автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.10, диссертация на тему:Технология некурительного табачного продукта с пониженными свойствами

«"в«»««»,-..

, л п А / о -/ ■¥ О 2. - , О / оС, /

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Можаев Дмитрий Дмитриевич

ТЕХНОЛОГИЯ НЕКУРИТЕЛЬНОГО ТАБАЧНОГО ПРОДУКТА С ПОНИЖЕННЫМИ ТОКСИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.18.10 - Технология чая, табака и субтропических культур

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н., профессор

Мохначев И.Г|, д.т.н., профессор Касьянов Г.И.

Краснодар - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение 3

1 Аналитический обзор способов создания некурительных табачных изделии 5

1.1 Характеристика вторичных табачных ресурсов 5

1.2 Технически ценные вещества табака 11

1.3 Проблемные вопросы «горячего» и «холодного» курения 20

2 Методология, контроль качества, методы и техника

проведения исследований 31

2.1 Табачный материал, используемый для .поведения экспериментов 31

2.2 Методы определения химического состава табака 31

2.2.1 Методика определения никотина в табаке 31

2.2.2 Методы определения органических кислот в табаке 37

2.2.3 Методика определения пектина в табаке 47

2.3 Математическая обработка экспериментальных данных 49

3 Экспериментальная часть 54

3.1 Теоретические аспекты экстракции компонентов из табачного сырья 54

3.2 Выделение никотина из вторичных табачных ресурсов 69

3.3 Создание некурительного табачного продукта в лабораторных условиях 77

4 Опытно-промышленная реализация результатов экспериментов 87

4.1 Способ изготовления нового некурительного табачного продукта 87

4.2 Технико-экономические показатели производства табачных таблеток 99 Выводы и предложения 100 Литература 102

Приложения 115

Технические условия «Табачные таблетки» 115

Технологическая инструкция «Табачные таблетки» 121

Заключение о технической апробации 126

Программа клинических испытаний «Табачных таблеток» 127

Заключение о серии клинических испытаний 133

Введение

Курение табака, как способ удовлетворения физиологической потребности человека в никотине, уходит своими корнями в глубокую древность. Именно привыкание человеческого организма к алкалоиду никотину, который синтезируется в табаке в процессе выращивания табачных листьев, является главной и определяющей причиной процесса курения. Существуют различные способы потребления табака, но в преобладающем большинстве случаев этот процесс реализуется через «горячее» курение, главным образом, сигарет. При сгорании табака часть никотина переходит в дым и таким образом через легкие попадает в организм человека.

Но к сожалению, вред организму курильщика причиняет не только никотин. Его сопровождает в дыме огромное количество самых разнообразных веществ, образующихся из табака, в результате пиролитических процессов. По массе эти сопутствующие вещества в десятки раз превосходят содержание никотина. При этом, что наиболее важно, в отличие от никотина многие из них обладают канцерогенными свойствами, вызывают кашель у курильщика, задымление воздуха в зоне курения и другие негативные последствия. Не зря медицинские учреждения всего мира предупреждают о вредных последствиях курения.

В тоже время в некоторых регионах мира развита и другая форма потребления табака, исключающая образование дыма, - обычно путем его жевания. В качестве примера можно указать на табачный продукт «насвай», который производят в Средней Азии. При жевании «насвая», в котором кроме табака используются различные щелочные добавки, происходит экстракция никотина слюной вместе с другими водорастворимыми веществами, после чего весь комплекс преимущественно водорастворимых соединений попадает в организм

потребителя. Нерастворимая часть «насвая» (более 70%) выбрасывается. При таком способе потребления табака, конечно, не образуются канцерогенные вещества, входящие в состав табачного дыма, и не оказывается негативное воздействие на органы дыхания. Но при этом возникают трудности с точной дозировкой никотина. Жевание табака вызывает неприятные органолептические ощущения. И, наконец, у потребителей «насвая» с большим стажем в результате длительного жевания за счет механического воздействия нередко наблюдается образование рака нижней губы и языка. В общем, процесс жевания табака, а затем и его выбрасывания далек от эстетических норм.

