура, время, интенсивность кавитационного воздействия);

- определить рациональные режимные параметры гидроакустического низкотемпературного экстрагирования инулина из клубней топинамбура;

- исследовать влияние параметров ультрафильтрационной очистки и концентрирования на эффективность процесса и качественные показатели инулиновых экстрактов;

- определить рациональные режимные параметры ультрафильтрационных процессов очистки и концентрирования инулиновых экстрактов;

- разработать технологическую схему процесса получения инулина из клубней топинамбура;

- разработать математические модели расчета эффективности проведения технологических этапов.

Научная новизна работы состоит:

- в установлении физико-химических закономерностей воздействия гидродинамической кавитации на совмещенные процессы измельчения клубней топинамбура и низкотемпературной экстракции инулина из исходного сырья;

- создании математического алгоритма между параметрами технологического процесса и качеством конечного продукта;

- на основе исследования ультрафильтрационной очистки и

концентрирования инулинсодержащих экстрактов решена задача экологически чистого процесса концентрирования инулина.

Практическая ценность работы заключается в:

- определении режимных параметров процессов низкотемпературной экстракции клубней топинамбура и ультрафильтрационной очистки и концентрирования инулиновых экстрактов;

- разработке технологической схемы процесса выработки инулина из клубней топинамбура и проведении ее апробации в промышленных условиях;

- разработке методической схемы расчета эффективности процесса экстрагирования, позволяющей проводить проектные, проверочные и оптимизационныые расчеты;

- разработке технологии получения консервированных продуктов с использованием биологически активной добавки, выделенной из клубней топинамбура;

- возможности использования полученных данных в перерабатывающей промышленности, в учебном процессе, а также при проведении дальнейших исследований. Актуальность и новизна технологических решений, полученных

в результате исследования, подтверждены патентом РФ на изобретение № 2066965 «Способ получения инулина из инулин содержащего сырья».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на: втором Международном семинаре «Экология человека: проблемы и состояние лечебно-профилактического питания» (Москва-Пятигорск, 24-26 сентября 1993 года); второй научно-технической конференции «Актуальные

проблемы фундаментальных наук» (Москва, 24-28 января 1994 года); третьем Международном симпозиуме «Экология человека: проблемы и состояние лечебно-профилактического питания» (Москва, 26-30 сентября 1994 года); научной конференции «Современные проблемы пищевой промышленности» (Москва, 2223 мая 1997 года).

Публикации. Автором опубликовано 14 научных статей, в том числе 9 по теме диссертации. Получен патент РФ №2066965 на изобретение «Способ получения инулина из инулинсодержащего сырья».

Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Химико-технологические особенности топинамбура и перспективы его использования в пищевой промышленности

1.1.1. Общая характеристика

Топинамбур или земляная груша (НеНап&ш шЬегоБШ Ь.) - многолетнее крупнотравянистое растение. Произошел он из Северной Америки. На Европейском материке впервые появился в начале ХУЛ в. В зарубежных странах особенно широкое распространение получил во Франции, значительные площади под топинамбуром заняты также в Германии, Англии и Испании. В настоящее время он известен не только по всей Европе, но также в ряде стран Африки, Азии и Австралии. В Россию топинамбур был завезен во второй половине ХУП века [21,75,109,141,162].

В последнее время популярность этого растения имеет тенденцию к постоянному росту как в мире, так и у нас в стране. Топинамбур является ценной кормовой, пищевой и технической культурой. Так, в США в 1981 году площади под топинамбуром составляли 400 га, в 1982 году - 2200 га, а в 1983 году посевы расширили до 60-80 тыс. га [79].

Топинамбур - растение из семейства сложноцветных (Сотровкае) и принадлежит к одному роду с подсолнечником - роду НеИапЙшБ. Его латинское название - НеНапШш ШЬегоБш Ь. - в переводе на русский язык означает "подсолнечник клубненосный". Культурные сорта топинамбура характеризуются большой компактностью размещения клубней в гнезде, а размеры последнего составляют 18-20 см, что создает определенные удобства при уборке. Дикие формы топинамбура имеют расположение

клубневого гнезда до 1,5 м [21, 66, 88].

Окраска клубней в зависимости от сорта встречается белая, желтая, розовая, красная, красно-фиолетовая. Форма клубней колеблется от 10 г (у диких видов) до 400 г (у культурных сортов).

