автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обеспечение энергоэффективной технологии получения ферментного препарата инулиназы и его применение в производстве хлебобулочных изделий

На правах рукописи

МАЖУЛИНА Инна Вячеславовна

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРМЕНТНОГО ПРЕПАРАТА ИНУЛИНАЗЫ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальности:

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств 05.18.01 — Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Воронеж-2013

005543031

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Научный руководитель: заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Шевцов Александр Анатольевич (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шахов Сергей Васильевич (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

кандидат технических наук, Назинцепя Екатерина Александровна главный специалист-эксперт Управления Роспотребнадзора по Воронежской области

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

Защита диссертации состоится «25» декабря 2013 года в 1430 часов в конференц-зале на заседании совета по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы об автореферате (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат размещен в сети интернет на официальных сайтах: Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации https://vak2.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» http://www.vsuet.ru «22» ноября 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ». Автореферат разослан «22» ноября 2013 года

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, л ^ на соискание ученой степени доктора наук, У

д. т. и., профессор //^ґ^Лґ^ Г.В. Калашников

Актуальность проблемы. Основами государственной политики Российской Федерации в области здорового пнтания населения на период до 2020 г. ставится задача модернизации и интенсификации перерабатывающей промышленности с целью обеспечения продовольственной безопасности страны за счет развития фундаментальных исследований в области современных биотехнологических способов получения продукции повышенной пищевой ценности с новыми функционально-технологическими свойствами.

Одним из перспективных направлений совершенствования процессов переработки растительного сырья является биоконверсия с использованием ферментных препаратов, применение которых позволяет существенно изменить, интенсифицировать и усовершенствовать существующие технологии хлебобулочных изделий как систему энергоэффективных процессов. Этому направлению посвящены работы Аксеновой JI.M., Черных В.Я., Богатыревой Т. Г., Гинзбурга А. Г., Магомедова Г.О., Цыгановой Т. Б., Дерка-носовой Н. М., Пономаревой Е.И., Корячкиной СЛ., Кузнецовой Е.А., Кузнецовой J1. И., Матвеевой И. В., Нечаева А.П., Николаевой В.А., Пучковой Л.И., Рослякова Ю.Ф., Савенковой Т. В., Lees, R. и др.

Однако в научно-технической литературе отсутствуют научно обоснованные подходы к использованию фермента инулиназы Bacillus polymyxa 29 для получения биомодифицировнных продуктов с заданными технологическими свойствами и их использование в технологии хлебобулочных изделий повышенного качества и пищевой ценности.

Инулиназа способствует превращению растительного полимера инулина в практически чистую фруктозу, или фруктоолигосахариды. Инулин накапливается как резервный полисахарид в таких с.-х.-ных культурах, как, артишок, цикорий, топинамбур, якон и др. Фруктоза становится все более востребованной в пищевых технологиях как более безопасная для здоровья человека альтернатива сахарозе, которая способствует возникновения атеросклероза, ожирения, кариеса и диабета.

Особое место в биотехнологических процессах пищевой технологии отводится мембранному разделению жидких сред с возможностью их концентрирования при обычной температуре без термического воздействия на их физиологическое и химическое состояние.

К сожалению, исследования в этой области ведутся разрозненно, по краткосрочным программам, на недостаточно совершенной технической базе. Из-за несовершенства баромембранной техники не всегда ультрафильтрация культуральной жидкости перед вакуум-сублимационной сушкой позволяет в полной мере удалить низкомолекулярные белки, повысить содержание СВ и активность фермента.

Современные тенденции в развитии теории вакуум-сублимационной сушки подготовили условия для научного подхода к созданию новых энергоэффективных технологий ферментных препаратов (ФП) при наиболее рациональных с энергетической точки зрения схемах подключения компрессорно-холодильных установок с использованием важнейших принципов энергосбережения и охраны окружающей среды. Теоретические основы тепломассообмена в процессах вакуум-сублимационной сушки и их аппаратурное оформление отражены в работах А.В, Лыкова, A.C. Гинзбурга, A.A. Гухмана, Э.И. Гуйго, Б.П. Камовникова, Г.В. Семенова, И.Т. Кретова, С.Т. Антипова, C.B. Шахова, Э.И. Каухчешвили, А.П.Лебедева, А.З.Волынец, и др., а также зарубежными учеными -Е.В. Флосдорфа, АЛ. Эдцома, Р. Харрисома, и др.

Недостаточное изучение общих закономерностей совместно протекающих процессов культивирования, ультрафильтрации и вакуум-сублимационной сушки ферментных препаратов сдерживает разработку и использование новых, перспективных технологий, позволяющих интенсифицировать все ее стадии с рациональным использованием энергетического потенциала и обеспечением высокого качества получаемого продукта. Существующие в настоящее время способы производства ферментных препаратов, зачастую, не используют вторичные энергоресурсы, что не позволяет существенно повысить экономичность протекающих процессов. Поэтому разработка и использование универсальных подходов для анализа и поиска решений по повышению эффективности способов производства ферментных препаратов является актуальной задачей.

Научная работа проводилась в рамках Федеральных целевых научно-технических программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в соответствии с тематическим планом НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна ВГУИТ (№ гос. регистрации 01201253866) «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологических чистых технологий хранения и переработки с.-х.-ного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по направлению «Экологически безопасные ресурсосберегающие производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» (№ гос. регистрации П 1201).

Цель работы - разработка научно обоснованных ресурсосберегающих, экологически безопасных и энергоэффективных технологий ферментных препаратов с применением холодильной техники. На

примере ферментативного гидролиза инулина топинамбура инулина-зой Bacillus polymyxa 29 с последующим использованием гидролизо-ванного порошка топинамбура показать преимущество предлагаемого ферментного препарата в производстве хлеба диабетического назначения повышенной пищевой ценности.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Разработать научно-практические подходы к энергосбережению и предложить энергоэффективные технологии получения ферментных препаратов с использованием холодильной техники.

2. Методами планирования эксперимента получить уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс ультрафильтрации ину-линазы бактерий Bacillus polymyxa 29 на пилотной установке. Определить технологические режимы ультрафильтрационной установки, обеспечиващие минимум удельных энергозатрат на прокачку раствора и максимум расхода, массовой доли сухих веществ и активности ину-линазы в концентрате на выходе из мембраны.

3. Разработать мембранный аппарат, обеспечивающий повышение эффективности мембранного разделения при концентрировании культуральной жидкости за счет изменения во времени гидродинамического режима в мембранном канапе переменного сечения.

4. Изучить кинетические закономерности вакуум-сублимационной сушки ферментного препарата инулиназы, сформулировать и решить задачу оптимального выбора загрузки сублиматора по минимальной величине удельных энергозатрат.

5. Разработать математическую модель нестационарного процесса десублимации при вакуум-сублимационной сушке, позволяющей прогнозировать изменение толщины десублимата и коэффициента теплообмена во времени на межфазной поверхности десублиматора.

6. Составить программно-логические алгоритмы управления технологическими параметрами, обеспечивающие наименьшие потери теплоты и электроэнергии.

7. Исследовать некоторые физико-химические свойства инулопо-лимексина.

8. Выполнить экспериментальные и теоретические исследования применения инулиназы Bacillus polymyxa 29 в технологии хлебобулочных изделий.

9. Провести производственные испытания предлагаемых технических решений и разработать нормативно-техническую документацию для внедрения в промышленность.

