автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии экстрагирования биологически активных веществ при производстве кофе натурального растворимого с применением ультразвука

9 15-5/1094

На правах рукописи

Герасимов Дмитрий Владиславович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОФЕ НАТУРАЛЬНОГО РАСТВОРИМОГО С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

Специальность 05.18.07 - Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Сучкова Елена Павловна

Официальные оппоненты: Глотова Ирина Анатольевна

доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет им. Императора Петра I», заведующая кафедрой технологии переработки животноводческой продукции

Пилипенко Татьяна Владимировна

кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный торгово-экономический

университет»,

профессор кафедры экспертизы

потребительских товаров

Ведущая организация: ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский

государственный экономический университет»

Защита состоится «18» ноября 2015 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.227.09 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9., ауд. 2219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан «12» октября 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Важной задачей пищевой промышленности является максимальное извлечение компонентов из сырья при производстве пищевых продуктов.

Наиболее ценными компонентами большинства пищевых сырьевых ресурсов являются биологически активные вещества (БАВ). Они представляют собой химические соединения, которым свойственна высокая физиологическая активность. БАВ способны оказывать положительное действие на человека даже при небольших концентрациях. Оно может выражаться в стимулировании работы мозга, тонизировании организма, а также способствовать концентрации внимания.

Наиболее известным российскому потребителю продуктом с содержанием биологически активных веществ является кофе. Чтобы при производстве пищевых продуктов извлекалось максимальное количество веществ из сырья, необходим строгий контроль технологических процессов, а также совершенствование и внедрение новых способов обработки, которые способствуют снижению потерь компонентов обрабатываемых объектов. Разработка новых технологических приемов и их внедрение является залогом успешного современного предприятия.

Необходимость совершенствования процессов производства кофе подтверждается непрерывно осуществляющимися разработками в данной области таких ученых как Ю.Г. Рудась, Д.Е. Степанов. Кофе занимает особое место на рынке России, при этом популярность натурального растворимого кофе находится на высоком уровне.

Основанием для совершенствования технологий является продвижение в пищевой промышленности в последнее десятилетие концепций ресурсосберегающих и безотходных производств. Одним из перспективных методов обработки пищевых систем, который может способствовать интенсификации извлечения компонентов сырья в рамках ресурсосберегающих технологий, является ультразвук. С помощью ультразвуковой обработки интенсифицируют процессы извлечения, диспергирования, разрушения различных химических соединений, образующих биологические объекты и системы.

В основу рабочей гипотезы проведенного исследования заложено предположение о том, что ультразвуковая обработка на этапе экстрагирования натурального жареного молотого кофе способна оказывать положительное влияние на степень извлечения растворимых сухих веществ и биологически активных компонентов, их соотношение в экстракте кофе, его качество и физико-химические характеристики.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования являлось совершенствование технологии экстрагирования биологически активных компонентов при производстве натурального растворимого кофе, путем применения ультразвуковой обработки на этапе получения экстракта натурального жареного молотого кофе для повышения концентрации БАВ в готовом натуральном растворимом кофе. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - изучение влияния ультразвуковой обработки смеси экстракта кофе с кофейным жмыхом на: а) процесс извлечения растворимых сухих веществ; б) содержание биологически активного вещества кофеина в готовом экстракте; в) содержание 5-гидроксиметилфурфурола в получаемом экстракте кофе; г) активность воды получаемого экстракта;

- определение возможного варианта применения ультразвуковой обработки на производстве натурального растворимого кофе;

- разработка проекта технической документации на производство натурального растворимого кофе с применением ультразвуковой обработки на этапе получения экстракта натурального жареного молотого кофе.

Научная новизна. Предложено применение ультразвуковой обработки на этапе получения экстракта кофе натурального жареного молотого с целью интенсификации процесса извлечения биологически активного компонента кофеина.

Установлено влияние ультразвуковой обработки смеси кофейного жмыха с экстрактом кофе на уровень образования 5-гидроксиметилфурфурола, являющегося показателем качества и безопасности продукции.