За последние годы начал развиваться третий путь удовлетворения курильщиков никотином, который связан, по существу, с производством фармацевтической продукции типа пластырей «Никотинелл», жевательных резинок «Никоретте» и т.п. Они содержат не табак, а только дозированные количества никотина и различную инертную основу. Эффективность применения таких изделий подтвердилась в различных странах на практике, способствуя существенному снижению числа выкуриваемых сигарет. Но в настоящее время эти антикурительные средства настолько дороги (в несколько раз превышают стоимость сигарет), что это делает их недоступными для массового потребления.

Разработке технологии некурительного табачного продукта, удовлетворяющего физиологическую потребность в никотине курильщика и доступного по стоимости посвящена настоящая диссертационная работа.

1. Аналитический обзор способов создания некурительных табачных изделий

1.1 Характеристика вторичных табачных ресурсов

Наиболее приемлемым материалом для изготовления нового некурительного продукта, с нашей точки зрения являются вторичные ресурсы табачного производства. Табачные отходы накапливаются в больших количествах как в сельском хозяйстве, так и при изготовлении курительных изделий в промышленности. В сельском хозяйстве это: -неубранный табак, - табачный стебель, - некондиционная фарматура в период послеуборочной обработки; в промышленности: - аспирация сигаретных машин, - срезы жилок, - некондиционная фарматура на фермзаводах, - табачная пыль от пневмоустановок (листового и резаного табака)/18/. В виду своих особых технологических и других показателей эти отходы не могут быть использованы в традиционном процессе производства курительных изделий/88,107/.

В сельском хозяйстве бывшего СССР ежегодно наблюдались значительные потери табачного сырья за счет неубранных листьев и отходов, образующихся при послеуборочной обработке табака. По данным сотрудников лаборатории химической технологии ВИТИМ ежегодно в процессе послеуборочной обработки табака образовывались по меньшей мере 24-28 тыс. тонн отходов/97/. Основную часть этих отходов составляет некондиционная фарматура практически нигде не учитываемая и не используемая. По своим курительным свойствам и химическому составу эти отходы близки к качественным показателям заготавливаемого сырья/91/.

В гораздо больших количествах в сельском хозяйстве терялось табака, который в силу ряда причин оставался в поле неубранным. В стране ежегодно накапливалось до 45-50 тыс. тонн данного вида отходов.

Химический состав таких отходов существенно отличается от состава табачного сырья, используемого при изготовлении курительных изделий. Поэтому они представляют интерес в качестве технического сырья, например, в схеме комплексной переработки и получения ценных веществ: никотина, смолы, органических кислот и других продуктов.

Последним видом отходов, образующихся в сельском хозяйстве является стебель табачных растений, который по своей массе примерно равен количеству убираемых табачных листьев. Табачный стебель содержит в своем составе ряд ценных веществ, но в силу определенных технологических свойств практического использования он не находит. Однако, огромное количество этих отходов требует разработки приемлемой технологии утилизации табачного стебля. Российские и американские ученые рекомендуют использовать стебель в качестве удобрения, так как в его химическом составе содержится большое количество азота, фосфора, калия и других элементов/43, 113/. Мы полагаем, что табачный стебель может быть использован и для других целей, в том числе и как сырье для экстракционного производства.

В силу ряда экономических причин в настоящее время в Российской Федерации выращивание табака сократилось. Табачные фабрики получают ферментированный табак, в основном, из стран ближнего и дальнего зарубежья.

Рассмотрим баланс и источники возникновения табачных отходов в промышленности. На табачно-ферментационных заводах в процессе переработки сырья ежегодно образовывалось до 1,5 тыс. тонн некондиционной фарматуры/17,18,68/.

По результатам исследований, проведенных в КНИИППе, основную массу табачных отходов составляет пыль, отфильтрованная из воздуха в различных пневматических установках. Ежегодно накапливалось более 20

тыс. тонн в год этого вида отходов/15/. Табачная пыль отличается большой дисперсностью и значительным содержанием минеральных примесей.

В таблице 1 приводится характеристика табачной пыли, собранной из различных мест пылеобразования на Волгоградской и Краснодарской табачной фабриках. Полученные данные можно распространить на подобные отходы табачных фабрик страны. Содержание минеральных примесей в исходной пыли составляло от 30 до 50%.

