Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Речкина Екатерина Александровна
ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ
С ПОЛУЧЕНИЕМ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ
05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата
технических наук
Красноярск - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет на кафедре Химическая технология древесины и биотехнология, г. Красноярск.
Научный руководитель
доктор химических наук, профессор Рубчевская Людмила Петровна
Официальные оппоненты:
Кузнецова Светлана Алексеевна, доктор химических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории Процессы синтеза и превращений углеводородов Института химии и химической технологии СО РАН.
Ушанова Валентина Михайловна, кандидат технических наук, доцент, Сибирский государственный технологический университет, кафедра Промышленная экология, процессы и аппараты химических производств, доцент.
Ведущая организация: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН
Защита диссертации состоится 1 июня 2012 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 Сибирского государственного технологического университета по адресу: 660049, г.аКрасноярск, проспект Мира,а82, ауд. Ц-110, E-mail: dissovetsibgtu01@mail.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета.
Отзывы (в двух экземплярах) с заверенными подписями просим направнлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 660049, г.аКрасноярск, проспект Мира, 82.
Автореферат разослан апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Исаева Елена Владимировна
Общая характеристика работы
Актуальность работы. В настоящее время развитие лесоперерабатывающей промышленности требует принципиально нового подхода к использованию растительного сырья. Он основан на комплексной переработке лесных ресурсов и предусматривает утилизацию всей биомассы дерева, включая древесные отходы, которые служат сырьем для производства ценных продуктов.
Наличие в древесной зелени биологически активных веществ позволяет получать при ее утилизации широкий спектр препаратов для парфюмерно-косметической и пищевой промышленности, медицины, кормовых добавок для сельскохозяйственных животных.
Существующие технологии переработки древесной зелени хвойных растений не позволяют получать в качестве продукта пектиновые вещества. Однако расширение сырьевой базы для их производства в настоящее время для Российской Федерации актуально, так как позволяет сократить импорт этого продукта.
В этой связи разработка новых направлений комплексной переработки древесной зелени хвойных с получением пектиновых веществ является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Сибирского государственного технологического университета, финансируемых из средств федерального бюджета по ведомственной научной программе Развитие научного потенциала высшей школы, подпрограмма 1 Фундаментальные исследования, раздел 1.1 Исследование выполняемые в рамках тематических планов.
Цель работы заключалась в разработке комплексной переработки древесной зелени сосны обыкновенной с получением пектиновых веществ.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:
- изучить годичную динамику содержания пектиновых веществ в древесной зелени сосны обыкновенной;
- исследовать процессы ступенчатой экстракции (гексаном и этанолом) древесной зелени сосны обыкновенной и определить состав полученных продуктов;
- установить влияние технологических параметров процесса на выход пектиновых веществ из послеэкстракционного остатка;
- определить показатели качества и безопасности пектиновых веществ, оценить их конкурентоспособность;
- изучить возможность утилизации твердого остатка древесной зелени сосны обыкновенной после выделения пектиновых веществ методом биоконверсии.
Положения, выносимые на защиту: В рамках специальности 05.21.03. - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины, пункт 12, экспериментально - теоретически обоснован новый эффективный технологический процесс комплексной переработки биомассы дерева, с получением лесохимических продуктов, в том числе пектиновых веществ. В частности:
- годичная динамика пектиновых веществ в древесной зелени сосны обыкновенной с целью определения максимальных сроков заготовки сырья;
- оптимальные технологические параметры процесса экстракции древесной зелени сосны обыкновенной гексаном и этанолом с получением биологически активных продуктов;
- оптимальные технологические параметры процесса извлечения пектиновых веществ, обеспечивающие их высокий выход и показатели качества;
- утилизация твердого остатка древесной зелени сосны обыкновенной после выделения пектиновых веществ методом твердофазного культивирования гриба Pleurotus ostreatu с получением кормовой добавки;
- принципиальная схема комплексной переработки древесной зелени сосны обыкновенной, с получением пектиновых веществ, позволяющая использовать ее в качестве альтернативного сырья для производства пищевых продуктов.
Научная новизна. Предложен и экспериментально подтвержден новый подход к организации процесса комплексной переработки древесной зелени сосны обыкновенной, который позволяет осуществить извлечение экстрактивных веществ экстрагентами, соответствующими требованиям СанПиН 2.3.2.1293-03 Гигиенические требования по применению пищевых добавок, пункт 5.3 Гигиенические регламенты применения экстракционных и технологических растворителей, с получением эфирного масла, хлорофилло-каротиновой пасты, хвойного экстракта, воска и использовать послеэкстракционный остаток для выделения пектиновых веществ и производства кормовой добавки.
