автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Исследование способов переработки замороженных плодов и ягод в вибрационном экстракторе

На правах рукописи

ъ/¿¿^Г

АСТАФЬЕВА АННА НИКОЛАЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПЕРЕРАБОТКИ ЗАМОРОЖЕННЫХ ПЛОДОВ И ЯГОД В ВИБРАЦИОННОМ ЭКСТРАКТОРЕ

Специальность: 05.18.12 — процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

"05539071

Кемерово - 2013

005539071

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сорокопуд Александр Филиппович

Официальные оппоненты: Петрик Павел Трофимович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Энергоресурсосберегающие процессы в химической и нефтегазовой технологиях»

Лобасснко Борис Анатольевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ BIIO «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», профессор кафедры «Процессы и аппараты пищевых производств»

Ведущая организация: Бинскнй технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Защита состоится «17» декабря 2013 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, ауд. 4 л., Тел./ факс (8-384-2) 39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www.kemtipp.ru)

Автореферат разослан «15» ноября 2013 г.

Ученый секретарь л

диссертационного совета Гореликова Галина Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время применение выращенных в естественных условиях плодов и ягод, приобретает все большую актуальность. Это обусловлено тем, что дикорастущее сырье включает множество биологически активных веществ, в том числе необходимых человеку макро- и микроэлементов.

В условиях информационных стрессов, экологической напряженности, обострения проблем рационального питания происходит снижение уровня здоровья населения. Необходимое условие высокого иммунитета и крепкого здоровья это обеспечение людей полноценным, сбалансированным особенно по содержанию биологически активных веществ (БАВ) питанием. При этом одним из направлений в создании продукции повышенной пищевой ценности является производство экстрактов с использованием плодово-ягодного сырья.

В Западно-Сибирском регионе большие перспективы из разнообразия сырья растительного происхождения имеют арония черноплодная, брусника и черника, поскольку они по количеству содержащихся в них биологически активных веществ относятся к числу наиболее ценных растений. Однако сибирские плоды и ягоды являются скоропортящимся продуктом, вследствие этого период их потребления в свежем виде ограничен. Поэтому замораживание и последующее хранение при отрицательных температурах является наиболее экономичным и распространенным способом их хранения и консервирования.

Традиционная технология производства экстрактов характеризуется медленным протеканием процессов экстрагирования целевых компонентов. Одним из способов интенсификации является применение аппарата с вибрационной тарелкой, позволяющего значительно ускорить процессы массообмена, снизить себестоимость и повысить качество получаемого продукта, а также являющегося легко перенастраиваемым на другой вид сырья и соответствующее аппаратурное оформление, с возможностью проведения большого числа операций в одной технологической единице оборудования.

В этой связи актуальным является совершенствование способа получения экстрактов из предварительно замороженного плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой.

В данной работе рассматриваются запатентованные способы получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья в поле низкочастотных механических колебаний (ИЧМК) с использованием в качестве экстрагента воды и водно-спиртовых растворов. Процесс осуществляется в аппарате с вибрационной тарелкой, который позволяет проводить одновременно операции р&зморажнвакия, измельчения а экстрагирования (патенты РФ № 2341979, РФ №2403808).

Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в изучение процесса экстрагирования внесли ученые Аксельруд Г.А., Лысянский В.М., Гребешок С.М., Василшс И.Н., Молчанов Г.И., Плаксин Ю.М., Иванов Е.В. и ДР-

Цель работы - совершенствование способа получения экстрактов из замороженных плодов и ягод в аппарате с вибрационной тарелкой, его аппаратурного оформления, а также разработка технологии комплексной переработки сырья.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Разработать способ получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой.

2. Изучить физико-химические свойства водных и водно-спиртовых экстрактов ягод брусники и черники, получить расчетные уравнения для их определения;

3. Изучить влияние основных параметров на процесс получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой, определить их рациональные значения.

4. Разработать технологию комплексной переработки плодово-ягодного сырья.

5. Разработать уточненную методику расчета аппарата с вибрационной тарелкой, технологию получения экстрактов, технико-экономическое обоснование проекта производства экстрактов из замороженного ягодного сырья.

Научная новизна. На основании комплекса исследований показана целесообразность получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой с использованием водно-спиртового растворителя.

Изучено влияние температуры, содержания сухих растворимых веществ и концентрации спирта на основные физико-химические свойства водных и водно-спиртовых экстрактов брусники и черники.

Исследованы кинетика и энергозатраты на получение экстрактов из замороженных плодов аронии черноплодной, ягод брусники и черники в аппарате с вибрационной тарелкой, в условиях применения водных и водно-спиртовых растворителей.

Определены рациональные параметры процесса получения экстрактов из замороженных плодов черноплодной рябины и оптимальные режимы для замороженных ягод брусники и черники в аппарате с вибрационной тарелкой.

Теоретическая и практическая значимость. Разработан способ получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой. Новизна и полезность технического решения подтверждена патентом РФ .\г°2403808.

Получены экспериментально-статистические зависимости для расчета плотности, вязкости и поверхностного натяжения экстрактов брусники и черники, пригодные для инженерной практики.

Разработаны вопросы комплексного использования плодово-ягодного сырья и концентрирования экстрактов.

Предложена уточненная методика расчета аппарата с вибрационной тарелкой, технологическая схема и технико-экономическое обоснование проекта полу-

чения экстрактов.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО КемТИПП при выполнении курсового и дипломного проектирования студентами, обучающимися по направлению «Пищевая инженерия».

Степень достоверности результатов. Обеспечивалась использованием современных средств и методов исследований, обоснованных теоретических положений. Основные теоретические положения диссертационной работы и заключения подтверждены результатами экспериментальных исследований, выполненных с использованием стандартизованных и аттестованных методик и средств измерений. При выполнении экспериментальных исследований применялись положения теории планирования эксперимента и математической обработки результатов исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на конференциях: на 3-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2010); на V Всероссийской научно-практической конференции «Качество продукции, технологий и образования» (г. Магнитогорск, 2010); на IV Всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2011г.); на Международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии» (г. Кемерово, 2013г.).

Публикации. Основное содержание исследований опубликовано в 11 работах, в том числе 2 в журнале, рекомендованном ВАК, 1 — патент РФ.

Структура и объем работы. Основной текст диссертации выполнен на 124 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы (120 источников), приложений, содержит 34 рисунка и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулирована цель и основные задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены основные способы экстрагирования растительного сырья. Описапы различные методы интенсификации процесса экстрагирования, анализ которых показал, что путем наложения на обрабатываемую систему поля НЧМК можно добиться значительного ускорения процесса. Проведен обзор и анализ конструкций вибрационных аппаратов для экстрагирования. Выявлено, что для снижения величины внешнего диффузионного сопротивления для системы твердое тело - жидкость, перспективным является применение аппараюв с вибрирующими рабочими органами (тарелками), движущимися в вертикальной

плоскости. На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе установлено, что перспективными видами плодово-ягодного сырья в Западно-Сибирском регионе являются ягоды брусники и черники, плоды аронии черноплодной. Опи повсеместно распространены в природе, обладают полноценным химическим составом, и нашли широкое применение в пищевой промышленности.