Научные положения, выносимые на защиту:

- комплекс проблемно-ориентированных методов анализа и принятия решений, включающих структуризацию процессов в энергоэффективной технологии получения ферментного препарата инули-назы Bacillus polymyxa 29 с использованием тепловых насосов;

- концептуальный подход к созданию инновационных биотехнологий, техники и способов управления процессами культивирования, ультрафильтрации и вакуум-сублимационной сушки ферментных препаратов;

- научно обоснованные способы энергосбережения за счет рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов и замкнутых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам;

- результаты моделирования процессов ультрафильтрации и десуб-лимации в процессе вакуум-сублимационной сушки;

- принципы выбора рациональных режимов процессов, способствующих снижению удельных энергетических затрат, повышению производительности и качества ферментных препаратов;

- методологический подход к созданию системы автоматической оптимизации технологии по технико-экономическому показателю, обеспечивающей экономию материальных и энергетических ресурсов;

- новая рецептура хлеба диабетического назначения повышенной пищевой ценности.

Научная новизна. Разработана статистическая модель процесса ультрафильтрации инулиназы бактерий Bacillus polymyxa 29, в которой в качестве критериев оптимизации использованы такие важные показатели, как удельные энергозатраты; расход, массовая доля СВ и активность инулиназы в концентрате на выходе из мембраны.

Установлены кинетические закономерности процесса вакуум-сублимационной сушки ферментного препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29.

Решена математическая модель нестационарного процесса де-сублимации при вакуум-сублимационной сушке ФП, позволяющая прогнозировать изменение толщины десублимата и коэффициента теплообмена во времени на межфазной поверхности десублиматора.

Предложен алгоритм управления биотехнологией получения ферментных препаратов на базе парокомпрессионного теплового насоса, обеспечивающий повышение энергетичекой эффективности совместно протекающих процессов ферментации и вакуум-сублимационной сушки.

Выполнен эксергетический анализ и проведена оценка термодинамического совершенства технологии получения ферментного препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29 как системы процессов.

Получены новые данные по кислотной и термической инактивации инулиназы Bacillus polymyxa 29. Установлены закономерности ферментативного гидролиза инулина топинамбура.

Научно обоснована целесообразность применения ферментного препарата инулополимексина в технологии жидких ржаных заквасок.

Решена задача выбора оптимальной рецептуры хлеба диабетического назначения повышенной пищевой ценности с добавлением отрубей и гидролизованного порошка топинамбура.

Практическая ценность. Разработаны энергоэффективные технологии получения ферментных препаратов с использованием па-рокомпрессионного (Пат. РФ № 2480520) и пароэжекторного (Пат. РФ № 2484129) тепловых насосов.

Определены рациональные интервалы изменения технологических режимов процесса ультрафильтрации культуральной жидкости ферментного препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29.

Разработана конструкция мембранного аппарата с неустановившейся гидродинамикой (положительное решение по заявке № 2012127526 от 25.09.2013).

Определена оптимальная загрузка сублиматора по минимальной величине удельных энергозатрат при ограничениях на производительность вакуум-сублимационной сушилки по высушенному препарату.

Установлены оптимальные режимы приготовления жидкой закваски с применением гидролизованного порошка топинамбура, позволяющие интенсифицировать процессы накопления диоксида углерода и кислотонакопления при созревании полуфабриката в условиях исключения стадии заваривания муки и осахаривания заварки.

Разработана рецептура и технология хлебобулочных изделий с применением ферментного препарата инулополимексин, позволяющие повысить пищевую ценность продукции, улучшить показатели ее качества, расширить ассортимент изделий диабетического действия.

Разработан и утвержден в установленном порядке пакет нормативной документации на новый сорт хлеба: хлеб Таловские просторы (РЦ, ТИ, ТУ 9113-007-00492894-2013).

Реализация результатов работы. Экономическая и технологическая целесообразность, социальная значимость предложенной рецептуры хлеба диабетического назначения подтверждена ее промышленной апробацией.

Хлеб Таловские просторы апробирован в условиях ОАО «Хлебозавод №7» г. Воронежа (акт производственных испытаний от 11.10.2013 г.).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует п. п. 1, 2 и 4 паспорта специальности

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств и п. п. 3, 4, и 9 специальности 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных, всероссийских научно-практических конференциях и семинарах (Уфа, 2011), (Воронеж, 2011-2013), (Мичуринск, 2011), (Тамбов, 2011), (Краснодар, 2012), (Казань, 2013), (Уфа, 2013), отчетных научных конференциях ВГУИТ (Воронеж, 2011-2012).

Результаты работы отмечены дипломами участника выставки «Воронежский АПК сегодня» (2012), «Воронежагро» (2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в т.ч. 9 статей в журналах, включенных ВАК в перечень рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, получено 3 патента РФ на изобретения и 1 положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2012127526.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 206 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 224 наименования, в т. ч. 34 зарубежных. Приложения к диссертации представлены на 16 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства ферментных препаратов и функциональных продуктов питания, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные о современном состоянии теории, техники и технологии получения ферментных препаратов как системы процессов, в т. ч. вопросы баро-мембранного разделения культуральных жидкостей и тенденции их совершенствования, вакуум-сублимационного обезвоживания ферментных препаратов, обозначены перспективы практического применения инулиназ в технологии продуктов питания.

Во второй главе предложена научная программа исследований, направленная на совершенствование ресурсосберегающих, энергоэффективных технологий ФП с применением холодильной техники.

Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедр технологии хлебопекарного, макаронного, кондитерского и зерноперерабатывающего производств; машин и аппаратов пищевых

производств, технологии бродильных и сахаристых производств ВГУИТ, в условиях кафедры ботаники, защиты растений, биохимии и микробиологии, в условиях лаборатории биологических анализов Воронежского госагроуннверситета, производственного цеха и лаборатории ОАО «Хлебозавод № 7» г. Воронежа.

Объектом исследований были чистые культуры микрооргагниз-мов — бактерий Bacillus polymyxa 29, а также сырье, мучные полуфабрикаты н изделия, получаемые в соответствии с разработанными рецептурами. В отфильтрованной культуральной жидкости определяли активность инулиназы полумикрометодом Бертрана, содержание сухих веществ рефрактометрическим методом.

При определении показателей качества жидкой закваски в производственном цикле определяли подъемную силу, газообразование -принятыми в хлебопечении методами, кислотность — потенциометри-ческим титрованием и на рН-метре, редуцирующие вещества - пер-манганатным методом Бертрана. Качество хлеба оценивали общепринятыми методами. Статистическую обработку результатов исследований проводили, используя центральное композиционное ротатабельное униформпланирование, полный факторный эксперимент — 24, метод симплекс-решетчатого планирования эксперимента. Расчет параметров оптимизации проводили по программе «STATISTICA». Для определения оптимальных режимов использовали метод «ридж-анализ».

В третьей главе приведены результаты исследований процесса ультрафильтрации культуральной жидкости Bacillus polymyxa 29 на пилотной установке мембранной фильтрации (рис. 1).

Основным конструктивным элементом установки являются керамические мембраны INSIDE CeRAM™ фирмы «TAMI Deutschland GmbH», которые по сравнению с полимерными имеют значительные преимущества: стойкость к избыточному давлению (свыше 100 бар); использование инертного материала; высокая механическая прочность, в т. ч. к воздействию абразивных частиц и бактерий; работа при более высоких температурах; гарантируемая с высокой достоверностью производительность.

В качестве основных факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации, были выбраны массовая доля сухих веществ (СВ) в исходном растворе (А'|) С„ = 5 — 9 %; активность инулиназы в культуральной жидкости (Х2) А„ = 32 — 40 ед/см3; разрешающая способность мембраны (-Y,) D = 20-300 кДа; расход исходного раствора (Х4) G„ = 0,022-0,030 м3/с. Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями процесса ультрафильтрации продуцента инулиназы, а также технико-экономическими показателями процесса.