Практическая значимость работы. Показана принципиальная возможность комплексной переработки древесной зелени сосны обыкновенной с получением пектиновых веществ. Результаты экспериментальных исследований положены в основу предложенной технологической схемы, рекомендуемой для предприятий лесохимического профиля.
Определены показатели качества и безопасности пектиновых веществ древесной зелени сосны обыкновенной. Проведена оценка конкурентоспособности пектиновых веществ древесной зелени сосны обыкновенной.
Разработана техническая документация на пектин, полученный из древесной зелени сосны обыкновенной (ТУ 9169-009-15152660-09), рекомендованный к применению в пищевой промышленности.
Предложенный способ переработки древесной зелени сосны обыкновенной подтвержден патентом РФ № 2364409.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международных научно-практических конференциях: Фундаментальные аспекты биологии в решении актуальных экологических проблем (Астрахань, 2008 г.), Пищевые технологии и биотехнологии (Казань, 2008 г.), Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Томск, 2009 г.), и всероссийских научно-практических конференциях: Новые достижения химии и химической технологии растительного сырья (Барнаул, 2009 г.), Молодые ученые в решении актуальных проблем науки (Красноярск, 2008 - 2010 г.г.); Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития (Красноярск, 2009, 2010 г.г.), Лесной и химический комплексы - проблемы и решения (Красноярск , 2006, 2010 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ (из них автора 0, 62 п. л.), в том числе 4 - в ведущих рецензируемых научных журналах, один патент РФ на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 15 рисунков. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка, включающего 175 наименований, и 5-ти приложений.
Содержание работы
Введение. Во введении обоснована актуальность диссертационной работы и её вклад в решение проблемы комплексного использования древесной зелени хвойных.
Аналитический обзор. В обзоре проведен анализ отечественной и зарубежной литературы по теме исследования. Вопросам переработки древесной зелени хвойных посвящены работы следующих ученых: Солодкий Ф.Т, Рощин В.И., Ягодин В.И., Репях С.М., Левин Э.Д., Малютиной Л.А., Выродов В.А., Томчук Р.И., Шанина Е.В.
Несмотря на большое количество научных работ в области химической переработки древесной зелени хвойных следует отметить, что отсутствует технология выделения пектиновых веществ из этого вида сырья, основанная на использовании экстрагентов, соответствующих требованиям СанПиН 2.3.2. 1293-03, разрешающих их использование для пищевых производств. На основании анализа литературных данных сформулированы задачи, решаемые в диссертации.
Методы проведения экспериментов. В этом разделе приведено описание объектов исследования и экспериментальных установок, методов и методик исследований исходного сырья и получаемых продуктов. В работе использовали древесную зелень сосны обыкновенной. Модельные деревья для отбора проб древесной зелени подбирали в естественных древостоях. Пробные площадки находились в Емельяновском районе Красноярского края. Отобранные образцы древесной зелени соответствовали требованиями ГОСТ 21769-84 Зелень техническая. Химический анализ исходного сырья и полученных продуктов проводили, используя как химические, так и физико-химические методы анализа, преимущественно элюентную и тонкослойную хроматографию, ГЖХ, ЯМР, ИК-спектроскопию.
Показатели качества, безопасности хвойных пектиновых веществ определяли в соответствии с ГОСТ 29186-91. Для определения уровня конкурентоспособности пектинов использовали методику Дворецкой Н.С (2006 г.).
Экспериментальная часть и обсуждение результатов
Пектиновые вещества древесной зелени сосны обыкновенной. Исследовали содержание пектиновых веществ в древесной зелени сосны обыкновенной в ходе годового цикла.
Полученные результаты показывают (рисунок 1), что содержание пектиновых веществ в древесной зелени сосны обыкновенной в ходе годового цикла меняется. Для древесной зелени свойственно накопление пектиновых веществ в период покоя. В хвое их количество в зимний период достигает 4,8 %, а в побегах - 3,9 %. К весне содержание пектиновых веществ постепенно снижается с минимумом в мае месяце (3 % - в хвое; 2,6 % - в побегах).