Ягоды и плоды являются продуктами скоропортящимися, вследствие этого период их переработки в свежем виде ограничен небольшим временным интервалом. С целью увеличения срока хранения применяют предварительное медленпое замораживание плодов и ягод до -18±2 °С, что позволяет разрушить клеточную структуру ягоды при её замораживании, и тем самым ускорить последующий процесс получения соков и экстрактов.

Исследования проводились в аппарате (рис. 1) состоящем из вертикальной цилиндрической емкости — 1, диаметром 0,146 м, снабженной плоским днищем 2, с устройствами ввода и вывода фаз - 3 и 7. Шток - 4 установлен в корпусе аппарата с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальной плоскости с закрепленной на нем перфорированной тарелкой - 5, по периферии снабженной цилиндрической юбкой, направленной в сторону дна. Возвратно-поступательные движения штоку сообщаются от электродвигателя постоянного тока при помощи кривошипно-шатунного механизма 6.

Постоянными параметрами оставались: диаметр тарелки - 0,142 м, доля ее свободного сечения — 16,5 %, высота юбки тарелки - 0,012 м, высота расположения тарелки от дна - 0,045 м, амплитуда колебаний - 0,014 м.

Мощность, подаваемую на обмотки электродвигателя постоянного тока, замеряли при помощи ваттметра типа Д 5016 классом точности 0,2. Затраты полезной мощности, вычисляли с учетом затрат энергии на холостой ход и потерь в обмотке электродвигателя.

Частоту вращения вала двигателя определяли с помощью тахометра часового типа ТЧ — ЮР классом точности 1.

При использовании в качестве экс-трагента воды содержание сухих веществ измерялось универсальным лаборатор-

В случае применения водно-спиртового раствора — определяли коэффициент

Рисунок 1. Схема экстрактора с вибрационной тарелкой

ным рефрактометром ИРФ-454Б2М.

пропускания на фотоэлектрокалориметре КФК-2МП. Определение содержания сухих веществ в экстрактах, полученных с применением водно-спиртовых растворов, проводили путем выпаривания этанола и разведения концентрата до начального объема.

Анализ фракционного состава твердой фазы выполнялся при помощи комплекта сит с номерами: 1,7; 1,2; 1; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2. Экстракт последовательно процеживали через все сита в наборе. Вслед за тем каждую полученную фракцию твердой фазы просушивали в течение 24 часов при температуре t=23 °С до влажности 12-18% и взвешивали на аналитических весах 2 класса ВЛР-200.

Рассмотрены методы изучения физико-химических свойств водных и водно-спиртовых экстрактов и обоснованы диапазоны изучения относительной плотности, вязкости и поверхностного натяжения водных и водно-спиртовых экстрактов брусники и черники.

В данной работе применялся пикнометрический метод определения плотности экстрактов, так как он дает наиболее точные результаты. Измерение вязкости проводилось при помощи капиллярного вискозиметра. Поверхностное натяжение определяли разработанным академиком Ребиндером методом наибольшего давления образования и отрыва газового пузырька. Данные методы являются наиболее простыми и достаточно точными.

Исследования проводились в диапазоне температур t =18...50 °С с учетом термолабильности экстрактов. Параметры изменялись в следующих пределах: содержание сухих растворимых веществ — Ссв = 5.. .50 % масс.; концентрация спирта - Ссп = 0...40% об. Параметры в указанных диапазонах изменялись со следующим шагом: At = 8 °С; ДСсв..= 9 % масс.; ДСсп. =8 % об..

С целыо получения надежных экспериментальных данных, на каждом режиме работы проводилась серия повторных опытов. Результаты, значительно отличающиеся от средних, исключались.

Рассчитана оценка погрешностей методов измерения изучаемых свойств: для плотности р ± 0,192 %, динамической вязкости ¡1 ± 1,084 %, поверхностного натяжения сг± 1,52 %.

Предложен коэффициент эффективности процесса получения экстрактов Э,

кг/Вт

Э =(СК"}) / N, (1)

где: Ск — конечная концентрация экстракта, % масс; j — соотношение фаз - плодов или ягод (Т) и экстрагента (Ж), j=(T/>K); N - энергетические затраты, N=N„~ т,, Дж; Nn — среднее значение мощности, потребляемой при получении экстрактов, Вт;

m

if_ =i=i_, где Nj — значение Мощности при i-ом измерении, Вт; п — количество ?'-

Î л

ых измерений. тэ - время достижения равновесной концентрации экстракта, с;

В третьей главе представлены результаты исследования способов получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья, проведен анализ фак-

торов, влияющих на процесс получения экстрактов.

Разработанный нами способ является усовершенствованием известного (патент РФ № 2341979). Предлагаемый способ заключается в том, что замороженные плоды аронии черноплодной помещаются в вибрационный аппарат, куда заливается экстрагент в последовательности: вода, а затем этиловый спирт, в необходимом количестве.

Использование водно-спиртовых растворов позволяет уменьшить время получения экстрактов, увеличить выход сухих веществ, и сократить энергозатраты на концентрирование экстракта.

Изменение диаметра отверстий в вибрационной тарелке с с1=3 мм до (1-2,5 мм, при той же доле свободного сечения — 16,5 %, позволяет более интенсивно перемешивать фазы и ускорить процессы, осуществляемые в аппарате.

По разработанному способу в экстрактор загружается замороженное до -18°С сырье и растворитель со значительной разницей температур, при смешении воды и спирта происходит выделение тепловой энергии, в аппарате протекает процесс теплопередачи, который интенсифицируется развитой турбулизацией внутри аппарата. И как результат - уменьшается время экстрагирования с 15-20 мин. до 12 мин., а выход сухих веществ увеличивается в среднем на 8,5 %. На представленный способ получен патент РФ № 2403808.

Проведенный анализ результатов экспериментов также позволил рассчитать удельные энергозатраты 1ЧУД (Вт/м2), которые определялись как значение полезных

энергозатрат (рис. 2) на процесс, отнесенное к площади сечения аппарата. Анализ данных показал, что удельные энергозатраты при экстрагенте водно-спиртовая смесь (Ссп=40% об.) на 9,6% ниже, чем при экстрагенте вода при одних и тех же режимных параметрах. Удельные энергозатраты соответствующие стабильным условиям работы аппарата (с -с «15 мин. до х «30 мин. рис.2) при экстрагенте водно-спиртовая смесь, (Ссп=40% об.) и режимных параметрах ]=0,4; с1=2,5мм; п=10 Гц ниже максимальных в 1,7 раза (М=66Вт кривая 3 на рис. 2).

