Совершенствование технологии комплексной переработки плодов клещ

На правах рукописи

ОЛЬХОВАТОВ Егор Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ

ПЛОДОВ КЛЕЩЕВИНЫ

Специальность 05.18.06 – Технология жиров, эфирных масел и

парфюмерно-косметических продуктов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Краснодар – 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО

«Кубанский государственный аграрный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Щербакова Елена Владимировна

Официальные оппоненты:

Мустафаев Сергей Кязимович

доктор технических наук, профессор кафедры технологии жиров, косметики и экспертизы товаров ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»;

Багалий Татьяна Михайловна

кандидат технических наук, зам. директора ИЦМП «Аналитик» (г. Краснодар)

Ведущая организация:

Северо-Кавказский филиал Всероссийского научно-исследовательского института жиров Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится «5» ноября 2013 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. Г-248

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Автореферат разослан «4» октября 2013г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

канд. техн. наук, доцент М. В. Филенкова

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность темы. Вопросы протеинового питания сельскохозяйственных животных актуальны как в нашей стране, так и за рубежом, и это диктует необходимость расширения ресурсов кормового белка для животноводства, в том числе за счет использования нетрадиционных источников белка.

Белки семян клещевины, потенциально являясь полноценным кормовым продуктом, содержат ряд антипитательных и токсичных компонентов, что не позволяет использовать их в качестве кормовой добавки без предварительной подготовки. В то же время семена клещевины и получаемые из них после извлечения масла жмыхи и шроты отличаются высоким содержанием белка, богатого незаменимыми аминокислотами, что даёт основание считать их перспективным сырьём для кормового и технического использования при условии создания эффективных способов обезвреживания.

Существующие традиционные способы устранения токсичности белковых компонентов вторичных продуктов, вырабатываемых при переработке семян клещевины по технологии форпрессования-экстракции с получением технического касторового масла в качестве основного продукта, для снижения токсичности белков предполагают высокотемпературную обработку практически полностью обезжиренного шрота, после которой он может быть использован при составлении кормовых смесей для сельскохозяйственных животных.

Главным недостатком такой технологии является применяемая для детоксикации шротов высокотемпературная обработка, влекущая за собой существенные энергозатраты и неизбежную денатурацию белков, что снижает их питательную и кормовую ценность. Кроме этого, такая технология применяется лишь для продуктов с очень низкой остаточной масличностью – шротов.

Вторичные продукты, получаемые после извлечения из семян прессового медицинского касторового масла – жмыхи, имеют существенно меньшее практическое использование из-за остаточной масличности, которая из-за особенностей касторового масла может затруднить эффективное снижение токсичности при высокотемпературной обработке, традиционно применяемой для обезжиренного клещевинного шрота.

В условиях растущего дефицита кормового белка разработка универсального способа детоксикации белков семян клещевины, позволяющего вырабатывать обезвреженные жмыхи и шроты с высокой протеиновой ценностью, приобретает особую актуальность. Детоксикация белков семян клещевины позволит также изыскать и другие способы использования получаемого вторичного сырья, например, в качестве материала для выработки клеевого состава.

Плодовые оболочки, являющиеся существенным по объёму отходом, получаемым при производстве касторового масла, на данный момент не находят целесообразного применения.

Актуальность проблемы, решению которой посвящена диссертационная работа, подтверждается её соответствием основными положениями Федерального закона РФ «О качестве и безопасности пищевых продуктов» (2000г.) и Федеральной целевой программы «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007–2012г.г.», включением рассматриваемой проблемы в список критических технологий Российской Федерации (2008г.), а также отражает актуальные проблемы, отмеченные в Распоряжении Правительства РФ от 25.10.2010г. № 1873-р. «Основы государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения» на период  до 2020 года.

1.2 Целью работы является совершенствование технологии комплексной переработки плодов клещевины с детоксикацией белков семян для получения жмыхов и шротов кормового и технического назначения, а также пектиновых веществ из плодовых оболочек.

1.3 Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

– исследовать эффективность режимов термической обработки, применяемой при детоксикации клещевинных шротов, для обезвреживания клещевинных жмыхов;

– изучить влияние биохимических процессов, происходящих в семенах клещевины при прорастании, на изменение токсичности белков;

– разработать способ биотехнологической обработки для снижения токсичности белкового комплекса семян клещевины;

– изучить влияние биотехнологической обработки на токсичность жмыха и качество масла при переработке семян двукратным прессованием;

– провести апробацию разработанного способа в производственных условиях переработки семян клещевины по схеме 2-х кратного прессования и разработать техническую документацию на жмых клещевинный кормовой;

– изучить влияние предложенного способа биотехнологической обработки семян клещевины на токсичность получаемых из них шротов;

– разработать способ получения безопасного клеевого состава из нетоксичных жмыхов и шротов, получаемых из семян клещевины после их переработки;

– исследовать пектиновый комплекс покровных тканей плодов клещевины и обосновать возможность использования плодовой оболочки клещевины для получения пектина технического назначения;

– определить экономическую эффективность предложенных технологических решений.