Рисунок 1-Годичная динамика содержания пектиновых веществ в древесной зелени сосны обыкновенной
Доля протопектина от суммы пектиновых веществ в древесной зелени сосны составляет от 53,5 до 71,5 % в течение годового цикла. Эти данные свидетельствуют о том, что древесную зелень сосны обыкновенной можно использовать для промышленной переработки с целью получения пектина. Целесообразно проводить заготовку сырья с ноября по февраль.
Извлечение экстрактивных веществ из древесной зелени сосны обыкновенной. Производство пектина из древесной зелени хвойных растений выдвигает особые требования к предварительной подготовке сырья. Оно связано с извлечением из него экстрактивных веществ, отрицательно влияющих на качество получаемым пектиновых веществ. Удаление экстрактивных веществ из древесной зелени проводили, используя последовательную экстракцию гексаном и этиловым спиртом. Выбор этих экстрагентов обусловлен соответствием требованиям СанПиН 2.3.2.1293-03, разрешающих их использование для пищевых производств.
Химический состав древесной зелени сосны обыкновенной, используемой для экстракции, устанавливали по методикам, принятым в химии растительного сырья. Основную массу компонентов древесной зелени составляют полисахариды: 14,4 - 16,4 % - легкогидролизуемые, 25,0 - 27,1 % - трудногидролизуемые, и лигниновые вещества - 16,9 - 21,3 %. Древесная зелень содержит 8,1 - 9,4 % липидов и 15,4 - 20,4 % веществ, извлекаемых горячей водой. На долю веществ белковой природы до 7,2 %. Содержание хлорофиллов и каротина в древесной зелени составляет соответственно 110,4 и 14,1 мг %.
Экстрагирование древесной зелени сосны обыкновенной гексаном. Для установления условий процесса проведены экстракции древесной зелени гексаном и определен выход экстрактивных веществ в зависимости от крупности сырья, жидкостного модуля и продолжительности процесса.
Были установлены технологические параметры процесса экстрагирования гексаном: жидкостный модуль 20, крупность частиц сырья 2 4 мм, продолжительность процесса 5 ч, позволяющие выделить экстрактивные вещества со степенью извлечения не менее 80 % от содержащегося в сырье.
Полученный гексановый экстракт анализировали, используя методы элюентной и тонкослойной хроматографии, ГЖХ, ЯМР. Определен групповой состав липидов, их жирнокислотный состав, состав эфирных масел.
Гексановый экстракт содержит 80,9 % нейтральных липидов, в том числе восков 17,5 %, 4,4 % фосфолипидов и 14,8 % гликолипидов.
В составе кислот фосфолипидов и гликолипидов количественно преобладают ненасыщенные жирные кислоты. Так в фосфолипидах они составляют 71,6 %, а в гликолипидах 67,7 %.
Состав эфирного масла древесной зелени сосны обыкновенной представлен 25-ю соединениями. Среди них количественно преобладают - пинен (32,14 %), - пинен (9,45 %), 3-карен (10,12). На долю этих соединений приходится более 50 % от суммы масел.
Гексановый экстракт перерабатывали с целью получения дополнительных продуктов (хлорофилло-каротиновой пасты, хвойного воска и эфирного масла), характеристика которых в сравнении с требованиями стандартов приведены в таблицах 1- 3.