В четвертой главе представлены результаты экспери-

96

90

34

78

72

66

И 50

454 о

с 48 42 36 30 24 18 12

/ Шч

N N у 1

Г "Ч,

4

^-1 "1МИН.

Рисунок 2. Зависимость полезных энергозатрат от времени для плодов аронии 1=0.4; с!=2.5 мм: 1 - п=11,33 Гц, экстрагент - вода; 2 - п=10 Гц, экстрагент - вода; 3 - п=10 Гц, экстрагент - водно-спиртовая смесь, Ссп=40% об.; 4 - п=8,3 Гц, экстрагент - зода: 5 - п=10 Гц. экстрагент - водно-спиртовая смесь, Ссп=60% об.

ментальных исследований физико-химических свойств водных и водно-спиртовых экстрактов брусники и черники: плотность, вязкость и поверхностное натяжение.

Обработка экспериментальных данных с использованием ЭВМ позволила получить экспериментально-статистические модели: для экстрактов брусники

рс~9 75,5-0,28-1+5,1 6-С,„-0,717- Сск, 11=98,5%, (2)

{16=ехр(3,06-0,835-1+0,427-Ссв+0,059-Ссп), 11=98%, (3)

ст6=(66,808-0,1595-Ссв-0,1053-1-0,712-Сспут3, 11=98%, (4)

для экстрактов черники

рч-=1004,3+0,878Ссе-0,03074-0,31-Ссп, К=99,6%, (5)

/1ч=ехр(2,234-0,8311+0,509 Ссв+0,2838 Ссп), К=97,6%, (6)

стч=(86,33-0,855-Ссв-0,153^-0,436Ссп)10'3, 11=97,3%, (7)

где Я - коэффициент корреляции, %.

Уравнения справедливы в пределах ¿е[18; 50]°С; Ссле[0; 40] % об.; Ссве[5; 50] % масс.

Уравнения (2-7) могут быть использованы при анализе экспериментальных данных, расчете режимов течения экстрактов и подборе оборудования для опытного производства.

В пятой главе представлены результаты исследования кинетических закономерностей и энергозатрат процесса получения экстрактов из замороженных ягод брусники и черники. С использованием математических методов, найдены оптимальные параметры процесса экстрагирования, разработаны рекомендации по комплексному использованию сырья.

Извлечение растворимых веществ из плодово-ягодного сырья в поле НЧМК представляет собой процесс, на который оказывает влияние множество факторов. На основе литературных данных и результатов предварительных исследований выделены параметры, оказывающие существенное влияние на процесс, как одиночно, так и в совместном взаимодействии: соотношение фаз - частота колебаний тарелки - и, Гц, диаметр отверстий в тарелке - с1, мм и вид растворителя. Были выбраны интервалы варьирования переменных. Для ягод черники и брусники -]=0,33; 0,4; 0,5; п=10; 11,33 Гц; 11=2,5; 3; 3,5; 4; 5 мм.

Полученные данные (рис. 3) дают вероятность утверждать, что увеличение диаметра отверстий в тарелке ведет к увеличению выхода сухих растворимых веществ. Это можно объяснить тем, что для исследований в данной главе использовалось ягодное сырье, которое было предварительно заморожено методом скоростной заморозки при 1=-30°С, и хранилось при этой же температуре. Прк быстром низкотемпературном замораживании формируются мелкие кристаллы льда, не повреждающие даже клеточных оболочек. И при размораживании в аппарате, образуются крупные фрагменты ягод, что приводит к частичном)' забиванию отверстий диаметром 2,5-3 мм. Это в целом негативно сказывается на процессе. При использовании тарелок, перфорированных отверстиями большего диаметра, этого

2.2 2.1

2

81.8 га

31.7

31.8 °1,5

1.4 1,3

V 1

1

4 ......... кг-

г -»1

К

5

1 т. мин.

10

20 25

30

Рисунок 3. Кривые извлечения сухих веществ из ягод черники п=10Гц, ¡=0.4; экст-рагент — вода: 1- <1= 3,5 мм; 2- <1= 5 мм; 3 - А= 4 мм; 4 - (1= 3 мм; 5 - 2,5 мм

не происходит, поэтому, процесс идет интенсивнее.

Частота колебапия тарелки оказывает влияние на несколько характеристик процесса: степень измельчения сырья, температуру и интенсивность физического воздействия. Установлено, что с увеличением частоты колебаний вибрационной тарелки возрастает интенсивность процесса. Возрастают скорости движения системы (сы-рье/экстрагент), в результате чего разрушение материала происходит быстрее, а его измельчение становится более тонким, что приводит к интенсификации процессов раз-

рушения и размораживания. Однако необходимо учитывать, что увеличение данного параметра также ведет к неблагоприятным последствиям, а именно к увеличению энергетических затрат, переизмельчению сырья.

Увеличение количества твердой фазы по отношению к жидкой (рис. 4) повышает концентрацию растворимых веществ в экстракте, но ведет к ухудшению гидродинамических условий процесса, что приводит к уменьшению, как скорости процесса, так и извлечения экстрактивных веществ. Уменьшение количества твердой фазы обуславливает разбавление экстракта, что с точки зрения последующих

4,3 -г------ процессов технологического цикла

нежелательно. Кроме этого увеличение доли экстрагента ведет к ускорению процесса размораживания сырья.

На основании полученных данных можно сделать вывод: рациональные параметры проведения процесса для различных ягод в аппарате будут различными, так как замороженные ягоды черники и брусники

имеют разную прочностную структуру-

Используя аппарат математической статистики, в пакете «81айвйса 6.0» получены регрессионные уравне-

4.1

3,9 3.7 3,5 3.3 3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1.9 1,7 1.5

V

\ ,

г

{

/

]

/

I т, мин.

10

15

25

30

Рисунок 4. Кривые извлечения сухих веществ из ягод брусники, с!=3.5 мм. п=10 Гц: 1 -.¡=0,5; 2 -]=0,4; 3-]=0,33

ния для расчета изменения выхода растворимых веществ из ягод брусники и черники

Ссв(б) =- 13,6 + 0,173-п + 39,46^-38,4-]2+2,620,28Л2, (8)

11=91,4%,

Ссв(ч) =- 4,439 + 0,0977 п +2,122 ^+0,42 у 2+2,327 <1-0,285-с?, (9)

11=92,2%

Уравнения справедливы в диапазонах ие[10; 11,33]. Гц; е/е[2,5; 5] мм; у'е [0,33; 0,5], растворитель вода.

Разработку современного технологического оборудования целесообразно проводить с учетом его энергетической характеристики, кроме того, точная информация о величине затрачиваемой мощности позволит провести сравнительный анализ исследуемой конструкции с аналогичными аппаратами. С этой целью проведено экспериментальное исследование энергозатрат в аппарате. Из рис. 5 видно, что в первый период времени энергозатраты возрастают и достигают максимума. Далее энергозатраты снижаются и через 10...15 минут после начала процесса становятся стабильными.