1.4 Научная новизна. Установлена зависимость токсичности жмыхов клещевины, образующихся при получении масла медицинского назначения, от растворимости белковой фракции и остаточной масличности.

Впервые установлена эффективность снижения токсичности белков семян путем биотехнологической обработки плодов клещевины с последующим получением из них качественного касторового масла, а также жмыхов и шротов кормового и технического назначения. Экспериментально подтверждена гипотеза о деградации токсичного белка при биотехнологической обработке плодов и семян клещевины, заключающейся в управлении биохимическими процессами начального этапа самосогревания плодов и семян.

Впервые экспериментально обоснована возможность использования плодовых оболочек клещевины в качестве сырья для получения пектина технического назначения. Выявлено положительное влияние условий биотехнологической обработки плодов на качественные характеристики пектиновых веществ плодовой оболочки клещевины.

Новизна работы подтверждена 4 патентами РФ на изобретения.

1.5 Практическая значимость. Разработан способ детоксикации белков семян клещевины, позволяющий получать масло медицинского назначения стандартного качества, белковые продукты различного назначения – кормового с высокими показателями относительной биологической ценности (ОБЦ) и технического, для получения безопасного клеевого состава при отсутствии дополнительных ресурсо- и энергозатрат, а также пектиновых продуктов технического назначения с модифицированными свойствами.

Разработана методика определения массовой доли пектиновых веществ в растительном сырье, позволяющая повысить точность результатов анализов при снижении затрат времени и труда, исключив использование специфического оборудования.

Разработаны технические условия на жмых, получаемый при применении предложенного способа снижения токсичности белков семян клещевины, а также на кормовую смесь для откорма крупного рогатого скота.

1.6 Реализация результатов исследования. Практическую реализацию результатов исследований проводили в условиях учебно-научных лабораторий кафедр технологии хранения и переработки растениеводческой продукции, биотехнологии, биохимии и биофизики факультета перерабатывающих технологий ФГБОУ ВПО «КубГАУ». Отдельные технологические решения апробированы в опытно-производственных условиях УНИК «Технолог» и ООО «Касторсервис» (г.Волгоград). Разработанный способ получения кормовых жмыхов из семян клещевины и использование этого продукта в качестве компонента кормовой смеси для откорма крупного рогатого скота прошли апробацию на предприятии ООО «Вита-Лайн» (станица Динская Краснодарского края).

1.7 Апробация работы. Научные разработки диссертации награждены дипломами Всероссийской выставки НТТМ (Москва, ВВЦ, 2008г.) и II всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2008г). Предложенные способы являются победителями программы «УМНИК» финансирования НИОКР (2012-2013г.г. и 2013-2014г.г.), а также бронзовыми призёрами XVI Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2013».

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II и IV всероссийских научно-практических конференциях молодых учёных «Научное обеспечение агропромышленного комплекса», г.Краснодар, 19-21 ноября 2008г, и 24-26 ноября 2010г.; международной научно-практической конференции «Олимпиада 2014: технологические и экологические аспекты производства здорового питания», г. Краснодар, 1-3 июня 2009г.; IV международной конференции молодых учёных и специалистов «Актуальные вопросы селекции, технологии и переработки масличных культур», г.Краснодар, 27-29 марта 2007г.; VII международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности», г.Минск, 2-3 октября 2008г.; I международной научно-практической конференции преподавателей, молодых учёных и аспирантов аграрных вузов РФ «Инновационные процессы в АПК», г.Москва, 25-27 марта 2009г.; международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве», г.Минск, 19-20 октября 2010 и 2011г.г.; III международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи – путь к обществу, основанному на знаниях», г.Москва, 28 июня – 1 июля 2011г.; Международной научно-практической конференции «Повышение интенсивности и конкурентоспособности отраслей животноводства», 14-15 сентября 2011 г., г.Жодино; Х международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности», 5-6 октября 2011 г., г.Минск; XIX Международной научно-практической конференции «Современные тенденции и технологические инновации в свиноводстве», 4–6 октября 2012 г, г.Горки.

1.7 Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 22 научных работы, в их числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки РФ, 1 монография, 14 материалов конференций; получено 4 патента РФ на изобретения.