Таблица 1-Физико-химические показатели хлорофилло-каротиновой пасты древесной зелени сосны обыкновенной
Показатель | Хлорофилло-каротиновая паста | |
ГОСТ 21802-84 | Опытный образец | |
1 | 2 | 3 |
рН водного раствора | 8,00 - 9,00 | 8,50 |
Массовая доля производных хлорофилла, мг/100 г сухого продукта, не менее | 600 - 1000 | 610 |
Продолжение таблицы 1 | ||
1 | 2 | 3 |
Массовая доля каротина, мг/ 100 г сухого продукта, не менее | 20 - 45 | 22,00 |
Массовая доля воскообразных веществ, % не более | 5,0 - 10,00 | 0,50 |
Массовая доля летучих веществ, не растворимых в воде, % сухого продукта, не более | 1,50 - 4,00 | 3,00 |
Таблица 2-Характеристика воска древесной зелени сосны обыкновенной
Показатель | Хвойный воск | |
ОСТ 56-65-82 | Опытный образец | |
Внешний вид | Светло-зеленый порошок, темно- зеленый сплав | Светло-зеленый сплав |
Запах | Специфический хвойный | Специфический хвойный |
Кислотное число, мг КОН/г, не менее | 30 - 65 | 55,65 |
Эфирное число, мг КОН/г, не менее | 150 | 178,50 |
Температура каплепадения, оС | 70 - 76 | 70,0 - 75,0 |
Содержание воды и летучих веществ, % не более | 2,0 | Следы |
Массовая доля механических примесей, % не более | 0,5 | 0,2 |
Таблица 3 - Физико-химические показатели эфирного масла древесной
зелени сосны обыкновенной
Показатель | ТУ 56-258-85 | Опытный образец |
1 | 2 | 3 |
Внешний вид и цвет | Прозрачная жидкость от желтого до желтовато-коричневого цвета | Прозрачная жидкость светло - зеленого цвета |
Плотность при 20 0С, не менее, г/см3 | 0,8250 | 0,8520 |
Коэффициент рефракции при 20 0С, не менее | 1,4550 | 1,4820 |
Продолжение таблицы 3 | ||
1 | 2 | 3 |
Кислотное число, мг КОН на1г продукта, не более | 1,000 | 0,960 |
Температура начала кипения при давлении 760 мм рт. ст., 0С, не ниже | 100 | 100 |
Результаты показали, что хлорофилло - каротиновая паста, хвойный воск и эфирное масло по своим показателям соответствуют требованиям стандартов и могут быть применены для производства парфюмерно-косметических средств и продуктов бытовой химии.
Экстрагирование древесной зелени сосны этиловым спиртом. При обработке древесной зелени гексаном экстрагируются липофильные компоненты, поэтому следующей ступенью извлечения экстрактивных веществ является обработка послеэкстракционного остатка полярным экстрагентом - этиловым спиртом.
Для определения оптимальных условий экстракции был использован план Бокса - Хантера. В качестве независимых переменных выбраны следующие факторы: Х1 - продолжительность процесса экстрагирования варьировалась в пределах 1 - 5 ч; Х2 - жидкостный модуль - 8 - 20; Х3 - концентрация этилового спирта - 50 - 90 %. Задача оптимизации сводилась к определению значений технологических параметров процесса экстракции, обеспечивающих максимальную степень извлечения редуцирующих веществ Y1 max и экстрактивных веществ Y2 60,0 %.
Полученные результаты показали, что для производственного процесса наиболее приемлема продолжительность экстрагирования - 3,45 ч, концентрация этилового спирта - 80 %, жидкостный модуль 14.
Прогнозируемые значения выходных параметров при этих условиях: степень извлечения редуцирующих веществ - 71,11 %, экстрактивных веществ - 64,79 %.
В разработанном оптимальном режиме полученный этанольный экстракт древесной зелени упаривали и добавляли эфирное масло, с целью получения хвойного экстракта, который сравнивали с требованиями стандарта (таблица 4).
Результаты показали, что экстракт хвойный, полученный этанольной экстракцией, по своим показателям соответствует требованиям ТУ 81-05-97-70.
Таким образом, вторая стадия подготовки древесной зелени сосны обыкновенной для выделения пектиновых веществ позволяет получать хвойный экстракт, который может быть рекомендован для применения в качестве средства для хвойных ванн.
Таблица 4 - Показатели хвойного натурального экстракта
Наименование показателя | ТУ 81-05-97-70 | Опытный образец |
Внешний вид | Коричнево-черная жидкость с характерным запахом эфирного масла | |
Плотность при 20 оС г/см3, не менее | 1,225 | 1,226 |
Содержание эфирного масла, % не менее | 0,50 | 0,52 |
Содержание сухих веществ, % не менее | 50,00 | 50,80 |
Содержание нерастворимых веществ в воде, % от сухого остатка, не более | 15,00 | 13,30 |
Зольность, % от сухого остатка, не более | 5,00 | 2,00 |
Извлечение пектиновых веществ из древесной зелени сосны обыкновенной. Твердый остаток после экстракции этанолом использовали для выделения пектиновых веществ. Извлечение пектиновых веществ осуществляли гидролиз - экстракцией твердого остатка эквимолярной смесью щавелевой кислоты и щавелевокислого аммония. Выбор этих реагентов обусловлен качеством полученных пектиновых веществ, так как использование для этого процесса раствора щелочи приводит к повышенной зольности полученных пектиновых веществ и требует дальнейшей очистки продукта от зольных элементов.