В результате исследований полезных энергозатрат, соответствующих стабильным условиям работы аппарата, получены зависимости толт=-231,24+32,27?п-208,772]+219,26-/+62,841'<1-0,836(12-6,403-пс1+5,766-;с1, Я=95,5% (10)

№олы=-315,817+18,05п+828,73-]1097,69--/+ +6,55(1-4,3<?-3,86-п-с1+20,96гс1,

11=90,1%

(П)

Уравнения справедливы в диапазонах не[10; 11,33] Гц; ¿/е[2,5; 5] мм; ]е[0,33; 0,5], растворитель вода.

Из анализа коэффициентов уравнений (10) и (11) видно, что при снижении соотношения фаз (увеличении количества жидкой фазы) затраты мощности увеличиваются, так как возрастает высота слоя жидкости над тарелкой, с возрастанием частоты колебаний увеличивается и расход энергии. Увеличение диаметра перфорации тарелки ведет к снижению величины Ы, так как снижается гидравлическое сопротивление самого отверстия. Отличие значений коэффициентов з уравнениях объясняется различной структурой экстрагируемого сырья.

Удельные энергозатраты отнесенные к площади сечения аппарата, в зависимости от параметров процесса, изменяются от 1265до 3762,9 Вт/м2. Для их расчета получены регрессионные уравнения

Муд(б)=961,91 +415,34Гп+790,875^-630,589й-1,656' г, 11=92,6% (12)

Рисунок 5. Зависимости полезных энергозатрат от времени, экстрагент -вода для ягод брусники, п=11.33 Гц. ¡=0.4: 1 - (1=2,5 мм; 2 - ¿=3 мм; 3 - <1=3,5 мм; 4 - <1=4 мм; 5 - <1= 5 мм.

Щд(ч)=796,01 +300,6*п-1236,11+343,$с1-0,0 Г т, 11=90% (13)

Уравнения справедливы в диапазонах пе[10; 11,33] Гц; 2,5; 5] мм; Уе[0,33; 0,5]; т е[450; 900]с, растворитель - вода.

Проведенный анализ результатов экспериментов позволил сделать вывод, что для определения наиболее эффективных режимов экстрагирования необходимо комплексно учитывать режимные и энергетические параметры процесса, и в качестве критерия оценки был принят параметр - эффективность процесса (1).

В ходе анализа экспериментальных данных оптимальными режимами, при которых показатель эффективности стремился к максимальным значениям, являются: для ягод брусники п=10Гц, ¿4=5; 4 мм, 0,5; для ягод черники п=10Гц, ¿/„=5; 4; 3 мм, ]= 0,5. При этом, удельные энергозатраты соответствующие стабильному режиму работы аппарата для ягод брусники — 1265 Вт/м2, для ягод черники- 1302,4Вт/м2, растворитель вода.

Получены уравнения регрессии для расчета коэффициента эффективности, которые имеют следующий вид

Эв=/,65-0,0034-г-+1,176Ч/+0,995Сс,+15,9017-0,858«, 11=96,5% (14)

Э„=1,19-0,286" г +0,372"с? +0,205'Ссв+0,552"У-0,16'п, 11=97% (15)

Уравнения справедливы в диапазонах ле[10; 11,33] Гц; «?е[2,5; 5] мм; Уе [0,33; 0,5]; те [450; 900]с, растворитель вода.

Увеличение значений пи^ ведет к росту показателя эффективности Э за счет роста величины Сс„. Увеличение частоты колебаний п и времени т ведет к уменьшению Э в связи с ростом энергозатрат.

Получение концентрированных экстрактов обычно осуществляется путем упаривания под вакуумом. Процесс энергоемкий, поэтому всегда возникает альтернативное предложение - подавать на упаривание более концентрированный экстракт. В качестве решения этой задачи рассмотрен способ применения экстракта в качестве растворителя при переработке замороженного ягодного сырья в поле НЧМК, создаваемых, вибрационной тарелкой.

Из данных, представленных на рис. 6 следует, что насыщение экстрагента извлекаемыми сухими веществами происходило за 5... 10 минут. Концентрация сухих водорастворимых веществ, равная Ссв=6% масс., достигалась за 3 или 4 цикла, это объясняется различным соотношением фаз в системе сырье - экстрагент.

На рис.7 представлены данные процесса насыщения растворителя (водно-спиртовая смесь) в зависимости от продолжительности. Температура воды и спирта на начало процесса составляла 20±2°С. По окончанию процесса содержание спирта в экстрактах определяли циклометрическим методом, оно составило 24-26 % об. Насыщение экстрагента(40% об, смеси этанол-вода) извлекаемыми сухими веществами за пербый Цикл происходило через 1... 10 минут.

Количество сухих веществ составило: 5,5% масс, для первого цикла, после второго - 10,8% масс., после третьего цикла - Ссв=15,7% масс., за 4 цикл -20% масс, для ягод брусники. Для ягод черники за 1 цикл - 8% масс, за2 -14,2 % масс.,

О 5 10 15 20 25 0 5 1 0 15 20 25 ЗО

а б

Рисунок 6. Зависимость выхода сухих веществ от времени экстрагирования (п=Ю Гц): а) для ягод брусники ¿=4 мм. і=0.25: 1 - Ссв=0%; 2 - Ссв=4,3%; 3 - Ссв=5,6%; 4 - Ссв=6,8%; 5 - Ссв=7,3%; б) для ягод черники с1=2.5мм. і=0.44: 1 - Ссв=0%; 2 -Ссв=2,5%; 3 - Ссв=4,5%; 4 - Ссв=5,5%; 5- Ссв=6,7%; 6 - Ссв=7,3%

за 3 - 18,7 % масс, за 4 цикл - 22% масс.

Из анализа данных следует, что второй цикл дает насыщение экстрагента приблизительно равное первому циклу. Объяснить это можно тем, что используемый в качестве экстрагента экстракт первого цикла имеет коэффициент поверхностного натяжения меньший, чем у

Это улучшает смачивае-клеток, увеличивает по-

Рисунок. 7 Зависимости коэффициента пропускания от времени экстрагирования для ягод черники: <}=2,5мм. ¡=0,285, Сси=4П% об.: 1.Ссв=0% масс, Ссп к=30,5% об.; 2 Ссв=8,2% масс, Ссп к=26% об.; 3 Ссв=16,1% масс, Ссп к=32% об.; 4

ВОДЫ.

мость

верхность растворителя и глубину его проникновения в клетки материала, ускоряет еще ряд физико-химических процессов. И как следствие существенно повышает выход экстрактивных веществ. Поэтому использование экстракта в качестве экстрагента при последующих циклах вполне оправдано.