Рис. 1. Схема экспериментальной пилотной установки для мембранной фильтрации: 1 - трубчатый мембранный модуль с керамической мембраной, 2 - бак исходного раствора, 3 - насос, 4, 5 - манометры, 6, 7 - расходомеры, 8 - приемный мерный цилиндр

Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации культуральной жидкости инулиназы, применили математические методы планирования эксперимента.

Критериями оценки влияния различных факторов на процесс ультрафильтрации были выбраны - удельные энергозатраты на прокачку раствора, отнесенные на 1 м3 пермеата, мДж/м3; У2 - расход концентрата на выходе из мембраны, м3/с; У3 - массовая доля СВ в концентрате, %; >'4 - активность инулиназы в концентрате, ед/см3.

В результате математической обработки получены нелинейные уравнения регрессии, описывающие данный процесс:

Г, =0,122 - 0,005Х1-0,0029Х2-0,0282Хз + 0,015Х4 + 0,0025Х1Хз + + 0,0009X^4 - 0,0058ХуХ4 + 0,0022 X/ + 0,0106 Х32 + 0,0082 X/;

У2 = 4,935 - 0,0796.^ " 0,0704Х2 + 0,1404Х, +0,1863Х4 - 0,0244А',.^ -- 0,0231Х2Х4 + 0,0156X3X4 - 0,0168 X,2 - 0,0318 Х22 + 0,0232 X/; (1)

У3 = 30,126 + 0,713Х, + 0,821Х2- ¡,625Х3 - 1,291Х4 -0,225Х,Х3 -- 0,350Х,Х4 - 0,21ЗХ2Х4 - 0,351Х3Х, + 0,610 X/ - 0,302 X/ - 0,277 X/;

У4 = 100,025 + 1,098Х] + 1,ЗХ2- 1,382Х3 - 0,481Х4 -- 0,386Х1Х2 + 0,533Х,Х3 + 0,177Х2Х3 + 0,526Х2Х4 - 0,676ХэХ4.

На рис. 2 показаны кривые равных значений выходных параметров, которые несут смысл номограмм и представляют практический интерес.

£яЗ

Ь

©

Рис. 2. Кривые равных значений расхода концентрата на выходе из мембраны от массовой доли СВ в культуральной жидкости С„ (%) и активности инулиназы в культуральной жидкости А„ (ед/см3), м3/с; 1 - 4,4; 2 - 4,55; 3 - 4,7; 4 - 4,85; 5 - 5; 6 - 5,15; 7 - 5,3; 8 - 5,45; 9 - 5,6; £>= 160 кДа; О,, = 0,026 м3/с

Были определены оптимальные интервалы изменения параметров X, для всех исследуемых выходных факторов (таблица 1).

Таблица 1 - Оптимальные интервалы входных факторов

У; хи % ед./см3 X, кДа Л4, м3/с

min max min max min max min max

Yl 8,0 9,0 38 40 230 300 0,022 0,024

У2 5,0 6,0 32 35 200 300 0,028 0,030

Уз 7,5 9 37,5 40 20 100 0,022 0,026

К, 7,5 9 37 40 20 160 0,022 0,025

В результате применения указанного метода найдены рациональные границы исследуемых факторов: Х} = 6,5-7,5 %; Х2 = 3739 ед./см3; Х3 = 100-230 кДа; Х4 = 0,023-0,027 м3/с.

Для проверки правильности полученных результатов был поставлен ряд параллельных экспериментов, полученные результаты попадали в рассчитанные доверительные интервалы по всем критериям качества. При этом среднеквадратичная ошибка не превышала 5,7 %.

По результатам исследований разработан мембранный аппарат, обеспечивающий максимальное удаление низкомолекулярных белков, повышение содержания сухих веществ и активности фермента перед вакуум-сублимационной сушкой (положительное решение по заявке № 2012127526 от 25.09.2013 г.).

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований вакуум-сублимационной сушки ФП инулиназы Bacillus

роїутуха 29 в сушилке периодического действия при следующих режимных параметрах. Кинетику сушки препарата инулиназы исследовали методом «экстремальных температур». Поскольку нагрев фермента выше 323 К нежелателен по условиям термочувствительности, то в качестве верхней экстремальной температуры продукта приняли значение 313 К. Фермент с различной концентрацией СВ замораживали в алюминиевых чашках с высотой слоя 5-10"3-20-10"3 м в камере низкотемпературного холодильного стола при 233 К. Режимные параметры работы установки поддерживались на одинаковом уровне.

Все кривые сушки инулиназы имеют период постоянной скорости сушки, при котором к препарату подводится максимальное количество тепла (рис. 3). Снижение мощности энергоподвода ведет к резкому падению скорости сушки (рис. 4).

IV,% —► ---или

# « " — •ш

Рис. 3. Кривые сушки и скорости Рис. 4. Термограммы (1, 2) и график

сушки инулиназы с исходной концен- энергоподвода (3) при сублима-

•грацией сухих веществ С„ %: 1 - 94; ционной сушке с ИК-нагревом: С6. = 5

2 - 33 (концентрат после ультрафиль- %; /г = 9-Ю"3 м; 1 - поверхностный

трации); /і = 9Т0'3м

слой, 2 - середина слоя

Кривые скорости сушки в периоде ее убывания имеют различную кривизну. Точка перегиба (вторая критическая влажность Wk3) соответствует по времени началу периода вакуумной досушки, т.е. к этому моменту практически вся вымороженная влага сублимирована и начинается удаление связанной (невымороженной) влаги.

Сформулирована задача оптимизации процесса вакуум-сублимационной сушки препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29 по

минимальному значению суммарных затрат электроэнергии, приходящиеся на единицу массы загружаемого продукта:

R = 3, + 32 + З3 -> min, (2)

где Зі, 32, З3 - удельные затраты электроэнергии соответственно на подогрев продукта, привод холодильного компрессора десублима-тора, привод вакуум-насоса на единицу загружаемого продукта, р. /кг.

Для определения критерия оптимизации использованы расчетные характеристики энергоподвода при программированном по времени режиме управления. Интенсивность теплового потока представлена через мощность ИК-нагрева:

Л.- (*<><>,! ~ fs ) (3) h,

г> Г7 ГГ *c(töon-hl (4)

"l — K рЧіпріГн — K рГ„

^р^шах^и ^ pFи

Т -

Л2

где Р„""" - максимальная мощность лампы ИК-нагрева, кВт; суммарная поверхность нагрева, м2; кр = ?/„„„, + 1/г] - коэффициент мощности, учитывающий коэффициент перевода электрической энергии в тепловую г] = 0,24 и коэффициент потерь теплового потока г/,,,,,,, = 0,07-0,12; Р,-текущее значение мощности ИК-излучателя во втором периоде сушки, кВт.

После интегрирования (4) по времени определена зависимость средней мощности ИК-излучателя от количества загружаемого в сублиматор продукта: _

т_ + 2Ргпвх //, (А2И? + тк - г,) - Л2ИХ (5)

ао2+вс+с

Установлена зависимость высоты слоя продукта от количества загружаемого материала:

тк = лв2 + 1Ю + С = (7,187-10--3) + (-5,047 10-2) С + 0,824 (6)

Установлено, что средняя мощность, потребляемая приводами компрессора и вакуум-насоса, практически не зависит от количества загружаемого материала О и соответствует номинальной мощности электродвигателей: Р„„ = 1,5 кВт; Рж = 4,0 кВт.

Полученные результатов позволили критерий оптимизации (2) представить в виде:

„ аС2 +Ьв + с Я =--> тгп ,

где а = ЦоА(Рхк + ) = 7,905 ■ 10"4; Ъ = Цэ\к, + В(РХК + Рт)] = 9,628 • 1 (Г; с = Ц.Лс1+С{1\к+Р;,)]= Ц5910"1.

м

3.5

Г

РнцкВт 2.5

1

ч

V/

/ \

2 ч

" } 1 Ря, /лкВгп *.1>Л 20 '-2

211

Кг, кт —

10

Рис. 4. Зависимость средней мощности теплоподвода от ИК-нагрева

(1) и потребляемой электроэнергии

(2) от загрузки сублиматора

Рис. 5. Расчетные зависимости стоимости энергозатрат на единицу массы высушенного продукта (1) и годовой производительности по сухом)' продукту (2-5) ог загрузки сублиматора при различных значениях времени вспомогательных операций г„„, ч: 2 - 0,5; 2 -1,5; 3-2,0; 4 -3,0

Таким образом, обоснована экстремальная характеристика процесса сублимационной сушки ферментного препарата инилиназы, которая позволяет осуществлять выбор оптимальной загрузки сублиматора при минимуме энергозатрат. Минимум энергозатрат в промышленной сушилке соответствует загрузке 12,0 кг концентрата культуральной жидкости и распределении его на противнях равномерным слоем высотой Л = 910"3 м.

Полученные результаты легли в основу непрерывного процесса вакуум-сублимационной сушки. При этом время пребывания продукта в сублимационной камере соответствовало времени периодической сушки.

Реализации непрерывной вакуум-сублимационной сушки стала возможной благодаря двухсекционному десублиматору, резервная и рабочая секции которого попеременно работают в режимах конденсации и регенерации. Для своевременного переключения секций десуб-лиматора предложена математическая модель, позволяющая прогнози-

ровать динамику изменения толщины десублимата и коэффициент теплообмена между водяными парами и хладагентом через охлаждающую поверхность теплообмена десублиматора.

Предполагалось, что теплоперенос осуществляется теплопроводностью преимущественно в направлении нормали к поверхности десублимапии тонкостенного охлаждаемого элемента. Распределение температуры по толщине стенки носит линейный характер, причем температура ее охлаждаемой поверхности считается постоянной и равной температуре кипения хладоносителя. Давление пара в десуб-лиматоре и теплота десублимации остаются постоянными на протяжении всего технологического цикла.

Рассматривалась тонкая стенка толщиной Я, имеющая температуру Т* которая в начальный момент времени помещается в пространство, заполненное паром при давлении Рг Пар начинает конденсироваться на поверхности десублимации стенки (г = 0). Толщина конденсируемого десублимата И растет с течением времени / и достигает величины И = к(!) . Распределение температур в системе представлена следующим образом:

0<г<к. ¿Т, _ ^Т, _#<г<0: _0. (9)

— и / - , ----^ —

сИ 'ск2 сЬ2

<=0: /? = 0, Т,=Т*; (10)

1={* : И = к* , Т\=Т$~е(Т$-Т* ); (11)

- п- т т з аТ™ - Л (,2)

1 I, Лу —г~ - Л

аг иг

г = -Л: Т№ =Т* ; г = к. = <13)

аг

где Г-температура, К; г - пространственная координата, м; а, Л-коэффициенты соответственно температуропроводности, м-/с, и теплопроводности, Вт/(м-К); е - малая величина (е«\); интенсивность фазового перехода (десублимации), кг/(м2 с); г - теплота десублимации, Дж/кг; /, * - индексы, соответственно относящиеся к параметрам десублимата, стенки, линии насыщения и технологии.

Кинетика десублимации представлена формулой Герца-Ккудсена- Ленгмюра:

= к Тх -Т,(И) (14)

9 ' Л р т„

где р/ - плотность десублимата, кг/м5; кр - переохлаждение, кг/(м2-с).

Система уравнений (9)-(13) была приведена к безразмерному виду, а ее решение операционным методом представлено в виде:

10,5 к, 0,4

03 ОД 0.1 о

Рис. 6. Зависимость безразмерного Рис. 7. Зависимость относительной

аналога переохлаждения от безраз- толщины десублимата от числа Фурье и

мерной избыточной температуры на безразмерных избыточных темпера-

межфазной поверхности в состояни- тур от числа Фурье (рис. 4,---

ях, близких к насыщению расчет;-------эксперимент)

Результаты моделирования позволяют решать задачи оптимапьно-го управления процессом сублимационной сушки.

В пятой главе разработан способ производства и управления биотехнологией получения ферментных препаратов на базе пароком-прессионного теплового насоса, направленный на повышение энергети-

5 15 Ї5 35 45 Є-103--

10 ЗО 50 70 90 1Ю Г.ч

0 ,1-й'О-е), ¡ = N +1, (15)

2(1 + ; = 1Д....ЛГ.

Выражения (15) и (16) отражают динамику изменения температуры и позволяют оценить влияние толщины десублимата А (г) на коэффициент теплообмена а- аналог безразмерного критерия Нуссельта.

Расчетные кривые зависимости безразмерного аналога переохлаждения от безразмерной избыточной температуры на межфазной поверхности в состояниях, близких к насыщению, представлены на рис. 6 (К = 30; Ре \02: 1-0,1; 2-0,2; 3 -0,3; 4 - 0,4; 5 -0,5).

Количественные оценки средней величины коэффициента теплообмена по экспериментальным данным удовлетворительно совпадают с результатами расчетов по предложенной модели (рис. 7).

0.8

ческой эффективности и экологической безопасности процессов ферментации и вакуум-сублимационной сушки (рис. 8, пат. РФ № 2480520).

Для оценки энергоэффективности рассматриваемой биотехнологии был выполнен эксергетический анализ, основанный на методике Бродянского, в соответствии с моделью Шаргута.

Рис. 8 - Способ производства ферментных препаратов: 1 — ферментеры; 2 - обогревающие рубашки; 3 - ультрафильтрационная установка; 4 - сублимационная сушилка; 5 - питатель; 6 - вакуумный затвор; 7 - нагреватель; 8 -компрессор холодильной машины; 9 -конденсатор; 10, 11 - секции испарителя; 12 - терморегулирующий вентиль; 13 - вакуум-насос; 14 - водяной сборник; 14; 15, 16 - смесители; 17, 18, 19 - распределители потоков; 20, 21 - насосы; 22 - микропроцессор; датчики: РЕ - расхода, ТЕ - температуры, МЕ -влажности, РЕ - давления, ¿£ - уровня: И- исполнительные механизмы

Оценку термодинамического совершенства системы культивирования проводили по эксергетическому КПД, исходя из значения эксергии высушенного ферментного препарата и осадка, состоящего из клеточной биомассы микроорганизма:

' же „ п

2Х

/=1 г=1

где ' э — суммарная удельная эксергия полезных потоков (готовой

к=I

биомассы и осадка), кДж/кг; i 3 - суммарная затраченная удельная

/=1

эксергия (подведенная в систему извне), кДж/кг; у р — суммарные

у=1 1

эксергетические потери, кДж/кг.

Эксергия материальных и энергетических потоков, а также внутренние и внешние эксергетические потери составили эксергетический баланс теплобиотехнологической системы культивирования аэробных микроорганизмов с последующей вакуум-сублимационной сушкой. Эксергетическая диаграмм Грассмана-Шаргута позволила рассчитать эксергетический КПД, который составил 31,3 %. Это говорит о повышении степени термодинамического совершенства системы процессов при использовании рециркуляционных тепловых и материальных потоков.

Для использования теплоты низкотемпературного потенциала, в частности, бросового тепла газотурбинных установок и котельных агрегатов в условиях децентрализованных систем теплоснабжения предложен способ производства ферментных препаратов с помощью пароэжекторного теплового насоса (пат. 2484129).