Существенное влияние на процесс гидролиз - экстракции оказывает температура. С увеличением температуры процесса гидролиз - экстракции возрастает выход пектиновых веществ с максимумом при 80 0С.
Продолжительность экстрагирования должна быть обоснована как технологически, так и экономически. В результате исследования показано, что основное количество пектиновых веществ переходит в экстракт уже в первый час процесса, последующее увеличение продолжительности процесса на выход продукта существенного влияния не оказывает.
При изменении жидкостного гидромодуля от 5 до 10 увеличивается выход пектиновых веществ, а дальнейший его рост принципиального влияния на выход продукта не имеет.
В ходе исследований установлен оптимальный режим процесса извлечения пектиновых веществ. В качестве независимых переменных взяты: Х4 - температура 60 - 100 0С; Х5 - продолжительность процесса - 30 - 90 мин; Х6 - жидкостный модуль - 4 - 10.
Задачей оптимизации является определение значений технологических параметров процесса гидролиз-экстракции, обеспечивающих максимальную степень извлечения пектиновых веществ Y3 max, при обеспечении требуемых показателей их качества: молекулярной массы Y4 10000 и степени этерификации пектиновых веществ Y5 50 %.
В ходе исследований установлен оптимальный режим гидролиз - экстракции: температура процесса 81 0С; продолжительность процесса 60 мин; жидкостный модуль 8. Выходные параметры в этих условиях составили: степень извлечения пектиновых веществ 65,29 %; молекулярная масса 11703,05; степень этерификации пектиновых веществ 57,74 %.
Органолептические и физико-химические показатели пектиновых веществ из древесной зелени сосны обыкновенной анализировали на соответствие требованиям ГОСТ 29186-91 Пектин (таблица 5).
Таблица 5 - Анализ органолептических и физико-химических показателей
Наименование показателя | ГОСТ 29186-91 Пектин | Опытный образец |
Внешний вид | Порошок тонкого помола без посторонних примесей. Допускается наличие волокнистых фракций пектина в виде хлопьев | Сухой препарат тонкого помола без посторонних примесей |
Вкус | Слабокислый | Слабокислый |
Запах | Отсутствует | Отсутствует |
Цвет | От светло - серого до кремового | От светлоЦ серого до кремового |
Массовая доля влаги, %, не более | 10 | 10 |
Степень этерификации, % высокоэтерифицированные,более низкоэтерифицированные, менее | 50 50 | 57 - |
Студнеобразующая способность, градусы Тарра - Бейкера, не менее | 170 - 200 | 170 |
Массовая доля нитратов в расчете на ион NO3, %, не более | 0,18 | 0,18 |
Посторонние примеси, видимые невооруженным глазом | Не допускается | Отсутствуют |
Массовая доля частиц волокнистой фракции размером более 0,5 мм, % не более | 20 | 20 |
Полученные результаты свидетельствуют, что показатели пектиновых веществ из древесной зелени сосны обыкновенной соответствуют требованиям ГОСТ 29186-91Пектин, что дает возможность рекомендовать их для пищевой промышленности. В настоящее время качество продукта определяется в первую очередь его безопасностью (таблица 6).
Таблица 6 - Показатели безопасности пектиновых веществ древесной зелени сосны обыкновенной
Наименование показателя | Величина допустимых уровней в соответствии с СанПиН2.3.2.1078- 01 | Пектиновые вещества (опытный образец) |
Токсикологические показатели | ||
Нитраты, массовая доля в пересчете на нитрат - ион, % | 0,18 | 0,05 |
Ртуть, мг / кг | 1,0 | 0,0022 |
Мышьяк, мг / кг | 3,0 | 0,83 |
Кадмий, мг / кг | 1,0 | 0,02 |
Медь, мг / кг | 50,0 | 0,96 |
Свинец, мг / кг | 10,0 | 0,20 |
Цинк, мг / кг | 25,0 | 0,48 |
Стронций - 90, удельная активность, Бк / кг | 90,0 | 3,30 |
Цезий - 137, удельная активность, Бк / кг | 160,0 | 3,70 |
Микробиологические показатели | ||
МКАФАнМ, КОЕ в 1г | 5,0104 | < 100 |
Дрожжи, КОЕ в 1г | 5,0 101 | < 10 |
Плесени, КОЕ в 1г | 5,0 101 | < 10 |
БГКП (колиформы) в 0,1г | не допускается | не обнаружено |
Патогенные, в т.ч. сальмонеллы в 25 г | не допускается | не обнаружено |
По содержанию токсичных элементов и микробиологических показателей пектиновые вещества древесной зелени сосны обыкновенной, соответствуют требованиям, предусмотренным СанПиН 2.3.2.1078-01 (п. 1.9.6).