1.8 Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора отечественной и зарубежной научно-технической литературы и патентной информации, методической и экспериментальной части, выводов, рекомендаций, списка литературных источников и приложений. Основная часть работы выполнена на 119 страницах текста компьютерной вёрстки, содержит 16 таблиц, 14 рисунков. Список литературных источников включает 195 наименований, из которых 43 на иностранных языках.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Методы исследования. Отбор проб образцов – плодов, семян, прессовых жмыхов клещевины и анализ их физико-химических показателей, осуществляли в соответствии с методами, принятыми в масложировой промышленности.

Общий азот белковых фракций определяли по Къельдалю, растворимость белков по Осборну, количество небелкового азота – после осаждения белков ТХУ; относительную биологическую ценность (ОБЦ) и относительное снижение токсичности (ОСТ) белков анализировали биотестированием на тесторганизмх Tetrachymena pyryphormis и Stylonychia mytilus; токсичность белков семян и жмыхов – по агглютинации эритроцитов крови.

При исследовании пектинового комплекса покровных тканей плодов клещевины использовали общепринятые методы: фракционный состав и массовую долю фракций пектиновых веществ определяли объёмным и кальций-пектатным методами; пектиновые вещества из предварительно приготовленных экстрактов выделяли методом спиртоосаждения, а их аналитические характеристики определяли кондуктометрическим методом.

Кроме этого, для исследования фракционного состава и массовой доли фракций пектиновых вещества была разработана и применялась оригинальная методика.

Статистическую оценку достоверности полученных экспериментальных данных вели по методикам с применением офисного редактора Microsoft Excel.

Теоретические и экспериментальные исследования осуществляли в соответствии со структурной схемой, приведенной на рисунке 1.

2.2 Объекты исследования. Объектами исследования служили плоды и семена клещевины сорта Хрустальная 66 селекции ВНИИМК урожаев 2006–2010гг, выращенной на территории Краснодарского края, промышленные смеси семян, полупродукты и готовая продукция, получаемые при переработке семян клещевины на малом предприятии ООО «Касторсервис» (г. Волгоград).

2.3 Изучение влияния режимов детоксикации клещевинных шротов на процесс обезвреживания клещевинных жмыхов. На первом этапе работы были изучены химический состав и показатели, характеризующие безопасность объектов исследования. Полученные данные представлены в таблице 1.

Было установлено, что жмыхи, которые образуются при переработке плодов клещевины для получения медицинского касторового масла методом двукратного прессования семян, несмотря на некоторое снижение их токсичности в ходе влаготепловой обработки, предшествующей второму прессованию, отличаются ещё достаточно высокой токсичностью, которую традиционно связывают с веществами белковой природы.

Таблица 1 –Химический состав объектов исследования

Наименование

показателя

Значение показателя для образца

Семена

клещевины Хрустальная 66

Клеще-винный шрот

Жмыхи клещевины

первого прессования

второго

прессования

Массовая доля, %:

липидов

влаги

белков

углеводов и БЭВ

ОБЦ, %

Токсичность,

усл. %

51,88

4,56

19,54

24,01

64

100

2,0…3,0

7,5…9,0

34…44

44…56

48,3

70

18,64

7,82

24,92

48,62

66

68

7,48

6,42

28,62

57,48

72

62

Далее исследовалось влияние ранее разработаных режимов детоксикации клещевинных шротов на процесс обезвреживания промышленных жмыхов первого и второго прессования, для чего их подвергали тепловой обработке в лабораторных условиях при увлажнении 15…18 % и температуре 100…120 оС при продолжительности процесса 20…120 мин. Для сравнения было исследовано влияние температурных режимов детоксикации на образцы семян, жмыхов и шрота (рисунок 2).

Из рисунка видна динамика снижения токсичности исследованных образцов: максимальная детоксикация наблюдается в образце с минимальной масличностью – шроте.

EMBED MSGraph.Chart.8 \s

Рисунок 2 – Влияние длительности влаготепловой обработки (температура 100оС) на снижение токсичности объектов с различной масличностью

В ходе исследований было также установлено, что современные технологии обезвреживания клещевинных шротов, применяющие для снижения температуры процесса влаготепловой обработки химические реагенты (мочевина и кремниевая кислота), показали себя неэффективными для детоксикации прессовых жмыхов в силу их высокой остаточной масличности, препятствующей контакту токсичного компонента с реакционной средой.

Из полученных данных следует, что необходимо разработать принципиально иной способ детоксикации жмыхов, не связанный с влаготепловой обработкой и применением химических реагентов (мочевины и кремниевой кислоты), а также учитывающий биохимические особенности сортов клещевины современной селекции.