Снижение эффективности извлечения сухих веществ на пятом и шестом цикле (для экстрагента - вода) и на четвертом цикле (для 40%об. смеси этанол-вода)

Ссв=22% масс, Ссп к=24% об. объясняется насыщением экстракта на предыдущих циклах растворимыми веществами.

Использование в качестве экстрагента водно-спиртового раствора ведет к увеличению содержания сухих веществ в экстракте до Ссв=20% масс, для ягод брусники и до Ссв=22% масс, для ягод черники.

Смешение спирта с водой непосредственно в аппарате вносит дополнительную тепловую энергию, это приводит к тому, что значение температуры по ходу процесса понижается с 20±1°С до 12±3°С (при использовании воды в качестве экстрагента с 20±1°С до 8±2°С). При этом подобный подвод тепловой энергии позволяет увеличить температуру системы с меньшими затратами, чем при повышении частоты колебания тарелки. Что в итоге приведет к снижению энергозатрат на проведение всего процесса.

При незначительном времени экстрагирования и невысокой температуре экстракта создаются достаточно благоприятные условия для сокращения потерь витаминов и биологически активных веществ, содержащихся в ягодах черники и брусники. Таким образом, полученный экстракт, характеризуется более высоким содержанием сухих водо- и спирторастворимых веществ по сравнению с экстрактами, полученными за один цикл.

После экстрагирования в твердой фазе еще остается некоторое количество сухих растворимых веществ, которые можно извлечь при помощи виброэкстрактора.

На основании полученных экспериментальных данных (рис. 8), установлено, что экстрагирование жмыха в виброэкстракторе позволяет извлечь до 1,7 %масс. для брусники, и до 1,4% масс, для черники сухих растворимых веществ

(жмых после водно-спиртового растворителя); и до 1,12 % масс. - черника; 1,05% масс. - брусни-ка(жмых после экстрагента воды).

При повторном экстрагировании жмыха водой извлекается незначительное количество сухих растворимых веществ — 0,15 % масс. - брусника, 0,05% масс. - черника.

Таким образом, выявлено,

Рисунок 8. Зависимость выхода сухих веществ что в жмыхе остается некото-от времени экстрагирования жмыха брусники: 1 рое количество сухих раствори- (1=2,5мм, j=0,2; 2 - <1=3мм, j=0,25; 3 - <1=5мм, ¡=0,2 мых веществ, которые можно

извлечь при помощи виброэкстрактора (до 1,7% масс.). Укейьшений доЛй твердой фаЗЫ йозволяе! улучшить гидродинамические условия процесса, увеличить степень извлечения целевого компонента. Однако это ведет к разбавлению получаемого экстракта, что нежелательно с точки зрения последующих процессов технологического цикла.

Уменьшение диаметра отверстий ведет к увеличению скоростей истечения

жидкости, это интенсифицирует процесс дополнительного измельчения жмыха и увеличивает выход экстрактивных веществ. При экстрагировании жмыха после водно-спиртового растворителя извлекается некоторая доля этанола (ок. 6,5%). Полученный экстракт можно использовать в качестве растворителя при переработке замороженного ягодного сырья в поле НЧМК, создаваемых вибрационной тарелкой.

По разработанному способу получение экстракта сопровождается разрушением тканей ягоды как в процессе медленного замораживания на уровне клетки, так и при обработке в аппарате. В виброэкстракторе происходит дробление ягод, клеточные оболочки, которых уже разрушены в процессе медленного замораживания крупными кристаллами льда. Причем величина частиц зависит от параметров процесса.

По этой причине, необходимо установить наиболее возможные размеры частиц и произвести рекомендации по подбору сит для проведения грубого фильтрования суспензии, полученной в процессе экстрагирования.

Из приведенных данных видно (рис. 9), что при увеличении соотношения фаз (]), количество самых крупных частиц экстрагируемого вещества уменьшается. Полученные результаты можно объяснить тем, что при увеличении количества

жидкой фазы улучшаются гидродинамические условия в аппарате. При этом увеличивается высота слоя экстрагента над тарелкой, возрастает сила удара струй, образованных отверстиями тарелки при её колебаниях, о ягоду.

Анализ данных позволил установить, что при увеличении частоты колебаний увеличивается количество тонкоизмель-ченной фракции ягод. При этом необходимо отметить, что с увеличением частоты колебаний вибрационной тарелки возрастают скорости движения системы (Т:Ж) в рабочем объеме и

Доля. 55.0

50.0

45.0

40.0

35.0

30.0

25,0

20.0

15,0

10,0

5,0

0,0

в

I -Г0-" • у

и=чмм, 11=1 ПГтГ 3; 1 3 ч • и

> Г

/ /

ь 1

""С«

//

0,2 0.4

0,6 0.8 1 1,2 1.4 1,6 1.8 Размер ячейки ста, мм Рисунок 9. Распределение частиц твердой фазы для ягод брусники по ситам

кольцевом пространстве, образуемым внутренним диаметром аппарата и наружным диаметром тарелки, шириной 2 мм, что обуславливает более тонкое измельчение твердой фазы.

Уменьшение диаметра отверстий увеличивает выход токкодисперсной фракции. Это объясняется тем, что доля живого сечения тарелки остается неизменной, а количество отверстий увеличивается при уменьшении их диаметра; так же, уменьшается диаметр струй жидкости, образуемых отверстиями, увеличивается их ско-

рость, что, сказывается на процессе разрушения ягод благоприятно. С уменьшением диаметра отверстий в тарелке, увеличивается сопротивление движению системы (Т:Ж), это сопровождается ростом давления под тарелкой при ее движении вниз, что приводит к повышению скорости движения фаз в рабочем объеме аппарата.

Несмотря на разную структуру ягод, увеличение доли спирта в экстрагенте оказывает определенное влияние на фракционный состав жмыха: увеличение концентрации спирта ведет к менее тонкому измельчению. На некоторых режимах в жмыхе присутствуют неразрушенные ягоды. Это можно объяснить тем, что при соединен™ воды и этанола выделяющееся тепло распространяется на оттаивание верхних слоев ягод в зоне смешения изначально местного характера, а затем тепло распространяется по всему объему. Размораживаясь, верхние слои ягоды становятся мягкими и она менее эффективно разрушается. С увеличением доли спирта в растворителе выделяется больше тепла, этим можно объяснить полученные результаты.

Анализ результатов исследования фракционного состава жмыха показал, что при использовании в качестве растворителя водно-спиртовых смесей количество частиц, задерживаемых на сите, размером более 1 мм составляет 85-90 %, при использовании экстрагента воды количество частиц, задерживаемых на сите, размером более 0,6 мм - 80 %.

На основании полученных результатов, сформулированы рекомендации: во-первых, применение водно-спиртовых растворов высокой концентрации нежелательно, поскольку это приводит к неполному разрушению сырья; во-вторых, при использовании в качестве растворителя воды размер сит для разделения суспензии составит 0,6 мм для ягод брусники, для ягод черники 0,5 мм, при экстрагенте водно-спиртовая смесь для ягод брусники 1,2 мм, для ягод черники 1 мм.