Промышленная востребованность пектиносодержащего сырья оценивается не только по количественному содержанию пектиновых веществ, но и по их аналитическим характеристикам и функциональным свойствам, которые, в свою очередь, определяют целевую направленность выделенных пектинов.
Одним из перспективных направлений применения пектиновых веществ древесной зелени сосны обыкновенной предполагается их использование для производства пищевых продуктов. В связи с этим целесообразно сравнить аналитические и физико-химические показатели пектиновых веществ из древесной зелени сосны обыкновенной с традиционными пектинами яблочным, свекловичным (таблица 7).
Таблица 7 - Аналитические и физико-химические характеристики пектинов
| Наименование показателя | Пектиновые вещества (опытный образец) | Свекловичный пектин1 | Яблочный пектин2 |
Массовая доля влаги, %, не более | 10,00 | 9,50 | 9,00 |
Степень этерификации, % | 57,74 | 47,30 | 86,60 |
Содержание карбоксильных групп, % | 19,38 | 11,40 | 13,60 |
Содержание, % -метоксильных групп -ацетильных групп | 7,42 0,18 | 5,30 0,12 | 11,84 0,28 |
Молекулярная масса | 11700 | 13840 | 19630 |
Массовая доля золы, % | 1,67 | 0,7 -1,7 | 2,47 |
Растворимость, % | 94,43 | 83,75 | 95,40 |
Выход от теоретически возможного, % | 65,29 | 64,70 | 68,30 |
ИК - спектры | подобны | ||
1Фирсов Г.Г. Разработка технологии различных типов свекловичного пектина с высокими качественными показателями: дисЕ канд. тех. наук. - Краснодар, 2004. - 153 с. 2Родионова Л.Я. Технологическое и экспериментальное обоснование технологий пектиносодержащих изделий функционального назначения: дис...д-ра тех. наук.ЦКраснодар,2004.Ц423 с. | |||
По степени этерификации пектиновые вещества древесной зелени относятся к группе высокоэтерифицированных пектинов (Е > 50 %), что характеризует их функциональные свойства в качестве гелеобразователя. Высокая степень этерификации и содержания карбоксильных групп обуславливает студнеобразующую способность пектиновых веществ древесной зелени, являющуюся определяющим фактором широкого применения пектина в производстве пищевых продуктов. Существенное влияние на студнеобразующую способность оказывает содержание метоксильных и ацетильных групп, количество которых в пектине древесной зелени занимает промежуточное положение между яблочным и свекловичным пектинами. Этим объясняется, что студнеобразующая способность исследуемого образца пектиновых веществ древесной зелени составляет 170 0ТБ и является средним между подобным показателем для яблочного и свекловичного пектинов.
Таким образом, сравнительный анализ аналитических и физико-химических характеристик пектиновых веществ из древесной зелени сосны обыкновенной с традиционным (яблочным и свекловичным) пектинсодержащим сырьем пищевой промышленности свидетельствует о том, что пектиновые вещества из древесной зелени сосны обыкновенной можно применять в качестве гелеобразователей для производства пищевых продуктов.
Содержание большого числа свободных карбоксильных групп предполагает и высокую комплексообразующую способность пектиновых веществ. Полученные результаты свидетельствует о том, что комплексообразующая способность пектина древесной зелени сосны обыкновенной сопоставима с пектинами традиционного растительного сырья и составляет 83,60 мг Рb+/г. Благодаря комплексообразующему свойству по отношению к металлам пектин является незаменимым веществом в производстве пищевой продукции функционального назначения для профилактического и лечебного питания в качестве детоксиканта.
Изучение конкурентоспособности и качества пектиновых веществ древесной зелени сосны обыкновенной показали, что они могут конкурировать с традиционными видами пектина. Исследуемый пектин обладает высокими органолептическими (вкус, цвет, запах) показателями и функциональными (гелеобразующая и комплексообразующая способности) свойствами. Кроме того, полученный продукт финансово доступен для потребителя.
На основании результатов исследований разработаны технические условия на пектин древесной зелени сосны обыкновенной ТУ 9169 -009 -15152660-09 Пектин.