Таблица 1 - Характеристика отходов табачных фабрик

Пыль из фильтров Количество в год, тонн Остаток на сите, % 60 100 200 меш меш меш Проходит через сито 200меш,% Экстрагируется водой сухих веществ, % Содержание песка в остатке на ситах 60-100 меш, %

1. Пневмоустановок листового табака 15.500 16,5 6,5 16,2 60,5 43,9 9,3

2. Пневмоустановок резаного табака 15.500 14,5 10,5 31,9 42,5 47,5 4,5

3. Аспирация сигаретных машин 5.500 28,5 8,7 30,7 31,3 48,7 6,2

Для дальнейшего использования пыли как в курительных изделиях,

так и при извлечении различных веществ необходимо предварительное просеивание, при этом выход годного сырья составит не более 25-30% от исходного количества пыли пневматических установок листового и резаного табака и от 30 до 40% пыли от систем аспирации сигаретных машин/17/.

Таким образом, из 15,5 тыс. тонн пыли, полученной от пневмоустановок 11,625 тыс. тонн непригодны для переработки в курительные изделия. Нельзя полностью утилизировать и пыль из фильтров аспирационных систем сигаретных машин: из 5,5 тыс. тонн может быть использовано для дальнейшей переработки 1,9 тыс. тонн, а 3,6 тыс. тонн будут относиться к категории сильнозагрязненных отходов/15/.

Следующим видом отходов, образующихся в табачной промышленности являются срезы жилок, отделяемые на сигаретных машинах. Общее количество этого вида отходов составляет около 5 тыс. тонн.

Таким образом, в табачной промышленности и частично в сельском хозяйстве накапливаются значительные количества отходов, большинство из которых в силу своих технологических особенностей и сильной загрязненности не могут без предварительной переработки быть использованы в обычной схеме табачного производства.

Теперь рассмотрим химический состав табачных отходов. Г.А. Коржениовский приводит наиболее подробные данные о химическом составе табачного стебля (табл.2). Средние значения химического состава стебля американских Табаков представлены в таблице 3/43,113/.

Таблица 2 - Химический состав стебля Табаков различных сортов

Содержание в % на

Показатель абсолютно сухую массу

Целлюлоза 37,50

Пентозаны 21,22

Лигнин 18,43

Бензино-спиртовой экстракт 10,23

Углеводы в водной вытяжке 2,63

Общее количество углеводов 55,31

в пересчете на глюкозу

В одно-экстрактивные 15,46

вещества

Никотин 0,61

Зола 4,18

Таблица 3 - Химический состав стебля американских Табаков

Соединение Содержание, %

Общий азот 1,03

Белковый азот 0,59

а-Аминный азот 0,06

Никотин 0,37

Редуцирующие сахара 4,36

Сумма Сахаров 6,13

Вещества, экстрагируемые 0,91

петролейным эфиром

рН водной вытяжки 4,98

Чистая зола 4,49

Как видно из таблицы 2 особенно значительно в табачных стеблях содержание клетчатки и пентозанов. Поэтому табачный стебель должен использоваться именно с учетом содержания в своем составе большого количества клетчатки.

Химический состав табачных отходов, образующихся в сельском хозяйстве (на примере Абинского опытного поля ВИТИМ) представлен в таблицах 4 и 5/97/.

Таблица 4 - Химическая характеристика табачных отходов

послеуборочной обработки

Способ сушки Никотин, % Углеводы, % Белки, % Сырая зола, %

Гелиосушка 2,01 2,09 13,45 19,50

СФУ 2,03 2,67 17,61 21,60

Поточным методом в вертикальных гирляндах 2,06 2,95 18,53 20,40

Таблица 5 - Химическая характеристика табачных отходов в поле

Части табачного Никотин, Углеводы, Белки, Сырая зола,

растения % % % %

Листья подчистки 0,66 0,65 6,70 -

Листья 5 ломки 2,56 2,06 23,20 11,91

Листья верхних 2,44 1,95 23,19 11,92

ярусов и пасынков

Смесь листьев(5 2,26 2,49 23,70 11,92

ломка+верхних ярусов и пасынков)

Верхушечная часть 0,98 3,87 13,47 15,90

растения

Стебель 0,18 6,28 5,50 7,90

Теперь перейдем к рассмотрению химического состава отходов табачной промышленности. Сравнительные анализы органического состава показали, что волокно из бракобоек, фарматура, жилки, смет с пола и пыль сигаретных машин имеют лучшие показатели по сравнению с пылью из фильтров листового и резаного табаков/42,72,89/.