В шестой главе разработаны рекомендации и предложена уточненная методика расчета аппарата с вибрационной тарелкой для переработки замороженного плодово-ягодного сырья, даны рекомендации по его промышленному применению. Предложена технологическая схема переработки плодово-ягодного сырья Сибирского региона с применением вибрационного экстрактора.

Проведена экспериментальная работа по сравнительной дегустации опытных напитков с добавлением концентрированных экстрактов брусники и черники, и вынесены рекомендации с последующим их внедрением в производство на ООО «Савой» (г. Рубцовск Алтайского края). Разработано технико-экономическое обоснование организации производства концентрированных экстрактов на предприятии. Размер капитальных затрат на организацию производства экстрактов составил 3,4 млн. рублей, срок окупаемости - 13 месяцев, при производительности линии по готовому экстракту (концентрацией 50 масс. %) 32 т/год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведены комплексные экспериментальные и теоретические исследования процесса получения плодово-ягодных экстрактов, вследствие которых разработаны рекомендации по научно-практическому обеспечению совершенствования

способа получения экстрактов из заморожешюго плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой. Разработан способ получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой (патент РФ №2403808).

2. Результаты исследований физико-химических свойств экстрактов ягод брусники и черники обобщены экспериментально - статистическими уравнениями, характеризующими зависимость относительной плотности, динамической вязкости, поверхностного натяжения от температуры, содержания сухих растворимых веществ и концентрации спирта в экстрактах. Получешгые результаты применены при анализе экспериментальных данных и разработке аппаратурного оформления технологии получения концентрированных экстрактов.

3. Установлены основные закономерности процесса получения экстрактов из замороженных плодов черноплодной рябины, ягод брусники и черники в аппарате с вибрационной тарелкой с применением воды и водно-спиртовых растворов. Обработка экспериментальных данных позволила получить уравнения регрессий, характеризующие влияние основных факторов на кинетику процесса. Проведены исследования энергозатрат на работу вибрационного экстрактора, получены уравнения для их расчета при экстрагировании ягод брусники и черники. Установлены оптимальные условия проведения процесса получения экстрактов из замороженного ягодного сырья, получены уравнения для расчета коэффициента эффективности.

4. Показана возможность многократного применения экстракта в качестве растворителя при переработке замороженного ягодного сырья в поле НЧМК, с целью увеличения его концентрации. Установлено, что в жмыхе, после получения экстракта из замороженного ягодного сырья, содержится до 1,7% масс, экстрактивных веществ, которые могут быть извлечены в вибрационном аппарате.

5. На основании исследования фракционного состава твердой фазы ягод брусники и черники, установлено, что при применении в качестве экстрагента водпо-спиртовых растворов на сите с размером ячеек 1 мм количество частиц достигает 85-90 % , при использовании экстрагента — воды на сите с размером ячеек 0,6 мм - 75-85 %

6. Разработаны рекомендации и уточненная методика расчета аппарата с вибрационной тарелкой, предложена технологическая схема производства концентрированных ягодных экстрактов. Проведена сравнительная дегустация опытных безалкогольных напитков с добавлением концентрированных экстрактов брусники и черники, и разработано технико-экономическое обоснование проекта получения концентрированных экстрактов из замороженного ягодного сырья.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Астафьева, А.Н. Физико-химические свойства экстрактов ягод брусники/ А.Н. Астафьева, В.В. Сорокопуд// Техника и технология пищевых производств. -2012.-№ 2,-С. 11-14.

2. Сорокопуд, А.Ф Насыщение растворителя при переработке замороженных ягод брусники в виброэкстракторе/А.Ф. Сорокопуд, А.Н. Астафьева// Техника и

технология пищевых производств. - 2013. - № 1. - С. 97-102

Статьи в сборниках научных трудов, тезисы и материалы конференций

3. Сорокопуд, В.В. Перспективы использования ягод брусники и черники в пищевой промышленности/ В.В. Сорокопуд, А.Н. Астафьева/'/ Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. работ/КемТИПП.-Кемерово, 2009.-С. 9-11.

4. Сорокопуд, А.Ф. Многократное экстрагирование замороженных ягод черники и брусники в аппарате с вибрационной тарелкой/ А.Ф. Сорокопуд, А.Н. Астафьева/ Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: сб. науч. работ/ КемТИПП. - Вып. 3. - Кемерово, 2010. - С. 20-24.

5. Сорокопуд, В.В. К вопросу о получении экстрактов из замороженных ягод черники/ В.В. Сорокопуд, А.Н. Астафьева// Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: сб. науч. работ/ КемТИПП,- Вып. 3. - Кемерово, 2010. - С. 49-53.

6. Сорокопуд, В.В. Исследование дисперсного состава экстрактов брусники / В.В. Сорокопуд, А.Н. Астафьева. - Кемерово, 2010. - 12 с. - Деп. в ВИНИТИ 29.11.10, № 662-В2010.

7. Сорокопуд, А.Ф. Способ получения экстрактов из замороженных плодов и ягод/ А.Ф. Сорокопуд, И.Б. Плотников, А.Н. Астафьева// Качество продукции, технологий и образования: материалы V Всероссийской научно-практической конференции. - Магнитогорск, 2010. - С. 206-208.

8. Сорокопуд, А.Ф. Исследование способа получения экстрактов из замороженных плодов и ягод в аппарате с вибрационной тарелкой/ А.Ф. Сорокопуд, И.Б. Плотников, А.Н. Астафьева// Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы 3-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с Международным участием.- Бийск, 2010. — С. 349-353.

9. Астафьева, А.Н. Концентрирование экстрактов из замороженных ягод брусники в аппарате с вибрационной тарелкой/ А.Н. Астафьева// Пищевые продукты и здоровье человека: материалы IV Всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых Кемеровский технологический институт пищевой промышленности,- Кемерово, 2011. - С. 215-216.

10. Астафьева, А.Н. Концентрирование экстрактов из замороженных ягод черники в аппарате с вибрационной тарелкой/ А.Н. Астафьева// Пищевые инновации и биотехнологии: сборник материалов конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. — Кемерово,2013.—С. 673-678.

Патент РФ

11. Пат. 2403808 Российская Федерация, МПК7 А 23 ІЛ/212/ Споеоб получения экстрактов/ А.Ф. Сорокопуд, Й.В. ШігітНиков, А.Н. Астафьева, В.В. Сорокопуд; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (Ші). — № 2009122196/13; заявл. 09.06.2009; опубл. 20.11.2010, Бюл. № 32. - 5с.

Подписано в печать 08.11.2013. Формат 60x86/16. Тираж 100 экз. Объем 1 п.л. Заказ №1468 Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47.