Доказано влияние ультразвуковой обработки смеси кофейного жмыха с экстрактом кофе на активность воды в системе «вода - кофе» на этапе получения экстракта натурального жареного молотого кофе.

Практическая значимость работы. Показана возможность применения ультразвуковой обработки при получении экстракта натурального жареного молотого кофе.

Установлено влияние ультразвуковой обработки экстракта натурального жареного молотого кофе на степень извлечения кофеина, что отвечает принципам ресурсосберегающих технологий в рамках современной тенденции стремления предприятий к безотходному производству.

Обоснована необходимость контроля и стандартизации содержания 5-гидроксиметилфурфурола в экстракте кофе при производстве кофе натурального растворимого для обеспечения качества и безопасности готовой продукции.

Предложена модернизированная технологическая схема производства сублимированного натурального растворимого кофе с применением ультразвуковой технологии.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования были доложены на следующих мероприятиях: II Всероссийский конгресс молодых ученых (СПб, СПб НИУ ИТМО ИХиБТ, 2013 г.); VI Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (СПб, СПб НИУ ИТМО ИХиБТ, 2013 г.); III Всероссийский конгресс молодых ученых (СПб, СПб НИУ ИТМО ИХиБТ, 2014 г.); Научно-практический семинар «Функциональные продукты из сырья растительного происхождения» (СПб, СПб НИУ ИТМО ИХиБТ, 2014 г.); Научная школа-семинар для молодых ученых «Качество и безопасность продукции: проблемы и пути решения» (СПб, ФГБОУ ВПО СПбГТЭУ, 2014 г.); IV Всероссийский конгресс молодых ученых (СПб, СПб НИУ ИТМО ИХиБТ, 2015 г.).

Печатные труды. По результатам научного исследования было опубликовано 9 печатных трудов, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных высшей аттестационной комиссией Российской Федерации.

Основные положения, выносимые на защиту:

- научное обоснование параметров ультразвуковой обработки с целью совершенствования процесса экстрагирования компонентов кофе-сырья при производстве натурального растворимого кофе в рамках безотходных технологий;

- влияние параметров ультразвуковой обработки при получении экстракта натурального жареного молотого кофе:

а) на степень извлечения растворимых сухих веществ;

б) на степень извлечения биологически активного вещества кофеина;

в) на уровень образования 5-гидрокисметилфурфурола;

г) на активность воды системы «кофе - вода» и хранимоспособность экстракта;

- выбор оптимального режима ультразвуковой обработки для повышения качества и безопасности производимого натурального растворимого кофе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 8 таблиц, 27 формул, приложение. Список литературы состоит из 124 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Методология проведения исследования. Работа была осуществлена в несколько этапов. На первом этапе проведен анализ литературных и практических данных о химическом составе кофейного зерна и проблем, связанных с технологией производства натурального растворимого кофе. Затем была обоснована необходимость внедрения дополнительных методов обработки на стадии экстрагирования кофе и, на основании проведенного литературного анализа, была предложена ультразвуковая обработка.

На втором этапе была сформулирована концепция диссертационной работы, определены методы и объекты исследования, разработана схема проведения эксперимента (рисунок 1).

Объектами исследования служили вода питьевая, натуральный жареный кофе в зернах, натуральный жареный молотый кофе, смесь экстракта кофе с кофейным жмыхом, фильтрованный экстракт кофе. Натуральный жареный кофе в зернах был приобретен ботанического вида Арабика премиум (Бразилия), который является типичным сырьем для производства натурального растворимого кофе в России. Арабика - сырье с пониженным содержанием биологически активных веществ по отношению к Робусте, поэтому необходимость максимального извлечения кофеина из выбранного кофе-сырья весьма актуальна.

На третьем этапе научной работы были определены условия размола и экстрагирования кофе, исследовано оказываемое ультразвуковой обработкой влияние на процесс экстрагирования натурального жареного молотого кофе при различных режимах и на свойства получаемого экстракта.

Порции, каждая массой 50,0 г натурального жареного кофе, размалывали в течение 50 секунд, что обеспечивало более чем у 80,0% молотых частиц размер менее 1 мм.