В шестой главе исследован процесс кислотной и термической инактивации препарата инулиназы при pH 4,0; 5,0; 6,0; 7,0 и 8,0 и температурах 20, 30, 35, 40, 45, 50, и 60 °С. Показано, что инулиназа Bacillus polymyxa 29 наиболее стабильна в зоне pH 6,0-7,0 и температур 2045 °С. Так, при 20 °С при pH 7,0 активность инулиназы за 144 ч снижалась на 10,5 % и на 22,0 % при pH 6,0. При 40 °С и pH 7,0 активность фермента за 120 ч снижалась на 25,0 % и на 55,0 % при pH 6,0.

Получен препарат инулиназы с удельной активностью 520,7 ед/мг белка. С точки зрения биотехноологии особый интерес представляют такие важные физико-химические факторы среды, как активная кислотность и температура. Оптимальными условиями для действия инулиназы являются pH 7,0 и температура 40 °С.

Изучен ферментативный гидролиз инулина порошка топинамбура. Установлено, что оптимальными параметрами являются: pH 7,0, температура 40 °С, продолжительность 8 ч, гидромодуль 1:3 и дозировка инуло-полимексина 8 ед/г инулина (степень гидролиза инулина - 92,0 %).

Исследована возможность внесения в рецептуру пшеничного хлеба гидролизованного порошка топинамбура (ТУ 9164-00117912573-2001). Порошок топинамбура сохраняет все полезные свойства исходного сырья. Он содержит 72-77 % инулина, 7-7,2 % белко-

вых веществ, 10 % клетчатки, 1,1 % пектиновых веществ, 0,3-0,7 % жира, богат витаминами группы В, РР, р-каротина, макро- и микроэлементами. Белковый состав порошка топинамбура характеризуется разнообразием составляющих аминокислот, в том числе незаменимых.

При оптимизации рецептуры методом симплекс-решетчатого планирования эксперимента за единицу условно была принята сумма мучных компонентов: Х| - дозировка муки пшеничной 1-го сорта, %; Х2— количество муки пшеничной 2-го сорта, %; Х3 - содержание отрубей, %. Выходным параметром являлась пористость хлеба (У, %).

Получено уравнение регрессии, адекватно описывающее зависимость между пористостью и содержанием компонентов в хлебе:

У=1,782Х, + 94,827Х2 + 117,241 Х3 + 69,017Х, Х2-172,222 Х2 Х3 (18)

Выявлено, что оптимальными дозировками мучных компонентов хлеба следует считать: содержание муки пшеничной 1-го сорта X, = 84,0 %; 2-го сорта Х2 = 11,0 % и отрубей Х3= 5,0 %; дозировка полуфабриката из топинамбура в виде гидролизованного порошка топинамбура (гидромодуль 1:3) - 12,0 % (таблица 2).

Таблица 2 - Сравнительная характеристика показателей качества хлеба

Наименование Показатели качества хлеба

показателей Контроль Таловские просторы

Внешний вид: форма формового Соответствующая хлебной форме, в которой производилась выпечка, без боковых выплывов

подового Овальная, не расплывчатая, без притисков

поверхность Гладкая, без крупных трещин и подрывов

Цвет Светло-желтый Светло-коричневый

Вкус, запах Свойственный дан- Свойственный данному

ному наименованию наименованию изделии,

изделий, без посто- сладковатый с нежно

роннего привкуса и запаха выраженным вкусом топинамбура

Пористость мякиша, % 69,0±2,4 72,0±2,5

Кислотность мякиша, град 3,0±0,3 3,5±0,3

Объем хлеба, см" 502,0±15 535,0±16

Удельный объем, см7100 г 237±7 245±8

Н/Д 0,33±0,01 0,35±0,02

Массовая доля, % на СВ:

общих Сахаров 5,20±0,21 9.40±0,38

моносахаров 2,80±0,15 8,21±0,21

белковых веществ 6,9±0,32 7,5±0,39

Витамины, мг: В] 0,12±0,006 0,29±0,012

в2 0,08±0,003 0,21±0,008

РР 0,65±0,025 1,73±0,070

Удельный объем хлеба возрастает на 3,2-4,0 %. Увеличивается содержание белков, витаминов. Благодаря содержанию фруктозы вместо сахара-песка хлеб может быть рекомендован для диабетического питания.

Показано, что введение в состав жидкой ржаной закваски гид-ролизованного порошка топинамбура способствует интенсификации процесса газообразования, кислотонакопления, которые, определяются ходом спиртового брожения в результате жизнедеятельности дрожжей, а также - гетероферментативным молочнокислым брожением, связанным с деятельностью молочнокислых бактерий (рис. 9).

Гидролизованный порошок топинамбура обогащает питательную смесь усвояемыми углеводами, в большей степени фруктозой. Содержание редуцирующих веществ (РВ) в питательной смеси с применением 10,0-15,0 % гидролизованного порошка топинамбура составляет 8,2-9,5 %, что выше, чем в контрольном образце. Эти значения обусловливают интенсификацию биохимических и микробиологических процессов при сохранении симбиотических отношений между дрожжевыми клетками и молочнокислыми бактериями (рис. 10).

О 30 60 90 120 150 180 Продолжительность брожении, мин

Продолжительность брожении, мин

Рис. 9 Рис. 10

Динамика накопления кислотности и редуцирующих веществ в питательных смесях жидкой закваски: 1 - без заварки; 2-е применением заварки; 3, 4, 5 - без заварки с внесением 5, 10 и 15 % гидролизованного порошка из топинамбура

Годовой экономический эффект от внедрения 1 т хлеба Таловские просторы по сравнению с контролем составит 150,38 тыс. р.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основании системного подхода проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых разработаны энергоэффективные технологии получения ферментного препарата инулиназы Bacillus pofymyxa 29 (Пат. РФ № 2480520, № 2484129).

2. Экспериментально-статистическими методами получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс ультрафильтрации инулиназы бактерий Bacillus pofymyxa 29. Определены рациональные технологические режимы ультрафильтрационной установки, обеспечивающие минимум удельных энергозатрат на прокачку раствора и максимум расхода, массовой доли СВ и активности инулиназы Bacillus pofymyxa 29 в концентрате на выходе из мембраны: Хх = 6,5—7,5 %; Х2 = 37-39 ед/см3; Хъ = 100-230 кДа; X, = 0,023-0,027 м3/с.

3. Разработан мембранный аппарат с неустановившейся гидродинамикой (положительное решение по заявке № 2012127526 от 25.09.2013), обеспечивающий низкий уровень концентрационной поляризации на поверхности полупроницаемой мембраны за счет постоянного изменения во времени гидродинамического режима в мембранном канале переменного сечения трубчатого мембранного модуля.

4. Изучены кинетические закономерности периодического процесса вакуум-сублимационной сушки ферментного препарата инулиназы Bacillus pofymyxa 29 и предложен алгоритм выбора оптимальной загрузки сублиматора по минимальной величине удельных энергозатрат.

5. Разработана математическая модель нестационарного процесса десублимации при вакуум-сублимационной сушке, позволяющая прогнозировать изменение толщины десублимата и коэффициента теплообмена во времени на межфазной поверхности десублиматора.

6. Предложен алгоритм управления биотехнологией ферментного препарата инулиназы Bacillus pofymyxa 29 на базе парокомпресси-онного теплового насоса, обеспечивающие повышение энергетической эффективности совместно протекающих процессов культивирования, ультрафильтрации и вакуум-сублимационной сушки.

7. Получен препарат инулиназы с активностью 1315-1325 ед/г. Исследован процесс кислотной и термической инактивации препарата. При 40 °С и pH 7,0 активность фермента за 120 ч снижалась на 25,0 % и на 55,0 % при pH 6,0. Установлены оптимальные параметры ферментативного гидролиза инулина порошка топинамбура: pH 7,0, температуру 40 °С, продолжительность 8 ч, гидромодуль 1:3 и дозировка инулопо-лимексина 8 ед/г инулина.

8. Предложен способ приготовления жидкой закваски с внесением в питательную смесь 10-15 % гидролизованного порошка топинамбура, позволяющий интенсифицировать биохимические процессы при созревании и улучшить показатели качества закваски.

9. Оптимизирована рецептура хлеба диабетического назначения с внесением в рецептуру гидролизованного инулина порошка топинамбура и отрубей пшеничных диетических. В установленном порядке разработан и утвержден пакет нормативно-технической документации на хлеб Таловские просторы (РЦ, ТИ, ТУ 9113-015-00492894-2013).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Шевцов A.A. Выбор оптимальной загрузки сублиматора по величине удельных энергозатрат при вакуум-сублимациошюй сушке ферментного препарата инулиназы [Текст] / АА. Шевцов, И.В. Мажулина // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2012. - №1. - С. 16-21.

2. Мажулина И.В. Применение ферментных препаратов в технологии жидкой закваски [Текст] / И.В. Мажулина, A.A. Шевцов, Т.Н. Тертычная // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. - 2012. -№2 (33).-С. 203-206.

3. Дерканосова Н.М. Интенсификация биохимических процессов при брожении жидкой закваски [Текст] / Н.М. Дерканосова, Т.Н. Тертычная, И.В. Мажулина // Хлебопродукты. - 2013. - №1. - С.58-60.

4. Шевцов A.A. Математическое обеспечение процесса культивирования микроводоросли Spirulina в фотобиореакторе пленочного типа [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранников, Н.Ю. Ситников, A.B. Пономарев, И.В. Мажулина // Биотехнология. — 2013. - № 2. — С. 87-94.

5. Шевцов A.A. Управление энергоэффективной технологией получения ферментных препаратов на базе парокомпрессионного теплового насоса [Текст] / A.A. Шевцов, И.В. Мажулина // Автоматизация и современные технологии. - 2013. -№ 7. - С. 9-14.

6. Шевцов A.A. Математическая модель десублимации при вакуум-сублимационной сушке [Текст] / A.A. Шевцов, Ю.Н. Золотарев, И.В. Мажулина // Известия вузов. Пищевая технология. - 2013. - № 4. - С. 93-95.

7. Шевцов A.A. Выбор рациональных параметров процесса ультрафильтрации инулиназы Bacillus polymyxa 29 [Текст] / A.A. Шевцов, А.И. Ключников, A.B. Дранников, И.В. Мажулина // Хранение и переработка сель-хозсырья. - 2013. - № 7. - С. 30-33.

8. Дерканосова Н.М. Исследование процесса созревания жидкой закваски [Текст] / Н.М. Дерканосова, Т.Н. Тертычная, И.В. Мажулина // Хлебопродукты. - 2013. - № 11. - С.44-45.

9. Черемушкина И.В. Эксергетический анализ инновационной технологии культивирования микробных продуцентов ферментов [Текст] / И.В. Черемушкина, О.С. Корнеева, А.А Шевцов, И.В. Мажулина // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий.-2013.-№3 (57).-С. 168-177.

Патенты на изобретении

10. Пат. 2458980 Российская Федерация, МПК7 С 12М 1/00, С12М 1/06, B01D 3/32. Аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов [Текст] / Шевцов A.A., Дранников A.B., Ситников Н.Ю., Пономарёв A.B., Ма-жулгага И.В.; заявитель и патентообладатель Вороне;::, гос. технол. акад. (RU). -№ 2011126828/10; заявл. 29.06.2011; опубл. 20.08.2012; Бюл. № 23.

11. Пат. 2480520 Российская Федерация, МПК7 С 12М 1/02, С12М 1/36, F26B 5/06. Способ управления процессами получения н сушки ферментных препаратов [Текст] / Шевцов A.A., Мажу липа И.В., Тертычная Т.Н.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. (RU). - № 2011140150/06; зачвл. 03.10.2011; опубл. 27.04.2013; Бюл. № 12.

12. Пат. 2484129 Российская Федерация, МПК7 С 12М 1/00, C12N 1/00, С I2M 1/36. Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов [Текст] / Корнеева О.С., Шевцов A.A., Черемушкина И.В., Мажулина И.В., Черен-коз Д.А.; заявитель и патентообладатель Воронеж, юс. универ. инженерных техиол. 2012118115/10; заявл. 03.05.2012; опубл. 10.06.2013; Бюл. № 16.

13. Мембранный аппарат с неустановившейся гидродинамикой / Ключников А.И., Шевцов A.A., Мажулина И.В. // Положительное решение по заявке № 2012127526 от 25.09.2013.

Статьи н материалы конференций

14. Шевцов A.A. Использование инулиназы в производстве диетических продуктов питания [Текст] / A.A. Шевцов, И.В. Тертычная (И.В. Мажулина), Т.Н. Тертычная // Состояние, проблемы и перспективы производства и переработки с.-х.-ной продукции: Материалы международ, научно-практической конференции, посвященной 10-летию факультета пищевых технологий, 29-30 марта 2011 г. - г. Уфа, 2011. - С. 355-357.

15. Шевцов A.A. Методология выбора оптимальных решений сублимационной сушки ферментного препарата инулазы Aspergillus awamori 2250 [Текст] / A.A. Шевцов, И.В. Мажулина // Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах: материалы междунар. научно-технической интернет-конференции, посвященной 50-летию кафедры «Процессы и аппараты химических и пищевых производств», 27-28 сентября 2011 г. - г. Воронеж, 2011. - С. 230-234.

16. Мажулина И.В. Особенности сушки ферментных препаратов [Текст]/ И.В. Мажулина, A.A. Шевцов, Т.Н. Тертычная, Е.Е. Курчаева, Е.Е. У хина // Современные технологии в науке: новый взгляд: сб. науч. трудов по материалам междунар. заоч. научно-практ. конф., 29 ноября 2011г.: в 9 частях. 4.6. - г. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество, 2011. - С. 98-99.

17. Сысоева М.Г. Перспективы использования сырьевых ресурсов АПК в производстве жидких заквасок [Текст] / М.Г. Сысоева, И.В. Мажулина // Инновационные технологии и технические средства для АПК: материалы Всерос. научно-практ. конф. молодых ученых и специалистов, посвященной 100-летию Воронеж, госуд. аграрного университета им. К.Д. Глинки, 28-29 ноября 2011 г. - г. Воронеж, 2011. - С. 65-67.

18. Шевцов A.A. Алгоритм управления фотобиореактором [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранииков, И.В. Мажулина, Е.А. Дятлова // Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности: Сборник материалов I Междунар. научно-практ. конф., 20-22 ноября 2012 г. - Краснодар: Изд. КубГТУ, 2012. - С. 31-34.

19. Шевцов A.A. Управление процессом культивирования микроводорослей в биореакторе пленочного типа [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранников, Н.Ю. Ситников, И.В. Мажулина // Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям: материалы междунар. научно-практ. конф.: В 3 ч. Ч.З. - Воронеж: Вор. гос. ун-т инж. техн., 2012. - С. 48-50.

20. Мажулина И.В. Использование инулиназы в рецептурах хлеба лечебно-профилактического назначения [Текст] / И.В. Мажулина, A.A. Шевцов, С.Ф. Яковлева // Биотехнология. Взгляд в будущее: Материалы II междунар. виртуальной Интернет-конференции, 26-27 марта 2013 г. / Сервис виртуатьных конференций Pax Grid; сост. Синяев Д. Н. - Казань: ИП Синяев Д. Н., 2013. - С. 199-200.

21. Мажулина И.В. Разработка рецептуры хлеба диабетического назначения с применением топинамбура [Текст] / И.В. Мажулина // Производство и переработка с.-х.-ной продукции: менеджмент качества и безопасности: Материалы II научно-практ. конф., посвященной 100-летию ВГАУ и 20-летию образования факультета технологии и товароведения, 24-26 апреля 2013 г. — Воронеж: ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ. - 4.1. - С. 258-259.

22. Мажулина И.В. Исследование глубинного культивирования инулиназы Bacillus polymyxa 29 для применения в технологии хлеба диабетического назначения [Текст] / И.В. Мажулина, С.Ф. Яковлева, И.Н. Абрамова // Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития АПК: материалы междунар. научно-практ. конф. в рамках XXII Международной специализированной выставки «АгроКомплекс-2013», 12-15 марта 2013 г. — Ч. II. — г. Уфа: Башкирский ГАУ, 2013. - С. 59-60.

23. Шевцов A.A. Биотехнология порошкообразных ферментных препаратов как объект управления [Текст] / A.A. Шевцов, И.В. Мажулина // Материалы LI отчетной научн. конф. за 2012 год: В 3 ч. 4.1. - С. 171.

24. Шевцов A.A. Исследование процесса ультрафильтрации инулиназы бактерий Bacillus polymyxa 29 методами планирования эксперимента [Текст] / A.A. Шевцов, А.И. Ключников, И.В. Мажулина // Материалы LI отчетной научн. конф. за 2012 год: В 3 ч. 4.2. - С. 29-30.

Подписано в печать 21.1 і. 2013. Формат60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 245

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи 04201455671 р //

МАЖУЛИНА Инна Вячеславовна

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРМЕНТНОГО ПРЕПАРАТА ИНУЛИНАЗЫ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальности: 05.18.12 - Процессы и аппараты

пищевых производств 05.18.01 - Технология обработки, хранения и

переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный изобретатель Российской Федерации, доктор технических наук, профессор А. А. Шевцов

Воронеж-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................5

Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии

как системы процессов при получении ферментных препаратов.... 12

1.1. Способы получения ферментных препаратов......................................................12

1.2. Баромембранное разделение культуральных жидкостей как предначальная стадия вакуум-сублимационной сушки при получении порошкообразных ферментных препаратов......................................................................21

1.2.1. Математическое описание барамембранного разделения 22

1.2.2. Конструкции устройств баромембранного разделения и тенденции их совершенствования............................................................................26

1.3. Теория и техника вакуум-сублимационного обезвоживания ферментных препаратов........................................................................................................................35

1.3.1. Моделирование процесса вакуум-сублимационной сушки 37

1.3.2. Способы управления процессом вакуум-сублимационной сушки..................................................................................................................................................48

1.4. Выбор инулиназы в качестве объекта исследования........................53

1.5 Практическое применение инулиназ................................................................57

1.6 Цель и задачи исследований................................................................................63

Глава 2. Объекты и методы исследований..................................................................66

2.1 Объекты и исследований и схема проведения

экспериментов..............................................................................................................................................66

2.2 Методы определения активности ферментов............................................68

2.3 Культивирование бактерий Bacillus polymyxa 29..................................69

2.4 Сырье, применявшееся в работе..........................................................................73

2.5 Методика приготовления теста, выпечки и анализ качества полуфабрикатов и хлебобулочных изделий........................................................74

2.6 Статистическая обработка результатов..........................................................77

Глава 3 Экспериментально-статистические методы исследования

процесса ультрафильтрации инулиназы Bacilluspolymyxa 29..............78

3.1. Выбор рациональных параметров процесса ультрафильтрации инулиназы Bacillus polymyxa 29........................................................................78

3.2. Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов 81

3.3. Оптимизация процесса ультрафильтрации..............................................87

3.4. Разработка конструкции мембранного аппарата................................89

Глава 4. Экспериментальные и аналитические исследования процесса вакуум-сублимационной сушки ферментных препаратов..........96

4.1. Исследование кинетики вакуум-сублимационной сушки 96 ферментного препарата инулиназы.......................................

4.2. Выбор оптимальной загрузки сублиматора по величине

удельных энергозатрат...................................................... 101

4.3 Математическая модель процесса десублимации при вакуум-сублимационной сушке.......................................... 107

Глава 5 Энергоэффективные биотехнологии получения ферментных препаратов............................................................. 115

5.1. Управление энергоэффективной биотехнологией получения ферментных препаратов на базе парокомпрессионного теплового насоса....................................................................... 115

5.2 Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов с применением пароэжекторного теплового насоса.................. 124

5.3. Эксергетический анализ энергоэффективной биотехнологии порошкообразных ферментных препаратов........................... 137

Глава 6 Физико-химические свойства и практическое применение инулиназы Bacillus polymyxa 29.......................................... 151

6.1 Исследование кислотной и термической инактивации инулиназы Bacillus polymyxa 29........................................... 151

6.2 Изучение ферментативного гидролиза инулина топинамбура

инулиназой Bacillus polymyxa 29......................................... 156

6.3 Получение порошка из топинамбура и применение его

в пищевой промышленности.............................................. 158

6.4 Оптимизация рецептуры хлеба повышенной пищевой ценности с использованием гидролизованного порошка топинамбура 162

6.5 Исследование биохимических процессов при созревании жидкой закваски с внесением гидролизованного порошка топинамбура........................................................................ 172

6.6 Социальный и экономический эффект от использования инулиназы Bacillus polymyxa 29 в технологии хлебобулочных изделий повышенной пищевой ценности............................... 180

Основные выводы и результаты................................................... 183

ЛИТЕРАТУРА................................................................................. 185

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................

Приложение А. Документация интеллектуальной...........................

собственности........................................................................

Приложение Б. Нормативно-техническая документация, акт производственных испытаний..........................................................

Приложение В. Диплом участника выставки, диплом участника конференций.........................................................................

Введение

Актуальность проблемы. Основами государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 г. ставится задача модернизации и интенсификации перерабатывающей промышленности с целью обеспечения продовольственной безопасности страны за счет развития фундаментальных исследований в области современных биотехнологических способов получения продукции повышенной пищевой ценности с новыми функционально-технологическими свойствами.

Одним из перспективных направлений совершенствования процессов переработки растительного сырья является биоконверсия с использованием ферментных препаратов, применение которых позволяет существенно изменить, интенсифицировать и усовершенствовать существующие технологии хлебобулочных изделий как систему энергоэффективных процессов. Этому направлению посвящены работы Аксеновой JIM., Богатыревой Т.Г., Гинзбурга А.Г., Черных В .Я., Пономаревой Е.И., Дерканосовой Н.М., Зубченко A.B., Корячкиной СЛ., Кузнецовой Е.А., Кузнецовой Л.И., Магомедова Г.О., Матвеевой И.В., Нечаева А.П., Николаевой В.А., Пащенко Л.П., Пучковой Л.И., Рослякова Ю.Ф., Савенковой Т. В., Цыгановой Т.Б., Lees, R. и других.

Однако в научно-технической литературе отсутствуют научно обоснованные подходы к использованию фермента инулиназы Bacillus polymyxa 29 для получения биомодифицировнных продуктов с заданными технологическими свойствами и их использование в технологии хлебобулочных изделий повышенного качества и пищевой ценности.

Инулиназа способствует превращению растительного полимера инулина в практически чистую фруктозу, или фруктоолигосахариды. Инулин накапливается как резервный полисахарид в таких сельскохозяйственных культурах, как, артишок, цикорий, топинамбур, якон и др. Фруктоза становится все более востребованной в пищевых технологиях как более безопасная для здоровья

человека альтернатива сахарозе, которая способствует возникновения атеросклероза, ожирения, кариеса и диабета.