Проведены испытания пектиновых веществ на пищевых предприятиях г. Красноярска ООО Красноярский хлеб и УПК ФГБОУ ВПО КГТЭИ, которые подтверждены актами.
Утилизация послеэкстракционного остатка методом биоконверсии. Комплексная переработка растительного сырья предполагает использование послеэкстракционного остатка, в котором содержится до 70 % неутилизированной биомассы. Одним из возможных методов его утилизации является твердофазное культивирование дереворазрушающим грибом и получение белковой кормовой добавки.
В работе проведено культивирование гриба Pleurotus ostreatus на твердом остатке, полученном после выделения пектиновых веществ из древесной зелени сосны обыкновенной. Культивирование гриба осуществляли при рН среды 4,5 в термостатах при температуре 28-30 0С, продолжительность обработки 15 сут, жидкостный модуль 5. Использовалась минеральная питательная среда следующего состава: NH4NO3 - 1,5 г/л, KH2PO4 - 1,0 г/л, MgSO4 - 0,5 г/л, FeSO4 - 0,0001 г/л, KCI - 0,5 г/л.
Полученный в результате микробиологической обработки ферментированный остаток, обработанный грибом Pleurotus ostreatus, характеризуется повышенным содержанием протеина и высокой перевариваемостью, что дает возможность его рекомендовать в качестве кормовой добавки согласно требованиям ТУ 477-15-147-80.
Технологическая часть. На основе полученных результатов была разработана схема комплексной переработки древесной зелени сосны обыкновенной.
Принципиальная схема комплексной переработки древесной зелени сосны обыкновенной представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Принципиальная схема комплексной переработки древесной зелени сосны обыкновенной с получением пектиновых веществ
Схема основана на двухступенчатой экстракции древесной зелени сосны обыкновенной с получением гексанового и этанольного экстрактов, которые далее перерабатывают с получением эфирного масла, хлорофилло-каротиновой пасты, хвойного воска, хвойного экстракта. Послеэкстракционный остаток используют для выделения пектиновых веществ и производства кормовой добавки. Предлагаемый способ позволяет осуществить комплексный подход к использованию древесной зелени сосны обыкновенной и дает возможность эффективно утилизировать отходы переработки древесной зелени с получением новых продуктов.
Проведенные технико-экономические расчеты показали экономическую эффективность разработанной комплексной переработки древесной зелени сосны обыкновенной. Рентабельность предприятия составляет 46,3 %, а срок окупаемости 2,2 года.
Основные результаты и выводы по работе
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- Определена годичная динамика содержания пектиновых веществ в древесной зелени сосны обыкновенной. Установлено, что их количество изменяется от 2,9 %, до 4,6 %, с максимумом в период покоя. Фракционный состав пектиновых веществ древесной зелени меняется в пределах от 53,5 % до 71,5 %. Полученные результаты дают возможность использования древесной зелени сосны обыкновенной в качестве сырья для получения пектиновых веществ.
- Изучен процесс ступенчатого экстрагирования древесной зелени сосны обыкновенной экстрагентами (гексаном и этанолом), разрешенными для пищевых производств, и определены их оптимальные режимы. Установлены состав и физико-химические показатели продуктов экстракции: эфирного масла, хлорофилло - каротиновой пасты, хвойного воска и хвойного экстракта. Полученные продукты полностью соответствуют требованиям нормативно - технической документации.
- Установлено влияние технологических факторов процесса гидролиз - экстрагирования послеэкстракционного остатка на выход пектиновых веществ. Определены оптимальные режимы извлечения пектина.
- Показана возможность утилизации послеэкстракционного остатка после выделения пектиновых веществ методом биоконверсии с получением кормовой добавки.
- Разработаны ТУ 9169-009-15152660-09 Пектин. Проведены испытания пектиновых веществ на пищевых предприятиях г. Красноярска. Установлены регламентируемые показатели качества и безопасности пектиновых веществ и их конкурентоспособность по технологическим свойствам.
- Разработана схема комплексной переработки древесной зелени сосны обыкновенной, позволяющая увеличить коэффициент использования сырья за счет ступенчатого процесса его экстрагирования с получением на ряду с традиционными продуктами (эфирного масла, хлорофилло - каротиновой пасты, хвойного воска, хвойного экстракта), пектиновых веществ и кормовой добавки.