На следующем этапе проводились исследования особенностей фракционного состава белкового комплекса семян клещевины, позволяющие получить представление о специфике их токсичного компонента.

2.4 Исследование токсичности белковых фракций семян клещевины. По данным ранее проведённых исследований известно, что в белках семян клещевины наиболее токсичной является водорастворимая фракция. В связи с этим нами исследовалась токсичность различных фракций белков в семенах перспективного сорта клещевины Хрустальная 66. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Токсичность различных белковых фракций семян

клещевины

Фракции белков

Токсичность фракций в образцах, усл. %

Семена клещевины сорта Хрустальная 66

Промышленные

смеси семян

Водорастворимая

Солерастворимая

Щелочерастворимая

98

2

0

86

12

2

Из приведённых данных следует, что в семенах клещевины перспективного сорта Хрустальная 66, в отличие от семян используемых промышленностью сортов (Белореченская, Щербиновская, Волжская и др.), практически все токсичные белки сосредоточены в водорастворимой фракции, инактивировав которую, можно снизить общую токсичность белков. Поиск возможных путей инактивации токсичного компонента белков семян клещевины являлся задачей следующего этапа проводимых исследований.

2.5 Исследование влияния биохимических процессов, происходящих в семенах клещевины при прорастании, на изменение их токсичности. Известно, что водорастворимые низкомолекулярные белки семян при прорастании разрушаются на начальных этапах процесса под воздействием протеолитических эндоферментов, поэтому изучалось влияние биохимических процессов прорастания на изменение токсичности белков семян клещевины.

Для этого был проделан ряд опытов, показывающих степень влияния длительности и условий прорастания семян клещевины на снижение токсичности их белковых фракций. Полученные экспериментальные данные приведены в таблице 3. Из данных таблицы следует, что на 2-е сутки процесса прорастания семян клещевины токсичность их белков снижается до 20% (от исходных 100%), что является весомым аргументом в пользу применения биохимических процессов прорастании с целью устранения токсичного компонента.

Таблица 3 – Снижение токсичности белков семян клещевины

при прорастании

Длительность

прорастания, сут.

Общий азот,

N*6,25

Токсичность белков,

% от исходного

0

1

2

3

19,54

20,02

20,80

19,60

100

45

20

0

Дальнейшие исследования показали, что на первых стадиях прорастания при активации собственных протеолитических ферментов гидролизуется в основном водорастворимая фракция белков семян клещевины.

Таким образом, полученные в ходе работы экспериментальные данные показали, что биохимические процессы, происходящие в семенах клещевины на начальных этапах прорастания, почти полностью устраняют токсичность их белкового комплекса. Поэтому было выдвинуто предположение, что создание для свежесобранных плодов таких параметров среды, при которых инициируются аналогичные биохимические процессы, при условии их контролируемости будет способствовать снижению токсичности белков клещевины. На следующем этапе исследований разрабатывали режимы биотехнологической обработки семян клещевины для снижения токсичности её белкового комплекса.

2.6 Разработка способа снижения токсичности белкового комплекса семян клещевины биотехнологической обработкой. В основу разрабатываемого способа положено применение биохимических процессов, аналогичных тем, что протекают на начальных этапах прорастания семян. На стадии разработки режимов биотехнологической обработки плодов клещевины, свежеубранные плоды и части плодов с семенами (третинки) при влажности 15±2% выдерживали в условиях, исключающих потерю влаги и тепла. Приведённые кондиции соответствуют литературным данным о среднестатистических показателях влажности плодов клещевины в момент их уборки и поступлении на переработку.

Наличие плодовой оболочки на основной массе семян позволяет создавать и поддерживать влажность, достаточную для протекания процесса. Качество масла семян клещевины контролировали по величине кислотного и перекисного чисел, массовой доли вторичных продуктов окисления, на изменение которых оказывает влияние совокупность таких факторов, как длительность биотехнологической обработки и изменяющиеся при этом температура и влажность среды (таблица 4).

В качестве контроля использовали семена плодов, не подвергавшихся биотехнологической обработке.

Таблица 4 – Зависимость показателей качества масла от условий биотехнологической обработки плодов

Условия обработки

Значение показателя

Длительность биотехнологической обработки, сут.

Массовая доля влаги , %

Температура плодов, оС

Кислотное число,

мг КОН/г

Перекисное число,

ммоль

активного кислорода /кг

Массовая доля вторичных продуктов окисления, %

0

1

2

3

15,0

17,3

19,1

21,9

20

21

22

23

0,85

0,93

1,09

2,20

3,20

3,62

4,26



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | ... | Вперед → | Последняя | Весь текст