Таблица 6 - Химическая характеристика отходов табачной

промышленности

Табачные отходы Влага, % Органические соединения,% Никотин, % Белковый азот, % Углеводы, %

Из фильтров листового табака 5,8-6,5 55,0-65,0 1,39-1,40 5,88-8,87 1,70-1,90

Из фильтров резаного табака 4,8-6,0 61,0-82,0 1,46-1,48 5,75-6,00 1,90-2,00

Фарматура и жилки 9,5-10,8 94,5-97,0 1,28-1,30 7,00-9,60 8,00-8,10

Пыль из системы пневмоотсоса сигаретных машин 7,8-8,6 83,0-90,0 1,52-1,55 6,80-10,11 2,84-3,20

Просеяная мелочь и смет с пола па-пиросно-набивного цеха 10,0-12,5 94,5-98,0 1,25-1,50 7,41-7,90 6,40-7,10

Волокна прошедших бракобойки сигаретного цеха 10,0-14,5 99,0-99,5 1,68-1,70 7,69-8,10 8,00-10,62

Смет с пола в табачном цехе 5,6-30,0 89,0-90,0 0,65-0,90 6,75-7,00 8,61-8,72

Исходя из химического состава табачных отходов, мы видим, что они могут быть использованы как в качестве сельскохозяйственных удобрений, так и для извлечения из них технически ценных веществ: никотина, органических кислот, пектинов, смолы и других/52,90,126,132/.

Для производства нового некурительного табачного продукта нами предложено использовать отходы табака, образующиеся в процессе его послеуборочной обработки, а также отходы табачно-ферментационных заводов.

1.2 Технически ценные вещества табака

Проведем обзор технически ценных веществ, входящих в состав табачного сырья и которые могут войти в состав нового некурительного табачного продукта.

Табак (Мсойапа 1аЬакит Ь.), листья которого используются в качестве сырья для производства курительных изделий, обладает специфическим свойством накапливать никотин, а также в небольших количествах другие алкалоиды. Никотин СцДиЫг (1- метил-2-(3-пиридил)-пирролидин) имеет следующую структурную формулу:

В свободном виде никотин представляет собой бесцветную маслообразную жидкость, хорошо растворимую в воде и большинстве органических растворителей. При нормальном атмосферном давлении он

Характерной особенностью никотина является его способность улетучиваться с паром. По своей химической природе никотин является

обладает высокой температурой кипения - 247,5°С, а в вакууме, например, при давлении 1,3 кПа - 113°С. Это используется при очистке никотина.

основанием и в табаке он содержится в виде солей, что придает ему устойчивость против окисления. Общее количество никотина в различных образцах табака может колебаться в широком диапазоне, но обычно содержание этого алкалоида варьирует в пределах 1-2 %/6,7,8,56,57/.

Никотин является преобладающим алкалоидом в табаке, его удельное содержание среди всех алкалоидов, как правило, превышает 97%. Из сопутствующих алкалоидов в наибольших количествах в табаке обнаружены норникотин и анабазин/20/:

Чн/ Н V/

н

норникотин анабазин

Следует также указать, что по аналогии с любым другим биологическим объектом, табак кроме алкалоидов накапливает различные группы веществ (углеводы, белки, кислоты, фенольные соединения и т.п.) /84/.

При сгорании табака в сигарете в зоне горения развивается высокая температура 900-1000°С, в результате чего образуется табачный дым. Некоторая небольшая часть веществ табака под действием температуры испаряется и переходит непосредственно в струю дыма. Примером этому служит переход никотина из табака в дым (10-50%). Но все же большая часть веществ дыма образуется в результате реакций пиросинтеза, которые энергично протекают при высокой температуре. Поэтому состав дыма существенно отличается от состава табака, продуцирующего его при сгорании/55,74/.

По своим физическим свойствам табачный дым представляет собой двухфазную систему:

• газовая фаза состоит: преимущественно из истинных газов (N2, О2, СО2, СО, N0 и других) и паров летучих веществ (Н20, СН3ОН и других);

• аэрозольная (твердожидкая) фаза: состоит преимущественно из мало-или полулетучих веществ (никотин, фенолы, полициклические углеводороды и других), которые собираются в аэрозольных частицах (средний диаметр около 0,2 мкм). От общей массы дыма аэрозольная фаза составляет