Натуральный жареный молотый кофе экстрагировали в лабораторных условиях согласно следующей последовательности, свойственной промышленным кофейным предприятиям: 7,0 г кофе предварительно замачивали 93,0 г питьевой воды с температурой 80±2°С, выдерживали в течение 50 секунд; затем смесь нагревали до 97±2°С и экстрагировали в течение 10 минут. Далее смесь экстракта кофе с кофейным жмыхом охлаждали до 25°С и обрабатывали ультразвуком при следующих режимах: длительность озвучивания 1, 2 и 3 минуты; мощность ультразвука от 2 до 8 Вт с шагом в 1 Вт.

Рисунок 1 - Схема проведения исследования

В ходе исследованш определяли следующие показатели, обозначенные на рисунке 1:1- внешний вид, 2 - цвет, 3 - аромат, 4 - вкус, 5 - наличие ломаных зерен, 6 -температуру, 7 - массовую долю влаги, 8 - массовую долю общей золы, 9 - массовую долю общей золы, не растворимой в соляной кислоте, 10 - массовую концентрацию растворимых сухих веществ, 11 - массовую долю экстрактивных веществ, 12 -размер частиц, 13 - массовую долю кофеина, 14 - активность воды, 15 - массовую

концентрацию 5-гидроксиметшфурфурола, 16 - активную кислотность (рН), 17 -мутность, 18 - длительность фильтрования.

Для осуществления ультразвуковой обработки применялась ультразвуковая установка BANDELIN SONOPULS со следующими техническими характеристиками: 1) рабочая частота механических колебаний - 30 кГц, которая свойственна большинству используемых ультразвуковых установок в пищевой промышленности; 2) мощность - 28 Вт; 3) интенсивность ультразвукового воздействия - не менее 2 Вт/см2; 4) время непрерывной работы - до 3600 сек.

После осуществления ультразвуковой обработки, образцы фильтровали через бумажный складчатый фильтр и проводили исследование физико-химических характеристик фильтрованного экстракта. Контрольный образец, не подвергавшийся ультразвуковой обработке, фильтровали сразу после охлаждения до 25°С.

На четвертом этапе были проанализированы результаты исследования, выбран оптимальный режим ультразвуковой обработки. Оценена экономическая эффективность выбранного режима ультразвуковой обработки в случае внедрения на промышленном предприятии. Разработана техническая документация (СТО) на производство сублимированного натурального растворимого кофе с применением ультразвуковой обработки.

Расчеты и графическое представление результатов было осуществлено в среде Microsoft Office 2010 программными приложениями MS Word 2010 и MS Excel 2010, а также в приложении Minitab 16 для операционной системы Windows 7 Home Edition SP 1.

Эксперименты были осуществлены в четырех-пяти кратной повторности для каждого из вариантов опыта и контроля с доверительной вероятностью 95%. При этом создавались и поддерживались одинаковые условия проведения эксперимента.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение влияния ультразвуковой обработки на дисперсность кофейного экстракта

Для изучения влияния режимов ультразвуковой обработки на дисперсность смеси проводили измерения ее мутности и визуально оценивали размер и распределение частиц кофейного жмыха в объеме. Мутность рассматривалась как максимальная глубина погружения (см) линейки в цилиндр с обработанной ультразвуком пробой, на которой была возможность увидеть наконечник в форме белого кольца.

Результаты определения мутности приведены в графическом виде на рисунке 2. з

я 1 мин ®2 мин а 3 мин

Рисунок 2 - Максимальная глубина погружения линейки, на которой различали наконечник в виде белого кольца, см

Мощность ультразвука, Вт

Результаты показали, что при одинаковой длительности обработки ультразвуком, с увеличением его мощности, мутность смеси кофейного экстракта со жмыхом возрастала. То есть глубина, на которой была возможность увидеть белое кольцо, уменьшалась. Эта же картина наблюдалась и при увеличении длительности ультразвуковой обработки.

Вследствие оказываемого ультразвуком влияния частицы молотого кофе измельчались - повышалась дисперсность системы, усиливались процессы диффузии в обрабатываемых ультразвуком образцах. Это явление негативно сказывалось на последующем этапе отделения жмыха от экстракта кофе, увеличивая длительность фильтрования. При столкновении с данной проблемой в условиях промышленного производства экстракта кофе решением может являться установка специальных фильтров барабанного типа непрерывного действия, способных эффективно отделять нерастворимые частицы малых размеров.

Изучение влияния ультразвуковой обработки на содержание растворимых сухих

веществ в экстракте кофе

Основным показателем, характеризующим экономическую эффективность экстрагирования кофе, является выход растворимых сухих веществ из сырья в экстракт.

Образцы смеси кофейного экстракта со жмыхом обрабатывали ультразвуком, и затем каждый образец фильтровали для отделения нерастворимых частиц жмыха. В полученном фильтрованном экстракте определяли содержание растворимых сухих веществ рефрактометрическим методом.

Степень извлечения растворимых сухих веществ в контрольном образце составила 44,4±0,3%. Результаты определения в обработанных ультразвуком образцах экстракта кофе показали, что для каждой отдельной экспозиции ультразвуковой обработки характерна линейная зависимость степени извлечения растворимых сухих веществ от

мощности ультразвука (рисунок 3).

« 51

5 I 50

£ Я

49

46 45 44

У ■■ 0,639х 44,43

R' = 0,9. U9

>

>

> _______

012345678

Мощность ультразвука, Вт

Рисунок 3 - Изменение степени извлечения растворимых сухих веществ в экстракт кофе в зависимости от мощности одноминутной ультразвуковой обработки

С помощью приложения Microsoft Excel для каждой длительности ультразвуковой обработки (¡=1, 2, 3 мин) были выведены линейные уравнения зависимости степени извлечения растворимых сухих веществ (yij) от мощности ультразвука (х,,, где j=0, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 Вт) и соответствующие коэффициенты детерминированности (R ¡¡):

а) для ультразвуковой обработки в течение 1 мин:

у, Г0,639-х, ¡+44,43, 112||=0,9319;

для ультразвуковой обработки в течение 2 мин: у2г0,9418-х2]+44,43, ^¡=0,9259;

для ультразвуковой обработки в течение 3 мин: Узг1,1244-х3|+44,43, К2зг0,9836.

б)

в)

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Полученные значения коэффициентов детерминированности свидетельствуют о том, что фактические значения уи и значения, получаемые из уравнения прямой, имеют высокую корреляцию друг с другом, т.е. различия между фактическими и оценочными значениями минимальны. Таким образом, в пределах одной длительности ультразвуковой обработки смеси экстракта кофе с кофейным жмыхом, можно прогнозировать расчетным путем степень извлечения растворимых сухих веществ в экстракт кофе.

Исследование влияния ультразвуковой обработки на содержание кофеина в

кофейном экстракте

Образцы смеси кофейного экстракта со жмыхом обрабатывали при указанных ранее режимах ультразвуковой обработки. Затем каждый образец фильтровали для отделения нерастворимых частиц - жмыха. В полученном фильтрованном экстракте определяли содержание кофеина в пересчете на сухое вещество хроматографическим методом. Содержание кофеина в контрольном образце составило 3,94±0,01% в пересчете на сухое вещество. Результаты измерения в обработанных ультразвуком образцах представлены на рисунке 4.

# 4,30 МШ

1* -нь

Я 4,20 о

Рисунок 4 - Изменение содержания кофеина в сухом веществе образцов кофейного экстракта

Мощность ультразвука, Вт длительность обработки,

мин

На рисунке 4 видно, что при увеличении мощности ультразвука от 2 Вт до 8 Вт при длительности ультразвуковой обработки 1 и 2 минуты соответственно, содержание кофеина возрастает. Но в случае обработки в течение 3 минут наблюдается другая тенденция: рост содержания кофеина происходит только при увеличении мощности ультразвука от 2 Вт до 4 Вт; при дальнейшем увеличении мощности до 8 Вт содержание

кофеина в образцах уменьшается. Данное явление можно объяснить тем, что происходит увеличение содержания растворимых сухих веществ, в то время как кофеин перестает извлекаться. Таким образом, регулируя мощность и длительность ультразвуковой обработки, можно оказывать влияние на степень извлечения биологически активного вещества кофеина в экстракт кофе и его процентное содержание в сухом веществе экстракта.