Отпечатано в рекламно-полиграфической компании «Радуга» 650004, г. Кемерово, ул. Соборная, 6

ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

На правах рукописи

0420Н51677

АСТАФЬЕВА АННА НИКОЛАЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПЕРЕРАБОТКИ ЗАМОРОЖЕННЫХ ПЛОДОВ И ЯГОД В ВИБРАЦИОННОМ ЭКСТРАКТОРЕ

Специальность: 05.18.12 — процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Сорокопуд А.Ф.

Кемерово - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР....................................................................................9

1.1 Способы экстрагирования плодово-ягодного сырья..........................................9

1.2 Методы интенсификации экстрагирования плодово-ягодного сырья 10

1 .ЗОбзор конструкций виброэкстракторов........................................................................18

1.4 Выводы и постановка задач исследования ............................................................27

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................................................................................................30

2.1 Выбор объектов исследования и способа их переработки в экстракты............................................................................................................................................................30

2.2 Описание экспериментальной установки и методики проведения исследований..................................................................................................................................................36

2.3 Методы определения физико-химических свойств экстрактов............41

2.4 Оценка погрешностей измерения физико-химических свойств..........47

2.5 Выбор критерия оптимизации ..........................................................................................52

2.6 Выводы по главе................................................................................................................................54

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРАКТОВ

ИЗ ЗАМОРОЖЕННЫХ ПЛОДОВ И ЯГОД..................................................................55

3.1 Разработка способа получения экстрактов..............................................................55

3.2 Анализ результатов исследований....................................................................................58

3.3 Выводы по главе..............................................................................................................................63

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДНЫХ И ВОДНО-СПИРТОВЫХ ЭКСТРАКТОВ БРУСНИКИ И

ЧЕРНИКИ ........................................................................................................................................................64

4.1 Анализ результатов исследования физико-химических свойств

Экстрактов......................................................................................................................................................64

4.3 Выводы по главе..............................................................................................................................70

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРАК-

TOB ИЗ ЗАМОРОЖЕННЫХ ЯГОД В АППАРАТЕ С ВИБРАЦИОННОЙ ТАРЕЛКОЙ......................................................................................................................................71

5.1 Исследование кинетики..............................................................................................................71

5.2 Анализ энергозатрат на работу экстрактора..............................................................77

5.3 Поиск оптимальных условий экстрагирования................................................80

5.4 Разработка рекомендаций по комплексному использованию сырья 82

5.4.1 Насыщение растворителя в виброэкстракторе..................................................82

5.4.2 Экстрагирование жмыха в виброэкстракторе..................................................87

5.4.3 Анализ состава твердой фазы........................................................................................90

5.5 Выводы по главе..............................................................................................................................95

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ ВИБРАЦИОННОГО ЭКСТРАКТОРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРАКТОВ ИЗ ЗАМОРОЖЕННЫХ ПЛОДОВ И ЯГОД 96

6.1 Разработка рекомендаций и методики расчета вибрационного экстрактора для переработки замороженных плодов и ягод..............................96

6.2 Принципиальная схема переработки замороженных ягод с применением виброэкстрактора..................................................................................................................100

6.3 Разработка рекомендаций по практическому применению концентрированных экстрактов брусники и черники..............................................105

6.4 Технико-экономическое обоснование предприятия по производству экстрактов из ягод брусники..................................................................................................107

6.5 Выводы по главе..............................................................................................................................109

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ........................................................................111

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ......................................................113

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................................................125

ВВЕДЕНИЕ

В условиях информационных стрессов, экологической напряженности, обострения проблем рационального питания происходит снижение уровня здоровья населения. Необходимое условие высокого иммунитета и крепкого здоровья это обеспечение людей полноценным, сбалансированным особенно по содержанию биологически активных веществ (БАВ) питанием. При этом одним из направлений в создании продуктов повышенной пищевой ценности является производство экстрактов с использованием плодово-ягодного сырья [25, 34, 35, 49].

Сибирский регион располагает огромными природными ресурсами, среди которых важное место принадлежит местному растительному сырью, как культурному, так и дикорастущему.

В качестве пищевых добавок имеет смысл использовать те дикоросы, химический состав и фармакологические свойства которых хорошо изучены. В Западно-Сибирском регионе большие перспективы из разнообразия сырья растительного происхождения имеет арония черноплодная, брусника и черника, поскольку они по количеству содержащихся в них биологически активных веществ относятся к числу наиболее ценных растений. Так известно, что ягоды черники содержат вещества, оказывающие положительное действие на зрение, при искусственном освещении снимают усталость от работы, усиливают ночное видение. Брусничные экстракты применяют в лечебном и диетическом питании: при гастритах с пониженной кислотностью, повышенном кровяном давлении, подагре, ревматизме и простудных заболеваниях. Рябину черноплодную - свежую, в виде экстракта, сока и настоя употребляют при атеросклерозе, анацидных гастритах, гиперфункции щитовидной железы, ревматизме, аллергических заболеваниях кожи, кровотечениях всевозможного происхождения. Плоды аронии - ценное сырье для производства пищевых, фармакологических, косметических и других продуктов [28,32].

Экстракты из пищевых дикоросов можно применять в качестве основы функциональных напитков [11,25,28,34,35,49].

В силу того, что сбор плодов и ягод носит сезонный характер, важным этапом технологии является сохранение их для дальнейшей переработки. Наименее энергоемким способом консервирования и хранения плодов и ягод является замораживание. При замораживании сохранение качества достигается в результате действия низких температур на блокирование окислительно-восстановительных процессов, микробиологической активности. Этот метод консервирования позволяет в течение длительного времени сохранить до 75-80% биологически активных веществ [29, 81]. Причем с целью последующей интенсификации выделения сока предпочтительно медленное и неглубокое замораживание, сопровождающееся образованием крупных кристаллов льда, которые более эффективно разрушают стенки клеток, что в последующем повышает выход биологически активных и ароматических веществ [43].

Традиционные технологии производства экстрактов характеризуются медленным протеканием процессов экстрагирования целевых компонентов. Причем часть из них уже достигла своего естественного предела, а другие способы многоступенчаты, энергоемки, длительны по времени и, соответственно, экономически неэффективны. Поэтому с целью увеличения движущей силы процесса экстрагирования применяют различные методы проведения процесса и предварительной обработки сырья, а именно, измельчение, предварительное замораживание, ферментацию, обработку ионизирующими излучениями, обработку электрическим током и т.п. [7, 11,21, 24]. Среди многочисленных способов интенсификации процесса экстрагирования особое место занимает метод наложения на систему низкочастотных механических колебаний (НЧ МК).

Известны различные способы наложения на систему «твердое тело-жидкость» НЧ МК. Из литературных данных выявлено, что способ создания колебаний вибрирующими устройствами, расположенными в рабочем объеме аппарата является наиболее эффективным [12, 64]. Применение аппарата с вибрационной тарелкой, позволяет значительно ускорить процессы массо-

обмена, снизить себестоимость и повысить качество получаемого продукта. Виброэкстрактор легко перенастраивается на другой вид сырья и соответствующее аппаратурное оформление, с возможностью проведения большого числа операций в одной технологической единице оборудования.

Эффективность процесса экстрагирования также зависит от правильного выбора растворителя. Растворитель во многом определяет не только концентрацию получаемого экстракта и интенсивность процесса, но и его химический состав.

Широкое применение среди органических экстрагентов получили водно-спиртовые растворы в различных концентрациях, использование которых интенсифицирует процесс получения экстрактов и позволяет повысить выход целевых компонентов. Высокое качество полученных экстрактов достигается за счет того, что этанол предохраняет экстракт от забраживания и способствует сохранению вкуса и аромата [21,35].

Концентрирование экстрактов обычно осуществляется путем упаривания под вакуумом. Однако это неразрывно связано с необходимостью увеличения температуры, что пагубно сказывается на вкусовой и пищевой ценности продуктов, ухудшаются их полезные свойства. Одним из современных направлений совершенствования процесса является концентрирование экстрактов в аппарате с вибрационной тарелкой. Процесс концентрирования в этом случае отличается простотой, не требует создания вакуума, и подвода теплоносителя [21,35].

В этой связи актуальным является совершенствование способа получения экстрактов из предварительно замороженного плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой.

В данной работе рассматриваются запатентованные способы получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья в поле низкочастотных механических колебаний (НЧМК) с использованием в качестве экдгра-гента воды и водно-спиртовых растворов. Процесс осуществляется в аппарате с вибрационной тарелкой, который позволяет проводить одновременно

операции размораживания, измельчения и экстрагирования (патенты РФ № 2341979, РФ №2403808).

Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в изучение процесса экстрагирования внесли ученые Аксельруд Г.А., Лысян-ский В.М., Гребенюк С.М., Василик И.Н., Молчанов Г.И., Плаксин Ю.М., Иванов Е.В. и др.

Цель работы - совершенствование способа получения экстрактов из замороженных плодов и ягод в аппарате с вибрационной тарелкой, его аппаратурного оформления, а также разработка технологии комплексной переработки сырья.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Разработать способ получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой.

2. Изучить физико-химические свойства водных и водно-спиртовых экстрактов ягод брусники и черники, получить расчетные уравнения для их определения;

3. Изучить влияние основных параметров на процесс получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой, определить их рациональные значения.

4. Разработать технологию комплексной переработки плодово-ягодного сырья.

5. Разработать уточненную методику расчета аппарата с вибрационной тарелкой, технологию получения экстрактов, технико-экономическое обоснование проекта производства экстрактов из замороженного ягодного сырья.

Научная новизна. На основании комплекса исследований показана целесообразность получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой с использованием водно-спиртового растворителя.

Изучено влияние температуры, содержания сухих растворимых веществ и концентрации спирта на основные физико-химические свойства водных и водно-спиртовых экстрактов брусники и черники.

Исследованы кинетика и энергозатраты на получение экстрактов из замороженных плодов аронии черноплодной, ягод брусники и черники в аппарате с вибрационной тарелкой, в условиях применения водных и водно-спиртовых растворителей.

Определены рациональные параметры процесса получения экстрактов из замороженных плодов черноплодной рябины и оптимальные режимы для замороженных ягод брусники и черники в аппарате с вибрационной тарелкой.

Теоретическая и практическая значимость. Разработан способ получения экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной тарелкой. Новизна и полезность технического решения подтверждена патентом РФ №2403808.

Получены экспериментально-статистические зависимости для расчета плотности, вязкости и поверхностного натяжения экстрактов брусники и черники, пригодные для инженерной практики.

Разработаны вопросы комплексного использования плодово-ягодного сырья и концентрирования экстрактов.

Предложена уточненная методика расчета аппарата с вибрационной тарелкой, технологическая схема и технико-экономическое обоснование проекта получения экстрактов.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО Кем-ТИПП при выполнении курсового и дипломного проектирования студентами, обучающимися по направлению «Пищевая инженерия».

Степень достоверности результатов. Обеспечивалась использованием современных средств и методов исследований, обоснованных теоретичен ских положений. Основные теоретические положения диссертационной работы и заключения подтверждены результатами экспериментальных иссле= дований, выполненных с использованием стандартизованных и аттестованных методик и средств измерений. При выполнении экспериментальных исследований применялись положения теории планирования эксперимента и математической обработки результатов исследований.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Способы экстрагирования плодово-ягодного сырья

Экстрагирование (от лат. ех1ха§еге - вытягиваю, извлекаю) - метод извлечения биологически активных веществ (витаминов, углеводов, белков, минеральных веществ и др.) из растительного сырья (ягод, трав, плодов, овощей и т.д.) или сырья животного происхождения при помощи жидкого растворителя (воды, масла, спирта, и т.д.), обладающего избирательной способностью [6, 7, 26 29, 38, 39].

Процесс извлечения целевых компонентов из растительного сырья является многостадийным и представляет собой сочетание целого ряда процессов (смачивание, набухание, растворение, химическое взаимодействие, адсорбция, десорбция, диффузия, диализ и др.) [6, 7, 26, 29, 32, 38, 42, 44, 56, 57].

При выборе условий экстрагирования растительного сырья необходимо учитывать влияние ряда факторов. К ним относятся [7,29,31, 32,44]:

- степень измельчения растительного сырья;

- полярность экстрагента;

- поверхностное натяжение и вязкость экстрагента;

- температура процесса экстрагирования;

- соотношение твердой и жидкой фаз, то есть системы сырье - экстра-

гент;

- физическое воздействие (создание оптимальных гидродинамических режимов);

- порозность и пористость сырья;

- время (продолжительность) экстрагирования [6, 10, 45, 60, 63, 85,

98].

Экстрагирование - древнейший метод выделения биологически активных веществ из естественных растительных источников, который остается основным методом при их получении и по сей день. Разнообразие видов экс-

трагируемых органических веществ способствовало формированию и развитию немалого многообразия методов экстрагирования, которые используют для извлечения биологических веществ или комплексов из растительного сырья [7,38,44].

Одним из таких способов является метод химической экстракции. Данным способом допустимо как выборочное извлечение индивидуальных соединений, так и извлечение комплексов биологических веществ практически с полной сохранностью их активных свойств. Причем химическое экстрагирование всевозможных видов растительного сырья предполагает применение для этой цели растворителей различного рода[38,44,63,79,91].

Так же для интенсификации процесса извлечения целевых компонентов применяют экстрагирование с помощью физических способов, которые делятся на статические и динамические.

В то же время находят применение комбинированные способы экстрагирования, которые предполагают выделение БАВ из исходного сырья при помощи сочетания различных способов.

Большое число методов и средств интенсификации является следствием разнообразных условий, сопутствую