- Проведенные технико-экономические расчеты показали экономическую целесообразность комплексной переработки древесной зелени сосны обыкновенной по разработанной схеме. Срок окупаемости 2,2 года, а рентабельность 46,3 %.
Основные материалы диссертации изложены в следующих работах:
Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах:
- Речкина, Е.А. Выделения пектиновых веществ из древесной зелени сосны обыкновенной / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Химия растительного сырья. - 2010. - № 4. - С.189-190, автора - 0,08 п. л.
- Речкина, Е.А. Пектин хвои. Оценка безопасности / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Пищевая промышленность. - 2010. - № 7. - С.13-14, автора - 0,04 п. л.
- Речкина, Е.А. Оценка конкурентоспособности пектина сосны обыкновенной / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская, Е.С. Лысова // Пищевая промышленность. - 2011. - № 7. - С. 32-34, автора - 0,06 п. л.
- Речкина, Е.А. Особенности производства пектиновых веществ из хвойного сырья / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Современные наукоёмкие технологии. - 2010. - № 1. - С. 35-38, автора - 0,06 п. л.
Патент:
- Пат.2364409 Способы переработки древесной зелени сосны обыкновенной / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская. - Заявл. 30.06.2008; Опубл. 20.09.2009. Бюл. № 23.
Публикации в прочих изданиях:
- Речкина, Е.А. Пектиновые вещества древесной зелени сосны обыкновенной / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Пищевые технологии и биотехнологии: материалы IX междунар. конф. молодых ученых. - Казань, 2008. - С. 269, автора - 0,02 п. л.
- Речкина, Е.А. Древесная зелень хвойных - перспективный источник пектиновых веществ / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Фундаментальные аспекты биологии в решении актуальных экологических проблем: материалы междунар. науч.-прак. конф., посвященной 100-летию со дня рождения К.В. Горбунова. - Астрахань, 2008. - С. 56-58, автора - 0,04 п. л.
- Речкина, Е.А. Нетрадиционное сырье для выделения пектиновых веществ / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Инновации в науке и образовании: материалы всерос. очно-заоч. науч.-практ. и науч.-метод. конф. с междунар. участием. - Красноярск, 2008. - С. 136-137, автора - 0,04 п. л.
- Речкина, Е.А. Комплексная переработка древесной зелени сосны обыкновенной / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Новые достижения химии и химической технологии растительного сырья: материалы IV всерос. конф. - Барнаул, 2009. - С.45-46, автора - 0,04 п. л.
- Речкина, Е.А. Перспективный источник пектиновых веществ для пищевой промышленности / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Пищевые технологии и биотехнологии: материалы X междунар. конф. молодых ученых. - Казань, 2009. - С. 92, автора - 0,02 п. л.
- Речкина, Е.А. Свойства пектиновых веществ древесной зелени сосны обыкновенной / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки в рамках II общегородской Ассамблеи Красноярск. Технологии будущего: материалы всерос. науч.-практ. конф. аспирантов. - Красноярск, 2009. - С. 301-304, автора -0,06 п. л.
- Речкина, Е.А. Сосна обыкновенная - источник пектина для пищевой промышленности / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: материалы XV междунар. науч. - практ.конф. - Томск, 2009. - С. 56-58, автора - 0,04 п. л.
- Речкина, Е.А. Перспективы использования пектиновых веществ древесной зелени сосны обыкновенной / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: материалы всерос. науч.-практ. конф. Красноярск, 2010. - Т.2. Ц С. 36-37, автора - 0,06 п. л.
- Речкина, Е.А. Потребительские свойства пектиновых веществ древесной зелени сосны обыкновенной / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: материалы всерос. науч.-практ. конф., посвященной 80-летию СибГТУ. - Красноярск, 2010. - С. 8-9, автора - 0,04 п. л.
- Речкина, Е.А. Пектиновые вещества древесной зелени сосны обыкновенной для пищевой промышленности / Е.А. Речкина, Г.А. Губаненко, Л.П. Рубчевская // Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития. Инновации в научно-практической деятельности: материалы всерос. науч.-практ. и науч.-метод. конф. - Красноярск, 2010. - С.115, автора - 0,02 п. л.
Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г.
Подписано в печать . Формат 60х84/19. Бумага тип. № 1
Печать - ризограф. Учл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 1369
Издательство Красноярского государственного торгово-экономического института
660075, Красноярск, ул. Л. Прушинской, 2
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям