автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.13, диссертация на тему:Разработка мембранной технологии концентрированного свекольного сока

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

АДНАН КИВАН

УДК 664.126.1.037

РАЗРАБОТКА МЕМБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО СВЕКОЛЬНОГО СОКА

Специальность 05.18.13.—технология консервированных пищевых продуктов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1293

Работа выполнена на кафедре ничевок биотехнологии и кон-серлироЕЯГпы Всероссийского института пищевой промышленности.

НаушЕй руководитель: академик Академии технологических наук России, доктор химических наук, профессор Б.Н,ГОЛУБЕВ

Официальные ошоненты: доктор технических наук, профессор В.Г.Кавецкай

кандидат "технических на^к И.Л.Кесельман

Ведущее предприятие: Одесский консеррный завод

Защита состоится 4 Т* " • 19э| г. э ^ час

КГ' заседании огч^аагызиро ванного Совета К.Ой.45.04 при Во&российсксм ¡шстет^г шпцввой промышленности по адресу: 103303, г.Шсква, Зе'сето* вал, 73,ШШ.

С диссертацией мсзно ознакомиться б библиотеке ЕИШ.

Автореферат разослан " ( " 19Ж г.

Ученч": секретарь Спеьдалиаированного Совета, кандидат технических наук,

доцент И.Д.Езлоусова

ВЕШНИЕ

Решая задачи улучшения структуры питания населения црихо-дится расширять круг вопросов, которые требуют дополнительных исследований состояния .технологии производства как новых, так и традиционных продуктов питания. Перед пищевой промышленностью, являющейся составной частью агропромышленного комплекса, ставится задача расширить ассортимент продукции и повысить ее качество, увеличить производство продуктов дая детей, диетических продуктов и обогащенных витаминами, белками и другими биологически активными компонентами. При этом отмечается, что решение этих задач должно проходить по линии внедрения в промышленность црогрессивных и ресурсосберегающих технологий.

В настоящее время сформировалось ноюе направление в науке и технике - мембранная технология, которая объединяет процессы разделения и получения веществ, основанные на применении синтетических полимерных мембран. Специалисты считают, что применение мембранной технологии в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса может значительно упростить традиционные технологические процессы, повысить эффективность переработки растительного сырья, а также получить пищеше продукты .с новыми функциональными и вкусовыми качествами

Отличительной особенностью мембранных процессов, представляющей особы! интерес для пищевой промышленности, является то, что они протекают без фазовых изменений пищевых сред при низких трудо- и энергозатратах и при температуре окружающей среды

Пищевая промышленность Арабской республики Сирия развивается быстрыми темпами в соответствии с планами перспективного развития и укрепления государственного сектора народного хозяйства страны, цри этом важное значение придается расширению ассортимента продуктов из традиционного овощного сырья,.в частности, свеклы столовой красной

В соответствии с этим целью настоящей работы являлась разработка мембранной технологии концентрированного свекольного сока и биохимическая оценка влияния стадии ультрафильтрации

и обратноосмотического концентрирования на пище чую ценность конечного продукта.

Научная новизна работы состоит в установлении взаимосвязи между основными факторами стадий ультрафильтрации и гиперфильтрации (перепад давления, скорость потока, температура, состав свекольного сока) и показателями пищевой ценности концентрированного продукта. На основании описания процесса массопереноса цри ультрафильтрации системой регрессионных уравнений решена задача оптимизации многопараметрового процесса ультрафильтрационного осветления сока. Предложена методика расчета ультрафильтрационного аппарата непрерывного действия и способ стилизации пигментов концентрированного свекольного сока.

Практическая ценность работы. На основании проведенного комплекса систематических исследований предложен и внедрен двухстадаЁный метод мембранной обработки свекольного сока с использованием отечественных мембранных элементов для получения свекольных концентратов - полуфабрикатов цри получении пищевых беталалновых гасителей и лечебно-профилактических напитков.

Разработана и утверждена нормативно-техническая документация (ТУ, ТИ) на полученный продукт "Сок свекольный концентрированный" .

Аппобапия работы.

Основные положения диссертации доложены на:

- Всесоюзной научной конференции "проблемы влияния тепловой обработки на шщеную ценность продуктов питания" (Харьков, 1990 г.);

- Всесоюзной научно-практической конференции по актуальным проблемам лечения пищевыми факторами (Сочи, 1990 г.);

- У1 Межреспубликанском семинаре по мембранам и мембранной технологии (Киев - Одесса, 1990 г.);

- ьи^йг-^аЛ ^М^х^^ло <34/

- 1У Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка комбинированных продуктов питания" (Кемерово, 1991 г.);

- Межреспубликанской научно-практической конференции "Совершенствование холодильной техники и технологии дая эффек-

тивного хранения и переработки сельскохозяйственной продукции" (Джубга, 1992 г.).

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 5 научных: сообщений.

Объем структура работы. Диссертация изложена на 127 страницах машинописного текста, 23 рисунках и 15 таблицах. Состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы, включающего 131 наименование отечественных и зарубежных авторов и 4 приложений.

На защиту выносится:

- результаты исследований двухступенчатого мембранного процесса концентрирования свекольного сока;

- результаты технологических, физико-химических, биохимических и мшфобиологических исследований свекольного сока высоких концентраций;'

■ - обоснование технологической схемы концентрированного свекольного сока с баромембранными стадиями осветления и сгущения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, ее научное и практическое значение.

В первой главе приведен анализ литературных'источников по пищевой ценности свеклы и овощных продуктов, рассмотрены современные аспекты и роль соков в питании людей. На основе литературных данных, .касающихся процессов мембранного разделения яидких пищевых сред, областей применения мембранной техники и оборудования показаны пути совершенствования технологических схем производства пищевых продуктов с применением мембран, показаны их основные преимущества перед известными традиционными метода™.

На основании анализа сведений, приведенных в данной главе, обоснованы и сформулированы цель и задача исследований настоящей работы.

Во второй главе приведены методика и техника проведения процессов ультрафильтрации и обратного осмоса. Данн основные показатели используемых мембранных материалов ультрафильтров

фирмы "Едадипор" типа УМ, УШ-П, МГА и 01Ш-К, трубчатые ультрафильтры БТУ-05/2 производства ПО "Тасма".

Приведена характеристика объектов исследования, изложены методы технохимического, биохимического и микробиологического контроля свекольного сока и продуктов мембранной переработки, позволяющие оценить пищевую ценность концентратов свекольного сока.

Б третьей главе описывается процесс мембранной ультрафильтрации и гиперфшгьтрацш свекольного сока, факторы (температура, рабочее давление, скорость протока и т.д.) значимо влияющие на селективность и производительность мембранных процессов.

Исходя из полученных данных по влиянию диаметра средних пор мембран на проницаемость и селективность УФ-фильтров для работы были выбраны мембраны типа УАМ-300 и трубчатые элементы БТУ-05/2. Данные, показывающие влияние величин рабочего давления, скорости протока свежего свекольного сока, температуры и т.д. представлены на рис. I.

Проведенный комплекс исследований по влиянию основных факторов на массоперенос при ультрафильтрационном осветлении свекольного сока показал, что для оптимизации данного процесса в качестве параметров оптимизации необходимо выбрать цроницае-мость & , селективность & и безразмерную проницаемость

. Задача оптимизации определяется при нахождении влияния на эти параметры следующих факторов, рабочее давление д Р, скорость потока свекольного сока . , среднего размера частиц преимущественной фракции дисперсной твердой фазы сока , температуры и среднего диаметра лор УФ-мемб-

ран, т.е.

(I)

Исходя: из проведенного анализа факторов, оптимизация ультрафильтрационного процесса осветления свекольного сока сводится к решению следующей задачи:

]

£ * ^ (¿Р.и),^ ) % 101

тех

С 2)

Д Р, МЛа

0 1 а. к 0,6

- 7 -

¥ &

^

25 ^

^^2

>

/

6 А

ю 30 50 70 2-

Л

.О.н/с ъ

£

2. 4 6

4 - 2.- ЛСА-1 ; V

г л

200 4оО

1- УЛМ-500 ; 2- «М

2^0 ; и> =0.5 к/с

Рас. I. Влияние параметров процесса ультрафшгьтрации на производительность и селективность мембранного осветления свекольного сока I - рабочее давление; 2 - скорость протока сока; 3 - температура; 4 - дисперсный состав твердой фазы сока.

Оптимизация процесса ультрайЕчьтращюшгого осветления свекольного сока проводилась на установке с фильтрами БТУ-05/2.

Решэние систеш уравнений С 2) для определения максимальной производительности установки и соответственно стадии осветления свекольного сока даот следующие результаты:

Поверхность отклика для проницаемости трубчатого фильтра БТУ-05/2 показана на рас. 2.

При анализе влияния стадии ультрафшгьтрации на показатели химического состава свекольного сока, определяющие пищевую ценность конечного продукта Стабл.1) видно, что многие из них, в частности, величина рН, общая кислотность, содержание утле-аодов, пигментов, витаминов, минеральных веществ исходного не-освэтленного свекольного сока остается практически без изменения. т.е. получается высококачественный свекольный осветленный сок, который макет быть использован далее для стадии мембранного концентрирования, а такне как самостоятельный шпцевой про-

£ . Ю6 » 5,94 ыг*/с У в 0,98

при Р ** 0,38 МПа

= 3,2 м/с 43)

сС = 155.Ю6 м

•Г

дукт.

<? и

Рис, 2. Поверхность отклика для проницаемости трубчатого ультрафильтра" БТУ-05/2.

Таблица I

Химический состав коксплодов свеклы и свекольного сока

Показатели

1. Сухие вещества, %

2. Кислотность (ПО лимонной кислоте), %

3. рН

4. Сахароза, %

5. редуцирующие сахара,.$

6. Пектин, %

7. Клетчатка, %

8. Гемицеллюлоза, %

9. Витамины, т%

аскорбиновая кислота

тиамин

рибофлавин

никотиновая кислота

ниавдн

токоферол

^ -каротин

10. ЛиШ'Щы

ГГ. Азот С ^ « 6,25)

12. Органические гасло ты

13. Содержание золи, %

Объект

свекла свекольный сок

17,8 11,8

0,14 0,14

5,4 5,7

16,1 П,7

0,70 0,6

1Д 0,7

0,9 0,5

0,7 0,5

5,5 5,1

0,02 0,02

0,04 0,02

0,2 0,15

0,2 0,17

0,14 0,10

0,01 0,01

0,15 0,10

1,5 1,2

0,05 0,05

1,35 0,85

Способность используемых мембран задерживать микроорганизмы различных групп проверили на модельных взвесях бактерий, дрожжей и плесневых грибов. Были приготовлены суспензии Е>«с. тчаця«* - 3,6.Ю4 клеток в I см3, Cabete €¿fMZc.a 2,3.I04 клеток в I см3, взвесь спор P^vUci-ííu^ iLL. 24.8.I03 в I см3.

Исследования показали, что указанные мшфоорганизмы количественно задерживаются на используемых доя осветления свекольного coica ультрафильтрах БТУ-05/2.

Б дальнейшем нами было проведено исследование влияния основных факторов гиперфильтрации для мембран МГА-100 и ОШ-К на эффективность стадии обратноосмотического концентрирования осветленного свекольного сока. Полученные результаты представлены на рис. 3. Оценка показателей пищевой ценности полученного концентрированного свекольного сока приведена в'табл.2.

Свекла и получаемые из нее продукты обладают ярким красно-фиолетовым цветом, что обусловлено наличием 1фасящих веществ -беталаиновых пигментов. По содержанию пигментов этой группы свекла значительно превосходит все остальные растения, имеющие в совем составе беталаины.

Как видно из рис. 4, полное совпадение количества максимумов в спектрах свеяеотжатого свекольного сока и его ультрафильтрата концентрата свидетельствует об отсутствии качественного влияния УФ- и 00-мембрал на биохимический состав. Подтверждением этого является отсутствие смешения точек максимумов на щжвых поглощения.

Лппорастворимые пигменты столовой свеклы, в отличие от водорастворимых беталаинов, ранее црактически не были изучены.

В связи с разработкой новых видов консервной продукции на основе столовой свеклы и необходимостью учета состава липораст-воримых пигментов в технологии переработки сырья, мы впервые исследовали .содержание различных форм хлорофиллов и каротинои-дов корнеплодов двух технически важных сортов свеклы - Бордо и Носовская плоская.

Разделение пигментов на индивидуальные соединения осуществляли методом ТСХ.

с

г

6,0 3,о

1

/ [X

ч

л

Ри,

¿1 8 II

л- НГА-ЧОО 2 - ОПМ-К

с

6.0

3.0

У

/ И Г

^ с 80 б

4о 3

¿о ко 6о Яо

К ГА -юо др = 8,0 Мя, о,™ «/с

40

8 12

С 6,%

10 30

^ - НГА-ЮО ; 2-ОПН-«. : 0,1^ К/с

Рис. 3. Зависимость параметров обратноосмотического процесса концентрирования свекольного сока {проницаемость и селектишость) от факторов I - рабочее давление; 2 - скорость потока; 3 - температура, 4 - концентрация сухих ■ веществ.

Таблица 16

Биохимические Показатели пгёцевого качества свеклы и продуктов

ее- дереработкк

Продукты, способ получения Сухие вещества, Сахаров, % Кнацот-• но ста, Цветность., мг/мд- Число .аро-.мата, чиДООг Пектиновые вещества, % Азот, 6^.25 Полйфе-но^ов, Оксиметил фуШтоол, мг/100 г

реду- . 06- цирую- щнх щих сахарозы

ивккео шатий сок 5,6 3,7 4,1 0,4 0,32 0,07 140 0,27 0,65 1,5 —

Пермеат *

ультра&иль-трацией "5,5 3,6 4,1 0,4 0,32 0,025 50 0,10 0,30 0,7

обратным осмосом 0,2 - - - 0,013 - 18 - - - -

Ретентат

ультрафильтрацией "б,0 4,4 4,8 0,4 0,32 о.оэ 190 0,32 0,68 1,3 -

обратным осмосом 1 37,0 : [8,5 23,3 4,7 0,5? 0,10 1460 0,80 0,72 - 2,30

Концентрат свекольного сока мембранной технологией 30,0 21,7 ■гэ-,з 3,00 0,06 1420 2,30

.внпарива-.нкем 30,0 4,20 26,0 - 9,00 0,09 870 - - - 17,80

Содержание оценивали колориметрическим методом на основании поглощения в характеристических областях спектра и соответствующих молярных коэффициентов эвйтинкцяи С % от.общей массы):

Таблица 3

Пигмент "Бордо" "Носовская

плоская"

Хлорофиллы:

хлорофилл "а" 17,9 25,7

хлорофилл "в" 15,9 16,4

феофитин "а" 13,3 9,3

феофитин "в" • 4,7 6,0

феофорбид "а" 31,4 23,7

феофорбид "в" 16,8 18,9

Общее содержание, мг/кг 4,3 2,1

Каротиноиды:

фитоин 4,9 1,7

фитофлиин 4,3 1,2

рС -каротин 5,7 6,9

^ -карски 3,9 2,4

ликопин 2,4 5,0

лтатеин 54,8 57,3

виолаксантин 10,4 9,8

неоксантин 13", 6 15,7

Общее содержание, мг/кг 3,6 1,9

В составе каротиноидов обнаружено 8 представителей, среди которых превалировали ксантофиллы ( > 80 %). Особенно высоким было содержание лютеина, составившее более 50 % суммы всех каротиноидов.