Исследование влияния ультразвуковой обработки на содержание 5-гидроксиметилфурфурола в кофейном экстракте

5-гидроксиметилфурфурол (5-ГМФ) - это фурановое производное (соединение органической природы), образующееся при длительном хранении пищевых продуктов и в результате высокотемпературной или иной физико-химической обработки пищевых систем. 5-ГМФ способен аккумулироваться в печени и приводить к дисбалансу биохимических процессов в организме человека. Поэтому необходимо строго контролировать уровень его образования при производстве пищевых продуктов, особенно в натуральном растворимом кофе.

В фильтрованных после ультразвуковой обработки образцах экстракта кофе определяли количество 5-гидроксиметилфурфурола спектрофотометрическим методом. Результаты представлены в таблице 1. Содержание 5-ГМФ для контрольного образца составило 1098±22 мг/кг в пересчете на сухое вещество.

Таблица 1 - Содержание 5-гидроксиметилфурфурола в обработанных ультразвуком _ образцах, мг/кг в пересчете на сухое вещество_

Длительность ультразвуковой обработки, мин Мощность ультразвука, Вт

2 3 4 5 6 7 8

1 1172±21 1184± 12 1232±25 1316±11 1298±17 1276±21 1180Ы7

2 1163±18 1172±12 1186±34 1214±21 1193±19 1172±19 1143±19

3 1131±21 1143±30 1183±22 1194±11 1153±17 1144±19 1083±23

Из табличных данных видно, что при увеличении мощности ультразвука от 2 Вт до 5 Вт при одинаковой продолжительности обработки, содержание 5-гидроксиметилфурфурола в образцах увеличивалось, а с увеличением мощности от 5 Вт до 8 Вт - понижалось. Также с увеличением длительности ультразвуковой обработки при одинаковом значении мощности, содержание 5-ГМФ снижалось.

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о возможности регулирования содержания 5-ГМФ в готовом продукте при необходимости. Эта особенность показывает возможность управления с точки зрения безопасности и качества свойствами получаемого экстракта и, как следствие, готового продукта.

Исследование влияния ультразвуковой обработки на активность воды кофейного экстракта и его хранимоспособность

В рамках проводимого исследования был выбран криоскопический метод измерения активности воды. Определение значения криоскопической температуры продуктов и биологических систем является необходимым действием в области пищевых

технологий, позволяющим более обоснованно осуществлять выбор режимов термообработки и хранения сырья и продукции.

Активность воды в контрольном образце составила 0,9957±0,0003. Результаты определения активности воды в фильтрованных обработанных ультразвуком образцах приведены на рисунке 5.

К 1 мин Рисунок 5 - Диаграмма

значений активности воды в в 2 мин образцах кофейного экстракта

в зависимости от режимов 0 3 мин ультразвуковой обработки

7

Мощность ультразвука, Вт 8

На диаграмме видно, что с увеличением мощности ультразвука активность воды образцов кофейного экстракта снижалась. Эту же закономерность наблюдали при одинаковой мощности ультразвуковой обработки с увеличением экспозиции. Снижение активности воды можно объяснить перераспределением растворимых сухих веществ в смеси и абсорбированием свободной влаги.

Данное явление могло свидетельствовать о возможном увеличении срока хранения получаемого экстракта вследствие снижения показателя активности воды. Поэтому с целью проверки данной гипотезы был проведен эксперимент по определению хранимоспособности получаемого экстракта. Результаты исследования фильтрованных обработанных ультразвуком образцов показали, что с течением всего времени хранения (168 ч) в герметичных стеклянных емкостях при температуре 4±2°С больших изменений в показателе рН не происходило - активная кислотность составила 5,45±0,05. При этом изменение аромата отметили на через 144 ч - у обработанных ультразвуком образцов: появился частично неприятный, древесный аромат. У контрольного образца (без обработки) такое изменение обнаружили через 132 ч.

Полученные данные свидетельствовали о положительном влиянии ультразвуковой обработки, ведущей к частичному увеличению сроков сохранения потребительских свойств полуфабриката.

Выбор рекомендуемого режима ультразвуковой обработки

С целью определения рекомендуемого режима ультразвуковой обработки, были проанализированы результаты исследования, осуществлена математическая обработка и графическое представление ее результатов.

Параметрами, значения которых необходимо было определить, были продолжительность и мощность ультразвукового озвучивания. Для их нахождения был выбран метод Бокса, являющийся широко распространенным методом решения задач оптимизации.

Каждый показатель, характеризующий состав и свойства экстракта (степень извлечения растворимых сухих веществ, содержание кофеина и 5-ГМФ) был представлен в виде функции поверхности отклика для двух варьируемых параметров (длительность и мощность ультразвукового воздействия):

Ь]=«т,Р), (7)

где - определяемый показатель; т - длительность ультразвуковой обработки, мин; Р -мощность ультразвука, Вт.

С целью проведения расчетов высокой точности уравнение (7) было представлено в виде базового уравнения регрессии третьей степени (8):

к = Ь0 + ¿>! • т + Ь2 • Р + Ь3 ■ т ■ Р + Ь4 • т2 + 65 • Р2 + Ь6 ■ т2 ■ Р+ Ь7 ■ т ■ Рг + Ье ■ т3 + Ь9 ■ Р3. (8) Для каждого показателя и соответствующего уравнения регрессии были установлены коэффициенты Затем для полученных уравнений были построены с

помощью программного приложения 1УПш1аЬ 16 контурные графики поверхностей (рисунок 6 а, б, в).

тжх • ^ЯвШмфрцЕ^

Шш л

Ч > - ' ^ .'1 * •".-'/ К.

Сед., %

' 4/7

Я? 46 ■ 48

1? 48 - 50

Ш 50 -- 52

■ 52 - 54

■ > 54

Рисунок 6 - Контурные графики поверхностей распределения значений: а) степени извлечения растворимых сухих веществ; б)

содержания кофеина в сухом веществе экстракта кофе; в) содержания 5-ГМФ - в зависимости от мощности и длительности ультразвуковой обработки

в

Необходимые условия выбора режима: 1) степень извлечения растворимых сухих веществ максимально высокая для повышения экономической эффективности производства; 2) содержание кофеина в пересчете на сухое вещество максимально возможное для удовлетворения требованиям потребителя и производителя, стремящегося снизить потери ценных компонентов; 3) содержание 5-гидроксиметилфурфурола наименьшее для обеспечения безопасности и качества продукции.

В результате анализа графических данных и согласно обозначенным условиям, был установлен рекомендуемый режим ультразвуковой обработки: длительность озвучивания - 2 мин, мощность ультразвукового излучения - 8 Вт.

На основе проведенного исследования разработана модернизированная технологическая схема производства сублимированного натурального растворимого кофе с применением ультразвукового метода экстрагирования, представленная на рисунке 7.

Приемка сырья

Кофе-сырьс 0 сюютетмю с НТД

Ооля шттъетая Вс1нтвс1сиии с СпкИмН 2.1.107-1

Обжирнаинпе, охлаждение

ООяврочшя машина бйрПбйНЮГОТИПН

г ... ...................г___________________________ Ишельченне обжаренного кофе

Мел мним вальцового типа ^ ыы.

Замачивание шмельченкого кофе

Зи^рккшшннш От эре* ионрирывипго 1МПВ т«. .„«яо^-с, Рям. 21С Па,

Экстрагирование ароматчеекн* всшсств

Сносна егборз и дистиллтии арочил1чя:ии исщосгъ Т—-1 [(ГС. р^-мо'т

Хранение аромал!чсских всшеств

Ьыкисть ала промежупмюю хранен! и «<.5-0.5 ч.

Экстригнровапмс основных растворимых су хит всшеств

Экстрах цкгшнз» бятаре» непрерывного типа т«и.«и(ы?о,с.

I Шлпждеиие и сепарирование экстракта осноинмх [ растворимых суки* веществ

[ 1 ЬиСгнн'ПтыЙ 1е|1лоибыенн||1с, сспэрагор

Хроменпе экстракта основных растворимых сухих веществ

Ь'икосгь ДЛк ироыегжугочиого

Вылавливание жмиха нэ экстракционной батареи

Эксфакшганим батарея 11Я'рГрМИИ(" О 1Н11Э Т^-КЮ-ПО'С.

[V

Замвчилапнс, ультразвуковое экстрагирование

ИмммТксунырпву косийт.. мни. I Втг'см'; установись

Фильтровпнис к охлажлкчшс у/з экстракта

11ромсдуги'л1ис хриненне V/:» экстракт

>':мкосг>.д>« ПрнивИЧОЧНОП) 1^112 ч.

хранения с..,

Смешении основного и у/э экстрактов. нромежу точное хранение

СгатячмяиК вдш оромежуточнаго ьряншня

концентрирование смеси экстрактов, промежуточное хранение

ДЦ ■паапяс & цжжад

Смешение концентрированного н вромгткческоп] экстрактов, промежуточное хранение

Стнчссяий смеситель, ом кость алж промежунпного хранен и

ичноко смесн >кС1рокпнц охлаждение, хранение ютового экстракта

Сепярмор. пюглгечатыНт'а, си гост* ля* л рвипсут очи« о кроне ни» Т,„ ■я.-Ш'С: тд_»<60 ч. С,„.^30*5%

Аэрирование, предварительное эшоражняшис экстпакта

Фризер иогрсршногодеЯсгеп*

*

Замораживание, измельчение. промежуточное хранение

МорспплшыЛ ГОНКУР, МСЛЫШЦЫ. буфорны мважи> Т^^МШ'С, 11.^=4-7 мы

Сублнмапиоиноя сушка

СуФлиыашонм* сушил«! жпрсры 1 Моги тип» денстапя

Упаковка, маркировке

Фасон? ши спжшш | М^^^ "300 кг

Рисунок 7 - Технологическая схема производства сублимированного натурального растворимого кофе с применением метода ультразвукового экстрагирования

Для выбранного режима ультразвуковой обработки был рассчитан экономический эффект с точки зрения затрачиваемого сырья на производство экстракта кофе. Также был

разработан проект технической документации (СТО) и получен акт об использовании результатов исследования.

ВЫВОДЫ

1. Установлена возможность применения ультразвука на этапе получения экстракта натурального жареного молотого кофе.

2. Выявлено повышение дисперсности смеси экстракта кофе с кофейным жмыхом и сопутствующее повышение степени извлечения растворимых сухих веществ кофе-сырья с 44,4±0,3% для контрольного образца до 54,0±0,2% для образца с максимальными значениями длительности и мощности обработки (3 мин, 8 Вт) вследствие измельчения частиц молотого кофе при увеличении мощности и длительности ультразвуковой обработки.

2. Экспериментально показано, что ультразвуковая обработка смеси экстракта кофе с кофейным жмыхом оказывает влияние на содержание в полуфабрикате важного биологически активного компонента кофеина, позволяя повысить его массовую концентрацию в сухом веществе с 3,94±0,01% для контрольного образца до 4,27±0,02% для образца, обработанного ультразвуком мощностью 8 Вт в течение 1 мин.

3. Доказано, что ультразвуковая обработка смеси экстракта кофе с кофейным жмыхом оказывает влияние на содержание в полуфабрикате 5-гидроксиметилфурфурола, который является показателем безопасности и качества готовой продукции; обоснована необходимость контроля его содержания в полуфабрикате и готовом продукте.

4. Получены данные о влиянии ультразвуковой обработки на активность воды в озвученных образцах экстракта кофе: с увеличением ультразвукового воздействия активность воды в экстракте кофе снизилась, что привело к повышению его хранимоспособности со 132 до 144 ч.

5. Определены рекомендуемые параметры ультразвуковой обработки (длительность 2 мин, мощность 8 Вт), применяемой на этапе получения экстракта кофе. Проведен расчет экономического эффекта для предприятия с годовым потреблением кофе-сырья ботанического вида Арабика 10000 тонн, результаты которого подтверждают целесообразность применения ультразвука для экстрагирования компонентов кофе-сырья, сокращая потери растворимых сухих веществ на 790 тонн в год.

6. Разработаны проекты технической документации (СТО) на производство сублимированного натурального растворимого кофе с использованием ультразвуковой технологии.

Список публикаций по теме диссертации

1. Герасимов, Д.В. Влияние ультразвуковой обработки экстракта кофе на образование 5-гидроксиметилфурфурола [Электронный ресурс] / Д.В. Герасимов, Е.П. Сучкова // Фундаментальные исследования. - 2015. - № 2-18. - С. 3931-3934. - URL: www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id= 10007150 (дата обращения: 25.05.2015).

2. Герасимов, Д.В. Исследование влияния методов обработки водной составляющей восстановленных пищевых продуктов на их качественные показатели / Д.В. Герасимов, Е.П. Сучкова // VI Международная научно-техническая конференция

«Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке»: материалы конференции, 2013.-с. 607-608.

3. Герасимов, Д.В. Исследование влияния методов обработки воды как составляющей биологических объектов молочной промышленности / Д.В. Герасимов, Е.П. Сучкова // Электронный сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. -СПб: НИУ ИТМО, 2013. -№ 4. - с. 37-38.

4. Герасимов, Д.В. Исследование методов обработки воды и водной составляющей восстановленных молочных продуктов и их влияния на показатель активности воды [Электронный ресурс] / Д.В. Герасимов, Е.П. Сучкова // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». - СПб, 2013. - №2. - с. - URL: http://processes.open-mechanics.com/articles/809.pdf (дата обращения: 10.10.2014).

5. Герасимов, Д.В. Исследование процесса производства кофе натурального растворимого сублимированного / Д.В. Герасимов, Е.П. Сучкова // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 4. - СПб: НИУ ИТМО, 2014. - с. 50.

6. Герасимов, Д.В. Необходимость специальной обработки воды в производстве молочных продуктов на основе восстановленных компонентов / Д.В. Герасимов, Е.П. Сучкова, Н.Г. Лаптева // Успехи современного естествознания. - М.: «Академия Естествознания», 2013.-№ 1.-е. 169-170.

7. Герасимов, Д.В. Теоретические основы применения ультразвука для обработки пищевых систем с целью регулирования содержания биологически активных компонентов [Электронный ресурс] / Д.В. Герасимов, Е.П. Сучкова // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: «Процессы и аппараты пищевых производств». - СПб, 2014. - №2. - с. 53-60. - ISSN 2310-1164. - URL: http://processes.ihbt.ifmo.ru/file/article/10421 .pdf (дата обращения: 10.12.2014).

8. Герасимов, Д.В. Влияние ультразвуковой обработки на показатели качества кофейного экстракта / Д.В. Герасимов, Е'П. Сучкова // Материалы научной школы-семинара для молодых ученых «Качество и безопасность продукции: проблемы и пути решения». - СПб: СПбГТЭУ, 2014.

9. Герасимов, Д.В. 5-гидроксиметилфурфурол как показатель качества и безопасности кофейной продукции [Электронный ресурс] / Д.В. Герасимов, Е.П. Сучкова // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, 2015. - URL: http://kmu.ifmo.ru/collections_article/1878/5-

gidroksimetilfurfurol_kak_pokazatel_kachestva_i_bezopasnosti_kofeynoy _produkcii.htm (дата обращения: 24.04.2015).

Подписано в печать . Формат 60 * 84 1/16

Усл. печ. л. Печ. л. 1,0. Тираж &0 экз. Заказ № /3&. Университет ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 Изд.- инф. комплекс. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

2015670679

2015670679