Топинамбур не требователен к почвенному плодородию. Его можно выращивать на любых почвах, исключая кислые, солончаковые и заболоченные. Отмечается высоким коэффициентом размножения, морозо- и засухоустойчив. Он прекрасно произрастает на бедных питательными веществами почвах. Легко переносит весенние заморозки и осенние похолодания[21, 88].

Топинамбур обеспечивает высокую урожайность: 350-500 ц/га зеленой массы, а в особенно благоприятные годы - до 1500 ц/га и 200-600 ц/га клубней (1600 ц/га - в благоприятных условиях) [75,109,155].

Различают ранне-, средне- и позднеспелые сорта топинамбура. Первые клубни формируются в июне-июле, а основная масса в зависимости от скороспелости - с сентября по ноябрь. После уборки ботвы (октябрь) еще примерно 80 сут. наблюдается прирост клубней. Этот осенне-зимний прирост может составлять 80-150 ц/га. Убирают клубни в октябре-ноябре, по мере надобности. Выкопанные корнеплоды, которые будут использовать осенью, сохраняют в буртах, кагатах, траншеях или в овощехранилищах (в песке) при температуре 0-2°С. Корнеплоды, предназначенные для использования летом, выкапывают после оттаивания грунта и сохраняют в песке таюке в овощехранилищах. В быту топинамбур хорошо хранится в полиэтеленовых мешках.

Современные ученые разрабатывают новые эффективные методы длительного хранения топинамбура, такие как криосушка и хранение в модифицированной газовой среде. Это позволяет стримулировать вопрос использования культуры в промышленной переработке [20,81,128].

1.1.2. Биохимические особенности состава топинамбура и его лечебно-профилактическое значение

Химический состав топинамбура отличается богатым содержанием биологически активных веществ, полезных для организма животных и человека. Зависит химический состав топинамбура от биологических особенностей сорта и в значительной степени определен условиями выращивания, сроками уборки урожая и сроками хранения [66, 155].

Средний химический состав представлен в табл. 1 [88, 109,141,155,194].

Таблица 1

Химический состав топинамбура

Состав Содержание в % на сырую массу

В клубнях В наземной части

1.СВ 22,5 29,5

2. Вода 77,5 70,5

3. Сахара 16,9 4,0

4. Целлюлоза 1,9 10,9

5. Жиры од 0,4

6. Белок 2,3 2,2

7. Зола U 1,4

Содержание сухих веществ в клубнях по сортам от 15,4 до 28,8 % (среднее 22,8 %), из которых от 68,4 до 88,3 % приходится на долю углеводов. Клубни топинамбура содержат в своем составе уникальный углеводный комплекс на основе фруктозы и ее полимеров, высшим гомологом которых является инулин. Инулин - наиболее ценный и

количественно преобладающий углеводный компонент. Он содержится преимущественно в клубнях совместно с сахарами (от 13 до 20 % на сырой вес). Значительно меньше его содержится в стеблях (2-4 % на сырой вес). В листьях топинамбура инулина нет. В них содержится преимущественно крахмал и, кроме того, небольшое количество моносахаридов и дисахаридов [64, 88, 155].

Инулин накапливается в клубнях по мере их созревания. Под действием инулазы и других ферментов, органических кислот, солей, содержащихся в клубнях, от перезимовки их в почве и влияния отрицательных температур или от "холодного" хранения при температуре 2-4° С, а также в связи с прорастанием клубней происходит естественный процесс осахаривания инулина до фруктозы (78 %) и глюкозы (13 %) [22, 64, 66, 88,173].

Самое высокое содержание Сахаров в клубнях свойственно среди районированных сортов - Интересу (18,6 %), Киевскому Белому (18,1%) [88].

Полисахариды, входящие в состав клеточных оболочек тканей клубней, находятся в количественном отношении на втором месте после фруктозанов. Сумма пектиновых веществ, целлюлозы и гемицеллюлозы колеблется в зависимости от сорта и условий года выращивания от 1,56 до 2,88 % на сырой вес (5,7-11,7 % на сухой вес). Из этих высокополимерных углеводов большую часть составляют пектиновые вещества - до 52 %. У некоторых сортов содержание пектиновых веществ может достигать 9-11 %. Значительную часть пектиновых веществ клубня составляет нерастворимый пектин, его содержание в соке - от 1 до 5 %. Степень этерификации пектина топинамбура равна 55,0-58,0 % [21, 66, 173].

Важным компонентом химического состава являются азотистые

вещества клубней и зеленой массы топинамбура, причем, в зеленой массе их значительно �