В табл. 2-3 показано, что ультрафильтрация и обратный осмос позволяют получать концентрированный свекольный сок с содержанием сухих веществ 15-30 % с полноценным вкусом без термообработки и специальных установок для улавливания и возврата ароматических веществ. Благодаря низким температурам при осветлении и концентрировании исходные пищевые свойства и химический состав свеклы в соке в значительной степени сохраняются.

Кроме того, в концентрированном свекольном сове, полученном с использованием двухступенчатой мембранной схемы, содержание биологически активных компонентов исходного сырья в два раза больше, чем в продукте, полученном термическим способом концентрирования, что и послужило основанием для разработки холодного способа получения концентрированного свекольного сока, отсутствующего на данном этапе в консервной отрасли нашей страны.

Кроме этого с помощью предложенной двухступенчатой мембранной технологии концентрированного свекольного сока успешно решается и еще одна важная проблема.

Известно, что нитраты могут накашиваться во многих видах плодов и овощей (шпинат, салат, морковь, лук, картофель, капуста, огурцы, бахчевые культуры и др.). Однако, наибольшее их количество, как правило, содержится в свекле. Следует отметить, что проведенные нами исследования многих партий свекольного сырья показали, что содержание этих примесей на практике выше предельно допустимых норм, обычно, в 2-3 раза.

Весьма перспективным методом снижения нитратов в соках, концентратах и экстрактах свеклы является мембранное разделение. Так, согласно нашим данным, при получении концентрированного свекольного сока ( ~ 30 % сухих веществ) с помощью обратноос-мотического обезвоживания на мембранах МГА-90 шесте с пермеа-тои теряется 65-70 % нитрат-ионов.

Общая технологическая схема получения концентрированного свекольного сока показана на рис. 5.

Для выбора оптимальных условий расфасовки нами был проведен специальный эксперимент, при котором свекольный концентрат и осветленный сок были расфасованы в 0,5 л бутылки коричневого и зеленого цвета, а тайке в стеклянные и жестяные банки емкостью 0,5 л. Продукт стерилизовали по формуле SQji^SQ. 2,5'и хранили б темноте цри температуре 18. ..22 °С, pH продуктов был равен 5,0. Для характеристики 1фасящих веществ ежемесячно в течение года снимали спектрофотометрические кривые при разбавле-. нии сока водой в 20 раз, а концентрата в 50 раз-.

В течение хранения содержание бетанина уменьшилось во всех образцах. Однако, интенсивность разрушения бетанина очень сильно зависела от используемой тары. Наилучшие результаты оказались

при использовании 0,5 л стеклянной бутылки коричневого цвета. Б течение 6 месяцев хранения распаду подверглось немногим более 10 % бетанина. В бутылках зеленого цвета результаты оказались на 13 % хуже, чем в бутылках коричневого цвета. В стеклянных банках уровень сохранности бетанина составлял 50 % от образцов, хранившихся в коричневых бутылках.

Таким образом, расфасовку и хранение свекольного красителя и сока целесообразно проводить в бутылках из темного стекла коричневого цвета.

ВЫВОДЫ

1. На основе исследования закономерностей мембранных цро-цессов ультрафильтрационного осветления и обратноосмотического концентрирования разработана принципиально новая технологическая схема получения концентрированного свекольного сока с содержанием сухих веществ 30-35 %.

2. Установлены оптимальные численные показатели ультра-фыьтрационного процесса осветления свежеотжатого свекольного сока для трубчатых мембран типа БТУ-05/2 (Ф-1): рабочее давление - 0,4-0,6 МПа; скорость потока - 1,5-1,7 м/с; температура -35-45 °С.