Гидролиз инулина до фруктозы кислотным способом имеет ряд существенных недостатков, что повышает интерес к микробным инулиназам и их применению [2].

Использование инулиназ открывает широкую перспективу получения чистых фруктозных сиропов непосредственно из растительного сырья, из инулина, а не из крахмала. Выход фруктозы достигает 90-95 %. Коэффициент сладости фруктозы выше, по сравнению с сахарозой в 1,73 раза, фруктоза значительно лучше растворяется в воде.

Следующее важное направление применение микробных инулиназ — это получение фруктоолигосахаридов из инулина, которые по последним данным обладают более высокой пребиотической активностью, чем высокомолекулярный инулин.

Особое место в биотехнологических процессах пищевой технологии отводится мембранному разделению жидких сред с возможностью их концентрирования при обычной температуре без термического воздействия на их физиологическое и химическое состояние.

К сожалению, исследования в этой области ведутся разрозненно, по краткосрочным программам, на недостаточно совершенной технической базе. Из-за несовершенства баромембранной техники не всегда ультрафильтрация культуральной жидкости перед вакуум-сублимационной сушкой позволяет в полной мере удалить низкомолекулярные белки, повысить содержание сухих веществ (СВ) и активность фермента.

Современные тенденции в развитии теории вакуум-сублима-ционной сушки подготовили условия для научного подхода к созданию новых энергоэффективных технологий ферментных препаратов (ФП) при наиболее рациональных с энергетической точки зрения схемах подключения компрессорно-холодильных установок с использованием важнейших принципов энергосбе-

режения и охраны окружающей среды. Теоретические основы тепломассообмена в процессах вакуум-сублимационной сушки и их аппаратурное оформление отражены в работах A.B. Лыкова, A.C. Гинзбурга, A.A. Гухмана, Э.И. Гуйго, Б.П. Камовникова, Г.В. Семенова, И.Т. Кретова, С.Т. Антипова, С.В.Шахова, Э.И. Каухчешвили, А.П. Лебедева, А.З. Волынец, В.Г. Поповского и др., а также зарубежными учеными - Е.В. Флосдорфа, А.Я. Эддома, Р. Харрисома, Г. И. Сандерленда и др.

Недостаточное изучение общих закономерностей совместно протекающих процессов культивирования, ультрафильтрации и вакуум-сублимационной сушки ферментных препаратов сдерживает разработку и использование новых, перспективных технологий, позволяющих интенсифицировать все ее стадии с рациональным использованием энергетического потенциала и обеспечением высокого качества получаемого продукта. Существующие в настоящее время способы производства ферментных препаратов, зачастую, не используют вторичные энергоресурсы, что не позволяет существенно повысить экономичность протекающих процессов. Поэтому разработка и использование универсальных подходов для анализа и поиска решений по повышению эффективности способов производства ферментных препаратов является актуальной задачей.

Научная работа проводилась в рамках Федеральных целевых научно-технических программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в соответствии с тематическим планом НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна ВГУИТ (№ гос. регистрации 01201253866) «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологических чистых технологий хранения и переработки с.-х.-ного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по направлению «Экологически безо-

пасные ресурсосберегающие производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» (№ гос. регистрации П 1201).

Научные положения, выносимые на защиту:

- комплекс проблемно-ориентированных методов анализа и принятия решений, включающих структуризацию процессов в энергоэффективной технологии получения ферментного препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29 с использованием тепловых насосов;

- концептуальный подход к созданию инновационных биотехнологий, техники и способов управления процессами культивирования, ультрафильтрации и вакуум-сублимационной сушки ферментных препаратов;

- научно обоснованные способы энергосбережения за счет рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов и замкнутых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам;

- результаты моделирования процессов ультрафильтрации и десублимации в процессе вакуум-сублимационной сушки;

- принципы выбора рациональных режимов процессов, способствующих снижению удельных энергетических затрат, повышению производительности и качества ферментных препаратов;

- методологический подход к созданию системы автоматической оптимизации технологии по технико-экономическому показателю, обеспечивающей экономию материальных и энергетических ресурсов;

- новая рецептура хлеба диабетического назначения повышенной пищевой ценности.

Научная новизна. Разработана статистическая модель процесса ультрафильтрации инулиназы бактерий Bacillus polymyxa 29, в которой в качестве критериев оптимизации использованы такие важные показатели, как удельные энергозатраты; расход, массовая доля СВ и активность инулиназы в концентрате на выходе из мембраны.

Установлены кинетические закономерности процесса вакуум-сублима-

ционной сушки ферментного препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29.

Решена математическая модель нестационарного процесса десублима-ции при вакуум-сублимационной сушке ферментных препаратов, позволяющая прогнозировать изменение толщины десублимата и коэффициента теплообмена во времени на межфазной поверхности десублиматора.

Предложен алгоритм управления биотехнологией получения ферментных препаратов на базе парокомпрессионного теплового насоса, обеспечивающий повышение энергетичекой эффективности совместно протекающих процессов ферментации и вакуум-сублимационной сушки.

Выполнен эксергетический анализ и проведена оценка термодинамического совершенства технологии получения ферментного препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29 как системы процессов.

Получены новые данные по кислотной и термической инактивации инулиназы Bacillus polymyxa 29. Установлены закономерности ферментативного гидролиза инулина топинамбура.

Научно обоснована целесообразность применения ферментного препарата инулополимексина в технологии жидких ржаных заквасок.

Решена задача выбора оптимальной рецептуры хлеба диабетического назначения повышенной пищевой ценности с добавлением отрубей и гидро-лизованного порошка топинамбура.

Практическая ценность. Разработаны энергоэффективные технологии получения ферментных препаратов с использованием парокомпрессионного (Пат. РФ № 2480520) и пароэжекторного (Пат. РФ № 2484129) тепловых насосов (приложение А).

Определены рациональные интервалы изменения технологических режимов процесса ультрафильтрации культуральной жидкости ферментного препарата инулиназы Bacillus polymyxa 29.

Разработана конструкция мембранного аппарата с неустановившейся гидродинамикой (положительное решение по заявке № 2012127526 от 25.09.2013).

Определена оптимальная загрузка сублиматора по минимальной величине удельных энергозатрат при ограничениях на производительность вакуум-сублимационной сушилки по высушенному препарату.

Установлены оптимальные режимы приготовления жидкой закваски с применением гидролизованного порошка топинамбура, позволяющие интенсифицировать процессы накопления диоксида углерода и кислотонакопления при созревании полуфабриката в условиях исключения стадии заваривания муки и осахаривания заварки.

Разработана рецептура и технология хлебобулочных изделий с применением ферментного препарата инулополимексин, позволяющие повысить пищевую ценность продукции, улучшить показатели ее качества, расширить ассортимент изделий диабетического действия.

Разработан и утвержден в установленном порядке пакет нормативной документации на новый сорт хлеба: хлеб Таловские просторы (РЦ, ТИ, ТУ 9113-007-00492894-2013, приложение Б).

Реализация результатов работы. Экономическая и технологическая целесообразность, социальная значимость предложенной рецептуры хлеба диабетического назначения подтверждена ее промышленной апробацией.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует п. п. 1, 2 и 4 паспорта специальности 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств и п. п. 3, 4, и 9 специальности 05.18.01 — Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных, всероссийских научно-практических конференциях и семинарах (Уфа, 2011), (Воронеж, 2011—

2013), (Мичуринск, 2011), (Тамбов, 2011), (Краснодар, 2012), (Казань, 2013), (Уфа, 2013), отчетных научных конференциях ВГУИТ (Воронеж, 2011-2012).

Результаты работы отмечены дипломами участника выставки (приложение В) «Воронежский АПК сегодня» (2012), «Воронежагро» (2