■ При этих режимах селективность мембран по отношению к высокомолекулярным соединениям свекольного сока составляла: по пектину - 75-90 по белку - 80"-92 %; каротиноидам и липораст-воримым пигментам - 13-19 %.

3. Исследовано влияние параметров обратноосмотического процесса для мембран "Владипор" типа МГА и ОЛМ-К (давление -1,0-8,6 МПа; скорость протока - 0,1-0,5 м/с; температура - 2555 °С; режим процесса - 8 часов фильтрация / 0,5 ч регенерация; содержание сухих веществ в концентрате - 12-35 % и т.д.) на степень концентрирования осветленного свекольного сока и показатели его пищевой ценности.

4. Показано, что в концентрированном свекольном соке с содержанием сухих веществ 30-35 % количественно сохраняются витамины С С, группы В, Е и др.), органические кислоты и минеральные компоненты, водо- и липорастворимые пигменты.

Установлено, что в процессе двухступенчатого процесса концентрирования свекольного сока, исходное содержание нитра-

тов уменьшается на 65-78 %.

5. Изучено влияние стадии ультрасТжльтрадаи на количествен ный и качественный состав липо- и водорастворимых пигментов свегольного сока. Найдено, что в процессе ультрафильтрационного осветления уровень каротиноидов снижается на 8-10 %, а соде жание желтых и красных беталаиновых пигментов сока на 7-12 %, что служит дополнительным аргументом в пользу использования двухстадайного мембранного процесса в технологии концентрированного свекольного сока.

6. Разработана и утверждена нормативно-техническая документация 4технологическая инструкция и технические условия) на продукт "Сок свекольный концентрированный", по которой на Одесском консервном заводе в 1991-92 гг. выработано 1200 тонн продукта.

Материалы диссертации опубликованы в следующих' работах.

1. Киван Дцнал, Ях:ъя Салех, Голубев В.Н. - Оптимизация процесса концентрирования плодо-овощных соков и оценка их качества при длительном хранении // Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции "Технический уровень предприятий перерабатывающей промышленности Госагропрома УССР и качество выпускаемой продукции", Киев, УкрЕШНТИ, 1989 г.,

с.17.

2. Голубев В.Н., Киван Дцнан. - Внедрение широкого ассортимента продуктов лечебно-профилактического действия как путь к снижении уровня профзаболеваний // Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции по актуальным проблемам лечения пищевыми факторами, Сочи, 1990, с.127-128.

3. Киван Дцнан, Алтуханов Ф.Р., Голубев В.Н. - Теплофи-зические характеристики концентрированных соков и выбор-условий их хранения // Тезисы докладов Всесоюзной науч.'конф. "Проблемы влияния тепловой обработки на пищевую ценность проду тов питания. - Харьков, 1990 г., с.281-282.

4. Голубев B.II., Киван Дцнан. - Мембранная обработка свекольного сока. Пищевая промышленность, 1992, J3 10, с.31-32.

5. G-o&t&ev \Л, A.tToi>o€ Ст. - &i'oi«_<»ct5i /[ Ръо с. ■ *>*> C-lw.«. ß-e-^Y^, 4S92, V3, />.4*1-'

S. Голубев В.Н., Киван Дцнан, Колесник A.A. - Пигменты столовой свеклы и пути их промышленной переработки. Деп.рукопись в ВИНИТИ,- :»I., 1992, JJ 1431-92, - 37 с.

ТЕПЛОВОЙ УДАР нагрев - 80-85°С Охлаадение - t =35-40 С иСВЖГЛНШЕ НА МЕМБРАННОМ-.ФИЛЬТРЕ БТУ-0,5/2

КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ

ОБРАТКООСШТИ- Н»-]

ЧЕСКОЕ НА УГ0С-1М

£ - 45-55°С

ФАСОВАНИЕ, УКУШРШНИЕ, ОаОРШЕШШ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ

Рис. 22. Технологическая схема производства сока свекольного концентрированного'

сл